Исследование влияния грозозащитного троса на величину наведенного напряжения на отключенной Вл

DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.8.102-108 УДК 621.311

О. В. Залесова

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГРОЗОЗАЩИТНОГО ТРОСА НА ВЕЛИЧИНУ НАВЕДЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА ОТКЛЮЧЕННОЙ ВЛ

Аннотация

В работе рассматривается вопрос влияния грозозащитного троса на величину наведенного напряжения на отключенной воздушной линии электропередачи, вызванного электромагнитным влиянием тяговой сети переменного тока и действующей воздушной линии электропередачи 110 кВ. Представлены результаты расчетов наведенного напряжения для различных моделей размещения троса на ремонтируемой линии.

Ключевые слова:

грозозащитный трос, воздушная линия электропередачи, электрифицированная железная дорога переменного тока, электромагнитное влияние.

O. V. Zalesova

RESEARCH OF THE OVERHEAD GROUND-WIRE CABLE INFLUENCE ON THE VALUE INDUCED VOLTAGE IN DISCONNECTED OVERHEAD POWER LINE

Abstract

The paper discusses the effect of the overhead ground-wire cable on the value of induced voltage on the disconnected overhead power line caused by electromagnetic influence of the traction network and the operating power line 110 kV. The results of the induced voltage calculations are presented for various models of cable placement on disconnected overhead power line.

Keywords:

overhead ground-wire cable, overhead power line, AC electric railway, electromagnetic influence.

В электрических сетях для предотвращения возникновения перенапряжений или ограничения их величины применяются различные превентивные меры защиты. Так, от прямых ударов молнии, способных приводить к перекрытию изоляции и возникновению коротких замыканий в сетях, на воздушных линиях электропередачи (ВЛ) для защиты фазных проводов применяют грозозащитные тросы [1, 2]. В настоящей работе рассматривается вопрос влияния грозозащитных тросов, установленных на опорах отключенных ВЛ, на величину наведенного напряжения, возникающего на проводах этих линий.

В соответствии с Правилами устройства электроустановок [1] ВЛ класса напряжения 110-750 кВ с металлическими и железобетонными опорами должны быть защищены от прямых ударов молнии тросами на протяжении всей длины. Однако линии 110-500 кВ или их участки могут эксплуатироваться без тросовой защиты [1, 2, 3]:

• когда ВЛ расположена в районе со слабой грозовой активностью (менее 20 грозовых часов в году) и в горной местности (плотность разрядов на землю менее 1,5 на 1км2 в год);

• в районах с плохо проводящими грунтами (удельное сопротивление грунта более 1000 Ом-м);

• расположение ВЛ в особо гололедных районах (расчетная толщина стенки гололеда более 25 мм);

• для ВЛ с усиленной изоляцией провода относительно заземленных частей опоры в случае, когда расчетное число грозовых отключений ВЛ соответствует этой величине для линии данного класса напряжения снабженной грозозащитным тросом;

• когда трасса ВЛ проходит в районах с агрессивными уносами промышленных предприятий.

Исключение представляют линии 110-220 кВ, предназначенные для электроснабжения объектов добычи и транспорта нефти и газа. Они должны быть защищены от прямых ударов молнии тросами по всей длине независимо от интенсивности грозовой деятельности и удельного сопротивления земли [3].

Как правило, грозозащитные тросы располагают над фазными проводами. Их присоединяют непосредственно к заземленной опоре в конце анкерного участка длинной до 10 км путем устройства специальных перемычек на анкерной опоре, а на промежуточных опорах подвешивают на одном или двух изоляторах, зашунтированных искровым промежутком размером не менее 40 мм [2]. При большей длине анкерных пролетов количество точек заземления в пролете выбирается таким, чтобы при наибольшем значении продольной электродвижущей силы, наводимой в тросе при коротком замыкании на ВЛ, не происходил пробой искрового промежутка [1]. Количество тросов (один или два) зависит от класса напряжения линии, типа ее опор, интенсивности грозовой деятельности, а также от требований к надежности электроснабжения потребителей [4].

В Центре физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН на протяжении многих лет выполнялись экспериментальные и теоретические исследования значений наведенного напряжения на отключенных воздушных линиях электропередачи, вызванных влиянием смежных электрических сетей переменного тока. С учетом работ [5, 6] для настоящего исследования были определены три расчетные модели сближения отключенной ремонтируемой линии (РЛ) 110 кВ: 1) с тяговой сетью железных дорог переменного тока промышленной частоты, 2) с действующей ВЛ 110 кВ, размещенной на отдельных опорах, и 3) с действующей ВЛ 110 кВ в виде двухцепной линии. Схемы сближения объектов с их геометрическими параметрами представлены на рисунках 1 и 2 (а, Ъ). Длины влияющих ВЛ и РЛ во всех случаях составляли 30 км, длина однопутного участка железной дороги — 60 км.

Параметры и физические свойства проводов исследуемых линий, а также проводов контактной сети и рельсов приведены в таблице 1. Для расчетов высоты подвеса проводов ВЛ были определены по методике, представленной в работе [5]. Высоты подвеса контактного провода и несущего троса принимались равными 5 м и 6 м соответственно. Питание влияющего участка железной дороги осуществлялось с двух тяговых подстанций одновременно. Рабочая нагрузка на влияющей ВЛ и в контактной сети однопутного участка (один электроподвижной состав) задавалась равной 300 А.

m

Опора BJl

Опора КС

I/

I. 2.7 м J^

500 м

Рис. 1. Схема сближения ВЛ и контактной сети в поперечном разрезе Fig. 1. Cross-section scheme of the power line and the railway contact system

а) ' 6)

Рис. 2. Схема сближения ВЛ со смежной ВЛ в поперечном разрезе: а — две индивидуальные линии; Ь — двухцепная линия

Fig. 2. Cross-section scheme of the power lines: a — two individual lines; b — double-circuit line

Таблица 1

Параметры проводов тяговой сети и ВЛ с грозозащитным тросом

Table 1

Parameters of the traction network and the overhead power line

Свойства

Параметр Контактный провод Несущий трос Рельс Провод ВЛ Грозозащитный Трос

Тип провода ФМ-100 М-120 Р65 АС-150/24 ТК-50

Радиус провода (ш) 0.6 0.7 5.1 0.86 0.46

Сопротивление 0.176 0.156 0.13 0.194 2.86

постоянному току

Расчеты наведенного напряжения на РЛ проводились для низко проводящего грунта с удельным сопротивлением 1000 Ом-м (Арктический регион с числом грозовых часов за 2014-2016 гг. порядка 30 [7]), соответственно сопротивление опор принималось равным 30 Ом, на подстанциях — 0,5 Ом.

Во втором и третьем случаях сближения на ремонтируемой и влияющих линиях были выполнены транспозиции фазных проводов (рис. 3).

Рис. 3. Схема расположения транспозиций на РЛ и ВЛ: а — две индивидуальные линии; Ь — двухцепная линия

Fig. 3. Scheme of transpositions location on the overhead power lines (OHL): a — two individual lines; b — double-circuit line

Расчеты наведенного напряжения на РЛ выполнялись с помощью программного комплекса ATP-EMTP [8], который позволяет моделировать линии электропередачи и тяговые сети железных дорог на основе их физических параметров с учетом изменения геометрии взаимного расположения, и производить расчеты в различных режимах заземления ремонтируемой линии, задавая максимальные значения токов во влияющей сети.

Для каждого из трех рассматриваемых случаев сближения были построены следующие модели:

1) РЛ без тросовой защиты;

2) РЛ, оборудованная грозозащитным тросом только на подходах к подстанциям (по 2 км с каждой стороны);

3) РЛ защищенная тросом, разбитым на участки (по 2 км), каждый участок заземлен только с одного конца.

На основе утверждения представленного в работе [4] в расчетах по второй модели выполнялось одностороннее заземление троса в одной точке, вместо заземления троса на каждой опоре, выполненное на подходах линии к концевым распределительным устройствам подстанций. Необходимость разбиения грозозащитного троса, оснащенного на всем протяжении линии, на участки (третья модель) связана с прохождением в тросах тока промышленной частоты 50 Гц, наведенного магнитным полем фазных проводов. Данная мера способствует снижению потери активной мощности в линии.

В качестве примера на рисунке 4 (а, Ь) приведены модели сближения РЛ с тяговой сетью однопутного участка железной дороги и действующей ВЛ для третьего варианта, созданные в программе ATP-EMTP.

Рис. 4. Расчетные модели в программе ATP-EMTP: а — РЛ с тяговой сетью железной дороги; Ь — РЛ с ВЛ

Fig. 4. Calculation models in the program ATP-EMTP: a — the disconnected OHL with the electric traction network; b — the disconnected OHL with the OH

Результаты расчетов для всех построенных моделей представлены в виде графиков на рисунке 5 (а, Ь и с). Здесь можно видеть, что для всех исследуемых моделей с грозозащитным тросом, значения наведенного напряжения на проводах ремонтируемой линии практически полностью совпадают с величиной наведенного напряжения, полученной с помощью модели без тросовой защиты. Таким образом, наличие троса никак не влияет на уровень наведенного

напряжения на ремонтируемой линии, за исключением случая, если бы трос, расположенный по всей длине линии, был без разрывов и заземлен в конце каждого анкерного участка. Последнее объясняется созданием замкнутых контуров, в которых под влиянием магнитного поля рабочего тока наводится э.д.с. В этом случае для модели двухцепной линии (при минимальной ширине сближения исследуемых объектов) уровень наведенного напряжения на проводах РЛ был бы в среднем на 15 % ниже данной величины для линии без троса, для двух других моделей сближения РЛ — на 3 %.

0 3 S 9 12 15 18 21 М 27 30

Рис. 5. Наведенное напряжение на РЛ для моделей: а — РЛ с тяговой сетью железной дороги; b — две индивидуальные линии;

с — двухцепная линия, где: 1 — без грозозащитного троса, 2 — трос установлен на подходах к подстанциям, 3 — трос установлен на протяжении всей линии

Fig. 5. Induced voltage on the disconnected overhead power line for the models: a — the disconnected OHL with the electric traction network; b — two individual lines; c — double-circuit line, when: 1 — there is no the overhead ground-wire cable, 2 — the cable was installed on the approaches to the substations, 3 — the cable was

installed throughout the line

Выводы

Результаты исследования зависимости уровня наведенного напряжения от оснащения отключенной линии электропередачи грозозащитным тросом, при различных схемах его размещения на линии, показали:

1. В случаях схем, когда трос установлен только на подходах к подстанциям или делится по всей длине линии на односторонне заземленные участки, что не позволяет создавать дополнительных замкнутых контуров с током, изменение значения наведенного напряжения на линии не наблюдается по отношению к данной величине для схемы без тросовой защиты.

2. Заметное снижение наведенного напряжения на РЛ было бы возможно только в случае, если грозозащитный трос проходит непрерывно вдоль всей линии с частым заземлением на концах анкерных участков и на подстанциях, когда ширина сближения между отключенной и влияющей линиями минимальна.

Литература

1. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). Глава 2.5. Воздушные линии электропередачи напряжением выше 1 кВ (издание седьмое). Приказ Минэнерго России от 20.05.2003 № 187.

2. Халилов Ф. Х. Средства защиты от перенапряжений. Молниезащита и электромагнитная совместимость в электроэнергетике, 2012 г. 72 с.

3. СТО 56947007-29.240.01.221. 2016. Руководство по защите электрических сетей напряжением 110-750 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений. ПАО «ФСК ЕЭС». 2016. 46 с.

4. Дмитриев М. В., Родчихин С. В. Грозозащитные тросы ВЛ 35-750 кВ. Выбор мест заземления // Новости ЭлектроТехники. 2017. № 2(104). С. 2-5.

5. Залесова О. В., Селиванов В. Н. Расчёт наведённого напряжения на отключённых линиях электропередачи 110 кВ // Труды Кольского научного центра РАН. 2015. № 2 (28). С. 87-98.

6. Залесова О. В. Моделирование электромагнитного влияния контактной сети железной дороги на отключенные воздушные линии электропередачи с помощью программы АТР-ЕМТР // Вестник МГТУ. 2016. Т. 19, № 4. С. 715-722.

7. Бурцев А. В. Опыт регистрации грозовой деятельности на Кольском полуострове с целью выбора средств молниезащиты воздушных линий электропередачи // Труды Ферсмановской научной сессии ГИ КНЦ РАН. 2017. № 14. С. 355—357.

8. Селиванов В. Н. Использование программы расчета электромагнитных переходных процессов АТР-ЕМТР в учебном процессе. Вестник МГТУ, т. 12, № 1, 2009 г. С. 107-112.

Сведения об авторах

Залесова Ольга Валерьевна,

научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера — филиала Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Кольский научный центр Российской академии наук».

Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А эл.почта: Drozdova_nord@mail.ru