Повышение безопасности работна линиях под наведенным напряжением Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Сведения об авторах 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

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

Колобов Виталий Валентинович

старший 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

Сахаров Ярослав Алексеевич

заведующий лабораторией геофизических наблюдений Полярного геофизического института КНЦ РАН, к.ф.-м.н.

Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 26 А эл.почта: sakharov@pgia.ru

Баранник Максим Борисович

ведущий инженер 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: maxbar@ien.kolasc.net.ru

УДК 621.311

А.Н.Данилин, Б.В.Ефимов, О.В.Залесова, В.Н.Селиванов, М.В.Якубович*

ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ РАБОТ НА ЛИНИЯХ ПОД НАВЕДЕННЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ

Аннотация

Рассмотрены причины появления наведенных напряжений на выведенных в ремонт высоковольтных линиях. Приведены расчетные и экспериментальные данные по оценке значений наведенных напряжений, рассмотрены способы снижения уровня наведенных напряжений, уменьшающие опасность поражения персонала, выполняющего работы на отключенной линии.

Ключевые слова:

линии электропередачи, наведенное напряжение, безопасность работ

* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 09-08-00276).

A.N. Danilin, B.V. Efimov, O.V. Zalesova, V.N. Selivanov, M.V. Yakubovich

INCREASING THE SAFETY OF WORKS ON THE OVERHEAD LINES UNDER INDUCED VOLTAGE

Abstract

The causes of induced voltage appearence on deenergized overhead lines are discussed. Calculated and experimental values of induced voltage are presented. The techniques to decrease induced voltage values and improve safety of operating staff are considered.

Keywords:

overhead lines, induced voltage, safety of works

Существующие Межотраслевые правила по охране труда (ПОТ РМ-016-2001) содержат следующие положения:

4.15.52. Из числа высоковольтных линий (ВЛ) под наведенным напряжением организациям необходимо определить измерениями линии, при отключении и заземлении которых по концам (в распределительных устройствах (РУ)) на заземленных проводах остается потенциал наведенного напряжения выше 25 В при наибольшем рабочем токе действующей ВЛ. Все виды работ на этих ВЛ, связанные с прикосновением к проводу без применения основных электрозащитных средств, должны выполняться по технологическим картам или ППР, в которых должно быть указано размещение заземлений исходя из требований обеспечения на рабочих местах потенциала наведенного напряжения не выше 25 В.

4.15.53. Если на отключенной ВЛ (цепи), находящейся под наведенным напряжением, не удается снизить это напряжение до 25 В, необходимо работать с заземлением проводов только на одной опоре или на двух смежных. При этом заземлять ВЛ (цепь) в РУ не допускается. Допускается работа бригады только с опор, на которых установлены заземления, или на проводе в пролете между ними.

Опыт применения этих правил показал ряд их негативных сторон. В статье рассмотрены причины появления наведенных напряжений на отключенных ВЛ. Приведены расчетные и экспериментальные данные по оценке значений наведенных напряжений и рассмотрены способы снижения уровня наведенных напряжений, понижающие опасность поражения персонала, выполняющего работы на отключенной линии.

Причины возникновения наведенных напряжений

Данный вопрос анализировался многими специалистами, являющимися авторами разработанных методик расчетов наведенных напряжений и разработчиками рекомендаций по снижению опасности наведенных напряжений для персонала, поэтому он будет рассмотрен кратко со ссылками на основные источники.

Возникновение наведённых напряжений обусловлено двумя механизмами, связанными с воздействием электромагнитного поля соседних ВЛ: влиянием магнитного поля, возникающего вокруг проводов действующей

линии, и влиянием электрического поля этих проводов, имеющих электрический потенциал относительно земли.

Для ВЛ переменного тока в нормальном режиме работы задачу о наведённых напряжениях можно рассматривать как квазистатическую или стационарную. В этой задаче теоретически можно выделить два крайних случая:

1) в действующей линии протекает ток, но она имеет нулевой потенциал относительно земли (линия по концам закорочена на землю);

2) в действующей линии ток не протекает, но она имеет ненулевой потенциал (на линию подано напряжение, но она изолирована от земли).

В первом случае наведённые напряжения, создаваемые на соседней отключённой линии, будут обусловлены только влиянием магнитного поля, а во втором - только влиянием электрического поля действующей линии. Назовём наведённое напряжение в первом случае магнитной составляющей, а во втором электрической составляющей.

Электрическая составляющая наведённого напряжения определяется соотношением взаимной ёмкости между отключенными и влияющими проводами и ёмкости отключённого провода относительно земли [1, 2]. Ёмкость провода относительно земли обратно пропорциональна высоте подвеса провода. Взаимная ёмкость между двумя проводами обратно пропорциональна расстоянию между ними. Отсюда понятно, что чем ближе друг к другу расположены влияющая и отключённая линии, тем больше будет уровень электрической составляющей наведённого напряжения.

В простейшем случае влияния магнитная составляющая наведённого напряжения от работающей в нормальном режиме трёхфазной линии электропередачи (ЛЭП) 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 [3]

Е 2 = ЗД!

где индексы 1 и 2 относятся к влияющему и отключенному проводам соответственно, 1\ - ток во влияющем проводе, кЗд - коэффициент защитного действия соседних проводов, I - длина участка сближения, Z!2 - модуль взаимного сопротивления между проводами 1 и 2 на единицу длины эквивалентного параллельного сближения с учётом влияния земли.

Эта э.д.с. прямо пропорциональна взаимному сопротивлению влияющего и отключённого проводов, которое, в свою очередь, зависит от геометрии сближения и удельного сопротивления земли. Магнитное влияние имеет большую дальность действия, чем электрическое, т.е. при ширине сближения в сотни метров и более основной вклад в наведённое напряжение даёт именно магнитная составляющая.

Из всего вышесказанного можно сделать следующие выводы. На двухцепных линиях всегда основной вклад в наведенное напряжение будет вносить электрическая составляющая. Для одноцепной линии, подверженной влиянию соседних ВЛ, соотношение электрической и магнитной составляющей

зависит от целого ряда факторов, таких как ток влияющей линии, геометрия сближения (количество и расположение влияющих линий, длина, ширина, однородность каждого из участков сближения), сопротивление грунта. В простых случаях одной влияющей линии основной обычно является магнитная составляющая наведённого напряжения.

На примере линий ОАО «Колэнерго» рассмотрены задачи по снижению наведенных напряжений.

Постановка задачи

В Северных электрических сетях ОАО "Колэнерго имеется несколько линий, на проводах которых при их отключении и заземлении в распределительных устройствах (РУ) подстанций наведенные напряжения значительно превышают 25 В, а при их изоляции в РУ - наведенные напряжения достигают нескольких киловольт. В первую очередь к таким линиям относятся двухцепная ЛЭП Л-163/164 и одноцепная ЛЭП № 226, при эксплуатации которых необходима их изоляция в РУ.

При выполнении требований по установке на изолированных линиях заземлений в местах производства работ (на опоре, с которой производится ремонт, или на двух соседних опорах при работах в пролете) возникает опасность поражения персонала наведенным напряжением в следующих случаях:

1. случайное прикосновение к проводам при установке заземлений;

2. обрыв заземляющего провода при некачественной установке заземлителя или его отсоединение в процессе работы из-за сильных ветровых нагрузок, которые в Северных сетях весьма велики;

3. нарушение контакта в механизмах и приспособлениях, используемых при выполнении работ на проводе в пролете.

В связи с этим были поставлены следующие задачи:

1. измерить значения наведенных напряжений на линиях при изоляции их от земли на РУ концевых подстанций, а также оценить распределение наведенного потенциала по длине линий;

2. измерить те же параметры при заземлении линий на РУ концевых подстанций;

3. расчетами подтвердить результаты измерений по первым двум пунктам;

4. разработать рекомендации по повышению безопасности обслуживания указанных линий при работах под наведенным напряжением.

Организация, методика и средства измерений наведенных напряжений на линиях и подстанциях

Работы по измерениям наведенных напряжений на линиях Л-163/164 и Л-226, а также на ОРУ-150 кВ подстанций № 6 и ГЭС-12 выполнялись согласно утвержденным программам, где должны быть приведены:

- персонал, участвующий в производстве измерений;

- приборы, приспособления и средства защиты, применяемые при измерениях;

- методика измерений и меры безопасности при выполнении измерений.

Измерения наведенных напряжений на проводах отключенной линии выполняются приборами, присоединенными через делитель напряжения к клеммам пункта подключения. К этим же клеммам при помощи спусков подключены фазные провода линии (рис. 1).

Рис.1. Схема выполнения измерений наведенных напряжений

Присоединение спусков к пункту подключения производится при заземлённых на опору проводах линии. После подключения спусков к пункту заземлители проводов снимают, и пункт считается устройством под полным наведенным напряжением. Изоляция пункта должна выдерживать максимальные наведенные напряжения, как междуфазные, так и относительно земли.

Конструкция разработанного пункта подключения выполнена так, чтобы при коммутациях четырех ножевых рубильников изолирующей оперативной штангой осуществлялась возможность всех возможных вариантов измерений, включающих в себя измерения напряжений на фазных проводах относительно земли по отдельности, при поочередном заземлении фазных проводов, при соединении этих проводов вместе. Устройство позволяет также измерить токи в заземленных проводах, вызванные наведенными напряжениями.

Измерительные приборы - осциллограф АКИП - 4113, тестер МУ - 67 и токоизмерительные клещи.

Делитель напряжения допускает выполнение измерений при трех коэффициентах деления за счет изменения сопротивления верхнего плеча делителя Я1 в пределах от 3 Мом до 33 МОм. Величина Я2 постоянна и включает параллельно соединенные резистор 328 кОм и входные сопротивления осциллографа и тестера, равные 10 МОм каждый. Резисторы подобраны так, чтобы коэффициенты деления составили 10 или 100. Измерительные приборы, подключаемые к делителю напряжения, защищены ОПН, установленным параллельно нижнему плечу делителя.

Результаты измерений на двухцепной ЛЭП № 163/164 (150 кВ) между подстанциями ГЭС-12 и ПС № 21. Длина линии - 117,3 км. Влияющая линия № 164 под рабочим напряжением. Приводятся результаты измерений наведенных напряжений на проводах отключенной линии № 163 относительно опор.

Первая точка измерений - опора № 223, 61,4 км от п/с № 21 -практически середина линии, вторая - на РУ подстанции ГЭС-12, при заземлении линии только на РУ ПС № 21. Результаты представлены в табл.1.

Таблица 1

Место измерений Фазный провод А+В+С

А В С (провода соединены)

61,4 км от п/с № 21 оп. № 223 27 40 35 27

ОРУ ГЭС-12 360 333 335 25

Результаты измерений на одноцепной ЛЭП № 226 (150 кВ). Длина ВЛ -117,3 км. Основная влияющая линия № 401 (330 кВ) на переменном расстоянии от ВЛ № 226 (от 40 до 400 м). Результаты измерений наведенных напряжений на проводах отключенной линии № 226 относительно опор и "удаленной земли", в качестве которой используются опоры соседней линии № 401 или вбитые в землю электроды приведены в табл.2. Взаимное продольное размещение этих линий показано на рис.2.

Рис.2. Взаимное продольное размещение влияющей линии (ВЛ№ 401) и линии, на которой выполнены измерения наведенных напряжений (ВЛ№ 226)

Таблица 2

Место измерений Фазные провода А+В+С провода соединены

А В С

опора удал. земля опора удал. земля опора удал. земля опора удал. земля

Опора № 47 12,5 21,5 13,3 20,9 21,4 19,3 16,0 21,0

Опора № 148 161 164 156 158 133 136 150 153

Опора № 203 157 157 154 154 173 175 160 161

Двухцепная ЛЭП № 163/164 (150 кВ). Место измерений - опора № 223, расположенная в 61,4 км от п/с № 21 - середина линии. Измерения производятся относительно опоры. Рассмотрено несколько вариантов изоляции линии на концевых ОРУ:

- фазные провода изолированы от земли и друг от друга;

- фазные провода изолированы от земли и соединены между собой на ОРУ ГЭС-12;

- фазные провода изолированы от земли и соединены между собой на обоих ОРУ.

Схемы и результаты измерения приведены в табл.3. В скобках приведены расчетные результаты.

Вторым местом измерений наведенных напряжений на линии № 163 было ОРУ подстанции ГЭС-12. Измерения производились относительно контура заземления подстанции. Результаты измерений приведены в табл.4. Измерения выполнены для схем:

- фазные провода изолированы от земли и друг от друга;

- фазные провода изолированы от земли и соединены между собой на ОРУ ПС-21.

Одноцепная ЛЭП № 226 (150 кВ). Измерения выполнены для вариантов: фазные провода изолированы от земли и друг от друга, изолированы от земли и соединены между собой на ОРУ ГЭС-18, изолированы от земли и соединены между собой на обоих ОРУ. Результаты измерений приведены в табл.5.

Как указывалось, конечной целью работы была разработка предложений по повышению безопасности работ на высоковольтных линиях под наведённым напряжением. Анализ полученных результатов измерений позволяет сделать несколько предложений по повышению безопасности работ для двух типов линий под наведенным напряжением: для линий, имеющих сильную связь по взаимному влиянию - это двухцепные линии, и одноцепных линий, располагающихся в одном коридоре на большом протяжении.

Рассмотрим первый случай: двухцепная линия № 163/164.

Из таблицы 3 следует, что соединение фазных проводов на подстанциях в РУ примерно в 20 раз снижает напряжение на фазных проводах в месте ремонта (в середине линии). Измерения на РУ ГЭС-12 показали, что высокий потенциал на изолированной линии (до 3 кВ) примерно одинаков по всей длине.

В таблице 6 приведены результаты измерений наведенных напряжений при различных способах заземления линии и ее проводов в месте производства работ (середина линии).

Поскольку правила допускают работы на линиях при уровне наведенных напряжений ниже 25 В, из табл.6 видно (кадры 3, 4), что работы на данных линиях могут вестись только на изолированной по концам линии и наложении заземлений в месте работ. При этом наведенные напряжения на проводах относительно опор составляют около 3000 В (кадр 1). При обрыве заземлителя на одной из фаз (кадр 2) напряжение на нем поднимется выше 3000 В, что можно считать смертельно опасной аварией.

Предлагается способ снижения наведенного напряжения, не противоречащий пункту 4.15.53 Межотраслевые правила по охране труда (ПОТ РМ-016-2001), указывающему, что при наведенном напряжении выше 25 В заземление ВЛ (цепи) в РУ не допускается.

1. Если в одном из РУ фазные провода соединить между собой (кадр 5) не заземляя их, что не противоречит приведенному правилу, наведенное напряжение при обрыве одного заземлителя снизится почти на порядок (с 3360 В до 380 В). Такое снижение резко снизит опасность смертельного поражения.

2. При соединении фазных проводов на обоих РУ наведенное напряжение в той же ситуации снизится еще на порядок (до 36 В, кадр 6). Значение этого напряжения останется таким же при обрыве даже двух заземлителей (кадр 7). Наконец, величины наведенных напряжений на проводах, незаземлённых в месте ремонта, при их соединении между собой в РУ будут снижены в 20 раз (с 3000 В до 150 В, кадр 8).

Итак, предложенное мероприятие - соединение фазных проводов между собой в обоих концевых РУ (что не противоречит правилам) - снизит опасность поражения персонала как при установке заземлителей в месте производства работ, так и при производстве самих работ при случайных обрывах или отсоединениях заземляющих проводов от опоры.

Выше были рассмотрены наведенные напряжения на двухцепных линиях. Рассмотрим ситуацию с одноцепной линией на примере ЛЭП № 226. Как и в предыдущем случае, на протяжении примерно половины длины линии наведенные напряжения превышают 25 В (в максимуме достигают 180 В в середине линии) при заземлении фазных проводов в концевых РУ. Наведенные напряжения на проводах линии при отсутствии заземлений на концевых РУ составляют значения от 730 В до 980 В независимо от того, соединены в РУ фазные провода между собой или нет (таблица 8, кадры 1, 2). В этом случае опасность для персонала во время наложения заземлений на фазные провода в обоих случаях велика. Она остается такой же высокой при отсоединении одного или двух заземлителей фазных проводов в месте работы (кадры 3 и 5) в том случае, если фазные провода не соединены между собой в концевых РУ. Однако

при соединении фазных проводов между собой хотя бы в одном концевом РУ эти значения наведенных напряжений снижаются более чем в 20 раз и составляют 23-37 В (кадры 4, 6).

Таблица 7

Выводы

Соединение между собой изолированных фазных проводов в концевых РУ при наведённых напряжениях, превышающих 25 В, значительно снижает опасность тяжелого поражения ремонтного персонала электрическим током при возникновении аварийных ситуаций, связанных с обрывами заземляющих проводов в местах проведения ремонтов на линии.

Литература

1. Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники: В 2-х т. Учебник для вузов. Том 2. - Л.: Энергоиздат. 1981. - 416 с.

2. Тураев В.А. О наведённых напряжениях на воздушных линиях // Электрические станции. 1995. № 8. - С.48-53.

3. Костенко М.В. Влияние электрических сетей высокого напряжения на техно-и биосферу. Учебное пособие. - Л., изд. ЛПИ, 1984. - 56 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

Залесова Ольга Валерьевна

младший научный сотрудник лаборатории высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А

Якубович Марина Викторовна

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: yakubovich@ien.kolasc.net.ru

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

УДК 621.311

О.В.Залесова, М.В.Якубович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ НА ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ С УЧЁТОМ ГАРМОНИК ТЯГОВОЙ СЕТИ*

Аннотация

Рассмотрено воздействие тяговой сети железной дороги на переменном токе на смежные линии электропередачи с учётом спектра тока и напряжения контактной сети. Дана оценка вклада высших гармоник в наведённое напряжение при различной ширине сближения ЛЭП и железной дороги.

Ключевые слова:

железная дорога, линия электропередачи, взаимное влияние

* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 09-08-00276).