Воздушные линии

Традиционная система грозозащиты воздушных линий (ВЛ) электропередачи высших классов напряжения основывается на применении грозозащитных тросов и заземлении опор. Как правило, такая система себя оправдывает, однако в ряде случаев она не может быть реализована в полной мере или же оказывается недостаточно эффективной. В частности, это относится к грозозащите ВЛ, эксплуатируемых без грозозащитных тросов, в особо гололедных районах. Отказ от тросов в этом случае продиктован технической необходимостью: частыми повреждениями и обрывами тросов при гололедных и ветровых воздействиях.
В настоящей статье наши новосибирские авторы рассматривают основные технические решения по грозозащите ВЛ без тросов, разработанные в рамках проектов реконструкции и нового строительства конкретных ВЛ 110–500 кВ.

ГРОЗОЗАЩИТА ВЛ БЕЗ ТРОСОВ
Опыт проектирования с применением линейных ОПН

Александр Гайворонский, к.т.н., начальник отдела инжиниринга
Андрей Заболотников, к.т.н., ведущий научный сотрудник
Виталий Голдобин, инженер
Сергей Котов, инженер
Николай Мазикин, инженер
Филиал ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» –СибНИИЭ,
г. Новосибирск

В соответствии с ПУЭ [1] сооружение ВЛ 110–500 кВ или их участков без тросов допускается в технически обоснованных случаях, в том числе на участках трассы ВЛ с расчетной толщиной стенки гололеда более 25 мм, в районах с плохо проводящими грунтами (более 1000 Ом·м) и числом грозовых часов менее 20.

При этом число грозовых отключений, определенное расчетом с учетом опыта эксплуатации, не должно превышать трех отключений в год для ВЛ 110–330 кВ и одного отключения в год для ВЛ 500 кВ. Как показывает опыт эксплуатации, фактическое число грозовых отключений ВЛ без тросов зачастую превышает указанные нормы. Отсутствие троса даже на ограниченном участке линии может существенно снижать грозоупорность ВЛ в целом. Негативные последствия грозовых отключений при ударах молнии в провод усугубляются повреждениями изоляции (разрушением стеклодеталей и обрывами гирлянд изоляторов).

Наиболее эффективной мерой повышения грозоупорности ВЛ в данной ситуации является применение линейных ОПН, устанавливаемых на опорах ВЛ [2–4]. Это позволяет обеспечить тотальную защиту линии или защиту ее участков с высокой надежностью без установки грозозащитных тросов.

Объектами проектирования являлись ВЛ 110–500 кВ различного конструктивного исполнения, в том числе ВЛ 110, 220 кВ на двухцепных опорах с вертикальным расположением проводов и ВЛ 330, 500 кВ на одноцепных опорах с треугольным и горизонтальным расположением проводов.

Трассы ВЛ проходят в регионах с различными природно-климатическими условиями, отличающимися по среднегодовой продолжительности гроз и проводимости грунтов.

АНАЛИЗ ГРОЗОУПОРНОСТИ ВЛ БЕЗ ТРОСОВ

Предварительный анализ грозоупорности ВЛ при существующей системе молниезащиты (без тросов) проводится с целью получения необходимых исходных данных по характеристикам грозопоражаемости ВЛ, которые служат основой для принятия последующих решений по выбору схемы защиты и требований к ОПН.

Эксплуатационные и расчетные показатели грозоупорности рассматриваемых ВЛ 110–500 кВ представлены в табл. 1. Обобщенные данные опыта эксплуатации получены на основе первичной информации по грозовым отключениям ВЛ за периоды от 5 до 14 лет.

Таблица 1. Эксплуатационные и расчетные показатели грозоупорности ВЛ 110–500 кВ

Класс напряжения, кВ	110	220	330	500
Конструктивные параметры ВЛ
Протяженность линии, км	18,5	118,0	79,0	63,1
Протяженность (доля) участка без троса, км (%)	18,5 (100)	94,9 (80,4)	73,0 (92,4)	41,5 (65)
Количество цепей	2	1	1	1
Тип опор	П220-6	П220-2	ПОМ-330	ПБ500-7Н
Тип изоляции	9×ПС-70Е	14×ПС-70Д	19×ПС-6Б	28×ПС-120Б
Средняя длина пролета, м	200	400	330	240
Сопротивление заземления опор (среднее значение/коэффициент вариации), Ом/%	5/0	28/49	47/114	6/50
Опыт эксплуатации
Объем опыта эксплуатации, км×лет	новое строительство	708	1106	316
Среднегодовая продолжительность гроз, часы	150	10	10	80
Удельное число грозовых отключений, 1/100 км/100 г.ч.	—	31,0	28,0	10,3
Фактическое число грозовых отключений, 1/год	—	3,70	2,21	5,20
Ожидаемые расчетные показатели грозоупорности
Удельное число ударов молнии в линию, 1/100 км/100 г.ч., в том числе:
– в трос	—	9,32	2,85	12,5
– в опору	5,07	11,0	9,00	9,31
– в провод	19,6	23,9	21,7	10,7
– суммарное	44,2	44,2	33,6	32,5
Удельное число грозовых отключений, 1/100 км/100 г.ч., от ударов:
– в трос	—	1,61	0,14	0,00
– в опору	0,12	3,47	3,38	0,00
– в провод	19,6	23,9	21,1	10,1
– суммарное	19,7	29,0	24,6	10,1
Фактическое число грозовых отключений, 1/год	5,4	3,42	1,94	5,08

Расчетные характеристики грозопоражаемости определялись в соответствии с [5]. Численные расчеты проводились по программе LIGHTNING.1, основанной на модели ориентировки лидера молнии [6]. Результаты расчетов удовлетворительно согласуются с опытом эксплуатации. Отличие расчетных и эксплуатационных показателей по числу грозовых отключений (в пределах 3–14%) можно объяснить как статистическими погрешностями опытных данных, так и расчетными погрешностями, связанными в основном с неопределенностью исходной информации по интенсивности грозовой деятельности в регионе.

Как и следовало ожидать, отказ от тросов существенно снижает грозоупорность линий. В зависимости от конструктивного исполнения, сопротивлений заземления опор число грозовых отключений ВЛ без тросов возрастает в 3–60 раз по сравнению с исходным (традиционным) вариантом защиты с тросами. В большей степени это проявляется при нормальных сопротивлениях заземления опор (в пределах 10 Ом), в меньшей степени – при больших сопротивлениях заземления опор (более 30 Ом). В последнем случае число отключений возрастает не столь значительно (в 3–5 раз), поскольку при отказе от троса уменьшается число отключений от обратных перекрытий изоляции.

Грозовые отключения ВЛ без тросов обусловлены в основном прямыми ударами молнии в провод, которые приводят к перекрытию изоляции с вероятностью, близкой к единице, даже для ВЛ 500 кВ.

Обращает на себя внимание распределение ударов молнии по фазам. Для ВЛ 110, 220 кВ с вертикальным расположением проводов основное число ударов приходится в верхнюю фазу. Доля ударов в среднюю фазу не превышает 5%, ударов молнии в нижнюю фазу практически не происходит. Аналогичная ситуация имеет место для ВЛ 330 кВ с треугольным расположением проводов: суммарная доля ударов в нижние фазы не превышает 13%. Для ВЛ 500 кВ с горизонтальным расположением проводов основное число ударов приходится в крайние фазы, удары в среднюю фазу составляют 15%.

Существенную роль играет защитное действие опор (тросостоек), которые стягивают на себя часть разрядов молнии. Удары молнии в опоры на бестросовых участках ВЛ составляют 28–47% от общего числа ударов. В какой-то степени это компенсирует отсутствие тросовой защиты. Вместе с тем удары молнии в опоры также не проходят бесследно. При больших сопротивлениях заземления опор для ВЛ 220 и 330 кВ это приводит к обратным перекрытиям изоляции и дает примерно 12–14% отключений на участках ВЛ без тросов.

Для рассматриваемых ВЛ 110–500 кВ удельное число грозовых отключений в расчете на фактическую среднегодовую продолжительность гроз меняется в широком диапазоне от 2,5 до 58,5 отключений на 100 км в год. В любом случае, однако, оно значительно превышает аналогичные средние отраслевые показатели по числу грозовых отключений: 1,0; 0,45; 0,2 и 0,08 отключений на 100 км в год для ВЛ 110; 220; 330 и 500 кВ соответственно [5]. Число отключений в расчете на фактическую длину линий также больше допустимого числа грозовых отключений, установленного ПУЭ для ВЛ без тросов (3 в год для ВЛ 110–330 кВ и 1 в год для ВЛ 500 кВ). Исключение составляет только ВЛ 330 кВ, для которой число отключений не превышает нормы.

ВЫБОР СХЕМЫ ЗАЩИТЫ

В настоящее время для защиты изоляции ВЛ от грозовых перенапряжений применяются так называемые линейные разрядники (ЛР) двух типов [2, 3]. Первый тип – ЛР с внешним искровым промежутком, отделяющим нелинейное сопротивление от провода, второй тип – ЛР с прямым подключением нелинейного сопротивления к проводу, т.е. линейные ОПН. В качестве иллюстрации на фото 1, 2 показаны примеры их установки на ВЛ 220 и 400 кВ.

Фото 1. Установка линейных ОПН на ВЛ 400 кВ «Линке 1, 2»

Фото 2. Установка ЛР с внешним искровым промежутком на ВЛ 220 кВ «Тында –Дипкун»

Выбор типа защитного аппарата определяется условиями применения. Так, для ВЛ с тросами при больших сопротивлениях заземления опор, когда основную роль играет защита изоляции от обратных перекрытий при ударах молнии в трос, предпочтительны ЛР с внешним искровым промежутком. Для ВЛ без тросов предпочтительны линейные ОПН. В этом случае основную роль играет защита изоляции от грозовых перенапряжений при прямых ударах молнии в провод. При таких воздействиях установка ОПН обеспечивает более равномерное распределение энергии разряда молнии, что позволяет снизить требования к их удельной энергоемкости. При наложении двух факторов – отсутствии тросов и больших сопротивлениях заземления опор возможно комбинированное применение: ОПН устанавливаются на верхних фазах, ЛР с внешним искровым промежутком – на средних и нижних фазах.

Выбор схемы защиты предусматривает определение рациональной схемы расстановки ОПН по линии (по опорам и по фазам), при которой обеспечиваются требуемые показатели надежности при минимальных затратах на установку ОПН. В качестве показателя надежности принимается допустимое число грозовых отключений ВЛ на 100 км и 1 год эксплуатации. Некоторая неопределенность заключается в том, что в действующих нормативных документах [1, 5] этот показатель строго не нормируется. Согласно [5] при новом строительстве и реконструкции ВЛ следует ориентироваться на достигнутые средние отраслевые показатели по удельному числу грозовых отключений для линий данного класса напряжения.

Применительно к рассматриваемым ВЛ 110, 220, 330 и 500 кВ, как уже отмечалось, это составляет: 1,0; 0,45; 0,2 и 0,08 отключений на 100 км в год соответственно.

Был рассмотрен ряд альтернативных вариантов выполнения защиты для каждой ВЛ, отличающихся схемой расстановки ОПН (ЛР) по линии и надежностью. Сравнительная характеристика рассмотренных вариантов приведена в табл. 2.

Таблица 2. Сравнительная характеристика вариантов защиты бестросовых ВЛ 110–500 кВ с применением ОПН и ЛР

Тип ВЛ	Вариант защиты	Схема расстановки ОПН, ЛР		Ожидаемое число грозовых отключений ВЛ, 1/100 км в год
		По фазам	По опорам	Для исходного варианта защиты без установки ОПН	Для варианта защиты с установкой ОПН
ВЛ 110 кВ	В1	ОПН – верхняя фаза	на каждой опоре участка без троса	29,6	1,77
	В2	ОПН – верхняя фаза ЛР – средняя фаза			0,48
ВЛ 220 кВ	В1	ОПН – верхняя фаза	на каждой опоре участка без троса	2,90	0,78
	В2	ОПН – верхняя фаза ЛР – средняя, нижняя фазы			0,18
ВЛ 330 кВ	В1	ОПН – верхняя фаза	на каждой опоре участка без троса	2,46	0,77
	В2	ОПН – верхняя фаза ЛР – нижние фазы			0,10
ВЛ 500 кВ	В1	ОПН – крайние фазы	на каждой опоре участка без троса	8,07	0,84
	В2	ОПН – крайние и средняя фазы			0,02

При выборе пофазной схемы учитывалась избирательность поражения проводов разрядами молнии (распределение ударов по фазам). Для ВЛ 110–330 кВ с вертикальным и треугольным расположением проводов возможны варианты частичной защиты только верхних фаз, а для ВЛ 500 кВ с горизонтальным расположением проводов – только крайних фаз (см. В1, табл. 2). В этих случаях обеспечивается гарантированная защита изоляции на тех фазах, где установлены ОПН, однако сохраняется опасность перекрытия изоляции при прорывах молнии на незащищенные фазы, а также опасность обратного перекрытия изоляции при ударах молнии в опору и верхний провод, в особенности при больших сопротивлениях заземления опор.

Повышение надежности защиты и доведение показателей грозоупорности ВЛ до уровня средних отраслевых требует дополнительной установки защитных аппаратов на средних фазах ВЛ 110, 500 кВ и на средних, нижних фазах ВЛ 220, 330 кВ. Учитывая, что доля прямых ударов молнии в эти фазы достаточно мала, и требования по пропускной способности ОПН, о которых говорилось выше, не являются здесь определяющими, можно рекомендовать установку как линейных ОПН, так и ЛР с внешним искровым промежутком. Последние предпочтительны по стоимостным показателям, более просты в установке и обслуживании, а главное, имеют меньший риск повреждения при рабочем напряжении.

При выборе поопорной схемы защиты рассматривались варианты установки ОПН на каждой опоре и через 1 опору. При установке ОПН через опору (односторонней защите пролета) возможны перекрытия изоляции на незащищенных опорах (без ОПН). Вероятность перекрытия изоляции зависит от параметров тока молнии, уровня импульсной электрической прочности изоляции, а также от места удара в пролете и длины пролета. В первом приближении ее можно определить, как:

(1)

где Р_пер – усредненная по пролету вероятность перекрытия изоляции;
S₃₀ – крутизна тока молнии;
F(S₃₀) – функция распределения крутизны тока молнии [7];
z – волновое сопротивление фазного провода с учетом короны;
U_P (2x/с) – разрядное напряжение изоляции при времени до разряда 2x/с;
с – скорость света;
f_уд – плотность распределения ударов молнии по длине пролета;
L_пр – длина пролета.

Расчетные зависимости надежности защиты (1 – Р_пер) от длины пролета приведены на рис. 1. Согласно расчетным данным, вероятность перекрытия изоляции при односторонней защите пролетов существенно возрастает с увеличением длины пролета и надежность защиты снижается. При средних длинах пролетов, характерных для рассматриваемых ВЛ 110–500 кВ (см. табл. 1), надежность защиты при установке ОПН через 1 опору составляет: 63% для ВЛ 110 кВ, 47% для ВЛ 220 кВ, 67% для ВЛ 330 кВ и 93% для ВЛ 500 кВ.

Рис. 1. Зависимости надежности защиты от длины пролета при установке ОПН через 1 опору

Рекомендуемые варианты защиты для всех рассматриваемых ВЛ – варианты В2, при которых обеспечиваются требуемые показатели грозоупорности не хуже средних отраслевых. Варианты В1 («бюджетные») также заслуживают внимания. Они позволяют существенно снизить затраты на установку ОПН (в 2–3 раза) при сохранении приемлемых показателей грозоупорности. Число грозовых отключений ВЛ в этом случае не превышает допустимых значений, установленных в ПУЭ для бестросовых ВЛ 110–330 и 500 кВ.

ВЫБОР ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ОПН И ЛР

Действующие нормативные документы [5, 8] ориентированы на выбор подстанционных ОПН. Требования к характеристикам линейных ОПН и ЛР должны учитывать особенности их применения для защиты изоляции ВЛ от грозовых перенапряжений. Прежде всего это касается требований к удельной энергоемкости, номинальному напряжению, а также специальных требований к конструкции ОПН и ЛР.

Удельная энергоемкость (пропускная способность) выбиралась на основе статистического подхода, допускающего риск повреждения ОПН при ударах молнии в линию. В качестве показателя надежности принимался поток отказов – ожидаемое число повреждений ОПН на 100 км в год, вызванных ударами молнии (N_повр):

где N_уд – число ударов молнии в защищаемый участок ВЛ, 1/100 км/год;
P_повр – вероятность повреждения ОПН при ударе молнии, определяемая как:

где F(W) – функция распределения энергии, поглощаемой ОПН;
W_н – предельно допустимая (нормированная) энергия, которую может поглощать ОПН без риска для повреждения.

Амплитуда разрядного тока и энергия, поглощаемая ОПН при ударах молнии в линию, являются случайными величинами, зависящими от параметров импульса тока, заряда вспышки молнии, а также от конструктивных параметров ВЛ и места удара молнии в пролете. Функция распределения энергии, поглощаемой ОПН, определялась в результате численных расчетов токовых и энергетических воздействий на ОПН с учетом статистических данных о параметрах разрядов молнии [9]. Расчеты проводились с использованием программного обеспечения LineLightStroke (разработка СибНИИЭ). В качестве расчетного случая для получения незаниженных оценок принимался удар молнии в провод на расстоянии 25% длины пролета от опоры. Модель переноса заряда вспышки молнии (Q_м) принималась следующей:

• первый удар – импульс тока 2/140 мкс с зарядом Q₁;
• последующие удары – 2 импульса тока 2/140 мкс с зарядом Q₂ = 0,25 Q₁.

Амплитуда тока варьировалась в зависимости от величины заряда при данной длительности импульса. Закон распределения Q_м принимался логарифмически нормальным, как для импульсного заряда первого удара отрицательной молнии [9].

Результаты расчетов функции распределения энергии, поглощаемой ОПН, представлены на рис. 2. Удельная энергия определяется по отношению к наибольшему длительно допустимому рабочему напряжению ОПН. Соответствующие зависимости потока отказов от удельной энергии ОПН приведены на рис. 3. Повреждения ОПН при ударах молнии не должны существенно снижать надежность молниезащиты ВЛ в целом. Исходя из этого допустимый поток отказов ОПН целесообразно принять как не более 0,1 повреждения на 100 км в год.

Согласно рис. 3 требуемые показатели надежности (не более 0,1 на 100 км в год) могут быть обеспечены при удельной энергии, поглощаемой ОПН без риска для повреждения, не менее: 22,3 кДж/кВ для ВЛ 110 кВ; 14,0 кДж/кВ для ВЛ 220 кВ; 8,0 кДж/кВ для ВЛ 330 кВ и 9,5 кДж/кВ для ВЛ 500 кВ.

Рис. 3. Поток отказов в зависимости от удельной энергии, поглощаемой ОПН без риска для повреждения

В соответствии с принятой классификацией по ГОСТ Р 52725-2007 и МЭК 60099-4-2004(Е) эти требования удовлетворяются при установке ОПН 3 класса пропускной способности с током 1100 А на ВЛ 110, 330, 500 кВ и ОПН 4 класса пропускной способности с током 1350 А на ВЛ 220 кВ. При этом на ВЛ 110 кВ должны быть установлены два ОПН в параллель.

Приведенные требования по пропускной способности относятся к ОПН, устанавливаемым на верхних и крайних фазах ВЛ, наиболее подверженных ударам молнии. Для ОПН или ЛР на средних и нижних фазах эти требования могут быть существенно облегчены: достаточна установка ОПН 2 класса пропускной способности. Следует оговориться, что удельная энергия ОПН, которая нормируется ГОСТ Р 52725-2007, относится к воздействию одного импульса тока пропускной способности. В действительности же ОПН способен выдерживать воздействие двух таких импульсов тока с удвоенной энергией, что проверяется в рабочих испытаниях. На рис. 3 указана суммарная удельная энергия, поглощаемая ОПН без риска для повреждения, которую нужно сравнивать с удвоенной удельной энергией по ГОСТ Р 52725-2007.

ВЫВОДЫ

1. Показатели грозоупорности по числу грозовых отключений ВЛ 110–500 кВ, эксплуатируемых без грозозащитных тросов, значительно (в 3–60 раз) превышают аналогичные средние отраслевые показатели, а также допустимое число грозовых отключений для ВЛ без тросов, установленное ПУЭ.
2. Применение ЛР и ОПН является эффективной мерой, позволяющей обеспечить требуемые показатели грозоупорности ВЛ без тросов не хуже средних отраслевых.
   Выбор оптимальной схемы расстановки ОПН по линии и характеристик ОПН должен основываться на анализе поражаемости ВЛ разрядами молнии, токовых и энергетических воздействий на ОПН при ударах молнии в линию. В зависимости от требуемой надежности и конструктивных особенностей ВЛ можно рекомендовать полную или частичную защиту фаз с установкой ОПН на каждой опоре и через одну опору. Пропускная способность ОПН должна соответствовать 3, 4 классу разряда линии по МЭК 60099-4-2004(Е), а поток отказов ОПН, вызванных ударами молнии в линию, не должен превышать 0,1 на 100 км в год.
3. Для повышения эффективности проектирования и обоснованности проектных решений по применению линейных ОПН необходимо совершенствовать нормативную базу в части молниезащиты ВЛ 110–500 кВ без тросов и разработать соответствующие методические указания по выбору ОПН.

ЛИТЕРАТУРА

1. Правила устройства электроустановок. Раздел 2. Передача электроэнергии. Главы 2.4, 2.5. 7-е изд. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2003.
2. Application of metal oxide surge arresters to overhead lines: Report of CIGRE Working Group 33.11, Task Force 03 // Electra. 1999. № 186.
3. Гайворонский А.С. Линейные разрядники. Радикальное средство грозозащиты ВЛ // Новости ЭлектроТехники. 2006. № 2(38).
4. 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 // ЭНЕРГО-INFO. 2011. № 11(58).
5. Руководство по защите электрических сетей 6–1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений / Под научной редакцией Н.Н. Тиходеева. 2-е изд. СПб: ПЭИПК Минтопэнерго РФ, 1999.
6. Гайворонский А.С., Карасюк К.В. Новые методические принципы оценки грозоупорности воздушных линий электропередачи высших классов напряжения // Научный вестник НГТУ. 1998. № 2.
7. Anderson R., Eriksson A. Lightning parameters for engineering application // Electra. 1980. № 69.
8. Методические указания по применению ограничителей в электрических сетях 110–750 кВ. РАО ЕЭС России. Москва, 2000.
9. Berger K., Anderson R., Kroninger H. Parameters of lightning flashes // Electra. 1975. № 41.