CC BY
329
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ
УДК 621.311
А.Н.Данилин, Б.В.Ефимов, А.Н.Кизенков, В.Н.Селиванов, М.В.Якубович СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ УРОВНЯ НАВЕДЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА РЕМОНТИРУЕМОЙ ДВУХЦЕПНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
Аннотация
В статье представлены результаты численного моделирования наведенных напряжений на двухцепной линии, выведенной в ремонт. Предложены меры снижения риска поражения электрическим током при работе под наведенным напряжением.
Ключевые слова:
наведенное напряжение, двухцепная линия электропередачи, схема заземления, безопасность ремонтных работ.
A.N.Danilin, B.V.Efimov, A.N.Kizenkov, V.N.Selivanov, M.V.Yakubovich THE WAYS TO REDUCE INDUCED VOLTAGES ON A DE-ENERGIZED CIRCUIT IN A DOUBLE-CIRCUIT TRANSMISSION LINE
Abstract
The paper presents the results of numerical modeling of induced voltages on a de-energized circuit in a double-circuit transmission line. The measures to reduce the risk of electric shock under the induced voltage are proposed.
Key words:
induced voltage, double-circuit transmission line, grounding scheme, safety repairs.
Проблема наведённых напряжений и обеспечения безопасности работы ремонтного персонала на отключённых ВЛ обсуждается долгое время, и всё же остаётся актуальной [1]. Трудность решения этой проблемы, оценки опасности или безопасности работ на конкретной линии заключается в том, что как расчётные, так и измеренные значения наведённых напряжений не являются однозначными, поскольку зависят от многих параметров (количества влияющих линий и схем их сближения с ремонтируемой линией, геометрии, нагрузок и режимов работы влияющих ВЛ, удельного сопротивления грунта по трассе линий, которое само зависит от сезона и погодных условий). В связи с этим, большое значение для обеспечения безопасной работы ремонтного персонала на отключённых линиях электропередачи приобретает расчётная оценка возможных величин наведённых напряжений.
Действующие с 2001 года «Межотраслевые правила по охране труда (правила безопасности) при эксплуатации электроустановок ПОТ Р М-016-2001» (далее Правила) [2] определяют воздушную линию под наведённым напряжением как «ВЛ и ВЛС, которые проходят по всей длине или на отдельных участках вблизи действующих ВЛ или вблизи контактной сети электрифицированной железной дороги переменного тока и на отключённых проводах которых при различных схемах их заземления (а также при отсутствии заземлений) и наибольшем рабочем токе действующих ВЛ (контактной сети) наводится напряжение более 25 В».
Постановка задачи настоящей работы также связана с требованием пунктов 4.15.52, 4.15.53 и 4.15.54 Правил:
«Из числа ВЛ под наведённым напряжением организациям необходимо определить измерениями линии, при отключении и заземлении которых по концам (в РУ) на заземлённых проводах остаётся потенциал наведённого 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 проводиться по технологическим картам или ППР, в которых должно быть указано размещение заземлений исходя из требований обеспечения на рабочих местах потенциала наведённого напряжения не выше 25 В.
Если на отключённой ВЛ (цепи), находящейся под наведённым напряжением, не удаётся снизить это напряжение до 25 В, необходимо работать только на одной опоре или на двух смежных. При этом заземлять ВЛ (цепь) в РУ запрещается. Допускается работа бригады только на опорах, на которых установлены заземления, и в пролёте между ними».
Далее, если наведённое напряжение превышает 25 В, рекомендуется применять дополнительные заземления в месте работ для снижения этих напряжений до безопасных значений. Как известно из литературы и подробно рассмотрено в [3], сопротивления таких заземлений должны иметь значения не более нескольких Ом. Для большинства промежуточных точек линии (удалённых от мощных контуров подстанций) такие сопротивления дополнительных заземлений в условиях высокоомных грунтов просто невозможно обеспечить. Единственным путём реального обеспечения требований безопасности работ в соответствии с Правилами остаётся заземление линии только в одной точке - месте работ. При этом создаются дополнительные организационные трудности при ремонтах в нескольких, удалённых друг от друга более чем на один пролёт, местах линии. Всегда существует вероятность (случайного) заземления отключённого участка линии во второй точке или по концам, что приводит к резкому росту наведённых напряжений. Кроме того, хотя максимально допустимое сопротивление заземления в месте работ для изолированной по концам линии обычно составляет несколько сот Ом, в ряде особо неблагоприятных случаев оно может снижаться до 100 и менее Ом. Это для особо высокоомных грунтов тоже может стать сложной задачей. Поэтому необходимо по возможности точно определить круг линий, на которых можно работать по обычной для энергосистем схеме - заземление отключённой ЛЭП по концам и дополнительное (контрольное) заземление этой линии в месте работ независимо от фактического наведённого напряжения, и, следовательно, от величины сопротивления этого заземления.
В Кольской энергосистеме определен перечень линий под наведенным напряжением, при работе на которых запрещено устанавливать заземления в РУ концевых подстанций. В частности, такой является двухцепная ВЛ 154 кВ Л-163/164 от Верхнее-Туломской ГЭС-12 до подстанции № 21 в г. Заполярный. Линия, введенная в эксплуатацию в 1964 г., имеет протяженность по трассе 117,5 км и размещена на 421 металлической опоре, среди которых преобладают промежуточные двухцепные опоры типа П-4; средняя длина пролета 300 м, марка провода АС-240. Подходы к подстанциям на расстояниях порядка 2 км защищены грозотросом, марка провода С-50. Трасса ВЛ проходит по тундровой местности с каменистым грунтом, удельное сопротивление грунта в среднем имеет величину порядка 10000 Ом.м. Сопротивление растеканию тока заземляющих устройств опор ВЛ имеет порядок десятков и сотен Ом, и во многих случаях значительно превышает нормируемые значения.
Наведенное напряжение на ремонтируемой цепи в основном определяется соседней цепью, находящейся под рабочим напряжением. Тем не менее, следует также учитывать возможное влияние от ВЛ, следующих в одном коридоре с исследуемой линией. Такой линией является Л-221, на протяжении 20 км от подстанции № 21 следующая в одном коридоре с Л-163/164, причем ширина сближения в среднем составляет 40 м по осям цепей.
Важным фактором, влияющим на величину наведенного напряжения, является наличие разнообразных неоднородностей по длине взаимодействующих линий: изменение ширины коридора, угла между осями цепей, транспозиции проводов, изменение числа влияющих линий и т.д. Так как длина исследуемой линии превышает 100 км, то на ней проведен полный цикл из четырех транспозиций, делящий линию на пять однородных участков в примерной пропорции 1/1/2/1/1. На рисунке 1 показана схема сближения Л-163/164 и соседней Л-221, которая не имеет транспозиций. Линия 35 кВ М-105/106 также показана на рисунке, но при расчетах ее влияние не учитывалось.
Рис.1. Схема сближения линии Л-163/164 и соседних линий
Таким образом, влияющими являются одна из цепей двухцепной линии Л-163/164 и Л-221. Расчет наведенных напряжений проводился при рабочих токах на момент проведения измерений; для Л-163/164 действующее значение тока принято равным 280 А, а для Л-221 - 150 А.
Расчеты проводились с использованием программы расчета переходных процессов ЕМТР-АТР. В библиотеке программы есть модуль ЬСС, 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 рисунке 2 показаны диалоговые окна модели, описывающие один из участков коридора линий Л-163/164 и Л-221.
итЛ^ЫвРШл; 1163-1Н г
І ЫайН |ВвІй Ііоііе: “ ЇІГі^ЛіПГІСІ ИВ*1
Рис.2. Диалоговые окна модели ЬСС в программе ЕМТР-АТР
Модель линии в программе ЕМТР-АТР показана на рисунке 3. Модель выполнена в виде 12 однородных участков длиной около 10 км каждый. На первых двух участках от подстанции № 21 учтено влияние Л-221, остальные участки отличаются взаимным расположением фаз, соответствующим транспозиционным участкам Л-163/164. 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 12, в которых фиксировались значения напряжений, и которые далее используются при анализе результатов. Показан частный случай заземления в точке 4 на опору с сопротивлением 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.
Рис. 3. Модель линии в программе ЕМТР-АТР
Расчет производился для случая ремонта на цепи Л-163, которая расположена ближе к Л-221, Л-164 выступала как действующая влияющая линия. Если Л-163 не заземлена ни в одной точке, то основной вклад вносит емкостная составляющая влияния и наведенное напряжение на фазах в зависимости от точки измерения лежит в пределах от 2600 до 3100 В. Индуктивная составляющая от емкостных токов линии сравнительно мала.
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-163 действующих значений напряжений представлена на рисунке 4. Как видно из рисунка, Л-163/164 попадает под определение линии под наведенным напряжением по пункту 4.15.52 Правил. На том же рисунке продемонстрирован вклад влияния Л-221 в наведенное напряжение на линии Л-163. Можно видеть, что это влияние распространяется не только на участок их совместного следования в одном коридоре, но и значительно дальше, практически на две трети длины линии.
Рис. 4. Кривая распределения наведенного напряжения по длине Л-163/164
В реальной ситуации ремонт на цепях Л-163/164 должен производиться в соответствии с пунктом 4.15.53 Правил и ремонтируемая цепь должна заземляться только в месте производства работ. В таблице 1 представлены варианты расчетов при заземлении цепи Л-163 в точках 1-11, где организована регистрация наведенных напряжений в модели линии, для различных режимов заземления и взаимного влияния. Сразу стоит сделать замечание, касающееся точности расчетов и их сравнения с экспериментальными данными. Модель линии является идеализированным объектом, в котором невозможно учесть все неоднородности и влияющие факторы, поэтому полученные результаты являются качественными и отличие от экспериментальных данных может быть значительным, иногда 50-70 %. Сравнение расчета с опытом будет обсуждаться далее.
Во втором столбце таблицы представлены результаты расчета напряжения на опоре относительно удаленной земли для случая, когда линия заземлена на опору и в РУ концевых подстанций. Из расчета видно, что напряжение будет ниже 25 В только в случае сопротивления ЗУ опоры порядка единиц Ом, что в условиях высокоомных скалистых грунтов недостижимо. На рисунке 5 показана кривая напряжения на ЗУ опоры в точке № 2 (20 км от подстанции № 21) в зависимости от его сопротивления. Интересно отметить, что, начиная с определенного значения сопротивления, напряжение на опоре перестает расти и стремится к значению, соответствующему закороченным, но не заземленным проводам.
Наведенные напряжения на Л-163
” т->*
при различных режимах заземления и влияющих линии, В
Точка заземления Заземлена в РУ Заземлена в РУ, Л-221 отключена Не заземлена в РУ Провода фаз в РУ закорочены
1 35 / 35 / 28 21 / 21 / 16 128 / 9/1 127 / 9 / 1
2 71 / 69 / 44 42 / 41 / 26 141 / 10 / 1 140 / 10 / 1
3 66 / 63 / 35 39 / 37 / 21 128 / 9/1 127 / 9 / 1
4 64 / 62 / 30 42 / 40 / 20 114 / 8/1 114 / 8/1
5 48 / 46 / 21 28 / 26 / 12 120 / 9/1 120 / 9/1
6 31 / 30 / 13 13 / 13 / 7 129/9 / 1 130 / 9/1
7 17 / 16 / 7 8 / 7 / 3 141 / 10 / 1 142 / 10 / 1
8 18 / 17 / 8 23 / 22 / 11 153 / 11/ 1 153 / 11/ 1
9 11 /10 / 6 21 / 20 / 11 141 / 10 / 1 141 / 10 / 1
10 23 / 23 / 15 30 / 28 / 18 128 / 9/1 128 / 9/1
11 13 / 12 / 10 16 / 15 / 12 134 / 9/1 134/9/1
* В ячейках таблицы первое число значения наведенного напряжения при бесконечном сопротивлении опоры, второе при сопротивлении 100 Ом, третье при сопротивлении 10 Ом.
°0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Сопротивление ЗУ опоры, Ом
Рис. 5. Зависимость напряжения на опоре в точке № 2 от сопротивления ЗУ опоры линии, заземленной в РУ
В третьем столбце приведены результаты при тех же условиях, но при отключенной линии Л-221. Как уже отмечалось ранее, линия Л-221 вносит существенный вклад в наведенное напряжение на Л-163/164, и ее отключение на время выполнения ремонтных работ позволит снизить уровень наведенного напряжения.
В настоящее время ремонтные работы на Л-163/164 в соответствии с пунктом 4.15.53 Правил ведутся на линии, не заземленной в РУ концевых подстанций. В четвертом столбце таблицы 1 приведены результаты расчета напряжений для такого режима заземления. Видно, что при сопротивлении ЗУ опоры 100 Ом напряжение на ней меньше опасного значения 25 В. Однако, рассмотрим зависимость напряжения на опоре в точке № 2 от сопротивления заземления, как это сделано
ранее на рисунке 5. На рисунке 6 видно, что вид зависимости в области характерных для опор сопротивлений ЗУ иной, и если при сопротивлении 100 Ом напряжение на опоре всего 15 В, то при сопротивлениях выше 250 Ом напряжение будет превышать безопасный уровень. В районе точки № 2 - в 20 км от подстанции № 21 - были выполнены измерения сопротивлений ЗУ трех опор, и они составили величины 257, 495 и 657 Ом, т.е напряжение на опоре может превысить безопасный уровень 25 В даже при незаземленной в РУ ремонтируемой линии.
150
ш 125
ф
о.
о 1ПП
|_
о
ГС
X 7*5
ф
2
I
Ф
* 511
ТС
о.
с
ГС
_|_
0 1000 2000 3000 4000 5000
Сопротивление ЗУ опоры, Ом
Рис. 6. Зависимость напряжения на опоре в точке № 2 от сопротивления ЗУ опоры линии, не заземленной в РУ
Расчеты показывают, что основная идея, на которой основан пункт 4.15.53 Правил, является верной: уменьшение индуктивной составляющей за счет разрыва цепи протекания тока между точкой заземления в месте проведения работ на линии и ЗУ подстанций значительно снижает уровень наведенного напряжения. Однако, как показал десятилетний опыт эксплуатации высоковольтных линий в соответствии с новыми правилами безопасности, уровень электротравматизма значительно вырос. Причина этого в том, что даже в случае строгого следования нормам правил всегда есть вероятность нештатной ситуации, когда происходит отсоединение одного из заземляющих проводников либо от фазного провода, либо от опоры, тем более это возможно при ошибочных действиях ремонтного персонала или преднамеренных нарушениях правил электробезопасности.
Опасность поражения персонала наведенным напряжением возникает в следующих случаях:
1. случайное прикосновение к проводам при установке заземлений;
2. обрыв заземляющего проводника при некачественной установке заземлителя или его отсоединение в процессе работы из-за сильных ветровых нагрузок;
3. ошибочное отключение заземлителя. Для предотвращения опасной ситуации по п.2 было дано распоряжение о дублировании заземлителей на опоре. При его снятии возможна ситуация, при которой от провода отключается один заземлитель, а от опоры - другой, дублирующий, при этом в руках у линейщика оказывается заземляющий проводник, подключенный к фазному проводу.
Если ремонтируемая линия заземлена в РУ подстанций, то напряжение на незаземленной фазе превысит безопасный уровень, но будет не выше значений, показанных на рисунке 4. На практике напряжения порядка сотни вольт при применении дополнительных средств защиты, или даже при работе в брезентовых рукавицах, вряд ли приведут к тяжелому поражению электрическим током. Но если линия, в соответствии с Правилами, не заземлена в РУ, то напряжение на фазе, потерявшей контакт с заземляющим устройством, станет равно напряжению на изолированном проводе, в нашем примере это порядка 3500 В, а в некоторых случаях это напряжение может превышать 10 кВ. От такого напряжения дополнительные средства уже не спасут, и вероятность поражения крайне высока.
Даже грубейшие нарушения правил безопасности не должны караться смертью, поэтому крайне необходимо изыскать организационные или технические мероприятия, которые позволят снизить риск поражения при работе под наведенным напряжением на разземленных в РУ подстанций линиях.
Одним из наиболее опасных видов работ при подготовке рабочего места на выведенной в ремонт линии под наведенным напряжением является процесс наложения заземлителей. В этот момент наиболее высока вероятность прикосновения к незаземленным проводам. Мы считаем, что установку и снятие заземлений на провода линии в месте производства ремонтных работ следует выполнять при заземленных в концевых РУ линиях. Это не противоречит Правилам, так как их требования распространяются на уже заземленную в месте производства работ линию.
На рисунке 7 показаны результаты расчета наведенного напряжения на линии, фазы которой не заземлены в РУ, но закорочены между собой. Такой режим работы линии не противоречит Правилам, но в тоже время более чем на порядок снижает уровень напряжения на незаземленной линии. При обрыве заземляющего проводника напряжение на разземленной фазе не превысит 300 В, что, несомненно является опасным значением, но вряд ли такой уровень приведет к пробою изоляции дополнительных средств защиты, и риск поражения электрическим током снизится.
300
ш
ф
и 2Ь\]
X
ф
*
тс Ш
а.
П.
а
X і^и
ф
о
X I 100
ф
сТ
Ф
ш
<13
I
О 20 40 60 30 100 120
Расстояние от ПС-21, км
Рис. 7. Кривая распределения наведенного напряжения по длине Л-163/164 при закороченных в РУ фазных проводах
В пятом столбце таблицы 1 представлены результаты расчета наведенного напряжения на заземленных на опору проводах при таком режиме заземления линии. Результат в точности совпадает с четвертым столбцом, где показаны результаты при режиме заземления, соответствующем Правилам.
Полученный результат объясняется тем, что индуктивная составляющая наведенного напряжения за счет фазных токов в проводах отсутствует, а емкостные составляющие фазных напряжений образуют прямую последовательность, близкую к симметричной. При объединении проводов напряжения складываются и дают сумму, равную несимметрии фаз.
Таким образом, предложенный способ не противоречит пункту 4.15.53 Правил, линия не заземляется в РУ подстанций, наведенное напряжение в месте проведения работ не превышает 25 В, а при обрыве заземлителя значительно снижается риск поражения ремонтного персонала.
Результаты расчетов подтверждаются проведенными измерениями наведенного напряжения на Л-163/164 при различных режимах заземления ремонтируемой линии [4]. Как уже отмечалось выше, в некоторых случаях данные экспериментов значительно отличаются от расчетных значений. Наибольшее расхождение имеет место при расчете индуктивной составляющей наведенного напряжения. Это связано с особенностями моделирования линии в программе ЕМТР-АТР. Емкостная составляющая рассчитывается через матрицу потенциальных коэффициентов, расчет которой не представляет особых сложностей даже в случае линии сложной конфигурации. Несколько хуже обстоит дело с расчетом взаимного влияния токов в проводах линии и земле. Даже небольшое изменение параметров схемы иногда приводит к значительным отличиям в полученных результатах. Так, первоначально длины транспозиционных участков были округлены кратно 10 км, то есть отличие от реальных длин не превышало 5 %. Это привело к двукратной разнице между расчетными и экспериментальными данными. Дело в том, что на уровень напряжения на заземленной линии сильное влияние оказывает несимметрия напряжений на фазных проводах, которая, в свою очередь, сильно зависит от физических параметров модели линии: длины участков, порядка чередования фаз и их взаимного расположения и т.д.
Кроме того, эксперименты выявили еще один аспект, который необходимо учитывать при расчете наведенного напряжения. На рисунке 8 представлена осциллограмма напряжения на заземленных на опору проводах Л-163. Линия заземлена в РУ, сопротивление опоры порядка 350 Ом.
“ 100 ф I
Ф * к о. с
(5 I ф
0
1 I
ф 1=1 ф
0
(О
1 О 0.01 0.02 0.03 0.04
Время, с
Рис. 8. Осциллограмма наведенного напряжения
На рисунке 9 представлен спектр этого сигнала. Оказывается, в индуктивной составляющей наведенного напряжения уровень высших гармоник может превышать составляющую промышленной частоты. В приведенном примере действующее значение первой гармоники меньше 15 В, и это та величина, которая будет получена при расчете наведенного напряжения по модели, не учитывающей гармонический состав напряжения в сети; в реальности действующее значение в два раза выше.
Рис. 9. Спектр наведенного напряжения
На линии, не заземленной в РУ, гармоники практически не оказывают влияния на уровень наведенного напряжения, это означает, что в емкостной составляющей они пренебрежимо малы.
Выводы
1. Установка и снятие заземления на рабочем месте ВЛ под наведённым напряжением должна осуществляться после её заземления в РУ стационарными заземляющими ножами.
2. Соединение между собой изолированных фазных проводов в концевых РУ в случаях превышения наведенного напряжения на отключенных линиях выше допустимой величины 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.
3. При расчете наведенного напряжения на ремонтируемой линии необходимо учитывать гармонический состав напряжений и токов во влияющей линии.
Литература
1. Целебровский Ю.В. Нормативные основы безопасности работ под наведённым напряжением // Энергетик. 2010. № 5. - С. 34-36.
2. Межотраслевые правила по охране труда (правила безопасности) при эксплуатации электроустановок. ПОТ РМ-16-2001, РД 153-34.0-03.150-00. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2001. - 192 с.
3. Костенко М.В., Кадомская К.П., Левинштейн М.Л., Ефремов И.А. Перенапряжения и защита от них в воздушных и кабельных электропередачах высокого напряжения. Л.: Наука. 1998. - 303 с.
4. Данилин А.Н., Ефимов Б.В., Залесова О.В., Селиванов В.Н., Якубович М.В. Повышение безопасности работ на линиях под наведенным напряжением // Труды КНЦ РАН. Энергетика. - Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 2010. - С. 91-102.
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
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
