Грозозащита подстанций усложняется тем, что за счет многократных отражений волн перенапряжения на подстанции могут быть выше, чем на линии. Для обеспечения достаточно высокой надежности работы подстанции при грозовых воздействиях необходимо выполнить комплекс защитных мероприятий. Рассмотрим в общих чертах каждое из этих мероприятий в отдельности.
Прямой удар молнии представляет опасность для открытых распределительных устройств (ОРУ), зданий машинного зала, пульта управления, закрытых распределительных устройств (ЗРУ), масло- и нефтехозяйств, градирен, дымовых труб и других наземных сооружений электростанций и подстанций.
Защита зданий и сооружений, имеющих металлические несущие конструкции или металлическую кровлю, достаточно надежно обеспечивается путем заземления металлических частей. Кирпичные, бетонные и железобетонные сооружения, а также металлические опоры, поддерживающие провода на подстанции, защищают молниеотводами, устанавливаемыми на этих сооружениях, или отдельно стоящими молниеотводами. Зона защиты молниеотводов, установленных на территории ОРУ, должна охватывать всю территорию вместе с возвышающимися объектами. Тем самым обеспечивается достаточно малая вероятность прорыва, т. е. прямого удара молнии в защищаемые объекты.
Для защиты пожаро- или взрывоопасных объектов необходимо предусмотреть также защиту от искрообразования между всеми соприкасающимися металлическими частями путем обеспечения надежного сварного контакта между ними.
Тросовые молниеотводы на основной территории подстанции применять не рекомендуется, так как в случае обрыва троса он может упасть на сборные шины и вывести из строя сразу всю подстанцию. Их используют для защиты от прямых ударов молнии только воздушных перемычек между отдельными частями станции или подстанции.
Если молниеотвод установлен на трансформаторном или шинном портале, то при ударе молнии на нем возникает высокое напряжение и может произойти обратное перекрытие гирлянды с портала на провод. Когда установлены отдельно стоящие молниеотводы или используются прожекторные мачты, то перекрытие может произойти по воздуху между молниеотводом и проводами или оборудованием. Для защиты от таких перекрытий необходимо обеспечить достаточно малое импульсное сопротивление заземления молниеотводов и высокую импульсную прочность гирлянд изоляторов и воздушных промежутков. В некоторых случаях целесообразно удалить молниеотвод от защищаемых объектов на безопасное расстояние.
Возникает также опасность пробоя в земле между индивидуальным заземлением отдельностоящего молниеотвода и другими подземными устройствами: кабелями, трубопроводами и т. д. При таком пробое на рабочее заземление подстанции высокое импульсное напряжение с заземляющего устройства может попасть на корпус трансформатора и повредить изоляцию его обмотки низкого напряжения. Для защиты от таких повреждений необходимо установить вентильные разрядники или нелинейные ограничители перенапряжений между выводами обмотки НН и корпусом трансформатора, а также обеспечить достаточное удаление заземляющих проводников электрооборудования от заземления и токоотводящего спуска молниеотвода.
В настоящее время для определения границ зоны защиты рекомендуются [10] формулы, уточненные по результатам опыта эксплуатации. Для одиночного стержневого молниеотвода высотой h < 150 м зона защиты представляет собой круговой конус (рис. 2.8) с вышиной на высоте h0<h, сечение которого на высоте hx имеет радиус rх.
Граница зоны защиты, соответствующая вероятности прорыва Рпр=0,005, находится по формулам:
где значение h0<h учитывает возможность прорыва молнии не сверху, а сбоку.
Рис. 2.8. Зоны защиты стержневого молниеотвода:
1 - для Рпр=0,005; 2 - для Рпр=0,05
Если определяется граница зоны защиты, соответствующая большей вероятности прорыва: Рпр=0,05, используются формулы:
Высота ориентировки молний в большинстве случаев располагается ниже 150 м. Если высота молниеотвода более 150 м, то повышается вероятность прорывов молнии не сверху, а сбоку от молниеотвода. Поэтому увеличение высоты одиночного молниеотвода сверх 150 м практически не расширяет его зону защиты.
Если два стержневых молниеотвода находятся вблизи один от другого (на расстоянии, меньшем 3...5h), конфигурация границы зоны защиты между ними определяется в соответствии с рис. 2.10. Возникает дополнительный объем зоны защиты, обусловленный совместным действием двух молниеотводов.
Рис. 2.10. Зоны защиты двойного (а, б) и группового (в) молниеотводов
Габаритные размеры зоны двойного стержневого молниеотвода рассчитываются по формулам:
Если расстояние L между молниеотводами превышает 3h (Ρпр=0,005) или 5h (Ρпр=0,05), каждый из молниеотводов условно рассматривается как одиночный.
Несколько близко расположенных молниеотводов (например, три- четыре) способствуют взаимному усилению защитного действия и образуют “многократный” молниеотвод. Его зона защиты определяется попарными зонами защиты трех ближайших молниеотводов. При этом считается, что внутренние зоны защищены так же надежно, как и зона одиночного молниеотвода (рис. 2.10,в).
Для защиты протяженных объектов используются тросовые молниеотводы, представляющие собой проводящие тросы, натянутые над защищаемым объектом и заземленные на опорах. На линиях электропередачи стальные или сталеалюминиевые тросы подвешивают на специальных тросостойках, установленных на вершинах опор.
Конфигурация зоны защиты одиночного тросового молниеотвода (рис. 2.9) определяется по формулам:
а) если Рпр=0,005,
б) если Рпр=0,05,
Для системы из двух тросовых молниеотводов, расположенных параллельно на расстоянии L, наименьшая высота зоны защиты между ними hc может быть оценена по формуле:
При использовании тросов для защиты линии электропередачи обычно требуется не только проверить, находятся ли все фазные провода в зоне защиты тросов, но и определить вероятность прорывов молнии на фазные провода мимо тросов. Принимается, что вероятность прорыва на средний провод равна нулю. Для определения вероятности прорыва на два крайних провода Рпр можно воспользоваться эмпирической формулой, полученной на основании опыта эксплуатации [11]:
где h0 - высота подвески троса на опоре; α - угол тросовой защиты на опоре, который определяется как угол между вертикалью и линией трос-провод. Для типовых линий высокого напряжения величина Рпр имеет порядок 10-2...10-4.
Аналогичная по структуре формула с несколько отличными параметрами предложена в [12]:
Для уточнения этой зависимости необходимы дополнительные данные наблюдений, а также методика расчета вероятности попадания молнии в защищаемый объект при наличии молниеотвода.
Открытые распределительные устройства подстанций защищают от прямых ударов молнии системой стержневых молниеотводов, охватывающих своими зонами защиты (с учетом их коллективного действия) все оборудование подстанции. Установка молниеотводов непосредственно на конструкциях ОРУ, поддерживающих провода ошиновки подстанции, позволяет наиболее эффективно использовать их зону защиты, уменьшить затраты на их сооружение и сделать ОРУ более компактными. Однако протекание тока молнии по поддерживающим конструкциям создает опасность возникновения высокого потенциала на них и обратных перекрытий на токоведущие элементы подстанции. В целях предотвращения обратных перекрытий на таких подстанциях разработаны специальные меры. В тех случаях, когда вероятность обратных перекрытий не удается снизить до достаточно малой величины, устанавливают отдельно стоящие стержневые молниеотводы с обособленными заземлителями.
Необходимость сооружения отдельно стоящих молниеотводов определяется номинальным напряжением изоляции ОРУ, удельным сопротивлением грунта и величиной импульсного сопротивления заземления конструкций ОРУ. В ОРУ 35 кВ отдельно стоящие молниеотводы устанавливают при р>750 Ом-м, а также при значениях р от 500 до 750 Ом-м, если площадь заземляющего контура менее 10000 м.
На трансформаторных порталах устанавливать стержневые молниеотводы нецелесообразно, поскольку некоторая доля их потенциала при протекании тока молнии передается на бак трансформатора, при этом могут возникать обратные перекрытия с бака на обмотки, заземленные в других точках сети. При р>350 Ом-м, такая опасность становится ощутимой, и Правила устройства электроустановок в этом случае не допускают использования трансформаторных порталов для установки молниеотводов. На подстанциях с высшим напряжением 20 и 35 кВ устанавливать молниеотвод на трансформаторном портале разрешается лишь при условии, если сопротивление заземляющего устройства Rзи<4 Ом (без учета заземлителей вне контура заземления ОРУ), и при выполнении рада мероприятий по защите от обратных перекрытий.
Ориентировочную оценку ожидаемого числа прямых ударов молнии в оборудование подстанции можно получить, умножив годовое число ударов молнии в подстанцию Nпум на вероятность прорыва молнии внутрь зоны защиты молниеотводов Рпр. Число Nпум пропорционально площади земной поверхности Sр, с которой удары молнии “стягиваются” на подстанцию:
где h - высота молниеотводов; I и b - длина и ширина территории подстанции. При этом получаем:
где n=0,06...0,1 - среднее число ударов молнии на 1 км земной поверхности за грозовой час; SР - указанная выше “расчетная” площадь подстанции, км; Тч - число грозовых часов в году.
Прорыв молнии внутрь зоны защиты приводит к аварии лишь в том случае, если амплитуда тока молнии окажется достаточной для перекрытия изоляции (с вероятностью РIпр), а возникшее импульсное перекрытие или пробой создадут силовую дугу или необратимое изменение внутренней изоляции (с вероятностью Рд). В соответствии с этим число аварий от прорывов молнии в год nпр можно рассчитать по формуле:
Учитывая опыт эксплуатации, произведение Рпр·ΡΙпр·Рд принимают равной 10-3...10-4. При этом считают, что большая часть оборудования размещается не на границе, а в глубине зоны защиты, где вероятность поражения меньше.
Для примера рассмотрим подстанцию 35 кВ, находящуюся в районе с числом грозовых часов в году Тч=50 ч. Ширина и длина площади подстанции b=100 м, l=150 м, высота молниеотводов, установленных для ее защиты, h=30 м.
Расчетная площадь такой подстанции
Поэтому число аварий от прорывов молнии в год:
≈ 1740 лет.
Прямой удар молнии в молниеотвод или другую заземленную металлическую конструкцию на подстанции приводит к появлению на ней импульса напряжения, амплитуда которого может быть подсчитана по формуле 
где Iм и Iм' - амплитуда и крутизна тока молнии; Rзи - импульсное сопротивление заземления конструкции; L0 - ее индуктивность. Для стержневого молниеотвода L0, мкГн, приблизительно равно 0,6 h, где h - высота молниеотвода, м. Например, если высота молниеотвода h=30 м, а сопротивление заземления Rзи=40 Ом, то при средних значениях параметров грозового разряда Iм=20 кА, I'м=10 кА/мкс потенциал на его вершине достигнет величины U0=20·40+0,6·30·10=980 кВ. Поскольку средняя пробивная напряженность в воздухе составляет около 500 кВ/м, объекты, Расположенные ближе двух метров от молниеотвода, могут быть повреждены при таких разрядах молнии вследствие обратных перекрытий с молниеотвода. Из этого примера видно, что предотвратить обратные перекрытия можно путем снижения импульсного сопротивления заземления молниеотвода Rзи и удаления защищаемых объектов от молниеотвода на безопасное расстояние.
В правилах устройства электроустановок рекомендуется выдерживать расстояние между защищаемым оборудованием и молниеотводом по воздуху SB (в метрах), исходя из следующих соотношений: SB>0,12Rзи+0,1hx; SB>5 м, где hx - высота расположения объекта. В земле расстояние между электродами обособленного заземлителя молниеотвода и заземляющим устройством ОРУ рекомендуется не менее Sз=0,2Rзи; Sз ≥ 3 м.
Заземляющие проводники укладывают у стойки конструкции, на которой установлен молниеотвод, расходящимися в двух-трех разных направлениях, чтобы ослабить экранирование и уменьшить коэффициент импульса заземлителя.
Для снижения импульсного сопротивления заземления молниеотвода на расстоянии не более 3...5 м от места его присоединения к заземлителю устанавливают дополнительные заземляющие электроды. Такая мера обязательна в ОРУ 110... 150 кВ, а также и на подстанциях более высоких классов напряжения в случае установки молниеотвода на трансформаторном портале.
При установке молниеотвода в ячейке трансформатора обращают внимание на достаточное удаление между местами присоединения к заземляющему контуру молниеотвода и бака трансформатора (не менее 15 м). Кроме того, в этом случае рекомендуется приблизить точки подключения разрядников на стороне ВН и особенно НН к вводам трансформатора. Эти меры направлены на предотвращение обратных перекрытий с бака трансформатора на обмотки, которые могут быть заземлены в другой точке и не участвовать в импульсном подъеме потенциала бака трансформатора при протекании тока молнии по его заземлителю.
Годовое число аварий от обратных перекрытий определяется по формуле 
где Р0 - вероятность обратного перекрытия изоляции при прямом ударе молнии в молниеотвод; Рд - вероятность перехода импульсного перекрытия изоляции в силовую дугу при обратных перекрытиях.
При выполнении указанных выше рекомендаций величина годового числа аварий вследствие обратных перекрытий n0 оказывается пренебрежимо малой.
