Расчет электрического поля, создаваемого высоковольтными линиями электропередачи ОАО "Костромаэнерго"

АННОТАЦИЯ

Дипломная работа посвящена исследованию электрических полей не стандартных многоцепных высоковольтных линий электропередач, проходящих по Костромской области. Такими линиями являются коридоры из параллельных линий. Эти коридоры в основном проходят по сельской местности и необходимо защищать сельскохозяйственные объекты от электрического поля этих линий. Произведен расчет и анализ электрического поля 16-ти коридоров в нормальных и аварийных режимах. Исследована возможность экранирования электрического поля под этими коридорами.

Разработана инструкция по ликвидации аварийных режимов работы на подстанции 110/35/10 кВ. Представлен материал по воздействию электрического поля на живые организмы.

Произведены расчёты по стоимости экрана, когда используются деревянные опоры и когда, используются отпайки от имеющихся опор.

Написана программа расчета электрических полей трехфазной линии на языке Turbo Pascal.

Пояснительная записка дипломной работы состоит из 94 страниц основного текста, 45 таблиц, 30 рисунков, 1 приложения и 11 листов графической части.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Нормирование электрических полей

2. Теория расчета электрических полей

3. Исследование электрического поля, создаваемого коридорами параллельных линий

3.1 Исследование электрического поля, создаваемого коридором ВЛ 110/110

3.2 Исследование электрического поля, создаваемого коридором ВЛ 10/110/110/110

3.3 Исследование электрического поля, создаваемого коридором ВЛ 10/110/110/500

3.4 Исследование электрического поля, создаваемого коридором ВЛ 10/35

3.5 Исследование электрического поля, создаваемого коридором ВЛ 10/35/110

3.6 Исследование электрического поля, создаваемого коридором ВЛ 10/500

3.7 Исследование электрического поля, создаваемого коридором ВЛ 110/110/110

3.8 Исследование электрического поля, создаваемого коридором ВЛ 110/110/110/500

3.9 Исследование электрического поля, создаваемого коридором ВЛ 110/110/35/35/220

3.10 Исследование электрического поля, создаваемого коридором ВЛ 110/500

3.11 Исследование электрического поля, создаваемого коридором ВЛ 110/500/110

3.12 Исследование электрического поля, создаваемого коридором ВЛ 220/220

3.13 Исследование электрического поля, создаваемого коридором ВЛ 220/220/220/220/500

3.14 Исследование электрического поля, создаваемого коридором ВЛ 220/35

3.15 Исследование электрического поля, создаваемого коридором ВЛ 220/500

3.16 Исследование электрического поля, создаваемого коридором ВЛ 220/500/220/35

4. Экранирование электрического поля с помощью пассивных тросовых экранов

5. Безопасность и экологичность

5.1 Решения российской федерации по безопасности труда и экологическим аспектам

5.2 Требования к персоналу, работающему в условиях воздействия электрических полей

5.3 Характеристика опасных и вредных факторов

5.4 Пожарная безопасность

5.5 Экологичность проекта

5.6 Инструкция по технике безопасности при ликвидации аварий и ненормальных режимов на ПС110/35/10 Кв Восточная-2, Василёво и Южная

5.7 выводы по разделу

6. Расчёт стоимости экранов для снижения

Электрического поля

Заключение

Список использованных источников

Приложение

ВВЕДЕНИЕ

В связи со строительством воздушных линий электропередачи высокого (35...220 кВ) и сверхвысокого (330...500 кВ) напряжения, ростом площади городов и других населенных пунктов все более актуальным становится вопрос исследования и ограничения экологического влияния линий электропередачи.

Одним из параметров оценки экологического влияния является уровень напряженности электрического поля, создаваемого в пространстве, окружающем линию.

Исследование воздействия электрического поля на живые организмы ведутся медиками и энергетиками давно, но до сих пор механизм воздействия поля на живые организмы не изучен. В Томском университете были проведены исследования по влиянию электрического поля на студентов. Было показано, что электрическое поле влияет на пульс, давление и самочувствие человека.

Однако последние исследования показали, что большой уровень электрического поля может вызвать негативные последствия на живые организмы даже при кратковременном воздействии в течение нескольких минут или даже секунд. При длительном систематическом пребывании человека в электрическом поле могут возникать изменения функционального состояния нервной, сердечно - сосудистой, иммунной систем, так же имеется вероятность увеличения риска развития лейкозов и злокачественных новообразований центральной нервной системы. Это происходит потому, что под действием электрического поля в различных частях организма человека (сосуды, сердце, печень, мышцы и т. д.) протекают микротоки, которые могут превышать микротоки, вырабатываемые мозгом человека для управления той или иной частью организма. Микротоки под действием электрического поля могут восприниматься как команды мозга. Это может стать причиной заболевания того или иного органа или стать причиной старения. Нормами по ограничению электрического поля установлены лишь некоторые пороговые значения в зависимости от количества часов пребывания в зоне воздействия электрического поля и показано, что воздействие зависит от вида самого поля (переменное, постоянное, вращающееся, пульсирующее для исследования электрического поля необходимо уметь не только измерять его напряженность, но и рассчитывать эту напряженность в любой точке пространства вокруг линии.

Данная работа посвящена исследованию электрического поля создаваемого многоцепными коридорами линий, проходящими по Костромской области. Эти коридоры в основном проходят по сельской местности и необходимо защищать сельскохозяйственные объекты от электрического поля этих линий.

В первом разделе проведен обзор нормативных материалов, выпущенных в России и за рубежом и показано, что они устанавливают разные оценки нормирования электрического поля. За основу при исследованиях можно принять следующие ограничения напряженности электрического поля на высоте два метра от земли (рост человека):

внутри жилых зданий – 0.5 кВ/м;

на территории зоны жилой застройки - 1 кВ/м;

в густонаселенной местности - 5 кВ/м;

в средне населенной местности - 10 кВ/м;

в слабо населенной местности - 15 кВ/м;

в местности, не доступной для населения - 20 кВ/м;

Во втором разделе описана теория расчета электрического поля, создаваемого в любой точке пространства вокруг ЛЭП. Теория позволяет рассчитывать одну или несколько параллельных линий произвольной конструкции с учетом комплексного напряжения и заряда на каждом проводнике, т. е. позволяет рассчитывать не только нормальные симметричные режимы, но и любые аварийные режимы при отключении фаз в отличие от многих методик, которые используют упрощенный подход и позволяют рассчитывать только трехфазную линию при симметричной звезде напряжений на ее фазах. Показано, что вектор напряженности электрического поля под линией вращается с частотой сети и описывает своим концом эллипс, принимая максимальное (emax) и минимальное (emin) значения. Для оценки электрического поля рассчитывают его эллипсность (отношение emin/emax) и эффективные значения (emax/).

В третьем разделе исследовано электрическое поле создаваемое 16-тью коридорами параллельных ЛЭП, проходящих по территории Костромской области. Для каждого коридора параллельных линий было рассчитано электрическое поле, построены графики зависимости напряженности от координаты X. Расчёты проделаны для нормального режима и неполнофазных режимов при номинальном напряжении и при перенапряжениях.

В четвертом разделе исследована возможность экранирования электрического поля с помощью пассивных тросовых экранов. Рассчитано, что при помощи тросовых экранов, расположенных вдоль пролета можно снизить уровень электрического поля в среднем на 45 %.

Пятый раздел посвящен безопасности и экологичности эксплуатации воздушных линий электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения. Рассмотрен вопрос подбора персонала для работы в зонах воздействия электрического поля, виды воздействия поля на живые организмы, а так же некоторые мероприятия по предотвращению возникновения пожаров под ЛЭП.

Шестой раздел посвящён расчёту экономических затрат для двух вариантов подвески экранов для снижения электрического поля. Расчёты показали, что капитальные вложения для подвески экранов на деревянные опоры составили 182.28 тыс. руб., а для подвески экрана при помощи отпайки от имеющихся опор равны – 133.75 тыс. руб. Из этого следует вывод, что экономически целесообразнее использовать второй вариант, так как он менее капиталоёмкий, требуется меньше инвестиций на его реализацию.

1. НОРМИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ

В настоящее время на международном уровне и в ряде экономически развитых странах, в том числе и в нашей, разработаны и утверждены документы, регламентирующие уровни электрических полей, создаваемых высоковольтным оборудованием и сооружениями. Первые нормы по электромагнитным полям были установлены в [1, 2, 3, 4, 5].

В России регламентируются уровни электрического поля частотой 50 Гц для условий производственных воздействий и уровни электрического поля, создаваемого воздушными линиями напряжением 330 - 1150 кВ для населения. Однако, эти нормы можно использовать при расчетах ЛЭП любого класса.

В 1984 г. Министерство здравоохранения СССР выпустило документ [6] “Санитарные нормы и правила защиты населения от воздействия электрического поля, создаваемого воздушными линиями электропередачи переменного тока промышленной частоты”, который содержит основные требования по обеспечению защиты населения от воздействий электрического поля, создаваемого воздушными линиями электропередачи напряжением 330 кВ. и выше переменного тока промышленной частоты и по размещению этих линий вблизи населенных пунктов.

Согласно этому документу установлены следующие предельно допустимые уровни напряженности электрического поля:

внутри жилых зданий – 0.5 кВ/м;

на территории зоны жилой застройки – 1 кВ/м;

в населенной местности, вне зоны жилой застройки (земли городов в пределах городской черты в границах их перспективного развития на 10 лет, пригородные и зеленые зоны, курорты, земли поселков городского типа, в пределах поселковой черты и сельских населенных пунктов, в пределах черты этих пунктов), а также на территории огородов и садов – 5 кВ/м;

на участках пересечения воздушных линий электропередачи с автомобильными дорогами I - IV категории – 10 кВ/м

в ненаселенной местности (незастроенные местности, хотя бы и часто посещаемые людьми, доступные для транспорта и сельскохозяйственные угодья) – 15 кВ/м;

в труднодоступной местности (не доступной для транспорта и сельскохозяйственных машин) и на участках, специально выгороженных для исключения доступа населения – 20 кВ/м;

Предельно допустимые значения напряженности нормируются для электрического поля не искаженного присутствием человека и определяются на высоте 1.8 м от уровня земли, а для помещения от уровня поля.

В целях защиты населения от воздействия электрического поля ВЛ устанавливаются санитарно - защитные зоны.

Санитарно - защитной зоной ВЛ является территория вдоль трассы ВЛ, в которой напряженность электрического поля превышает 1 кВ/м.

Для вновь проектируемых ВЛ, а также зданий и сооружений допускается принимать границы санитарно - защитных зон вдоль трассы ВЛ с горизонтальным расположением проводов, без средств снижения напряженности электрического поля по обе стороны от нее на расстояниях от проекции на землю крайних фазных проводов в направлении, перпендикулярном к ВЛ предоставленных в таблице 1.1:

Таблица 1.1 - Границы санитарно - защитных зон вдоль трассы ВЛ

В пределах санитарно - защитной зоны запрещается:

размещение жилых и общественных зданий и сооружений, площадок для стоянки и остановки всех видов транспорта, предприятий по обслуживанию автомобилей и складов нефти и нефтепродуктов;

производить операции с горючим, выполнять ремонт машин и механизмов.

Машины и механизмы на пневматическом ходу, находящиеся в санитарно - защитных зонах ВЛ, должны быть заземлены. В качестве заземлителя допускается использовать металлическую цепь, соединенную с рамой или кузовом и касающуюся земли.

В этом документе также даются требования к размещению линий электропередачи по отношению к населенным пунктам. Ближайшее расстояние от оси проектируемых линий напряжением 750 - 1150 кВ до границы населенных пунктов, как правило, должно быть не менее:

250 м – для ВЛ напряжением 750 кВ;

300 м – для ВЛ напряжением 1150 кВ.

Расстояния безопасности от токоведущих частей линий электропередачи, находящихся под напряжением свыше 1000 В, при выполнении работ в охранных зонах линий лицами, не имеющими электротехнической квалификации регламентируются [7] ГОСТ 12.1.051 - 90.

Охранная зона вдоль воздушной линии электропередачи - это воздушное пространство над землей, ограниченное параллельными плоскостями, отстоящими по обе стороны линии на расстояние от крайних проводов по горизонтали, указанное в таблице 1.2

Таблица 1.2 - Границы охранных зон вдоль трассы ВЛ

Охранная зона воздушных линий электропередачи, проходящих через водоемы, устанавливается в виде воздушного пространства над водной поверхностью водоемов, ограниченного параллельными вертикальными плоскостями, отстоящими по обе стороны линии на расстояние по горизонтали от крайних проводов для судоходных водоемов - 100 м, для несудоходных - на расстояние, указанное в таблице 1.2

В охранной зоне линий электропередачи запрещается проводить действия, которые могли бы нарушить безопасность и непрерывность эксплуатации или в ходе которых могла бы возникнуть опасность по отношению к людям. В частности, запрещается:

размещать хранилища горюче-смазочных материалов;

устраивать свалки;

проводить взрывные работы;

разводить огонь;

сбрасывать и сливать едкие и коррозионные вещества и горюче-смазочные материалы;

набрасывать на провода опоры и приближать к ним посторонние предметы, а также подниматься на опоры;

проводить работы и пребывать в охранной зоне воздушных линий электропередачи во время грозы или экстремальных погодных условиях.

В пределах охранной зоны воздушных линий электропередачи без согласия организации, эксплуатирующей эти линии, запрещается осуществлять строительные, монтажные и поливные работы, проводить посадку и вырубку деревьев, складировать корма, удобрения, топливо и другие материалы, устраивать проезды для машин и механизмов, имеющих общую высоту с грузом или без груза от поверхности дороги более 4 м.

Выполнение работ в охранных зонах воздушных линий электропередачи с использованием различных подъемных машин и механизмов с выдвижной частью допускается только при условии, если расстояние по воздуху от машины (механизма) или от ее выдвижной или подъемной части, а также от рабочего органа или поднимаемого груза в любом положении (в том числе и при наибольшем подъеме или вылете) до ближайшего провода, находящегося под напряжением, будет не менее указанного в таблице 1.3

Таблица 1.3 - Допустимые расстояния от механизмов до ЛЭП

Выполнение поливных работ вблизи воздушных линий электропередачи, находящихся под напряжением, допускается в случаях, когда:

при любых погодных условиях водная струя не входит в охранную зону;

водная струя входит в охранную зону и поднимается на высоту не более 3 м от земли.

Министерством здравоохранения СССР в 1991 г. были выпущены “Санитарные нормы и правила выполнения работ в условиях воздействия электрических полей промышленной частоты” [8], в которых определены предельно допустимые уровни напряженности электрических полей частотой 50 Гц в зависимости от времени пребывания в условиях их воздействия и даны формулы для расчета времени пребывания.

Документ говорит:

пребывание в электрическом поле с уровнем напряженности, превышающим 25 кВ/м, без применения индивидуальных средств защиты не допускается.

при уровнях напряженности электрического поля 20 - 25 кВ/м время пребывания персонала в электрическом поле не должно превышать 10 мин.

пребывание персонала в электрическом поле с уровнем напряженности, не превышающем 5 кВ/м допускается в течение всего рабочего дня (8 ч).

при уровне напряженности электрического поля 5 - 20 кВ/м включительно допустимое время пребывания персонала рассчитывается по формуле:

где Е – уровень напряженности воздействующего электрического поля в контролируемой зоне (кВ/м);

Т – допустимое время пребывания персонала в электрическом поле с соответствующим уровнем напряженности, ч.

Расчет допустимой напряженности в зависимости от времени пребывания в электрическом поле при 0.5 ч<Т<8 ч производится по формуле:

Допустимое время может быть реализовано одноразово или дробно в течение рабочего дня. В остальное рабочее время необходимо либо использовать средства защиты, либо находиться в электрическом поле с напряженностью до 5 кВ/м.

при нахождении персонала в течение рабочего дня в зонах с различной напряженностью электрического поля допустимое время пребывания вычисляется по формуле:

где - приведенное время, эквивалентное по биологическому действию пребывания в электрическом поле нижней границы нормируемой напряженности,

- время пребывания в контролируемых зонах с напряженностью

- допустимое время пребывания в электрическом поле для соответствующих контролируемых зон по пп. b) и e).

Приведенное время не должно превышать 8 ч.

Количество контролируемых зон определяется перепадом уровней напряженности электрического поля на рабочем месте. Различие в уровнях напряженности электрического поля контролируемых зон устанавливается 1 кВ/м.

При подъеме на оборудование и конструкции с напряженностью электрического поля выше 5 кВ/м средства защиты должны применяться независимо от продолжительности работ. Использование ограничения продолжительности таких работ недопустимо.

В настоящее время в мире ведется работа по унификации подходов к нормированию электрического поля, в том числе промышленной частоты. Однако отсутствуют единые принципы обеспечения безопасности работающих и населения при воздействии электрического поля. В ряде западных стран и в международных рекомендациях нормативные величины электрического поля промышленной частоты значительно выше, чем в РФ. Следует отметить, что за исключением Болгарии и Чехословакии, нормативные значения носят лишь рекомендательный характер или устанавливаются в качестве контролируемых уровней, т. е. не служат стандартами, обязательными для соблюдения в законодательном порядке.

Таблица 1.4 - Зарубежные и международные нормативы электрических полей промышленной частоты (кВ/м) [10]

2. ТЕОРИЯ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ

Алгоритм расчета разработан с учетом [11, 12, 13, 14, 15].

Напряженность в точке М пространства, кВ/м от заряда i - го проводника , Кл равна:

где – расстояние, м от точки М в пространстве до i - ого заряда ;

–диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м.

Чтобы получить формулы для расчета мгновенных, максимальных и действующих значений напряженности электрического поля в пространстве, окружающем линию электропередачи, сначала совмещаем комплексную плоскость с плоскостью поперечного сечения линии.

Затем для данной точки М плоскости записываем уравнения для горизонтальной и вертикальной составляющих, создаваемых линейными зарядами ( k ) проводников линии

; (2.1)

,

где – единичный вектор в направлении оси х;

– единичный вектор в направлении оси y;

– координата точки М, в которой вычисляется напряженность;

– координаты i - ого проводника линии электропередачи;

– координаты зеркально отраженного заряда i - ого проводника линии;

- комплексные заряды на i - ых проводниках ЛЭП, которые вычисляется по уравнениям Максвелла в матричной форме:

, откуда

где – столбцовая матрица комплексных напряжений, В;