基于改进型QSPM矩阵的线路连结金具寿命评估方法

梁 伟，李勇杰，王 建，朱弘钊，刘春翔， 龚 浩，何 成，程 鹏

（1.南瑞集团公司（国网电力科学研究院），南京 211106；2.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉 430074；3．国网新疆电力公司电力科学研究院，乌鲁木齐830011）

基于改进型QSPM矩阵的线路连结金具寿命评估方法

梁 伟1,2，李勇杰3，王 建3，朱弘钊1,2，刘春翔1,2， 龚 浩1,2，何 成3，程 鹏1,2

（1.南瑞集团公司（国网电力科学研究院），南京 211106；2.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉 430074；3．国网新疆电力公司电力科学研究院，乌鲁木齐830011）

针对沙漠区域广泛存在的输电线路连接金具磨损问题，在改进型QSPM矩阵的基础上引入灰色理论和模糊数学方法，建立了沙漠环境、输电走廊、线路本体特征以及连接金具特性等因素的线路连接金具寿命评估指标体系。对沙漠地区某同走廊750kV线路吐鲁番至哈密区段的连接金具进行了寿命评估，评估计算结果与运行实际非常相似。该方法实现了多源影响因子的量化评估，可为同走廊的线路连接金具磨损风险评估提供技术支撑。

线路连结金具；同走廊输电线路；寿命评估；QSPM矩阵；灰色理论；模糊数学；指标评价

0 引言

沙漠区域的强风、沙尘天气给输变电设备带来了系列损伤，典型的问题有金具磨损、复合绝缘子伞裙撕裂等，其中清华大学和国网新疆电力科学研究院密切合作，在复合绝缘子的伞裙撕裂机理、抗风设计等方面展开了系列研究，为强风区域输变电设备设计提供了大量数据，但是有关沙漠金具磨损以及相关寿命评估的研究工作进展缓慢。

沙漠金具磨损方面仅见芦信[1]以及杨现臣[2]等相关的报道。芦信在收集750 kV输电线路所处沙漠戈壁环境的有关风速、沙尘颗粒尺寸、沙尘浓度等信息的基础上，利用风洞研究了这些参数对金具磨损的影响[1]。杨现臣等通过摇摆磨损试验和破坏载荷试验对“U”形环进行了大量研究，探讨了金具磨损与大风振动之间的关系[2]。风振金具研究方面，张丽等评估了风振作用下金具的疲劳寿命，以南京三江口长江500 kV大跨越输电线路绝缘子导线金具为研究对象，分析了自振特性、风振响应，以及静风载荷作用下的结构响应和风振疲劳，估算输电线绝缘子金具在风振作用下的疲劳寿命[3-4]。环境因素对线路金具的影响方面，张秀丽等采用表面形貌分析、横截面形貌分析、金具腐蚀物化学及物相分析、X射线衍射分析等手段测试分析了酸雨区域约10年的锈蚀金具，分析了腐蚀金具的力学特征[5]。陈军君等分析了在运线路金具的情况，建立了酸雨环境的金具腐蚀速度模型，这些研究指出了可酸雨环境是金具镀锌保护膜腐蚀消耗的主导因素[6-7]。

影响输电线路金具寿命的因素非常多，总结来讲可以分为环境（风速、微地形条件、沙尘环境，沙尘腐蚀性能以及荷电特性）、输电线路因素（杆塔结构、串型结构和金具位置等）、金具特性（结构、材质和表面特性）等因素，这些因素纷杂，部分因素存在一定的主观判断，需要进行量化评估。有关评估方法，较为流行的如层次分析法[8-10]、模糊数学方法[11]、定量规划矩阵法（Quantitative Strategic Planning Matrix，QSPM）[12]等。QSPM方法能够定量而客观地分析各种影响因素，一直得到研究者的青睐，笔者计划采用改进型的QSPM矩阵对同走廊输电线路连结金具的寿命影响因素定量分类，并引入模糊数学和灰色理论对各影响因素指标进行综合评判，综合分析环境、输电线路因素以及金具特性等因素对同走廊输电线路金具寿命的综合影响。

1 线路连接金具寿命评估指标因素

输电线路走廊气候多变，连接金具工作环境复杂，沙漠区域的输电走廊环境更加恶劣。沙漠区域风速较大，持续时间长，风偏振动严重；沙尘暴发生时，会形成高电位和强电场，抬升了输电线路的电位；输电走廊地形地貌环境复杂，风速风向多变，气象条件恶劣；输电线路参数以及连接金具特征参量不尽相同，这些因素均影响着线路连接金具的运行寿命评估。

1.1 沙漠特征环境因素

沙漠特征环境因素主要包括沙尘腐蚀、沙尘磨损等因素，分别描述如下：

1）沙尘腐蚀因素：沙尘中PM2.5和总悬浮微粒的可溶性离子平均浓度的总和分别为67.17 μg·m-3和 202.72 μg·m-3，占总质量的 11.5%和 9.1%；浓度较大的Ca2+、Na+离子容易腐蚀金具，沙尘环境高腐蚀导致线路金具磨损因素之一，用V1表示。

2）沙尘磨损因素：沙尘直接参与线路连接金具的磨损行为，用V2表示。

3）沙尘电场环境因素：沙尘暴发生时，可以形成高电位和强电场，抬升了输电线路的导线金具电位，强电场环境用V3表示。

1.2 输电走廊特征

输电走廊主要包括地形地貌因素、风向以及其他气象因素等，描述如下：

1）走廊地形地貌因素：对于某特定走廊的输电线路，同走廊的地形地貌影响着风速和风向等。某条线路连接金具磨损的地形分布特征如图1所示，取同走廊的地形地貌因素为环境外因指标，用V4表示。

图1 线路连接金具磨损的地形分布特征Fig.1 Terrain distribution characteristics of abrasion on coupling hardware in transmission lines

2）风速风向因素：从新疆达坂城区域某监测站获取的数据，极大风速超过45 m/s，最大风速超过33 m/s，根据芦信[1]以及杨现臣[2]等的研究，风速因素是导致线路金具磨损因素之一，作为同走廊环境外因指标因素之一，用V5表示。

3）温度因素：沙漠区域温度的剧烈变化，大温差会加剧复合绝缘子两端金具密封性能失效，或者金具材料结构失效，用V6表示。

1.3 输电线路特征因素

输电线路特征因素主要包括杆塔高度、杆塔结构、线路档距、绝缘子串型等，以下分别做分类描述：

1）杆塔高度因素：同样走廊环境特征，杆塔高度不同，决定了绝缘子风振不同，连接金具振动幅度不尽相同，杆塔高度因素用V7表示。

2）杆塔结构因素：杆塔结构不同，如直线塔和转角塔在结构造型上差别巨大。连接金具所受应力也不同，因此取杆塔结构参数为线路连接金具运行寿命的线路特征因素，用V8表示。

3）线路档距：超高压输电线路的高杆塔、大档距、交叉跨越、同塔多回、导线换相等应用越来越多，连接金具形式和所受应力各异，因此档距因素也是线路连接金具运行寿命的线路特征因素之一，用V9表示。

4）绝缘子串型：绝缘子串型主要为I串、V串或反V串等，串型不一样，连接金具形式和所受应力也会改变，绝缘子串型因素用V10表示。

1.4 线路连接金具特性因素

线路连接金具特性因素包括材料、表面特性、结构等，描述如下：

1）材料因素：不同金具材料，防止磨损的能力不尽相同，材料因素用V11表示。

2）表面因素：为了应对金具的磨损，除了材料改进之外，表面处理工艺以及防磨镀层等的使用，提升了金具的耐磨水平，表面因素用V12表示。

3）金具结构因素：连接金具结构的特征因素，用V13表示。

2 技术原理

QSPM矩阵是一种重要分析方面，能够综合、系统和客观地分析评估各种影响因素。本文采用改进型的QSPM矩阵对输电线路连结金具的寿命影响因素定量分类，引入了模糊数学和灰色理论对各影响因素指标进行综合评判，计划将沙漠地区某同走廊750 kV线路的连接金具进行分区段评估，根据各区段及各专家的评分建立相关的矩阵，可定量显示输电线路的连接金具寿命。

2.1 改进型QSPM矩阵

针对线路连接金具寿命评估指标因素，可建立相应的专家打分矩阵，邀请相关专家对线路各区段连接金具寿命评估进行打分并统计，如表1，Ui代表输电线路各区段，m代表线路区段数量；Ei代表专家，i代表数量，i=1，2，…，n。

表1 线路区段连接金具寿命评分矩阵Table 1 Score matrix of life Evaluation on coupling hardware in transmission lines

由于传统QSPM矩阵是通过专家对各线路区段连接金具寿命进行评分，会存在主观性和局限性，较大的依赖专家对线路金具情况的熟悉了解、主观判断和经验假设。针对上述缺陷，将传统的专家评分替换为连接金具寿命评估指标因素评分，以各项直接或间接影响输电线路连接金具寿命评估的指标因素为基础，进行因素权重评分，并建立基于指标因素的连接金具寿命评估体系，通过对改进后的QSPM矩阵进行结果评判，从而对待评估的整条线路连接金具寿命进行定量、多元和综合性的管理评估。

以沙漠地区某同走廊750 kV线路的连接金具为例，取吐鲁番至哈密线路为连接金具寿命评估对象。按照此线路连接金具运行状态的五年统计值为区分标准，将线路走廊划分为10段，分别为各区段做编号①～⑩，矩阵里用 U1，U2，…，U10表示；各连接金具寿命评估指标因素用 V1，V2，…，V13表示，建立改进型QSPM矩阵：

表2 输电线路区段金具寿命指标矩阵Table 2 Index matrix of life Evaluation on coupling hardware in transmission lines

2.2 改进型QSPM矩阵验证

依据表2矩阵，首先需对各指标因素的判断矩阵进行一致性检验和计算综合权重，判断矩阵如表3所示。

表3 指标因素比较Table 3 Estimation of index factor

评分结果建立指标因素判断矩阵如表4所示。

表4 指标因素判断矩阵Table 4 Judgement matrix of index factor

其中，Vij=1/Vji，如 V12=1/V21；Wi为各影响量计算出的权重，ΣWi=1。影响量判断矩阵用于各影响量一致性检验和计算综合权重Wi：

2.3 确定评价等级和灰色权矩阵

笔者在改进型QSPM矩阵的基础上引入灰色理论和模糊数学方法进行线路连接金具寿命评估指标矩阵的最终结果打分评判，力求用更加客观、科学、合理的评价方法对矩阵进行改进，弥补了传统QSPM矩阵在定量上的局限性，最终结果打分也会对线路的线路连接金具寿命评估有较为直观和科学的评价分值。

灰色理论是同时包含已知信息和未知信息的系统，认为输电线路连接金具寿命评估指标因素的行为现象尽管是多源、模糊的，数据是复杂且独立的，但毕竟是有序的，所有数据集合在一起就组成事物的表象，是有整体功能的。因此灰色理论的应用，就是从杂乱中寻找出规律[12]。同时，灰色理论建立的是生成数据模型，不是原始数据模型，通过分析线路连接金具寿命评估各指标因素的关联性和其值的测度，用“灰数据”来处理各影响量的随机性和不确定性，并发现规律，使数据系统的灰度不断减小，白度逐渐增加，直至认识系统的规律性。模糊数学是给QSPM矩阵中一些定性指标定量化提供数学赋值，能够解决不同影响量之间的逻辑性和权重对比关系。

首先采用线路连接金具寿命评估方法，对输电线路的线路连接金具寿命评估分为A、B、C、D四个等级，A级为风险等级最低。为方便矩阵运算，这里用9分制对四个等级进行赋值，四个等级分别对应9、7、5、3四个分值，由此建立评价等级集合为

同时，根据表2的数据建立矩阵：

aij代表第j个输电线路区段的第i项线路连接金具寿命评估指标因素的具体打分值，打分采用9分制。

根据文献，结合评价等级P，选取常用白化权函数[12]：

其中，n=1，2，3，4，x1=9，x2=7，x3=5，x4=3；则矩阵灰色评估权值：

得到灰色权矩阵 R（rij）m×4[10]，

由方程式1的指标因素综合权重Wi和灰色权矩阵进行复合运算，得出模糊综合评判矩阵[11]：

再有B和评价等级集合P进行复合运算，即可得此条线路的线路连接金具寿命评估的最终评价结果：

3 输电线路连接金具寿命评估体系应用

3.1 构建输电线路连接金具寿命评估体系

以沙漠地区某同走廊750 kV线路的连接金具为例，取吐鲁番至哈密线路为连接金具寿命评估对象。按照此走廊的线路连接金具运行状态的五年统计值为区分标准，将线路走廊划分为10段。再依据上述连接金具运行寿命的建立因素表，如表5所示。

由表4可知，输电线路连接金具运行寿命指标因素较多，这在评判模型应用中会带来信息“重叠、抵消和忽略”的结果，一方面，各指标因素权重很难准确分配；另一方面，为满足矩阵一致性判断，各指标因素分配的权重必然很小，在一点程度上影响分配的客观性，甚至很难得出结果。因此，需根据各影响量的内在联系进行分层分类。以输电线路实际情况为基础，并根据指标因素的本质特性、对线路连接金具寿命评估的内因和外因影响等，将指标因素归为四大类，如表5。对指标因素进行归类有利于线路连接金具寿命评估的结构化和系统化，是输电线路连接金具运行寿命评估从“自身因素”和“外界因素”之间的有机结合。

3.2 专家评判

邀请省级运检公司、电力科学研究院、送变电公司以及省级质检单位等共10位专家进行问卷调查，对沙漠地区某同走廊750 kV线路因素之间的相互影响力和吸引力进行评分，评分依据参考历年线路连接金具的运行统计、入网试验及经验分析。打分标准按照表4，得出影响量判断矩阵，并利用方程式（1）算出各影响量权重W。以下对四类指标因素分别进行一致性判断（表6-表8）：

由表6-表9得出，各指标因素判断矩阵满足一致性检验，因素之间协调性通过检验。指标因素权重集合为W，对W做归一化处理：

表5 连接金具寿命评估指标因素Table 5 Index factor of life evaluation on coupling hardware

表6 沙漠环境特征指标因素判断矩阵Table 6 Judgement matrix of index factor on desert environment

表7 输电走廊特征指标因素判断矩阵Table 7 Judgement matrix of index factor on transmission corridors

表8 输电线路特征指标因素判断矩阵Table 8 Judgement matrix of index factor on transmission line characteristics

表9 连接金具特性指标因素判断矩阵Table 9 Judgement matrix of index factor on coupling hardware characteristics

3.3 评估指标因素评分矩阵

按照待评估线路的10个区段，每个区段分别针对各项指标因素进行打分，打分结果形成13×10的矩阵F。以同走廊的地形地貌特征分析为例，山顶发生连接金具磨损行为严重，评分均最低，山平原地形连接金具磨损行为均较轻，此类区段评分较高。结合线路地形现场勘测实际，对地形地貌指标因素打分结果为 F4=[8，7，7，8，9，7，6，7，8，8]。

综上，同理对10个区段线路分别做以上指标因素打分，最后得分统计为矩阵F，如表10所示。

表10 指标因素统计矩阵Table 10 Statistical matrix of index factor

3.4 计算评价结果

根据方程式（4）－（7），可算出矩阵 F 的灰色权矩阵R：

根据方程式（8），联合式（10）得出

B=W·R=[0.3448，0.3838，0.2486，0.0228]

由方程式（9）得出最终评价结果：

此走廊输电线路线路连接金具寿命评分为S=7.0574＞7，属于等级 B，风险等级较低，存在 1～2 次金具磨损导致的运行风险。根据此走廊输电线路五年线路的运行结果显示存在连接金具寿命风险为2次，评估结果同样为等级B，评估得分应偏低，与本文矩阵统计评分较为一致。由于输电线路长度较长、跨度较大，且金具防止磨损措施及相关标准不断改进，地形地貌环境等信息随时间或社会生活进步也会随之变化，但本文提供方法拓展性强，不受输电线路长度和地域限制，例如输电线路长度可扩展为无限长，区域分段可增加为n，线路连接金具寿命评估指标因素可根据实际和标准的改变相应增加为m，只需对矩阵行列进行改变即可运算。

4 结 论

1）在改进型QSPM矩阵的基础上引入灰色理论和模糊数学方法进行了线路连接金具的寿命评估，建立了沙漠环境、输电走廊、线路本体特征以及连接金具特性等因素的线路连接金具寿命评估指标体系；

2）以沙漠地区某同走廊750kV线路的连接金具为例，取吐鲁番至哈密线路为连接金具寿命评估对象，将线路走廊划分为10段，进行了该区段线路连接金具的寿命评估；

3）寿命评估评分与运行结果非常相似，该方法实现了多源影响因子量化评估，可为线路连接金具磨损风险提供技术咨询。

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Life Evaluation Methods of Coupling Hardware in Transmission Lines Based on Improved QSPM Matrix

LIANG Wei1,2，LI Yongjie3，WANG Jian3，ZHU Hongzhao1,2，LIU Chunxiang1,2，GONG Hao1,2，HE Cheng3，CHENG Peng1,2
（1.NARI Group Corporation（State Grid Electric Power Research Institute），Nanjing 211106，China； 2.Wuhan NARI Limited Liability Company，State Grid Electric Power Research Institute，Wuhan 430074，China； 3.Electric Power Research Institute State of Grid Xinjiang Electric Power Company，Urumqi 830011，China）

In allusion to the widespread abrasion on coupling hardware of transmission lines in desert areas，based on improved QSPM matrix，grey theory and fuzzy mathematics method are applied to establish life evaluation indicator system of coupling hardware，and these factors include desert environment，corridor surroundings，transmission line characteristics，and coupling hardware features，etc.With life evaluation of the coupling hardware in 750 kV transmission lines in a corridor between Turpan and Hami，the evaluation results are in alignment to actual operation.This method has achieved the multi－source quantitative assessment of the impact factors，which can provide the technological support for risk assessment on abrasion on coupling hardware in transmission lines.

coupling hardware for transmission line；transmission lines in a corridor；life evaluation；QSPM matrix；grey theory；fuzzy mathematics；evaluation index

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.036

2017－03－22

梁 伟（1983—），男，工程师，从事输电线路运维技术工作。

国网新疆电力公司科技项目（编号：5230DK15009K）。