ЛИНЕЙНЫЕ РАЗРЯДНИКИ
РАДИКАЛЬНОЕ СРЕДСТВО ГРОЗОЗАЩИТЫ ВЛ

В последние годы за рубежом для защиты изоляции ВЛ от грозовых и коммутационных перенапряжений получили широкое применение так называемые линейные разрядники. Необходимость их применения продиктована возрастающими требованиями к качеству передаваемой энергии, снижению числа отключений ВЛ и перерывов в электроснабжении.
Основное назначение линейных разрядников – это грозозащита ВЛ в тех условиях, когда традиционные меры недостаточно эффективны или же труднореализуемы. Материал Александра Сергеевича Гайворонского дает необходимый минимум информации по вопросам применения линейных разрядников.

Александр Гайворонский, к.т.н., заведующий Испытательным центром ОАО «Сибирский НИИ Энергетики», г. Новосибирск

Следует сказать, что идея применения линейных разрядников (ЛР) (transmission line arresters)*как идея «распределенного ОПН» была озвучена еще в 70-е годы прошлого века. Её практическое во-площение стало возможным благодаря появлению нелинейных сопротивлений нового поколения на основе окиси цинка (ZnO), обладающих большой энергоемкостью и способных выдерживать разрядные токи вплоть до 100 кА.
Линейные разрядники были впервые разработаны и начали применяться в Японии и США в 1980–82 годах на ВЛ классов напряжения 66, 77 и 138 кВ. Сегодня такие разрядники практически повсеместно используются во многих других странах на ВЛ напряжением от 6 до 500 кВ. Они подтвердили свою надежность и эффективность в качестве радикального средства защиты ВЛ от повреждения разрядами молнии и аварийных отключений.
Отечественные разработки и опыт применения ЛР в России до последнего времени практически отсутствовали. Вместе с тем потребность в таких разрядниках для решения нетривиальных проблем грозозащиты ВЛ возникает достаточно часто и их применение в России представляется весьма перспективным. Первые отечественные разработки разрядников на классы напряжения 110, 220 и 500 кВ на уровне макетных образцов были выполнены в СибНИИЭ. В 1999 году опытные образцы разрядников на 110 кВ были установлены в опытно-промышленную эксплуатацию на ВЛ 110 кВ в НЭС «Тюменьэнерго». Первый отечественный проект грозозащиты с применением ЛР на ВЛ 400 кВ в МЭС «Северо-Запада» был осуществлен в 2004 году. К сожалению, это пока единственные примеры.
Данная статья носит ознакомительный характер и основывается на анализе зарубежного опыта разработки и применения ЛР [1–5], а также на результатах исследований в данной области, проводившихся в СибНИИЭ [6, 7].

Как уже отмечалось, основное применение ЛР связано с грозозащитой воздушных линий. Исходные требования, предъявляемые при этом к ЛР, заключаются в следующем:

• обеспечение защиты изоляции линии от повреждения при ударе молнии, и при этом риск их собственного повреждения должен быть минимальным;
• адаптация к установке и монтажу на существующих опорах ВЛ.

Классификация существующих конструкций ЛР в несколько различной интерпретации дается в [1] и [2]. Мы будем придерживаться классификации, принятой в [1], где выделяются два основных типа ЛР. Первый – разрядники с внешним искровым промежутком, отделяющим нелинейное сопротивление от провода. Второй – разрядники без какого-либо промежутка, то есть с прямым подключением нелинейного сопротивления к проводу. Конструкции ЛР схематично показаны на рис. 1. Пример их применения проиллюстрирован на рис. 2. ЛР без искрового промежутка По конструктивному исполнению разрядники данного типа (рис. 1, а) не отличаются в принципе от подстанционных ОПН. Разрядник состоит из ZnO элементов, собранных в колонку и помещенных в изоляционный корпус – фарфоровый или полимерный. Более предпочтительным для ЛР считается полимерный корпус в оболочке из кремнийорганической резины. Корпус разрядника в обязательном порядке оборудован устройством сброса давления для предотвращения его взрывного разрушения и повреждения при этом изоляции линии. Разрядники данного типа оснащены специальным устройством – «отделителем», которое срабатывает при перегрузке разрядника и разрывает цепь его подключения, устраняя тем самым образование длительного КЗ на линии при повреждении разрядника. Возможны два способа установки таких ЛР на опоре. Первый способ – ЛР жестко закрепляется на траверсе или на консоли к траверсе опоры и гибким проводником подключается к проводу. Второй, более предпочтительный способ – вариант свободной подвески, когда один конец ЛР крепится к поддерживающему зажиму провода или же с помощью специального зажима к самому проводу, а другой конец гибким заземляющим проводником подключается к опоре. Положительным качеством ЛР данного типа является стабильность защитной характеристики вне зависимости от внешних условий. Однако нелинейное сопротивление такого разрядника постоянно находится под напряжением, что негативно сказывается на его надежности и вынуждает завышать его параметры по номинальному напряжению. Кроме того, повреждение такого разрядника, даже при наличии «отделителя», может потребовать отключения линии на длительное время или же проведения ремонтных работ под напряжением.

Рис. 2. Общий вид установки линейных разрядников на ВЛ 400 кВ «Линке-1,2» Рис. 3. Фрагмент испытаний линейного разрядника на полномасштабном макете изолирующей подвески Полимерный изолятор ЛК 70/220, разрядник с внешним искровым промежутком: SИП = 100 см; UОСТ(10 кА) = 255 кВ.

В этих разрядниках (рис. 1, б) нелинейное сопротивление (НС) отделено от провода внешним искровым промежутком. НС выполняется в виде отдельного модуля, аналогичного по конструкции безыскровому ЛР. Модуль НС монтируется на траверсе опоры или же на консоли к ней с некоторым смещением от гирлянды изоляторов. Внешний промежуток образуется между нижним концом модуля НС и проводом. Какие-либо специальные системы электродов для организации искрового промежутка в принципе не обязательны, хотя за рубежом они чаще всего используются. Специальные электроды предпочтительны при больших длинах изоляции на высокие классы напряжения (> 330 кВ) для обеспечения стабильности разрядных характеристик искрового промежутка.
В нормальном режиме из-за большой собственной емкости НС практически всё напряжение прикладывается к внешнему промежутку. При воздействии грозовых перенапряжений, представляющих опасность для изоляции линии, внешний промежуток перекрывается и напряжение на изоляции ограничивается до уровня остающегося напряжения на НС при данном разрядном токе. После протекания разрядного тока (тока молнии) в промежутке остается ионизованный канал, по которому протекает сопровождающий ток, вы-званный рабочим напряжением линии. Этот ток должен обрываться в течение короткого времени, чтобы не вызвать теплового повреждения НС и перехода импульсного перекрытия в силовую дугу. Для обеспечения нормальной работы ЛР с внешним искровым промежутком необходимо выполнение следующих условий:

• разрядные характеристики внешнего промежутка и уровень остающегося напряжения на НС должны быть скоординированы с разрядными характеристиками линейной изоляции для обеспечения опережающего срабатывания ЛР по отношению к перекрытию изоляции;
• характеристики ЛР, включая характеристики НС и внешнего промежутка, должны быть подобраны таким образом, чтобы обеспечить обрыв сопровождающего тока после срабатывания ЛР в течение короткого времени при первом переходе тока через ноль.

Сравнительные характеристики рассмотренных типов ЛР приводятся в табл. 1. Даже не прибегая к детальному технико-экономическому анализу, можно сделать вывод, что разрядники с внешним промежутком более предпочтительны при защите протяженных участков линий, когда необходима установка большого количества таких разрядников. На первый план в этом случае выходят такие показатели, как меньшая стоимость, меньший риск повреждения разрядника с точки зрения последствий для работы линии, легкость в монтаже и в обслуживании. Безыскровые разрядники могут оказаться более предпочтительными при защите локальных участков ВЛ, когда стоимостные показатели не столь существенны из-за малого количества разрядников, но требуется более высокая надежность работы с точки зрения стабильности защитных характеристик или же совмещение функций защиты от грозовых и коммутационных перенапряжений.

Примерно четверть от общего количества ЛР в мире установлены в Японии, где накоплен наибольший опыт их применения [2]. Начиная с 1991 года ежегодно устанавливается около 7000 штук. Большая часть из установленных ЛР (~ 88%) приходится на линии 66,77 кВ. Подавляющая часть ЛР (~ 99%) – это разрядники с внешним искровым промежутком. Сходные тенденции по установке ЛР имеют место в США и других странах. Более половины из 30 энергокомпаний в США применяют ЛР на линиях 69–230 кВ. Практически все находящиеся на данный момент в эксплуатации разрядники имеют внешний искровой промежуток и полимерную оболочку.
В процессе внедрения ЛР в Японии опробовались различные схемы установки разрядников на опорах по количеству фаз и цепей, которые они защищают. Можно выделить три варианта, воплощающие различную «философию» применения ЛР (см. табл. 2). Вариант 1 – защищаются все три фазы одной цепи на опоре с двумя цепями. Этот вариант защиты нацелен на исключение межцепных замыканий и сохранение в работе хотя бы одной цепи. Вариант 2 – защищаются все три фазы обеих цепей на опоре с двумя цепями. Этот вариант призван обеспечить полное отсутствие отключений на линии при ударах молнии. И вариант 3 – защищаются одна или две фазы одной цепи на опоре с двумя цепями. Этот вариант является компромиссным, и рассматривался как эксперимент с экономической точки зрения для изучения эффективности подобного применения.

Таблица 1. Сравнительные характеристики применения ЛР различного типа

ЛР с внешним искровым промежутком	ЛР без искрового промежутка
Защита линии только от грозовых перенапряжений.	Защита линии только от грозовых перенапряжений.
НС разрядника не соединено непосредственно с линией, следовательно, используется меньше ZnO блоков на тот же уровень напряжения, что предполагает более низкое номинальное напряжение, остающееся напряжение и пониженную стоимость.	ZnO элементы напрямую соединены с линией, следовательно, используется большее количество ZnO блоков на тот же уровень напряжения, что предполагает более высокое номинальное напряжение, остающееся напряжение и повышенную стоимость.
Определение поврежденного элемента затруднено – только по следам повреждений корпуса.	Поврежденный элемент можно обнаружить визуально, используя разъединительное устройство.
Загрязнение внешней оболочки не влияет на нелинейное сопротивление.	Загрязнение внешней оболочки может привести к перегреву нелинейного сопротивления.
Перекрытие внешнего искрового промежутка зависит от атмосферных условий.	Атмосферные условия не влияют на работу разрядника.
Атмосферные условия не влияют на работу разрядника.	Разрядник должен быть отсоединен при работе под напряжением.
Энергия молнии распределяется только между двумя разрядниками одного участка линии.	Распределение энергии молнии обеспечивается среди нескольких разрядников одного участка линии.

Как следует из табл. 2, на большей части линий (98%) реализуется вариант защиты 1. Вариант 2 используется в исключительных случаях. А вариант 3 по результатам эксплуатации на сегодняшний день признан неэффективным.
Аналогичные схемы установки ЛР на опорах (варианты 1 и 2) применяются в США. Кроме того, на линиях без грозозащитных тросов, но имеющих хорошее заземление, применяется установка ЛР только на верхних фазах. В тех же случаях, когда линии хорошо защищены от прямых ударов молнии, но имеют плохое заземление, разрядники часто устанавливаются только на нижних фазах, которые, как считается, наиболее подвержены обратным перекрытиям.
Что касается схем расстановки ЛР (т.е. на каждой опоре, каждой второй или третьей), то в основном практикуется установка ЛР на каждой опоре. В общем случае частоту установки рекомендуется определять в зависимости от требуемой надежности защиты.
Можно обозначить, по крайней мере, три области применения ЛР, в которых они уже подтвердили свою эффективность.
1. Защита ВЛ, в особенности двухцепных ВЛ на опорах башенного типа, в районах с плохо проводящими грунтами и большим сопротивлением заземления опор. Применение ЛР в этом случае позволяет исключить межцепные замыкания и обеспечить надежную работу (без отключений) хотя бы одной из цепей.
2. Защита локальных участков ВЛ. Известны примеры применения ЛР в США для защиты участков линий на переходах через реки. Electricite de France установила ЛР на линиях 90 кВ в часто посещаемых зонах (игровые площадки, спортивные зоны, зоны отдыха) для предотвращения риска попадания людей под опасное «напряжение прикосновения» или «шага», которое может возникнуть при перекрытии изоляции и КЗ на линии. Необходимость защиты локальных участков может быть обусловлена также неоднородностью условий по трассе линии, то есть наличием участков с плохими сопротивлениями заземления опор и подверженных частым разрядам молнии.
3. Защита ВЛ без грозозащитных тросов. Известны примеры такого применения ЛР в США на линиях, которые изначально были построены без грозозащитных тросов. Оказалось более экономичным оборудовать их разрядниками, нежели увеличивать высоту опор и устанавливать грозозащитные тросы.
Эффективность применения ЛР в Японии оценивалась на основании данных о срабатывании в процессе опытной эксплуатации на линиях разных классов напряжения от 33 до 500 кВ [2]. Срабатывание ЛР было зафиксировано на 800 опорах (все данные относятся к двухцепным линиям с защитой ЛР трех фаз одной цепи.). В 769 случаях из 800 (96%) оно считалось успешным, поскольку не было отключения двух цепей. На этом основании сделан вывод об эффективности применения ЛР для предотвращения межцепных замыканий и одновременного отключения двух цепей. Наряду с отмеченными успешными срабатываниями, были зафиксированы также неуспешные срабатывания ЛР с отключением линии (31 случай). Установлено, что в 10 случаях это было связано с неправильной координацией разрядных характеристик ЛР с характеристиками линейной изоляции. В остальных случаях причина неуспешной работы ЛР не была установлена.
Заслуживает внимания сравнение удельных показателей по числу грозовых отключений ВЛ до и после установки разрядников. На двухцепных ВЛ 77 кВ в Японии [2] число отключений (цепей 1 и 2) до установки разрядников составляло 12,2 и 11,3 на 100 км в год, и при этом более половины отключений были двухцепными. После установки разрядников только на одной цепи, аварийных отключений на ней зафиксировано не было, а число отключений цепи без разрядников снизилось с 11,3 до 6,1 на 100 км в год, то есть на 46% от начального количества. Последнее показывает, что разрядники не только защищают те фазы, на которых они установлены, но и существенно улучшают защиту других фаз.
Известен опыт эксплуатации двух линий 115 кВ в США, на которых разрядники с внешним промежутком установлены на всех опорах и на всех фазах. В течение уже 4 лет линии эксплуатируются без отключений и без повреждений самих разрядников.
Другой показательный пример – линия 110 кВ в долине Black Forest, часть опор которой расположена в скальном грунте на вершине холма [5]. Установка безыскровых разрядников только на 5 опорах этой линии, находящихся на опасном участке, позволила существенно повысить надежность линии в целом. В течение 5 лет после установки разрядников обратные перекрытия на проблемных опорах и отключения линии отсутствовали, в то время как до установки разрядников число отключений составляло в среднем 4 в год.
В заключение остановимся на единственном пока примере из отечественного опыта применения ЛР. Как уже отмечалось, это проект грозозащиты двухцепной ВЛ 400 кВ «Линке – 1,2» в МЭС «Северо-Запада». Линия проходит по сухим песчаным и скальным грунтам.
До установки ЛР грозовые отключения, в том числе одновременно 2 цепей, происходили в среднем 1–2 раза в год. Для предотвращения указанных отключений разрядники были установлены на «проблемном» участке линии на всех трех фазах обеих цепей на каждой опоре (рис. 2). По происхождению и конструктивному исполнению – это разрядники типа PEХLINK фирмы АВВ, без искрового промежутка, в полимерном корпусе, оснащенные счетчиками срабатываний. В течение 2 лет с момента установки ЛР в 2004 г. грозовые отключения на данной линии и повреждения разрядников зафиксированы не были. К сожалению, мы не имеем данных о срабатывании разрядников, которых, по самым скромным оценкам, должны были накопиться десятки. Эта информация была бы крайне полезной для оценки опыта эксплуатации и эффективности применения ЛР. Пока же опыт эксплуатации не столь значителен, чтобы делать окончательные выводы, но и в таком виде он чрезвычайно важен прежде всего как прецедент.

1. Линейные разрядники являются сегодня наиболее радикальным средством грозозащиты ВЛ в тех условиях, когда традиционные меры оказываются недостаточно эффективными.
2. Области применения ЛР:
а) Защита двухцепных ВЛ на высоких опорах башенного типа в районах с плохо проводящими грунтами при больших сопротивлениях заземления опор. В этом случае предпочтительны разрядники с внешним искровым промежутком; они устанавливаются, как правило, на трех фазах одной цепи для предотвращения межцепных замыканий и одновременного отключения двух цепей.
б) Защита локальных участков линий, на которых фиксируются частые перекрытия изоляции из-за ударов молнии, или таких участков, к которым предъявляются повышенные требования по надежности. Например, горные участки линий или участки с плохими сопротивлениями заземления опор, переходы ВЛ через реки, защищаемые подходы ВЛ к ПС, пересечения линий и др.
в) Защита бестросовых ВЛ 110 кВ и выше в тех ситуациях, когда установка грозозащитного троса нецелесообразна по технико-экономическим или другим соображениям. В этом случае может быть достаточно установить разрядники только на верхних фазах.
3. Ряд вопросов, касающихся применения ЛР, требует дополнительного изучения. Прежде всего это относится к эффективности применения разрядников с точки зрения снижения затрат на их установку за счет более оптимального выбора их параметров и размещения на линии.
Считается необходимой также доработка международных стандартов на металлоксидные защитные разрядники (МЭК 99-4-1991) с включением в них дополнительных требований и процедур испытаний применительно к разрядникам для ВЛ.

1. Application of metal oxide surge arresters to overhead lines, Report of CIGRE WG33.11 Task Force 03, Electra, № 186, October 1999.
2. T. Kawamura, A. Inoue, T.Iriе, «Experience and effectiveness of application of arresters to overhead transmission lines», CIGRE 33-301, 1998.
3. S. Furukawa, O. Usuda, T. Isozaki, T. Irie, «Development and application of lightning arresters for transmission lines», IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 4, No. 4, 1989.
4. K. Ishida, K. Dokai, T. Isozaki, T. Irie, T. Nakayama, H. Fujita, K. Arakawa, Y. Aihara, «Development of a 500-kV transmission arrester and its characteristics», IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 7, No. 3, 1992.
5. A. Schnettler, G. Balzer, M. Hudasch, M.Adolfsson, «Protection of high voltage equipment by polymer housed surge arresters», CIGRE 33-302, 1998.
6. Гайворонский А.С., Клепиков А.В. Разрядники подвесного исполнения для защиты изоляции ВЛ 110–500 кВ от грозовых перенапряжений // Сборник докладов VII симпозиума «ЭЛЕКТРОТЕХНИКА 2010». – Москва, 2003.
7. Гайворонский А.С., Клепиков А.В., Прокофьева Е.Н. Проблемы грозозащиты ВЛ 110; 220 кВ в районах с многолетнемерзлыми плохо проводящими грунтами и пути их решения // Сборник докладов Международной научно-технической конференции «Передача энергии переменным током на дальние и сверхдальние расстояния». – Новосибирск, 2003.