Воздушная линия (ВЛ) электропередачи напряжением до 1000 В является самым распространённым и наиболее уязвимым элементом распределительной энергетической системы, особенно в сельской местности, а также среди малых городов и пригородных зон мегаполисов. Если внимательно изучить статистику аварий в энергосистемах, то можно заметить тот факт, что причина 75-80% аварийных отключений линий электропередач (ЛЭП) весной и летом — это грозы.
Рисунок 1. Линии электропередач (ЛЭП)
Основные понятия и определения
Исходя из «Правил устройства электроустановок» (ПУЭ, издание 6) под термином «ВЛ» понимается воздушная линия, изготовленная с использованием неизолированных проводов. Исходя из написанного в ПУЭ (издание 7), ЛЭП может быть выполнена, как с использованием изолированных (ВЛИ), так и неизолированных проводов.
В седьмом издании ПУЭ термин «ВЛИ» разъясняют таким образом — это линии с применением самонесущих изолированных проводов (СИП). Рассмотрим, как организовать молниезащиту воздушных линий на практике. В этом случае надо дать ответ на достаточно простой вопрос, а что именно является объектом внешней защиты воздушных линий от молнии?
Рисунок 2. Разряды молнии над ЛЭП
В конечном итоге, объектом внешней грозозащиты воздушных линий, выполненных неизолированными проводами, являются электроустановки потребителя электричества. Неизолированные провода вообще не являются объектом защиты, на ВЛ до 1000 В средства защиты проводов от прямого удара молнии, как правило не используются. Чтобы значительно снизить статистику замыканий, возникающих между проводами, используют ВЛИ и СИП.
При использовании изолированных проводов при построении ЛЭП, полностью исключены риски, связанные с замыканиями из-за схлестывания и электрическим контактом проводов с деревьями; снижены риски замыканий на землю из-за падения проводов. Использование ВЛИ значительно уменьшает площадь контура для наведенного электромагнитным импульсом молнии перенапряжения, что приближает безопасность таких линий к безопасности подземного кабеля. Также нужно отметить электробезопасность при проведении работ на линии, так как значительно уменьшается вероятность поражения электрическим током. Кроме того, использование изолированных проводов значительно снижает воздействие разрядов и уменьшает вероятность дуговых замыканий.
Какие же процессы происходят в ЛЭП с неизолированными проводами, если на них пришелся прямой удар молнии? Сначала можно увидеть разряды типа «фаза-земля», которые возникают между самим проводом и траверсой опоры, затем под воздействием электромагнитных сил самой дуги происходит перемещение этих разрядов вдоль самих линий. Перегорание неизолированных проводов не возникает по причине смещения концов дуги по линиям.
Рисунок 3. Процессы на ЛЭП с неизолированными проводами, вызванные прямым ударом молнии
При возникновении такого физического явления, как короткое замыкание на ВЛИ, процессы, сопровождающие его, происходят совершенно по другому алгоритму: возгорание дуги наблюдается только между каждым отдельно взятым проводником и конструкцией, удерживающей провода на опоре. Слой изоляции является естественным препятствием на пути свободно перемещающейся дуги, и дуга поэтому горит только в конкретной точке, вследствие чего провод оказывается пережжен.
Рисунок 4. Короткое замыкание на ВЛИ
Замыкания на ВЛ вызывают срабатывание автоматики и приводят к отключению линии. Существуют и другие угрозы — это распространяющиеся по линии перенапряжения. Для защиты от них используются ограничители перенапряжений (ОПН) и устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).
Грозозащита линий электропередачи
Задачи и критерии грозозащиты линий
Как уже отмечалось, воздушная линия ежегодно испытывает несколько десятков прямых ударов молнии на каждые 100 км длины. Главную опасность для линии представляет прямой удар молнии в фазные провода с последующим возможным перекрытием изоляции от возникающих при этом перенапряжений. После окончания импульса тока молнии на месте перекрытия остается проводящий канал с не успевшим деионизироваться газом, по которому под действием рабочего напряжения появляется ток промышленной частоты («сопровождающий» ток), переходящий в определенных случаях в устойчивую дугу, приводящую к отключению линии средствами релейной защиты.
Вероятность перекрытия Рпер
изоляции линии можно оценить, исходя из параметров линии, импульсной прочности гирлянд изоляторов и вероятности токов молнии. Число перекрытий линейной изоляции определяется как:
nпер= nудРпер
, (6.60)
где Рпер
‒ вероятность перекрытия изоляции линии.
Длительность тока молнии мала (примерно 100 мкс) по сравнению с полупериодом напряжения промышленной частоты (10 000 мкс). Немаловажную роль играет фаза рабочего напряжения в момент удара молнии. При малом мгновенном значении рабочего напряжения и достаточно большом пути импульсного перекрытия не создаются условия для устойчивого горения дуги промышленной частоты. В инженерных расчетах принято оценивать вероятность перехода импульсного перекрытия в устойчивую дугу по средней напряженности вдоль пути перекрытия при наибольшем рабочем напряжении Еср=Uнаиб,раб/lпер
. Для линий на деревянных опорах и длинных воздушных промежутков вероятность возникновения устойчивой дуги
η
определяется по формуле:
η = (1,6Еср ‒ 6) 10-2
(6.61)
где Еср
‒ средняя напряженность (действующее значение), кВ/м.
Если η
по (6.59) получается меньше 0,1 или больше 0,9, то в расчетах принимаются эти предельные значения.
Для линий на металлических опорах при номинальных напряжениях до 220 кВ принимают η
= 0,7 и при номинальных напряжениях 330 кВ и выше
‒ η
= 1,0.
Знание коэффициента η
позволяет подсчитать ожидаемое число грозовых отключений линии:
nоткл= nудРпер·η
. (6.62)
Эффективным методом повышения грозоупорности линий является оборудование и использование автоматического повторного включения (АПВ) или наличие резервного электроснабжения.
Автоматическое повторное включение (АПВ) может удержать линию в работе. В этом случае грозовое поражение не будет сопровождаться перерывом в электроснабжении. При неуспешном АПВ произойдет полное отключение линии. В задачу грозозащиты линий входит снижение до минимума числа грозовых отключений ЛЭП.
Исходя из условии надежности электроснабжения, допустимое число отключении воздушных линий в год принимают равным:
nоткл.доп = Nдоп/(1 ‒ βАПВ
), (6.63)
где Nдоп
‒ допустимое число перерывов электроснабжения в год (
Nдоп
≤0,1 при отсутствии резервирования и
Nдоп
≤1,0 при наличии резервирования).
В процессе ликвидации замыканий на линии, вызванных грозой, расходуется ресурс работы выключателей; трансформаторы и другое оборудование сети подвергаются электродинамическим и термическим воздействиям токов короткого замыкания.
По условию возможности практической реализации АПВ можно отметить следующее ‒ частое применение АПВ осложняет эксплуатацию выключателей, требующих в этом случае внеочередной ревизии. Исходя из этого, допускается иметь Nоткл доп
= 1 4 в зависимости от типа выключателей. для особо важных линий это число отключений должно быть уменьшено.
Задачи и критерии грозозащиты линий
Как уже отмечалось, воздушная линия ежегодно испытывает несколько десятков прямых ударов молнии на каждые 100 км длины. Главную опасность для линии представляет прямой удар молнии в фазные провода с последующим возможным перекрытием изоляции от возникающих при этом перенапряжений. После окончания импульса тока молнии на месте перекрытия остается проводящий канал с не успевшим деионизироваться газом, по которому под действием рабочего напряжения появляется ток промышленной частоты («сопровождающий» ток), переходящий в определенных случаях в устойчивую дугу, приводящую к отключению линии средствами релейной защиты.
Вероятность перекрытия Рпер
изоляции линии можно оценить, исходя из параметров линии, импульсной прочности гирлянд изоляторов и вероятности токов молнии. Число перекрытий линейной изоляции определяется как:
nпер= nудРпер
, (6.60)
где Рпер
‒ вероятность перекрытия изоляции линии.
Длительность тока молнии мала (примерно 100 мкс) по сравнению с полупериодом напряжения промышленной частоты (10 000 мкс). Немаловажную роль играет фаза рабочего напряжения в момент удара молнии. При малом мгновенном значении рабочего напряжения и достаточно большом пути импульсного перекрытия не создаются условия для устойчивого горения дуги промышленной частоты. В инженерных расчетах принято оценивать вероятность перехода импульсного перекрытия в устойчивую дугу по средней напряженности вдоль пути перекрытия при наибольшем рабочем напряжении Еср=Uнаиб,раб/lпер
. Для линий на деревянных опорах и длинных воздушных промежутков вероятность возникновения устойчивой дуги
η
определяется по формуле:
η = (1,6Еср ‒ 6) 10-2
(6.61)
где Еср
‒ средняя напряженность (действующее значение), кВ/м.
Если η
по (6.59) получается меньше 0,1 или больше 0,9, то в расчетах принимаются эти предельные значения.
Для линий на металлических опорах при номинальных напряжениях до 220 кВ принимают η
= 0,7 и при номинальных напряжениях 330 кВ и выше
‒ η
= 1,0.
Знание коэффициента η
позволяет подсчитать ожидаемое число грозовых отключений линии:
nоткл= nудРпер·η
. (6.62)
Эффективным методом повышения грозоупорности линий является оборудование и использование автоматического повторного включения (АПВ) или наличие резервного электроснабжения.
Автоматическое повторное включение (АПВ) может удержать линию в работе. В этом случае грозовое поражение не будет сопровождаться перерывом в электроснабжении. При неуспешном АПВ произойдет полное отключение линии. В задачу грозозащиты линий входит снижение до минимума числа грозовых отключений ЛЭП.
Исходя из условии надежности электроснабжения, допустимое число отключении воздушных линий в год принимают равным:
nоткл.доп = Nдоп/(1 ‒ βАПВ
), (6.63)
где Nдоп
‒ допустимое число перерывов электроснабжения в год (
Nдоп
≤0,1 при отсутствии резервирования и
Nдоп
≤1,0 при наличии резервирования).
В процессе ликвидации замыканий на линии, вызванных грозой, расходуется ресурс работы выключателей; трансформаторы и другое оборудование сети подвергаются электродинамическим и термическим воздействиям токов короткого замыкания.
По условию возможности практической реализации АПВ можно отметить следующее ‒ частое применение АПВ осложняет эксплуатацию выключателей, требующих в этом случае внеочередной ревизии. Исходя из этого, допускается иметь Nоткл доп
= 1 4 в зависимости от типа выключателей. для особо важных линий это число отключений должно быть уменьшено.
Мероприятия по применению внешней молниезащиты ВЛ
В качестве объектов защиты ВЛ (напряжение до 1000 В) можно рассматривать:
- аппаратуру, монтируемую на опорах ЛЭП, даже если она имеет, например, оборудование систем связи или сигнализации;
- ответвления от магистралей к вводам в здания;
- ответвления от магистралей к вводам в здания;
- изоляцию проводов ЛЭП.
Для того чтобы снизить величину заносимых грозовых перенапряжений и защитить ответвления от магистрали к вводам в сооружения, требуется установить УЗИП. При этом происходит следующее: токи молнии отводятся, как правило, через заземляющийся спуск, он монтируется на опоре ЛЭП в ЗУ. К заземляющему устройству подсоединяют PEN-проводник, а также крюки проводов фазы и других проводов, которые могут быть подвешены на опорах ЛЭП и арматуру железобетонных опор воздушных линий.
Нужно соблюдать требования и к заземлению. Не более 30 Ом — таким должно быть сопротивление заземляющего устройства, согласно указаниям нормативных документов.
Для того чтобы вычислить правильное расстояние между опорами с ЗУ, нужно знать средние статистические данные по активности гроз в конкретном регионе. Если за целый год среднее время гроз было продолжительностью до 40 часов включительно (регион 1), то берется значение 200 м. А вот при средней продолжительности грозовых явлений более 40 часов в год (регион 2), применяется значение 100 м. Дополнительное оборудование для ЗУ используют для следующих объектов: – на опорах ЛЭП с ответвлениями в постройки, в которых возможны скопления больших масс людей (больницы, культурные и спортивные объекты, учреждения образования и т.д.) или для объектов с большой материальной ценностью. Дополнительное оборудование ЗУ применяется на концевых опорах ЛЭП с ответвлениями. Здесь берется в расчет расстояние до ближайшего ЗУ. Для региона 1 эта цифра не более 100 м, а для региона 2 она не должна быть больше 50 м. Низковольтные вентильные разрядники или искровые промежутки также применяются в качестве дополнительных мер защиты на вводах в строения или же на концевых опорах ЛЭП.
Рисунок 5. Вентильный разрядник
Ожидаемое число грозовых отключений воздушной линии электропередачи
Ожидаемое число грозовых отключений линии в первую очередь определяется интенсивностью грозовой деятельности в районе прохождения трассы линии. Ориентируясь на средние цифры, принято считать, что на 1 км земной поверхности за один грозовой час приходится 0,067 удара молнии. С учетом того, что линия собирает на себя все удары с полосы шириной 6h (h- средняя высота подвеса провода или троса), число N поражений молнией линии длиной l за год равно
N=0,067× n ×6h× l ×10-3 ,
где n — число грозовых часов в году.
Число перекрытий изоляции воздушных линий электропередачи определяется по формуле
Nпер = N х Pпер,
где Pпер — вероятность перекрытия изоляции линии при данном токе молнии.
Не всякое импульсное перекрытие изоляции сопровождается отключением линии, так как для отключения необходим переход импульсной дуги в силовую. Вероятность перехода зависит от многих факторов, и в инженерных расчетах ее принято определять через градиент рабочего напряжения вдоль пути перекрытия Eср = Uраб / Lпер, кВ/м.
Для линий на деревянных опорах с длинными воздушными промежутками вероятность перехода в импульсную дугу h определяется по формуле
Для линий на металлических и железобетонных опорах h = 0,7 при напряжении линии до 220 кВ и h=1,0 для номинальных напряжений 330 кВ и выше.
Умножая Nпер на коэффициент η, можно подсчитать ожидаемое число грозовых отключений линии в год
В инженерной практике обычно используется удельное число отключений линии nоткл, т. е. число отключений линии длиной 100 км, проходящей в районе с числом грозовых часов в году — 30:
Для уменьшения числа грозовых отключений линии можно:
- уменьшить вероятность перекрытия изоляции при ударах молнии, что обычно достигается на воздушных линиях электропередачи с металлическими опорами подвеской тросовых молниеотводов и обеспечением малого импульсного сопротивления заземления опор и тросов,
- удлинять путь перекрытия с малым градиентом рабочего напряжения, что снижает коэффициент h перехода импульсной дуги в силовую. Последнее реализуется на воздушных линиях электропередачи с деревянными опорами.
Меры по внутренней молниезащите воздушных линий
Рассмотрим на практике, как проектируется внутренняя молниезащита ЛЭП. В качестве такого оборудования применяются УЗИП, системы уравнивания потенциалов или же, выравнивания потенциалов (по необходимости) и заземляющие устройства.
Рисунок 6. Внутренняя молниезащита (защита от перенапряжений) на ЛЭП
Существует классификация УЗИП по категориям, в зависимости от методики испытаний и установки:
УЗИП типа №1 монтируют при воздушном вводе в cтроение. Если же установлена система внешней молниезащиты ЛЭП, то устройства защиты от импульсных перенапряжений в данном варианте могут быть использованы для отвода значительной части прямого тoка мoлнии.
Наведенные импульсы тока тоже оказывают негативные воздействия на систему, для предотвращения их и применяют второй тип устройств защиты от импульсных перенапряжений. Эти устройства монтируются после первого типа УЗИП или же на вводе в сооружение.
Назначение УЗИП третьего типа — это защита важного электрического оборудования, такого как, медицинские приборы, системы обработки данных и пр. Третий тип устройств защиты от импульсных перенапряжений располагается, как правило, не более чем в 5 м по кабелю от приборов, которые подлежат защите. Третий тип УЗИП на практике монтируется в виде скрытого монтажа, например, устройства могут быть расположены прямо за розеткой или же в корпусе прибора. Назначение линии задержки – оптимально распределить мощность импульса между всеми уровнями защитной системы. На практике применяется дроссель (15 мкГн индуктивность). При отсутствии дросселя можно взять кусок кабеля (15 м и более длиной), с такой же индуктивностью.
Первоначально срабатывает УЗИП первого класса, большая часть энергии импульса уходит на него. Затем УЗИП (класс 2) уже понижает напряжение до величины, которая признана безопасной.
Нормативная база
При проектировании, монтаже, эксплуатации и ремонте ВЛ напряжением до 1000 В следует руководствоваться следующими документами:
- Правила устройства электроустановок (ПУЭ), издание 6 и 7.
- ГОСТ Р 51992–2011. Устройства защиты от импульсных перенапряжений низковольтные. Часть 1. (МЭК 61643 – 1:2005).
- СТО 56947007–29.240.02.001–2008. Методические указания по защите распределительных электрических сетей напряжением 0,4–10 кВ от грозовых перенапряжений. Стандарт ОАО «ФСК ЕЭС».
- Технический циркуляр ассоциации «Росэлектромонтаж» № 30/2012 «О выполнении молниезащиты и заземления ВЛ и ВЛИ до 1 кВ».
При выборе нормативных документов приоритет должен отдаваться ГОСТам РФ (или международным стандартам, если они находятся в ранге прямого применения), далее следуют Руководящие материалы (РД), ведомственные инструкции и руководства, носящие, как правило, справочный либо рекомендательный характер, расширяющие и дополняющие стандарты применительно к конкретным условиям отрасли.
Проектирование, монтаж, эксплуатацию и ремонт ВЛ следует поручать только специализированным организациям имеющим соответствующие лицензии (специальные разрешения) или отдельным физическим лицам (индивидуальным предпринимателям) имеющим соответствующие сертификаты (дипломы) с правом допуска для работы с соответствующими электроустановками.
Требуется консультация по организации заземления и молниезащиты для вашего объекта? Обратитесь в Технический центр ZANDZ.ru!
