CC BY
326
УДК 621.311
О.В.Залесова, В.Н.Селиванов
РАСЧЕТ НАВЕДЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА ОТКЛЮЧЕННЫХ ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ 110 кВ
Аннотация
Данная статья посвящена вопросам взаимного электромагнитного влияния линий электропередачи. Исследованы наведенные напряжения на отключенных воздушных линиях 110 кВ с помощью программы ATP-EMTP.
Ключевые слова:
наведенное напряжение, линия электропередачи, безопасность ремонтных работ.
O.V.Zalesova, V.N.Selivanov
CALCULATION OF INDUCED VOLTAGE IN DISCONNECTED TRANSMISSION LINE 110 kV
Abstract
This article is devoted to questions of electromagnetic interference of transmission lines. Induced voltage on disconnected transmission lines have been investigated using the program ATP-EMTP.
Keywords:
induced voltage, power transmission line, safety of repair operations.
С 4 августа 2014 г. вступили в силу новые «Правила по охране труда при эксплуатации электроустановок» (ПОТЭУ) взамен существующих Межотраслевых правил по охране труда (Правил безопасности) при эксплуатации электроустановок (МПБЭЭ). Существенные изменения произошли в главе XXXVIII «Охрана труда при выполнении работ на воздушных линиях (ВЛ)», пунктах 38.43-38.45 и 38.47. В соответствии с требованиями новых правил, энергосистема должна иметь и знать перечень линий, находящихся после отключения под наведенным напряжением выше 25 В, в котором должны быть указаны значения наведенного напряжения на отключенных проводах ВЛ, а также на проводах при различных схемах заземления ВЛ стационарными заземлителями в распределительных устройствах (РУ) [1].
На практике измерения наведенных напряжений реально осуществимы лишь в ограниченном количестве точек по длине исследуемых отключенных линий при нагрузках во влияющей сети, заданных действующим режимом работы энергосистемы [2]. Однако эти нагрузки во время измерений могут значительно отличаться от тех значений, которые будут существовать во время ремонта. Проведение измерений, особенно в зимний период, трудноосуществимо. Таким образом, точность измерений наведенных напряжений непосредственно перед ремонтом по методике, рекомендуемой нормативными документами, низка. Поэтому корректно сравнивать с измерениями можно только расчеты, выполненные с абсолютно одинаковыми исходными данными.
В связи с этим, целью данной работы стало расчетное определение значений наведенных напряжений на примере отключенных воздушных линий Л-132 и Л-133 ОАО «МРСК Северо-Запада» «Колэнерго» с помощью программы
87
ATP-EMTP [3]. Данная программа является универсальной системой программирования для цифрового моделирования переходных явлений как электромагнитного, так и электромеханического характера. С ее помощью можно создавать схемы замещения электроэнергетических сетей с использованием всех доступных в ATP библиотечных элементов, представляемых в графическом изображении, понятном любому специалисту в области энергетики.
Причины возникновения наведенного напряжения. Известно, что наведенные напряжения на отключенной ВЛ возникают в результате действия электромагнитных полей действующих ВЛ, проходящих вблизи отключенной ВЛ. Их значения зависят от рабочего напряжения влияющих ВЛ, тока в них, сопротивления заземления, протяженности параллельного
следования, взаимного расположения проводов и ряда других факторов. Влияние соседних параллельных ВЛ можно рассматривать как сумму электрической и магнитной составляющих.
Электрическая составляющая наведенного напряжения определяется соотношением взаимной емкости между отключенными и влияющими проводами и емкости отключенного провода относительно земли [4]. Поскольку емкость провода относительно земли обратно пропорциональна высоте подвеса провода, а взаимная емкость между двумя проводами обратно пропорциональна расстоянию между ними, то уровень электрической составляющей наведенного напряжения будет тем больше, чем ближе друг к другу расположены влияющая и отключенная линии.
В простейшем случае влияния магнитная составляющая наведенного напряжения от работающей в нормальном режиме трехфазной линии электропередачи обусловлена некоторой несимметрией расположения проводов влияющей линии относительно отключенного провода. Она равна продольной составляющей суммарной э.д.с. взаимоиндукции, наводимой фазными токами влияющей линии. При длине параллельного сближения, значительно превышающей его ширину, э.д.с. от каждого из проводов влияющей линии можно определить по формуле [5]:
E2 = 1 ■ Z12 • Кд ■ l ,
где индексы 1 и 2 относятся к влияющему и отключенному проводам соответственно; I1 - ток во влияющем проводе; кзд - коэффициент защитного действия соседних проводов; l - длина участка сближения; Z12 - модуль взаимного сопротивления между проводами 1 и 2 на единицу длины эквивалентного параллельного сближения с учетом влияния земли.
Магнитная составляющая, в отличие от электрической, действует на больших расстояниях между линиями, то есть при ширине сближения сотни метров и более основной вклад в наведенное напряжение дает именно магнитная составляющая.
Подготовка исходных данных. Линии электропередачи
(ЛЭП) Л-132 и Л-133 класса напряжения 110 кВ идут в одном коридоре на всем протяжении; длина линий составляет 74.4 км (рис. 1). Расстояние между осями ВЛ составляет 40 м. На линии Л-132 выполнено пять транспозиций, расположение фазных проводов линии Л-133 не меняется. От линий отходят отпайки ОЛ-132/133 на ГЭС-7 длиной 1.3 км каждая.
88
Рис.1. План расположения ЛЭП Л-132 и Л-133
Первым этапом в подготовке расчета было построение схемы сближения исследуемых линий. Линии разбивались на участки с учетом следующих критериев:
- ширина сближения между ремонтируемой линией (РЛ) и влияющими воздушными линиями (ВВЛ);
- учет взаимного расположения фазных проводов на опорах РЛ и ВВЛ (транспозиции, однократные перестановки двух фаз);
- конструктивный тип опор РЛ и ВВЛ;
- наличие отпаек на РЛ.
В том случае если транспозиция осуществляется вблизи границы смены однородных участков сближения (ближе 1 км), то граница сближения перемещается к транспозиционной опоре, поскольку транспозиция является более существенным фактором, влияющим на уровень наведенного напряжения.
На каждом однородном участке, полученном после учета состава коридора сближения и транспозиций, выделяется преобладающий тип опор, и геометрия модели строится с использованием его габаритов. Если на однородном участке на значительной длине происходит смена типа опор (например горизонтальная подвеска сменяется треугольной или вертикальной), то этот участок подвергается дополнительному разбиению.
При косом сближении или пересечении РЛ и ВВЛ использовалась методика приведения к эквивалентному параллельному сближению, описанная в [5]. Расстояние эквивалентного параллельного сближения вычислялись по формуле:
h _ bmax + 2bm
ЬЛ"> ^
3
где b12;bmax;bmn изображены на рис. 2.
89
Рис.2. Косое сближение однопроводных ВВЛ, РЛ и эквивалентное параллельное сближение
С учетом того, что имеются отпайки линий ОЛ-132/133, неоднократно меняется расположение фазных проводов линии Л-132 и на последних пяти километрах следования ВЛ появляются другие влияющие линии (Л-403 класса напряжения 150 кВ, Л-135/136 класса напряжения 110 кВ), трасса сближения была разбита на 9 участков. Схема сближения для расчета электромагнитного влияния линий Л-132 и Л-133 представлена на рис. 3.
Кроме того, для расчетов необходимо было определить кратчайшие расстояния между выбранным расчетным проводом РЛ и всеми проводами влияющих линий. Для этого использовались следующие данные: средние высоты подвеса этих проводов, расстояние между условными осями трасс линий и сдвиг по горизонтали каждого провода (ремонтируемой и влияющих линий) от осей трасс, то есть расстояния проводов от оси опоры. Средние высоты проводов определялись через высоты их подвеса на опорах hmax и стрелы провеса. Средняя высота подвеса нижнего провода рассчитывалась по формуле:
h
' ‘ср
h
' ‘max
2/3 /„р.
Для средних и верхних проводов средняя высота подвеса определялась после нахождения hq, для нижнего провода путем добавления разности высот их подвеса на опоре. Высоты подвеса и разности высот подвеса проводов определялись на основании эскиза опоры, преобладающей на данном участке (как правило, это промежуточная опора). Высота подвеса нижнего провода вычислялась как:
h = h - l
“max “оп ‘гирл ?
где hQn - расстояние от основания опоры до уровня нижней траверсы; 1гирл - длина гирлянды (для класса напряжения 110 кВ - 1.3 м, 150 кВ - 1.6 м).
В качестве примера рассмотрим опору 110 кВ типа П110-5 (этот тип опор преобладает на Л-133), эскиз которой показан на рис. 4. Высота нижней траверсы для этой опоры составляет 19 м. Примем длину гирлянды 1.3 м. Тогда высота подвеса нижнего провода на опоре:
hmaxl = 19-1.3 =17.7 м.
90
Рис.З. Схема сближения РЛЛ-133 и ВВЛ
п > • I 1 го ГО* 1 1 го Го . 1 1 го о . 1 1 го о . 1 1 го > • 1 1 го го . 1 1 го > • 1 1 го П > •
го » О Ф > ф > Ф ГО Ф О Ф ГО Ф ГО Ф
го 1 ^ 1 ^ 1 ^ 1 ^ 1 ^ 1 ^ 1 ^ 1 ^
о » 1 >* о 1 > ■ 1 го • 1 ГО * 1 О • 1 > • 1 О • 1 Г) *
ГО о* 1 ГО О* 1 ГО о* 1 ГО о* 1 ГО о* 1 го о* 1 ГО о* 1 ГО о* 1 ГО о*
со 1 со 1 1 со 1 со 1 со 1 со 1 со 1 со 1 со
со • 1 03 ♦ 1 1 03 ф 1 03 ф 1 03 ф 1 03 ф 1 03 ф 1 03 ф 1 03 ф
>* со 1 >* со 1 >• го 1 >• го 1 >» го 1 >■ го 1 >• го 1 >• го 1 >* го
^3
с > ч ГО
СП *1 'I
ГО *1 .1
С о >* ГО
О!
* А Л го
-Р* 1
со
о*
0)
о
Л-132
Л-133
Л-132
Л-133
0
0
Л-132
Л-133
0
Л-132
Л-133
©
Л-132
Л-133
0
Л-132
Л-133
Л-132
Л-133
0
0
Л-132
Л-133
0
Л-132
Л-133 Л-136
О
о
Л-135
Л-403
0
40
Для ненаселенной местности наименьшее допустимое расстояние от проводов линий 110 кВ до земли составляет hmm = 6.0 м. Тогда стрела провеса будет = 11.1 - 6.0 = 11.7 м, а средняя высота подвеса нижнего провода hi = 11.1 - 2/3-(11.7) = 9.9 м. Учитывая приближенность исходных данных, примем h1 = 10 м. Расстояния между траверсами опоры П110-5 составляют 6 м. Тогда расчетная высота верхнего провода будет h2 = h1 + 6 = 16 м. Таким образом были получены высоты подвеса фаз для одноцепной линии Л-133.
Рис. 4. Эскиз опоры П110-5
Моделирование взаимного влияния ВЛ в программе ATP-EMTP.
Расчеты наведенных напряжений на проводах линий Л-132 и Л-133 проводились с использованием программного комплекса ATP-EMTP. С помощью модуля LCC, входящего в данный комплекс, можно моделировать линии электропередачи на основе их физических параметров, в том числе многоцепные линии, с транспозициями и изменением геометрии взаимного расположения. Модели позволяют производить расчеты при любых режимах заземления ремонтируемой линии и уровнях токов во влияющих линиях.
На рисунке 5 представлена модель влияния смежных ВЛ на линию Л-133, которая состоит из девяти участков. На первых восьми участках начиная от ГЭС-6 ремонтируемая линия идет вместе с ВЛ Л-132, на последнем участке добавляются линии Л-135, Л-136 и Л-403. Здесь показан частный случай заземления РЛ на опору № 113, находящуюся на границе пятого и шестого участков.
92
Для расчета наведенного напряжения на Л-132 применялась преобразованная модель линии Л-133. Она отличалась от предыдущей тем, что источники напряжения и нагрузки подключались к линии Л-133, а по концам линии Л-132 были установлены заземляющие устройства. Сопротивление заземляющих устройств подстанций принималось равным
0.5 Ом, сопротивление заземления в месте ремонта - 30 Ом.
Рис.5. Модель линии Л-133 в программе ATP-EMTP
Расчет наведенного напряжения на ВЛ Л-132, Л-133. В соответствии с [1] значения наведенных напряжений на воздушных линиях должны определяться при наибольших рабочих токах влияющих ВЛ. В данной работе эти токи вычислялись из значений фактических наибольших нагрузок ВВЛ Л-132 (РЛ - Л-133), Л-133 (РЛ - Л-132), Л-135, Л-136 и Л-403 (табл.).
Таблица
Максимальные значения токов во влияющих ЛЭП
Влияющая линия Л-132 Л-133 Л-403 Л-135 Л-136 ОЛ-132/ГЭС-7
Ток, А 257 119 367 1 2 124
Расчеты наведенных напряжений на линиях электропередачи Л-132 и Л-133 проводились в местах возможного максимального значения наведенного напряжения (границы участков сближения) при различных схемах заземления в РУ и с учетом заземления в месте ремонта (МР). Поскольку расчетные исследования позволяют получать значения наведенных напряжений в любых точках линии, результаты расчетов представлены в виде графиков распределения наведенных напряжений по всей длине ремонтируемой линии (рис. 6-8).
93
На рисунках 6а и б изображены графики распределения наведенных напряжений на ВЛ Л-132 и Л-133, изолированных по концам и в МР. В этом режиме наибольшее значение имеет электрическая составляющая наведенного напряжения. Эта величина зависит, в основном, от напряжения на влияющей линии и расстояния между проводами РЛ и ВЛ. Данный режим может возникнуть, когда выводимая в ремонт ЛЭП со стороны РУ не заземляется (п. 38.45 [1]), а заземление в месте ремонта нарушено в результате неисправности или ошибочных действий персонала.
Значения наведенных напряжений на незаземленных линиях Л-132 и Л-133 значительно превышают допустимый уровень 25 В. На рис. 6а видно, что график распределения наведенного напряжения на линии Л-132 практически монотонный. Это объясняется
тем, что на влияющих линиях электропередачи нет транспозиций. В конце графика происходит небольшой скачок напряжения, поскольку на последнем участке сближения добавляются три влияющие линии. Основной вклад в наведенное напряжение на ВЛ Л-132 дают магнитное и электрическое влияния Л-133, магнитное влияние Л-403, электрическое влияние Л-135 и Л-136.
График распределения наведенного напряжения на ВЛ Л-133 неравномерен (рис. 6б). Изломы на нем связаны с наличием транспозиций на линии Л-132, а также с тем, что все влияющие линии одновременно оказывают воздействие на РЛ только на последнем ее участке. Основное влияние оказывают в этом случае Л-132 и Л-403.
Дальнейшие расчеты выполнялись при заземлении линий на подстанциях во всех распределительных устройствах (РУ), в том числе в РУ отпаечных линий (рис. 7а и б). В этом режиме величина наведенного напряжения на ремонтируемой линии определяется только магнитной составляющей поля, которая порождается токами нулевой последовательности, возникающими по следующим причинам: несимметрии взаимного
расположения фазных проводов, транспозиций на ВЛ, изменения расстояния между линиями, пересечений ВЛ, наличия отпаек, несимметрии токов из-за перекосов нагрузок и источников.
При заземлении линий по концам наведенное напряжение на ВЛ Л-132 резко снижается, его величина не превышает
20 В (рис. 7а). Напротив, на линии Л-133 наблюдаются опасные уровни наведенного напряжения (рис. 7б). Например, в месте ремонта,
между пятым и шестым участками, значение наведенного напряжения достигает 68 В (фаза С). Основное влияние на ВЛ Л-132 оказывают линии Л-133 и Л-403, в которых протекают большие токи. На ВЛ Л-133 наибольшее влияние исходит от линий Л-403 и Л-132 (из-за больших токов, протекающих в них, и наличия транспозиций на последней).
В рамках данной работы были также выполнены расчеты наведенного напряжения на линиях Л-132 и Л-133 по следующей схеме: заземление РЛ во всех РУ и в месте выполнения ремонтных работ. В качестве мест ремонта на отключенной линии поочередно принимались концы участков сближения РЛ и ВВЛ (кроме последнего), так как на них наблюдаются наибольшие значения наведенных напряжений. Результаты расчетов представлены на рисунках 8 а и б.
94
а
Рис. 6. Распределение наведенного напряжения на ВЛ Л-132 и Л-133. Линии по концам изолированы
а
Рис. 7. Распределение наведенного напряжения на ВЛ Л-132 и Л-133. Линии по концам заземлены
95
Как видно из рис. 8а и б, заземление на сопротивление 30 Ом в месте ремонта мало повлияло на значения наведенных напряжений на линиях. На ВЛ Л-133 наведенное напряжение по-прежнему превышает допустимый уровень. В таком случае можно рекомендовать для обеспечения безопасности ремонтного персонала проводить работы на линии Л-133 как работы без снятия напряжения.
Сравнивая результаты расчетов, проведенных для линий Л-132 и Л-133, можно заключить, что на уровень наведенных напряжений, возникающих на проводах ремонтируемой линии Л-133, сильно влияет наличие транспозиций на влияющей линии Л-132.
Поэтому нами также был выполнен расчет наведенного напряжения на отключенной линии Л-133 при условии, что на линии Л-132 ликвидированы все транспозиции. Ремонтируемая линия была заземлена во всех РУ и в месте выполнения ремонтных работ. Результаты расчетов показали, что в этом случае уровень наведенного напряжения на линии Л-133 резко снижается во всех точках МР (рис. 9). Максимальное значение наведенного напряжения на ВЛ Л-133 (21.8 В) наблюдается на границе восьмого и девятого участков.
а
б
Рис.8. Значения наведенных напряжений в МР на ВЛ Л-132 и Л-133. Линии заземлены по концам и в МР
Таким образом, убрав транспозиции с влияющей линии Л-132, можно обеспечить безопасный уровень наведенного напряжения на ремонтируемой линии Л-133 при заземлении ее во всех РУ и месте ремонта.
96
Рис.9. Значения наведенных напряжений в МР на ВЛ Л-133. Линия заземлена по концам и в МР. На линии Л-132 транспозиции отсутствуют
Выводы
1. Расчетные исследования, проведенные в данной работе, показали, что отключенную линию Л-132 можно считать безопасной, если она заземлена на подстанциях во всех распределительных устройствах (в том числе в РУ отпаечных линий).
2. Наведенные напряжения, возникающие на отключенной
линии электропередачи Л-133 при различных схемах заземления
линии, представляют серьезную опасность для работников во время проведения на ней ремонтных работ.
3. По результатам расчетов наведенного напряжения на линиях Л-132 и Л-133 можно сделать вывод, что идеальным с точки зрения минимума наведенного напряжения является случай, когда влияющая линия, параллельная на всем своем протяжении с РЛ, не имеет транспозиций и работает в симметричном режиме без гармонических искажений.
Литература
1. Правила по охране труда при эксплуатации электроустановок
(приложение к приказу Министерства труда и социальной защиты РФ от 24 июля 2013 г. N 328н).
2. Повышение безопасности работ на линиях под наведенным напряжением / А.Н.Данилин, Б.В.Ефимов, О.В.Залесова, В.Н.Селиванов, М.В.Якубович // Труды КНЦ РАН. Энергетика. Вып. 1. - Апатиты: КНЦ РАН, 2010. - С. 91-102.
3. Селиванов В.Н. Использование программы расчета электромагнитных переходных процессов ATP-EMTP в учебном процессе // Вестник МГТУ. - 2009. - Т. 12, № 1. - С. 107-112.
4. Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники: учебник для вузов. В 2 т. Т 2. - Л.: Энергоиздат, 1981. - 416 с.
5. Костенко М.В. Влияние электрических сетей высокого напряжения на техно- и биосферу. - Л.: ЛПИ, 1984. - 56с.
97
Сведения об авторах Залесова Ольга Валерьевна,
младший научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н.
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: Drozdova_nord@mail.ru
Селиванов Василий Николаевич,
заместитель директора по науке
Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н.
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: selivanov@ien.kolasc.net.ru
98
