ВОЗДУШНЫЕ ЛИНИИ С ЗАЩИЩЕННЫМИ ПРОВОДАМИ
Способы грозозащиты

Защищенные провода широко используются в распределительных сетях на воздушных линиях электропередачи (ВЛ), однако известны случаи повреждения таких проводов вследствие прямых ударов молнии, а также индуктированных перенапряжений.
В статье китайских специалистов – членов Международного института инженеров электротехники и электроники (IEEE), опубликованной в журнале IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, VOL. 23, NO. 2, APRIL 2008, представлен анализ и сравнение всех способов и устройств, используемых в разных странах для предотвращения грозовых повреждений защищенных проводов. Согласно принципу действия все эти методы можно разделить на несколько категорий. Одни из них направлены на предотвращение возникновения дуги, другие – на минимизацию последствий ее появления.
Статья, переведенная на русский язык российскими специалистами в области грозозащиты ВЛ, публикуется с минимальными сокращениями.

Жиньлианг Хе,
Шангианг Гу,
Шуиминг Чен,
Ронг Зенг,
Вейжианг Чен,
Китай, члены IEEE

В настоящее время во многих странах на ВЛ всё чаще используются защищенные провода. Их применение дает ряд преимуществ, например, уменьшение вероятности замыканий между проводами, исключение контактов проводов с деревьями, предотвращение травм и гибели людей при случайном контакте с проводом. Сокращение расстояния между проводами позволяет уменьшить ширину трассы ВЛ, повысить надежность электроснабжения.
С начала 1950-х годов защищенные провода стали применяться во Франции. Это позволило снизить годовое число повреждений ВЛ с 10 раз на 100 км длины (для ВЛ с неизолированными проводами) до 2,5 раз (для ВЛ с защищенными проводами). Позднее защищенные провода стали внедряться в других странах, например, в Швеции, Финляндии, Италии. В частности, Япония приняла решение заменить все голые провода распределительных ВЛ на защищенные [1].
Широкое внедрение защищенных проводов потребовало решения ряда новых проблем. Наиболее серьезная из них – повреждение провода при прямом ударе молнии, происходящее в случае, когда не приняты специальные защитные меры [2, 3]. Так, по данным [4, 5], в одной из энергосистем в 1974-1975 годах было зафиксировано 397 повреждений проводов, из которых более половины стали следствием разрядов молнии. В Пекине (Китай) в 1998 году на 600 км распределительных линий с защищенными проводами пришлось 15 повреждений, вызванных ударами молнии, т.е. годовое количество повреждений на 100 км длины составило 2,5 раза [6].
Молнии являются одной из основных причин повреждений в распределительных сетях, они могут приводить как к кратковременным, так и к длительным перебоям в электроснабжении потребителей.
К сожалению, стандарт IEEE Std. 1410-1997 [7], содержащий указания по улучшению грозозащиты ВЛ, не дает рекомендаций по защите ВЛ с защищенными проводами. Поэтому цель данной статьи – сравнить и обсудить различные способы и устройства, разработанные и применяемые во многих странах для предотвращения повреждений защищенных проводов на ВЛ из-за грозовых воздействий.

ПОВРЕЖДЕНИЯ ЗАЩИЩЕННОГО ПРОВОДА ПРИ УДАРЕ МОЛНИИ

Грозовые перенапряжения на распределительных ВЛ

Большинство аварий на распределительных ВЛ связаны с повреждениями защищенного провода в результате удара молнии. В случае разряда молнии с током всего 10 кА в линию на изоляции ВЛ могут возникать перенапряжения до 2000 кВ. Столь высокие перенапряжения на изоляции ВЛ приводят к ее перекрытию, возникновению электрической дуги тока промышленной частоты и, как следствие, пережиганию защищенного провода.
Опыт показывает, что в населенных пунктах вероятность прямого попадания молнии в ВЛ очень мала вследствие экранирующего действия зданий, деревьев. Поэтому повреждения происходят в основном из-за индуктированных перенапряжений, вызванных разрядами молнии вблизи ВЛ. Считается, что индуктированные перенапряжения могут достигать 300 кВ и выше, что гораздо больше выдерживаемого разрядного напряжения изоляции распределительных ВЛ с защищенными проводами. Таким образом, индуктированные перенапряжения являются достаточными для перекрытия изолятора, пробоя слабого места в изоляции провода.

Механизм повреждения

На рис. 1 показаны процессы, сопровождающие трехфазное короткое замыкание на линии с голыми проводами. Сначала происходят разряды фаза-земля между проводами и траверсой опоры и благодаря электромагнитным силам дуги перемещаются вдоль проводов. По мере продвижения дуги увеличивается ее длина и расширяется зона разряда, что приводит к переходу замыканий фаза-земля в междуфазные дуговые замыкания. Так как концы дуги постоянно смещаются по проводам, голые провода не перегорают.
Для ВЛ с защищенным проводом процессы, сопровождающие короткое замыкание, происходят иначе (см. рис. 2). Каждая дуга горит между соответствующим проводом и траверсой опоры, но изоляционный слой на проводе препятствует свободному перемещению дуги, и она горит в одной точке, пережигая провод. По мере продвижения дуги под действием электромагнитных сил ее длина и зона разряда увеличиваются, что вызывает дуговое замыкание трех фаз и переход замыканий фаза-земля в междуфазные замыкания.
Однако концы дуги межфазного замыкания будут по-прежнему оставаться на тех же участках защищенных проводов. Поскольку дуговое замыкание происходит в одной и той же точке на проводе на протяжении долгого времени, то защищенный провод повреждается.
Рис. 3 демонстрирует случай подобного пережога проводов.
При грозовом перенапряжении пробивается самая слабая точка изоляции защищенного провода. Если такое слабое место в изоляционном слое окажется далеко от места крепления защищенного провода к штыревому изолятору, то разряд пройдет не только по штыревому изолятору, но и по поверхности защищенного провода. На рис. 4 дана фотография такого разряда, полученная в процессе испытаний линии, защищенной ограничителем перенапряжений (ОПН) с внешним искровым промежутком [8]. Следует отметить, что если слабый участок в изоляционном слое провода расположен слишком далеко от изолятора, то перекрытие не происходит.
Для изучения этих слабых участков защищенных проводов были проведены эксперименты на восьми защищенных проводах с различной площадью поперечного сечения от 50 до 240 мм2. Результаты эксперимента показали, что при разрядах молнии точка пробоя защищенного провода может находиться на расстоянии до 200 мм в обе стороны от штыревого изолятора, как это показано на рис. 5.

Дефекты изолирующего покрытия защищенных проводов

• при производстве (непостоянная толщина изоляционного слоя и неровности на поверхности провода);
• во время установки и монтажа;
• в результате коронного разряда на поверхности металла внутри защищенного провода;
• из-за старения материалов в результате воздействий окружающей среды;
• вследствие грозовых и коммутационных перенапряжений, приводящих к развитию дефектов (кумулятивный эффект перенапряжений);
• при порывах ветра в месте проволочной обвязки, крепящей защищенный провод к штыревому изолятору [4];
• в результате контакта с ветвями деревьев и т.д.

КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ И УСТРОЙСТВ, РАЗРАБОТАННЫХ ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЯ ЗАЩИЩЕННЫХ ПРОВОДОВ

Так как грозовые перенапряжения способны заметно превосходить прочность изоляции ВЛ в распределительных сетях, то полностью исключить повреждения проводов достаточно сложно, но снизить их число вполне возможно. С целью предотвращения обрыва защищенного провода на воздушных линиях многие ученые из разных стран с 1960-х годов изучали различные способы их защиты, разрабатывали и внедряли соответствующие устройства, которые можно разделить на три категории согласно принципам их действия.

Категория I. Установка защитных устройств

Установка грозозащитных тросов – это традиционный способ снижения числа грозовых отключений ВЛ высокого напряжения. Однако эффективность тросов при их установке на ВЛ среднего напряжения не столь очевидна. Еще один известный способ защиты – установка ОПН (нередко в сочетании с тросом) [9, 10–16]. Применение защитных тросов и ОПН описано в стандарте IEEE Std. 1410-1997 [7]. Одной из новых разработок является так называемый длинноискровой разрядник (РДИ) [17, 18].
При этом эффективность троса напрямую зависит от уровня изоляции ВЛ и величины сопротивления заземления опоры, так как оба этих фактора определяют вероятность перекрытия изоляции с заземленных частей опоры на провода. На распределительных ВЛ в силу сравнительно невысокой прочности их изоляции установка троса с точки зрения минимизации последствий прямых ударов молнии нецелесообразна.
Однако установка троса позволяет снизить индуктированные грозовые перенапряжения на изоляции линии [11]. Конкретные цифры приведены в [19], где для ВЛ с расположением фазного провода на высоте 11 м и междуфазным расстоянием 0,7 м в случае удара молнии с током в 100 кА (импульс 2/49 мкс) на расстоянии 50 м от ВЛ максимальная величина индуктированного напряжения составляла 500 кВ (без троса) и 330 кВ (после установки троса). Такой эффект от установки заземленного троса связан с его близостью к фазным проводам [7]. Следует отметить, что в Японии практически все распределительные ВЛ снабжены тросами [11].

ОПН

Обычно ограничители перенапряжений (ОПН) устанавливаются в распределительных сетях для надежной защиты изоляции оборудования (трансформаторов и проч.), но могут использоваться и для защиты изоляции ВЛ, где применяются ОПН как с внешними (воздушными) искровыми промежутками, так и без них [7]. Принцип работы ОПН основан на ограничении перенапряжений, переводе их энергии в тепловую, рассеиваемую в ОПН. Установка ОПН на распределительные ВЛ, в частности, позволяет предотвратить повреждения защищенных проводов.
При прямых ударах молнии энергия, которая может выделиться в ОПН, установленном на ВЛ, значительна и может привести к его повреждению. Поэтому установка ОПН более эффективна для ограничения индуктированных перенапряжений.
Защита ВЛ при помощи ОПН нашла широкое применение во многих странах, например, в Японии, где вначале ОПН использовались без последовательных искровых промежутков: ОПН присоединялся к проводу, а нижняя его часть заземлялась через опору. Таким образом, ОПН без искрового промежутка подвергался воздействию не только импульсных перенапряжений, но и напряжения промышленной частоты, что в ряде случаев приводило к выходу ОПН из строя. Поэтому для снижения числа повреждений ОПН были разработаны аппараты с внешним искровым промежутком (рис. 6), которые и применяются в настоящее время [1].
Влияние ОПН на индуктированные перенапряжения на изоляции ВЛ проанализировано в [11], где при ударе молнии (100 кА, форма импульса 2/49 мкс) на расстоянии 50 м от ВЛ индуктированное напряжение составило 72 кВ (ОПН установлен на каждой опоре), 85 кВ (ОПН через 2 опоры), 112 кВ (ОПН через 6 опор). В случае установки в дополнение к ОПН грозозащитного троса индуктированные напряжения снижаются до 72, 74, 84 кВ соответственно.
В среднем в районе японского города Киушу грозовая активность соответствует 30 грозовым дням в году. Массовая установка ОПН на распределительные ВЛ этого города началась в 1985 году. К 1994 году ОПН были установлены на 87% линий, что позволило снизить на 50% число грозовых повреждений ВЛ, а 80% из произошедших повреждений пришлись на промежуточные опоры, где ОПН установлены не были [5].
Энергия разряда молнии способна значительно превысить установленную пропускную способность ОПН, что может привести к повреждениям ОПН на ВЛ. В случае установки на линии ОПН с поглощающей способностью 30 кДж количество повреждений составляет 32%, а в случае установки троса, предотвращающего прямой удар молнии в ОПН, количество повреждений снижается до 5%.

Длинноискровой разрядник

Длинноискровой разрядник (РДИ) устанавливается параллельно изоляторам (рис. 7) и позволяет защитить распределительную ВЛ от индуктированных перенапряжений и прямых ударов молнии [17,18]. Длина РДИ может быть в несколько раз больше, чем изолятора [17].
Принцип работы РДИ основан на явлении скользящего разряда, который проходит по его изоляционной поверхности. Разрядное напряжение РДИ ниже, чем у изолятора, и в случае грозового перенапряжения происходит перекрытие РДИ, а не изолятора. Увеличенная длина поверхностного разряда необходима для облегчения гашения дуги от сопровождающего тока промышленной частоты. Поскольку дуга сопровождающего тока промышленной частоты не устанавливается, не повреждается и защищенный провод.
На защищенном проводе ВЛ рядом с электродом РДИ устанавливается прокалывающий зажим. В противном случае координация изоляции между РДИ и изолятором ВЛ будет затруднена (особенно если изоляционное покрытие защищенного провода не имеет дефектов). Для защиты ВЛ от индуктированных перенапряжений достаточно размещать по одному РДИ на опору, при этом РДИ устанавливается на различные фазы соседних трех опор.
Были проведены экспериментальные исследования координации изоляции между РДИ и изолятором PS20 при импульсных грозовых воздействиях. Разрядник РДИ представлял собой алюминиевый проводник длиной 1,5 м и диаметром 10 мм, покрытый термоусаженной резиновой трубкой с толщиной изоляционного слоя 5 мм. Разряд через промежуток между проводом и электродом РДИ, проходящий далее по поверхности разрядника, показан на рис. 8. Результаты измерений разрядных напряжений модели РДИ в зависимости от длины воздушного зазора между РДИ и защищенным проводом даны в табл. 3.
50%-импульсное разрядное напряжение изолятора PS20 при воздействии импульсов положительной и отрицательной полярности составляет 150 и 180 кВ соответственно. Таким образом, при искровом промежутке длиной 4–5 см координация между изолятором и РДИ обеспечивается с запасом более 20%.
Для распределительных сетей с изолированной нейтралью величина сопровождающего тока (тока однофазного замыкания на землю) сравнительно небольшая, и поэтому РДИ имеет приемлемые габариты. Для сетей с заземленной нейтралью токи однофазного замыкания на землю таковы, что длина РДИ, требуемая по условиям гашения дуги сопровождающего тока, может доходить до 3,24 м [17], создавая неудобства при использовании РДИ.

Категория II. Частичная зачистка изоляции проводов

Частичная зачистка изоляции защищенных проводов позволяет дуге скользить вдоль оголенного провода, а не гореть в одной точке.
Для уменьшения длины зачищаемого участка на изоляции устанавливаются специальные металлические дугозащитные зажимы.
Подобные зажимы, устанавливаемые на переднюю часть зачищенного элемента провода, впервые были предложены в 1982 году [2], они показаны на рис. 9. В случае разряда молнии дуга скользит к данному устройству и горит на нем, а не пережигает провода.
В Финляндии был разработан и широко применяется дугозащитный зажим другой конструкции, показанной на рис. 10 и требующей зачистки провода лишь внутри зажима. Такая система получила название SAX [20].
Японские исследователи предложили метод защиты от повреждений защищенных проводов, внедрив специальные устройства с искровым промежутком (рис. 11) [21]. Изоляционный слой защищенного провода в месте соединения провода и разрядника зачищен, эта зачищенная часть и высоковольтный электрод изолятора покрываются изоляционным колпачком. После фиксации провода начало разряда находится на стороне изоляционного колпачка. Точка горения разряда перемещается на высоковольтный электрод, чтобы предотвратить повреждение провода. Под воздействием магнитного поля и силы ветра дуга отходит от изолятора, не повреждая его поверхности.

В следующем номере журнала мы продолжим публикацию китайских авторов. Они остановятся на III категории грозозащиты – усилении изоляции, а также сравнят различные средства грозозащиты воздушных линий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Washino M., Fukuyama A., Kito K., Kato K. Development of current limiting arcing horn for prevention of lightning faults on distribution lines / IEEE Trans. Power Del. – Jan. 1988, vol. 3, no. 1.– P. 187–196.
2. Lee R. E., Fritz D. E., Stiller P. H., Shankle D. F. Prevention of covered conductor burndown on distribution circuits // Proc. Amer. Power Conf.– Apr. 1980, vol. 42, no. 4. – P. 587–592.
3. Fallen 12-kV overhead distribution conductors, breakdown of 390 cases, 1974 and 1975 // Pennsylvania Power Light. – Jan. 1976, SAO 907041.
4. Lee R. E., Fritz D. E., Stiller P. H., Shankle D. F. Prevention of covered conductor burndown on distribution circuits – Arcing protection devices / IEEE Trans. Power App. Syst. – Aug. 1982, vol. PAS-101, no. 8. – P. 2434–2438.
5. Momoka Y., Katahii O., Maeda K., Tsukamoto T., Hara M. Results of survey of lightning faults on the electric power system of Kyushu Electric Power Co., Inc. // Proc. Korea-Japan Joint Symp. Electrical Discharging High Voltage Engineering. – Seoul, 1996. – P. 199–202.
6. Zeng R., He J. L., Chen S. M., Fu F. W., Guan Z. C. 10 kV insulated compact distribution line supported by composite spacers // Proc. IEEE Industrial Commercial Power Systems, Tech. Conf. – May 4–8, 2003. – P. 69–76.
7. IEEE Guide for Improving the Lightning Performance of Electric Power Overhead Distribution Lines / IEEE Std. 1410. –1997.
8. Gu S., Chen W., He J. Development of surge arresters with series gaps against lightning breakage of covered conductors on distribution lines / IEEE Trans. Power Del. – Oct. 2007, vol. 22, no. 4. – P. 2191–2198.
9. Yokoyama S. Distribution surge arrester behavior due to lightning induced voltages / IEEE Trans. Power Del. – Jan. 1986, vol. PWRD-1, no. 1. – P. 171–178.
10. Nakada K., Yokoyama S., Yokota T., Asakawa A., Kawabata T. Analytical study of failure rates of surge arresters on power distribution lines due to winter lightning // Proc. Japan-Korea Joint Symp. Electrical Discharging High Voltage Engineering. – Fukuoka, 1997. – P. 221–224.
11. Morooka Y., Yokoyama S., Asakawa A. Protection of power distribution lines against lightning-induced overvoltages by means of surge arresters and overhead ground wire // Proc. 8th Int. Symp. High Voltage Engineering. – Yokoyama, 1993. – P. 397–400.
12. Mcdermott T. E., Short T. A., Anderson J. G. Lightning protection of distribution lines / IEEE Trans. Power Del. – Jan. 1994, vol. 9, no. 1. – P. 136–152, .
13. Yokoyama S. Distribution surge arrester behavior due to lightning induced voltages / IEEE Trans. Power Del. – Jan. 1986, vol. PWRD-1, no. 1. – P. 171–178.
14. Piantini A., Janiszewski J. M. Use of surge arresters for protection of overhead lines against nearby lightning / 10th Int. Symp. High Voltage Engineering. – Montreal, 1997.
15. Short T. A., Burke J. J., Mancao R. T. Application of MOVs in the distribution environment / IEEE Trans. Power Del. – Jan. 1994, vol. 9, no. 1. – P. 293–305.
16. Romualdo-Torres C., Cornick K. J. Lightning performance of distribution lines protected with surge arresters / 10th Int. Symp. High Voltage Engineering. – Montreal, 1997.
17. Podporkin G. V., Sivaev A. D. Lightning protection of distribution lines by long flashover arresters (LFA) / IEEE Trans. Power Del. – Jul. 1998, vol. 13, no. 3. – P. 814–823.
18. Podporkin G. V., Pilshikov V. E., Sivaev A. D. Lightning protection of medium voltage lines by modular long-flashover arresters / IEEE Trans. Power Del. – Jul. 2003, vol. 18, no. 3. – P. 781–787.
19. Nakada K., Yokota T., Yokoyama S., Asakawa A., Nakamura M., Taniguchi H., Hashimoto A. Energy absorption of surge arresters on power distribution lines due to direct lightning strokes-effects of an overhead ground wire and installation position of surge arresters / IEEE Trans. Power Del. – Oct. 1997, vol. 12, no. 4. – P. 1779–1785.
20. Hinkkuri A. , Lehtinen I. SAX distribution system for medium voltages. – Sahko, 1989. – Vol. 62, no. 6. – P. 12–13.
21. The method against high voltage insulated conductor melted // Elect. Cooperative Res. – 1985. – Vol. 40, no. 6.