УДК 621.316.9:621.315
Экспериментальные исследования токов утечки и токов растекания по элементам опоры ВЛЭП-500 |
И. В. БРЕЙДО2, д. т.н., профессор, зав. кафедрой, |
Ключевые слова: высоковольтные линии электропередачи, электрохимическая коррозия, ток утечки, ток растекания, элемент конструкции опор, эксперимент, ПБ-500, замкнутый электромагнитный контур.
В
ысоковольтные линии электропередачи (ВЛЭП) напряжением 220 кВ и 500 кВ имеют стратегическое значение для экономики Казахстана, причем большая их часть проходит по удаленными от населенных пунктов районам, в пустынных и полупустынных местностях.
В процессе эксплуатации элементы опор ВЛЭП подвергаются электрохимической коррозии, что приводит к активному разрушению металла и железобетона, к снижению надежности транспортирования электроэнергии вплоть до возникновения аварийных ситуаций.
Одной из важнейших причин электрохимической коррозии являются токи утечки по элементам опоры и токи растекания в почве, вызываемые наведенными электромагнитными полями.
С целью комплексного анализа токов, инициирующих процессы электрохимической коррозии, разработана универсальная математическая модель, позволяющая оценить качественно и количественно токи утечки по элементам конструкции опоры и токи растекания в почве. [1-3]. Ее отличие от известных моделей, описывающих электрохимическую коррозию в виде уравнений электрохимических реакций и не позволяющих оценить влияние конкретных факторов электрохимической коррозии для конкретных конструкций опор ВЛЭП [4-6], заключается в том, что использованы классические методы теоретических основ электротехники [7]. Эти модели могут быть применены для любых конструкций опор.
Для разработанной модели опоры типа ПБ-500 определены величины наводимых ЭДС и токи, протекающие по элементам опоры, расчетная величина которых составляет 40-50 мА.
Известно, что наиболее эффективным методом борьбы с электрохимической коррозией является катодная защита [4-6], однако создание катодной защиты для элементов конструкции каждой опоры ВЛЭП связано со значительными трудностями, обусловленными отсутствием маломощных источников электропитания.
С целью анализа возможностей использования наведенной энергии для электропитания катодной защиты, методов уменьшения процессов электрохимической коррозии, а также оценки адекватности разработанной модели были проведены эспериментальные исследования на действующей ВЛЭП.
Экспериментальные исследования осуществлялись в соответствии с разработанной Программой, в которой предусмотрены измерения наведенных напряжений и токов утечки, а также термографирование элементов конструкции.
Место проведения эксперимента – участок линии № 000 Нура-Агадырь, на напряжение 500кВ.
В результате экперимента с помощью амперметра клещевого типа были определены токи в контуре, образуемом верхней траверсой опоры и оттяжками.
С целью определения возможностей использования наведённой энергии в контуре, образуемом верхней траверсой опоры, оттяжками и U-образными болтами, для электропитания катодной защиты, выполнены экспериментальные исследования по определению падения напряжения на полупроводниковых диодах, размещённых между оттяжками опоры. Схема расположения диодов и приборов, регистрирующих величину среднего значения тока, протекающего через диоды, представлена на рисунке 1.
Полученные результаты измерений величин тока в оттяжках и напряжений между оттяжками, а также его статические характеристики представлены в таблицах 1-2 и на рисунке 2.
Таблица 1 – Статические характеристики тока в оттяжках, мА
№ опоры | 244 | 252 |
Оттяжка №1 | 5,0/10 | 49/80 |
Оттяжка №2 | 50/60 | 58/42 |
Оттяжка №3 | 7,0/7,0 | 8,5/9,0 |
Оттяжка №4 | 51/65 | 50/17 |
Таблица 2 – Статические характеристики напряжения между оттяжками, расположенными с одной стороны, В
№ опоры | 244 | 252 |
Напряжение между 1 и 2 оттяжками | 0,29 | 0,23 |
Напряжение между 3 и 4 оттяжками | 0,25 | 0,196 |
1 – железобетонные плиты крепления тросовых оттяжек; 2 – токоизмерительные приборы;
3 – тросовые оттяжки; 4 – опоры ВЛЭП; 6 – токоведущие провода ВЛЭП; 8 – перемычка между
тросовыми оттяжками; 8 – полупроводниковый диод; 9 – тросовые зажимы типа КС
Рисунок 1 – Схема измерения токов в оттяжках и перемычке
Рисунок 2 – Нагрузочная характеристика наведённой энергии в контуре
Измерения тока выполнялись раздельно в каждом тросе оттяжки (каждая оттяжка на опорах портального типа состоит из двух тросов).
Измерения проводились в феврале в пасмурную погоду, небо закрыто низкой плотной облачностью.
Нагрузочная характеристика наведённой энергии в контуре, образуемом верхней траверсой опоры и оттяжками, расположенными с одной стороны опоры, имеет вид, представленный на рисунке 2.
Напряжение, наведённое в контуре, образуемом оттяжками №1, №2, №3 и №4, а также верхней траверсой опоры при среднем измеренном значении тока в контуре меньше 5 мA, увеличивается до 0,3 В. При токе в контуре до 130 мA, напряжение изменяется незначительно. С увеличением наведенного тока до 130 мA напряжение уменьшается до 0,23 В. Дальнейшее увеличение тока до величины 194 mA, приводит к уменьшению напряжения до 0,196 В.
Напряжение, наводимое в контуре, определяется в основном его геометрическими размерами, пространственным расположением контура относительно токоведущих проводов ВЛЭП и магнитными характеристиками контура. Вышеперечисленные параметры остаются одинаковыми для всех опор портального типа аналогичной конструкции. В связи с этим можно принять, что напряжение, наводимое в контурах других опор, будет близко по величине к значению 0,3 В, что позволит применять диоды для уменьшения токов утечки в оттяжках.
Для определения динамических характеристик наведённой электроэнергии осциллографировалось напряжение между оттяжками.
Осциллограмма напряжения, полученная на опоре № 000 между оттяжками 1 и 2, представлена на рисунке 3.
Напряжение наведённой электроэнергии в замкнутом контуре, образуемом оттяжками и верхней траверсой опоры, имеет синусоидальную форму. Составляющая напряжения, наведённая разрядным током, образуемым электродуговыми процессами по поверхности штыревых изоляторов, а также коронированием токоведущих проводов ВЛЭП, не превышает 5% от амплитудного значения напряжения, наведённого в разомкнутом контуре.
С целью выявления металлических элементов конструкции опор портального типа с повышенной температурой, нагрев которых вызван токами наведённой электроэнергии, выполнено их термографирование. Полученная информация позволила уточнить контуры протекания наведённого тока и выполнить анализ сравнительных характеристик тепловой мощности наведённой энергии.
Результаты термографирования представлены на рисунке 4.
Численные значения градиента превышения температуры, элементов конструкции опор, представлены в таблице 3.
Градиент превышения температуры анализируемых элементов конструкции опор портального типа по отношению к температуре воздуха представлен на рисунке 5.
Наиболее высокая температура у верхней траверсы опоры и нижнего стакана стойки опоры. Превышение температуры самой стойки значительно меньше, что объясняется низкой теплопроводностью бетонированного каркаса стойки. В связи с этим максимальная активная мощность, расходуемая на нагрев, выделяется в контуре, образуемом верхней траверсой – двумя вертикальными стойками опоры и земляным грунтом между стойками опоры.
Рисунок 3 – Осциллограмма напряжения между оттяжками №1 и №2 опоры № 000
а)
| б)
|
Рисунок 4 – Термограммы металлических элементов конструкции опоры № 000, где
а) тепловое излучение треверсы, б) тепловое излучение U-образного болта
Таблица 3 – Численные значения приращений температуры в металлических элементах конструкции опоры, гр. С
№ | Верхняя | Вертикальная | Нижний стакан | U-образный болт | Штыревой | Токоведущий |
252 | 8,5 | 4,8 | 5,4 | 5,0 | 3,2 | 3,2 |
Рисунок 5 – Области распределения градиента температуры по элементам конструкции
анализируемых опор портального типа
Следующим элементом конструкции опоры по мощности выделения тепловой энергии является U-образный болт крепления оттяжек. Величина превышения температуры над окружающей средой всего на 1°С меньше, чем у элементов рассмотренного контура.
Экспериментально установлено, что металлические элементы конструкции опоры ПБ-500, преобразующие наведённую энергию в тепло, представляют собой три следующих контура:
- верхняя траверса опоры; левая и правая стойки опоры и их заземляющие контуры;
- верхняя траверса опоры; оттяжки №1 и №2 (рисунок 2) и два U-образных болта крепления оттяжек с одной стороны опоры;
- верхняя траверса опоры; оттяжки №3 и №4 (рисунок 2) и два U-образных болта крепления оттяжек с другой стороны опоры.
Наведённая энергия во втором и третьем контурах расходуется не только на нагрев, но и является составляющей электрохимической коррозии металлических элементов анкерного крепления опор, расположенных под землёй.
В результате экспериментальных исследований установлено наличие замкнутых электромагнитных контуров, образуемых конструктивными элементами опоры. Эти контуры соответствуют расчетным в разработанной универсальной модели.
Расхождение между расчитанной величиной токов и полученной экспериментально составило 15-20%, что подтверждает адекватность разработанной модели с точностью, достаточной для инженерных расчетов.
Таким образом, в процессе эксперимента получены следующие результаты:
1. Величины падения напряжений наведенной энергии обеспечивают открытие диодов, размещенных в перемычках между тросовыми оттяжками, но мощности наведенной энергии недостаточно для электропитания катодной защиты. В то же время, включение в оттяжки перемычек с диодами позволяет снижать величины токов утечки и, следовательно, уменьшить интенсивность электрохимической коррозии.
2. Методами термографирования установлено, что металлические элементы конструкции опоры ПБ-500, преобразующие наведённую энергию в тепло, образуют три замкнутых электромагнитных контура.
3. Выполненные измерения в замкнутых электромагнитных контурах подтвердили адекватность разработанной универсальной модели токов утечки и растекания, что позволяет ее применять для анализа и совершенствования конструкции опор ВЛЭП, направленного на снижение интенсивности электрохимической коррозии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Voytkevich S., Breido I. Modeling and Experimental Studies of Leakage Currents and Currents Spreading on the Elements of a High-Voltage Support. Symposium Automated Systems and Technologies St. Petersburg, Russia. 25-26 May 2015., pp. 121-126.
2. Voytkevich S., Breido I., Kaverin V. Universal Mathematical Model of Leakage Currents and Currents Spread on Elements of High-Voltage Pillar. In Annals of DAAAM for 2014& Proceedings of 25th International DAAAM Symposium. Vienna: DAAAM International, 2014. ISBN 978-3-901509-73-5. ISSN 1726-9679.
3. , азработка универсальных моделей для исследования токов утечки и токов растекания по элементам высоковольтных опор // Всероссийская научно-практическая конференция «Информационно-телекоммуникационные системы и технологии» (ИТСиТ-2015), 16-17 октября 2015 г.
4. Tolstaya M. A., Ioffy E. I., Potemkinskaya I. V. Effect of AC Power Frequency on Galvanic Corrosion of Steel. Collection «Gas case», issue 3. TsNIIENeftegaz, 2003, pp. 3-17.
5. Tolstaya M. A., Ioffy E. I., Potemkinskaya I. V. Electrochemical Corrosion of Steel Underground Structures AC Power Frequency. Collection «Gas case», issue 3. TsNIIENeftegaz, 2004, pp. 19-26.
6. , , Разработка математической модели и рекомендаций по надежной эксплуатации ВЛ-110 кВ на участке «Якутск-Чурапча-Хандыга» // Вестник Северо-Восточного федерального университета им. . Том 2. № 4. 2005. – С. 94-99.
7. Иванова, основы электротехники. Версия 1.0 [Электронный ресурс]: конспект лекций / , . – Электрон. дан. (4 Мб). – Красноярск: ИПК СФУ, 2008.
