Действительная работа конструкций воздушных линий электропередачи: аварии и живучесть

На основании «Правил расследования причин аварий и инцидентов в электроэнергетике» (далее, Правила), утв. пост. Правительства РФ от 29.09.2025 г. № 1489, под технологическим нарушением в электроэнергетике понимается аварийное отключение и (или) повреждение линии электропередачи в целом, причем технологическое нарушение является аварией, если произошло прекращение электроснабжения потребителей электроэнергии суммарной мощностью 100 МВт и более. Следовательно, повреждение ВЛ в целом, как полное прекращение функционирования ВЛ, является результатом падения опоры (опор) как аварии ВЛ (рисунок 1)

[1]

.

Рисунок 1 - Групповая авария на участке двухцепной ВЛ 220 кВ «Дорохово – Слобода 1,2» №№ 57-60 с падением промежуточной опоры № 60 и аварийным повреждением соседних трех промежуточных опор №№ 57-59 в Подмосковье

Примечание: 14.07.2016

DOI:10.60797/mca.2026.70.9.1

Например, недавние повреждения на 4 ВЛ 154 кВ в Мурманской обл. с падением 5 промежуточных опор на оттяжках и аварийным повреждением еще одной промежуточной опоры и обрывом стального грозозащитного троса (ГЗТ) на участке двух временных деревянных опор в период (23.01–04.02.2026) привели к отключению электроснабжения (блэкаут) Мурманска и Североморска с введением режима чрезвычайной ситуации по причине значительного износа конструкций в связи с продолжительной эксплуатацией (рисунок 2).

Рисунок 2 - Авария с падением стальных опор на оттяжках на 4-х ВЛ 154 кВ в 7 км от Мурманска в сторону Североморска в период 23.01-04.02.2026:

а – разрушенная упавшая промежуточная опора на оттяжках; б – временная деревянная опора с ожиданием установки проектной стационарной стальной опоры на оттяжках

DOI:10.60797/mca.2026.70.9.2

Вышеприведенные примеры подтверждают высокую актуальность статьи в связи значительной протяженностью отечественных ВЛ, составляющей более 2,5 млн км в составе ПАО «Россети» для разных классов напряжений 0,4–750 кВ

[2]

, а также по причине их неудовлетворительного технического состояния и высокой аварийностью

[3]

. Также задача анализа действительной работы конструкций имеет высокий уровень новизны и актуальности в связи с выявлением новых фактов аварийных повреждений и динамических воздействий на конструкции. На основании требований п. 5.6 СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия»

[4]

при проектировании сооружения следует выполнять расчеты на особые нагрузки и воздействия (сейсмические, взрывные, ударные — например, от наезда транспортных средств с опорами ВЛ, аварийные в «аварийном режиме» — например, обрыв провода или ГЗТ, взрыв, столкновение транспортных средств с частями сооружений, авария оборудования, пожар, землетрясение, некоторые климатические нагрузки, отказ работы несущего элемента конструкций), создающие аварийные ситуации с возможными катастрофическими последствиями.

Первой задачей данной публикации представляется анализ аварийных повреждений конструкций ВЛ 35-750 кВ, вторая задача определяет новую модель аварийного режима работы ВЛ, дополняющую представленную в ПУЭ-7 «Правила устройства электрических установок»

В докторской диссертации профессор Ленинградского инженерно-строительного института (ЛИСИ, сейчас СПбГАСУ) В.А. Трулль определил ряд задач для исследователей в области действительной работы конструкций ВЛ

ВЛ является сооружением — линейной строительной системой, имеющей наземную, надземную и подземную части, состоящую из строительных конструкций и, добавим, электротехнических компонентов, предназначенную для передачи электрической энергии. Согласно п.2.5.2 ПУЭ-7

Доклад по теме «Аварии и прогрессирующее обрушение конструкций воздушных линий электропередачи» был представлен автором на IX Международном симпозиуме «Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений», проведенном в ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» 21–24 мая 2025 г.

Предложен новый аварийный режим, который наряду со старым в ПУЭ-7

2.1. Расчет на обрыв проводов и грозозащитных тросов (подрежимы 1 и 2)

В соответствии с п. 2.5.142 ПУЭ-7

где Тmax — наибольшая расчетная нагрузка от тяжения провода;

Тnmax — наибольшая нормативная нагрузка от тяжения провода.

То же при сечении алюминиевой части проводов 205 мм2 и более:

Аналогично согласно п. 2.5.143 ПУЭ-7

Рисунок 3 - Действующие расчетные усилия на опоры после обрыва провода №3 в пролете XI относительно усилия в проводе до разрыва Тпр, в ВСС с промежуточными опорами новой унификации типа П330н-1

DOI:10.60797/mca.2026.70.9.3

Полученные усилия от тяжения проводов и тросов на промежуточные опоры в результате выполненных расчётов по «Программе» могут быть использованы как дополнительные нагрузки для расчёта конструкции опор и определения несущей способности их элементов (рисунок 3). На основе авторских исследований динамических воздействий на конструкции ВЛ в аварийном режиме работы для одиночного троса либо провода коэффициент надежности (коэффициент динамичности при обрыве) с учетом результатов натурных испытаний опор ВЛ 500 кВ в 1970-х годах ОАО «Фирма ОРГРЭС» и ОАО «Энергосетьпроект»

[9]

,

[10]

,

[11]

получен равным 2,0, тогда формула (1) изменяется на (4)

2.2. Расчет ВСС на падение промежуточной опоры (подрежим 3)

Для иллюстрации действительной работы опор в составе линейной цепи ВЛ представлена реальная аварийная ситуация, произошедшая в Кемеровской обл., когда под действием ураганного ветра упали две соседние промежуточные стальные опоры с их разрушением и отключением ВЛ 110 кВ (рисунок 4)

[12]

.

Рисунок 4 - Две схемы падения двухцепных промежуточных опор в групповой аварии на ВЛ 110 кВ в Кемеровской обл. от ветра:

а – потеря несущей способности фундаментов опоры; б – потеря устойчивости сжатых поясов под нижней траверсой

Примечание: май 2015 г

DOI:10.60797/mca.2026.70.9.4

Из анализа характерной групповой аварии, когда падают две соседние опоры, на рисунке 4 следует, что при действии сверхрасчетного ветра первая опора упала из-за потери несущей способности фундаментов — железобетонных свай, выдернутых из слабого грунта, вторая соседняя опора — по причине потери устойчивости сжатых поясов ствола опоры под нижней траверсой, а также под действием значительных тяжений проводов и троса, возникших от падения первой опоры. Например, из рисунка 4, б следует, что в стальном ГЗТ возникло сверхрасчетное усилие, из-за которого он продернулся в поддерживающем зажиме, о чем свидетельствует оборванный заземляющий соединитель, который до обрыва крепился к металлоконструкции тросостойки опоры. Из анализа результатов данной аварии назначены две основных расчетных схемы, моделирующие кинематическую изменяемость конструкции опоры, падающей с поворотом относительно условного шарнира (рисунок 5, а): в первом случае — разрушение фундаментов или анкерных болтов с образованием нижнего шарнира (т. 7), а во втором случае — потеря устойчивости сжатых поясов ствола опоры с шарниром под нижней траверсой (т. 1) на рисунке 5, б. Падающая опора в аварийном пролете или её разрушенная часть превращается в кинематически изменяемую конструкцию, потерявшую несущую способность, но сохраняющую взаимодействие с другими элементами в линейной вантово-стержневой системе (проводами, тросом, изоляторами, соседними и другими опорами). При этом падение опоры с увеличением угла наклона α от вертикальной оси ограничивается с ростом распорной реакции от троса и проводов и восстановлением неизменяемости уцелевшей части ствола опоры. Поэтому при падении опоры в тросе и проводах возникают дополнительные усилия из-за перемещения ее траверс и ствола из створа ВЛ, а также точек крепления к траверсам и тросостойке троса, проводов и изоляторов.

Рисунок 5 - Модели разрушения промежуточной опоры П110-6:

а – назначены 7 условных точек поворота падающей части опоры; 6 – угол поворота α падающей части ствола в интервале (0…140°)

Примечание: точки подвеса гирлянд изоляторов проводов (1…6), троса (0)

DOI:10.60797/mca.2026.70.9.5

Математическая модель ВСС, представленная выше

[7]

, позволяет решать задачу определения редуцированных тяжений проводов и тросов во всех пролетах анкерного участка ВЛ, а также нагрузок от них на опоры в аварийном пролете при обрыве провода или троса. Модель дополнена возможностью учета перемещений точек крепления троса и проводов фазы и отклонения гирлянд изоляторов по всем трём направлениям, прикрепленным к падающей промежуточной опоре. В связи с большей жесткостью анкерно-угловой опоры и применением натяжных гирлянд изоляторов, точки крепления тросов, проводов и изоляторов к такой опоре приняты неподвижными. Таким образом, расчётная схема локализованной ВСС при использовании принципа симметрии включает одну абсолютно жёсткую анкерно-угловую опору и несколько промежуточных деформирующихся опор, связанных между собой проводами и тросами

[7]

(рисунок 6). Здесь вариант с оборванным ГЗТ отличается резко пониженным воздействием на промежуточную опору при падении соседней опоры в аварийном пролете: горизонтальная нагрузка на опору сокращается в 1,7 раза по сравнению с необорванным ГЗТ. На рисунке 6 приведены численные значения усилий в грозотросе и проводах относительно усилий в ГЗТ (Тгзт) и проводе (Тпр), вычисленных для них в нормальном режиме до обрыва. Кроме того, получены результаты расчёта ВСС при конечном положении разрушаемой части опоры с углом α=140° (рисунок 5, б) для рассматриваемого участка линии, где параметрами назначены длина пролёта и марка подвешиваемого провода при неизменной марке ГЗТ 11.0-МЗ-В-ОЖ-Н-Р.

Рисунок 6 - Усилия тяжения в проводах и ГЗТ, воздействующие на соседнюю промежуточную опору при падении опоры в аварийном пролете с обрывом ГЗТ

Примечание: усилия и воздействия на соседнюю опору представлены для глухих зажимов, не допускающих продергивания

DOI:10.60797/mca.2026.70.9.6

Так, при повышении площади поперечного сечения провода, например, от марки АС240/32 до АС500/64, конечное усилие при α=140° возрастает в 3,0 раза при пролете 250,0 м и в 2,16 раза — при пролете 350 м. При этом конечное усилие соответственно возрастает от 0,554 до 0,842 разрывного усилия в проводах, что определяет высокий риск разрушения провода АС500/64 при небольшом пролете 250,0 м. Вариант падения опоры с поворотом относительно точки 7 (рисунок 5, а), как правило, реализуется при исчерпании несущей способности фундаментов либо фундаментных болтов и является основным для расчета.

2.3. Расчет на обрыв и падение гирлянды изоляторов (подрежимы 4 и 5)

Обрыв гирлянды изоляторов с падением на провода фазы представляет собой существенную ударную нагрузку, на воздействие которой целесообразно выполнить проверочный расчет проводов и грозотросов с использованием «Программы»

[7]

. В расчете рассмотрен участок линии ВЛ 330 кВ, состоящей из одноцепных анкерно-угловых опор У330н-1+14 и промежуточных П330н-1 с проводами марки АС 300/66 и грозотросами марки 11.0-МЗ-В-ОЖ-Н-Р (таблица 1). В качестве поддерживающих изолирующих подвесок для проводов использованы гирлянды изоляторов из стекла длиной 3,1 м и массой 140 кг, а для ГЗТ — длиной 0,7 м и массой 30 кг (рисунок 7).

Рисунок 7 - Обрыв и падение гирлянды изоляторов на два провода фазы двухцепной ВЛ 330 кВ «Гатчинская – Лужская»

Примечание: 2014

DOI:10.60797/mca.2026.70.9.7

Для анализа такой аварийной ситуации математическая модель скорректирована так, что положение координат задаётся только для одной из 4-х точек, где произошел обрыв (нижняя траверса), а остальные становятся включенными в совместную работу всей линейной системы ВЛ. Полученные статическим расчётом результаты (Таблица 1) показывают разницу усилий тяжения в 0,081Tmax, что в несколько раз меньше усилия 0,4Tmax, принимаемой по 2.5.142 ПУЭ-7 «Правила устройства электроустановок»

Профессор В.И. Колчунов пишет, что «выполнен ряд исследований, связанных не только с проблемой конструктивной безопасности как характеристики неразрушимости несущей системы при эксплуатации объекта недвижимости, но и с решением проблемы живучести как характеристики сопротивляемости конструктивной системы прогрессирующему разрушению при внезапных запроектных воздействиях»

Здесь исследуются два рода последовательно возникающих аварийных ситуаций, приводящих к прогрессирующему обрушению конструкций: первый, относящийся к локальному повреждению элементов несущей конструкции опоры ВЛ, который может привести к прогрессирующему обрушению первого рода ПО-1 с падением опоры (рисунок 8). Здесь следует применить ситуационный подход для модели прогрессирующего обрушения ПО-1 с неопределенным сценарием

Рисунок 8 - Падение промежуточной стальной опоры на ВЛ 220 кВ (1987) в Забайкалье от небольших ветровых нагрузок, ослабленной вандальным снятием нижних раскосов

Примечание: 2022.09.06

DOI:10.60797/mca.2026.70.9.9

Значительно сложнее решается задача обеспечения живучести при прогрессирующем обрушении второго рода ПО-2, когда разрыв «слабого звена» — падение даже одной опоры, например по причине ПО-1, может привести к коллапсу всей цепи посредством значительных усилий в проводах, особенно в грозозащитных тросах. Тема взаимодействия опор, проводов, ГЗТ и гирлянд изоляторов приводит к образованию единой ВСС, в связи с чем деформации ствола и траверс приводят к изменению усилий в проводах и ГЗТ, а особенно падение промежуточной опоры вызывает аварийные повреждения соседних промежуточных опор. По п. 4.4.5 ГОСТ Р 51177-2017 «Арматура линейная. Общие технические требования»

[19]

прочность заделки стальных тросов 11.0-МЗ-В-ОЖ-Н-Р в поддерживающих зажимах должна составлять не менее 5% от разрывного усилия 154,8 кН (СТО 71915393-ТУ 062–2008 «Канаты стальные для защиты воздушных линий электропередачи от прямых ударов молнии. Технические условия»

[20]

при маркировочной группе 1860 Н/мм2), что составляет не менее 7,74 кН, а при превышении наступает продергивание троса (пунктир) со снижением воздействия на соседние опоры (рисунок 9). Из рисунка 9 следует, что с приближением падающей опоры к земле усилия тяжения в проводах и ГЗТ приобретают экстремальные значения, особенно при отсутствии продергивания (сплошная линия).

Рисунок 9 - Усилия тяжения одного провода (1÷6) и троса (0) с поддерживающими глухими зажимами без продергивания (сплошная линия) и с продергиванием (пунктир), воздействующие на промежуточную опору при разрушении соседней в аварийном пролете, в зависимости от угла поворота α с вращением относительно точки 1

DOI:10.60797/mca.2026.70.9.10

Более напряженная картина проявляется в пролете, следующем за аварийным (рисунок 10): здесь при отсутствии продергивания усилия в ГЗТ вырастают до предельного значения 140,46 кН, что может привести к разрыву ГЗТ, например, в пролете, где установлен линейный прессуемый соединитель, понижающий несущую способность ГЗТ на 10% (154,8×0,9=139,32 кН). А это может привести к обрыву ГЗТ с аварийным падением соседних промежуточных опор и наступлением прогрессирующего обрушения второго рода (ПО-2)

[12]

,

[17]

,

[18]

с лавинообразным разрушением большинства промежуточных опор на анкерном участке ВЛ. Такое разрушение представляется новым и свойственным только линейным сооружениям типа ВЛ. Поэтому в целях обеспечения живучести ВСС предлагается обеспечить подвеску проводов к изоляторам на поддерживающих зажимах, обеспечивающих возможность продергивания троса и проводов без их повреждения (ПЗП). Это позволит эффективно понизить усилия в проводах и тросах, например, в ГЗТ до 111,82 кН или на 25,6% (рисунок 10), что станет основным вариантом, защищающим работоспособность ВЛ при падении одной опоры от падения соседних опор и наступления ПО-2. Однако это потребует существенного преобразования линейной арматуры, а именно поддерживающих зажимов, для обеспечения возможности продергивания проводов и тросов без повреждения алюминиевых повивов. Вторым вариантом обеспечения живучести является решение по ослаблению подвески крепления ГЗТ к тросостойке промежуточных опор, что благодаря их разрушению подвески приводит к значительному снижению усилий в проводах и ГЗТ, препятствуя дальнейшему разрушению ВСС.

Рисунок 10 - Усилия тяжения одного провода (1÷6) и троса (0) в соседнем пролете от аварийного с поддерживающими глухими зажимами без продергивания (сплошная линия) и с продергиванием (пунктир), воздействующие на промежуточную опору при разрушении соседней в аварийном пролете, в зависимости от угла поворота α

DOI:10.60797/mca.2026.70.9.11

Несомненно, приемлемым решением обеспечения живучести представляется применение защитных стальных спиральных зажимов для защиты алюминиевых повивов от повреждения с укладкой в поддерживающий зажим большего типоразмера, что обеспечит возможность безаварийного продергивания провода.

Из анализа результатов расчета конструкции опоры следует, что перенапряжения элементов соседней опоры П110-6 (выделенные значения в таблице 2) возникают только при значительных углах отклонения α ствола падающей опоры от вертикали по причине разрушения фундаментов для критических элементов соседней опоры. Поэтому при проектировании опор ВЛ в качестве варианта № 4 обеспечения живучести конструкций соседних опор предлагается повышение несущей способности критических элементов, например, посредством увеличения их поперечных сечений.

Таким образом, реализация указанных вариантов обеспечит живучесть конструкций соседних промежуточных опор, расположенных на границе и за пределами аварийного пролета с упавшей опорой, что локализует аварию от ПО-2 в пределах аварийного пролета, как правило, с падением только одной промежуточной опоры. Очевидно, что защита конструкций опор от ПО-1 является основной, обеспечивающей устойчивость вантово-стержневой системы от падения опор, а защита от ПО-2 — вторичной, защищающей опоры от лавинообразного разрушения с групповым падением промежуточных опор.

1. Реальные примеры аварий показывают, что аварийные повреждения конструкций, включая падение опор воздушных линий электропередачи, отвечают действительной работе конструкций и могут привести к наступлению прогрессирующего обрушения.

2. Подтверждено, что два рода прогрессирующего обрушения имеют последовательный характер: сначала наступает прогрессирующее обрушение первого рода ПО-1 по причине внешнего воздействия, разрушающего опору, а затем ее падение может привести к прогрессирующему обрушению второго рода ПО-2 с аварийными повреждениями и падениями соседних опор.

3. Для обеспечения живучести конструкций ВЛ необходимо обеспечить устойчивость от разрушения конструкций опор, прежде конструкции вторичной схемы от воздействий ПО-1.

4. Для проектирования ВЛ на воздействия ПО-2 разработан новый аварийный режим, включающий пять расчетных подрежимов с расчетами опор на:

1 — обрыв проводов;

2 — обрыв грозозащитных тросов;

3 — падение промежуточной опоры;

4 — обрыв гирлянды изоляторов проводов;

5 — обрыв гирлянды изоляторов грозозащитных тросов.

5. Предложены варианты обеспечения живучести конструкций ВЛ, препятствующие разрушению опор на границе аварийного пролета и далее посредством снижения дополнительных усилий в грозотросе и проводах за счет разработки:

1 — специальных поддерживающих зажимов с возможностью продергивания в них проводов и тросов без разрушения токопроводящих алюминиевых повивов;

2 — применение защитных стальных спиральных зажимов для защиты алюминиевых повивов от повреждения с укладкой в поддерживающий зажим большего типоразмера;

3 — конструкции подвески проводов и тросов с возможностью ее разрушения;

4 — усиления критических элементов конструкций опор на стадии проектирования.

6. При продолжении работы предполагается усложнение расчетной модели вантово-стержневой системы с приближением к действительной работе конструкций ВЛ с учетом нелинейного характера деформирования железобетона фундаментов и грунтового основания, включая нелинейную ползучесть материалов.