Отключение воздушных линий (ВЛ) электропередачи вследствие ударов молнии является одной из основных причин недоотпуска электрической энергии и экономических потерь энергосистем. Часто установленные на опорах нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН) могут защитить линию от индуктированных перенапряжений. Основной проблемой ОПН является то, что они выходят из строя при прямых ударах молнии в воздушную линию [1]. Во многих странах для распределительных воздушных линий применяют защищенные провода. Такие провода имеют много преимуществ по сравнению с неизолированными проводами. Однако существует проблема пережога защищенных проводов дугой тока промышленной частоты, сопровождающей грозовое перенапряжение и перекрытие изолятора.
Дугозащитные рога и аналогичные устройства, которые применяются в некоторых странах для предохранения защищенных проводов от пережога, не защищают линию от отключений. В России для зашиты ВЛ 10 кВ от грозовых перенапряжений и проводов от пережога применяются длинно-искровые разрядники (РДИ). Принцип их работы основан на удлинении пути импульсного грозового перекрытия за счет эффекта скользящего разряда. Благодаря большой длине перекрытия силовая дуга гасится. Основным достоинством РДИ является то, что ток протекает вне аппарата вдоль его поверхности. Поэтому разрядник не повреждается при больших токах даже при прямом ударе молнии в провод в воздушные линии. Конструкция РДИ относительно простая и надежная. 
Существует несколько вариантов РДИ. РДИ петлевого типа (РДИ-П) предназначен для защиты ВЛ от индуктированных перенапряжений. Принцип работы и описание конструкции приведены в [1]. Рекомендуется устанавливать РДИ-П по одному на опору с чередованием фаз [4]. РДИ модульного типа (РДИ-М) могут защищать ВЛ от индуктированных перенапряжений и от прямых ударов молнии (ПУМ). В последнем случае они должны устанавливаться параллельно каждому изолятору линии [3]. Опытная эксплуатация РДИ началась в 1999 г. и за последние три года более 60 тыс. разрядников установлены в различных энергосистемах. Так как опыт эксплуатации РДИ 10 кВ в России оказался весьма успешным, было принято решение о разработке РДИ на класс напряжения 13,8 кВ, который является основным для распределительных сетей Бразилии и других стран.
Считается, что молния представляет собой основной источник грозовых отключений распределительных сетей, которые составляют от 30 до 60 % от общего числа отключений. Это, в частности, подтверждается в Бразилии, в которой происходит большое количество ударов молнии вследствие обширной площади страны и ее расположения в тропической зоне. Например, в двух энергосистемах Бразилии с плотностью грозовых ударов в землю от 4 до 8 1/(км2•год) число грозовых отключений составило 35 % и 43 % от общего числа отключений, зарегистрированных в течение 1998-2002 гг. [5]. Исследования РДИ по гашению сопровождающего тока, а также изоляционные характеристики были выполнены в лабораторных условиях, соответствующих условиям эксплуатации в энергосистемах. Испытания РДИ-М и РДИ-П выполнены соответственно в России и Бразилии. 
Конструкции РДИ и принцип действия РДИ-П (петлевого типа)
На рис. 1 показан РДИ-П, установленный на металлической конструкции, моделирующей опору ВЛ. Отрезок кабеля со стальным сердечником согнут в виде петли и прикреплен к опоре при помощи кронштейна. На поверхности кабеля в его средней части установлена металлическая трубка, которая вместе с проводом образует искровой промежуток S. На одном из плечей петли установлены кольцевые промежуточные электроды. Петля находится под тем же потенциалом, что опора. Вследствие относительно большой емкости между трубкой и стальным сердечником внутри кабеля трубка имеет практически тот же потенциал, что и опора. Поэтому перенапряжение, возникающее между проводом и опорой, прикладывается также между металлической трубкой и проводом. Если перенапряжение достаточно большое, искровой промежуток S пробивается, и перенапряжение оказывается приложенным между трубкой и стальным сердечником кабеля к его изоляции. Под действием этого перенапряжения от металлической трубки по направлению к оконцевателю по поверхности кабеля развивается скользящий разряд, который поочередно проходит все промежуточные электроды. Эти электроды имеют выступы, расположенные на противоположных сторонах колец электродов. Поэтому канал перекрытия разбивается на последовательно соединенные небольшие отрезки каналов, что существенно повышает эффективность гашения дуги сопровождающего тока (см. рис.1, а).
РДИ-М (модульный)
РДИ-М состоит из двух отрезков специального кабеля с резистивным корделем [3]. На его поверхности также имеются промежуточные электроды, установленные для той же цели, что и у РДИ-П. Отрезки кабеля соединены между собой таким образом, чтобы образовать три разрядных модуля 1, 2, 3, как показано на рис. 2. Резистивный кордель верхнего куска кабеля, имеющий сопротивление R, подает потенциал U на поверхность нижнего куска кабеля в его средней части. Аналогично, резистивный кордель нижнего куска кабеля, имеющий такоеже сопротивление R, подает нулевой потенциал на поверхность верхнего куска, также в его среднюю часть. Таким образом, полное напряжение U, приложенное к разряднику в целом, одновременно прикладывается к каждому разрядному модулю, в каждом из которых созданы условия для одновременного развития скользящих разрядов. После перекрытия всех трех модулей образуется единый, весьма длинный канал перекрытия.
Защита от индуктированных перенапряжений
Для того, чтобы избежать больших токов короткого замыкания при двухи трехфазных грозовых замыканиях на землю рекомендуется устанавливать РДИ-П по одному разряднику на опору с чередованием фаз (рис. 3). Благодаря такой установке при грозовом перенапряжении и срабатывании разрядников образуется контур, который содержит два разрядника и два последовательно включенных сопротивления заземления опор, которые ограничивают сопровождающий ток, что облегчает гашение дуги. Чем больше сопротивления заземления, тем более эффективно работает РДИ-П. 
Защита от прямых ударов молнии
Прямой удар молнии (ПУМ) в распределительную линию вызывает перекрытие всех трех изоляторов на пораженной опоре. Поэтому для защиты от ПУМ РДИ-М должны быть установлены параллельно каждому изолятору на опоре (рис. 4). Междуфазные замыкания на опоре могут привести к сопровождающим токам порядка 10 кА и более. Для того, чтобы обеспечить гашение дуги таких сопровождающих токов, длина перекрытия РДИМ 13,8 кВ должна быть 1,7 м, то есть значительно большей, чем РДИ-П (0,9 м), которые предназначены для защиты ВЛ от индуктированных перенапряжений.
Испытания на дугогасящую способность РДИ-П
Исследование дугогасящих характеристик РДИ-П 13,8 кВ проведены в лаборатории CEPEL в Рио де Жанейро (Бразилия) на существующем оборудовании, используемом для проведения стандартных испытаний разрядников и ОПН. Схема испытательного контура и его основные параметры приведены на рис. 5. На провод линии подавалось напряжение 7,5 кВ (действующее значение) частотой 60 Гц, затем в определенный момент времени на провод подавался импульс напряжения от генератора импульсов тока, под действием которого воздушный промежуток S пробивался (см. рис. 1). Таким образом, к РДИ-П прикладывалось напряжение промышленной частоты с наложенным на него импульсом грозового перенапряжения. Импульс грозового перенапряжения (тока) подавался от RLC генератора, заряженного до напряжения 145 кВ. Момент подачи импульса управлялся с целью подачи его вжелаемый фазный угол тока 60 Гц. Для каждых условий испытаний применялись различные фазные углы подачи импульса. Токоограничивающие резисторы также варьировались R =10, 15, 20 и 40 Ом (см. рис. 5). Использовались два различных типа изоляторов: стержневой фарфоровый и полимерный штыревой (рис. 6). Благодаря возможности подачи импульса в различные фазные углы и применению различных токоограничивающих резисторов оказалось возможным исследовать дугогасящую способность РДИ-П для различных величин сопровождающих токов и длительностей. Результаты испытаний РДИ-П Фотографии образцов при испытаниях показаны на рис. 7, а результаты приведены в табл. 1 и на рис. 8. 
Испытания на дугогасящую способность РДИ-М
Испытания проведены в лаборатории НИИВА, С. Петербург, Россия. Испытательная схема была практически такой же, что показанная на рис. 5, кроме того, что промышленная частота составляла 50 Гц и резистор R был шунтирован. Результаты испытаний приведены в табл. 2, и некоторые типичные осциллограммы показаны на рис. 9. При испытаниях отмечены два вида гашения тока: 1) когда заканчивается импульсный ток грозового перенапряжения, до перехода тока промышленной частоты через ноль (далее — «гашение на фронте»); 2) когда ток промышленной частоты переходит через ноль (далее — «гашение в нуле»).
Комментарии к испытаниям на гашение
По результатам испытаний на дугогасящую способность, приведенным выше, можно сделать вывод, что РДИ-П надежно (100 %) гасит ток, сопровождающий грозовой импульс тока, при условиях соответствующих типичной распределительной ВЛ 13,8 кВ с сопротивлением заземления опоры 15 Ом и более. Для более низких значений сопротивления заземления опоры, например 10 Ом, вероятность гашения меньше 100 %. Основываясь на полученных результатах, вероятность негашения может быть оценена как отношение интервала фазного угла, при котором отмечено негашение, к длине полупериода Рнег = 8/180 – 0,04, и вероятность успешного гашения Ргаш= 10,04 = 0,96. Как видно из табл. 2, РДИ-М успешно гасит сопровождающий ток для сети с током короткого замыкания 4 кА и напряжением промышленной частоты 8,7 кВ (действ. зн.). Поэтому при более низком напряжении 7,5 кВ, соответствующем условиям работы разрядника на ВЛ 13,8 кВ, РДИ-М обеспечит гашение токов большего значения
.
Испытания изоляции
Исследования диэлектрических характеристик разрядников РДИ с некоторыми изоляторами, применяемыми в распределительных сетях Бразилии, выполнены в высоковольтной лаборатории CEPEL. Использованные изоляторы класса 15 кВ показаны на рис. 10. Изоляторы № 1, 2 и 5 выполнены из фарфора. Изоляторы № 3, 4 и 6 — полимерные, и изолятор № 7 имеет фарфоровый сердечник с полимерным изоляционным устройством.
Испытания грозовыми импульсами напряжения
Определение импульсных разрядных напряжений проводилось по методу «вверх-вниз» при подаче 30 импульсов обеих полярностей при следующих условиях:
• без РДИ в сухом состоянии;
• с РДИ в сухом состоянии
• с РДИ при увлажнении.
РДИ-П подключался к проводу через воздушный промежуток S = 3, тогда как РДИ-М присоединялся к проводу непосредственно, без промежутка. При испытаниях все разряды проходили по РДИ, а изоляторы выдерживали подаваемые импульсы. Полученные разрядные напряжения РДИ ниже, чем разрядные напряжения изоляторов. Наименьшая разница в разрядных напряжениях получена для изолятора № 1 и наибольшая — для изоляторов № 3, 5 и 6. Индуктированные перенапряжения в распределительных сетях не превышают 300 кВ. Для проверки координированной работы РДИ с изоляторами на каждый изолятор с установленным параллельно ему разрядником подавалось по три импульса с максимальным значением 300 кВ. Для всех исследованных изоляторов разряды происходили по РДИ, а изоляторы не перекрывались.
Испытания на радиопомехи
Испытания проводились для всех изоляторов с установленными параллельно им РДИ. Критерием испытаний являлось максимально допустимое напряжение радиопомех 200 мкВ, 1 МГц при напряжении на проводе 8,8 кВ, действующее значение. Испытания проводились в следующих условиях:
• без РДИ в сухом состоянии;
• с РДИ в сухом состоянии;
• с РДИ в мокром состоянии.
Было отмечено, что величина напряжения радиопомех для РДИ-М с изолятором № 1 превышает допустимое при напряжении на проводе близком к 8,8 кВ. Для всех остальных вариантов изоляторов и РДИ напряжение радиопомех ниже допустимого.
Испытания напряжением промышленной частоты
Разрядные напряжения частотой 60 Гц определялись как средние из пяти значений напряжения, при которых происходили перекрытия РДИ-П, установленных параллельно с изоляторами. Испытания проводились в следующих условиях:
• без РДИ в сухом состоянии;
• с РДИ в сухом состоянии;
• без РДИ в мокром состоянии;
• с РДИ в мокром состоянии.
Было получено, что в сухом состоянии разрядные напряжения комбинаций РДИ-П с изоляторами всех типов ниже, чем разрядные напряжение одних изоляторов, без РДИ-П. Обратные результаты получены для изоляторов № 2, 3 и 7 в мокром состоянии. Для проверки разрядных характеристик РДИ-М напряжение промышленной частоты 60 Гц величиной 34 кВ (действующее значение), которое является необходимым выдерживаемым уровнем для распределительных сетей класса 15 кВ, подавалось на испытуемый объект, содержащий изолятор с установленным параллельно ему РДИ-М в сухих и мокрых условиях в течение одной минуты. Разрядов не было для всех испытуемых объектов в сухих и мокрых условиях.
Грязевые испытания
Испытания при загрязнении и увлажнении выполнены для объектов, содержащих изолятор № 5 и РДИ, при солености 40 кг/м3. Каждый тип РДИ испытывался в сочетании с изолятором в течение одного часа при напряжении 8,8 кВ, действующее значение. Не было зафиксировано ни одного перекрытия. После испытаний отмечены незначительные следы коррозии на промежуточных электродах обоих типов РДИ, как это видно на рис. 11.
Испытания импульсами больших токов
Дополнительно образцы РДИ-П, которые использовались в исследованиях дугогасящей способности в СEPEL, были испытаны импульсами больших токов. Импульсы тока с максимальным значением 30 кА, 8/20 мкс и 85 кА, 4/10 мкс подавались на РДИ-П. Не отмечено никаких повреждений поверхности и промежуточных электродов.
ВЫВОДЫ
Длинно-искровые разрядники успешно эксплуатируются в России для защиты ВЛ 10 кВ от грозовых перенапряжений и пережога проводов. Поэтому было принято решение о разработке РДИ на класс напряжения 13,8 кВ, который является основным для распределительных сетей Бразилии и других стран. С целью исследования электрических характеристик РДИ 13, 8 кВ для возможной их установки на линиях выполнены лабораторные высоковольтные испытания и испытания большими токами. На основании технической информации и результатов испытаний могут быть сделаны следующие выводы.
1. Длинно-искровые разрядники петлевого (РДИП) и модульного (РДИ-М) типов показали хорошие характеристики при испытаниях: диэлектрических, грозовыми импульсами, на радиопомехи и на дугогасящую способность.
2. РДИ-П могут защитить ВЛ 13,8 кВ от индуктированных перенапряжений. РДИ-П рекомендуется устанавливать по одному на опору с чередованием фаз.
3. РДИ-М могут защитить ВЛ 13,8 кВ от прямых ударов молнии. Для этого РДИ-М должны устанавливаться на опорах параллельно каждому изолятору.
