ВОЛС.ЭКСПЕРТ

Все о волоконно-оптических линиях связи.

Современные аспекты повышения грозоупорности линий электропередач

Введение

Грозовые перенапряжения на высоковольтных линиях (ВЛ) возникают в результате прямого удара молнии в ВЛ (в опору, в грозозащитный трос, в фазный провод) и в результате действия наведённого напряжения при ударе молнии в объекты вблизи ВЛ (деревья, строения). При этом, на линейной изоляции возникают перенапряжения, приводящие к так называемому перекрытию изоляции по воздуху (перекрытие изоляции). Перекрытие изоляции может привести к возникновению устойчивой силовой дуги – устойчивому короткому замыканию (КЗ) фазы на землю. Ряд методик устанавливает вероятность установления силовой дуги (устойчивое КЗ) немногим менее 1 при импульсном перекрытии изоляции ВЛ 110 кВ в сетях с заземлённой нейтралью [2, с.70]. В результате срабатывает релейная защита и автоматика подстанции (РЗиА ПС), отключающая КЗ на ВЛ. Линия становится обесточенной, а потребители недополучают электроэнергию.

Опыт эксплуатации показывает, что грозовые отключения ВЛ в среднем составляют 10 ÷ 20 % от общего числа автоматических отключений по всем причинам. С ростом класса номинального напряжения число грозовых отключений уменьшается, но их доля (по отношению к отключениям по всем причинам) возрастает на фоне повышения общей надёжности ВЛ. [1, с.154]

Важно обеспечить постоянство подачи электроэнергии потребителю, повысить грозоупорность ВЛ, то есть повысить устойчивость ВЛ к воздействию грозовых перенапряжений.

В ряде проектов за последнее время, в качестве альтернативных методов повышения грозоупорности ВЛ, рассматривается применение ограничителей перенапряжений (ОПН) с одновременным отказом от установки грозозащитных тросов.

В данной статье анализируются основные средства обеспечения грозоупорности ВЛ и предлагается комплексный подход на основе современных достижений и разработок.

Способы повышения грозоупорности ВЛ

Общее представление о долях ударов молнии в точки ① ② ③ (см. Рисунок 1) показано в Таблице 1. [2, c.15]

Рисунок 1

Таблица 1. Доли разрядов молнии в различные элементы ВЛ

Точка

Место разряда молнии

Грозозащитного троса нет

Грозозащитный трос есть

Фазный Провод

0,5

0,005

Опора или грозозащитный трос вблизи от опоры

0,5

≈0,5

Грозозащитный трос

в средней части пролёта

0

≈0,5

Итого:

1,0

1,0

 

Самым опасным представляется прямой удар молнии в фазный провод. Волна перенапряжения уходит в сторону ПС, некоторая её часть теряется на потери в короне при пробеге по фазному проводу, происходит перекрытие изоляция фазного провода, что в свою очередь ведёт к возникновению устойчивого КЗ и отключению ВЛ РЗиА ПС, с некоторой степенью вероятности возникновения каждого следующего события.

Из таблицы следует, что установленный на ВЛ грозозащитный трос снижает вероятность удара молнии в фазные провода в сотни раз, тем самым приводя в ряде случаев к серьёзному повышению грозоупорности ВЛ 35 ÷ 750 кВ.

При ударе молнии в опору или грозозащитный трос (заземлённые части ВЛ) перекрытие изоляции может возникнуть вследствие повышения импульсного потенциала на траверсе в месте крепления изолирующей подвески фазного провода к опоре. Такое перекрытие изоляции получило название «обратное перекрытие» – перекрытие с заземлённой части электроустановки на токоведущую.

Критические значения тока молнии, приводящие к перекрытию линейной изоляции, при прорывах молнии на провода невелики. Изоляция ВЛ 110 ÷ 330 кВ перекрывается при амплитуде тока молнии от 3 до 10 кА и выше. Для изоляции ВЛ 500 ÷ 1150 кВ опасен ток молнии от (15 — 35) кА. Практически каждый удар молнии в провод ВЛ 110 кВ вызывает перекрытие изоляции. Опасными при прорывах молнии на провода ВЛ 1150 кВ являются 30 ÷ 40 % разрядов молнии. Таким образом, высокая импульсная прочность линейной изоляции ВЛ 500 ÷ 1150 кВ не обеспечивает их грозоупорности при прорывах молнии на провода. [1, с.145]

Обратные перекрытия возникают при значительно большей амплитуде тока молнии. Например, изоляция ВЛ 110 кВ перекрывается при ударах молнии в опору с током, достигающим нескольких десятков килоампер. При удалении точки удара молнии от опоры к середине пролёта вероятность обратного перекрытия изоляции уменьшается из-за распределения тока молнии между двумя опорами, снижения крутизны тока за счёт потерь на импульсную корону при пробеге по тросу и удалённости канала молнии. [1, с.146]

В качестве основных средств грозозащиты ВЛ используются:

  • подвеска заземлённых тросов
  • снижение сопротивления заземления опор
  • повышение импульсной прочности линейной изоляции
  • защита отдельных опор и участков с ослабленной изоляцией
  • ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН)

Резервным средством повышения надёжности и бесперебойности работы ВЛ является автоматическое повторное включение (АПВ), в особенности быстродействующее (БАПВ) и однофазное (ОАПВ). Коэффициент успешности АПВ при грозовых отключениях, по данным опыта эксплуатации, для ВЛ 110 ÷ 500 кВ составляет в среднем 0,6 ÷ 0,8, а для ВЛ 750 и 1150 кВ – 0,8 ÷ 0,9. АПВ позволяет частично компенсировать низкую грозоупорность ВЛ при трудностях устройства хороших заземлений и т.п. Однако применение АПВ не должно исключать использование основных средств грозозащиты, так как КЗ снижают ресурс оборудования ПС. [1, с.148]

Подвеска заземлённых тросов – наиболее эффективный и распространённый способ повышения грозоупорности. Расположение тросов относительно проводов должно обеспечить наибольшую эффективность тросовой защиты при преобладающем для данной ВЛ типе грозовых отключений (прорывы или обратные перекрытия). В первом случае снижение вероятности прорыва, достигается уменьшением угла защиты троса (тросов), в том числе подвеской тросов с отрицательным углом защиты, и увеличением расстояния между тросом и проводом по вертикали. Во втором случае вероятность обратного перекрытия уменьшается при увеличении числа тросов, разнесении их на большее расстояние, в том числе при подвеске части тросов под проводами. Перечисленные мероприятия способствуют уменьшению импульсного тока через опору и усиливают электростатическое экранирование проводов тросами. [1, с.148]

Снижение сопротивлений заземления опор ВЛ с тросом является одним из основных средств уменьшения вероятности импульсного перекрытия изоляции при ударе молнии в трос или опору. Исключением являются ВЛ или участки на очень высоких опорах (переходы через реки и т.п.), грозоупорность которых в значительной мере определяется индуктивностью опор. [1, с.149]

В ситуациях с высоким сопротивлением заземления опор, немаловажным преимуществом является использование грозозащитных тросов на основе стальных проволок, плакированных алюминием (рис. 2) марки ГТК, вместо оцинкованных грозозащитных тросов марки МЗ.

Рис. 2. Эскиз грозозащитного троса марки ГТК

Это связано с тем, что сопротивление ГТК значительно ниже сопротивления оцинкованных тросов, что будет способствовать растеканию тока молнии (или КЗ) по соседним опорам и снизит вероятность перекрытия изоляции, а значит и аварийного отключения.

Необходимость в нетрадиционных дополнительных средствах повышения грозоупорности ВЛ возникает тогда, когда эффект повышения грозоупорности ВЛ при применении основных средств (тросы, заземление опор, повышение прочности изоляции) недостаточен или их реализация экономически нецелесообразна.

Дополнительным средством повышения грозоупорности ВЛ могут служить ОПН, устанавливаемые непосредственно на опорах ВЛ. Применение ОПН в дополнение к грозащитным тросам на ВЛ наиболее эффективно в следующих случаях:

  • на одной из цепей двухцепной ВЛ, что практически полностью предотвращает грозовые отключения одновременно двух цепей (часто практикуется питание ответственного потребителя по двуцепной ВЛ);
  • при высоком сопротивлении заземления опор (вечномёрзлые грунты, горные породы, сухой песок);
  • на высоких опорах (переходы через водные преграды). [1, с.150]

Экономические расчёты показывают, что защита всей трассы ВЛ с помощью ОПН без использования грозозащитного троса, обойдется дороже установки (замены на новый) традиционного грозозащитного троса. При такой схеме грозозащиты (нет троса – есть ОПН) ток и энергия, проходящие в ОПН при ударе молнии в ВЛ имеют высокие значения, повышая риск повреждения установленных ОПН. В этом случае необходимо использовать так называемые «тяжёлые» ОПН, с высокими значениями токов пропускной способности (> 1000 А), что в свою очередь влечёт существенное удорожание проекта.

  При строительстве и реконструкции ВЛ 110 ÷ 750 кВ массовую установку ОПН на опорах следует рассматривать как дополнительное средство повышения грозоупорности, необходимость в котором должна быть технически и экономически обоснована. [2, с.38]

Контраргументом для установки грозозащитного троса, как правило, является мнение, что при наступлении тяжёлых климатических условий (толстый слой гололёда на проводах, галлопирование и пр.) грозозащитный трос может приблизиться на недопустимо малое расстояние к фазным проводам или при возрастании нагрузок произойти обрыв. Однако при грамотном подходе к проектированию и монтажу такой вариант развития событий видится маловероятным, так как на этапе проектирования должны выполняться соответствующие расчёты, ставящие целью исключить возникновение подобных событий: подбор соответствующей конструкции грозозащитного троса, учитывающий климатические условия и расстояние между опорами, а также механический расчёт (тяжения, стрелы провеса, монтажные таблицы); расчёты на соблюдение допустимых наименьших изоляционных расстояний между грозозащитным тросом и фазными проводами при воздействии различных климатических условий и возникновении пляски; расчёт нагрузок на опоры; расчёт схемы гашения вибраций. Монтаж грозозащитного троса должен вестись в полном соответствии с проектом.

Из материалов VI Всероссийской конференции по молниезащите (г. Санкт-Петербург, 17-19 апреля 2018 г.) можно сделать следующие выводы о результатах применения ОПН без грозозащитных тросов:
— экономическая неэффективность применения ОПН и ухудшение статистики по грозовым отключениям с течением времени;
— выход из строя ОПН при ударе молнии в непосредственной близости от места установки, большое количество отключений вследствие повреждения ОПН первых поколений;
— возникновение аварийных ситуаций на ВЛ, вследствие дефектных материалов и ошибок монтажа при установке ОПН.

Таким образом, повсеместная установка относительно дешевых, но маломощных ОПН не приводит к снижению аварийности на ВЛ вследствие грозовых перенапряжений, а установка мощных, но дорогостоящих ОПН на каждой опоре и всех фазных проводах является экономически неэффективной. Только комплексная защита ВЛ с применением грозозащитных тросов и точечной установки ОПН в наиболее критичных пролетах приводит к минимально возможным показателям по грозовым отключениям с приемлемой экономической эффективностью.

Удар молнии в грозозащитный трос и фазный провод

В СТО 56947007-29.060.50.015-2008 «Грозозащитные тросы для воздушных линий электропередачи 35-750 кВ. Технические требования» в разделе 5.3 приведены требования к электрическим параметрам грозозащитных тросов. Так п. 5.3.4 гласит, что грозозащитный трос должен быть стоек к воздействию импульса тока молнии с постоянной составляющей переносящей заряд, величина которого определяется в кулонах для каждого класса молниестойкости ГТ при приложении к грозозащитному тросу растягивающей нагрузки равной [СЭН + 5% МПР], где СЭН – среднеэксплуатационная нагрузка, МПР – максимальная прочность на разрыв. [4, с.9]

Таким образом грозозащитные тросы делятся на 5 классов по молниестойкости («класс 0» – 50 кЛ… «класс 4» – 150 кЛ) и существуют определённые методики по выявлению этого параметра у грозозащитного троса.

Другими словами, при ударе молнии определённой силы в грозозащитный трос последний должен выдержать и не порваться при определённой приложенной нагрузке.

На провода же, используемые в качестве силовых фазных проводников (АС и др.) подобного требования нет и соответственно нет и методики, выявляющей молниестойкость. Считается, что основное назначение фазного провода – это передача электроэнергии, а основное назначение грозозащитного троса – защита ВЛ от прямого удара молнии.

Как показывает практика, при ударе молнии в фазный провод марки АС имеет место разрушение проволок верхнего повива с их расплетанием, и чем мощнее воздействие молнии, тем больше разрушается проволок. Это ведёт к ряду негативных последствий:

  • Значительному повышению сопротивления повреждённого участка фазного провода, в результате провод может греться выше допустимой нормы.
  • Механическая прочность провода уменьшается.
  • Расплетённые проволоки могут приблизиться на недопустимое расстояние до других элементов ВЛ, тем самым значительно повышая вероятность возникновения КЗ и аварийного отключение ВЛ.

Следует заметить, что при ударе молнии в подвешенный грозозащитный трос в редких случаях возможно и его разрушение, но такая ситуация несет меньшие негативные последствия, чем удар молнии в более слабый с точки зрения молниеустойчивости фазный провод с более вероятным его повреждением. Работа фазного провода в пролёте при наступлении тяжёлых климатических условий (гололёд, ветер, пляска, галлопирование и пр.) может усугубиться ввиду уменьшения его механической прочности и повышения сопротивления (нагрев провода выше нормы ведёт к разрушению провода), что может привести к дальнейшей аварии на ВЛ и дорогостоящему ремонту.

Требования «правил устройства электроустановок»

В ПУЭ-7, пункт 2.5.116 указано, что «Воздушные линии 110 ÷ 750 кВ с металлическими и железобетонными опорами должны быть защищены от прямых ударов молнии тросами по всей длине.

Сооружение ВЛ 110-500 кВ или их участков без тросов допускается:

1)     в районах с числом грозовых часов в году менее 20 и в горных районах с плотностью разрядов на землю менее 1,5 на 1 км2 в год;

2)     на участках ВЛ в районах с плохо проводящими грунтами (r > 103 Ом·м);

3)     на участках трассы с расчётной толщиной стенки гололёда более 25 мм;

4)     для ВЛ с усиленной изоляцией провода относительно заземлённых частей опоры при обеспечении расчётного числа грозовых отключений линии, соответствующего расчётному числу грозовых отключений ВЛ такого же напряжения с тросовой защитой.

Число грозовых отключений линии для случаев, приведенных в пп.1-3, определённое расчётом с учётом опыта эксплуатации, не должно превышать без усиления изоляции трёх в год для ВЛ 110 ÷ 330 кВ и одного в год – для ВЛ 500 кВ.

Воздушные линии 110 ÷ 220 кВ, предназначенные для электроснабжения объектов добычи и транспорта нефти и газа, должны быть защищены от прямых ударов молнии тросами по всей длине (независимо от интенсивности грозовой деятельности и удельного эквивалентного сопротивления земли)». [3]

Таким образом, требования нормативной документации прямо устанавливают необходимость установки грозозащитных тросов по всей длине трассы, кроме особых случаев. Не допускается отказ от установки грозозащитного троса в пользу ОПН, как основного средства грозозащиты.

ВОЛС на ВЛ

Воздушные линии электропередачи давно пользуются популярностью для проведения линий связи. Воздушная прокладка кабелей связи (подвес) — один из самых экономичных способов организации связи, так как можно использовать существующие опоры, не выстраивая отдельной инфраструктуры. Но старые опоры могут не выдержать дополнительной нагрузки от подвеса отдельного кабеля связи. Тем более дополнительный кабель, это дополнительные затраты на материалы, монтаж и обслуживание.

С другой стороны, в предыдущих разделах сделан вывод, что грозозащитный трос на ВЛ необходим. Грозозащитный трос — металлический трос, подвешиваемый в самой высокой точке линии электропередачи над фазными проводами для защиты от ударов молний, естественный элемент ЛЭП. При этом основную часть времени он находится без напряжения, за исключением моментов, когда на него воздействует удар молнии или происходит короткое замыкание с фазным проводом. Поскольку оптическое волокно не подвержено электромагнитному влиянию, возникла идея соединить грозозащитный трос с оптическим кабелем, решив две задачи одновременно – повышение грозоупорности ВЛ и передача данных. На ВЛ по всему миру получил широкое распространение ОКГТ – оптический кабель, встроенный в грозозащитный трос, предназначенный для защиты ВЛ от прямых ударов молнии, а также выполняющий функцию кабеля связи.

Внедрение оптических волокон в конструкцию грозозащитного троса позволяет быстро и эффективно создавать на инфраструктуре ЛЭП высокоскоростные современные линии передачи информации. Использование готовой инфраструктуры обеспечивает дополнительную безопасность линии связи, снижая аварийность – грозотрос висит в самой высокой точке опоры над фазными проводами, находящимися под напряжением, что существенно ограничивает несанкционированный доступ к линии.

Сегодня ОКГТ рекомендован ПАО «Россети» как основной метод организации связи на линиях 110 кВ и выше.

СТО 56947007-33.180.10.172-2014 «Технологическая связь. Правила проектирования, строительства и эксплуатации ВОЛС на воздушных линиях электропередачи напряжением 35 кВ и выше» п.4.2.3: «Для создания ВОЛС на вновь строящихся или реконструируемых и действующих ВЛ наиболее надежным и экономически обоснованным является подвес ОКГТ на предусмотренные в конструкции опор узлы крепления. При этом ОКГТ выполняет функцию ГТ, осуществляя защиту ВЛ от прямых ударов молнии в фазные провода, и обеспечивает наряду с другими мероприятиями грозоупорность ВЛ, а также позволяет осуществлять по встроенному ОК передачу информации». [5, с.19]

Таким образом, при применении оптического кабеля, встроенного в грозозащитный трос, сетевые энергетические компании получают не только защиту от ударов молнии, но ещё и могут выступать в качестве операторов связи: оптические волокна и каналы можно сдавать в аренду, продавать или эксплуатировать их самостоятельно.

Более того, если на ВЛ организована плавка гололёда, то оптические волокна, встроенные в грозозащитный трос, могут выступать в качестве распределённых датчиков системы измерения температуры вдоль ОКГТ. Система измерения температуры вдоль ОКГТ ставит целью не допустить ненормативный нагрев ОКГТ в режиме плавки.

При использовании в составе ОКГТ волокна для мониторинга деформации (уложенного без избыточной длины), возможно также определения начала гололедообразования (или иных различных ненормативных воздействий) на отдельных участках трассы с точностью до нескольких метров. Данная система позволяет своевременно и эффективно предотвращать аварийные ситуации, которые могут возникать вследствие тяжелых климатических условий.

Заключение

Грозозащитный трос является естественным и неотъемлемым элементом ВЛ, обеспечивая защиту фазных проводов от разрушения вследствие прямых ударов молнии. ОПН не могут являться заменой грозозащитному тросу в качестве основного средства обеспечения грозоупорности. Однако рекомендуется использование ОПН в качестве дополнительного средства грозозащиты на отдельных критических участках трассы.

Применение оптического кабеля, встроенного в грозозащитный трос, позволяет повысить экономическую эффективность использования тросовой защиты, путем создания канала связи на основе оптических волокон. При этом не требуется использования отдельных кабелей связи, увеличивающих нагрузку на опоры и требующих дополнительных затрат на их монтаж и эксплуатацию. Инновационные методы мониторинга состояния ОКГТ на основе оптического волокна, выступающего в качестве распределенного датчика, позволяют своевременно определять начало гололедообразования и использовать режим плавки гололеда с контролем температуры вдоль трассы.

 

Литература:

  1.  РД 153-34.3-35.125-99. «Руководство по защите электрических сетей 6 ÷ 1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений».
  2.  «Применение ОПН для защиты изоляции ВЛ 6 ÷ 750 кВ». Дмитриев М.В.
  3.  «Правила устройства электроустановок». 7 редакция.
  4.  СТО 56947007-29.060.50.015-2008. «Грозозащитные тросы для воздушных линий электропередачи 35-750 кВ. Технические требования».
  5.  СТО 56947007-33.180.10.172-2014. «Технологическая связь. Правила проектирования, строительства и эксплуатации ВОЛС на воздушных линиях электропередачи напряжением 35 кВ и выше».

Гиберт Д.П. – генеральный директор ООО «Инкаб.Про»
Рюпин В.В. – инженер ООО «Инкаб»

4 мая 2018

Комментарии

Оставьте первый комментарий!

wpDiscuz
Подпишитесь на рассылку ВОЛС.Эксперт

Самое важное и интересное в сфере оптоволоконных линий связи