Исследование опасных факторов и разработка средств защиты персонала при обслуживании высоковольтного электрооборудования под напряжением
На правах рукописи
ФРОЛКИН ЕВГЕНИЙ НИКОЛАЕВИЧ ИССЛЕДОВАНИЕ ОПАСНЫХ ФАКТОРОВ И РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ ПЕРСОНАЛА ПРИ ОБСЛУЖИВАНИИ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ПОД НАПРЯЖЕНИЕМ Специальность 05.14.02 – Электрические станции и электроэнергетические системы
Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук
Новосибирск – 2013
Работа выполнена в ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» (ФБОУ ВПО «НГАВТ»)
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Горелов Валерий Павлович
Официальные оппоненты: Качесов Владимир Егорович, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет» Полищук Владимир Иосифович, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет, зав.
кафедрой «Электрические сети и электротехника»
Ведущая организация: филиал ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» – Сибирский НИИ энергетики
Защита состоится 22 марта 2013 г. в 13 часов (ауд. 227) на заседании диссертационного совета Д 223.008.01 при ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» по адресу: 630099, г. Новосибирск, ул. Щетинкина, 33, ФБОУ ВПО «НГАВТ» (тел/факс (383) 222-49-76;
E-mail: [email protected];
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» Автореферат разослан 01 февраля 2013 г.
Учёный секретарь Малышева Елена диссертационного совета Павловна
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Основными элементами связи энергосистем являются воздушные линии электропередачи (ВЛ) классов напряжения (220 – 750) кВ. Возросшие требования к надёжности межсистемных ВЛ и экономические потери при плановых и случайных отключениях диктуют необходимость проведения работ по обслуживанию и ремонту ВЛ без вывода их из работы, т.е. без отключения напряжения. Производство ремонтных работ под напряжением (ПРН) практикуется уже в течение десятков лет, в том числе в России и в странах ближнего зарубежья.
Центральной проблемой при ПРН была и остаётся проблема обес печения безопасности персонала. В обеспечении безопасности ПРН кро ме общих правил охраны труда особо выделяется проблема исключения перекрытий воздушных промежутков в зоне ПРН. Указанную проблему решают адекватным выбором минимальных изоляционных расстояний в зоне ПРН, обеспечивающих требуемую электрическую прочность не только при воздействии рабочего напряжения ВЛ, но и при воздействии случайных коммутационных повышенных напряжений.
Исследования Александрова Г.Н., Базеляна Э.М., Гайворонского А.С., Кадомской К.П., Качесова В.Е., Овсянникова А.Г., Тиходеева Н.Н. и других отечественных и зарубежных учёных, посвящённых про блеме координации внутренних и атмосферных перенапряжений с электрической прочностью изоляции ВЛ, послужили базисом работ по обеспечению электробезопасности ПРН. Однако задачи обеспечения безопасности ПРН обширны и продолжают оставаться в поле внимания исследователей многих стран, работающих в СИГРЭ и МЭК.
К таким задачам можно отнести, например, оценку степени риска ПРН при удалённых грозовых воздействиях. Имеет место проблема недостаточных изоляционных расстояний в зоне ПРН на ряде типов опор ВЛ. Отсутствуют защитные аппараты для ограничения амплитуды повышенных напряжений и предотвращения перекрытия изоляцион ных промежутков в зоне ПРН. Весьма неопределённые аспекты сопро вождают подготовительные операции, предшествующие ПРН. Решение перечисленных проблем и вопросов весьма актуально.
Объектом исследования являются ремонтные работы под на пряжением на воздушных линиях электропередачи классов напряжения (220 – 750) кВ.
Предметом исследования являются процессы, влияющие на безопасность ремонтного персонала и соответствующие защитные ме роприятия.
Связь темы диссертации с общенаучными (государственны ми) программами и планом работы академии. Работа выполнялась в соответствии: с научными направлениями технического комитета № «Работы под напряжением» Международной электротехнической ко миссии (МЭК);
с научной целевой комплексной темой «Разработка ме роприятий по повышению надёжности работы оборудования в услови ях пониженных температур» (гос. регистр. № 0188.0004.137) и планом НИОКР «Электромагнитная совместимость технических средств» (гос.
регистр. № 01201180542) ФБОУ ВПО «НГАВТ».
Идея работы заключается в создании и применении защитных аппаратов для ограничения амплитуды волн коммутационных напря жений и предотвращения перекрытия изоляционных промежутков в зоне производства ремонтных работ под напряжением.
Целью работы является разработка научных положений, техни ческих средств и рекомендаций, позволяющих повысить безопасность персонала при выполнении работ под напряжением. Для достижения этой цели в работе ставились и решались следующие взаимосвязанные научно-технические задачи:
провести расчёты повышенных напряжений, которым могут под вергнуться изоляционные промежутки на ВЛ при атмосферных и комму тационных процессах;
разработать технические требования к защитным аппаратам, кото рые можно применить для обеспечения безопасности персонала при проведении работ под напряжением на ВЛ 220, 330 и 500 кВ;
изготовить опытные образцы защитных аппаратов;
разработать программу и провести высоковольтные испытания опытных образцов защитных аппаратов;
совместно с производителем опытных образцов разработать про ект технических условий на защитные аппараты;
разработать технические требования к периодическим испытани ям и эксплуатационному контролю защитных аппаратов;
разработать рекомендации по предварительному диагностирова нию оборудования, назначенного к обслуживанию под напряжением;
усовершенствовать методику оценки риска и разработать общий алгоритм подготовки к производству работ под напряжением.
Методы исследования. В процессе выполнения исследований применялись: анализ и обобщение данных из литературных источни ков, методы теоретических основ электротехники и теории электриче ских сетей, методы математической статистики и теории вероятностей, расчёты по универсальным и специализированным компьютерным программам.
На защиту выносятся:
1 Результаты расчётов искажения формы и затухания атмосфер ных волн повышенных напряжений при их распространении по прово дам линии электропередачи классов напряжения (220 – 750) кВ.
2 Результаты расчётов амплитуд повышенных напряжений и их распределения по длине линий классов напряжения 220 и 500 кВ при случайных однофазных коротких замыканиях и автоматических по вторных включениях.
3 Определённое расчётным путём интегральное распределение плотности вероятности длительности фронта повышенных напряжений при коммутационных процессах.
4 Технические требования к характеристикам защитных аппара тов ОПН-ПРН, в том числе, к условиям координации комбинированной вольтамперной характеристики ОПН-ПРН с электрической прочностью зоны ПРН.
5 Конструкции защитных аппаратов ОПН-ПРН (220 – 500) кВ и результаты их высоковольтных испытаний.
6 Новые элементы в оценке риска верховых электромонтёров.
7 Рекомендации по периодическим испытаниям и эксплуатаци онной проверке работоспособности защитных аппаратов.
8 Рекомендации по предварительному диагностированию элек трооборудования, подлежащего обслуживанию или ремонту под на пряжением.
9 Рекомендации по общему порядку подготовки к производству работ под напряжением.
Достоверность и обоснованность научных положений, выво дов и рекомендаций Достоверность обеспечена применением в экспериментах сер тифицированного испытательного оборудования, поверенных измери тельных приборов и стандартных методов высоковольтных испытаний, использованием для расчётов лицензированного программного обеспе чения. Особенностью работы являлся консервативный (перестраховоч ный) сценарий обработки результатов и погрешностей расчётов, оправ данный поставленной целью обеспечения безопасности ремонтного персонала.
Обоснованность выводов и рекомендаций работы подтверждена публикациями и обсуждениями результатов исследований на междуна родных и всероссийских научно-технических конференциях и симпо зиумах, а также практической реализацией полученных результатов.
Научная новизна работы характеризуется следующими новыми научными положениями:
получены новые данные по затуханию волн атмосферных напря жений при распространении их по проводам ВЛ с учётом погонных параметров линии и зависимости активного сопротивления фазных проводов от частоты, удельного электрического сопротивления грун тов, потерь энергии в грозозащитных тросах и на корону;
расчётным путём обосновано отсутствие влияния на электро безопасность производства ремонтных работ под напряжением дальних прямых ударов молнии в провода ремонтируемой линии;
в результате статистических исследований определены инте гральные функции распределения плотности вероятности длительности фронта и максимальные кратности волн коммутационных повышенных напряжений на воздушных линиях электропередачи 220 и 500 кВ;
на основе полученных данных разработаны основные техниче ские требования к характеристикам защитных аппаратов ОПН-ПРН;
предложены новые элементы методики расчёта степени риска ремонтного персонала.
Теоретическая значимость работы заключается в развитии ве роятностного подхода оценки степени риска производства ремонтных работ под напряжением, заключающемся в применении расчётных раз рядных характеристик зон ПРН и расчётных воздействий, сопровож дающих коммутационные процессы, а также повышенных напряжений атмосферного происхождения с формой волны, соответствующей про бегу ею 10 километров линии.
Практическая значимость результатов работы заключается в расширении номенклатуры электроустановок, намечаемых к обслужи ванию и ремонту под напряжением, за счёт применения разработанных защитных аппаратов. В опытных образцах ОПН-ПРН 220 и 500 кВ реа лизованы условия координации их вольтамперных характеристик и разрядных характеристик зоны ПРН. Разработан способ и устройство для эксплуатационной проверки модулей ОПН-ПРН. Обоснован выбор методов диагностического обследования подлежащего ремонту обору дования. Разработаны рекомендации по порядку подготовки к произ водству работ под напряжением. Совокупность полученных результа тов представляется решением важной научно-технической задачи, имеющей большое хозяйственное значение для электросетевого хозяй ства страны.
Реализация работы. Опытные образцы ОПН-ПРН 220, 330 и 500 кВ переданы в опытно-промышленную эксплуатацию в ОАО «Электросетьсервис ЕНЭС» и готовятся к аттестации в ОАО «ФСК ЕЭС». Рекомендации по применению защитных аппаратов ОПН-ПРН 220 и 500 кВ внедрены в МЭС Сибири и МЭС Западной Сибири с сум марным ожидаемым годовым экономическим эффектом 880 тыс. руб.
при сроке окупаемости капитальных вложений менее двух лет.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссер тационной работы докладывались и обсуждались: на второй Россий ской конференции по молниезащите, Москва, 2010;
международной юбилейной научно-технической конференции «Обновление флота – актуальная проблема водного транспорта на современном этапе», Но восибирск, 2011;
на семнадцатом международном симпозиуме по тех нике высоких напряжений, Ганновер, Германия, 2011;
пятой Россий ской научно-практической конференции с международным участием "Линии электропередачи 2012: проектирование, строительство, опыт эксплуатации и научно-технический прогресс", Новосибирск, 2012 г.
Личный вклад. Постановка научно-исследовательских задач и их решения, научные положения, выносимые на защиту, основные вы воды и рекомендации диссертации принадлежат автору. Личный вклад в работах, опубликованных в соавторстве, показан в Приложении А диссертации и составляет не менее 55 %.
Публикации. Содержание работы изложено в 15 научных тру дах, в том числе, в двух статьях периодических изданий по перечню ВАК.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из вве дения, четырёх глав, основных выводов и рекомендаций, списка лите ратуры из 103 наименований и четырёх приложений. Содержание из ложено на 176 страницах машинописного текста, который поясняется 61 рисунком и 20 таблицами.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сфор мулированы цели и научные задачи исследования;
приведены основные научные результаты, выносимые на защиту;
показана научная новизна исследований и оценена их практическая значимость;
отражены уро вень апробации и личный вклад соискателя в решении научных задач;
даны структура и объём диссертационной работы, а также объём пуб ликаций.
В первой главе приведён обзор мировых технологий производ ства ремонтных работ под напряжением. Критически проанализирова ны вопросы обеспечения безопасности ремонтного персонала, особен но верховых электромонтёров, работающих на потенциале провода.
Выделены вопросы, требующие дальнейших исследований и решения.
Во второй главе рассматривается вопрос о влиянии на безопас ность ПРН волн повышенных напряжений атмосферного происхожде ния. Оно должно учитывать вероятностный характер явления: время ПРН редко совпадает с грозовой обстановкой, прямые удары молнии в ВЛ, а, тем более, прорывы молнии сквозь тросовую защиту, имеют свою невысокую вероятность и т.д. В первом приближении можно ог раничиться рассмотрением только тех видов повышенных напряжений, которые возникают вследствие прямых ударов молнии в тросы, опоры и провода ВЛ, а из их числа исключить срезанные волны вследствие большого затухания их амплитуды после прохода отрезка ВЛ длиной 10 км и более, оставив только полные волны с амплитудой, равной вы держиваемому напряжению изоляции ВЛ. В приближённых оценках изоляционных промежутков, необходимых для исключения перекрытия в зоне ПРН, учитывалось затухание амплитуды UL волны, после пробе га участка линии по эмпирическому выражению Фауста-Менжера U UL =, (1) k l U 0 + где U0 – первоначальная амплитуда, кВ;
l - длина пробега волны, км;
k – коэффициент пропорциональности k = 0,0001, 1/км.
Амплитуду полной волны в точке удара молнии в (1) приравни вали к выдерживаемому напряжению U0, величина которого определя лась как разность (U50% – 3). Расчёт минимальных изоляционных рас стояний в зоне ПРН производился, исходя из минимального разрядного градиента, равного 500 кВ/м и поправки на 3 ( 1 %) U lмин = 1,03 L.
гроз (2) Параллельно было выполнено моделирование процесса распро странения волны в программе для расчёта электромагнитных переход ных процессов МАЭС, разработанной в Сибирском научно исследовательском институте энергетики. Эти расчёты показали значи тельно меньшее затухание амплитуды перенапряжения, чем по форму ле (1). Однако необходимые для безопасной работы промежутки, рас считанные по (2) оказались меньше на (6,5 – 35) %, чем это требует ГОСТ. Иначе говоря, изоляционные промежутки, которые выдержива ют напряжения коммутационных процессов, в достаточной мере обес печивают безопасность и от набегающих атмосферных волн напряже ний.
В более строгой постановке задачи моделирование, которое вы полнялось в программе для расчёта электромагнитных переходных процессов ATP-EMTP (Alternative Transients Program - Electromagnetic Transients Program). В качестве математической модели линии, при ведённой на рисунке 1, использовалась частотно-зависимая модель ли нии J. Marti а б Рисунок 1 – Схема расчёта деформации и затухания волны при её распространении по линии электропередачи;
а – без учёта короны;
б – с учётом короны Входными параметрами для модели являлись геометрические размеры линии. При этом учитывалась не только высота подвеса про вода, но и стрела провеса. Кроме того учитывалась зависимость актив ного сопротивления провода от частоты, т.е. скин-эффект.
Влияние земли оценивалось по модели Карсона с удельным элек трическим сопротивлением грунта з = 50, 100, 300, 600 и 1000 Омм.
Грозозащитный трос моделировался вводом в математическую модель дополнительно одного или двух (для ВЛ 750 кВ) фазных проводов с параметрами троса марки С–70. Модель опоры состояла из четырёх последовательно соединённых линий с распределёнными параметрами.
В каждую часть схемы замещения введены ветви параллельного соеди нения активного сопротивления, (R), и индуктивности, (L).
Ri = Ri X i ;
Li = 2 Ri ;
R1 = R2 = R3 = 2 Z t1 ln 1 ;
(3) h x4 2Z t 4 (4) ln, R4 = h где h – высота опоры;
= h / c0 – время распространения волны вдоль опоры, а c0 = 300 м/мкс – скорость света в вакууме;
1 = 4 = 0,89 – ко эффициенты затухания.
Сопротивление заземления опоры, (Rf), моделировалось линей ным сопротивлением величиной 10 Ом. Корона на проводах ВЛ моде лировалась как ёмкость и проводимость, подключённые параллельно к фазной ёмкости линии. Проводимость рассчитывалась приближённо U U н См 0, f (5) G 10 9 1 exp м,, U 50 м м где f – частота, принималась равной 100 кГц, Uм/Uн – кратность повы шенного напряжения по отношению к начальному напряжению коро ны.
Кратность повышенных напряжений выбиралась путём несколь ких итераций. Учитывалась и динамика ёмкости коронирующей линии СД 4 U = В3 м, (6) С0 3 Uн где С0 – геометрическая ёмкость коронирующей линии;
В = 0,85 при отрицательной и В = 1,02 при положительной полярности напряжения.
Корона моделировалась как дополнительная ёмкость, подклю чённая параллельно ёмкости фазы с величиной (СД – С0).
Молния моделировалась импульсом тока с с нулевой производ ной тока в начальный момент времени и формой волны 1,2 / 50 мкс.
Числовые значения исходных и расчётных данных для воздуш ных линий электропередачи (220 – 750) кВ приведены в таблице 1.
На рисунке 2 информация о расчётных данных, приведена в гра фическом виде: в относительных единицах приведены амплитуда и фронт волны после пробега ею 10 км ВЛ рассматриваемых классов на пряжения и с грунтами различного удельного сопротивления. Видно, что амплитуда набегающей волны снижается, а длительность фронта увеличивается при увеличении удельного электрического сопротивле ния земли, (з), и при увеличении класса напряжения ВЛ.
Таблица 1– Оценки затухания и искажения атмосферных волн напряжения на линиях электропередачи (220 – 750) кВ Удельное сопротивление земли, з, Омм Параметр 50 100 300 600 ВЛ 220 кВ, одноцепная;
Iмолнии = 7,5 кА U0, кВ 998 1002 1009 1014 Ul = 10 км + корона + трос, кВ 774 757 732 717 фр (l = 10 км + кор. +трос), мкс 5,8 7 9,2 10,6 11, ВЛ 220 кВ, двухцепная;
Iмолнии = 7,5 кА U0, кВ 1022 1025 1030 1035 Ul = 10 км + корона + трос, кВ 823 802 768 745 фр (l = 10 км + кор. +трос), мкс 4,2 5,1 7 8,5 9, ВЛ 330 кВ, одноцепная;
Iмолнии = 12 кА U0, кВ 1423 1429 1442 1452 Ul = 10 км + корона + трос, кВ 1102 1074 1031 1007 фр (l = 10 км + кор. +трос), мкс 6,3 7,7 10,4 12,2 13, ВЛ 500 кВ, одноцепная;
Iмолнии = 15 кА U0, кВ 1630 1640 1660 1680 Ul = 10 км + корона + трос, кВ 1227 1199 1157 1133 фр (l = 10 км + кор. +трос), мкс 7,6 9 11,9 13,6 15, ВЛ 750 кВ, одноцепная;
Iмолнии = 21 кА U0, кВ 2200 2208 2230 2250 Ul = 10 км + корона + трос, кВ 1629 1593 1531 1495 фр (l = 10 км + кор. +трос), мкс 5,9 7 9,2 10,9 12, Полученные в результате более строгого моделирования амплиту ды напряжений превышали значения, полученные при упрощённом под ходе, тем не менее, вывод о ничтожном влиянии повышенных напряже ний при атмосферных процессах по сравнению с коммутационными, ос тался неизменным.
Технический комитет 78 МЭК счёл возможным отразить предло жение автора о безопасности удалённых разрядов молнии в новой редак ции стандарта МЭК 61472, точнее, в приложении В2: «Грозовые перена пряжения могут вызвать перекрытие изоляции в точке удара молнии в ВЛ. Тем не менее перенапряжения ослабляются при пробеге участка ВЛ в 10 км и более, так что не влияют на вероятность перекрытия изоляци онных промежутков в зоне ПРН».
а б Рисунок 2 – Распределение амплитуд (а) и длительности фронта волны (б) в о.е. после пробега волной 10 км линии электропередачи различных классов напряжения и удельного сопротивления земли В третьей главе приведены методика и расчётные оценки и дли тельностей фронтов повышенных напряжений при коммутационных процессах. Все расчёты производились в программе МАЭС для следую щих видов коммутаций: однофазные короткие замыкания (КЗ) на ВЛ и 500 кВ;
трёхфазное автоматическое повторное включение (ТАПВ) ВЛ 220 кВ;
однофазное автоматической повторное включение (ОАПВ) ВЛ 500 кВ. В результате моделирования определены кратности и форма коммутационных повышенных напряжений (рисунки 3 и 4).Полученные данные могут быть использованы для «перестраховочной» оценки риска ПРН. Частные выводы состоят в следующем:
- при КЗ на ВЛ 220 кВ высокие кратности напряжений сосредото чены в средней части ВЛ, поэтому на участках линии, прилегающих к подстанциям работать под напряжением более безопасно;
- на ВЛ 500 кВ максимальные напряжения возникают, в основном, при ОАПВ крайней фазы. При ОАПВ средней фазы напряжения значи тельно меньше и сосредоточены только в средней части ВЛ. В любом случае меньшие уровни напряжений следует ожидать в последней чет верти ВЛ (счёт от питающей ПС).
Параллельно стати стическими расчётами было получено распреде ление импульсов повы шенных напряжений по длительностям фронтов (рисунок 5).
Их долю важно знать, по тому что длительность фронта влияет на элек трическую прочность воздушных промежутков.
Рисунок 3 – Максимальные кратно Применительно к реаль сти напряжений при ТАПВ ВЛ 220 кВ и ным формам повышенных при вариации места КЗ и места ПРН напряжений определение длительности фронта весьма затруднительно. В данной работе длитель ность фронта отсчитыва лась с момента достиже ния напряжения общей короны на проводе ВЛ до максимума напряжения во время переходного процесса. Зависимость напряжения перекрытия Рисунок 4 – Максимальные кратности воздушного промежутка напряжений при КЗ в разных точках ВЛ «провод – стойка опоры» 500 кВ с последующим ОАПВ от длительности фронта, описывается эмпириче ским выражением T T 1,255 0,51 Ф,кр + 0,255 Ф,кр, (7) U 50 (TФ ) = U 50,кр Т ТФ Ф где U 50,кр (кВ) – прочность при критической длительности фронта;
TФ.кр = 45 d - критическая длительность фронта;
d – длина воздушного промежутка, м.
Из приведённых зависи мостей видно, что доля повышенных напряжений с длительностью фронта близкой к критической не превышает 5 %.
В ряде случаев ока зывается невозможным обеспечить требуемые по электрической прочности изоляционные промежут ки в зоне ПРН. В таких случаях выручить могут защитные аппараты. Для Рисунок 5 – Интегральные функции защиты ремонтного пер распределения вероятности длительности сонала при ПРН подвес фронта повышенных напряжений ные ограничители напря жений предпочтительнее защитных искровых промежутков, потому что срабатывание искровых промежутков приводит к крайне нежелательному явлению – отключе нию ВЛ из-за сопровождающего тока дугового замыкания. Кроме того, дуговое замыкание вблизи зоны ПРН чревато серьёзными психологиче скими воздействиями на членов бригады. Безальтернативным вариантом в этом случае остаётся применение защитных аппаратов на основе ОПН.
В третьей редакции стандарта МЭК по минимальным расстояниям прибли жения отмечается, что для ограничения повышенных напряжений примене ние ОПН предпочтительнее, чем использование защитных искровых проме жутков, т.к. их срабатывание не вызывает срабатывания устройств РЗА и выключателей. Приведённая фраза появилась по предложению Российского национального комитета МЭК, хотя ни одной конструкции специальных защитных аппаратов ОПН-ПРН в мире тогда ещё не было. Их создание впервые было предпринято в ОАО «Электросетьсервис ЕНЭС». Для этого при участии автора были сформулированы основные технические требова ния к ОПН-ПРН и переданы для изготовления по ним опытных образцов в ЗАО «Феникс-88» (рисунок 6).
Опытные образцы были изготовлены и после утверждения техни ческих условий будут заявлены на аттестацию в ОАО «ФСК ЕЭС» в ус тановленном порядке.
Высоковольтные испытания опытных образцов ОПН-ПРН были про ведены в испытательном центре ВЭИ.
По результатам испытаний были скор ректировныа размеры искрового про межутка ОПН-ПРН 220 кВ и показана необходимость корректировки требова ний к координации характеристик воз душного промежутка ОПН-ПРН 330 кВ.
Некоторые осциллограммы испытатель ных воздействий приведены на рисунке 7. Итоговые результаты испытаний при ведены в таблице 2.
В четвёртой главе рассмотрены вопросы периодических и эксплуатаци Рисунок 6 - Эскизы онных испытаний инструментов и осна защитных аппаратов типа стки для ПРН. Особо выделены испыта ОПН-ПРН 220 (А), 330 (Б) и ния вновь разработанных защитных 500 кВ (В). 1 – искровой аппаратов. Разработаны критерии и пор промежуток;
2 – модуль тативная установка для проверки клас ОПН;
3 – шлейф заземления сификационного напряжения отдельных модулей ОПН-ПРН, опытный образец которой изготовлен компанией «Димрус» (рисунок 8).
а б Рисунок 7 Форма испытательного коммутационного импульса на ОПН-ПРН – 330 кВ без пробоя (а) и с пробоем (б) искрового про межутка Показан недостаток методики электрических испытаний изоли рующих канатов по стандарту МЭК, предложен способ его преодоле ния и более жёсткая норма на величину тока утечки.
Таблица 2 – Разрядные характеристики ОПН-ПРН Вид испытательного напряжения Класс Длина Переменное Коммутационный импульс ОПН, кВ ИП, м U50%, кВ, (, %) U50%, кВ (+) (, %) Uвыд., кВ (-) 0,54 240 (1,0) 444 (2,8) 330 0,72 295 (1,8) 690 (3,4) 500 0,94 408 (3,5) 871 (4,0) Предварительная диагностика должна включать внешний осмотр предполагаемого к ПРН участку ВЛ и, при необходимости, допол нительные инструментальные проверки. Реаль ную механическую прочность проводов дейст вующей ВЛ можно оценить только косвенно, по стрелам провиса, которые должны соответ ствовать расчётным для данной температуры воздуха и тока нагрузки, и по отсутствию яв ных видимых повреждений. Если по условиям ПРН требуется подъём электромонтёров по железобетонным центрифугированным опорам, Рисунок 8 – то в дополнение к визуальному осмотру их ме портативная уста- ханическое состояние можно оценить с помо новка для проверки щью термовизионного контроля. Для контроля модулей ОПН изоляции рекомендовано совместное примене ние методов инфракрасного и ультрафиолето вого диагностирования.
Предложены дополнения к вероятностной методике оценки степени риска ПРН. Суть предложения состоит в объединении дос тоинств двух методик: международной (МЭК) и российской. В от сутствие экспериментальных результатов разрядные характеристики промежутков в зоне ПРН рассчитываются сначала по методике МЭК для волн напряжений с критической длительностью фронтов. Затем по (7) вычисляются амплитуды повышенных напряжений с «длинными фронтами». Обе определённые расчётами величины прочности исполь зуются в имеющемся программном обеспечении вместо эксперимен тальных данных. При этом количественные соотношения повышенных напряжений с критическими и длинными фронтами берутся в пропор ции, определённой статистическими расчётами (рисунок 5).
Далее рассчитываются амплитуды повышенных напряжений по любой из программ расчёта переходных процессов (МАЭС, EMTP, ATP-EMTP, MatLab и др.) причём в математической модели учиты ваются характеристики участков энергосистемы, примыкающих к рассматриваемой линии. В первой итерации учитываются только подстанционные защитные аппараты: ОПН или вентильные раз рядники. В зависимости от класса напряжения и решения Системного Оператора о возможности (или невозможности) вывода из работы сис темы автоматического повторного включения проводятся расчёты для случайных коротких замыканий и автоматического повторного вклю чения. Максимальные перенапряжения в зоне ремонта закладываются в программу расчёта, и определяется степень риска электромонтёра. Если - она оказывается больше 10, то принимается решение об установке защитных аппаратов ОПН-ПРН и расчёты повторяются с учётом их характеристик. Методика иллюстрирована конкретными примерами.
Рекомендуемая последовательность и взаимосвязь действий при подготовке к ПРН в плановом порядке приведена на рисунке 9.
После получения согласованного и утверждённого технического задания исполнитель проводит анализ проектной и эксплуатационной документации для определения зон ПРН. Если в них минимальные рас стояния между ремонтником, который будет находиться под потенциа лом, и заземлёнными частями оборудования превышает расстояния, указанные в ГОСТе, то исполнитель составляет план производства ра бот, проводит подготовительные и основные ремонтные работы.
Если расстояния в зоне ПРН меньше указанных в ГОСТ, то про водится расчёт степени риска с использованием расчётных кратностей повышенных напряжений и электрической прочности промежутков.
Если расчётная вероятность перекрытия в зоне ПРН (степень риска) превысит некоторый порог, например, 10-7, то принимается решение об установке поблизости от зоны ПРН защитного аппарата ОПН-ПРН и расчёты повторяются с учётом его действия. Если и в этом случае риск оказывается больше выбранной пороговой величины, то ПРН считается невозможным, о чем извещается Заказчик и Системный оператор. Если расчётная степень риска оказывается меньше выбранного порога, то дальнейшие работы проводятся по «благоприятному» сценарию, ука занному выше.
Рисунок 9 – Алгоритм подготовки к производству ремонтных работ под напряжением Основные выводы и рекомендации 1 Из анализа технологий производства ремонтных работ под на пряжением сделан вывод о том, что в России доминирующее положе ние технологии доставки электромонтёра к проводу продолжит зани мать метод «маятника».
2 На основе расчётов затухания волн напряжений сделан вывод о безопасности удалённых молниевых разрядов для производства ре монтных работ под напряжением. Также, установлено, что:
коронирование проводов приводит к снижению амплитуды по вышенных напряжений на (3 – 4) %;
учёт грозозащитных тросов и опор, при ударе молнии в фазный провод, приводит к незначительному уменьшению амплитуды повы шенных напряжений;
исключение составляет ВЛ 750 кВ, в которой ам плитуда волны, снижается почти на 100 кВ, по-видимому, из-за расще пления троса на две составляющие.
3 В результате моделирования переходных процессов в програм ме МАЭС определены кратности и форма повышенных напряжений при коммутациях ВЛ 220 и 500 кВ. Полученные данные могут быть исполь зованы для «перестраховочной» оценки риска ПРН. Установлено, что:
при КЗ на ВЛ 220 кВ более высокие кратности напряжений со средоточены в средней части ВЛ, а по концам ВЛ они имеют меньшие значения;
поэтому более безопасно ПРН на участках, примыкающих к подстанциям;
при ТАПВ ВЛ 220 кВ наибольшие напряжения сосредоточены во второй половине длины ВЛ, а в первой четверти ВЛ кратности не пре вышают Кп 1,75;
при КЗ на средней фазе повышение напряжения на крайних фа зах ВЛ 500 кВ значительно меньше, чем при КЗ на крайних фазах, и сосредоточены они только в средней части ВЛ;
на ВЛ 500 кВ максимальные напряжения возникают, в основ ном, при ОАПВ крайней фазы;
при ОАПВ средней фазы напряжения значительно меньше и сосредоточены в средней части ВЛ;
вероятность возникновения (доля) волн напряжения с длитель ностью фронта близкой к критической не превышает 5 %.
4 Показано, что для защиты ремонтного персонала подвесные ОПН предпочтительнее защитных искровых промежутков.
5 Разработаны и переданы фирме-изготовителю основные техни ческие требования к подвесным ОПН-ПРН для защиты работающего персонала от повышенных напряжений при коммутационных процессах на ВЛ 220, 330 и 500 кВ.
6 Проведены высоковольтные испытания опытных образцов ОПН-ПРН. По их результатам откорректирован размер искрового про межутка ОПН-ПРН – 220 кВ и дорабатывается ОПН-ПРН – 330 кВ.
7 Разработаны критерии и портативная установка для эксплуата ционных испытаний модулей ОПН-ПРН;
опытный образец установки изготовлен компанией «Димрус».
8 Показан недостаток методики электрических испытаний изо лирующих канатов по стандарту МЭК, предложен способ его преодо ления и более жёсткая норма на величину тока утечки.
9 Разработаны рекомендации по предварительному диагности рованию предполагаемого к ремонту участка линии. Оно должно вклю чать внешний осмотр оборудования, предполагаемого к обслуживанию под напряжением и дополнительные инструментальные проверки.
10 Предложены дополнения к вероятностной методике оценки степени риска ПРН, суть которых состоит в объединении достоинств двух методик, международной (МЭК) и российской, и проведении рас чётов с применением характеристик конкретной линии, примыкающих к ней участков энергосистемы и защитных аппаратов ОПН-ПРН.
11 Рекомендована общая последовательность и взаимосвязь дей ствий при подготовке к работам под напряжением.
Список научных трудов по теме диссертации Статьи, опубликованные в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК 1 Фролкин, Е.Н. Координация разрядных характеристик зоны ремонтных работ под напряжением с атмосферными перенапряжения ми /Е.Н. Фролкин, А.Г. Овсянников // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал.
Вост. – 2011. – №1. – С. 230 – 232.
2 Фролкин, Е.Н. Влияние условий эксплуатации на основные характеристики электросетевых конструкций из электроизоляционного и электропроводного бетонов / Е.Н. Фролкин, В.П. Горелов [и др.] // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. – 2011. – №1. – С. 233 – 237.
Статьи, опубликованные в российских изданиях;
материалы международных и всероссийских конференций 3 Фролкин, Е.Н. Атмосферные перенапряжения и безопасность ремонтных работ под напряжением / Е.Н. Фролкин, А.Г. Овсянников //Доклады второй Российской конф. по молниезащите, Москва, 22- сентября 2010 г. [Электронный ресурс]. – Доклад 2.12.
4 Фролкин, Е.Н. Международная стандартизация. Ремонтные работы под напряжением / Е.Н. Фролкин, А.Г. Овсянников // Новости электротехники, 2010. – №5. – C. 66 – 68.
5 Фролкин, Е.Н. Опыт экспресс-диагностики электросетевого оборудования / Е.Н. Фролкин [и др.] // Рынок электротехники. – 2011. – №1 (21). – С. 58 – 59.
6 Фролкин, Е.Н. Экспертиза электромагнитной совместимости в электроэнергетических системах /Е.Н. Фролкин [и др.] / Материалы международной юбилейной науч.-техн. конференции «Обновление флота – актуальная проблема водного транспорта на современном этапе». Часть 1. – Новосибирск: НГАВТ, 2011. – С. 196 – 202.
7 Фролкин, Е.Н. Опыт экспресс-диагностики подстанционного оборудования / Е.Н. Фролкин [и др.] / Сб. докладов межд. юбил. науч. техн. конф. «Обновление флота – актуальная проблема водного транс порта на современном этапе». Ч. 1. – Новосибирск, 2011. – С. 217 – 219.
8 Frolkin, E. Аn influence of far thunderstorm on live working safety / E. Frolkin, A. Ovsyannikov // 17th International Symposium on High Voltage Engineering, Hannover, 22-26 August, 2011: book of abstracts. – Р.
472. [Электронный ресурс]. – CD. – Рaper G – 019.
9 Фролкин, Е.Н. Характеристики перенапряжений при корот ких замыканиях и повторных включениях ВЛ 220 и 500 кВ / Е.Н. Фрол кин [и др.] // Линии электропередачи 2012: проектирование, строитель ство, опыт эксплуатации и научно-технический прогресс: материалы пятой Российской науч.-практ. конф. с междунар. участ., Новосибирск, 11-13 сентября 2012 г. – Новосибирск. – 2012. – С. 203 – 210.
10 Фролкин, Е.Н. Характеристики подвесных ограничителей по вышенных напряжений для обеспечения безопасности ремонтных ра бот под напряжением на ВЛ 220, 330 и 500 кВ / Е.Н. Фролкин, С.А. Ка закова // Линии электропередачи 2012: проектирование, строительство, опыт эксплуатации и научно-технический прогресс: материалы пятой Российской науч.-практ. конф. с междунар. участ., Новосибирск, 11- сентября 2012 г. – Новосибирск. – 2012. – С. 159 – 164.
Отчёты о научно-исследовательских работах 11 Разработка рекомендаций по обеспечению электромаг нитной совместимости смежных электрических сетей среднего на пряжения: отчёт о НИР (промежуточн.), г/б – 11 / ФБОУ ВПО «Ново сиб. гос. акад. вод. трансп.»;
рук. Горелов В.П.;
исполнитель Фролкин Е.Н. [и др.]. – Новосибирск, 2011. – 136 с. – Библиогр.: с. 122–136. – ГР №01.88. 0004137. – Инв. № 02201100473.
12 Парадигма применения технических средств на транс форматорной подстанции со сдвоенным токоограничивающим реакто ром: отчёт о НИР (промеж.), г/б – 11 / Новосиб. гос. акад. вод. трансп.»;
рук. Горелов В.П. – Новосибирск: [б.и.], 2011. – 153 с. – Исполнитель Фролкин Е.Н. – Библиогр.: с.154–168. – ГР №01.88. 0004137.
13 Устойчивость узлов нагрузки в замкнутых электрических сетях от 6 до 35 кВ: отчёт о НИР (промежуточн.), г/б – 11 / ФБОУ ВПО «НГАВТ» рук. Горелов В.П. – Новосибирск: [б.и.], 2012. – 142 с. – Ис полнитель Фролкин Е.Н. [и др.]. – Библиогр.: с.132–140. – ГР №01.88.
0004137. Инв. № 02.201.261576.
14 Исследования нормальных и аварийных режимов в ли ниях сверхвысокого напряжения с комбинированной поперечной ком пенсацией: отчёт о НИР (промежуточн.), г/б – / ФБОУ ВПО «НГАВТ» рук. Горелов В.П.;
исполн. Фролкин Е.Н. [и др.]. – Новосибирск, 2012.
– 156 с. – ГР №01.88. 0004137. – Инв. № 02.201.261575.
15 Разработка рекомендаций и средств защиты персонала при обслуживании высоковольтного электрооборудования под напря жением: отчёт о НИР (промежуточн.), г/б – 11 / ФБОУ ВПО «НГАВТ»;
рук. Горелов В.П.;
исполн. Фролкин Е.Н. [и др.]. – Новосибирск, 2013.
– 141 с. – Библиогр.: с. 130–141. – ГР №01.88. 0004137.
Личный вклад в статьях, опубликованных в соавторстве, состав ляет не менее 50 %.
Подписано в печать 28.01.2013 г. с оригинал-макета Бумага офсетная № 1, формат 60 х 84 1/16, печать трафаретная – Riso.
Усл. печ. л. 1,3. Тираж 130 экз. Заказ №. Бесплатно ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» ФБОУ ВПО («НГАВТ»).
630099, Новосибирск, ул. Щетинкина, 33.
Отпечатано в типографии ФБОУ ВПО «НГАВТ»