1. Введение

В конце ХХ века обследование технического состояния конструкций (ТСК) ВЛ успешно проводилось в соответствии с требованиями нормативной и технической документации (НТД), в частности «Типовой инструкции по эксплуатации воздушных линий электропередачи напряжением 35–800 кВ (РД 34.20.504-94)» [1] и «Методическими указаниями по оценке технического состояния воздушных линий электропередачи напряжением 35-750 кВ и их элементов (МУ-94)» [2]. Тогда оценка ТСК заключалась в не превышении параметров элементов предельным значениям, установленным в НТД. Кроме того, в МУ-94 представлена сложная для использования «Методика оценки ТСК» с коэффициентами дефектности (КД) для отдельных групп, составляющих ВЛ: опор КДО, фундаментов КДФ, проводов КДП, изоляторов КДИ, линейной арматуры КДА и на основе их суммы, умноженные на весовые коэффициенты, определяется коэффициент дефектности ВЛ. Однако в связи с условностью указанных весовых коэффициентов данная Методика МУ-94 не получила широкого использования в электроэнергетике.

Требования современных стандартов (ГОСТ 31937-2024 «Здания и сооружения. Правила осмотра и мониторинга технического состояния» [3], Стандарт организации ПАО «ФСК ЕЭС» СТО ЕЭС России 56947.007–29.240.55.111-2011 «Руководство по оценке технического состояния воздушных линий электропередачи и остаточного ресурса элементов воздушных линий электропередачи» [4]) определяют комплекс мероприятий по определению и оценке фактических значений контролируемых параметров, характеризующих эксплуатационное состояние, пригодность и работоспособность объектов исследования и определяющих возможность их дальнейшей эксплуатации или необходимость восстановления и усиления. Существующий традиционный метод обследования строительных конструкций с оценкой технического состояния конструкций опор ВЛ [1], [2], [3], [4], основан на многочисленных исследованиях и испытаниях, проведенных на ВЛ еще в ХХ веке, в первую очередь под руководством выдающихся российских ученых и инженеров, и имеет длительный, нескончаемый период позитивного развития. Профессор кафедры «Металлические конструкции и испытания сооружений» Ленинградского инженерно-строительного института (ЛИСИ, сейчас СПбГАСУ) в докторской диссертации «Действительная работа конструкций воздушных линий электропередачи» (1966) В.А. Трулль (1916–1996) обратил внимание исследователей на актуальность решения проблемы адекватности расчетных моделей действительной работе конструкций ВЛ [5]. Базисная методология оценки технического состояния конструкций ВЛ заложена в работах руководителя Центра испытания ВЛ (ЦИВЛ) AO «Фирма ОРГРЭС Л.В. Яковлева [6]. Однако, оценка технического состояния стальных конструкций опор проводилась, как правило, на основе анализа коррозионного износа элементов, а также сопоставления выявленных дефектов и повреждений элементов с предельными нормативными значениями при изготовлении, транспортировке, строительно-монтажных работах и эксплуатации конструкций. При этом отсутствовали требования по формированию интегрального показателя технического состояния конструкций ВЛ, расчет которого появился в «Методике оценки технического состояния основного технологического оборудования и линий электропередачи, электрических станций и электрических сетей» (2020) [7]. По данной Методике расчет индекса технического состояния (ИТС) ВЛ осуществляется для каждого функционального узла (опора и пролет) как сумма индивидуальных ИТС функциональных узлов, поделенная на их количество либо на протяженность ВЛ. При этом общий диапазон ИТС определяется в интервале от нуля 0 (наихудшее значение) до 100 единиц (наилучшее значение), а вид технического состояния конструкций опор в порядке повышения качества определен как «критическое», далее — «неудовлетворительное», а затем «удовлетворительное», «хорошее», «очень хорошее», что не соответствует строительным нормам ГОСТ 31937–2024 [3]. Следует заметить, что здесь балльная шкала некорректно применена для оценки количества и размеров дефектов, повреждений вместо оценки технического состояния конструкции (таблица 5.2 в [7]).

Проблема адекватности расчетных моделей действительной работе конструкций ВЛ актуальна и в настоящее время. Например, в Новосибирском техническом университете (НГТУ) предложена оригинальная «Методика оценки технического состояния опор ВЛ с учетом типовых эксплуатационных дефектов» [8], основанная на частотных исследованиях колебаний каждой опоры ВЛ как индивидуальной конструкции с оценкой влияния дефектов на расчетную модель. Здесь на стадии обследования ВЛ определяются частоты собственных колебаний опор и отклонения в физическом состоянии конструкций. Авторы обоснованно заявляют, что отсутствует целостный подход к оценке технического состояния опор ВЛ [8], [9]. Однако данные исследования характеризуются неконкретными и неопределенными результатами, представленными в диссертации А.Н. Кожевникова «Расчетно-экспериментальная оценка технического состояния опор воздушных линий электропередачи» [9]: «отсутствие отдельных силовых элементов не оказывает существенного влияния на НДС опоры»; «ослабление закрепления опоры П110-3 проявляется в уменьшении значений частот с существенным влиянием на соответствующие формы собственных колебаний»; «сформулированы обобщенные рекомендации по необходимости оперативного осмотра конструкций в зависимости от идентифицированного состояния опоры» и т.п. В связи с отсутствием сопоставления результатов предлагаемой [9] и традиционной [3], [4] методик оценки технического состояния опор ВЛ следует считать, что предлагаемая методика оценки недостаточно апробирована для практического применения в электроэнергетике с широким освещением в экспертном сообществе [10]. Кроме того, предложенная в НГТУ методика не позволяет оценивать степень коррозионного износа эксплуатируемых конструкций ВЛ, как главного долговременного поражающего фактора для стальных конструкций промышленных объектов во времени [11]. Тем не менее, оценка технического состояния конструкций посредством измерения их динамических характеристик и сопоставлением с предельными значениями представляется весьма перспективной.

Целью данной работы является совершенствование методики обследования конструкций опор ВЛ, в составе которой предложен «интегральный показатель технического состояния», численное значение которого определяет надежность и качественные показатели состояния конструкции, характеризующих эксплуатационное состояние, пригодность и работоспособность объекта исследования и определяющих возможность его дальнейшей эксплуатации или необходимость восстановления и усиления. Объектом работы назначены компоненты, составляющие ВЛ (опоры, фундаменты, провода, грозозащитные тросы, изоляция, линейная арматура), а субъектом — обследование и оценка технического состояния конструкций ВЛ. Актуальность работы обусловлена «значительной протяженностью отечественных ВЛ 0,4-750 кВ ПАО «Российские сети», достигающей более 2,5 млн. км для разных классов напряжений 0,4–750 кВ» [12], а также по причине их неудовлетворительного технического состояния и высокой аварийности [13], [14]. Новизна статьи определяется представлением и практическим обоснованием графиков прогноза толщины коррозионного износа во времени, применением шкалы бальной оценки технического состояния опор и фундаментов конструкции, а в итоге — определением интегрального показателя технического состояния конструкций всей ВЛ. Кроме того, актуальность работы подтверждается высокой необходимостью защиты конструкций от аварийных повреждений ВЛ с отключением электроснабжения ответственных потребителей на продолжительный период времени [15].

2. Определения коррозионного износа конструкций

Полностью избавиться от коррозионных потерь практически невозможно, поэтому рационально допустить коррозию стальных элементов, продукты образования которой используются для защиты от воздействия агрессивной среды, однако следует контролировать во времени износ конструкций ВЛ и состояния антикоррозионной защиты. При рассмотрении защитного слоя продуктов коррозии отмечается значительное влияние агрессивных атмосферных условий на скорость протекания коррозионного процесса. Исходя из этого, в ГОСТ 9.040–74 (2021) [16] приведена формула для определения ожидаемых коррозионных потерь массы Мт за длительный период эксплуатации с коэффициентом n, учитывающая влияние продуктов коррозии на скорость коррозионного процесса. Указанная формула преобразована автором в выражение (1), которое позволяет при известной толщине коррозионного слоя δ1 в течение времени τ1, прошедшего с момента ввода в эксплуатацию, получить требуемую толщину коррозионного износа δτ в момент τ:

где n — безразмерный коэффициент, учитывающий влияние продуктов коррозии на скорость коррозионного процесса, который принимается равным 0,2-0,4 для сельской местности, 0,5-0,6 для промышленной и городской зон.

Следовательно, при известном δ1 (мм) в течение времени τ1 (годы), полученном в результате обследования, удобно получить требуемую толщину δτ в момент τ, и это подтверждается результатами измерений, выполненных автором в 1987 году и июне 2022 г. в г. Ухта Республики Коми (рисунок 1).

В 1982-1990 годах кафедра промышленного и гражданского строительства Ухтинского индустриального института (УИИ, сейчас УГТУ) под руководством автора провела исследования коррозионного износа стальных опор ВЛ 35-110 кВ компании ОАО «АЭК Комиэнерго» в Республике Коми. В 1987 году толщина коррозионного износа была измерена на нижней стальной горизонтальной распорке на стальных опорах двухцепной воздушной линии ВЛ 35 кВ, установленных вдоль пр. Космонавтов в г. Ухта и введенных в эксплуатацию в 1972 году [17]. А в июне 2022 года состоялась контрольная проверка коррозионного износа на этой же горизонтальной распорке через 35 лет после 50 лет эксплуатации данной линии и этой опоры (рис. 1 а, б) [18].

Таким образом, на основании выполненных исследований в предлагаемой формуле (1) целесообразно назначить следующие коэффициенты n, равные 0,2-0,4 для условий неагрессивной среды (сельская зона), 0,5–0,6 — для условий среднеагрессивной среды (город и промышленная зоны) и 1,0 — для агрессивной среды.

При этом для конструкций с защитными антикоррозийными покрытиями продолжительность эксплуатации рассчитывается после разрушения таких покрытий. Критерии для присвоения параметров агрессивности воздушной среды определяются в соответствии с требованиями Свода правил СП 28.13330.2017 «Защита строительных конструкций от коррозии» [19].

На скорость коррозии стальных элементов существенное влияние оказывает угол наклона элементов к горизонтали, которая на горизонтальных элементах протекает почти в два раза быстрее, чем на вертикальных. На процесс коррозии существенное влияние оказывает высота расположения элемента, поэтому он наиболее интенсивен до высоты 1–1,5 м от поверхности земли по причине повышенной влажности. Нанесение цинкового покрытия толщиной не менее 80 мкм методом горячего цинкования является основным способом обеспечения антикоррозионной защиты элементов стальных опор ВЛ. Срок службы такого покрытия в умеренно агрессивной среде со скоростью коррозии 1–5 мкм в год составляет не менее 15–20 лет [1], [20].

3. Метод обследования конструкций опор ВЛ

В 2007–2008 годах автор, работая в ОРГРЭС, руководил рядом работ, выполненных ЦИВЛ АО «Фирма ОРГРЭС» (Москва) в Хотьково Московской области по обследованию технического состояния ВЛ 110-500 кВ с целью их реконструкции и продления срока эксплуатации в различных регионах России. Следует отметить особый методологический подход ОРГРЭС, который был использован при проведении комплексных обследований ВЛ, когда такое обследование вместе с конструкциями опор и фундаментов включало анализ состояния проводов, грозозащитных тросов, изоляции, заземления, трассы. К договору подряда на выполнение работ прикладывались Программа, календарный план и «Методика проведения комплексного обследования воздушных линий электропередачи», в которых указываются количественные и качественные критерии оценки ТСК (в виде таблиц), включая обозначения категорий дефектов и повреждений по группам А, Б, В. Такая методика была разработана выдающимся исследователем Л.В. Яковлевым (1932–2007), который в течение многих лет успешно руководил натурными испытаниями конструкций и элементов ВЛ на испытательном силовом стенде ЦИВЛ, а также обследованием конструкций ВЛ. Леонид Васильевич стал настоящим руководителем научно-практической школы по исследованию и испытаниям конструкций ВЛ, работы которой были заложены в основу разработанных отраслевых НТД, в частности действующего стандарта организации ПАО «ФСК ЕЭС» СTO 56947.007–29.240.55.111-2011 [4].

В совмещенной таблице 1 представлены количественные и качественные показатели в качестве критериев оценки ТСК ВЛ, предложенные АО «Фирма ОРГРЭС» в виде коэффициентов надежности КН по группам А, Б, В, предложенных Л.В. Яковлевым (столбец 1), и балльной оценки КВ (столбец 2), предложенной автором.

4. Результаты: пример оценки технического состояния опор ВЛ

В 2007 году было проведено техническое обследование участка воздушной линий электропередачи ВЛ 220 кВ в Хакасии силами АО «Фирма ОРГРЭС», бригадой под руководством автора, в результате чего техническое состояние этой линии было признано ограниченно работоспособным и ремонтопригодным, что требует организации плановых ремонтно-восстановительных работ или скорой реконструкции с заменой опор, имеющих аварийное и предаварийное состояние.

В таблице 2 назначена предельно допустимая степень коррозионного износа стального элемента конструкции 10% согласно требованиям «Типовой инструкции по эксплуатации воздушных линий электропередачи напряжением 35-800 кВ (РД 34.20.504-94)» [1] и обозначены категории дефектов и повреждений (ДП) [2], [3], [4]:

А — ДП особо ответственных элементов и соединений, которые представляют непосредственную опасность разрушения (предаварийное состояние конструкций);

Б — ДП не представляют в момент обследования непосредственной опасности для конструкции, но могут в дальнейшем привести к повреждениям других элементов и узлов или перейти в категорию А (ограниченно работоспособное состояние конструкций);

В — ДП имеют локальный характер, которые при последующем развитии не могут оказать влияние на другие элементы (работоспособное состояние конструкций) [3], [4].

Далее представлен пример обследования короткого участка данной линии для иллюстрации преимуществ балльной оценки ТСК посредством интегрального показателя технического состояния конструкций ВЛ. По таблице 2 для участка с 16 стальными опорами количественная оценка технического состояния (в баллах) составит: 9х3 + 7х2 = 27 + 14 = 41; а удельная оценка в баллах: 41/16 = 2,56 < 3, значит состояние конструкций ВЛ ограниченно работоспособное, что потребует планового ремонта с усилением либо заменой опор. Аналогично по таблице 3 — для участка с 5 железобетонными опорами (в баллах): 3х2 + 2х1 = 6 +2 = 8; удельная оценка в баллах: 8/5 = 1,6 < 2, состояние аварийное (предаварийное), которое требует вывода ВЛ из эксплуатации с последующей реконструкций ВЛ с заменой опор.

Интегральный показатель технического состояния конструкций ВЛ: КB = (41+8)/21 = 49/21 = 2,33 < 3, значит состояние ограниченно работоспособное, что требует скорой реконструкции с заменой опор.

Таким образом, балльная оценка ТСК посредством интегрального показателя технического состояния конструкций ВЛ позволяет достаточно точно оценить техническое состояние конструкций в целом и обозначить направление на нормализацию технического состояния конструкций ВЛ, например посредством реконструкции.

5. Заключение

Аварийные повреждения конструкций с падением опор воздушных линий электропередачи также относятся к действительной работе конструкций ВЛ, включающей целый ряд факторов как, например, коррозионный износ. Так, недавние значительные повреждения на четырех ВЛ 154 кВ на Кольском п-ве в период с 23.01 по 05.02.2026 с падением 5 промежуточных опор на оттяжках и повреждением анкерной опоры привели к отключению электроснабжения (блэкаут) Мурманска и Североморска и введению режима чрезвычайной ситуации. Первопричиной такого коллапса стал значительный коррозионный износ конструкций в связи с продолжительной эксплуатацией, превышающей нормативный срок технической эксплуатации 50 лет [15]. Такие блэкауты определяют значительную угрозу человеческой цивилизации. Поэтому тема совершенствования методики оценки технического состояния конструкций ВЛ однозначно представляет высокий уровень актуальности.

В работе представлен метод определения степени коррозионного износа стальной конструкции с учетом влияния продуктов коррозии, замедляющих скорость коррозионного процесса, который позволяет при известной толщине коррозионного слоя в течение известного промежутка времени определить толщину последующего износа за следующий промежуток времени. Теоретические результаты подтверждены данными долговременных измерений коррозионного износа за 35 лет, а в результате получила совершенствование Методика оценки технического состояния конструкций ВЛ. Предложены количественные и качественные показатели как критерии оценки технического состояния конструкций ВЛ, усовершенствованные в виде шкалы балльной оценки, удобной при эксплуатации. По результатам обследования определяется индивидуальная оценка технического состояния конструкций каждой опоры с фундаментами, при суммировании относительных показателей которых формируется интегральный показатель технического состояния конструкций ВЛ с рекомендациями по приведению ВЛ в нормативное эксплуатационное состояние.

5.1. Выводы и предложения

1. Представлены предложения по обновлению и совершенствованию методологии технического обследования конструкций воздушных линий электропередачи с оценкой их технического состояния.

2. Выполнен долговременный эксперимент продолжительностью 35 лет, подтвердивший достоверность формулы определения толщины коррозионного износа во времени для условий городской и промышленной зон.

3. Представлены табличные формы, позволяющие компактное и оперативное занесение информации о техническом состоянии конструкций ВЛ.

Предложена «Методика оценки технического состояния конструкций опор ВЛ с формированием интегрального показателя технического состояния ВЛ» с рекомендациями по приведению ВЛ в нормативное эксплуатационное состояние.

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