Значительную экономию средств на этапе строительства и последующей эксплуатации ВЛ дает применение нетиповых опор, разрабатываемых под конкретные условия прохождения линии. При создании новой опоры разработчик проверяет ее конструкцию, исходя из требований к монтажу и эксплуатации линии.
Проверка распределения параметров электрического поля наряду с проверками по условиям механических нагрузок от проводов и тросов, ветро-гололедных нагрузок на стойку и траверсы – одно из важных условий, влияющих на конечный вид опоры, считает Сергей Николаевич Шевченко.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВЛ 35–400 кВ
Учет распределения параметров электрического поля

Сергей Шевченко, инженер-электрик, ООО «Промик.», Украина, г. Днепропетровск

Как известно, от взаимного расположения проводов, а значит геометрии опоры, зависит распределение следующих параметров, характеризующих электрическое поле (ЭП) в зоне прохождения ВЛ, – напряженности и потенциала. Значение напряженности ЭП, измеряемое в кВ/м, регламентируется как при расчете по условиям возникновения короны на проводах, так и при оценке влияния ВЛ на окружающую среду, исходя из санитарно-защитных норм. Уровень потенциала ЭП, измеряемый в кВ, ограничивается по условиям работы размещаемых в зоне влияния ВЛ различных электроустановок, в частности линий связи. О предварительной оценке и возможных способах снижения уровня этих параметров ЭП на стадии проектирования и пойдет речь в дальнейшем.

ВЛИЯНИЕ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭП НА ШИРИНУ КОРИДОРА ВЛ

В последнее время, в связи с резким увеличением электропотребления крупными городами, перед энергоснабжающими компаниями остро стоит вопрос наращивания передаваемой по электрическим сетям мощности. Поскольку строительство новых воздушных линий сегодня достаточно проблематично и затратно, а в населенных пунктах и вовсе запрещено законодательством, задачу решают путем увеличения пропускной способности существующих линий [1]. При этом в пределах установленных коридоров приходится наращивать количество цепей линии с одновременным увеличением класса напряжения модернизируемой ВЛ. При таких условиях реконструкции для многоцепных ВЛ, особенно в стесненных условиях плотной городской застройки, напряженность ЭП будет превышать установленное для санитарно-защитной зоны значение 1 кВ/м.

ПУЭ и нормы технологического проектирования напрямую требуют применять конструктивные и проектные решения, а при необходимости и специальные мероприятия, обеспечивающие максимальное снижение воздействий ВЛ на окружающую среду и здоровье человека, т.е. снижение уровня ЭП (п. 8.3 СО) [2]. Этой теме в 2005 году CIGRE посвятила отдельный отчет [3], в котором исследовала зависимость влияния электрических параметров одноцепной и двухцепной ВЛ 400 кВ на окружающую среду от конфигурации этих линий (схемы расположения фаз, межфазного расстояния, количества проводов в фазе, их сечения, расстояния между ними и т.п.).

Особо хотелось бы отметить возможность снижения уровня ЭП за счет оптимизации взаимного размещения фаз разных цепей на опоре ВЛ – фазировки. Эффект от фазировки наиболее отчетливо можно проследить на примере вертикального расположения фаз по представленному в отчете CIGRE графику распределения ЭП под опорой 400 кВ (рис. 1). Так, при встречном расположении фаз, на фоне общего небольшого снижения уровня напряженности, в 2–3-х метрах от оси линии уровень снизился в несколько раз, что действительно может быть использовано при размещении волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) на многоцепных опорах ВЛ. Об этом речь пойдет ниже.

Рис. 1. Распределение напряженности электрического поля на высоте 1 м поперечного сечения 2-цепной линии напряжением 400 кВ в зависимости от конфигурации фаз:
а) полученное по исследованиям рабочей группы В.2.06 СИГРЭ в 2005 г.,
б) расчетные данные по программе «ПЕРЛ-91»

а)		б)
Напряжение U = 400 кВ Сечение провода S = 517 мм2 Кол-во проводов в фазе n = 2 Расстояния: – межфазное S = 10 м – расщепления фазы d = 0, 4 м – габарит до земли hc = 8,5 м

Для расчета параметров ЭП в зоне прохождения ВЛ применяется принцип суперпозиции полей – метод расчета, в соответствии с которым величину воздействия системы заряженных тел или проводов с токами в заданной точке пространства вычисляют как векторную сумму воздействий, создаваемых каждым из заряженных тел или проводов с токами в этой точке. По этой методике напряженность ЭП в точке, лежащей на перпендикулярной плоскости сечения ВЛ, определяют как векторную сумму напряженностей ЭП, создаваемых каждым из заряженных проводов и их зеркальными отображениями в этой точке. Подробное описание физических принципов и математических приемов этого метода есть в литературе [4–6] и здесь не приводится. Хочу лишь отметить, что расчет проводится на основании уравнений Максвелла для электростатического поля, создаваемого системой фазных проводов ЛЭП с учетом их расположения над землей.

Решение поставленной задачи без применения ЭВМ весьма трудоемко и затруднительно, поэтому нами была «вновь освоена» находящаяся в архивах нашей организации программа «ПЕРЛ-91»: «Расчет напряженности ЭП на проводах и вблизи линии электропередачи», разработанная Научно-исследовательским институтом по передаче электроэнергии постоянным током высокого напряжения (НИИПТ, г. Санкт-Петербург) и зарегистрированная в Госфонде алгоритмов программ.

Программа предназначена для эксплуатации на ПЭВМ и написана на языке Фортран-77. Она позволяет выполнять расчеты рабочей емкости проводов, средней и максимальной напряженности поля на проводах и тросах многопроводных ВЛ, напряженности электрического поля и потенциала в заданных точках пространства вблизи ВЛ, потерь на корону, эквивалентной индуктивности и волнового сопротивления всех проводов и натуральной мощности ВЛ переменного тока. Конструкции разных фаз и тросов могут отличаться друг от друга, а их расположение в пространстве произвольное.

Для оценки достоверности получаемых результатов по программе «ПЕРЛ-91» был выполнен расчет одно- и двухцепной линии 400 кВ на основании данных, приведенных в отчете комиссии СИГРЭ [3]. Хочется отметить, что результаты, полученные из «ПЕРЛ-91», хорошо согласуются с практическими результатами отчета комиссии СИГРЭ (рис. 1).

ПОДВЕСКА ВОЛС НА ОПОРАХ ВЛ

Как отмечалось выше, в стесненных условиях плотной городской застройки сооружение любых ВЛ проблематично, в том числе и линий связи (ЛС). Поэтому в техническом задании на реконструкцию линии для максимального использования существующего коридора заказчик (в подавляющем большинстве случаев это городские власти) требует совмещать ВЛ и ЛС. Это условие возможно выполнить, применяя волоконно-оптическую линию связи на воздушных линиях электропередачи (ВОЛС-ВЛ), для передачи информации по которой служит оптический кабель (ОК), размещаемый на элементах ВЛ (п. 2.5.178 ПУЭ) [7].

Учитывая возможность независимой от ЛЭП прокладки и эксплуатации ВОЛС, наибольшее распространение получили ОК типа ОКСН (оптический кабель самонесущий неметаллический). Следует заметить, что это не привычный для технолога ЛЭП оптический модуль, встроенный в грозотрос, а отдельный кабель с внешней изоляционной оболочкой, подключенный, подобно силовому кабелю к совершенно независимой от диспетчеризации ЛЭП сети передачи информации.

Для ОКСН каждый производитель устанавливает предельные значения по стойкости оболочки к потенциалу электрического поля U, кВ, при которых гарантируется нормальная работа кабеля. Эти значения находятся в пределах от 12 до 25 кВ, и, чем они выше, тем соответственно дороже кабель. Поэтому необходимо учитывать, что место крепления ОКСН на опоре с учетом его вытяжки в процессе эксплуатации определяется как из условий соблюдения наименьших расстояний до поверхности земли и фазных проводов, так и от картины распределения электрического поля в зоне прохождения данного кабеля (п. 2.5.197 ПУЭ) [7].

Одним из вариантов, удовлетворяющих таким требованиям, является крепление ОКСН к опоре в зоне так называемого «нулевого потенциала» (рис. 2). Главным недостатком такого способа размещения является отсутствие возможности свободного проведения монтажно-ремонтных работ, связанных со снятием и установкой кабеля или регулированием стрелы в пролете, без отключения нижележащих цепей ЛЭП. Альтернативным вариантом является подвеска ОК на нижнем ярусе с креплением непосредственно к опоре или специальной траверсе. При этом для снижения высоты опоры (минимальное расстояние до земли от ОКСН составляет 5 м) необходимо максимально приблизиться к токоведущим цепям, где, как видно из рис. 2, потенциал ЭП может превышать допустимые для работы кабеля значения. Как отмечалось выше, данную задачу можно успешно решить за счет фазировки.

Рис. 2. Пример распределения потенциала электрического поля в зависимости от расположения проводов. Возможная область подвески ОКСН

В ходе проведения работ в рамках проекта по титулу «Разработка модификаций промежуточных и анкерно-угловых 3-цепных опор для ВЛ 110 кВ Сочи ТЭС – ПС Хоста», на высоте подвески ВОЛС, выбранной по условиям работы проводов в пролете, нами была выполнена проверка параметров электрического поля.

При этом для большинства опор серии установлено, что даже при неблагоприятной для ВОЛС фазировке значение потенциала поля U не превышает 12 кВ (рис. 3). Однако для специальной опоры типа УММ 220-4.2.110.40ВС расчет показал некоторое превышение показателей потенциала поля относительно требуемых значений (рис. 4). После оптимизации расположения фаз был достигнут положительный результат (рис. 5). Здесь под неблагоприятной для ВОЛС фазировкой мы понимаем одноименность рядом расположенных фаз разных цепей ЛЭП.

Рис. 3. Неоптимизированная схема расположения проводов на опоре типа УММ 220-3.110.20.
Распределение параметров электрического поля

Рис. 4. Неоптимизированная схема расположения проводов на опоре типа УММ 220-4.2.110.40ВС.
Распределение параметров электрического поля

Рис. 5. Оптимизированная схема расположения проводов на опоре типа УММ 220-4.2.110.40ВС.
Распределение параметров электрического поля

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При конструировании опор ВЛ уже на стадии проектирования необходимо учитывать интенсивность электрических и магнитных полей в средах, окружающих эти конструкции, и по возможности предлагать конструктивные решения, обеспечивающие сниженную интенсивность электромагнитного поля в окружающей среде. Для решения этой задачи можно применить упомянутые в работе методики расчетов ЭП, инициируемых зарядами на токоведущих частях и токами в них. При этом следует учитывать, что оптимальная фазировка проводов многоцепных линий электропередачи высокого напряжения позволяет снизить напряженность электрического и магнитного полей промышленной частоты по их трассам в 1,5–3 раза по сравнению с несфазированной линией.

Апробированную программу расчета электрической составляющей уровня напряженности ЭМП для разных классов напряжения и различного конструктивного исполнения ВЛ возможно использовать как при оценке экологических аспектов влияния ВЛ, так и при проектировании ВОЛС, проходящих по опорам ЛЭП.

Литература

1. Семенко О.В., Костиков В.И. Идеология проектирования ВЛ в стесненных условиях. Критерии применимости опор на МГС // Сборник докладов второй международной конференции «МГС», 2007.
2. СО 153-34.20.121-2006 «Нормы технологического проектирования ВЛЭП 35–750 кВ».
3. CIGRE, Working Group B2.06 «The influence of line configuration on environment impacts of electrical origin». #278, Paris, 2005.
4. СОУ-Н ЕЕ 20.179:2008 Расчет электрического и магнитного полей линий электропередачи / Минтопливэнерго Украины, 2008.
5. Миролюбов Н.Н., Костенко В.М. Методы расчета электростатических полей. М.: Высшая школа, 1963.
6. Александров Г.Н. Коронный разряд на линиях электропередачи. М.: Энергия, 1964.
7. Правила устройства электроустановок, 7-е изд.