Способ защитного заземления воздушной линии электропередачи, находящейся под напряжением Российский патент 2022 года по МПК H02G1/02 

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для обеспечения мер безопасности во время производства работ на воздушных линиях электропередачи (ВЛ), находящихся под напряжением.

Правилами по охране труда при эксплуатации электроустановок [Правила по охране труда при эксплуатации электроустановок. Зарегистрированы в Минюсте России 30.12.2020 г. №61957 и опубликованы 01.01.2021 г.] определены меры безопасности во время работ на воздушных линиях электропередачи.

Известен способ компенсации напряжения прикосновения на месте производства работ на выведенной в ремонт воздушной линии электропередачи [Патент РФ №2752875 МПК H02H 05/10, опубл. 11.08.2021, Бюл. №23], в котором воздушную линию электропередачи заземляют по концам в распределительных устройствах подстанций, на месте работ соединяют основным заземлением фазные провода выведенной в ремонт воздушной линии электропередачи с контуром заземления опоры, устанавливают дополнительное заземление, отстоящее от контура заземления опоры. Согласно способу определяют зону выравнивания потенциала при производстве ремонтных работ, охватывающую рабочие места, на которых необходимо обеспечить защиту ремонтного персонала, а также места сосредоточения техники, в пределах зоны выравнивания потенциала обеспечивают безопасное производство ремонтных работ на воздушной линии электропередачи путем уравнивания потенциала зоны выравнивания потенциалу дополнительного заземления и контура заземления опоры, применяют для этого средства выравнивания потенциала, например, металлические сетки или листы, соединяют средства выравнивания потенциала между собой и подключают к дополнительному заземлению и контуру заземления опоры.

Недостатком способа является невозможность его использования при выполнении ремонтных работ на ВЛ, находящейся под напряжением.

Наиболее близким техническим решением является способ защитного заземления воздушной линии электропередачи [Патент РФ №2747778 МПК H02G 01/02, опубл. 14.05.2021 Бюл. №14], включающий заземление воздушной линии электропередачи, электрически соединенной переносными заземлениями с собственным заземляющим контуром опоры или искусственным заземлителем, погруженным механическим способом в грунт на глубину не менее одного метра. Согласно способу, воздушную линию электропередачи дополнительно заземляют, электрически соединяя при помощи заземляющих проводов с существующими естественными заземлителями.

Недостатком способа является невозможность его использования при выполнении ремонтных работ на ВЛ, находящейся под напряжением.

В процессе эксплуатации на ВЛ предусмотрены работы, которые могут выполняться без снятия напряжения. Например, на металлических опорах ВЛ выполняются следующие виды работ:

проведение верхового осмотра, проверка и восстановление сварных и болтовых соединений;

выправка деформированных уголков решетчатых опор;

окраска элементов металлических опор;

проверка и восстановления крепления опоры, покрытие резьбовых соединений антикоррозийной смазкой, измерение переходного сопротивления на месте болтового соединения заземляющего проводника с телом опоры;

очистка поверхности фундамента от земли и травы;

откопка фундамента для проведения осмотра фундаментов и заземляющего устройства, оценка механических повреждений фундаментов, трещин, нарушений гидроизоляционного слоя, коррозии и выветривания поверхностного слоя бетона;

ремонт поврежденных фундаментов опор;

восстановление (усиление) заземляющего устройства опор;

восстановление обвалки фундаментов опор;

другие виды работ.

При проведении указанных работ никаких технических мероприятий не предусматривается, ремонтный персонал может прикасаться к металлической опоре и подвергаться воздействию высокого напряжения прикосновения. Реальность такой опасности связана с возможностью возникновения однофазных (несимметричных) коротких замыканий в сетях 110-220 кВ во время производства ремонтных работ на ВЛ. Однофазные короткие замыкания имеют довольно высокую вероятность возникновения и при наличии эквипотенциальной связи рабочих мест на ВЛ с локальными и протяженными элементами электротехнических комплексов эти элементы могут оказаться под высоким напряжением. По статистическим данным около 70% от общего количества коротких замыканий приходится на однофазные.

Время существования такой опасности очень мало (определяется длительностью существования короткого замыкания), а место и первопричина короткого замыкания могут оказаться нераспознаваемыми из-за отдаленности от места проведения работ на ВЛ и не проявить никаких признаков существования, кроме как создания незримого, но опасного высокого напряжения прикосновения.

Несмотря на высокую вероятность указанных событий, приведенные случаи официально не фиксировались и не рассматривались комиссиями по расследованию причин несчастных случаев на ВЛ. Они также не появлялись и в обзорах несчастных случаев, однако они могут фигурировать в них под другим определением, например, как «сердечная недостаточность». Это возможно, так как член бригады, находившийся рядом с получившим электротравму, не может точно установить, подвергся ли тот кратковременному воздействию высокого напряжения прикосновения или нет, поскольку источник высокого напряжения находился далеко от рабочего места на ВЛ.

Когда работник теряет сознание, то первоочередные реанимационные процедуры, предпринимаемые членами бригады, могут оказаться безрезультатными, а приехавший медицинский работник может только констатировать смерть от сердечной недостаточности. Причина этого в том, что кратковременное воздействие высокого напряжения может вызвать фибрилляцию сердца и его остановку, что внешне проявляется так же, как сердечная недостаточность.

Следует отметить, что в нормативных документах не рассматривается возможность выноса опасного потенциала на рабочее место на ВЛ при возникновении аварий.

По существу, вынесенным потенциалом является изменение потенциала провода или других электропроводящих частей элементов ВЛ, приводящее к недопустимой величине напряжения прикосновения на рабочем месте на ВЛ. При однофазных коротких замыканиях на ВЛ 110 кВ источник вынесенного потенциала обусловлен наличием эквипотенциальной связи между каждой опорой ВЛ по неизолированному грозозащитному тросу. Эта связь способствует распространению потенциала аварийной опоры, где возник ток короткого замыкания и падение напряжения на сопротивлении системы «грозозащитный трос-опора-заземляющее устройство», на все другие опоры.

В качестве примера, рассмотрим однофазное короткое замыкание на находящейся под напряжением ВЛ 110 кВ при повреждении или снижении уровня изоляции (наброс) подвесной гирлянды изоляторов (фиг.1). В настоящее время задача по расчету тока однофазного короткого замыкания на ВЛ 110 кВ и выше практически решена в рамках обеспечения функционирования релейной защиты и автоматики.

Величина тока короткого замыкания зависит, прежде всего, от сосредоточенной мощности в рассматриваемом участке сети, различна для различных точек на одной ВЛ и меняется при перемещении рассматриваемой точки вдоль ВЛ. Например, для двухцепной ВЛ 110 кВ «ТЭЦ ГА3-2 - ПС Заречная» (Нижегородская энергосистема), протяженностью 15,61 км, рассчитанное по программе «ТК3-3000» («ЭСП Новосибирск»), распределение токов однофазного короткого замыкания вдоль ВЛ приведено в таблице 1.

Таблица 1. Распределение величины тока однофазного короткого замыкания при перемещении точки вдоль ВЛ при двухстороннем питании.

Для анализа механизма возникновения и определения величины вынесенного потенциала на ВЛ можно воспользоваться расчетными значениями тока короткого замыкания в произвольно выбранной точке ВЛ и более упрошенной расчетной схемой. Целесообразно сосредоточиться на анализе путей растекания тока короткого замыкания по грозозащитному тросу и заземляющим устройствам опор. Расчетная схема в этом случае будет соответствовать фиг.2.

Эквивалентное сопротивление системы грозозащитного троса и опор (Z_экв) в точке короткого замыкания определяется по следующему соотношению (1).

где R₀ - сопротивление заземляющего устройства опор (Ом); Z_T - модуль полного сопротивления грозозащитного троса в пролете (Ом), который определяется из выражения:

где l - длина пролета (км); ρ_Т - удельное активное сопротивление грозозащитного троса (Ом/км); D_з - эквивалентная глубина возврата тока нулевой последовательности через землю, ~ 1000 м; r - радиус грозозащитного троса (м); d_i - расстояние от i-го провода ВЛ до грозозащитного троса (м); Z₁, Z₂ - входные сопротивления однородной цепочки, состоящей из n звеньев, образованные сопротивлениями заземляющих устройств опор и грозозащитного троса, определяемые по выражению:

где Z₀ - сопротивление, на которое замкнута однородная цепочка (Ом); n - количество пролетов однородного участка ВЛ; th(nk) - гиперболический тангенс; Z_c, k - параметры ВЛ, значения которых определяются как:

Эквивалентное сопротивление такой цепочки зависит от количества образующих ее звеньев и от места короткого замыкания на ВЛ, то есть от координаты «х» рассматриваемой точки на ВЛ.

Изменение значений эквивалентного сопротивления системы грозозащитного троса и опор для упомянутой ранее двухцепной ВЛ при следующих заданных параметрах: грозозащитный трос типа С-50, количество пролетов n=78, длина пролета l=0,2 км, полученное при расчетах по формуле (1), c учетом значений (2) и (3), отражены в таблице 2. и на фиг.3.

Таблица 2. Расчетные значения вынесенного потенциала на опорах ВЛ.

Как показано на фиг.3, при перемещении по ВЛ 110 кВ от ТЭЦ ГАЗ до ПС Заречная, от опоры №1 к опоре №78, результирующее сопротивление системы «Грозозащитный трос-опора-заземляющее устройство» сначала возрастает до некоторого значения, зависящего от сопротивления заземления каждой опоры и длины пролета (грозозащитного троса), затем стабилизируется на некотором уровне. Например, при сопротивлении заземляющих устройств опор 5-6 Ом (как показали результаты проведенных замеров) и длине каждого пролета по 200 м, результирующее значение сопротивления находится в пределах от 0,42 до 1,5 Ом. При этом величины токов в грозозащитном тросе с двух сторон, при перемещении от ТЭЦ ГАЗ к ПС Заречная, сначала убывают с 22 кА до 15 кА, затем, по мере приближения к ПС Заречная, возрастают до 42 кА. Величина выноса потенциала U_вп при этом меняется, как показано на графике (фиг.3): в районе ТЭЦ ГАЗ возрастает до 30 кВ, затем снижается до 22 кВ, далее, по мере приближения к ПС Заречная, вновь возрастает до 45 кВ. Это и есть источник опасного выноса потенциала, который создает на месте проведения работ на ВЛ недопустимое напряжение прикосновения.

Класс напряжения ВЛ 110 кВ имеет ряд отличий в сравнении с ВЛ более высокого напряжения. Во-первых, уровень изоляции и длина гирлянды изоляторов, а, следовательно, и прямое расстояние от провода до заземленной конструкции опоры по воздуху на ВЛ 110 кВ меньше, чем на ВЛ более высокого напряжения. Во-вторых, охранная зона и ширина просек на ВЛ 110 кВ меньше. В-третьих, ВЛ 110 кВ, как правило, имеют более плотную конфигурацию и располагаются в границах или вблизи населенных пунктов. По этим причинам природные, техногенные и другие посторонние воздействия значительно чаще приводят к отказу ВЛ 110 кВ и изоляционное расстояние чаще перекрывается всевозможными токопроводящими набросами (особенно весной), различными механизмами в период строительства объектов в охранной зоне, а также птицами в период гнездования. Например, наброс длиной около 1 метра может привести к перекрытию гирлянды на ВЛ 110 кВ, а на ВЛ 220 кВ и выше практически не может.

Таким образом, неизолированное крепление грозозащитного троса на ВЛ напряжением 110 кВ и не предусмотренные величины выноса потенциала оказываются недопустимыми, с точки зрения обеспечения электробезопасности ремонтного персонала при эксплуатации ВЛ, находящихся под напряжением.

Заземление означает преднамеренное соединение токопроводящих частей электроустановок к заземляющему устройству специальным проводом или устройством. Главной функцией заземления, с точки зрения электробезопасности, является сокращение времени действия возникающего опасного напряжения путем инициирования срабатывания релейной защиты на отключение аварийного участка электроустановки выключателем или иным коммутационным аппаратом.

Однако это эффективно лишь тогда, когда опасное напряжение подается через коммутационный аппарат, связанный с быстродействующей релейной защитой. Если же у коммутационного аппарата отсутствует или не срабатывает быстродействующая релейная защита, или опасное напряжение на рабочем месте возникает непосредственно (например, вынесенный потенциал, атмосферное перенапряжение и т.д.), то эта функция заземления оказывается невыполнимой. В этом случае для обеспечения электробезопасности ремонтного персонала заземление должно уменьшить величину напряжения прикосновения до предельно допустимого значения.

Понятие «заземление» в нормативных документах [например, Правила по охране труда при эксплуатации электроустановок. Серия 17. Выпуск 53. - М.: Закрытое акционерное общество «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», 2013. - 192 с; Межотраслевые правила по охране труда (Правила безопасности) при эксплуатации электроустановок, ПОТ РМ -016-2001, РД 153-34.0-03.150-00. - М.: «Издательств НЦ ЭНАС», 2003. - С.98.] приводится не только как универсальное, но и исчерпывающее техническое мероприятие для обеспечения электробезопасности, выполняемое при монтаже оборудования и при подготовке рабочего места в любой действующей электроустановке. В нормативах рассматриваются также порядок и места установки этих заземлений в электроустановках, требования к персоналу, выполняющему их установку, а также пределы рабочего места, на которые распространяется действие данных заземлений. По сути, это мероприятие заключается в присоединении обесточенных токопроводящих частей электроустановки к заземляющим устройствам посредством специальных заземляющих проводников.

На ВЛ имеются заземляющие устройства отдельных опор, у которых зона выравнивания потенциала ограничена площадью, ограниченной контуром заземления конкретной опоры. Возможные границы рабочего места практически всегда выходят за пределы зоны выравнивания потенциалов заземляющего устройства опоры.

Поскольку заземляющее устройство опоры в данном случае не может обеспечить одновременного выравнивания и уравнивания потенциалов, то оно не может обеспечить установленную в [ГОСТ 12.1.038-82 Система стандартов безопасности труда (ССБТ). Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов (с Изменением N 1). Система стандартов безопасности труда: Сб. ГОСТов. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2001. - 9 с] величину предельно допустимого напряжения прикосновения.

Это обусловлено тем, что сопротивление заземляющего устройства опоры ВЛ нормируется по критериям грозозащиты и работы релейной защиты и автоматики. Поэтому в аварийных режимах, когда через заземляющее устройство опоры протекает большой ток короткого замыкания, потенциал этой опоры может значительно превышать величину предельно допустимого напряжения прикосновения.

Задачей изобретения является создание способа защитного заземления воздушных линий электропередачи, позволяющего надежно защитить работников от поражения электрическим током при работе на линиях, находящихся под напряжением.

Поставленная задача достигается способом защитного заземления воздушной линии электропередачи (ВЛ), находящейся под напряжением, включающим заземление ВЛ, переносные заземлители электрически соединяют с искусственными заземлителями, погруженными механическим способом в грунт, заземление ВЛ дополнительно электрически соединяют при помощи заземляющих проводов с существующими естественными заземлителями. Согласно способу на ВЛ, находящейся под напряжением, заземлению подлежат только опоры ВЛ, исходя из возможных токов короткого замыкания и параметров ВЛ определяют величину максимального напряжения прикосновения на опорах ВЛ и зону выравнивания потенциала при производстве работ, с учетом максимального напряжения прикосновения в пределах зоны выравнивания потенциала размещают на земле металлические листы, сетки, устанавливают переносные заземления, а также электрически соединяют их между собой и подключают к искусственным и естественным заземлителям.

Фиг. 1 иллюстрирует протекание токов однофазного короткого замыкания с выносом потенциала на заземленные конструкции опоры ВЛ.

На фиг.2. изображена расчетная схема для определения эквивалентного сопротивления системы: грозозащитный трос и опоры при однофазном коротком замыкании.

На фиг.3. представлены графики распределения вдоль линии значений: 1 - тока короткого замыкания (кА); 2 - результирующего сопротивления системы «грозотрос-опора-заземляющее устройство» (Ом); 3 - уровня потенциала на заземленных элементах опор ВЛ 110 кВ «ТЭЦ ГАЗ - ПС Заречная» при однофазном коротком замыкании в каждой рассматриваемой точке (опоре).

На фиг.4. изображены опора и элементы заземления ВЛ, предназначенные для обеспечения безопасности производства работ на ВЛ, находящейся под напряжением.

На фиг.4. введены следующие обозначения: 1 - опора ВЛ, находящейся под напряжением; 2 - соединенные между собой металлические сетки, листы; 3 - переносное заземление; 4 - стационарный заземляющий контур (искусственный заземлитель); 5 - естественный заземлитель; 6 - зона выравнивания потенциала, в которой обеспечивается безопасное производство работ.

Способ защитного заземления воздушной линии электропередачи, находящейся под напряжением, реализуется следующим образом.

Предварительно, перед производством работ на ВЛ, находящейся под напряжением, рассчитывают возможные токи короткого замыкания и с учетом параметров ВЛ определяют величину максимального напряжения прикосновения на опорах ВЛ. Исходя из токов короткого замывания, максимального напряжения прикосновения определяются необходимые мероприятия по обеспечению безопасности персонала при производстве работ, а также зона выравнивания потенциала.

Перед началом работ на ВЛ ограждают зону 6 выравнивания потенциала вокруг опоры 1 ВЛ сигнальными лентами, а также обеспечивают эквипотенциальность поверхности зоны 6 выравнивания потенциала путем размещения на земле металлических сеток 2, листов 2 и других средств 2 выравнивания потенциала. При необходимости устанавливают дополнительные переносные заземления 3. Соединяют между собой металлические сетки 2, листы 2, переносные заземления 3, стационарные заземляющие контуры (искусственные заземлители) 4, естественные заземлители 5 и контур заземления опоры 1 ВЛ.

Таким образом, в пределах выгороженной зоны 6 выравнивания потенциала обеспечивается безопасность ремонтного персонала при производстве работ на ВЛ, находящейся под напряжением.

Следует отметить, что способ-прототип предназначен для обеспечения безопасности работ на ВЛ, выведенной в ремонт, и не может обеспечить безопасность работы персона на ВЛ, находящейся под напряжением.

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат - обеспечение надежной защиты ремонтного персонала от поражения электрическим током при работах на воздушных линиях электропередачи (ВЛ), находящихся под напряжением. Согласно способу на ВЛ, находящейся под напряжением, заземлению подлежат только опоры ВЛ. Определяют величину максимального напряжения прикосновения на опорах ВЛ и зону выравнивания потенциала при производстве работ. В пределах зоны выравнивания потенциала размещают на земле металлические листы, сетки, устанавливают переносные заземления, а также электрически соединяют их между собой и подключают к искусственным и естественным заземлителям. 4 ил., 2 табл.

Способ защитного заземления воздушной линии электропередачи (ВЛ), находящейся под напряжением, включающий заземление ВЛ, переносные заземлители электрически соединяют с искусственными заземлителями, погруженными механическим способом в грунт, заземление ВЛ дополнительно электрически соединяют при помощи заземляющих проводов с существующими естественными заземлителями, отличающийся тем, что на ВЛ, находящейся под напряжением, заземлению подлежат только опоры ВЛ, исходя из возможных токов короткого замыкания и параметров ВЛ определяют величину максимального напряжения прикосновения на опорах ВЛ и зону выравнивания потенциала при производстве работ, с учетом максимального напряжения прикосновения в пределах зоны выравнивания потенциала размещают на земле металлические листы, сетки, устанавливают переносные заземления, а также электрически соединяют их между собой и подключают к искусственным и естественным заземлителям.