Воздушные линии

Оптоволоконная связь на ВЛ часто выполняется оптическими кабелями, встроенными в грозотрос (ОКГТ), который согласно ПУЭ должен быть заземлен на каждой опоре. Когда ОКГТ применяются на ВЛ выс-ших классов напряжения, из-за больших расстояний между фазными проводами в грозотросе появляются наведенные ЭДС. Заземление грозотроса на каждой опоре ведет к образованию протяженных замкнутых контуров, к появлению токов, стекающих с ЗУ опоры, и к возникновению потенциала на опорах (фундаментах) ВЛ.
Расчетам этих токов и потенциалов, их влиянию на электробезопасность и надежность ВЛ посвящена статья авторов из Новосибирска.

Сергей Нестеров, к.т.н., заведующий кафедрой	Александр Мюльбаер, бакалавр
Учебно-научная лаборатория «Электротехническое материаловедение» Новосибирского государственного технического университета

ОПТИЧЕСКИЙ КАБЕЛЬ, ВСТРОЕННЫЙ В ГРОЗОТРОС
Влияние на надежность и безопасность эксплуатации ВЛ

Вопросам влияния действующих ВЛ на смежные коммуникации – линии связи, подземные и надземные трубопроводы, выведенные в ремонт ВЛ посвящено много работ и исследований. Наведенные в смежных коммуникациях ЭДС и токи представляют опасность для обслуживающего персонала, влияют на долговечность трубопроводов, оказывают негативное влияние на работу устройств связи и т.п.

Воздействие работающей ВЛ на собственные элементы рассматривалось в меньшей степени и в основном локально – в пределах одной опоры или пролета. Связано это в первую очередь с тем, что единственным собственным протяженным элементом (кроме фазных проводников), воспринимающим воздействие от фазных проводов, является грозотрос.

АЛГОРИТМ РАСЧЕТА

Согласно закону электромагнитной индукции, изменяющийся магнитный поток возбуждает электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями (вихревое электрическое поле). В проводнике наведенное поле проявляется как действие сторонних сил, т. е. ЭДС:

, (1)

где Ф – магнитный поток, пронизывающий контур, Вб.

Рассмотрим контур «заземленный грозозащитный трос – стойки опоры – земля». Ток, индуцированный в этом контуре, протекая по заземленному грозозащитному тросу, замыкается на землю через опоры. При частоте 50 Гц и удельном сопротивлении грунта 100 Ом.м глубина возврата тока составляет 935 м [1]. Нормаль контура «заземленный грозозащитный трос – стойки опоры – земля» параллельна вектору магнитной индукции, т.е. этот контур необходимо рассматривать при определении наведенного напряжения на фундаменты опор.

Методику расчета токов, стекающих с фундаментов, можно разбить на два основных этапа:

1. Определение наведенной продольной ЭДС на заземленный грозозащитный трос.
2. Определение распределения напряжений и токов по фундаментам.

Наведенная ЭДС
В грозозащитном тросе она определяется как векторная сумма ЭДС в отдельности от каждой фазы ВЛ (В/м):

, (2)

где – токи в соответствующих фазах ВЛ, А;
ω – круговая частота, рад/с;
M_AT, M_BT, M_CT – взаимоиндукция между фазными проводами и тросом, Гн/м.

Взаимные индуктивности отдельных фазных проводов и троса различны в силу разного расстояния от грозозащитного троса до каждого провода, а токи в фазных проводах линии в случае нормального режима равны по амплитуде, но сдвинуты на 120° относительно друг друга. Результирующая ЭДС в итоге меньше, чем ЭДС, взятая отдельно от каждого провода ВЛ.

Взаимоиндукцию между проводами и тросом можно определить, используя формулу М. В. Костенко [2] (Гн/м):

, (3)

где: µ₀ = 4π · 10^–7 Гн/м – магнитная проницаемость;
a – расстояние по горизонтали между фазой и грозозащитным тросом, м;
h_Ф – высота подвеса фазного провода, м;
h_Т – высота подвеса грозозащитного троса, м;
σ_З – удельная проводимость грунта, См/м;
f – частота переменного тока, Гц.

Распределение напряжений и токов
Их рапределение по фундаментам ВЛ можно получить, используя численные методы. Для этого ВЛ представим звеньевой схемой замещения (рис. 1). Одно звено моделирует один пролет ВЛ.

Рис. 1. Схема замещения воздушной линии

= · l_i – продольная ЭДС, наведенная на трос i-го пролета, В;
L_i – длина _i-го пролета, м;

– продольное сопротивление i-го пролета, Ом;

– поперечное сопротивление i-го пролета, Ом.

Сопротивление представляет собой комплексное сопротивление грозозащитного троса, – сопротивление заземляющего устройства опоры, и – сопротивления заземляющего устройства подстанций.

Решая систему линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), составленную по методу контурных токов для схемы, представленной на рис. 1, получаем продольные и поперечные токи, а затем – потенциалы на опорах ВЛ.

ПРИМЕР РАСЧЕТА

В качестве примера ниже приведены результаты расчета токов и напряжений на опорах реальной ВЛ 500 кВ. При этом принято, что на каждой опоре заземлен только один ОКГТ, второй грозотрос – обычный, изолированный по длине ВЛ. Расчеты проведены по приведенному выше алгоритму.

Необходимые данные для расчета сведены в табл. 1. Отдельно следует отметить, что на результаты расчета особое влияние оказывает схема транспозиции фазных проводников ВЛ.

Табл. 1. Принятые данные для расчета токов и напряжений

Параметр	Обозначение	Значение	Ед. измер.
Число опор на линии (включая линейные порталы на ПС)	n	986	шт.
Средняя длина пролета	l	348	м
Рабочий ток	IА	500	А
Частота переменного тока	ƒ	50	Гц
Удельная проводимость земли	σЗ	0,02	См/м
Сопротивления заземляющего устройства опоры согласно [3, Таблица 2.5.19]	RЗУ	10	Ом
Активное сопротивление грозозащитного троса ОКГТ-ц-1-24(G.652)-11,1/68 постоянному току при 20°С	RОКГТ	0,947	Ом/км
Сопротивление заземляющего устройства подстанций	RПС	0,5	Ом
Геометрия расположения проводов и фаз для опоры 2МП500-1В
Средняя высота подвеса троса	hТ	26	м
Средняя высота подвеса фаз	hФ	16	м
Расстояние по горизонтали между фазами и тросом	а	4,9	м
		6,4
		17,7

Изменение продольного тока в тросе по длине ВЛ представлено на рис. 2, а распределение потенциалов на опорах по длине ВЛ – на рис. 3.

Рис. 2. Изменение продольного тока в тросе

Рис. 3. Распределение потенциалов на опорах по длине ВЛ

По результатам расчетов можно сделать следующие выводы:

1. Значение наведенных на фундаментах опор ВЛ потенциалов может достигать десятков вольт.
2. Изменение продольного тока в тросе происходит в следующих местах:
   – при приближении к ПС;
   – на транспозиционных и расположенных рядом опорах (опоры: 318, 660);
   – в местах изменения типа опор (опоры 1-434 – 2МП500-1В, опоры 435-984 – 2МП500-3В).
3. Наибольший потенциал на опорах возникает в местах нарушения однородности: на концах ВЛ, в местах транспозиции фазных проводников, в местах изменения геометрических параметров ВЛ и т.п.
   
   

ВЛИЯНИЕ НАВЕДЕННЫХ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ

Влияние наведенных токов и напряжений на надежность и безопасность ВЛ может иметь несколько механизмов:

1. Наведенные в нормальном режиме работы ВЛ потенциалы на опоре могут превышать допустимые значения напряжений прикосновения.
2. Возможна коррозия изолированных или частично изолированных металлических фундаментов опор ВЛ под воздействием переменных токов, а также электроэрозия элементов анкерных креплений опоры: У-образных болтов, анкерных петель, мест закреплений тросовых оттяжек и т.п. [4].
3. Стекающие с арматуры железобетонных фундаментов в бетон переменные токи могут превысить допустимые значения вследствие высыхания окружающего арматуру бетона.
4. Протекающие по грозотросу индуцированные токи как в нормальном режиме работы ВЛ, так и в аварийном могут привести к локальным нагревам троса, что может повлиять на нормальную работу оптического кабеля, встроенного в трос.

Рассмотрим потенциальную опасность каждого из перечисленных факторов.

Напряжение прикосновения
В соответствии с ГОСТ 12.1.038-82 «Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов», напряжение прикосновения при нормальном (неаварийном) режиме электроустановки не должно превышать 2 В при частоте 50 Гц. А для лиц, выполняющих работу в условиях высоких температур (выше 25°С) и влажности (относительная влажность более 75%), предельно допустимое напряжение прикосновения должно быть снижено до 0,67 В.

Коррозия и электроэрозия металла
Принято считать, что переменный ток практически не вызывает коррозии. Однако в публикациях СИГРЭ [5, 6] появилась информация о разрушении переменным током магистральных трубопроводов, находящихся в зоне влияния ВЛ. На кафедре УНЛ ЭТМ НГТУ были проведены эксперименты, показавшие, что на особенности коррозионного разрушения на переменном токе влияют дефекты в изоляционном покрытии [7]. Предположено, что при наличии токов значительных плотностей, протекающих через отверстия в изоляции, термическое воздействие электрического тока увеличивается. Это способствует отрыву частиц ржавчины с поверхности металла, что разрушает оксидную пленку, которая в обычных условиях защищает металл от дальнейшей коррозии.

Высыхание бетона
По [8] допустимая плотность тока, стекающего с арматуры в бетон, по условию невысыхания бетона составляет от 1 до 10 А/м² в зависимости от влажности окружающего грунта. Пусть на опоре, стоящей на 4 фундаментах, имеется наведенный потенциал 20 В, а сопротивление естественного заземлителя опоры – фундамента (при отсутствии искусственного заземлителя) составляет 5 Ом. Тогда ток, стекающий с заземлителя опоры, будет составлять 4 А, а плотность тока будет равна 1–1,5 А/м² для свайного фундамента длиной 8 м, что может привести к высыханию бетона и к потере несущей способности фундамента в целом.

Наведенные продольные токи
Протекающий по грозотросу ток приводит к его нагреванию. Повышенный нагрев может наблюдаться в местах закрепления троса на опоре, где через малую площадь электрического контакта ток будет стекать в опору. В аварийном режиме работы ВЛ наведенные продольные токи в тросе могут достигать тысяч ампер, приводя к нагреву мест соединения отдельных участков троса.

МЕРОПРИЯТИЯ ПО СНИЖЕНИЮ НАВЕДЕННЫХ ТОКОВ И ПОТЕНЦИАЛОВ

Если наведенные в элементах действующей ВЛ токи и потенциалы представляют опасность для нормальной работы линии, должны быть разработаны соответствующие мероприятия по снижению этих воздействий.

В качестве таких мер могут быть использованы следующие способы.

1. Снижение наведенных потенциалов может быть достигнуто снижением сопротивления заземляющего устройства опор (рис. 4).
   Увеличение сопротивления ЗУ опор приводит к увеличению наведенного напряжения на опорах ВЛ. Также увеличивается количество опор, находящихся в зоне повышенного потенциала (рис. 5). Значение продольного тока в грозотросе практически не зависит от сопротивления ЗУ опор.
2. Снижение продольных токов может быть достигнуто применением грозотроса с повышенным погонным сопротивлением, содержащим меньшее количество алюминиевых проволок (рис. 6). Данная мера приведет и к снижению наведенных потенциалов (рис. 7).
3. На ВЛ, имеющих два грозотроса, может быть применено скрещивание грозотроса в местах транспозиции фазных проводов, что при правильном расчете может значительно снизить наведенные на опорах потенциалы.

Рис. 4. Зависимость наведенного напряжения от сопротивления ЗУ опор

Рис. 5. Напряжения на опорах

Верхний график – при R_ЗУ = 30 Ом;
нижний график – при R_ЗУ = 10 Ом.

Рис. 6. Ток, протекающий в грозотросе, в зависимости от его продольного сопротивления

Рис. 7. Наведенное напряжение на опорах в зависимости от продольного сопротивления грозотроса

В приведенном выше примере выполним скрещивание тросов на транспозиционной опоре № 660. При отсутствии скрещивания тросов наведенная ЭДС до и после транспозиции отличается практически на 120° (рис. 8а), что приводит к стеканию токов, индуцированных в тросе, на землю. При выполнении скрещивания угол между наведенными ЭДС уменьшится практически до 10° (рис. 8б), что приведет к уменьшению стекания продольного тока в тросе на землю (рис. 9) и, как следствие, к уменьшению наведенного потенциала на опорах ВЛ (рис. 10).

Рис. 8. Наведенная продольная ЭДС до и после транспозиционной опоры (единицы измерения В/м):
а) без выполнения транспозиции троса;
б) при выполнении транспозиции троса

Рис. 9. Изменение продольного тока в тросе при выполнении транспозиции троса на опоре 660

Рис. 10. Изменение напряжения на фундаментах опор по длине ВЛ при выполнении транспозиции троса на опоре 660

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение на ВЛ высших классов напряжения оптических кабелей, встроенных в грозотрос (ОКГТ), электрически непрерывных и заземленных на каждой опоре, может привести к появлению токов и потенциалов, представляющих опасность для персонала и снижающих надежность ВЛ. Рассмотрение этих вопросов позволяет сделать следующие выводы:

1. Для расчетов могут быть применены известные методики расчетов влияния ВЛ на смежные коммуникации.
2. Влияние наведенных токов и напряжений, ухудшающие эксплуатационные параметры ВЛ, имеет несколько механизмов воздействия, включающих в себя как элементы электробезопасности, так и вопросы влияния токов и напряжений на отдельные элементы ВЛ – фундаменты, грозотрос, анкерные крепления.
3. Существуют методы снижения опасных наведенных токов и напряжений действующей ВЛ на элементы этой ВЛ.
   

   ЛИТЕРАТУРА

   1. Куликов Ю.А. Переходные процессы в электрических системах. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. С. 94.
   2. Михайлов М.И., Разумов Л.Д., Соколов С.А. Электромагнитные влияния на сооружения связи. М.: Связь, 1979. С. 220.
   3. Правила устройства электроустановок. ПУЭ, 7-е изд.
   4. Тарасов А.Г. Обеспечение долговечности искусственных и естественных заземлителей опор воздушных линий с оттяжками. Материалы Первой Российской конференции по заземляющим устройствам: Сборник докладов / Под ред. Ю.В. Целебровского. Новосибирск: Сибирская энергетическая академия, 2002. С. 221–228.
   5. Guide on the influence of high voltage AC power systems on metallic pipelines / Working Group 36.02 CIGRE. 1995. 145 p.
   6. AC corrosion on metallic pipelines due to interference from AC power lines / Joint Working Group C.4.2.02 CIGRE, April 2006, 110 p.
   7. Корнеев З.О., Мюльбаер А.А. Экспериментальное определение влияния переменного тока на коррозию стальных трубопроводов // Энергетика: экология, надежность, безопасность: Труды XII Всероссийского студенческого научно-технического семинара. Т. 1. Электроэнергетическое направление. Томск: ТПУ, 2010. С. 293.
   8. Бернацкий А.Ф., Целебровский Ю.В., Чунчин В.А. Электрические свойства бетона / под ред. Ю.Н.Вершинина. М.: Энергия, 1980. 208 с.