Зачем над высоковольтными проводами ЛЭП натягивают ещё один провод

На высоковольтной линии легко заметить странную деталь. Основные провода висят на длинных гирляндах изоляторов по бокам опоры, а один или два более тонких провода проходят гораздо выше — почти по самым вершинам мачт. К домам и предприятиям от них ничего не ответвляется, и электричество для потребителей по ним обычно не передают.

Тем не менее этот провод может спасти линию от одного из самых опасных воздействий — прямого удара молнии. А на современных ЛЭП внутри него нередко скрывается ещё и оптоволокно.

Верхний провод работает как щит

Провода, по которым передаётся электроэнергия, называют фазными. На линии переменного тока их обычно три: они соответствуют трём фазам энергосистемы. Именно эти проводники находятся под высоким напряжением относительно земли и подвешиваются к опорам через изоляторы.

Над ними может проходить грозозащитный трос, или просто грозотрос. Его размещают выше не случайно. При ударе молнии в район линии именно верхняя металлическая часть оказывается наиболее вероятной точкой перехвата разряда. Поэтому грозотрос образует своеобразную защитную зону для расположенных ниже фазных проводов.

В отличие от фаз он обычно электрически соединён с металлическими опорами и через них — с заземлением. При нормальной работе линии по нему не течёт рабочий ток, предназначенный потребителям. Но во время грозы условия резко меняются.

Молния может принести ток в десятки килоампер. Если разряд попадает в грозотрос, часть импульса расходится по нему в обе стороны, а часть уходит через ближайшие опоры и их заземляющие устройства в грунт. Главная задача — не дать этому огромному импульсу напрямую попасть в фазный провод и вызвать повреждение изоляции.

Почему одного металлического штыря на опоре недостаточно

Принцип напоминает молниезащиту здания, но линия электропередачи может тянуться на десятки или сотни километров. Защитить только вершины опор недостаточно: между ними остаются длинные пролёты с фазными проводами.

Поэтому грозотрос натянут вдоль всей защищаемой части линии. Его положение рассчитывают так, чтобы фазные провода находились внутри зоны, которую он прикрывает от прямых ударов. В инженерных расчётах для этого используют понятие угла защиты: мысленно проводят линии от грозотроса вниз к крайним фазным проводам и оценивают геометрию получившейся зоны.

На одних ЛЭП достаточно одного верхнего троса. На других используют два — например, если опора широкая и фазы разнесены далеко в стороны либо требуется повысить грозозащиту. Поэтому на вершине некоторых высоковольтных опор хорошо видна пара тонких проводов.

Грозотросы особенно характерны для магистральных высоковольтных линий. На более низких классах напряжения и на отдельных конструкциях воздушных линий решения могут быть другими: необходимость такой защиты зависит от грозовой активности района, высоты и конструкции опор, требуемой надёжности и экономики проекта.

Что происходит после удара молнии

Молниезащита ЛЭП не заканчивается в точке попадания разряда. Току необходимо безопасно уйти в землю.

Стальная опора имеет электрическую связь с грозотросом, а её основание соединено с заземляющим устройством. Это металлические элементы в грунте, создающие путь для импульсного тока. Поэтому во время удара потенциал самой опоры на короткое время может резко подняться относительно удалённой земли.

Чем лучше заземление, тем проще току уйти в грунт и тем меньше напряжение возникает на конструкции. Состояние заземления поэтому напрямую влияет на грозостойкость линии. Однако даже хорошо спроектированная система не делает ЛЭП неуязвимой. Молния — очень мощный и быстрый электрический процесс. Возможна ситуация, когда разряд попал в грозотрос или опору, но напряжение на опоре стало настолько высоким, что электрический пробой произошёл уже через гирлянду изоляторов к фазному проводу.

Такое явление называют обратным перекрытием. Получается на первый взгляд парадоксальная картина: молния была перехвачена правильно, но часть её энергии всё равно добралась до электрической цепи.

Возможен и так называемый прорыв защиты, когда молния минует грозотрос и непосредственно поражает фазный провод. Поэтому положение тросов, длина изоляторов, параметры заземления и другие элементы линии рассчитываются как единая система.

Почему грозотрос висит без большой гирлянды изоляторов

У фазного провода легко заметить длинную гирлянду из стеклянных, фарфоровых или полимерных изоляторов. Она отделяет провод под высоким напряжением от заземлённой металлической опоры.

У обычного грозотроса такой задачи нет. Наоборот, ему нужна хорошая электрическая связь с землёй через опоры, поэтому на типичной линии он крепится иначе и не требует такой же изоляции, как фаза. Это один из простых способов визуально отличить его на фотографии ЛЭП. Фазные провода располагаются ниже и подвешиваются через заметные изолирующие конструкции. Грозотрос идёт по верхушке опор и выглядит как сравнительно тонкий провод.

При этом он испытывает вполне реальные механические нагрузки. Трос должен выдерживать собственный вес, натяжение между опорами, ветер, гололёд и вибрации. А при ударе молнии — ещё и сильный кратковременный нагрев. Поэтому это не вспомогательная верёвка, а специально рассчитанный элемент линии.

Провод от молнии превратился в линию связи

У современных грозотросов появилась вторая работа. Вместо обычного стального или сталеалюминиевого троса на ЛЭП всё чаще применяют OPGW — optical ground wire, то есть грозотрос со встроенными оптическими волокнами.

Снаружи он остаётся металлическим и выполняет привычные электрические и механические функции: защищает фазные провода, соединяет опоры с системой заземления и способен проводить импульс молнии. Внутри металлической конструкции находятся оптические волокна, по которым передаются данные.

Такое соседство кажется странным лишь на первый взгляд. Свет внутри волокна не требует электрического контакта с металлическими жилами, поэтому высоковольтная линия оказывается очень удобным маршрутом для связи. Оптоволокно уже проложено высоко над землёй, проходит между подстанциями и не требует отдельного ряда столбов.

Энергетики используют такие каналы для диспетчерской связи, телеметрии, автоматики и релейной защиты. По ним можно быстро передать команду между концами линии при аварии. Свободную пропускную способность иногда используют и для телекоммуникационных сетей. Так один из самых незаметных элементов ЛЭП одновременно стал частью и энергетической, и информационной инфраструктуры.