1 Захист ліній від блискавки

Лінії напругою 220 кВ і вище, як правило, споруджуються на металевих або залізобетонних опорах. При цьому основним засобом блискавкозахисту є троси, що розташовуються над фазними проводами з достатньо малим кутом захисту α. Кут захисту, залежно від висоти опор, підбирається так, щоб понизити число прямих ударів блискавки у фазні проводи приблизно на 2–3 порядки. Ця умова забезпечується, зазвичай, при α =20...30°. Проте, як показують дані табл. 1.1 і досвід експлуатації, випадки прориву блискавки на проводи є визначальними в сумарному числі небезпечних грозових уражень ліній 330 кВ і вище, спостерігається збільшення їх числа зі зростанням номінальної напруги лінії. Це пов'язано зі збільшенням висоти опор і відповідним зниженням ефективності тросового захисту, а також зі зростанням впливу електричного поля фазних проводів на напрям розвитку лідера блискавки. В цілях збереження високої надійності тросового захисту на лініях 220 кВ і вище рекомендовано застосування тросів з від’ємними кутами захисту.

Для зменшення грозових уражень лінії надвисокої напруги частіше монтують на опорах, які мають горизонтальне розташування фаз (наприклад, портальних). Це дозволяє понизити загальну висоту ліній. Додаткове зниження числа зворотних перекриттів дає також використання опор, закріплених металевими відтяжками, які зменшують індуктивність шляху струму блискавки від вершини опори в землю та імпульсний опір заземлення.

На портальних опорах, що мають велику відстань між крайніми фазами, достатньо малий кут захисту забезпечується шляхом підвішування двох тросів, розташованих на однаковій висоті.

Якщо троси заземлені на кожній опорі, то виникають замкнені контури, в яких під впливом магнітного поля робочого струму наводяться е.р.с. і починають протікати вихрові струми. Для зменшення пов’язаних із цим втрат електричної енергії троси безпосередньо приєднують до заземленої опори лише на кінці анкерної ділянки, а на проміжних опорах підвішують на одному – двох ізоляторах, зашунтованих іскровим проміжком. Під час грозових перенапруг ці іскрові проміжки пробиваються, і трос виявляється практично заземленим на кожній опорі.

Для ефективного відведення струму блискавки в землю і запобігання зворотним перекриттям ізоляції опори лінії забезпечуються відповідними заземлювачами, що знижують імпульсний опір заземлення кожної опори до значення  <10...20 Ом. Вищі значення опору заземлення опор допускаються лише для ліній, розташованих в районах з високим питомим опором ґрунту (ρ > 1000 Ом·м). У ґрунтах з ρ >1000 Ом·м бажано застосовувати ефективні глибинні заземлювачі або, в крайньому випадку, багатопроменеві заземлювачі довжиною 20–30 м.

Додатковим засобом зменшення грозового ураження ліній 220 кВ і вище є використання АПВ.

Комплекс перерахованих засобів забезпечує порівняно високий рівень надійності блискавкозахисту ліній надвисокої напруги: питоме число грозових відключень складає 0,05...0,1 на 100 км і 100 грозових годин. Слід зазначити, що найбільш високе питоме число грозових відключень (на порядок більше, ніж для інших ліній) мають дволанцюгові лінії, змонтовані на опорах баштового типу. Велика висота опор обумовлює на цих лініях збільшення ймовірності прориву блискавки повз троси, а також збільшення ймовірності зворотних перекриттів за рахунок підвищення індуктивності опори (див. рис. 1.13).

Лінії 110-150 кВ на металевих або залізобетонних опорах в більшості випадків також захищаються по всій довжині тросами. Кут захисту для цих ліній зазвичай вибирається в межах 20–30°, що при відносно невеликих висотах і довжинах цих ліній забезпечує задовільну надійність захисту (див. табл. 1.1). Проте нерідко лінії 110 кВ експлуатуються і без тросового захисту. До таких випадків відносять:

а) проходження лінії в районах із слабкою інтенсивністю грозової діяльності (Т_ч<20 год);

б) високий питомий опір ґрунту, що не дозволяє забезпечити малий опір заземлення і ефективну роботу троса;

в) розташування ліній в особливо льодяних районах, де часто спостерігається рух проводів і великі механічні навантаження на трос під час обмерзання створюють небезпеку обриву троса;

г) наявність на трасі лінії районів з агресивними навантаженнями промислових підприємств, що викликають швидку корозію тросів і небезпеку їх обриву;

д) розташування лінії в гірській місцевості, де розряди з великими струмами блискавки рідко досягають проводів лінії, орієнтуючись переважно на гірські масиви, що знаходяться поблизу.

Відсутність блискавкозахисного тросу призводить до підвищення числа коротких замикань на лінії внаслідок грозових перекриттів. При цьому часто спрацьовують пристрої АПВ і збільшується число небезпечних впливів на лінії зв’язку і число дій струмів коротких замикань на електроустаткування мережі. Зростає також і ймовірність протікання великих струмів через заземлювальні пристрої підстанції. Не дивлячись на це, з техніко-економічної точки зору відсутність тросів на лініях 110–150 кВ на металевих опорах у ряді випадків виявляється виправданою, а блискавкозахист виявляється задовільним завдяки відносно невеликій висоті і довжині таких ліній.

Лінії 110–150 кВ на дерев’яних опорах не вимагають підвішування блискавкозахисних тросів, достатня грозостійкість цих ліній забезпечується високою імпульсною міцністю лінійної ізоляції і малим градієнтом напруги уздовж шляху перекриття, що обумовлює малу імовірність переходу імпульсного перекриття в силову дугу. Якщо на лінії деякі опори виконані металевими або залізобетонними (наприклад, кутові або анкерні), то на них повинні встановлюватися вентильні розрядники (aerial fuse, discharge switch) або обмежувачі перенапруг (overvoltage limiter).

Важливим засобом підвищення надійності блискавкозахисту ліній 110–150 кВ на дерев’яних опорах є застосування АПВ.

Під час грозових уражень лінії на дерев'яних опорах спостерігається механічне розщеплення і поломки траверс, а також інших частин опори. Число таких пошкоджень сильно залежить від якості підготовки деревини під час спорудження ПЛЕП; необхідне ретельне і глибоке просочення опор для запобігання їх загниванню.

Лінії 35 кВ на металевих опорах захищаються тросами лише в особливо відповідальних випадках. Зазвичай вони і без тросів виявляються грозостійкими. Як наголошувалося вище, основними блискавкозахисними заходами тут є використання ізольованої нейтралі або дугогасильного реактора, а також АПВ. Як видно з табл. 1.2, де наведені типові характеристики ліній 6–35 кВ і оцінки питомого числа грозових відключень за різних розрахункових дій, для ліній 35 кВ на металевих опорах вже істотна частка відключень визначається індукованими перенапругами.

Лінії 35 кВ на дерев’яних опорах мають вищу надійність блискавкозахисту за рахунок використання високої імпульсної міцності дерева. Наведені в табл. 1.2 значення питомого числа їх відключень мають орієнтовний характер, оскільки імпульсна міцність дерева, за літературними даними, може змінюватися в два – три рази залежно від ступеня зволоження і стану деревини. Крім того, опір заземлення залізобетонних пасинків на дерев’яних опорах, які не мають струмовідвідних спусків, не нормується, що може привести до великого розкиду його значень на реальній лінії.

Лінії 3–20 кВ як на металевих, так і на дерев'яних опорах також не мають тросового захисту і захищаються від грозових дій за допомогою дугогасильного реактора або ізольованої нейтралі і АПВ. На опорах з ослабленою ізоляцією або з підвищеною ймовірністю грозового ураження доцільно встановлювати вентильні розрядники або ОПН.

Таблиця 1.2 – Характеристики блискавкозахисту ПЛ 6–35 кВ

Окремі місця ліній вимагають додаткових заходів захисту. До таких місць відносять:

• перетини ліній електропередачі між собою;

• перетини ліній електропередачі з лініями зв’язку, трамвайними лініями і лініями електрифікованої залізниці;

• опори лінії електропередачі з пониженою електричною міцністю ізоляції (dielectric strength);

• високі опори перехідних прогонів;

• відгалуження до підстанцій на відпайках і секційні роз’єднувачі (disconnector) на лініях;

• кабельні вставки (cable insertion) на лініях.

Захист перетинів ліній електропередачі викликаний необхідністю запобігти важким аваріям у разі грозового перекриття з верхньої лінії на нижню лінію електропередачі або зв’язку. Такі перекриття можуть викликати помилкову роботу релейного захисту і системні аварії, пошкодження електроустаткування ліній нижчої напруги і навіть спричинити людські жертви. Найбільшу небезпеку несе удар блискавки в прогін перетину. Відстань між проводами пересічних ліній в цьому прогоні повинна бути достатньо великою, а амплітуда перенапруг обмежена розрядниками, розташованими якомога ближче до місця перетину, тому в прогоні перетину доцільно зняти блискавкозахисний трос з нижньої лінії і вибрати точку перетину далі від середини прогону верхньої лінії. Якщо відстань від місця перетину до найближчої опори не перевищує 40 м, то розрядники можна встановлювати тільки на найближчій опорі. На лініях до 35 кВ, що мають пристрій АПВ, замість розрядників допускається встановлення захисних проміжків. Опір заземлення опор прогону перетину не повинен перевищувати 10...20 Ом. Якщо опори дерев’яні, то на них рекомендується встановлювати паралельно гірляндам ізоляторів розрядники або іскрові проміжки, з’єднані спусками із заземлювачами опори.

Необхідна відстань S по вертикалі між проводами пересічних ліній залежить від номінальної напруги верхньої лінії, опору заземлення опор, довжини прогону і відстані між місцем перетину і найближчою опорою. Встановлення захисних засобів дозволяє зменшити відстань S на 20–30%.

Окремі металеві і залізобетонні опори ліній, виконаних, головним чином, на дерев’яних опорах без тросів, є місцями з пониженою імпульсною електричною міцністю ізоляції. Ці місця доцільно захистити трифазними комплектами розрядників.

Високі перехідні прогони повітряних ліній електропередачі є джерелом підвищеного числа грозових уражень. Це пов’язано з великою висотою опор і проводів над землею, що призводить до збільшення числа ударів блискавки в прогін, зниження ефективності захисту тросом, збільшення числа зворотних перекриттів через велику індуктивність опор. Зниження імпульсного опору заземлення перехідних опор в цьому випадку стає недостатнім.

Розрахунок очікуваного числа відключень ЛЕП з високими перехідними прогонами ускладнений необхідністю врахування складного рельєфу місцевості під прогоном і великої різниці висоти проводу над землею на окремих ділянках прогону, тому блискавкозахист відповідальних прогонів розглядається індивідуально. Як показують розрахунки, найбільш ефективним засобом захисту високих переходів є встановлення вентильних розрядників або ОПН у верхній частині перехідних опор або на опорах, сусідніх з перехідними.