Защита электрических сетей напряжением свыше 1000В от перенапряжений: классификация, средства и принципы

Надежность и бесперебойность функционирования современных электрических сетей напряжением свыше 1000 В являются краеугольным камнем энергетической безопасности и стабильности. Однако этой надежности постоянно угрожают невидимые, но чрезвычайно разрушительные явления — перенапряжения. Эти кратковременные, но значительные превышения номинального напряжения способны вывести из строя дорогостоящее оборудование, вызвать масштабные аварии и привести к длительным перебоям в энергоснабжении. Ежегодно молнии поражают миллионы километров воздушных линий электропередачи и подстанций, а коммутационные операции в разветвленных сетях создают свои, не менее опасные импульсы.

Настоящий реферат призван всесторонне рассмотреть проблему перенапряжений в высоковольтных электрических сетях. Мы погрузимся в детальную классификацию этих явлений, исследуем физику их возникновения и опасные параметры, проанализируем эволюцию и принципы действия основных защитных устройств – от простейших искровых промежутков до высокотехнологичных ограничителей перенапряжений. Особое внимание будет уделено специфике молниезащиты воздушных линий электропередачи и комплексной защите подстанций, а также современным нормативным требованиям и стандартам, регулирующим эту жизненно важную область электроэнергетики. Цель работы — дать студенту технических специальностей глубокое и структурированное понимание этой сложной, но увлекательной темы, необходимое для будущей инженерной практики.

Классификация и причины возникновения перенапряжений в сетях выше 1000В

Перенапряжения в электрических сетях, превышающие 1000 В, представляют собой кратковременные, но значительные повышения напряжения относительно номинальных значений. Эти аномальные явления являются одной из основных угроз для электрической изоляции оборудования, способные вызвать пробой и, как следствие, серьезные повреждения или отказы в работе энергосистемы. По своему происхождению перенапряжения традиционно делятся на две обширные категории: внешние (атмосферные) и внутренние (коммутационные и квазистационарные). Каждая из этих категорий имеет свои уникальные механизмы возникновения и характеристики, определяющие выбор защитных мер. Важно понимать, что без адекватной защиты даже кратковременный всплеск может привести к необратимым последствиям, поэтому глубокий анализ каждого типа перенапряжений — это не просто теория, а ключ к предотвращению масштабных аварий.

Атмосферные перенапряжения

Атмосферные перенапряжения, также известные как грозовые, являются наиболее мощными и непредсказуемыми из всех видов перенапряжений. Их источником служат атмосферные разряды — молнии, которые могут поражать элементы электрических сетей двумя основными способами:

1. Прямой удар молнии: Это наиболее опасный сценарий, при котором разряд молнии непосредственно попадает в фазный провод, грозозащитный трос, опору воздушной линии (ВЛ) или оборудование подстанции. Токи при прямых ударах могут достигать сотен и даже тысяч килоампер, что приводит к возникновению импульсов напряжения, способных мгновенно пробить любую изоляцию, не оснащенную адекватной защитой.
2. Индуктированные перенапряжения: Возникают, когда разряд молнии происходит не в саму линию, а вблизи нее (например, в землю). Электромагнитное поле, создаваемое током молнии, наводит значительные перенапряжения в проводах ВЛ, что может быть опасно для изоляции, особенно в сетях более низких классов напряжения.

Атмосферные перенапряжения характеризуются чрезвычайно высокой кратностью (отношением амплитуды перенапряжения к амплитуде номинального напряжения) и короткой длительностью. Стандартный грозовой импульс тока, используемый для испытаний, имеет форму 8/20 мкс, где 8 мкс — это время нарастания тока до максимального значения (время фронта), а 20 мкс — время спада до половины максимального значения (время до полуспада). Для напряжения принят стандарт 1,2/50 мкс. Эти параметры подчеркивают резкость и ударный характер грозовых воздействий, которые требуют быстродействующих средств защиты.

Коммутационные перенапряжения

В отличие от атмосферных, коммутационные перенапряжения являются внутренними явлениями, возникающими в самой электрической системе в результате изменения ее топологии или режима работы. Их появление связано с коммутациями электрических цепей как в нормальных эксплуатационных условиях, так и при ликвидации аварийных ситуаций. К основным причинам коммутационных перенапряжений относятся:

• Включение и отключение линий: При отключении длинных ненагруженных линий или при включении нагруженных линий могут возникать высокочастотные колебательные процессы, приводящие к значительным выбросам напряжения.
• Дуговые замыкания на землю: В сетях с изолированной или компенсированной нейтралью при однофазных замыканиях на землю может возникать перемежающаяся дуга, вызывающая периодические перенапряжения.
• Сброс нагрузки: Резкое отключение большой нагрузки может привести к повышению напряжения из-за эффекта Ферранти на протяженных линиях.

Коммутационные перенапряжения, как правило, имеют большую длительность по сравнению с грозовыми (часто измеряются в миллисекундах) и характеризуются меньшими, но все же значительными амплитудами. Их амплитуда может достигать 2–3 крат фазного напряжения (U_ф), а в сверхвысоковольтных сетях — до 4–5 крат U_ф. Стандартный коммутационный импульс напряжения имеет форму 250/2500 мкс, что указывает на существенно более медленное нарастание и спад по сравнению с грозовыми импульсами.

Квазистационарные и высокочастотные коммутационные перенапряжения

Помимо классических коммутационных перенапряжений, существуют также более сложные их разновидности, которые требуют особого внимания.

Квазистационарные перенапряжения — это длительные или периодически повторяющиеся перенапряжения, которые могут сохраняться в течение секунд, минут или даже дольше, что оказывает серьезную термическую и электрическую нагрузку на изоляцию оборудования. Они подразделяются на:

• Режимные перенапряжения: Возникают при изменении режима работы сети. Например, при однофазных замыканиях на землю в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью фазные напряжения неповрежденных фаз могут значительно возрастать, оставаясь повышенными до устранения замыкания. Аналогично, при сбросе нагрузки или отключении длинных линий возможно длительное повышение напряжения.
• Резонансные перенапряжения: Возникают, когда частота возмущающего воздействия совпадает с одной из собственных частот колебательного контура системы (сочетание индуктивностей и емкостей). Это приводит к значительному увеличению тока и напряжения, которые могут превышать номинальные значения в несколько раз.
• Феррорезонансные перенапряжения: Особый и сложный вид резонансных перенапряжений, возникающих в цепях, содержащих нелинейные индуктивности (например, трансформаторы или реакторы, работающие в режиме насыщения) и емкости. Характеризуются сложной нелинейной природой, множеством устойчивых режимов и могут быть вызваны небольшими возмущениями.
• Параметрические перенапряжения: Возникают в цепях с изменяющимися параметрами (индуктивностью, емкостью), например, при изменении взаимной индуктивности между фазами или при включении/отключении оборудования, что приводит к перераспределению энергии и возникновению всплесков напряжения.

Высокочастотные коммутационные перенапряжения на оборудовании подстанций 110 кВ и выше представляют собой отдельную, часто недооцениваемую угрозу. Они возникают как результат высокоскоростной перезарядки емкостей шин распределительных устройств при пробоях межконтактных промежутков во время аварийных и эксплуатационных коммутаций, особенно при отключении ненагруженных шин разъединителями. Эти перенапряжения имеют:

• Высокие частоты: от десятков килогерц до нескольких мегагерц.
• Чрезвычайно высокую скорость нарастания напряжения (du/dt): до нескольких киловольт в микросекунду.

Такие быстрые и высокочастотные импульсы напряжения особенно опасны для изоляции обмоток трансформаторов, где они могут вызывать неравномерное распределение напряжения по виткам, приводя к локальным пробоям и ускоренному старению изоляции. Их диагностика и защита требуют специализированных подходов.

Таким образом, многообразие видов и причин возникновения перенапряжений диктует необходимость применения комплексного подхода к защите, учитывающего как общие характеристики, так и специфические особенности каждого типа опасного воздействия.

Общие принципы защиты электроустановок от перенапряжений и классификация защитных устройств

Фундаментальная задача защиты электроустановок от перенапряжений заключается в сохранении целостности и работоспособности изоляции оборудования. Это достигается путем реализации двух взаимосвязанных принципов: ограничения амплитуды перенапряжения до безопасных для изоляции значений и эффективного гашения сопровождающего тока промышленной частоты, который возникает после пробоя защитного устройства. Без гашения этого тока кратковременный импульсный пробой может перейти в устойчивое короткое замыкание, что приведет к повреждению оборудования и нарушению энергоснабжения. К чему это приводит? К значительным финансовым потерям и длительным простоям, что напрямую сказывается на надежности энергоснабжения потребителей.

Ключевым инструментом для обеспечения надежной защиты является координация изоляции. Это означает, что вольт-секундная характеристика защитного устройства (зависимость пробивного напряжения от длительности импульса) должна быть ниже и, что особенно важно, более пологой, чем вольт-секундная характеристика защищаемой изоляции. Это гарантирует, что защитное устройство сработает раньше, чем произойдет пробой изоляции основного оборудования, при любом типе и длительности перенапряжения.

На практике аппараты защиты настраивают таким образом, чтобы их пробой происходил при определенном уровне перенапряжения, который зависит от класса напряжения сети:

• В установках до 35 кВ — до 2,5-3 U_ф.
• В установках 35 кВ — до 2,3-2,5 U_ф.
• В установках 110 кВ и выше — до 2-2,2 U_ф.

Где U_ф — это фазное напряжение, то есть напряжение между фазным проводом и нейтральным проводом (или землей) в трехфазной электрической системе.

Основные аппараты, используемые для защиты от перенапряжений, прошли долгий путь эволюции и сегодня представлены следующими типами:

1. Искровые промежутки (ИП): Простейшие устройства, основанные на пробое воздушного или другого диэлектрического промежутка. Исторически первые, но обладающие серьезными недостатками.
2. Трубчатые разрядники (РТ): Усовершенствованные искровые промежутки, использующие газы, выделяющиеся из стенок трубки, для гашения дуги сопровождающего тока.
3. Вентильные разрядники (РВ): Комбинированные устройства, состоящие из искровых промежутков и нелинейных резисторов, предназначенные для эффективного гашения сопровождающего тока.
4. Нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН): Самые современные и эффективные безыскровые устройства, основанные на металлооксидных варисторах, обеспечивающие низкий уровень ограничения перенапряжений и высокую надежность.

Каждый из этих типов устройств имеет свои конструктивные особенности, принцип действия, преимущества и недостатки, определяющие область их применения в высоковольтных электрических сетях.

Искровые промежутки и трубчатые разрядники

Исторически первыми и наиболее простыми устройствами для защиты от перенапряжений были искровые промежутки, которые со временем эволюционировали в более совершенные, но все еще ограниченные в применении трубчатые разрядники. Понимание их работы и ограничений критически важно для оценки развития современных защитных технологий.

Искровые промежутки

Искровой разрядник — это предельно простая конструкция, состоящая из двух электродов, между которыми создается воздушный или иной диэлектрический промежуток. Электроды могут быть выполнены в виде стержней, рогов или колец, обеспечивая необходимую геометрию для возникновения электрического разряда. Один из электродов присоединяется к защищаемой изоляции (фазному проводу), другой — надежно заземляется.

Принцип действия искрового промежутка основывается на следующем: при повышении напряжения до определенного критического уровня электрическое поле между электродами достигает пробивной напряженности. В этот момент происходит электрический пробой воздушного промежутка, и ток перенапряжения отводится в землю, тем самым защищая основную изоляцию оборудования от повреждения.

Однако, несмотря на простоту, искровые промежутки имеют ряд существенных недостатков:

1. Запаздывание разряда: Это одно из ключевых ограничений. Общее время запаздывания разряда (t_p) состоит из двух компонент:
   • Статистическое время ожидания (t_s): Время, необходимое для появления начального электрона в промежутке. Этот процесс случаен и сильно зависит от внешних условий (ионизации, температуры, влажности), что приводит к значительному разбросу во времени срабатывания.
   • Время формирования разряда (t_f): Время от появления начального электрона до полного развития стримерного или лидерного разряда через промежуток. Это время зависит от геометрии электродов, расстояния между ними и скорости нарастания напряжения (du/dt).

   В сумме, это общее время может составлять от нескольких до десятков микросекунд. Для быстро нарастающих грозовых импульсов такое запаздывание может быть критичным: изоляция может быть пробита до того, как сработает разрядник.

2. Риск перехода импульсного пробоя в устойчивое короткое замыкание: После пробоя искрового промежутка через него начинает протекать не только импульсный ток перенапряжения, но и сопровождающий ток промышленной частоты, поддерживаемый напряжением сети. Поскольку простой искровой промежуток не имеет эффективных средств для гашения этой дуги, она может гореть продолжительное время, что равносильно устойчивому однофазному (или многофазному) короткому замыканию на землю. Это приводит к срабатыванию релейной защиты, отключению линии и, потенциально, к повреждению электродов разрядника и связанного оборудования.

Трубчатые разрядники

Трубчатый разрядник представляет собой эволюционное развитие искрового промежутка, направленное на решение проблемы гашения сопровождающей дуги промышленной частоты. Главная особенность конструкции — наличие специальной трубки (например, из винипласта или фибры), внутри которой происходит гашение дуги под действием газов, выделяющихся из стенок трубки при ее нагреве дугой.

Принцип действия трубчатого разрядника сложнее:

1. При нормальной работе установки трубчатые разрядники отделены от линии внешним воздушным промежутком S₂.
2. При появлении перенапряжения пробиваются два последовательных промежутка: внутренний промежуток S₁ внутри трубки и внешний промежуток S₂.
3. Импульсный ток перенапряжения отводится в землю через образовавшийся канал.
4. В узком канале трубки загорается дуга сопровождающего тока промышленной частоты. Под действием высокой температуры дуги стенки трубки начинают интенсивно выделять газы (например, водород), которые создают высокое давление внутри трубки и активно выдувают дугу из канала, удлиняя и охлаждая ее, что способствует гашению.

Однако, несмотря на улучшенную функцию гашения дуги, трубчатые разрядники обладают своими недостатками, которые ограничивают их применение, особенно для защиты подстанционного оборудования:

1. Наличие опасной зоны выхлопа газов: Разряд в трубчатом разряднике сопровождается мощным выбросом горячих газов и плазмы из трубки. Эта «зона выхлопа» может достигать нескольких метров в длину и представляет серьезную опасность для персонала, соседнего оборудования и сооружений. Это требует строгого соблюдения безопасных расстояний, что не всегда возможно на компактных подстанциях.
2. Крутой срез волны перенапряжения: Гашение дуги в трубчатом разряднике происходит очень быстро, что приводит к резкому обрыву тока и, как следствие, к крутому срезу волны перенапряжения. Высокая скорость изменения напряжения (du/dt) может вызвать значительное неравномерное распределение напряжения по изоляции электрооборудования, особенно в обмотках трансформаторов и вращающихся машин, которые чувствительны к крутофронтовым воздействиям. Это может приводить к высоким локальным нагрузкам и преждевременному пробою изоляции.
3. Кратковременное замыкание линий на землю: Хотя дуга гасится, процесс ее гашения занимает некоторое время, обычно несколько полупериодов тока промышленной частоты (например, 0,02-0,06 с для сети 50 Гц). В течение этого времени линия кратковременно оказывается замкнутой на землю, что может вызывать работу релейной защиты и временное отключение линии.
4. Крутая вольт-секундная характеристика: Трубчатые разрядники имеют относительно крутую вольт-секундную характеристику, что означает, что их пробивное напряжение сильно зависит от длительности импульса. Для очень быстрых импульсов пробивное напряжение может быть значительно выше, чем для более медленных, что снижает эффективность защиты от грозовых перенапряжений и ограничивает их применение для защиты чувствительного подстанционного оборудования.

Из-за этих ограничений трубчатые разрядники в основном используются для защиты воздушных линий электропередачи низких и средних классов напряжения (до 35 кВ), а также на подходах к подстанциям, где их недостатки менее критичны.

Вентильные разрядники (РВ)

Вентильные разрядники (РВ) представляют собой значительный шаг вперед в эволюции защитных устройств, предлагая более эффективное решение проблемы гашения сопровождающего тока промышленной частоты по сравнению с искровыми и трубчатыми разрядниками.

Конструкция РВ является гибридной и состоит из двух основных элементов, соединенных последовательно между токоведущим проводом и землей, параллельно защищаемой изоляции:

1. Многократный искровой промежуток: Это система последовательно соединенных искровых промежутков, каждый из которых представляет собой небольшой воздушный зазор между электродами. Количество промежутков зависит от класса напряжения разрядника и обеспечивает необходимое пробивное напряжение. Эти промежутки могут быть снабжены шунтирующими сопротивлениями для выравнивания распределения напряжения по ним и обеспечения синхронного пробоя.
2. Нелинейный последовательный резистор (рабочее сопротивление): Это ключевой элемент, выполненный из специального материала, обладающего нелинейной вольт-амперной характеристикой.

Принцип действия РВ базируется на скоординированной работе этих двух компонентов:

1. При возникновении грозового импульса перенапряжения (или коммутационного перенапряжения достаточной амплитуды) электрическая прочность искровых промежутков превышается, и они пробиваются.
2. Через искровые промежутки и нелинейный резистор начинает протекать импульсный ток перенапряжения, отводя его в землю и ограничивая амплитуду напряжения на защищаемом оборудовании.
3. После прохождения импульса перенапряжения, когда напряжение в сети возвращается к нормальным значениям промышленной частоты, через разрядник продолжает протекать сопровождающий ток. В этот момент вступает в действие нелинейный резистор. Благодаря своей вольт-амперной характеристике, сопротивление резистора резко возрастает при снижении напряжения до рабочего, что приводит к сильному ограничению сопровождающего тока.
4. Этот ограниченный ток (до нескольких сотен ампер) становится настолько мал, что искровые промежутки способны его погасить в момент перехода тока через нуль, восстанавливая свою электрическую прочность. Таким образом, РВ предотвращает переход кратковременного импульсного пробоя в устойчивое короткое замыкание.

Рабочий резистор РВ часто выполняется из прессованных дисков, изготовленных из специфических полупроводниковых материалов, таких как:

• Вилитовые диски: Создаются на основе порошка карбида кремния (SiC) с добавлением связующего материала (например, эмульсии мела в жидком стекле). Главное свойство вилита — его нелинейное сопротивление: при низких напряжениях оно очень высокое, но при превышении определенного порога резко снижается, позволяя пропускать большой ток.
• Тервитовые диски: Также производятся на основе карбида кремния, но с использованием другого связующего (например, эмульсии глинозема в жидком стекле). Тервитовые диски обеспечивают защиту от внутренних перенапряжений при токах до 1,5 кА, однако их нелинейность недостаточна для эффективной защиты от больших грозовых токов (свыше 10 кА).

Важно отметить, что материалы, из которых изготовлены рабочие резисторы (в частности, вилит), чувствительны к влаге. При увлажнении их электрические характеристики могут необратимо изменяться, поэтому рабочий резистор герметично закрывается от внешней среды в фарфоровом или полимерном корпусе.

Ключевой характеристикой РВ является остающееся напряжение (U_ост). Это падение напряжения на разряднике в момент прохождения через него определенного импульсного тока (так называемого тока координации). Типовые значения тока координации для вентильных разрядников обычно составляют 3, 5 или 10 кА, в зависимости от типа разрядника и класса напряжения. При этом U_ост должно быть на 20-25% ниже разрядного или пробивного напряжения защищаемой изоляции, что гарантирует срабатывание разрядника до повреждения оборудования. Что это значит для практики? Это обеспечивает дополнительный запас прочности для дорогостоящего оборудования, минимизируя риски его повреждения.

Вентильные разрядники нашли широкое применение в электроэнергетике благодаря своей способности эффективно ограничивать перенапряжения и надежно гасить сопровождающий ток, значительно повышая грозоупорность и общую надежность электрических сетей и подстанций.

Ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН)

Нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН) — это вершина эволюции аппаратов для защиты от перенапряжений, пришедшие на смену вентильным разрядникам и считающиеся на сегодняшний день одним из наиболее эффективных и универсальных средств защиты оборудования от как коммутационных, так и грозовых перенапряжений. Их широкое применение началось в конце 1970-х – 1980-х годов после разработки варисторов на основе оксида цинка.

Принципиальное отличие ОПН от вентильных разрядников заключается в том, что ОПН являются безыскровыми устройствами. Это означает, что в их конструкции отсутствуют воздушные искровые промежутки, которые были неотъемлемой частью РВ. Отсутствие искровых промежутков устраняет проблемы, связанные с их пробоем, гашением дуги, запаздыванием срабатывания и эрозией контактов.

Основной элемент ОПН — это металлооксидные варисторы. Варистор (от англ. «variable resistor» – переменный резистор) — это полупроводниковый элемент, сопротивление которого нелинейно зависит от приложенного напряжения. Для ОПН эти варисторы изготавливаются преимущественно из оксида цинка (ZnO), который составляет более 90% их массы. Для придания варисторам необходимых нелинейных характеристик и улучшения их стабильности в состав добавляются другие оксиды металлов, такие как оксиды висмута, сурьмы, кобальта, марганца, никеля и др. Эти добавки формируют на границах зерен оксида цинка тонкие слои, которые и отвечают за уникальные нелинейные свойства варистора.

Варисторы последовательно соединяются в колонку, которая затем заключается в герметичный фарфоровый или полимерный корпус, обеспечивающий механическую прочность, внешнюю изоляцию и защиту от воздействия окружающей среды.

Принцип действия ОПН основан на выдающейся нелинейной вольт-амперной характеристике металлооксидных варисторов:

1. В нормальном рабочем режиме (при номинальном напряжении сети) сопротивление варисторов чрезвычайно велико (десятки и сотни мегаом), и через ОПН протекает лишь очень малый ток утечки (микроамперы), который является чисто емкостным и не приводит к значительным потерям энергии.
2. При возникновении перенапряжения, когда напряжение на ОПН превышает определенный пороговый уровень, сопротивление варисторов мгновенно и резко снижается (до единиц и долей ома). Это позволяет ОПН отвести значительную часть импульсного тока перенапряжения в заземляющий контур, ограничивая амплитуду напряжения на защищаемом оборудовании до безопасного уровня.
3. После прохождения волны перенапряжения и возвращения напряжения в сети к номинальному значению, сопротивление варисторов так же быстро восстанавливается до своего высокого состояния, прекращая отвод тока в землю.

Ключевые преимущества ОПН перед вентильными разрядниками:

• Более низкое остающееся напряжение (U_ост): ОПН обеспечивают существенно более низкий уровень ограничения перенапряжения при том же импульсном токе. Например, остающееся напряжение на ОПН при грозовом импульсе должно быть менее 90% остающегося напряжения заменяемого РВ. Это позволяет обеспечивать больший запас прочности для изоляции оборудования. ОПН способны ограничивать коммутационные перенапряжения на уровне 1,65–1,8 U_ф, а грозовые — на уровне 2,2–2,4 U_ф.
• Отсутствие искровых промежутков: Это исключает проблемы с эрозией контактов, необходимостью их регулировки, запаздыванием срабатывания и переходными процессами, связанными с гашением дуги.
• Мгновенное срабатывание: Время срабатывания металлооксидных варисторов чрезвычайно мало, обычно находится в наносекундном диапазоне (например, менее 25 нс). Это обеспечивает защиту даже от самых крутых и быстро нарастающих импульсов перенапряжения.
• Отсутствие сопровождающего тока промышленной частоты: ОПН не вызывают короткого замыкания на землю и не пропускают сопровождающий ток, так как их сопротивление восстанавливается до высокого уровня сразу после спада перенапряжения. Это повышает надежность энергосистемы и снижает нагрузку на релейную защиту.
• Прямое включение: ОПН включаются непосредственно параллельно защищаемому оборудованию, без необходимости создания внешних искровых промежутков, что упрощает их установку и эксплуатацию.

Благодаря этим преимуществам, ОПН стали основным средством защиты от перенапряжений в высоковольтных электрических сетях, обеспечивая высокую степень надежности и безопасности работы энергосистем.

Молниезащита воздушных линий электропередачи напряжением свыше 1000В

Воздушные линии электропередачи (ВЛ) — это наиболее протяженные и уязвимые элементы электрической сети, постоянно подверженные риску прямых ударов молнии и наведенных перенапряжений. Эффективная молниезащита ВЛ напряжением выше 1000 В критически важна для обеспечения их надежности и минимизации аварийности. Основными средствами такой защиты являются грозозащитные тросы и линейные ограничители перенапряжений (ОПН) / разрядники.

Грозозащитные тросы

Грозозащитные тросы (или просто грозотросы) — это пассивные, но высокоэффективные элементы молниезащиты, устанавливаемые над фазными проводами ВЛ. Их основная функция — перехватить разряд молнии, направленный в линию, и отвести его в землю через опоры, тем самым предотвращая прямой удар в фазные провода.

Принцип действия грозозащитного троса основан на создании «защитного магнитного поля» и эффекта «затенения». Молния, как правило, выбирает наиболее возвышенные и хорошо заземленные объекты. Грозотрос, расположенный выше фазных проводов, перехватывает большинство ударов, которые в противном случае могли бы поразить фазы.

Эффективность защитного действия грозозащитных тросов характеризуется углом защиты. Это угол между вертикалью, проходящей через трос, и линией, соединяющей трос с крайним фазным проводом. Чем меньше угол защиты, тем выше надежность защиты. Согласно нормативным документам, для одностоечных металлических и железобетонных опор с одним тросом угол защиты должен быть не более 30°, а с двумя тросами — не более 20°. Грозозащитные тросы способны значительно снизить число прямых ударов молнии в фазные провода, обеспечивая надежность защиты (P) на уровне 0,95-0,98 и выше.

Для эффективной работы грозотросов критически важно поддерживать низкое сопротивление заземления опор. Именно через заземление опор ток молнии отводится в землю. Нормативные требования устанавливают, что сопротивление заземления опор должно быть менее 30 Ом, а для систем с глухозаземленной нейтралью — менее 5 Ом. Высокое сопротивление заземления приводит к значительному повышению потенциала опоры при ударе молнии, что может вызвать обратное перекрытие изоляции — разряд с опоры на фазный провод.

Применение грозотросов регламентируется классом напряжения ВЛ и грозовой активностью района:

• На ВЛ 110 кВ и выше, грозотросы обязательны для защиты от прямых ударов молнии по всей длине. Исключения могут быть сделаны только для определенных условий, например, в районах с низкой грозовой активностью (с числом грозовых часов в год менее 20 или низкой плотностью ударов молнии в землю, n_G < 1 удар/км² в год, при этом конкретные критерии определяются нормативными документами).
• На ВЛ 110-220 кВ с металлическими и железобетонными опорами грозотросы устанавливаются по всей длине линии. Количество грозозащитных тросов может варьироваться: на ВЛ 110 кВ и выше обычно устанавливается один или два троса, а для ВЛ 330 кВ и выше, как правило, два троса.

Линейные ограничители перенапряжений (ОПН) и разрядники

Помимо грозозащитных тросов, для молниезащиты ВЛ применяются также линейные ограничители перенапряжений (ОПН) и разрядники. Их использование особенно целесообразно в тех случаях, когда установка грозотросов неэффективна или экономически не оправдана, а также для дополнительной защиты наиболее уязвимых участков линии.

На ВЛ классов напряжения 6-20 кВ разрядники (часто трубчатые) или линейные ОПН для защиты от прямых ударов молнии целесообразно применять:

• На подходах к подстанции: Эти участки наиболее критичны, так как перенапряжения, проникающие с линии, могут повредить дорогостоящее подстанционное оборудование.
• На опорах увеличенных габаритов: Более высокие опоры чаще подвергаются прямым ударам молнии, поэтому их защита особенно важна.
• На возвышенностях: Участки линии, проходящие по холмам или горам, также более подвержены грозовым разрядам.
• При переходе через водные преграды: Участки ВЛ над реками или озерами часто становятся мишенями для молний.
• На участках с аномальной грозовой активностью: В регионах с высокой интенсивностью гроз целесообразно усилить защиту.

В последние годы растет применение линейных ОПН, которые, благодаря своим безыскровым свойствам и низкому остающемуся напряжению, обеспечивают более эффективную и надежную защиту по сравнению с трубчатыми разрядниками, особенно для снижения числа отключений ВЛ от грозовых перекрытий.

Защита подстанций и распределительных устройств от перенапряжений

Подстанции и распределительные устройства (РУ) являются ключевыми узлами электрической сети, где концентрируется дорогостоящее и сложное оборудование (трансформаторы, выключатели, разъединители, измерительные приборы). Поэтому их комплексная защита от всех видов перенапряжений — атмосферных и коммутационных — имеет первостепенное значение для обеспечения надежности всей энергосистемы.

Защита от атмосферных перенапряжений

Защита подстанций от прямых ударов молнии и проникающих с ВЛ грозовых волн перенапряжения осуществляется с помощью следующих средств:

1. Стержневые молниеотводы: Это металлические стержни, устанавливаемые на самых высоких точках подстанции (на конструкциях, зданиях, прожекторных мачтах). Их задача — перехватить прямой удар молнии и отвести его в землю, создавая «зону защиты» над оборудованием.
   • Методики определения зоны защиты стержневого молниеотвода включают метод «шатра» или «крутящейся сферы». Эти методы позволяют рассчитать защищенный объем на основе высоты молниеотвода (h). Например, для одиночного стержневого молниеотвода высотой h ≤ 150 м для Зоны А расчетные формулы выглядят так:

     h₀ = 0,85h

     r₀ = (1,1 − 0,002h)h

     r_x = (1,1 − 0,002h)(h − h_x/0,85)

     Где h₀ — эффективная высота зоны защиты, r₀ — радиус защиты на уровне земли, r_x — радиус защиты на высоте защищаемого объекта h_x. Эти расчеты позволяют правильно разместить молниеотводы для покрытия всей территории ОРУ.

   • Согласно указаниям ПУЭ, открытые распределительные устройства (ОРУ) и открытые подстанции 35-220 кВ должны быть обязательно защищены от прямых ударов молнии.
2. Вентильные разрядники (РВ) или Ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН): Эти аппараты устанавливаются на вводах подстанции (со стороны ВЛ), а также непосредственно у защищаемого оборудования, такого как трансформаторы, шунтирующие реакторы, выключатели. Они ограничивают амплитуду приходящих с линии волн перенапряжения до безопасных значений.
   • Для подстанций 6-35 кВ в качестве дополнительной защиты от атмосферных перенапряжений могут применяться два комплекта трубчатых разрядников: один устанавливается на воздушном вводе в подстанцию или комплектное распределительное устройство (КРП), а второй — на ВЛ на расстоянии трех-четырех пролетов от первого. Такое координированное расположение позволяет первому разряднику ослабить и изменить форму набегающей волны, а второму — обеспечить окончательное ограничение напряжения уже непосредственно перед оборудованием подстанции.
   • В случае установки молниеотводов на трансформаторном портале подстанции 35 кВ и выше, непосредственно на выводах обмоток 6–35 кВ трансформаторов или на расстоянии от них не более 5 м по длине шин должны быть установлены вентильные разрядники. Это критически важно, так как трансформаторы являются одним из самых дорогих и чувствительных элементов подстанции.
   • Для защиты изоляции нейтрали трансформатора от перенапряжений, возникающих при грозовых импульсах (например, при асимметричных воздействиях), вентильный разрядник может быть включен в нейтраль. Обычно для этой цели выбирается разрядник с номинальным напряжением на класс ниже класса напряжения трансформатора.

Защита от коммутационных перенапряжений

Защита подстанционного оборудования от коммутационных перенапряжений, особенно в сетях 110 кВ и выше, требует специфических подходов:

1. Применение резисторов в выключателях: Для ограничения переходной составляющей коммутационных перенапряжений, возникающих при отключении/включении линий или емкостных токов, часто используются специальные резисторы, встроенные в силовые выключатели. Эти шунтирующие резисторы, включаемые параллельно дугогасительным контактам выключателей, выполняют несколько функций:
   • Ограничение коммутационных перенапряжений: При отключении резисторы временно включаются в цепь до полного размыкания основных контактов, демпфируя колебательные процессы и снижая амплитуду перенапряжений.
   • Уменьшение скорости восстановления напряжения (SRN) на контактах: Это способствует более надежному гашению дуги и предотвращению повторных пробоев.
   • Выравнивание распределения напряжения: В многоразрывных выключателях резисторы помогают выровнять распределение напряжения между отдельными дугогасительными камерами. Их сопротивление может варьироваться от долей ома до нескольких тысяч ом, в зависимости от класса напряжения и конструктивных особенностей выключателя.
2. Использование ОПН: Современные ОПН эффективно ограничивают не только грозовые, но и коммутационные перенапряжения, обеспечивая стабильно низкий уровень ограничения и не требуя сложной координации с изоляцией. Они являются основным средством защиты от коммутационных воздействий на всех классах напряжения.

Комплексный подход к защите подстанций, сочетающий молниеотводы, ОПН/РВ и специфические решения для коммутационных аппаратов, позволяет значительно повысить устойчивость оборудования к воздействию перенапряжений и обеспечить высокую надежность работы энергосистемы.

Нормативные требования и стандарты к защите от перенапряжений

Вопросы защиты от перенапряжений в электрических сетях напряжением свыше 1000В регулируются строгими нормативно-техническими документами и стандартами Российской Федерации, которые являются основой для проектирования, монтажа и эксплуатации электроустановок, обеспечивая безопасность персонала, надежность оборудования и бесперебойность энергоснабжения. Какие именно документы определяют эти требования? Необходимо четко понимать их структуру и область применения.

Ключевыми регламентирующими документами являются:

1. Правила устройства электроустановок (ПУЭ): Это основной свод правил, устанавливающий требования к устройству электроустановок всех видов. ПУЭ детально регламентирует защиту от грозовых перенапряжений для распределительных устройств (РУ) и подстанций (ПС), определяя требования к:
   • Стержневым и тросовым молниеотводам: Их размещение, высота, зоны защиты и требования к заземлению.
   • Размещению защитных аппаратов: Вентильных разрядников (РВ), нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН), трубчатых разрядников (РТ) и искровых промежутков (ИП).
   • Требования к защите от перенапряжений в ПУЭ содержатся, в частности, в Разделе 4, Главе 4.2 «Распределительные устройства и подстанции напряжением выше 1 кВ. Защита от грозовых перенапряжений».
   • Требования к грозозащитным тросам воздушных линий (ВЛ) изложены в Главе 2.5 «Воздушные линии электропередачи напряжением выше 1 кВ».
   • Общие принципы заземления молниезащитных устройств и защитные меры электробезопасности регулируются Главой 1.7 «Заземление и защитные меры электробезопасности. Общая часть».
2. Государственные стандарты Российской Федерации (ГОСТ Р): Эти стандарты детализируют технические требования к отдельным видам защитного оборудования и методам защиты. К наиболее важным относятся:
   • ГОСТ Р 50571.18-2000 (МЭК 60364-4-442-93) «Электроустановки зданий. Часть 4. Требования по обеспечению безопасности. Глава 44. Защита от перенапряжений. Раздел 442. Защита электроустановок до 1 кВ от перенапряжений, вызванных замыканиями на землю в электроустановках выше 1 кВ». Хотя этот стандарт касается установок до 1 кВ, он является частью общего комплекса стандартов по защите от перенапряжений, обусловленных воздействиями из высоковольтной сети.
   • ГОСТ Р 50571.19-2000 (МЭК 60364-4-443-95) «Электроустановки зданий. Часть 4. Требования по обеспечению безопасности. Глава 44. Защита от перенапряжений. Раздел 443. Защита электроустановок от грозовых и коммутационных перенапряжений». Этот стандарт имеет прямое отношение к рассматриваемой теме, устанавливая общие требования к защите от грозовых и коммутационных перенапряжений.
   • ГОСТ Р 50571.20-2000 (МЭК 60364-4-444-96) «Электроустановки зданий. Часть 4. Требования по обеспечению безопасности. Глава 44. Защита от перенапряжений. Раздел 444. Защита электроустановок от перенапряжений, вызванных электромагнитными воздействиями».
   • ГОСТ Р 52725-2021 «Ограничители перенапряжений нелинейные для электроустановок переменного тока напряжением от 3 до 750 кВ. Общие технические условия». Этот стандарт является основополагающим для ОПН, регламентируя их конструкцию, характеристики, методы испытаний и требования к эксплуатации.
   • ГОСТ Р 55604-2013 «УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ ОТ КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ ПОДЗЕМНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ УГОЛЬНЫХ ШАХТ. Технические требования и методы испытаний». Хотя специализация этого ГОСТа относится к шахтным сетям, он демонстрирует подход к стандартизации защиты от коммутационных перенапряжений в специфических условиях.

Эти документы формируют единую систему требований, обязательных для исполнения всеми участниками электроэнергетической отрасли. Их соблюдение является гарантией безопасности, надежности и долговечности работы высоковольтных электроустановок в условиях постоянной угрозы перенапряжений.

Заключение

Проблема перенапряжений в электрических сетях напряжением свыше 1000В является одной из ключевых в обеспечении надежности и безопасности функционирования энергосистем. Атмосферные разряды и коммутационные процессы генерируют импульсы, способные разрушить изоляцию оборудования, привести к дорогостоящим авариям и перебоям в энергоснабжении. В данном реферате мы провели всесторонний анализ этой сложной проблематики, от классификации различных видов перенапряжений до изучения принципов действия и применения современных защитных устройств.

Было показано, что разнообразие причин и характеристик перенапряжений – от быстротечных и мощных грозовых импульсов (1,2/50 мкс для напряжения, 8/20 мкс для тока) до длительных квазистационарных и высокочастотных коммутационных воздействий (250/2500 мкс для напряжения, десятки кГц до МГц со скоростью нарастания напряжения du/dt до кВ/мкс) – требует дифференцированного подхода к защите. Именно поэтому инженеры должны обладать глубоким пониманием каждого типа воздействий.

Мы проследили эволюцию защитных аппаратов: от простейших искровых промежутков с их недостатками (запаздывание разряда, риск устойчивого короткого замыкания), через трубчатые разрядники (решающие проблему гашения дуги, но создающие зону выхлопа и крутой срез волны), к вентильным разрядникам (комбинирующим искровые промежутки и нелинейные резисторы для ограничения сопровождающего тока) и, наконец, к современным нелинейным ограничителям перенапряжений (ОПН). ОПН, основанные на металлооксидных варисторах (ZnO), являются безыскровыми устройствами с наносекундным временем срабатывания, обеспечивающими наилучшие показатели ограничения перенапряжений (1,65–1,8 U_ф для коммутационных и 2,2–2,4 U_ф для грозовых) и не требующими гашения сопровождающего тока.

Рассмотрены специфические меры по молниезащите воздушных линий электропередачи, включающие грозозащитные тросы (с учетом углов защиты до 30°/20° и требований к сопротивлению заземления опор <30 Ом) и линейные ОПН/разрядники на уязвимых участках. Детально проанализированы комплексные решения для защиты подстанций, охватывающие стержневые молниеотводы (с расчетом зон защиты по методу "шатра"), РВ/ОПН на вводах и выводах трансформаторов, а также применение резисторов в выключателях для снижения коммутационных перенапряжений.

Особое внимание уделено нормативной базе, включающей ПУЭ (Глава 4.2, Глава 2.5, Глава 1.7) и ряд ГОСТ Р (например, ГОСТ Р 52725-2021 для ОПН), которые устанавливают жесткие требования к выбору, размещению и характеристикам защитных аппаратов.

Таким образом, современная защита электрических сетей напряжением свыше 1000В от перенапряжений — это сложный, многоуровневый и комплексный процесс, базирующийся на глубоком понимании физических явлений, постоянном совершенствовании аппаратов и строгом соблюдении нормативно-технических требований. Только такой подход позволяет обеспечить высокую надежность, безопасность и экономическую эффективность функционирования энергетических систем.

Список использованной литературы

1. Кабышев А.В. Молниезащита электроустановок систем электроснабжения. Томск: Изд-во ТПУ, 2006. 124 с.
2. Техника высоких напряжений: Учебное пособие для вузов / И.М. Богатенков, Г.М. Иманов, В.Е. Кизеветтер и др.; Под ред. Г.С. Кучинского. СПб: изд. ПЭИПК, 1998. 700 с.
3. Базуткин В.В., Ларионов В.П., Пинталь Ю.С. Техника высоких напряжений: изоляция и перенапряжения в электрических системах. М.: Энергоатомиздат, 1986. 464 с.
4. Справочник по электроснабжению и электрооборудованию: Т.1. Электроснабжение / Под общ. ред. А.А. Федорова. М.: Энергоатомиздат, 1986. 568 с.
5. Липкин Б.Ю. Электроснабжение промышленных предприятий и установок. 3-е изд. перераб. и доп. М.: Высш. школа, 1981. 376 с.
6. Защита подстанций от атмосферных перенапряжений // Электрические сети энергоемких предприятий. URL: https://forca.ru/knigi/biblioteka/zaschita-podstancii-ot-atmosfernyh-perenapryazhenii.html (дата обращения: 02.11.2025).
7. Вентильные разрядники: принцип действия и характеристики // Школа для электрика. URL: https://electric-tolk.ru/ventilnye-razryadniki-printsip-deystviya-i-kharakteristiki/ (дата обращения: 02.11.2025).
8. Принцип действия и конструкции искровых промежутков // Вентильные разрядники высокого напряжения — электрические сети. URL: https://forca.ru/knigi/biblioteka/principy-raboty-iskrovyh-promezhutkov.html (дата обращения: 02.11.2025).
9. Трубчатые разрядники — устройство, особенности, применение, достоинства и недостатки // Школа для электрика. URL: https://electric-tolk.ru/trubchatye-razryadniki-ustroystvo-osobennosti-primenenie-dostoinstva-i-nedostatki/ (дата обращения: 02.11.2025).
10. XI. Защита от атмосферных и коммутационных перенапряжений. URL: https://forca.ru/knigi/biblioteka/zaschita-ot-atmosfernyh-i-kommunikacionnyh-perenapryazheniy.html (дата обращения: 02.11.2025).
11. Причины возникновения атмосферных и коммутационных перенапряжений в сетях // Информио. URL: https://informio.ru/publications/id5902/Priciny-vozniknoveniya-atmosfernyh-i-kommutacionnyh-perenapriajenii-v-setyah (дата обращения: 02.11.2025).
12. Устройства грозозащиты воздушных линий и трансформаторных подстанций. URL: https://groz-zashita.ru/info/ustroystva-grozozashchity-vozdushnyih-liniy-i-transformatornyih-podstantsiy/ (дата обращения: 02.11.2025).
13. Ограничитель перенапряжений(ОПН): назначение, принцип работы и конструкция. URL: https://forca.ru/knigi/biblioteka/ogranichitel-perenapryazhenij-opn.html (дата обращения: 02.11.2025).
14. Искровой разрядник // Dic.academic.ru. URL: https://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/89366/%D0%98%D1%81%D0%BA%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B9 (дата обращения: 02.11.2025).
15. Высокочастотные коммутационные перенапряжения и защита от них электрооборудования 110 кВ и выше. URL: https://forca.ru/knigi/biblioteka/vysokochastotnye-kommutacionnye-perenapryazheniya-i-zaschita-ot-nih-elektrooborudovaniya-110-kv-i-vyshe.html (дата обращения: 02.11.2025).
16. Перенапряжения в электрических сетях и технологии защиты от них. URL: https://forca.ru/knigi/biblioteka/perenapryazheniya-v-elektricheskih-setyah-i-tehnologii-zaschity-ot-nih.html (дата обращения: 02.11.2025).
17. Молниезащита и заземление линий электропередачи // Amper Elektrik. URL: https://amper-elektrik.ru/blog/molniezashchita-i-zazemlenie-linij-elektroperedachi/ (дата обращения: 02.11.2025).
18. Трубчатые разрядники // Кабельная и электротехническая продукция в Москве и СНГ. URL: https://etm.ru/info/articles/trubchatye-razryadniki (дата обращения: 02.11.2025).
19. Атмосферные перенапряжения в электрических сетях. URL: https://forca.ru/knigi/biblioteka/atmosfernye-perenapryazheniya-v-elektricheskih-setyah.html (дата обращения: 02.11.2025).
20. Техника высоких напряжений — Коммутационные перенапряжения — электрические сети. URL: https://forca.ru/knigi/biblioteka/kommunikacionnye-perenapryazheniya.html (дата обращения: 02.11.2025).
21. Искровые и трубчатые разрядники. URL: https://forca.ru/knigi/biblioteka/iskrovye-i-trubchatye-razryadniki.html (дата обращения: 02.11.2025).
22. Искровые промежутки с растягивающейся дугой // Вентильные разрядники высокого напряжения — электрические сети. URL: https://forca.ru/knigi/biblioteka/iskrovye-promezhutki-s-rastyagivayuschejsya-dugoj.html (дата обращения: 02.11.2025).
23. Вентильные разрядники. URL: https://www.ektu.kz/sites/default/files/pages/glava_2_-_razryadniki.pdf (дата обращения: 02.11.2025).
24. Защита от последствий прямых ударов // Стример. URL: https://streamer.ru/library/publications/zaschita-ot-posledstviy-pryamyh-udarov/ (дата обращения: 02.11.2025).
25. Вентильные разрядники // Разрядники и ОПН. URL: https://forca.ru/knigi/biblioteka/ventilnye-razryadniki.html (дата обращения: 02.11.2025).
26. Высокочастотные перенапряжения в электрических сетях и устройствах. URL: https://earchive.tpu.ru/handle/11683/3876 (дата обращения: 02.11.2025).
27. Устройство и принцип действия трубчатого разрядника. URL: https://forca.ru/knigi/biblioteka/ustroistvo-i-princip-deistviya-trubchatogo-razryadnika.html (дата обращения: 02.11.2025).
28. Электроснабжение. 5. Перенапряжения и защита от них. URL: http://uchebnik.online/elektrosnabzhenie/perenapryazheniya-zaschita-nih-39145.html (дата обращения: 02.11.2025).
29. ПУЭ. Раздел 4. Глава 4.2. Распределительные устройства и подстанции напряжением выше 1 кВ. Защита от грозовых перенапряжений // Библиотека — Элек.ру. URL: https://www.elec.ru/library/pue/pue-razdel-4-glava-4-2/zaschita-ot-grozovyh-perenapryazheniy/ (дата обращения: 02.11.2025).
30. Вентильные разрядники высокого напряжения — электрические сети. URL: https://forca.ru/knigi/biblioteka/ventilnye-razryadniki-vysokogo-napryazheniya.html (дата обращения: 02.11.2025).
31. Защита электрооборудования от перенапряжений // Подстанции. URL: https://forca.ru/knigi/biblioteka/zaschita-elektrooborudovaniya-ot-perenapryazheniy.html (дата обращения: 02.11.2025).
32. Атмосферные перенапряжения. URL: https://forca.ru/knigi/biblioteka/atmosfernye-perenapryazheniya.html (дата обращения: 02.11.2025).
33. Искровые промежутки и шунтирующие сопротивления рв. URL: https://forca.ru/knigi/biblioteka/iskrovye-promezhutki-i-shuntiruyuschie-soprotivleniya-rv.html (дата обращения: 02.11.2025).
34. Защита ВЛ от грозы: история, опыт, перспективы // RusCable.Ru. URL: https://www.ruscable.ru/articles/article-247.html (дата обращения: 02.11.2025).
35. Какие разрядники бывают // Электролаборатория «Сила тока» в Москве. URL: https://silatoka.ru/kakie-razryadniki-byvayut/ (дата обращения: 02.11.2025).
36. Современные аспекты повышения грозоупорности линий электропередач // ВОЛС.Эксперт. URL: https://vols.expert/stati/sovremennye-aspekty-povysheniya-grozoupornosti-linij-elektroperedach/ (дата обращения: 02.11.2025).
37. Коммутационные перенапряжения в сетях высокого напряжения // CORE. URL: https://earchive.tpu.ru/bitstream/11683/3876/1/TPU126296.pdf (дата обращения: 02.11.2025).
38. Перенапряжения. URL: https://forca.ru/knigi/biblioteka/perenapryazheniya.html (дата обращения: 02.11.2025).