基于層次分析法的進線段差異性綜合防雷改造措施

楊 坡 竇衛東 王 勇 周 勇 周利兵

（1. 甘肅省電力設計院，蘭州 730000；2. 甘肅省定西供電公司，甘肅 定西 743000；3. 新疆福海縣供電公司，新疆 福海 836400；4. 長沙理工大學電氣與信息工程學院，長沙 410076）

基于層次分析法的進線段差異性綜合防雷改造措施

楊 坡1竇衛東2王 勇3周 勇4周利兵4

（1. 甘肅省電力設計院，蘭州 730000；2. 甘肅省定西供電公司，甘肅 定西 743000；3. 新疆福海縣供電公司，新疆 福海 836400；4. 長沙理工大學電氣與信息工程學院，長沙 410076）

針對進線段采取差異性綜合防雷改造措施：前四級桿塔安裝差異性保護間隙、終端塔安裝線路避雷器、降低前四級桿塔沖擊接地阻抗，解決線路側與變電站絕緣水平配合存在的問題，降低雷電侵入波峰值、陡度。根據層次分析法的基本原理及礦區電網供電特點，建立層級架構評估模型，通過求解相應判斷矩陣、權重向量，對進線段綜合防雷改造措施進行綜合評估，最后得出進線段差異性綜合防雷改造優先順序：前四級桿塔安裝差異性保護間隙、終端塔安裝線路避雷器、降低前四級桿塔沖擊接地阻抗，并通過ATP-EMTP對上述進線段改造措施的防雷效果進行仿真對比分析。

層次分析法；進線段差異性綜合防雷；ATP-EMTP；綜合評估；保護間隙

隨著礦區變電站的增容，35kV線路已發展成電網的主干網絡，結合礦區電網所處地形地貌及土壤較干燥，且多為沙石土質，保水性差，土壤電阻率（550Ω·m左右）較高，雷雨季節時常發生線路側遭受雷擊（以感應雷為主）[1]。但進線段的防護相對薄弱（架設避雷線、耦合地線），沒有很好限制雷電侵入波峰值、陡度，導致雷電過電壓波侵入到變電所打壞變電站主設備，尤其主變。礦區電網一旦停電，導致井下通風、排水、緊急升降等系統不能正常工作，更嚴重的是存在許多高瓦斯礦井，會導致瓦斯濃度急劇上升，嚴重威脅到礦工的生命安全。因此，加強進線段雷電防護，限制變電所的雷電侵入波，具有十分重要的意義。

通常在離變電站 1～2km處設計進線段防護，其常用措施：架設避雷線（負保護角）、耦合地線、終端塔安裝線路避雷器、降低沖擊接地阻抗等[2-4]。其中采用負保護角避雷線主要是防止雷電繞擊進線段。國外對在線路側安裝避雷器來降低雷害事故研究較早，并取得一定成效，成功將避雷器應用輸配電線路上[5-6]。國內已開發出適合輸配電線路安裝的避雷器，并已大量運用實際線路當中，對其防雷效果也有很詳細的分析[7-9]。但在進線段采取差異性防雷，安裝差異性保護間隙，以及保護間隙怎樣解決線路絕側與變電站絕緣水平配合存在的問題和綜合評估進線段差異性綜合防雷措施的防雷效果，目前還缺乏系統的研究。

通過現場調研及對主變繞組損壞事故情況分析，發現主要是由于線路側絕緣水平過高（絕緣子雷電沖擊耐受達 420～500kV），而站內主變 35kV側繞組絕緣沖擊耐受200kV左右，本文提出對進線段采取差異性綜合防雷改造措施：安裝差異性保護間隙、降低桿塔沖擊接地阻抗、終端塔安裝線路避雷器，以限制雷電侵入波峰值和陡度。本文根據層次分析法的原理以及結合礦區電網供電特點，建立層級架構評估模型，得出進線段防雷改造措施對總目標的權重向量，并通過ATP-EMTP對上述進線段改造措施的防雷效果進行仿真對比分析。

1 典型雷害事故原因分析及改造措施

2012年7月份某礦區35kV側線路22＃桿塔c相瓷瓶被擊碎，28＃桿塔a、b相瓷瓶發生閃絡，35kV母線 I段避雷器 a相動作 3次，c相動作 1次，b相直接被打炸，支柱式絕緣子被打壞，對主變進行搖絕緣和直流電阻測試發現，二次對一次及接地為0，低壓繞組b相存在頭尾接地。吊芯拆解后發現，35kV側b相有溶銅顆粒，線圈絕緣擊穿，如圖1所示。

圖1 線圈絕緣擊穿及支柱絕緣子燒壞圖

1.1 主要原因分析

通過現場調研發現：相關供電部門出于防污閃、降低雷擊跳閘率的考慮，普遍提高了線路絕緣水平，大多采用4～5片雙傘瓷式（玻璃）耐污型絕緣子，但同時也帶來了另外一個矛盾，即線路絕緣水平與變電站絕緣水平相互配合的矛盾。因為4片雙傘防污絕緣子的全波雷電沖擊放電電壓通常在420kV左右，而5片絕緣子的全波雷電沖擊耐受通常在500kV以上，參考國家標準（GB 1094.3—2003），而變電站主變 35kV側（全新出廠）的全波雷電沖擊耐受值為200kV左右，變壓器使用后隨著絕緣老化，其全波雷電沖擊耐受一般都會下降。一旦 35kV線路遭受雷擊（以感應雷為主），由于線路絕緣水平較高，進線段防護較弱，雷電沖擊波不能得到有效的限制，從線路側侵入變電所的雷電波幅值就有可能達到400kV及以上以及巨大的雷電沖擊電流，造成站內避雷器打炸、支柱式絕緣子被燒傷以及主變繞組變形、擊穿。

1.2 主要改造措施

所謂進線段差異性防雷，其目的就是為了解決線路側與變電站絕緣水平配合存在的問題，在兩者之間起一個橋梁的作用，更好的銜接兩者之間的絕緣等級。通過調整間隙的動作值，其大小主要參考母線側避雷器的雷電沖擊殘壓來設定，高于其20%～28%，而不是線路絕緣子的U50%沖擊耐受，因為之前人為的提高了線路絕緣水平，并從終端塔開始逐次提高間隙動作值3%～5%。若間隙動作值取再低一些，進線段絕緣水平下降過多，間隙起弧的可能性相對大一些，單相接地可能性也相對高。若動作值取較高，則不能很好限制雷電侵入波。35kV側避雷器標準雷電沖擊殘壓為134kV左右，而主變絕緣雷電沖擊耐受達200kV，故取間隙動作值高于避雷器雷電殘壓20%～28%，相對來說更安全可靠。

進線段安裝保護間隙會造成其局部絕緣水平下降 30%～40%（相對于線路絕緣子 U50%沖擊放電電壓而言），但是其絕緣水平仍足矣滿足系統正常運行。正是由于保護間隙的雷電沖擊動作值低于絕緣子的 U50%雷電沖擊耐受，保護間隙才可以提供雷電釋放通道，并且可以保護絕緣子免于閃絡。當間隙動作起弧時，由于其利用純空氣間隙作為絕緣介質，受風力和電動力的影響較大，弧道被拉長，有利于電弧熄滅，以及系統電壓會有過零點，故其難以建立穩定的接地短路電弧，由單相接地發展成相間短路，對于 35kV非有效接地系統，不會造成跳閘率升高。

保護間隙與終端塔線路避雷器相互配合，通過調整間隙大小使其先于避雷器放電，進而削弱避雷器所承受的雷電沖擊。保護間隙擁有其自身優點：絕緣恢復速度快、穩定、非易損件。其安裝示意圖如圖2所示。保護間隙應用到進線段，其本質就是提供了另外一種有效雷電放電通道，故其對避雷器來說，是一種補充、完善。

對進線段桿塔采取降低桿塔沖擊接地阻抗，配合保護間隙、避雷器動作，迅速釋放雷電能量，采用樹杈狀環形布置來降低沖擊接地阻抗，樹干長20m，樹杈長為5m，如圖3所示。

圖3 樹杈狀環形布置圖

2 層次分析法

2.1 基本原理

層次分析法[10]其核心思想就是“切分”與“定量”。所謂“切分”就是利用一個層級結構將復雜問題系統化。“定量”即確定下層元素對上層準則層次不同元素的相對權重。通過評估屬性之間的成對比較來構建比較矩陣，由相互之間對比性體現出差異性，再通過特征向量的計算來確定各屬性之間的相對權重。

2.2 建立層級架構模型

AHP利用層級架構來分析問題時，將復雜的決策問題結構切分成不同決策元素與各個層級之間的子問題。將目標層逐層分解，構造一個遞階層次。通常層級架構分為：目標層、準則層、措施層。

2.3 建立判斷矩陣

判斷矩陣就是將某一層內任意兩個屬性，以上層級的屬性作為評價標準，分別評估這兩個屬性對評價標準的貢獻度或重要性，將任意兩個屬性之間比較結果，按照相對重要性尺度表（見表1）進行取值，稱為比較矩陣A=(aij)n×n。具有如下性質：1）表示屬性 i對屬性 j的相對重要性；2）aij=1/aji（i≠j）。

表1 相對重要性尺度表

2.4 求解權重向量W及一致性檢驗

首先求出判斷矩陣 A的最大特征值λmax，然后利用Matlab編程求解矩陣方程AW=λmaxW，得到權重排序向量W。

一致性檢驗：其目的是為了檢驗比較的結果是否滿足傳遞性。采用一致性指標（C. I.）如式（1）來衡量，n為階數。

當C. I.=0表示前后判斷具有一致性，＞0.1表示判斷有偏差，≤0.1雖有偏差，但為可接受的偏誤。

2.5 層次總排序及一致性檢驗

層次總排序就是先確定某層所有因素對于總目標的相對重要性，然后再進行權值排序，從上到下逐層進行。

總排序一致性檢驗：其一致性指標為

式中，CIj與aj對應到相應判斷矩陣A的一致性指標，當則總排序具有滿意的一致性。

3 應用層次分析法對煤礦35kV進線段防雷改造措施評估

本文結合黃土高原地區降阻較為困難以及礦區周邊環境污染較為嚴重，絕緣子長期處于污穢狀態以及煤礦供電的特殊性等相關實際情況綜合考慮，將保護變電所主設備（尤其主變）、保證可靠供電作為最高目標，以能夠最大限度降低侵入變電所雷電過電壓波峰值、陡度以及經濟性、后期維護和對系統造成的影響作為準則，采用層次分析法對上述進線段差異性綜合防雷措施進行綜合評估，得出措施層各因素對保護變電所主設備的重要性序列。最后總結出上述防雷改造措施在進線段“先用誰、后用誰”，為煤礦相關線路實際改造工程提供一定理論指導。

3.1 建立層級架構模型

1）目標層：針對目前 35kV煤礦輸電線路普遍提高了絕緣水平，同時帶來了與變電站相關設備絕緣水平配合存在的矛盾，從進線段防護來考慮，限制雷電侵入波，提出以保護變電所主設備為目標。

2）準則層：從雷電侵入波的峰值及陡度、經濟性、對系統所帶來的影響和后期維護等主要因素來綜合衡量以下相關防雷措施的重要性。

3）措施層：進線段差異性綜合防雷改造措施：降低前四級桿塔沖擊接地電阻、前四級桿塔安裝差異性保護間隙、終端塔安裝線路避雷器。

圖4 總目標層次架構模型圖

3.2 建立判斷矩陣、權重向量及一致性檢驗

根據層次分析法核心思想，首先建立判斷矩陣，并運用Matlab編程來求解各個判斷矩陣的權重向量及一致性檢驗。如表2所示。

表2 準則層（A1、A2、A3、A4）對總目標Z權重向量及一致性檢驗

一致性檢驗：C. I.=0，λmax=4，完全一致性。

表3 措施層（B1、B2、B3、）對準則層A1權重向量及一致性檢驗

表4 措施層（B1、B2、B3）對準則層A2權重向量及一致性檢驗

表5 措施層（B1、B2、B3）對準則層A3權重向量及一致性檢驗

表6 措施層（B1、B2、B3）對準則層A4權重向量及一致性檢驗

由準則層對總目標的判斷矩陣、權重向量及措施層對準則層（限制侵入波、經濟性、后期維護、對系統影響）的判斷矩陣、權重向量，可以得出改造措施層對總目標的權重值排序以及一致性檢驗，見表7。

表7 各改造措施對總目標（Z）權重排序及總目標一致性檢驗

4 結論

1）針對礦區 35kV進線段采取差異性綜合防雷改造方案，即前四級桿塔安裝差異性保護間隙、終端塔安裝線路避雷器、降低前四級桿塔沖擊接地阻抗，解決線路側與變電站絕緣水平配合存在的矛盾，以限制雷電侵入波峰值和陡度，保護變電所主要設備。

2）綜合評估系統中，準則層各因素的權重排序：限制侵入波峰值及陡度（0.6078）、后期維護（0.1570）、對系統影響（0.1256）、經濟性（0.1097），可以看出：限制侵入波峰值及陡度對進線段防雷改造措施的選取具有決定性作用。措施層各因素對總目標的權重排序：前四級桿塔安裝差異性保護間隙（0.3649）、終端塔安裝線路避雷器（0.3264）、降低前四級桿塔沖擊接地阻抗（0.3087）。應優先選擇差異性保護間隙，但三者權重值相差不大，更多還是應該考慮三者相互配合、綜合作用，會取得更好的防雷效果。

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Based on AHP to Evaluate Line Lnlet Difference Comprehensive Lightning Protection Improvement Measures

Yang Po1 Dou Weidong2 Wang Yong3 Zhou Yong4 Zhou Libing4
(1. Gansu Electric Power Design Institute, Lanzhou 730050;2. Dingxi Power Supply Company, Gansu Electric Power Company, Dingxi, Gansu 743000；3. Fuhai County Power Supply Company, Xinjiang Electric Power Company, Fuhai, Xinjiang 836400；4. Department of Electrical Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410076)

For line Inlet to take difference comprehensive lightning protection improvement measures: the front four tower installation difference protection gap, terminal Tower line surge arrester installed and reducing the front four towers Impulse grounding impedance. To solve the matching problems of the line side and the substation insulation level, reduce the lightning invasion wave peak and steepness. According to the basic principles of AHP and mine power grid characteristics, establish hierarchical structure evaluation model. By solving the corresponding judgment matrix and weight vector, in order to assess line Inlet difference comprehensive lightning reform measures. Finally come into the line lightning transformation of precedence: the front four tower installation difference protection gap terminal Tower line surge arrester installed and reducing the front four towers Impulse grounding impedance and using the ATP-EMTP to simulate the line Inlet effect of lightning protection improvement measures and comparative analysis.

AHP; fference line Inlet transformation; ATP-EMTP; comprehensive assessment;protection gap

楊 坡（1980-），男，工程師，主要從事變電站、發電廠的電氣部分設計及管理工作。