Экологические аспекты передачи электроэнергии. Электрические поля воздушных линии электропередачи и способы снижения напряженности поля под ними

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 ВЛ 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 ВЛ 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 выровнены путем уве­личения радиуса расщепления крайних фаз, имеем

Полагая h=0, вычислим распределение напряженности Е поверхности земли поперек линии (вдоль координаты х) 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 Еmax 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 q, 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 ВЛ 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 ВЛ 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 ВЛ 400 кВ представлена на рис. 1.2.

Расчетные зависимости подтверждены результатами на­турных измерений напряженности электрического поля ВЛ. На рис. 1.3 представлены некоторые числовые характеристи­ки ВЛ 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 ВЛ 380 кВ.

Рис. 1.3. Значения электрического, магнитных нолей и уровня акустического шума ВЛ

переменного тока на различных рас­стояниях от центра электропередачи

На рис. 1.4 в виде диаграмм представлены значения абсолютных максимумов напряженности электрического поля Еmax 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.

Одним из способов уменьшения напряженности электриче­ского поля под ВЛ является установка экранирующих за­земленных тросов, натягиваемых под проводами линии в местах интенсивного перемещения животных, автотранспор­та, а также производства сельскохозяйственных работ. Габа­рит до земли нормируется перемещением механизмов высо­той до 4,5 м. Наведенные на заземленных тросах заряды частично компенсируют поле проводов линии и снижают напря­женность поля независимо от радиуса троса.

Если экраны под проводами фаз выполнить в виде линии электропередачи более низкого класса напряжения, то имеем случай комбинированной ЛЭП. Это линия с пониженным эко­логическим влиянием, обусловленным разной ориентацией в пространстве векторов напряженности электрического поля от каждой цепи. Эксплуатация же двухцепной линии с раз­ными системами напряжений связана с трудностями, обус­ловленными их взаимным электромагнитным влиянием и су­щественным изменением параметров обеих цепей по сравне­нию с одноцепными линиями, особенно параметров нижней цепи.

Ограничение напряженности поля под ВЛ может быть достигнуто без изменения конструкции линии при использо­вании растительного массива под линиями.

Деревья и кустарники обладают экранирующим эффек­том, аналогичным эффекту от заземленных металлических экранов, что может оказаться одним из эффективных и пер­спективных способов ограничения напряженности электриче­ского поля на высоте, соответствующей среднему росту че­ловека.

На рис. 1.5 представлены зависимости экранирующе­го влияния отдельных кустарников на опытном пролете ли­нии класса 1200 кВ. В пределах куста напряженность поля равна нулю, а наличие под проводами массива кустарников площадью 3×4 м² и высотой 3 м позволило расширить зону нулевой напряженности.

Физическая сущность защитного действия кустарников заключается в том, что живые кусты, обладая достаточной проводимостью, выносят потенциал земли на высоту, превы­шающую рост человека, чем и создается экранирующий эф­фект.

Напряженность поля в массиве растительности обуслов­лена падением напряжения от емкостного тока на активном сопротивлении веток, равного

где Iс — часть полного тока смещения, протекающего через зону растительности шириной 1 м;

где Uф — фазное напряжение линии; Н — расстояние от про­вода до земли; r_э — эквивалентный радиус расщепленного провода; Rв — сопротивление массива кустарника шириной 1 м:

Rв = r_э l_в/n_в (1.10)

где r_в—погонное сопротивление ветки; l_в—длина веток;

n_в — число веток на 1 м² растительного массива.

Получено значение r_в =1—3,5 Ом/м в летнее время и 100—500 МОм/м зимой, причем при температурах наружного воздуха ниже —10°С это сопротивление может достигать 2000—5000 МОм/м. Сопротивлением корней деревьев в этом случае можно пренебречь.

В этом случае максимальное падение напряжения на рас­тительности при n_в =40 и l_в =1,5 м равно

Расчеты показывают, что напряженность поля в массиве растительности, обусловленная падением напряжения от ем­костного тока на активном сопротивлении веток, при положи­тельных температурах ничтожно мала и заметно повышает­ся при снижении температуры, но при высоте растительности 3 м не превосходит 0,35—0,7 кВ/м для линий напряжением 330 кВ и 1—2 кВ/м—для линий напряжением 750 кВ. На тонких верхних ветках падение напряжения больше, на ство­лах значительно меньше.

Таким образом, в пределах роста человека напряженность поля будет в 2—3 раза меньше, чем на уровне кроны деревь­ев. Это свидетельствует о высокой надежности использования растительного массива для ограничения напряженности электрического поля под линиями электропередач переменно­го тока.