Влияние воздушных линий электропередачи и распределительных устройств подстанций на экологию окружающей среды

В период с 1970 по 1985 г. в бывшем СССР вводилось в эксплуатацию по 7–8 тыс. км в год ЛЭП напряжением 220–750 кВ (ЛЭП напряжением 1150 кВ длиной 1,3 тыс. км введена в строй в 1985 г.). Линии с напряжением 6–220 кВ относятся к высоковольтным линиям, линии с напряжением 330–1150 кВ называются линиями сверхвысокого напряжения (СВН).

Практически электрифицированы районы с благоприятными климатическими условиями, где сосредоточена основная масса населения и большая часть обрабатываемых земель и лесных массивов (европейская часть России, Средняя Азия, Казахстан, южная часть Сибири и Дальнего Востока). Сооружения в таких районах воздушных ЛЭП способствуют выводу из хозяйственного использования большого количества пахотных земель и лугов. Поэтому понятно стремление оттеснить ЛЭП на непригодные к сельскохозяйственному использованию земли и в лесные массивы. В последнем случае приходится делать просеки, ширина которых определяется расстояниями между крайними проводами плюс расстояния от крайних проводов до лесного массива, равные высоте дерева этого массива (20 м), что необходимо для того, чтобы упавшие в сторону ЛЭП деревья не повредили крайние провода линии и опоры.

В табл. 7.1 приведены данные о расстояниях между крайними проводами, о ширине трассы и общей их площади в лесах [9] для ЛЭП напряжением 220–1150 кВ на 1985 г.

Таблица 7.1

Ширина трассы линии, м	54/44	58,5/46	63,5/49	80/55	87/66
Общая площадь линий в лесах, тыс. га
Номинальное напряжение Uлн, кВ
Расстояние между крайними проводами, м	14/4	18,5/6	23,5/9	40/15	47/28

Общая площадь в лесах, занимаемая воздушными линиями 220–1150 кВ, составляет на указанный период времени, согласно данным табл.7.1, 435 тыс. га, это наносит огромный ущерб лесному хозяйству. Кроме того, содержание просек на трассах линий связано с большими трудозатратами, так как один раз в пять лет необходимо повторять вырубку подрастающих деревьев.

Описанное вредное воздействие на природу и ущерб, вызванный этим воздействием, можно значительно уменьшить, отказавшись от традиционных методов проектирования и строительства воздушных линий.

Уменьшить ширину просеки можно за счет сокращения расстояния между проводами соседних фаз до минимально необходимых для обеспечения надежной работы линий при перенапряжениях.

Основной изолирующей средой воздушных линий электропередачи является воздух, лишь в точках крепления проводов к опорам используются изоляторы, поверхность которых может увлажняться мелко-капельной влагой (изморозь, туман, роса), что приводит к снижению электрической прочности изоляторов. Увеличению электрической прочности способствует удлинение путей утечки токов по поверхности изоляторов, поэтому применяют такие изоляторы, которые без изменения их размеров позволяют увеличивать пути утечки токов по поверхности. В этом отношении преимущества имеют изоляторы из полимеров, материал которых позволяет создавать ребра любой толщины и под любым углом наклона [9].

Фарфоровые и стеклянные изоляторы, имеющие низкие прочностные характеристики и технологические особенности, по указанным показателям уступают изоляторам из полимеров.

Фактором, влияющим на электрическую прочность воздушных промежутков между проводами, является напряженность электрического поля на поверхности провода. Эта величина зависит от многих факторов, в первую очередь, от радиуса провода: чем меньше радиус провода, тем выше напряженность. Так как увеличение физического радиуса провода только для уменьшения напряженности электрического поля неприемлемо из- за затрат цветного металла, то прибегают к расщеплению фазы ЛЭП. Суть этого метода заключается в том, что вместо одного провода сечением S подвешивают несколько проводов с тем же суммарным сечением S, но теперь напряженность электрического поля будет определяться не радиусом одиночного провода, а эквивалентным радиусом r_э, значение которого можно найти [9] по формуле (5.16). Чем больше количество проводов, на которое расщепляется фаза, и больше расстояние между расщепленными проводами в фазе, тем меньше напряженность электрического поля на поверхности провода, тем больше электрическая прочность воздушного промежутка между фазами, между фазой и землей и между фазой и элементами опоры.

Для увеличения эквивалентного радиуса провода фазы наряду с ее расщеплением в последние годы стали применять разработанные в СССР и США так называемые расширенные провода (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Схема расширенного провода

Сущность этих проводов состоит в наличии внутренней полости, образованной каркасной спиралью из алюминиевых проволок, наматываемой на стальной сердечник обычной конструкции. На рис. 7.1 изображены:

1 – спираль, образующая каркас расширенного провода;

2 – обычный сердечник сталеалюминиевого провода;

3 – токопроводящие жилы. Стрелками показаны направления навивок проводов.

Конструкция опоры также влияет на напряженность электрического поля на поверхности проводов в месте их крепления к опоре. С целью уменьшения напряженности электрического поля на поверхности проводов в месте их крепления к опоре разработаны оптимальные конструкции опор ЛЭП [9]. К снижению напряженности электрического поля приводит уменьшение расстояния между фазами ЛЭП. Для уменьшения указанного расстояния в пролете применяют изоляционные распорки, препятствующие сближению проводов под воздействием ветровых отклонений. Линии электропередачи с перечисленными выше способами уменьшения междуфазового расстояния называются компактными линиями. Расчеты показывают (табл. 7.1, значения в знаменателе), что применение перечисленных методов уменьшения междуфазовых расстояний позволяет существенно снизить расстояния между крайними проводами, ширину трасс и площадь линий в лесах. Площадь сохраненных лесов, если бы были применены описанные выше мероприятия, составила бы около 90 тыс. га.

Кроме отрицательного воздействия высоковольтных линий на сельскохозяйственные и лесные угодья, необходимо отметить вредное воздействие высокой напряженности электрического поля на организмы человека и животных. При напряженности Е > 10–15 кВ/м происходят физиологические изменения в организме человека, связанные с воздействием на нервную и сердечно-сосудистую системы, мышечную ткань и другие органы. При этом меняется кровяное давление, пульс, может появиться аритмия сердца, повышенная нервная возбудимость.

Наиболее чувствительны к электрическим полям копытные животные и человек в обуви, т.е. особи, изолированные “копытом и обувью” от земли [9]. В этом случае на изолированном от земли проводящем объемном теле наводится потенциал, зависящий от соотношения емкости тела на землю и на провода ЛЭП. Чем меньше емкость на землю (т.е. чем толще подошва обуви), тем больше наведенный потенциал, который может достигать значения до 10 кВ. Если при этом тело приближается к заземленному предмету (ноги или руки человека к травинке или веточке куста), происходит искровой разряд, сопровождаемый звуковым эффектом (потрескиванием) с протеканием импульса тока через тело. Сопротивление в цепи разряда определяется, в основном, сопротивлением растительности, составляющей 1,5–3,5 мегаома на метр длины растения летом и 100–500 Мом/м зимой. Максимум импульса тока через человека достигает 100–200 мкА, что безопасно для здоровья человека, но при этом возможны вторичные травмы, происходящие вследствие испуга и непроизвольных движений.

Ток значительно возрастает, если тело приближается к хорошо заземленному металлическому предмету. В этом случае максимум импульса тока определяется только переходным сопротивлением кожи и может достигать десятков ампер, однако, воздействие таких импульсов тока из-за малой их длительности неопасно. Опасные воздействия тока могут произойти при соприкосновении тела человека с изолированным от земли большим механизмом (например, трактор на резиновом ходу), емкость которого значительно больше чем у человека. Поэтому все механизмы, находящиеся в зоне повышенной напряженности электрического поля ЛЭП, должны надежно заземляться, например, с помощью металлической цепи.

С учетом изложенных факторов разработаны и утверждены Минздравом СССР “Санитарные нормы и правила защиты населения от воздействия электрического поля, создаваемого воздушными линиями электропередачи переменного тока промышленной частоты”. Эти нормы, применяющиеся с 28.02.84 г., устанавливают защитные зоны (территории вдоль оси высоковольтных линий), пребывание в которых в некоторых случаях небезопасно, если напряженность поля на уровне 1,8 м (рост человека) от поверхности земли составляет 1кВ/м и больше. Так как население, проживающее вблизи ВЛ, контактирует с санитарно-защитной зоной (переход под линией, сельскохозяйственные работы в зоне), разработаны меры и средства, обеспечивающие безопасность людей. Одним из требований является достаточное удаление ВЛ от мест проживания людей. С точки зрения экологии нежелательно располагать вводы ВЛ 330 и 500 кВ на территории населенных пунктов. Если же избежать этого не удается, необходимо обеспечить под линией в границах населенной местности напряженность электрического поля не более 5 кВ/м. Соблюдение этого условия может потребовать создания сокращенных пролетов между опорами для обеспечения меньшей стрелы провеса.

При выборе трассы для ВЛ 750 и 1150 кВ расстояние от оси линии до границ населенных пунктов с учетом перспективы их развития должно быть не менее 250 м для ВЛ 750 кВ и 300 м – для ВЛ 1150 кВ.

Пересекать населенные пункты ЛЭП разрешается только в исключительных случаях, в сельской местности, при расположении домов в один ряд, линией ВЛ 750 кВ, при этом высота подвески проводов должна быть не менее 22–23 м. Нормы максимально допустимой напряженности поля для других случаев: 5 кВ/м – на участках пересечения населенной местности в пределах садов, огородов; 10 кВ/м – на участках пересечения автодорог с ВЛ СВН; 15 кВ/м – на участках пересечения ненаселенной местности над пашнями и выгонами; 20 кВ/м – на загороженных и труднодоступных участках, где нельзя использовать машины и механизмы.

Санитарными нормами предусмотрено оснащение линий средствами маркировки для ЛЭП 750 и 1150 кВ. С обеих сторон от оси линии на расстоянии 200 м устанавливается знак “Остановка запрещена – 200 м”. Этот знак предупреждает об опасности прикосновения к корпусу машины, случайно остановившейся в пределах санитарно-защитной зоны и не имеющей заземляющего устройства.

Одним из важных требований по обеспечению безопасности населения является, снабжение заземлителями всех машин и механизмов, работающих в защитной зоне, ответственность за это возлагается на землепользователей. В качестве заземлителей могут использоваться металлические цепи, свисающие до земли, или специальные заземлители типа “груша”. Эти заземлители одновременно являются средствами защиты машин на резиновом ходу от самовозгорания. Уменьшение напряженности поля под ЛЭП может быть достигнуто при использовании растительного массива под линиями, так как стволы деревьев и ветки кустарников имеют значительную проводимость, особенно в летнее время. Сопротивление корневой системы деревьев и кустарников очень мало по сравнению с сопротивлением веток (30–40 кОм). В связи с этим при высоте кустарниковой растительности под проводами линий 4 м (габарит для прохода механизмов и машин) падение напряжения на указанной высоте не превышает десятков вольт летом и 3–4 кВ зимой, поэтому средняя напряженность поля в массиве кустарниковой растительности не превышает 0,01 кВ/м при положительных температурах и 1 кВ/м – при отрицательных температурах. Таким образом, оставление древесно-кустарниковой растительности высотой до 4 м под проводами линии обеспечивает полную экологическую безопасность людей и животных и уменьшает трудозатраты по повторным вырубкам трасс ЛЭП. Как влияет электрическое поле на растения?

С помощью длительных наблюдений установлено почти полное отсутствие такого влияния с напряженностью до 50 кВ/м, не обнаружено влияние электрического поля и на цветение и плодоношение плодовых деревьев яблонь, груш и др. Таким образом, вопреки существующей практике сооружения ЛЭП, нужно сохранять на трассах растительность высотой 4–5 метров, производя вырубку высокорастущих деревьев.

В зонах интенсивного земледелия целесообразно использовать трассы линий для разведения плодово-ягодных садов.

Одним из эффективных способов уменьшения напряженности электрического поля является установка заземленных тросов под проводами линий. Габарит проводов до земли по условиям обеспечения безопасности перемещения под линиями различных механизмов составляет 4–4,5 м. Поэтому, если высота заземленного троса в месте его максимального провеса не будет превышать 4–4,5 м, высота подвески проводов над землей не изменится и не потребует более высоких опор. Суть защитного эффекта заземленного троса (рис. 7.2) заключается в следующем.

Рис. 7.2. Схема расположения заземляющих тросов под проводами линии

Заряды проводов 1, 2, 3, находящихся под напряжением, наведут в тросах 4, 5, 6 заряды противоположного знака. Последние в каждой точке поля будут создавать свою напряженность, противоположную знаку напряженности от проводов 1, 2, 3. В результате происходит компенсация поля проводов полем тросов, что приводит к снижению напряженности поля. Более эффективна подвеска под каждым проводом линии двух тросов, разнесенных в горизонтальной плоскости. Количественная оценка величины снижения напряженности поля при применении заземленных тросов изложена в [9]. Однако подвеска дополнительных тросов приводит к значительному удорожанию линии, экономически более выгодно увеличивать высоту подвески проводов. Поэтому заземленные тросы применяют только при пересечении дорог.

Иногда экономически более целесообразно тросы под проводами линии не заземлять, а “нагрузить” токами, тем самым, обеспечив эффективное использование их сечения. В этом случае вместо стальных тросов следует подвешивать сталеалюминиевые провода и подключать их к источнику напряжения. Для обеспечения экранирующего эффекта потенциал каждого провода должен быть противоположен потенциалу верхнего провода. В данном случае имеем дело с проводами обратного напряжения, о которых шла речь в подразд. 6. 2.

Как показано в [14], таким способом достигается снижение напряженности электрического поля примерно в два раза. Если заземленные тросы подвешиваются на высоте 4–4,5 м над землей, то при наличии рабочего напряжения на нижних проводах их высота определяется нормами ПУЭ, а высота подвески верхних проводов увеличивается, следовательно, должно быть увеличено дополнительно расстояние между верхней и нижней цепью, что приводит к увеличению высоты опор линии. Кроме этого недостатка, возникают трудности, связанные с эксплуатацией двухцепной линии с разными системами напряжений.

Нельзя не отметить еще одного вредного воздействия электрического поля ЛЭП, особенно линий СВН, на экологическую обстановку – речь идет о создаваемом линиями шуме, который слышен при хорошей погоде (без осадков), шум также имеется при дожде. Шум вызывается ко-ронным разрядом на проводах. Механизм такого разряда (лавинно-импульсного) состоит в следующем (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Схема возникновения воздушного потока у поверхности провода

Коронный разряд из-за шероховатости поверхности провода 1 происходит с отдельных пятен, где наибольшая напряженность электрического поля (точка 2). При коронном разряде из этой точки устремляется поток ионов со скоростью примерно 500 м/сек. Поток ионов увлекает частицы воздуха, создается воздушный поток 3, движущийся по замкнутым траекториям со скоростью до 20 м/сек. Этот поток и служит источником шума.

При дожде возникает новый процесс, связанный с деформацией заряженных капель и отрывом их от поверхности провода, это явление еще больше усиливает шум. Уровень шума в децибелах [13] приближенно оценивается формулой

Ш = 16 + 1,11Е_макс. + 9r₀ +15 lg n -10 lgB, (7.1)

где Е_макс. – действующее значение максимальной напряженности поля на поверхности провода, кВ/см; r_о – радиус провода, см; n – число составляющих проводов в фазе; B – расстояние от крайней фазы, м.

Наличие трех фаз учитывается путем добавления 3-4 дБ. Для ВЛ напряжением 1150 кВ принят допустимый уровень акустических шумов в плохую погоду на расстоянии 100 м от крайней фазы 35-70 дБ. Расчет по формуле (7.1) показывает, что для ВЛ 750 и 1150 кВ при конструкции провода, удовлетворяющей требованиям ограничения потерь на корону, уровень шумов получается в пределах допустимого.

Кроме проводов ЛЭП, шумовое воздействие на окружающую среду производят распределительные устройства (РУ), основными источниками шума в РУ являются силовые трансформаторы (постоянный шум) и воздушные выключатели (только в процессе отключения).

ГОСТ 12. 1. 003-83 нормирует допустимый уровень шума для каждого трансформатора, однако эти нормы значительно превышают допустимые для территорий жилой застройки, которые могут располагаться вблизи РУ. Поэтому при проектировании РУ определяется расстояние, на котором следует его располагать для ограничения уровня шума на территории жилой застройки до допустимого.

Если такое расстояние выдержать нельзя [9], применяют следующие мероприятия:

1) создание звукового экрана между РУ и территорией жилой застройки в виде стенки необходимой высоты и толщины с использованием рельефа местности;

2) окружение трансформатора со всех сторон звукопоглощающими преградами;

3) создание полос зеленых насаждений между РУ и территорией жилой застройки, при этом должно быть обеспечено плотное прилегание крон деревьев между собой и заполнение пространства под кронами до земли кустарником.

Все вышеизложенное говорит о том, что линии электропередачи оказывают многостороннее воздействие, поэтому необходима разработка мероприятий, обеспечивающих оптимальное сосуществование сети ВЛ, природы и человека.