ДВУХЦЕПНАЯ (КВАДРУПОЛЯРНАЯ) ВОЗДУШНАЯ ЛИНИЯ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ПОСТОЯННОГО ТОКА СВЕРХ- И УЛЬТРАВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Двухцепная (квадруполярная) воздушная линия электропередачи постоянного тока сверх- и ультравысокого напряжения
Полезная модель относится к многопроводным воздушным линиям электропередачи постоянного тока высокого, сверх- и ультравысокого напряжения, применяемым в главных схемах сетей постоянного тока.
Уровень техники
Известны двухцепные и вообще многоцепные воздушные линии электропередачи переменного тока, содержащие Зи расщепленных проводов (где п - число цепей) и грозозащитные тросы. Многоцепные линии переменного тока широко используются во многих странах (Японии, Франции, Германии и других). Наиболее распространенными являются схемы опор, показанные на рис.1 и 2. Многоцепные линии постоянного тока пока не используются, но они потребуются в ближайшие годы в регионах с высокой плотностью населения.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа для предлагаемой модели, является полезная модель Х 15821 МПК HO2J 1/00 - Многопроводная воздушная линия постоянного тока высокого напряжения (авторы В.И. Галанов, Д.Е. Кадомский, Н.Н. Тиходеев, B.C. Чудный). Однако, в известных аналогах и прототипе отсутствуют какие-либо сведения об экологической стороне воздушной линии постоянного тока, касающейся обеспечения наиболее щадящих условий для населения по концентрации ионов, дрейфующих от коронирующих полюсов к земле, например, использование нижнего яруса опоры только под полюса отрицательной полярности.
В существующем прототипе в нижнем ярусе размещаются два полюса разной полярности (по аналогии с биполярными линиями, которые использованы во всех реализованных проектах линий передачи постоянного тока). Это делается для уменьщения напряженности электрического поля под полюсами линии у земли.
В существующем прототипе нет указаний на возможность снижения концентрации положительных ионов у земли за счет выбора и оптимизации геометрических размеров промежуточной опоры и конструкции полюсов квадруполярной линии, что является сложной комплексной задачей, которая может быть рещена только на основе исследований на опытной линии и расчетов, проводивщихся в НИИПТ.
Сущность полезной модели
сами линии. Это достигается за счет исключения негативного влияния на человека положительных ионов путем заполнения пространства между нижними коронирующими полюсами отрицательной полярности и землей дрейфующими отрицательными ионами, оказывающими благоприятное воздействие; при этом концентрация ионов, дрейфующих в воздухе от полюсов на землю, по проведенным измерениям, может на 3 - 5 порядков превышать естественную концентрацию ионов в воздухе (10 - 10 ).
Указанная цель достигается тем, что в двухцепной (квадруполярной) воздушной линии электропередачи постоянного тока, содержащей четыре полюса (расщепленных провода) и два грозозащитных троса с отрицательными углами защиты, два отрицательных полюса расположены в нижнем ярусе (на нижней траверсе) опоры, а два положительных полюса - в верхнем ярусе (на верхней траверсе) опоры; геометрические размеры промежуточной опоры выбираются из условия:
где Я - высота подвески полюсов нижнего яруса на опоре; АЯ - расстояние между полюсами верхнего и нижнего ярусов по вертикали; Д - то же, но по горизонтали;
Р - отношение концентраций отрицательных и положительных ионов у земли под нижним полюсом;
превышение грозозащитных тросов на опоре над положительными полюсами верхнего яруса опоры Д/г выбирается из соотношения
,,5,
где Лт - высота подвески грозозащитных тросов; Я2 - высота подвески полюсов верхнего яруса на опоре;
Z,r - длина гирлянды изоляторов, причем для подвески полюсов верхнего яруса используется одиночная вертикальная гирлянда.
Для реализации полезной модели необходимо определить:
1)расположение полюсов разной полярности по ярусам (траверсам) так, чтобы получить наименьшее влияние линии на окружающую среду;
2)максимальную концентрацию ионов и,, под полюсами воздушной линии и минимальный габарит полюсов нижнего яруса (,Н) над землей, обеспечивающий предельно допустимую и или более низкую концентрацию ионов;
3)максимальную напряженность электрического поля Е у земли под полюсами воздушной линии с учетом дрейфующих от полюсов квадруполярной линии ионов, повышающих электростатическую напряженность поля непосредственно под полюсами линии в 1,5 - 2,5 раза; сопоставить Е, с предельной допустимой напряженностью °,, которая, по результатам исследований, проведенных в б. СССР и России, может бьггь принята равной вплоть до 40 кВ/м, и, при необходимости, принять меры для ее ограничения (например, за счет увеличения Я,,);
У(Я,+АЯ)Ч(ДЬ)
щ 4)максимальное допустимое расстояние ЛЯ между полюсами нижнего и верхнего ярусов опоры так, чтобы, с одной стороны, исключить пробои в пролетах между полюсами разной полярности при пляске проводов с отложенным на них гололедом, а, с другой стороны, максимально сократить это расстояние для наибольшего ответвления отрицательных ионов на положительные полюса;
5)взаимное расположение верхних положительных полюсов и грозозащитных тросов (угол защиты а и превышение тросов над полюсами на опоре АЛ) для обеспечения высокой грозоупорности квадруполярной линии;
6)ширину полосы вдоль линии, за пределами которой обеспечивается уверенный радиоприем.
Поставленная задача создания двухцепной (квадруполярной) воздушной линии электропередачи постоянного тока сверх- и ультравысокого напряжения решается по всем пунктам (1 - 6) на основе результатов экспериментальных исследований, проведенных на опытной квадруполярной линии АО ЫИИПТ, а также расчетных исследований, базирующихся на экспериментах.
Перечень фигур (чертежей)
Дальнейшее изложение поясняется с помощью рисунков, на которых представлена система подвески полюсов квадруполярной воздушной линии электропередачи постоянного тока.
На рис.3 показана обычная подвеска полюсов квадруполярной воздушной линии электропередачи, заимствованная из описания полезной модели-прототипа Многопроводная воздушная линия постоянного тока высокого напряжения (№ 15821, МПК HO2J 1/00, 1/08) - с дополнительными проводами, предназначенными для возврата тока несимметрии, которые, в зависимости от специфики участка воздушной линии и проекта, могут присутствовать или отсутствовать в настоящей полезной модели.
На рис.4 (в том же масштабе, что и рис.3) для предлагаемой полезной модели показан пример подвески полюсов и грозозащитных тросов, образующих отрицательный угол защиты с полюсами верхнего яруса.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели В соответствии с предлагаемой полезной моделью, двухцепная (квадруполярная) воздущная линия электропередачи постоянного тока (рис.4) содержит:
-два полюса отрицательной полярности (1 и 2), обязательно размещаемые в нижнем ярусе опоры;
-два полюса положительной полярности (3 и 4 ), размещаемь,1е в верхнем ярусе опоры;
-два грозозащитных троса (5 и 6), каждый из которых размещается над положительным полюсом и образует с ним отрицательный угол (а 0); если из-за особенностей климата на проводах не образуется гололед и изморозь и пляска проводов не возникает, для защиты полюсов положительной полярности применяется нулевой угол грозозащиты
(a.  0), в регионах с наиболее активной грозовой деятельностью (с числом часов с грозами за год более 200) используется третий дополнительный трос, который образует положительные углы защиты (а  0).
На реверсивной передаче постоянного тока при изменении направления передачи электрической энергии отрицательная полярность нижних полюсов на опоре должна сохраняться.
Выбор основных габаритов предлагаемой квадруполярной линии постоянного тока, в отличие от прототипа, должен включать решение следующих основных задач:
-расстояние в свету между эллипсами, по которым в процессе пляски движутся в пролете обледеневшие полюса, должно иметь электрическую прочность, превышающую двойное полюсное напряжение 2и„ для исключения короткого замыкания между полюсами разной полярности; размеры самих эллипсов пляски принимаются в соответствии с рекомендациями ПУЭ для воздушных линий 500 кВ и 750 кВ;
-расстояние в свету между эллипсами, по которым в процессе пляски движутся в пролете обледеневщие полюс и грозозащитный трос, должно иметь электрическую прочность, превышающую полюсное напряжение Un для исключения короткого замыкания между полюсом и фозозащитным тросом;
-снижение минимального габарита Я,„ не должно нарущать рекомендации ПУЭ с точки зрения обеспечения беспрепятственного и безопасного движения под линией крупногабаритного транспорта (высотой до 4,5 м);
-двухцепная (квадруполярная) линия должна обеспечивать взаимопомощь цепей при аварии оборудования на одном полюсе преобразовательной подстанции, поэтому провода полюсов должны допускать длительную токовую перегрузку в заданных пределах (вплоть до двойного);
-совместный выбор и оптимизация величины Я,,, взаимного расположения и конструкции полюсов квадруполярной линии должны обеспечивать заданное превышение концентрации отрицательных ионов над положительными.
Для того, чтобы пространство между воздушной линией и землей было заполнено преимущественно отрицательными ионами, геометрические размеры промежуточной опоры должны удовлетворять неравенству:
где HI  Himn +/- высота подвески полюсов нижнего яруса на опоре ( стрела провеса провода);
Д// - расстояние между полюсами верхнего и нижнего ярусов по вертикали; Д6 - то же, но по горизонтали;
3 - отнощение концентраций отрицательных и положительных ионов у земли под нижним полюсом в точке А (рис.4); для практических целей можно принять Р  10.
2iooi - oiSeff
(з/р
1
,,+6,5,
где ДА - расстояние между полюсами верхнего яруса и грозозащитными тросами по вертикали;
AT - высота подвески грозозащитных тросов; Нг  //2min +/ - высота подвески полюсов верхнего яруса на опоре; Lr - длина гирлянды изоляторов.
Для подвески полюсов верхнего яруса применяется одиночная вертикальная гирлянда, что повыщает ее импульсную прочность.
Комплекс грозозащитных мероприятий должен обеспечить высокую грозоупорность квадруполярной линии: удельное число грозовых отключений положительного полюса квадруполярной линии (в расчете на 100 км линии и 1 год ее эксплуатации) не должно превыщать  этот показатель достигается специальным взаимным расположением грозозащитных тросов и полюсов, резко снижающим финальную ориентацию молнии на положительный полюс линии.
Перечисленные отличия и особенности полезной модели двухцепной (квадруполярной) линии постоянного тока сверх- и ультравысокого напряжения создают следующие преимущества:
1.Обеспечивается экологическая чистота квадруполярной линии по фактору влияния на человека высокой концентрации ионов в воздухе (в 10 - 10 раз большей, чем естественная); это осуществляется за счет расположения отрицательных полюсов линии в нижнем ярусе опоры и заполнением пространства от этих полюсов до земли отрицательными ионами, которые, как это было показано А.Л. Чижевским в 30-е годы /1/, при концентрации 10 - 10 полезны для дыхания человека и используются в лечебных целях.
2.Сокращается высота опоры на 3 - 5 м и ее стоимость на 10 - 15% (в зависимости от полюсного напряжения линии +(/«) за счет ответвления ионов от полюсов нижнего яруса к полюсам верхнего яруса. Этот эффект может бьггь усилен за счет специального взаимного расположения полюсов разной полярности.
3.Высокая эксплуатационная надежность квадруполярной линии достигается специальным расположением полюсов и грозозащитных тросов на опоре и в пролете, исключающем короткие замыкания между ними при пляске полюсов и тросов и обеспечивающем малую вероятность прорыва молнии на положительные полюса линии. Вероятность ориентации молнии на отрицательные полюса квадруполярной линии близка к нулю, так как их потенциал отрицателен и на lUn ниже по отнощению к отрицательному потенциалу молнии, чем у положительных полюсов.
Квадруполярная линия, выполненная в соответствии с формулой настоящей полезной модели, обеспечит радикальное снижение экологического влияния, ija человека повыщенной концентрации ионов при значительном снижении минимального габарита от нижних отрицательных полюсов до земли и экономию за счет этого стали на опоры.
Литература
1.Чижевский А.Л. Аэроионы в народном хозяйстве. 1-е издание: Госпланиздат, Москва, 1960, 758 с.; 2-е издание: Стройиздат, Москва, 1989, 485 с.
2.Кутузова Н.Б., Тиходеев Н.Н. Характеристики униполярных ионных токов короны от полюсов до земли у биполярных воздушных линий СВН и УВН постоянного тока. Известия НИИПТ, №57, 2000, с. 37 - 63.
3.Полезная модель № 15821, МПК H02J, 1/00; H02g7/00, 7/20 Многопроводная воздушная линия постоянного тока высокого напряжения (авторы: В.И. Галанов, Д.Е. Кадомский, Н.Н. Тиходеев, B.C. Чудный).