Россия
УДК 621.315.1 Воздушные линии электропередачи
В статье рассматривается задача защиты вводов питания устройств железнодорожной автоматики и телемеханики от грозовых перенапряжений, распространяющихся по воздушным линиям автоблокировки 10 кВ. Показано, что при прямых и повторных ударах молнии вводной ограничитель перенапряжений, установленный непосредственно у защищаемого объекта, может испытывать недопустимую токовую и энергетическую нагрузку, что снижает устойчивость системы защиты. Для исследования указанных процессов разработана объединенная математическая модель системы «воздушная линия — ввод питания — средства защиты», включающая трехфазную распределенную модель линии, источник грозового воздействия на основе функции Хайдлера, модель ввода питания релейного шкафа, частотно-зависимую модель заземляющего устройства и нелинейные модели ограничителя перенапряжений и мультикамерных разрядников. Численная реализация модели выполнена в среде MATLAB.Проведены вычислительные эксперименты для одиночных и серийных ударов молнии при различных конфигурациях защищенных подходов и схемах размещения защитных аппаратов на линии. Установлено, что равномерная установка ограничителей перенапряжений по длине линии не обеспечивает требуемой устойчивости при энергоемких импульсах типа 10/350 мкс вследствие превышения допустимой энергонагрузки аппаратов. Показано, что применение мультикамерных разрядников позволяет существенно снизить напряжение на вводе питания и нагрузку на вводной ограничитель перенапряжений. Полученные результаты подтверждают перспективность пространственно-организованных схем защиты, обеспечивающих поэтапное ограничение грозовой волны и перераспределение импульсной энергии между несколькими аппаратами при одиночных и серийных ударах молнии.
удар молнии, математическая модель, защищенные подходы, импульсные перенапряжения, железнодорожная автоматика и телемеханика
1. Соловьёв А. Д., Манаков А. Д. Анализ воздействия атмосферных перенапряжений на устройства железнодорожной автоматики и телемеханики // Автоматика на транспорте. 2025. Т. 11, № 4. С. 287–302. DOI:https://doi.org/10.20295/2412-9186-2025-11-04-287-302. EDN MYPJAE
2. Соловьёв А. Д., Манаков А. Д. Волновые процессы при воздействии молнии в высоковольтной линии автоблокировки 10 кв // Автоматика на транспорте. 2026. Т. 12, № 1. С. 56–72. DOI:https://doi.org/10.20295/2412-9186-2026-12- 01-56-72. EDN LEQTWD
3. Манаков А. Д., Балуев Н. Н. Усиление защиты вводов питания устройств железнодорожной автоматики и телемеханики при близких грозовых разрядах // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2011. № 1 (26). С. 73–80. EDN NTZCCD
4. Rakov V. A., Uman M. A. Lightning: Physics and Effects. Cambridge: Cambridge University Press, 2003. 687 p.
5. Malcolm N., Aggarwal R. K. The Impact of Multiple Lightning Strokes on the Energy Absorbed by MOV Surge Arresters in Wind Farms During Direct Lightning Strikes // Renewable Energy. 2015. Vol. 83. Pp. 1305– 1314. DOI:https://doi.org/10.1016/j.renene.2015.05.010
6. Efficient Procedure to Evaluate Electromagnetic Transients: Transmission Line Model Based on Lumped Elements and State-Space Techniques / E. C. M. Costa [et al.] // IET Generation, Transmission & Distribution. 2010. DOI:https://doi.org/10.1049/iet-gtd.2009.0660
7. Power System Transients: Theory and Applications / A. Ametani [et al.]. 2nd ed. Boca Raton: CRC Press, 2016. 600 p.
8. Mamiş M. S., Nacaroğlu A. Transient Voltage and Current Distributions on Transmission Lines // IEE Proceedings — Generation, Transmission and Distribution. 2002. Vol. 149, no. 6. Pp. 705–712. DOI:https://doi.org/10.1049/ip-gtd:20020625
9. Hosseini S. M. A., Mohammadirad A., Akmal A. A. Surge Analysis on Wind Farm Considering Lightning Strike to Multi-Blade // Renewable Energy. 2022. Vol. 186. Pp. 312– 326. DOI:https://doi.org/10.1016/j.renene.2021.12.061
10. Grcev L. Impulse Efficiency of Ground Electrodes // IEEE Transactions on Power Delivery. 2009. Vol. 24, no. 1. Pp. 441–451. DOI:https://doi.org/10.1109/TPWRD.2008.923396
11. Diagnostic Analysis and Protective Measures of Transient Ground Potential Rise in a 1000 kV UHV Substation / F. Pang [et al.] // The Journal of Engineering. 2018. No. 17. Pp. 1670–1674. DOI:https://doi.org/10.1049/joe.2018.8638
12. Gustavsen B., Semlyen A. Rational Approximation of Frequency Domain Responses by Vector Fitting // IEEE Transactions on Power Delivery. 1999. Vol. 14, no. 3. Pp. 1052–1061. DOI:https://doi.org/10.1109/61.772353
13. Lee B.-H., Joe J.-H., Choi J.-H. Simulations of Frequency-dependent Impedance of Ground Rods Considering Multi-layered Soil Structures // Journal of Electrical Engineering & Technology. 2009. Vol. 4, no. 4. Pp. 531– 537. DOI:https://doi.org/10.5370/JEET.2009.4.4.531
14. On the Computation of the Voltage Distribution along the Non-Linear Resistor of Gapless Metal Oxide Surge Arresters / C. A. Christodoulou [et al.] // Energies. 2018. Vol. 11, no. 11. Art. 3046. DOI:https://doi.org/10.3390/en11113046
15. Quality Assessment of Low Voltage Surge Arresters / L. S. Litzbarski [et al.] // IEEE Access. 2022. Vol. 10. Pp. 129313–129321. DOI:https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3226401
16. Бельский Р. А., Фролов В. Я., Подпоркин Г. В. Электрическая прочность разрядника для молниезащиты линий 6–35 кВ при грозовых перенапряжениях // Записки Горного института. 2018. Т. 232. С. 401–406. DOI:https://doi.org/10.31897/PMI.2018.4.401
17. Shampine L. F., Reichelt M. W. The MATLAB ODE Suite // SIAM Journal on Scientific Computing. 1997. Vol. 18, no. 1. Pp. 1–22. DOI:https://doi.org/10.1137/S1064827594276424
18. Critical Insight into Performance Requirements and Test Methods for Surge Protective Devices Connected to Low-Voltage Power Systems / T. E. Tsovilis [et al.] // IEEE Transactions on Power Delivery. 2021. Vol. 36, no. 5. Pp. 3055–3064. DOI:https://doi.org/10.1109/TPWRD.2020.3032763
19. Lightning Performance Analysis of a Rooftop Grid-Connected Solar Photovoltaic Without External Lightning Protection System / M. S. M. Nasir [et al.] // PLOS ONE. 2019. Vol. 14, no. 7. Art. e0219326. DOI:https://doi.org/10.1371/journal. pone.0219326
20. Rakov V. A. A Review of Positive and Bipolar Lightning Discharges // Bulletin of the American Meteorological Society. 2003. Vol. 84, no. 6. Pp. 767–776. DOI: 10.1175/ BAMS‑84-6-767
