變電站火災風險評價指標體系及云模型分析

程方明　牛巧霞　劉文輝

摘要：變電站穩(wěn)定運行是保證電力生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，為提高人員火災防護意識，全面分析變電站火災風險因素，對21所變電站進行消防安全隱患檢查，收集近20 a變電站火災事故對事故原因、失火設備以及變電站火災隱患并進行分析統(tǒng)計，得到變電站火災事故主要由設備超負荷運行、設備故障、線路短路等原因造成，失火設備中電纜、變壓器和電容器發(fā)生火災的比例較大;構(gòu)建了安全管理能力、建筑防火能力、消防安全設施、設備防火設施和火災救援力量5個維度一級指標，并提取了17個二級指標和45個三級指標的變電站火災風險評價指標體系，采用序關系分析法和熵權法確定指標權重，云模型作為評價模型，并以某變電站為例進行了火災風險等級評價，最終得到該變電站的火災風險綜合云特征值為（60.414，13.311，4.142），根據(jù)風險等級劃分并用Matlab繪圖可知，該變電站處于中等火災風險等級。實例證明變電站火災風險評價體系能夠較全面反映變電站火災風險情況，對實際變電站火災預防與管理措施制定有一定的參考價值。

關鍵詞：變電站;火災風險評價;序關系分析法;熵權法;云模型

中圖分類號：X 928.7文獻標志碼：A

文章編號：1672-9315（2022）04-0664-10

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2022.0406

Fire risk evaluation index system in substation and cloud model analysisCHENG Fangming NIU Qiaoxia LIU Wenhui

（1.College of Safety Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2.Xian Key Laboratory of Urban Public Safety and Fire Rescue，Xian 710054，China;

3.Fire? Rescue Branch of Anshan，Anshan 114000，China）Abstract：The stable operation of substations is an important link to ensure power production.In order to improve the fire protection awareness of personnel，all the fire risk factors of substations was analyzed，fire safety hazard inspections of 21 substations were conducted and? the fire accidents records of substations in recent 20 years were collected.The cause of the fire accidents of substations，the fire equipment and the hidden danger of substation fire were examined and counted.It is concluded that substation fire accidents are mainly caused by equipment overload operation，equipment failure，line short circuit，etc.The proportion of cable，transformer and capacitor in fire equipments is larger.The first-level indexes of five dimensions including safety management capability，building fire-prevention capability，fire-fighting safety facilities，equipment fire-prevention facilities and fire rescue forces were constructed，and the substation fire risk evaluation index system of 17 second-level indexes and 45 third-level indexes were extracted.The order relationship analysis method and the entropy weight method were adopted to determine the index weight，and the cloud model was used as the evaluation model.And a substation is taken as an example to evaluate the fire risk level.Finally，the comprehensive cloud characteristic value of the fire risk of the substation is（60.414，13.311，4.142）.According to the risk level classification and drawing by Matlab，the substation is at the medium of fire risk level.The test confirms that the substation fire risk evaluation system can comprehensively reflect the substation fire risk，and has certain reference values for fire prevention and management measures of the actual substation.

Key words：substation;fire risk evaluation;order relation analysis method;entropy weight method;cloud model

0引言

變電站作為電力行業(yè)基礎設施在整個電力系統(tǒng)中起到了至關重要的作用，其安全性、可靠性已經(jīng)成為電力系統(tǒng)安全運行的首要因素[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，2021年全國74.8萬起火災事故中，電氣火災數(shù)量高居榜首，占比高達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備，如變壓器、電容器、電力電纜等，這些設備火災危險性較高。變電站一旦發(fā)生火災，容易導致大面積停電，造成嚴重的經(jīng)濟損失和社會影響[4-5]。

變電站結(jié)構(gòu)復雜，電力設備多，內(nèi)部包含多種可燃物，是典型的電氣火災高危場所。近年來，國內(nèi)外學者對變電站火災風險的研究不斷增加。2019年，KIM等提出了一種基于模糊邏輯的專家改進推理方法，提高了變電站火災探測的精度[6];MOHANAD對變壓器中冷卻液在蒸發(fā)過程中引起的火災和爆炸進行了調(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、電纜火災的原因[8];唐倩等對電纜溝火災的主要特點進行了總結(jié)分析，得出了電纜溝火災事故發(fā)生的主要原因，并且提出了有效預防電纜溝火災事故的對策措施[9-10];敖飛等通過對某110 kV變電站火災事故進行了分析，指出了變電站火災安全隱患，并提出了相應的改進與預防措施[11];江永生等對變電站建筑火災發(fā)生的主要特點進行了概述，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行了變電站火災事故的風險評估，運用層次分析法等建立了變電站火災風險評價體系[5，13]。

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

1變電站火災風險評價指標體系

1.1變電站火災致因因素分析

1.1.1變電站火災事故案例分析

根據(jù)文獻[14]記載以及網(wǎng)絡搜集到的76起變電站火災事故，對火災原因和引起火災的主要設備進行分析，各類情況所占比例如圖1、圖2所示?？梢姡冸娬净馂氖鹿手饕稍O備超負荷運行（26%）、設備故障（17%）、線路短路（15%）、管理缺陷（11%）、設備質(zhì)量缺陷（10%）、絕緣受損老化（9%）以及人員操作不當（6%）7類原因造成。變電站火災事故易發(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，引起火災的設備主要有變壓器、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)生火災的比例較大，分別占到35%，32%和17%。

1.1.2變電站火災隱患排查分析

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)狀進行了排查。對變電站常見火災隱患進行了分類統(tǒng)計，整理得到消防設施設置、操作規(guī)范缺陷等12類、35項隱患，見表1。

1.2變電站火災風險評價指標體系構(gòu)建

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

2變電站火災風險評價模型

2.1指標權重的確定

2.1.1序關系分析法確定主觀權重

2.1.2熵權法確定客觀權重

2.2云模型簡介

云模型通過結(jié)合模糊數(shù)學理論和概率論理論[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]，進行評價時能較好的解決自主能力評價中模糊性和隨機性問題，降低人為主觀性因素的干擾，使得評價結(jié)果更科學[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;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可度越高;He是熵的不確定性和樣本隨機性，He越大，云滴就越趨于離散，云滴也越厚[22]。變電站火災風險各項評價指標風險等級的判斷具有主觀性，評價過程具有隨機性和模糊性，運用云模型可將指標評分在評價指標體系的框架下有效轉(zhuǎn)化為火災風險等級的定性評價結(jié)果。

2.2.1確定標準云

在吸納專家建議的基礎上，結(jié)合大量云模型相關文獻的分析，將變電站火災風險評價等級分為5級[23]：高風險、較高風險、中等風險、較低風險、低風險，根據(jù)評價等級從高風險到低風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)專家的描述進行區(qū)間劃分，得到變電站火災風險等級見表4。

2.2.2確定評價云

2.2.3確定風險等級

通過Matlab編程將標準云云圖與綜合云云圖導入同一坐標系，通過觀察對比綜合評價指標云與標準云圖的位置和形狀，獲得評價對象風險等級。與綜合評價云最接近的標準云等級即為評價對象的風險等級。

3實例應用

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風險評價。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基礎和330 kV繼電器室布置在站區(qū)北側(cè)，110 kV架構(gòu)、GIS基礎和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)指標重要度對各項三級指標進行評分，每項打分滿分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)果確定變電站火災風險指標權重。

3.2.1確定主觀權重

主觀賦權法采用序關系分析法，根據(jù)對搜集的變電站火災案例和相關文獻進行分析，針對上節(jié)確定的評價指標的重要度進行排序

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

3.2.2熵權法確定客觀權重

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

3.2.3綜合權重確定

3.2.4云模型評價

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

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

從圖5可以看出，該變電站安全管理能力處于較低風險等級，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險等級，表明該變電站的選址、建筑耐火等級較好，符合相關規(guī)范;消防安全設施處于較高風險等級，主要原因是該變電站未設消防水源、消防系統(tǒng)，極大的提高了變電站的火災風險;設備防火設施處于中等風險等級與較低風險等級之間，該變電站在各功能區(qū)設置了移動式滅火設備，但因變電站為無人值守變電站，因此火災發(fā)生后不能保障火災能在最佳滅火時間內(nèi)進行撲救，火災后果增加;火災救援力量處于中等風險等級，站址位于較偏僻的郊外，距離消防救援隊伍較遠，不能保證及時有效的滅火。

根據(jù)式（15）～（17）得到該變電站的火災風險評價綜合云為（60.414，13.311，4.142），利用Matlab編程，將火災風險評價綜合云與標準云繪制在同一云圖中進行對比，如圖6所示，淺藍色云圖為該變電站的評價云圖，評價綜合云與中等風險云圖高度重合，因此該變電站的火災風險處于中等風險級別，應采取相應措施降低火災風險。

3.3火災風險防控建議

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

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;安全培訓可按層次進行劃分，明確主管部門、分管部門的責任體系;保證定期的事故應急演練，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，定期巡查維護設備設施，完善和落實安全檢查制度，進行有效的火災隱患排查并整改。

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

3）加強火災事故應對培訓，增加火災救援力量?；馂某跗谠谌狈ψ詣訙缁鹣到y(tǒng)或系統(tǒng)失效的情況下，主要靠工作人員在事故發(fā)生時立即作出反應采取救火措施，這對站內(nèi)工作人員身體素質(zhì)和應急能力有較高要求，站內(nèi)應設置專職消防人員，并加強消防知識培訓和身體素質(zhì)訓練，保證事故發(fā)生時能及時反應，防止事故進一步擴大。

4結(jié)論

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

2）運用序關系-熵權法確定指標權重，云模型作為評價模型對某330 kV變電站進行火災風險評價，發(fā)現(xiàn)該變電站消防安全設施處于較高風險等級，自動消防系統(tǒng)缺乏，消防設施設備未按照相關規(guī)范設置，后期缺少維護管理，使得變電站整體火災風險水平增加，處于中等火災風險等級，應完善消防系統(tǒng)的管理和維護，增加消防設施設備數(shù)量，并增加日常巡查次數(shù)以降低火災風險。

3）變電站消防安全設施是變電站火災防控的重要手段，早期變電站因消防系統(tǒng)技術限制，對電氣設備影響較大，而對自動滅火系統(tǒng)的設計、后期維護不夠重視，導致變電站因火災未能及時發(fā)現(xiàn)、撲救，火災事故后果擴大。隨著細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，對電氣設備的影響也較小，在新建、改建變電站時，應充分考慮將新興滅火系統(tǒng)運用到變電站中，減小火災后果。

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