Композитные опоры ВЛ

Стеклопластик (базальтопластик) характеризуются высоким отношением предела прочности к модулю упругости (ν=σ/E). Для стеклопластиковых оболочек, получаемых методами перекрёстно-спиральной намотки это отношение составляет порядка 10-12 МПа/ГПа. Для конструкционных сталей, применяемых в производстве многогранных опор это отношение составляет порядка 4,5 МПа/ГПа, для железобетона — порядка 3 МПа/ГПа. Данное отношение определяет предельное значение прогиба опоры без разрушения или остаточных деформаций. По этой причине опоры, выполненные из композиционных материалов допускают значительно большие прогибы под воздействием несимметричных нагрузок, нежели стали и железобетон. Именно это свойство композиционных материалов делает их целесообразными для изготовления опор ЛЭП, работающих в сложных климатических условиях.

Однако модуль упругости стеклопластика (порядка 30-50 ГПа) существенно ниже, чем у стали (200 ГПа). Поэтому композитные опоры ЛЭП имеют при нормальных нагрузках большие прогибы чем стальные с сопоставимой толщиной стенки. Поэтому проектирование ЛЭП на композитных опорах необходимо осуществлять с учётом их гибкости. Согласно ПУЭ габариты ЛЭП с гибкими опорами рассчитываются для случае максимально отклонённых опор. Поэтому при заданном классе напряжения габариты ЛЭП на композитных опорах оказываются больше чем на стальных (железобетонных). Необходимо также учитывать влияние колебаний проводов и предпринимать меры для предотвращения низкочастотных резонансов.

Плотность стеклопластика в 3,5 — 4 раза меньше плотности стали. Следовательно композитные опоры имеют существенно меньшую по сравнению со стальными аналогами массу. Это свойство особенно важно при сооружении ЛЭП в труднодоступных районах (гористая местность, болота, тайга). Так промежуточные опоры ЛЭП класса напряжений 10/20 кВ имеют массу порядка 150—250 кг (а изогридные — менее 100 кг), что позволяет вести транспортировку и монтаж таких опор вообще без применения техники. Композитные опоры на высшие классы напряжений обычно выполняются сборно-модульными. При этом масса каждого модуля позволяет его транспортировать силами 3-4 человек или с применением ручных тележек.

Опоры традиционных конструкций (кроме деревянных) являются проводниками. Это определяет ряд особенностей, связанных с координацией изоляции ЛЭП и распределением её ёмкости и индуктивности. Траверса и грозозащитные тросы (при их наличии) подлежат обязательному заземлению, а к заземлителю предъявляются высокие требования. Опоры, выполненные из стеклопластика, базальтопластика или органопластика являются диэлектриками с высоким показателем электрической прочности. Таким образом сама опора становится изолятором на пути протекания тока «провод-земля». Но, в отличие от деревянных опор у композитных диэлектрические свойства не зависят от погодных условий. Это существенным образом упрощает схему изоляции ЛЭП, а в случае низких классов напряжения (до 10 кВ) представляется возможность вообще отказаться от применения изоляторов. ЛЭП на композитных опорах имеет существенно меньшую ёмкость «провод-земля» и «провод-провод», чем ЛЭП на токопроводящих опорах. Также отпадает необходимость в заземлении траверсы опоры. Поскольку для ЛЭП на композитных опорах сближение проводов с траверсой и стойкой не опасны, представляется возможность уменьшить габариты линии. Это обстоятельство может полностью скомпенсировать увеличение габаритов, вызванное гибкостью опор.

Высокие диэлектрические свойства композитных опор существенно улучшают грозоупорность ЛЭП. Это позволяет упростить заземляющие устройства, а в ряде случаев вообще отказаться от них и от грозозащитных тросов. Отсутствие заземлителя существенным образом уменьшает действие блуждающих токов на здания, сооружения, природные объекты. Важно и то, что в случае пробоя или разрушения изолятора или падения провода на траверсу не возникает короткого замыкания на землю и не происходит отключение линии. В целом, по результатам ряда исследований, проведённых в США, России и Китае[2] ожидается, что ЛЭП на композитных опорах будет иметь значительно меньшее количество отключений чем на традиционных. Кроме того, вредное и опасное воздействие ЛЭП на наземные объекты будет сведено к минимуму.

Тем не менее высокое сопротивление композитных опор обуславливает и некоторые проблемы, в частности склонность к накоплению статического заряда, а также большие значения импульсных перенапряжений в случае прямого попадания молнии в ЛЭП (хотя вероятность такого события существенно снижена). Затрудняется также дистанционная диагностика состояния изоляции ЛЭП по показателю реактивного сопротивления.

Полимерные композиционные материалы обладают высокой коррозионной стойкостью в кислых и щелочных средах и не подвержены электрокоррозии. В этом их основное преимущество перед металлом и железобетоном. Композитные материалы обладают меньшей гигроскопичностью чем бетон и не повреждаются замерзающей в порах водой. В то же время полимерные композиционные материалы быстро стареют под действием излучения Солнца. Одна из важнейших задач, связанная с массовым внедрением композитных опор - решение вопроса стабилизации полимерного связующего к действию солнечного излучения.

В России конструкция ЛЭП выполняется в соответствии с Правилами устройства электроустановок. Данные правила разрабатывались достаточно давно, поэтому они фактически учитывают сложившуюся практику применения опор из традиционных материалов (железобетон, металл), то есть жёстких и токопроводящих. Соответственно, все требования, предъявляемые ПУЭ относятся именно к этому типу опор. Хотя, применение гибких диэлектрических композитных опор и не запрещено ПУЭ, специальные указания и рекомендации по их применению полностью отсутствуют. В частности, нет указаний по особенностям изоляции и заземления ЛЭП на композитных опорах. Данная неопределённость на существующем этапе приводит к необходимости построения ЛЭП на композитных опорах по нормативам для ЛЭП на железобетонных и стальных опорах, что не позволяет в полной мере реализовать потенциал композитных опор.