雷电灾害风险评估在气候可行性论证本地化应用提升

阳薇，曾毓琳，胡静，刘谊；郭媛；陈贻亮

1.广西壮族自治区桂林市气象局；2.广西壮族自治区防雷中心；3.广西壮族自治区梧州市气象局

在严重依赖资源、污染严重的恶劣环境下，风能作为一种清洁可再生能源，越来越受到世界各国的关注，随着风力发电场的大力建设，风力发电机的安全运行也越来越受到人们的关注。在影响风电场安全运行的诸多因素中，人们不能不注意到雷电灾害对风力发电机的危害和对人员生命安全的威胁。

由于大多数风扇和输电线路是在真空区建造的，在闪电形成的大气电场中，相对于周围环境而言，它们往往是一个非常重要的目标，容易受到峰值放电和闪电的影响，从而可能对风扇叶片造成损害，从而使电池组处于孤立状态，对设备和电路造成严重损坏。

虽然科学和合理的防雷措施，例如在电线杆上安装尖端的防雷系统和防雷装置，可以减少闪电的危险，但风力发电装置仍然无法保证安全，闪电已成为自然灾害。因此，雷电灾害也是规划和设计风力发电场和输电线路时必须考虑的重要天气参数。

本文结合气候论证现场调查，将风力发电项目雷电灾害风险评估系统分为两个系统，具有通用灾害因子和类别下垫层特征，其中下垫层特征分为区域特征和抗灾风险评估两个子系统。动态选择区域特征和灾害风险两个评估子系统的评估指标，建立综合分析区域、地形、地质和环境遭受雷电影响程度的评估模型；泛灾害因子参考广西气象灾害风险调查的技术成果，进行数据处理、图纸添加和技术应用，综合分析雷电观测数据和雷电监测数据特征，分析论证区域雷电灾害风险指数。

以广西西北某风电场为评价对象，在综合模糊数学评价方法和分析层次过程的基础上，结合雷电风险、区域风险和运算符分析，结合雷电天数和雷电在目标位置的特点、地形和土壤特点，环境特性和物体特性，区域防雷能力水平。

一、模糊层次分析法

（一）三角函数定义

三角函数是指宇宙R上的模糊数M，其隶属函数μM:R→［0,1］表示为μμ（x）=（x-1）/（m-1），x∈[1，m]；μΜ（x）=（x-u）/（m-u），x∈[m，u]μ（x）=0，其他。其中l≤m≤u，l和u表示m的上下限。u-l的值越大，模糊度越强。M是当模糊集M的隶属度为1时的值。模糊数m可以表示为（l，m，u）。

（二）构造模糊判断矩阵。

根据三角模糊数的定义，对每个指标进行两两比较和判断，形成如下模糊判断矩阵：R=（lij，mij，uij）n×n，i，j=1，2。。。，n

（三）去模糊

去模糊的目的是将模糊判断矩阵转化为非模糊判断矩阵，以便在非模糊环境中直接应用AHP方法。

（四）一致性检查

通过提取通过成对比较每一层因素的判断信息的最可能估计值而获得的判断矩阵作为参考，如果参考矩阵满足一致性要求，则近似认为三角模糊判断矩阵也满足一致性测试。

二、风电场雷电灾害区域评估的层次结构模型

图1显示了评估风电场雷暴灾害风险区的层次模型，包括雷暴日、雷电路径、雷电密度和雷电强度四个指标的雷电特征、区域风险（包括影响雷电放电的区域环境）、土壤结构、地形和环境三个指标。根据区域内容、设施特性、施工特点，包括电子电气系统三项指标，分别选择相应的评估指标，分析风险评估中每个指标的权重，建立相应的评估计算模型。

图1 风电场雷电灾害区域评估层次结构模型

三、指标隶属度的计算方法

（一）定量参数隶属度的计算

量化指标参数可以量化指标参数，包括闪电日、闪电密度、雷电流强度、土壤电阻率、土壤垂直分层、土壤水平分层、电磁环境、人数、占地面积、等效高度。以雷电日为例，若评估对象的雷电日数为46.6d，结合雷电日的五个等级，根据隶属函数和表1，v1、v2、v3、v4、v5分别为10、30、50、75、227.5(取等级范围的中间值)。根据最小隶属函数处理方法，闪电日的隶属度按下式计算，Rd=雷击密度。

表1 雷电日分级和隶属度

（二）定性参数隶属度的计算

定性参数包括:雷电路径、地形、安全距离、相对高度、使用性质、影响程度、材料结构、电子系统、电气系统。

确定定性指标的隶属度，只需将收集到的数据与分类标准进行比较，如果符合某一风险等级的描述，则完全隶属于该风险等级，隶属度等于1。

四、指标隶属度计算结果

（一）区域雷击风险指标的隶属度

1.闪电日

风电场所在地区的雷电日数为81.04天，根据雷电日分类标准，本项目雷电日等级为四级。根据定量指标隶属度的确定方法和雷电日分类标准，计算工程所在地区雷电日的隶属度。见表2。

表2 雷电日分级和隶属度

2.闪电路径

闪电路径越集中，锐度越大，危险等级越高。根据《雷电灾害风险评估技术规范》(QX/T 85-2018)，雷电路径分为五个等级。分析本风电场区域雷路径的分布特征，判断雷路径的隶属度。见表3。

表3 雷电路径隶属度

3.雷击密度

根据项目区域雷击密度2.44次/km2·a，判断出雷击密度的隶属度，见表4。

表4 雷击密度分级和隶属度

（4）雷电流强度

根据项目区域平均地闪强度为36.28kA，判断出雷电流强度隶属度，见表5。

表5 雷电流强度分级和隶属度

（二）区域地域风险各指标隶属度

1.土壤结构

（1）土壤电阻率

根据现场调查，工程区土壤电阻率为537ω·m，并计算了土壤电阻率的隶属度。见表6。

表6 土壤电阻率分级和隶属度

（2）土壤垂直分层

经现场勘察，项目区域内土壤垂直分层电阻率值为36Ω·m，计算得到土壤垂直分层的隶属度，见表7。

表7 土壤垂直分层隶属度

（3）土壤水平分层

经现场勘察，项目区域内土壤水平分层电阻率值为52Ω·m，计算得到土壤水平分层的隶属度，见表8。

表8 土壤水平分层分层和隶属度

2.地形地貌

根据《雷电灾害风险评估技术规范（QX/T 85-2018）》，地形地貌危险分为五个等级。经现场勘察，项目区域内地形地貌以丘陵为主，判断出项目地形地貌的隶属度为Ⅱ级，见表9。

表9 地形地貌、安全距离分级

3.周边环境

（1）安全距离

根据《雷电灾害风险评估技术规范（QX/T 85-2018）》，安全距离分为五个等级。项目区域外部2km处有村庄，判断项目安全距离的隶属度为Ⅰ级，见表9。

（2）相对高度

根据《雷电灾害风险评估技术规范（QX/T 85-2018）》，相对高度分为五个等级。经现场勘察，项目区域外无任何可接闪物。根据定性指标隶属度的确定方法和相对高度分级标准，可判断出相对高度的隶属度为Ⅴ级。

（3）电磁环境

经现场勘察，项目与周边高点的最近距离取800m，所以根据公式求出周边最近高点一旦遭受656.7kA的雷电流所对应的电磁强度B0，B0=2×10-3I/Sa（注：B0的单位为Gs），求出它对该评估区域产生10.50Gs的电磁影响。根据定量指标隶属度的确定方法和电磁影响分级标准，可判断出电磁环境的隶属度为Ⅳ级，见表10。

表10 电磁环境分级和隶属度