陽薇，曾毓琳，胡靜，劉誼；郭媛；陳貽亮

1.廣西壯族自治區(qū)桂林市氣象局；2.廣西壯族自治區(qū)防雷中心；3.廣西壯族自治區(qū)梧州市氣象局

在嚴重依賴資源、污染嚴重的惡劣環(huán)境下，風能作為一種清潔可再生能源，越來越受到世界各國的關(guān)注，隨著風力發(fā)電場的大力建設，風力發(fā)電機的安全運行也越來越受到人們的關(guān)注。在影響風電場安全運行的諸多因素中，人們不能不注意到雷電災害對風力發(fā)電機的危害和對人員生命安全的威脅。

由于大多數(shù)風扇和輸電線路是在真空區(qū)建造的，在閃電形成的大氣電場中，相對于周圍環(huán)境而言，它們往往是一個非常重要的目標，容易受到峰值放電和閃電的影響，從而可能對風扇葉片造成損害，從而使電池組處于孤立狀態(tài)，對設備和電路造成嚴重損壞。

雖然科學和合理的防雷措施，例如在電線桿上安裝尖端的防雷系統(tǒng)和防雷裝置，可以減少閃電的危險，但風力發(fā)電裝置仍然無法保證安全，閃電已成為自然災害。因此，雷電災害也是規(guī)劃和設計風力發(fā)電場和輸電線路時必須考慮的重要天氣參數(shù)。

本文結(jié)合氣候論證現(xiàn)場調(diào)查，將風力發(fā)電項目雷電災害風險評估系統(tǒng)分為兩個系統(tǒng)，具有通用災害因子和類別下墊層特征，其中下墊層特征分為區(qū)域特征和抗災風險評估兩個子系統(tǒng)。動態(tài)選擇區(qū)域特征和災害風險兩個評估子系統(tǒng)的評估指標，建立綜合分析區(qū)域、地形、地質(zhì)和環(huán)境遭受雷電影響程度的評估模型；泛災害因子參考廣西氣象災害風險調(diào)查的技術(shù)成果，進行數(shù)據(jù)處理、圖紙?zhí)砑雍图夹g(shù)應用，綜合分析雷電觀測數(shù)據(jù)和雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)特征，分析論證區(qū)域雷電災害風險指數(shù)。

以廣西西北某風電場為評價對象，在綜合模糊數(shù)學評價方法和分析層次過程的基礎上，結(jié)合雷電風險、區(qū)域風險和運算符分析，結(jié)合雷電天數(shù)和雷電在目標位置的特點、地形和土壤特點，環(huán)境特性和物體特性，區(qū)域防雷能力水平。

一、模糊層次分析法

（一）三角函數(shù)定義

三角函數(shù)是指宇宙R上的模糊數(shù)M，其隸屬函數(shù)μM:R→［0,1］表示為μμ（x）=（x-1）/（m-1），x∈[1，m]；μΜ（x）=（x-u）/（m-u），x∈[m，u]μ（x）=0，其他。其中l(wèi)≤m≤u，l和u表示m的上下限。u-l的值越大，模糊度越強。M是當模糊集M的隸屬度為1時的值。模糊數(shù)m可以表示為（l，m，u）。

（二）構(gòu)造模糊判斷矩陣。

根據(jù)三角模糊數(shù)的定義，對每個指標進行兩兩比較和判斷，形成如下模糊判斷矩陣：R=（lij，mij，uij）n×n，i，j=1，2。。。，n

（三）去模糊

去模糊的目的是將模糊判斷矩陣轉(zhuǎn)化為非模糊判斷矩陣，以便在非模糊環(huán)境中直接應用AHP方法。

（四）一致性檢查

通過提取通過成對比較每一層因素的判斷信息的最可能估計值而獲得的判斷矩陣作為參考，如果參考矩陣滿足一致性要求，則近似認為三角模糊判斷矩陣也滿足一致性測試。

二、風電場雷電災害區(qū)域評估的層次結(jié)構(gòu)模型

圖1顯示了評估風電場雷暴災害風險區(qū)的層次模型，包括雷暴日、雷電路徑、雷電密度和雷電強度四個指標的雷電特征、區(qū)域風險（包括影響雷電放電的區(qū)域環(huán)境）、土壤結(jié)構(gòu)、地形和環(huán)境三個指標。根據(jù)區(qū)域內(nèi)容、設施特性、施工特點，包括電子電氣系統(tǒng)三項指標，分別選擇相應的評估指標，分析風險評估中每個指標的權(quán)重，建立相應的評估計算模型。

圖1 風電場雷電災害區(qū)域評估層次結(jié)構(gòu)模型

三、指標隸屬度的計算方法

（一）定量參數(shù)隸屬度的計算

量化指標參數(shù)可以量化指標參數(shù)，包括閃電日、閃電密度、雷電流強度、土壤電阻率、土壤垂直分層、土壤水平分層、電磁環(huán)境、人數(shù)、占地面積、等效高度。以雷電日為例，若評估對象的雷電日數(shù)為46.6d，結(jié)合雷電日的五個等級，根據(jù)隸屬函數(shù)和表1，v1、v2、v3、v4、v5分別為10、30、50、75、227.5(取等級范圍的中間值)。根據(jù)最小隸屬函數(shù)處理方法，閃電日的隸屬度按下式計算，Rd=雷擊密度。

表1 雷電日分級和隸屬度

（二）定性參數(shù)隸屬度的計算

定性參數(shù)包括:雷電路徑、地形、安全距離、相對高度、使用性質(zhì)、影響程度、材料結(jié)構(gòu)、電子系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)。

確定定性指標的隸屬度，只需將收集到的數(shù)據(jù)與分類標準進行比較，如果符合某一風險等級的描述，則完全隸屬于該風險等級，隸屬度等于1。

四、指標隸屬度計算結(jié)果

（一）區(qū)域雷擊風險指標的隸屬度

1.閃電日

風電場所在地區(qū)的雷電日數(shù)為81.04天，根據(jù)雷電日分類標準，本項目雷電日等級為四級。根據(jù)定量指標隸屬度的確定方法和雷電日分類標準，計算工程所在地區(qū)雷電日的隸屬度。見表2。

表2 雷電日分級和隸屬度

2.閃電路徑

閃電路徑越集中，銳度越大，危險等級越高。根據(jù)《雷電災害風險評估技術(shù)規(guī)范》(QX/T 85-2018)，雷電路徑分為五個等級。分析本風電場區(qū)域雷路徑的分布特征，判斷雷路徑的隸屬度。見表3。

表3 雷電路徑隸屬度

3.雷擊密度

根據(jù)項目區(qū)域雷擊密度2.44次/km2·a，判斷出雷擊密度的隸屬度，見表4。

表4 雷擊密度分級和隸屬度

（4）雷電流強度

根據(jù)項目區(qū)域平均地閃強度為36.28kA，判斷出雷電流強度隸屬度，見表5。

表5 雷電流強度分級和隸屬度

（二）區(qū)域地域風險各指標隸屬度

1.土壤結(jié)構(gòu)

（1）土壤電阻率

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，工程區(qū)土壤電阻率為537ω·m，并計算了土壤電阻率的隸屬度。見表6。

表6 土壤電阻率分級和隸屬度

（2）土壤垂直分層

經(jīng)現(xiàn)場勘察，項目區(qū)域內(nèi)土壤垂直分層電阻率值為36Ω·m，計算得到土壤垂直分層的隸屬度，見表7。

表7 土壤垂直分層隸屬度

（3）土壤水平分層

經(jīng)現(xiàn)場勘察，項目區(qū)域內(nèi)土壤水平分層電阻率值為52Ω·m，計算得到土壤水平分層的隸屬度，見表8。

表8 土壤水平分層分層和隸屬度

2.地形地貌

根據(jù)《雷電災害風險評估技術(shù)規(guī)范（QX/T 85-2018）》，地形地貌危險分為五個等級。經(jīng)現(xiàn)場勘察，項目區(qū)域內(nèi)地形地貌以丘陵為主，判斷出項目地形地貌的隸屬度為Ⅱ級，見表9。

表9 地形地貌、安全距離分級

3.周邊環(huán)境

（1）安全距離

根據(jù)《雷電災害風險評估技術(shù)規(guī)范（QX/T 85-2018）》，安全距離分為五個等級。項目區(qū)域外部2km處有村莊，判斷項目安全距離的隸屬度為Ⅰ級，見表9。

（2）相對高度

根據(jù)《雷電災害風險評估技術(shù)規(guī)范（QX/T 85-2018）》，相對高度分為五個等級。經(jīng)現(xiàn)場勘察，項目區(qū)域外無任何可接閃物。根據(jù)定性指標隸屬度的確定方法和相對高度分級標準，可判斷出相對高度的隸屬度為Ⅴ級。

（3）電磁環(huán)境

經(jīng)現(xiàn)場勘察，項目與周邊高點的最近距離取800m，所以根據(jù)公式求出周邊最近高點一旦遭受656.7kA的雷電流所對應的電磁強度B0，B0=2×10-3I/Sa（注：B0的單位為Gs），求出它對該評估區(qū)域產(chǎn)生10.50Gs的電磁影響。根據(jù)定量指標隸屬度的確定方法和電磁影響分級標準，可判斷出電磁環(huán)境的隸屬度為Ⅳ級，見表10。

表10 電磁環(huán)境分級和隸屬度