Исследование наведённых напряжений на отключённых воздушных линиях, находящихся в зоне влияния разветвлённой высоковольтной сети

Анализ электромагнитных воздействий, вызванных влиянием действующей высоковольтной сети и внешних перенапряжений на отключённые линии электропередачи и системы связи, можно отнести к классическим задачам электромагнитной совместимости.

Теория вопроса разрабатывается уже много десятилетий. Опубликованы десятки монографий и сотни статей, в которых освещаются различные стороны проблемы. Однако можно отметить, что для частоты 50 Гц большая часть этих публикаций посвящена влиянию аварийных режимов в действующей сети, например, работы [1 — 4]. Чаще всего за расчётный случай принимается однофазное замыкание на землю провода одной из работающих линий. Для систем с глухозаземлённой нейтралью в этом случае в проводе и в земле могут протекать кратковременные токи промышленной частоты с амплитудами до нескольких килоампер, которые создают значительные наведённые напряжения на всех близко расположенных линиях. Такие напряжения могут вызвать повреждения работающих систем связи и, безусловно, опасны для ремонтного персонала, работающего на отключённых линиях. Время существования подобных режимов определяется быстродействием релейных защит и обычно составляет доли секунды. При условии соблюдения всех мер безопасности при проведении ремонтных работ обычно считается, что вероятность поражения людей при авариях на действующих линиях практически равна нулю. Это подтверждает практика эксплуатации сетей.

Однако кроме этого существуют постоянные наводки от работающих трёхфазных высоковольтных линий. Эти наводки вызваны несимметрией фазных токов, а также различием во взаимном расположении проводов влияющей и подверженной влиянию линий. Опасным для ремонтного персонала считается наведённое напряжение свыше 25 В в месте проведения ремонта при наибольшем токе во влияющей линии [5]. При этом понятие наибольшего тока правилами [5] не расшифровывается. Поскольку для всех возможных мест ремонта при переменной нагрузке в сети выполнить измерения этих напряжений при максимальных токах не представляется возможным, то в практику эксплуатации сетей всё шире внедряются методики и алгоритмы расчёта распределения наведённых напряжений для всех потенциально опасных случаев сближения линий энергосистемы.

В связи с тем, что реальные трассы линий часто имеют сложные конфигурации, в большинстве расчётных методов используются значительные упрощения [6]. Одним из основных допущений является сведение произвольной схемы взаимного расположения линий к ряду параллельных участков, длина которых может быть соизмерима с расстоянием между линиями. Влиянием концевых эффектов на этих участках обычно пренебрегают. Анализ погрешностей, вызванных такими допущениями, исследован для ряда частных случаев в работах М. В. Костенко и его соавторов [7−9].

Однако до настоящего времени нет прямого сопоставления результатов расчётов в таких упрощённых схемах с более точными решениями для трасс сближения, имеющих ряд участков, где линии расположены под различными углами друг к другу. В данной работе изложены теоретические основы для разработки такой методики.

Наряду с публикациями, в которых представлены различные методы расчёта наведённых напряжений, существуют работы, посвящённые рассмотрению поля диполя (токового элемента) в присутствии земли [10 — 11]. При этом первые касаются практики работы и обеспечения безопасности труда персонала электроэнергетических систем, а вторые относятся к области радиофизики и техники средств связи.

В данной работе объединены исследования в этих двух областях: с учётом ряда допущений получено решение уравнений электромагнитного поля линии электропередачи в произвольной точке пространства. На основе этого решения разработана методика определения продольной наведённой э.д.с., базирующаяся на расчёте векторного и скалярного потенциала поля горизонтального электрического диполя. Трассы проводов влияющих линий представляются в виде непрерывных цепочек электрических диполей, в общем случае расположенных над однородной землей по произвольным криволинейным трассам. Такой подход позволил, в частности, оценить погрешности расчёта наведённого напряжения, вносимые кусочно-линейной аппроксимацией трасс сближения линий и пренебрежением концевым эффектом при наличии достаточно коротких участков сближения. В настоящей работе рассмотрены теоретические и вычислительные вопросы расчёта продольной э.д.с. вдоль трассы отключённой линии, описан алгоритм расчёта наведённого напряжения на отключённой линии электропередачи на основе интегрирования полей диполей элементарных зарядов, проведено численное исследование погрешностей расчёта наведённых э.д.с. и потенциалов при использовании традиционных методик, проведено исследование наведённых напряжений на примере всех линий энергосистемы и разработаны рекомендации по повышению безопасности ремонтных работ для линий с различным уровнем наведённых напряжений.

Несмотря на то, что в настоящей работе рассматриваются в основном процессы на промышленной частоте 50 Гц, ряд результатов может быть распространён на частоты, характерные для внутренних (от сотен герц до сотен килогерц) и атмосферных (до 1 МГц и выше) перенапряжений.

Работа выполнялась в рамках плановой работы Института физико-технических проблем энергетики Кольского научного центра РАН «Разработка стратегии сохранения технического уровня и обеспечения надежности систем передачи электроэнергии в меняющихся технико-экономических условиях Севера страны» (инв.№ 1 990 002 845), а также ряда хоздоговорных работ с ОАО «Колэнерго» .

Выводы по работе можно разделить на две группы: имеющие методическую и практическую направленность. К первым можно отнести следующие:

1. Получено решение уравнений электромагнитного поля неоднородной по длине линии электропередачи в произвольной точке пространства на основе решения для поля горизонтального электрического диполя, расположенного над поверхностью земли.

2. Разработаны алгоритм и программа расчёта распределения наведённого напряжения на отключённой линии, базирующиеся на расчёте векторного и скалярного потенциала поля горизонтального диполя.

3. Проведены многовариантные расчёты по разработанной программе и сравнение их результатов с результатами приближённых расчётов наведённых напряжений.

4. Выполнен анализ погрешностей расчётов наведённых напряжений, вызванных пренебрежением концевым эффектом и приведением трасс сближения к кусочно-линейному варианту, и показана допустимость введения этих упрощений для инженерных оценок максимальных значений наведённых напряжений.

5. Выполнены контрольные измерения наведённых напряжений на отключённых линиях электропередачи, находящихся в зоне влияния действующей высоковольтной сети и произведено сопоставление опытных и расчётных данных.

К выводам практической направленности относятся следующие:

6. Разработан информационно-аналитический программный комплекс, состоящий из системы файлов данных по взаимному расположению трасс всех линий энергосистемы региона, имеющих участки взаимного сближения, а также расчётного блока, позволяющего в эксплуатации максимально просто получать распределение напряжений вдоль любой из линий при нагрузках сети, соответствующих ремонтному периоду.

7. Исследовано распределение наведённых напряжений по длине отключённых линий для всех линий электропередачи Кольской энергосистемы и разработаны конкретные рекомендации по обеспечению безопасности работ в любой из точек этих линий.

Всего рассмотрено 158 линий. Получено, что на девяноста линиях (57%) даже при максимальных (по нагреву проводов) токах во влияющей сети напряжение не превышает допустимое. Десять линий или 6.3% подвержены преобладающему влиянию только одной из ЛЭП. Для этих линий определены опасные зоны в зависимости от нагрузки на влияющей линии. Работы на остальных пятидесяти восьми линиях (36.7%) требуют проведения предварительных расчётов по разработанной программе перед выездом бригады ремонтников на линию.

8. С точки зрения снижения наведённых напряжений во всех случаях можно рекомендовать после заземления в месте ремонта разземление линий по концам. В случаях, когда и это мероприятие (при реальных нагрузках в сети) не даёт должного эффекта, необходимо проводить работы на линии как работы без снятия напряжения.

9. Комплекс программ и результаты исследования переданы в сетевые предприятия ОАО «Колэнерго» .

Заключение

.

Обеспечение безопасности работы оперативно-ремонтного персонала всегда было и остаётся актуальной задачей. На современном уровне развития экономики при наличии большого количества линий электропередачи, имеющих различные варианты сближений и пересечений, эта задача не может быть решена без учёта влияния линий друг на друга, то есть определения наведённых напряжений, создаваемых соседними линиями. При этом экспериментальное определение максимальных уровней наведённых напряжений, рекомендуемое нормативными документами, во многих случаях просто невозможно. Поэтому важное значение приобретают методы расчётного определения наведённых напряжений для всех потенциально опасных случаев сближения высоковольтных линий.

В предлагаемых ранее методах расчёта наведённых напряжений использовались значительные упрощения, одним из которых являлось сведение произвольной схемы взаимного расположения линий к ряду параллельных участков. Однако до настоящего времени не было прямого сопоставления результатов расчётов в таких упрощённых схемах с более точными решениями для трасс сближения, имеющих ряд участков, расположенных под различными углами друг к другу.

На основе проведённых исследований в работе получено (с учётом ряда допущений) решение уравнений электромагнитного поля линии электропередачи в произвольной точке пространства, основанное на расчёте векторного и скалярного потенциала поля горизонтального электрического диполя. Это позволило оценить погрешности расчёта наведённого напряжения, вносимые кусочно-линейной аппроксимацией трасс сближения линий и неучётом концевого эффекта при наличии достаточно коротких участков сближения.

В работе проведено также исследование наведённых напряжений в рамках целой энергосистемы и разработаны рекомендации по повышению безопасности ремонтных работ для линий с различными уровнями наведённых напряжений.