變電站火災(zāi)風(fēng)險評價指標(biāo)體系及云模型分析

程方明，牛巧霞，劉文輝

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安市城市公共安全與消防救援重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.鞍山市消防救援支隊，遼寧 鞍山 114000)

0 引 言

變電站作為電力行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施在整個電力系統(tǒng)中起到了至關(guān)重要的作用，其安全性、可靠性已經(jīng)成為電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的首要因素[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，2021年全國74.8萬起火災(zāi)事故中，電氣火災(zāi)數(shù)量高居榜首，占比高達(dá)50.4%[3]。變電站中存在大量高電壓、大電流、高儲能和易燃易爆設(shè)備，如變壓器、電容器、電力電纜等，這些設(shè)備火災(zāi)危險性較高。變電站一旦發(fā)生火災(zāi)，容易導(dǎo)致大面積停電，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響[4-5]。

變電站結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電力設(shè)備多，內(nèi)部包含多種可燃物，是典型的電氣火災(zāi)高危場所。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對變電站火災(zāi)風(fēng)險的研究不斷增加。2019年，KIM等提出了一種基于模糊邏輯的專家改進(jìn)推理方法，提高了變電站火災(zāi)探測的精度[6]；MOHANAD對變壓器中冷卻液在蒸發(fā)過程中引起的火災(zāi)和爆炸進(jìn)行了調(diào)查研究，提出在變電站事故中，事故通常由多種因素引起，如：設(shè)計缺陷、突然的電涌、繞組的故障等[7]。李建斌分析了變壓器、線路、電纜火災(zāi)的原因[8]；唐倩等對電纜溝火災(zāi)的主要特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)分析，得出了電纜溝火災(zāi)事故發(fā)生的主要原因，并且提出了有效預(yù)防電纜溝火災(zāi)事故的對策措施[9-10]；敖飛等通過對某110 kV變電站火災(zāi)事故進(jìn)行了分析，指出了變電站火災(zāi)安全隱患，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)與預(yù)防措施[11]；江永生等對變電站建筑火災(zāi)發(fā)生的主要特點(diǎn)進(jìn)行了概述，提出了針對變電站的防火措施[12]；何晟霖等以某變電站為例進(jìn)行了變電站火災(zāi)事故的風(fēng)險評估，運(yùn)用層次分析法等建立了變電站火災(zāi)風(fēng)險評價體系[5，13]。

綜上所述，大部分研究多關(guān)注變電站火災(zāi)的原因和防火措施，針對變電站火災(zāi)風(fēng)險開展系統(tǒng)性分析與評估的研究并不多，現(xiàn)有火災(zāi)風(fēng)險評估指標(biāo)的全面性和適用性有待改進(jìn)。因此基于對現(xiàn)場隱患排查、變電站火災(zāi)事故的統(tǒng)計分析，同時結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，建立了變電站火災(zāi)風(fēng)險評價指標(biāo)體系，并運(yùn)用序關(guān)系和熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，引入云模型分析火災(zāi)風(fēng)險等級，并應(yīng)用于無人值守變電站，旨在為變電站火災(zāi)風(fēng)險分析和消防安全管理水平提升提供參考和指導(dǎo)。

1 變電站火災(zāi)風(fēng)險評價指標(biāo)體系

1.1 變電站火災(zāi)致因因素分析

1.1.1 變電站火災(zāi)事故案例分析

根據(jù)文獻(xiàn)[14]記載以及網(wǎng)絡(luò)搜集到的76起變電站火災(zāi)事故，對火災(zāi)原因和引起火災(zāi)的主要設(shè)備進(jìn)行分析，各類情況所占比例如圖1、圖2所示?？梢?，變電站火災(zāi)事故主要由設(shè)備超負(fù)荷運(yùn)行(26%)、設(shè)備故障(17%)、線路短路(15%)、管理缺陷(11%)、設(shè)備質(zhì)量缺陷(10%)、絕緣受損老化(9%)以及人員操作不當(dāng)(6%)7類原因造成。變電站火災(zāi)事故易發(fā)場所主要集中在變壓器室、蓄電池室、電纜夾層、電纜井以及操作間等，引起火災(zāi)的設(shè)備主要有變壓器、電纜、電容器以及互感器、配電柜、控制柜和避雷針等，其中電纜、變壓器和電容器發(fā)生火災(zāi)的比例較大，分別占到35%，32%和17%。

圖1 變電站火災(zāi)原因統(tǒng)計Fig.1 Statistics on fire causes in substations

圖2 變電站失火設(shè)備統(tǒng)計Fig.2 Statistics on fire equipment in substations

1.1.2 變電站火災(zāi)隱患排查分析

對11個110 kV變電站、6個330 kV變電站和4個750 kV變電站近3 a的消防安全現(xiàn)狀進(jìn)行了排查。對變電站常見火災(zāi)隱患進(jìn)行了分類統(tǒng)計，整理得到消防設(shè)施設(shè)置、操作規(guī)范缺陷等12類、35項(xiàng)隱患，見表1。

表1 變電站火災(zāi)隱患分類

1.2 變電站火災(zāi)風(fēng)險評價指標(biāo)體系構(gòu)建

根據(jù)變電站火災(zāi)致災(zāi)因素和火災(zāi)隱患分類情況的分析，變電站發(fā)生火災(zāi)多因存在安全管理和設(shè)備設(shè)施等方面的問題。依據(jù)變電站相關(guān)規(guī)范及文獻(xiàn)[14-15]可知，發(fā)生火災(zāi)的可能性和后果嚴(yán)重程度主要取決于建筑防火、消防設(shè)施與應(yīng)急救援等因素。因此，將安全管理能力、建筑防火能力、消防安全設(shè)施、設(shè)備防火設(shè)施、火災(zāi)救援力量5個方面作為一級評價指標(biāo)。根據(jù)變電站消防安全管理實(shí)際，結(jié)合常見火災(zāi)隱患的分類統(tǒng)計，確定了二級、三級指標(biāo)，建立了變電站火災(zāi)風(fēng)險評價指標(biāo)體系，見表2。

表2 變電站火災(zāi)風(fēng)險評價指標(biāo)

2 變電站火災(zāi)風(fēng)險評價模型

2.1 指標(biāo)權(quán)重的確定

2.1.1 序關(guān)系分析法確定主觀權(quán)重

將指標(biāo)記{x1,x2,…,xn}，決策者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對指標(biāo)進(jìn)行排序，設(shè)每個指標(biāo)xi的指標(biāo)權(quán)重為ωi，則可得到指標(biāo)xi-1和指標(biāo)xi的權(quán)重之比為

(1)

式中ri為指標(biāo)xi-1和指標(biāo)xi的權(quán)重之比，當(dāng)n較大時，rn=1，根據(jù)表3進(jìn)行賦值。

根據(jù)序關(guān)系可得出每一個評價指標(biāo)的權(quán)重值

(2)

ωi-1=riωi

(3)

最終可得到火災(zāi)風(fēng)險評價指標(biāo)體系的主觀權(quán)重ω(1)=(ω1,ω2,…,ωn)。

2.1.2 熵權(quán)法確定客觀權(quán)重

熵權(quán)法是根據(jù)熵值原理和計算方法確定指標(biāo)權(quán)重的方法[16]。假設(shè)有評價對象n個，評價指標(biāo)m個，利用熵權(quán)法來得到評價指標(biāo)客觀權(quán)重的方法如下所示。

計算各指標(biāo)的熵值

(4)

計算各指標(biāo)的權(quán)重

(5)

(6)

式中Vj∈[0,1]，ω=(ω1,ω2,…,ωn)即為客觀權(quán)重。

通過熵權(quán)法最終得到變電站火災(zāi)風(fēng)險評價體系的客觀權(quán)重ω(2)=(ω1,ω2,…,ωn)。

運(yùn)用線性加權(quán)組合權(quán)重法將序關(guān)系分析法得到的變電站火災(zāi)風(fēng)險評價指標(biāo)的主觀權(quán)重ω(1)=(ω1,ω2,…,ωn)和熵權(quán)法獲得評價指標(biāo)的客觀權(quán)重ω(2)=(ω1,ω2,…,ωn)進(jìn)行加和，得到最終組合權(quán)向量

ω(0)=θ1ω(1)+θ2ω(2)

(7)

式中θ1+θ2=1，表示決策者對評價方法的重要程度的度量，反映決策者最主觀賦權(quán)和客觀賦權(quán)的傾向程度，取θ1=0.4,θ2=0.6。

2.2 云模型簡介

云模型通過結(jié)合模糊數(shù)學(xué)理論和概率論理論[17-18]，能夠處理事物的定性概念和定量描述的有效轉(zhuǎn)換[19]，進(jìn)行評價時能較好的解決自主能力評價中模糊性和隨機(jī)性問題，降低人為主觀性因素的干擾，使得評價結(jié)果更科學(xué)[20]。云模型原理如圖3所示，計算出云模型特征參數(shù)期望(Ex)、熵(En)、超熵(He)輸入正向云發(fā)生器形成云滴，通過Matlab繪制云圖，云滴通過逆向云發(fā)生器計算得到云特征值[21]。其中，Ex是定性概念的坐標(biāo)；En體現(xiàn)定性概念的不確定程度和可度量度，熵值越大，表明定性概念可被認(rèn)可度越高；He是熵的不確定性和樣本隨機(jī)性，He越大，云滴就越趨于離散，云滴也越厚[22]。變電站火災(zāi)風(fēng)險各項(xiàng)評價指標(biāo)風(fēng)險等級的判斷具有主觀性，評價過程具有隨機(jī)性和模糊性，運(yùn)用云模型可將指標(biāo)評分在評價指標(biāo)體系的框架下有效轉(zhuǎn)化為火災(zāi)風(fēng)險等級的定性評價結(jié)果。

2.2.1 確定標(biāo)準(zhǔn)云

在吸納專家建議的基礎(chǔ)上，結(jié)合大量云模型相關(guān)文獻(xiàn)的分析，將變電站火災(zāi)風(fēng)險評價等級分為5級[23]：高風(fēng)險、較高風(fēng)險、中等風(fēng)險、較低風(fēng)險、低風(fēng)險，根據(jù)評價等級從高風(fēng)險到低風(fēng)險的評分取值范圍為從0到100，即等級區(qū)間為[0，100]，根據(jù)專家的描述進(jìn)行區(qū)間劃分，得到變電站火災(zāi)風(fēng)險等級見表4。

表4 變電站火災(zāi)風(fēng)險等級

根據(jù)等級區(qū)間劃分，利用下式計算火災(zāi)風(fēng)險各等級標(biāo)準(zhǔn)云特征參數(shù)(Exv,Env,Hev)

(8)

(9)

Hev=f

(10)

式中f取0.3。

根據(jù)表3專家對語言的描述進(jìn)行區(qū)間劃分，對評價各等級臨界點(diǎn)進(jìn)行雙邊約束來計算云模型特征參數(shù)，見表5。

表5 火災(zāi)風(fēng)險等級劃分及云模型特征參數(shù)

構(gòu)成一個5級的變電站火災(zāi)風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn)云，用Matlab軟件編程繪制標(biāo)準(zhǔn)云圖(N=5 000)，如圖4所示。

圖4 評價等級標(biāo)準(zhǔn)云Fig.4 Standard cloud of evaluation levels

2.2.2 確定評價云

有m個專家，n個評價指標(biāo)，其中Xij表示第i個專家對第j個指標(biāo)的評價結(jié)果。i=1，2，…，m；j=1，2，…，n。指標(biāo)評價矩陣表示如下

(11)

采用下式計算得出指標(biāo)評價云：第j個指標(biāo)評價云為Cj=(Exj,Enj,Eej)。

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

2.2.3 確定風(fēng)險等級

通過Matlab編程將標(biāo)準(zhǔn)云云圖與綜合云云圖導(dǎo)入同一坐標(biāo)系，通過觀察對比綜合評價指標(biāo)云與標(biāo)準(zhǔn)云圖的位置和形狀，獲得評價對象風(fēng)險等級。與綜合評價云最接近的標(biāo)準(zhǔn)云等級即為評價對象的風(fēng)險等級。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 變電站概況

以陜西省某330 kV無人值守變電站為對象開展變電站火災(zāi)風(fēng)險評價。該站區(qū)東西長128 m，南北寬100 m，圍墻內(nèi)占地1.28公頃。變電站入口布置在西側(cè)，主控通信室南北朝向采用“一”字型，生產(chǎn)區(qū)330 kV架構(gòu)、GIS基礎(chǔ)和330 kV繼電器室布置在站區(qū)北側(cè)，110 kV架構(gòu)、GIS基礎(chǔ)和330 kV繼電器室、35 kV#2配電室布置在110 kV配電區(qū)和330 kV配電區(qū)之間，電容器及電抗器布置在主變兩側(cè)。站內(nèi)變壓器臺數(shù)3×240 MVA，含油設(shè)備電容器4×30 MWar，電抗器4×30 MWa。

3.2 評價過程與結(jié)果分析

通過對變電站的現(xiàn)場調(diào)研，制定了專家調(diào)查問卷并邀請10名電力行業(yè)消防專家及電力工作人員等根據(jù)指標(biāo)重要度對各項(xiàng)三級指標(biāo)進(jìn)行評分，每項(xiàng)打分滿分10分，分為4個評分等級：<6.0分為一般重要，6～7.5分為較重要，7.0～9.0分為重要，9.0～10.0分為非常重要，根據(jù)調(diào)查問卷結(jié)果確定變電站火災(zāi)風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重。

3.2.1 確定主觀權(quán)重

主觀賦權(quán)法采用序關(guān)系分析法，根據(jù)對搜集的變電站火災(zāi)案例和相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分析，針對上節(jié)確定的評價指標(biāo)的重要度進(jìn)行排序

C8>C3>C4>C1=C2>C5>C7=C6>C9>C17>C20=C21=C23=C24>C22>C18=C19>C15=C16>C14>C25>C26>C13>C27>C10>C11=C12>C28=C29=C30>C38=C37>C36=C35>C31=C32>C33>C34>C43>C44=C45>C39>C40>C41>C42

rk=

根據(jù)式(1)計算ω45

根據(jù)式(2)計算其他指標(biāo)權(quán)重，得到各指標(biāo)權(quán)重矩陣ω(1)(精確到小數(shù)點(diǎn)后4位)。

3.2.2 熵權(quán)法確定客觀權(quán)重

根據(jù)10位專家對各指標(biāo)的評分結(jié)果對變電站火災(zāi)風(fēng)險評價指標(biāo)體系中的45個評價指標(biāo)的重要度進(jìn)行評分(0～10分)，根據(jù)式(4)～(6)利用Matlab計算處理得到45個指標(biāo)的熵權(quán)，即得到變電站火災(zāi)風(fēng)險評價指標(biāo)體系的客觀權(quán)重向量ω(2)。

3.2.3 綜合權(quán)重確定

采用線性加權(quán)組合賦權(quán)法，利用式(7)計算獲得組合權(quán)向量ω(結(jié)果保留3位小數(shù))，以及一、二級組合權(quán)重向量。

ω(1)=

ω(2)=

ω=

二級指標(biāo)權(quán)重

ω=

一級指標(biāo)權(quán)重

ω={0.418,0.069,0.198,0.187,0.128}

3.2.4 云模型評價

為研判變電站的火災(zāi)風(fēng)險情況，邀請5名變電站工作人員與消防專家根據(jù)表3火災(zāi)風(fēng)險評價區(qū)間對變電站的各項(xiàng)評價指標(biāo)進(jìn)行打分，將得到的數(shù)據(jù)根據(jù)式(11)～(14)計算，得到各級指標(biāo)的云模型特征參數(shù)，結(jié)果見表6。

該變電站未設(shè)消防水源、消防系統(tǒng)，相關(guān)項(xiàng)得分為0，云特征值為0。對變電站一級評價指標(biāo)進(jìn)行綜合分析評價，將表6中云特征值輸入正向云發(fā)生器(N=5000)，各一級指標(biāo)綜合評價云模型如圖5所示。

表6 評價指標(biāo)云模型特征參數(shù)

從圖5可以看出，該變電站安全管理能力處于較低風(fēng)險等級，表明該變電站安全管理規(guī)章制度較完善、定期檢查記錄完整，隱患排查及整改等完成度較高；建筑防火能力處于較低風(fēng)險等級，表明該變電站的選址、建筑耐火等級較好，符合相關(guān)規(guī)范；消防安全設(shè)施處于較高風(fēng)險等級，主要原因是該變電站未設(shè)消防水源、消防系統(tǒng)，極大的提高了變電站的火災(zāi)風(fēng)險；設(shè)備防火設(shè)施處于中等風(fēng)險等級與較低風(fēng)險等級之間，該變電站在各功能區(qū)設(shè)置了移動式滅火設(shè)備，但因變電站為無人值守變電站，因此火災(zāi)發(fā)生后不能保障火災(zāi)能在最佳滅火時間內(nèi)進(jìn)行撲救，火災(zāi)后果增加；火災(zāi)救援力量處于中等風(fēng)險等級，站址位于較偏僻的郊外，距離消防救援隊伍較遠(yuǎn)，不能保證及時有效的滅火。

圖5 一級指標(biāo)綜合評價云圖Fig.5 Cloud chart about comprehensive evaluation of first-level indexes

根據(jù)式(15)～(17)得到該變電站的火災(zāi)風(fēng)險評價綜合云為(60.414，13.311，4.142)，利用Matlab編程，將火災(zāi)風(fēng)險評價綜合云與標(biāo)準(zhǔn)云繪制在同一云圖中進(jìn)行對比，如圖6所示，淺藍(lán)色云圖為該變電站的評價云圖，評價綜合云與中等風(fēng)險云圖高度重合，因此該變電站的火災(zāi)風(fēng)險處于中等風(fēng)險級別，應(yīng)采取相應(yīng)措施降低火災(zāi)風(fēng)險。

圖6 某330 kV無人值班變電站火災(zāi)風(fēng)險評價云圖Fig.6 Cloud chart of fire risk evaluation of a 330 kV unattended substation

3.3 火災(zāi)風(fēng)險防控建議

通過對變電站的致災(zāi)因素以及實(shí)例分析，發(fā)現(xiàn)變電站存在安全管理薄弱、規(guī)章制度不完善、消防設(shè)施水平低、缺乏事故應(yīng)急演練、應(yīng)急培訓(xùn)等問題，因此針對以上問題，提出火災(zāi)風(fēng)險防控建議。

1)提高安全管理能力，完善規(guī)章制度。變電站要有適用于自身的安全管理、操作規(guī)范等一系列制度和規(guī)范，并確保工作人員能夠按照制度執(zhí)行；安全培訓(xùn)可按層次進(jìn)行劃分，明確主管部門、分管部門的責(zé)任體系；保證定期的事故應(yīng)急演練，確保發(fā)生事故時能夠最大程度自救和撤離，減少人員傷亡；合理安排檢查、巡查制度，定期巡查維護(hù)設(shè)備設(shè)施，完善和落實(shí)安全檢查制度，進(jìn)行有效的火災(zāi)隱患排查并整改。

2)提升消防安全設(shè)施水平，加強(qiáng)消防設(shè)施后期運(yùn)維。變電站在選用火災(zāi)探測器以及消防系統(tǒng)時，應(yīng)充分考慮火災(zāi)的種類、特點(diǎn)以及安裝場所，保證在火災(zāi)發(fā)生初期，火災(zāi)探測器能有效監(jiān)測，確保報警的及時性與準(zhǔn)確性，同時確保消防聯(lián)動系統(tǒng)的有效性，在檢測到火災(zāi)發(fā)生時，能及時啟用滅火設(shè)施自動滅火，避免人員距離遠(yuǎn)，來不及滅火造成重大火災(zāi)事故的情況發(fā)生。

3)加強(qiáng)火災(zāi)事故應(yīng)對培訓(xùn)，增加火災(zāi)救援力量。火災(zāi)初期在缺乏自動滅火系統(tǒng)或系統(tǒng)失效的情況下，主要靠工作人員在事故發(fā)生時立即作出反應(yīng)采取救火措施，這對站內(nèi)工作人員身體素質(zhì)和應(yīng)急能力有較高要求，站內(nèi)應(yīng)設(shè)置專職消防人員，并加強(qiáng)消防知識培訓(xùn)和身體素質(zhì)訓(xùn)練，保證事故發(fā)生時能及時反應(yīng)，防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大。

4 結(jié) 論

1)通過分析統(tǒng)計近20年變電站火災(zāi)事故，得到變電站火災(zāi)事故原因主要有設(shè)備超負(fù)荷運(yùn)行、設(shè)備故障、線路短路、管理缺陷、設(shè)備質(zhì)量缺陷、絕緣受損老化以及人員操作不當(dāng)7類原因造成，所占事故比例分別為26%，17%，15%，11%，10%，9%，6%；失火設(shè)備中由電纜、變壓器和電容器引發(fā)火災(zāi)的比例較大，分別占到35%，32%和17%。

2)運(yùn)用序關(guān)系-熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，云模型作為評價模型對某330 kV變電站進(jìn)行火災(zāi)風(fēng)險評價，發(fā)現(xiàn)該變電站消防安全設(shè)施處于較高風(fēng)險等級，自動消防系統(tǒng)缺乏，消防設(shè)施設(shè)備未按照相關(guān)規(guī)范設(shè)置，后期缺少維護(hù)管理，使得變電站整體火災(zāi)風(fēng)險水平增加，處于中等火災(zāi)風(fēng)險等級，應(yīng)完善消防系統(tǒng)的管理和維護(hù)，增加消防設(shè)施設(shè)備數(shù)量，并增加日常巡查次數(shù)以降低火災(zāi)風(fēng)險。

3)變電站消防安全設(shè)施是變電站火災(zāi)防控的重要手段，早期變電站因消防系統(tǒng)技術(shù)限制，對電氣設(shè)備影響較大，而對自動滅火系統(tǒng)的設(shè)計、后期維護(hù)不夠重視，導(dǎo)致變電站因火災(zāi)未能及時發(fā)現(xiàn)、撲救，火災(zāi)事故后果擴(kuò)大。隨著細(xì)水霧等自動滅火系統(tǒng)的發(fā)展完善，在保證及時滅火的同時，對電氣設(shè)備的影響也較小，在新建、改建變電站時，應(yīng)充分考慮將新興滅火系統(tǒng)運(yùn)用到變電站中，減小火災(zāi)后果。