 |
РЕМОНТНЫЕ РАБОТЫ НА ВЛ ПОД НАПРЯЖЕНИЕМ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ
В период создания свободного рынка электроэнергии всё более актуальным становится вопрос
обеспечения надежности электроснабжения. ВЛ высокого и сверхвысокого напряжения играют роль системообразующих и межсистемных связей, поэтому обеспечить их надежную работу особенно важно. Существенную роль в обеспечении надежности ВЛ играет система их обслуживания, включающая производство ремонтных работ под напряжением.
Статья наших авторов из Новосибирска и Москвы посвящена сравнению методов оценки электробезопасности
производства работ под напряжением, разработанных в России [1] и в Международной электротехнической комиссии (МЭК) [2]. Эти подходы принципиально отличаются друг от друга.
Алексей Батраков, Николай Коробков, Александр Овсянников, ОАО «Электросетьсервис – ЕНЭС»
При решении вопросов безопасности проведения ремонтных работ под напряжением (ПРН) выделяют два аспекта.
Первый связан с обеспечением безопасности при воздействии рабочего напряжения. Он включает в себя выбор минимально допустимых изоляционных расстояний и защиту персонала от воздействия электрического и магнитного полей. Выбор минимально допустимых расстояний при воздействии рабочего напряжения сводится к определению воздушного промежутка между специалистом, работающим под потенциалом провода ВЛ, и заземленными элементами. Как правило, данное условие не является определяющим, поскольку для наибольшего рабочего напряжения запас по расстоянию во всех технологических схемах ПРН всегда получается избыточным. Защита персонала от воздействия электрического поля обеспечивается экранирующими комплектами. Защита от магнитного поля обеспечивается ограничением времени пребывания ремонтного персонала на проводе ВЛ, хотя в большинстве случаев нагрузка ВЛ ниже номинальной, соответственно напряженность магнитного поля меньше предельно допустимой и вопрос о защите не возникает.
Второй аспект связан с обеспечением безопасности при случайно возникающих в процессе ПРН перенапряжениях. Именно он является определяющим. Угрозой безопасности при выполнении работ под напряжением является появление случайных импульсов перенапряжений в момент проведения работ под напряжением. Как правило, это коммутационные перенапряжения, которые возникают при случайных КЗ и при автоматических повторных включениях ВЛ.
Грозовые перенапряжения не рассматриваются, т.к. ПРН во время грозовой обстановки запрещены.
Методика стандарта МЭК 61472 [1] имеет условно детерминированный подход. Она оперирует амплитудами возможных перенапряжений и поправочными коэффициентами, учитывающими метеоусловия и наличие ремонтной оснастки в зоне ПРН.
Появление импульса коммутационных перенапряжений на проводе ВЛ - случайная величина, анализ которых ведется при помощи аппарата теории вероятностей и математической статистики. Поэтому разработанный в России вероятностный подход основан на анализе вероятности совпадения времени ПРН с появлением коммутационного импульса перенапряжения и вероятности перекрытия какого-либо из изоляционных промежутков зоны ПРН в этот момент.
ВЕРОЯТНОСТНЫЙ ПОДХОД ПРИ ОЦЕНКЕ УРОВНЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРН
Гарантия безопасности ПРН должна быть основана на удовлетворении ряда требований, одним из которых является исключение возможности перекрытия с провода на опору в месте производства работ. По правилам ПРН проводятся только в хорошую погоду, т.е. без осадков и с ограничениями на скорость ветра, температуру и влажность воздуха. Поэтому достаточно учитывать только возможные перекрытия изоляционных промежутков в зоне ПРН при воздействии на провод коммутационных импульсов перенапряжения. Безопасность ПРН можно определить числом совпадений моментов проведения работ, возникновений на проводе ремонтируемой фазы ВЛ коммутационных перенапряжений и перекрытия изоляции в месте ПРН:
где: N – число перекрытий во время и в зоне ПРН в год;
nП – среднее число возможных при ПРН перенапряжений за год;
PОС – относительная длительность опасных ситуаций за год (фактически это вероятность того, что в любой случайно заданный момент времени изоляция ВЛ окажется сниженной за счет ПРН);
 – вероятность перекрытия изоляции в зоне ПРН при воздействии
коммутационного перенапряжения.
Опасными считаются такие ситуации, когда из-за присутствия ремонтной оснастки электрическая прочность изоляции в зоне ПРН снижена и дуговое перекрытие в ней может представлять смертельную
опасность для ремонтного персонала. Если tОС – длительность (в часах) опасных ситуаций за год (1 год = 8760 часов), то:
Для вычисления tОС необходимо задать исходные условия, регламентирующие
ПРН:
mБ – количество ремонтных бригад, обслуживающих одну ВЛ;
d – число дней работы одной бригады за год;
nОС – количество ремонтных операций с выходом персонала на потенциал в день;
tОС – длительность одной опасной ситуации, в качестве которой принимается время нахождения верхового электромонтера под потенциалом
провода во время одной ремонтной операции.
Таким образом, получаем:
Следует отметить, что (3) подразумевает раздельную по времени работу бригад, но реально может возникнуть необходимость работы нескольких бригад на одной ВЛ в одно и то же время. При этом величина
tОС окажется меньше, потому что опасные ситуации накладываются по времени. Но так как невозможно заранее знать, сколько будет работать
одновременно бригад, tОС считается с некоторым завышением, что допустимо, т.к. речь идет о безопасности работы людей.
Чтобы не утруждать читателя громоздкими математическими выкладками, приведенными нами в [3], обратимся к программе (автор – П.В. Сычихин), разработанной для проведения необходимых вычислений. Первым шагом в работе этой программы является расчет
РОС и tОС по (2) и (3), который не требует пояснений.
Значительно сложнее решается вопрос о вероятности перекрытия
воздушных промежутков в зоне ПРН. Прочность воздушной изоляции зависит от многих случайных факторов. Основными из них являются длина воздушных изоляционных промежутков (определяется
конструкцией опор и ветровым отклонением провода, а также технологией ПРН) и параметры импульсов перенапряжений.
В большинстве случаев допустимо иметь оценку сверху, которую можно выполнить по упрощенным выражениям, которые должны производиться в сторону завышения вероятности дугового перекрытия, так как речь идет о безопасности людей. Первое допущение уже было сделано, когда было принято условно, что в каждый момент времени на ВЛ работает только одна бригада. Далее можно учитывать только максимальное приближение провода к опоре под действием ветра. Для этого при экспериментальных исследованиях разрядных характеристик зоны ПРН гирлянду изоляторов нужно отклонить к опоре на угол, соответствующий максимально допустимой при ПРН скорости ветра (10 м/c), направленного на опору под прямым углом.
Если электрическая прочность в зоне ПРН снижается незначительно по сравнению с прочностью чистого промежутка "провод-опора", то следует учитывать вероятность того, что перекрытие произойдет не в зоне ПРН, а где-нибудь в другом месте ВЛ. Иначе говоря, ВЛ может выполнять функцию защитного разрядника, срезающего импульс перенапряжения раньше чем произойдет перекрытие в зоне ПРН. За счет большего количества воздушных промежутков (m) по всей длине линии электрическая прочность изоляции ВЛ в предразрядное время будет существенно ниже прочности отдельного промежутка [4], пусть даже и ослабленного ремонтной оснасткой.
Далее необходимо знать распределения по амплитудам и фронту коммутационных перенапряжений импульса. При отсутствии первых из указанных распределений можно полагать, что амплитуды коммутационных перенапряжений подчинены нормальному закону распределения с соответствующими параметрами, приведенными, например, в [5]. При ограничении перенапряжений установленными по концам ВЛ защитными аппаратами амплитуды возможных перенапряжений снижаются, что также учитывается в расчетах.
Относительно учета распределения перенапряжений по длительности фронта нет единой точки зрения. Считается, что большинство (называется цифра 98-99 %) коммутационных перенапряжений имеют фронты, близкие к четверти периода колебаний промышленной частоты. Однако некоторые авторы считают, что доля импульсов с критическими фронтами может быть более 1-2 %, особенно при перенапряжениях, сопровождающих однофазные КЗ. В этом случае вклад импульсов с короткой, близкой к критической, длительностью фронта в общую вероятность перекрытия может оказаться сопоставимым с вкладом перенапряжений с длинными фронтами. Для простоты вычислений непрерывную функцию распределения мы заменили ступенчатой гистограммой, разбив все коммутационные перенапряжения на две группы. При этом операция интегрирования заменяется суммированием. С достаточной степенью перестраховки можно полагать, что доля импульсов с критическими фронтами (Тф  150-450 мкс) составляет 5 %, а доля импульсов с длинными фронтами (Тф  1000 мкс) составит 95 %.
Во втором и третьем шагах программы проводятся расчеты вероятностей перекрытия в зоне ПРН и в остальной части ВЛ, причем
в виде исходных данных вводятся в виде параметра разрядные характеристики воздушных изоляционных промежутков ВЛ без и с ремонтной оснасткой (U50 % и s), полученные опытным путем при моделировании той или иной технологии ПРН при критической и большой длительности фронта коммутационного импульса.
Отметим, что большой объем данных по электрической прочности воздушных промежутков ВЛ 220–1150 кВ был получен в СибНИИЭ по заданию ОРГРЭС в период с 1985 по 1991 гг. В экспериментах моделировались различные технологии ПРН и различного рода дефекты, подлежащие устранению при ПРН.
В четвертом шаге программы проводится расчет суммарной вероятности
перекрытия в зоне ПРН и в остальной части ВЛ, без учета и с учетом ограничения амплитуды перенапряжений по концам ВЛ.
Определив величины PОС и , как было указано выше, и задавшись (прогнозируя или имея эксплуатационные данные) ожидаемым числом коммутационных перенапряжений NПК, можно определить число перекрытий, происходящих в месте ПРН за год по формуле:
Эта величина и является критерием оценки электробезопасности
ПРН.
Вероятностная методика позволяет ввести такое понятие, как индивидуальная степень риска для электромонтера, которое принципиально
отсутствует в других методиках. Эта величина более конкретна и не зависит от таких субъективно задаваемых факторов, как число бригад mБ, обслуживающих ВЛ, количество дней d работы бригады в год, количество ремонтных операций nОС в год с выходом на потенциал. При этом из (4) необходимо исключить PОС. Электромонтеру
гораздо важнее знать не общий показатель электробезопасности
ПРН по энергосистеме, а конкретную степень риска Ni для него самого при выполнении определенной ремонтной операции.
Возникает вопрос: с чем сравнивать эту величину и как оценить безопасность ПРН? Психологами установлено: чтобы человек чувствовал себя относительно комфортно и безопасно на рабочем месте, вероятность возникновения фатальной для него ситуации не должна превышать 10–5 в год. Таким образом, получая величину
Ni  10–5…10–7/год можно сделать вывод, что работы под напряжением
безопасны (величина Ni = 10–7 означает, что за 10 млн лет произойдет лишь одно дуговое перекрытие, что говорит фактически о невозможности наступления такой ситуации).
Вероятностная методика позволяет решить и обратную задачу: по заданной степени электробезопасности определить, какой должна быть электрическая прочность в зоне ПРН либо каким может быть допустимое время выполнения одной операции.
ПРИМЕР ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ ПРОВЕДЕНИЯ ПРН
Предположим, что линия 750 кВ обслуживается одной бригадой монтеров (mБ = 1), число дней работы каждой бригады в год - 60 (d = 60). При этом каждый день бригада выполняет 3 ремонтные операции (nОС = 3), а продолжительность каждой операции составляет 30 минут (tОС = 0,5 часа). Тогда PОС 0,01.
Разрядные характеристики для ВЛ 750 кВ, полученные в испытаниях [6], приведены в табл. 1. Уровень ограничения перенапряжений с помощью ОПН на концах ВЛ - 1,9. Тогда максимальный уровень перенапряжения на фазе будет равен:
Примем sОПН = 0,04 · UОПН = 0,04 · 1222 = 49 кВ и коэффициент повышения
амплитуды перенапряжений в середине ВЛ k = 1,285.
Определим вероятности дуговых перекрытий. Предположим, что рассчитываемая ВЛ 750 кВ имеет около 100 изоляционных промежутков,
которые могут сработать как предохранительные разрядники, т.е. m = 100. Тогда вероятности перекрытия хотя бы одного из m этих промежутков для коротких и длинных фронтов составят: РПЕР, КРИТ, m =
= 4,44 · 10–4 и РПЕР, ДЛ, m = 5 · 10–5. Вероятности дугового перекрытия на ВЛ, содержащей m изоляционных промежутков, и зоны ПРН при воздействии
коммутационных перенапряжений с учетом того, что доля импульсов с критическими фронтами составляет 5 %, а доля импульсов
с длинными фронтами соответственно 95 %: РПЕР, ВЛ = 6,9 · 10–5
и РПЕР, ПРН = 5 · 10–4.
По опыту эксплуатации, среднее значение возникающих перенапряжений
с отключением КЗ и успешным АПВ в год равно NП.К. = 0,22 / год [5]. Тогда число перекрытий, происходящих в месте ПРН за год, равно: N = 1,14 · 10–6. Это означает, что в зоне ПРН произойдет одно дуговое перекрытие за 874 тыс. лет, что говорит фактически о невозможности
этого события. Индивидуальная степень риска для рабочего за год и при выполнении одной ремонтной операции: Ni = 1,14 · 10–6 / год и Ni, ОПЕР = 6,4 · 10–9/операция.
Вывод: на рассчитываемой линии при данной методике выполнения
ПРН работы под напряжением не представляют угрозы с точки зрения электробезопасности.
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ УРОВНЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРН, ПРИНЯТАЯ МЭК
Обеспечение уровня безопасности по методике МЭК, сводится к определению минимально допустимого расстояния при ПРН с учетом возникающих коммутационных перенапряжений. Оно складывается из двух составляющих: электрической DU и эргономической
DE:
Метод определения эргономической составляющей DЕ не изложен. Возможны три варианта выбора: величина DE постоянна, либо растет, либо снижается с увеличением класса напряжения ВЛ. В общем случае значение принимается в пределах DE = 0,1-0,3 м.
ПРИМЕР ОПРЕДЕЛЕНИЯ МИНИМАЛЬНО ДОПУСТИМОГО РАССТОЯНИЯ ПО МЕТОДУ МЭК
Самый простой способ демонстрации метода расчета DU следующий: KS = 1,1, ka = 1 (небольшие высоты расположения трассы ВЛ над уровнем моря), kf = 1, F = 0 (нет изолированных объектов), nd = 0 (нет дефектных изоляторов), ki = 1, ks = 0,936, kg = 1,2.
Получаем: Kt = 0,936 · 1,2 · 1,0 · 1,0 · 1,0 = 1,12. Для класса напряжения Us = 765 кВ и u2 = 2,0 получаем U2 = 1249 кВ и U90 = 1374 кВ. Тогда DU = 4,6 м. К ним надо добавить эргономическое расстояние, например, DE = 0,3 м. Тогда общее допустимое минимальное расстояние составит 4,9 метра. Оценим электробезопасность этого расстояния по нашей методике. В отсутствие экспериментальных данных для этого случая воспользуемся известными эмпирическими выражениями, описывающими зависимость электрической прочности "провод-опора" и получим, что Ni = 10-5, а Ni, ОПЕР = 5,5 · 10-8. Как видно из результатов, показатели электробезопасности и в этом случае вполне приемлемые, но они на порядок хуже тех, которые мы имели, пользуясь реальными данными испытаний электрической прочности воздушных промежутков в зоне ПРН.
Заметим, что минимальное расстояние по ГОСТ 28259-89 [7] для 750 кВ составляет 4,6 м, т.е. совпадает с расчетным значением по методике МЭК, но без запаса на эргономическое расстояние. Если провести расчеты для этого расстояния, то уровень электробезопасности снизится еще в три раза: Ni = 3 · 10-4, Ni, ОПЕР = 1,7 · 10-7.
ВЫВОДЫ
1. Вероятностный подход более логичен для оценки электробезопасности проведения работ под напряжением, так как сам факт возникновения коммутационного импульса перенапряжения и его параметры являются случайными величинами. Вряд ли можно назвать адекватным подход, оперирующий однозначными коэффициентами для оценки вероятностной величины. Следовательно, стандарт МЭК изначально имеет методическую погрешность.
2. Методика МЭК основана на предположении, что воздушный промежуток "провод-опора" может быть заменен для анализа промежутком "стержень-плоскость", что является достаточно грубым допущением: зона ПРН содержит в себе как минимум изолирующую подвеску, несколько "плоскостей" (траверса, стойка опоры, траверса соседней фазы при вертикальном положении проводов). Возможно и влияние соседних фаз.
3. При сравнении вероятностного подхода и стандарта МЭК можно сделать выводы:
а) вероятностный подход учитывает случайность факта возникновения коммутационного импульса перенапряжения на проводе, при этом также учитывает случайность возникновения опасной ситуации (дуговое перекрытие) для рабочего; метод МЭК - нет;
б) вероятностный подход учитывает влияние фронтов коммутационных импульсов перенапряжения, метод МЭК учитывает только критическую длительность фронта импульса перенапряжения, при котором прочность разрядного промежутка минимальна;
в) вероятностный подход учитывает распределение амплитуд коммутационных импульсов перенапряжения; метод МЭК неявно
учитывает этот факт: принимается фиксированное значение кратности возникающего перенапряжения;
г) при вероятностном подходе ВЛ рассматривается как некая система изоляционных промежутков, в одном из которых производятся
ПРН, т.е. учитывается тот факт, что ВЛ выполняет роль предохранительного разрядника при возникновении перенапряжения;
методика МЭК рассматривает зону выполнения работ обособленно от всей ВЛ;
д) вероятностный метод учитывает влияние скорости ветра на электробезопасность
работ под напряжением; стандарт МЭК не содержит в себе упоминания о влиянии ветрового воздействия, что может внести заметную погрешность в оценку безопасности ПРН;
е) вероятностный подход учитывает влияние технологии выполнения работ под напряжением; в стандарте МЭК есть только упоминание об эргономической составляющей минимального расстояния;
ж) обоснование безопасности выполнения работ при вероятностном подходе включает в себя обязательное определение разрядных характеристик изоляционных промежутков линии, что позволяет определить наиболее безопасные технологии ПРН;
з) вероятностный метод позволяет оценить электробезопасность выполнения одной ремонтной операции для электромонтера и сравнить ее с бытовыми факторами риска; метод МЭК – нет.
Таким образом, вероятностный подход учитывает гораздо больше факторов, влияющих на безопасность ПРН. При этом методика имеет некую гибкость в том смысле, что может быть применена фактически к любому типу ВЛ, учитывает реальные разрядные характеристики изолирующих
подвесок, используемых на ВЛ при конкретной технологии ПРН. Вероятностный подход позволяет по заданному уровню безопасности
определить минимальное расстояние, обеспечивающее этот уровень. Методику МЭК можно использовать только для ориентировочной
оценки безопасности проведения работ под напряжением.
ЛИТЕРАТУРА
1. Богданов О.В. Экспериментальные исследования и разработка средств повышения
эффективности и электробезопасности ремонтных работ под напряжением
на ВЛ 1150 кВ: Дис. кандидата техн. наук. – Новосибирск, 1992.
2. IEC Method of Calculation of Minimum Approach Distances for Live Working // IEEE Transactions on Power Delivery, V. 15, № 2. – April 2000.
3. Батраков А.М., Коробков Н.М., Овсянников А.Г., Сычихин П.В. Обеспечение электробезопасности ремонтных работ под напряжением на линиях электропередачи
сверхвысокого напряжения //Сборник докладов Второй Российской научно-практической конференции «Линии электропередачи – 2006: проектирование,
строительство, опыт эксплуатации и научно-технический прогресс» /Под ред. Ю.Р. Гунгера, Ю.А. Лаврова. – Новосибирск, 2006. – С. 255–267.
4. Александров Г.Н. Сверхвысокие напряжения. – Л., «Энергия», 1973.
5. Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений. РД 153-34.3.-35.125-99. Издание второе. СПб: Издательство ПЭИПК, 1999.
6. Коробков Н.М. Разработка технических средств и обеспечение безопасности ремонтных работ под напряжением на ВЛ СВН: Дис. кандидата техн. наук. – Новосибирск, 1996.
7. ГОСТ 28259-89. Производство ремонтных работ под напряжением в электроустановках.
Основные требования.
| 
|
