Нагрузки на опоры ЛЭП: ветер и гололёд

Опоры ЛЭП: учёт особенностей конкретной линии

Высоковольтная линия — сложный конструктивный комплекс. Под нагрузкой она работает как пространственная сетчатая система: опоры соединены проводами и тросами.

В Украине высоковольтные линии до сих пор в основном строят из типовых унифицированных опор. Каждая из них рассчитана на определённую область параметров, а на равнинном рельефе эта область широка. Цена типовости — перерасход металла: вместо нужной конструкции берут ближайшую большую из каталога, а высоту опоры и шаг опор привязывают к рельефу изменением пролёта и унифицированными секциями ствола, из-за чего неоправданно усиливаются пояса, решётка и траверсы. В последнее время широко применяют многогранные опоры, рассчитанные под конкретную линию.

Резервы несущей способности действующей линии можно получить:

• учтя фактические ветровые, гололёдные и температурные нагрузки в районе линии;
• уточнив нагрузки от оборудования: проводов, грозозащитных тросов, изоляторов и арматуры;
• уточнив постоянные нагрузки от собственного веса металлоконструкций — это особенно важно для переходных опор;
• применив более современные методы определения нагрузок и расчёта конструкций.

По направлению действия нагрузки на линию делят на горизонтальные и вертикальные. Размеры элементов и фундаментов опор определяют прежде всего горизонтальные нагрузки: ураганный ветер, ветер в сочетании с гололёдом, обрыв проводов и тросов. Этим опоры ЛЭП резко отличаются от многих других сооружений, размеры которых задают в основном постоянные нагрузки от собственного веса и полезные нагрузки.

При расчёте опор учитывают следующие нагрузки.

Горизонтальные:

• ветровая нагрузка на конструкцию опоры;
• ветровая нагрузка на провода и тросы;
• нагрузка от тяжения проводов и тросов.

Вертикальные:

• собственный вес опоры;
• вес гирлянд изоляторов с арматурой;
• вес проводов и тросов — без гололёда и с гололёдом.

Атмосферные нагрузки и воздействия

Провода и тросы работают в тяжёлых условиях: на них действуют ветер, гололёд, химически активные примеси в воздухе, вибрация. В материале проводов возникают большие механические напряжения. Условия работы линии во многом зависят от климата района: температуры, ветра, влажности, условий обледенения и видов отложений (гололёд, изморозь), а также грозовых явлений. Поэтому климатические условия должны лежать в основе оценки технического состояния линии.

Климат района устанавливают статистической обработкой многолетних метеорологических наблюдений. Иногда приходится ограничиваться данными за сравнительно короткий период, а результаты не всегда можно распространить на участки между метеостанциями, особенно в горах. Если на участке возможны более тяжёлые климатические условия, чем в окружающем районе, нужны специальные наблюдения и информация от энергосистем и других ведомств.

Ветровая нагрузка

Ветровое давление складывается из постоянной части, соответствующей средней скорости потока, и переменной, вызванной пульсациями. Динамическое действие пульсаций тем больше, чем больше период собственных колебаний сооружения. В ПУЭ (редакция 2026 г.) оно учитывается коэффициентом динамичности Cd: для опор высотой до 50 м его допускается принимать по типу опоры (1,5 для свободностоящей одностоечной металлической), а для опор свыше 50 м — по специальному динамическому расчёту по ДБН В.1.2-2 (п. 2.5.42). Для проводов и тросов динамику тоже учитывают — коэффициентом Cdc, который зависит от типа местности, ветрового давления и длины пролёта: чем длиннее пролёт, тем он меньше, потому что порывы на разных участках пролёта не достигают максимума одновременно (п. 2.5.49–2.5.50).

Для опор главное значение имеет горизонтальная составляющая ветра. Ветер давит на провода, тросы и опоры и, создавая поперечную нагрузку на провода, увеличивает их натяжение. Чрезмерная ветровая нагрузка может привести к поломке и падению опор, иногда с вырыванием недостаточно прочно закреплённых в грунте фундаментов.

Механическую прочность опор и проводов проверяют по максимальному давлению ветра. ПУЭ задают его не скоростью, а давлением: на карте территориального районирования пять районов — от 400 до 600 Па на высоте 10 м для равнинной местности (средний период повторяемости 50 лет, п. 2.5.27 и 2.5.41); для линий классов безотказности 3КБ и 4КБ (110–330 и 500–750 кВ) давление нужно брать по региональным картам (п. 2.5.29). Уточнить ветровую нагрузку можно через уточнение скорости ветра (п. 2.5.30). На практике учёт местных метеорологических данных обычно даёт возможность снизить нагрузку по сравнению со значением по карте. Для этого важно правильно выбрать метеостанцию и учесть реальные условия измерения; эти вопросы должны решать специалисты по прикладной климатологии, а исходные данные о ветре следует получать от соответствующих государственных метеорологических организаций.

Гололёд, изморозь и мокрый снег

Гололёдные отложения — гололёд, зернистая изморозь, их смесь и мокрый снег — значительно увеличивают вес и ветровую площадь проводов. Характеристическую гололёдную нагрузку приводят к проводу диаметром 10 мм на высоте 10 м над землёй на равнинной местности, средний период её повторяемости — 50 лет (п. 2.5.27, 2.5.35). Виды отложений, их толщину и плотность описывает статья Гололёд, изморозь и мокрый снег на проводах ЛЭП.

Температурные и климатические воздействия

Температура воздуха напрямую влияет на натяжение и стрелу провеса проводов и тросов.

Изменение температуры в течение суток называют суточным ходом, в течение года — годовым. Для определения крайних значений можно пользоваться климатологическими картами распределения температур, составленными по многолетним данным: в ПУЭ среднегодовую, низшую и высшую температуры принимают по картам (п. 2.5.58–2.5.60), а при гололёде — минус 5 °C (п. 2.5.61).

Расчётные режимы работы воздушных линий

По ПУЭ (ред. 2026 г.), табл. 2.5.14, расчёт по нормальному режиму (провода и тросы не оборваны) выполняют для следующих сочетаний климатических условий:

• среднегодовая температура, ветра и гололёда нет;
• высшая температура, ветра и гололёда нет (только для проводов и тросов);
• низшая температура, ветра и гололёда нет;
• гололёд по расчётному значению, температура минус 5 °C, ветра нет;
• максимальное давление ветра, температура минус 5 °C, гололёда нет;
• ветер при гололёде, температура минус 5 °C, гололёд — 0,9 от расчётного значения.

Ветер и гололёд принимают по картам ПУЭ (п. 2.5.29, 2.5.35, 2.5.41); значения по картам, в том числе по гололёду, разрешено уточнять по многолетним наблюдениям (п. 2.5.30). Окончательные значения для конкретной линии проектировщик берёт из действующего текста ПУЭ.

По табл. 2.5.14 расчёт по аварийному режиму выполняют для трёх сочетаний: среднегодовая температура без ветра и гололёда; низшая температура без ветра и гололёда; гололёд по расчётному значению при температуре минус 5 °C без ветра.

Отдельно проверяют опоры по условиям монтажа (табл. 2.5.14: температура минус 15 °C, давление ветра 62,5 Па на высоте 10 м, гололёда нет) и сближения токоведущих частей с элементами опор и сооружений (п. 2.5.85): при рабочем напряжении — при расчётном давлении ветра, минус 5 °C и без гололёда, а при грозовых и внутренних перенапряжениях — при плюс 15 °C с ветром 0,1 расчётного давления, но не менее 62,5 Па, или без ветра.

Классы безотказности воздушных линий: как напряжение задаёт повторяемость нагрузок

ПУЭ (ред. 2026 г.), п. 2.5.26, табл. 2.5.1 и 2.5.2, делят линии на четыре класса безотказности по напряжению. Чем выше класс, тем длиннее средний период повторяемости расчётных нагрузок.

Коэффициент надёжности по ответственности γn для расчёта строительных конструкций — 0,95 для 1КБ, 1,0 для 2КБ и 3КБ и 1,05 для 4КБ.

Когда класс можно повысить

В обоснованных случаях гололёдную и гололёдно-ветровую нагрузки для линий 6–330 кВ разрешено принимать на класс выше (п. 2.5.26). Основные критерии: гололёдно-ветровых аварий на линии больше, чем в среднем по региону; несколько линий для отдельных регионов или крупных потребителей идут одним коридором; двухцепная линия с взаиморезервируемыми цепями или линия, питающая потребителей без другого резервного питания; многоцепная линия (более двух цепей) разного напряжения на общих опорах.

Методы расчёта

По п. 2.5.25 ПУЭ механический расчёт проводов и тросов выполняют по методу допускаемых напряжений, изоляторов и арматуры — по методу разрушающих нагрузок; оба — на расчётные значения переменных нагрузок с периодами повторяемости по табл. 2.5.1 (5, 10, 15 или 25 лет в зависимости от класса безотказности). Опоры и фундаменты проектируют по методу предельных состояний. Применение других методов в каждом случае должно быть обосновано в проекте.

Что это значит для проекта

Уточнение реальных нагрузок и учёт особенностей конкретной линии позволяют не переплачивать за металл в новых опорах и выявить резервы несущей способности в действующих. ПОЛИГОНАЛЬ выполняет поверочные расчёты типовых опор, проектирует многогранные опоры под конкретную линию и разрабатывает чертежи КМ и КМД — см. разделы о проектировании опор ЛЭП и фундаментов и о расчётах металлоконструкций.

Нагрузки и стоимость опоры

Нагрузки определяют сечение стойки и массу опоры, а значит её стоимость. От чего ещё зависит цена опоры ЛЭП и какова она по классам напряжения — на странице Цена опор ЛЭП.