CC BY
164
УДК 621.311
А.Н.Данилин, Б.В.Ефимов, А.Н.Кизенков, В.Н.Селиванов
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СПЕЦЛЭП НА ВОЗДУШНЫЕ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ *
Аннотация
В статье представлены результаты численного моделирования электромагнитного влияния воздушной линии специального назначения на соседние линии электропередачи. Предложены меры снижения риска поражения электрическим током при работе под наведенным напряжением.
Ключевые слова:
наведенное напряжение, спецЛЭП, линия электропередачи, безопасность ремонтных работ
A.N. Danilin, B.V. Efimov, A.N. Kizenkov, V.N. Selivanov
RESEARCH OF INFLUENCE OF SPECIAL OVERHEAD LINE ON POWER TRANSMISSION LINES
Abstract
The paper presents the results of numerical modeling of electromagnetic influence of special overhead line on adjacent power transmission line. The measures to reduce the risk of electric shock under the induced voltage are proposed.
Keywords:
induced voltage, special OHL, power transmission line, safety repairs
Исследования наведенных напряжений на линиях ПО СЭС филиал ОАО «МРСК Северо-Запада» «Колэнерго», в том числе на Л-226, выполнялись нами в 2010-2011 гг. [1, 2]. Измерения на Л-226 наведенных от линии Л-401 напряжений показали, что их уровень при заземлении линии по концам в ОРУ ПС-6 и ГЭС-18 превышает допустимое значение 25 В.
В 2012 г. проведено всестороннее изучение комплексного воздействия влияющих линий промышленной частоты и спецЛЭП. СпецЛЭП, работающие на частотах, соизмеримых с промышленной частотой, и размещенные параллельно Л-226, увеличивают значения наведенных напряжений, которые имеют вид биений.
В ПО СЭС филиал ОАО «МРСК Северо-Запада» «Колэнерго» определен перечень линий под наведенным напряжением, при работе на которых запрещено устанавливать заземления в РУ концевых подстанций. В частности, такой является воздушная линия класса напряжения 150 кВ Л-226 от подстанции № 6 в г.Мурманск до Верхнетериберской ГЭС-18. Линия, введенная в эксплуатацию в 1988 г., имеет протяженность по трассе 111 км и размещена на 303 металлических опорах, среди которых преобладают промежуточные опоры типа ПС220-7 (272 шт); средняя длина пролета - 370 м, максимальная - 10 м, марка провода - АС-300/39.
Трасса ВЛ проходит по тундровой местности с каменистым грунтом. Проведенные нами измерения удельного сопротивления грунта вблизи опор Л-226 показали, что в среднем оно имеет величину порядка 10000 Ом^м (от 4000 до
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 11-08-00690).
20000 Ом^м). Сопротивление растеканию току заземляющих устройств опор ВЛ имеет порядок десятков и сотен омов, и во многих случаях значительно превышает нормируемые значения.
По всей трассе линия защищена грозотросом, марка провода ТК-70. Трос по проекту заземлен наглухо на всех опорах, однако обследование показало, что на двух анкерных опорах трос присоединен только с одной стороны, а на шести анкерах грозотрос преднамеренно изолирован от опор с разрывом сплошности.
Так как сам грозотрос ТК-70 имеет достаточно высокое погонное сопротивление (порядка 2 Ом/км), эквивалентное сопротивление опоры, объединенной в группу с другими опорами, будет стремиться к конечной величине независимо от числа опор в группе. Это сопротивление определяется индивидуальным сопротивлением каждой опоры и схемой заземления грозотроса на опору. Так, при сопротивлении одиночной опоры 250 Ом (это значение подтверждается результатами измерения на опорах без грозотроса) и двухстороннем соединении ее тросом к соседним опорам, минимальное сопротивление будет иметь значение порядка 7 Ом. Если при тех же условиях опора подключена к грозотросу только с одной стороны, то ее минимально возможное сопротивление будет в два раза выше (14 Ом).
Измерения и расчеты наведенных напряжений показывают, что даже при групповом сопротивлении опор, объединенных грозотросом, порядка 10 Ом наведенные напряжения превышают допустимые 25 В в 2-3 раза. Для снижения уровня наведенного напряжения до допустимого эти сопротивления должны составлять доли или, по крайней мере, первые единицы ома. Для этого индивидуальное сопротивление заземлителей каждой опоры в группе должно иметь значение не более 10 Ом, как в средней полосе России. В условиях прохождения Л-226 это означает создание у каждой опоры заземляющего устройства, сравнимого по размерам с ЗУ подстанции с диагональю в сотни метров.
На величину наведенного от спецЛЭП напряжения определяющее влияние оказывает также удельное сопротивление грунта. Чем оно выше, тем глубже проникает ток в землю, тем больше площадь петли тока и тем больше влияние спецЛЭП на Л-226. Этот фактор не удастся изменить никаким образом.
Приведенные аргументы доказывают, что проекты по снижению наведенных напряжений ниже опасного уровня путем сооружения дополнительных ЗУ у опор Л-226 практически не реализуемы, так как требуют огромных капиталовложений и регулярного дополнительного обслуживания, поэтому их разработка не целесообразна.
Линия Л-226 идет в одном коридоре с линией класса напряжения 330 кВ Л-401. Суммарный коридор совместного следования составляет 67 км, расстояние между осями ВЛ составляет 40 м, но есть участок длиной порядка 10 км, на котором расстояние между осями увеличивается до 350-650 м. Линия Л-226 входит и выходит из коридора с Л-401 практически под прямым углом, поэтому при учете влияния Л-401 учитывается только участок их совместного следования.
На участке совместного следования на Л-226 выполнено две транспозиции, на Л-401 - также две транспозиции. Транспозиции линий не синхронны, т.е. имеется пять участков с различным взаимным расположением фазных проводов.
Взаимное размещение линий и места выполнения измерений (номера опор Л-226) за период измерений с 2010 по конец 2012 года по трассе линии, подверженной влиянию Л-401 и спецЛЭП, приведены на рис. 1.
Северная и южная спецЛЭП представляют собой участки линий электропередачи, размещенные параллельно Л-401 и Л-226, причем северная спецЛЭП размещена в 5-9 км южнее, южная спецЛЭП на 16-20 км южнее Л-226. Длина совместного следования порядка 45 км, как показано на рис. 1.
I---1----1------п—I-----Г
О ! 20
оп №104
Т----------1—
40
оп №148
, I,
оп №201, №203 ОП №223
В Л №401
спецЛЭП
45 км
Рис.1. Взаимное продольное размещение влияющих линий (Л-401 и спецЛЭП) и линии, на которой выполнены измерения наведенных напряжений (Л-226)
Расчеты наведенных напряжений на проводах Л-226 при воздействии Л-401 и спецЛЭП проводились с использованием программы расчета переходных процессов ЕМТР-АТР. В библиотеке программы есть модуль LCC, который позволяет моделировать линии электропередачи и кабели на основе их физических параметров, в том числе многоцепные линии с числом фаз до 28, с транспозициями и изменением геометрии взаимного расположения. На рис.2 показаны диалоговые окна модели, описывающие один из участков коридора линий Л-226, Л-401 и спецЛЭП.
Рис. 2. Диалоговые окна модели LCC в программе EMTP-ATP
Модель для расчета взаимного влияния линий в программе ЕМТР-АТР показана на рис.3. Модель выполнена в виде 20 однородных участков длиной около 5-7 км каждый. На первых трех участках от подстанции № 6 и последних пяти у ГЭС-18 отсутствуют какие-либо влияния на Л-226, остальные участки отличаются взаимным расположением фаз, соответствующим транспозиционным участкам Л-226 и Л-401, и наличием влияния Л-401 и спецЛЭП. В использованном примере сопротивление заземляющих устройств (ЗУ) подстанций, за отсутствием реальных данных, выбрано в пределах нормируемого значения 0.5 Ом. Указаны точки с 0 по 20, в которых фиксировались значения напряжений и которые далее используются при анализе результатов. Показан частный случай заземления в точке 7 на опору с сопротивление 100 Ом. Для заземления трехфазных цепей использован сплиттер -компонент, позволяющий расщепить многофазную шину на провода отдельных фаз. В нашем примере это дает возможность моделировать обрыв заземляющих проводников.
На Л-226 дополнительно присутствует грозотрос, заземленный на каждом участке через групповое сопротивление 20 Ом. Моделирование каждого пролета Л-226 в принципе возможно, но требует значительных расчетных мощностей и времени на проведение расчетов. Пробные расчеты такой модели были выполнены и показали, что результат практически совпадает с расчетом для упрощенной модели, приведенной на рис.3.
Ток в спецЛЭП во всех расчетах составляет 200 А на частоте 82 Гц (66 А в каждом проводе), ток в Л-401 задан исходя из мощности 360 МВт (630 А).
Модель позволяет производить расчеты при любых режимах заземления Л-226 и уровнях токов во влияющих линиях. Как показали расчеты, значения наведенных напряжений, полученные с помощью численной модели, выше на 20100%, чем напряжения, полученные в эксперименте. Это объясняется определенной идеализацией модели, в которой невозможно учесть все неоднородности, присутствующие в реальности: неоднородность грунта вдоль линии и по глубине, изменение расстояния между осями линий в коридоре и непараллельность линий и т.д. Тем не менее, качественно характер распределения наведенных напряжений и токов совпадает с экспериментальными данными, что подтверждает корректность полученных результатов расчетов.
В отличие от эксперимента, расчетное исследование позволяет получать значения наведенных напряжений в любых точках линии и представлять их совокупность в виде распределения по длине линии. На рис.4 показано распределение действующего значения наведенного напряжения на изолированной от земли по все длине линии Л-226. Наведенные напряжения рассчитаны отдельно от Л-401 и спецЛЭП. Так как на изолированных фазных проводах линии напряжения различны, приводятся распределения максимальных из тройки значений в каждой точке.
Расчет наведенных напряжений на изолированной линии имеет максимальную погрешность. В ходе экспериментов максимально зафиксированное напряжение от Л-401 на Л-226 не превышало 1000 В, а расчет дает значение в два раза выше. Кроме того, измеренные значения наведенных напряжений на разных фазах отличаются друг от друга не сильно (например, измерения на опоре № 203 дают значения 729, 825 и 980 В), а расчет приводит к более сильному различию фазных напряжений (на той же опоре модель дает 730, 1610 и 2100 В).
Рис. 3. Модель линии в программе EMTP-ATP
Влияние на изолированную линию имеет электростатический характер через емкость отдельных проводов на землю и между собой. На эту величину влияет множество факторов, начиная от конструкционных параметров реальных ВЛ и заканчивая состоянием изоляторов и погодными условиями. Все факторы в модели учесть невозможно, в качестве выхода можно предложить введение корректирующих коэффициентов на основе результатов измерений либо в качестве результата брать напряжение на объединенных между собой проводах. При объединении проводов заряды между ними усредняются, и напряжение становится практически одинаковым. На рис.4 распределение этого напряжения отображено прерывистой линией.
2500
СО ф
I 2000
Ф
*
*
£ 1500
(5 I
0 юоо х
X
ф
5 500
ш
<5
1
°0 10 20 30 40 50 60 70 30 90 100 110
Расстояние от ПС-6, км
Рис.4. Распределение наведенного напряжения на изолированной линии Л-226
Картина распределения указывает на характерные особенности влияния Л-401 и спецЛЭП. Распределение наведенного от Л-401 напряжения носит практически равномерный характер, что указывает на электростатический, емкостной характер воздействия; некоторые возмущения возникают в местах транспозиций проводов Л-226 и Л-401, так как при этом заряды перераспределяются между фазными проводами.
Наводка от тока в спецЛЭП носит дипольный характер с провалом до нуля и опрокидыванием фазы в середине линии. Такое распределение соответствует индуктивному характеру влияния спецЛЭП, на его величину влияют, в основном, длина спецЛЭП и величина тока в ней, а также расстояние между осями линий.
При взаимном влиянии наведенное напряжение есть сумма двух синусоидальных сигналов с частотами 50 и 82 Гц, и результат зависит от разности фаз между напряжением в Л-226 и спецЛЭП. На рис.5 показаны результаты расчетов и измерений наведенного напряжения на опоре № 201 при совместном влиянии Л-401 и спецЛЭП. Расчеты проведены для объединенных проводов и результаты очень близки как по форме, так и по амплитуде.
( этЛ 401
■ ш ш л ' ■ - — г,г
от спе цЛЗ П
0 0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25
Время, с
Рис. 5. Сравнение результатов расчета и измерения наведенного напряжения на опоре № 201 изолированной линии Л-226
При заземлении ремонтируемой линии в РУ подстанций емкостная составляющая исчезает, но увеличивается индуктивная составляющая за счет токов, замыкающихся через малое сопротивление ЗУ подстанций. Кривая распределения максимальных из наведенных на фазах линии Л-226 действующих значений напряжений представлена на рис.6. Как видно из рисунка, Л-226 попадает под определение линии под наведенным напряжением по пункту 4.15.52 Правил [3]. На том же рисунке продемонстрирован вклад влияния спецЛЭП в наведенное напряжение на линии Л-226. Как уже отмечалось выше, при взаимном влиянии Л-401 и спецЛЭП действующее значение наведенного напряжения не является алгебраической суммой их раздельного влияния, а зависит от взаимной фазы влияющих токов в линиях. Тем не менее, для оценки совместного влияния на рис.6 пунктирной линией показана сумма, соответствующая наибольшему наведенному напряжению. Максимум распределения находится в районе анкерной опоры № 123.
Рассмотрим распределение наведенного напряжения на Л-226 при заземлении в концевых ОРУ на ПС-6 и ГЭС-18 и в месте производства работ. На рис.7 показано такое распределение в зависимости от расстояния от ПС-6, где значение напряжения в каждой точке на линии соответствует значению наведенного от токов в Л-401 напряжения при заземлении проводов ВЛ на опору в этой точке, имеющую определенное значение сопротивления. Показаны
распределения при сопротивлениях ЗУ опоры 1, 10 Ом и бесконечном
сопротивлении, что означает объединение фазных проводов в месте выполнения работ без их заземления.
Рис.6. Распределение наведенного напряжения на линии Л-226, заземленной в ОРУ концевых подстанций
300
ой
^ 250 т
Ф
^ 200
АГ
I 150 Ф
0
1 100 ф
ч
ф
Й 50 I 25
0
А
/ п; азрь
г Н4
\10 Ом
\ к
- Ом
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Расстояние от ПС-6, км
Рис.7. Распределение наведенного током в Л-401 напряжения на линии Л-226, заземленной в ОРУ концевых подстанций и на опоре с различным сопротивлением
На рис. 8 показана зависимость напряжения от сопротивления опоры в точке на линии, где ожидается максимальное наведенное напряжение. Зависимость показывает, что напряжение на опоре будет меньше 25 В только в том случае, если ее сопротивление с учетом соседних опор, объединенных грозотросом, будет порядка 1 Ома, т.е. индивидуальное сопротивление каждой опоры в группе из как минимум 20 опор, должно быть менее 10 Ом, что технически не достижимо.
Рис.8. Зависимость напряжения на опоре № 123 от сопротивления ее заземляющего устройства
Рассмотрим теперь влияние только спецЛЭП на Л-226. На рис.9 представлено распределение, аналогичное распределению на рис.7.
Рис.9. Распределение наведенного током в спецЛЭП напряжения на линии Л-226, заземленной в ОРУ концевых подстанций и на опоре с различным сопротивлением
Работающая спецЛЭП ощутимо увеличивает значение наведенного напряжения на Л-226 на некоторых участках практически в два раза. Таким образом, ремонт на линии Л-226 должен производиться в соответствии с пунктом 4.15.53 Правил, то есть линия должна заземляться только в месте производства работ [3].
Рассмотрим распределение напряжения вдоль линии Л-226, разземленной в ОРУ концевых подстанций ПС-6 и ГЭС-18 и заземленной в точке производства работ на различные сопротивления. На рис. 10 представлено распределение при влиянии только Л-401. Еще раз следует подчеркнуть, что это не распределение напряжения на линии в каком-то определенном режиме, а зависимость напряжения на опоре при заземлении на нее фазных проводов Л-226 от расстояния между ПС-6 и местом проведения работ на этой опоре. Т.е. напряжение в точке 45 км соответствует напряжению на опоре № 123 при заземлении на нее Л-226, разземленной в ОРУ ПС-6 и ГЭС-18. Распределения построены для бесконечного сопротивления опоры и сопротивления 250 Ом, которое соответствует опоре, не соединенной с соседними опорами грозотросом. Распределение для бесконечного сопротивления ЗУ опоры полностью соответствует распределению на рис.4 для изолированной опоры. Такое напряжение появится на проводах, если произойдет отсоединение или обрыв переносного заземления. Эта величина смертельно опасна.
¡а 9оо 800 Ф 700
*
£б00 с
^ 500
£ 400 х
X 300 ф ф 200 ш
■Ц юо
25о
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Расстояние от ПС-6, км
Рис.10. Распределение наведенного током в Л-401 напряжения на линии Л-226, изолированной в ОРУ концевых подстанций и заземленной на опоре
Напряжение на опоре с сопротивлением 250 Ом также превышает допустимые 25 В. А наведенное напряжение на опоре с сопротивлением 10 Ом уже составляет значение порядка 5 В, что значительно ниже максимально допустимого. Таким образом, в качестве рекомендации по снижению наведенного напряжения можно предложить присоединение грозотроса к опоре с обеих сторон, по крайней мере на время проведения ремонтных работ. На рис. 11 представлена зависимость наведенного напряжения на опоре от сопротивления ее ЗУ в случае изолированной по концам Л-226 (опора у ПС-6, где напряжение максимально). Видно, что в случае
разземленной в концевых ОРУ Л-226, напряжение на опоре будет ниже 25 В, если сопротивление ее ЗУ будет ниже 50 Ом, что выполняется для всех опор Л-226 под грозотросом.
Влияние спецЛЭП в данном случае не сильно изменяет ситуацию.
Измерения на опоре № 201 показали, что в том случае, если грозотрос к опоре присоединен только с одной стороны, напряжение на ней также может превысить допустимые 25 В, несмотря на то, что групповое сопротивление ЗУ меньше 20 Ом. На опоре № 201 наведенное напряжение относительно удаленной земли составило 35 В. Это напряжение создается током, наводимым в грозотросе влияющими линиями. Если грозотрос подключен к опоре с двух сторон, то токи в смежных контурах практически компенсируют друг друга. На опоре № 201 напряжение относительно удаленной земли присутствовало даже в том случае, когда фазные провода не были заземлены на опору. Подобный результат должен повториться на Л-226 также на опорах № 123, 142, 144, 147, 149, 154, 156, 171, 173, 178, 180, 194, 196, 200, 202. Эти опоры примыкают к участкам, на которых грозотрос преднамеренно изолирован на анкерных опорах.
Для снижения уровня наведенного напряжения на таких опорах также рекомендуется надежное заземление грозотроса с двух сторон на опору на время проведения ремонтных работ.
ф 450
І 400
І 350
с 300 <с
I 250
Ф
° 200
5 150 Ч
Ф 100 ю
^ 50
°1 10 100 1000 Сопротивление опоры. Ом
Рис.11. Зависимость напряжения на опоре от сопротивления ее заземляющего устройства
Выводы
1. На отключенных проводах линии Л-226 при различных схемах ее заземления, а также при отсутствии заземлений и при наибольшем рабочем токе действующих ВЛ наводится напряжение более 25 В, следовательно, Л-226, согласно Правилам [3], является линией под наведенным напряжением.
2. Это напряжение невозможно снизить до безопасного уровня никакими мероприятиями, поэтому не допускается заземлять ВЛ в РУ концевых подстанций; необходимо работать с заземлением проводов только на одной опоре или на двух смежных.
3. Расчеты показывают, что на ряде опор Л-226, даже при выполнении предыдущего условия наведенное напряжение превышает безопасный уровень 25 В.
4. Требование Правил [3] разземлять ВЛ в РУ приводит к снижению надежности заземления (одна точка вместо трех), а также к увеличению риска электротравматизма в случае нарушения контакта ПЗ с опорой. Дублирование ПЗ приводит к увеличению числа производимых операций и повышению вероятности ошибочных действий.
5. Для снижения наведенного напряжения рекомендуется заземлять грозотрос на опору с двух сторон (на тех опорах, где грозотрос изолирован) на время проведения работ.
Литература
1. Повышение безопасности работ на линиях под наведенным напряжением / А.Н.Данилин и др. // Труды Кольского научного центра РАН. 2010. № 1. С. 91-102.
2. Способы снижения уровня наведенного напряжения на ремонтируемой двухцепной линии электропередачи / А.Н.Данилин и др. // Труды Кольского научного центра РАН. 2012. № 3. С. 56-66.
3. Межотраслевые правила по охране труда (правила безопасности) при эксплуатации электроустановок. ПОТ РМ - 016-2001, РД 153- 34.0-03.150-00 / Министерство труда и социального развития РФ; Министерство энергетики РФ: [утв. 05.01.2001]. Введ. 01.07.2001. М.: НЦ ЭНАС, 2001. 192 с.
Сведения об авторах Данилин Аркадий Николаевич
заведующий лабораторией высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н.
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А эл. почта: danilin@ien.kolasc.net.ru
Ефимов Борис Васильевич
директор Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, д.т.н. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А эл. почта: efimov@ien.kolasc.net.ru
Кизенков Александр Николаевич
начальник производственной службы линий Северных электрических сетей филиала ОАО «МРСК Северо-Запада» «Колэнерго»
Россия, 184355, Мурманская область, Кольский район, пгт. Мурмаши, ул. Кирова, д. 2 Селиванов Василий Николаевич
ведущий научный сотрудник лаборатории высоковольтной электроэнергетики и технологии 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
