Надежность работы воздушных линий электропередачи (ВЛ) высокого напряжения в значительной степени определяется их способностью выдерживать грозовые перенапряжения без отключений. С появлением нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) задача повышения грозоупорности ВЛ стала решаемой даже при самых тяжелых условиях, например, при отсутствии грозозащитного троса, в горной местности, при больших сопротивлениях заземления опор и т.п. Одновременно резко возросла и цена ошибок при составлении проектов повышения грозоупорности как вновь создаваемых линий, так и находящихся в эксплуатации.
Наши петербургские авторы продолжают тему, поднятую в предыдущем номере журнала (см. «Новости ЭлектроТехники» № 2(68) 2011) специалистами из НИИПТ.

Натэлла Гумерова, к.т.н., Григорий Хохлов, СПбГПУ
Антон Косоруков, ООО «НПФ ЭЛНАП», г. Санкт-Петербург

РАСЧЕТ ГРОЗОУПОРНОСТИ ВЛ 110 кВ И ВЫШЕ

В настоящий момент в РД 153-34.3-35.125-99 [1] (далее РД) нет сведений о приемлемом числе отключений ВЛ, приводятся лишь справочные данные об эксплуатационных показателях для линий разных классов напряжения. Использовать их на практике сложно, так как эти усредненные показатели не отражают специфику разных регионов страны (горы, грунт с большим удельным сопротивлением, местность с высокой интенсивностью гроз и т.п.). Критерий, сформулированный по числу срабатываний выключателей, также устарел, поскольку все активнее применяется новое современное оборудование. Отсутствие данных приводит к ситуации, когда заказчик должен указывать допустимое число отключений самостоятельно без достаточного обоснования.

Работа по повышению грозоупорности существующих ВЛ состоит из следующих этапов: обследование ВЛ, определение ожидаемого числа отключений ВЛ, разработка проекта повышения грозоупорности и реализация проекта.

Обследование ВЛ позволяет получить объективные данные для дальнейшего анализа грозоупорности, без которых погрешность последнего была бы неприемлемой, и включает в себя следующее:

• измерение удельного сопротивления грунта ρ вдоль трассы ВЛ;
• измерение сопротивлений заземления опор ВЛ в импульсном режиме;
• визуальная и приборная оценка состояния линейной изоляции ВЛ;
• анализ опыта эксплуатации ВЛ и интенсивности грозовой деятельности по ее трассе.

Определение удельного сопротивления грунта позволяет:

• уточнить возможность перераспределения числа ударов молнии по трассе линии и оценить возможность корректировки сопротивлений заземления опор;
• учитывать деформацию грозовых волн при численном анализе за счет конечного сопротивления земли и проводов.

К сожалению, сегодня в Нормах технологического проектирования ВЛ рекомендация использовать данные измерений удельного сопротивления грунта при проектировании заземляющих устройств ВЛ снабжена словами «как правило», чем многие проектировщики и пользуются. Погрешность расчета ЗУ опоры ВЛ по табличным данным может варьироваться в очень широких пределах. При помощи затрат на реконструкцию ЗУ в дальнейшем можно снизить количество перекрытий изоляции, однако если их количество превышает допустимый уровень, то требуется установка ОПН. Установка большого количества ОПН может привести к отключениям ВЛ уже вследствие отказов самих ограничителей.

Практика показывает, что при отсутствии резервных ВЛ меры по повышению грозоупорности фактически компенсируют ошибки проекта, связанные с большими углами тросовой защиты и т.п. Часто требование учета грозовых перенапряжений как фактора, влияющего на надежность электроснабжения по нерезервированным ВЛ, отсутствует либо игнорируется, а грозовые отключения на стадии проектирования считаются форс-мажорным обстоятельством.

К организационным проблемам также можно отнести отсутствие требования о проведении обследований ЗУ ВЛ только в грозовой сезон. Особенности финансирования данных работ, связанные с началом финансового года и планированием строительства на теплый период, часто приводят к необходимости проведения обследования в холодное время. Подобные измерения дают наибольшие погрешности, а сопротивление ЗУ (а значит, и количество ОПН по итогам проектирования) получается больше сопротивлений, характерных для грозового периода.

Cуществующая методика расчета

Расчет числа грозовых отключений описан в [1]. Данный документ содержит множество прогрессивных идей, но учет ряда явлений упрощен. Результатом этого становится увеличение погрешности расчета и, что немаловажно, формирование идеи о возможности расчета числа отключений ВЛ простейшими средствами. Сегодня в результате обследования ВЛ можно получить большое количество данных, которые методика [1] использовать не позволяет. Из [2, 3] известно о разработках альтернативного программного обеспечения, в самом РД имеются сведения об использовании программного обеспечения для анализа грозоупорности ВЛ в местностях с высокими удельными сопротивлениями грунта, то есть можно говорить о назревшей необходимости дополнения или пересмотра положений [1].

Согласно [1] для расчета грозоупорности ВЛ необходимо использовать сопротивление ЗУ опор, измеренное на частоте 50 Гц. Однако различие сопротивлений заземления на частоте 50 Гц и в диапазоне, соответствующем грозовым воздействиям, подтверждено большим числом экспериментальных исследований, к которым в первую очередь следует отнести работы КНЦ РАН [4]. С ростом частот спектра воздействия происходит и увеличение сопротивления заземления опор. При наличии протяженных заземлителей из-за меньшей скорости распространения электромагнитных возмущений в грунте [4] эффективная площадь ЗУ для коротких фронтов молнии сокращается, что также приводит к росту сопротивления заземления.

Таким образом, необходимо проводить измерения сопротивления ЗУ импульсными методами при фронтах, близких к минимальным фронтам молнии. В перспективе по осциллограммам тока в заземляющем проводнике и напряжения на ЗУ в расчетах грозоупорности ВЛ можно будет перейти от резистивной схемы замещения ЗУ к схеме с реактивными элементами.

На рис. 1 показана характеристика заземляющего устройства (ЗУ) одной из опор, полученная в КНЦ РАН экспериментальным путем как отношение мгновенных значений импульсов напряжения и тока, а в табл. 1 приведены числа грозовых отключений ВЛ при различных моделях замещения ЗУ опоры. Эти и последующие результаты получены с помощью инженерной программы расчета грозовых перенапряжений и вероятного количества перекрытий линейной изоляции. Программа дает возможность использовать данные обследования ВЛ (параметры пролетов и опор) для выработки отдельных проектных решений по каждой опоре. Очевидно, что максимальное и минимальное значения отличаются примерно на порядок. Наиболее соответствующей реальности является величина, полученная при моделировании ЗУ схемой, воспроизводящей экспериментальные кривые тока и напряжения и соответственно реальную его характеристику.

Рис. 1. Характеристика заземляющего устройства одной из опор ВЛ

Таблица 1. Число грозовых отключений ВЛ при различных моделях ЗУ опор (на 100 км и 100 гр.ч)

В схемах замещения РД используется теория цепей, которая в отличие от теории длинных линий исключает возможность корректного учета волновых процессов. Соответственно учет отражения импульсов от опор, близких к точке поражения, которое приводит к снижению перенапряжений и влияет на работу ОПН, нельзя считать достаточно обоснованным. Необходимо применение теории длинных линий. Взаимное влияние между токами и напряжениями грозозащитного троса и фазного проводника, как и прочие параметры ВЛ, в [1] моделируется при помощи постоянных по величине коэффициентов связи. Однако так как данные коэффициенты описывают взаимную связь между проводниками, они должны зависеть от спектра воздействующих импульсов. Также в общем случае отсутствует учет потерь в грунте (использована модель идеально проводящей земли), что недопустимо при больших удельных сопротивлениях грунта. Но именно для таких ВЛ свойственны проблемы с грозовыми отключениями.

Для адекватного описания взаимного влияния токов и напряжений проводников необходимо использовать модель многопроводной длинной линии с учетом конечного сопротивления земли и проводов в широком частотном спектре [5]. Такая постановка задачи потребует использовать геометрические параметры опоры, каждый участок которой можно моделировать индуктивностью. При этом будут учтены напряжения на изоляции всех проводников, работа всех ОПН и экранирование нижних фаз верхними.

Зависимость потерь энергии на коронный разряд [6] от конкретных параметров напряжения на проводах ВЛ должна отслеживаться для каждого момента времени и координаты (рис. 2). Это дает возможность учесть потери энергии, что особенно важно при оценках возможности перекрытия при прорывах молнии мимо тросовой защиты и при оценках грозоупорности линий без грозозащитных тросов.

Рис. 2. Влияние коронного разряда на напряжение на изоляции ВЛ

Вольт-секундные характеристики (ВСХ) изоляции в разных частях [1] описаны различными выражениями. В разделе грозозащиты подстанций применяется формула Горева-Машкиллейсона, которая связывает пробивные напряжения при разных фронтах воздействия. Требуется уточнение, какая из методик обладает меньшей погрешностью. В принципе ни одна из применяемых в России в настоящее время моделей ВСХ не учитывает нестандартную форму перенапряжений на гирляндах изоляторов при ударах молнии в опору и трос. Нет сведений о полимерной изоляции, получение которых потребует проведения высоковольтных испытаний.
Основной недостаток [1], на наш взгляд, – наличие усреднений: «средний пролет», «средняя величина сопротивления ЗУ» и т.п., использование которых приводит к потере конкретных данных и исключает применение отдельных проектных решений. Если проект с большой долей вероятности потребует применения ОПН, то такой подход недопустим, так как главная задача – разработать конкретные меры (реконструкция ЗУ, применение ОПН, усиление изоляции) для опор (фазных проводников).

Отсутствует в [1] и учет увеличения числа ударов молнии в пролеты, пересекающие границы территорий с разным удельным сопротивлением грунта (наличие различных геологических особенностей: разломов, залежей металла, водоемов). Такие факторы приводят к росту числа ударов молнии в линию. Интересно, что в [7] производится простейший учет данных обстоятельств. Об аналогичном увеличении числа ударов можно говорить и для пролетов анкерных опор.

Поскольку РД было сформировано примерно два десятилетия назад, в нем отсутствуют рекомендации о применении для грозозащиты ВЛ ОПН (в разделе о грозозащите РУ возможность использования ОПН упоминается). Использование ОПН не исключает необходимости оценок грозоупорности в случае установки ОПН не на всех фазах, поскольку при этом возможность перекрытия гирлянд изоляторов полностью не исключается. Кроме того, следует решать задачу об оценке надежности использования большого числа защитных аппаратов, особенно при отсутствии грозозащитных тросов. Опыт эксплуатации ВЛ с использованием ОПН в качестве основного элемента грозозащиты на ВЛ имеется, и он должен быть использован [8].

Упрощение отмеченных факторов во многих случаях приводит к занижению уровня грозоупорности ВЛ и, как следствие, увеличению необходимого количества защитных аппаратов. Таким образом, в результате применения упрощенных расчетов увеличиваются затраты на реализацию проекта и затрудняется формирование конкретных решений.

Влиящие факторы и предлагаемая корректировка методики

С целью анализа влияния различных факторов на конечный результат был проведен ряд расчетов числа отключений для фрагмента двухцепной ВЛ 110 кВ, выполненной на опорах, предназначенных для класса напряжения 220 кВ, но с линейной изоляцией 110 кВ (8 изоляторов ПС70). Из опыта эксплуатации прототипа этой линии известно, что за последние годы на ней происходило по 1–2 отключения по грозовым причинам в год. Расчеты были проведены как по методике [1], так и по разработанной инженерной программе (далее РМ). В расчетах учитывались геометрические размеры опор, их конфигурация и электрофизические параметры, сопротивления заземления опор, ВСХ линейной изоляции, определенные в соответствии с количеством и типом используемых изоляторов, длины пролетов, характеристики проводов и тросов, длины их в пролетах с учетом стрелы провеса.

Участок ВЛ состоит из 18 опор, 4 из них – анкерные. На рассматриваемом участке имеется место с аномально высоким удельным сопротивлением грунта (опоры 8–11 на рис. 3). Сопротивления заземления этих опор также существенно превышают сопротивления заземления соседних опор. Таким образом, эти четыре опоры стягивают на себя удары молний как минимум со всего рассматриваемого участка. Эта особенность учитывается в расчетах путем введения повышающего коэффициента изменения грозопоражаемости [7] для проблемных опор.

Рис. 3. Сопротивления ЗУ опор фрагмента двухцепной ВЛ 110 кВ

В табл. 2 приведены результаты расчетов, пересчитанные на длину рассматриваемого участка ВЛ (5 км) и 100 грозовых часов, что примерно соответствует интенсивности гроз для региона, в котором расположена данная линия. Эти расчеты были выполнены для усредненных характеристик линии и без учета АПВ.

Таблица 2. Число грозовых отключений участка ВЛ по различным методикам

Приведенные результаты достаточно правильно отражают физические процессы, происходящие при поражении линии электропередачи молниями. Сопоставление результатов пп. 2 и 3 демонстрирует влияние потерь при определении возможности отключения ВЛ. Импульсная корона и потери в грунте снижают количество годовых отключений на 35%. Расчеты, выполненные при моделировании опоры четырьмя индуктивностями, показывают снижение вероятности перекрытия нижних фаз относительно расчетов по РД, благодаря тому что более точно моделируется распределение напряжения по высоте опор.

В табл. 3 сведены результаты вычислений годового количества грозовых отключений для рассматриваемого участка ВЛ, выполненные при учете неоднородности параметров ВЛ по длине.

Таблица 3. Число грозовых отключений участка ВЛ, полученное при учете неоднородной структуры ВЛ

Видно, что расчет с усредненными параметрами не обеспечивает учета высокого числа грозовых отключений опор с повышенным сопротивлением заземления (см. рис. 4), что приводит к значительному занижению результатов расчета. Всего несколько опор с относительно высокими сопротивлениями заземления могут привести к значительному увеличению числа грозовых отключений. Следует отметить, что полученные результаты близки к эксплуатационным показателям для аналога данной ВЛ.

Рис. 4. Число грозовых отключений опор фрагмента ВЛ 110 кВ

Применение усреднений приводит к потере точных данных и исключает применение конкретных технических решений. Очевидно, что поиск мест установки ОПН должен происходить с учетом всех неоднородностей.

Таким образом, показатель грозоупорности линии зависит не столько от количества аппаратов, сколько от мест их установки (рис. 5, табл. 4). Кроме того, очевидно, что размещение ОПН на нижних фазах более эффективно, чем на верхних, что согласуется с общепринятыми тенденциями.

Рис. 5. Показатели грозоупорности линии в зависимости от мест установки ОПН

Таблица 3. Число грозовых отключений участка ВЛ, полученное при учете неоднородной структуры ВЛ

Выводы

1. Для определения числа отключений ВЛ по грозовым причинам необходимо учитывать ее реальную неоднородную структуру. Наиболее существенным фактором при этом являются сопротивления заземления опор и характеристики грунта.
2. При определении необходимого количества ОПН и мест их установки также следует учитывать реальные характеристики ВЛ, что позволяет избежать излишних затрат.
3. Рекомендации РД по расчету грозовых перенапряжений на воздушных линиях и оценке надежности их функционирования должны быть модернизированы с учетом упомянутых факторов.
4. При оценке надежности электроснабжения необходимо учитывать фактор грозовых отключений. Проектирование заземляющих устройств опор ВЛ в районах с большим числом отключений ВЛ из-за грозовых перенапряжений должно производится на основании измерений удельного сопротивления грунта. При этом возможно использование нетиповых конструкций ЗУ.

Литература

1. Руководство по защите электрических сетей 6–1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений РД 153-34.3-35.125-99 / Под научной редакцией Н.Н. Тиходеева. – 2-е издание. СПб.: ПЭИПК Минтопэнерго РФ, 1999.
2. Гайворонский А.С., Карасюк К.В. Новые методические принципы оценки грозоупорности воздушных линий электропередачи высших классов напряжения // Научный вестник НГТУ. 1998. № 2(5).
3. Гайворонский А.С, Горюшин Ю.А., Дементьев Ю.А., Ковтун Г.Н. Опыт проектирования и эксплуатации молниезащиты ВЛ 220 (500) кВ «Центральная–Дагомыс» с применением линейных ОПН. Вторая Российская конференция по молниезащите. Москва, 22–24 сентября 2010 г.
4. Селиванов В.Н., Данилин А.Н., Куклин Д.В., Косоруков А.В. Исследование сопротивления заземления опор линий электропередачи и оборудования подстанций в микросекундном диапазоне времен в условиях высокого удельного сопротивления грунта. Вторая Российская конференция по молниезащите. Москва, 22–24 сентября 2010 г.
5. Ефимов Б.В. Грозовые волны в воздушных линиях. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2000. 134 с.
6. Гумерова Н.И., Ефимов Б.В. Параметры коронирующей многопроводной линии электропередачи, расположенной над идеально проводящей землей // Моделирование переходных процессов и установившихся режимов высоковольтной сети / Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2008. С. 7–16.
7. Руководящие указания по защите сетей 6–500 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений. Бишкек: Кыргызэнергохолдинг, 1997.
8. Новикова А.Н., Шмараго О.В., Данилевский С.С., Лубков А.Н. Опыт разработки схем грозозащиты модернизируемых к зимним Олимпийским играм 2014 г. ВЛ 110 и 220 кВ в Сочинском регионе с использованием ограничителей перенапряжений. Вторая Российская конференция по молниезащите. Москва, 22–24 сентября 2010 г.