電網雷害風險評估研究范文

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摘要:

以電網遭受雷害多影響因子作為研究重點，采用層次分析與模糊數學相結合理論，對高壓電網展開雷害風險評估研究。以某地500kV高壓電網為工程背景，以雷擊跳閘率、雷擊重合閘率、手動強送成功率、供電可靠性、線路重要性等級、運行時間、設備損害性指標為評估電網雷害風險的分析因子，將該地電網雷害風險等級定為Ⅲ級中等雷害風險，并對此提出針對性的防雷措施，以給工程實際提供指導與借鑒。

關鍵詞:

電網雷害;風險評估;層次分析法;模糊數學理論;防雷措施

近些年來，隨著國民經濟的迅速發展與電力需求的不斷增長，對輸電線路供電可靠性的要求越來越高，電力生產的安全問題也越來越突出。對于輸電線路來講，雷擊跳閘一直是影響高壓送電線路供電可靠性的重要因素［1-2］。而大氣雷電活動的隨機性和復雜性，造成架空線路的雷擊跳閘成為困擾安全供電的一個難題。盡管國家電網取得了快速的發展，但是相應的電網安全問題也開始越發突出，其中雷電災害作為無法避免的外部災害，給電網的安全運營帶來了很大的風險。通常情況下，由于變電站安設有直擊雷防護裝置而使得雷電災害對變電站的影響有限，其影響主要集中在高壓輸電線路。

架空輸電線路防雷是電力系統防雷工作的重要方面，常用的防雷改進措施有［3］:架設避雷線、安裝避雷針、加強線路絕緣、采用差絕緣方式、升高避雷線減小保護角、裝設消雷器及預放電棒與負角保護針、使用接地降阻劑等。解決線路的雷害問題，要從實際出發因地制宜，綜合治理。

通常而言，雷電災害輕則造成輸電線路同一輸電通道多回線路相繼跳閘、同塔雙回線路同時閃絡等故障，重則造成長時間電力供應中斷甚至永久性故障。目前，對于高壓輸電線路遭受雷害的風險研究［4］，相關學者及機構僅以雷擊跳閘率作為高壓輸電線路遭受雷害的評價指標，這是不合理的，因為盡管雷擊引起的線路跳閘次數較多，但因重合閘成功率較高，其占非計劃停運比例要比其占跳閘比例低。此外，輸電線路的雷電災害影響因子不是單一的，它除了受雷擊跳閘率控制，還與輸電線路雷電活動強度、地閃密度、線路走廊雷電活動頻率、地形地貌、輸電線路對電網重要性程度等因子有關，需要考慮多因素影響結果［5］。因此，本文從電網遭受雷害的多影響因子作為出發點，采用層次分析與模糊數學相結合的理論，對其展開風險評估研究，并對此提出防雷措施，以給工程實際提供指導與借鑒。

1理論方法

1．1層次分析法20世紀70年代初，美國學者SattyT．L．提出了層次分析法［6］，它是一種層次權重決策分析方法，該方法基于網絡系統理論和多目標綜合評價，能夠將定量分析與定性分析相結合，對多目標、復雜問題展開準確的決策。層次分析總的來說包含4個步驟:建立層次結構模型、構造兩兩比較的判斷矩陣、層次單排序及一致性檢驗、層次總排序及一致性檢驗。

1．2模糊數學法模糊數學又稱Fuzzy數學，是研究和處理模糊性現象的一種數學理論和方法，1965年，模糊數學開始得到快速發展［7］。模糊數學法首先要求給出電網雷害影響因素集合U及雷害風險發生級別集合V，U中每一個單因素對應雷害風險級別V的模糊子集為單因素模糊矩陣R，再根據每個因素對目標貢獻程度，得到權重矩陣A，最后對矩陣R進行關于A的模糊變換，得到目標事物的評判集B。

1．3綜合評價層次分析的優點是能夠定量地得到定性的因素的權重值，再結合模糊數學理論，才能夠綜合計算出要分析對象的結果。基于層次分析-模糊數學綜合評價，首先要確定各層次各因素兩兩之間的權重。為避免對權重定性賦值帶來的失準，SattyT．L．提出了一致判斷矩陣法，該方法采用1～9標度法的相對尺度，以提高準確度，當一致性比率小于0．1時，認為能夠得到滿意的一致性［8］。

2電網雷害多影響因子分析

輸電線路是電力系統的最重要的組成部分，由于它暴露在復雜多變的自然環境里面，因此很容易且無法避免受到外界環境的影響和損害，尤其是當雷雨天氣發生時，輸電線路易于遭受雷擊，并發生停電事故。因此，要進行電網雷害研究，首先要確定影響電網雷害的因素有哪些。電網遭受雷害的影響因子不是單一的，也不是幾個因子單獨發生作用，而是多個因子發生耦合作用。根據目前國內外的研究成果［9-10］，評估電網雷害風險的因子主要有雷擊跳閘率、雷擊重合閘率、手動強送成功率、供電可靠性、線路重要性等級、運行時間、設備損害性指標。據此，建立電網雷害多因子層次結構示意圖，結構為:A為目標層，即:電網雷害風險;B為準則層，具體為B1(供電可靠性)、B2(運行時間)、B3(重要性等級)、B4(設備損害性);C為方案層，即:各個線路，具體為C1(線路1)、C2(線路2)…Cn(線路n)。層次結構示意圖見圖1。

3工程實例分析

3．1工程概況我國南方某地區500kV電網含有3條輸電線路D、E、F，現以該地區這3條輸電線路2007—2012年的實測數據，來分析預測該地區的雷害風險等級。3條輸電線路的準則層實測數據占比如表1所示(以1為基數)。

3．2綜合分析

3．2．1層次分析結構根據電網雷害多因子分析結果，結合應用實例表1數據，在Yaahp層次分析軟件建立電網雷害風險等級的層次結構模型，層次結構模型如圖2所示。對于層次結構模型中的電網雷害風險等級，本文劃分為4個級別:Ⅰ級無風險、Ⅱ級低風險、Ⅲ級中等風險、Ⅳ級高風險。

3．2．2一致性檢驗矩陣在層次結構模型的基礎上，結合1～9標度類型及專家系統意見，賦予B1～B4、C1～C3相應的權重分值，最終得到A－B、B1－C、B2－C、B3－C、B4－C5個判斷矩陣。

3．2．3計算權重在矩陣判斷一致性檢驗的基礎上，進一步計算A－B、B－C排序的單排序權重值及6個因素的總排序權重值，權重計算結果如表2所示。把表2中的權重值用向量的形式表示，即得權重矩陣:A［0．475299，0．257689，0．267112］。

3．2．4隸屬函數和模糊矩陣就每個雷害影響因素進行統計與分析，每個因素對應的不同雷害級別為一個隸屬函數。本文定義該隸屬函數為降半階梯分布函數，取階次k=1。分布函數的方程。3．2．5綜合評判根據上述計算，現對模糊矩陣R進行關于權重矩陣A的模糊變換，最終得到目標事物的最終評判集B。根據模糊數學中的貼近度原理，所得到的評判集B=［B1，B2，B3，B4］=［Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ級雷害風險］，其中最大隸屬度Bi所在的位置即對應目標的最終評判級別。因此，該地區電網的最大隸屬度為B3=0．902=Ⅲ級中等雷害風險，需要采取相應防雷害措施。

4輸電線路的雷害原因分析

輸電線路雷擊閃電是由雷云放電造成的過電壓通過線路桿塔建立放電通道，導致線路絕緣擊穿［11］。這種過電壓可分為直擊雷過電壓和感應雷過電壓。輸電線路感應雷過電壓最大可達到400kV左右，它對35kV及以下線路絕緣威脅很大，但對于110kV及以上線路絕緣威脅較小［12］。110kV及以上輸電線路雷擊故障多由直擊雷引起，并且同接地裝置的完好性有直接的關系。直擊雷又分為反擊和繞擊，都嚴重危害線路安全運行。反擊雷過電壓是雷擊桿頂或避雷線出現的雷過電壓，主要與絕緣強度和桿塔接地電阻有關，一般發生在絕緣弱相，無固定閃絡相別。繞擊雷過電壓是雷電繞過避雷線直接擊中導線而出現的雷過電壓，主要與雷電流幅值、線路防雷保護方式、桿塔高度、特殊地形有關，主要發生在兩邊相。

5電網線路防雷措施

結合目前我國輸電線路的電壓等級、我國各地雷電活動的規律、線路所經區域的不同地形、地貌特點、土壤電阻率等自然條件，目前常用的防雷保護措施主要有以下幾種［13-15］。(1)架設避雷線避雷線能夠對雷電產生分流作用，降低桿塔頂端電位，同時，其對導線有耦合作用，對導線有屏蔽作用，它是高壓及超高壓輸電線路基本的防雷手段。(2)改善接地網形式由于接地裝置的接地電阻大小是防止雷擊閃絡的關鍵，因此可以通過改善接地網形式，降低桿塔的接地電阻值，對桿塔降低接地裝置的工頻接地電阻，是提高線路耐雷水平、防止雷電波反擊的有效措施。(3)架設耦合地線架設耦合地線無法減少雷電繞擊率，但其能夠通過增加避雷線與導線間的耦合作用，來降低絕緣子串上電壓，達到分流雷電流的目的，進而增加輸電線路的耐雷水平。(4)適當提高桿塔的絕緣水平提高桿塔的絕緣水平，能夠對防止繞擊起到一定的作用，也能對防止雷擊桿塔頂部的反擊過電壓產生效果。(5)采用不平衡絕緣方式當普通的防雷措施不能滿足現代高壓及超高壓線路的防雷要求時，可以通過采用不平衡絕緣方式，以避免雙回線路在遭受雷擊時同時跳閘。(6)裝設避雷器避雷線的架設在一定程度上降低了導線上的感應過電壓，但不是完全消除，這就要求安裝避雷器來將雷電流泄放到大地，從而限制過電壓，保障輸電線路及設備的安全。一般在線路交叉處、高度較高的桿塔頂端、終端塔上裝設避雷器以限制過電壓。

6結語

電網雷害盡管是小概率事件，但其具有隨機性強，一旦發生損失大的特點，而輸電線路的雷電災害影響又是受諸如雷擊跳閘率、雷電活動強度、地閃密度、線路走廊雷電活動頻率、地形地貌、輸電線路對電網重要性程度等多因子控制，因此在實際電網雷害風險評估中，需要考慮多因素耦合作用的結果。此外，還應結合高壓輸電線路運行經驗以及系統運行方式，通過比較選取合理的防雷設計，以提高高壓輸電線路的耐雷水平。

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作者：強祥 單位：華東送變電工程公司