Статья немного выпадает из планов, но с другой стороны вполне себе про перспективы возможной защиты различных энергообъектов...
Вопрос «почему мы не атакуем башни/опоры воздушных линий электропередачи» возникает постоянно, несмотря на постоянные объяснения, почему это практически пустой перевод отнюдь не бесплатных боеприпасов. Но за последнюю неделю произошло два события, которые, ПМСМ, этот вопрос неплохо проиллюстрировали. Поэтому попробую ещё разок.
Как ни странно, вроде бы слово «башня» применительно к опорам воздушных линий значит несколько непрофессионально, однако фактически это просто англицизм – tower в переводе с английского переводится и как башня (самая известная крепость Англии так и называется – Тауер), и как опора ВЛ.
Первое событие – это атака беспилотников на Киев в ночь с пятницы на субботу. Несмотря на то, что украинцы (в частности, основной владелец распределительных сетей Киева и окрестностей – ДТЭК) начали рассказывать про очередной массированный удар по энергосистеме, достаточно быстро стало понятно, что энергосистеме попало за кампанию.
Естественно, украинское ППО сбило практически всё (заявлялось, что 74 из 75). Но единственный долетевший мопед повредил две ВЛ 330 кВ и несколько ВЛ меньшего класса напряжений, так что либо это был особо мощный мопед (мощностью с тактическую ядерку), либо кто-то наврал.
Более-менее точно можно предположить, что одним из районов атаки был остров между шлюзовым каналом Киевской ГЭС и собственно Днепром. Здесь располагается офис ПАО «Укргидроэнерго» и всякие гаражи со стоянками. Помимо этого на острове находятся опоры четырёх ВЛ: 330 кВ ТЭЦ-6 – Северная, 110 кВ Вышгород – Полигон с отп. на Осещину и Киевская ГЭС – Вышгород 1,2 (которые можно считать шинными мостами 110 кВ Киевской ГЭС).
Судя по всему, место понравилось украинским военным, и в прошлом году сюда уже прилетало. Очень может быть, что прилетело и на этот раз. При удачном попадании во что-то осколочное вполне можно получить отключение части (или даже всех) указанных ВЛ, что вполне может спровоцировать отключение ПС 110 кВ Вышгород со всеми вытекающими последствиями. Но ударом по энергообъектам это, естественно, не является, они, как говорят на Западе – сопутствующий ущерб.
Это подтверждает и оперативный ремонт повреждений: ДТЭК отчитался о самой ночной атаке в 10-32, а об устранении – в 13-38.
За последнее время, пожалуй, только одному серьёзному объекту энергосистемы попадает постоянно – Кураховской ТЭС. Электростанции не повезло оказаться недалеко от линии фронта (20 км от Марьинки), что делает её достижимой целью, например, для снарядов РСЗО. Но и на ней бьют не по энергоблокам или генераторным трансформаторам (коих там по семь штук), а по автотрансформаторам 110/35 кВ, обеспечивающим электроснабжение прифронтовой полосы – то есть фактически по распределительной сети, а не по генерации.
Второе – это ураган, пронёсшийся в воскресенье-понедельник по Украине и черноморскому побережью России. Нанесённый ущерб по количеству повреждённых объектов (не отключенных, а именно повреждённых) далеко превзошёл наши удары по украинской энергосистеме: Укрэнерго насчитало 7 магистральных ВЛ 330 кВ и 32 ВЛ 35-110 кВ, счёт более мелких шёл на сотни.
Казалось бы, чинить – не перечинить. Однако ничего подобного не наблюдается, прошло всего несколько дней, а большинство повреждений уже устранено. Так в чём же дело?
А дело в самих воздушных линиях. Исходя из того, что это самый массовый элемент электросетей, к тому же располагающийся на открытом воздухе и подверженный воздействию атмосферных явлений, они должны обладать следующими свойствами:
1) Устойчивостью к внешним воздействиям (в первую очередь – ветру и гололёду);
2) Относительной дешевизной;
3) Хорошей ремонтопригодностью.
Выполнение данных требований приводит к тому, что мы видим в реальности: воздушную линию электропередачи тяжело разрушить и легко (иногда, естественно, относительно легко) восстановить. Посмотрим, как это работает.
Итак, устойчивость к внешним воздействиям. Воздушные линии – вещь всё-таки достаточно дорогая, чтобы менять их часто. Нормативный срок службы ВЛ (по нашим текущим российским требованиям) – 50 лет. Фактически они стоят и поболее, например в России до сих пор стоят и первые ВЛ 35 кВ (1910-е года), и американки (20-30-е), и первые ВЛ 220 кВ (30-40-е). По Украине катком прошла Великая Отечественная, поэтому такое старьё там редкость. Но менее древние опоры попадаются на видео Укрэнерго.
Для того, чтобы понять, на какие условия работы рассчитаны ВЛ, нужно смотреть соответствующую нормативную документацию. В Советском Союзе (да и сейчас в России и на Украине) основной ориентир для энергетиков – это Правила устройства электроустановок (ПУЭ).
Хотя у нас сейчас больше рулят стандарты (СТО) эксплуатирующих организаций, которые, впрочем не далеко от ПУЭ ушли (кроме отдельных вопросов, что частенько приводит к разборкам во всяких экспертизах).
Большинство украинских ВЛ строилось в 60-70-80-е года, поэтому можно посмотреть, например, советское ПУЭ 5-го издания 1976 года выпуска (или ПУЭ-76). По ней большая часть Украины относится ко второму району по ветру (давление ветра 400 Н/кв.м, скорость ветра – 25 м/с) и третьему району по гололёду (стенка гололёда - 15 мм).
Для понимания воздействия гололёда рассмотрим пример с проводом АС400/51, вполне себе обычного для ВЛ 220-750 кВ. Сам провод весит 1490 г/м. Пятимиллиметровый гололёд добавляет к этой массе 459,5 грамм, 10-мм – 1060,3, при стенке 13 мм масса конструкции удваивается.
Но на самом деле ВЛ рассчитывались ещё на более жёсткие условия. Дело в том, что в этот период в СССР уже вовсю рулили серии унифицированных опор, в которых не предусматривалось большое разнообразие опор в принципе, и тем более – по климатическим особенностям. Большинство опор рассчитывались на сочетание 4+3 (четвёртый район по гололёду (20 мм) и третий район по ветру (500 Н/кв.м, 29 м/с)). В частности, на это рассчитывались мелькающие в том же видео опоры У330-2т, У330-2Вт и У220-2т:
Конечно, наблюдавшиеся в период урагана 40 м/с совсем не подарок для воздушных линий, однако нужно учитывать, что более суровым испытанием для ВЛ является всё-таки не ветер, а гололёд, который, несмотря на метель, при таком ветре просто не успевает образовываться в критических количествах.
Обычно наиболее нагруженным расчётным режимом работы ВЛ считается сочетание максимального гололёда с ветром, составляющим четверть от максимального значения.
Но, как мы видим, ураган всё-таки нанёс значительные разрушения. И закончился. А после него заработали два остальных фактора: дешевизна составляющих частей ВЛ и хорошая ремонтопригодность.
Как уже говорил выше, самый массовый элемент энергосистемы не может быть чрезмерно дорогим, поэтому электрические сети легко могут большое количество запасных частей (железобетонных стоек, фундаментов, стальных конструкций, линейной арматуры и изоляторов) держать в резерве на складах.
Стоимость элементов ВЛ – фактически компромисс между надёжностью (требующей большей стоимости) и массовостью (требующей наоборот – меньшей). Поиск этих компромиссных решений идёт постоянно, что выражается, например, в тех же сериях унифицированных опор.
Но мало иметь необходимое для ремонта в наличии, ещё крайне желательно, чтобы оно было транспортабельно и несложно в установке – то есть имело хорошую ремонтопригодность. Давайте посмотрим как это выглядит на примере ВЛ различных классов напряжений.
Низкое напряжение (0,4 кВ) и низкое высокое (6-10 кВ) в большинстве своём представлены железобетонными опорами на вибрированных стойках с устанавливаемыми на них металлическими конструкциями. Подобные опоры крайне массовы и очень ремонтопригодны:
1) все металлические конструкции при желании могут быть изготовлены в любой слесарной мастерской, большинство из них может быть перевезено даже не грузовиком, а обычной ремонтной «буханкой».
2) железобетонные стойки устанавливаются в пробуренные котлованы, т.е. требуют специализированной, но широко распространённой техники - буровой машины. Длины стоек варьируются от 8,5 до 16,4 метра (наиболее массовые — 9,5 (0,4 кВ), 10,5 и 11 (6-10 кВ) метров), что конечно немало, но вполне укладывается в обычные автомобильные прицепы/полуприцепы.
Таким образом, для замены опор 0,4-10 кВ необходим обученный персонал, наличие необходимого оборудования на складе и минимум не сильно специализированной техники: автомобиль для перевозки персонала (та же «буханка»), бурилка, грузовик и кран (два последних часто совмещают, благо масса и длина стоек позволяют). Таких «летучек» в области можно организовать несколько десятков.
Распределительные сети 35-110-150 кВ представлены как железобетонными (правда уже с центрифугированными стойками), так и стальными решётчатыми опорами. Железобетонные опоры принципиально от своих мелковольтных коллег не отличаются, разве что для перевозки более солидных (в Союзе в ходу были стойки длиной 22,6 и 26 метров) стоек приходится задействовать специальный транспорт — опоровозы. В комплекте нужен уже более солидный автокран. Но в целом – опять же ничего выдающегося.
Решетчатые опоры же представляют из себя, в основном, набор уголков, болтов и гаек с небольшими включениями сварных узлов. Как правило, для перевозки тоже ничего особо выдающегося не требуется. Основным минусом решётчатых опор является относительно долгий монтаж, но тут есть нюансы — полностью развалить решётчатую опору выходит отнюдь не всегда.
Соответственно, в данном случае ремонт резко упрощается.
В отличие от железобетонных опор, устанавливаемых в пробуренные (или даже копаные) котлованы, абсолютное большинство решётчатых опор устанавливаются на железобетонные грибовидные фундаменты. Такой фундамент тоже требует времени на установку, но зато его крайне тяжело выдрать из грунта. Соответственно, даже полностью рухнувшую опору, как правило, есть куда поставить. Это хорошо иллюстрирует фото со сломанной промежуткой 110 кВ выше – там абсолютно не пострадала нижняя часть опоры («юбка») и тем более – фундамент. Т.е. замену уже будет на что поставить. А большую часть сломанной опоры можно разобрать как раз на резерв.
Как ни странно, установка подобных опор, хоть и сложнее чем железобетонных, однако тоже вполне себе отлаженный процесс. Можно, конечно, задействовать кран соответствующей грузоподъёмности (речь о десятке тонн), но как правило, обходятся тракторами или вообще лебёдками.
Чем выше напряжение – тем сильнее меняется баланс между железобетонными и стальными опорами (в классе 750 кВ железобетонные отсутствуют в принципе), растёт их масса, но технически речь идёт только о более мощной и более грузоподъёмной технике, как реакции на растущие массу и габариты опор. Сами же решения по устранению повреждений принципиально не меняются.
Вот так и получается, что воздушные линии достаточно сложно разрушить, но достаточно легко отремонтировать.
Обо всяких там композитных, многогранных и быстромонтируемых опорах умолчу, потому что вряд ли они присутствуют на Украине в серьёзных количествах. Отдельно уточню, что речь про нормальные опоры. Таких зверьков, как переходные опоры, конечно, завалить ещё сложнее, но вот поставить снова – сложнее на порядок, особенно, в неподходящее время.
«А как же тогда от простого взрыва отключились линии в Киеве?» - спросите вы. А очень просто. Во-первых, сталеалюминиевые провода, используемые на ВЛ – отнюдь не из броневой стали изготовлены и вполне себе подвержены действию осколков.
Упоминавшийся провод АС400/51 по большей части (394,52 кв.мм из 445,66) состоит из алюминия, у которого сопротивляемость стальным осколкам не очень.
Во-вторых, одним из элементов ВЛ являются изолированные подвески, с помощью которых провода крепятся к опорам. И основной элемент этих подвесок – это подвесной стеклянный изолятор, у которого переносимость стальных осколков просто нулевая (и не факт, что он перенесёт даже ударную волну от близкого взрыва). Разрушение изолятора, конечно, не приведёт к обрыву провода, однако, если их разрушится несколько в одной цепи, то это может привести к электрическому разряду с провода под напряжением на заземлённую металлическую конструкцию опоры. Соответственно, разрушенные изоляторы придётся менять, что не так уж и сложно, но отнюдь не мгновенно.
А в-третьих, взрывная волна может просто шмякнуть (или просто отклонить для достаточного сближения) неизолированный шлейф о конструкции опоры. Это как минимум приведёт к короткому замыканию (дальше зависит от работы релейной защиты), а как максимум – к повреждению самого шлейфа или опоры (всё-таки токи на таких напряжениях очень недетские, и могут сработать подобно пиле).
Ну, и для того, чтобы окончательно закрыть вопрос по ВЛ, в следующей статье мы посмотрит более внимательно на хребет украинской энергосистемы – воздушные линии 750 кВ…