Современные аспекты повышения грозоупорности линий электропередач

Введение

Высоковольтные линии электропередачи (ВЛ) – это жизненно важные артерии, снабжающие энергией целые города и регионы. Однако, эти линии уязвимы перед стихией – грозами.

Молния, поражающая ВЛ, создаёт мощные перенапряжения, способные разрушить изоляцию и вызвать короткое замыкание (КЗ).  КЗ приводит к отключению линии, оставляя потребителей без света.

Причина?

Грозовое перенапряжение возникает двумя путями:

· Прямой удар: Молния попадает непосредственно в опору, грозозащитный трос или фазный провод.

· Наведённое напряжение: Молния ударяет в объекты рядом с ВЛ – деревья, строения, вызывая электромагнитное поле, которое индуцирует опасное напряжение в проводах линии.

Последствия?

Перенапряжение пробивает изоляцию, вызывая искру – так называемое "перекрытие". Эта искра может перерасти в устойчивую дугу, превратившись в КЗ. Вероятность возникновения устойчивого КЗ при импульсном перекрытии изоляции ВЛ 110 кВ очень высока [2, с.70].

Последствия для потребителей:

· Отключение электроснабжения: Срабатывает релейная защита и автоматика подстанции (РЗиА ПС), отключающая КЗ.

· Потери электроэнергии:  Потребители остаются без света.

Статистика:

Грозовые отключения составляют значительную часть всех отключений ВЛ – около 10-20% [1, с.154]. 

Решение:

Обеспечение стабильного электроснабжения – первостепенная задача!

Существуют различные методы повышения грозоупорности ВЛ:

· Традиционные методы:  Установка грозозащитных тросов, использование изоляции с повышенной прочностью.

· Современные подходы:  Применение ограничителей перенапряжений (ОПН), позволяющих "гасить" опасные импульсы.

Новый взгляд на защиту:

В последнее время рассматривается возможность отказа от грозозащитных тросов в пользу ОПН. 

В этой статье:

Мы анализируем существующие методы повышения грозоупорности ВЛ и предлагаем комплексный подход, основанный на последних достижениях и разработках.

Способы повышения грозоупорности ВЛ

Таблица 1. Доли разрядов молнии в различные элементы ВЛ

Молния – грозный враг линий электропередачи (ЛЭП).  Её удар может привести к катастрофическим последствиям, нарушив энергоснабжение целых регионов. Самая опасная ситуация – прямое попадание молнии в фазный провод.  Молния генерирует мощную волну перенапряжения, которая устремляется в сторону подстанции (ПС).  Часть энергии теряется на пути к ПС, но даже остающаяся часть может вызвать пробой изоляции фазного провода, что, в свою очередь, приводит к устойчивому короткому замыканию (КЗ).  Результатом становится отключение линии электропередачи защитными реле и автоматикой (РЗиА), и  возникает риск повторных отключений в случае последующих ударов молнии.

Однако, не все потеряно!  Грозозащитный трос, установленный на ЛЭП, в сотни раз снижает вероятность попадания молнии в фазные провода. Это существенно повышает грозоупорность линии, особенно для ВЛ напряжением 35-750 кВ.  

Но молния не всегда бьет напрямую в провод.  В случае удара в опору или грозозащитный трос (заземлённые части ЛЭП) опасность возникает из-за повышения импульсного потенциала на траверсе, где изолирующая подвеска фазного провода крепится к опоре.  Этот феномен называется "обратным перекрытием" – пробой изоляции с заземленной части установки на токоведущую.

Интенсивность тока молнии – ключевой фактор.  Пробой изоляции ВЛ 110-330 кВ происходит при амплитуде тока молнии от 3 до 10 кА и выше.  Для  ВЛ 500-1150 кВ угрозу представляют токи (15-35) кА.  Фактически, каждый удар молнии в провод ВЛ 110 кВ приводит к пробою изоляции,  а 30-40% ударов молнии на ВЛ 1150 кВ опасны.  Высокая импульсная прочность изоляции  ВЛ 500-1150 кВ не является гарантией грозоупорности при прямых попаданиях молнии.

Обратные перекрытия происходят при значительно больших токах. Например, изоляция ВЛ 110 кВ может пробиваться при ударах молнии в опору с током в несколько десятков килоампер.  С удалением точки удара молнии от опоры к середине пролета, вероятность обратного перекрытия уменьшается, так как ток молнии распределяется между двумя опорами, а  крутизна тока снижается  за счет потерь на импульсную корону при пробеге по тросу.

Основные средства грозозащиты ВЛ:

· Подвеска заземлённых тросов

· Снижение сопротивления заземления опор

· Повышение импульсной прочности линейной изоляции

· Защита отдельных опор и участков с ослабленной изоляцией

· Ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН)

Дополнительный инструмент для повышения надежности ЛЭП:

· Автоматическое повторное включение (АПВ), особенно быстродействующее (БАПВ) и однофазное (ОАПВ). 

  * Коэффициент успешности АПВ при грозовых отключениях составляет 0,6-0,8 для ВЛ 110-500 кВ и 0,8-0,9 для ВЛ 750-1150 кВ.  

  *  АПВ компенсирует низкую грозоупорность ВЛ в сложных условиях, но не заменяет основные средства грозозащиты, так как КЗ сокращают ресурс оборудования ПС.

Помните: безопасность ЛЭП  –  залог надежного электроснабжения.  Использование комплекса защитных мер позволяет противостоять грозным силам природы, обеспечивая бесперебойную подачу энергии  в наш дом.

Подвеска заземленных тросов - это краеугольный камень в повышении грозоупорности линий электропередачи (ЛЭП). Однако оптимальное размещение тросов – это не простое решение.  Важно учитывать преобладающий тип грозовых отключений на конкретном участке ЛЭП: прорывы или обратные перекрытия.

Прорывы:

· Уменьшение угла защиты троса (тросов), включая отрицательный угол, минимизирует вероятность прорыва.

· Увеличение вертикального расстояния между тросом и проводом также способствует снижению риска прорыва.

Обратные перекрытия

· Увеличение количества тросов и увеличение расстояния между ними, включая подвеску части тросов под проводами, снижает вероятность обратного перекрытия.

Эти меры не только уменьшают импульсный ток через опору, но и усиливают электростатическое экранирование проводов тросами.

### Заземление опор: ключ к безопасности

Снижение сопротивления заземления опор ЛЭП с тросом - это ключевой фактор в предотвращении импульсного перекрытия изоляции при ударе молнии в трос или опору. 

Важно помнить:

· На очень высоких опорах (переходы через реки) грозоупорность в значительной степени определяется индуктивностью опор, а не сопротивлением заземления.

### Альтернатива традиционным материалам: ГТК против МЗ

В ситуациях с высоким сопротивлением заземления опор, грозозащитные тросы из стальных проволок, плакированных алюминием марки ГТК,  представляют собой более выгодное решение по сравнению с оцинкованными тросами марки МЗ.

Преимущества ГТК:

· Более низкое сопротивление: ГТК способствуют более эффективному растеканию тока молнии (или КЗ) по соседним опорам, снижая вероятность перекрытия изоляции и аварийного отключения.

### Нестандартные решения для особых случаев

Когда стандартные методы (тросы, заземление опор, повышенная прочность изоляции) не обеспечивают достаточного уровня грозоупорности или их реализация нецелесообразна с экономической точки зрения,  прибегают к нетрадиционным дополнительным средствам.

ОПН - эффективный помощник:

Применение ОПН (ограничителей перенапряжения) непосредственно на опорах ЛЭП, в дополнение к грозозащитным тросам, особенно эффективно в следующих случаях:

· Двухцепные ВЛ: Установка ОПН на одной цепи практически исключает одновременное отключение обеих цепей, что особенно важно для ответственных потребителей.
· Высокое сопротивление заземления опор: ОПН компенсируют неблагоприятные условия грунта (вечномёрзлые грунты, горные породы, сухой песок).
· Высокие опоры: ОПН повышают уровень защиты на высоких опорах (переходы через водные преграды).

## Защита от молнии: грозозащитный трос vs. ОПН - выбор за эффективностью

Экономический анализ показывает, что полная защита воздушных линий электропередачи (ВЛ) с помощью ограничителей перенапряжений (ОПН) без грозозащитного троса может оказаться более дорогостоящей, чем традиционная схема с использованием троса. При отсутствии троса, ОПН подвергаются более высоким токам и энергетическим нагрузкам при ударе молнии, увеличивая риск их повреждения. 

Для компенсации этого, требуется использование "тяжелых" ОПН с высокой пропускной способностью (более 1000 А), что значительно повышает стоимость проекта.

Комплексный подход к грозозащите

Строительство и реконструкция ВЛ 110÷750 кВ должны предусматривать установку ОПН как дополнительный элемент повышения грозоупорности, но только после технического и экономического обоснования целесообразности.

Аргументы против грозозащитного троса:

Часто высказывается мнение, что в неблагоприятных климатических условиях (гололед, галлопирование), грозозащитный трос может приблизиться к фазным проводам или даже оборваться. 

Однако, грамотное проектирование и монтаж исключают подобные риски:

· Выполняются специальные расчеты, учитывающие климатические условия и расстояние между опорами, для определения конструкции троса и его характеристик.

· Проводятся расчеты изоляционных расстояний, учитывая различные климатические условия и колебания троса.

· Выполняются расчеты нагрузок на опоры и схемы гашения вибраций.

· Монтаж троса строго соответствует проекту.

Опыт и анализ применения ОПН без грозозащитного троса:

Материалы VI Всероссийской конференции по молниезащите (2018 г.) свидетельствуют о недостатках применения ОПН без троса:

· Экономическая неэффективность: Повсеместная установка ОПН не снижает количество грозовых отключений, а наоборот, ухудшает статистику.

· Частые отказы ОПН:  При прямом ударе молнии, особенно вблизи места установки, происходит выход ОПН из строя, что приводит к множественным отключениям.

· Риск аварий: Некачественные материалы и ошибки монтажа при установке ОПН могут вызвать аварийные ситуации на ВЛ.

Комплексная защита – залог успеха:

Использование дешевых, но маломощных ОПН не решает проблему грозовых перенапряжений, а установка мощных и дорогих ОПН на каждой опоре неэффективна с экономической точки зрения. 

Только комплексный подход с применением грозозащитных тросов и точечной установкой ОПН в наиболее уязвимых участках позволяет снизить число грозовых отключений при приемлемой экономической эффективности.

Удар молнии в грозозащитный трос и фазный провод

## Молния и ВЛ: Защита от удара

Грозозащитные тросы - это не просто блестящие проволоки на вершине опоры. Они -  первая линия защиты воздушных линий электропередачи (ВЛ) от разрушительной силы молнии. 

Стандарт СТО 56947007-29.060.50.015-2008 четко определяет требования к электрическим свойствам этих тросов.  Согласно разделу 5.3, они должны выдерживать мощный импульс тока молнии, не разрушаясь под нагрузкой. 

Но почему грозозащитные тросы так важны? 

Ответ прост: мощность удара молнии может легко повредить фазные провода, по которым течёт электрический ток. В результате удара проволоки верхнего повива фазного провода могут расплестись, увеличивая сопротивление и снижая прочность. Это может привести к:

· Перегреву провода, что опасно из-за возможного загорания.

· Уменьшению механической прочности, делая провод уязвимым для ветра, гололеда и других экстремальных условий.

· Повышению вероятности короткого замыкания (КЗ) из-за  близкого расположения расплетенных проволок к другим элементам ВЛ.

В результате, ВЛ может выйти из строя, что влечет за собой не только перебои в подаче электроэнергии, но и дорогостоящий ремонт.

В отличие от фазных проводов, грозозащитные тросы, благодаря своим свойствам, обеспечивают защиту от прямого удара молнии. При ударе молнии в трос,  риск его разрушения значительно ниже, чем у фазного провода. 

Важно понимать, что  мощность молнии и ее разрушительное воздействие на элементы ВЛ - это серьезная угроза. Грозозащитные тросы - это не просто "дополнительный элемент", а ключевой фактор надежности и безопасности ВЛ.

Требования «правил устройства электроустановок»

ПУЭ-7, в пункте 2.5.116,  недвусмысленно подчеркивает важность защиты воздушных линий электропередачи (ВЛ) 110 ÷ 750 кВ от прямых ударов молнии.  Стандарт требует установки грозозащитных тросов по всей длине трассы с металлическими и железобетонными опорами.

Однако, ПУЭ-7 допускает некоторые исключения из этого правила:

· Низкая грозовая активность: В районах с менее чем 20 грозовыми часами в год или в горных районах с плотностью разрядов на землю менее 1,5 на 1 км2 в год,  установка тросов может быть исключена.

· Плохо проводящие грунты: На участках ВЛ, проходящих по грунтам с высоким сопротивлением (более 103 Ом·м),  использование тросов также может быть исключено. 

· Слой гололеда: На участках трассы с расчетной толщиной стенки гололеда более 25 мм,  тросовую защиту можно исключить. 

· Усиленная изоляция:  В случае применения усиленной изоляции между проводом и заземленными частями опоры,  установка тросов может быть исключена при условии обеспечения расчетного числа грозовых отключений линии, соответствующего ВЛ с тросовой защитой.

Важно отметить, что для ВЛ 110 ÷ 330 кВ, работающих в условиях, описанных в пунктах 1-3,  число грозовых отключений не должно превышать трех в год без усиления изоляции. Для ВЛ 500 кВ этот показатель ограничен одним отключением в год. 

Особым случаем является электроснабжение объектов добычи и транспорта нефти и газа.  В этом случае,  ВЛ 110 ÷ 220 кВ должны быть защищены тросами по всей длине,  независимо от уровня грозовой активности и сопротивления грунта.

Таким образом,  ПУЭ-7  четко указывает на необходимость использования грозозащитных тросов для ВЛ 110 ÷ 750 кВ.  Исключения допустимы только в редких случаях,  описанных в нормативной документации. 

Важно подчеркнуть:  применение устройств защиты от перенапряжений (ОПН)  не заменяет грозозащитные тросы как основное средство защиты от молнии.

ВОЛС на ВЛ

##  ОКГТ: Прорыв в сфере связи и безопасности ВЛ

Традиционно воздушные линии электропередачи (ВЛ) использовались для связи, но старые опоры могли не выдерживать дополнительную нагрузку от кабеля, а его монтаж, материалы и обслуживание – это дополнительные расходы.

Внедрение оптических волокон в грозозащитный трос (ГТ) решило эту проблему, создав ОКГТ – оптический кабель, встроенный в ГТ. Такое решение предлагает комплексный подход, обеспечивая:

1. Защиту от молний: ОКГТ выполняет функцию ГТ, защищая ВЛ от прямых ударов молний, повышая ее грозоупорность.

2. Передачу данных: Встроенное оптическое волокно в ОКГТ обеспечивает высокоскоростную передачу данных по существующей инфраструктуре ВЛ.

3. Безопасность: Расположение ОКГТ в самой высокой точке опоры, над фазными проводами, ограничивает несанкционированный доступ к линии связи.

4. Экономия: ОКГТ устраняет необходимость в отдельных опорах для кабелей связи, значительно сокращая затраты на строительство и обслуживание.

5. Дополнительные возможности:

· Сдача в аренду/продажа:  Оптические волокна и каналы могут быть сданы в аренду или проданы другим операторам связи.

· Система мониторинга температуры:  Встроенное оптическое волокно может использоваться для создания распределенной системы измерения температуры вдоль ОКГТ, предупреждая о перегреве во время плавки гололеда.

· Мониторинг деформации:  Оптическое волокно, уложенное без избыточной длины, может быть использовано для определения начала гололедообразования или других нештатных ситуаций, обеспечивая своевременное предотвращение аварий.

Преимущества ОКГТ:

· Быстрая и эффективная организация высокоскоростных линий передачи данных.

· Повышенная грозоупорность ВЛ.

· Сниженная аварийность линии связи.

· Дополнительная безопасность линии.

· Возможность дополнительного заработка для сетевых компаний.

· Возможность эффективного мониторинга и предотвращения аварийных ситуаций.

ОКГТ – это инновационное решение, которое позволяет оптимизировать ресурсы ВЛ, обеспечивая безопасность и надежность электропередачи, а также создавая новые возможности для развития высокоскоростной связи.

Заключение

Грозозащитный трос - это не просто элемент, а неотъемлемый щит для воздушных линий электропередачи, предотвращающий разрушительные удары молний и гарантирующий бесперебойную подачу электроэнергии. 

Ограничители перенапряжения (ОПН) -  дополнительная, но не альтернативная защита. Они прекрасно справляются с защитой отдельных критических участков трассы, но не могут заменить грозозащитный трос как основное средство защиты.

Инновационные технологии: встроенный оптический кабель в грозозащитный трос - революционное решение для повышения экономической эффективности.  Он создает канал связи на основе оптического волокна, исключая необходимость использования отдельных кабелей связи, снижая нагрузку на опоры и минимальные затраты на монтаж и эксплуатацию.

Оптическое волокно  не только обеспечивает связь, но и трансформируется в распределенный датчик, мониторящий состояние грозозащитного троса. Своевременное обнаружение гололедообразования позволяет использовать режим плавки гололеда с контролем температуры вдоль трассы, обеспечивая стабильную работу ВЛ в сложных климатических условиях.

Грозозащитный трос с интегрированным оптическим кабелем - это не просто защита, а комплексное решение, повышающее надежность, эффективность и безопасность  эксплуатации ВЛ.