Электрические поля воздушных линий электропередач

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОЛЯ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ.
Санитарные нормы и правила по защите населения регламентируют максимальную напряженность поля на высоте 1,8 м над землей. Нормируемые напряженности должны обеспечивать защиту от всех видов воздействия воздушных линий электропередачи, ограничивая, в частности, до безопасного уровня электростатические наводки на транспортные средства таким образом, чтобы ток, стекающий с человека в землю при контакте с транспортными средствами, не превышал допустимого — 6 мА.
Алгоритмы расчета трехмерных электрических полей в электроустановках базируются на использовании метода эквивалентных зарядов. Главной особенностью метода является то, что расчет эллиптически поляризованного электрического поля заменен расчетом двух электростатических полей Е1 и E2, геометрия которых такая же, как и у исходного электрического поля. Так, в общем случае провода воздушных линий могут располагаться на различной высоте над поверхностью земли (h), которую целесообразно в расчетах напряженности поля принять одинаковой (рис. 1.1) Потенциал человека относительно земли, а также ток, протекающий через человека, определяются вертикальной составляющей напряженности поля. Пренебрегая активными проводимостями крайних фаз и полагая, что параметры фаз выравнены путем увеличения радиуса расщепления крайних фаз, имеем

Полагая h=0, вычислим распределение напряженности v поверхности земли поперек линии (вдоль координаты л’) для моментов времени, соответствующих максимуму зарядов на крайней и средней фазах В этом случае согласно принятым допущения

либо


При этом получаем [1]

При изменении х максимальное значение каждого члена в квадратных скобках достигается непосредственно под соответствующим проводом {xDo, x—Do). Анализ выражений (1.4) и (1.5) показывает, что при указанных условиях максимум напряженности поля под крайней фазой (1.4) больше, чем под средней фазой (1.5). Поэтому расчет £’max будем проводить по выражению (1.4) при xDo. После некоторых простейших алгебраических преобразований получаем

При увеличении отношения Do/H максимальная напряженность поля увеличивается из-за уменьшения влияния соседних проводов, характеризующихся отрицательными членами в (1.6).
Таким образом, при нормированном значении Етах из выражения (1.6) легко можно установить связь между параметрами линии: зарядом т, габаритом до земли Нтiп (в средней точке пролета) и междуфазным расстоянием Do. Причем

где С—емкость линии; Uнp—наибольшее рабочее линейное напряжение.
Расчет габарита линии определяет во многом ее конструктивные особенности при проектировании. Здесь снижение напряженности поля под ВЛ позволяет создать компактные линии напряжением 220—500 кВ. Для воздушных линий 750 кВ и выше создание компактных линий приводит к значительному уменьшению необходимого габарита до земли, но все же он остается большим, особенно для населенной местности. В связи с этим для ВЛ 750 кВ и выше актуальна задача разработки мер ограничения напряженности поля вдоль всей электропередачи, а для воздушных линий 500 кВ — в основном для населенной местности.
Созданные программы расчета параметров электрического поля позволяют получить зависимость изменения напряженности по мере удаления от проекции проводов средней фазы. Такая зависимость для воздушных линий 400 кВ представлена на рис. 1.2.
Расчетные зависимости подтверждены результатами натурных измерений напряженности электрического поля воздушной линии. На рис. 1.3 представлены некоторые числовые характеристики воздушных линий 110, 220, 500 кВ в зависимости от расстояния от линии.
Расчеты показывают, что для линий 330, 500 кВ при минимальной высоте подвеса, а для 750 кВ и выше при любой высоте подвеса, абсолютные максимумы Етах находятся вне междуфазного пространства и расположены на расстоянии 1—3 м от проекций крайних фаз на землю. Увеличение высоты подвеса проводов дает существенное снижение напряженности, при этом максимумы напряженности смещаются еще дальше от проекций крайних фаз на землю.
Одновременно наблюдается незначительный рост напряженности поля примерно на 0,05 кВ/м на каждый метр изменения высоты в междуфазном пространстве вблизи оси линии. Для линий 330 и 500 кВ при средней и максимальной высотах подвеса абсолютные максимумы напряженности расположены между средней и крайними фазами.

Рис. 1.2. Зависимость изменения напряженности электрического поля и его распределение в земле воздушных линий 380 кВ’
На введенной в строй в 1985 г. первом участке ЛЭП УВН напряжением более 1000 кВ проведены исследования влияния поля воздушной линии на окружающую среду.
В результате для того чтобы снизить максимальную напряженность электрического поля около земли под линией до допустимой по санитарным нормам СССР (15 кВ/м на высоте 1,8 м и при температуре воздуха 32°С), габарит рас-

Рис. 1.3. Значения электрического, магнитных нолей и уровня акустического шума воздушных линий переменного тока на различных рас-стояниях от центра электропередачи
щепленного провода (8ХАСЗЗО; шаг расщепления 40 см) над землей был увеличен до 17,3 м. Граница санитарно-защитной зоны составила по расчетам и измерениям 80±5 м от оси линии.
Максимальный протекающий через человека ток «короткого замыкания», измеренный под линией в точке с максимальной напряженностью поля (£’max=15 кВ/м), не превосходит 0,225 мА, что соответствует значению тока, едва ощущаемому лишь 1 % людей.
Однако реальную опасность может представить ток, длительно протекающий через человека при его прикосновении к наиболее крупногабаритной сельскохозяйственной машине на резиновом ходу. Для уменьшения влияния комбайнерам рекомендуется работать поперек трассы линии.
Для пересечения линии напряжением более 1000 кВ с автодорогами напряженность £max была снижена до 10 кВ/м с учетом возможных более неблагоприятных подстилающих условий для машины (сухой асфальт) и человека (мокрая обочина шоссе).

На рис. 1.4 в виде диаграмм представлены значения абсолютных максимумов напряженности электрического поля £’max на уровне 1,8 м от земли для обычных одноцепных линий электропередачи высокого и ультравысокого напряжений при минимальной, средней и максимальной высотах подвеса проводов. Распределение напряженности электрического поля под компактными линиями существенно отличается. Она достигает абсолютных максимумов непосредственно вблизи проекции средней фазы и резко снижается при удалении от нее. Зона с напряженностью более 5 кВ/м, где ограничивается пребывание человека, занимает полосу шириной не более 20 м при Uном=750 кВ и 22 м при Uном>1000 кВ, не выходя, таким образом, за междуфазное пространство, вместо соответственно 60 и 90 м у обычных линий электропередачи. Это обстоятельство позволяет устанавливать существенно меньшие полосы отчуждения для компактных линий. Однако следует предвидеть более интенсивное воздействие электрического поля в междуфазном пространстве компактных линий, что предъявляет более высокие требования к защитным костюмам ремонтного персонала при выполнении работ под напряжением.