CC BY
17УДК 621.311
УЧЕТ ТРАНСПОЗИЦИИ ПРОВОДОВ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ, СОЗДАВАЕМЫХ ВЫСОКОВОЛЬТНЫМИ
ЛИНИЯМИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ Закарюкин Василий Пантелеймонович
Д.т.н., профессор, ФГБОУ ВО «Иркутский государственный университет путей сообщения», 664074, Иркутск, ул. Чернышевского, д. 15, e-mail: zakar49@mail.ru Крюков Андрей Васильевич Д.т.н., профессор, ФГБОУ ВО «Иркутский государственный университет путей сообщения», 664074, Иркутск, ул. Чернышевского, д. 15; ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский технический университет», 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова 83,
e-mail: and_kryukov@mail.ru Лэ Ван Тхао
Магистрант, ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский технический университет», 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова 83, e-mail: vanthaoirk@mail.ru
Аннотация. Электромагнитные поля высоковольтных линий электропередачи представляют собой опасную форму загрязнения окружающей среды. Ввиду трудностей экспериментальных измерений данные, отвечающие максимальным уровням напряженностей полей, получают расчетным путем на основе математического моделирования. Разработанные в ИрГУПС методы и средства моделирования синусоидальных режимов в фазных координатах позволяют провести при определении режимов электроэнергетических систем одновременные расчеты напряженностей электрического и магнитного полей, создаваемых многопроводными линиями электропередачи. На этой основе реализован новый, системный подход к анализу электромагнитной обстановки. На уровень электромагнитных полей существенное влияние оказывает пространственное расположение проводов, которое меняется в циклах транспозиции. В статье приведены результаты компьютерного моделирования полей двухцепной и шестифазной линий электропередачи, показавшие важность учета транспозиции проводов.
Ключевые слова: электроэнергетические системы, линии электропередачи, электромагнитные поля, моделирование
Введение. Электромагнитные поля (ЭМП), которые создаются высоковольтными линиями электропередачи (ЛЭП), являются одной из опасных форм техногенного воздействия на окружающую природную среду [1-5]. Уровень этого загрязнения возрастает [2, 3]. Поэтому задача определения и нормирования уровней напряженностей ЭМП, создаваемых ЛЭП, приобретает в современных условиях особую актуальность. На реальных объектах электроэнергетики сложно получить экспериментальные данные [5], отвечающие максимальным напряженностям ЭМП, поэтому анализ ЭМП в электроэнергетических системах (ЭЭС) рекомендуется выполнять на основе математического моделирования.
Уровень электромагнитных полей, создаваемых ЛЭП, существенно зависит от взаимного расположения проводов различных фаз [1]. Высоковольтные ЛЭП, как правило, имеют значительную длину, и для выравнивания пофазных параметров применяют транспозицию проводов. Поэтому оценки напряженностей ЭМП, приведенные в работе [7] для конкретных ситуаций расположения проводов, не являются исчерпывающими.
Ниже приведены результаты компьютерного моделирования ЭМП двухцепной и шестифазной линий электропередачи, показавшие важность учета транспозиции проводов при моделировании электромагнитных полей.
1. Методика моделирования. Разработанные в ИрГУПСе методы и средства моделирования синусоидальных режимов в фазных координатах [8, 9] позволяют провести при определении режима ЭЭС одновременные расчеты напряженностей ЭМП, создаваемых многопроводными линиями электропередачи [4, 9...15]. При этом анализируемая ЛЭП рассматривается в неразрывной связи со сложной электроэнергетической системой. На этой основе может быть реализован новый, системный подход к анализу электромагнитной обстановки на объектах электроэнергетики.
2. Результаты моделирования. Моделирование схем шестифазной [7] и двухцепной линий электропередачи, приведенных на рис. 1 и 2, осуществлялось с помощью программного комплекса Ба20П0гё [8, 9].
Рис. 2. Транспозиция двухцепной ЛЭП
Координаты расположения проводов приняты одинаковыми для обеих ЛЭП и показаны на рис. 3. Средние напряжения "провод - земля" и средние токи шести проводов линий длинами 100 км при симметричных нагрузках 60+/30 МВ-А приведены в табл. 1. Результаты моделирования показаны на рис. 4, 5 и в табл. 2.
У и
о о
о о
о о 1м
-10 -5 0 5 10
Рис. 3. Координаты расположения проводов
Таблица 1.
Средние значения напряжений и токов проводов на отправных концах участков ЛЭП
Параметр Тип ЛЭП Участок ЛЭП
1 2 3 4 5 6
Напряжение, кВ Шестифазная 125,0 124,7 124,4 124,0 123,7 123,3
Двухцепная 125,5 125,1 124,8 124,4 124,1 123,7
Ток, А Шестифазная 81,3 83,2 84,7 86,3 88,4 90,7
Двухцепная 82,2 83,4 84,9 86,9 89,0 91,4
1 : з 4 з б
Рис. 4. Максимальные уровни напряженности электрического поля по участкам ЛЭП
13 12 11 1
06 0.3 0 7 0.6
1 2 3 4 5 6
Рис. 5. Максимальные уровни напряженности магнитного поля по участкам ЛЭП
Таблица 2.
Распределение напряженностей ЭЫП по горизонтальной оси
Участок
E = E (X )
H = H (X )
1
2
3
4
Участок
E = E (X)
H = H (X)
Полученные результаты показывают, что уровни напряженностей ЭМП на различных участках транспонированной ЛЭП существенно отличаются. Например, максимум напряженности электрического поля шестифазной ЛЭП изменяется по участкам от 1,16 до 2,76 кВ/м, максимальные значения напряженности магнитного поля варьируются в пределах от 0.73 до 1,1 А/м. Аналогичные показатели для двухцепной линии лежат в диапазонах 1,74...3,18 кВ/м и 0,74...1,23 А/м.
Интегральный показатель, позволяющий оценивать результирующее воздействие ЛЭП на окружающую природную среду, может быть основан на определении среднего значения напряженностей поля:
1 X max 1
Jmid
- X,
j E (X ) dX, H mid
- X„
j H (X) dX,
(1)
где Е = Е(X), Н = Н(X) - функции, аппроксимирующие зависимости напряженностей от координаты Х по табл. 2, полученные в результате моделирования; Хт1П, Хтах - пределы изменения координаты Х, принятые равными -10 м, +10 м.
Результаты расчета ЕтЫ, Нш сведены в табл. 3, из которой видно, что показатель ЕтЫ для шестифазной ЛЭП на 3 % меньше аналогичной величины для двухцепной линии. По магнитному полю имеет место обратная ситуация: показатель Нш для шестифазной ЛЭП больше аналогичной величины для двухцепной линии примерно на 4 %. Таким образом, несмотря на существенное различие в уровнях напряженности ЭМП на отдельных
5
6
участках, результирующие воздействия шестифазной и двухцепной ЛЭП на окружающую среду можно считать в рассматриваемом примере равнозначными.
Таблица 3
Средние значения напряженностей поля на участках ЛЭП
Поле Тип ЛЭП Участок ЛЭП Сумма Различ ие, %
1 2 3 4 5 б
Электричес кое, кВ/м Шестифазная 0,95 2,35 2,34 0,94 2,32 2,32 11,22 -3,0
Двухцепная 2,67 1,57 1,57 2,65 1,55 1,55 11,55
Mагнитное, A/м Шестифазная 0,62 0,97 0,98 0,65 1,05 1,05 5,32 4,3
Двухцепная 1,09 0,67 0,68 1,16 0,74 0,74 5,09
Заключение. На основе предлагаемой методики путем ограниченного перебора вариантов фазировки проводов ЛЭП может быть решена КР-трудная задача выбора оптимального расположения проводов отдельных фаз шестифазной линии с учетом транспозиции проводов и различных экологических ограничений на отдельных участках. Технология компьютерного моделирования электромагнитных полей может быть распространена на многопроводные линии любых применяемых на практике конструкций.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аполлонский С.М., Горский А.И. Расчеты электромагнитных полей. М.: Маршрут, 2006. 992 с.
2. Аполлонский С.М., Каляда Т.В., Синдаловский Б.В. Безопасность жизнедеятельности человека в электромагнитных полях. СПб.: Политехника, 2006. 263 с.
3. Блейк Левитт Б. Защита от электромагнитных полей. М.: АСТ: Астрель, 2007. 447 с.
4. Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно-технические аспекты. Тематический блок «Безопасность железнодорожного транспорта». Безопасность железнодорожного транспорта в условиях Сибири и Севера. М.: МГОФ «Знание», 2014. 856 с.
5. Аполлонский, С.М., Богаринова А.Н. Напряженности воздушной среды на электрифицированной железной дороге / Сборник докладов девятой российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности. СПб., 2006. С. 579-583.
6. Линии электропередачи 345 кВ и выше / Сборник трудов научно-исследовательского института энергетики США. М.: Энергия, 1980. 480 с.
7. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Моделирование многофазных линий электропередачи. Иркутск: ИрГУПС, 2014. 168 с.
8. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Сложнонесимметричные режимы электрических систем. Иркутск: Изд-во Иркут. ун-та, 2005. 273 с.
9. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Методы совместного моделирования систем тягового и внешнего электроснабжения железных дорог переменного тока. Иркутск: ИрГУПС, 2011. 170 с.
10. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Буякова Н.В. Особенности потока электромагнитной энергии электротяговых сетей // Транспортная инфраструктура Сибирского региона. Иркутск: ИрГУПС, 2011. Т.1. С. 508-513.
11. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Буякова Н.В. Моделирование электромагнитной обстановки на железных дорогах переменного тока // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. № 2(26). 2010. С. 169-175.
12. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Буякова Н.В. Моделирование электромагнитной обстановки на объектах железнодорожного транспорта и разработка способов её улучшения // Информационные и математические технологии в науке и управлении. Том 1. Иркутск, 2011. С.163-171.
13. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Буякова Н.В. Системный подход к моделированию электромагнитной обстановки на железных дорогах переменного тока // Информатика и системы управления. №1 (27). 2011. С. 38-49.
14. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Буякова Н.В. Управление электромагнитной обстановкой в тяговых сетях железных дорог: монография. Ангарск: АГТА, 2014. 158с.
15. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Буякова Н.В. Электромагнитная обстановка на объектах железнодорожного транспорта. Иркутск: ИрГУПС, 2011. 130 с.
UDK 621.311
ACCOUNTING OF WIRES TRANSPOSITION WHEN ELECTROMAGNETIC FIELDS' MODELING CREATED BY HIGH VOLTAGE POWER LINES
Vasilij P. Zakaryukin
Dr., Professor, Irkutsk State Transport University 15, Chernyshevsky St., 664074, Irkutsk, Russia, e-mail: zakar49@mail.ru
Andrey V. Kryukov Dr., Professor, Irkutsk State Transport University 15, Chernyshevsky St., 664074, Irkutsk, Russia, e-mail: and_kryukov@mail.ru;
Irkutsk national research technical university 83, Lermontov St. 83, 664074, Irkutsk, Russia, e-mail: and_kryukov@mail.ru
Le Van Thao
Postgraduate student, Irkutsk national research technical university 83, Lermontov St. 83, 664074, Irkutsk, Russia, e-mail: vanthaoirk@mail.ru
Annotation. High-voltage power lines electromagnetic field represent a dangerous form of environmental pollution. It is difficult to obtain experimental maximum levels, thus the maximum data are calculating on the basis of mathematical modeling. The methods of sinusoidal modes in phase coordinates developed in Irkutsk State Transport University allow carrying out when determining electric system mode simultaneous calculations of fields' intensity, created by multi wire power lines. On this basis new, system approach to the analysis of electromagnetic situation is realized. The spatial arrangement of wires which changes in transposition cycles has essential impact on the level of electromagnetic fields. The results of computer modeling in relation to two-
chain and six phase power lines which showed importance of the accounting of a transposition of wires when modeling electromagnetic fields are given in this article. Keywords: electrical power systems, power lines, electromagnetic fields, modeling.
References
1. Apollonskij S.M., Gorskij A.I. Raschety 'elektromagnitnyh polej [Calculations of electromagnetic fields]. M.: Marshrut, 2006. 992 p. (in Russian).
2. Apollonsky S.M., Kalyada T.V., Sindalovsky B. V. Bezopasnost' zhiznedeyatel'nosti cheloveka v 'elektromagnitnyh polyah [Health and safety of the person in electromagnetic fields]. SPb.: Polyequipment, 2006. 263 p. (in Russian).
3. Bleyk Levitt B. Zaschita ot 'elektromagnitnyh polej [Protection against electromagnetic fields]. M.: ACT: Astrel, 2007. 447 p. (in Russian).
4. Bezopasnost' Rossii. Pravovye, social'no-jekonomicheskie i nauchno-tehnicheskie as-pekty. Tematicheskij blok «Bezopasnost' zheleznodorozhnogo transporta». Bezopasnost' zheleznodorozhnogo transporta v uslovijah Sibiri i Severa. Safety of Russia [Legal, social and economic and scientific and technical aspects. Thematic block "Safety of Railway Transport". Safety of railway transport in the conditions of Siberia and the North] M.: MGOF «Znanie» = Knowledge, 2014. 856 p. (in Russian).
5. Apollonskij, S.M., Bogarinova A.N. Napryazhennosti vozdushnoj sredy na 'elektrificirovannoj zheleznoj doroge [Intensity of EMP on the electrified railroad] / The Collection of reports of the ninth Russian scientific and technical conference on electromagnetic compatibility of technical means and electromagnetic safety. SPb., 2006. Pp. 579-583. (in Russian).
6. Linii 'elektroperedachi 345 kV i vyshe [Power lines of 345 kV and above]. The Collection works of research institute of power industry of the USA. M.: Energy, 1980. 480 pages. (in Russian).
7. Zakaryukin V.P., Kryukov A.V. Modelirovanie mnogofaznyh linij 'elektroperedachi [Modeling of multiphase overhead lines]. Irkutsk: ИрГУПС, 2014. 168 p. (in Russian).
8. Zakaryukin V.P., Kryukov A.V. Slozhnonesimmetrichnye rezhimy ' elektricheskih sistem. [Asymmetrical modes of electric systems]. Irkutsk, 2005. 273 p. (in Russian).
9. Zakaryukin V.P., Kryukov A.V.. Metody sovmestnogo modelirovaniya sistem tyagovogo i vneshnego 'elektrosnabzheniya zheleznyh dorog peremennogo toka [Methods of joint modeling of traction systems and external power supply of alternating current railroads]. Irkutsk. 170 p. (in Russian).
10. Zakaryukin V.P., Kryukov A.V., Buyakova N.V. Osobennosti potoka 'elektromagnitnoj 'energii 'elektrotyagovyh setej [Features of electromagnetic energy stream of electro traction networks] / Transport infrastructure of the Siberian region. Irkutsk, 2011. T.1. Pp. 508-513. (in Russian).
11. Kryukov A.V., Zakaryukin V.P., Buyakova N.V. Modelirovanie 'elektromagnitnoj obstanovki na zheleznyh dorogah peremennogo toka [Modeling of an electromagnetic situation on alternating current railroads] // Sovremennye tehnologii. Sistemnyj analiz. Modelirovanie = Modern technologies. System analysis. Modeling. № 2(26). 2010. Pp. 169175. (in Russian).
12. Kryukov A.V., Zakaryukin V.P., Buyakova N. V. Modelirovanie 'elektromagnitnoj obstanovki na ob ektah zheleznodorozhnogo transporta i razrabotka sposobov ee uluchsheniya [Electromagnetic situation modeling on railway transport objects and development of its improvement] // Informacionnye i matematicheskie tehnologii v nauke i upravlenii = Information and mathematical technologies in science and management". Vol. 1. Irkutsk, 2011. Pp. 163-171. (in Russian).
13. Kryukov A.V., Zakaryukin V.P., Buyakova N. V. Sistemnyj podhod k modelirovaniyu 'elektromagnitnoj obstanovki na zheleznyh dorogah peremennogo toka [System approach to electromagnetic situation modeling on alternating current railroads] // Informatika i sistemy upravlenija = Informatics and control system. No. 1 (27). 2011. Pp. 38-49. (in Russian).
14. Kryukov A.V., Zakaryukin V.P., Buyakova N.V. Upravlenie 'elektromagnitnoj obstanovkoj v tyagovyh setyah zheleznyh dorog [Management of electromagnetic situation in railroad traction networks]. Angarsk, 2014. 158 p. (in Russian).
15. Kryukov A.V., Zakaryukin V.P., Buyakova N.V. Elektromagnitnaya obstanovka na obektah zheleznodorozhnogo transporta [An electromagnetic situation on railway transport objects]. Irkutsk, 2011. 130 p. (in Russian).
