杨 坡 窦卫东 王 勇 周 勇 周利兵

（1. 甘肃省电力设计院，兰州 730000；2. 甘肃省定西供电公司，甘肃 定西 743000；3. 新疆福海县供电公司，新疆 福海 836400；4. 长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙 410076）

基于层次分析法的进线段差异性综合防雷改造措施

杨 坡1窦卫东2王 勇3周 勇4周利兵4

（1. 甘肃省电力设计院，兰州 730000；2. 甘肃省定西供电公司，甘肃 定西 743000；3. 新疆福海县供电公司，新疆 福海 836400；4. 长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙 410076）

针对进线段采取差异性综合防雷改造措施：前四级杆塔安装差异性保护间隙、终端塔安装线路避雷器、降低前四级杆塔冲击接地阻抗，解决线路侧与变电站绝缘水平配合存在的问题，降低雷电侵入波峰值、陡度。根据层次分析法的基本原理及矿区电网供电特点，建立层级架构评估模型，通过求解相应判断矩阵、权重向量，对进线段综合防雷改造措施进行综合评估，最后得出进线段差异性综合防雷改造优先顺序：前四级杆塔安装差异性保护间隙、终端塔安装线路避雷器、降低前四级杆塔冲击接地阻抗，并通过ATP-EMTP对上述进线段改造措施的防雷效果进行仿真对比分析。

层次分析法；进线段差异性综合防雷；ATP-EMTP；综合评估；保护间隙

随着矿区变电站的增容，35kV线路已发展成电网的主干网络，结合矿区电网所处地形地貌及土壤较干燥，且多为沙石土质，保水性差，土壤电阻率（550Ω·m左右）较高，雷雨季节时常发生线路侧遭受雷击（以感应雷为主）[1]。但进线段的防护相对薄弱（架设避雷线、耦合地线），没有很好限制雷电侵入波峰值、陡度，导致雷电过电压波侵入到变电所打坏变电站主设备，尤其主变。矿区电网一旦停电，导致井下通风、排水、紧急升降等系统不能正常工作，更严重的是存在许多高瓦斯矿井，会导致瓦斯浓度急剧上升，严重威胁到矿工的生命安全。因此，加强进线段雷电防护，限制变电所的雷电侵入波，具有十分重要的意义。

通常在离变电站 1～2km处设计进线段防护，其常用措施：架设避雷线（负保护角）、耦合地线、终端塔安装线路避雷器、降低冲击接地阻抗等[2-4]。其中采用负保护角避雷线主要是防止雷电绕击进线段。国外对在线路侧安装避雷器来降低雷害事故研究较早，并取得一定成效，成功将避雷器应用输配电线路上[5-6]。国内已开发出适合输配电线路安装的避雷器，并已大量运用实际线路当中，对其防雷效果也有很详细的分析[7-9]。但在进线段采取差异性防雷，安装差异性保护间隙，以及保护间隙怎样解决线路绝侧与变电站绝缘水平配合存在的问题和综合评估进线段差异性综合防雷措施的防雷效果，目前还缺乏系统的研究。

通过现场调研及对主变绕组损坏事故情况分析，发现主要是由于线路侧绝缘水平过高（绝缘子雷电冲击耐受达 420～500kV），而站内主变 35kV侧绕组绝缘冲击耐受200kV左右，本文提出对进线段采取差异性综合防雷改造措施：安装差异性保护间隙、降低杆塔冲击接地阻抗、终端塔安装线路避雷器，以限制雷电侵入波峰值和陡度。本文根据层次分析法的原理以及结合矿区电网供电特点，建立层级架构评估模型，得出进线段防雷改造措施对总目标的权重向量，并通过ATP-EMTP对上述进线段改造措施的防雷效果进行仿真对比分析。

1 典型雷害事故原因分析及改造措施

2012年7月份某矿区35kV侧线路22＃杆塔c相瓷瓶被击碎，28＃杆塔a、b相瓷瓶发生闪络，35kV母线 I段避雷器 a相动作 3次，c相动作 1次，b相直接被打炸，支柱式绝缘子被打坏，对主变进行摇绝缘和直流电阻测试发现，二次对一次及接地为0，低压绕组b相存在头尾接地。吊芯拆解后发现，35kV侧b相有溶铜颗粒，线圈绝缘击穿，如图1所示。

图1 线圈绝缘击穿及支柱绝缘子烧坏图

1.1 主要原因分析

通过现场调研发现：相关供电部门出于防污闪、降低雷击跳闸率的考虑，普遍提高了线路绝缘水平，大多采用4～5片双伞瓷式（玻璃）耐污型绝缘子，但同时也带来了另外一个矛盾，即线路绝缘水平与变电站绝缘水平相互配合的矛盾。因为4片双伞防污绝缘子的全波雷电冲击放电电压通常在420kV左右，而5片绝缘子的全波雷电冲击耐受通常在500kV以上，参考国家标准（GB 1094.3—2003），而变电站主变 35kV侧（全新出厂）的全波雷电冲击耐受值为200kV左右，变压器使用后随着绝缘老化，其全波雷电冲击耐受一般都会下降。一旦 35kV线路遭受雷击（以感应雷为主），由于线路绝缘水平较高，进线段防护较弱，雷电冲击波不能得到有效的限制，从线路侧侵入变电所的雷电波幅值就有可能达到400kV及以上以及巨大的雷电冲击电流，造成站内避雷器打炸、支柱式绝缘子被烧伤以及主变绕组变形、击穿。

1.2 主要改造措施

所谓进线段差异性防雷，其目的就是为了解决线路侧与变电站绝缘水平配合存在的问题，在两者之间起一个桥梁的作用，更好的衔接两者之间的绝缘等级。通过调整间隙的动作值，其大小主要参考母线侧避雷器的雷电冲击残压来设定，高于其20%～28%，而不是线路绝缘子的U50%冲击耐受，因为之前人为的提高了线路绝缘水平，并从终端塔开始逐次提高间隙动作值3%～5%。若间隙动作值取再低一些，进线段绝缘水平下降过多，间隙起弧的可能性相对大一些，单相接地可能性也相对高。若动作值取较高，则不能很好限制雷电侵入波。35kV侧避雷器标准雷电冲击残压为134kV左右，而主变绝缘雷电冲击耐受达200kV，故取间隙动作值高于避雷器雷电残压20%～28%，相对来说更安全可靠。

进线段安装保护间隙会造成其局部绝缘水平下降 30%～40%（相对于线路绝缘子 U50%冲击放电电压而言），但是其绝缘水平仍足矣满足系统正常运行。正是由于保护间隙的雷电冲击动作值低于绝缘子的 U50%雷电冲击耐受，保护间隙才可以提供雷电释放通道，并且可以保护绝缘子免于闪络。当间隙动作起弧时，由于其利用纯空气间隙作为绝缘介质，受风力和电动力的影响较大，弧道被拉长，有利于电弧熄灭，以及系统电压会有过零点，故其难以建立稳定的接地短路电弧，由单相接地发展成相间短路，对于 35kV非有效接地系统，不会造成跳闸率升高。

保护间隙与终端塔线路避雷器相互配合，通过调整间隙大小使其先于避雷器放电，进而削弱避雷器所承受的雷电冲击。保护间隙拥有其自身优点：绝缘恢复速度快、稳定、非易损件。其安装示意图如图2所示。保护间隙应用到进线段，其本质就是提供了另外一种有效雷电放电通道，故其对避雷器来说，是一种补充、完善。

对进线段杆塔采取降低杆塔冲击接地阻抗，配合保护间隙、避雷器动作，迅速释放雷电能量，采用树杈状环形布置来降低冲击接地阻抗，树干长20m，树杈长为5m，如图3所示。

图3 树杈状环形布置图

2 层次分析法

2.1 基本原理

层次分析法[10]其核心思想就是“切分”与“定量”。所谓“切分”就是利用一个层级结构将复杂问题系统化。“定量”即确定下层元素对上层准则层次不同元素的相对权重。通过评估属性之间的成对比较来构建比较矩阵，由相互之间对比性体现出差异性，再通过特征向量的计算来确定各属性之间的相对权重。

2.2 建立层级架构模型

AHP利用层级架构来分析问题时，将复杂的决策问题结构切分成不同决策元素与各个层级之间的子问题。将目标层逐层分解，构造一个递阶层次。通常层级架构分为：目标层、准则层、措施层。

2.3 建立判断矩阵

判断矩阵就是将某一层内任意两个属性，以上层级的属性作为评价标准，分别评估这两个属性对评价标准的贡献度或重要性，将任意两个属性之间比较结果，按照相对重要性尺度表（见表1）进行取值，称为比较矩阵A=(aij)n×n。具有如下性质：1）表示属性 i对属性 j的相对重要性；2）aij=1/aji（i≠j）。

表1 相对重要性尺度表

2.4 求解权重向量W及一致性检验

首先求出判断矩阵 A的最大特征值λmax，然后利用Matlab编程求解矩阵方程AW=λmaxW，得到权重排序向量W。

一致性检验：其目的是为了检验比较的结果是否满足传递性。采用一致性指标（C. I.）如式（1）来衡量，n为阶数。

当C. I.=0表示前后判断具有一致性，＞0.1表示判断有偏差，≤0.1虽有偏差，但为可接受的偏误。

2.5 层次总排序及一致性检验

层次总排序就是先确定某层所有因素对于总目标的相对重要性，然后再进行权值排序，从上到下逐层进行。

总排序一致性检验：其一致性指标为

式中，CIj与aj对应到相应判断矩阵A的一致性指标，当则总排序具有满意的一致性。

3 应用层次分析法对煤矿35kV进线段防雷改造措施评估

本文结合黄土高原地区降阻较为困难以及矿区周边环境污染较为严重，绝缘子长期处于污秽状态以及煤矿供电的特殊性等相关实际情况综合考虑，将保护变电所主设备（尤其主变）、保证可靠供电作为最高目标，以能够最大限度降低侵入变电所雷电过电压波峰值、陡度以及经济性、后期维护和对系统造成的影响作为准则，采用层次分析法对上述进线段差异性综合防雷措施进行综合评估，得出措施层各因素对保护变电所主设备的重要性序列。最后总结出上述防雷改造措施在进线段“先用谁、后用谁”，为煤矿相关线路实际改造工程提供一定理论指导。

3.1 建立层级架构模型

1）目标层：针对目前 35kV煤矿输电线路普遍提高了绝缘水平，同时带来了与变电站相关设备绝缘水平配合存在的矛盾，从进线段防护来考虑，限制雷电侵入波，提出以保护变电所主设备为目标。

2）准则层：从雷电侵入波的峰值及陡度、经济性、对系统所带来的影响和后期维护等主要因素来综合衡量以下相关防雷措施的重要性。

3）措施层：进线段差异性综合防雷改造措施：降低前四级杆塔冲击接地电阻、前四级杆塔安装差异性保护间隙、终端塔安装线路避雷器。

图4 总目标层次架构模型图

3.2 建立判断矩阵、权重向量及一致性检验

根据层次分析法核心思想，首先建立判断矩阵，并运用Matlab编程来求解各个判断矩阵的权重向量及一致性检验。如表2所示。

表2 准则层（A1、A2、A3、A4）对总目标Z权重向量及一致性检验

一致性检验：C. I.=0，λmax=4，完全一致性。

表3 措施层（B1、B2、B3、）对准则层A1权重向量及一致性检验

表4 措施层（B1、B2、B3）对准则层A2权重向量及一致性检验

表5 措施层（B1、B2、B3）对准则层A3权重向量及一致性检验

表6 措施层（B1、B2、B3）对准则层A4权重向量及一致性检验

由准则层对总目标的判断矩阵、权重向量及措施层对准则层（限制侵入波、经济性、后期维护、对系统影响）的判断矩阵、权重向量，可以得出改造措施层对总目标的权重值排序以及一致性检验，见表7。

表7 各改造措施对总目标（Z）权重排序及总目标一致性检验

4 结论

1）针对矿区 35kV进线段采取差异性综合防雷改造方案，即前四级杆塔安装差异性保护间隙、终端塔安装线路避雷器、降低前四级杆塔冲击接地阻抗，解决线路侧与变电站绝缘水平配合存在的矛盾，以限制雷电侵入波峰值和陡度，保护变电所主要设备。

2）综合评估系统中，准则层各因素的权重排序：限制侵入波峰值及陡度（0.6078）、后期维护（0.1570）、对系统影响（0.1256）、经济性（0.1097），可以看出：限制侵入波峰值及陡度对进线段防雷改造措施的选取具有决定性作用。措施层各因素对总目标的权重排序：前四级杆塔安装差异性保护间隙（0.3649）、终端塔安装线路避雷器（0.3264）、降低前四级杆塔冲击接地阻抗（0.3087）。应优先选择差异性保护间隙，但三者权重值相差不大，更多还是应该考虑三者相互配合、综合作用，会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

杨 坡（1980-），男，工程师，主要从事变电站、发电厂的电气部分设计及管理工作。