Методы молниезащиты высоковольтных воздушных линий: применение линейных ограничителей и разрядников

Обеспечение надежности работы воздушных линий электропередачи (ВЛ) высокого напряжения является одной из приоритетных задач современной электроэнергетики. Статистика аварийных отключений в энергосистемах России и мира неумолимо свидетельствует: до 50-60% всех отключений ВЛ напряжением 110–750 кВ вызваны грозовыми перенапряжениями. Исторически борьба с «небесным огнем» прошла путь от простейших искровых промежутков (знаменитых «рогатых» разрядников конца XIX века) и трубчатых разрядников до вентильных разрядников с карбид-кремниевыми резисторами (SiC). Однако настоящая революция в области координации изоляции произошла в 1970-х годах с открытием варисторных свойств оксида цинка (ZnO), что привело к созданию нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН).

В данном материале мы проведем глубокий технический разбор применения современных линейных защитных аппаратов (ЛЗА), устанавливаемых непосредственно на опорах ВЛ. Мы рассмотрим физику процессов, нормативную базу и инженерные алгоритмы выбора оборудования, значительно расширив базовые представления о предмете.

1. Классификация и устройство современных молниезащитных аппаратов ВЛ

В соответствии с современной технической политикой и нормативными документами (в частности, ГОСТ Р 52725-2021 «Ограничители перенапряжений нелинейные для электроустановок переменного тока»), аппараты на основе оксидно-цинковой керамики, устанавливаемые на опорах, делятся на две фундаментальные группы по конструктивному исполнению. Это деление определяет не только устройство, но и философию защиты.

1.1. Линейный ограничитель перенапряжений (ЛО)

В международной терминологии данный класс устройств обозначается как NGLA (Non-Gapped Line Arrester). Это аппарат, предназначенный для глубокого ограничения грозовых перенапряжений, представляющий собой колонку последовательно соединенных металлооксидных варисторов.

Конструктивные особенности:

• Варисторы: «Сердцем» аппарата являются диски из оксида цинка (ZnO) с добавками висмута, сурьмы и других металлов. Микроструктура такой керамики представляет собой множество p-n переходов (границ зерен), которые при низком напряжении заперты, а при высоком — лавинообразно открываются.
• Корпус: Обычно выполняется из кремнийорганической резины (полимера), что обеспечивает гидрофобность и взрывобезопасность. В отличие от фарфора, полимер не разлетается на осколки при внутреннем КЗ.
• Отсутствие искровых промежутков: Варисторы постоянно находятся под рабочим фазным напряжением сети.
• Отделитель (коннектор): Критически важный элемент. В случае теплового пробоя варисторов (старения или поглощения избыточной энергии) отделитель срабатывает от протекания тока короткого замыкания, физически отстреливая провод заземления. Это позволяет визуально идентифицировать поврежденный аппарат и предотвращает устойчивое замыкание на землю.

1.2. Линейный разрядник (ЛР)

В международной практике известен как EGLA (Externally Gapped Line Arrester). Это гибридный аппарат, сочетающий в себе преимущества искрового промежутка и нелинейного резистора.

Конструктивные особенности:

• Искровой промежуток (ИП): Внешний воздушный промежуток отделяет варисторный блок от провода, находящегося под напряжением.
• Рабочий резистор: Блок варисторов, который гасит сопровождающий ток сети после пробоя искрового промежутка. Благодаря высокой нелинейности ZnO, ток ограничивается до значений, при которых дуга в промежутке гаснет самостоятельно при первом же переходе тока через ноль.
• Отсутствие постоянного напряжения: Варисторы не стареют от воздействия рабочего напряжения, так как подключены к сети только в момент грозового разряда.

2. Критерии выбора и стратегия применения

Применение ЛО или ЛР обеспечивает требуемую надежность эксплуатации ВЛ при воздействии грозовых перенапряжений. Ключевым показателем эффективности является среднее число грозовых отключений ВЛ, которое не должно превышать допустимого расчетного значения \( N_{г.доп} \). Это значение не является константой, а рассчитывается индивидуально для каждого энергообъекта, завися от комплекса факторов:

• Категория надежности потребителя: Допустимое число перерывов электроснабжения. Для нефтеперерабатывающих заводов или центров обработки данных (ЦОД) это число стремится к нулю.
• Эффективность автоматики: Успешность работы Автоматического Повторного Включения (АПВ). Если АПВ успешно в 90% случаев, требования к молниезащите могут быть снижены.
• Износ оборудования: Ресурс линейных выключателей и их межремонтный период. Каждое отключение КЗ «съедает» ресурс дугогасительной камеры.
• Статистика аварийности: Доля грозовых отключений в общем массиве автоматических отключений.
• Геометрия и физика сети: Длина ВЛ и расчетные величины токов короткого замыкания (КЗ).

Особую актуальность установка ЛЗА приобретает в сложных геологических и климатических условиях:

1. Районы с высоким удельным сопротивлением грунта: Скальные породы, песчаные пустыни, многолетнемерзлые грунты (вечная мерзлота). В таких условиях добиться сопротивления заземления опоры в 10–30 Ом традиционными методами практически невозможно или астрономически дорого.
2. Районы с аномальной грозовой активностью: Где число грозовых часов превышает 40–60 в год.
3. Участки с повышенными гололедно-ветровыми нагрузками: Где возможна «пляска проводов» и сближение фаз с тросом.

Алгоритм технико-экономического обоснования

Выбор между ЛО (NGLA) и ЛР (EGLA) производится на стадии проектирования по следующему многоступенчатому алгоритму:

1. Анализ исходных данных: Сбор статистики по грозовым часам, топологии трассы, типам опор (решетчатые, многогранные), текущим сопротивлениям заземляющих устройств (ЗУ).
2. Выбор схемы расстановки:
   • Защита всех трех фаз (максимальная надежность).
   • Защита только нижней фазы (минимальная защита от прямых ударов в обход троса).
   • Защита верхней и нижней фаз и т.д.
3. Выбор типа аппарата (с ИП или без): Здесь учитывается импульсная прочность изоляции, уровни квазистационарных перенапряжений (для ЛО это критично) и длины пролетов.
4. Расчет эксплуатационных параметров: Номинальное напряжение (для ЛО — класс напряжения сети, для ЛР — напряжение гашения), энергоемкость (кДж/кВ), ток пропускной способности.

3. Сравнительный анализ эксплуатации ЛР и ЛО

Для инженера-эксплуатационника крайне важно понимать разницу в обслуживании и поведении этих устройств. Ниже приведена расширенная сравнительная характеристика, основанная на опыте эксплуатации в энергосистемах.

На рисунке 1 приведены различные конфигурации установки защитных аппаратов. Инженерный выбор конкретной схемы зависит от конструкции опоры («рюмка», портал, «свечка»), количества цепей и наличия грозотроса.

Расчетное среднее число грозовых отключений ВЛ при наличии ЗА (\( N_{общ} \)) можно представить как сумму двух вероятностных величин:

Где:

• \( N_{из} \) — среднее число грозовых отключений из-за импульсных перекрытий тех гирлянд изоляторов, которые не защищены аппаратами (или при отказе защиты).
• \( N_{за} \) — среднее число отключений, вызванных физическим разрушением или тепловым пробоем самих защитных аппаратов.

4. Физика процессов и математическое моделирование молниезащиты

Для глубокого понимания принципов работы ЛР рассмотрим физику процесса на примере одноцепной ВЛ 110 кВ при ударе молнии. Основная задача системы молниезащиты — координация изоляции. Это означает, что вольт-секундная характеристика защитного аппарата должна лежать ниже вольт-секундной характеристики гирлянды изоляторов во всем диапазоне предразрядных времен.

4.1. Сценарий А: Удар молнии в опору (Обратное перекрытие)

Это наиболее частый и опасный сценарий для линий с высокими опорами или плохим заземлением. При ударе молнии в верхушку опоры (или в трос вблизи опоры) ток молнии \( I_м \) стекает в землю через конструкцию опоры и ее заземлитель. Потенциал на вершине опоры \( U_{оп}(t) \) определяется уравнением:

Где:

• \( I_м(t) \) — мгновенное значение тока молнии.
• \( R_{ЗУ} \) — импульсное сопротивление заземляющего устройства (оно может отличаться от сопротивления промышленной частоты из-за процессов ионизации грунта).
• \( L_{оп} \) — индуктивность конструкции опоры (значительный фактор для высоких опор, порядка 0.7–1.0 мкГн/м).
• \( \frac{di_м}{dt} \) — крутизна фронта тока молнии (может достигать 50–100 кА/мкс).

Механизм защиты:

1. Напряжение прикладывается к искровому промежутку ЛР и параллельно к гирлянде изоляторов.
2. Как только разность потенциалов превышает 50%-ное разрядное напряжение искрового промежутка (\( U_{0,5ИП} \approx 450 \text{ кВ} \) для зазора 37 см), происходит пробой ИП.
3. Варистор подключается параллельно гирлянде. Благодаря своей ВАХ, он жестко ограничивает напряжение на уровне остающегося напряжения \( U_{ост} \).
4. При токах молнии 5–20 кА, \( U_{ост} \) составляет 165–200 кВ.
5. Поскольку \( U_{ост} \ll U_{0,5р.г} \) (разрядное напряжение гирлянды 110 кВ составляет около 700 кВ), перекрытия изоляции не происходит. Условие координации выполнено.

4.2. Сценарий Б: Удар молнии в провод (Прорыв мимо троса)

В случае удара в провод (рис. 2, б), по линии в обе стороны распространяется волна перенапряжения \( U_в(t) \). Амплитуда этой волны связана с током молнии через волновое сопротивление канала молнии и провода \( Z_{ВЛ} \):

Волна достигает ближайшей опоры. Поскольку ее амплитуда значительно превышает \( U_{0,5ИП} \), происходит пробой искрового промежутка. Энергия волны сбрасывается через ЛР в землю. Изоляция спасена, а сопровождающий ток частоты 50 Гц гасится варистором при первом переходе через ноль.

5. Энергетические характеристики и термическая стойкость

Одним из сложнейших аспектов проектирования является выбор энергоемкости (пропускной способности по энергии) варисторов. В отличие от подстанционных ОПН, условия работы линейных аппаратов имеют специфику.

Однако грозовые воздействия создают локальные, колоссальные перегрузки. Факторы, влияющие на выделяемую в варисторе энергию:

• Параметры молнии: Главный враг варисторов — многокомпонентные молнии с длительной «хвостовой» частью импульса, несущей огромный заряд (Кулоны).
• Наличие троса (МТ): Трос принимает на себя значительную часть тока, разгружая аппараты. Без троса вся энергия идет через ЛЗА.
• Скважность установки: Если аппараты стоят на каждой опоре, ток молнии делится между соседними опорами (часть уходит через провод и срабатывает на соседях). Если аппараты стоят редко — вся нагрузка ложится на один комплект.
• Количество ЗА на опоре: При трехфазной установке вероятность одновременного срабатывания всех трех фаз при ударе в опору высока, что снижает нагрузку на заземлитель, но индивидуальная нагрузка на варисторы определяется током в ветвях.

В практической деятельности инженеры используют специализированное программное обеспечение (например, EMTP-RV, PSCAD) для моделирования этих процессов.

6. Анализ эффективности: Результаты численных исследований

Эффективность защиты нельзя оценивать умозрительно. Ниже приведены результаты численных исследований зависимости удельного числа отключений от параметров сети.

Анализ графиков показывает:

1. Даже при наличии ЛЗА сопротивление заземления \( R_{ЗУ} \) играет роль, но его влияние значительно снижается. ЛЗА позволяют эксплуатировать линии с \( R_{ЗУ} \) до 50–100 Ом, что невозможно при классической защите.
2. Установка ЛЗА только на одну фазу (обычно нижнюю или наиболее уязвимую) дает эффект, но не гарантирует полного отсутствия отключений при перекрытиях на других фазах.
3. Отсутствие троса требует установки мощных ЛЗА на все три фазы для обеспечения приемлемой надежности.

7. Экономика и заключительные рекомендации

Рынок молниезащиты сегодня предлагает широкий спектр устройств: от классических ЛО и ЛР до инновационных мультикамерных разрядников (РМК). Выбор конкретного решения — это всегда компромисс между капитальными затратами (CAPEX) и операционными расходами (OPEX), включая ущерб от недоотпуска электроэнергии.

Ключевые факторы при принятии решения:

• Ограничения ЛО: ОПН (в составе ЛО) крайне чувствительны к временным перенапряжениям (TOV — Temporary Overvoltages). При резонансных явлениях в сети или однофазных замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью (6-35 кВ) варисторы могут перегреться и разрушиться за секунды. Это требует тщательного расчета \( U_{c} \) (наибольшего длительно допустимого рабочего напряжения).
• Риск перегрузки: При прямых ударах молнии с экстремальными параметрами (амплитуда > 100-200 кА) существует риск физического разрушения варисторов. Это неизбежный статистический риск.
• Стоимость: Оснащение ЛО каждой опоры ВЛ увеличивает стоимость строительства линии на 5–15%.

Где установка ЛЗА (ЛО/ЛР) безальтернативна?

1. Переходы через водные преграды (Спецпереходы): Здесь опоры имеют огромную высоту (100+ метров), что резко увеличивает индуктивную составляющую перенапряжения, а вероятность удара молнии в высокий объект максимальна.
2. Подходы к подстанциям: Для снижения крутизны и амплитуды волны, приходящей на дорогостоящее оборудование подстанции.
3. Участки без грозотроса: В регионах с сильным гололедом, где трос часто является причиной аварий (обледенение, пляска), его демонтируют и заменяют системой ЛЗА на всех фазах.
4. Линии питания ответственных потребителей: Нефтегазовый комплекс, металлургия, военные объекты.

8. Практический расчет: Оценка эффективности применения ЛЗА

Для понимания реальной работы линейных защитных аппаратов отойдем от теории и проведем упрощенный инженерный расчет для типовой воздушной линии 110 кВ. Наша задача — определить, произойдет ли перекрытие изоляции при ударе молнии в опору (обратное перекрытие) в двух случаях: без защиты и с установкой линейного разрядника (ЛР).

8.1. Исходные данные для расчета

Схема замещения для расчета перенапряжения на изоляции при ударе в опору: \( L_{оп} \) — индуктивность опоры, \( R_{зу} \) — сопротивление заземления, \( C_{из} \) — емкость изоляции, \( Z_{в} \) — волновое сопротивление провода.

8.2. Сценарий №1: ВЛ без линейных защитных аппаратов

Рассчитаем потенциал на верхушке опоры \( U_{оп} \). В упрощенном виде (без учета коэффициента связи с проводами и отраженных волн от соседних опор) формула выглядит так:

Подставим значения:

Теперь оценим напряжение, приложенное к гирлянде изоляторов \( U_{из} \). В момент удара на фазном проводе имеется рабочее напряжение \( U_{раб} \). В худшем случае (противофаза) оно складывается с потенциалом опоры. Амплитуда фазного напряжения для 110 кВ:

Учитывая коэффициент связи \( k \) между грозотросом и проводом (обычно около 0.2–0.3), часть потенциала наводится на проводе, снижая разность потенциалов. Однако для грубой оценки «запаса прочности»:
\[ \Delta U \approx U_{оп} (1-k) + U_{ф.макс} \]
Даже если пренебречь рабочим напряжением и взять \( k=0.25 \):
\[ \Delta U_{из} \approx 1125 \cdot (1 — 0.25) \approx 844 \text{ кВ} \]

8.3. Сценарий №2: ВЛ с установленным линейным разрядником (ЛР)

Установим параллельно гирлянде линейный разрядник (EGLA) с искровым промежутком.

Параметры ЛР 110 кВ:

• Пробивное напряжение искрового промежутка \( U_{проб} \approx 450 \text{ кВ} \).
• Остающееся напряжение на варисторе при токе 10-20 кА \( U_{ост} \approx 190 \text{ кВ} \).

Ход процесса:

1. Напряжение на опоре растет по тому же закону, что и в первом случае.
2. Как только разность потенциалов на гирлянде достигает 450 кВ, искровой промежуток ЛР пробивается. Это происходит на фронте волны, за наносекунды.
3. С этого момента гирлянда оказывается зашунтированной варистором. Варистор переходит в проводящее состояние.
4. Теперь напряжение на гирлянде определяется не законом Ома для заземления, а вольт-амперной характеристикой (ВАХ) варистора.

Даже если через варистор потечет значительная часть тока молнии (например, 10 кА), напряжение на нем будет жестко ограничено:

Сравним с прочностью изоляции:

8.4. Расчет поглощаемой энергии (проверка термостойкости)

Инженер не должен забывать, что защитный аппарат может сгореть. Проверим энергоемкость. Энергия \( W \), выделяемая в варисторе, рассчитывается интегралом, но для прямоугольного импульса тока (стандарт 2 мс для пропускной способности) формула упрощается:

Для стандартного грозового импульса 8/20 мкс (микросекунд!) расчет сложнее, так как ток падает. Эмпирическая оценка для тока 10 кА:

Где \( Q \) — заряд в Кулонах. Если удар короткий (импульсный), энергия сравнительно мала (единицы кДж).
Опасность представляют многокомпонентные удары с «длинными хвостами», где заряд \( Q \) может достигать 1-2 Кл.
\[ W = 190 \text{ кВ} \cdot 0.5 \text{ Кл} = 95 \text{ кДж} \]
Типовая энергоемкость ЛО 110 кВ класса 2 или 3 по пропускной способности составляет 4–6 кДж/кВ номинального напряжения, что в сумме дает 300–450 кДж запаса.

Вывод: Аппарат с запасом выдерживает энергетическое воздействие в данном расчетном случае.

9. Интересные факты о молниезащите ВЛ

• Наносекундная реакция. Современные варисторы на основе оксида цинка (ZnO), применяемые в ЛЗА, переходят из состояния диэлектрика в состояние проводника менее чем за 50 наносекунд. Это быстрее, чем свет проходит расстояние в 15 метров, что позволяет «поймать» фронт импульса молнии до того, как он повредит изоляцию.
• Эффект «сита». Структура таблетки варистора напоминает слоеный пирог из миллионов микроскопических зерен. Границы этих зерен работают как p-n переходы: при нормальном напряжении они закрыты, но при перенапряжении открываются одновременно, пропуская ток через все тело варистора, подобно тому, как вода мгновенно проходит через сито.
• Температура солнца. В канале молнии температура может достигать 30 000 °C, что в 5 раз горячее поверхности Солнца. Искровой промежуток линейного разрядника (ЛР) и варисторный блок должны выдерживать термический удар такой мощности без разрушения, гася дугу за сотые доли секунды.
• Парадокс троса. Наличие грозозащитного троса не гарантирует 100% защиту. Примерно в 0,1–1% случаев (в зависимости от высоты опоры) молния может «прорваться» мимо троса и ударить прямо в провод. Именно для таких случаев («прорывов») установка ЛЗА является единственным спасением.
• Индикатор «смерти». Все линейные ограничители оснащаются специальным пиротехническим или термомеханическим отделителем. Если варистор стареет и перегревается, отделитель взрывается, разрывая цепь заземления. Это не только предотвращает КЗ, но и оставляет висящий шлейф («флаг»), который видно с вертолета или дрона при осмотре линии.
• Полимерная революция. Старые разрядники делали в тяжелых фарфоровых корпусах, которые при взрыве разлетались как осколочные гранаты. Современные ЛЗА залиты в кремнийорганическую резину (силикон). Даже при критической перегрузке корпус просто рвется, не создавая опасных осколков для людей и оборудования внизу.
• Рекордсмен Венесуэлы. Самым сложным местом для эксплуатации ВЛ в мире считается район озера Маракайбо (Венесуэла), где происходит до 300 грозовых дней в году (явление «Маяк Кататумбо»). Именно там впервые массово начали применять линейные ОПН на каждой фазе, так как обычная защита выходила из строя за недели.

Заключение

Применение линейных ограничителей и разрядников перевело молниезащиту ВЛ из разряда эмпирических задач в область точного инженерного расчета. Несмотря на высокие первоначальные затраты, использование ЛЗА позволяет добиться практически «нулевой» грозовой отключаемости линий, что в условиях цифровой экономики и требований к качеству электроэнергии становится новым отраслевым стандартом.

Нормативно-техническая база

• ПУЭ (Правила устройства электроустановок), 7-е издание. Глава 2.5 «Воздушные линии электропередачи напряжением выше 1 кВ» и Глава 4.2 «Распределительные устройства и подстанции напряжением выше 1 кВ». (Базовый документ, регламентирующий общие требования к защите от перенапряжений).
• ГОСТ Р 52725-2021. «Ограничители перенапряжений нелинейные для электроустановок переменного тока напряжением от 3 до 750 кВ. Общие технические условия». (Основной стандарт, определяющий характеристики и методы испытаний ОПН, являющихся основой ЛО).
• СО 153-34.21.122-2003. «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций». (Регламентирует параметры тока молнии и общие принципы зонирования защиты).
• СТО 56947004-29.240.90.248-2017. «Методические указания по выбору параметров и расстановке ограничителей перенапряжений 6-750 кВ в электрических сетях ПАО «Россети»». (Ведомственный стандарт, содержащий современные методики расчета и выбора мест установки ЛЗА).
• РД 153-34.3-35.125-99. «Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений». (Классическое руководство с методиками координации изоляции).

Список рекомендуемой литературы

1. Базелян Э. М., Райзер Ю. П. «Физика молнии и молниезащиты». — М.: Физматлит, 2001.
2. Костенко М. В. и др. «Техника высоких напряжений». — М.: Высшая школа, 1973 (и переиздания).
3. Дмитриев М. В. «Применение ограничителей перенапряжений в электрических сетях 6-750 кВ». — СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2011.

Похожие статьи

Молниезащита воздушных линий среднего напряжения: физика и анализ процессов

Обеспечение надежности электроснабжения потребителей и устойчивости работы распределительных сетей напряжением 6–35 кВ является одной из приоритетных задач современной Читать далее...

Молниезащита воздушных линий электропередачи среднего и высокого напряжения: от теории к практике эксплуатации

История борьбы человечества с разрушительной силой атмосферного электричества насчитывает столетия. От первых экспериментов Бенджамина Франклина и трагической гибели Читать далее...

Молниезащита высоковольтных кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ)

Эволюция систем передачи электроэнергии неразрывно связана с совершенствованием изоляционных материалов. Если в середине XX века доминировали маслонаполненные кабели Читать далее...

Виды воздействий молнии на изоляцию воздушных линий электропередачи

Проблема грозозащиты воздушных линий электропередачи (ВЛ) является одной из старейших и, вместе с тем, наиболее актуальных задач в Читать далее...