5. Особенности передачи электроэнергии по воздушным линиям постоянного тока
Одной из основных проблем при проектировании передач постоянного тока (ППТ) являются эффекты, обусловленные короной. При этом имеются в виду не только экономические факторы, связанные с потерями электроэнергии, но и сопутствующие нежелательные эффекты такие, как радиопомехи, акустические шумы и присутствие заряженных ионов в пространстве вокруг линии. Последний из упомянутых эффектов — существование объемного заряда — проявляется в значительном влиянии на статические электрические поля линии и, как следствие этого, имеет важное значение при рассмотрении влияния воздушных линий постоянного тока на окружающую среду.
В настоящее время при анализе влияния ППТ сверхвысокого напряжения наибольшее внимание уделяется определению распределения ионного тока и напряженности электрического поля. Работа таких линий сопровождается непрерывным направленным движением ионов от коронирующего провода линии: движение под действием поля провода с противоположной полярностью, движение под действием ветра и движение к поверхности земли. При униполярной ППТ полярность ионов совпадает с полярностью коронирующего провода, при биполярной ППТ ионы каждой полярности генерируются вблизи соответствующего полюса линии (рис. 5.1). В пространстве между каждым полюсом и землей располагаются ионы со знаком, соответствующим полярности полюса. В зоне между полюсами присутствуют ионы обеих полярностей, что приводит к рекомбинации ионов. Таким образом, влияние воздушной линии постоянного тока на окружающую среду многограннее, чем ВЛ переменного тока.
Воздействие на окружающую среду можно разделить на три составляющих, характеризующихся:
— плотностью тока потока ионов J;
— плотностью объемного заряда ионов;
— электрическим
полем от провода Епров
и объемного заряда ионов Еион.
Кроме того, протекание постоянного тока в проводе сопровождается постоянным магнитным полем (для ППТ ±500 кВ—0,022 мТ).
Ток потока ионов, т. е. плотность тока /, определяется
значением и направлением вектора напряженности Ев данной точке. Для биполярной ППТ
где р+, р- —объемные заряды, генерируемые короной ППТ;
К+, К-—подвижность ионов у полюсов передачи.
На напряженность оказывают влияние, с одной стороны, геометрия проводов линии, их взаимное расположение и значение приложенного к ним потенциала и, с другой стороны, все заряды, распределенные в пространстве, которые сильно зависят от состояния окружающей среды (силы ветра, влажности, запыленности, температуры). Таким образом, вектор
напряженности Еопределяется как потенциалом, приложенным к электродам, так и распределенным в пространстве объемным зарядомр,генерируемым короной, который сам
по себе движется под воздействием Е:
На рис. 5.2 представлена расчетная характеристика распределения напряженности электрического поля относительно средней линии ППТ ±400 кВ для определенных показателей окружающей среды. Расстояние между полюсами (2 провода на полюс) 10 м, эквивалентная высота подвески полюса над землей 10 м.
На линии постоянного тока только положительный провод излучает значительное паразитное поле. Процесс ионизации вблизи отрицательного провода хотя и вызывает потери того же порядка, что и потери вблизи положительного провода, но проходит с малой прерывистостью поля.
При дожде ионизация более существенна, поскольку капли сильно увеличивают неровности на проводе, способные вызвать кистевые разряды. При дожде растут потери на корону, а поле радиопомех появляется при слабых напряжениях в сухую погоду из-за увеличения числа неровностей и растет значительно медленнее с ростом напряжения. Для обычных рабочих напряжений наблюдается более слабое паразитное поле при дожде, чем в сухую погоду, это можно объяснить появлением «местных корон». В дождь уровень радио' помех колеблется от 2 до 9 дБ.
Существует гипотеза по указанному явлению: поглощение высоких частот значительнее в пространстве, заключенном между проводами и землей, в среде, тем более ионизированной, чем сильнее ионизация в непосредственной близости от проводов.
Акустические шумы ППТ также возникают в основном у положительного провода, хотя их уровень ниже, чем у ВЛ переменного тока того же класса напряжения. Так, для ППТ ±500 кВ уровень шума составляет 40 дБА. Следует отметить тот факт, что это значение сильно колеблется в зависимости от состояния окружающей среды, влияющей на объемный ионный заряд ППТ, тогда как уровень шума ВЛ переменного тока достаточно стабилен при любой погоде.
Исследования ППТ ±400 кВ в США показали, что озон, производимый линией, незначительно влияет на окружающую среду.
Эффекты воздействия поля ППТ на людей и транспортные средства менее значительны, чем у ВЛ переменного тока того же класса напряжения, так как порог ощущения постоянного тока гораздо выше, чем переменного. У мужчин порог ощущения постоянного тока составляет 5,2 мА, у женщин — 3,5 мА. Для сравнения порог ощущения переменного тока — 1,0 мА и 0,7 мА соответственно.
Ток ионного потока под ППТ во много раз меньше порога ощущения человека. Измерения, проведенные американскими учеными, показали, что в области напряженности электрического поля 40 кВ/м этот ток составляет 0,003— 0,004 мА.
Вблизи линий постоянного тока заряды могут накапливаться на объектах, изолированных от земли, но в силу сильной зависимости от параметров внешней среды величина этих зарядов не представляет реальной опасности для здоровья человека. Это подтверждает практика эксплуатации ППТ, которая говорит о том, что обслуживающий персонал значительно меньше ощущает эффекты воздействия электрического поля, чем на ВЛ переменного тока того же класса напряжения.
На молочных фермах, расположенных в непосредственной близости от ППТ ±400 кВ, не обнаружено изменений ни в составе молочной продукции, ни в процессе воспроизводства скота (данные США 1986 г.). А наблюдаемые положительные терапевтические эффекты от отрицательно заряженных ионов в воздухе вблизи ППТ привели даже к промышленному выпуску установок, производящих отрицательные ионы для лечения некоторых заболеваний и целому ряду медицинских исследований в этой области.
Зона отчужденной земли воздушных ППТ меньше, чем у аналогичных ВЛ переменного тока, хотя проблемы социальной подсистемы воздействия передач электроэнергии на окружающую среду столь же остры.