30
Май
–
июнь
2016
www.tdworld.com, www.tdwr.ru
Приручить молнию
Eskom анализирует и тестирует практичность
значительного снижения базовых уровней изоляции
и влияние этого снижения на общую молниезащиту
системы.
Виллем ван Шалквик (Willem van Schalkwyk)
, Escom Holdings SOC Ltd.,
Джон ван Коллер (John van Coller)
, Университет Уитватерсранда
М
олнии
—
одна
из
главных
причин
снижения
электротехнических
характеристик
воз
-
душных
линий
электропередачи
среднего
уровня
напряжений
в
распределительных
системах
.
В
некоторых
сетях
среднего
уровня
напря
-
жения
компании
Escom,
например
,
до
78%
оборудо
-
вания
отказывает
в
результате
попадания
молний
.
Расщепление
деревянных
опор
и
пожары
их
верхних
частей
могут
вызывать
долгие
,
раздражающие
от
-
ключения
и
опасные
провисания
проводов
.
На
воз
-
душных
линиях
среднего
напряжения
в
Южной
Афри
-
ке
изоляция
от
заземленных
элементов
конструкции
линии
обычно
состоит
из
изолятора
с
базовым
уров
-
нем
изоляции
(
БУИ
) 150
кВ
,
который
закрепляется
на
деревянной
опоре
и
совместно
с
ней
обеспечивает
необходимый
для
предотвращения
возникновения
электрической
дуги
уровень
изоляции
.
Принятая
в
настоящее
время
в
Escom
преобла
-
дающая
философия
,
согласно
которой
базовый
уро
-
вень
изоляции
всех
элементов
изолирующего
кре
-
пления
проводов
повсеместно
должен
составлять
300
кВ
,
основана
на
стандарте
IEEE 1410-2010
и
при
-
менялась
для
того
,
чтобы
никакой
непрямой
удар
молнии
не
мог
вызывать
перекрытия
между
провода
-
ми
фаз
и
заземленными
элементами
конструкции
ВЛ
.
К
несчастью
,
чем
выше
БУИ
—
тем
выше
амплитуда
грозовых
перенапряжений
,
вызываемых
молниями
в
проводах
воздушных
линий
,
что
может
повышать
количество
отказов
разрядников
и
трансформато
-
ров
во
время
гроз
.
Недостаток
такого
изолирующего
крепления
проводов
,
когда
изолятор
крепится
непо
-
средственно
к
телу
деревянной
опоры
состоит
в
том
,
что
прямое
попадание
молнии
в
провод
обычно
вы
-
зывает
электрическую
дугу
,
воздействующую
на
опо
-
ру
,
что
зачастую
приводит
к
расщеплению
верхней
части
деревянной
опоры
.
Escom
запустила
внутреннее
рассле
-
дование
с
целью
определить
оптимальное
значение
БУИ
,
проведя
серию
замеров
на
месте
на
работающей
22-
киловольтной
ВЛ
.
Установленные
на
опорах
отпайки
явля
-
ются
неотъемлемой
частью
линии
в
ходе
полевых
испытаний
,
чтобы
идентифици
-
ровать
наиболее
оптимальную
конфигу
-
рацию
данной
линии
для
защиты
обору
-
дования
.
Компания
приняла
во
внимание
тот
факт
,
что
прямые
попадания
молний
в
воздушные
линии
,
установленные
на
деревянных
опорах
,
вызывали
наибо
-
лее
опасные
электрические
нагрузки
на
оборудование
.
Расследование
аварийных
отключений
Eskom
проводила
исследования
и
на
четырех
аналогичных
22-
кВ
воздушных
линиях
,
которые
подтвердили
вывод
о
зна
-
чительном
сокращении
числа
нарушений
в
работе
предохранителей
и
трансформа
-
ДИАГНОСТИКА
и устранение неполадок
Эта
однолинейная
схема
воздушной
линии
электропередачи
22
кВ
Ган
-
спан
-
Кгомотсо
отражает
положение
точек
пересечения
линий
132
кВ
и
22
кВ
.
Пересечение
1
Фидер
22
кВ
Фидер
132
кВ
Подстанция
Пересечение
2
Пересечение
3
Пересечение
4
Подстанция
Кгомотсо
22/11
кВ
0 3.5 7
Километры
31
Май
–
июнь
2016
www.tdworld.com, www.tdwr.ru
ДИАГНОСТИКА
и устранение неполадок
торов
после
того
,
как
БУИ
был
снижен
примерно
до
150
кВ
.
Среднегодовое
число
отказов
предохраните
-
лей
и
трансформаторов
упало
со
141
до
12
и
с
86
до
2
соответственно
.
Основной
причиной
значительного
числа
сбоев
трансформаторов
были
отказы
оста
-
вавшихся
в
работе
разрядников
. Eskom
выбрала
воздушную
ЛЭП
Ганспан
-
Кгомотсо
(GAKG)
напря
-
жением
22
кВ
,
протяженность
которой
составляет
156
км
(97
миль
).
Она
снабжает
пять
небольших
го
-
родков
,
в
которых
насчитывается
4350
домашних
по
-
требителей
и
158
аграрных
(
ирригационных
)
компа
-
ний
-
клиентов
.
К
линии
подключены
372
столбовых
трансформатора
,
которые
испытывали
среднюю
плотность
попаданий
молний
в
7,9
попаданий
на
км
2
в
год
(20,5
молний
на
кв
.
милю
в
год
)
в
течение
по
-
следних
шести
лет
.
Сбор
данных
полевых
замеров
Напряжение
и
сила
тока
на
132/22-
кВ
подстанции
Ганспан
замерялись
с
помощью
высокоскоростных
(400
кГц
)
регистраторов
качества
электроэнергии
на
тестовой
22-
кВ
линии
под
напряжением
.
Результаты
замеров
затем
сравнивались
с
данными
Южно
-
Аф
-
риканской
метеорологической
службы
регистрации
молний
(LDN),
с
данными
о
нарушениях
в
работе
ВЛ
,
получаемых
системой
автоматизированного
кон
-
троля
данных
о
поведении
линии
(SCADA),
а
также
информации
от
систем
релейной
защиты
и
авто
-
матики
.
Время
(
по
устройствам
GPS-
синхронизации
)
и
по
-
лярность
удара
молнии
,
а
также
напряжение
и
волно
-
вая
форма
тока
,
записанные
регистраторами
(
также
снабженными
системой
GPS-
синхронизации
време
-
ни
)
использовались
для
определения
того
факта
,
было
ли
попадание
молнии
прямым
или
непрямым
.
Если
зареги
-
стрированный
переходный
процесс
(
фронт
ударной
волны
перенапряже
-
ний
)
был
изначально
положительным
,
тогда
как
метеослужба
зарегистрирова
-
ла
отрицательный
разряд
,
значит
,
по
-
падание
было
непрямым
.
И
наоборот
,
если
зарегистрированный
фронт
волны
был
изначально
отрицательным
,
и
по
данным
метеослужбы
соответствую
-
щий
разряд
тоже
был
отрицательным
,
значит
имело
место
прямое
попадание
в
линию
.
Для
замера
напряжения
использо
-
вался
резисторный
делитель
,
тогда
как
измерительные
трансформаторы
тока
,
установленные
у
разъединителя
ос
-
новной
22-
кВ
цепи
,
использовались
для
замера
силы
тока
.
Параллельно
с
ре
-
зисторным
делителем
был
установлен
конденсаторный
делитель
,
чтобы
убе
-
диться
,
что
резисторный
делитель
не
отфильтровывает
верхние
частоты
.
Разъединитель
GAKG 22
кВ
5 MΩ
47k Ω
1260
пФ
1,18
мкФ
QOS logger
QOS logger
Ток
Напряжение
Напряжение
B
W
R
Конденсаторный
делитель
Фидер
22
кВ
Регистраторы
QoS —
постоянная
запись
на
400
кГц
Резисторный
делитель
Измерительное
оборудование
QoS,
установленное
на
подстанции
Ганспан
132/22
кВ
.
0
200
400
600
800
1,000
1,200
1,400
01/2011
03/2011
05/2011
07/2011
09/2011
11/2011
01/2012
03/2012
05/2012
07/2012
09/2012
11/2012
01/2013
03/2013
05/2013
07/2013
09/2013
11/2013
01/2014
03/2014
05/2014
07/2014
Число
отказов
оборудования
Дата
Количество
молний
на
кв
.
км
.
в
год
7.94
4.3
9.77
2.99
График
годовых
колебаний
плотности
ударов
молний
показывает
,
что
чем
выше
плотность
молний
,
тем
выше
частота
отказов
оборудования
.
32
Май
–
июнь
2016
www.tdworld.com, www.tdwr.ru
Исключенные
инциденты
В
некоторых
случаях
были
отмечены
высокочастотные
колебания
напряжения
не
-
большой
амплитуды
,
возни
-
кающие
одновременно
с
за
-
регистрированным
ударом
молнии
.
Впоследствии
было
обнаружено
,
что
эти
уда
-
ры
были
зарегистрированы
вблизи
точек
пересечения
линии
132
кВ
и
фидера
22
кВ
.
Расследование
показало
,
что
удар
молнии
пришелся
в
грозозащитный
трос
линии
132
кВ
и
вызывал
повышение
электрического
потенциала
в
грозотросе
на
этом
участ
-
ке
линии
.
Также
на
одной
де
-
ревянной
опоре
линии
22
кВ
,
располагающейся
поблизо
-
сти
,
потенциал
напряжения
превысил
базовый
уровень
изоляции
линии
,
вызвав
об
-
ратное
перекрытие
на
фазо
-
вый
провод
22
кВ
.
Эти
инциденты
были
исклю
-
чены
из
результатов
полевых
испытаний
,
так
как
решением
этой
проблемы
было
бы
повы
-
шение
БУИ
воздушной
линии
22
кВ
на
участке
пересечения
.
Эта
проблема
была
сочтена
несущественной
,
поскольку
ве
-
роятность
прямого
попадания
в
воздушную
линию
фидера
22
кВ
с
увеличенным
БУИ
весьма
невелика
,
так
как
ее
защищают
грозозащитные
тросы
близле
-
жащей
линии
132
кВ
.
150
кВ
150
кВ
150
кВ
Пояс
Изоляция
Изолирующий
зазор
по
телу
деревянной
опоры
БУИ
на
деревянной
опоре
составляет
150
кВ
на
изоляторе
,
а
также
в
изолирующем
промежутке
по
телу
опоры
.
Попадания
молний
могут
вызывать
повреждения
деревянных
столбов
различной
степени
.
Стандартная
конструкция
трансформатора
,
устанавливаемого
на
опоре
.
Прямое
попадание
молнии
в
фидер
132
кВ
вызвало
пробой
на
верхушке
соседней
опоры
линии
22
кВ
.
Худший
вариант
–
опора
без
пояса
.
Пояс
уменьшает
изолирующий
промежуток
по
телу
опоры
,
что
приводит
к
повышению
БУИ
;
расщепление
вызвано
попаданием
молнии
.
Оплетка
за
исключением
зазора
для
повышения
БУИ
;
опора
расколота
из
-
за
токов
утечки
.
ДИАГНОСТИКА
и устранение неполадок
33
Май
–
июнь
2016
www.tdworld.com, www.tdwr.ru
Второй
пример
данных
,
исключенных
из
иссле
-
дования
—
когда
значения
напряжения
и
силы
тока
указывали
на
повреждение
молнией
,
но
метеоро
-
логическая
служба
не
зарегистрировала
разряда
.
Поскольку
сеть
22
кВ
не
была
надежно
заземлена
,
наблюдавшиеся
перенапряжения
имели
одинако
-
вую
полярность
,
что
можно
спутать
с
попаданием
молнии
.
Установка
оборудования
Установка
оборудования
на
опоры
фидера
22
кВ
оказала
значительное
влияние
на
поведение
линии
во
время
гроз
.
Большая
часть
вызванных
молниями
повреждений
и
отключений
на
линии
были
резуль
-
татом
повреждения
установленных
на
опорах
при
-
боров
.
Ежегодно
тысячи
установленных
на
линии
пре
-
дохранителей
среднего
напряжения
и
сотни
разряд
-
ников
и
трансформаторов
(
входящих
в
распреде
-
лительную
сеть
Eskom)
отказывают
,
в
особенности
во
время
гроз
.
Если
учесть
стоимость
замены
обо
-
рудования
,
оплату
переработок
,
требующихся
для
замены
этого
оборудования
,
и
износ
транспортных
средств
,
очевидно
,
что
эти
поломки
имеют
резуль
-
татом
значительные
финансовые
последствия
для
компании
,
а
также
негативно
отражаются
на
каче
-
стве
обслуживания
клиентов
.
Трансформатор
среднего
напряжения
,
уста
-
навливаемый
прямо
на
опору
,
представляет
со
-
бой
комбинацию
предохранителей
,
разрядников
и
трансформатора
.
В
стандартной
комплектации
разрядники
защищают
трансформатор
от
вызывае
-
мых
молниями
скачков
напряжения
,
а
предохраните
-
ли
изолируют
неисправный
трансформатор
.
Предо
-
хранители
среднего
напряжения
непосредственно
принимают
на
себя
скачок
напряжения
,
вызванный
молнией
,
поскольку
в
стандартной
конфигурации
они
установлены
на
линейном
входе
разрядника
.
Эти
предохранители
не
могут
одновременно
вы
-
держивать
токи
молнии
и
в
то
же
время
поддержи
-
вать
необходимый
уровень
защиты
линии
на
случай
Блок
Combi:
стрелками
показаны
выпадающий
искровой
разрядник
и
предохранитель
.
отказа
защитного
обо
-
рудования
.
Был
разработан
специальный
молни
-
еустойчивый
предо
-
хранитель
,
способный
выдержать
скачок
тока
при
попадании
мол
-
нии
и
в
то
же
время
сохранять
корректный
уровень
защиты
ли
-
нии
.
Однако
в
случае
пробоя
искрового
раз
-
рядника
,
трансформа
-
тор
оказывался
неза
-
щищенным
от
после
-
дующих
скачков
на
-
пряжения
,
вызванных
молнией
.
Поэтому
был
разработан
альтерна
-
тивный
продукт
—
блок
Combi,
защищающий
от
вызываемых
мол
-
ниями
скачков
напря
-
жения
как
стандартные
предохранители
,
так
и
трансформатор
даже
после
пробоя
искрового
разрядника
.
Благодаря
ему
предо
-
хранитель
мог
быть
корректно
настроен
для
защиты
отходящей
от
него
линии
.
Блок
Combi
среднего
напряжения
состоит
из
внешнего
искрового
разрядника
и
внешнего
предо
-
хранителя
в
механически
соединенной
конфигура
-
ции
.
В
случае
пробоя
разрядника
,
проводник
зазем
-
ления
механически
отсоединяется
,
предохранитель
также
выпадает
,
изолируя
трансформатор
и
защи
-
щая
его
от
повреждения
последующими
скачками
тока
и
напряжения
.
Анализ
результатов
В
ходе
полевых
исследований
были
зарегистри
-
рованы
прямые
и
непрямые
удары
молний
в
фидер
22
кВ
и
в
непосредственной
близости
от
него
.
Не
было
зарегистрировано
ни
одного
непрямого
попа
-
дания
,
которое
вызвало
бы
перекрытие
и
аварийное
отключение
линии
.
Всего
было
зарегистрировано
72
попадания
молний
амплитудой
выше
65
кА
.
Из
них
только
8
были
прямыми
попаданиями
в
линию
.
Толь
-
ко
одно
попадание
не
вызвало
срабатывание
разъ
-
единителя
.
Остальные
прямые
попадания
вызвали
обратные
перекрытия
.
Непрямые
попадания
послед
-
ствий
не
имели
.
Были
проанализированы
данные
о
трех
круп
-
нейших
непрямых
ударах
молний
.
Один
из
них
,
мощностью
–72
кА
,
попал
в
дерево
всего
в
вось
-
ми
метрах
от
воздушной
линии
22
кВ
.
С
помощью
формулы
Раска
было
рассчитано
индуцированное
напряжение
на
близко
расположенном
проводнике
:
наведенное
напряжение
на
проходящей
рядом
ли
-
нии
должно
было
достигнуть
3,35
МВ
.
Однако
в
50
м
(164
футах
)
от
дерева
находился
установленный
на
опоре
блок
с
искровыми
разрядниками
.
Учитывая
это
,
наведенное
напряжение
должно
было
быть
все
-
го
112
кВ
.
Два
других
крупных
непрямых
попадания
имели
мощность
–120
кА
и
–99
кА
и
должны
были
индуцировать
на
близко
расположенном
фидере
на
-
пряжение
2,98
МВ
и
3,56
МВ
соответственно
.
Однако
От
фазы
Молния
50
Гц
К
земле
К
трансформатору
В
случает
отказа
раз-
рядника
,
он
и
предо-
хранитель
выпадают
.
Последующие
удары
молний
переводятся
сразу
в
землю.
ДИАГНОСТИКА
и устранение неполадок
34
Май
–
июнь
2016
www.tdworld.com, www.tdwr.ru
из
-
за
близко
расположенных
разрядников
результи
-
рующее
напряжение
было
только
113
кВ
и
157
кВ
со
-
ответственно
.
Система
SCADA
не
зарегистрировала
сраба
-
тываний
разъединителей
прерывателей
цепи
,
а
регистраторы
не
показали
аварийного
тока
.
Следовательно
,
непрямые
удары
молний
не
вы
-
звали
перекрытий
изолирующих
промежутков
.
По
GPS-
координатам
молнии
,
зарегистрированной
метеорологической
службой
,
была
отправлена
по
-
левая
группа
,
которая
обнаружила
вокруг
соответ
-
ствующего
участка
линии
сильно
поврежденные
деревья
.
Результаты
полевых
испытаний
показали
,
что
,
если
бы
этот
фидер
был
построен
с
БУИ
157
кВ
,
за
все
шесть
лет
замеров
произошел
бы
только
один
пробой
из
-
за
непрямого
попадания
молнии
.
Одна
-
ко
стандарт
IEEE
предполагает
13,5
пробоев
.
Ана
-
лиз
IEEE
основан
на
том
,
что
на
линии
22
кВ
от
-
сутствуют
искровые
разрядники
и
поблизости
от
воздушной
линии
нет
объектов
большой
высоты
.
На
практике
же
на
линии
были
установлены
1116
раз
-
рядников
,
а
в
непосредственной
близости
от
линии
находилось
множество
высоких
объектов
,
что
мог
-
ло
повлиять
на
результат
.
Следовательно
,
разумно
предположить
,
что
если
компания
предпочитает
не
получать
пробоев
из
-
за
непрямых
попаданий
мол
-
ний
,
будет
безопаснее
строить
воздушные
линии
с
БУИ
180
кВ
.
Это
будет
оптимальным
решением
,
так
как
в
большинстве
случаев
потребуются
допол
-
нительные
защитные
устройства
возле
изолято
-
ров
,
чтобы
обеспечить
безопасность
конструкции
для
птиц
.
Наконец
,
если
бы
в
окрестностях
линии
не
было
деревьев
,
три
крупнейших
разряда
могли
бы
попасть
непосредственно
в
линию
и
,
таким
образом
,
не
счи
-
тались
бы
непрямыми
попаданиями
.
Самое
высокое
наведенное
напряжение
в
результате
непрямых
по
-
паданий
за
шесть
лет
составляло
бы
тогда
менее
111
кВ
.
Взгляд
в
будущее
Несколько
тысяч
блоков
Combi
были
произведены
компанией
Live Line Technology
и
установлены
в
те
-
стовом
режиме
на
фидерах
11
кВ
и
22
кВ
.
Некоторые
результаты
были
озвучены
в
докладе
Lightning and
Power Frequency Performance on Medium-Voltage Pole-
Mounted Transformers,
представленном
на
7-
й
Афри
-
канской
Региональной
Конференции
и
Коллоквиуме
в
2013
году
.
Конечный
продукт
в
данный
момент
про
-
ходит
сертификацию
. Eskom
работает
над
практиче
-
скими
мерами
по
снижению
БУИ
для
ВЛ
на
деревян
-
ных
опорах
в
рамках
экологических
требований
.
Виллем
Якобус
Дирксе
ван
Шалквик
(vschalwj@
eskom.co.za)
получил
степень
магистра
инженерии
в
университете
Штелленбош
в
2001
году
в
обла
-
сти
инженерии
высоковольтных
сооружений
и
сей
-
час
занимает
позицию
главного
инженера
холдинга
Escom SOC
в
Южной
Африке
.
Ван
Шалквик
работает
в
Escom
с
1985
года
в
области
технического
обслужи
-
вания
системы
,
сертифицированный
инженер
и
член
Южноафриканского
Института
электроинженерии
.
Джон
Майкл
ван
Коллер
ac.za) —
старший
преподаватель
школы
электриче
-
ской
и
информационной
инженерии
в
университете
Уитватерсранда
,
Йоханнесбург
,
ЮАР
.
Он
получил
докторскую
степень
по
высоковольтной
инженерии
в
том
же
университете
.
Ван
Коллер
является
членом
IEEE
и
Института
Инженерии
и
Технологий
,
а
также
сотрудником
Института
инженерии
электростанций
Eskom,
который
предоставляет
специальное
постди
-
пломное
образование
сотрудникам
Eskom.
Вызванные
попаданиями
молний
перекрытия
на
фидере
GAKG
Год
(
заканчивается
в
феврале
)
Прямые
попадания
Непрямые
попадания
Перекрытия
фаза
-
фаза
Однофазные
перекрытия
Не
вызвали
перекрытий
Перекрытия
фаза
-
фаза
Однофазные
перекрытия
Не
вызвали
перекрытий
2009
15
0
18
0
0
1,603
2010
34
9
9
0
0
2,062
2011
30
2
28
0
0
1,983
2012
26
3
14
0
0
2,471
2013
14
0
22
0
0
1,091
2014
7
1
11
0
0
887
Среднее
21
2.5
17
0
0
1,689
Прямых
попаданий
= 40,5
Непрямых
попаданий
= 1689
Примечание
:
регистрировались
все
молнии
на
расстоянии
до
1
км
(0,62
мили
)
от
фидера
.
Больше
информации
на
:
Eskom | www.eskom.co.za
IEEE | www.ieee.org
Live Line Technology | www.liveline.co.za
ДИАГНОСТИКА
и устранение неполадок
Оригинал статьи: Приручить молнию
Eskom анализирует и тестирует практичность значительного снижения базовых уровней изоляции и влияние этого снижения на общую молниезащиту системы.
