多因子分層模糊評價法在輸電線路防雷改造中的研究

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(三峽大學電氣與新能源學院，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家電網待解決的問題。最近我國大力發展電網建設，許多線路都會經過雷區，并且線路走廊的稀缺以及多回路線路的輸電線路增多，會導致雷擊跳閘的次數逐漸增多。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、架設耦合地線、安裝線路避雷器、加強線路絕緣、減小地線保護角、加裝避雷針等方案。但是隨著電網建設逐漸加大，單一防雷措施已經無法滿足輸電線路安全運行的要求，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。根據實際的運行情況來看，不同的防雷措施在效果、費用、安裝難度和使用條件都不同。因此在對輸電線路防雷改造前應該對各個防雷措施進行評估，從而根據不同的工況下選擇最優的綜合防雷措施作為改造方案。

本文在選取傳統的防雷措施作為防雷改造備選方案，首先分析各種傳統防雷措施優缺點，采用改進層次分析法對輸電線路綜合防雷措施進行評估，并對不同桿塔的防雷改造方案進行優化。利用多因子分層模糊評估模型得到最佳防雷措施。并且通過得到各個因子之間相對影響評價值集，并判斷各層指標評價結果的對比。

2 傳統防雷措施的經濟性分析

在進行防雷改造評估前，需要對輸電線路防雷措施的經濟性進行分析，目前傳統防雷措施有：減小地線保護角、安裝線路避雷器、架設耦合地線、降低桿塔接地電阻、加裝避雷針、加強絕緣水平等。

2.1 減小地線保護角

減小地線保護角是通過減小避雷線保護角從而提高避雷線對導線的屏蔽能力，減小導線受到繞擊的幾率。通過運行的實際經驗來看減小避雷線保護角確實降低繞擊跳閘率，并且該項技術被用于老線路改造以及新建線路的防雷設計中。

老線路的改造，費用比較高，并且周期比較長，總體來說經濟性并不高。對于新建線路來說，減小保護角只需要對桿塔重新設計即可。因此新建線路對于老線路的改造來說，費用會比較少。

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。對于一些土壤電阻比較低的地區，通過一些物理或者化學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域，如何在利用費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。

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，提高安裝避雷器位置的繞擊與反擊的水平，還可以保護絕緣子不發生閃絡。輸電線路遭受到繞擊雷之后，絕緣子兩端產生過電壓，當過電壓超過某一值之后，并聯的避雷器會動作，利用結構限制閃絡電壓，使其正常工作。

安裝線路避雷器的防雷效果明顯，但是其保護的范圍有限。并且如果數量過多，其經濟性就會差。因此，要進行合理數量、位置、經濟性的安裝線路避雷器。

2.4 架設耦合地線

架設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，在輸電導線下方架設一根接地線，提高輸電線路耐雷水平，一般在接地電阻較高的地區。

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

2.5 加裝避雷針

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

3 改進層次法計算權重

3.1 防雷措施的初選

首先防雷措施進行初選要考慮幾個方面：桿塔風險評估、桿塔地形地貌、原有絕緣配置、已有防雷措施、跳閘率超標百分比。

(1)桿塔風險評估：根據桿塔所在地區，以及歷史數據。是否發生雷擊并且根據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。由于山區地形地貌復雜，因此平原地區可以降低桿塔接地電阻，架設耦合地線等方式降低雷擊跳閘率。

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

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

(5)跳閘率超標百分比：從各個方面來看安裝線路避雷器的防雷性能最優，但是為了保持經濟性，只有選擇最合適的避雷器數量才行。當反擊與繞擊雷擊跳閘率不超過20%內可以安裝線路避雷器。

3.2 改進層次分析法計算模型的建立

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

層次分析法受到人的主觀影響很大，特別是在分配權重方面，同時計算量特別大，因此本文利用改進層次分析法(IAHP)。改進層次分析法將九標度法用三標度取代，并且用最優傳遞矩陣構造判斷矩陣，直接計算出權重值，節約了大量的時間，提高了效率。

改進層次分析法首先根據所分析的問題，對問題包含的所有因素進行初選，然后根據層次之間的邏輯關系分析建立防雷措施模型的建立[1]。

目標層。該層即為最終達到的結果，對于輸電線路防雷改造來說，選擇合理的防雷措施對線路進行防雷改造，以達到最優果。

準則層。該層則是為了達到最終目標所應該遵循的相關原則，包括工程經濟性、雷擊跳閘率降低效果、運維難易度、改造目標、改造難易度、運行壽命。改造目標是指桿塔主要是防反擊雷還是防繞擊雷，而運維難易度是根據對該地區長期一線工作者的調研得到的的結果。

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

圖1 基于IAHP的防雷綜合評估模型

3.3 權重的計算步驟[2]

為了確定最優的防雷措施，計算準則層對目標措施層的權值矩陣W1以及各個措施層對準則層的權重值的矩陣W21W22W23W24W25W26W27以及措施層對目標層的權重W0。

W0=[W21W22W23W24W25W26W27]W1。

計算步驟：

(1)對比較矩陣的求解

(1)

式中，aij為第i種防雷措施與第j種防雷措施效果進行比較。

aij有三種結果，aij取值2時，第i種防雷措施的工程費用高于j；aij取值為1時，當第i種防雷措施的工程給跟j一樣；aij取值0時，第i種防雷措施的工程費用低于j。

(2)Aij的排序指數計算

(2)

(3)判斷矩陣Bij的構造

(3)

(4)

其中cij=lgbij

(5)求該擬優矩陣的特征值W,計算過程：

(5)

重復以上(1)～(5)求得最后的權重向量為：

W0=[W21W22W23W24W25W26W27]W1

(6)

4 多因子分層模糊綜合評價法

4.1 評價原理

模糊綜合評價最早是由美國控制論專家扎德在1965年提出來的模糊數學演畫來的。模糊綜合評價法最基本的思想是利用定性-定量-定性的原則進行評價[3]。

基本步驟是，通過與目標相關的各個因素評價，然后從措施層到準則層再到目標層，逐級的對各個因素進行評價，然后由下層相上層逐級評價。但是在各種典型防雷措施評估過程中一般各個因子之間的相對重要性，即無法對對象集中的各個層次，各個因子進行比較評價[4]。

4.2 基本步驟

多因子分層模糊綜合評價法的步驟：

取M={M1，M2，M3…Mi}，i個評價對象。N={N1，N2，N3,…,Nj}，j個評價等級。其中M是評價的各種防雷措施，而N是評價防雷效果優劣的評估等級。

4.2.1 確立模糊轉化矩陣將各個元素評價因素值記為Xpq，因此所有評價組成的評價矩陣為：

(7)

(1) 價等級的確定

根據本文的實際情況將防雷改造效果的評價等級分為：

N={差，比較差，一般，好，特別好}通過模糊綜合理論，對該評價等級進行綜合模糊化處理，得到取值的評論值域

W={0～2,2～4,4～6,6～8,8～10}

(2)方法將權重向量W和模糊矩陣X合成，即可以得到目標值的模糊綜合評價隸屬度

ζ=WX=[ζ1,ζ2,ζ3,…,ζi]

(8)

式中，ζi對i評價等級的隸屬度。

(3)向量ζ的評價

由上式可得當i=i0時ζ取最大值，則可以得到最終的評價結果。

由式(1)～(8)每一層所有影響因子都能有一個對應的評價ζ，那么措施層對準則層的評價假設為ζ1i，而準則層對目標層的評價則為ζ2i。一次來建立一個指標集，通過對比之間的因素，我們可以看出各自在不同情況下措施的優劣勢。

5 評估結果及分析

選取驗證防雷改造效果，本文選取宜昌猇亭電廠到猽亭變電站中的10級桿,如表1所示。

表1 桿塔明細表

由數據進行風險評估可得到，該線路很容易遭受到雷電繞擊，因此研究很有意義。桿塔數據如表1所示，采用改進層次分析法計算各個因素的權重向量

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

表2 防雷評價等級對應指標

防雷等級和取值如前文所述。各個防雷措施：減小地線保護角、降低桿塔接地電阻、安裝線路避雷器、架設耦合地線、加強絕緣水平、安裝防繞擊側針、加裝并聯間隙。因為1、3、7雷電繞擊率為0因此暫不理。

表3 模糊綜合評價隸屬度及對應等級

除了8號桿塔改造效果一般以外，其他的改造效果均符合實際。

表4 措施層對準則層的各因素之間的對比

表5 準則層對目標層之間的對比

表4～5可知，上一層對下一層相互之間重要層度的分析，并且得到評價集。

6 結論

(1)根據“初選措施-計算權重-改造評估-驗證結果”的評估流程，確定最優的防雷方案，并且將結果進行驗證，從而得到了更加全面的方案。

(2)由多因子分層模糊評價法，計算出各個方案的權重能夠排除主觀的影響，并且不需要一致性檢驗。由模糊數學轉化過來的模糊算法，從而產生了綜合模糊評價法，最后演變成為多因子分層模糊評價法，將問題簡單化，從多維問題變成1維空間。

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

(4)通過比較每個因子對不同層之間的影響從而得到的評價因子組成的評價集，從而更清楚了解各個因子之間的重要性。