Линии электропередачи 345 кВ и выше - Электростатическое влияние

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ВЛИЯНИЕ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ И ПОДСТАНЦИЙ
ДЕНО, ЗАФАНЕЛЛА

1. ВВЕДЕНИЕ

Промежутки между воздушными линиями электропередачи и окружающими объектами предусматриваются в первую очередь для того, чтобы исключить возможность перекрытия. С появлением передач СВН и в — будущем— УВН необходимо принять во внимание то, что для этих линий появляются дополнительные требования к конструкции, чтобы избежать чрезмерных зарядных токов, наведенных напряжений и других нежелательных эффектов.
В главе суммируются опытные данные, полученные на установке УВН, приводятся вычисления величин, характеризующих электростатическое влияние, дается оценка ограничивающих условий, накладываемых на конструкцию линии влиянием ее электростатического поля на людей и животных.
Для оценки электростатического влияния учитываются значения наведенного тока, напряжения и энергии. Будет показано, что для каждого случая эти величины зависят от геометрии местности и объекта, а также от напряженности у поверхности земли. Таким образом, «электростатические эффекты» коррелированы с напряженностью на уровне земли Е, который поэтому рассматривается как параметр, характеризующий конструкцию.
Методы вычисления и расчетные кривые Е для всех видов линий приведены в § 8.3. Электростатическое влияние и связь его с Е рассмотрены в § 8.5—8.9. Общий обзор и обсуждение расчета воздушных промежутков исходя из электростатического поля представлены в § 8.10, 8.11.

1. НАПРЯЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ У ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ

Цель этого параграфа — уяснить сущность и предельно допустимое значение напряженности.E как количественной меры электростатических воздействий. Определяется напряженность без учета влияния объектов, для которых рассматривается электростатическое воздействие.

Рис. 8.2.2. Эквивалентная схема Нортона.
Электростатические воздействия могут рассматриваться вне связи с особенностями геометрии линии и напряжением, если прибегнуть к описанию локального электрического поля.

Рис. 8.2.1. Эквивалентная площадь тела.
U=/aZ03.
80Е — заряд смещения на единицу площади; 5 — эквивалентная площадь тела; h — его эффективная высота.
В этом случае нужные критерии можно установить, используя Е как аргумент. Это приближение имеет достаточную точность, если расстояние между объектом и проводом, находящимся под напряжением, больше, чем разрядный промежуток.
Связь между наведенными токами и напряженностью на поверхности земли Е. На рис. 8.2.1 показана конфигурация промежутка для рассматриваемого случая. Анализ показывает, что заряд на объекте, расположенном близко к поверхности земли, может быть выражен следующим образом:
(8.2.1)
где Е — напряженность у земли в отсутствие объекта; h— эффективная высота объекта над землей (Eh — потенциал объекта, когда он изолирован от земли); Cq3 — его емкость относительно земли. Емкость объекта относительно линии обычно менее 1% Соз» и ее можно рассматривать как часть общей емкости.
Ток /3, наведённый электростатическим полем на теле, — это ток, который может быть измерен при глухом соединении тела и земли:
(8.2.2)
(8.2.3)
Это соотношение удобно записать как
(8.2.4)
где /сое0Е — ток смещения на единицу площади;
эквивалентная площадь.
Уравнение (8.2.4) определяет эквивалентную площадь S (рис. 8.2.1), которая является функцией только геометрических размеров тела.
Эквивалентное представление объекта в электрическом поле. Если объект не заземлен непосредственно, ток /3 можно применить к уравнению эквивалентной цепи Нортона (рис. 8.2.2), чтобы вычислить наиболее удобным способом установившуюся и переходную составляющие, встречающиеся на практике. Установившееся напряжение
(8.2.5)
Запасенная энергия является функцией емкости объекта относительно земли С0з и напряжения EУи.о, наведенного в изолированном от земли объекте, причем

1.  (8.2.7)

8-3. ВЫЧИСЛЕНИЕ Е
Поставленные под напряжение воздушные линии создают электрическое поле между проводником и} поверхностью земли. Определение Е затрудняется для пересеченной местности или вблизи таких объектов, как автомобили, здания и т. д. В дальнейшем определяется напряженность для абсолютно ровной местности, горизонтального провода при отсутствии всяких предметов.
Общий метод. Этот метод вычисления подходит для самого общего случая. Необходимо рассматривать все проводники, включая нулевой провод. При расщеплении фазы следует рассматривать эквивалентный одиночный проводник, диаметр которого
(8.3.1)
где D0 — диаметр расщепления, т. е. диаметр окружности, на которой лежат составляющие фазу провода; п — число этих проводов; d — диаметр провода.
Заряды Q на проводниках определяются через напряжение U и потенциальные коэффициенты Максвелла следующим образом:
(8.3.2)
Напряжение и заряды можно представить как комплексные величины, тогда матричное уравнение (8.3.2) справедливо для действительной и мнимой частей:
(8.3.3)
откуда
(8.3.4)
Элементы матрицы задаются следующим образом:
(8.3.5)
(8.3.6)
где Нх— высота проводника х над землей; dx—-диаметр проводника; Lxy — расстояние между проводниками х и у\ L'Xy — расстояние между проводником х и изображением проводника у.
Составляющая напряженности Ех, обусловленная зарядом проводника х:

где Qrx и Qix — соответственно действительная и мнимая части заряда этого проводника; Lx— расстояние по горизонтали от проводника до точки на поверхности земли, в которой вычисляется Ех (рис. 8.3.1).
Полная напряженность
(8.3.8)

Рис. 8.3Л. Составляющая напряженности Ех, вызванная зарядом одиночного проводника х.
1 — отражение заряда.
Рис. 8.3.2. Пример вычисления напряженности Е.
L — расстояние от центра линии; 1 — линия 525 кВ с горизонтальным расположением фаз; фаза из трех проводов диаметром 3,3 см; Л0=45см;
= L23=10tf =10,6 м; 2 —линия 1050 кВ с горизонтальным расположением фаз; фаза из восьми проводов диаметром 3,3 см; D0=101 см; Z-12—Z.23= 15,1 с; Н= = 15,1 м.
На рис. 8.3.2 приведен пример расчета Е для линий 525 и 1050 кВ с горизонтальным расположением проводов.
Интересно наличие максимумов Е для линии с горизонтальным расположением фаз. На рис. 8.3.2 показано, что максимумы Е слегка смещены за внешние фазы.
Обобщенные кривые. На рис. 8.3.3—8.3.6 дано в обобщенном виде значение максимума напряженности Е, обозначенное как Ет, для применяемых типов одноцепных линий.
Покажем на следующем примере, как пользоваться этими графиками, на которых представлены безразмерные величины. Пользуясь рис. 8.3.3, вычислим максимум Ет для линии, рассмотренной ранее на рис. 8.3.2.
Эквивалентный диаметр фазы этой линии по (8.3.1) /}—30 см. Вычислив НЮ—35,3 и S/H=0,94, находим по
рис. 8.3.3. HEmlU=0,179-525/10,6=8,8 кВ/м, что подтверждается рис. 8.3.4. В рис. 8.3.3 — 8.3.6 не учитывается наличие у линии грозозащитного троса, приводящего к уменьшению Еш на 1—2%.

Рис. 8.3.6.   Обобщенные кривые
максимума напряженности Ет (T/S =1,5).
Обозначения            см. рис. 8.3.3,

Рис. 8.3.5. Обобщенные кривые максимума напряженности Ет (T/S= 1,0).
Обозначения см. рис. 8.3.3.
Двухцепная линия. Вычисление Е для двухцепной линии может быть сделано по ранее описанному методу, однако использование обобщенных кривых затрудняется

Рис. 8.3.3. Обобщенные кривые максимума напряженности Ет для линии с горизонтальным расположением фаз.
D — эквивалентный диаметр фазы; U — напряжение линии.

Рис. 8.3.4. Обобщенные кривые максимума напряженности Ет для линии с треугольным расположением фаз.

необходимостью введения дополнительной переменной. Кроме того, фазировка обеих цепей сильно влияет на Е. На рис. 8.3.7 представлены значения Е для двухцепной линии 525 кВ с различным расположением фаз. На рис. 8.3.8 рассмотрен случай двухцепной линии 345 кВ  с другим расположением фаз.

Рис. 8.3.7. Напряженность Е для двухцепной линии 525 кВ с различным расположением фаз (фаза из трех проводов диаметром 3,25 см; Д) —45,7 см: E> = 0,302 м; два расщепленных троса диаметром 1,27; D0 = 20,3 см).

1. — последовательность фаз; 2 — конфигурация фаз в середине пролета; 3 — заземленный провод; L — расстояние от центра линии.

Первый случай отвечает сверхглубокому расщеплению фазы, второй обеспечивает низкую индуктивность, они были описаны в гл. 3. Сверхглубокое расщепление фазы соответствует самой низкой напряженности у провода и самой высокой — на уровне земли. Второй случай соответствует самой высокой напряженности у провода и самой низкой у земли. Случай, когда одна из линий поставлена под напряжение, а другая заземлена, иллюстрируется кривой 6 на рис. 8.3.7 и 8.3.8. В этом случае значение Е — среднее между значениями для двух рассмотренных случаев. Все кривые на рис. 8.3.7 и 8.3.8 рассчитаны с учетом влияния тросов, которое, однако, оказалось пренебрежимо мало.
Обобщенные кривые для двухцепных линий, дающие максимум напряженности Ет, вычислены для линий 525 и 345 кВ соответственно с вертикальным и треугольным расположением фаз по рис. 8.3.7 и 8.3.8. Когда одна цепь находится под напряжением, существует небольшая разница, зависящая от того, заземлена вторая цепь или просто отключена.

Рис. 8.3.8. Напряженность Е для двухцепной линии 345 кВ с различным расположением фаз (фаза из трех проводов 3,25 см; D0 = = 45,7 см; /)=^0,302 м; два троса диаметром 1,27 см).
1 — последовательность фаз; 2 — конфигурация фаз в середине пролета; 3 — заземленный провод; L — расстояние от центра линии.
Если цепь отключена, обобщенная кривая для расположения фаз, приведенного на рис. 8.3.7, дана на рис. 8.3.9, а для расположения фаз по рис. 8.3.8 -на рис. 8.3.6. На рис. 8.3.9 показано, что расстояние Т мало влияет на Еш. Это же наблюдается для других вариантов расположения фаз по рис. 8.3.7, так что обобщенные кривые можно чертить, принимая 7=0 (вертикальное расположение фаз каждой цепи).
Обобщенные кривые для глубокого расщепления фазы приведены на рис. 8.3.10. Обобщенные кривые для расположения фаз, обеспечивающего малую индуктивность, представлены на рис. 8.3.11. Для конфигурации, показанной на рис. 8.3.8, обобщенные кривые вычисляли, фиксируя параметр (Л (рис. 8.3.12) в таких пределах,  что его влияние было пренебрежимо мало. Обобщенные кривые для случая сверхглубокого расщепления фаз приведены на рис. 8.3.12, для расположения, дающего малую индуктивность — на рис. 8.3.13. При помощи ранее описанных обобщенных кривых можно было вычислить Ет для большого разнообразия конфигураций, а также для двух крайних случаев расположения фаз. Для других расположений фаз хорошее приближение достигается вычислением Ет для двух рассмотренных выше расположений, если пересчитывать значение напряженности пропорционально значениям, приведенным на рис. 8.3.7, Как пример рассмотрим двухцепную линию с расположением фаз на рис. 8.3.7 и со следующими параметрами: E7=765 кВ, D=42,5 см, H= 15,1 м, -S= = 12 м, Г=13,4 м.

Рис. 8.3.9. Обобщенные кривые для вычисления Ет для одноцепной линии с вертикальным расположением фаз.

Из рис. 8.3.10 в соответствии с Н/D=32, Г/5=1,1, vS//f=0,8 находим HEmj E7=0,258, и поэтому Ет— =13 кВ/м. Аналогично для расположения, обеспечивающего малую L (рис. 8.3.11), получаем Ет=6,9 кВ/м. Отношение величин (Ет) двух рассмотренных случаев (13/6,8=1,88) близко к отношению, приведенному на рис. 8.3.7:/ 9,3/4,5=2,05.

Рис. 8.3.10. Обобщенные кривые для вычисления Ет для двухцепной линии по рис. 8.3.7 с расположением фаз № 1 (глубокое расщепление) .

Рис. 8.3.11. Обобщенные кривые для вычисления Ет для двухцепной линии по рис. 8.3.7 с расположением фаз № 5, обеспечивающим малую индуктивность.

Рис. 8.3.12. Обобщенные кривые для вычисления Ет для двухцепной линии по рис. 8.3.8 с расположением фаз № 1 (глубокое расщепление) .

Рис. 8.3.13. Обобщенные кривые для вычисления Ет для двухцепной линии по рис. 8.3.8 с расположением фаз № 5, обеспечивающим малую индуктивность.
Поэтому приблизительные значения для расположения фаз № 3 можно получить, предполагая, что эта пропорция сохраняется:

Фазовый угол напряженности. В исследованиях электростатических воздействий на длинных объектах, перпендикулярных линиям электропередачи, необходима оценка Е на различных расстояниях от центра линии
\Рис. 8.3.14. Фазный угол
напряженности Е для случая, изображенного на рис. 8.3.8.
а — для фазы A; L — расстояние от центра линии.
как по амплитуде, так и по фазе. Опенку фазового угла делают, используя (8.3.7) и (8.3.8), в которых U и Е рассматриваются как векторы. Пример вычислений фазового угла показан на рис. 8.3.14, причем фазовый угол и Е взяты для двухцепной линии с расположением фаз № 4 по рис. 8.3.8.