Calculating the Number of Lightning Induced Outages of a Double-Circuit 110 kV Overhead Power Line
Keywords:
overhead power line, lightning, insulation back flashover, lightning outage, lightning protection means
Abstract
The voltage surges in a double-circuit 110 kV overhead power line are analyzed using the methods of grounding theory, and the probability of insulation back flashovers is quantified using the dangerous currents method. The article proposes a new approach to the choice of calculated lightning strike points – in the overhead ground wire at a distance of a quarter of a span. In the frequency-dependent high-resistance soil model recommended by the CIGRE standard, the grounding conductor pulse impedance is less than the stationary one, therefore, voltage surge levels at the pulse front decrease, and insulation back flashovers occur during pulse decay. The expected number of lightning outages of a 110 kV double-circuit overhead power line does not exceed the average operating values with a grounding rods resistance of up to 15 Ω. A typical four-leg grounding device (with legs up to 60 m) satisfies the specified resistance in the soil with a resistivity of up to 1500 Ω·m. If its resistivity is higher, it is recommended to strengthen the tower grounding systems with a counterpoise grounding device, hang a second overhead ground wire under the overhead power line wires, or lay it on the ground surface. Means for protection against double–circuit overhead power line outages, namely, increasing the number of insulators in one circuit and installation of line surge arresters, are studied.
References
1. Богач И.И., Лопатин В.В. Грозоупорность линий электропередачи высокого напряжения. Проблемы и пути решения в АО «Тюменьэнерго». – Энергетик, 2019, № 4, с. 17–21.
2. РД 153-34.3-35.125-99. Руководство по защите электрических сетей 6–1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений. СПб.: ПЭИПК Минтопэнерго РФ, 1999, 353 с.
3. Правила устройства электроустановок. М.: Проспект, 2022, 832 с.
4. Гайворонский А.С., Заболотников А.П. Технологии грозозащиты ВЛ высших классов напряжения на основе применения линейных ОПН и разрядников с внешним искровым промежутком. – Известия РАН. Энергетика, 2015, № 3, с. 103–117.
5. Киселев А.Ю., Львов А.П., Назарычев А.Н. Опыт повышения грозоупорности магистральных линий электропередачи. – Электричество, 2025, № 3, с. 4–15.
6. Шишигин С.Л., Черепанов А.В., Шишигин Д.С. Моделирование заземлителя в грунте с частотно-зависимой удельной проводимостью. – Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки, 2018, т. 24, № 3, с. 91–101.
7. CIGRE Technical Brochure No. 781. Impact of Soil-Parameter Frequency Dependence on the Response of Grounding Electrodes and on the Lightning Performance of Electrical Systems, 2019, 67 p.
8. Шишигин С.Л., Шишигин Д.С., Смирнов И.Н. Расчет грозовых перенапряжений воздушных линий с импульсной короной в цепных схемах. – Известия РАН. Энергетика, 2022, № 1, с. 47–56.
9. Шишигин С.Л., Шишигин Д.С., Смирнов И.Н. Расчет заземлителей с учетом ионизации и частотных свойств грунта. – Известия РАН. Энергетика, 2022, № 6, с. 46–63.
10. Шишигин С.Л., Шишигин Д.С., Смирнов И.Н. Расчет числа грозовых отключений воздушной линии 110 кВ. – Электричество, 2023, № 9, с. 22–30.
11. Корсунцев А.В., Покровская К.И. Методика расчета сопротивлений заземления железобетонных фундаментов. – Электрические станции, 1968, № 11, с. 63–68.
12. CIGRE Brochure No. 64. Guide to Procedures for Estimating the Lightning Performance of Transmission Lines, 1991, 61 p.
13. Свидетельство о гос. регистрации базы данных № 2012620331. Разрядные характеристики линейной изоляции 110–750 кВ при импульсных грозовых воздействиях / Гайворонский А.С. и др., 03.04.2012.
14. CIGRE Technical Brochure No. 549. Lightning Parameters for Engineering Applications, 2013, 117 p.
15. Техника высоких напряжений / под ред. Д. В. Разевига. М.: Энергия, 1976, 488 с.
16. IEEE Std. 1410-2010. IEEE Guide for Improving the Lightning Performance of Electric Power Overhead Distribution Lines, 2011, 73 p., DOI: 10.1109/IEEESTD.2011.5706451.
17. Куклин Д.В., Ефимов Б.В. Расчет кривых опасных параметров при высоких сопротивлениях заземлений опор линий электропередачи. – Электричество, 2016, № 6, с. 16–21.
18. Heidler F., Cavetic J.M., Santic B.V. Calculation of Lightning Current Parameters. – IEEE Transactions on Power Delivery, 1999, vol. 14, No. 2, pp. 399–404, DOI: 10.1109/61.754080.
19. Программа «ЗУМ» [Электрон. ресурс], URL: https://zym-emc.ru/zymprogram.html (дата обращения 05.04.25).
#
1. Bogach I.I., Lopatin V.V. Energetik – in Russ. (Power Engineer), 2019, No. 4, pp. 17–21.
2. RD 153-34.3-35.125-99. Rukovodstvo po zashchite elektri-cheskih setey 6–1150 kV ot grozovyh i vnutrennih perenapryazheniy (Guidelines for the Protection of Electrical Networks 6–1150 kV from Lightning and Internal Overvoltages). SPb.: PEIPK Mintopenergo RF, 1999, 353 p.
3. Pravila ustroystva elektroustanovok (Rules of the Device of Electrical Installations). M.: Prospekt, 2022, 832 p.
4. Gayvoronskiy A.S., Zabolotnikov A.P. Izvestiya RAN. Ener-getika – in Russ. (News of the Russian Academy of Sciences. Energy Industry), 2015, No. 3, pp. 103–117.
5. Kiselev A.Yu., L’vov A.P., Nazarychev A.N. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2025, No. 3, pp. 4–15.
6. Shishigin S.L., Cherepanov A.V., Shishigin D.S. Nauchno-tehnicheskie vedomosti SPbPU. Estestvennye i inzhenernye nauki – in Russ. (Scientific and Technical Bulletins of SPbPU. Natural and Engineering Sciences), 2018, vol. 24, No. 3, pp. 91–101.
7. CIGRE Technical Brochure No. 781. Impact of Soil-Parameter Frequency Dependence on the Response of Grounding Electrodes and on the Lightning Performance of Electrical Systems, 2019, 67 p.
8. Shishigin S.L., Shishigin D.S., Smirnov I.N. Izvestiya RAN. Energetika – in Russ. (News of the Russian Academy of Sciences. Energy Industry), 2022, No. 1, pp. 47–56.
9. Shishigin S.L., Shishigin D.S., Smirnov I.N. Izvestiya RAN. Energetika – in Russ. (News of the Russian Academy of Sciences. Energy Industry), 2022, No. 6, pp. 46–63.
10. Shishigin S.L., Shishigin D.S., Smirnov I.N. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2023, No. 9, pp. 22–30.
11. Korsuntsev A.V., Pokrovskaya K.I. Elektricheskie stantsii – in Russ. (Electrical Stations), 1968, No. 11, p. 63–68.
12. CIGRE Brochure No. 64. Guide to Procedures for Estimating the Lightning Performance of Transmission Lines, 1991, 61 p.
13. Certificate of State Registration of the Database No. 2012620331. Razryadnye harakteristiki lineynoy izolyatsii 110–750 kV pri impul’snyh grozovyh vozdeystviyah (Discharge Characteristics of 110-750 kV Linear Insulation Under Pulsed Lightning Conditions) / Gayvoronskiy A.S. et al., 03.04.2012.
14. CIGRE Technical Brochure No. 549. Lightning Parameters for Engineering Applications, 2013, 117 p.
15. Tehnika vysokih napryazheniy (High Voltage Technology) / Ed. by D.V. Razevig. M.: Energiya, 1976, 488 p.
16. IEEE Std. 1410-2010. IEEE Guide for Improving the Lightning Performance of Electric Power Overhead Distribution Lines, 2011, 73 p., DOI: 10.1109/IEEESTD.2011.5706451.
17. Kuklin D.V., Efimov B.V. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2016, No. 6, pp. 16–21.
18. Heidler F., Cavetic J.M., Santic B.V. Calculation of Lightning Current Parameters. – IEEE Transactions on Power Delivery, 1999, vol. 14, No. 2, pp. 399–404, DOI: 10.1109/61.754080.
19. Programma «ZUM» (The ZYM Program) [Electron. resource], URL: https://zym-emc.ru/zymprogram.html (Access on 05.04.25)
2. РД 153-34.3-35.125-99. Руководство по защите электрических сетей 6–1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений. СПб.: ПЭИПК Минтопэнерго РФ, 1999, 353 с.
3. Правила устройства электроустановок. М.: Проспект, 2022, 832 с.
4. Гайворонский А.С., Заболотников А.П. Технологии грозозащиты ВЛ высших классов напряжения на основе применения линейных ОПН и разрядников с внешним искровым промежутком. – Известия РАН. Энергетика, 2015, № 3, с. 103–117.
5. Киселев А.Ю., Львов А.П., Назарычев А.Н. Опыт повышения грозоупорности магистральных линий электропередачи. – Электричество, 2025, № 3, с. 4–15.
6. Шишигин С.Л., Черепанов А.В., Шишигин Д.С. Моделирование заземлителя в грунте с частотно-зависимой удельной проводимостью. – Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки, 2018, т. 24, № 3, с. 91–101.
7. CIGRE Technical Brochure No. 781. Impact of Soil-Parameter Frequency Dependence on the Response of Grounding Electrodes and on the Lightning Performance of Electrical Systems, 2019, 67 p.
8. Шишигин С.Л., Шишигин Д.С., Смирнов И.Н. Расчет грозовых перенапряжений воздушных линий с импульсной короной в цепных схемах. – Известия РАН. Энергетика, 2022, № 1, с. 47–56.
9. Шишигин С.Л., Шишигин Д.С., Смирнов И.Н. Расчет заземлителей с учетом ионизации и частотных свойств грунта. – Известия РАН. Энергетика, 2022, № 6, с. 46–63.
10. Шишигин С.Л., Шишигин Д.С., Смирнов И.Н. Расчет числа грозовых отключений воздушной линии 110 кВ. – Электричество, 2023, № 9, с. 22–30.
11. Корсунцев А.В., Покровская К.И. Методика расчета сопротивлений заземления железобетонных фундаментов. – Электрические станции, 1968, № 11, с. 63–68.
12. CIGRE Brochure No. 64. Guide to Procedures for Estimating the Lightning Performance of Transmission Lines, 1991, 61 p.
13. Свидетельство о гос. регистрации базы данных № 2012620331. Разрядные характеристики линейной изоляции 110–750 кВ при импульсных грозовых воздействиях / Гайворонский А.С. и др., 03.04.2012.
14. CIGRE Technical Brochure No. 549. Lightning Parameters for Engineering Applications, 2013, 117 p.
15. Техника высоких напряжений / под ред. Д. В. Разевига. М.: Энергия, 1976, 488 с.
16. IEEE Std. 1410-2010. IEEE Guide for Improving the Lightning Performance of Electric Power Overhead Distribution Lines, 2011, 73 p., DOI: 10.1109/IEEESTD.2011.5706451.
17. Куклин Д.В., Ефимов Б.В. Расчет кривых опасных параметров при высоких сопротивлениях заземлений опор линий электропередачи. – Электричество, 2016, № 6, с. 16–21.
18. Heidler F., Cavetic J.M., Santic B.V. Calculation of Lightning Current Parameters. – IEEE Transactions on Power Delivery, 1999, vol. 14, No. 2, pp. 399–404, DOI: 10.1109/61.754080.
19. Программа «ЗУМ» [Электрон. ресурс], URL: https://zym-emc.ru/zymprogram.html (дата обращения 05.04.25).
#
1. Bogach I.I., Lopatin V.V. Energetik – in Russ. (Power Engineer), 2019, No. 4, pp. 17–21.
2. RD 153-34.3-35.125-99. Rukovodstvo po zashchite elektri-cheskih setey 6–1150 kV ot grozovyh i vnutrennih perenapryazheniy (Guidelines for the Protection of Electrical Networks 6–1150 kV from Lightning and Internal Overvoltages). SPb.: PEIPK Mintopenergo RF, 1999, 353 p.
3. Pravila ustroystva elektroustanovok (Rules of the Device of Electrical Installations). M.: Prospekt, 2022, 832 p.
4. Gayvoronskiy A.S., Zabolotnikov A.P. Izvestiya RAN. Ener-getika – in Russ. (News of the Russian Academy of Sciences. Energy Industry), 2015, No. 3, pp. 103–117.
5. Kiselev A.Yu., L’vov A.P., Nazarychev A.N. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2025, No. 3, pp. 4–15.
6. Shishigin S.L., Cherepanov A.V., Shishigin D.S. Nauchno-tehnicheskie vedomosti SPbPU. Estestvennye i inzhenernye nauki – in Russ. (Scientific and Technical Bulletins of SPbPU. Natural and Engineering Sciences), 2018, vol. 24, No. 3, pp. 91–101.
7. CIGRE Technical Brochure No. 781. Impact of Soil-Parameter Frequency Dependence on the Response of Grounding Electrodes and on the Lightning Performance of Electrical Systems, 2019, 67 p.
8. Shishigin S.L., Shishigin D.S., Smirnov I.N. Izvestiya RAN. Energetika – in Russ. (News of the Russian Academy of Sciences. Energy Industry), 2022, No. 1, pp. 47–56.
9. Shishigin S.L., Shishigin D.S., Smirnov I.N. Izvestiya RAN. Energetika – in Russ. (News of the Russian Academy of Sciences. Energy Industry), 2022, No. 6, pp. 46–63.
10. Shishigin S.L., Shishigin D.S., Smirnov I.N. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2023, No. 9, pp. 22–30.
11. Korsuntsev A.V., Pokrovskaya K.I. Elektricheskie stantsii – in Russ. (Electrical Stations), 1968, No. 11, p. 63–68.
12. CIGRE Brochure No. 64. Guide to Procedures for Estimating the Lightning Performance of Transmission Lines, 1991, 61 p.
13. Certificate of State Registration of the Database No. 2012620331. Razryadnye harakteristiki lineynoy izolyatsii 110–750 kV pri impul’snyh grozovyh vozdeystviyah (Discharge Characteristics of 110-750 kV Linear Insulation Under Pulsed Lightning Conditions) / Gayvoronskiy A.S. et al., 03.04.2012.
14. CIGRE Technical Brochure No. 549. Lightning Parameters for Engineering Applications, 2013, 117 p.
15. Tehnika vysokih napryazheniy (High Voltage Technology) / Ed. by D.V. Razevig. M.: Energiya, 1976, 488 p.
16. IEEE Std. 1410-2010. IEEE Guide for Improving the Lightning Performance of Electric Power Overhead Distribution Lines, 2011, 73 p., DOI: 10.1109/IEEESTD.2011.5706451.
17. Kuklin D.V., Efimov B.V. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2016, No. 6, pp. 16–21.
18. Heidler F., Cavetic J.M., Santic B.V. Calculation of Lightning Current Parameters. – IEEE Transactions on Power Delivery, 1999, vol. 14, No. 2, pp. 399–404, DOI: 10.1109/61.754080.
19. Programma «ZUM» (The ZYM Program) [Electron. resource], URL: https://zym-emc.ru/zymprogram.html (Access on 05.04.25)
Published
2025-05-29
Issue
Section
Article
