ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО НАРОДНОМУ ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ордена ЛЕНИНА и ордена ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

В. И. ЧЕХОВ

Утверждено учебным управлением МЭИ в качестве учебного пособия для студентов

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

по курсу

ПЕРЕДАЧА И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЙ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Под редакцией Г. К. Зарудского

Издательство МЭИ Москва 1991

621.315 4—563

УДК: 621.315(075.8)

Экологические аспекты передачи электроэнергии. В.И. Че­хов/Под ред. Г. К. Зарудского.—М.: Изд-во МЭИ, 1991.— 44 с.

Предназначено для студентов специальности «Электроэнергетические системы и сети», изучающих дисциплину «Передача и распределение

электроэнергии».

Дана общая характеристика влияния воздушных линии электропере­дачи на окружающую среду. Рассматриваются вопросы расчета макси­мальной напряженности электрического поля под линией переменного то­ка и методы его уменьшения, отторжения земель под трассу линии, воз­действия электромагнитного поля на людей, животный и растительный мир возникновения радио - и акустических шумов. Рассмотрены особен­ности воздействия на окружающую среду линий постоянного тока и ка­бельных линий сверхвысокого напряжения.

Может быть полезным и для студентов электроэнергетических специ­альностей при изучении ими дисциплины «Передача и распределение электроэнергии».

ВВЕДЕНИЕ

До середины нынешнего столетия влияние воздушных ли­ний (ВЛ) на окружающую среду практически не учигывалось из-за малой плотности размещения сетей и небольшого разнообразия их конструктивных решений. С ростом класса напряжения (500, 750, и более 1000 кВ), дальности электро­передач усиливается воздействие ВЛ на био- и социальные сферы, что заставило с начала 70-х гг. серьезно заняться изу­чением этих воздействий и поиском путей снижения их отри­цательного влияния на окружающую среду. Растет также плотность размещения распределительных сетей, что делает проблему особенно острой в густонаселенных районах. Так, в некоторых регионах СССР плотность размещения линий электропередачи разных напряжений достигает порогового значения, при котором на окружающую среду воздействует уже не одна ВЛ, а их совокупность. Эту особенность «за­грязнения» среды совокупностью ВЛ необходимо учитывать при проектировании электрических сетей.

Воздушные линии электропередачи как элемент электро­энергетической системы (ЭЭС) имеют непосредственный кон­такт и взаимовлияние с окружающей средой. Наиболее ха­рактерными экологическими проблемами, с которыми прихо­дится сталкиваться при проектировании и строительстве ВЛ, являются следующие: отчуждение и изъятие земель, выруб­ка лесных насаждений, ограничение хозяйственной деятель­ности в зоне отчуждения земли для ВЛ, вредное влияние электромагнитного поля сверх- и ультравысокого напряжения на биосферу, возникновение теле- и радиопомех, акустичес­кие шумы, создаваемые ВЛ, ухудшение работы средств свя­зи, ухудшение эстетического восприятия ландшафта в местах прохождения трасс ВЛ.

Часть из указанных воздействий на окружающую среду поддается количественной оценке и может быть выражена в экономических показателях, учитываемых при проектирова­нии. Большую же часть воздействий на биосферу и социальные системы оценить сложно, а порой и невозможно. Рас­смотрим три основные подсистемы, на которые оказывает влияние ВЛ.

1. Экологическая подсистема:

— нарушение почвенно-растительного комплекса и релье­фа местности;

— отторжение ценных сельскохозяйственных земель;

— последствия вырубки лесов по трассе ВЛ;

— изменение среды обитания животных, птиц, насекомых и их генофонда;

— влияние на биопроцессы в растительном мире;

— ограничение и изменение путей миграции животных и птиц.

2. Социальная подсистема:

— ухудшение условий жизни населения вблизи ВЛ (аку­стический шум,теле- и радиопомехи);

— отрицательное эстетическое воздействие на ландшафт местности, населенные пункты, зоны отдыха, культурные и природные памятники и т. д.;

— негативное воздействие электромагнитного поля ВЛ на организм человека в охранной зоне ВЛ.

3. Экономическая подсистема:

— нанесение ущерба сельскому хозяйству в связи с от­торжением земель и ограничением хозяйственной деятельно­сти в охранной зоне ВЛ;

— нанесение ущерба лесному хозяйству.

Следует сразу отметить, что действующие сегодня норма­тивы платежей за пользование земельными, лесными и дру­гими ресурсами значительно занижены по сравнению с их народнохозяйственной ценностью.

Очевидно, что для обеспечения возможности учета всего комплекса воздействий ВЛ на окружающую среду необходи­мо проводить исследования энергетиков, биологов, социоло­гов, экономистов и специалистов в других областях науки Критерием же выбора варианта электропередачи остается минимум приведенных народнохозяйственных затрат на стро­ительство и эксплуатацию ВЛ. С учетом воздействия на ок­ружающую среду их можно записать

3=3вл+3экол+3соц+Зэкон, (В.1),

где Зал—затраты на строительство и эксплуатацию ВЛ; Зэкол, Зсоц, Зэкон—затраты на проведение мероприятий, на­правленных на предотвращение или ликвидацию последствий отрицательного воздействия ВЛ на экологические, социаль­ные и экономические подсистемы [12].

В состав затрат входят фактические и возможные убыт­ки (в денежном выражении), причиняемые народному хозяй­ству, или дополнительные затраты на компенсацию этих убытков. Учет таких составляющих затрат заставит при про­ектировании ВЛ рассматривать также варианты:

— более протяженной трассы для обхода ВЛ густонасе­ленных пунктов, мест отдыха, природных и культурных па­мятников, высокопродуктивных земель, ценных лесных мас­сивов, магистральных железных и шоссейных дорог и т. д.;

— ВЛ с заменой на отдельных участках опор на более эстетичные конструкции;

— замены ВЛ на отдельных участках кабельной линией;

— учитывающие массовые посадки вдоль трассы ВЛ де­ревьев, маскирующих конструкции опор и защищающих близ­ко расположенные населенные пункты от отрицательных воз­действий линии.

В учебном пособии будут рассмотрены только экологичес­кие аспекты влияния ВЛ на окружающую среду, учет кото­рых при проектировании затрагивает ряд социальных и эко­номических аспектов.

При написании пособия автор опирался на отечественные и зарубежные публикации по данной проблеме, вышедшие с 1974 г., список которых частично приводится в учебном посо­бии и может быть использован читателями для более под­робного знакомства с отдельными аспектами рассматривае­мой проблемы.

1. Электрические поля воздушных линии электропередачи и способы снижения напряженности поля под ними

Санитарные нормы и правила по защите населения рег­ламентируют максимальную напряженность поля на высоте 1,8 м над землей. Нормируемые напряженности должны обес­печивать защиту от всех видов воздействия ВЛ электропере­дачи, ограничивая, в частности, до безопасного уровня элект­ростатические наводки на транспортные средства таким об­разом, чтобы ток, стекающий с человека в землю при кон­такте с транспортными средствами, не превышал допустимо­го — 6 мА.

Алгоритмы расчета трехмерных электрических полей в электроустановках базируются на использовании метода эк­вивалентных зарядов. Главной особенностью метода являет­ся то, что расчет эллиптически поляризованного электричес­кого поля заменен расчетом двух электростатических полей Е₁иE₂,геометрия которых такая же, как и у исходного электрического поля. Так, в общем случае провода ВЛ могут располагаться на различной высоте над поверхностью зем­ли (h), которую целесообразно в расчетах напряженности поля принять одинаковой (рис. 1.1) Потенциал человека относительно земли, а также ток, протекающий через чело­века, определяются вертикальной составляющей напряжен­ности поля. Пренебрегая активными проводимостями край­них фаз и полагая, что параметры фаз выравнены путем уве­личения радиуса расщепления крайних фаз, имеем

Полагая h=0, вычислим распределение напряженностиvповерхности земли поперек линии (вдоль координаты л') для моментов времени, соответствующих максимуму зарядов на крайней и средней фазах В этом случае согласно приня­тым допущения

либо

При этом получаем [1]

При изменении хмаксимальное значение каждого члена в квадратных скобках достигается непосредственно под соот­ветствующим проводом{xDo, x—Do).Анализ выражений (1.4) и (1.5) показывает, что при указанных условиях макси­мум напряженности поля под крайней фазой (1.4) больше, чем под средней фазой (1.5). Поэтому расчет £'maxбудем про­водить по выражению (1.4) приxDo.После некоторых про­стейших алгебраических преобразований получаем

При увеличении отношения Do/Hмаксимальная напря­женность поля увеличивается из-за уменьшения влияния со­седних проводов, характеризующихся отрицательными чле­нами в (1.6).

Таким образом, при нормированном значении Етахиз вы­ражения (1.6) легко можно установить связь между парамет­рами линии: зарядом т, габаритом до землиНтiп(в средней точке пролета) и междуфазным расстояниемDo. Причем

где С—емкость линии;Uнp—наибольшее рабочее линейное напряжение.

Расчет габарита линии определяет во многом ее конст­руктивные особенности при проектировании. Здесь снижение напряженности поля под ВЛ позволяет создать компактные линии напряжением 220—500 кВ. Для ВЛ 750 кВ и выше создание компактных линий приводит к значительному умень­шению необходимого габарита до земли, но все же он оста­ется большим, особенно для населенной местности. В связи с этим для ВЛ 750 кВ и выше актуальна задача разработки мер ограничения напряженности поля вдоль всей электропе­редачи, а для ВЛ 500 кВ — в основном для населенной мест­ности.

Созданные программы расчета параметров электрическо­го поля позволяют получить зависимость изменения напря­женности по мере удаления от проекции проводов средней фазы. Такая зависимость для ВЛ 400 кВ представлена на рис. 1.2.

Расчетные зависимости подтверждены результатами на­турных измерений напряженности электрического поля ВЛ. На рис. 1.3 представлены некоторые числовые характеристи­ки ВЛ 110, 220, 500 кВ в зависимости от расстояния от ли­нии.

Расчеты показывают, что для линий 330, 500 кВ при ми­нимальной высоте подвеса, а для 750 кВ и выше при любой высоте подвеса, абсолютные максимумы Етахнаходятся вне междуфазного пространства и расположены на расстоянии 1—3 м от проекций крайних фаз на землю. Увеличение вы­соты подвеса проводов дает существенное снижение напря­женности, при этом максимумы напряженности смещаются еще дальше от проекций крайних фаз на землю.

Одновременно наблюдается незначительный рост напря­женности поля примерно на 0,05 кВ/м на каждый метр изме­нения высоты в междуфазном пространстве вблизи оси ли­нии. Для линий 330 и 500 кВ при средней и максимальной высотах подвеса абсолютные максимумы напряженности рас­положены между средней и крайними фазами.

Рис. 1.2. Зависимость изменения напряженности электрическо­го поля и его распределение в земле ВЛ 380 кВ'

На введенной в строй в 1985 г. первом участке ЛЭП УВН напряжением более 1000 кВ проведены исследования влия­ния поля воздушной линии на окружающую среду.

В результате для того чтобы снизить максимальную на­пряженность электрического поля около земли под линией до допустимой по санитарным нормам СССР (15 кВ/м на высоте 1,8 м и при температуре воздуха 32°С), габарит рас-

Рис. 1.3. Значения электрического, магнитных нолей и уровня акустического шума ВЛ переменного тока на различных рас­стояниях от центра электропередачи

щепленного провода (8ХАСЗЗО; шаг расщепления 40 см) над землей был увеличен до 17,3 м. Граница санитарно-за-щитной зоны составила по расчетам и измерениям 80±5 м от оси линии.

Максимальный протекающий через человека ток «корот­кого замыкания», измеренный под линией в точке с макси­мальной напряженностью поля (£'max=15 кВ/м), не превос­ходит 0,225 мА, что соответствует значению тока, едва ощу­щаемому лишь 1 % людей.

Однако реальную опасность может представить ток, дли­тельно протекающий через человека при его прикосновении к наиболее крупногабаритной сельскохозяйственной машине на резиновом ходу. Для уменьшения влияния комбайнерам рекомендуется работать поперек трассы линии.

Для пересечения линии напряжением более 1000 кВ с ав­тодорогами напряженность £maxбыла снижена до 10 кВ/м с учетом возможных более неблагоприятных подстилающих условий для машины (сухой асфальт) и человека (мокрая обочина шоссе).

На рис. 1.4 в виде диаграмм представлены значения абсолютных максимумов напряженности электрического поля £'maxна уровне 1,8 м от земли для обычных одноцепных линий электропередачи высокого и ультравысокого напряжений при минимальной, средней и максимальной высотах подвеса проводов. Распределение напряженности электрического поля под компактными линиями существенно отличается. Она дос­тигает абсолютных максимумов непосредственно вблизи про­екции средней фазы и резко снижается при удалении от нее. Зона с напряженностью более 5 кВ/м, где ограничивается пребывание человека, занимает полосу шириной не более 20 м приUном=750 кВ и 22 м приUном>1000 кВ, не выхо­дя, таким образом, за междуфазное пространство, вместо со­ответственно 60 и 90 м у обычных линий электропередачи. Это обстоятельство позволяет устанавливать существенно меньшие полосы отчуждения для компактных линий. Однако следует предвидеть более интенсивное воздействие электри­ческого поля в междуфазном пространстве компактных линий, что предъявляет более высокие требования к защитным кос­тюмам ремонтного персонала при выполнении работ под напряжением.

Одним из способов уменьшения напряженности электриче­ского поля под ВЛ является установка экранирующих за­земленных тросов, натягиваемых под проводами линии в местах интенсивного перемещения животных, автотранспор­та, а также производства сельскохозяйственных работ. Габа­рит до земли нормируется перемещением механизмов высо­той до 4,5 м. Наведенные на заземленных тросах заряды частично компенсируют поле проводов линии и снижают напря­женность поля независимо от радиуса троса.

Например, для снижения напряженности поля под ВЛ 750 кВ с горизонтальным расположением фаз до о кВ/м тре­буется подвеска 11 тросов. Следует также отметить, что ис­пользование экранирующих тросов иногда ведет к необходи­мости увеличения высоты подвеса проводов и, следовательно, высоты опор на величину минимально необходимого изоляци­онного промежутка «провод — заземленный трос». Это при­водит к заметному удорожанию линии, поэтому тросовые эк­раны применяются только при пересечении линией дорог. При этом они натягиваются между дополнительными желе­зобетонными стойками.

Если экраны под проводами фаз выполнить в виде линии электропередачи более низкого класса напряжения, то имеем случай комбинированной ЛЭП. Это линия с пониженным эко­логическим влиянием, обусловленным разной ориентацией в пространстве векторов напряженности электрического поля от каждой цепи. Эксплуатация же двухцепной линии с раз­ными системами напряжений связана с трудностями, обус­ловленными их взаимным электромагнитным влиянием и су­щественным изменением параметров обеих цепей по сравне­нию с одноцепными линиями, особенно параметров нижней цепи.

Ограничение напряженности поля под ВЛ может быть достигнуто без изменения конструкции линии при использо­вании растительного массива под линиями.

Деревья и кустарники обладают экранирующим эффек­том, аналогичным эффекту от заземленных металлических экранов, что может оказаться одним из эффективных и пер­спективных способов ограничения напряженности электриче­ского поля на высоте, соответствующей среднему росту че­ловека. На рис. 1.5 представлены зависимости экранирующе­го

влияния отдельных кустарников на опытном пролете ли­нии класса 1200 кВ. В пределах куста напряженность поля равна нулю, а наличие под проводами массива кустарников площадью 3Х4 м²и высотой 3 м позволило расширить зону нулевой напряженности. Измерения напряженности электри­ческого поля под действующими электропередачами 330-750 кВ показали, что при наличии сплошного растительного массива высотой свыше 2,5 м напряженность на уровне рос­та человека практически не отличается от нормального уров­ня напряженности электрического поля Земли. В качестве растительного массива целесообразно использовать древесно-кустарниковые породы, достаточно долговечные и устойчи­вые в районах культивирования, имеющие предельную высо­ту 4—5 м и позволяющие получать ценную хозяйственную продукцию: в южных районах—фруктовые сады: в средней полосе—фундук; в условиях Сибири—кедровник [5].

Проведены изменения напряженности электрического по­ля в междурядьях фруктового сада, расположенного под про­водами линии 750 кВ в ОЭС Юга. Средняя высота деревьев в таком саду равна 4—5 м, диаметр крон 5—7 м, расстояние между деревьями около 8 м. Согласно подученным данным максимальная напряженность электрического поля наблюда­ется в середине междурядья и не превышает 3 кВ/м, т. е. в 3,5 раза меньше, чем при отсутствии деревьев [З].

Даже в случае создания внутри сплошного растительного массива эксплуатационного коридора (для проезда транспор­та, удобства осмотра линии и т. д.) как в летних, так и в зимних условиях обеспечивается снижение напряженности электрического поля в 2—3 раза в зависимости от ширины эксплуатационного коридора.

Физическая сущность защитного действия кустарников заключается в том, что живые кусты, обладая достаточной проводимостью, выносят потенциал земли на высоту, превы­шающую рост человека, чем и создается экранирующий эф­фект.

Напряженность поля в массиве растительности обуслов­лена падением напряжения от емкостного тока на активном сопротивлении веток, равного

где /с — часть полного тока смещения, протекающего через зону растительности шириной 1 м;

где (Uф — фазное напряжение линии;Н —расстояние от про­вода до земли;r_э— эквивалентный радиус расщепленного провода;Rв —сопротивление массива кустарника шириной 1 м:

Rв=r_эl_в/n_в(1.10)

где r_в—погонное сопротивление ветки;l_в—длина веток;

n_в— число веток на 1 м²растительного массива.

Получено значение r_в=1—3,5 Ом/м в летнее время и 100—500 ЛЮм/м зимой, причем при температурах наружного воздуха ниже —10°С это сопротивление может достигать 2000—5000 МОм/м. Сопротивлением корней деревьев в этом случае можно пренебречь.

В этом случае максимальное падение напряжения на рас­тительности при n_в=40 иl_в==1,5 м равно

Расчеты показывают, что напряженность поля в массиве растительности, обусловленная падением напряжения от ем­костного тока на активном сопротивлении веток, при положи­тельных температурах ничтожно мала и заметно повышает­ся при снижении температуры, но при высоте растительности 3 м не превосходит 0,35—0,7 кВ/м для линий напряжением 330 кВ и 1—2 кВ/м—для линий напряжением 750 кВ. На тонких верхних ветках падение напряжения больше, на ство­лах значительно меньше [4].

Таким образом, в пределах роста человека напряженность поля будет в 2—3 раза меньше, чем на уровне кроны деревь­ев. Это свидетельствует о высокой надежности использования растительного массива для ограничения напряженности электрического поля под линиями электропередач переменно­го тока.