Виды воздействий молнии на изоляцию ВЛ: расчеты и методы защиты

Содержание страницы

1. Анализ физики перекрытия изоляции при прорыве молнии на фазный провод
2. Электродинамика удара молнии в опору ВЛ без тросовой защиты
3. Специфика поражения молниезащитного троса и механизм обратного перекрытия
4. Индуктированные перенапряжения: природа возникновения и последствия при близких ударах
5. Практический пример: Расчет грозоупорности изоляции опоры ВЛ 110 кВ
6. Интересные факты о природе молнии и защите электросетей
7. Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Заключение

Проблема грозозащиты воздушных линий электропередачи (ВЛ) является одной из старейших и, вместе с тем, наиболее актуальных задач в современной электроэнергетике. История изучения атмосферного электричества берет свое начало с середины XVIII века, когда Бенджамин Франклин в США и Михаил Ломоносов с Георгом Рихманом в России независимо друг от друга доказали электрическую природу молнии. Трагическая гибель профессора Рихмана от удара шаровой молнии в 1753 году во время эксперимента стала первым печальным свидетельством колоссальной энергии, скрытой в грозовом разряде.

С развитием высоковольтных сетей в XX веке инженеры столкнулись с необходимостью координации изоляции. Статистика показывает, что грозовые перекрытия являются причиной до 50–60% всех аварийных отключений на ВЛ в грозовой сезон. Это не только приводит к недоотпуску электроэнергии, но и вызывает динамические удары по оборудованию подстанций, старение изоляции трансформаторов и разрушение арматуры линий.

Понимание физики воздействия молнии на элементы ВЛ — это фундамент для проектирования надежных энергосистем. В данном материале мы детально разберем механизмы возникновения перенапряжений, опираясь на фундаментальные законы электротехники и действующую нормативную базу РФ (ПУЭ-7, СО 153-34.21.122-2003).

1. Анализ физики перекрытия изоляции при прорыве молнии на фазный провод

Одним из наиболее опасных сценариев для воздушной линии является прямой удар молнии (ПУМ) непосредственно в фазный провод. Это может произойти в двух случаях: при отсутствии молниезащитного троса (МТ) или при так называемом «прорыве» молнии сквозь тросовую защиту. Вероятность прорыва зависит от угла защиты троса и высоты опоры, что регламентируется руководящими указаниями по защите от перенапряжений.

Волновой процесс распространения импульса

В момент контакта канала молнии с проводом, последний выступает в роли волновода. Ток молнии $ I_м $, имеющий импульсный характер, инжектируется в провод. Поскольку линия бесконечна в обе стороны от точки удара (с точки зрения длительности фронта волны), ток разделяется на две равные части. Согласно закону Ома для бегущих волн, возникает импульс напряжения $ U_в $, который рассчитывается по формуле:

U_в = \frac{I_м \cdot Z_в}{2}

Где:

$ I_м $ — амплитудное значение тока молнии (для расчетов часто принимают статистически среднее значение $ 30 \, \text{кА} $, хотя реальные токи могут достигать $ 100-200 \, \text{кА} $);
$ Z_в $ — волновое сопротивление провода (импеданс), которое для расщепленных фаз и одиночных проводов ВЛ варьируется, но в среднем принимается равным $ 400 \, \text{Ом} $.

Подставим средние значения:

U_в = \frac{30 \, \text{кА} \cdot 400 \, \text{Ом}}{2} = 6000 \, \text{кВ}

Аналогия: Представьте узкий канал с водой (провод), в середину которого мгновенно сбрасывают огромный объем воды (ток молнии). Вода не может моментально уйти в землю или исчезнуть, поэтому от места падения в обе стороны устремляются мощные цунами (волны напряжения). Высота этой волны (6000 кВ) настолько велика, что она неминуемо перехлестнет через любые борта канала (изоляторы).

Рис. 1. Схематическое изображение перекрытия изоляции ВЛ при прорыве молнии сквозь тросовую защиту. Показано распространение волны перенапряжения $ U_в $ от точки удара к опорам.

Величина в $ 6000 \, \text{кВ} $ (6 миллионов вольт) многократно превышает импульсную электрическую прочность гирлянд изоляторов даже для линий сверхвысокого напряжения (330–500 кВ), не говоря уже о классах 35–110 кВ. Волна напряжения распространяется со скоростью, близкой к скорости света ($ 300\,000 \, \text{км/с} $), и достигает ближайшей опоры за доли микросекунды.

На ближайшей по ходу движения волны изоляционной подвеске происходит обратное перекрытие. Термин «обратное» здесь условен для фазного провода, но физически пробой идет от провода (где потенциал $ 6000 \, \text{кВ} $) на заземленную траверсу опоры (где потенциал близок к нулю). Это приводит к ионизации воздушного промежутка и созданию канала для протекания тока промышленной частоты.

Последствия для сетей различных классов напряжения

Характер дальнейших процессов критически зависит от режима заземления нейтрали сети:

Сети с эффектив но-заземленной нейтралью (110 кВ и выше):Пробой изоляции мгновенно переходит в однофазное короткое замыкание (КЗ) на землю. Токи КЗ достигают десятков килоампер. Срабатывает быстродействующая релейная защита, отключая линию. После паузы (обычно 0,5–3 секунды) срабатывает устройство автоматического повторного включения (АПВ). В большинстве случаев (успешное АПВ) за время бестоковой паузы дуга гаснет, ионизированный канал деионизируется, и работа линии восстанавливается.
Сети с изолированной или компенсированной нейтралью (6–35 кВ):Здесь ситуация сложнее. Поскольку нейтраль изолирована, контур для протекания больших токов КЗ отсутствует. Возникает режим однофазного замыкания на землю (ОЗЗ). Токи ОЗЗ определяются только емкостью сети и обычно составляют единицы или десятки ампер. Этого недостаточно для срабатывания токовых отсечек. Дуга может гореть длительное время, вызывая перенапряжения на неповрежденных фазах (до $ \sqrt{3} $ или выше при дуговых прерывистых замыканиях). Часто такой режим перерастает в междуфазное КЗ (двойное замыкание на землю), что уже приводит к отключению потребителей.

2. Электродинамика удара молнии в опору ВЛ без тросовой защиты

Рассмотрим ситуацию, характерную для ВЛ среднего напряжения или старых линий 110 кВ, где молниезащитный трос отсутствует. При прямом ударе молнии в вершину опоры, тело опоры становится проводником, отводящим колоссальный ток в землю. В соответствии с законом Кирхгофа, весь ток молнии уходит через конструкцию опоры и её заземляющее устройство (ЗУ).

Важно: Опора — это не идеальный проводник. Она обладает активным сопротивлением (хоть и малым), индуктивностью и сопротивлением заземления. Именно эти паразитные параметры создают убийственный для изоляции перепад напряжения.

Потенциал верха опоры $ U_{оп} $ относительно удаленной земли формируется двумя составляющими:

Индуктивная составляющая: Падение напряжения на индуктивности опоры ($ L \cdot di/dt $). Зависит от крутизны фронта тока молнии.
Резистивная составляющая: Падение напряжения на сопротивлении заземления ($ I \cdot R_{ЗУ} $).

Условие перекрытия изоляции (так называемое «обратное перекрытие» с опоры на провод) наступает, если разность потенциалов между опорой и фазным проводом превысит разрядное напряжение гирлянды изоляторов $ U_{50\%} $:

$$ U_{оп-пр} > U_{0,5из} $$

Математическая модель процесса

Согласно методическим указаниям [14] и действующим стандартам, оценим величину перенапряжения. Примем следующие исходные данные для «стандартной» молнии и типовой опоры:

Амплитуда тока молнии $ I_м = 30 \, \text{кА} $;
Крутизна фронта тока $ A = 20 \, \text{кА/мкс} $;
Сопротивление заземляющего устройства $ R_{ЗУ} = 20 \, \text{Ом} $ (типичное значение для суглинистых грунтов, регламентируемое ПУЭ п. 2.5.129);
Удельная индуктивность опоры $ L_{уд.оп} = 0,6 \, \text{мкГн/м} $;
Высота опоры $ h_{оп} = 30 \, \text{м} $.

Для расчета полного сопротивления опоры в частотной области необходимо определить эквивалентную частоту импульса. Если представить фронт волны как четверть периода синусоиды, то угловая частота \( \omega \) равна: $$ \omega = \frac{\pi}{2 \tau_ф} $$ Длительность фронта \( \tau_ф \) определяется как отношение амплитуды к крутизне: $$ \tau_ф = \frac{I_м}{A} = \frac{30}{20} = 1,5 \, \text{мкс} $$ Тогда частота: $$ \omega = \frac{3,14}{2 \cdot 1,5 \cdot 10^{-6}} \approx 1,05 \cdot 10^6 \, \text{рад/с} $$ Полное сопротивление опоры \( Z_{оп} \) (импеданс) вычисляется как сумма активного сопротивления заземления и реактивного сопротивления индуктивности опоры: $$ Z_{оп} = R_{ЗУ} + j\omega L_{оп} = R_{ЗУ} + j\omega (L_{уд.оп} \cdot h_{оп}) $$ $$ Z_{оп} = 20 + j(1,05 \cdot 10^6 \cdot 0,6 \cdot 10^{-6} \cdot 30) = 20 + j18,9 \, \text{Ом} $$ Модуль полного сопротивления: $$ |Z_{оп}| = \sqrt{20^2 + 18,9^2} \approx 27,5 \, \text{Ом} $$ Результирующее напряжение на изоляции: $$ U_{оп-пр} = I_м \cdot |Z_{оп}| = 30 \, \text{кА} \cdot 27,5 \, \text{Ом} = 825 \, \text{кВ} $$

Вывод по расчету: Полученное значение $ 825 \, \text{кВ} $ сравниваем с импульсной прочностью изоляции.

Для ВЛ 110 кВ $ U_{0,5из} \approx 700 \, \text{кВ} $. Поскольку $ 825 > 700 $, перекрытие произойдет с вероятностью, близкой к 100%.
Для ВЛ 35 кВ и ниже $ U_{0,5из} $ составляет всего 120–300 кВ. Перекрытие неизбежно даже при слабых токах молнии (порядка 5–10 кА).
Для ВЛ 220 кВ прочность изоляции выше, и вероятность перекрытия снижается, требуя более точных расчетов.
Для ВЛ 330–500 кВ уровень изоляции настолько высок, что перекрытия с опоры на провод случаются крайне редко (только при экстремальных параметрах молнии или плохом заземлении).

3. Специфика поражения молниезащитного троса и механизм обратного перекрытия

Молниезащитный трос (МТ) — это основной эшелон защиты высоковольтных линий. Он подвешивается выше фазных проводов и заземляется на каждой опоре, создавая зону защиты. Однако физика процесса при ударе в трос имеет свои нюансы.

Рис. 2. Иллюстрация процесса перекрытия линейной изоляции ВЛ при ударе молнии в заземленный трос. Показан путь тока через тело опоры в землю.

Согласно рис. 2, при ударе молнии в трос ток замыкается на землю через опору. С точки зрения электродинамики, процесс идентичен описанному в разделе 2: потенциал верха опоры резко возрастает, создавая угрозу обратного перекрытия изоляции фазных проводов. Однако наличие троса вносит существенные коррективы в расчеты надежности:

Эффект притяжения молнии: Система «трос-опора» имеет большую высоту, чем просто опоры, поэтому собирает на себя большее количество разрядов с большей площади. Это увеличивает общее число ударов в линию.
Эффект шунтирования и деления тока (Коэффициент $\alpha$): Трос соединяет верхушки соседних опор. При ударе в вершину опоры часть тока молнии не идет в землю через эту опору, а ответвляется в тросы к соседним опорам.
За счет ответвления тока в тросы и отражения волн от соседних заземленных опор, ток, стекающий через пораженную опору, снижается на 20–40%. Это значительно уменьшает потенциал на верху опоры и риск обратного перекрытия.
Коэффициент связи ($k_{св}$): Между тросом и фазным проводом существует электромагнитная связь. При протекании тока по тросу на проводе наводится потенциал того же знака, что уменьшает разность потенциалов $ U_{оп-пр} $.

Таким образом, применение тросов не только защищает от прямого удара в провод, но и смягчает последствия удара в опору, работая как делитель тока.

4. Индуктированные перенапряжения: природа возникновения и последствия при близких ударах

Даже если молния не попала ни в провод, ни в опору, она все равно представляет угрозу. При разряде молнии в землю рядом с трассой ВЛ (в деревья, грунт) мощное электромагнитное поле канала молнии наводит ЭДС в проводах линии. Это явление называется индуктированным перенапряжением.

Амплитуда индуктированного перенапряжения \( U_{инд} \) имеет магнитную и электрическую составляющие. Для инженерных оценок широко применяется эмпирическая формула [14]: $$ U_{инд} = \frac{30 \cdot h_{пр} \cdot I_м}{b} $$ Где: \( h_{пр} \) — средняя высота подвеса провода над землей (м); \( I_м \) — ток молнии (кА); \( b \) — кратчайшее расстояние от канала молнии до провода (м).

Анализ опасности: Максимальная амплитуда таких перенапряжений физически ограничена и редко превышает 300 кВ.

Для ВЛ 110 кВ и выше: $ U_{0,5из} > 700 \, \text{кВ} $. Индуктированные перенапряжения (300 кВ) абсолютно безопасны и не вызывают перекрытий.
Для ВЛ 35 кВ: Опасность существует, но мала. Требуется сочетание мощного тока и близкого удара (на расстоянии $ b \approx 3h_{оп} $).
Для ВЛ 6–10 кВ: Это основная причина отключений. Уровень изоляции составляет всего 80–120 кВ. Наведенные 300 кВ гарантированно пробивают изоляцию.

Сценарий многофазного перекрытия (Двойное замыкание на землю)

Индуктированная волна набегает одновременно на все три фазы (А, В, С). Рассмотрим динамику процесса на примере ВЛ 10 кВ (см. Рис. 3):

1. Напряжение на всех фазах возрастает до критического.
2. На опоре №1 (условно) происходит пробой изолятора «слабейшей» фазы, например, фазы А.
3. Траверса опоры №1 приобретает потенциал фазы А. Ток уходит в заземление этой опоры.
4. За счет взаимной индукции и падения напряжения на $ R_{ЗУ} $ опоры №1, разность потенциалов на изоляторах фаз В и С этой же опоры резко снижается. Их перекрытие становится менее вероятным (эффект «разрядки» опоры).
5. Волна перенапряжения продолжает движение по фазам В и С к соседней опоре №2. Там условия для пробоя сохраняются.
6. Происходит перекрытие, например, фазы В на опоре №2.

Рис. 3. Иллюстрация механизма перекрытия изоляторов разных фаз на соседних опорах. Фаза А перекрывается на опоре 1, фаза В — на опоре 2.

Результат: Образуется контур двойного замыкания на землю через землю и сопротивления заземления двух разных опор. Ток замыкания $ I_з $ протекает по пути: Фаза А -> Опора 1 -> Земля -> Опора 2 -> Фаза В.

Величина тока такого замыкания оценивается формулой: $$ I_з \approx \frac{U_{ном}}{2 \cdot R_з} $$ При \( U_{ном} = 10 \, \text{кВ} \) и сопротивлении заземления \( R_з \) в диапазоне 10–100 Ом, ток составит: $$ I_з = 50 \dots 500 \, \text{А} $$

Такой ток достаточен для поддержания устойчивой дуги, но может быть недостаточен для мгновенного отключения токовой отсечкой (если линия длинная). Длительное горение дуги (секунды) приводит к термическому разрушению изоляторов и, что наиболее критично, к пережогу проводов. Для современных защищенных проводов (СИП-3) это особенно опасно, так как изоляция препятствует перемещению корня дуги, локализуя нагрев в одной точке.

5. Практический пример: Расчет грозоупорности изоляции опоры ВЛ 110 кВ

Проведем детальный расчет возможности обратного перекрытия изоляции при прямом ударе молнии (ПУМ) в вершину промежуточной металлической опоры ВЛ 110 кВ, не защищенной тросом (или при обрыве троса). Данный расчет необходим для оценки эффективности заземляющих устройств и выбора изоляции.

Цель расчета: Определить, выдержит ли гирлянда изоляторов воздействие импульса напряжения, возникающего на теле опоры, или произойдет её перекрытие (аварийное отключение).

5.1. Исходные данные для расчета

Примем параметры, характерные для типовой линии электропередачи в средней полосе РФ, проходящей по грунтам с удельным сопротивлением $ \rho_{гр} \approx 100 \, \text{Ом} \cdot \text{м} $.

Параметр	Обозначение	Значение	Обоснование
Класс напряжения ВЛ	$ U_{ном} $	110 кВ	Стандартная распределительная сеть
Тип опоры	—	П110-1 (Металлическая)	Высота $ h_{оп} = 26 \, \text{м} $
Импульсное сопротивление заземления	$ R_{ЗУ} $	15 Ом	Допустимое по ПУЭ (п. 2.5.129 для $\rho > 100$)
Амплитуда тока молнии	$ I_м $	50 кА	Умеренно-сильный разряд (вероятность > 40%)
Крутизна фронта тока	$ A $	25 кА/мкс	Среднестатистическая крутизна для первого компонента
Изоляция	—	Гирлянда 7хПС-70Е	50%-ное разрядное напряжение $ U_{50\%} \approx 700 \, \text{кВ} $

5.2. Пошаговый расчет перенапряжения

Расчет выполняется методом эквивалентных параметров в комплексной форме, что позволяет учесть как активную (резистивную), так и индуктивную составляющую падения напряжения.

Техническая аналогия: Представьте, что ток молнии — это мощный поток воды, который мы пытаемся слить через узкую трубу (опору) в землю.

Сопротивление заземления ($ R_{ЗУ} $) — это узкое отверстие на выходе трубы. Чем оно уже, тем выше поднимается уровень воды (напряжение).

Индуктивность опоры ($ L_{оп} $) — это инерция воды. При резком ударе (крутой фронт) вода «упирается» и не хочет течь вниз мгновенно, создавая огромное давление в верхней части трубы.

Шаг 1: Определение параметров импульса

Определим длительность фронта импульса \( \tau_ф \), исходя из амплитуды и крутизны: $$ \tau_ф = \frac{I_м}{A} = \frac{50 \, \text{кА}}{25 \, \text{кА/мкс}} = 2,0 \, \text{мкс} $$ Рассчитаем эквивалентную угловую частоту \( \omega \), заменяющую импульс синусоидой: $$ \omega = \frac{\pi}{2 \tau_ф} = \frac{3,1415}{2 \cdot 2,0 \cdot 10^{-6}} \approx 785\,398 \, \text{рад/с} $$

Шаг 2: Расчет индуктивности опоры

Индуктивность металлической решетчатой опоры рассчитывается исходя из ее высоты и удельной индуктивности (принимаем среднее значение $ 0,6 — 0,7 \, \text{мкГн/м} $).

L_{оп} = L_{уд} \cdot h_{оп} = 0,7 \cdot 10^{-6} \, \text{Гн/м} \cdot 26 \, \text{м} = 18,2 \cdot 10^{-6} \, \text{Гн} = 18,2 \, \text{мкГн}

Шаг 3: Определение полного сопротивления (импеданса) опоры

Потенциал на вершине опоры формируется векторной суммой падений напряжений. Найдем модуль полного сопротивления $ Z_{оп} $:

Реактивное (индуктивное) сопротивление: $$ X_L = \omega \cdot L_{оп} = 785\,398 \cdot 18,2 \cdot 10^{-6} \approx 14,3 \, \text{Ом} $$ Комплексное сопротивление: $$ \underline{Z}_{оп} = R_{ЗУ} + jX_L = 15 + j14,3 \, \text{Ом} $$ Модуль сопротивления: $$ |Z_{оп}| = \sqrt{R_{ЗУ}^2 + X_L^2} = \sqrt{15^2 + 14,3^2} = \sqrt{225 + 204,49} \approx 20,7 \, \text{Ом} $$

Шаг 4: Расчет потенциала верха опоры и анализ результата

Теперь мы можем найти максимальный потенциал на траверсе опоры относительно «далекой земли»:

U_{оп}^{max} = I_м \cdot |Z_{оп}| = 50 \, \text{кА} \cdot 20,7 \, \text{Ом} = 1035 \, \text{кВ}

Критический момент: Учет рабочего напряжения!

Мы нашли потенциал опоры. Но изоляция испытывает нагрузку от разности потенциалов между опорой и проводом. В худшем случае, в момент удара молнии фазный провод находится под рабочим напряжением обратной полярности.

Амплитуда фазного напряжения для 110 кВ:
$$ U_{ф.макс} = \frac{110 \cdot \sqrt{2}}{\sqrt{3}} \approx 90 \, \text{кВ} $$

Результирующее напряжение на изоляции $ U_{из} $ в наихудшем расчетном случае:

U_{из} = U_{оп}^{max} + U_{ф.макс} = 1035 + 90 = 1125 \, \text{кВ}

5.3. Вывод по расчету

Сравним полученное значение с электрической прочностью изоляции.

Воздействующее напряжение: $ 1125 \, \text{кВ} $.
Прочность гирлянды (7хПС-70): $ \approx 700 \dots 750 \, \text{кВ} $ (при предразрядном времени 2 мкс).

Результат: $ 1125 \, \text{кВ} \gg 750 \, \text{кВ} $.

Заключение: При заданных параметрах (ток 50 кА, сопротивление заземления 15 Ом) обратное перекрытие изоляции неизбежно. Это подтверждает, что для ВЛ 110 кВ наличие молниезащитного троса является обязательным, так как он снижает ток через опору (за счет коэффициента ответвления в трос) и уменьшает вероятность подобных событий. Для линий без троса единственным способом защиты является снижение сопротивления заземления до сверхнизких значений (менее 5 Ом), что часто экономически нецелесообразно.

6. Интересные факты о природе молнии и защите электросетей

Термодинамика: Температура в канале главного разряда молнии может достигать 30 000 Кельвинов, что примерно в 5 раз выше температуры поверхности Солнца. Именно этот резкий нагрев вызывает взрывное расширение воздуха, воспринимаемое нами как гром, ударная волна которого способна разрушить изоляторы ВЛ на расстоянии нескольких метров.
Фульгуриты: При ударе молнии в грунт вблизи опоры (если заземление недостаточно эффективно) песок плавится, образуя полые стеклянные трубки — фульгуриты. Инженеры используют их наличие при раскопках как индикатор мест с аномально частой грозовой активностью для усиления защиты линий.
Полярность: Около 90% всех молний имеют отрицательную полярность (перенос отрицательного заряда облака на землю). Однако оставшиеся 10% — это «положительные гиганты». Они возникают в верхней части кучево-дождевых облаков, имеют токи до 200–300 кА (против 30 кА у обычных) и являются главной причиной разрушения самых мощных ВЛ и подстанционного оборудования.
Стримеры: Перед ударом молнии в опору или трос, от них навстречу лидеру молнии устремляется встречный разряд — стример. Высота такого встречного лидера может достигать десятков метров. Фактически, система молниезащиты не «ловит» молнию пассивно, а активно «подключается» к ней, инициируя контакт в безопасной точке (на тросе).
Стекло: В современной энергетике (ВЛ 35 кВ и выше) закаленное стекло вытесняет фарфор. Уникальный факт: при пробое или повреждении стеклянный изолятор не трескается незаметно, а рассыпается в крошку (оставаясь в гирлянде за счет «замка» — остатка шапки). Это позволяет обходчикам визуально обнаруживать место удара молнии с земли или вертолета без подъема на опору.
Корона: Перед грозовым разрядом напряженность электрического поля вокруг проводов ВЛ возрастает настолько, что возникает интенсивный коронный разряд (свечение). Этот процесс создает объемный заряд вокруг проводов, который, как ни странно, может слегка экранировать провод и немного повышать его грозоупорность в первые микросекунды развития лидера.
Шаговое напряжение: При стекании тока молнии (например, 50 кА) через заземлитель опоры, потенциал грунта вокруг нее распределяется неравномерно. На расстоянии 1 метра от опоры потенциал может быть 50 кВ, а на расстоянии 2 метров — 10 кВ. Разница в 40 кВ на длине шага человека смертельна, поэтому во время грозы категорически запрещено приближаться к опорам ВЛ.

7. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Вопрос 1: Защищает ли домашний сетевой фильтр от прямого удара молнии в ЛЭП?

К сожалению, нет. Бытовые сетевые фильтры рассчитаны на поглощение небольших коммутационных импульсов (до 1-2 кДж). Энергия прямого удара молнии исчисляется мегаджоулями. Если молния ударит в ВЛ 0,4 кВ рядом с домом, стандартный варистор в удлинителе испарится вместе с дорожками платы. Для защиты необходима каскадная система УЗИП (Устройства защиты от импульсных перенапряжений) классов I, II и III, установленная начиная с вводного щита.

Вопрос 2: Чем современные ОПН лучше старых разрядников (РВО, РВС)?

Принципиально разной физикой. Старые разрядники имели искровые промежутки, которые должны были «пробиться» при перенапряжении, и дугогасительные камеры. Это срабатывало медленно и имело большой разброс. Современные ОПН (Ограничители Перенапряжений Нелинейные) на основе оксида цинка (ZnO) не имеют искровых промежутков. Они «открыты» всегда, мгновенно (за наносекунды) меняя свое сопротивление от гигаомов до долей ома при росте напряжения, «срезая» опасный импульс без сопровождающего тока промышленной частоты.

Вопрос 3: Правда ли, что молниеотвод (трос) притягивает молнии, увеличивая риск для линии?

Это распространенный миф. Молниезащитный трос не «высасывает» молнию из облака. Он лишь создает локальное искажение электрического поля над опорой. Молния, которая уже летит в сторону линии, с высокой вероятностью ударит в самую высокую точку с наименьшим сопротивлением — в трос. Если трос убрать, то же самое количество молний ударит, но уже в фазные провода или тело опоры, что приведет к аварии.

Вопрос 4: Что такое «обратное перекрытие» простыми словами?

Представьте, что провод — это мост над рекой, а опора — свая этого моста. Обычно вода (электричество) течет по мосту. При ударе молнии в сваю (опору), уровень «воды» внутри сваи резко подскакивает вверх. Если этот всплеск выше, чем высота моста, вода «заплескивается» снизу вверх на мост. В электрике: потенциал заземленной опоры становится настолько высоким (миллион вольт), что пробивает изолятор в сторону провода, хотя обычно пробой ждут от провода.

Вопрос 5: Почему на ВЛ 110 кВ ставят один или два троса, а на ВЛ 35 кВ их часто нет вообще?

Это вопрос технико-экономического обоснования. ВЛ 110 кВ и выше являются магистральными; их отключение влияет на большие районы, поэтому затраты на тросы оправданы. ВЛ 35 кВ часто имеют меньшую высоту (меньше вероятность удара) и питают локальные нагрузки. Кроме того, изоляция 35 кВ настолько слаба, что даже при наличии троса обратные перекрытия (из-за высокого сопротивления заземления) происходили бы часто, делая трос малоэффективным без дорогих мер по улучшению заземления.

Заключение

Обеспечение молниезащиты воздушных линий — это многофакторная инженерная задача, требующая глубокого понимания физики газового разряда и волновых процессов. Как показывает анализ, для линий высокого напряжения (110 кВ и выше) основной угрозой являются прямые удары в провода и опоры, защита от которых эффективно реализуется с помощью молниезащитных тросов и качественного заземления опор (снижения $ R_{ЗУ} $).

Для распределительных сетей среднего напряжения (6–35 кВ) доминирующим фактором становятся индуктированные перенапряжения. Здесь классическая тросовая защита экономически и технически не всегда оправдана, поэтому акцент смещается на применение современной защитной аппаратуры — ограничителей перенапряжений нелинейных (ОПН) и длинноискровых разрядников, устанавливаемых непосредственно на опорах.

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.