Опасности молнии на линиях электропередачи: китайский опыт

Около 60% всех отключений линий электропередачи в Китае происходит из-за молнии, и их доля зависит от региона и сезона. Грозовые воздействия разделяют на две категории: прямой удар молнии в опору, молниезащитный трос или провод, и удар молнии в участок около линии, при котором на проводе возникает индуктированное перенапряжение. Прямые удары молнии наиболее опасны, а индуктированные перенапряжения представляют опасность лишь для ВЛ до 35 кВ.

Информацию об этом можно найти в различных источниках, в частности, на сайте «inmr.com» – специализированном ресурсе для энергетиков, сотрудников испытательных лабораторий, коммунальных служб и производителей оборудования.

Перенапряжения при прямом ударе молнии в линию, в свою очередь, разделяются на два типа в зависимости от места ее попадания. В первом случае молния попадает в опору или молниезащитный трос, при этом стекание тока молнии в землю приводит к значительному увеличению потенциала опоры. Когда разница потенциала между опорой и проводом превышает импульсную прочность линейной изоляции, происходит перекрытие изоляции. Т.е. в этом случае, абсолютное значение потенциала опоры в момент удара молнии оказывается выше, чем у провода, такое событие называют обратным перекрытием. Во втором случае, перенапряжение возникает при прорыве молнии сквозь тросовую защиту и попадании ее в провод.

Показатели эффективности молниезащиты

Эффективность молниезащиты измеряется с помощью двух показателей - уровня молниезащиты и относительного числа грозовых отключений. Первый показатель определяется максимальным током молнии при прямом ударе (амплитуда тока в кА), который может выдержать линия без повреждений (перекрытий линейной изоляции). Чем выше это значение, тем выше будет уровень грозоупорности линии. В отличие от этого, относительное число грозовых отключений линии, определяется как число отключений (на 100 км/год) в имеющихся условия (грозовой активности а регионе) или после приведения к условиям района с 40 грозовыми днями в году. Таким образом, относительное число грозовых отключений является обобщающим показателем эффективности грозозащиты линии.

Поскольку молниезащитный трос на ВЛ 110 кВ и выше устанавливают на протяжении всей линии, широко распространено мнение о том, что грозовые отключения на таких линиях происходят главным образом из-за обратных перекрытий, так как вероятность прорыва молнии на провод гораздо ниже. Современная статистика из Китая демонстрирует обратное. Несколько лет назад число грозовых отключений линий, эксплуатируемых «Государственной сетевой компанией» («State Grid Corporation»), составляло за год 865, из которых 592 (68,4%) произошли из-за прорыва молнии сквозь тросовую защиту, 269 - из-за обратных перекрытий и 4 из-за других причин. Кроме того, отключение линий 750 кВ и линий постоянного тока 500 кВ было вызвано прорывом молнии на провод. Действительно, сравнительное число прорывов молнии на провод в отношении к общему числу грозовых отключений для линий 66 кВ, 110 кВ, 229 кВ, 330 кВ и 500 кВ в Китае составило 1,6%, 58,4%, 76,1%, 80%, 95,1% соответственно, то есть, чем выше напряжение, тем выше процент отключений, связанных с прорывом сквозь тросовую защиту. Например, за последний год в Китае количество отключений, вызванных молниями, составило 741, из которых 520 (70,2%) были вызваны прорывом молнии, 209 – обратными перекрытиями и 12 - другими факторами. При этом также, чем выше напряжение, тем выше был процент прорывов молнии на провод.

Способы повышения грозоустойчивости 

Меры по повышению уровня грозоупорности линий электропередачи и снижению числа связанных с молнией аварийных событий, включают в себя: снижение сопротивления заземления опор; регулировку угла защиты молниезащитного троса; использование дифференцирования уровня линейной изоляции для двухцепных опор; установку дополнительных молниеотводов или разрядников для защиты от перенапряжений в местах с наибольшим риском. Кроме того, использование оборудования для наблюдения за ударами молнии помогает своевременно находить и заменять поврежденные изоляторы. Действия по сокращению числа обратных перекрытий отличаются от борьбы с прорывами молнии. Уменьшение сопротивления заземления опор очень эффективно для предотвращения отключений, связанных с обратными перекрытиями. Основными мерами по предотвращению прорывов молнии сквозь тросовую защиту являются: уменьшение защитного угла троса и установка дополнительных молниеотводов и линейных разрядников.

Уровень молниезащиты линий электропередачи, рассчитанный для случая прорыва молнии сквозь тросовую защиту, оказывается низким. Рассчитанные для этого случая уровни для линий 110 кВ, 220 кВ, 330 кВ и 500 кВ составляют всего 7 кА, 12 кА, 16 кА и 27 кА соответственно. В большей части Китая вероятность появления молнии с током свыше 20 кА составляет 59%, а свыше 50 кА - 27%. Таким образом, в случае прорыва молнии на провод обычно происходит отключение линии и, следовательно, предотвращению таких событий следует уделять большое внимание, особенно на линиях высокого напряжения.

Устройства молниезащиты

Линейные разрядники могут значительно снизить количество отключений, связанных с молнией, и их практическое применение оказалось чрезвычайно эффективным. Если их стоимость снизится, они, вероятно, будут использоваться более широко. В то же время, линии ультравысокого напряжения 1000 кВ имеют дополнительный молниезащитный трос, устанавливаемый над центральным фазным проводом на опасных участках, что сделано для повышения надежности работы тросовой защиты, снижения числа прорывов молнии.

Также важно повышать уровень импульсной прочности изоляторов (линейной изоляции). Поскольку полимерные изоляторы обеспечивают лучшую стойкость к загрязнению, нежели стеклянные или фарфоровые, изоляционные расстояния у них часто короче, чем у эквивалентных гирлянд фарфоровых или стеклянных изоляторов. Соответственно, меньше и расстояние между выравнивающими поле экранами на концах изолятора, и, следовательно, импульсная прочность полимерного изолятора может быть относительно низкой. Учитывая, что уровень грозоупорности линий 110 кВ итак не высок, отрицательное влияние при использовании полимерных изоляторов может быть значительным. Китайские энергетические компании уже обратили внимание на эту проблему, и их требования к полимерным изоляторам больше не основываются исключительно на характеристиках, связанных с выдерживаемым напряжения промышленной частоты в условиях загрязнения и увлажнения, но и учитывают уровень импульсной прочности. Однако, до тех пор пока воздушный зазор между экранами полимерных изоляторов будет не меньше, чем зазор между концами гирлянд фарфоровых или стеклянных изоляторов, уровень грозоупорности линий не будет уменьшаться.

Наконец, при любом рассмотрении связанных с молнией рисков для линий необходимо учитывать не только относительное число грозовых отключений, но и интенсивность отказов из-за молнии. Если повторное включение линии, пораженной молнией, будет успешным, перерывов в работе ВЛ не будет. Для достижения этого, необходимо организовывать защитные искровые промежутки параллельно линейной изоляции, таким образом дуга, возникшая вслед за попаданием молнии, будет удерживаться достаточно далеко от поверхности изоляторов, что предотвращает отключение ВЛ из-за их повреждений. Научно-исследовательский институт электроэнергии в Пекине (Electric Power Research Institute Beijing) провел обширные исследования таких защитных искровых промежутков, и эта мера должна широко продвигаться в Китае, а также в других странах.