Ремонт ВЛ под напряжением - Минимально допустимые воздушные промежутки

2.4. Минимально допустимые воздушные промежутки при работах под напряжением
Безопасность персонала, выполняющего работу под напряжением, зависит от электрической прочности воздушных промежутков между работающим с изолирующего устройства и заземленными частями линии (стойкой опоры, траверсой), а также между работающими на опоре и проводом. Воздушные промежутки, вероятность пробоя которых при работе под напряжением ничтожно мала, являются минимально допустимыми.
Минимальное расстояние, на которое может приближаться работающий к элементам оборудования, имеющим иной потенциал, может быть определено как
D = t + g,
где D — минимальное расстояние приближения, м; f — расстояние, определяющее прочность изоляционного промежутка, м; g - расстояние, учитывающее случайные движения работающего, м.
Расстояние t определяет так называемую опасную зону, которая зависит от значения рабочего напряжения, возможных перенапряжений в сети, применяемого оборудования. В опасной зоне электромонтер может находиться, только имея соответствующую уровню напряжения защиту или выполняя операции инструментами и приспособлениями, специально предназначенными для работы под напряжением. Использование изолирующих накладок на токоведущие части позволяет прекратить расстояние t.
Расстояние g обусловливает защитную зону, которая предохраняет работающего от случайного попадания в опасную зону. Размер защитит зоны зависит от применяемой технологии работ. Смысл защитной юны заключается в том, чтобы электромонтер не заботился постоянно   соблюдении расстояния, определяющего опасную зону, а направлял свое внимание на выполнение работы.
Следует отметить, что минимальные изоляционные расстояния приближения должны соблюдаться как электромонтерами, выполняющими работы у провода с изолирующих лестниц, монтерских кабин, рабочих площадок гидроподъемников, так и электромонтерами, работающими с опоры с помощью изолирующих штанг.
В США для определения минимального расстояния приближения применяются калиброванные измерительные изолирующие штанги, размеченные через 0,1 м чередующимися желтыми (белыми) и красными участками, а через 1м — черными участками.
Размер защитной зоны g принят неодинаковым в разных странах: и СССР и Франции - 0,5 м, в Великобритании и в США - в зависимости о г напряжения сети [40].
В Дании, Норвегии и Швеции правилами работ под напряжением не установлены значения расстояния g, но оно зависит от выполняемых работ и регламентируется в рабочих инструкциях (технологических картах). Ниже приведены расстояния, определяющие прочность изоляционного промежутка t, принятые в Дании, Норвегии и Швеции:

В Венгрии предъявляют следующие требования к изоляционному расстоянию t:

В Польше определены значения опасной и защитной зон [61]:

На линиях низкого напряжения минимальные расстояния приближения обычно не устанавливаются, поскольку работающие под напряжением используют защитные средства (перчатки, накладки, колпаки, изолирующие инструменты и т. п.).
В табл. 2.2 приведены значения минимальных расстояний приближения D в различных странах, а также результаты расчетов по оценке кратностей коммутационных перенапряжений и значений 50%-ного разрядного напряжения для этих минимальных расстояний.
Таблица 2.2. Минимальные расстояния приближения при работах под напряжением

Из приведенных в табл. 2.2 данных видно, что диапазон изменения минимального изоляционного расстояния и кратности перенапряжений для каждого класса напряжений достаточно велик. Это объясняется различием предпосылок и исходных данных. В США, например, кратности   коммутационных перенапряжений ниже, чем в других странах, благодаря применению более совершенного оборудования. Такое многообразие существенно затрудняет стандартизацию минимальных расстояний приближения при работах под напряжением.
Электрическая прочность воздуха зависит от его влажности, температуры, плотности, давления, формы электродов (провод - траверса, провод - стойка опоры или провод в окне опоры) и характеристик воздействующего напряжения (амплитуды, формы, частоты). Следует отметить, что изолирующие устройства с электромонтером, помещенные в пространство между проводом и элементами опоры (стойка и траверса), могут существенно изменить прочность воздушного промежутка провод — опора. Поэтому для более точного расчета допустимых расстояний по воздуху при работах под напряжением необходимо использовать экспериментальные данные прочности воздушных промежутков провод - макет человека - приспособления - опора с учетом всей технологической схемы работ под напряжением и применяемого оборудования.
Однако в настоящее время таких экспериментальных данных для технологических вариантов, применяемых в Советском Союзе, нет, поэтому в качестве примера приведем расчет минимально допустимых изоляционных расстояний по воздуху между токоведущими и заземленными частями линий электропередачи напряжением 330 и 500 кВ с использованием известных разрядных характеристик провод - стойка опоры и провод в окне опоры по условию безопасности производства работ под напряжением.

Определение минимальной длины воздушного промежутка провод- опора.

Электрическая прочность изоляционных расстояний на линиях электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения определяется на основании результатов измерений 50%-ных разрядных напряжений больших воздушных промежутков при воздействии коммутационных импульсов.
Заметное влияние на 50%-ные разрядные напряжения воздушных промежутков оказывают специфические особенности коммутационных перенапряжений, к числу которых относятся: кратковременность воздействия, значительный разброс разрядных напряжений по сравнению с частотой 50 Гц, а также различие в формах и длинах фронтов коммутационных импульсов, возникающих в реальных условиях эксплуатации.
В случае производства работ под напряжением на BЛ количество ослабленных мест изоляции линии определяется количеством одновременно работающих бригад электромонтеров.
Допустим, что средняя протяженность ВЛ 330 кВ составляет 60 км, а линии 500 кВ - 120 км. При этом можно принять, что на линиях 330 кВ ремонт под напряжением будет производиться одновременно двумя бригадами электромонтеров, а на BЛ 500 кВ - четырьмя бригадами.

 
Расчетное значение высоты прохождения ВЛ над уровнем моря выбрано 500 м, при этом Р0/Р= 1,05 [16].
Из-за статистического характера процесса при воздействии на промежутки коммутационных импульсов наблюдается значительный разброс у среднего значения 50%-ного разрядного напряжения. Поэтому для определения вероятности перекрытия изоляционных расстояний необходима достаточно точная оценка стандарта кривой эффекта одиночного промежутка, что связано со значительными практическими трудностями, так как требует очень большого количества измерений.
В соответствии с [14] среднеквадратичное отклонение разрядных напряжений воздушных промежутков на опоре от среднего значения с учетом случайных колебаний метеорологических условий  равно:
Промежуток провод-опора для линии
напряжением, кВ   330 500

Стандарт      0,06 0,07
Результаты расчета U 50%с учетом производства работ под напряжением на ВЛ 330 и 500 кВ приведены в табл. 2.3.

Таблица 2.3. Результаты расчета 50%-ного разрядного напряжения

Для выбора минимальной длины воздушного промежутка провод—1 опора по уровню внутренних перенапряжений большое значение имеют статистические данные о форме импульса коммутационных перенапряжений в сетях.  
По данным автоматической регистрации перенапряжений в сетях 500 кВ [17] наиболее часто возникают коммутационные перенапряжения с длиной фронта 2000-3000 мкс. Зависимость 50%-ных разрядных напряжений воздушного промежутка между проводом и опорой от его длины (при коммутационных перенапряжениях с длиной фронта 2000-3000 мкс) были исследованы на открытом стенде Ленинградского политехнического института им. М. И. Калинина (ЛПИ) [14].
Однако, по данным измерений ряда зарубежных авторов, наименьшие разрядные напряжения для линий класса 500 к В наблюдаются при критических длинах фронтов, равных 350 мкс.
Все выполненные до настоящего времени испытания в методическом плане можно разделить на две группы [18]. К одной группе относятся  измерения при воздействии на промежутки затухающих колебательных коммутационных импульсов косинусоидального типа с длиной фронта не менее 2500 мкс. Ко второй группе — испытания униполярными коммутационными импульсами апериодической формы с длинами фронтов до 1000 мкс. Измерения, относящиеся ко второй группе, проводят с использованием генератора импульсного напряжения, при этом имеют место коммутационные импульсы с критической или близкой к критическому значению длиной фронта.
На рис. 2.3 приведены зависимости 50%-ных разрядных напряжений воздушных промежутков "провод в окне опоры" от расстояния между электродами. Кривая   построена по результатам измерений ЛПИ им М. И. Калинина [14], где в качестве источника колебательного затухающего напряжения с длиной фронта Тф > 2500 мкс использовался каскад трансформаторов 2,25 MB и испытательный трансформатор 500 кВ. Результаты, приведенные к испытаниям коммутационными импульсами с критической длиной фронта, иллюстрирует кривая 2.

Рис. 2.3. Зависимость 50%-ного разрядного напряжения воздушных промежутков "провод в окне опоры" от расстояния при воздействии коммутационных импульсов с различной длиной фронта Тф и для различной ширины опор Д.

Кривые 3 и 4 иллюстрируют результаты измерений, проведенные американской энергосистемой American Elektric Power (АЕР) совместно с фирмой Ohio Brass (США). Эксперименты проводились на макете окна опоры, установленного на портальной конструкции высотой 49 м. Провода расщепленной фазы располагались на высоте 27 м над землей.
Результаты измерений, полученные американской фирмой GEC (Project UHV) на открытом полигоне с использованием генератора импульсного напряжения 5 MB, 2500 кДж, показаны кривой 5.
Обобщив приведенные на рис. 2.3 кривые и используя данные [19] о значениях 50^-ных разрядных напряжений для малых воздушных промежутков, можно получить зависимость от расстояния между электродами в диапазоне от 0 до 18 м (рис. 2.4). Используя зависимости, приведенные на рис. 2.4, можно определить необходимые изоляционные расстояния для воздушных промежутков провод в окне опоры на линиях до 1500 кВ.

Рис. 2.4. Зависимость 50%-ного разрядного напряжения воздушного промежутка "провод в окне опоры" от расстояния при воздействии коммутационных импульсов Тф = 350 мкс (поданным Guide IEEE и АЕР-Ohio Brass): i - Д = 1 м; 2 - Д = 3 м
Изоляционные расстояния между крайними фазами и стойкой опоры в зависимости от 50%-ного разрядного напряжения этого промежутка приведены на рис. 2.5 [19]. По кривым рис. 2.5 можно определять необходимые изоляционные расстояния воздушного промежутка провод- стойка опоры от 0 до 10 м.
Сравнение кривых, приведенных на рис. 2.3 и 2.4, с зависимостью 50%-ного разрядного напряжения воздушного промежутка провод-оттяжка (рис. 2.6) показывает, что этот промежуток имеет наибольшую электрическую прочность по сравнению с промежутками "провод в окне опоры" и провод - стойка опоры.
Следует отметить, что с увеличением ширины стоек и траверсы 50%- ное разрядное напряжение воздушного промежутка уменьшается. Влияние ширины металлических конструкций опоры Д на значение 50%-ноп разрядного напряжения может быть учтено поправочным коэффициентом, который при переходе отД = 1мк Д=3м равен 0,95.
Анализируя результаты экспериментальных данных, приведенных п. рис. 2.3—2.5, видно, что изоляционные расстояния, выбранные при критической длине фронта коммутационных импульсов тф =Тфр.кр и при прочих равных условиях, обеспечивают большую безопасность производства работ под напряжением на ВЛ. Поэтому величина воздушных промежутков провод - опора rmin для 50%-ных разрядных напряжении указанных в табл. 2,3, принята равной:
Напряжение линии электропередачи, кВ               330 500
Воздушный промежуток провод-опора м      2   3

Рис. 2.5. Зависимость 50%-ного разрядного напряжения воздушного промежутка провод-стойка опоры от расстояния между ними при воздействии коммутационных импульсов:
1 - по данным ЛПИ им. М. И. Калинина, Тф 2500 мкс, Д = 1 м; 2 - по данным ЛПИ, приведенным к Тф = Тф.кр; 3 - по данным EPRI, Тф = 350 мкс, Д = 1,2 м; 4 - по данным GEG, Тф = 350 мкс Д = 1 м
1'ис. 2.6. Зависимость 50%-ного разрядного напряжения воздушного промежутка провод-оттяжка от расстояния между ними при воздействии коммутационных импульсов с Гф = 350 мкс
При этом следует отметить, что приведенные на рис. 2.3 усредненные данные ЛПИ им. М. И. Калинина об электрической прочности характерных воздушных промежутков при импульсах коммутационных напряжений не учитывают условия производства ремонтов под напряжением, I именно размещение электромонтера в процессе выполнения работ в промежутке провод - стойка опоры. Такие экспериментальные исследования проводятся в настоящее время.

Расчет вероятности перекрытия минимальной длины воздушного промежутка провод—опора.

Для определения вероятного числа опасных перекрытий необходимо учитывать распределение коммутационных импульсов по видам коммутаций, амплитудам перенапряжений, полярностям импульсов, длительностям фронта.
Информация о вероятностях амплитуд коммутационных перенапряжений может быть получена в результате проведения массовых экспериментов в электрических сетях либо многочисленных расчетов перенапряжений при конкретных коммутациях. Оба метода чрезвычайно трудоемки, поскольку основной интерес представляют высокие, а  следовательно, маловероятные перенапряжения. Отсюда вытекает важность решения задачи с помощью прямого расчета вероятностей амплитуд перенапряжений. Такой расчет основан на построении и анализе особого рода случайной функции. Каждая реализация этой функции представляет собой бесконечную последовательность всех возможные в данных условиях переходных процессов, т. е. для конкретного вид  коммутации статистические характеристики такой случайной функции, и в том числе вероятности высоких выбросов, могут быть рас считаны по заданным параметрам сети.
Таблица 2.4. Результаты расчета среднего числа перекрытий минимальной длины воздушного промежутка провод-опора

Расчет вероятности появления опасной ситуации и оценка гарантии безопасности выполнения работ.

Безопасность ремонтного персонала при работах под напряжением определяется вероятностью совпадения опасной ситуации в период производства работ и перекрытия изоляционного промежутка на месте производства работ. Исходными условиями для такого расчета являются: на ВЛ 330 кВ одновременно работает под напряжением две бригады электромонтеров, на ВЛ 500 кВ - четыре бригады;
продолжительность выполнения работ под напряжением каждой бригадой 60 дней в году (3 мес по 20 дней);
каждый день одна бригада ремонтирует три изолирующие подвески; при работе с одной изолирующей подвеской возникает четыре опасные ситуации (количество приближений и удалений от проводов линии, находящейся под напряжением);
продолжительность каждой опасной ситуации 5 с.        
С учетом исходных условий, характеризующих длительность опасных ситуаций на ВЛ 330 и 500 кВ при работах под напряжением, можно оценить относительную длительность опасных ситуаций Рол в течение года:

где t„.с - длительность всех опасных ситуаций на ВЛ, ч. В результате расчета получим:

Безопасность работ под напряжением можно оцепить вероятностью совпадения относительной длительности опасных ситуаций перекрытием промежутка rmin при опасной коммутации:

Результаты расчета Р приведены ниже:

Отсюда следует, что перекрытие воздушного промежутка на ВЛ 330 и 500 кВ при случайной опасной коммутации во время произведена работ под напряжением возможно с вероятностью 1 раз примерно и 108 000 лет (для ВЛ 330 кВ) и в 14 300 лет (для ВЛ 500 кВ).
Полученные результаты показывают, что вероятность перекрытия воздушного промежутка линий 330 и 500 кВ при работах под напряжением настолько мала, что обеспечивается принцип практической невозможности поражения людей, выполняющих эти работы.

Возможность производства работ под напряжением на действующих пиниях 330 и 500 кВ

рассмотрим применительно к одному из технологических вариантов, при котором доставка электромонтера к проводу 1Ш (рис. 2.7) производится с земли в подвесной монтерской кабине с помощью полимерного изолятора, изолирующих полипропиленовых канатов, системы блоков, установленных на опоре, и механической лебедки.


где Lmin — минимальный габарит провод-опора, м; rmin - минимальный воздушный промежуток, LсиД - габарит подвесного
Рис. 2.7. Выбор изоляционного расстояния при работе под напряжением на ВЛ
При расчете минимального габарита "провод—опора" (рис. 2.7) необходимо учитывать отклонение проводов под действием ветра и габарит подвесного сиденья:
сиденья, м; 1вет - отклонение проводов фазы к опоре под действием ветра, м; Ьпр — для ВЛ 330 кВ — радиус экранирующего кольца, для ВЛ 500 кВ— половина горизонтального расстояния между проводами фазы, м.
При скорости ветра 10 м/с и средней длине поддерживающих изолирующих подвесок 3,4 и 5 м соответственно для линий 330 и 500 кВ угол отклонения гирлянды а и отклонение изолирующей подвески под действием ветра LBeT составят:

Минимальные габариты провод-опора, необходимые для выполнения работ под напряжением по принятой технологии, приведены ниже:

Габариты провод—стойка опоры для основных типов опор, применяемых на ВЛ 330 и 500 кВ, приведены в табл. 2.5 и 2.6.
Таблица 2.5. Расстояние провод-стойка опоры промежуточных одноцепных опор ВЛ 330 кВ

Таблица 2.6. Расстояние провод-стойка опоры промежуточных опор ВЛ 500 кВ

Сравнивая результаты расчета, приведенные выше, с данными табл. 2.5 и 2.6, можно сделать вывод, что на всех указанных типах промежуточных опор ВЛ 330 и 500 кВ могут проводиться ремонтные работы под напряжением по схеме, приведенной на рис. 2.7. При этом следует отметить, что при производстве работ по указанной схеме электромонтер располагается в подвесной кабине спиной к стойке опоры и не должен выполнять каких-либо движений в направлении стойки. Однако для того чтобы избежать случайного движения руки электромонтера и сторону стойки опоры, целесообразно устанавливать на подвесной кабине ограждение, препятствующее перемещению монтера в этом направлении.
При производстве работ на линиях электропередачи в горных условиях следует учитывать, что электрическая прочность воздуха уменьшается с увеличением высоты над уровнем моря. Поэтому при работах на больших высотах минимально допустимые воздушные промежутки, полученные расчетным путем, должны быть увеличены умножением на коэффициенты: