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电网雷害风险评估研究

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摘要:

以电网遭受雷害多影响因子作为研究重点,采用层次分析与模糊数学相结合理论,对高压电网展开雷害风险评估研究。以某地500kV高压电网为工程背景,以雷击跳闸率、雷击重合闸率、手动强送成功率、供电可靠性、线路重要性等级、运行时间、设备损害性指标为评估电网雷害风险的分析因子,将该地电网雷害风险等级定为Ⅲ级中等雷害风险,并对此提出针对性的防雷措施,以给工程实际提供指导与借鉴。

关键词:

电网雷害;风险评估;层次分析法;模糊数学理论;防雷措施

近些年来,随着国民经济的迅速发展与电力需求的不断增长,对输电线路供电可靠性的要求越来越高,电力生产的安全问题也越来越突出。对于输电线路来讲,雷击跳闸一直是影响高压送电线路供电可靠性的重要因素[1-2]。而大气雷电活动的随机性和复杂性,造成架空线路的雷击跳闸成为困扰安全供电的一个难题。尽管国家电网取得了快速的发展,但是相应的电网安全问题也开始越发突出,其中雷电灾害作为无法避免的外部灾害,给电网的安全运营带来了很大的风险。通常情况下,由于变电站安设有直击雷防护装置而使得雷电灾害对变电站的影响有限,其影响主要集中在高压输电线路。

架空输电线路防雷是电力系统防雷工作的重要方面,常用的防雷改进措施有[3]:架设避雷线、安装避雷针、加强线路绝缘、采用差绝缘方式、升高避雷线减小保护角、装设消雷器及预放电棒与负角保护针、使用接地降阻剂等。解决线路的雷害问题,要从实际出发因地制宜,综合治理。

通常而言,雷电灾害轻则造成输电线路同一输电通道多回线路相继跳闸、同塔双回线路同时闪络等故障,重则造成长时间电力供应中断甚至永久性故障。目前,对于高压输电线路遭受雷害的风险研究[4],相关学者及机构仅以雷击跳闸率作为高压输电线路遭受雷害的评价指标,这是不合理的,因为尽管雷击引起的线路跳闸次数较多,但因重合闸成功率较高,其占非计划停运比例要比其占跳闸比例低。此外,输电线路的雷电灾害影响因子不是单一的,它除了受雷击跳闸率控制,还与输电线路雷电活动强度、地闪密度、线路走廊雷电活动频率、地形地貌、输电线路对电网重要性程度等因子有关,需要考虑多因素影响结果[5]。因此,本文从电网遭受雷害的多影响因子作为出发点,采用层次分析与模糊数学相结合的理论,对其展开风险评估研究,并对此提出防雷措施,以给工程实际提供指导与借鉴。

1理论方法

1.1层次分析法20世纪70年代初,美国学者SattyT.L.提出了层次分析法[6],它是一种层次权重决策分析方法,该方法基于网络系统理论和多目标综合评价,能够将定量分析与定性分析相结合,对多目标、复杂问题展开准确的决策。层次分析总的来说包含4个步骤:建立层次结构模型、构造两两比较的判断矩阵、层次单排序及一致性检验、层次总排序及一致性检验。

1.2模糊数学法模糊数学又称Fuzzy数学,是研究和处理模糊性现象的一种数学理论和方法,1965年,模糊数学开始得到快速发展[7]。模糊数学法首先要求给出电网雷害影响因素集合U及雷害风险发生级别集合V,U中每一个单因素对应雷害风险级别V的模糊子集为单因素模糊矩阵R,再根据每个因素对目标贡献程度,得到权重矩阵A,最后对矩阵R进行关于A的模糊变换,得到目标事物的评判集B。

1.3综合评价层次分析的优点是能够定量地得到定性的因素的权重值,再结合模糊数学理论,才能够综合计算出要分析对象的结果。基于层次分析-模糊数学综合评价,首先要确定各层次各因素两两之间的权重。为避免对权重定性赋值带来的失准,SattyT.L.提出了一致判断矩阵法,该方法采用1~9标度法的相对尺度,以提高准确度,当一致性比率小于0.1时,认为能够得到满意的一致性[8]。

2电网雷害多影响因子分析

输电线路是电力系统的最重要的组成部分,由于它暴露在复杂多变的自然环境里面,因此很容易且无法避免受到外界环境的影响和损害,尤其是当雷雨天气发生时,输电线路易于遭受雷击,并发生停电事故。因此,要进行电网雷害研究,首先要确定影响电网雷害的因素有哪些。电网遭受雷害的影响因子不是单一的,也不是几个因子单独发生作用,而是多个因子发生耦合作用。根据目前国内外的研究成果[9-10],评估电网雷害风险的因子主要有雷击跳闸率、雷击重合闸率、手动强送成功率、供电可靠性、线路重要性等级、运行时间、设备损害性指标。据此,建立电网雷害多因子层次结构示意图,结构为:A为目标层,即:电网雷害风险;B为准则层,具体为B1(供电可靠性)、B2(运行时间)、B3(重要性等级)、B4(设备损害性);C为方案层,即:各个线路,具体为C1(线路1)、C2(线路2)…Cn(线路n)。层次结构示意图见图1。

3工程实例分析

3.1工程概况我国南方某地区500kV电网含有3条输电线路D、E、F,现以该地区这3条输电线路2007—2012年的实测数据,来分析预测该地区的雷害风险等级。3条输电线路的准则层实测数据占比如表1所示(以1为基数)。

3.2综合分析

3.2.1层次分析结构根据电网雷害多因子分析结果,结合应用实例表1数据,在Yaahp层次分析软件建立电网雷害风险等级的层次结构模型,层次结构模型如图2所示。对于层次结构模型中的电网雷害风险等级,本文划分为4个级别:Ⅰ级无风险、Ⅱ级低风险、Ⅲ级中等风险、Ⅳ级高风险。

3.2.2一致性检验矩阵在层次结构模型的基础上,结合1~9标度类型及专家系统意见,赋予B1~B4、C1~C3相应的权重分值,最终得到A-B、B1-C、B2-C、B3-C、B4-C5个判断矩阵。

3.2.3计算权重在矩阵判断一致性检验的基础上,进一步计算A-B、B-C排序的单排序权重值及6个因素的总排序权重值,权重计算结果如表2所示。把表2中的权重值用向量的形式表示,即得权重矩阵:A[0.475299,0.257689,0.267112]。

3.2.4隶属函数和模糊矩阵就每个雷害影响因素进行统计与分析,每个因素对应的不同雷害级别为一个隶属函数。本文定义该隶属函数为降半阶梯分布函数,取阶次k=1。分布函数的方程。3.2.5综合评判根据上述计算,现对模糊矩阵R进行关于权重矩阵A的模糊变换,最终得到目标事物的最终评判集B。根据模糊数学中的贴近度原理,所得到的评判集B=[B1,B2,B3,B4]=[Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ级雷害风险],其中最大隶属度Bi所在的位置即对应目标的最终评判级别。因此,该地区电网的最大隶属度为B3=0.902=Ⅲ级中等雷害风险,需要采取相应防雷害措施。

4输电线路的雷害原因分析

输电线路雷击闪电是由雷云放电造成的过电压通过线路杆塔建立放电通道,导致线路绝缘击穿[11]。这种过电压可分为直击雷过电压和感应雷过电压。输电线路感应雷过电压最大可达到400kV左右,它对35kV及以下线路绝缘威胁很大,但对于110kV及以上线路绝缘威胁较小[12]。110kV及以上输电线路雷击故障多由直击雷引起,并且同接地装置的完好性有直接的关系。直击雷又分为反击和绕击,都严重危害线路安全运行。反击雷过电压是雷击杆顶或避雷线出现的雷过电压,主要与绝缘强度和杆塔接地电阻有关,一般发生在绝缘弱相,无固定闪络相别。绕击雷过电压是雷电绕过避雷线直接击中导线而出现的雷过电压,主要与雷电流幅值、线路防雷保护方式、杆塔高度、特殊地形有关,主要发生在两边相。

5电网线路防雷措施

结合目前我国输电线路的电压等级、我国各地雷电活动的规律、线路所经区域的不同地形、地貌特点、土壤电阻率等自然条件,目前常用的防雷保护措施主要有以下几种[13-15]。(1)架设避雷线避雷线能够对雷电产生分流作用,降低杆塔顶端电位,同时,其对导线有耦合作用,对导线有屏蔽作用,它是高压及超高压输电线路基本的防雷手段。(2)改善接地网形式由于接地装置的接地电阻大小是防止雷击闪络的关键,因此可以通过改善接地网形式,降低杆塔的接地电阻值,对杆塔降低接地装置的工频接地电阻,是提高线路耐雷水平、防止雷电波反击的有效措施。(3)架设耦合地线架设耦合地线无法减少雷电绕击率,但其能够通过增加避雷线与导线间的耦合作用,来降低绝缘子串上电压,达到分流雷电流的目的,进而增加输电线路的耐雷水平。(4)适当提高杆塔的绝缘水平提高杆塔的绝缘水平,能够对防止绕击起到一定的作用,也能对防止雷击杆塔顶部的反击过电压产生效果。(5)采用不平衡绝缘方式当普通的防雷措施不能满足现代高压及超高压线路的防雷要求时,可以通过采用不平衡绝缘方式,以避免双回线路在遭受雷击时同时跳闸。(6)装设避雷器避雷线的架设在一定程度上降低了导线上的感应过电压,但不是完全消除,这就要求安装避雷器来将雷电流泄放到大地,从而限制过电压,保障输电线路及设备的安全。一般在线路交叉处、高度较高的杆塔顶端、终端塔上装设避雷器以限制过电压。

6结语

电网雷害尽管是小概率事件,但其具有随机性强,一旦发生损失大的特点,而输电线路的雷电灾害影响又是受诸如雷击跳闸率、雷电活动强度、地闪密度、线路走廊雷电活动频率、地形地貌、输电线路对电网重要性程度等多因子控制,因此在实际电网雷害风险评估中,需要考虑多因素耦合作用的结果。此外,还应结合高压输电线路运行经验以及系统运行方式,通过比较选取合理的防雷设计,以提高高压输电线路的耐雷水平。

参考文献

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作者:强祥 单位:华东送变电工程公司

电网雷害风险评估研究责任编辑:杨雪    阅读:人次