ПЕРВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ОПОР ЛЭП В РОССИИ И СССР

Мировой опыт и первые шаги

Первые линии электропередачи появились в конце XIX века и конструктивно имели много общего с телеграфными и телефонными. В большинстве случаев допустимо было применять те же изоляторы, крепёжную арматуру и столбы, что и на линиях связи. Поскольку расстояния между опорами были невелики, 50-70 метров, наиболее часто использовались деревянные столбы с железными крючьями или горизонтальными консолями — траверсами. Выбор между крючьями и траверсами делался в зависимости от числа и сечения подвешиваемых проводов, а также места расположения линии. Крюки ввинчивались в столб с двух сторон в шахматном порядке, и на каждом из них располагалось по одному изолятору. На траверсах, как правило, размещалось от двух до восьми изоляторов в ряд. В тех случаях, когда требовалась повышенная механическая прочность, в качестве опор использовали клёпанные металлические мачты, так же снабжённые крючьями или траверсами. С внедрением трёхфазных сетей переменного тока 2 и 6,6 кВ стали появляться новые типы опор, рассчитанные на подвеску трёх (рис.1) или шести (для двухцепных линий) проводов, однако условия сооружения линий всё ещё позволяли обходиться простейшими конструкциями и подходами. Нередко размеры опор и условия монтажа проводов задавались на глаз опытным монтёром, а не получались в результате расчёта. Первые отечественные опоры для линий 6,6 кВ почти всегда были деревянными, для крепления проводов применялись крюки или металлические, реже — деревянные траверсы, на каждой из которых размещался один провод.

Использование трёхфазного переменного тока, стремительное развитие электротехнической отрасли и увеличение потребности в электроэнергии способствовали росту напряжений, применяемых в линиях передачи, тем самым делая возможным передачу больших мощностей на большие расстояния. Стали широко использоваться линии напряжением 30-60 кВ. Кроме того, начало входить в обиход понятие экономического пролёта — наиболее выгодного расстояния между опорами с точки зрения затрат на строительство линии. В связи с этим впервые возник значительный интерес к вопросам механического расчёта опор ЛЭП и создания новых специализированных конструкций - их использование позволяло увеличить длину пролёта и добиться значительной экономии в условиях высокой стоимости изоляции и арматуры.

С ростом напряжения всё большее предпочтение среди материалов для опор отдавалось стали: использовать деревянные конструкции было уже далеко не всегда возможно и выгодно (проблема заключалась в их низкой надёжности и малом сроке службы: опыт применения антисептиков для пропитки опор ЛЭП в начале XX века был ещё невелик). Стоит так же отметить, что фарфоровые штыревые изоляторы, применявшиеся в начале 20 века на линиях напряжением 30-60 кВ, представляли собой громоздкие, дорогие, сложные в производстве, транспортировке и монтаже составные конструкции (рис.3), поэтому проектировщики старались сократить количество изоляторов на линии. Металлические опоры давали возможность сооружать линии с более длинными пролётами, что, в частности, позволяло использовать меньше изоляторов. На рис. 4 в качестве примера представлен фарфоровый штыревой изолятор фирмы Locke, применённый на линии 60 кВ Замора-Гуанахуато. Высота изолятора составляла около 30 см, диаметр верхней юбки — 35 см, а масса — около 7 кг. На линию изоляторы поставлялись в виде двух половинок, окончательная сборка происходила в полевых условиях с помощью портланд-цемента.

В 1904 году для электроснабжения шахт в мексиканском штате Гуанахуато была построена одна из первых в мире линий, на которой использовались только металлические опоры (рис.5). Протяжённость трёхфазной одноцепной линии составляла 100 миль, а напряжение — 60 кВ. В постройке линии принимали участие американские инженеры. Опоры для линии были закуплены у американской компании Aeromotor Windmill, производившей ветряные мельницы. Мачты ветряных мельниц хорошо подходили для использования в качестве опор с точки зрения механической прочности и экономии, так как требовали лишь минимальных изменений в конструкции, связанных с установкой арматуры для крепления проводов. Мачта линии Замора-Гуанахуато имела высоту 40 футов (12 м) и состояла из четырёх уголков размером 3 х 3 х 3/16 дюйма, соединённых раскосами и диафрагмами из уголков меньшего размера. Наверху мачты располагалась металлическая траверса на два штыревых изолятора и 3 ½-дюймовая труба для крепления верхнего штыревого изолятора. Для подтверждения надёжности конструкции на заводе Aeromotor Windmill были проведены испытания экспериментальной опоры. Опору закрепили горизонтально к стене здания и подвесили за верхушку платформу со свинцовыми грузами. Труба верхнего изолятора начала отклоняться от горизонтального положения при нагрузке 900 фунтов (405 кг), при этом прогиба самой мачты не происходило. При нагрузке 1234 фунта (555 кг) прогиб трубы достиг 6 дюймов, после снятия нагрузки остаточный прогиб составил 1 дюйм. При нагрузке 1560 фунтов (702 кг) труба продолжила изгибаться, пока груз не оказался на земле. На всём протяжении линии, кроме короткого участка у Гуанахуато, где из-за особенностей местности пришлось применить 60-футовые опоры и удлинённые 400-метровые пролёты, длина пролёта составляла 132 метра. [1]

Применение металлических опор на линии Замора-Гуанахуато вызвало существенный интерес в среде инженеров-электриков. В 1904-06 годах в США было сооружено ещё несколько линий с опорами аналогичной конструкции, в том числе закупленными у компании Aeromotor Windmill. Благоприятный опыт использования таких конструкций оказал значительное влияние на подход к проектированию опор более мощных линий.

Немаловажным фактором, поспособствовавшим распространению металлических опор, стало изобретение подвесных изоляторов. К 1907-08 годам в электроиндустрии остро стояла проблема линейной изоляции. При напряжении выше 50 кВ штыревые изоляторы становились слишком громоздкими, хрупкими и неудобными в монтаже, кроме того, они не отличались высокой эксплуатационной надёжностью. При напряжении свыше 80 кВ применение штыревых изоляторов становилось и вовсе невозможным. Подвесные изоляторы были в этом плане гораздо более выгодными, однако, для них требовались более высокие опоры. В 1907 году Эдвард Хьюлетт (Edward Hewlett) и Гэрольд Бак (Harold Buck) изобрели первый пригодный для промышленной эксплуатации подвесной изолятор (рис.6). В том же году появился первый подвесной изолятор «с шапкой и стержнем» конструкции Джона Данкана (John Duncan, рис.9). Впервые подвесные изоляторы Хьюлетта были применены в 1907 году на линии 100 кВ американской компании Muskegon & Grand Rapids Power Co. Линия была построена с использованием металлических опор, её протяжённость составила 35 миль. Изоляторы Данкана, имевшие более прогрессивную конструкцию, устанавливались на нескольких линиях в 1908 году, в частности, на линии 104 кВ, принадлежавшей компании Stanislaus Electric Power (рис.8), однако, показали низкую надёжность из-за плохого качества цемента, соединявшего крепёжную арматуру с фарфоровой изолирующей деталью. Аналогичные проблемы, связанные с качеством цементной связки, преследовали первые изоляторы «с шапкой и стержнем» фирмы Ohio-Brass. Тем не менее, преимущества подвесных изоляторов были очевидны. К 1910-11 годам подвесные изоляторы продолжали совершенствоваться, они уже производились рядом заводов США и Германии и получали всё более широкое применение (рис.7) как в США, так и в Европе: первая европейская линия электропередачи 100 кВ Lauchammer (1910 г.) была построена с применением только подвесных изоляторов и только металлических опор (рис.10).

В условиях бурного развития электрических сетей в 1910-20-х годах выделились два основных подхода к конструированию металлических опор: американский и немецкий.

В начале XX века США было создано множество различных видов опор, но, в основном, американский подход заключался в применении пространственных конструкций с широким основанием, составленных из стержней (уголков) сравнительно малых (по сравнению с европейскими конструкциями) сечений. Этот подход происходил из опыта строительства линий на металлических опорах в 1904-06 годах, о котором говорилось ранее. Стойки опор в плане — квадратные или прямоугольные, в некоторых случаях — треугольные. Каждая нога помещалась на отдельный фундамент. Расположение проводов могло быть как треугольным (рис.8,11) или вертикальным (рис.12), так и горизонтальным (рис.13-14). В 1920-30-х годах опоры американского типа применялись при длине пролёта до 250 м. В отечественной практике опоры американского типа также известны как «широкобазные».

Немецкий подход предполагал использование узких квадратных в плане стоек с основанием, помещённым на один массивный, компактный фундамент. Пояса (вертикальные уголки) соединялись перекрёстной или треугольной решёткой («змейкой»). В 1920-30-х годах опоры немецкого типа, также называемые «узкобазными», применялись при длине пролёта до 200 метров и получили значительное распространение в Европе, так как позволяли сократить расходы на отчуждаемую землю (рис.15, рис.4).

Во Франции существовала своя разновидность одноцепных узкобазных опор с горизонтальным и треугольным расположением проводов (рис.16).

Типы опор в зависимости от назначения

Условия работы опор на высоковольтных линиях существенно различаются в зависимости от места установки опоры и места прохождения линии По назначению опоры разделяются на несколько типов.

Промежуточная (рис.17-18) — опора, которая в режиме нормальной эксплуатации линии воспринимает только поперечные ветровые нагрузки и вес проводов, но не их тяжение (усилие, с которым натянут провод). Крепления проводов на промежуточных опорах делаются с таким расчётом, чтобы минимизировать повреждения опоры в случае аварии (обрыва проводов).

Анкерная (рис.19-20) — опора, на которой провода всегда закрепляются жёстко — «анкеруются», анкерная опора воспринимает продольное тяжение проводов (рис.21). Анкерные опоры стараются устраивать таким образом, чтобы в нормальном режиме эксплуатации тяжение проводов с двух сторон от опоры было одинаковым. Анкерные опоры устанавливают при переходах через инженерные сооружения, естественные препятствия и каждые 1-1,5 км (по нормам 1920-30-х годов для линий 30-115 кВ) для разбиения линии на анкерные участки. Концевая опора — разновидность анкерной, которая в нормальном режиме воспринимает одностороннее или существенно неравномерное тяжение и устанавливается в начале и конце линии, а также перед большими переходами через естественные препятствия. (крупные реки, водохранилища, ущелья и т.п.).

Угловая (рис.22) — опора, которая устанавливается в местах, где линия изменяет направление. В нормальном режиме работы угловая опора воспринимает несимметричные нагрузки от проводов, результирующая которых направлена по биссектрисе угла поворота; поэтому такие опоры всегда укрепляются соответствующим образом и имеют массивные фундаменты. По способу крепления проводов угловые опоры делятся на анкерно-угловые и промежуточные угловые.

Существуют также специальные типы опор: переходные, транспозиционные, ответвительные.

Опоры «Электропередачи»

В Российской Империи первые линии электропередачи 30 кВ стали строиться Обществом «Электропередача», в планы которого входило развёртывание в Богородском уезде Московской губернии местной высоковольтной распределительной сети для снабжения близлежащих частных фабрик. С самого начала было решено использовать для всех линий металлические опоры, но первую линию 30 кВ Электропередача — Зуево по ряду причин пришлось строить на деревянных опорах. Примерно, через год, в 1914 году, была построена вторая линия — на деревню Большие Дворы, на которой, как и на всех последующих, были применены уже только металлические опоры. Значительная часть линий Общества проходила по частным владениям, и за аренду земли под опоры взималась плата, из-за чего при рассмотрении конструкций было решено остановиться на опорах немецкого типа, занимавших меньшую площадь, чем американские. Опоры производились заводом Гюжона в Москве (ныне «Серп и Молот»), доставлялись в Богородский уезд в разобранном виде на платформах по Нижегородской железной дороге, а затем развозились по трассе на лошадях. Для линий 30 кВ применялись двухцепные опоры марки C-15 и D-15 высотой 15 метров (рис.23-24). Опора C-15 использовалась в качестве анкерной и угловой, D-15 была её облегчённой версией, выполненной из профилей меньшего сечения, и использовалась в качестве промежуточной и, иногда — анкерной. Ствол опор состоял из двух секций с треугольной решёткой. Пояса выполнялись из уголков с полкой 70 - 100 мм, раскосы и диафрагмы— из уголков с полкой 30 - 60 мм. В нижней части опоры раскосы крепились к поясам с применением косынок, а в верхней — внахлёст. Все соединения, кроме креплений траверс и секций (которые предусмотрены разъемными), выполнены заклёпочными, что обусловлено дешевизной заклёпок по сравнению с болтами и малым опытом использования сварки. Для укрепления проводов на опорах смонтированы три траверсы плоской конструкции, изготовленные из двух стальных полос каждая, и снабжённые проушинами для подвески гирлянд тарельчатых подвесных изоляторов или штырями для крепления штыревых изоляторов. Изначально на всех промежуточных и некоторых анкерных опорах линий 30 кВ применялись штыревые изоляторы, однако, в конце 1920-х годов они были заменены на гирлянды тарельчатых изоляторов для большей надёжности, при этом средние траверсы были удлинены проставками из уголков (рис.24).

В 1915 году Общество «Электропередача» завершило строительство линии электропередачи напряжением 70 кВ на Москву, которая связала станцию «Электропередача» с заводом Гюжона и МОГЭС. Для этой ЛЭП были применены 18-метровые опоры марок А-18 (анкерная, рис.25) и B-18 (промежуточная). Эти же опоры применялись и на линиях 30 кВ в качестве переходных и анкерных там, где требовалась повышенная надёжность. Ствол каждой из опор состоял из двух разъёмных секций. У В-18 решётки обеих секций были треугольными, выполненными аналогично опорам C и D.

У опоры A-18 нижняя секция имела перекрёстную решётку, между собой секции соединялись усиленными накладками. Все неразъёмные соединения на опорах А-18 и B-18, как и на 15-метровых, выполнены с применением заклёпок. Траверсы пространственной конструкции изготавливались из угловых профилей. На концах траверс были укреплены проушины для подвески тарельчатых изоляторов, предусмотрены съемные детали для подвески двухцепных гирлянд. Большинство опор имели вертикальное расположение проводов, но некоторые выполнялись с расположением проводов «бочкой». И 15-метровые, и 18-метровые опоры не имели специальных тросостоек, но были оснащены зажимами для крепления грозозащитного троса на верхушке ствола. Такое расположение обусловлено существовавшей в те годы теорией о действии защитного троса, согласно которой трос следовало крепить как можно ближе к фазным проводам, что увеличивало общую ёмкость линии и способствовало понижению величины перенапряжения при индуцированных волнах.

Конструкции опор A,B,C,D оказались удачными и продолжили использоваться и после Октябрьской революции почти без изменений. В 1940-50-е годы во время ремонтов на уже эксплуатирующиеся опоры этой серии иногда надстраивали сварные тросостойки высотой два метра (рис.26). Некоторые линии с опорами A,B,C,D сохранились и действуют по сей день.

Опоры ГОЭЛРО

Поскольку план ГОЭЛРО предполагал строительство мощных районных электростанций, предназначенных, в частности, для питания важных объектов промышленности, одним из ключевых его элементов было строительство сети магистральных и распределительных линий электропередачи. На первых порах в распределительных сетях главным образом использовались уже знакомые линии 30-35 кВ, для магистральных передач предполагалось освоить новый класс напряжений — 115 кВ. К 1918-20 годам в международной практике уже имелся достаточно большой опыт строительства и эксплуатации таких линий электропередачи. Лидирующие позиции в вопросах строительства электропередач 100 кВ и выше, а также производства арматуры для них занимали США и Германия. Именно на германский и американский опыт ориентировались отечественные инженеры при создании металлических опор ЛЭП для линий ГОЭЛРО.

На линиях напряжением 115 кВ и выше предпочтение отдавалось опорам американского типа. Из-за большого веса металлические опоры для линий такого напряжения, как правило, выполняются разъёмными, то есть опора закрепляется на подпятники заранее подготовленного фундамента. Промежуточные и анкерные опоры американского типа возможно было устанавливать без устройства бетонных фундаментов, что было весьма существенно, так как бетонирование фундаментов в полевых условиях в 1920-е годы считалось одним из наиболее сложных аспектов строительства линии. Кроме того, в отличие от Европы, не стоял вопрос о затратах на отчуждение земель под опоры.

Металлические опоры для линий электропередачи ГОЭЛРО изготавливались разными механическими заводами, наиболее крупные из них: ленинградский завод «Стальмост», «Серп и Молот» и «Парострой» в Москве, Краматорский завод в Донбассе.

Существенное влияние на выбор опор, особенно на первых порах, оказывала нехватка металла: металлические опоры старались применять для строительства лишь наиболее ответственных линий, или только в качестве анкерных или угловых. Важно отметить, что и в дальнейшем, несмотря на увеличение производства стали, на линиях всех классов напряжений значительное внимание уделялось расширению применения деревянных опор, как более экономичных в условиях низких цен на мачтовый лес. Увеличение срока службы деревянных опор достигалось за счёт использования антисептиков, рельсовых или бетонных пасынков. В 1929-30-х годах уже существовал и применялся типовой проект, включавший в себя не только промежуточные, но и анкерные, и угловые деревянные опоры для ВЛ 110 кВ. В 1930-х годах деревянные опоры стали применяться и на линиях 220 кВ.

На первой в СССР линии 115 кВ Каширская ГРЭС — Москва из-за дефицита металла пришлось применить только деревянные опоры. Каширская линия 1922 года была одноцепной, промежуточная и анкерная опоры показаны на рисунках 17 и 19 соответственно. Опоры этой линии не были обработаны антисептиками. Качество постройки оказалось низким, и линия постоянно выходила в ремонт из-за повреждений опор. В 1931 году параллельно старой была построена новая двухцепная линия Кашира — Москва на металлических опорах.

Другая линия электропередачи 115 кВ должна была связать Волховскую ГЭС с понизительной подстанцией в Ленинграде. Руководил проектированием линии профессор Н. П. Виноградов. В основном, установка опор этой линии была выполнена в 1924 году, а в 1926 году началась её эксплуатация. Промежуточные опоры для экономии металла делались деревянными (рис.28), с учётом опыта Каширской линии. В качестве анкерных, угловых, транспозиционных и переходных были применены опоры американского типа с горизонтальным расположением проводов (рис.27), конструкция которых была схожа с опорами линий компаний Вестингауз и Монтана Пауэр. Все неразъёмные соединения выполнялись с применением заклёпок. Линия Волхов-Ленинград была двухцепной, но каждая цепь располагалась на отдельных опорах. Такое решение, как и выбор горизонтального расположения проводов, объясняется соображениями надёжности и простоты монтажа и безопасности обслуживания. Опоры американского типа Волховской линии получили большое распространение в электрических сетях Ленинградской области и существовали в нескольких модификациях.

Подход, использованный при строительстве линии Волхов-Ленинград, применялся и в сетях Мосэнерго. В конце 1920-х — начале 1930-х годов многие второстепенные одноцепные линии 115 кВ Мосэнерго строились с использованием металлических опор только в качестве анкерных и угловых. В качестве примера можно привести линии Голутвин-Озёры и Кашира-Рязань. Проектно-конструкторское бюро Мосэнерго разработало собственные опоры американского типа, несколько отличавшиеся от Волховских (рис.29-30). В основе конструкции так же лежали решения, применённые на линиях компании Вестингауз. Существовало три марки металлических опор американского типа ПКБ Мосэнерго для линий с деревянными промежуточными опорами: анкерная АМ-101, угловая УМ-101 и транспозиционная ТАМ-101, а также две модификации: АМ-101+4 и УМ-101+4 с подставками четырехметровой высоты для использования в качестве переходных. В качестве промежуточных использовались П-образные деревянные опоры конструкции ПКБ Мосэнерго, аналогичные опорам Каширской и Волховской линий.

Шатурские опоры

Важным моментом в истории отечественных линий электропередачи стало строительство в 1924-25 годах линии ШГЭС — Москва. Это была первая в СССР ЛЭП 115 кВ, на которой использовались двухцепные металлические опоры. В проектировании опор принял участие Александр Васильевич Винтер, а также инженеры А. Горев, Г. Красин, А.Чернышёв [2]. Маршрут линии Шатура-Москва проходил не только по Московской области и пригородам, но и по самому центру Москвы: линия пересекала Окружную железную дорогу у станции Угрешская и выходила к Москве-реке по Арбатецкой улице, откуда шла по Крутицкой, Краснохолмской, Котельнической и Москворецкой набережным к Зарядью, где располагалась концевая опора (рис.31), с которой линия пересекала Москву-реку и заходила на подстанцию Раушской ГЭС.

Для городского участка ЛЭП были спроектированы специальные узкобазные опоры с фундаментами особой конструкции (рис.32), на остальном протяжении линии использовались опоры американского типа (рис.18,20,33).

Для повышения механической надёжности опор была выбрана конструктивная схема «обратная ёлка», при которой траверсы сужались от верхней к нижней. Такая схема не являлась оптимальной с электрической точки зрения, но позволяла избежать повреждения опор и их траверс в случае обрывов и падения проводов. Для защиты от ударов молний над каждой цепью располагался грозотрос. На анкерных опорах были предусмотрены крепления для одноцепных и двухцепных гирлянд изоляторов, на угловых опорах на концах траверс закреплялись трапециевидные площадки для более удобной подвески двухцепных гирлянд при повороте линии на большие углы. Высота до нижней траверсы на анкерных и угловых опорах американского типа составляла 11 м, на промежуточных — 12 м, вертикальное расстояние между траверс на всех опорах — 3,1 м. Все опоры имели заклёпочную конструкцию, отдельные секции опор собирались на стапелях в заводских условиях и соединялись вместе уже на трассе, также посредством клёпки.

На основе опыта Шатурской линии 1925 года ПКБ Мосэнерго разработало типовой проект двухцепных опор американского типа для I-II климатических районов. Опоры этого проекта несколько отличались от установленных на Шатурской ЛЭП, но сохранили общие технические решения и характерный внешний вид, за который они получили название «шатурских», или «опор шатурского типа». В 1920-х годах опоры шатурского типа устанавливались, в основном, на линиях Мосэнерго: Электропередача — Москва, Кашира — Москва (рис.34), вторая линия Шатура — Москва, линии Московского электрокольца 110 кВ. А с конца 1920-х годов шатурские опоры стали широко применяться и в других регионах СССР.

В типовой проект входили следующие основные марки опор (рис.35): АМ-103 — анкерная, также допускавшая поворот линии на угол до 5º, ПМ-103 — промежуточная, УМ-102 — угловая для поворота на угол до 60º, УМ-103 — угловая для поворота на угол до 90º, ТАМ-103 — транспозиционная. По сравнению с опорами Шатурской линии 1925 года была уменьшена база, ширина ствола, для поясов были применены угловые профили меньшего размера. Кроме опор обычной высоты, имелись также повышенные модификации: АМ-103+4, АМ-103+6,8, УМ-102+6,8.

Все опоры представляли из себя клёпанные конструкции. На трассу опоры поступали в виде отдельных собранных в заводских условиях секций, которые соединялись на месте при помощи клёпки, иногда — на болтах.

Фундаменты промежуточных и анкерных опор выполнялись в виде четырёх подпятников из металлических профилей, закрепляемых в грунте без использования бетона при прохождении линии по нормальному грунту, с лёгким бетонным основанием при установке опоры на мелком торфяном болоте или на сваях при установке на глубоком болоте. Подпятники анкерных опор отличались большим размером, а также тем, что в их конструкции имелся лист из котельного железа, улучшавший работу на вырывание вдоль линии. Фундаменты угловых и концевых опор выполнялись всегда бетонными.

В 1929-31 годах появились «грозостойкие» опоры шатурского типа марок АМ-103г, ПМ-103г, УМ-102г, УМ-103г, АМ-103г+4, отличавшиеся тросостойками увеличенной высоты (рис.36). Кроме того, в проект были включены опоры немецкого типа следующих марок: анкерная АМ-102 и промежуточная ПМ-102 (рис.37).

В связи с тем, что в 1930-х годах в СССР шло освоение заводской сборки опор с применением сварки, к 1933 году появились сварные модификации опор шатурского типа.

Шатурские опоры новой серии состояли из сварных секций, изготавливаемых на заводе и соединяемых на трассе заклёпками или болтами. Сварные опоры имели аналогичное с заклёпочными технологическое членение, что позволяло применять при строительстве линий одинаковую оснастку и шаблоны и было удобно с точки зрения транспортировки. Использование сварки удешевило шатурскую конструкцию за счёт экономии металла и несколько упростило заводскую сборку, так как отпала необходимость в сверлении множества отверстий под заклёпки. Также отпадала надобность в клёпке в полевых условиях, так как готовые секции соединялись только на болтах. Тем не менее, как и в случае с заклёпочными опорами, где требуется строгий контроль за качеством клёпки, при производстве сварных опор требуется тщательная проверка отсутствия перекосов конструкции и сварных швов на предмет непроваров и трещин.

Существовали следующие марки сварных опор шатурского типа (рис.38-40): АМ-109г — анкерная, УМ-113г — угловая для поворота на угол до 90º, ПМ-109г — промежуточная, УМ-111г — угловая для поворота на угол до 35º, УМ-112г — угловая для поворота на угол до 60º. Опоры УМ-111г и УМ-112г по конструкции ствола аналогичны АМ-109г, но отличаются асимметричными траверсами. Все сварные опоры шатурского типа выполнялись «грозостойкими». Сварные соединения на опорах этой серии в верхней части ствола выполнялись с применением фасонок, раскосы и диафрагмы нижней части ствола и траверс приваривались внахлёст. Траверсы и тросостойки крепились к стволу на болтах. Верхняя и средняя секции представляют собой неразъёмные конструкции, а нижняя секция состоит из четырех частей, соединяемых болтами. На угловых опорах на концах траверс укреплены трапециевидные площадки для более удобного крепления гирлянд изоляторов. Как и в случае с заклёпочными опорами, существовали повышенные модификации с подставками высотой 6,8 метров аналогичной конструкции (рис.40). Узкобазные варианты сварных опор шатурского типа не выпускались. Сварные шатурские опоры продолжали устанавливать на строящихся линиях электропередачи вплоть до конца 1950-х годов.

35 кВ

Активно строились в период ГОЭЛРО и линии распределительных сетей меньшего напряжения, 30-35 кВ. На этих линиях существовало ещё большее разнообразие конструкций опор, чем на ВЛ напряжением выше 100 кВ. Так как опоры линий 35 кВ существенно меньше и легче опор линий 115 кВ, наибольшее распространение получили удобные при транспортировке и монтаже неразъёмные конструкции немецкого типа. Неразъёмные опоры устанавливались либо прямо в грунт, либо на бетонную подушку. Котлован фундамента мог засыпаться землёй или заливаться бетоном. Существовали, однако, и другие конструкции. Например, опоры линии 35 кВ Ивановской ТЭЦ-1 имели узкий ствол и широкое основание, такая компоновка в дальнейшем получила широкое применение и стала называться «смешанной», так как совмещала достоинства широкобазных и узкобазных опор. Также стоит отменить опоры плоской («гибкой») конструкции Земо-Авчальской линии 35 кВ 1929 года (рис.41).

В сетях Мосэнерго в 1920-х годах продолжали применяться спроектированные до октябрьской революции опоры А-18, B-18, C-15 и D-15. С другой стороны, в эти же годы ПКБ Мосэнерго спроектировало для линий 35 кВ новые двухцепные опоры немецкого типа следующих марок (рис.42): Н — промежуточная, НА — анкерная, НУ — угловая. Кроме того, существовала специальная одноцепная опора НБ. Литера Н буквально означала «немецкий тип». В отличие от опор A,B,C,D, на которых провода располагались вертикально или «бочкой», опоры немецкого типа были выполнены по схеме «обратная ёлка». Отсутствовала возможность установки штыревых изоляторов. Конструкция опор немецкого типа была клёпанной, ствол опоры состоял из двух секций, траверсы крепились к стволу на болтах. У первых опор немецкого типа было низкое расположение грозозащитного троса, как на опорах общества «Электропередача», но в дальнейшем все вновь устанавливаемые и уже эксплуатирующиеся опоры снабжались повышенной тросостойкой.

В связи с дефицитом металла при строительстве линий 35 кВ предпочтение отдавалось деревянными опорам. Целиком на металлических опорах строились только наиболее важные линии, в остальном, металлические опоры использовались в качестве угловых и анкерных в особо ответственных местах. Существовало большое количество конструкций деревянных опор для линий 35 кВ: одноцепная «свечка», «ласточкин хвост» (рис.43), А-образная опора «азик», одноцепные П-образные опоры. Опоры «свечка» и «азик» могли использоваться со штыревыми изоляторами. Двухцепные опоры «азик» со штыревыми изоляторами ВЭО-38 были применены на линии электропередачи 33 кВ АМО — Рублёвская насосная станция 1923 года постройки. Наибольшее же распространение получили П-образные опоры, которые по конструкции были аналогичны деревянным опорам ЛЭП 110 кВ.

Свирь и ДГЭС

Новые мощные гидроэлектростанции, сооружаемые по плану ГОЭЛРО, предназначались для снабжения электроэнергией крупных промышленных районов: заводов Ленинграда и строящихся промышленных гигантов Запорожья. Для выдачи мощностей станций потребителям необходимо было сооружать крупные магистральные линии и разветвлённые местные электросети, при этом уже освоенные классы напряжений 35 и 110-115 кВ уже не обеспечивали требуемую пропускную способность и не могли стать основой запланированных энергосистем. Во второй половине 1920-х годов в распоряжении советских инженеров имелся некоторый заграничный опыт как проектирования, так и эксплуатации линий напряжением выше 150 кВ. В США и странах Европы на тот момент существовали линии, работавшие на напряжении 220 кВ. Технические решения, выработанные для первых линий 154, 161 и 220 кВ, базируются как на иностранном опыте, так и на собственных, полностью оригинальных решениях.

В 1927 году началось строительство Нижнесвирской ГЭС в Ленинградской области. Для передачи энергии реки Свирь в Ленинград предстояло соорудить самую длинную и самую мощную в СССР ЛЭП. Руководил созданием линии профессор Н. П. Виноградов, разработавший ранее проект электропередачи Волхов — Ленинград. При составлении сметы в 1927 году рассматривалось два варианта строительства электропередачи Свирь-Ленинград: первый вариант представлял собой четырёхцепную линию напряжением 130 кВ, а второй — двухцепную линию 220 кВ. Стоимость сооружения линии по первому варианту была меньше, однако второй вариант позволял обеспечить большую мощность. В итоге для исполнения был выбран второй вариант. Линия электропередачи проходила по крайне заболоченным местам, однако, в результате тщательнейшего изучения всех возможных вариантов трассы был выбран наиболее проходимый и короткий. Длина трассы в своём конечном варианте составила 272 км, линия была способна передавать мощность до 240 мВт, что соответствовало пиковой планируемой мощности двух станций Свирского каскада. Две цепи передачи выполнялись в виде отдельных линий, что было сделано для повышения надёжности передачи и обеспечения безопасности персонала во время ремонта при отключении одной из цепей. По результатам экономического расчёта была выбрана длина пролёта в 300 м, длина анкерного участка — 3 км. Из соображений экономии и удобства обслуживания было выбрано горизонтальное расположение проводов. В первоначальном варианте каждая цепь защищалась одним сталеалюминиевым грозозащитным тросом.

Линия Свирь-Ленинград была первой из проектируемых в СССР ЛЭП напряжением выше 115 кВ, работа над проектом началась в 1926 году. Исходя из выбранного расстояния между проводами и высоты их подвески, в качестве основного рассматривался вариант опоры американского типа (рис.43). Но такой вариант не удовлетворял современным требованиям к проектированию ферменных конструкций. Требовалось, чтобы отношение длины стержней, из которых состоит конструкция, к минимальному радиусу инерции не должно было превосходить: 120-140 для основных стоек, 160 -180 — для второстепенных элементов и 200 — для вспомогательных, не несущих усилий деталей. При расчёте опоры на основании этого условия в конструкции получалось большое количество неработающих и слабоработающих элементов значительной длины, что при строительстве привело бы к перерасходу металла. Проектировщики опоры столкнулись с тем случаем, когда не рационально приспосабливать старые конструкции к новым условиям.

В ходе рассмотрения различных вариантов была выбрана Н-образная конструкция с наименьшей свободной длиной элементов фасадной решётки (рис.44), что позволило существенно сократить вес опоры по сравнению с первоначальным вариантом. Вес промежуточной опоры составлял 3,3 т, анкерной — 4,3 т. Было достигнуто сокращение веса, по сравнению с первоначальным вариантом, на 17% для промежуточной и на 12% для анкерной опор. Общая экономия металла для двух цепей линии составила 1120 т. Для подтверждения расчётов, проверки условий изготовления и получения фактических коэффициентов запаса прочности были изготовлены и испытаны две экспериментальные опоры (рис.45), промежуточная и анкерная. Проведённые натурные испытания подтвердили соответствие нормам и требованиям расчёта.

Хотя во время строительства линии Свирь-Ленинград уже существовала возможность изготовить опоры с применением сварки, из-за особой важности линии и из соображений надёжности все опоры были выполнены с использованием заклёпок. Как сказано выше, изначально каждая цепь защищалась одним грозотросом, расположенным на небольшой треугольной стойке над одной из ног опоры, но в последующие годы вся линия была оборудована двумя грозозащитными тросами. Для сохранности опор в случае обрывов проводов на всём протяжении линии, кроме переходов через инженерные сооружения, были применены выпускающие зажимы, хотя конструкция опор была рассчитана на полную одностороннюю нагрузку в случае несрабатывания зажима.

Линия электропередачи Свирь-Ленинград пережила Великую Отечественную войну, большинство её изначальных опор сохранились и продолжают эксплуатироваться по сей день.

Другим крупным объектом электосетевого строительства была стройка ДнепроГЭС. Энергосистема ДГЭС должна была питать регион Донбасса и крупные промышленные предприятия Запорожья, среди которых комплекс Днепрокомбината: Завод Ферросплавов, Металлургический завод и Алюминиевый Комбинат. Главные линии энергосистемы работали на напряжении 161 и 150 кВ, в распределительных сетях также использовалось напряжение 35 кВ. Кроме того, в Днепропетровске существовало кольцо линий 150 кВ, обеспечивающее более надёжную работу энергосистемы. Наиболее протяжённой линией была ЛЭП 161 кВ ДГЭС — Рыково (Донбасс), длина которой составляла 210 км, а общее протяжение линий, считая по одной цепи, составляло примерно 900 км.

Проектированием линий электропередачи для энергосистемы ДГЭС руководил профессор Н. П. Виноградов.

Условия механического расчёта опор были весьма сложными ввиду того, что линии электропередачи Днепростроя проходили по гололёдным районам. Из-за значительных ветровых нагрузок, вызывающих сильное отклонение изоляторов и проводов, расчётное расстояние между проводами достигало 6,4 м, что даже с учётом меньшего рабочего напряжения соответствовало параметрам линии Свирь-Ленинград. В связи с этим, а также для большей грозоустойчивости, было решено использовать для линий модифицированный вариант «свирских» опор с горизонтальным расположением проводов. Более низкое напряжение позволяло уменьшить габарит линии по высоте, в связи с чем верхняя часть опор была несколько упрощена, в то время как нижняя часть осталась без изменений.

Опоры были рассчитаны для использования при нормальной длине пролёта 220 м и сталеалюминиевом проводе марки АС сечением 120 мм². В некоторых случаях такие же опоры использовались с проводом АС-150, но при уменьшенных пролётах. Вес промежуточной (рис.47) опоры составлял 3,28 т, анкерной (рис.46) — 4,6 т. Каждая линия защищалась двумя грозотросами. Для проверки правильности выбора конструкции был сделан проект опоры по американскому типу, расчёт показал, что применение опор свирского типа даёт экономию 20% экономию металла. Опоры свирского типа применялись на большинстве линий Днепростроя.

Иная конструкция опор была применена на весьма протяжённых, но менее ответственных линиях 161 кВ ДГЭС — Донбасс и ДГЭС — Днепропетровск-Каменское. При изучении различных вариантов двухцепных опор с горизонтальным расположением проводов для этих линий в числе прочих рассматривалась трёхстоечная опора с общей траверсой, но все варианты опор оказывались слишком тяжёлыми. Однако, неожиданные и благоприятные результаты были получены при разделении трёхстоечной двухцепной опоры с единой траверсой на три отдельные опоры, каждая из которых несла два провода (рис.48,50). Такой вариант обеспечивал существенную экономию металла по сравнению с использованием двух одностоечных опор. Размещение механически не связанных стоек на отдельных бетонных блоках позволяло избежать свойственных широкобазным опорам проблем с появлением напряжений, вызванных осадкой фундамента. Трёхстоечные опоры были более транспортабельны, обеспечивали более благоприятные условия монтажа проводов и изоляторов. Недостатками конструкции были объём фундаментов, больший, чем при использовании двух широкобазных опор, и возможность выхода из строя сразу обеих цепей при повреждении средней опоры. С учётом всех факторов применение трёхстоечной конструкции удешевляло строительство линии на 10% по сравнению с вариантом строительства двухцепной линии на одностоечных широкобазных опорах.

После того, как трёхстоечная конструкция была утверждена для использования на линиях ДГЭС — Донбасс и ДГЭС — Каменское, были построены две опытные опоры: сварная и клёпанная (рис.49). В июне 1930 года обе опоры успешно прошли испытания, причём сварная опора показала большие фактические коэффициенты запаса, чем клёпанная. На основании испытаний было принято решение об использовании электросварки для изготовления промежуточных опор. Это был первый значительный отечественный опыт в использовании сварных опор на высоковольтных линиях. Анкерные, угловые и специальные опоры выполнялись клёпанными.

Принятые типы опор использовались с выпускающими зажимами при пролётах до 235 м на всём протяжении лини, кроме особо гололёдных участков. На линии ДГЭС — Донбасс был применён провод СА-150, в связи с чем конструкции анкерных опор были усилены.

Для сокращения начальной стоимости линии ДГЭС — Донбасс и ДГЭС — Каменское строились в две очереди. По мере выхода ГЭС на полную мощность строилась сначала одна цепь каждой линии, затем достраивалась вторая. При этом в первую очередь строились две двухпроводные линии, у которых три провода были рабочими, а четвёртый оставался резервным до момента постройки третьей линии и введения в строй второй цепи.

Кроме обычных опор, для энергосистемы ДнепроГЭС были созданы уникальные переходные опоры различных конструкций, заслуживающие отдельного упоминания.

После ГОЭЛРО

Первые годы ГОЭЛРО, отмеченные интенсивным строительством ЛЭП разных классов напряжений с использованием самых разнообразных технических решений, были очень важны для накопления опыта проектирования и сооружения высоковольтных линий. В очень короткое время были освоены новые классы напряжений: 110-115 и 220 кВ. Уже в 1931-32 году обсуждалось создание электропередач напряжением 400 и 500 кВ, рассматривались различные конструкции опор, делались попытки экстраполировать на новые условия опыт проектирования линий Днепростроя и Свири. Что касается существующих классов напряжений, то совершенствование конструкций опор для них продолжалось. С одной стороны, большое внимание уделялось применению дерева: в конце 1930-х годов деревянные опоры стали использовать не только на линиях 35 и 110 кВ, но и на ЛЭП 220 кВ. С другой стороны, вступали в строй промышленные гиганты первых пятилеток, и дефицит конструкционного металла проходил, что позволяло шире использовать металлические опоры. Определённое внимание уделялось опорам из железобетона, но на тот момент связанные с их производством и установкой технические трудности всё ещё не позволяли широко их использовать.

Общей тенденцией был переход во второй половине 1930-х — начале 1940-х годов на заводскую сборку опор с применением электросварки: появились сварные модификации опор шатурского типа, о которых говорилось выше, сварные опоры для линий 35 и 220 кВ.

К концу 1930-х годов для линий 35 кВ были спроектированы унифицированные опоры сварной конструкции следующих марок (рис.51): А-37г - анкерная, П-37г - промежуточная и У-37г - угловая. Опоры были выполнены по схема «елка». Траверсы — швеллерные, плоской треугольной конструкции. По сравнению с предыдущими металлическими опорами для ЛЭП 35 кВ, была увеличена длина траверс и вертикальное расстояние между ними. Ствол состоял из двух сварных секций, соединяемых болтами. Опоры данного типа отличались простой конструкцией и сравнительно малой массой и применялись повсеместно до конца 1950-х годов.

Для активно строящихся линий 220 кВ к середине 1930-х годов был создан типовой проект одноцепных портальных опор, существенно отличавшихся от применённых на линиях ДГЭС и Свирь-Ленинград. Опоры портального типа состояли из двух узких стоек прямоугольного сечения, на которых размещалась горизонтальная траверса (рис.52). Каждая стойка укреплялась на отдельный компактный фундамент. Выбранная конструкция позволяла сделать опоры более технологичными, транспортабельными и сократить по сравнению с широкобазными опорами свирского типа механические напряжения, возникающие из-за осадки фундаментов стоек. Секции портальных опор изготовлялись в заводских условиях при помощи электросварки. На трассе готовые секции соединялись заклёпками, а в более поздние годы — болтами. Существовали промежуточный, анкерный и угловой вариант опоры. Портальные опоры этой серии применялись на линиях 220 кВ повсеместно и весьма продолжительное время — до конца 1950х годов. Среди них: ВЛ Сталиногорск — Москва, Рыбинск — Москва и другие. Появились также типовые переходные опоры для линий 220 кВ высотой 35 и 70 метров.

Отход от использования конструкций периода ГОЭЛРО начался в первые послевоенные годы. С одной стороны, до конца 1950-х продолжали строиться линии на опорах шатурского типа сварной конструкции и линии 220 кВ на свободностоящих порталах. С другой стороны, всё большее применение находили узкобазные опоры и конструкции так называемого «смешанного» типа. Опоры смешанного типа применялись на ЛЭП 35-220 кВ и имели такой же ствол, как узкобазные (немецкий тип), и сильно расширяющуюся к фундаменту нижнюю секцию. Таким образом, опоры смешанного типа объединяли в себе преимущества узкобазных и широкобазных. Появилось значительное разнообразие конструкций опор, созданных разными проектными институтами, лидером среди которых являлся ленинградский институт «Теплоэлектропроект» (ТЭП). Кроме того, появилось большее количество вариантов опор, учитывающих особенности разных климатических зон. В 1948 году появилась новая серия опор для линий 110 кВ, заменившая шатурские: опоры «крымского» типа (рис.53). По конструкции ствола эти опоры принадлежали к смешанному типу. Один из вариантов промежуточной опоры был узкобазным. При изготовлении секций на заводе использовалась электросварка, для соединения секций — болты. Траверсы были плоской конструкции, несущими элементами в них являлись швеллеры. Имелись варианты опор для подвески двух и одного грозозащитного троса. Опоры крымского типа вытеснили шатурские и получили очень широкое распространение на территории СССР, значительное число таких опор продолжает эксплуатироваться. Сварные опоры смешанного типа (крымского, ленинградского и другие) продолжали использоваться до середины 1960-х годов, в итоге они были вытеснены более технологичными унифицированными опорами болтовой конструкциями.

Кроме того, в послевоенные годы в СССР были сооружены первые линии электропередачи 400 и 500 кВ (рис.55). В них также отразился опыт, накопленный в период становления электросетевой отрасли. Некоторые общие технические решения, применённые при проектировании этих линий, обсуждались ещё в начале 1930-х годов (Рис.54).

Подытоживая статью, стоит ещё раз отметить, что годы работы общества «Электропередача», и первые годы ГОЭЛРО, когда шло активное строительство ЛЭП, и проходили проверку разные подходы и технические решения, были очень важны для накопления бесценного опыта проектирования и сооружения высоковольтных линий, а также для подготовки квалифицированных инженерных и технических кадров. Полученный опыт стал фундаментом для всего последующего развития отечественных электрических сетей и для создания объединённой энергетической системы.

Автор - Сухов Е.А., 2013 г.

Литература:

1. Инженер И.В. Линде, «Справочная книга для электротехниковъ» 11-е издание, вторая

государственная типография, 1920 г.

2. Кох, «Электропередача высокого напряжения», издательство Бюро Иностранной Науки и

Техники, Берлин, 1921 г.

3. А.А. Смуров, «Электротехника высокого напряжения и передача электрической энергии»,

типография им. Бухарина, Ленинград, 1925 г.

4. В.Э.К. бюро по высоким напряжениям, труды I всесоюзной конференции по электропередаче больших мощностей на большие расстояния токами сверхвысоких напряжений, ГЭИ М-Л, 1932 г.

5. Техническая Энциклопедия, глав. ред. Мартенс, том 20, ОГИЗ РСФСР, Москва, 1933 г.

6. Инж. В. В. Гульденбальк, Сооружение линий электропередач высокого напряжения, ОНТИ НКТП СССР, ГЭИ М-Л, 1934 г.

7. Электротехнический Справочник (подстанции и сети высокого напряжения) под общ. ред.

инженера М.В. Хомякова, ГЭИ Москва-Ленинград, 1942 г.

8. Электротехнический Справочник (электрические установки высокого напряжения, подстанции, сети и линии электропередач) под общ. ред. инж. М.В. Хомякова, ГЭИ Москва-Ленинград, 1950 г.

9. Линии электропередач и подстанции 400 кВ, ОРГЭНЕРГОСТРОЙ, Куйбышев, 1958 г.

[1] — Electrical World and Engineer от 20 августа 1904 г. (предоставил Elton Gish)

[2] — Е.В.Старостин, «Мечты и мачты шатурских романтиков»

[3] — рис.43 — фотография Дмитрия Новоклимова