Молниезащита ВЛ среднего напряжения: СИП-3, УЗПН

Содержание страницы

1. Применение защищенных проводов на ВЛ среднего напряжения: преимущества и скрытые угрозы
2. Защита ВЛ с применением Устройств Защиты от Перенапряжений (УЗПН)
3. Инновационная защита: Разрядники с мультикамерной системой (РМК)
4. Сравнительный анализ и критерии выбора защиты
5. Интересные факты о молниезащите и физике разряда
6. Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Заключение

Обеспечение надежности электроснабжения потребителей и устойчивости работы распределительных сетей напряжением 6–35 кВ является одной из приоритетных задач современной энергетики. Исторически сложилось так, что воздушные линии (ВЛ) среднего напряжения выполнялись неизолированными проводами (типа АС). Однако рост требований к безопасности, минимизации отчуждаемых территорий и снижению эксплуатационных расходов привел к эволюционному переходу на защищенные провода.

В данном материале мы проведем глубокий технический анализ проблем молниезащиты современных линий, рассмотрим физические процессы возникновения перенапряжений и детально разберем принцип действия передовых устройств защиты, опираясь на нормативную базу и теорию электротехники высоких напряжений.

Историческая справка: Эволюция распределительных сетей в России и мире прошла путь от использования голых проводов на деревянных опорах до внедрения самонесущих изолированных проводов (СИП). Технология СИП (в международной классификации — PAS или BLX) впервые начала массово применяться в Финляндии и Швеции в 1960-х годах как ответ на сложные климатические условия и лесистую местность. В России активное внедрение началось в конце 1990-х — начале 2000-х годов, что потребовало пересмотра подходов к грозозащите.

1. Применение защищенных проводов на ВЛ среднего напряжения: преимущества и скрытые угрозы

В современной практике проектирования и реконструкции сетей 6–35 кВ происходит активное замещение традиционных неизолированных проводов марки АС (Алюминиевый Стальной) на самонесущие изолированные провода типа СИП-3. Согласно ГОСТ 31946-2012, данные провода представляют собой токопроводящую жилу из алюминиевого сплава, покрытую слоем сшитого светостабилизированного полиэтилена (XLPE).

Конструкция провода СИП-3 схематично представлена на рисунке 1.1 (в). Переход на данную технологию обусловлен рядом фундаментальных преимуществ:

Исключение межфазных замыканий: Наличие диэлектрической оболочки предотвращает короткие замыкания (КЗ) при схлестывании проводов под воздействием ветровых нагрузок или при падении веток и деревьев (рис. 1.1, г). Это кардинально повышает надежность линии.
Компактизация линий: Высокая диэлектрическая прочность оболочки позволяет уменьшить межфазные расстояния на опорах и в пролетах. Это, в свою очередь, сокращает ширину просеки, что экономически выгодно и экологически целесообразно.
Снижение гололедных нагрузок: Гидрофобные свойства сшитого полиэтилена и его низкая адгезия к воде уменьшают интенсивность налипания мокрого снега и образования гололеда.
Механическая прочность: Использование сплавов типа АВЕ в жиле обеспечивает более высокую разрывную прочность по сравнению с мягким алюминием проводов АС.

Важно! Несмотря на термин «изолированный», провод СИП-3 считается «защищенным». Это означает, что его изоляция не рассчитана на длительное прикосновение к заземленным элементам, но кратковременные контакты он выдерживает успешно.

Однако практика эксплуатации выявила и «обратную сторону медали». В ряде случаев наблюдается снижение надежности, связанное с человеческим фактором и особенностями физики дугового разряда:

Повреждение изоляции при монтаже (волочение по грунту, использование несоответствующей арматуры).
Производственные дефекты изоляции (нарушение технологии сшивки полиэтилена).

1.1. Физика горения дуги на защищенных проводах

Ключевая проблема молниезащиты линий с СИП-3 (ВЛЗ) заключается в специфике поведения электрической дуги. Рассмотрим это подробнее с точки зрения электродинамики.

Представьте воду на горячей сковороде. Если поверхность ровная (голый провод), капля бегает по ней. Если же на поверхности есть ямка (повреждение изоляции), капля застревает там и выкипает в одной точке. Аналогично ведет себя дуга.

На традиционных ВЛ с голыми проводами (рис. 1, а, б) при грозовом перекрытии возникает силовая дуга. Под действием электродинамических сил (сила Лоренца \( \vec{F} = I \cdot [\vec{L} \times \vec{B}] \)) и термических потоков воздуха, дуга перемещается вдоль провода, выходя на защитную арматуру (рога). Это предотвращает локальный перегрев.

На ВЛЗ с проводами СИП-3 ситуация иная. При воздействии индуктированного перенапряжения пробивается изоляция в наиболее слабом месте (обычно у изолятора). Образуется канал дуги (рис. 2, а, б). Защитная оболочка препятствует перемещению корня дуги вдоль провода. Дуга «фиксируется» в одной точке (рис. 2, в). Даже при малых токах однофазного замыкания на землю (ОЗЗ), характерных для сетей с изолированной нейтралью (единицы и десятки ампер), локальное тепловыделение \( Q = I^2 R t \) оказывается достаточным для плавления алюминиевого сплава и полного пережога провода (рис. 2, г) за короткое время.

Рис. 1. Различный исход эксплуатации ВЛ при падении деревьев на линии с проводами типа АС (а, б) и СИП-3 (в, г):
а, б — провода типа АС (замыкание);
в — провод СИП-3 в разрезе: 1 – токопроводящий экран; 2 – слой из электропроводящего полиэтилена; 3 – слой изоляции из СПЭ; 4 – оболочка из атмосферостойкого СПЭ;
г — провод СИП-3 (отсутствие замыкания при касании дерева).

Именно поэтому ПУЭ-7 (пункт 2.5.118) категорически рекомендует: «На ВЛЗ 6–20 кВ рекомендуется устанавливать устройства защиты изоляции проводов при грозовых перекрытиях». Исключение составляют участки в густом лесу, где деревья выступают естественным экраном, принимая удары молнии на себя.

Рис. 2. К анализу особенностей молниезащиты ВЛЗ с защищенными проводами:
а — начало дугового перекрытия;
б — развитие дуги;
в — горение дуги в фиксированной точке из-за изоляции;
г — результат: пережог провода и его падение.

2. Защита ВЛ с применением Устройств Защиты от Перенапряжений (УЗПН)

Для решения проблемы пережога проводов СИП-3 были разработаны специализированные устройства — УЗПН. Это гибридные аппараты, сочетающие свойства нелинейных ограничителей и разрядников.

2.1. Конструкция и принцип действия УЗПН

Устройство защиты от перенапряжений (УЗПН) представляет собой комбинацию последовательно соединенных:

Ограничителя перенапряжений нелинейного (ОПН) — твердотельный аппарат на основе оксида цинка (ZnO).
Внешнего искрового промежутка — воздушный зазор, отделяющий ОПН от провода линии в нормальном режиме.

Такая конструкция предназначена для защиты ВЛ (ВЛЗ) 6–20 кВ с любым режимом нейтрали (изолированная, компенсированная, резистивная). Важно отметить, что основное назначение УЗПН — защита от индуктированных перенапряжений. При прямом ударе молнии (ПУМ) энергия разряда может превысить пропускную способность варисторов, что приведет к разрушению аппарата, хотя при малых токах молнии защита также эффективна.

Рис. 3. Конструкция УЗПН (а) и примеры его установки на опорах (б):
1 – ограничитель перенапряжений (блок варисторов);
2 – электрод 1 (со стороны ОПН);
3 – электрод 2 (со стороны провода);
4 – прокалывающий зажим (для контакта с жилой);
5 – провод типа СИП-3;
L – искровой промежуток.

2.2. Детальный алгоритм работы

Рассмотрим физику процесса срабатывания УЗПН (см. рис. 4). Процесс можно разделить на несколько этапов:

Возникновение перенапряжения: При ударе молнии вблизи линии, электромагнитное поле индуцирует на проводах волну перенапряжения. Амплитуда \( U_{ind} \) может достигать 300 кВ и выше.
Пробой искрового промежутка: Импульсная прочность штыревого изолятора составляет 135–145 кВ. Искровой промежуток УЗПН настраивается так, чтобы его пробивное напряжение было ниже (порядка 92 кВ для промежутка \( L \)). В момент времени \( t_1 \) происходит пробой воздушного промежутка УЗПН.
Ограничение напряжения: После пробоя промежутка ток начинает течь через варисторный блок ОПН. Варисторы обладают высокой нелинейностью вольт-амперной характеристики (ВАХ), описываемой формулой \( I = k U^{\alpha} \), где \( \alpha \) — коэффициент нелинейности (для ZnO \( \alpha > 30 \)). Сопротивление ОПН мгновенно падает, ограничивая напряжение на уровне остающегося напряжения (порядка 47,5 кВ).
Защита изолятора: Поскольку ОПН подключен параллельно изолятору, напряжение на изоляторе также снижается до безопасного уровня. Перекрытия изолятора и возникновения силовой дуги не происходит.
Гашение дуги: После прохождения импульса молнии напряжение на линии возвращается к номинальному (рабочему) значению \( U_{rab} \). В этот момент сопротивление варистора резко возрастает. Ток, протекающий через систему (сопровождающий ток), ограничивается до величин в несколько миллиампер. Такой слабый ток не способен поддерживать ионизацию в искровом промежутке, и дуга гаснет естественным образом при первом же переходе синусоиды через ноль.

Рис. 4. К анализу принципа действия УЗПН:
а — схема подключения;
б — вольт-секундные характеристики (координация изоляции);
в — процесс ограничения тока после импульса.

Эффективность гашения дуги определяется условием восстановления электрической прочности промежутка: \( U_{vosst}(t) > U_{seti}(t) \) Благодаря ОПН, ток сопровождающей дуги \( I_{sopr} \to 0 \), что гарантирует выполнение этого условия.

2.3. Схемы установки и эксплуатации

Для защиты от индуктированных перенапряжений, которые наводятся на всех трех фазах одновременно, допускается установка УЗПН с чередованием фаз (например, одна фаза на одной опоре, другая — на следующей), как показано на рис. 5. Однако для максимальной надежности и защиты от прямых ударов рекомендуется установка комплекта на каждую опору.

Рис. 5. Установка УЗПН на ВЛЗ 6–20 кВ для защиты от индуктированных перенапряжений.

3. Инновационная защита: Разрядники с мультикамерной системой (РМК)

Если УЗПН являются развитием классических вентильных разрядников, то мультикамерные разрядники (РМЗ) представляют собой принципиально новый класс устройств, использующих газодинамические эффекты для гашения дуги. Их часто называют защитными аппаратами второго поколения.

3.1. Классификация разрядников молниезащиты (РМЗ)

Длинноискровые разрядники (РДИ): Первое поколение. Используют эффект скользящего разряда по поверхности диэлектрика для удлинения пути дуги и предотвращения её перехода в силовую стадию.
Мультикамерные разрядники (РМК): Второе поколение. Основаны на принципе дробления дуги и интенсивного дутья в микрокамерах.

3.2. Принцип работы мультикамерной системы (МКС)

Основой устройства является профиль из силиконовой резины, в котором сформирована уникальная структура (рис. 3.1). Система состоит из множества металлических электродов, разделенных дугогасящими камерами.

Физика процесса гашения:

При воздействии перенапряжения происходит каскадный пробой промежутков между электродами внутри камер.
В малом объеме камеры (кубические миллиметры) происходит мгновенный разогрев воздуха каналом разряда. Температура плазмы достигает тысяч градусов.
Согласно закону Шарля, давление газа резко возрастает: \( P \propto T \). Так как объем камеры фиксирован и мал, возникает эффект микровзрыва.
Высокое давление выталкивает (выдувает) канал разряда через специальные сопла наружу, в атмосферу.
Каналы дуги удлиняются, интенсивно охлаждаются набегающим потоком воздуха («автодутье»). Суммарное сопротивление разрядника \( R_{\Sigma} \) резко растет.
Ток импульса перенапряжения ограничивается, а сопровождающий ток сети (50 Гц) не может поддерживаться из-за высокого сопротивления и активной деионизации. Гашение происходит за 3–7 мс (четверть периода!), что значительно быстрее, чем в устаревших трубчатых разрядниках (20–40 мс).

Ключевое преимущество МКС — отсутствие «газогенерирующих» материалов, которые выгорают (как фибра или винипласт в старых разрядниках). Дутье создается самим нагретым воздухом, поэтому эрозия стенок минимальна, а ресурс устройства огромен.

Рис. 6. Мультикамерная система:
а – начальный момент развития разряда (пробой в камерах);
б – завершающий момент развития разряда (выдувание каналов наружу);
в – фото разряда на МКС (установленной по спирали на кабель диаметром 50 мм);
1 – профиль из силиконовой резины;
2 – промежуточные электроды;
3 – дугогасящая камера;
4 – канал разряда.

3.3. Конструктивные исполнения для разных классов напряжения

Разрядники серии РМК выпускаются в различных модификациях для сетей 6–20 кВ и 35 кВ. Основное отличие — количество камер и длина системы.

Для сетей 6–20 кВ (РМК-20)

Компактные устройства, устанавливаемые непосредственно на штыревые или подвесные изоляторы. Их применение позволяет отказаться от грозотросов на ВЛ среднего напряжения, что снижает металлоемкость опор.

Рис. 7. Конструктивные элементы РМК-20 (а), его срабатывание (б) и установка на изоляционные подвески (в) и штыревые изоляторы (г).

Для сетей 35 кВ (РМКЭ-35)

Для более высоких напряжений используются экранные модули. РМКЭ-35 интегрируется в защитные экраны гирлянд изоляторов. Это элегантное инженерное решение, не требующее дополнительного места на опоре.

Рис. 8. Конструктивные элементы РМКЭ-35 (а) и его установка на гирлянду из стеклянных изоляторов (б) и полимерный изолятор (в):
1 – верхний и нижний экраны с встроенной МКС;
2 – нижний подводящий электрод;
3 – нижний отвод;
4 – промежуточные отводы;
5 – верхний подводящий электрод;
6 – траверса опоры;
7 – фазный провод;
8 – изолятор;
9, 10 – внешние искровые разрядные промежутки;
11 – защитный кожух.

4. Сравнительный анализ и критерии выбора защиты

Выбор между УЗПН и РМК зависит от конкретных условий эксплуатации, грозовой активности в регионе и бюджета проекта. Сведем ключевые различия в таблицу.

Характеристика	УЗПН (ОПН + искровой промежуток)	РМК (Мультикамерный разрядник)
Основной элемент	Варистор (ZnO)	Мультикамерная система электродов
Механизм работы	Поглощение энергии, ограничение напряжения	Гашение дуги за счет дробления и дутья
Устойчивость к Прямому Удару Молнии (ПУМ)	Низкая (риск разрушения варистора)	Высокая (отсутствуют разрушаемые элементы)
Остающееся напряжение	Фиксированное, низкое	Зависит от крутизны импульса
Требования к заземлению	Требуется качественное заземление	Менее критично (для некоторых типов)

5. Интересные факты о молниезащите и физике разряда

Температура. Канал молнии при главном разряде разогревается до 30 000 °C, что примерно в 5 раз выше температуры поверхности Солнца. Именно этот резкий нагрев вызывает мгновенное расширение воздуха, которое мы слышим как гром, и создает ударную волну, способную разрушить изоляторы без должной защиты.
Селективность. Вопреки мифу, молния не всегда бьет в самый высокий объект. На формирование лидера («щупальца» молнии, спускающегося из облака) влияет проводимость грунта и ионизация воздуха. Поэтому иногда удар приходится в линию электропередачи, стоящую рядом с более высокой вышкой сотовой связи, если заземление опоры ЛЭП выполнено лучше.
Парадокс СИП. Защищенный провод СИП-3, призванный повысить надежность сетей, без установки разрядников становится более уязвимым к грозе, чем старый голый провод. Изоляция не дает дуге двигаться, превращая её в «плазменный резак», который переплавляет алюминиевую жилу за долю секунды.
Наносекунды. Срабатывание варисторов в современных ОПН (основа УЗПН) происходит за наносекунды (менее \( 10^{-9} \) с). Для сравнения: моргание человеческого глаза длится около 100–150 миллисекунд, что в 100 миллионов раз медленнее реакции защиты.
Автодутье. В мультикамерных разрядниках (РМК) используется принцип, схожий с работой реактивного двигателя. Огромное давление, возникающее при разряде внутри крошечной камеры, выталкивает плазму наружу со сверхзвуковой скоростью, буквально «сдувая» электрическую дугу без использования механики или сложной электроники.
География. Самым «грозовым» местом на Земле считается озеро Маракайбо в Венесуэле, где молнии сверкают до 300 дней в году. В России же проектирование молниезащиты опирается на карты районирования по продолжительности гроз (от 10 до 100+ часов в год), закрепленные в ПУЭ.
Стекло. При ударе молнии в песок, окружающий опору ЛЭП, может образоваться фульгурит — «каменная молния». Это трубка из спекшегося кремния (стекла), повторяющая форму разряда в земле. Наличие фульгуритов при раскопках опоры часто свидетельствует о плохом состоянии заземляющего контура, который не смог эффективно рассеять ток.

6. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. В чем главное отличие индуктированного перенапряжения от прямого удара молнии?

Прямой удар молнии (ПУМ) — это непосредственное попадание разряда в провод или опору, несущее колоссальную энергию и токи до 200 кА. Индуктированное перенапряжение возникает во время удара молнии рядом с линией (в землю или дерево). Под действием мощного электромагнитного поля на проводах наводится «вторичный» импульс высокого напряжения (до 300 кВ). Индуктированные перенапряжения случаются гораздо чаще, чем прямые удары, и именно они являются основной причиной аварий на сетях 6–20 кВ.

2. Почему нельзя использовать старые вентильные разрядники (РВО) для защиты линий СИП?

Разрядники типа РВО морально и технически устарели. Они имеют нестабильные характеристики искровых промежутков и неспособны эффективно гасить дугу при многократных срабатываниях. Кроме того, они не обеспечивают глубокого ограничения перенапряжений, необходимого для сохранения целостности полимерной изоляции провода СИП-3. Современные нормы требуют использования ОПН, УЗПН или мультикамерных разрядников.

3. Нужно ли ставить защиту, если линия проходит через густой лес?

Согласно ПУЭ (п. 2.5.118), на участках ВЛЗ, проходящих по лесистой местности, установка устройств молниезащиты не обязательна. Высокие деревья выступают естественным экраном («громоотводом»), принимая удары на себя. Однако, это справедливо только если деревья выше опор линии и расположены достаточно близко, чтобы создать защитную зону, но не настолько, чтобы упасть на провода.

4. Как долго служат мультикамерные разрядники (РМК)?

Срок службы современных разрядников РМК составляет не менее 30 лет. В отличие от газогенерирующих разрядников прошлого поколения, где стенки камеры выгорали для создания газа, в РМК используется принцип термического расширения воздуха. Эрозия электродов и силиконового корпуса минимальна, что позволяет устройству выдерживать сотни срабатываний без ухудшения характеристик.

5. Что произойдет с УЗПН при прямом ударе молнии большой мощности?

Устройства УЗПН рассчитаны в первую очередь на индуктированные перенапряжения. При прямом ударе молнии с током, превышающим пропускную способность варисторов, может произойти тепловое разрушение блока ОПН. Однако, благодаря наличию внешнего искрового промежутка, линия, как правило, остается в работе, а поврежденное устройство просто перестает выполнять защитные функции и подлежит замене при плановом осмотре. Провод при этом не повреждается.

Заключение

Переход на защищенные провода СИП-3 является важным шагом в модернизации российских электросетей 6–35 кВ. Однако это решение требует комплексного подхода к молниезащите. Простой замены провода недостаточно — необходима установка специализированных устройств, предотвращающих пережог защитной оболочки.

Как показывают исследования и опыт эксплуатации, применение УЗПН эффективно в районах с умеренной грозовой активностью для защиты от индуктированных перенапряжений. В то же время, разрядники мультикамерного типа (РМК) демонстрируют исключительную живучесть и способны защищать линии даже при прямых ударах молнии, что делает их предпочтительными для ответственных потребителей и регионов с высокой грозовой интенсивностью.

Грамотное сочетание этих технологий, соответствующее требованиям ПУЭ и современным стандартам, позволяет достичь практически бесперебойного электроснабжения и значительно продлить срок службы сетевой инфраструктуры.

Нормативная база и стандарты

ПУЭ-7 (Правила устройства электроустановок, Издание 7).
Главы 2.5 «Воздушные линии электропередачи напряжением выше 1 кВ» и 4.2 «Распределительные устройства и подстанции». Основной документ, регламентирующий требования к защитным углам тросов, сопротивлению заземления опор и изоляционным расстояниям.
СО 153-34.21.122-2003 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций».
Утверждена приказом Минэнерго РФ № 280. Регламентирует уровни защиты и параметры токов молнии для расчетов надежности объектов энергетики.
РД 153-34.3-35.125-99 «Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений».
Базовый документ для инженеров-расчетчиков. Содержит методики расчета числа отключений, вероятности прорыва молнии через трос и параметры импульсной прочности изоляции.
СТО 56947007-29.240.044-2010 (Стандарт ПАО «ФСК ЕЭС»).
«Методические указания по обеспечению молниезащиты ВЛ и ПС 110-500 кВ». Современный корпоративный стандарт, уточняющий требования ПУЭ с учетом опыта эксплуатации магистральных сетей.
ГОСТ Р 55630-2013 «Ограничители перенапряжений нелинейные для электроустановок переменного тока».
Устанавливает технические требования к ОПН, используемым для защиты от грозовых воздействий взамен вентильных разрядников.

Список рекомендуемой литературы

Базелян Э. М., Райзер Ю. П. Физика молнии и молниезащита. — М.: Физматлит, 2001.
Костенко М. В., Богатенков И. М. Техника высоких напряжений и защита от перенапряжений. — СПб.: Системы управления, 2008.
Дмитриев В. Л. Заземляющие устройства электроустановок и молниезащита. — М.: Энергия, 2018.