基于模糊層次分析法對(duì)高電壓下耐壓測(cè)試系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

錢(qián) 輝，楊 森，彭琪琪，劉小琴，陳 敏

(1.江蘇省特種安全防護(hù)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，江蘇 泰州 225300；2.陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西 西安 710061；3.南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210094)

隨著工業(yè)電力行業(yè)的發(fā)展，工藝設(shè)備和產(chǎn)品的絕緣可靠性受到越來(lái)越廣泛的重視。雖然部分設(shè)備和產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了一些耐壓試驗(yàn)，但由于采用的試驗(yàn)電壓一般較低，對(duì)某些局部缺陷未能檢出，一旦在使用過(guò)程中發(fā)生事故，就會(huì)造成人身傷害和財(cái)產(chǎn)損失。因此，為了進(jìn)一步檢測(cè)設(shè)備和產(chǎn)品絕緣缺陷，并了解其受潮、劣化、局部的絕緣強(qiáng)度，提高設(shè)備和產(chǎn)品的安全性，通常采用直、交流耐壓測(cè)試方法來(lái)檢測(cè)其絕緣可靠性。在直、交流耐壓測(cè)試試驗(yàn)中大部分破壞性試驗(yàn)都是對(duì)設(shè)備和產(chǎn)品進(jìn)行擊穿以獲取其最大耐壓值，此過(guò)程中施加的直流或交流電壓可能高達(dá)500 kV，且在該過(guò)程中存在對(duì)人身以及設(shè)備都會(huì)造成致命性的、不可逆的傷害或破壞，如測(cè)試場(chǎng)所中存在粉塵、混合氣體、凝聚態(tài)爆炸物等時(shí)，可能會(huì)引發(fā)爆炸，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失等重大事故。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估方面的研究主要集中在交通、建筑、煤礦、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程、化學(xué)工藝、物質(zhì)熱穩(wěn)定性、爆炸危險(xiǎn)物和危險(xiǎn)場(chǎng)所等。如Benekos等[1]對(duì)公路隧道進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析，并提出了相應(yīng)的安全優(yōu)化措施；Aqlan等[2]對(duì)化工過(guò)程中存在的危險(xiǎn)有害因素進(jìn)行了理論分析，并使用模糊矩陣進(jìn)行概率計(jì)算,得出相應(yīng)概率與影響作用；賈曉燕等[3]利用風(fēng)險(xiǎn)矩陣原理對(duì)鐵路貨物交通運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行研究，分析得出其風(fēng)險(xiǎn)因素，并提出了相應(yīng)的解決辦法；趙桂峰等[4]通過(guò)對(duì)高層RC框架剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，發(fā)現(xiàn)隔震技術(shù)可以有效地減小結(jié)構(gòu)地震的脆弱性；喬萬(wàn)冠等[5]對(duì)多因素耦合作用下煤礦企業(yè)進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，并利用相互矩陣法計(jì)算出各個(gè)因素對(duì)煤礦企業(yè)的影響。而在高壓系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面的研究則主要集中在大型電網(wǎng)直、交流輸配電系統(tǒng)[6-11]，對(duì)高電壓測(cè)試系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面的研究較少，加之現(xiàn)階段的耐壓測(cè)試系統(tǒng)愈來(lái)愈多，更需要有相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)分析方法來(lái)為加強(qiáng)高電壓測(cè)試系統(tǒng)的安全工作提供理論指導(dǎo)。

鑒于此，本文首先基于模糊層次分析法建立耐壓測(cè)試系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系[12]，并確定評(píng)估指標(biāo)的模糊一致性判斷矩陣和權(quán)重；然后結(jié)合由專(zhuān)家打分法得到的各評(píng)估指標(biāo)的評(píng)價(jià)集并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估，計(jì)算得到整個(gè)耐壓測(cè)試系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果；最后通過(guò)實(shí)例對(duì)4類(lèi)耐壓測(cè)試系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)算與評(píng)估，進(jìn)而得出各耐壓測(cè)試系統(tǒng)安全性能等級(jí)的排序。

1 耐壓測(cè)試系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系的構(gòu)建

對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，通常運(yùn)用安全系統(tǒng)工程原理從人、物、環(huán)、管理幾個(gè)方面進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，通過(guò)建立目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層形成風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系。本文建立的耐壓測(cè)試系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系詳見(jiàn)圖1。

圖1 耐壓測(cè)試系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系Fig.1 Risk assessment index system of pressure test system

該評(píng)估模型以耐壓測(cè)試系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系為目標(biāo)層U，準(zhǔn)則層包括人的因素U1、耐壓測(cè)試系統(tǒng)安全性能指標(biāo)U2、環(huán)境因素U3和管理因素U4。

人的因素U1可分解為測(cè)試人員的心理素質(zhì)u11、測(cè)試人員的身體狀況u12、測(cè)試人員的技能水平u13、測(cè)試人員的專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)u14、測(cè)試人員的安全意識(shí)程度u15、測(cè)試人員的結(jié)構(gòu)與文化程度u16和測(cè)試單位管理層人員的安全意識(shí)u177個(gè)指標(biāo)。其中，測(cè)試單位管理層人員的安全意識(shí)往往容易被忽視，但實(shí)際工作中管理層對(duì)安全的重視在一定的程度上影響著整個(gè)單位對(duì)安全文化制度的重視與落實(shí)程度。

耐壓測(cè)試系統(tǒng)安全性能指標(biāo)U2可分解為測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)化程度u21、被測(cè)物的安全性能u22、測(cè)試用接地電網(wǎng)的安全性能u23、各室耐壓安全防護(hù)的性能u24、測(cè)試設(shè)備的安全裝置u25、測(cè)試電氣設(shè)備的安全性能u26、測(cè)試系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)u27和測(cè)試系統(tǒng)的安全消防措施u288個(gè)指標(biāo)。其中，測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)化程度越高，人誤操作的機(jī)會(huì)就會(huì)越少，發(fā)生安全事故的可能性也就越低；被測(cè)物的安全性能包括其大致的耐壓值、耐壓時(shí)間、是否是危險(xiǎn)物質(zhì)(如在高壓下是否會(huì)產(chǎn)生有毒有害氣體、燃燒或者爆炸等)；測(cè)試用接地電網(wǎng)的安全性能方面的危害主要是指在耐壓測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中發(fā)生設(shè)備或產(chǎn)品被高壓電流擊穿時(shí)起到回路作用將電壓引入大地，一旦出現(xiàn)短路不僅造成設(shè)備損壞，甚至?xí)蚋邏弘娏鱽y竄引發(fā)測(cè)試系統(tǒng)帶電而導(dǎo)致人員傷亡；各室耐壓安全防護(hù)的性能方面的危害主要是指在耐壓測(cè)試系統(tǒng)中的控制室、操作室和觀(guān)察室等科室發(fā)現(xiàn)高壓放電現(xiàn)象，而相應(yīng)的各室電氣設(shè)備的絕緣性能失效，或者在放電瞬間的光照強(qiáng)度大于人眼所能承受的強(qiáng)度時(shí)，可能會(huì)造成人員傷亡；測(cè)試設(shè)備的安全裝置的功能主要是在耐壓測(cè)試系統(tǒng)發(fā)生漏電、檢測(cè)人員在被測(cè)區(qū)域內(nèi)誤操作、耐壓測(cè)試系統(tǒng)持續(xù)升壓等不可控事故發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)可通過(guò)自動(dòng)連鎖裝置迅速自動(dòng)識(shí)別錯(cuò)誤操作，采取緊急停車(chē)操作以防止人員傷亡。

環(huán)境因素U3可分解為測(cè)試系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)安全距離u31、溫濕度照明條件u32、現(xiàn)場(chǎng)的危險(xiǎn)物質(zhì)u33、環(huán)境衛(wèi)生與通風(fēng)u34和現(xiàn)場(chǎng)的安全逃生措施u355個(gè)指標(biāo)。

管理因素U4可分解為測(cè)試人員的安全管理u41、測(cè)試的規(guī)章制度u42、應(yīng)急措施u43、防爆消防系統(tǒng)的安全管理u44和各項(xiàng)制度措施的落實(shí)程度u455個(gè)指標(biāo)。

2 模糊層次分析法風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的步驟

利用模糊層次分析法對(duì)耐壓測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的步驟如下：

2.1 確定評(píng)估指標(biāo)的模糊判斷矩陣及權(quán)重

模糊層次分析法是將模糊分析法與層次分析法相結(jié)合而形成的一種新的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法。在利用層次分析法時(shí)，在各級(jí)指標(biāo)較多的情況下，其思維很難保持一致性，而模糊層次分析法通過(guò)引入模糊數(shù)學(xué)中的“隸屬度”，用隸屬函數(shù)對(duì)具有模糊性的指標(biāo)進(jìn)行處理(見(jiàn)表1)，可以很好地解決這一問(wèn)題。

模糊層次分析法通過(guò)比較尺度建立評(píng)估指標(biāo)的比較矩陣F=[fij]n×n，然后構(gòu)造評(píng)估指標(biāo)的模糊一致性判斷矩陣A=[aij]n×n[13]，并計(jì)算出評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重向量W，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與分析。具體計(jì)算公式如下：

表1 隸屬度標(biāo)度值

(1)

(2)

(4)

(5)

式中:fij表示專(zhuān)家對(duì)比元素i和元素j得到的相對(duì)重要度；ai表示元素i的重要度;aj表示元素j的重要度；aij表示元素i相對(duì)元素j的模糊重要度;wi表示元素i的權(quán)重值。

因此，得到的指標(biāo)權(quán)重向量W=(w1，w2，…，wn)。

2.2 確定評(píng)估指標(biāo)的評(píng)價(jià)集

對(duì)各耐壓測(cè)試系統(tǒng)即單臺(tái)高壓試驗(yàn)變壓器測(cè)試系統(tǒng)、串級(jí)試驗(yàn)變壓器測(cè)試系統(tǒng)、諧振式耐壓測(cè)試系統(tǒng)、0.1 Hz試驗(yàn)裝置測(cè)試系統(tǒng)建立評(píng)價(jià)集，即用符號(hào)V=(V1，V2，V3，V4)表示，通過(guò)專(zhuān)家打分法確定評(píng)判集Vi，再由評(píng)判集Vi經(jīng)歸一化處理后得到耐壓測(cè)試系統(tǒng)的評(píng)判矩陣Ri。

2.3 耐壓測(cè)試系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的模糊綜合評(píng)估

通過(guò)指標(biāo)層的權(quán)重Wi和評(píng)判矩陣Ri，可計(jì)算得到準(zhǔn)則層的評(píng)判矩陣R

R=Wi·Ri

(6)

再運(yùn)用準(zhǔn)則層的權(quán)重W和評(píng)判矩陣R可計(jì)算得到目標(biāo)層的評(píng)判結(jié)果B：

B=W·R

(7)

3 實(shí)例分析

為了對(duì)不同耐壓試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，本文利用模糊層析分析法對(duì)不同的耐壓測(cè)試系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了定量分析，以確定各個(gè)耐壓系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)程度，為安全風(fēng)險(xiǎn)決策提供依據(jù)。

3.1 耐壓測(cè)試系統(tǒng)概況

某中心為了完善安全防護(hù)產(chǎn)品的檢測(cè)內(nèi)容，建立了耐高壓電絕緣測(cè)試系統(tǒng)(見(jiàn)圖2)，其產(chǎn)品檢測(cè)內(nèi)容覆蓋電絕緣防護(hù)設(shè)備，如鞋、手套、安全帶和接地棒等耐高壓產(chǎn)品。該耐壓測(cè)試系統(tǒng)是由電氣控制室、操作室和實(shí)驗(yàn)區(qū)等區(qū)域組成，系統(tǒng)的耐壓參數(shù)范圍為0～500 kV。

3.2 耐壓測(cè)試系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的模糊綜合評(píng)估

(1) 確定評(píng)估指標(biāo)的模糊一致性判斷矩陣及權(quán)重：利用公式(1)～(5)確定評(píng)估指標(biāo)的模糊一致性判斷矩陣，并經(jīng)方根法計(jì)算得到各評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重值，其結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

圖2 某中心的耐高壓電絕緣測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 Pressure test system of a center

表2 準(zhǔn)則層評(píng)估指標(biāo)的模糊一致性判斷矩陣和權(quán)重表

表3 指標(biāo)層評(píng)估指標(biāo)的模糊一致性判斷矩陣和權(quán)重表

(2) 確定評(píng)估指標(biāo)的評(píng)價(jià)集：目前國(guó)內(nèi)外在大電流大電壓耐壓測(cè)試方法中通常采用單臺(tái)高壓試驗(yàn)變壓器測(cè)試系統(tǒng)、串級(jí)試驗(yàn)變壓器測(cè)試系統(tǒng)[14]、諧振式耐壓測(cè)試系統(tǒng)[15]、0.1 Hz試驗(yàn)裝置測(cè)試系統(tǒng)[16]。但由于高壓放電存在重大安全隱患，須單獨(dú)立項(xiàng)進(jìn)行系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。在不考慮造價(jià)成本、經(jīng)濟(jì)效益等情況下，本文邀請(qǐng)20位專(zhuān)家對(duì)各耐壓測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行打分，即可得到指標(biāo)層的評(píng)價(jià)集V1、V2、V3、V4(見(jiàn)表4)，并將評(píng)價(jià)集進(jìn)行歸一化處理后得到各耐壓測(cè)試系統(tǒng)的專(zhuān)家評(píng)判矩陣R1、R2、R3、R4如下:

表4 耐壓測(cè)試系統(tǒng)專(zhuān)家評(píng)審結(jié)果

(3) 耐壓測(cè)試系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的模糊綜合評(píng)估：利用公式(6)，可計(jì)算得到準(zhǔn)則層的評(píng)判矩陣R：

再利用公式(7)，可計(jì)算得到目標(biāo)層的評(píng)判矩陣B：

B=[0.205 33 0.221 61 0.274 21 0.298 85]

根據(jù)最大隸屬度原則以及評(píng)判矩陣的計(jì)算結(jié)果，其中隸屬度最大者安全系數(shù)最高。由此可以見(jiàn)，0.1 Hz試驗(yàn)裝置測(cè)試系統(tǒng)的安全性能等級(jí)最高，諧振式耐壓測(cè)試系統(tǒng)次之，串級(jí)試驗(yàn)變壓器測(cè)試系統(tǒng)再次，單臺(tái)高壓試驗(yàn)變壓器測(cè)試系統(tǒng)的安全性能等級(jí)最低。此計(jì)算結(jié)果與實(shí)際使用情況較為一致[14-17]。

4 結(jié)論與建議

本文采用模糊層次分析法通過(guò)對(duì)高壓下耐壓測(cè)試系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)算與分析，確定了各風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重，并在考慮風(fēng)險(xiǎn)因素相同的情況下，通過(guò)實(shí)例對(duì)單臺(tái)高壓試驗(yàn)變壓器測(cè)試系統(tǒng)、串級(jí)試驗(yàn)變壓器測(cè)試系統(tǒng)、諧振式耐壓測(cè)試系統(tǒng)、0.1 Hz試驗(yàn)裝置測(cè)試系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了模糊綜合評(píng)估，得到各系統(tǒng)的隸屬度分別為0.205 33、0.221 61、0.274 21、0.298 85，評(píng)估結(jié)果表明在只考慮安全因素條件下，各耐壓測(cè)試系統(tǒng)安全性能等級(jí)的排序?yàn)椋?.1 Hz試驗(yàn)裝置測(cè)試系統(tǒng)>諧振式耐壓測(cè)試系統(tǒng)>串級(jí)試驗(yàn)變壓器測(cè)試系統(tǒng)>單臺(tái)高壓試驗(yàn)變壓器測(cè)試系統(tǒng)。

在建立耐壓測(cè)試系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí)由于各種風(fēng)險(xiǎn)因素是不斷變化的，因此需要針對(duì)實(shí)際情況做相應(yīng)的調(diào)整，不斷地加以?xún)?yōu)化與補(bǔ)充；對(duì)于專(zhuān)家打分環(huán)節(jié)，由于主觀(guān)性較強(qiáng)，因此在人員選取時(shí)需確保專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)、經(jīng)驗(yàn)豐富、公正等，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從而使計(jì)算結(jié)果更加精確。