1. Введение

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].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).

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» [5], а третья — защиту конструкций от аварий или обеспечение так называемой живучести, определяя новизну публикации.

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 [6], среди которых «наиболее существенной является нагрузка аварийного тяжения, в ее изучении имеются две стороны: величина тяжения и эффект воздействия на опору. Величина тяжения зависит от многих факторов (ветер, гололед, изменение температуры, количество оборванных проводов, местные дефекты проводов и тросов, изоляции и сцепной арматуры) и должна изучаться при совокупном учете их».

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 [5], ВЛ — линейная строительная система — устройство для передачи электроэнергии по проводам, расположенным на открытом воздухе и прикрепленным при помощи изоляторов и линейной арматуры к опорам или несущим конструкциям, представлена в виде модели вантово-стержневой системы (ВСС). На основе современного табличного процессора «MS Excel» разработана авторская «Программа расчета воздушной линии электропередачи при аварийных ситуациях как линейной вантово-стержневой системы» [7] (далее «Программа»), позволяющая последовательно выполнять следующие расчеты с определением усилий и перемещений элементов: обрыв фазы проводов или ГЗТ, обрыв гирлянды изоляторов или разрушение одной из промежуточных опор с ее падением. Выполненный расчёт позволил определить усилия тяжения в проводах и тросах, перемещения точек подвеса и длину возможного продёргивания проводов и тросов в поддерживающих зажимах или их обрыв.

2. Методы исследования: аварии и новый аварийный режим

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. [8].

Предложен новый аварийный режим, который наряду со старым в ПУЭ-7 [5], регламентирующим два подрежима с расчетами опор (1 — на обрыв проводов (рисунок 3), 2 — на обрыв грозозащитных тросов) дополнен тремя новыми подрежимами: 3 — падение промежуточной опоры, 4 — обрыв гирлянды изоляторов с проводом (проводами), 5 — обрыв гирлянды изоляторов с грозозащитным тросом. Таким образом, последовательно выполняются прочностные расчеты по 5 компонентам, составляющим ВСС, что несомненно повышает надежность и безопасность ВЛ в целом.

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

В соответствии с п. 2.5.142 ПУЭ-7 [5] расчётная условная горизонтальная нагрузка на свободностоящую металлическую опору, а также опоры на оттяжках из разных материалов, от проводов на ВЛ с нерасщепленными или однопроводными фазами (площадь сечения алюминиевой части до 185 мм2) c коэффициентом надежности 1,3 (коэффициент динамичности при обрыве):

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 [5] нагрузка от тяжения при обрыве одиночного троса:

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].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.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.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).

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» [5] для ВЛ 330 кВ, где Тmax — наибольшая расчетная нагрузка от тяжения проводов в аварийном режиме. Следовательно, таким воздействием на провода (подрежим 4), аналогично и на грозотросы (подрежим 5), можно пренебречь.

3. Основные результаты: живучесть конструкций ВЛ

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» [13]. В последующей статье он добавил: «существует два подхода к проверке сопротивления конструктивных систем зданий и сооружений особым или аварийным воздействиям [14]. Первый подход — традиционный, применяется, когда известна или установлена величина и место приложения особого воздействия (проектный сценарий, основанный на идентифицированных воздействиях) в соответствии с СП 296.1325800. 2017 «Здания и сооружения. Особые воздействия» [15]. Второй и наиболее часто встречающийся подход — проектирование защиты от прогрессирующего обрушения, когда величина, направление, время приложения и продолжительность действия особого или аварийного воздействия неизвестны. Применительно к этому случаю принят ситуационный подход, предполагающий рассмотрение вторичной расчетной схемы сооружения, в которой рассматривается по отдельности последовательное удаление одного из несущих элементов. При этом проверка живучести поврежденной конструктивной системы должна показать, что не произойдёт разрушения в «зоне возможного локального разрушения» и тем более прогрессирующего (непропорционального) обрушения всего здания или большей его части. При таком расчете проверяется соответствие конструкций требованиям и критериям особого предельного состояния. По действующим нормам (СП 385.1325800.2018 «Защита зданий и сооружений от прогрессирующего разрушения. Правила проектирования. Основные положения» [16]) расчетный анализ защиты от прогрессирующего обрушения может быть произведен в статической постановке, либо кинематическим методом теории предельного равновесия, а также в динамической постановке» [14].

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 [14], поэтому создание живучести (работоспособности) ВЛ следует выполнить посредством обеспечения неразрушения вторичной схемы за счет устройства дополнительных раскрепляющих элементов, например горизонтальных диафрагм, ограничивающих расчетные длины раскосов и поясов в нижней части конструкции опоры, либо за счет увеличения сечений рабочих элементов [17].

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).

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.

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.

4. Заключение

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.

The additional file for this article can be found as follows: