Навантаження на опори ЛЕП: вітер, ожеледь

Опори ЛЕП: облік особливостей конкретної лінії

Високовольтна лінія — складний конструктивний комплекс. Під навантаженням вона працює як просторова сітчаста система: опори з’єднані проводами й тросами.

В Україні високовольтні лінії досі здебільшого будують із типових уніфікованих опор. Кожна з них розрахована на певну область параметрів, а на рівнинному рельєфі ця область широка. Ціна типовості — перевитрата металу: замість потрібної конструкції беруть найближчу більшу з каталогу, а висоту опори й крок опор прив’язують до рельєфу зміною прогону та уніфікованими секціями стовбура, через що невиправдано посилюються пояси, решітка й траверси. Останнім часом широко застосовують багатогранні опори, розраховані під конкретну лінію.

Резерви несучої здатності діючої лінії можна отримати:

• врахувавши фактичні вітрові, ожеледні й температурні навантаження в районі лінії;
• уточнивши навантаження від обладнання: проводів, грозозахисних тросів, ізоляторів і арматури;
• уточнивши постійні навантаження від власної ваги металоконструкцій — це особливо важливо для перехідних опор;
• застосувавши сучасніші методи визначення навантажень і розрахунку конструкцій.

За напрямком дії навантаження на лінію поділяють на горизонтальні й вертикальні. Розміри елементів і фундаментів опор визначають насамперед горизонтальні навантаження: ураганний вітер, вітер у поєднанні з ожеледдю, обрив проводів і тросів. Тим опори ЛЕП різко відрізняються від багатьох інших споруд, розміри яких задають переважно постійні навантаження від власної ваги й корисні навантаження.

Під час розрахунку опор враховують такі навантаження.

Горизонтальні:

• вітрове навантаження на конструкцію опори;
• вітрове навантаження на проводи й троси;
• навантаження від тяжіння проводів і тросів.

Вертикальні:

• власна вага опори;
• вага гірлянд ізоляторів з арматурою;
• вага проводів і тросів — без ожеледі та з ожеледдю.

Атмосферні навантаження та впливи

Проводи й троси працюють у тяжких умовах: на них діють вітер, ожеледь, хімічно активні домішки в повітрі, вібрація. У матеріалі проводів виникають великі механічні напруги. Умови роботи лінії значною мірою залежать від клімату району: температури, вітру, вологості, умов зледеніння й видів відкладень (ожеледь, паморозь), а також грозових явищ. Тому кліматичні умови мають лежати в основі оцінки технічного стану лінії.

Клімат району встановлюють статистичною обробкою багаторічних метеорологічних спостережень. Іноді доводиться обмежуватися даними за порівняно короткий період, а результати не завжди можна поширити на ділянки між метеостанціями, особливо в горах. Якщо на ділянці можливі важчі кліматичні умови, ніж у навколишньому районі, потрібні спеціальні спостереження й інформація від енергосистем та інших відомств.

Вітрове навантаження

Вітровий тиск складається зі сталої частини, що відповідає середній швидкості потоку, і змінної, зумовленої пульсаціями. Динамічна дія пульсацій тим більша, чим більший період власних коливань споруди. У ПУЕ (редакція 2026 р.) її враховують коефіцієнтом динамічності Cd: для опор заввишки до 50 м його допускається брати за типом опори (1,5 для вільностоячої одностоякової металевої), а для опор понад 50 м — за спеціальним динамічним розрахунком за ДБН В.1.2-2 (п. 2.5.42). Для проводів і тросів динаміку теж враховують — коефіцієнтом Cdc, який залежить від типу місцевості, вітрового тиску й довжини прогону: чим довший прогін, тим він менший, бо пориви на різних ділянках прогону не досягають максимуму одночасно (п. 2.5.49–2.5.50).

Для опор головне значення має горизонтальна складова вітру. Вітер тисне на проводи, троси й опори та, створюючи поперечне навантаження на проводи, збільшує їхній натяг. Надмірне вітрове навантаження може призвести до поломки й падіння опор, іноді з висмикуванням недостатньо міцно закріплених у ґрунті фундаментів.

Механічну міцність опор і проводів перевіряють за максимальним тиском вітру. ПУЕ задають його не швидкістю, а тиском: карта територіального районування має п’ять районів — від 400 до 600 Па на висоті 10 м для рівнинної місцевості (середній період повторюваності 50 років, п. 2.5.27 і 2.5.41); для ліній класів безвідмовності 3КБ і 4КБ (110–330 і 500–750 кВ) тиск потрібно брати за регіональними картами (п. 2.5.29). Уточнити вітрове навантаження можна через уточнення швидкості вітру (п. 2.5.30). На практиці облік місцевих метеорологічних даних зазвичай дає змогу знизити навантаження порівняно зі значенням за картою. Для цього важливо правильно обрати метеостанцію й урахувати реальні умови вимірювання; ці питання мають вирішувати фахівці з прикладної кліматології, а вихідні дані про вітер слід отримувати від відповідних державних метеорологічних організацій.

Ожеледь, паморозь і мокрий сніг

Ожеледні відкладення — ожеледь, зерниста паморозь, їх суміш і мокрий сніг — значно збільшують вагу й вітрову площу проводів. Характеристичне ожеледне навантаження приводять до проводу діаметром 10 мм на висоті 10 м над землею на рівнинній місцевості, середній період його повторюваності — 50 років (п. 2.5.27, 2.5.35). Види відкладень, їх товщину й щільність описано в статті Ожеледь, паморозь і мокрий сніг на проводах ЛЕП.

Температурні й кліматичні впливи

Температура повітря безпосередньо впливає на натяг і стрілу провисання проводів і тросів.

Зміну температури протягом доби називають добовим ходом, протягом року — річним. Для визначення крайніх значень можна користуватися кліматологічними картами розподілу температур, складеними за багаторічними даними: у ПУЕ середньорічну, найнижчу й найвищу температуру беруть за картами (п. 2.5.58–2.5.60), а під час ожеледі приймають мінус 5 °C (п. 2.5.61).

Розрахункові режими роботи повітряних ліній

За ПУЕ (ред. 2026 р.), табл. 2.5.14, розрахунок за нормального режиму (проводи й троси не обірвані) виконують для таких поєднань кліматичних умов:

• середньорічна температура, вітру й ожеледі немає;
• найвища температура, вітру й ожеледі немає (лише для проводів і тросів);
• найнижча температура, вітру й ожеледі немає;
• ожеледь за розрахунковим значенням, температура мінус 5 °C, вітру немає;
• максимальний тиск вітру, температура мінус 5 °C, ожеледі немає;
• вітер під час ожеледі, температура мінус 5 °C, ожеледь — 0,9 від розрахункового значення.

Вітер і ожеледь беруть за картами ПУЕ (п. 2.5.29, 2.5.35, 2.5.41); значення з карт, зокрема за ожеледдю, дозволено уточнювати за багаторічними спостереженнями (п. 2.5.30). Остаточні значення для конкретної лінії проєктувальник бере з чинного тексту ПУЕ.

За табл. 2.5.14 розрахунок за аварійного режиму виконують для трьох поєднань: середньорічна температура без вітру й ожеледі; найнижча температура без вітру й ожеледі; ожеледь за розрахунковим значенням, температура мінус 5 °C, вітру немає.

Окремо перевіряють опори за умов монтажу (табл. 2.5.14: температура мінус 15 °C, тиск вітру 62,5 Па на висоті 10 м, ожеледі немає) та наближення струмопровідних частин до елементів опор і споруд (п. 2.5.85): за робочої напруги — за розрахункового тиску вітру, мінус 5 °C і без ожеледі, а за грозових і внутрішніх перенапруг — за плюс 15 °C з вітром 0,1 розрахункового тиску, але не менше 62,5 Па, або без вітру.

Класи безвідмовності повітряних ліній: як напруга задає повторюваність навантажень

ПУЕ (ред. 2026 р.), п. 2.5.26, табл. 2.5.1 і 2.5.2, ділять лінії на чотири класи безвідмовності за напругою. Чим вищий клас, тим довший середній період повторюваності розрахункових навантажень.

Коефіцієнт надійності за відповідальністю γn для розрахунку будівельних конструкцій — 0,95 для 1КБ, 1,0 для 2КБ і 3КБ та 1,05 для 4КБ.

Коли клас можна підвищити

В обґрунтованих випадках ожеледне й ожеледно-вітрове навантаження для ліній 6–330 кВ дозволено брати на клас вище (п. 2.5.26). Основні критерії: ожеледно-вітрових аварій на лінії більше, ніж у середньому по регіону; кілька ліній для окремих регіонів чи великих споживачів ідуть одним коридором; двоколова лінія зі взаєморезервованими колами або лінія, що живить споживачів без іншого резервного живлення; багатоколова лінія (понад два кола) різної напруги на спільних опорах.

Методи розрахунку

За п. 2.5.25 ПУЕ механічний розрахунок проводів і тросів виконують за методом допустимих напружень, ізоляторів і арматури — за методом руйнівних навантажень; обидва — на розрахункові значення змінних навантажень із періодами повторюваності за табл. 2.5.1 (5, 10, 15 або 25 років залежно від класу безвідмовності). Опори й фундаменти проєктують за методом граничних станів. Будь-який інший метод проєкт має обґрунтувати окремо для кожного випадку.

Що це означає для проєкту

Уточнення реальних навантажень і врахування конкретних особливостей лінії дає змогу не переплачувати за метал у нових опорах і виявити резерви несучої здатності в діючих. ПОЛІГОНАЛЬ виконує повірочні розрахунки типових опор, проєктує багатогранні опори під конкретну лінію та розробляє креслення КМ і КМД — див. розділи про проєктування опор ЛЕП і фундаментів та про розрахунки металоконструкцій.

Навантаження й вартість опори

Навантаження визначають переріз стійки й масу опори, а отже її вартість. Від чого ще залежить ціна опори ЛЕП і яка вона за класами напруги — на сторінці Ціна опор ЛЕП.