Атмосферные перенапряжения на ЛЭП и грозозащита ЛЭП

Содержание

Введение
1. Атмосферные перенапряжения на ЛЭП и грозозащита ЛЭП
2. Общая характеристика грозопораждаемости линий
3. Теория грозопоражаемости ЛЭП на высоких опорах с тросами
4. Общие принципы защиты ЛЭП
5. Защита ЛЭП : 110 кВ и выше на металлических и
железобетонных опорах., напряжением 35-220 кВ на деревянных
опорах, напряжением 35 кВ на металлических и железобетонных
опорах без тросов, ЛЭП напряжением 6-10 кВ
6. Заземление ЛЭП через искровые промежутки тросов
Заключение
Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

Грозовые перенапряжения на линиях электропередачи возникают как
при непосредственных поражениях линии грозовыми разрядами
(перенапряжения прямого удара молнии), так и при разрядах молнии в землю
в окрестности линии (индуктированные перенапряжения). Перенапряжения
прямого удара молнии представляют наибольшую опасность, и грозозащита
линий должна ориентироваться именно на этот вид перенапряжений.
Возможны два принципиально различных метода уменьшения числа
грозовых отключений линии – уменьшение вероятности перекрытия
изоляции и уменьшение вероятности перехода импульсного перекрытия в
силовую дугу. Первый метод реализуется путем подвески тросовых
молниеотводов и надежного их заземления на опорах, благодаря чему резко
снижается вероятность непосредственного поражения молнией проводов
линии и уменьшается напряжение на изоляции. Второй метод осуществляется
путем удлинения пути перекрытия и снижения градиента рабочего
напряжения, например, за счет применения деревянных опор.
Линии напряжением 220 кВ и выше в подавляющем большинстве
случаев сооружаются на металлических или железобетонных опорах и
защищаются тросами по всей длине. Тросы подвешиваются на линейных
изоляторах, что позволяет уменьшить токи однофазного к.з., а также
использовать тросы дополнительно к их основному назначению для релейной
защиты и связи, электроснабжения ремонтных бригад и монтерских пунктов,
плавки гололеда. Изоляторы шунтируются искровыми промежутками,
которые пробиваются уже во время лидерной стадии грозового разряда или
непосредственно после удара молнии; таким образом, тросы переводятся в
режим заземления.
Линии 110 и 150 кВ на металлических и железобетонных опорах также
рекомендуется защищать тросом по всей длине. Однако в ряде электрических
систем имеются одноцепные линии, не защищенные тросами. Такие линии,
естественно, отключаются во время гроз более часто, и их нормальная
эксплуатация возможна только при наличии АПВ. Следует, однако, иметь в
виду, что при большой длине безтросовой линии АПВ будет часто
срабатывать; это приведет к необходимости часто производить ревизии
выключателей, что для эксплуатации крайне нежелательно.
Линии 110 кВ на деревянных опорах никакой дополнительной
грозозащиты не требуют, за исключением подвески тросов на подходах к
подстанциям и установки трубчатых разрядников в начале подхода. Если на
линии с деревянными опорами некоторые опоры выполнены металлическими
или железобетонными (например, угловые или анкерные опоры, опоры,
ограничивающие переход через реки и т. д.), то на этих опорах также должны
устанавливаться трубчатые разрядники. Необходимость этого мероприятия
вызвана тем, что изоляция этих опор имеет электрическую прочность, гораздо
более низкую, чем изоляция деревянных опор, поэтому она будет
перекрываться и приводить к отключению линии даже в тех случаях, когда
изоляция деревянных опор останется неперекрытой. Трубчатые разрядники,
самостоятельно гася дугу, предупреждают отключение линии.
Линии 35 кВ на металлических опорах обычно не защищаются тросами,
поскольку эти линии работают в системе с изолированной нейтралью; такие
линии, как было показано выше, имеют относительно небольшое число
грозовых отключений, возникающих в результате двухфазных и трехфазных
перекрытий.
Линии 35 кВ на деревянных опорах не требуют дополнительных мер
грозозащиты. Благодаря меньшим значениям градиента рабочего напряжения
вдоль пути перекрытия эти линии имеют даже несколько более высокие
показатели, чем линии 110 кВ на деревянных опорах.
Линии 3–10 кВ не требуют особых мероприятий по грозозащите, за
исключением установки трубчатых разрядников в местах с ослабленной
изоляцией и на подходах к подстанциям. Эти линии выполняются на
железобетонных и деревянных опорах. Последние обладают более высокой
грозоупорностыо за счет использования изоляции дерева. Хотя импульсная
электрическая прочность изоляции таких линий сравнительно невысока,
однако вероятность перехода импульсных перекрытий в силовую дугу не
превышает 0,1. Для защиты опор линий 3–10 кВ, в частности деревянных, от
повреждений (расщеплений) при грозовых перекрытиях изоляции
применяются защитные металлические спуски, бандажи и скобы.
1. АТМОСФЕРНЫЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ НА ЛЭП И

ГРОЗОЗАЩИТА ЛЭП

Воздушная линия электропередачи (ВЛЭП) является самым
протяженным элементом электрической системы. Это и наиболее
распространенный элемент системы, который наиболее часто подвергается
ударам молнии. Статистика аварий в энергосистемах показывает, что 75-80 %
аварийных отключений воздушных линий электропередачи связаны с
грозовыми отключениями.
Источниками молнии являются электрические разряды, образующиеся
в грозовых облаках, поэтому прежде чем приступить к характеристике
грозовых воздействий рассмотрим процессы образования грозовых облаков.
Грозовые облака образуются в атмосфере, содержащей холодный и плотный
воздух в верхних слоях и теплый влажный воздух в нижних. Мощные
восходящие потоки теплого воздуха, поднимающиеся вверх, образуют
облака, холодный воздух при этом опускается. Атмосфера находится в таком
состоянии, когда массы холодного воздуха заполняют области с теплым
воздухом или когда земля сильно прогревается солнцем и отдает свое тепло
нижним слоям атмосферы.
В типичном грозовом облаке беспорядочно дующий ветер, вода и лед
находятся в гравитационном поле и поле температурного градиента. Из-за
взаимодействия этих элементов возникают заряженные области грозового
облака. Обычно верхняя часть облака заряжена положительно, а нижняя часть
- отрицательно. Таким образом, грозовое облако по структуре основного
заряда представляет собой электрический диполь.
Каждый разряд молнии начинается со слабосветящегося ступенчатого
лидера, который направлен от облака к земле и за которым немедленно
следует очень яркий возвратный удар. Возвратный удар распространяется от
земли к облаку.
Ступенчатый лидер начинается с локализованного электрического
пробоя между положительно и отрицательно заряженными зарядами
областями грозового облака. Этот пробой вызывает перемещение
электрических зарядов, которые ранее были связаны с частицами льда или
воды. Высокая концентрация отрицательного заряда в основании облака
может создавать электрические поля, которые в свою очередь приводят к
возникновению ступенчатого лидера, распространяющегося по направлению
к земле.
Когда заряженный до высокого отрицательного потенциала столб
зарядов благодаря ступенчатому лидеру приближается к земле,
результирующее электрическое поле у земли имеет достаточно большую
напряженность, чтобы вызвать движущиеся от земли к вершине лидера
встречные разряды. Если один из этих разрядов придет в контакт с лидером,
нижняя часть последнего будет эффективно связана с потенциалом земли, в
то время как его остальная часть будет иметь отрицательный потенциал и
отрицательный заряд. Избыток отрицательного заряда, сосредоточенный в
канале лидера, стекает в землю через канал, имеющий высокую проводимость
ниже волнового фронта возвратного удара. Токи, измеренные у земли, лежат
в интервале от единиц до десятков тысяч ампер в течение нескольких
микросекунд.
После прекращения тока в импульсе вспышка может завершиться. С
другой стороны, если существует возможность подвода дополнительных
зарядов к вершине канала, во вспышке возможны дополнительные импульсы
тока.
Под действием образующегося при разряде молнии электрического и
магнитного поля в линиях электропередачи возникают перенапряжения,
принятые называть атмосферными. Перенапряжения могут привести к
перекрытию изоляции. Если перекрытие возникает на двух фазах, то
возможно прогревание канала перекрытия действующим на ВЛ напряжением
и переход канала перекрытия в дуговую стадию. При этом на ВЛ возникает
межфазное короткое замыкание, и устройства релейной защиты отключают
ВЛ.
Применительно к атмосферным перенапряжениям и связанными с ними
отключениями В Л целесообразно разделить все такие события на две
группы: прямые удары молнии в линию (ПУМ) и индуктированные
перенапряжения (ИЛИ).
В случае прямого удара молнии в линию вероятность трансформации
каналов импульсного перекрытия в силовую дугу практически равна единице.
Действительно, простые расчеты показывают, что потенциалы проводов при
прямых ударах молнии в линию намного выше напряжения перекрытия
(импульсной прочности) изоляторов. Более того, перекрытие изоляции на
одной опоре за счет относительно высокого сопротивления заземления опор
не снижает напряжения на проводах настолько, чтобы исключить перекрытия
изоляторов на соседних опорах.
Кроме того, существование нескольких импульсных компонентов тока
молнии неизбежно увеличивают вероятность перехода хорошо разогретого
ими канала первичного перекрытия в дугу. Наконец, длительно протекающий
непрерывный ток молнии (десятки ампер) между импульсными
компонентами уже сам по себе, без влияния напряжения сети, приведет канал
перекрытия в дуговое состояние, которое потом будет поддерживаться
источником питания ВЛ вплоть до ее отключения устройствами защиты.
Итак, примем для прямых ударов молнии в линию коэффициент перехода
импульсного перекрытия в силовую дугу: Т = 1.
Случаи перекрытия изоляции воздушной линии вследствие
индуктированных перенапряжений представляют больший интерес и требуют
изучения. При этом по степени важности следует выделить случай
межфазного перекрытия, так как только в этом случае может возникнуть
мощный дуговой канал и ток короткого замыкания приведет к отключению
ВЛ. Режим однофазного перекрытия и образования слаботочной дуги
емкостного тока на землю не приводит к отключению ВЛ, хотя тоже
достаточно интересен с точки зрения физики разрядных процессов.
Индуктированные перенапряжения на проводах линий электропередач
возникают как при ударе молнии в землю вблизи линии, так и при прямом
ударе молнии непосредственно в трос или в опору линии. Процесс
образования индуктированных перенапряжений сводится к следующему: в
облаке вследствие сложных физических явлений в атмосфере происходит
разделение и накопление электрических зарядов. В местах с большой
напряженностью па нижней границе облака начинается ионизационный
процесс, который развивается, так же, как у отрицательной иглы при больших
расстояниях. Начальный разряд (лидер) развивается из облака в виде слабо
светящегося канала и по мере продвижения вызывает на своем пути усиление
электрического поля. Развитие этого разряда происходит не непрерывно, а
ступенями с большими или малыми паузами. Скорость распространения
начального разряда 2 ∙ 10-7 см/сек. Общая длительность начального разряда
от облака до земли 0,01—0,02 сек. В тот момент, когда головка начального
разряда достигает земли или соприкасается с головкой встречного разряда,
развивающегося снизу вверх, начинается основная фаза молнии — главный
разряд. Главный разряд представляет собой процесс нейтрализации зарядов в
канале начального разряда и на поверхности земли. Этот процесс
распространяется снизу вверх без пауз со скоростью 103 см/секи
сопровождается сильным свечением канала молнии. Главный разряд
практически завершается по достижении процесса нейтрализации нижней
границы облака в течение 100 мксек. Ток в главном разряде (ток молнии)
возрастает и за первые 5—10 мксек достигает своей амплитуды, а затем
уменьшается из-за небольшой плотности зарядов в верхних частях канала
начального разряда. Накопление одноименных зарядов в грозовом облаке
(большей частью отрицательных) и частичное перетекание их в
формирующийся канал молнии в ее начальной стадии вызывают вследствие
электростатической индукции разделение зарядов и скопление связанных
зарядов противоположного знака на поверхности земли, а также и проводах
линии электропередач. По мере приближения головки канала молнии к земле
и сближения с ней встречного лидера скорости развития процессов сильно
возрастают, вызывая сильные изменения электрического поля вблизи земли и
частичное освобождение связанных индуцированных зарядов на проводах
линии электропередачи и металлических предметах земных объектов.
Электрическое поле у земли резко изменяется, когда начинается процесс
нейтрализации зарядов в канале молнии противоположными зарядами,
втекающими в канал из земли. В это время на проводах воздушной линии
освободившиеся заряды, индуцируя в земле заряды противоположного знака,
растекаются в обе стороны воздушной линии в виде импульсных волн и с
высокими потенциалами по отношению к земле.
Современные линии электропередач имеют большие длины и
напряжения 330—500 кВ. В связи с этим они могут находиться в различных
климатических условиях: слабая грозовая деятельность, большое удельное
сопротивление грунтов, усиленное образование гололеда, повышенная
скорость ветра и др.
Наиболее эффективной защитой является подвеска тросов по всей
длине линии с металлическими и железобетонными опорами.
Когда линия, защищенная тросом, проходит в районах с сильным
образованием гололеда, то это может привести к обрывам и провисанию
тросов. Поэтому в таких случаях рекомендуется не применять тросы. Если же
будет происходить грозовое перекрытие, то оно может быть ликвидировано
АПВ. В районах со слабой грозовой деятельностью тросы можно не ставить,
но обязательно нужно иметь автоматическое повторное включение (АПВ).
АПВ обеспечивается только воздушными выключателями.
Сооружение линий без тросов допускается в следующих случаях:
а)         на отдельных участках в особо гололедных районах;
б)         в районах со слабой грозовой деятельностью при среднегодовой
продолжительности гроз менее 20 ч;
в)         на отдельных участках в районах со скальными плохо
проводящими грунтами, где выполнение заземляющих устройств связано с
выемкой скальных пород;
г)         при наличии двух или более параллельных цепей и ко
грозовое отключение не может приводить к нарушениям питании
потребителя.
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.
Степень грозоупсрности линий характеризуется удельным числом
отключений , т. е. числом отключений за год линии длиной l=100 км
вследствие грозовых перенапряжений при числе грозовых дней в году n=20
или грозовых часов в году n'=30. В приближенных расчетах удельное число
отключений определяется с помощью защитного уровня линии . т. е.
минимального значения амплитуды тока молнии, вызывающего перекрытие
изоляции линии.
Грозозащита линий имеет целью уменьшить число отключений линии.
Это достигается:
а) защитой линии от прямых ударов молнии тросовыми
молниеотводами с целью уменьшить число перекрытий изоляции;
б) удлинением пути перекрытия путем применения деревянных опор
или траверс, что несколько уменьшает число перекрытий изоляции и
значительно уменьшает число отключений вследствие снижения вероятности
перехода импульсного перекрытия в устойчивую силовую дугу;
в) защитой отдельных точек линии с ослабленной изоляцией (например,
металлическая опора на линии с деревянными опорами) трубчатыми
разрядниками, гасящими дугу короткого замыкания и предупреждающими
отключения линии;
г) применением АПВ как трехфазного, так и однофазного.
Рекомендуемые способы грозозащиты линий
а) Линии 150 кВ и выше всех типов и линии 110 кВ на металлических и
железобетонных опорах защищаются тросовыми молниеотводами по всей
длине.
Для слабо грозовых районов с числом грозовых часов менее 10 в
отдельных случаях допускается сооружение линий электропередачи 110-220
кВ без тросов.
б) Линии 110 кВ на деревянных опорах, как правило, тросами не
защищаются. Расстояние по дереву между фазами должно быть не менее 4 м.
в) Линии 20-35 кВ на деревянных опорах тросами не защищаются.
Расстояние по дереву между фазами должно быть не менее 3 м для линий 35
кВ и 2 м для линий 20 кВ.
г) Для линий 20-35 кВ на металлических опорах, работающих в системе
с изолированной нейтралью, основным средством защиты являются
применение дугогасящих катушек и надежное заземление опор с импульсным
сопротивлением не более 10 Ом.
д) Расстояния по дереву между фазами для линий 3, 6 и 10 кВ не
должны быть меньше соответственно 0,5; 0,7 и 1,0 м.
е) Отдельные опоры линий 3-110 кВ с относительно слабой изоляцией
(например, металлические опоры на линиях с деревянными опорами) или
опоры, перекрытие изоляции которых особенно нежелательно (например,
переходные и перестановочные опоры), защищаются трубчатыми
разрядниками.
2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГРОЗОПОРАЖДАЕМОСТИ

ЛИНИЙ

Энергосистемы России в настоящее время эксплуатируют 2 млн. 400
тыс. км воздушных линий (ВЛ) электропередачи от 0,4 до 1150 кВ, из них
более 250 тыс. км (10,4 %) проходят по лесным массивам и зеленым
насаждениям. Сооружение ВЛ в этих районах привело к потере миллионов
гектаров леса. Несмотря на выполнение требований «Правил устройства
электроустановок» (ПУЭ), как показывает аварийная статистика ОРГРЭС,
аварии, вызванные падением деревьев на провода ВЛ при шквалах ветра,
наблюдались во многих регионах. С учетом изложенного, целесообразно
уточнить подходы к проектированию ВЛ в лесных массивах, прежде всего, с
позиций надежности ВЛ.
Для сохранения леса при сооружении ВЛ высокого напряжения в ряде
зарубежных стран, кроме обхода лесов и вырубки широких просек,
применяются опоры увеличенной высоты (в том числе, и для прохождения
ВЛ над лесом), а также опоры специальных типов, которые обеспечивают
значительное сокращение ширины просеки и вырубки леса. До отпуска цен в
СССР и России не было экономических стимулов для сокращения вырубки
лесов под ВЛ, так как ущерб от свода леса в просеке был пренебрежимо мал
по сравнению со стоимостью ВЛ. При постепенном выравнивании
российских и мировых цен на древесину, электроэнергию, сталь, бетон и т.д.,
как показали оценки, вырубка 1 га (т.е. каждые 5 м просеки по обеим
сторонам от ВЛ) могут достигать одного порядка со стоимостью 1 км В Л 110
кВ.
Все изложенное выше послужило стимулом для: разработки новых
методов электрического и механического расчета лесных В Л от 10 до 750 кВ
поиска и проектирования новых вариантов опор для таких ВЛ; рыночных
оценок ущерба от вырубки леса и разработки методики технико-
экономического сравнения нескольких вариантов ВЛ с учетом ее удорожания
(например, за счет увеличения высоты опор), с одной стороны, и сокращения
ущерба от вырубки леса для просеки, с другой для выбора оптимального
сооружения. В ряде стран построены и успешно эксплуатируются ВЛ на
опорах с высотой от 50 до 100 метров и высотой подвеса нижних проводов,
значительно превышающей высоту растительности.
Понятно, что увеличенная высота подвеса проводов требует особо
внимательной оценки грозоупорности подобных ВЛ. Расчеты показывают,
что при правильном выборе средств грозозащиты, проблема решается
успешно. Одним из элементов этого расчета является учет высоты леса. Если
трассу ВЛ окружает лес, то в расчетах числа прямых ударов в ВЛ высоту ее
опор, проводов и тросов можно принимать равными соответствующим
относительным превышениям их на уровнем леса.
Применительно к уже построенным и эксплуатируемым
распределительным сетям влияние леса на показатели грозоупорности также
необходимо учитывать, но в обратной постановке задачи. В данном разделе
расчетами на математической модели нисходящего лидера молнии показано
«защитное» влияние леса на примерах ВЛ от 6 до 10 кВ. Параллельно
проводятся и расчеты показателей грозоупорности в безлесных участках ВЛ
Так как до настоящего времени неизвестно, каким образом
моделировать лес, то при проведении численных экспериментов
принималось, что дерево является идеальным проводником, встречные
разряды с деревьев развиваются аналогично встречным разрядам с проводов
и тросов ВЛ.
Общее представление о долях ударов молнии (см. рис. 2.1) показано в
таблице 2.1.
Самым опасным представляется прямой удар молнии в фазный провод.
Волна перенапряжения уходит в сторону ПС, некоторая её часть теряется на
потери в короне при пробеге по фазному проводу, происходит перекрытие
изоляция фазного провода, что в свою очередь ведёт к возникновению
устойчивого КЗ и отключению ВЛ РЗиА ПС, с некоторой степенью
вероятности возникновения каждого следующего события.

Рис.2.1–

Таблица 2.1–Доли разрядов молнии в различные элементы ВЛ
Точка Место разряда
молнии

Грозозащитного
троса нет

Грозозащитный
трос есть
1 Фазный Провод 0,5 0,005
2
Опора или
грозозащитный трос
вблизи от опоры

0,5 ≈0,5

3
Грозозащитный трос
в средней части
пролёта

0 ≈0,5
Итого: 1,0 1,0
 Из таблицы следует, что установленный на ВЛ грозозащитный трос
снижает вероятность удара молнии в фазные провода в сотни раз, тем самым
приводя в ряде случаев к серьёзному повышению грозоупорности ВЛ 35 ÷
750 кВ.
При ударе молнии в опору или грозозащитный трос (заземлённые части
ВЛ) перекрытие изоляции может возникнуть вследствие повышения
импульсного потенциала на траверсе в месте крепления изолирующей
подвески фазного провода к опоре. Такое перекрытие изоляции получило
название «обратное перекрытие» – перекрытие с заземлённой части
электроустановки на токоведущую.
Критические значения тока молнии, приводящие к перекрытию
линейной изоляции, при прорывах молнии на провода невелики. Изоляция
ВЛ 110 ÷ 330 кВ перекрывается при амплитуде тока молнии от 3 до 10 кА и
выше. Для изоляции ВЛ 500 ÷ 1150 кВ опасен ток молнии от (15 — 35) кА.
Практически каждый удар молнии в провод ВЛ 110 кВ вызывает перекрытие
изоляции. Опасными при прорывах молнии на провода ВЛ 1150 кВ являются
30 ÷ 40 % разрядов молнии. Таким образом, высокая импульсная прочность
линейной изоляции ВЛ 500 ÷ 1150 кВ не обеспечивает их грозоупорности при
прорывах молнии на провода. [1, с.145]
Обратные перекрытия возникают при значительно большей амплитуде
тока молнии. Например, изоляция ВЛ 110 кВ перекрывается при ударах
молнии в опору с током, достигающим нескольких десятков килоампер. При
удалении точки удара молнии от опоры к середине пролёта вероятность
обратного перекрытия изоляции уменьшается из-за распределения тока
молнии между двумя опорами, снижения крутизны тока за счёт потерь на
импульсную корону при пробеге по тросу и удалённости канала молнии.
3. ТЕОРИЯ ГРОЗОПОРАЖАЕМОСТИ ЛЭП НА ВЫСОКИХ

ОПОРАХ С ТРОСАМИ

В качестве основных средств грозозащиты ВЛ используются:
1) подвеска заземлённых тросов
2) снижение сопротивления заземления опор
3) повышение импульсной прочности линейной изоляции
4) защита отдельных опор и участков с ослабленной изоляцией
5) ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН)
Резервным средством повышения надёжности и бесперебойности
работы ВЛ является автоматическое повторное включение (АПВ), в
особенности быстродействующее (БАПВ) и однофазное (ОАПВ).
Коэффициент успешности АПВ при грозовых отключениях, по данным опыта
эксплуатации, для ВЛ 110 ÷ 500 кВ составляет в среднем 0,6 ÷ 0,8, а для ВЛ
750 и 1150 кВ – 0,8 ÷ 0,9. АПВ позволяет частично компенсировать низкую
грозоупорность ВЛ при трудностях устройства хороших заземлений и т.п.
Однако применение АПВ не должно исключать использование основных
средств грозозащиты, так как КЗ снижают ресурс оборудования ПС.
Изучение процесса ориентировки молнии требует больших затрат
времени и средств. Нужны многие годы наблюдений за большим числом
зданий или за тысячей километров линий, чтобы накопить представительную
статистику. Трудности возрастают многократно, когда из статистики
наблюдений требуется извлечь сведения о надежности защиты [15].
Существует большое количество теорий связанных с притяжением
молнии к различным объектам. Молния, как правило, притягивается к самому
высокому объекту. Однако неизвестно, в какую часть сложной конструкции
попадёт молния, существует множество условий, которые необходимо
учитывать при расчёте ориентировки молнии. При попадании молнии в
воздушную линию необходимо знать, какая часть попадет в опору (трос), а
какая в фазный провод, для дальнейшего расчета грозозащиты подстанции.
Обычно в расчетах грозозащиты воздушных линий предварительно
рассчитывают общее число ударов, которое определяется средней высотой и
шириной ВЛ. Если линия оборудована грозозащитными тросами, то в
качестве средней высоты принимается средняя высота подвеса тросов, при их
отсутствии используется средняя высота подвеса верхней фазы.
Соответствующие выражения в различных источниках существенно
отличаются, хотя все они основаны на принципе определения некоторой
площади, с которой разряды "стягиваются" на ВЛ, и задания соотношения
между числом грозовых часов и удельной плотностью разрядов в землю. В
качестве основного варианта рассмотрим формулы, предлагаемые в РД [2].
Далее разделение между тросом - опорами и фазными проводами
определяется через углы тросовой защиты. При отсутствии грозозащитных
тросов в РД предлагается общее число разрядов в ВЛ делить поровну между
опорами и фазными проводами, т. е. в соотношении 50 % / 50 %.
Более проработанным в этом смысле является электрогеометрический
или эквидистантный метод [15], в котором моделируется возможность
ориентации молнии в опоры или в фазные провода в зависимости от
соотношения их размеров, высоты в первую очередь. Рассмотрим основные
способы расчёта, такие как расчет по ЭГМ, расчёт по РД и ТВН.
Принцип эквидистантности, старый, но вполне конкретный по
постановке подход. Положим, что на ровной земной поверхности размещен
малый по площади объект высоты h. Пусть канал молнии смещен
относительно него по горизонтали на расстояние r, а головка канала
находится на высоте H0 (рис.3.1).
Рис. 3.1– К оценке эквивалентного радиуса стягивания молний к

объекту

Чтобы предсказать, попадет ли молния в объект или ударит в землю,
примем во внимание результаты измерения пробивных напряжений длинных
воздушных промежутков с резко неоднородным электрическим полем. Они
показывают, что чем длиннее промежуток, тем выше напряжение, требуемое
в среднем для его пробоя, и тем больше время формирования разряда. Это
значит, что первоочередной шанс быть пробитым в случае одновременной
подачи напряжения на несколько промежутков имеет самый короткий.
Теперь учтем, что расстояние от головки молнии до объекта [(H 0 −h) 2 +r 2 ] 1/2
короче расстояния до поверхности земли H 0 при

r ≤ Rэкв− h∙(2 H 0 / h −1) 1/2 . (3.1)
Расстояние Rэкв называют эквивалентным радиусом стягивания для
объекта высотой h. Оно показывает, с какого участка поверхности земли
стягиваются к объекту молнии, опустившиеся до высоты H 0 . В случае
сосредоточенного объекта малых поперечных размеров это будет круг
площадью Sэкв≈π∙R 2 экв, для протяженного длиной L>> h и шириной b>> h
–полоса площадью Sэкв≈2 Rэкв ∙L.
Среднее число ударов молнии в год оценивается по Sэкв как

Nм=n м ∙Sэкв, (3.2)
где n м –годовая плотность разрядов молнии в землю в месте размещения
объекта. Глобальные или региональные карты интенсивности грозовой
деятельности строятся по данным метеонаблюдений. Данные о n м , как
правило, приводятся на 1 км 2 за грозовой сезон. Чаще на картах указывается
число грозовых дней или часов и даются эмпирические формулы для связи
этого параметра с n м [15]. Из статистических данных выражение Rэкв=3 h дает
для усредненной высоты ориентировки лидера нисходящей молнии H 0 =5 h.

4. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ЗАЩИТЫ ЛЭП

Выбор противогрозовой защиты определяется интенсивностью
грозовой деятельности. В районах, где число грозовых дней в году меньше 5,
нет надобности в специальной защите от грозовых перенапряжений. В
районах, где число грозовых дней больше 5, применяется противогрозовая
защита.
На линиях с металлическими и железобетонными опорами, как
правило, используется тросовая защита, которая на 5–7 % удорожает линию.
На линиях с деревянными опорами применение тросовой защиты не выгодно,
так как стоимость линии возрастает на 20–30 %. Между тем, линии на
деревянных опорах без троса обладают удовлетворительными
грозозащитными характеристиками, а стоимость их на 25–40 % ниже
стоимости линии на металлических опорах. В сетях напряжением 3–35 кВ
нейтраль изолирована или заземлена через дугогасящую катушку, поэтому
однофазные перекрытия не приводят к возникновению устойчивой силовой
дуги. На линиях до 35 кВ можно не применять тросовую защиту, при этом
сопротивление заземления опор должно быть низким с тем, чтобы не
произошло перекрытие с опоры на другие фазы и отключение линии.
ЛЭП на 110 кВ и выше на металлических и железобетонных опорах в
грозовых районах защищаются тросами по всей длине. На участках линии,
прилегающих к особо гололедным районам, возможен отказ от тросовой
защиты с установкой на опорах молниеотводов высотой 20–25 м, так как
возможны обрывы или провисания тросов от гололедных нагрузок, а также
схлестывание проводов с тросами при сбросе гололеда. Обрыв троса
приводит к устойчивому короткому замыканию и полному отключению
линии, что совершенно неприемлемо для магистральных линий.
Сопротивление заземления опор линий стремятся довести до 10 Ом. В
грунтах с удельным объемным сопротивлением более 104 Ом·м при
невозможности выполнения эффективных глубинных заземлителей
прокладывают непрерывные протяженные заземлители, идущие от опоры к
опоре.
Линии на 35–220 кВ на деревянных опорах тросами не защищаются,
исключения составляют подходы к подстанции. В отдельных случаях для
питания особо ответственных потребителей в сильно грозовых районах
возможно применение тросовой защиты по всей длине ЛЭП 110–220 кВ.
Волна перенапряжения, возникающая при прямом ударе молнии в
провод линии, распространяется по обе стороны от места удара. Вследствие
высокого уровня изоляции амплитуда волны остается значительной даже на
больших расстояниях от места поражения. Если на линии имеются места с
пониженной против общего уровня изоляцией (например, отдельные
металлические опоры, концевые опоры участков с тросом, пересечение
линий), то в этих местах будут происходить перекрытия под действием как
ближних, так и дальних грозовых разрядов. В этих местах для защиты ставят
трубчатые разрядники. Грозовые перекрытия на ЛЭП с деревянными
опорами, как правило, сопровождаются расщеплением древесины.
5. ЗАЩИТА ЛЭП : 110 КВ И ВЫШЕ НА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И
ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ОПОРАХ, НАПРЯЖЕНИЕМ 35-220 КВ НА
ДЕРЕВЯННЫХ ОПОРАХ, НАПРЯЖЕНИЕМ 35 КВ НА
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ
ОПОРАХ БЕЗ ТРОСОВ, ЛЭП НАПРЯЖЕНИЕМ 6-10 КВ

ЛЭП 110 кВ и выше выполняются на металлических и железобетонных
опорах и работают в системах с глухо заземленной нейтралью. Их изоляция
по экономическим соображениям имеет низкий уровень грозовой упорности
(порядка 20 - 40 кА). Поэтому в грозовых районах страны такие ЛЭП
оснащаются тросом по всей длине.
В ПУЭ [1] записано: “ЛЭП 110–500 кВ с металлическими и
железобетонными опорами должны быть защищены от прямых ударов
молнии тросами по всей длине.”

5.1–Воздушная ЛЭП
Одноцепные и двухцепные ЛЭП на башенных опорах более
экономичны, чем линии на П-образных опорах. Однако первые ЛЭП
обладают меньшим защитным уровнем, т.к. имеют большую высоту и
больший защитный угол α = 28 - 30 0, поэтому возрастает вероятность
прорыва молнии сквозь тросовую защиту по сравнению с ЛЭП на П-образных
опорах, где уложены два троса и меньший угол защиты α = 25 - 20 0. В тоже
время на первых ЛЭП увеличивается индуктивность троса в пролете и
уменьшается коэффициент связи между тросом и проводом, поэтому можно
ожидать высокую вероятность обратного перекрытия с опоры на провод при
ПУМ в трос или вблизи опоры. Правила устройства электроустановок ПУЭ
нормирует сопротивление заземлителя опор Rз в зависимости от удельного
сопротивления грунта. Под тросами на заземлителе опор рекомендуется Rз <
10 Ом.
На линиях с грозовой деятельностью менее 20 ч. или гололедных
районах трос укладывается только на подходах Lп ЛЭП к
распредустройствам и выполняется грозозащита трубчатыми разрядниками
изоляции концевых опор от волн перенапряжений, набегающих с линии без
троса.
Дадим технико-экономическую оценку целесообразности применения
грозозащитных тросов на воздушных линиях электропередачи,
обеспечивающих их защиту от прямых ударов молнии, т.е. сокращающих
число поражений фазных проводов молнией. При этом следует принять во
внимание требуемые капитальные затраты на сооружение грозозащиты, а
именно: стоимость грозозащитного троса, подвешиваемого по всей длине
линии, необходимость его замены после 35 лет эксплуатации, т.е. до
истечения срока службы линии, равного 50 годам; стоимость тросостоек или
опор большей высоты, стоимость изоляторов или искровых промежутков для
подвески тросов, поддерживающих и натяжных зажимов, ушек, узлов
крепления изоляторов к опорам (серьги, скобы), виброгасителей и, при
необходимости, стоимость устройств плавки гололеда на тросах. В составе
эксплуатационных затрат следует учесть расходы на техническое
обслуживание, плановые и вероятные аварийные ремонты, а также стоимость
потерянной в тросах электроэнергии и увеличение продолжительности
отключения линии на проведение плавки гололеда на тросах.
Наличие тросов на линиях приводит к снижению числа их аварийных
отключений от воздействия грозовых перенапряжений и тяжести последствий
указанных отключений.
Как было показано выше, на воздушных линиях электропередачи
напряжением 220...330 кВ до 10...15% ава?