Важность правильной организации молниезащиты на объектах электроэнергетики

Современная инфраструктура в значительной степени зависит от надежности поставок электрической энергии. Конечно, на бытовом уровне, это прежде всего освещение, лифты, связь и всевозможные приборы, питающиеся от сети. Но следует иметь в виду, что даже такие блага цивилизации как водопровод, канализация и паровое отопление все равно связаны с электричеством, поскольку для нормальной работы данных систем требуются электрические насосы. Урбанизация является глобальным трендом, а ведь виды общественного транспорта, перевозящие наибольший объем пассажиров — метро, трамвай, городская электричка — питаются от электрической сети. Возможность движения от аккумуляторов, в связи с повышенной вместимостью, в них не предусмотрена.

Причем наша зависимость от электричества постоянно возрастает. Например, в крупных городах сейчас часто строят высотные дома, где требования по безопасности выполнимы лишь с электрическими плитами. Впрочем, даже если у вас дома есть газовая плита, вы, наверное, все равно пользуетесь электрическим чайником и микроволновкой, потому что так удобнее. На заводах нагревательные установки все чаще работают на электричестве, а уж привод станков уже не одно десятилетие преимущественно электрический. Поэтому вопрос обеспечения надежного электроснабжения является, по сути, вопросом выживания нашей цивилизации, как бы пафосно это ни звучало.

Воздействие молнии на подстанцию

Следует различать последствия прямого попадания молнии в объект и вторичное влияние, возникающее в результате удара молнии, который произошел поблизости, либо удара молнии в систему молниезащиты.

При прямом попадании молнии напряжение на поражаемом объекте может достигать 50 МВ, а ток — 200 кА. В этом случае происходит пробой изоляторов, механическое повреждение подстанции и, возможно, возникновение пожара. Особенно опасно возгорание трансформатора с масляным заполнением, которое приводит к взрыву.

Весьма характерный случай произошел 28 июня 2021 г. в подмосковном городе Щелково. Там молния попала в открытую высоковольтную подстанцию. В результате удара молнии произошел взрыв трансформатора. Большая часть города с населением 134 тыс. человек на несколько часов осталась как без электричества, так и без водоснабжения, поскольку перестал работать водозабор.

Вторичное воздействие молнии способно нарушить нормальную работу управляющей электроники или даже вывести ее из строя. Это также может привести к обесточиванию потребителей на значительный промежуток времени.

Что происходит при попадании молнии в воздушную ЛЭП?

Серьезную опасность представляют последствия удара молнии в линию электропередачи. Прямой удар в опору ЛЭП способен привести к ее механическому повреждению или даже разрушению. Если молния ударила в фазный провод, то в месте удара уменьшается его толщина, повышается сопротивление (а, значит, увеличиваются потери), происходит механическая деформация провода. Даже при отсутствии факторов, приводящих к перебоям в электроснабжении сразу после воздействия молнии, мы получаем отложенную по времени аварию, которая может произойти позже в самый неподходящий момент. А, именно, падение ЛЭП, обрыв провода или межфазное короткое замыкание из-за его деформации.

Весьма эффективной мерой защиты ЛЭП является грозозащитный трос. По некоторым оценкам, он уменьшает вероятность попадания молнии в фазный провод в сотни раз. Тем не менее, грозозащитный трос — не панацея. При проектировании молниезащиты следует также обратить внимание на разрядники, установленные на входе подстанции, чтобы они были установлены по всем правилам и надежно защищали объект. Например, на воздушных линиях (ВЛ) до 35 кВ включительно грозозащитный трос не может полностью предотвратить последствия удара молнии.

Дело в том, что изоляторы в таких линиях при вторичном воздействии молнии легко пробиваются. Это не является дефектом — на рабочем напряжении ВЛ изоляторы работают нормально, делать же их устойчивыми к пробою на более высоких напряжениях, обусловленных бегущей волной, возникшей в результате удара молнии, экономически нецелесообразно. Происходит пробой на фазные провода, а, поскольку ВЛ 6 — 35 кВ работают в режиме с изолированной нейтралью, возникающее короткое замыкание не может быть распознано автоматикой. Потом изоляторы, как правило, восстанавливают свои свойства, но сразу после удара молнии вход подстанции поступает кратковременный импульс, во много раз превышающий по амплитуде рабочее напряжение ВЛ. Если защита от импульсных перенапряжений на входе подстанции по каким-то причинам не сработает, может произойти выход из строя установленного там оборудования.

Основные меры для защиты от удара молнии

Естественно, в первую очередь следует организовать комплекс мероприятий по молниезащите в соответствии с действующими нормами. И здесь все не так просто (см. следующий раздел). При проектировании молниезащиты следует обратить особое внимание на следующие факторы, пренебрежение которыми зачастую приводит к возникновению аварийных ситуаций:

правильное обустройство заземления опор ЛЭП с учетом особенностей грунтов в данной местности;
правильное подключение грозозащитного троса к заземлению (нормированный искровой промежуток или заземляющий спуск);
точное определение типа молниеотвода и высоты его установки, чтобы в зону защиты гарантированно попадали все элементы подстанции;
учет всех основных факторов, влияющих на надежность работы молниезащиты (ветровые, снеговые и сейсмические нагрузки, а также температурный режим в данной местности);
правильная организация токоотводов и систем уравнивания потенциалов в зданиях, где установлена управляющая электроника;
установка всех необходимых средств ограничения всплесков напряжения на входе подстанции (разрядники или варисторы).

Возможные проблемы при проектировании

При проектировании молниезащиты объектов энергетики следует в первую очередь ориентироваться на нормы ПУЭ-7, относящиеся к защите электрооборудования. Но только этого документа в данном случае для расчетов недостаточно. ПУЭ регламентирует, молниеотводы каких именно типов и в каких местах должны располагаться на объектах электроэнергетики. Но вот методики, как рассчитывается защитная зона, например, стержневого молниеотвода, ПУЭ не содержит. А ведь существует несколько методик таких расчетов, и между специалистов не утихают споры, что из них предпочтительнее. Также ПУЭ не содержит детального описания устройства заземлений для системы молниезащиты, даны лишь нормативы по сопротивлению.

Возможные проблемы при проектировании

Кроме этого, на территории подстанции, обычно имеются еще строения и некоторые другие объекты, организация молниезащиты которых выходит за рамки норм ПУЭ-7. Возьмем в качестве примера тепловую электростанцию, работающую на мазуте. Оборудование подстанции должно быть защищено от действия молнии согласно ПУЭ-7, здание — согласно РД 34.21.122-87 и СО 153-34.21.122-2003, а хранилище нефтепродуктов — согласно “Руководству по безопасности для нефтебаз и складов нефтепродуктов”, принятому Ростехнадзором.

Впрочем, некоторые параметры могут быть вычислены и в автоматическом режиме, если программное обеспечение для этого созданы ведущими специалистами и учитывает в полной мере все особенности нормативной базы. Рекомендуем онлайн-сервис расчётов надёжности системы молниезащиты и вероятности прорыва молнии в объект. Он разработан под руководством проф. Э. М. Базеляна в ОАО «Энергетический институт им. Г. М. Кржижановского».

К чему приводят ошибки в проектировании?

Самое безобидное, что может произойти - в результате поломки оборудования на подстанции из-за удара молнии на какое-то время прекратится энергоснабжение. Если речь идет о потребителях из корпоративного сектора, то поставщику электроэнергии придется выплачивать неустойку согласно условиям контракта. Бытовые потребители могут находиться без электричества непрерывно до 1 суток, но не более 72 часов всего за год. Если эти показатели не выдерживаются, поставщик будет оштрафован в административном порядке.

Следует иметь в виду, что на высоковольтных питающих подстанциях многие виды оборудования изготавливаются под заказ. Например, срок изготовления трансформатора под заказ обычно составляет от 1 до 4 недель. Если же изделие не может быть произведено российской компанией, добавьте время транспортировки из-за границы. Например, доставка оборудования из Китая по морю длится порядка 3 месяцев. Все это время энергоснабжение будет идти по резервной схеме, при которой возможны ограничения по мощности для ряда потребителей, а также отказ от увеличения присоединяемой мощности. Итог — упущенная выгода для поставщика электроэнергии.

Аварийное отключение нагрузки, а также внезапное ее включение приводят к броскам напряжения, обусловленными экстратоками размыкания и замыкания соответственно. Если потребитель в суде докажет, что по данной причине у него вышла из строя техника, поставщику электроэнергии придется компенсировать ущерб.

При механическом повреждении подстанции возможно создание ситуации, когда нагрузка не будет отключена, но высокое напряжение на входе частично «просочится» к потребителям. Также возможно нарушение электрического контакта «нуля» и заземления при сохранении напряжения на фазовых проводах, что в сетях TN-C чрезвычайно опасно для потребителей. В результате указанных аварий, связанных с механическим повреждением подстанции, некоторые потребители могут получить серьезные увечья и даже погибнуть. А это уже влечет за собой уголовное наказание для ответственных лиц.

Обращайтесь за расчетом молниезащиты и заземления объектов энергетики в Технический центр ZANDZ! Мы учтем все необходимы требования нормативных документов и особенности объекта защиты!