О применении ОПН для грозозащиты ВЛ 6-10 кВ

Page 1

Page 2

КАБЕЛЬ−news / № 8 / август 2009

Актуально

По распределительным сетям 6-10 кВ осущест-

вляется

непосредственное

электроснабжение

потребителей, и от надежности их работы в значи-
тельной мере зависит надежность электроснабже-
ния в целом. Одной из основных причин аварий и
нарушений  являются  грозовые  перенапряжения
на  воздушных  линиях  (ВЛ),  вызывающие  импульс-
ные перекрытия  и разрушения изоляторов и при-
водящие  к  дуговым  замыканиям,  сопутствующим
повреждениям  оборудования,  отключениям  ли-
ний. Аварийные отключения ВЛ 6-10 кв по причине
грозовых  перенапряжений  составляют  до  40%  от
общего числа их отключений.

Действовавшие долгое время в России нормы

не  предусматривали  какой-либо  специальной  за-
щиты  от  грозовых  перенапряжений  ВЛ  с  неизо-
лированными  проводами  напряжением  до  20  кВ,
за  исключением  случаев  защиты  отдельных  точек
ВЛ с ослабленной изоляцией, или с повышенными
требованиями по надежности. В этих местах пред-
полагалась  установка  трубчатых  или  вентильных
разрядников,  нелинейных  ограничителей  перена-
пряжений  (ОПН),  а  также  искровых  промежутков
при  наличии  автоматического  повторного  вклю-
чения  (АПВ),  эффективность  которого  для  рас-
пределительных  сетей  составляет  не  более  50%.
Поскольку  оно,  к  тому  же,  негативным  образом
отражается  на  коммутирующем  и  другом  высоко-
вольтном оборудовании, АПВ  применяется далеко
не везде.

Такое объективное состояние проблемы гро-

зозащиты распределительных ВЛ приводило к
признанию неизбежности их грозовых аварийных
отключений и повреждений в силу отсутствия эко-
номически доступных технических средств.

Возможность решить проблему грозозащиты ВЛ

6- 10 кВ появилась с появлением длинно-искровых
разрядников  (РДИ)  [1].  Принцип  действия  РДИ  со-
стоит  в  том,  что  за  счет  использования  эффек-
та  скользящего  разряда  обеспечивается  весьма
длинный  путь  перекрытия  по  поверхности  РДИ.
Благодаря  большой  длине  пути  перекрытия  ис-
ключается  переход  импульсного  разряда  в  сило-
вую  дугу  промышленной  частоты.  Отличительной
особенностью РДИ является то обстоятельство, что
разряд происходит

вне аппарата

и не представля-

ет для него опасности.

Преимущества РДИ по сравнению с другими си-

стемами грозозащиты ВЛ подтверждены решением
НТС РАО «ЕЭС России» от 24.03.2000. РДИ рекомен-
дованы  «Методическими  указаниями  по  защите
распределительных  электрических  сетей  напря-
жением  0,4-10  кВ  от  грозовых  перенапряжений»
АО «ФСК ЕЭС», 2004 и «Положением о технической
политике  ОАО  «ФСК  ЕЭС»  в  распределительном
электросетевом  комплексе»,  ФСК,  2006.  В  настоя-
щее время в сетях 6-10 кВ успешно эксплуатируют-
ся более 200 тыс. РДИ.

За рубежом для грозозащиты ВЛ среднего класса

напряжения (СН) 6-70 кВ применяются различного
типа  стержневые  искровые  промежутки  (или,  как
их  еще  называют,  «дугозащитные  рога»),  а  также
ОПН.  Недостатки  «дугозащитных  рогов»  хорошо
известны (см., например, [1]), и в настоящее время
на ВЛ 6-10 кВ они запрещены «Положением о тех-
нической политике» ФСК [2].

Хорошо известно также, что для защиты обору-

дования на подстанциях во всем мире, в том чис-
ле и в нашей стране, успешно применяются ОПН.
Общее число установленных в мире ОПН оценива-
ется сотнями миллионов штук.

С ориентировкой на информацию об успешном

применении  ОПН  на  подстанциях,  а  также  об  ис-
пользовании ОПН на ВЛ, в нашей стране также де-
лаются попытки по грозозащите ВЛ СН при помощи
ОПН. В этой связи представляется важным и свое-
временным  проанализировать  условия  работы
ОПН  на  ВЛ  СН,  а  также  зарубежный  опыт  их  при-
менения на таких линиях.

Условия работы ОПН на подстанциях и на ВЛ

На подстанциях ОПН защищают оборудование

от  грозовых  перенапряжений,  приходящих  по  ВЛ
(см. рис. 1). Наибольшее значение импульса грозо-
вого перенапряжения ограничено уровнем линей-
ной  изоляции.  Если  грозовое  перенапряжении  на
проводе  ВЛ  больше,  чем  разрядное  напряжение
линейного  изолятора  (или  гирлянды  изоляторов),
изолятор перекрывается, и напряжение срезается
до нуля. При этом образуется срезанный импульс,
длительностью  в  несколько  микросекунд.  Про-
ходя по проводу значительное расстояние, он не-
сколько сглаживается и уменьшается по величине.
Поэтому для испытаний ОПН, устанавливаемых на

О применении ОПН для грозозащиты ВЛ 6-10 кВ

Доклад на семинаре ОАО «НПО «Стример»
(16 июля 2009 г., г. Санкт-Петербург)

Page 3

КАБЕЛЬ−news / № 8 / август 2009

Актуально

подстанциях, МЭК и ГОСТ рекомендуют грозовой
импульс 4/10 мкс [3].

При воздействии такого короткого импульса

энергия, которую должен рассеять ОПН, относи-
тельно невелика, и большинство применяемых на
подстанциях ОПН справляются с этой задачей.

ОПН, установленный на ВЛ СН без грозозащит-

ного  троса,  работает  совершенно  в  других,  гораз-
до  более  тяжелых,  условиях.  При  ударе  молнии  в
провод вблизи опоры часть тока молнии расходит-
ся  по  проводу  в  разные  стороны  от  места  удара.
Волновое сопротивление провода составляет при-
мерно 400 Ом, волновое сопротивление проводов,
расходящихся  в  обе  стороны  от  места  удара  мол-
нии,  вдвое  меньше,  т.е.  200  Ом,  а  сопротивление
заземления опоры может иметь величину порядка
10  Ом.  Поэтому  в  первый  момент  основная  доля
тока протекает через установленный на  поражен-
ной опоре ОПН. В дальнейшем, при подходе волны
грозового  перенапряжения  на  соседние  опоры,
срабатывают  ОПН,  если  они  установлены,  либо
перекрываются изоляторы, если волна перенапря-
жения  достаточна  велика  и  ОПН  не  установлены.
При этом соседние опоры начинают участвовать в
отводе тока молнии на землю и облегчают условия
работы ОПН, установленного на пораженной опо-
ре.  Длительность  импульса  тока,  протекающего
через пораженный ОПН,  уменьшается по сравне-
нию со случаем протекания тока в одиночном мол-
ниеотводе.  Тем  не  менее,  она  достаточно  велика.
Интересно  отметить,  что  для  испытания  средств
грозозащиты,  включающих  одиночные  молниеот-
воды, «Инструкция по молниезащите» [5] рекомен-
дует импульс длительностью 350 мкс.

Обычно удар молнии состоит из многократных

импульсов. В одном ударе может быть от одного

до 20 импульсов тока при среднем числе импуль-
сов  3  и  временном  интервале  между  импульсами
порядка  15-50  мсек  [6].  За  столь  короткое  время
тепловая энергия в ОПН не успевает рассеяться, и
это обстоятельство должно учитываться при испы-
таниях  и  выборе  ОПН.  Для  варисторов,  входящих
в ОПН, предназначенных для грозозащиты ВЛ, но-
вые  стандарты  МЭК  [6,7]  среди  прочих  испытаний
рекомендуют  испытание  импульсом  90/200  мкс,
который  учитывает  также  и  многократность  раз-
ряда молнии.

Таким образом, длительность импульса тока, ко-

торым следует испытывать ОПН, предназначенный
для установки на ВЛ, примерно на порядок боль-
ше, чем длительность испытательного импульса
подстанционных ОПН.

Международный опыт

При освоении новой технологии, в частности —

применения  ОПН  для  грозозащиты  ВЛ  СН,  весьма
поучительно  и  полезно  проанализировать  за-
рубежный  опыт.  Наибольший  опыт  применения
ОПН на ВЛ СН накоплен в Японии. В Японии очень
жесткие  нормы  по  надежности  электроснабже-
ния.  Каждый  перерыв  в  электроснабжении  ведет
к  выплатам  значительных  неустоек  потребите-
лям.  Поэтому  вопросам  повышения  надежности
электроснабжения  энергосистемы  уделяют  самое
серьезное  внимание.  Для  уменьшения  грозовых
отключений  еще  в  1970  гг.  в  Японии  стали  уста-
навливать  ОПН  на  ВЛ  6,6  кВ,  которые  являются
основными  распределительными  сетями  в  этой
стране  [6].  Первоначально  ОПН  устанавливались
без  искрового  промежутка  между  проводом  и  за-
земленной  опорой.  Опыт  эксплуатации  показал,
что  вследствие  большого  числа  аппаратов,  уста-
новленных  параллельно  изоляторам,  снизилась
надежность  работы  линий  из-за  выхода  ОПН  из
строя  при  рабочем  напряжении  и  внутренних
перенапряжениях.

Следующий этап развития этой технологии со-

стоял в том, что относительно маломощные ОПН с
номинальным разрядным током грозового импуль-
са 2,5 кА устанавливались на ВЛ 6,6 кВ с воздушным
промежутком.  Благодаря  наличию  искрового  воз-
душного промежутка ОПН перестали подвергаться
воздействию  внутренних  перенапряжений,  и  на-
дежность работы ВЛ в нормальном эксплуатацион-
ном режиме повысилась.

ОПН успешно защищали ВЛ от индуктированных

грозовых перенапряжений, и число грозовых от-
ключений существенно снизилось. Однако, при

Рис. 1 Иллюстрация формирования

импульса грозового перенапряжения,

приходящего на подстанцию

Page 4

КАБЕЛЬ−news / № 8 / август 2009

Актуально

прямом  ударе  молнии  (ПУМ)  в  провод  ВЛ  про-
исходило  разрушение  ОПН  на  пораженной  и  на
соседних  опорах.  Для  исключения  разрушений
ОПН  от  ПУМ  была  предпринята  попытка  увели-
чения  энергоемкости  ОПН.  На  ряд  линий  были
установлены  ОПН  с  номинальным  током  5  кА,  и
в  течение  нескольких  лет  осуществлялось  на-
блюдение  за  этими  линиями.  Мониторинг  пока-
зал,  что  при  увеличении  номинального  тока  ОПН
с  2,5  кА  до  5  кА  число  отключений  и  разрушений
ОПН  вследствие  ПУМ  в  ВЛ  практически  не  из-
менилось  [9].  Этот  результат  объясняется  тем,
что  реальные  токи  молнии  существенно  больше,
чем  5  кА.  Они  лежат  в  диапазоне  от  2  до  200  кА.
Среднее  значение  тока  молнии  составляет  около
30 кА [7].

В результате было принято решение оснастить

ВЛ 6,6 кВ грозозащитными тросами и ОПН с номи-
нальным  током  2,5  кА  с  воздушными  промежут-
ками.  В  настоящее  время  практически  все  линии
этого класса защищены тросами и ОПН. Благодаря
этим  двум  весьма  дорогостоящим  мероприяти-
ям  грозовые  отключения  были  резко  сокращены.
Тем  не  менее,  отмечаются  единичные  случаи  вы-
хода  из  строя  ОПН  даже  на  ВЛ,  защищенных
тросами, при ПУМ весьма мощных зимних положи-
тельных молний, которые могут иметь токи более
100  кА  и  длительность  импульса  порядка  тысячи
микросекунд.

Таким образом, длительный и обширный опыт

эксплуатации  в  Японии  свидетельствует  о  том,
что  ОПН  на  ВЛ  СН  надежно  и  безаварийно  ра-
ботают  только  в  сочетании  с  грозозащитным
тросом.

Исследования эффективности работы ОПН на ВЛ

СН без грозозащитного троса проводились и в США
[10]. В 1993-1995 в энергосистеме Лонг-Айленда на
трех  ВЛ  13  кВ  были  установлены  ОПН:  на  одной
линии  ОПН  устанавливались  на  каждую  опору  на
каждую фазу, на другой — по три штуки на опору
через двести метров, и на третьей — через каждые
400  м.  Две  аналогичные  линии  были  контрольны-
ми, т. е.  без дополнительных ОПН, установленных
на линии. В течение трех лет осуществлялся мони-
торинг  этих  линий.  По  окончании  срока  наблюде-
ния были обработаны и опубликованы результаты
наблюдений [10]. По данным авторов число отклю-
чений не уменьшилось, а даже несколько выросло.
Авторы объясняют это тем, что и до установки до-
полнительных  ОПН  на  ВЛ  было  достаточно  много
ОПН, защищавших  столбовые трансформаторные
подстанции,  и  одновременно  изоляцию  участ-

ков  ВЛ  от  индуктированных  перенапряжений.
Установка  дополнительных  ОПН  не  повлияла  на
эффективность  грозозащиты,  т.  к.  ОПН  без  троса
не  смогли  защитить  ВЛ  от  отключений  при  ПУМ
в провода.

В [11] приведен анализ международного опы-

та  по  грозозащите  ВЛ  СН  и  защищенных  прово-
дов  от  пережога  дугой  сопровождающего  тока.
В  статье  рассмотрены  различные  способы  за-
щиты,  в  том  числе  и  при  помощи  ОПН.  Китайские
специалисты  пришли  к  выводу,  что  ОПН  на  ВЛ
без  грозозащитного  троса  —  дорогое  мероприя-
тие,  требующее  значительных  эксплуатацион-
ных  расходов  на  замену  вышедших  из  строя  ОПН
при ПУМ.

Таким образом, международный опыт эксплуа-

тации ОПН на ВЛ СН показывает, что они могут
успешно работать лишь в сочетании с грозозащит-
ным тросом, но это слишком дорогое решение.

Экспериментальная проверка

В последнее время для защиты ВЛ 10 кВ от грозо-

вых перенапряжений предлагается, так называемое,
устройство  защиты  от  грозовых  перенапряжений
(УЗПН),  состоящее  из  ОПН  на  напряжение  12  кВ
в  корпусе  из  кремнийорганической  резины  с  по-
лимерным  каркасом  и  варисторами  диаметром
45  мм,  а  также  искрового  воздушного  промежутка
(рис. 2, а). Среди электрических характеристик УЗПН
указано,  что  аппарат  выдерживает  два  импульса
65 кА 4/10 мкс., а на сайте изготовителя приводятся
рассуждения о том, что токи молнии, превышающие
65  кА,  встречаются  крайне  редко  и  поэтому  выход
из строя УЗПН при ПУМ — явление весьма малове-
роятное.  Следует  обратить  внимание  на  то,  что  за-
явленный  импульс  тока  —  короткий,  всего  10  мкс,
что, как было показано выше, соответствует услови-
ям работы ОПН на подстанциях, но не соответствует
реальным условиям работы ОПН на ВЛ без грозоза-
щитного троса.

ОАО «Холдинг МРСК» организовало проверку со-

ответствия серийно выпускаемых устройств защиты
от грозовых перенапряжений, устанавливаемых на
ВЛ, требованию по стойкости к токовым воздействи-
ям  при  прямом  ударе  молнии  с  учетом  реальных
временных  параметров  импульсов.  Среди  прочих
средств защиты от грозовых перенапряжений были
проведены  испытания  УЗПН.  Испытания  прово-
дились  в  лаборатории  ГОУ  ВПО  ВИТУ  с  целью  про-
верки соответствия УЗПН требованиям  МЭК в части
воздействия импульсного тока с временными пара-
метрами 90/200 мкс. [5]. Испытаниям подвергались

Page 5

КАБЕЛЬ−news / № 8 / август 2009

Актуально

три  образца  серийно  выпускаемого  изделия  УЗПН.
В  связи  с  тем,  что  технические  характеристики  ис-
пытательного оборудования не позволяли в полной
мере воспроизвести импульсный ток, с амплитудно-
временными параметрами заданными  МЭК, взамен
однократного  импульса  90/200  мкс  к  испытуемым
изделиям  прикладывались  четыре  импульса  тока
заданной  амплитуды  с  временными  характери-
стиками  20/50  мкс.  Интервал  между  импульсами

составлял около 5 минут. Результаты испытаний
приведены в табл. 1.

Как видно из табл. 1, все три образца разру-

шились при воздействии четвертого импульса
(рис. 2, б). Поэтому испытательная лаборатория ГОУ
ВПО ВИТУ сделала следующее заключение: «Испы-
туемый УЗПН подвержен выходу из строя или пол-
ному разрушению в форме взрыва при пропускании
неоднократных (двух, трех, четырех) импульсов тока

Рис. 2 УЗПН на испытательном макете ВЛ:

а) до подачи импульсов тока;

б) при воздействии импульса тока.

Табл. 1. Результаты испытаний УЗПН импульсами тока 20 кА 25/50 мкс

№ п/п

№ имп.

Амплитуда тока, кА

Тф, мкс

Тимп, мкс

Результат воздействия импульсов

22,4

Нагрев аппарата ~ на 50 °С

21,2

Нагрев аппарата ~ на 100 °С

Нагрев аппарата ~ на 150 °С

20,4

Разорвался на куски

Нагрев аппарата ~ на 50 °С

Нагрев аппарата ~ на 100 °С

Покрышка раздулась с одной стороны

Перекрытие внутри ОПН по газовому пузырю, ОПН

разорвался на части.

Нагрев аппарата ~ на 50 °С

Нагрев аппарата ~ на 100 °С

Покрышка раздулась с одной стороны

39,6

Перекрытие внутри ОПН по газовому пузырю, ОПН

разорвался на части

Page 6

КАБЕЛЬ−news / № 8 / август 2009

Актуально

с  амплитудой    20  кА  и  временными  параметрами
20/50 мкс. и, исходя из пересчета по интегральному
эффекту, соответственно, не способен быть стойким
к воздействию однократного импульса тока молнии
с нормированными  стандартом IEC 60099-4 параме-
трами  по  времени    90/200  мкс  при  амплитуде  тока
20 кА.»

Заключение

Вероятность появления тока молнии, превышаю-

щего 20 кА, составляет

кр

= 82 % [7]. Таким образом,

почти каждый удар молнии в линию будет приво-
дить к разрушению установленных на ней УЗПН.

На основании зарубежного опыта эксплуатации

ОПН  на  ВЛ  среднего  напряжения  и  эксперимен-
тальной  проверки  работоспособности  УЗПН  при
воздействии импульсов тока молнии реальной дли-
тельности можно сделать вывод от том, что ОПН на
ВЛ  10  кВ  без  грозозащитного  троса    подвержены
частым разрушениям, и их использование для гро-
зозащиты ВЛ нецелесообразно.

Г.В. Подпоркин, д-р техн. наук;

В. Е. Пильщиков, канд. техн. наук;

А. Д. Сиваев, канд. техн. наук

Литература

1. Г. В. Подпоркин, А. Д. Сиваев «Об эффективности си-

стемы грозозащиты сетей 6 — 10 кВ длинно-искровыми
разрядниками», «Энергетик» 6, 2009, C. 5-8.

2. «Положения о технической политике ОАО «ФСК

ЕЭС» в распределительном электросетевом комплексе»
(ФСК, 2006 г.).

3. ГОСТР 52725-2007 «Ограничители перенапряжений

нелинейные для Электроустановок переменного тока на-
пряжением от 3 до 750 кВ».

4. «Инструкция по молниезащите зданий, сооружений

и промышленных коммуникаций» СО 153-34.21.122-2003.

5. IEC 60099-4, Edition 2.1, 2006-07: Surge arresters — Part

4: Metal-oxide surge arresters without gaps for a.c. systems.

6. Project IEC 60099-8: Externally Gapped Line Arresters

(EGLA).

7. Lightning and Insulator Subcommittee of the T&D

Committee «Parameters of Lightning Strokes: A review», IEEE
Trans. On Power Delivery, Vol. 20, No. 1, January 2005, p. 346-
358.

8. M. Washino, A. Fukuyama, K. Kito and K. Kato,

«Development of current limiting arcing horn for prevention
of lightning faults on distribution lines,» IEEE Trans. Power
Del., Vol. 3, No. 1, January 1988, p. 187–196.

9. K. Nakada et. al. «Energy Absorption of Surge Arresters

on Power Distribution Lines due to Direct Lightning Strokes-

Effects of an Overhead Ground Wire and Installation Position
of Surge Arresters», IEEE Transactions on Power Delivery,
Vol.12, No. 4, October 1997, p. 1779-1785.

10. T. A. Short, R. H. Ammon «Monitoring Results of the

Effectiveness of Surge Arrester Spacings on Distribution Line
Protection», IEEE Trans. On Power Delivery, Vol. 14, No. 3, July
1999, p. 1142-1150.

11. J. He, S. Gu, S. Chen, R. Zeng «Discussion on Measures

Against  Lightning  Breakage  of  Covered  Conductors  on
Distribution  Lines»  IEEE  Transactions  on  Power  Delivery,
Vol.23,  No.  2,  April  2008,  pp.693-702  (см.  перевод  статьи
«Воздушные линии с защищенными проводами: способы
грозозащиты», «Новости Электротехники» 2008 г. №4(52) и
№5(53)).

Г.В. Подпоркин

Оригинал статьи: О применении ОПН для грозозащиты ВЛ 6-10 кВ

Читать онлайн

Доклад на семинаре ОАО «НПО «Стример» (16 июля 2009 г., г. Санкт-Петербург)