ЭКРАНИРОВАННАЯ ВОЗДУШНАЯ ЛИНИЯ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК H02G7/20 

Изобретение относится к воздушной линии высокого напряжения для напряжения свыше 40 кВ, в частности - для напряжений свыше 100 кВ, имеющей протянутые воздухе фазные провода, поддерживаемые опорной конструкцией.

В экранированной воздушной линии высокого напряжения, т.е. PAS-9 линии, используют провода с пластмассовым покрытием вместо обычных неизолированных проводов. Изолятором чаще всего является поперечно-сшитый полиэтилен, XLPE (PEX). Размеры тонкой изоляции выбраны таким образом, чтобы противостоять градиентам напряжения, возникающим вследствие соударения проводов, и вплоть до диапазона средних напряжений, выдерживать контакт с деревьев или т.п.

PAS - линии напряжением 20 кВ сооружают в Финляндии с начала восьмидесятых годов двадцатого века. Часто PAS - линия является альтернативой гораздо более дорогостоящему техническому решению в виде подземной линии. Кроме того, PAS-линии для напряжения 20 кВ более надежны в эксплуатации, чем обычные воздушные линии, поскольку соударение проводов обычно не вызывает разрывов или повреждений проводов.

В бюллетене N T 68-91 Finnish Electeical Inspectorate (SET1) заданы требования к воздушным линиям с пластмассовым покрытием без металлической экранирующей оболочки, рассчитанным на напряжение 20 кВ. Согласно этому бюллетеню требования к расстояниям между проводами для проводов PAS-линии обычно те же, что и для проводов неизолированной воздушной линии, поскольку покрытие проводов не отвечает требованиям защиты от контакта. Кроме того, некоторые положения этих правил в случае эксплуатации PAS-проводов имеют отличия. Наиболее важным из таких отличий является минимальное расстояние между проводами, которое может составлять одну треть от расстояния, предусмотренного существующими правилами. Кроме того, расстояние от деревьев может быть несколько более, чем на 50% меньшими по сравнению с обычными линиями, поскольку изоляция проводов может выдерживать опирание упавшего дерева даже в течение месяца. Это уменьшает необходимую ширину межпроводных коридоров (conductor streets) и тем самым снимает затраты на приобретение земли. Для линий высокого напряжения - 110 кВ и выше - соответствующих правил в настоящее время нет, так как в эксплуатации сейчас нет изолированных воздушных линий для напряжений 110 кВ и выше (например, 220 кВ, 400 кВ). Конструкции опор, изоляторы, изоляция и арматура проводов, эксплуатируемые в настоящее время, в основном предназначены для неизолированных проводов. Даже несмотря на то, что PAS-линия на 110 кВ выдерживают опирание на нее дерева в течение пары часов, нельзя допустить контакт дерева с проводом ввиду высоких токов утечки и радиопомех. Перекрытие или эффект короны, возникающий в связи с ударом молнии, ранее вовсе не исследовался при таких номинальных напряжений и проводах, поскольку изоляция линий высокого напряжения как таковая не предназначалась для решения проблем, не относящихся к проблеме короткого замыкания, создаваемого контактом проводов, если провода сближаются друг с другом и окружающими лесопосадками больше, чем положено.

За прошедшее десятилетие со все возрастающей степенью интереса уделялось внимание также электрическим и магнитным полям, создаваемым линиями электропередачи. Ограничения на магнитные и электрические поля линий электропередачи уже заданы в некоторых штатах США и в Италии. Электрические и магнитные поля, создаваемые воздушными линиями, можно ослабить за счет подбора относительного взаиморасположения проводов. Располагая провода как можно ближе друг к другу, например в вершинах равностороннего треугольника, добиваются получения минимальных полей. В электрических линиях соударение неизолированных проводов вызывает короткое замыкание. Минимальное расстояние, требуемые для предотвращения соударений и эффектов короны, а также недостаток надлежащей и долговечной изоляции практически привели к отказу от использования способов укладки проводов, отличающихся от обычно применяемых способов. Способом установки, наиболее широко применяемым в Финляндии, является горизонтальная установка на опорах, позволяющая уменьшить высоту конструкции опор. Минимальное расстояние между проводниками составляет порядка 3,5 м при 110 кВ, и таким образом ширина полосы (коридора) линии будет составлять по меньшей мере 16 м в случае пролетов длиной 200 м. Однако на практике междуфазное расстояние для обычного провода составляет около 4,5 м, а необходимый коридор линии - 26 м.

Следовательно, вышеуказанные факторы привели к ситуации, когда по меньшей мере в воздушных линиях среднего и высокого напряжения весьма предпочтительно и выгодно сводить провода как можно ближе друг к другу по причинам экономического характера (например - с целью сужения межпроводного коридора), а также с учетом требований окружающей среды (уменьшения сферы влияния электрических и магнитных полей), но реализация этого технического решения существующими методами противоречит принципам сооружения линий высокого напряжения.

Техническая задача настоящего изобретения заключается в создании воздушной линии высокого напряжения, которая позволила бы существенно уменьшить расстояние, необходимое между фазными проводами, и обеспечить создание воздушной линии, приспособленной для более узких межпроводных коридоров, и генерирующей меньшие электрические и магнитные поля по сравнению с существующими воздушными линиями. Для решения этой задачи предлагаемая воздушная линия высокого напряжения отличается тем, что провода изолированы, что расстояние между ними в точках опоры меньше, чем минимальное расстояние, необходимое для того, чтобы избежать контакта между проводами, и тем, что по меньшей мере два провода расположены на разных высотах в вертикальном направлении.

Располагаемая воздушная линия высокого напряжения была разработана за счет надлежащего выбора и размещения фазных проводов в соответствии с изобретением и за счет большого труда, вложенного в различные испытания с целью определения подходящего типа провода. Эта линия способствует решению нескольких проблем, связанных с линиями электроснабжения обычной конструкции. Например, в случае линии электропередачи на опорах, рассчитанной на напряжение 110 кВ, межпроводные коридоры можно уменьшить от существенного минимума ширины в 16 м до 10 м (установка по схеме треугольника). При вертикальном расположении проводов, с другой стороны, можно добиться значительного уменьшения высоты опор. Кроме того, как следует из нижеследующих пояснений, можно значительно уменьшить напряженность электрических и магнитных полей по сравнению с напряженностью полей в существующих линиях.

Другие предпочтительные примеры выполнения изобретения имеют отличия, указанные в нижеследующей формуле изобретения.

Ниже изобретение более подробно поясняется посредством примеров со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано:
фиг. 1 - пример экранированного провода, используемого согласно изобретению;
фиг. 2 - график сравнительных соотношений поверхностной напряженности поля для различных проводников и напряженности поля, при которой возникает корона, в зависимости от межфазного расстояния;
фиг. 3 - график напряженности электрического поля на уровне земли при различных конфигурациях проводов;
фиг. 4 - график магнитной индукции на уровне земли при различных конфигурациях проводов; и
фиг. 5-8 - примеры конструкций опор для различных воздушных линий.

На фиг. 1 показан провод фирмы Nokia SAX-355, который можно использовать в предлагаемой экранированной воздушной линии высокого напряжения. Токоведущая часть провода представляет собой провод круглого сечения из алюминиевого сплава, оплетенный скрученными жилами 3 и наполненный. Экранирующая оболочка 1 провода выполнена из полупроводящей пластмассы для нейтрализации электрического поля и предотвращения появления мест разряда на поверхности металлического проводника. Слой изоляции 2 выполнен из перекрестно-сшиваемой пластмассы XLPE (пластмасса PEX), используемой, в частности, в линиях высокого напряжения, причем самый верхний слой, имеющий толщину около 1,5 мм, легирован газовый сажей для достижения защищенности от атмосферных воздействий. Другие параметры провода: стойкая к воздействию погодных условий и ультрафиолетового излучения конструкция, наружный диаметр 39 мм, масса 1730 кг/км, разрывное усилие 108 кН и номинальная нагрузка по току 660 А. Рассчитанный на 110 кВ провод SAX экранирован слоем изолирующей пластмассы, который гораздо тоньше, чем в конструкции обычного кабеля. Размеры изоляции подобраны так, чтобы она могла выдерживать соударение фазных проводов в пределах пролета. При испытаниях, когда между двумя проводами прикладывалось напряжение 120 кВ, провода выдерживали 54000 соударений без искрового пробоя. Кроме того, на тех же проводах были проведены испытания на отклонение в течение 17 суток; в ходе их провода отклонялись друг к другу без искрового пробоя.

При минимальных расстояниях между изолированными проводами в соответствии с изобретением допускается соударение проводов под воздействием сил короткого замыкания или ветра. Такие необходимые минимальные расстояния должны быть рассчитаны, исходя из других обоснований, чем те критерии, которые имеют место в случае короткого замыкания. Одна из исходных точек анализа минимального расстояния между проводами (воздушной изоляции) оговаривается в правилах электробезопасности в финской публикации N A4-86, Electrical Inspectorate, Хельсинки, 1986, где указаны минимальные требования для жестких конструкций, выражаемые величиной 1,15 м, и для неизолированных проводов напряжением 110 кВ.

При координационном анализе изоляции предлагаемой воздушной линии, содержащей изолированные фазные провода, исходит из двух допущений:
верхние конструкции опор защищают весь пролет; и
искровой пробой от фазы к земле происходит при броске напряжения выдерживаемого уровня с вероятностью 10%, причем девиация выдерживаемого напряжения составляет 3%.

Задача заключается в том, чтобы выбрать размеры расстояния между фазами так, чтобы искровой разряд в промежутке фаза-земля был бы значительно более вероятен, чем искровой разряд в промежутке между фазами. Расчеты в соответствии с вышеуказанными допущениями показали, что необходимо иметь промежуток между фазами всего на 3% больше, чем промежуток между фазой и землей, чтобы вероятность искрового разряда между фазой и землей была в 10 раз больше, чем вероятность искрового пробоя между фазами. Если желаемая вероятность должна быть в 100 раз больше, промежуток между фазами должен соответственно быть на 6% больше.

Поскольку участок дугообразования для гирлянд изоляторов напряжением на 110 кВ, которые использовал Заявитель, составляет 87 см, а свободный промежуток при этом напряжении составляет 90 см, то исходной точкой разработки послужил выбор минимального расстояния между находящимися под током частями фазных конструкций, равного 100 см, т.е. на 10% или более превышающего промежуток фаза-земля. При таком выборе размеров избыточное напряжение при ударе молнии вызовет, весьма вероятно, однофазное короткое замыкание вместо двухфазного короткого замыкания.

Поскольку в предлагаемой воздушной линии допустимы меньшие, чем обычно, междуфазные расстояния за счет изолированных фазных проводов, то это может также повлиять, вероятно, на решение проблем коронного разряда в проводах при напряжении 110 кВ. Поэтому соотношение напряженности поля на поверхности проводов и напряженности поля, при которой возникает корона, в зависимости от междуфазного расстояния рассчитывались при напряжении 123 кВ. Результаты приведены на фиг. 2. Согласно критериям выбора размеров, применявшимся Заявителем, это соотношение может принимать максимальное значение 0,72 во внутренних зонах и максимальное значение 0,77 в других зонах.

Результат расчетов зависит от применяемого провода. При испытаниях двух проводов типа ACSR 305/39 Duck и ACSR 152/25 Ostrich, обнаружено, что при использовании проводника Duck междуфазное расстояние можно было бы уменьшить до 60 см без каких-либо проблем с коронным разрядом. Грубо говоря, то же самое применимо к проводнику типа Nokia SAX 355. В случае проводника типа Ostrich междуфазное расстояние необходимо увеличить до 130 см, чтобы иметь конкретное значение поверхностей напряженности поля того же порядка. Из графика можно также увидеть, что когда проводники расположены вертикально (Don), достигаются более предпочтительные значения междуфазных промежутков - с точки зрения коронного разряда, чем при горизонтальном расположении (Port).

Однако необходимо иметь в виду, что минимальное расстояние между изолированными фазными проводами может быть того же порядка, что и минимальное расстояние, используемое в жестких конструкциях, по меньшей мере - в случае воздушной линии напряжением 110 кВ.

Таким образом, в соответствии с изобретением удалось достичь того, что экранированные провода обеспечивают значительное уменьшение междуфазных расстояний и сокращение межпроводных коридоров, или, вместо этого, уменьшение высоты конструкций опор. Основное преимущество PAS-линии также заключается в небольших величинах электрического и магнитного полей, создаваемых этой линией, по сравнению с обычными линиями, за счет уменьшенного междуфазного расстояния. На фиг. 3 показаны кривые напряженности электрического поля воздушной линии высокого напряжения на уровне земли для различных типов проводов. На фиг. 4 показаны соответствующие магнитные индукции. Сравнение, результаты которого приведены в таблице, включает обычную неизолированную линию с традиционными горизонтальными, треугольными и вертикальными конфигурациями при стандартных междуфазных расстояниях 3 - 3,5 м и PAS-линию с горизонтальными, вертикальными, треугольными и дельта-конфигурациями и междуфазными расстояниями 1,15 м. Примеры конфигураций показаны на фиг. 5-8. На фиг. 5 провода имеют вертикальное расположение, на фиг. 6 и 7 -дельта-расположение (провода расположены в вершинах равностороннего треугольника), а на фиг. 8 - обычное горизонтальное расположение. Опорные точки фазовых проводов на этих конструкциях обозначены позицией 4 на всех чертежах. Крепление фазных проводов к конструкциям опор или мачт является гибким, что исключает проблемы вибрации проводов. Изоляторы фазовых проводов могут быть обычными изоляторами, собранными на меньших междуфазных расстояниях.

Основные данные для результатов измерений, представленных на фиг. 3 и 4, следующие:
- V = 123 кВ;
- ток нагрузки 100 А, P = 18 МВт;
- провод PAS-линии: SAX 355, δ_o= 40,0 МПа (40 H/мм²);
- неизолированный провод: ACSR 305/39, δ_o= 40,0 МПа (40 H/мм²);
- молниеотвод: AACSR 106/25, δ_o= 60 МПа (60H/мм²);
- температура токоведущего провода: +15^oC;
- температура молниеотвода: +5^oC;
- промежуток между самым низким токоведущим проводом и землей: 5,9 м при +70^oC (допустимая минимальная высота);
пролет a_e = a = 200 м.

С помощью терминов магнитного поля можно сделать следующие выводы на основе фиг. 3 и 4 и табл. 1:
при горизонтальном расположении проводов в случае PAS - линии (фиг. 8) максимальная магнитная индукция уменьшается примерно до одной трети по сравнению с соответствующей неизолированной линией; магнитная индукция уменьшается до уровня фонового излучения (=0,1 мк) на расстояниях 16 м (PAS) и 33 м (обычная линия) от центра линии (кривые 1 и 6);
при вертикальном расположении проводов максимальное значение магнитной индукции PAS - линии (фиг. 5) уменьшается примерно наполовину по сравнению с обычной линией; магнитная индукция уменьшается до уровня фонового излучения на расстояниях 18 м (PAS) и 33 м (обычная линия) от центра линии (кривые 2 и 7);
при треугольном расположении проводов максимальное значение магнитной индукции линии не отличается сколько-нибудь существенно от значения для обычной линии (кривые 3 и 4); тем не менее, магнитная индукция уменьшается при наличии PAS-проводов до уровня фонового излучения на расстоянии 21 м от центра линии, тогда как в случае неизолированной линии индукция претерпевает то же изменение на расстоянии 25 м; это очень небольшое различие обусловлено тем, что расположение проводов определяют факторы, иные, нежели расстояние между проводами, например свободный промежуток, поэтому рассматриваемая конструкция, грубо говоря, одинакова при обоих типах проводов; все же PAS - линия обеспечивает уменьшение наполовину напряженности электрического поля (фиг. 3);
дельта-расположение (фиг. 6 и 7) PAS-линии является, несомненно, наилучшим решением с точки зрения создаваемых линией полей; по сравнению с неизолированной линией электропередач на опорах, максимальное значение магнитной индукции составляет всего около одной пятой, и магнитная индукция уменьшается до уровня фонового излучения на расстояния 13 м от линии (фиг. 8)
Наблюдения магнитного поля:
B_max = относительное максимальное значение магнитной индукции магнитного поля
0,1 мк (0,2 мк) = магнитная индукция уменьшается до этого уровня на указанном расстоянии от центра линии.

Специалисту в данной области техники очевидно, что различные примеры осуществления изобретения не ограничиваются приведенными выше примерами, а могут свободно изменяться в пределах объема нижеследующей формулы изобретения.

Изобретение предназначено для передачи электрической энергии с помощью воздушной линии напряжения свыше 100 кВ, имеющей протянутые в воздухе изолированные фазные провода, поддерживаемые конструкцией опор, причем расстояние между проводами в опорных точках меньше минимального расстояния, необходимого для избежания контакта между проводами. Изоляция каждого провода содержит внешний слой из погодостойкого материала, в качестве которого использован перекрестно-сшитый полиэтилен, легированный углеродной сажей, и внутренний слой из полупроводящей пластмассы. Технический результат - уменьшение междуфазных расстояний. 3 з.п.ф-лы, 1 табл., 8 ил.

1. Воздушная линия электропередачи высокого напряжения, содержащая протянутые в воздухе изолированные фазные провода, поддерживаемые конструкцией опор, причем расстояние между проводами в опорных точках (4) опор меньше минимального расстояния, необходимого для избежания контакта между проводами, а изоляция каждого провода содержит внешний слой (2) из погодостойкого материала, отличающаяся тем, что воздушная линия соответствует напряжению со значениями свыше 100 кВ, при этом изоляция также содержит по меньшей мере внутренний слой (1) из полупроводящей пластмассы. 2. Воздушная линия электропередачи высокого напряжения по п.1, отличающаяся тем, что внешний слой (2) состоит из перекрестно-сшитого полиэтиленового материала, легированного углеродной сажей. 3. Воздушная линия электропередачи высокого напряжения по п.1 или 2, отличающаяся тем, что фазные провода располагаются в находящемся друг над другом положении в поперечной плоскости воздушной линии. 4. Воздушная линия электропередачи высокого напряжения по п.1 или 2, отличающаяся тем, что фазные провода располагаются в вершинах треугольника в поперечной плоскости воздушной линии.