Исследование электромагнитных полей в электроустановках высокого напряжения и разработка мер по снижению их интенсивности

В последние годы при проектировании и эксплуатации электроустановок высокого напряжения все большее внимание уделяется их электромагнитной совместимости с жизнедеятельностью человека. Это, в первую очередь, связано с проведением исследований в области влияния электромагнитных полей на здоровье человека. В частности, ранее не было четкой оценки негативного влияния на жизнедеятельность людей магнитных полей промышленной частоты. Главной причиной тому явилась невозможность человеком ощутить магнитное поле в момент его воздействия и проявление последствий этого влияния лишь по истечении достаточно большого промежутка времени.

Главными объектами электроэнергетики, при эксплуатации которых возникают опасные магнитные поля промышленной частоты, являются линии электропередач различного конструктивного исполнения и подстанции высокого напряжения. Следует отметить, что воздействию электромагнитного поля вблизи линий электропередач может подвергаться как специализированный персонал, так и проживающие или работающие вблизи люди. Следовательно, в настоящее время достаточно остро стоит вопрос разработки методики расчета параметров магнитных полей промышленной частоты в электроэнергетических устройствах различного назначения и, соответственно, разработки мер по снижению их интенсивности.

В связи с развитием электронной вычислительной техники появилась возможность практического использования численных методов расчета электромагнитных полей, описываемых уравнениями в частных производных, которые позволяют с большой точностью решать те задачи, которые ранее решались аналитически при тех или иных допущениях. В частности, одним из таких численных методов является векторный метод конечных элементов (ВМКЭ). На основе использования этого метода базируется большая часть исследований, проведенных в настоящей работе.

Между тем в диссертации при решении некоторых задач использованы и аналитические методы решения, в том числе и, где это возможно, для проверки результатов, полученных с помощью численного метода. Разработка аналитических методов решения обусловлена тем, что на практике реализация этих методов является гораздо менее трудозатратной, чем реализация численных методов. Одной из задач, для решения которой можно с достаточной степенью точности применить аналитический метод, является расчет магнитного поля по трассам воздушных линий электропередач.

Вопрос о расчете магнитных полей по трассам воздушных линий стоит достаточно давно, а расчет магнитных полей по трассам кабельных линий высокого напряжения приобрел свою актуальность лишь в последние годы. Причиной этому послужило широкое внедрение кабельных линий (KJ1) с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ), рабочие токи которых выше, чем рабочие токи кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией и маслонаполненных кабелей. Кроме того, кабели со СПЭ изоляцией выполняются, в том числе, и в одножильном исполнении, что позволяет использовать различные способы их прокладки. Эти две причины обуславливают увеличение интенсивности магнитных полей по трассам кабельных линий, и, как следствие, необходимость их расчета и снижения.

Одним из наиболее признанных механизмов воздействия магнитного поля промышленной частоты на организм человека является наведение индуктированных (вихревых) токов. Плотность индуктированных токов в теле человека позволяет охарактеризовать интенсивность воздействия магнитного поля на его организм. Исследованию индуктированных токов в теле человека посвящен один из разделов настоящей работы.

Цели работы.

• Разработка инженерного аналитического метода расчета магнитного поля по трассам воздушных линий высокого напряжения (BJI ВН) и под ошиновками высоковольтных подстанций;

• исследование электромагнитной совместимости линий электропередач высокого напряжения надземного и подземного исполнения, а также открытых распределительных устройств высокого напряжения (ОРУ ВН) с жизнедеятельностью человека;

• разработка численной модели оценки индуктированных токов в теле человека, возникающих под воздействием магнитного поля промышленной частоты, в том числе и при проведении работ на BJI и KJI ВН;

• разработка конструкций пассивных экранов, предназначенных для компенсации магнитных полей промышленной частоты;

• при выполнении каждого из упомянутых выше разделов работы разработка рекомендаций, позволяющих либо снизить интенсивность электромагнитного поля, либо ограничить время пребывания человека в зоне его опасного влияния.

Для достижения поставленных целей в работе сформулированы и решены следующие задачи:

• исследованы различные современные конструкции воздушных и кабельных линий электропередач, а также открытых распределительных устройств высокого напряжения с точки зрения их электромагнитной совместимости с жизнедеятельностью человека;

• разработаны модели тела человека, позволяющие с помощью ВМКЭ оценить индуктированные в его организме токи, обусловленные воздействием магнитного поля промышленной частоты;

• предложены различные конструкции пассивных экранов, позволяющие существенно снизить интенсивность магнитных полей, инициируемых воздушными и кабельными линиями высокого напряжения.

Научная новизна основных положений и результатов работы может быть сформулирована следующим образом:

• Доказана достоверность разработанного инженерного аналитического метода расчета магнитных полей по трассам воздушных линий высокого напряжения путем сравнения результатов численного и аналитического расчетов магнитных полей по трассам BJI;

• проанализировано количественное снижение интенсивности магнитных полей по трассам линий электропередач различного конструктивного исполнения при компактизации и симметрировании канала передачи энергии. Показан также эффект снижения интенсивности магнитных полей по трассам многоцепных BJI и KJI при оптимальной фазировке напряжения на проводах и жилах фаз;

• определены значения индуктированных токов в различных частях тела и органах человека, позволяющие оценить тяжесть воздействия магнитного поля промышленной частоты как при нормированном в настоящее время модуле напряженности магнитного поля, так и при ремонте воздушных линий высокого напряжения без их отключения;

• показано, что на величину индуктированных токов в теле человека влияет не только модуль вектора магнитной индукции, но и его направление, что открывает дополнительные возможности по снижению опасности для обслуживающего персонала при эксплуатации и проведении ремонта BJI и KJI под напряжением;

• показано, что индивидуальная разработка активных и пассивных экранов для компенсации магнитных полей промышленной частоты позволяет локально существенно снизить интенсивность электромагнитного поля, инициируемого токами в проводящих элементах электроэнергетических установок.

Практическая значимость результатов работы.

• Разработанные инженерные методики расчета магнитных полей по трассам воздушных линий электропередач и под ошиновками ОРУ позволят уже на стадии их проектирования анализировать магнитные поля, инициируемые BJI ВН и ошиновками ОРУ при любом их конструктивном исполнении;

• показано, что в оптимальных с точки зрения минимизации электромагнитных полей промышленной частоты конструкциях BJI, (BJI с симметричным расположением проводов и многоцепные линии электропередач при оптимальной фазировке цепей) напряженность электромагнитного поля по их трассам может быть снижена в 1.5−3 раза по сравнению с традиционными конструктивными решениями;

• сформулированы рекомендации по способам прокладки кабельных линий высокого напряжения с целью минимизации интенсивности магнитных полей по их трассам;

• предложены конструкции пассивных экранов, позволяющих локально снизить магнитные поля по трассам воздушных и кабельных линий электропередач в 1.5−3 раза;

• показано, что плотность индуктированных токов в теле человека существенно зависит как от направления вектора магнитной индукции по отношению к телу человека, так и от расположения человека относительно токоведущих элементов конструкции.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Аналитическая инженерная методика расчета магнитного поля по трассам воздушных линий высокого напряжения и под ошиновками ОРУ, основанная на допущениях об отсутствии эффекта близости между проводами и составляющими в проводах, а также на неучете продольных и поперечных токов в земле, может быть без больших трудовых затрат использована при проектировании BJI и ОРУ ВН.

2. Компактизация канала передачи электроэнергии и рациональная фазировка напряжения на проводах и жилах многоцепных воздушных и кабельных линий позволяет снизить интенсивность магнитного поля в 1.5−2.4 раза.

3. Локальное экранирование магнитного поля воздушных линий электропередач при помощи одной пассивной петли позволяет снизить напряженность магнитного поля, инициируемого на участках ВЛ, расположенных вблизи рабочих помещений, примерно на 30%.

4. Экранирование кабельных линий электропередач, расположенных в каналах, при помощи ферромагнитных экранов приводит к снижению напряженности магнитного поля в нормированной зоне в 1.5−3 раза.

5. Разработанная численная методика расчета магнитных полей вблизи спусков к обслуживаемым аппаратам открытых распределительных устройств на подстанциях позволяет оценивать значение напряженности магнитного поля на нормируемых расстояниях от спусков.

6. Разработанная методика расчета индуктированных токов в теле человека позволяет оценить степень воздействия магнитного поля промышленной частоты как на организм человека в целом, так и на отдельные его органы.

7. Значение плотности индуктированного тока в теле человека существенно зависит от направления вектора магнитной индукции и расположения человека относительно токоведущих частей электроустановок. Наибольшая плотность индуктированных токов в теле человека при его неблагоприятном расположении относительно токоведущих частей установки наблюдается в области мозга и сердца.

Достоверность результатов работы основывается на использовании при её выполнении наиболее полных математических моделей, учитывающих конфигурацию токоведущих частей электроустановок ВН, тела и органов человека, на хорошем согласии результатов расчетов интенсивности электромагнитных полей относительно простой конфигурации, произведенных при помощи разработанных аналитических методик, с соответствующими численными расчетами. Результаты расчетов магнитных полей по трассам BJI ВН хорошо согласуются с результатами экспериментов для этих конструкций BJI, проведенных в Испании и опубликованных в журнале «IEEE Transactions on power delivery» vol.18, № 4.

Апробация результатов работы.

Отдельные результаты работы и работа в целом обсуждались на семинарах кафедры ТЭВН и факультета энергетики НГТУ, а также на Всероссийских и Международных конференциях в Новосибирске, Томске, Москве, Санкт-Петербурге и Монголии.

Результаты работы использованы при выполнении научно-исследовательских и проектных работ. По договору каф. ТЭВН НГТУ с ОАО «Федеральная сетевая компания ЕЭС России» был произведен анализ магнитных полей в тоннеле, содержащем 6 цепей кабельных линий 220 и 500 кВ, проектируемом в г. Москве. Результаты этих расчетов были включены в отчет о НИР: «Проведение экспертизы проектов кабельных коммуникаций на основе кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена по объектам реконструкции подстанций 500 кВ Московского кольца» (1 этап), исполнитель расчетов магнитных полей по трассе KJI ВН Степанов И. М. Анализ электромагнитных полей на модернизируемой подстанции 220 кВ «Власиха» (г. Барнаул) присутствует в соответствующем проекте. Акт внедрения результатов работы автора в этом проекте включен в текст диссертации в виде приложения.

Публикации.

Всего опубликовано 13 работ по теме диссертации: работ, опубликованных в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных.

ВАК — 1- работ, опубликованных в рецензируемых журналах — 2- работ, опубликованных в сборнике научных трудов — 1- докладов, опубликованных в сборниках международных и всероссийских конференций — 9.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников из 33 наименований и одного приложения, изложенных на 149 страницах текста. Работа проиллюстрирована 31 таблицей и 66 рисунками.

Основные выводы, относящиеся к существу рассмотренных вопросов, можно сформулировать следующим образом:

• Применение одноцепных линий электропередачи повышенной пропускной способности с расположением проводов в вершинах равностороннего треугольника позволяет уменьшить напряженности электрического и магнитного полей на нормируемом расстоянии от оси линии в 2−5 раз, по сравнению с BJI ВН традиционного исполнения с горизонтальной подвеской фаз.

• Оптимальная фазировка проводов многоцепных линий электропередачи высокого напряжения позволяет снизить напряженности электрического и магнитного полей промышленной частоты по их трассам в 1.5−2.4 раза по сравнению с принятой в настоящее время традиционной фазировкой проводов.

• Снижения напряженности магнитного поля по трассам кабельных линий можно добиться путем уменьшения расстояния между кабелями цепи. При этом при соблюдении условия тепловой стойкости системы значения напряженностей магнитного поля могут быть снижены в 2−2.5 раза.

Оптимальная фазировка напряжения на жилах многоцепных кабельных линий высокого напряжения позволяет снизить напряженность магнитного поля более чем в 1.5 раза. Эффективность пассивных петлевых экранов повышается при включении в их цепи конденсаторов, емкости которых выбираются исходя из требуемого значения напряженности магнитного поля вблизи защищаемого объекта. Экранирование магнитных полей, инициируемых кабельными линиями высокого напряжения, проложенными в каналах, лотках и других закрытых конструкциях, целесообразно осуществлять с помощью ферромагнитных экранов из электротехнической стали. При этом наибольшая эффективность экранов (коэффициент экранирования 2.5 и более) достигается при установке стальных листов не только по верху кабельного канала, но и вдоль его боковых стенок.

Максимальное значение напряженности магнитного поля под типовыми ошиновками открытых распределительных устройств можно определять с помощью приведенных в работе зависимостей максимального значения напряженности магнитного поля от токовой нагрузки ошиновки.

Величины плотностей индуктированных токов в теле человека существенно зависят от направления вектора напряженности магнитного поля. При этом наиболее опасным является вертикальное направление вектора напряженности магнитного поля. Наибольшие значения плотностей индуктированных токов наблюдаются в области сердца и мозга человека. При ремонте линий электропередачи под напряжением значения индуктированных токов в теле человека существенно зависят от его расположения по отношению к токоведущим проводам. Наиболее опасным является случай расположения человека параллельно проводам. Следовательно, минимизировать интенсивность воздействия магнитного поля можно путем применения приспособлений, позволяющих человеку в течение большей части времени располагаться перпендикулярно токоведущим проводам.

• При проведении ремонтных работ в кабельных тоннелях с проложенными в них многоцепными KJI ВН следует в случае ремонта в непосредственной близости к цепям KJI ограничивать время пребывания человека в тоннеле. Так при прокладке в тоннеле трех цепей KJI 220 и трех цепей 500 кВ с изоляцией из СПЭ это время не должно превышать одногодвух часов.

Сформулированные выше выводы позволяют предложить комплекс рекомендательных мер для проектировщиков и эксплуатирующего персонала.

Рекомендации проектировщикам:

• При проектировании BJI, KJI и ОРУ ВН необходимо учитывать интенсивности магнитных полей в средах, окружающих эти конструкции и, по возможности предлагать конструктивные решения, обеспечивающие сниженную интенсивность электромагнитного поля в окружающей среде. Для решения этой задачи можно применить предлагаемые в работе аналитические и численные методики расчетов интенсивности магнитных полей, инициируемых зарядами на токоведущих частях и токами в них.

• В случае превышения в среде, окружающей воздушные и кабельные линии электропередачи, предельно допустимых уровней по напряженности магнитного поля необходимо либо применение конструктивных мер (расположение фазных проводов в вершинах треугольника, сближение кабелей цепи, выбор оптимальной фазировки напряжения на проводах BJI и жилах кабелей KJI многоцепных линий), либо применение пассивных петлевых (вблизи BJI) и ферромагнитных (по трассам KJI, проложенных в каналах) экранов.

Рекомендации эксплуатирующему персоналу:

• При проведении ремонтов линий электропередачи под напряжением необходимо минимизировать время пребывания персонала вблизи токоведущих проводов и по возможности располагаться перпендикулярно им.

• Необходимо измерять значения напряженностей магнитных полей на действующих подстанциях с целью определения мест с наибольшей напряженностью и минимизации времени пребывания персонала в этих местах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

По работе могут быть сделаны выводы как методического характера, так и по существу рассмотренных вопросов.

К основным методическим выводам можно отнести следующие:

• Для достаточно точного расчета магнитных полей промышленной частоты по трассам воздушных линий электропередач и под ошиновками открытых распределительных устройств можно использовать разработанную аналитическую методику, в которой провода моделируются в виде длинных нитей, находящихся в расчетной среде — воздухе.

• Предложенная в работе аналитическая методика расчета электрических полей по трассам воздушных линий высокого напряжения позволяет производить расчеты с приемлемой точностью.

• Предложена аппроксимация зависимости магнитного поля по трассе воздушной линии высокого напряжения от расстояния до оси линии и от токовой нагрузки линии.

• Интенсивности электромагнитных полей промышленной частоты по трассам воздушных и кабельных линий высокого напряжения существенно снижаются при компактизации канала передачи электроэнергии. В работе даны численные оценки влияния этой меры.

• Значения напряженностей магнитных полей по трассам многоцепных линий различного конструктивного исполнения и значения напряженностей по трассам многоцепных воздушных линий высокого напряжения существенно зависят от выбора фазировки напряжения на проводах ВЛ и жилах КЛ. В работе даны рекомендации по оптимальной фазировке напряжений на токопроводящих элементах как воздушных, так и кабельных линий.

• Применение пассивных петлевых экранов с целью компенсация магнитных полей промышленной частоты по трассам воздушных линий высокого напряжения позволяет локально снизить напряженность магнитного поля. Выбор петлевого экрана должен осуществляться для каждого конкретного случая индивидуально.

• Применение ферромагнитных экранов по трассам кабельных линий высокого напряжения позволяет уменьшить напряженность магнитных полей промышленной частоты до необходимой величины.