Опыт эксплуатации ВЛ 110 и 220 кВ показывает, что общая надежность электроснабжения по линиям, проходящим в сложных природно-климатических условиях, может быть обеспечена только при использовании для грозозащиты ВЛ ограничителей перенапряжений с отказом от грозозащитных тросов.
Александра Николаевна Новикова и Оксана Владимировна Шмараго рассматривают особенности схем грозозащиты таких ВЛ в Сочинском регионе.

ГРОЗОЗАЩИТА ВЛ 110 кВ В СОЧИНСКОМ РЕГИОНЕ
Модернизация с применением многогранных опор

Александра Новикова, Оксана Шмараго,
отдел техники высоких напряжений ОАО «НИИПТ», г. Санкт-Петербург

Район Сочи характеризуется интенсивной грозовой деятельностью (в среднем 140–160 грозовых часов в год) и экстремальными снего-гололедно-ветровыми нагрузками (с повторяемостью 1 раз в 25 лет отмечается максимальная толщина стенки гололеда 30–40 мм и скорость ветра 30–35 м/с). Реконструкция линий 110 кВ к Олимпиаде 2014 года ориентирована на сооружение многоцепных ВЛ, организованных на многогранных стойках и рассчитанных на повышенные механические нагрузки.

СХЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ И ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ

На рис. 1 показан фрагмент схемы сетей между Сочинской ТЭС (СТЭС) и ПС «Сочи» до и после реконструкции.
В табл. 1 приведены данные за 15 лет по автоматическим отключениям двух защищенных тросом по всей длине ВЛ 110 кВ («Сочи – Мацеста» и «Мацеста – Хоста»), составляющим одну цепь ВЛ между ПС «Сочи» и ПС «Хоста». Числитель – общее число отключений, знаменатель – с неуспешным АПВ. В табл. 2 приведены удельные числа отключений ВЛ по причинам, обусловленным природно-климатическими особенностями региона.

Рис. 1. Схема ВЛ 110 кВ между ПС «Сочи» и СТЭС:
а) до модернизации; б) после модернизации

а).

б).

Обозначения:

– на четырехцепной опоре подвешены 4 цепи;

– на четырехцепной опоре подвешены 2 цепи на верхних траверсах и 1 цепь на нижних траверсах;

– на четырехцепной опоре подвешены 2 цепи на верхних траверсах;

– на четырехцепной опоре подвешена 1 цепь на верхних траверсах;

– на двухцепной опоре подвешены 2 цепи;

– на двухцепной опоре подвешена 1 цепь.

-------------------------------

Таблица 1.
Распределение автоматических отключений ВЛ 110 кВ между ПС «Сочи» и ПС «Хоста»

-------------------------------

Таблица 2.
Сравнение эксплуатационных показателей ВЛ 110 кВ «Сочи – Мацеста» и «Мацеста – Хоста»

Показатели по числу автоматических отключений для анализируемых ВЛ намного хуже, чем в среднем по энергосистемам России для ВЛ 110 кВ (10 отключений на 100 км в год). Наибольшее число отключений происходило при снего-гололедно-ветровых нагрузках, а 80% из них сопровождались длительным перерывом в электроснабжении. За анализируемый период произошло 5 отключений из-за обрыва проводов, одно – с обрывом троса и 3-х проводов. При грозовых отключениях около 70% случаев сопровождались перерывом в электроснабжении, но длительным был только один, вызванный расцеплением гирлянды во время грозы с порывами ветра до 13 м/с.

С учетом результатов анализа опыта эксплуатации принято решение об отказе от подвески троса и обеспечении требуемых показателей грозоупорности с использованием ограничителей перенапряжений (ОПН).

Учитывая близость полученных выше эксплуатационных показателей грозоупорности двух ВЛ 110 кВ, для определения критерия разработки схемы грозозащиты проектируемых ВЛ 110 кВ следует объединить опыт эксплуатации этих двух ВЛ.

Показатель грозоупорности, т.е. удельное число грозовых отключений на 100 км и 100 грозовых часов, составил:

,

где N_{г.15 лет} – общее число грозовых отключений за 15 лет;
T – продолжительность анализируемого периода в годах;
L_ВЛ – длина ВЛ, км;
N_г.ч – среднегодовое число грозовых часов в анализируемый период (за 15 лет – 142 часа).

ГРОЗОУПОРНОСТЬ ВЛ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СХЕМАХ ГРОЗОЗАЩИТЫ

На рис. 3 показаны эскизы опор существующей и проектируемых ВЛ 110 кВ. Расчеты грозоупорности выполнены по методике [1]. Целесообразно рассмотреть особенности грозозащиты ВЛ на четырехцепных и трехцепных опорах.

Рис. 3. Эскизы опор ВЛ 110 кВ существующей (а) и проектируемых (б, в, г) ВЛ на четырехцепных опорах

На проектируемых ВЛ предполагается использовать только анкерные опоры. Изоляция натяжных гирлянд – 10хПС70-Д, поддерживающих шлейфы гирлянд – 8хПС70-Д. В табл. 3 приведены результаты расчетов удельного числа грозовых отключений (n_г) на 100 км и 100 грозовых часов для вариантов опор рис. 3а (существующей ВЛ) и 3б (проектируемой ВЛ), для сопротивления заземления R_з = 10 Ом при различных схемах грозозащиты.

По результатам расчетов табл. 3 можно отметить, что:

• расчетные показатели грозоупорности существующей ВЛ 110 кВ хорошо согласуются с эксплуатационными показателями (3,7 грозовых отключений на 100 км в год);
• подвеска двух тросов на четырехцепной опоре не компенсирует неблагоприятных с точки зрения грозозащиты факторов: значительного повышения высоты опор, вызывающего повышение поражаемости ВЛ разрядами молнии; увеличения индуктивности опор и индуктированных от заряда канала молнии и тока в канале перенапряжений на линейной изоляции. Грозоупорность ВЛ с двумя тросами (без ОПН) ухудшается в 3 раза. Основной причиной грозовых отключений при этом являются обратные перекрытия при ударах молнии в опору: два троса с углом защиты α = 25° защищают провода от прорывов молнии.

Таблица 3.
Удельные числа грозовых отключений ВЛ 110 кВ на четырехцепных опорах при различных схемах грозозащиты

Расчет числа грозовых отключений от обратных перекрытий проводится с учетом фаз рабочего напряжения (U_раб). Это имеет существенное значение при многоярусном расположении проводов, когда импульсное напряжение на гирляндах зависит от высоты подвески провода и на вероятность перекрытия той или другой гирлянды будет влиять фаза U_раб.

Если, как это реализовано в проекте, фазировка цепей, подвешенных на разных ярусах, полностью совпадает, грозовые перекрытия изоляции всегда будут происходить на верхних цепях. И полученное выше значение n_г = 11,2 будет относиться к каждой верхней цепи. Нижние цепи отключаться при грозе не будут.

Ситуация меняется при отсутствии тросов и подвеске ОПН. Основной причиной отключений в этом случае также являются обратные перекрытия как при поражении молнией верхних проводов, так и при ударах в опору. Верхние провода с ОПН выполняют функцию троса и защищают нижние провода от прорывов лучше, чем «настоящие» тросы: угол их защиты меньше (α = 23°), и они подвешены на меньшей высоте.

При такой схеме грозозащиты изоляция защищенных ОПН фаз перекрываться не будет. В случаях, когда U_раб фаз нижней цепи, одноименных с защищенными ОПН, будет складываться с импульсным напряжением, возможно перекрытие фаз нижней цепи.

В табл. 3 рассмотрены также два варианта с усилением изоляции в поддерживающих шлейфы гирляндах до 10 изоляторов: с тросовой защитой без ОПН; без тросов, но с двумя ОПН на верхних траверсах. Добавление двух изоляторов на ВЛ с тросами (без ОПН) позволяет уменьшить число перекрытий верхних цепей в 1,5 раза, а при использовании двух ОПН (без троса) – в 2 раза. Этот вариант грозозащиты, как более экономичный и обеспечивающий хорошие показатели грозоупорности, был рекомендован для ВЛ 110 кВ «СТЭС – Сочи».

ВЛ на трехцепных опорах

На ВЛ 110 кВ «СТЭС – Хоста» предполагается использовать одностоечные (рис. 3в и табл. 4) и трехстоечные трехцепные опоры (рис. 3г и табл. 5) на многогранных стойках. Расположение цепей и их фазировка показаны в табл. 4 и 5.

Таблица 4.
Результаты расчета удельного числа грозовых отключений ВЛ 110 кВ, выполненных на одностоечных опорах 220 кВ

Вариант грозозащиты	nг на 100 км и 100 грозовых часов при высоте опор (м)
	33			38
	на 3 цепи	на каждую верхнюю цепь	на нижнюю цепь	на 3 цепи	на каждую верхнюю цепь	на нижнюю цепь
2 троса, без ОПН	12,6	6,3	—	19,1	9,55	—
Без троса, 2 ОПН	7,4	3,15	1,1	12,4	5,2	2,0
				6,0*	2,7*	0,6*
Без троса, 4 ОПН	2,0	—	2,0	3,1	—	3,1

* Для изоляции 10 × ПС70-Д

На одностоечных опорах с использованием троса при большой разности высот подвески проводов между ярусами перекрытия при всех фазах U_раб будут происходить на изоляции проводов верхней цепи. Нижняя цепь отключаться при грозе не будет.

При использовании 2-х ОПН на опорах высотой 33 м расчетное значение n_г для верхних цепей равно 3,15, т.е. меньше допустимого значения, равного 3,7 на 100 км и 100 грозовых часов. Для опор высотой 38 м требуемый удельный показатель достигается при использовании 4-х ОПН или усилении изоляции поддерживающих гирлянд, не защищенных ОПН, на два изолятора. При установке 4-х ОПН верхние цепи, две фазы которых защищены ОПН, отключаться не будут.

На трехстоечной опоре (табл. 5) в неблагоприятных условиях оказывается цепь, две фазы которой подвешены в верхнем ярусе. При тросовой защите эта цепь будет иметь значение n_г в 3 раза больше, чем соседняя (левая) цепь. Нижняя цепь при этом не будет иметь грозовых отключений.

Таблица 5.
Результаты расчета удельного числа грозовых отключений ВЛ 110 кВ, выполненных на трехстоечных опорах 220 кВ

Вариант грозозащиты		Высота опор, м	nг на 100 км и 100 грозовых часов
			На 3 цепи	верхние цепи при фазировке		Нижняя цепь: A''-B''-C'' «СТЭС – КПГЭС»
				A-B-C «СТЭС – Хоста»	A'-B'-C' «СТЭС – Мацеста – Хоста»
2 троса, без ОПН		46	20,5	4,4	16,1	—
		51	25,9	5,5	20,4	—
Без троса, 2 ОПН		46	23,0	—	18,5 + 1,4 = 19,9	3,1
		51	29,3	—	23,8 + 1,4 = 25,2	4,1
Без троса, 3 ОПН	8 x ПС70-Д	46	13,2	3,1	3,1	7,0
		51	17,5	4,0	4,0	9,5
	10 x ПС70-Д	46	6,0	1,3	1,3	3,4
		51	8,2	1,7	1,7	4,8

При подвеске двух ОПН на крайних фазах верхнего яруса, левая цепь не должна отключаться при грозе. Цепь, у которой осталась незащищенной изоляция верхней фазы, будет иметь больше грозовых отключений, чем при тросовой защите: во-первых, добавится часть перекрытий, ранее имевших место на крайних фазах; во-вторых, изоляция среднего провода будет перекрываться от разрядов молнии, поражающих этот провод непосредственно из пространства над ВЛ. При наличии тросов средний провод находился в совместной зоне защиты подвешенных выше него тросов. При отказе от тросов и подвеске ОПН на крайних фазах, провода с ОПН станут выполнять функцию тросов, защищая подвешенные ниже провода от прорывов молнии и снижая вероятность обратных перекрытий при ударах молнии в опоры и верхние крайние провода. Значение n_г оказывается больше допустимого только при h_оп = 51 м.

При защите ОПН изоляции всех верхних проводов, перекрытия распределяются между проводами среднего и нижнего ярусов, причем из-за сочетания числа незащищенных фаз каждой цепи, их разного геометрического положения на опоре и относительно импровизированных тросов (проводов с ОПН), в неблагоприятном положении оказывается нижняя цепь. На среднем ярусе перекрытия будут сосредоточены на крайних проводах, принадлежащих разным цепям, и проблема с показателем n_г появляется только на опорах с h_оп = 51 м.

Увеличение числа ОПН (более 3-х), конечно, может уменьшить число перекрытий на нижней цепи, однако эффективным и более дешевым мероприятием является усиление изоляции поддерживающих шлейф гирлянд фаз, не защищенных ОПН. Добавление двух изоляторов позволяет вдвое уменьшить перекрытия изоляции нижней цепи.

РАСЧЕТ ОЖИДАЕМОЙ ГРОЗОУПОРНОСТИ

Все проектируемые ВЛ неоднородны по типу используемых опор и размещению фаз проводов на опоре. В табл. 6 трасса рассматриваемой в качестве примера ВЛ 110 кВ «СТЭС – Хоста» разбита на участки по типу опор. Фазы проводов этой ВЛ (цепи) обозначены синим цветом и объединены общим контуром, фазы других цепей даны красным цветом.

Таблица 6.
Расчет ожидаемого числа грозовых отключений при использовании ОПН и отказе от троса на ВЛ 110 кВ «СТЭС–Хоста»

Номер варианта по типу опор		1			2		3	4	5	6	Всего на ВЛ
Расположение фаз рассматриваемой ВЛ на опоре
Шифр опор		УММ 220-3.2т*	УММ 220-3.2т+5*	ПММ 220-3.2т*	УМ 220-4.2тВ +1ст.*	УМ 220-4.2тВ +5+1ст.*	УМ 220-4.2тВ +5*	УМ 220-4.2тВ*	УММ 220-2.30т*	УММ 220-4.2т+6*
Высота опоры, м		33	38	39	46	51	51,5	51,5	40	45
Число опор		26	30	2	20	7	1	1	1	1	89
Общая длина участков, м		3511,0	5781,1	342,8	5026,2	2071,0	191,4	257,3	90,0	131,0	17401,8
nг	2 ОПН	3,15	5,2 / 2,71	6,1 / 3,21	0	0	9,9	9,0	6,7	9,97
	3 ОПН	—	—	—	3,1 / 1,31	4,0 / 1,71	—	—	—	—
	4 ОПН	0	0	0	—	—	—	—	—	—
ΔNгi, варианты	1	0,188	0,511	0,036	0	0	0,032	0,039	0,010	0,022	0,839
	2				0,265	0,141					1,244
	3				0,111	0,060					1,009
	4		0								0,498
	5		0,265	0,019							0,746

* Усиление изоляции: 10 x ПС 70-Д в поддерживающих шлейф гирляндах фаз, не защищенных ОПН.

Число грозовых отключений из-за перекрытий изоляции на i-том участке определялось по формуле:

,

где n_гi – удельное число отключений ВЛ на 100 км и 100 грозовых часов для конкретного типа опоры;
l_уч.i – длина участка (участков) с конкретным типом опоры, км;
N_г.ч – среднегодовое число грозовых часов (по прогнозу ожидаемой грозовой деятельности принято N_г.ч = 170 грозовых часов).

Число грозовых отключений ВЛ в год определяется как:

,

Было рассмотрено 5 вариантов схемы грозозащиты:

1. На всех опорах установлено по 2 ОПН: на одностоечных и двухстоечных – на верхних фазах, на трехстоечных – на крайних верхних фазах.
2. На одностоечных и двухстоечных опорах установлено по 2 ОПН, на трехстоечных – 3 ОПН (на всех верхних фазах).
3. На одностоечных и двухстоечных опорах установлено по 2 ОПН, на трехстоечных – 3 ОПН и усилена изоляция фаз, не защищенных ОПН.
4. На одностоечных опорах с h_оп = 33, 39, 40 и 45 м и двухстоечных опорах установлено по 2 ОПН, на одностоечных опорах с h_оп = 38 м установлено 4 ОПН, на трехстоечных – 3 ОПН и усилена изоляция фаз, не защищенных ОПН.
5. На одностоечных опорах с h_оп = 33, 40 и 45 м и двухстоечных опорах установлено по 2 ОПН, на одностоечных опорах с h_оп = 38 и 39 м установлено 2 ОПН и усилена изоляция фаз, не защищенных ОПН, на трехстоечных опорах установлено по 3 ОПН и усилена изоляция фаз, не защищенных ОПН.
   Увеличение числа изоляторов в гирляндах практикуется для переходных опор. По рекомендациям п. 1.9.15 ПУЭ предельная высота опор для увеличения числа изоляторов, вне зависимости от класса номинального напряжения ВЛ и интенсивности грозовой деятельности, принята h_оп = 50 м.
   Для конкретных условий проектируемой ВЛ 110 кВ: наличие на трассе не единичных переходных опор, а 70% трехцепных опор высотой от 38 до 51,5 м; высокая грозовая деятельность (N_г.ч = 170 грозовых часов) – увеличение числа изоляторов в гирляндах является целесообразным и оправданным, по-скольку способствует повышению грозоупорности всех цепей, подвешенных на опоре, независимо от принятой фазировки.

ВЫБОР СХЕМЫ ГРОЗОЗАЩИТЫ ВЛ НА МНОГОЦЕПНЫХ ОПОРАХ

В табл. 7 сведены результаты расчета ожидаемого числа грозовых отключений для пяти вариантов схемы грозозащиты для всех четырех ВЛ 110 кВ, идущих на общих опорах между ПС «СТЭС» и ПС «Хоста», для фактической их длины и интенсивности грозовой деятельности N_г.ч = 170 грозовых часов. Под названиями ВЛ указаны допустимые числа грозовых отключений, обоснованные результатами анализа опыта эксплуатации. Наилучшие показатели ожидаемой грозоупорности для каждой из ВЛ выделены синим цветом. Для трех ВЛ наилучшим оказался 4-й вариант грозозащиты: ожидаемое число грозовых отключений для этих ВЛ намного меньше допустимого. Однако такую схему следует считать чрезмерной.

Таблица 7.
Выбор варианта схемы грозозащиты проходящих на общих опорах ВЛ 110 кВ между ПС «СТЭС» и ПС «Хоста»

Наиболее экономичным по затратам и удовлетворяющим требуемым критериям является 5-й вариант: по самой короткой ВЛ 110 кВ «СТЭС – Мацеста» ожидаемое и допустимое значение N_гвл совпадают; по более длинным ВЛ «Мацеста – Хоста» и «СТЭС – Хоста» есть запас 20 и 40%, при этом снижается число грозовых отключений для участка ВЛ 110 кВ на Краснополянскую ГЭС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Необходимость выполнения требований ПУЭ 7-го изд. по механическим нагрузкам и условия прохождения трасс ВЛ по густонаселенной местности определяют использование при реконструкции ВЛ 110 кВ высоких многоцепных опор, что при наличии самой высокой в стране интенсивности грозовой деятельности неизбежно связано с необходимостью специального рассмотрения вопросов грозозащиты.
2. Грозоупорность многоцепных ВЛ 110 кВ не может быть обеспечена на уровне достигнутых эксплуатационных показателей без использования ОПН.
3. Система грозозащиты ВЛ 110 кВ на многоцепных опорах должна разрабатываться по условию обеспечения требуемой грозоупорности для каждой из ВЛ на общих опорах.
4. При разработке схем грозозащиты необходимо рассматривать комбинированные варианты с уменьшенным числом ОПН и усилением изоляции фаз, не защищенных ОПН.

ЛИТЕРАТУРА

1. Руководство по защите электрических сетей 6–1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений. РД 153-34.3-35.129-99. СПб.: Изд-во ПЭИПК, 1999.