Что может быть обыденнее линий электропередач? Опоры ЛЭП — одно из самых распространенных инженерных сооружений, и они все время у нас перед глазами. Однако и в этой сфере тоже есть свои технологические тонкости и даже простор для технического прогресса. Не очень заметные для нас воздушные линии электропередач обретают новый облик и новую конструкцию.
Как устроены опоры ЛЭП?

Чаще всего мы представляем себе опору ЛЭП в виде решетчатой конструкции. Лет 30 назад это был единственный вариант, да и в наши дни их продолжают строить. На место строительства привозят набор металлических уголков и шаг за шагом свинчивают из этих типовых элементов опору. Затем приезжает кран и ставит конструкцию вертикально. Такой процесс занимает довольно много времени, что сказывается на сроках прокладки линий, а сами эти опоры с унылыми решетчатыми силуэтами весьма недолговечны. Причина — слабая защита от коррозии. Технологическое несовершенство такой опоры дополняет простой бетонный фундамент. Если сделан он недобросовестно, например с применением раствора ненадлежащего качества, то спустя какое-то время бетон растрескается, в трещины попадет вода. Несколько циклов заморозки-оттаивания, и фундамент надо переделывать или серьезно ремонтировать.

Трубки вместо уголков

О том, что за альтернатива идет на смену традиционным опорам из черного металла, мы спросили представителей ПАО «Россети». «В нашей компании, которая является крупнейшим электросетевым оператором в России, — говорит специалист этой организации, — мы давно пытались найти решение проблем, связанных с решетчатыми опорами, и в конце 1990-х начали переходить на гранные опоры. Это цилиндрические стойки из гнутого профиля, фактически трубы, в поперечном сечении имеющие вид многогранника. Кроме того, мы стали применять новые методы антикоррозионной защиты, в основном метод горячего цинкования. Это электрохимический способ нанесения защитного покрытия на металл. В агрессивной среде слой цинка истончается, но несущая часть опоры остается невредимой». Фото Опоры электрических воздушных линий мы обычно представляем себе именно так. Однако классическая решетчатая конструкция постепенно уступает место более прогрессивным вариантам — многогранным опорам и опорам из композитных материалов.
Помимо большей долговечности новые опоры отличаются еще и простотой монтажа. Никаких уголков больше свинчивать не надо: трубчатые элементы будущей опоры просто вставляются друг в друга, затем соединение закрепляется. Смонтировать такую конструкцию можно в восемь-десять раз быстрее, чем собрать решетчатую. Соответствующие преобразования претерпели и фундаменты. Вместо обычного бетонного стали применять так называемые сваи-оболочки. Конструкция опускается в землю, к ней крепится ответный фланец, а на него уже ставится сама опора. Расчетный срок службы таких опор — до 70 лет, то есть примерно в два раза больше, чем у решетчатых.

Почему гудят провода

А провода? Они висят высоко над землей и издали похожи на толстые монолитные тросы. На самом деле высоковольтные провода свиты из проволоки. Обычный и повсеместно применяемый провод имеет стальной сердечник, который обеспечивает конструктивную прочность и находится в окружении алюминиевой проволоки, так называемых внешних повивов, через которые передается токовая нагрузка. Между сталью и алюминием проложена смазка. Она нужна для того, чтобы уменьшить трение между сталью и алюминием — материалами, имеющими разный коэффициент теплового расширения. Но поскольку алюминиевая проволока имеет круглое сечение, витки прилегают друг к другу неплотно, поверхность провода имеет выраженный рельеф. У этого недостатка есть два последствия. Во‑первых, в щели между витками проникает влага и вымывает смазку. Трение усиливается, и создаются условия для коррозии. В результате срок службы такого провода составляет не более 12 лет. Чтобы продлить срок службы, на провод порой надевают ремонтные манжеты, которые также могут стать причинами проблем (об этом чуть ниже). Кроме того, такая конструкция провода способствует созданию вблизи воздушной линии хорошо различимого гула. Происходит он из-за того, что переменное напряжение 50 Гц рождает переменное магнитное поле, которое заставляет отдельные жилы в проводе вибрировать, что влечет их соударения друг с другом, и мы слышим характерное гудение. В странах ЕС такой шум считается акустическим загрязнением, и с ним борются. Теперь такая борьба началась и у нас.

«Старые провода мы сейчас хотим заменить на провода новой конструкции, которую разрабатываем, — говорит представитель ПАО «Россети». — Это тоже сталь-алюминиевые провода, но проволока там применяется не круглого сечения, а скорее трапециевидного. Повив получается плотным, а поверхность провода гладкая, без щелей. Влага внутрь попасть почти не может, смазка не вымывается, сердечник не ржавеет, и срок службы такого провода приближается к тридцати годам. Провода схожей конструкции уже используются в таких странах, как Финляндия и Австрия. Линии с новыми проводами есть и в России — в Калужской области. Это линия «Орбита-Спутник» длиной 37 км. Причем там провода имеют не просто гладкую поверхность, но и другой сердечник. Он выполнен не из стали, а из стекловолокна. Такой провод легче, но прочнее на разрыв, чем обычный сталь-алюминиевый».

Однако самым последним конструкторским достижением в данной области можно считать провод, созданный американским концерном 3M. В этих проводах несущая способность обеспечивается только токопроводящими повивами. Там нет сердечника, но сами повивы армированы оксидом алюминия, чем достигается высокая прочность. У этого провода прекрасная несущая способность, и при стандартных опорах он за счет своей прочности и малого веса может выдерживать пролеты длиной до 700 м (стандарт 250−300 м). Кроме того, провод очень стоек к тепловым нагрузкам, что обусловливает его использование в южных штатах США и, например, в Италии. Однако у провода от 3M есть один существенный минус — слишком высокая цена. Фото Оригинальные «дизайнерские» опоры служат несомненным украшением ландшафта, однако вряд ли они получат широкое распространение. В приоритете у электросетевых компаний надежность передачи энергии, а не дорогостоящие «скульптуры».

Лед и струны

У воздушных линий электропередач есть свои естественные враги. Один из них — обледенение проводов. Особенно это бедствие характерно для южных районов России. При температуре около нуля капли измороси падают на провод и замерзают на нем. Происходит образование кристаллической шапки на верхней части провода. Но это только начало. Шапка под своей тяжестью постепенно проворачивает провод, подставляя замерзающей влаге другую сторону. Рано или поздно вокруг провода образуется ледяная муфта, и если вес муфты превысит 200 кг на метр, провод оборвется и кто-то останется без света. В компании «Россети» есть свое ноу-хау по борьбе со льдом. Участок линии с обледеневшими проводами отключается от линии, но подключается к источнику постоянного тока. При использовании постоянного тока омическое сопротивление провода можно практически не учитывать и пропускать токи, скажем, в два раза сильнее, чем расчетное значение для переменного тока. Провод нагревается, и лед плавится. Провода сбрасывают ненужный груз. Но если на проводах есть ремонтные муфты, то возникает дополнительное сопротивление, и вот тогда провод может и перегореть.

Другой враг — высокочастотные и низкочастотные колебания. Натянутый провод воздушной линии — это струна, которая под воздействием ветра начинает вибрировать с высокой частотой. Если эта частота совпадет с собственной частотой провода и произойдет совмещение амплитуд, провод может порваться. Чтобы справиться с данной проблемой, на линиях устанавливают специальные устройства — гасители вибрации, имеющие вид тросика с двумя грузиками. Эта конструкция, имеющая свою частоту колебаний, расстраивает амплитуды и гасит вибрацию.

С низкочастотными колебаниями связан такой вредный эффект, как «пляска проводов». Когда на линии происходит обрыв (например, из-за образовавшегося льда), возникают колебания проводов, которые идут волной дальше, через несколько пролетов. В результате могут погнуться или даже упасть пять-семь опор, составляющих анкерный пролет (расстояние между двумя опорами с жестким креплением провода). Известное средство борьбы с «пляской» — установление межфазных распорок между соседними проводами. При наличии распорки провода будут взаимно гасить свои колебания. Другой вариант — использование на линии опор из композитных материалов, в частности из стеклопластика. В отличие от металлических опор, композитная имеет свойство упругой деформации и легко «отыграет» колебания проводов, нагнувшись, а затем восстановив вертикальное положение. Такая опора может предотвратить каскадное падение целого участка линии. Старое и новое На фото отчетливо видна разница между традиционным высоковольтным проводом и проводом новой конструкции. Вместо проволоки круглого сечения использована предварительно деформированная проволока, а место стального сердечника занял сердечник из композита.

Опоры-уникумы

Разумеется, существуют разного рода уникальные случаи, связанные с прокладкой воздушных линий. Например, при установке опор в обводненный грунт или в условиях вечной мерзлоты обычные сваи-оболочки для фундамента не подойдут. Тогда используются винтовые сваи, которые ввинчивают в грунт как шуруп, чтобы достичь максимально прочного основания. Особый случай — это прохождение ЛЭП широких водных преград. Там используются специальные высотные опоры, которые весят раз в десять больше обычных и имеют высоту 250−270 м. Поскольку длина пролета может составлять более двух километров, применяется особый провод с усиленным сердечником, который дополнительно поддерживается грузотросом. Так устроен, например, переход ЛЭП через Каму с длиной пролета 2250 м.

Отдельную группу опор представляют конструкции, призванные не только держать провода, но и нести в себе определенную эстетическую ценность, например опоры-скульптуры. В 2006 году компания «Россети» инициировала проект с целью разработать опоры с оригинальным дизайном. Были интересные работы, но авторы их, дизайнеры, часто не могли оценить возможность и технологичность инженерного воплощения этих конструкций. Вообще надо сказать, что опоры, в которые вложен художественный замысел, как, например, опоры-фигуры в Сочи, обычно устанавливаются не по инициативе сетевых компаний, а по заказу каких-то сторонних коммерческих или государственных организаций. Например, в США популярна опора в виде буквы M, стилизованной под логотип сети фастфуда «Макдоналдс».

Статья «Высокая энергия» опубликована в журнале «Популярная механика» (№9, Сентябрь 2015).