ГЛАВА
ВТОРАЯ
Выбор изоляции воздушных линий электропередачи по нормальному эксплуатационному режиму
1. Основные расчетные случаи
Можно априори утверждать, что если сначала выбрать всю линейную изоляцию и основные габариты воздушной линии по нормальному эксплуатационному режиму, а затем показать, что выбранные габариты не требуют увеличения ради грозовых и коммутационных перенапряжений, то будут достигнуты минимальные капитальные затраты на воздушную линию.
Это обстоятельство вынуждает изложить в первую очередь методы выбора линейной изоляции по нормальному эксплуатационному режиму. К основным габаритам воздушной линии, диктуемым указанным режимом, относятся: длина (L) поддерживающей гирлянды изоляторов, определяемая возможными загрязнениями изоляторов и увлажнениями; габарит (Λ) от проводов до земли, выбираемый с учетом появления под линией габаритных и негабаритных машин; расстояние (D) от провода до конструктивных элементов опоры, диктуемое длиной гирлянды и ее отклонениями боковыми ветрами.
Из практики проектирования воздушных линий электропередачи известно, что выбор расстояния D (и зависящего от него расстояния между соседними фазами) у воздушных линий 750 кВ и еще более высокого напряжения теснейшим образом связан с выбором проводов. При обосновании габарита h для линий 750 и более киловольт необходимо также принимать во внимание экологические аспекты и ограничивать напряженность электрического поля под проводами линии вблизи поверхности земли некоторым допустимым значением.
2-3. Выбор минимального габарита под проводами
Аспекты надежности.
В соответствии с действующими ныне «Правилами охраны линий электропередачи» [76] под линией могут работать и передвигаться машины высотой до 4,5 м; поэтому более высокие машины мы будем называть негабаритными. Если учесть, что все отключения, вызванные появлением негабаритных машин под воздушными линиями 110—500 кВ, были отмечены в нормальном эксплуатационном режиме, то можно наметить реализованную ниже схему обоснования минимального габарита под проводами для линии электропередачи более высокого номинального напряжения по апробированному длительным опытом эксплуатации минимальному габариту линии более низкого напряжения.
Методика выбора h должна учитывать статистику высот негабаритных и габаритных машин, могущих появляться под проводами воздушной линии, стрел провеса проводов, пересечений трассы линии машинами, совпадения этих пересечений с нормальным эксплуатационным режимом работы линии и коммутационными перенапряжениями и др. К сожалению, статистика высот негабаритных машин и пересечений ими трасс воздушных линий не изучена. Однако к вполне определенным выводам можно прийти в вопросе об относительной роли нормального эксплуатационного режима и перенапряжений. Действительно, отношение чисел перекрытий за год с проводов некоторой воздушной линии электропередачи при внутренних перенапряжениях (пп) и в нормальном эксплуатационном режиме (пн) можно оценить по следующей формуле (591:
где Nмаш — число пересечений негабаритными машинами линии за год, Рмаш — вероятность совпадения пересечения машиной трассы линии с внутренними перенапряжениями всех видов за год, Рн и Рп — вероятности перекрытия воздушного промежутка от проводов до негабаритной машины соответственно при внутренних перенапряжениях и в нормальном эксплуатационном режиме.
Если принять на основе эксплуатации воздушных линий электропередачи 110—500 кВ число плановых и аварийных коммутаций на каждой линии равным 30, а продолжительность каждой коммутации 10-1 с, то
По данным первой главы, произведение NMaш (1 — Рмаш) не превосходит
(см. табл. 1-1 и 1-2), т. е. для линий 110—500 кВ указанное произведение может составлять 10-1—5х10-1. Допустим с целью получения незаниженных оценок пп, что каждое пересечение негабаритной машиной, совпадающее с внутренними перенапряжениями на линии, чревато перекрытием, т. е. положим Рп =1. В этом случае
При таком пп/пн перекрытия с проводов линии на негабаритные машины при внутренних перенапряжениях на 6 порядков менее вероятны, чем перекрытия в нормальном эксплуатационном режиме, что не противоречит накопленному опыту эксплуатации. Поэтому расстояние от проводов до негабаритных машин должно определяться исключительно по нормальному эксплуатационному режиму [59]. Это дает возможность косвенным путем определить наименьший допустимый габарит, опираясь на апробированные длительным опытом эксплуатации габарит h0 для воздушных линий электропередачи более низкого номинального напряжения например 110 кВ, которые эксплуатируются в нашей стране c 1922 г.
Электрическая прочность воздушного промежутка от проводов до негабаритной машины при напряжении промышленной частоты вплоть до Um=1000 кВ растет практически пропорционально длине (/) промежутка (см. рис. 3-18):
где Ер ≈ 500 кВ/м — разрядный градиент.
Это дает возможность установить зависящую от Uφ составляющую габарита h:
В частности, для воздушной линии 110 кВ минимальный габарит h0 равен 6 м, а зависящая от ее номинального напряжения (Uно=1,15·110 кВ) составляющая этого габарита равна Uно=
110х1,15:500=0,21 м.
Для воздушной линии более высокого напряжения минимальный габарит следует увеличить так, чтобы зависящая от рабочего напряжения переменная составляющая габарита h' соответствовала Uф, т. е.
(2-39)
Таблица 2-6
К выбору габарита под проводами
В табл. 2-6 указаны вычисленные по последней формуле наименьшие допустимые габариты от проводов до земли, относящиеся к наибольшей стреле провеса проводов (при наибольшей положительной температуре или гололеде), для линий 150—750 кВ. За базу при вычислении h был принят соответствующий габарит для воздушных линий 110 кВ (h0= 6 м, h'0= 0,21 м). В табл. 2-6 приведены также минимальные допустимые габариты А для линий электропередачи 110—500 кВ, рекомендуемые ПУЭ. Там же указаны габариты А для линий электропередачи 220—750 кВ, вычисленные по изложенной выше методике и формуле (2-39); причем базой для выбора А для линии каждого нового класса напряжения служит габарит h0 для линии предшествующего класса, регламентируемый ПУЭ (например, база для линий 750 кВ — габарит h0 = 8 м для линий 500 кВ).
Экологические аспекты.
Для воздушных линий электропередачи 500—1150 кВ минимальный габарит под проводами должен выбираться таким образом, чтобы обеспечить не только высокую надежность линии, но и ее полную экологическую безопасность. Этот аспект проектирования воздушных линий переменного тока сверхвысокого и ультра высокого напряжения выявился лишь в последние годы и относится также к нормальному эксплуатационному режиму [73].
Рис. 2-10. Зависимость наибольшей напряженности электрического поля под воздушной линией от высоты проводов над землей :1 — линия 500 кВ с проводами 3 XАСО-500, расстояние между соседними фазами D12=11 м; 2 — линяя 750 кВ с проводами 4 ХАСО-600, D12=17,5 м; 3 —линия 1150 кВ с горизонтальным расположением фаз, D12 = 25 м; 4 — линия 1150 кВ с приподнятой на 3 м средней фазой, D12= 20 м. Сплошные кривые — поле у поверхности земли, штриховые — поле на высоте 2 м над землей.
С ростом номинального напряжения и числа составляющих проводов в расщепленном проводе на линиях 750 и более киловольт многократно возрос заряд, сосредоточенный на расщепленном проводе. Например, заряд на фазе линии 1150 кВ возрос по сравнению с зарядом одиночного провода на линии 220 кВ более, чем в 10 раз [95].
При эксплуатации подстанций 500 кВ выявилось, что обслуживающий их персонал, систематически работающий в зоне сильных полей, испытывает повышенную нервозность и усталость. Периодическими медицинскими обследованиями персонала и медикофизиологическими исследованиями на людях в лабораторных условиях было подтверждено неблагоприятное, хотя и не очень сильное влияние на организм человека переменного электрического поля [73] или косвенных его проявлений, создающих условия дискомфорта (разряды при прикосновении человека к изолированным и заземленным предметам и конструкциям, разряды между одеждой, головным убором, обувью и телом человека из-за разности потенциалов между ними) [50]. Дискомфорт проявляется при напряженности поля Е 15 кВ/м и более. В целях сохранения здоровья персонала подстанций в 1970 г. были утверждены «Нормы и правила по охране труда при работах на подстанциях и воздушных линиях напряжением 400, 500 и 750 кВ переменного тока промышленной частоты» [73]. Нормами ограничивается длительность ежедневного пребывания человека в зоне с повышенной напряженностью поля E. Нормы для населения пока еще не разработаны. Однако при оценке предельной допустимой напряженности поля под воздушными линиями нужно принять во внимание следующее.
Во-первых, если опираться на упоминавшиеся выше нормы для подстанций, то они разрешают систематическое пребывание человека под линией в поле с напряженностью 15 кВ/м в течение 1,5 ч в сутки.
Вряд ли в ненаселенной местности, о которой здесь идет речь и которая доминирует на трассе большинства линий, у населения могут быть стимулы для систематического и более длительного посещения сравнительно небольших по площади зон под проводами линии с максимальной напряженностью. Во-вторых, напряженность, равная 15 кВ/м, соответствует минимальной границе зоны дискомфорта. В-третьих, по данным расчетов (рис. 2-10), под действующими отечественными линиями 500 кВ наибольшая напряженность не превосходила 14 кВ/м при минимальном расстоянии от проводов до земли (8 м) и температуре 30—40° С и 10— 12 кВ/м — при более низких, но гораздо более частых температурах воздуха, когда стрела провеса проводов уменьшается, а расстояние от них до земли возрастает. Под зарубежными линиями электропередачи с наибольшим напряжением 550, 735 и 765 кВ, где высота проводов над землей заметно больше, чем в СССР, напряженность поля не превосходит обычно 10—12 кВ/м. Так как в процессе длительной эксплуатации отечественных и зарубежных линий этих классов напряжения жалоб от населения не поступало, то есть основания считать, что напряженность электрического поля под линией, равная примерно 15 кВ/м, не представляет опасности для здоровья людей.
Во многих медицинских исследованиях, выполненных в последние годы за рубежом [50, 116], вообще отрицается влияние электрического поля напряженностью 10—15 кВ/м на людей. В этих условиях для научного обоснования допустимых значений Е потребуется провести дополнительные медицинские исследования на крупных животных и людях разного возраста, могущих систематически, эпизодически или однократно появляться под линией. В практических же целях можно использовать сравнительно дешевое и радикальное средство уменьшения напряженности поля под линией — увеличение высоты подвеса проводов (рис. 2-10). Если принять в качестве предельного допустимого значение Е — 15 кВ/м, то для воздушных линий электропередачи 500 кВ минимальная высота проводов над землей составит примерно 8 м, для линий 750 кВ — 12 м, а для линий 1150 кВ — будет около 16 м. С учетом крайней редкости такой высокой температуры воздуха, как 35— 40° С, h можно безболезненно снизить соответственно до 11,5 м и 15 м. Расчеты на ЭВМ показали, что перечисленные рекомендации к выбору h практически не зависят от конструкции расщепленного провода.
Таким образом, для воздушных линий электропередачи до 500 кВ включительно минимальный габарит под проводами, диктуемый нормальным эксплуатационным режимом, определяется надежностью линий, для линий 750 кВ и более — их экологической безопасностью (см. табл. 2-6).
