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(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

1 引言

輸電線路雷擊故障一直是造成輸電線路故障最主要的原因，如何降低雷擊故障一直都是國(guó)家電網(wǎng)待解決的問題。最近我國(guó)大力發(fā)展電網(wǎng)建設(shè)，許多線路都會(huì)經(jīng)過雷區(qū)，并且線路走廊的稀缺以及多回路線路的輸電線路增多，會(huì)導(dǎo)致雷擊跳閘的次數(shù)逐漸增多。因此，為了降低輸電線路雷擊跳閘率必須采取一定的防雷措施，比如降低桿塔極低電阻、架設(shè)耦合地線、安裝線路避雷器、加強(qiáng)線路絕緣、減小地線保護(hù)角、加裝避雷針等方案。但是隨著電網(wǎng)建設(shè)逐漸加大，單一防雷措施已經(jīng)無法滿足輸電線路安全運(yùn)行的要求，因此我們有必要研究有效的綜合防雷措施來提高線路的耐雷水平。根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行情況來看，不同的防雷措施在效果、費(fèi)用、安裝難度和使用條件都不同。因此在對(duì)輸電線路防雷改造前應(yīng)該對(duì)各個(gè)防雷措施進(jìn)行評(píng)估，從而根據(jù)不同的工況下選擇最優(yōu)的綜合防雷措施作為改造方案。

本文在選取傳統(tǒng)的防雷措施作為防雷改造備選方案，首先分析各種傳統(tǒng)防雷措施優(yōu)缺點(diǎn)，采用改進(jìn)層次分析法對(duì)輸電線路綜合防雷措施進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)不同桿塔的防雷改造方案進(jìn)行優(yōu)化。利用多因子分層模糊評(píng)估模型得到最佳防雷措施。并且通過得到各個(gè)因子之間相對(duì)影響評(píng)價(jià)值集，并判斷各層指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果的對(duì)比。

2 傳統(tǒng)防雷措施的經(jīng)濟(jì)性分析

在進(jìn)行防雷改造評(píng)估前，需要對(duì)輸電線路防雷措施的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，目前傳統(tǒng)防雷措施有：減小地線保護(hù)角、安裝線路避雷器、架設(shè)耦合地線、降低桿塔接地電阻、加裝避雷針、加強(qiáng)絕緣水平等。

2.1 減小地線保護(hù)角

減小地線保護(hù)角是通過減小避雷線保護(hù)角從而提高避雷線對(duì)導(dǎo)線的屏蔽能力，減小導(dǎo)線受到繞擊的幾率。通過運(yùn)行的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來看減小避雷線保護(hù)角確實(shí)降低繞擊跳閘率，并且該項(xiàng)技術(shù)被用于老線路改造以及新建線路的防雷設(shè)計(jì)中。

老線路的改造，費(fèi)用比較高，并且周期比較長(zhǎng)，總體來說經(jīng)濟(jì)性并不高。對(duì)于新建線路來說，減小保護(hù)角只需要對(duì)桿塔重新設(shè)計(jì)即可。因此新建線路對(duì)于老線路的改造來說，費(fèi)用會(huì)比較少。

2.2 降低桿塔接地電阻

降低桿塔桿塔接地電阻是通過降低桿塔沖擊接地電阻來降低雷擊跳閘率。對(duì)于一些土壤電阻比較低的地區(qū)，通過一些物理或者化學(xué)方法即可以降低桿塔接地電阻。但是在一些高土壤電阻的區(qū)域，如何在利用費(fèi)用較少的情況下能得到更好的降阻的效果。

通過降低桿塔接地電阻能有效降低反擊跳閘，特別是在220kV及其以下電壓等級(jí)。

2.3 安裝線路避雷器

安裝線路避雷器并與線路絕緣子串并聯(lián)，提高安裝避雷器位置的繞擊與反擊的水平，還可以保護(hù)絕緣子不發(fā)生閃絡(luò)。輸電線路遭受到繞擊雷之后，絕緣子兩端產(chǎn)生過電壓，當(dāng)過電壓超過某一值之后，并聯(lián)的避雷器會(huì)動(dòng)作，利用結(jié)構(gòu)限制閃絡(luò)電壓，使其正常工作。

安裝線路避雷器的防雷效果明顯，但是其保護(hù)的范圍有限。并且如果數(shù)量過多，其經(jīng)濟(jì)性就會(huì)差。因此，要進(jìn)行合理數(shù)量、位置、經(jīng)濟(jì)性的安裝線路避雷器。

2.4 架設(shè)耦合地線

架設(shè)耦合地線一般是在降低接地電阻有一定的困難的情況下所用到的防雷措施，在輸電導(dǎo)線下方架設(shè)一根接地線，提高輸電線路耐雷水平，一般在接地電阻較高的地區(qū)。

架設(shè)耦合地線對(duì)于降低輸電線路雷擊跳閘率具有很好的效果，特別針對(duì)高電阻土壤地區(qū)，但是架設(shè)耦合地線受到地形條件，施工難易，增加運(yùn)行損耗等困難。

2.5 加裝避雷針

加裝避雷針是利用了避雷針的引雷能力，減小導(dǎo)線與桿塔受到雷擊的概率，同時(shí)增加了避雷線的保護(hù)范圍從而降低了輸電線路繞擊雷的幾率。

3 改進(jìn)層次法計(jì)算權(quán)重

3.1 防雷措施的初選

首先防雷措施進(jìn)行初選要考慮幾個(gè)方面：桿塔風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、桿塔地形地貌、原有絕緣配置、已有防雷措施、跳閘率超標(biāo)百分比。

(1)桿塔風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估：根據(jù)桿塔所在地區(qū)，以及歷史數(shù)據(jù)。是否發(fā)生雷擊并且根據(jù)桿塔受到繞擊雷還是反擊雷多來確定主要防止哪一類雷。

(2)桿塔地形地貌：平原土壤低電阻與山區(qū)土壤高電阻輸電線路在防雷措施上還是各有不同的。由于山區(qū)地形地貌復(fù)雜，因此平原地區(qū)可以降低桿塔接地電阻，架設(shè)耦合地線等方式降低雷擊跳閘率。

(3)原有絕緣配置：進(jìn)行輸電線路防雷改造時(shí)需要注意原有絕緣配置的水平，若原有的絕緣水平已經(jīng)很高了，則不應(yīng)該以加強(qiáng)絕緣水平作為防雷的措施。

(4)已有防雷措施：根據(jù)已有的防雷措施，在確定防雷措施方案前要考慮已有的措施的作用和效果。然后后進(jìn)行線路改造。

(5)跳閘率超標(biāo)百分比：從各個(gè)方面來看安裝線路避雷器的防雷性能最優(yōu)，但是為了保持經(jīng)濟(jì)性，只有選擇最合適的避雷器數(shù)量才行。當(dāng)反擊與繞擊雷擊跳閘率不超過20%內(nèi)可以安裝線路避雷器。

3.2 改進(jìn)層次分析法計(jì)算模型的建立

層次分析法(AHP)是薩蒂等人在20世紀(jì)70年代提出的一種決策。它將各種因素層次化，條理化，并計(jì)算各因素在目標(biāo)層所占用的的比例，為事物的預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

層次分析法受到人的主觀影響很大，特別是在分配權(quán)重方面，同時(shí)計(jì)算量特別大，因此本文利用改進(jìn)層次分析法(IAHP)。改進(jìn)層次分析法將九標(biāo)度法用三標(biāo)度取代，并且用最優(yōu)傳遞矩陣構(gòu)造判斷矩陣，直接計(jì)算出權(quán)重值，節(jié)約了大量的時(shí)間，提高了效率。

改進(jìn)層次分析法首先根據(jù)所分析的問題，對(duì)問題包含的所有因素進(jìn)行初選，然后根據(jù)層次之間的邏輯關(guān)系分析建立防雷措施模型的建立[1]。

目標(biāo)層。該層即為最終達(dá)到的結(jié)果，對(duì)于輸電線路防雷改造來說，選擇合理的防雷措施對(duì)線路進(jìn)行防雷改造，以達(dá)到最優(yōu)果。

準(zhǔn)則層。該層則是為了達(dá)到最終目標(biāo)所應(yīng)該遵循的相關(guān)原則，包括工程經(jīng)濟(jì)性、雷擊跳閘率降低效果、運(yùn)維難易度、改造目標(biāo)、改造難易度、運(yùn)行壽命。改造目標(biāo)是指桿塔主要是防反擊雷還是防繞擊雷，而運(yùn)維難易度是根據(jù)對(duì)該地區(qū)長(zhǎng)期一線工作者的調(diào)研得到的的結(jié)果。

措施層。該層即為按照初選原則得到的各種防雷措施。通過實(shí)際防雷措施改造以及過去積累的經(jīng)驗(yàn)，防雷改造所用到的防雷措施有：減小地線保護(hù)角、降低桿塔接地電阻、安裝線路避雷器、架設(shè)耦合地線、加強(qiáng)絕緣水平、安裝防繞擊側(cè)針、加裝并聯(lián)間隙。根據(jù)IAHP所建立的模型圖如圖1所示。

圖1 基于IAHP的防雷綜合評(píng)估模型

3.3 權(quán)重的計(jì)算步驟[2]

為了確定最優(yōu)的防雷措施，計(jì)算準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)措施層的權(quán)值矩陣W1以及各個(gè)措施層對(duì)準(zhǔn)則層的權(quán)重值的矩陣W21W22W23W24W25W26W27以及措施層對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重W0。

W0=[W21W22W23W24W25W26W27]W1。

計(jì)算步驟：

(1)對(duì)比較矩陣的求解

(1)

式中，aij為第i種防雷措施與第j種防雷措施效果進(jìn)行比較。

aij有三種結(jié)果，aij取值2時(shí)，第i種防雷措施的工程費(fèi)用高于j；aij取值為1時(shí)，當(dāng)?shù)趇種防雷措施的工程給跟j一樣；aij取值0時(shí)，第i種防雷措施的工程費(fèi)用低于j。

(2)Aij的排序指數(shù)計(jì)算

(2)

(3)判斷矩陣Bij的構(gòu)造

(3)

(4)

其中cij=lgbij

(5)求該擬優(yōu)矩陣的特征值W,計(jì)算過程：

(5)

重復(fù)以上(1)～(5)求得最后的權(quán)重向量為：

W0=[W21W22W23W24W25W26W27]W1

(6)

4 多因子分層模糊綜合評(píng)價(jià)法

4.1 評(píng)價(jià)原理

模糊綜合評(píng)價(jià)最早是由美國(guó)控制論專家扎德在1965年提出來的模糊數(shù)學(xué)演畫來的。模糊綜合評(píng)價(jià)法最基本的思想是利用定性-定量-定性的原則進(jìn)行評(píng)價(jià)[3]。

基本步驟是，通過與目標(biāo)相關(guān)的各個(gè)因素評(píng)價(jià)，然后從措施層到準(zhǔn)則層再到目標(biāo)層，逐級(jí)的對(duì)各個(gè)因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，然后由下層相上層逐級(jí)評(píng)價(jià)。但是在各種典型防雷措施評(píng)估過程中一般各個(gè)因子之間的相對(duì)重要性，即無法對(duì)對(duì)象集中的各個(gè)層次，各個(gè)因子進(jìn)行比較評(píng)價(jià)[4]。

4.2 基本步驟

多因子分層模糊綜合評(píng)價(jià)法的步驟：

取M={M1，M2，M3…Mi}，i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象。N={N1，N2，N3,…,Nj}，j個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)。其中M是評(píng)價(jià)的各種防雷措施，而N是評(píng)價(jià)防雷效果優(yōu)劣的評(píng)估等級(jí)。

4.2.1 確立模糊轉(zhuǎn)化矩陣將各個(gè)元素評(píng)價(jià)因素值記為Xpq，因此所有評(píng)價(jià)組成的評(píng)價(jià)矩陣為：

(7)

(1) 價(jià)等級(jí)的確定

根據(jù)本文的實(shí)際情況將防雷改造效果的評(píng)價(jià)等級(jí)分為：

N={差，比較差，一般，好，特別好}通過模糊綜合理論，對(duì)該評(píng)價(jià)等級(jí)進(jìn)行綜合模糊化處理，得到取值的評(píng)論值域

W={0～2,2～4,4～6,6～8,8～10}

(2)方法將權(quán)重向量W和模糊矩陣X合成，即可以得到目標(biāo)值的模糊綜合評(píng)價(jià)隸屬度

ζ=WX=[ζ1,ζ2,ζ3,…,ζi]

(8)

式中，ζi對(duì)i評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度。

(3)向量ζ的評(píng)價(jià)

由上式可得當(dāng)i=i0時(shí)ζ取最大值，則可以得到最終的評(píng)價(jià)結(jié)果。

由式(1)～(8)每一層所有影響因子都能有一個(gè)對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)ζ，那么措施層對(duì)準(zhǔn)則層的評(píng)價(jià)假設(shè)為ζ1i，而準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層的評(píng)價(jià)則為ζ2i。一次來建立一個(gè)指標(biāo)集，通過對(duì)比之間的因素，我們可以看出各自在不同情況下措施的優(yōu)劣勢(shì)。

5 評(píng)估結(jié)果及分析

選取驗(yàn)證防雷改造效果，本文選取宜昌猇亭電廠到猽亭變電站中的10級(jí)桿,如表1所示。

表1 桿塔明細(xì)表

由數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可得到，該線路很容易遭受到雷電繞擊，因此研究很有意義。桿塔數(shù)據(jù)如表1所示，采用改進(jìn)層次分析法計(jì)算各個(gè)因素的權(quán)重向量

W=[0.1207，0.1422，0.1351，0.2715，01713，0.1321，0.0271]。

表2 防雷評(píng)價(jià)等級(jí)對(duì)應(yīng)指標(biāo)

防雷等級(jí)和取值如前文所述。各個(gè)防雷措施：減小地線保護(hù)角、降低桿塔接地電阻、安裝線路避雷器、架設(shè)耦合地線、加強(qiáng)絕緣水平、安裝防繞擊側(cè)針、加裝并聯(lián)間隙。因?yàn)?、3、7雷電繞擊率為0因此暫不理。

表3 模糊綜合評(píng)價(jià)隸屬度及對(duì)應(yīng)等級(jí)

除了8號(hào)桿塔改造效果一般以外，其他的改造效果均符合實(shí)際。

表4 措施層對(duì)準(zhǔn)則層的各因素之間的對(duì)比

表5 準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層之間的對(duì)比

表4～5可知，上一層對(duì)下一層相互之間重要層度的分析，并且得到評(píng)價(jià)集。

6 結(jié)論

(1)根據(jù)“初選措施-計(jì)算權(quán)重-改造評(píng)估-驗(yàn)證結(jié)果”的評(píng)估流程，確定最優(yōu)的防雷方案，并且將結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，從而得到了更加全面的方案。

(2)由多因子分層模糊評(píng)價(jià)法，計(jì)算出各個(gè)方案的權(quán)重能夠排除主觀的影響，并且不需要一致性檢驗(yàn)。由模糊數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)化過來的模糊算法，從而產(chǎn)生了綜合模糊評(píng)價(jià)法，最后演變成為多因子分層模糊評(píng)價(jià)法，將問題簡(jiǎn)單化，從多維問題變成1維空間。

(3)該評(píng)估方法用于宜昌宜昌猇亭電廠到猽亭變電站線路，其改造的結(jié)果與實(shí)際基本一致。

(4)通過比較每個(gè)因子對(duì)不同層之間的影響從而得到的評(píng)價(jià)因子組成的評(píng)價(jià)集，從而更清楚了解各個(gè)因子之間的重要性。