АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ ПУЭ ПО ЗАЩИТЕ ОРУ ПС ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ ОТ ПРЯМЫХ УДАРОВ МОЛНИИ

Удары молний в оборудование подстанции (ПС) и линии электроперачи (ВЛ) высокого напряжения представляют реальную опасность для их изоляции. Изоляция оборудования подстанции в силу объективных причин значительно ниже изоляции ВЛ. Поэтому, опасность перекрытия изоляции оборудования ОРУ ПС возникает как при прямом ударе молнии, так и набегании волн грозовых перенапряжений по ВЛ.

Набор средств и норм молниезащиты для ВЛ и ПС приведены в ПУЭ. Надо отметить, что защита ВЛ от прямых ударов молнии предполагает снижение грозовых перенапряжений до безопасного уровня для изоляции ПС. Поэтому наибольшую опасность для изоляции оборудования подстанций представляет прямой удар молнии в ОРУ. Защита открытых распределительных устройств (ОРУ) подстанций (ПС) высокого напряжения от прямых ударов молнии [2] выполняется групповыми стержневыми молниеотводами, которые должны обеспечить требуемую по надежности зону защиты. Молниеотводы могут устанавливаться двумя способами — на порталах и других конструкциях с присоединением их к общему заземляющему устройству подстанции или отдельно стоящими с обособленным заземлителем. Первый способ дешевле по выполнению, но может приводить к так называемым «обратным перекрытиям» с корпусов и металлоконструкций оборудования на ошиновку. Это происходит если на корпусах оборудования, присоединенных к общему заземляющему устройству, импульсный потенциал окажется больше разрядного напряжения изолятора. Второй способ — установка отдельно стоящих молниеотводов, предназначен для того, чтобы исключить обратные перекрытия. Такой способ установки дороже, так как связан с изысканием дополнительной площадки для размещения заземлителя на безопасном расстоянии по условию пробоя в земле от общего заземлителя подстанции. Тек же следует обеспечить допустимое расстояние по воздуху между молниеотводом и оборудованием.

В ПУЭ установлены граничные условия между этими двумя вариантами. Так, например, в ОРУ напряжением 110 кВ и выше стержневые молниеотводы могут устанавливаться на порталах, заземленных на общее заземляющее устройство при любой его площади и удельном сопротивлении земли ρ ≤ 1000 Ом/м, а при ρ ≥ 1000 Ом.м при площади заземляющего устройства превышающим 10 000 м² (=100 м).

Установка молниеотводов на конструкциях ОРУ 35 кВ допускается при ρ ≤ 500 Ом/м для любой площади S заземляющего устройства и при ρ ≥ 500 для S  10 000 м² (=100 м). Эти условия оговариваются рядом дополнительных мер по усилению изоляции, улучшению условий растекания импульсного тока и другим. Положения о защите выводов трансформаторов на 6÷10 кВ являются весьма неконкретными. Здесь установка молниеотводов на конструкциях и порталах оговаривается большим перечнем условий.

Здесь уровень допустимого удельного сопротивления земли ρ снижается до 350 Ом/м с еще большим набором непонятных рекомендаций по месту присоединения к заземляющему устройству (ЗУ), направлением горизонтальных полос и вертикального заземлителя.

Особенно странным является рекомендация установки нелинейных ограничителей перенапряжения (ОПН) или вентильных разрядников (РВ) на расстоянии до 5 м. по ошиновке 3÷35 кВ. И это когда речь идет об установке молниеотвода на трансформаторном портале. Все эти положения еще больше запутывают решение вопроса о возможности установки молниеотводов на трансформаторных порталах 35÷6 кВ.

Рекомендация об установке тросовых молниеотводов для защиты ОРУ представляется ошибочной, и во всяком случае требует проверки. То же относится и к разрешительной рекомендации по использованию в качестве молниеотводов прожекторных мачт, где имеется проводка низкого напряжения. Очевидно при решении вопроса об установке молниеотводов на конструкциях следует рассматривать вопросы на только защиты оборудования от обратных перекрытий, но и вопросы электромагнитной совместимости.

Указанные выше недостатки объясняются недостаточным объемом конкретных данных о подстанционных заземляющих устройствах — величинах импульсного сопротивления, импульсного напряжения в месте ввода тока, его распределения по заземляющей сетке при достаточно большом диапазоне изменения параметров тока молнии (амплитуды I_м и длинны фронта τ_ф), удельного сопротивления земли ρ и площади заземляющего устройства S. Однако проведенные ранее в СССР исследования методом физического моделирования импульсных характеристик заземляющих устройств подстанций [4] и опор ВЛ и молниеотводов [1; 3] позволяют определить закономерности изменения импульсных параметров заземлителя от перечисленных выше факторов и в ряде случаев дать количественные оценки.

Удар молнии в приемный портал 110÷220 кВ так же может приводить к обратным перекрытиям изоляции на низкой стороне трансформатора 35÷6 кВ, в результате высокого импульсного потенциала на корпусе трансформаторов 110÷220/35÷6 кВ. В качестве примера на рис. 1 показаны зависимости снижения потенциала от точки ввода тока в центр заземляющей сетки без вертикальных и с вертикальными электродами до ее края, полученные на модели. Из кривых следует, что для сетки размером = 40 м при вводе тока в центр (в земле с удельным сопротивлением порядка 450 Ом/м) снижение потенциала незначительно и составляет примерно 10 %, а для сетки размером =80 м составляет 35 %. Добавление вертикальных электродов длиной l_в=8 м по периметру снижает потенциал еще на 7÷8 %. Можно с извесной долей погрешности считать, что при прямом ударе молнии в молниеотвод на приемном портале подстанции 220÷110/10 кВ потенциал на корпусе трансформатора снизится в данном случае на более чем на 40 %. Так, если в соответствии с рис. 1 напряжение в центре сетки =80 м составляет 300 кВ, то на краю заземлителя через 40 м напряжение снизится до 180 кВ, что также может привести к перекрытию изоляции оборудования 35 кВ и тем более на 20÷6 кВ. При уменьшении ρ земли снижение потенциала по заземлителю от точки ввода возрастает, и, наоборот, с увеличением ρ земли снижение потенциала уменьшается.

Рисунок 1. Распределение потенциала по заземляющей сетке (ρ=410÷470 Ом/м)

1.  =40 м, сетка без вертикальных электродов.

2.  =40 м, сетка с вертикальными электродами (l_в=8 м, n_в=8 шт.).

3.  =80 м, сетка без вертикальных электродов.

4.  =80 м, сетка с вертикальными электродами (l_в=8 м, n_в=16 шт.).

Следует отметить, что приведенные расчеты носят оценочный характер, но тем не менее напрашивается вывод о возможности перекрытия изоляторов 6÷35 кВ силовых трансформаторов в результате удара молнии в молниеотвод не только на трансформаторном, но и на приемном портале. Для корректировки положений ПУЭ с целью повышения эффективности защиты изоляции ОРУ ПС от обратных перекрытий необходимо проведение дополнительных исследований путем физического моделирования, а также сбора и анализа данных эксплуатации.

Список литературы:
1.    Мишкин В.Д., Рябкова Е.Я. Влияние неоднородности земли на импульсные характеристики заземлителей. «Электричество», 1977, № 1.
2.    ПУЭ 7.
3.    Рябкова Е.Я., Мишкин В.Д. Импульсные характеристики заземлителей опор линий электропередачи. «Электричество», 1976, № 8.
4.    Рябкова Е.Я. Расчет заземляющих установок высокого напряжения. — М. 1979 г.