ЗАЩИТА ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ОТ ГРОЗОВЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Введение

Существует много причин, по которым воздушные линии электропередачи (далее – ВЛ) могут повреждаться, выходить из строя или работать ненадлежащим образом. В этой статье рассмотрим повреждения ВЛ напряжением 110 кВ (далее – ВЛ-110), связанные с влияниями молнии.

Статья базируется на результатах обследования ВЛ-110 вблизи г. Гродно (Республика Беларусь), выполненного специалистами АЭСАТ ЭЛЕКТРИК в 2025 году.

Статью можно прочесть целиком или сразу перейти к интересующей теме:

• что такое грозоупорность;
• от чего зависит грозоупорность;
• как обеспечить грозоупорность;
• периодичность и методы измерения сопротивление заземления ВЛ;
• периодичность оценки грозоупорности;
• практическая часть обследования грозоупорности ВЛ вблизи г. Гродно;
• обработка результатов и разработка решений;
• дополнительные меры повышения грозоупорности ВЛ;
• заключение.

Теоретическая часть

Грозоупорность — устойчивость ВЛ к воздействию грозовых перенапряжений [1].

В общем случае отключения ВЛ под действием грозы связаны с перекрытием изоляции и возникающим коротким замыканием. Изоляция может быть перекрыта при ударе молнии в опору, вблизи опоры, в провод или грозотрос. В нашем обследовании рассматривались только удары молнии в грозотрос, т.к. все прочие влияния имели исчезающе малую вероятность.

Показатель грозоупорности ВЛ — число её грозовых отключений [1], которую можно выразить в абсолютных или относительных единицах. Число грозовых отключений линии за год — абсолютное значение. Относительное — число грозовых отключений на 100 км линии за год или число грозовых отключений на 100 км на 100 грозовых часов.

Грозоупорность зависит от конструктивных параметров ВЛ и природных факторов [2].

Природные факторы

Природные факторы — это ландшафт (возвышенности, низины, реки, овраги), параметры грунта (удельное сопротивление, аномалии), параметры молнии.

Обратим внимание на параметры молнии — они всегда принимаются с какой-то вероятностью и от того, какие параметры молнии приняты в расчетах, зависит состав и объем мероприятий по грозоупорности. Параметры молнии варьируются в широком диапазоне: ток молнии может достигать 200 кА, импульс тока молнии может нарастать со скоростью 72 кА за 1 мкс и длиться до 250 мкс. Но частота молний с такими параметрами — 1 на 2000. Наиболее вероятно (в 95 % случаев), что молния будет иметь ток до 8 кА, крутизна тока — до 9 кА на 1 мкс, длительность — до 30 мкс.

Абсолютная грозоупорность стоит дорого и трудно достижима. С экономической точки зрения есть смысл принимать наиболее вероятные параметры молнии, но этот же подход оставляет вероятность того, что на линию будет оказано влияние более расчетного, в результате чего она будет повреждена.

Конструктивные параметры

Конструктивные параметры — это высота, ширина, длина линии, материал опор, число цепей, параметры заземления, изоляции, грозотроса, устройств защиты от перенапряжений, число рядом стоящих линий. В общем случае конструктивные параметры определяют: вероятность удара молнии (чем выше и длиннее линия, чем меньше линий на трасе — тем выше вероятность поражения) и устойчивость к удару молнии (чем лучше изоляция и заземление, чем лучше параметры грозотроса и устройств защиты от перенапряжений — тем ниже вероятность перекрытия изоляции).

Существуют нормативные требования к числу грозовых отключений ВЛ [2]: для ВЛ-110 — 1 грозовое отключение на 100 км линии в год; для ВЛ-220 — 1 отключение за два года на 100 км линии; для ВЛ-330 — 1 отключение за пять лет на 100 км линии. Фактическое число отключений может отличаться от нормативного. Во время эксплуатации важно иметь статистику и принимать корректирующие меры при наличии аномалий.

Аномально большое число отключений имела рассматриваемая в статье ВЛ, чем и было инициировано обследование.

Грозоупорность ВЛ обеспечивается за счет корректного учета природных факторов (это значит, что информация о факторах должна быть полной и достоверной) и правильных конструктивных решений.

Конструктивные решения включают [2]:

• оснащение ВЛ грозотросами;
• обеспечение требуемого уровня изоляции проводов;
• применение устройств защиты от перенапряжений;
• нормирование сопротивления заземляющего устройства.

Рассмотрим требования к сопротивлению заземляющего устройства ВЛ и параметры устройств защиты от перенапряжений.

Заземляющие устройства ВЛ

Сопротивление заземления ВЛ относительно легко контролировать и изменять во время эксплуатации. Эти действия не требуют отключений ВЛ и высотных работ. Тогда как низкое сопротивление заземления значительно повышает грозоупорность линий.

Требования к сопротивлению заземления зависит от конструкции ВЛ и параметра грунтов. Сводка требований к сопротивлению заземления по ТКП 339 приведена в таблице 1.

Таблица 1. Требования к сопротивлению заземления по ТКП 339

Обследованная АЭСАТ ЭЛЕКТРИК ВЛ имеет двухцепное исполнение, на части опор предусмотрена установка устройств защиты от перенапряжений, удельное сопротивление грунта варьируется от 75 до 3000 Ом·м. По этим параметрам нормативная величина сопротивления принята 10 и 15 Ом при удельном сопротивлении грунта до 1000 Ом·м и выше соответственно.

Устройства защиты от перенапряжений

Устройства защиты от перенапряжений (далее — УЗП) — дополнительная мера для повышения грозоупорности ВЛ. Когда под действием молнии напряжение поднимается выше некоторого значения, УЗП на короткое время шунтирует изоляцию, не допуская устойчивых повреждений.

Основные параметры УЗП — пропускная способность и напряжение срабатывания. Пропускная способность — ток, который УЗП может пропустить без его повреждения. Напряжение срабатывания — напряжение, при котором УЗП открывается и пропускает через себя импульс тока.

УЗП реализуются в виде искровых промежутков, нелинейных элементов или в виде их комбинации и может иметь разное конструктивное исполнение.

Нормативные требования к измерениям

Сопротивление заземления ВЛ необходимо измерять перед её вводом в эксплуатацию, затем каждые 12 лет [4, п.Б.29.4]. Измерения выполняют на токах промышленной частоты в период наибольшего значения (т.е. когда грунт наиболее сухой). Измерения можно провести и в другие периоды, но результат должен быть скорректирован на сезонный коэффициент [3, п.5.3.9.15].

Сам сезонный коэффициент в белорусских ТНПА не указан, также как и методы измерения сопротивления заземления ВЛ.

Сопротивление заземления ВЛ с грозотросом не может быть определено стандартным четырехпроводным методом в связи с тем, что при измерениях часть тока оттекает по грозотросу, и показываемое прибором значение сопротивления оказывается недостоверным. Необходимо или отключать грозотрос или применять специальные методы, которые описаны в:

• РД 153-34.0-20.525-00. Методические указания по контролю состояния заземляющих устройств электроустановок.
• МР 09110.20.360-01. Методические рекомендации по рациональному выполнению заземляющих устройств и пособие по их измерениям в сетях 0,38-10 кВ.

Эти документы не имеют официального статуса в Беларуси. Среди действующих в Беларуси стандартов описание метода измерения есть в:

• СТП 09110.20.189-12. Методические указания по проектированию и выполнению заземляющих устройств опор ВЛ напряжением 35-750 кВ.

Но в СТП 09110.20.189-12 приведен простой четырехпроводный метод, который не применим для ВЛ с грозотросом.

В связи со сказанным выше, для проведения измерений необходимо пользоваться или не имеющими статуса документами, или руководством по эксплуатации на измерительные приборы, или узаконивать методы путем разработки и аттестации методик выполнения измерений.

Методы измерения

Известны следующие методы измерения сопротивления заземления ВЛ без отключения грозотроса [2]:

• метод СибНИИЭ;
• импульсный метод МЭИ-ЭЛНАП;
• метод с токоизмерительными клещами.

У метода с токовыми клещами есть две реализации:

• схема с клещами при измерении четырехпроводным методом;
• схема двух клещей.

Дадим краткую характеристику перечисленным методам измерения.

Метод СибНИИЭ изображен на рисунке 1. По этому методу выполняется серия из трех измерений, в результате чего находят сопротивления R1, R2, R3. Истинное значение сопротивления опоры R находится путем вычисления (формула приведена на рисунке).

Рисунок 1. Метод СибНИИЭ измерения сопротивления заземления ВЛ

Импульсный метод МЭИ-ЭЛНАП аналогичен четырехпроводному методу. Отличие заключается в применение импульсного генератора тока ГАИ, который создает апериодический импульс тока, по форме сопоставимого с грозовым. Напряжение измеряется селективным импульсным вольтметром.

Метод с токовыми клещами показан на рисунке 2. Измерения выполняют стандартным четырехпроводным методом. Отличие заключается в применении токовый клещей, которыми измеряют часть тока, стекающего в грунт, что позволяет исключить ток, стекающий в грозотрос.

Рисунок 2. Схема измерения сопротивления заземления ВЛ с токовыми клещами

На рисунке 3 показано практическое применение метода с токовыми клещами.

Рисунок 3. Практическое применение метода с токовыми клещами

Метод двух клещей похож на метод с токовыми клещами. Отличие в том, что ток, который стекает в заземлитель, генерируется специальными токовыми клещами и измеряется вторыми клещами. Практическое применение метода показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Практическое применение метода с двумя токовыми клещами

У метода с токовыми клещами есть ограничения:

1. Их можно применять при наличии вывода заземлителя, когда есть возможность подключения токовых клещей.
2. Их можно применять, когда вывод заземлителя один, либо необходима группа токовых клещей или клещи специального исполнения, которые могут охватить каждый вывод заземлителя.
3. Метод с двумя токовыми клещами применим для серии опор с обособленными заземлителями, соединенных грозотросом. Если между опорами нет грозотроса или если они имеют общий заземлитель – метод неприменим.

При обследовании ВЛ-110 АЭСАТ ЭЛЕКТРИК были применены все упомянутые методы.

Наш опыт показал следующее:

1. Метод с токовыми клещами и метод СибНИИЭ имеют близкие результаты.
2. Метод МЭИ-ЭЛНАП дал заниженные значения относительно других методов.

В своем анализе мы ориентировались на результаты по методу СибНИИЭ и методам с токовыми клещами.

Грозоупорность ВЛ должна поддерживаться во время эксплуатации. Для этого необходимо контролировать параметры ВЛ и, при необходимости, выполнять корректирующие мероприятия. Объем и периодичность эксплуатационного контроля параметров ВЛ, связанных с грозоупорностью, приведены в таблице 2 (на основании требований ТКП 181-2023).

Таблица 2. Периодичность контроля параметров ВЛ, связанных с грозоупорностью

В этой части расскажем про выполненное АЭСАТ ЭЛЕКТРИК обследование ВЛ-110 вблизи г. Гродно.

Цель обследования

Цель обследования – повысить грозоупорность ВЛ-110. Работа инициирована в связи с частыми отключениями ВЛ-110 в грозовой период. Линия питает ответственного потребителя, частые отключения линии были неприемлемы.

Для достижения цели решены следующие задачи:

• сбор информации о текущих параметрах ВЛ;
• аналитическая обработка собранной информации и разработка решений.

Объект обследования

Объект обследования – ВЛ-110, расположенная вблизи г. Гродно (Беларусь). Линия построена на опорах типа ПБ 110 и У 110 высотой от 26 до 45 м, проходит по равнинной местности, пересекает овраги и реку Неман. На протяжении всей трассы подвешен грозотрос.

Грозовая активность в регионе составляет 28 грозовых дней в год (умеренная активность). Срок эксплуатации линии — около 50 лет, за это время модернизаций и реконструкций не выполнялось.

Фотографии линии показаны на рисунке 5.

Рисунок 5. Фотографии линии

Методы обследования и расчетов

Обследование состояло из двух частей: полевой и офисной.

В полевых условиях:

• визуально и с помощью оптики обследовано состояние опор, заземляющих проводников, грозотроса;
• нанесены GPS-координаты опор;
• измерено удельное сопротивление грунта вблизи каждой опоры;
• измерено сопротивление заземления каждой опоры.

Измерения сопротивления опор выполнено методом СибНИИЭ, МЭИ-ЭЛНАП и методами с токовыми клещами. Сопротивление заземления части опор измерено четырьмя методами. У нас получилась хорошая сопоставимость методов с токовыми клещами и СИбНИИЭ. Метод МЭИ-ЭЛНАП дал заниженные значения сопротивления.

Процесс измерения показан на рисунке 6.

Рисунок 6. Процесс измерения сопротивления заземления

Для оперативности передвижения применяли квадроцикл, что значительно сократило время полевых работ.

Рисунок 7. Процесс измерения сопротивления заземления

В результате полевого обследования:

• установлены опоры ВЛ, где сопротивление заземления превышает нормативное;
• собраны исходные данные для расчетов.

В офисных условиях выполнена обработка собранной информации. На диаграмме (рисунок 8) приведены значения сопротивления заземления опор ВЛ и удельного сопротивления грунта.

Рисунок 8. Диаграмма с результатами измерения сопротивления заземления и удельного сопротивления грунта

Анализ данных показывает: сопротивление заземления варьируется от 1 до 105 Ом, удельное сопротивление грунта от 75 до 3000 Ом·м. Между удельным сопротивление грунтом и сопротивлением заземления опор наблюдается сильная корреляция: чем выше удельное сопротивление грунта, тем выше сопротивление заземления.

У третьей части опор сопротивление заземления было завышено, для них разработана новая схема заземления. Для этого применено специальное программное обеспечение. В нем моделировался новый заземлитель, выполнялись расчеты сопротивления и распределения потенциалов. Пример модели и результата расчетов показан на рисунке 9.

Рисунок 9. Модель и результаты расчета сопротивления заземления

Оптимальные расчетные варианты схем заземления были реализованы в виде чертежей (пример приведен на рисунке 10).

Рисунок 10. Чертеж схемы заземления опоры (исходный вариант)

Для части опор разработано два варианта: устройство локального заземлителя или объединение заземлителей нескольких опор. Для достижения низкого значения сопротивления заземления локального заземлителя требовалось большое количество металла, поэтому для снижения металлоемкости был предложен альтернативный вариант — соединить заземлители соседних опор (пример приведен на рисунке 11).

Рисунок 11. Чертеж схемы заземления опоры (альтернативный вариант)

Дополнительной мерой повышения грозоупорности ВЛ является установка устройств защиты от перенапряжений. Для проработки этого варианта мы обратились к АО «Стример».

АО «Стример» предложило варианты установки УЗП с разной надежностью защиты и стоимостью мероприятий. Отличия вариантов заключаются в установке УЗП на все провода, на четыре или два верхних провода; установка УЗП на все опоры или на часть опор, главным образом, на высоких участках, на переходах через реки и овраги, на участках с высокой поражаемостью молнии.

Надежность работы УЗП в том числе зависит от сопротивления заземления опор. Результат оценки эффективности УЗП в зависимости от числа УЗП и сопротивления заземления опор приведен на рисунке 12.

Рисунок 12. Оценка эффективности УЗП в зависимости от их числа и сопротивления заземления опор ВЛ

Варианты установки УЗП для обследованной линии и оценка эффективности вариантов приведена в таблице 3.

Таблица 3. Варианты установки УЗП и оценка их эффективности

Основные выводы применения УЗП следующие:

• установка УЗП снижает число грозовых отключений;
• чем больше УЗП, тем меньше число грозовых отключений;
• чем ниже сопротивление заземления опор ВЛ, тем выше эффективность работы УЗП.

В статье приведена теория и практика обеспечения грозоупорности воздушных линий, напряжением 110 кВ. Статья базируется на материале обследования ВЛ-110 вблизи г. Гродно, выполненного АЭСАТ ЭЛЕКТРИК.

Обследование заключалось в оценке текущего состояния грозоупорности ВЛ-110 и разработке решений по её повышению. Текущее состояние грозоупорности оценено путем анализа эксплуатационной документации, измерения сопротивления заземления и удельного сопротивления грунта, осмотра грозотроса и элементов заземления опор ВЛ.

Измерения выполнены методами СибНИИЭ, МЭИ-ЭЛНАП и с применением токовых клещей. Результаты измерений систематизированы, и аналитически обработаны, составлены модели и чертежи новых заземлений. Новое заземление предусмотрено для опор ВЛ с сопротивлением заземления, превышающим нормативное.

В качестве дополнительной меры повышения грозоупорности предложена установка устройств защиты от перенапряжений.

В статье даны ссылки на следующие источники:

1. СТО 56947007-29.240.02.001-2008. Методические указания по защите распределительных электрических сетей напряжением 0,4-10 кВ от грозовых перенапряжений.
2. РД 153-34.3-35.125-99. Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений.
3. ТКП 339-2022. Электроустановки напряжением до 750 кВ.
4. ТКП 181-2023. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей.

Услуги компании

Больше информации об услугах компании смотрите по ссылке.

Больше информации о компании смотрите на разделах сайта.

Контакты для связи.