Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Электромагнитная безопасность и электромагнитная совместимость высоковольтного и сильноточного оборудования представляет глобальную проблему в электроэнергетике. Ее обеспечение основывается на соблюдении требований соответствующих стандартов и санитарного законодательства, согласно которому устанавливаются предельно допустимые уровни (ПДУ) напряженности электрического и магнитного полей (ЭП и МП).
ПДУ ЭП и МП 50 Гц для населения регламентируются следующими документами: СанПиН № 2971-84 «Санитарные правила и нормы защиты населения от воздействия электрического поля, создаваемого воздушными линиями электропередачи переменного тока промышленной частоты»; СанПиН 2.1.2.2645-10 «Санитарно-эпидемиологические требования к условиям проживания в жилых зданиях и помещениях», СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03 «Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов»; Гигиенический норматив ГН 2.1.8/2.2.4.2262-07 «Предельно допустимые уровни магнитных полей частотой 50 Гц в помещениях жилых, общественных зданий и на селитебных территориях».
ПДУ ЭП и МП в производственных условиях регламентируются по СанПиН 2.2.4.1191-03 «Электромагнитные поля в производственных условиях»; «Ориентировочные безопасные уровни воздействия переменных магнитных полей частотой 50 Гц при производстве работ под напряжением на В Л 220-1150 кВ» № 5060-89.
Электромагнитная совместимости технических средств обеспечивается ГОСТом: ГОСТ Р 51317.6.2-2007 «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электромагнитным помехам технических средств, применяемых в промышленных зонах. Требования и методы испытаний» и Стандартом организации по обеспечению электромагнитной совместимости электрических станций и подстанций «Методические указания по определению электромагнитных обстановки и совместимости на электрических станциях и подстанциях. Стандарт организации СО 34.35.311-2004. Российское ОАО энергетики и электрификации «ЕЭС России».
Такие электросетевые установки, как воздушные и кабельные линии (ВЛ и КЛ) электропередачи, а также реакторы без замкнутого ферромагнитного сердечника (воздушные реакторы), являются основными источниками интенсивных электрических и магнитных полей промышленной частоты (ПЧ). До настоящего времени вопросы ограничения уровней напряженности ЭП и МП, создаваемых такими установками, оставались открытыми и их решение является своевременным и актуальным.
Целью исследования является повышение надежности работы посредством обеспечения электромагнитной совместимости и электромагнитной безопасности высоковольтного и сильноточного электросетевого и подстанционного оборудования. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
разработка методик, алгоритмов и программ расчета ЭП и МП воздушных и кабельных линий (ВЛ и КЛ), воздействующих на оборудование и человека;
фантомные измерения и математическая оценка электромагнитных факторов, воздействующих на персонал в производственных условиях;
разработка принципов и конструктивных решений для экранирования ЭП В Л с помощью пассивных, активных и резонансных тросовых экранов;
разработка принципов и конструктивных решений для экранирования МП В Л с помощью пассивных, активных и резонансных контурных экранов;
разработка принципов и конструктивных решений для совместного экранирования ЭП и МП ВЛ с помощью пассивных, активных и резонансных тросовых и контурных экранов;
разработка методик и алгоритмов расчета параметров контурных экранов с учетом провисания проводов в пролете ВЛ;
разработка методов компенсации МП, создаваемых КЛ, до ПДУ для жилых помещений и селитебных территорий, а также нормируемых уровней по помехоустойчивости для оборудования;
разработка методик, алгоритмов, программ и расчет напряженности МП, создаваемого трехфазными реакторами и группами трехфазных реакторов;
разработка принципов, конструктивных решений, алгоритмов и программ расчета напряженности МП, а также параметров однофазных реакторов, оснащенных комбинированными электромагнитными экранами;
разработка принципов, конструктивных решений, алгоритмов и программ расчета напряженности МП однофазных реакторов, оснащенных экранирующими обмотками.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования является высоковольтное и сильноточное электросетевое оборудование. Предметом исследования являются электрические и магнитные поля, создаваемые этим оборудованием.
Методика исследования. В диссертационной работе используется фантомный метод измерения, теории электромагнитного поля, функций комплексных переменных, электрических цепей, математического анализа и моделирования, а также численные методы расчета.
Достоверность результатов работы. Достоверность результатов работы обеспечивается: корректным применением фундаментальных законов и методов теории электромагнитного поля, электрических цепей, математического анализа и моделирования, совпадение результатов расчета с результатами измерений, проводимыми сторонними организациями, а также докладами и обсуждениями результатов работы на всероссийских и международных конференциях.
Научная новизна и теоретическая значимость работы заключается в следующем:
- разработаны методики и проведены расчеты напряженности магнитного
поля, воздействующего на человека, при проведении работ под напряже
нием (ПРН) на ВЛ сверхвысокого напряжения (СВН) в ее рабочем режи
ме, в момент однофазного короткого замыкания и при успешном автома
тическом повторном включении;
разработаны принципы фантомных измерений и изготовлены макеты вертикально стоящего человека, с помощью которых проведены измерения емкостных и аэроионных токов через части тела человека при ПРН на ВЛ-500 кВ, распределения напряженности ЭП по поверхности тела человека, находящегося на открытом распределительном устройстве (ОРУ) электрической подстанции (ПС) 750 кВ, а также осуществлены квалификационные испытания экранирующих комплектов;
разработан и изготовлен специализированный стенд, на котором проведены измерения и получены амплитудно-частотные спектры электромагнитного излучения коронного разряда, воздействующего на фантом мыши;
разработаны методы расчета и на примере ВЛ-500 кВ рассмотрены конструкции пассивных, активных и резонансных тросовых экранов, предназначенных для экранирования ЭП В Л СВН;
разработаны методы расчета и на примере однофазной ВЛ рассмотрены конструкции пассивных, активных и резонансных контурных экранов, предназначенных для экранирования МП ВЛ;
разработаны методы расчета и на примере ВЛ-500 кВ рассмотрены конструкции пассивных, активных и резонансных вертикальных и направленных контурных экранов, предназначенных для экранирования МП В Л СВН;
разработаны принципы и на примере ВЛ-500 кВ рассмотрены конструкции совместной работы тросовых и контурных экранов;
разработаны методы расчета параметров контурных экранов с учетом провисания проводов в пролете ВЛ;
разработан метод компенсации МП, создаваемого кабельной линией, по принципу сближения осей виртуальных кабелей КЛ;
разработаны математические модели и проведены расчеты МП, создаваемого однорядными, многорядными и многослойными трехфазными воздушными реакторами;
разработаны методы расчета и конструкции комбинированных электромагнитных экранов, предназначенных для ограничения МП, создаваемого однофазным воздушным реактором;
разработаны методы расчета и конструкции однофазных реакторов, оснащенных экранирующими обмотками, предназначенными для ограничения МП однофазных воздушных реакторов.
Практическая значимость и внедрение результатов работы состоят в следующем:
результаты расчета МП в зоне ПРН были использованы при разработке ОБУВ «Ориентировочные безопасные уровни воздействия переменных магнитных полей частотой 50 Гц при производстве работ под напряжением на ВЛ 220-1150 кВ»№ 5060-89;
результаты фантомных измерений емкостных и аэроионных токов, а также распределения напряженности ЭП по поверхности тела человека были использованы при разработке СанПиН № 5802-91 «Санитарные правила и нормы выполнения работ в условиях воздействия электрических полей
промышленной частоты (50 Гц)» и СанПиН 2.2.4.1191-03 «Электромагнитные поля в производственных условиях»;
результаты работы по применению тросовых и контурных экранов для ограничения уровней напряженности ЭП и МП ВЛ СВН, а также компенсации МП кабельных линий были использованы при разработке СанПиН 2.2.4.1191-03 и Гигиенический норматив ГН 2.1.8/2.2.4.2262-07 «Предельно допустимые уровни магнитных полей частотой 50 Гц в помещениях жилых, общественных зданий и на селитебных территориях»;
результаты работы по применению комбинированных электромагнитных экранов и экранирующих обмоток для ограничения уровней напряженности МП воздушных реакторов были использованы при разработке СанПиН 2.2.4.1191-03;
получены патенты на изобретения: № 2273934 от 10 апреля 2006 г. «Кабельная линия электропередачи»; № 2304815 от 20.08.2007 г. «Электромагнитный экран для реактора без ферромагнитного сердечника»; № 2304816 от 20.08.2007 г. «Электрический однофазный реактор (варианты)»;
получены свидетельство на регистрацию программы для ЭВМ: № 2004612173 от 03.08.2004 «Программа определения напряжённостей электрических и магнитных полей воздушных линий электропередачи (Линия ЭМП)»; № 2006613743 от 27.10.2006 «Магнитные поля трехфазных реакторов без ферромагнитного сердечника» (Реактор МП)»; № 2006613744 от 27.10.2006 «Электромагнитные параметры воздушных линий электропередачи (ЭМП ВЛ)»; № 2008610027 от 09.01.2008 «Воздушный реактор с электромагнитным экраном (Реактор - ЭМЭ)».
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Проведенные исследования режимов коротких замыканий на ВЛ-750 кВ, стендовые измерения коронного разряда и разработанные методы расчетов позволяют адекватно оценить уровни напряженности МП, плотности наведенного тока, а также электромагнитного излучения (ЭМИ) коронного разряда, воздействующих на персонал при ПРН на ВЛ СВН в ее рабочем режиме, в момент однофазного короткого замыкания и при успешном автоматическом повторном включении.
-
Применение разработанных принципов фантомных измерений на базе макетов вертикально стоящего человека, позволяет объективно оценить уровни емкостных и аэроионных токов, проходящих через части тела человека при ПРН, распределение напряженности ЭП по поверхности тела человека, находящегося на ОРУ, и осуществлять квалификационные испытания экранирующих комплектов
-
Адекватные методы расчета ЭП и МП и разработанные принципы использования пассивных, активных и резонансных тросовых, а также направленных и вертикальных контурных экранов с учетом провисания проводов в пролете позволяют находить конструктивные решения по снижению уровней напряженности ЭП и МП ПЧ, создаваемых ВЛ СВН.
-
Метод сближения осей виртуальных кабелей, составляющих кабельную линию, позволяет компенсировать напряженность МП, создаваемого КЛ до зна-
чений ниже ПДУ для жилых помещений и нормируемых уровней по помехоустойчивости для оборудования.
-
Математическая модель электрического воздушного реактора позволяет с достаточной степенью точности рассчитать значения напряженности МП, создаваемого трехфазными реакторами или группой трехфазных реакторов с любой схемой установки.
-
Разработанные методы расчета и конструктивные решения по применению комбинированных электромагнитных экранов и экранирующих обмоток дают возможность значительно снизить уровни напряженности МП, создаваемого воздушными реакторами.
-
Разработанная методика позволяет с достаточной степенью точности рассчитать индуктивное сопротивление цилиндрической многослойной/многорядной обмотки реактора, содержащей несколько параллельных ветвей, витки которых намотаны с транспозицией.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены и обсуждены: на конференции «Радиофизическая информатика» (Москва, 1990 г.); на совещании «Опыт проектирования, строительства и эксплуатации сетей сверх высокого напряжения» (Москва, 1992 г.); на 1, 5 -^ 9 симпозиумах «Электротехника 2010» (Москва, 1992, 1999 -^ 2007 г.г.); на XI Международной конференции по гиромагнитной электронике и электродинамике (Москва, 1993 г.); на 1 Международном симпозиуме «Гигиена физических факторов окружающей и производственной среды» (Киев, 1993 г.); на Международных симпозиумах по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии (Санкт-Петербург, 1995, 1997, 2005, 2007, 2009 г.г.); на Международном совещании «Электромагнитные поля: Биологическое действие и гигиеническое нормирование» (Москва, 1998 г.); на 2-ой и 3-ей Международной конференции «Проблемы электромагнитной безопасности человека. Фундаментальные и прикладные исследования. Нормирование ЭМП, философия, критерии и гармонизация» (Москва, 1999 и 2002 г.г.); на Международных научно-практических конференциях «Экология в энергетики» (Москва, 2000, 2005, 2006 г.г.); на Российских научно-технических конференциях по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности (Санкт-Петербург, 2004, 2006, 2008 г.г.); на Международных выставках и семинарах «Электрические сети России» (Москва, 2003 -^ 2009 г.г.); на Всероссийской специализированной выставке и семинаре «Охрана труду в энергетике - 2007» (Москва, 2007 г.); на II и III Международной конференции «Человек и электромагнитные поля» (Саров, 2007, 2010 г.г.).
Публикации. По теме диссертации автором опубликована 151 печатная работа, в том числе одна монография, 3 патента и 9 авторских свидетельств на изобретение. После получения ученой степени кандидата технических наук опубликовано 140 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 9 глав, заключения и библиографического списка. Объем основной части работы составляет 366 страниц, включая 290 рисунков, 16 таблиц и 19 страниц библиографического списка (168 наименований), плюс приложения.
