基于模糊层次分析法对高电压下耐压测试系统的风险评估

钱 辉，杨 森，彭琪琪，刘小琴，陈 敏

(1.江苏省特种安全防护产品质量监督检验中心，江苏 泰州 225300；2.陕西应用物理化学研究所，陕西 西安 710061；3.南京理工大学化工学院，江苏 南京 210094)

随着工业电力行业的发展，工艺设备和产品的绝缘可靠性受到越来越广泛的重视。虽然部分设备和产品在设计阶段进行了一些耐压试验，但由于采用的试验电压一般较低，对某些局部缺陷未能检出，一旦在使用过程中发生事故，就会造成人身伤害和财产损失。因此，为了进一步检测设备和产品绝缘缺陷，并了解其受潮、劣化、局部的绝缘强度，提高设备和产品的安全性，通常采用直、交流耐压测试方法来检测其绝缘可靠性。在直、交流耐压测试试验中大部分破坏性试验都是对设备和产品进行击穿以获取其最大耐压值，此过程中施加的直流或交流电压可能高达500 kV，且在该过程中存在对人身以及设备都会造成致命性的、不可逆的伤害或破坏，如测试场所中存在粉尘、混合气体、凝聚态爆炸物等时，可能会引发爆炸，造成人员伤亡和财产损失等重大事故。

目前，国内外学者针对风险分析与评估方面的研究主要集中在交通、建筑、煤矿、化学反应过程、化学工艺、物质热稳定性、爆炸危险物和危险场所等。如Benekos等[1]对公路隧道进行了风险分析，并提出了相应的安全优化措施；Aqlan等[2]对化工过程中存在的危险有害因素进行了理论分析，并使用模糊矩阵进行概率计算,得出相应概率与影响作用；贾晓燕等[3]利用风险矩阵原理对铁路货物交通运输系统进行研究，分析得出其风险因素，并提出了相应的解决办法；赵桂峰等[4]通过对高层RC框架剪力墙结构进行风险分析，发现隔震技术可以有效地减小结构地震的脆弱性；乔万冠等[5]对多因素耦合作用下煤矿企业进行了风险评价，并利用相互矩阵法计算出各个因素对煤矿企业的影响。而在高压系统风险评估方面的研究则主要集中在大型电网直、交流输配电系统[6-11]，对高电压测试系统风险评估方面的研究较少，加之现阶段的耐压测试系统愈来愈多，更需要有相应的风险分析方法来为加强高电压测试系统的安全工作提供理论指导。

鉴于此，本文首先基于模糊层次分析法建立耐压测试系统风险评估指标体系[12]，并确定评估指标的模糊一致性判断矩阵和权重；然后结合由专家打分法得到的各评估指标的评价集并进行风险综合评估，计算得到整个耐压测试系统的风险评估结果；最后通过实例对4类耐压测试系统的风险进行计算与评估，进而得出各耐压测试系统安全性能等级的排序。

1 耐压测试系统风险评估指标体系的构建

对于一个系统进行风险评价，通常运用安全系统工程原理从人、物、环、管理几个方面进行风险分析，通过建立目标层、准则层、指标层形成风险评估指标体系。本文建立的耐压测试系统风险评估指标体系详见图1。

图1 耐压测试系统风险评估指标体系Fig.1 Risk assessment index system of pressure test system

该评估模型以耐压测试系统风险评价指标体系为目标层U，准则层包括人的因素U1、耐压测试系统安全性能指标U2、环境因素U3和管理因素U4。

人的因素U1可分解为测试人员的心理素质u11、测试人员的身体状况u12、测试人员的技能水平u13、测试人员的专业理论知识u14、测试人员的安全意识程度u15、测试人员的结构与文化程度u16和测试单位管理层人员的安全意识u177个指标。其中，测试单位管理层人员的安全意识往往容易被忽视，但实际工作中管理层对安全的重视在一定的程度上影响着整个单位对安全文化制度的重视与落实程度。

耐压测试系统安全性能指标U2可分解为测试系统的自动化程度u21、被测物的安全性能u22、测试用接地电网的安全性能u23、各室耐压安全防护的性能u24、测试设备的安全装置u25、测试电气设备的安全性能u26、测试系统的维护保养u27和测试系统的安全消防措施u288个指标。其中，测试系统的自动化程度越高，人误操作的机会就会越少，发生安全事故的可能性也就越低；被测物的安全性能包括其大致的耐压值、耐压时间、是否是危险物质(如在高压下是否会产生有毒有害气体、燃烧或者爆炸等)；测试用接地电网的安全性能方面的危害主要是指在耐压测试系统测试过程中发生设备或产品被高压电流击穿时起到回路作用将电压引入大地，一旦出现短路不仅造成设备损坏，甚至会因高压电流乱窜引发测试系统带电而导致人员伤亡；各室耐压安全防护的性能方面的危害主要是指在耐压测试系统中的控制室、操作室和观察室等科室发现高压放电现象，而相应的各室电气设备的绝缘性能失效，或者在放电瞬间的光照强度大于人眼所能承受的强度时，可能会造成人员伤亡；测试设备的安全装置的功能主要是在耐压测试系统发生漏电、检测人员在被测区域内误操作、耐压测试系统持续升压等不可控事故发生时，系统可通过自动连锁装置迅速自动识别错误操作，采取紧急停车操作以防止人员伤亡。

环境因素U3可分解为测试系统的现场安全距离u31、温湿度照明条件u32、现场的危险物质u33、环境卫生与通风u34和现场的安全逃生措施u355个指标。

管理因素U4可分解为测试人员的安全管理u41、测试的规章制度u42、应急措施u43、防爆消防系统的安全管理u44和各项制度措施的落实程度u455个指标。

2 模糊层次分析法风险评估的步骤

利用模糊层次分析法对耐压测试系统进行风险评估的步骤如下：

2.1 确定评估指标的模糊判断矩阵及权重

模糊层次分析法是将模糊分析法与层次分析法相结合而形成的一种新的风险评价方法。在利用层次分析法时，在各级指标较多的情况下，其思维很难保持一致性，而模糊层次分析法通过引入模糊数学中的“隶属度”，用隶属函数对具有模糊性的指标进行处理(见表1)，可以很好地解决这一问题。

模糊层次分析法通过比较尺度建立评估指标的比较矩阵F=[fij]n×n，然后构造评估指标的模糊一致性判断矩阵A=[aij]n×n[13]，并计算出评估指标的权重向量W，进而对系统进行风险评价与分析。具体计算公式如下：

表1 隶属度标度值

(1)

(2)

(4)

(5)

式中:fij表示专家对比元素i和元素j得到的相对重要度；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相对元素j的模糊重要度;wi表示元素i的权重值。

因此，得到的指标权重向量W=(w1，w2，…，wn)。

2.2 确定评估指标的评价集

对各耐压测试系统即单台高压试验变压器测试系统、串级试验变压器测试系统、谐振式耐压测试系统、0.1 Hz试验装置测试系统建立评价集，即用符号V=(V1，V2，V3，V4)表示，通过专家打分法确定评判集Vi，再由评判集Vi经归一化处理后得到耐压测试系统的评判矩阵Ri。

2.3 耐压测试系统风险的模糊综合评估

通过指标层的权重Wi和评判矩阵Ri，可计算得到准则层的评判矩阵R

R=Wi·Ri

(6)

再运用准则层的权重W和评判矩阵R可计算得到目标层的评判结果B：

B=W·R

(7)

3 实例分析

为了对不同耐压试验系统进行风险评估，本文利用模糊层析分析法对不同的耐压测试系统的风险进行了定量分析，以确定各个耐压系统的风险程度，为安全风险决策提供依据。

3.1 耐压测试系统概况

某中心为了完善安全防护产品的检测内容，建立了耐高压电绝缘测试系统(见图2)，其产品检测内容覆盖电绝缘防护设备，如鞋、手套、安全带和接地棒等耐高压产品。该耐压测试系统是由电气控制室、操作室和实验区等区域组成，系统的耐压参数范围为0～500 kV。

3.2 耐压测试系统风险的模糊综合评估

(1) 确定评估指标的模糊一致性判断矩阵及权重：利用公式(1)～(5)确定评估指标的模糊一致性判断矩阵，并经方根法计算得到各评估指标的权重值，其结果见表2和表3。

图2 某中心的耐高压电绝缘测试系统Fig.2 Pressure test system of a center

表2 准则层评估指标的模糊一致性判断矩阵和权重表

表3 指标层评估指标的模糊一致性判断矩阵和权重表

(2) 确定评估指标的评价集：目前国内外在大电流大电压耐压测试方法中通常采用单台高压试验变压器测试系统、串级试验变压器测试系统[14]、谐振式耐压测试系统[15]、0.1 Hz试验装置测试系统[16]。但由于高压放电存在重大安全隐患，须单独立项进行系统安全风险评估。在不考虑造价成本、经济效益等情况下，本文邀请20位专家对各耐压测试系统进行打分，即可得到指标层的评价集V1、V2、V3、V4(见表4)，并将评价集进行归一化处理后得到各耐压测试系统的专家评判矩阵R1、R2、R3、R4如下:

表4 耐压测试系统专家评审结果

(3) 耐压测试系统风险的模糊综合评估：利用公式(6)，可计算得到准则层的评判矩阵R：

再利用公式(7)，可计算得到目标层的评判矩阵B：

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

根据最大隶属度原则以及评判矩阵的计算结果，其中隶属度最大者安全系数最高。由此可以见，0.1 Hz试验装置测试系统的安全性能等级最高，谐振式耐压测试系统次之，串级试验变压器测试系统再次，单台高压试验变压器测试系统的安全性能等级最低。此计算结果与实际使用情况较为一致[14-17]。

4 结论与建议

本文采用模糊层次分析法通过对高压下耐压测试系统的安全风险进行计算与分析，确定了各风险因素的权重，并在考虑风险因素相同的情况下，通过实例对单台高压试验变压器测试系统、串级试验变压器测试系统、谐振式耐压测试系统、0.1 Hz试验装置测试系统的风险进行了模糊综合评估，得到各系统的隶属度分别为0.205 33、0.221 61、0.274 21、0.298 85，评估结果表明在只考虑安全因素条件下，各耐压测试系统安全性能等级的排序为：0.1 Hz试验装置测试系统>谐振式耐压测试系统>串级试验变压器测试系统>单台高压试验变压器测试系统。

在建立耐压测试系统风险评价指标体系时由于各种风险因素是不断变化的，因此需要针对实际情况做相应的调整，不断地加以优化与补充；对于专家打分环节，由于主观性较强，因此在人员选取时需确保专业性强、经验丰富、公正等，以保证数据的准确性，从而使计算结果更加精确。