Грозозащита: отвести и погасить

«Виной всему то, что некоторые из нас слишком привлекательны, как сказала старушка, когда в нее ударила молния». Джером К. Джером

В каждый квадратный километр Российской Федерации бьет в среднем три молнии за год. Следовательно, в ЛЭП протяженностью 100 км. за сезон попадает 50 молний – то есть в среднем две в неделю. При попадании разряда в провод с большой вероятностью происходит пробой изоляции и отключение линии. Как правило, от прямого удара молнии (ПУМ) провода защищают тросовой системой грозозащиты. Но и «непрямые» удары достаточно сильно влияют на работу ЛЭП. Как замечает профессор, доктор технических наук, заведующий лабораторией молниезащиты ЭНИН им. Г.М. Кржижановского Эдуард Базелян, мощная молния может нести разряд до 200 тыс. А. Если такая молния попадет в грозотрос или опору электрической линии, в процессе стекания заряда в землю, в проводах ЛЭП возникнет напряжение, так же способное пробить изоляцию. Но даже если пробоя не произошло, возникновение грозовых перенапряжений в проводах может привести к срабатыванию или разрушению автоматики (даже если она находится на большом удалении от места удара молнии), что так же приведет к отключению линии, а возможно и к аварии на подстанции.
Кстати, к отключениям и авариям чаще приводят не прямые удары молний, а перенапряжения в сетях, вызванные грозовыми разрядами, попавшими в молниеотвод, опору ЛЭП или в землю. Как сообщили на ОАО «НПО «Стример», аварийные отключения воздушных линий 6, 10 кВ по причине грозовых перенапряжений составляют до 40 % от общего числа их отключений. Опыт эксплуатации энергообъектов и результаты исследований показывает: создать воздушные ЛЭП и подстанции, запитанные от них, обладающие абсолютной защитой от грозовых разрядов невозможно. Приходится сознательно идти на то, что эти объекты какое-то число раз в год будут отключаться. В задачу грозозащиты входит снижение числа грозовых отключений до минимума.


Внешняя и внутренняя защита

Комплекс средств молниезащиты трансформаторных подстанций (как и любых зданий и сооружений) включает в себя устройства защиты от прямых ударов молнии (внешняя молниезащитная система) и устройства защиты от вторичных воздействий молнии (внутренняя молниезащитная система). Что касается молниезащиты воздушных ЛЭП, то здесь разделить ее на внутреннюю и внешнюю получается не всегда. Так как устройства, защищающие линию от внутренних перенапряжений (функции внутренней защиты) берут на себя и работу по отводу в землю грозовых разрядов, попавших непосредственно в провода (функции внешней защиты).
Итак, внешняя молниезащита предназначена для того, чтобы увести энергию разряда в землю. Здания и сооружения электрических подстанций, имеющие металлические конструкции или металлическую кровлю, защищаются от прямых ударов молнии путем надежного заземления (импульсное сопротивление не более 10 Ом). Все остальные сооружения, а также территории открытого распределительного устройства (ОРУ) защищаются стержневыми молниеотводами.
Основное назначение внутренней молниезащиты — это защита электронного оборудования и электропроводки от импульса перенапряжения, который возникает в проводниках не только при прямом, но и при удаленном (до 1—2 км) ударе молнии. Внутренняя молниезащита включает в себя шину выравнивания потенциалов (она объединяет все протяженные металлоконструкции сооружения), и устройства защиты от импульсного перенапряжения (УЗИП). В качестве последних могут использоваться защитные автоматы, разрядники и ограничители перенапряжения. Задача УЗИП – нейтрализация импульса перенапряжения, возникающего в проводных линиях подстанции.


Молниеотводы

Классический (пассивный) молниеотвод появился почти 250 лет назад. И с тех пор принципиально не изменился. Это металлический прут, установленный над крышей здания или на отдельно стоящей мачте и соединенный проводящим кабелем с точками заземления, через которые и происходит безопасное рассеивание заряда. Нередко для зданий и сооружений применяются молниеотводы в виде струны, либо в виде сетки, покрывающей крышу здания. Для защиты воздушных ЛЭП применятся тросовая защита – трос, протянутый на опорах выше фазных проводов и заземленный через опоры или специальный проводник. Как считает, главный специалист ЛенОКП-сектор подстанций ЗАО «ЭнергоПроект» Юрий Герасимов, тросовая защита – надежное средство грозозащиты воздушных линий и ее широкое использование оправдано на большей части территории России. Сейчас, правда наметилась тенденция замены тросовой защиты ЛЭП разрядниками, но об этом позже.
Что касается молниеотводов для защиты зданий и сооружений, то сегодня на рынок все активнее продвигаются так называемые активные молниеотводы. Принцип их действия основан на создании опережающего разряда в сторону молнии. По образованному каналу происходит передача перехваченного тока разряда молнии в систему заземления. Производители уверяют, что активный молниеотвод перехватывает грозовые разряды на большей территории и с гораздо большей вероятностью, чем обычный молниеотвод.
К слову, активный молниеотвод нельзя считать изобретением последних лет. Первый его проект был предложен еще в 1931 году. Собственно именно тогда родилась идея опережающего разряда, направленного вверх. Для его создания использовалась разница потенциалов, возникающая при грозе на изолированных друг от друга металлических частях (усах) молниеотвода и, ионизирующий радиоактивный препарат, нанесенный на стержень молниеотвода. Благодаря разнице потенциалов возникала тяга заряженных частиц и над острием молниеотвода создавалась восходящая струя токопроводящего ионизированного воздуха. Молниеотвод как бы подрастал. Серьезным недостатком этой и ряда следующих моделей активных молниеотводов было использование в качестве ионизирующего элемента – радия (испускающего весьма неприятные гамма-лучи). В последствие разработчики активных молниеотводов перешли на другие ионизирующие вещества. Сегодняшние модели с точки зрения радиоактивности опасности не представляют. Тем не менее, в России их распространение идет не очень активно. Вот что говорит Юрий Герасимов: «Предлагающиеся сейчас на рынке системы так называемой активной молниезащиты не апробированы, не имеют расчетной методики. Заявляемые зоны защиты не могут быть проверены. Системы несут в себе нераскрываемое ноу-хау».

* * *

Чаще всего перенапряжение, индуцированное разрядом молнии, поражает электрические сети объектов, питаемых от воздушных линий электропередач. И большинство электрических подстанций однозначно входят в группу риска. Правда, как замечает технический директор ООО «ЭЗОП» Михаил Кузнецов, страдает от перенапряжений почти исключительно «низкая» часть подстанций – т.е. линии и устройства, работающие под низким и средним напряжением (для «высокой» части – 110 кВ и выше – перенапряжения почти не опасны). Для защиты «низкой» части подстанций от грозовых перенапряжений используются особый подход к компоновке оборудования, уравнивание потенциалов и УЗИП. О последних чуть подробнее.


Нелинейные ограничители перенапряжений

Всеобщее увлечение электроникой и микропроцессорами лишь в очень малой степени затронуло сферу грозозащиты. Автоматические выключатели с электронным управлением специалисты не считают надежной защитой от грозовых перенапряжений. Сам автоматический выключатель нередко повреждается импульсом тока, индуцированным грозовым разрядом (например, происходит приваривание контактов) и не может выполнить свои функции. Гораздо большее распространение в качестве УЗИП получили разрядники и нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН).
Сердце ОПН – нелинейный резистор, он же варистор. Для защиты электрооборудования от грозовых или коммутационных перенапряжений ОПН включается параллельно оборудованию (рис. 1). Пока напряжение в сети близко к номинальному, варистор ведет себя почти как диэлектрик (через него протекает ток в десятые доли миллиампера). Но если в сети появляются грозовые или коммутационные импульсы, сопротивление варистора резко снижается. И он сбрасывает импульс через себя. После чего опять «запирается». Напряжение на оборудовании в течение всего этого процесса остается в пределах допустимого.


РИС. 1 ОПН включается параллельно оборудованию

С помощью ОПН можно защищать не только отдельные блоки и элементы подстанций. Ведущий инженер отдела высоковольтных линий ООО «ПКЦ «ГлобалЭлектро» Марина Хайрутдинова считает, что ОПНы следует ставить на порталы – на месте захода ЛЭП на подстанцию. Аналогичных воззрений придерживается Юрий Герасимов: «Системы защиты подстанций от воздействий молнии известны и достаточны при их грамотном применении. Считаю полезным для повышения грозозащиты подстанции широко применять схемы с установкой ОПН на входе каждой воздушной линии».


Разрядники

Если упрощенно, разрядник выполняет ту же работу, что и ОПН. Он так же работает диэлектриком при рабочем напряжении, и пропускает через себя скачки напряжения. Вот только принцип срабатывания у разрядника иной – вместо нелинейного резистора у него есть зазор между двумя электродами. При возникновении импульсного перенапряжения, зазор пробивается искрой, и импульс уходит в землю, не повредив оборудование. Главное, сразу после этого надо погасить электрическую дугу, образовавшуюся между электродами. Если этого не сделать, возникнет короткое замыкание и подстанция выключится из работы. Сегодня производители предлагают, по крайней мере, четыре типа разрядников, отличающихся механизмом гашения дуги: трубчатый разрядник, вентильный разрядник, магнитовентильный разрядник и разрядник длинно-искровой. Последний, впрочем, применяется почти исключительно для защиты ЛЭП.
В плане защиты проводки и оборудования в зданиях и сооружениях наилучшие перспективы сегодня у вентильных и магнитовентильных разрядников. В отличие от трубчатых и длинноискровых, они не выбрасывают раскаленные газы в момент срабатывания и обладают еще рядом полезных качеств.
В то же время пока не определился лидер в противостоянии «разрядник – ОПН». Среди проектировщиков и эксплуатантов подстанций есть поклонники и того и другого оборудования. И пока наблюдается некий «баланс популярности». Есть правда такое ощущение, что иностранные производители охотнее выходят на российский рынок с разрядниками, нежели с ОПН. Вот что говорит представитель одной иностранной электротехнической компании: «Защита электрической цепи и подключенного к ней оборудования может оказаться бесполезной, если последствиями срабатывания УЗИП окажется кратковременный перерыв питания защищаемой аппаратуры или сбои в передаче передаваемых команд. Защита строится так, чтобы не изменить технических характеристик защищаемых каналов в нежелательную сторону. В частности, по этой причине мы предлагаем заменить ОПН искровыми разрядниками специального исполнения. Они полностью исключают опасность плазменных выбросов в атмосферу при своем срабатывании, совершенно нечувствительны к локальным длительным повышениям коммутационных перенапряжений (например, из-за перекоса фаз) и гарантируют столь малое время срабатывания и гашения дуги сопровождающего тока, что при его величине около 500 А оставляют неповрежденными плавкие вставки, рассчитанные на 20 А».
И все это при том, что упомянутая компания имеет в своей линейке как разрядники, так и ОПН… Впрочем, мысли о большей симпатии иностранцев к разрядникам, это именно ощущение, так сказать, на кончиках пальцев…
* * *
И все же следует заметить, что качества и характеристики УЗИП – это далеко не все, а может даже – не самое главное. Молниезащита объекта будет действительно надежной только в случае ее грамотного расчета, проектирования и воплощения. Но даже это еще не все. Многое зависит и от самого объекта. Если подстанция изначально спроектирована без учета требований молниезащиты, то обеспечить сохранность ее оборудования от грозовых импульсов будет проблематично. Как считает Михаил Кузнецов, при грамотном проекте для защиты подстанции достаточно будет всего двух-трех УЗИП. Если же проект неудачный, то УЗИПы можно поставить хоть через каждые 10 метров. Все равно не поможет…


Защита воздушных линий

Если же говорить о защите воздушных линий, то здесь предпочтения российских  проектировщиков и эксплуатантов выражены куда более ярко. Сегодня в моде длинноискровые разрядники. И даже не просто разрядники, а принципиально новое изделие – мультикамерные изоляторы-разрядники (ИРМК), разработанные ОАО «НПО Стример». Основа разрядника – большое количество промежуточных электродов (шариков), вмонтированных в обод кольца из силиконовой резины. Это мультикамерная система (МКС). При возникновении грозового импульса пробиваются искровые промежутки (первый – между электродом, соединенным с проводом и МКС, второй – между МКС и электродом, соединенным с заземленной опорой, если используется несколько ИРМК, то пробиваются искровые промежутки между ними), ну и, разумеется, импульс проходит по МКС (см. рис. 2). МКС содержит много электродов, поэтому после прохода разряда между ними возникает много маленьких дуг, которые, благодаря быстрому расширению воздуха в камерах (между электродами), в течение микросекунд выдуваются наружу и гаснут (см. рис. 3).


РИС. 2 ИРМК в момент срабатывания

Сама схема длинноискрового разрядника была разработана еще несколько лет назад. Но до последнего времени эта технология применялась для защиты воздушных линий до 35 кВ. Когда же появился ИРМК, появилась возможность применять длинноискровую защиту на воздушных ЛЭП любого класса напряжения. Ведь с увеличением класса увеличивается число изоляторов в гирлянде, и соответственно увеличивается номинальное напряжение и дугогасящая способность гирлянды из ИРМК.


РИС. 3. Мультикамерная система (МКС):
а) начальный момент развития разрядов;
б) завершающий момент развития разрядов;
1 – профиль из силиконовой резины; 2 – промежуточные электроды; 3 – дугогасящая камера; 4 – канал разряда.


ОПН на воздушных линиях


Еще одной сравнительно свежей технологией можно считать применение ОПН для защиты воздушных линий (рис. 4). В Европе и Японии, кстати, ОПН в этом качестве используются более широко, чем разрядники. Но стоит учесть, что описанные выше длинноискровые разрядники – это российское изобретение и в мире они пока малоизвестны. Вполне вероятно, что если бы данная технология была известна в Европе, она была более популярной, чем ОПН. Тем более, что хотя ОПН надежно защищают ЛЭП от индуцированных импульсов, но при прямых ударах молнии в токоведущий провод они часто выходят из строя.


РИС. 4 Установка ОПН на воздушной линии
1 ограничитель напряжения (ОПН)
2 электрод ОПН
3 электрод, соединенный с проводом
4 зажим
5 провод
L искровой промежуток

Как правило, ОПН используются для защиты воздушных линий с изолированным проводом. Тем не менее, нет принципиальных запретов на использование их для ЛЭП с голыми проводами, равно как нет причины при возведении ЛЭП с изолированным проводом отказываться от разрядников. Пожалуй, сегодня в России как раз идет процесс апробации и сравнения этих технологий.
Юрий Герасимов: «Надежность работы УЗИП на воздушных линиях определяется качеством ОПН, входящего в его состав, и схемой его установки. В настоящее время ОПН хорошего качества выпускают многие производители. Наиболее надежной схемой разрядника представляется безыскровое присоединение ОПН к фазному проводу с отделителем в заземляющей цепи. Опыт использования ОПН на ВЛ в России невелик, но его имеют ЗАО «ЗЭУ», ЗАО «Полимер-аппарат».
При этом, как замечает сам Юрий Александрович, полная замена тросовой защиты ВЛЭП разрядниками неразумна. Использование разрядников или ОПН вместо троса на воздушных линиях оправдано не всегда, а только в определенных случаях, а именно: в районах частого гололедообразования и повышенной грозовой активности, при плохой проводимости грунтов, при недопущении даже кратковременного перерыва электроснабжения потребителей. Применение разрядников вместо тросовой защиты связано с существенным увеличением капитальных затрат и эксплуатационных расходов. При этом следует продолжать работы по предотвращению (снижению темпа) коррозии грозозащитных тросов


Комментарии экспертов Energyland.info

Юрий Герасимов, главный специалист ЛенОКП-сектор подстанций ЗАО «ЭнергоПроект»:
- На подстанциях индуцированные перенапряжения возникают вследствие прямых ударов молнии в молниеотводы. Грозовые воздействия вызывают изменения электромагнитной обстановки на подстанциях, что сказывается на низковольтных цепях. Помехи из-за таких воздействий могут вызвать сбои релейной защиты, автоматики (РЗА) и пр. Особенно это актуально стало в связи с применением аппаратуры на базе микропроцессорной техники. С этим борются путем противодействия помехам, пространственного удаления источников и возможных приемников помех, грамотным выполнением защит и заземлений, системой уравнивания потенциалов. Будем считать, что это и есть система внутренней молниезащиты. Отсутствие такой защиты приведет к неверным показаниям в измерительных цепях, к ложным срабатываниям защит и противоаварийной автоматики (ПА) и т.д.


Марина Хайрутдинова, ведущий инженер отдела высоковольтных линий ООО «ПКЦ «ГлобалЭлектро»:
На воздушных линиях электропередач напряжения 35 кВ и выше мы используем тросовую грозозащиту. Изоляторы с разрядником используем в случаях, когда проводится реконструкция линии и провести трос невозможно. По моему мнению, разрядники не могут стать адекватной заменой тросовой защиты. Они минимизируют последствия грозовых разрядов, однако не защищают провода от прямых ударов молнии. А прямой удар – это коррозия провода. Не исключаю, что, наработав некоторый опыт использования разрядников на ЛЭП, сетевые компании придут к выводу о том, что тросовая защита все таки лучший вариант.

Андрей Губанов, Energyland.info


Ссылки по теме:
Пока гром не грянет?
Защита сетей 0,4-10 кВ от грозовых перенапряжений
Методические указания по обеспечению электромагнитной совместимости на электросетевых объектах ЕНЭС