Строительство воздушных линий электропередачи ведется уже более 100 лет. Все эти годы конструкции опор непрерывно совершенствовались. Каждый этап развития электроэнергетики выдвигал свои требования к электросетевому строительству в целом и к конструкции опор в частности. На первом этапе линии электропередачи строились на деревянных опорах. Массовое строительство ЛЭП на деревянных опорах начинается с конца ХIХ века. Связано это с электрификацией промышленности. Основная задача, которая решалась на этом этапе — связь электростанций с промышленными районами. напряжения были небольшими, как правило, до 35 кВ, задачи объединения в сети не было. В этих условиях задачи этапа решались с помощью деревянных одностоечных и П-образных опор — доступный дешевый материал соответствовал требованиям этапа.
На втором этапе по мере увеличения напряжения утяжелялся провод и осуществлялся переход на металлические опоры (МРО).
В России первая линия на металлических опорах появилась в 1925 г. — двухцепная ВЛ 110 кВ Шатура Москва. С этого времени начинается новый этап развития электроэнергетики. Он характеризуется строительством крупных объектов генерации (ДнепроГЭС, Сталинградская ГРЭС и т.д.), повышением напряжений до 154 кВ (ДнепроГЭС – Донбасс), 220 кВ (Нижне-Свирская ГЭС – Ленинград) и выше. Возникают объединенные энергосистемы крупных регионов, строятся межрегиональные ЛЭП сверхвысоких напряжений (Волжская ГЭС – Москва).
Задачи этого этапа развития не могли быть решены на основе деревянных опор. Начинается массовое строительство ЛЭП на металлических решетчатых опорах. Конструкции опор непрерывно совершенствовались, ряд типовых опор расширялся, был осуществлен массовый переход на опоры с болтовым соединением.
Проведенная в конце 60-х годов унификация металлических опор фактически определила множество конструкций опор, применяемых до настоящего времени. Деревянные опоры в этот период также используются, но их область ограничивается обычно напряжениями до 35 кВ. Третий этап (с конца 50-х годов) связан с резким ростом электросетевого строительства. Каждое пятилетие протяженность воздушных линий удваивалась. Ежегодно строилось более 30 тыс. км новых ЛЭП напряжением 35 кВ и выше. Обеспечить такие темпы строительства удалось благодаря массовому использованию железобетонных опор (ЖБО) с преднапряженными стойками. За 10 лет (1961-1970 гг.) было построено 130 тыс. км линий электропередачи на железобетонных стойках. Они стали основными в одноцепных линиях 330 и 220 кВ (53 % от общей протяженности), а в линиях 110 и 35 кВ (однои двухцепных) их доля составила 62 и 64 % соответственно. 
К 70-м годам прошлого века сформировались основные типы металлических решетчатых и железобетонных опор, которые практически не менялись последние 40 лет. Таким образом, можно утверждать, что до 2005 г. все массовое сетевое строительство велось на научной и технологической базе 60-70-х годов. Мировая практика сетевого строительства мало чем отличалась от отечественной до середины 60-х годов. Однако последние десятилетия (на третьем этапе) наши практики существенно разошлись. На западе не получил такого распространения железобетон. Там пошли по пути строительства линий на многогранных опорах, которые удачно сочетают в себе преимущества деревянных, бетонных и решетчатых конструкций. В 1957 г. в США был построен восьмикилометровый опытный участок линии электропередачи 115 кВ с применением стальных оцинкованных конических опор.
Таким образом, мировой опыт использования стальных многогранных опор (СМО) при строительстве ЛЭП насчитывает уже 50 лет. Было проведено детальное сравнение экономической эффективности строительства ВЛ с применением деревянных, стальных решетчатых и стальных многогранных опор. Оно дало следующие результаты. Стоимость строительства 1 км линии на многогранных опорах оказалась на 32 % меньше, чем на решетчатых опорах. Упростилась и удешевилась транспортировка, сборка и установка опор. Улучшились эксплуатационные характеристики линии.Стоимость линий на деревяннх опорах оказалась на 40 % ниже чем на СМО. Однако было принято во внимание, что срок службы СМО в 2,5 раза больше, эксплуатационные расходы в 3 раза ниже, масса в 2 раза меньше и т.д. Для учета всех этих факторов было проведено сравнение по критерию, эквивалентному нашему критерию интегральных дисконтированных затрат, который учитывает и разные сроки службы, и разные текущие издержки, и фактор времени.
Сравнение показало, что полная стоимость затрат на 1 км у деревянных и многогранных опор практически одинакова. Были учтены и другие факторы, которые невозможно напрямую включить в критерий. Окончательный вывод: «…сравнение оцинкованных стальных опор с деревянными с учетом более точного соответствия расчетным данным, огнестойкости и способности не повреждаться при разрядах молнии, меньшей стоимости ремонта оправдывает установку стальных оцинкованных трубчатых опор вместо пропитанных креозотом опор из южной желтой сосны». Отметим тот факт, что в США 50 лет назад решения о выборе варианта строительства ЛЭП принимались не по одному критерию, пусть даже такому важному, как затраты на строительство, а по целой группе показателей. Сегодня в мире основная часть электрических сетей строится именно на многогранных опорах [1].
Они используются как в распределительных сетях, так и в сетях высокого напряжения в качестве промежуточных и анкерных опор, а также сложных опор для переходов рек, строительства ЛЭП в городах и т.п. (рис. 1). В 80-х годах в России была предпринята попытка внедрения в массовое строительство многогранных опор производства Волжского завода стальных конструкций. Однако отсутствие необходимых технологий определило конструктивные недостатки этих опор (тонкий лист, короткие секции, фланцевые соединения секций, оттяжки). Это и привело к такому положению, когда локальные проблемы отдельного региона (своевременное обеспечение электроэнергией потребителей северных регионов Тюменской области) были успешно решены, а массового распространения эти опоры не получили. Техническое отставание в этой области практически не ощущалось до последнего времени. Тому были объективные причины.
1. Состояние сетей на рубеже 90-х годов было вполне удовлетворительным.
2. Объемы сетевого строительства, как нового, так и по реконструкции, в последние 15 лет находились на крайне низком уровне.
3. Сохранялись старые нормы на проектирование и строительство ЛЭП.
4. Отсутствовали жесткие требования по землеотводам, экологическим нормам, эстетике и т.п.
В этих условиях текущие задачи легко решались на старой технической основе.
В настоящее время положение в корне изменилось по всем вышеперечисленным направлениям.
• Изменилось текущее состояние сетей. За истекшие 15-20 лет физический износ сетей высокого напряжения существенно увеличился (см. таблицу). В распределительных сетях положение еще тяжелее. По оценкам специалистов РОСЭП, без радикального обновления на новой технической основераспределительные сети не смогут обеспечивать удовлетворительного энергоснабжения потребителей уже через 8 -12 лет. Положение осложняется непрерывным ростом энергопотребления и постоянными сдвигами в размещении производительных сил. Происходит и моральное старение оборудования. Большинство объектов по техническому уровню соответствует своим западным аналогам 20-30-летней давности.
• В ближайшие годы резко возрастет объем сетевого строительства. Если в 2006 г. было построено около 600 км сетей напряжением 220 кВ и выше, то в 2007 г. будет построено около 700 км, в 2008 г. — более 1500 км, в 2009 г. — более 4200 км. Общий объем инвестиций в сетевое строительство ФСК ЕЭС возрастет с 36 млрд руб. в 2006 г. до 150 млрд руб. в 2009 г. В распределительных сетях холдинга будет реализована еще более амбициозная программа. Инвестиции возрастут с 47 млрд руб. в 2006 г. до 160 млрд руб. в 2009. В последующие годы объемы сетевого строительства сохранятся на столь же высоком уровне.
• В корне изменились внутрисистемные требования. С введением в 2003 г. 7-го издания «Правил устройства электроустановок» резко возросли требования к надежности сетей. Для исполнения требований нового ПУЭ приходится на 30-40 % снижать пролетные расстояния в ЛЭП, строящихся на типовых опорах. Это влечет соответствующее увеличение затрат и сроков строительства. В процессе разработки Концепции развития сетей высокого напряжения были сформулированы и новые технические требования к ним. Предусматривается увеличение сроков службы до 50 лет, сокращение сроков строительства, затрат на эксплуатацию и т.д. По целому ряду позиций опоры старого ряда не удовлетворяют новым техническим требованиям.
Требования внешних подсистем к энергетике значительно ужесточились. За последние несколько лет в корне изменились экологические требования к строящимся объектам, цены на временный и постоянный землеотвод возросли в разы! Практически невозможно строительство новых ЛЭП за пределами старых коридоров в крупных городах, природоохранных зонах, лесах первой категории и т.д. Не последнее место стали занимать и вопросы эстетики (в особенности при строительстве в городской черте). Современный этап можно назвать четвертым этапом в сетевом строительстве.
Реализовать задачи этого этапа на старой технической и технологической базе очень трудно. На первый план выходят требования резкого сокращения сроков строительства ЛЭП, снижения его стоимости, повышения надежности электроснабжения и соблюдения ужесточившихся технических и технологических требований. Одним из направлений решения этих непростых задач, на взгляд авторов, будет массовое строительство сетей с использованием стальных многогранных опор.
В 2003 г. в России появились новые технологии, позволяющие производить многогранные опоры самых современных конструкций. Возникла парадоксальная ситуация, когда производственные возможности позволяли изготовить многогранные опоры практически любой конфигурации, то есть с заданными свойствами, но эти возможности опережали подготовленность энергетиков в области конструирования опор, проектирования и строительства ЛЭП на их основе. Современных конструкций многогранных опор, учитывающих новые производственные возможности, не было. Практически отсутствовал опыт проектирования и строительства ЛЭП на многогранных опорах. Отсутствовала нормативно-техническая документация как для конструирования СМО, так и для проектирования ЛЭП на их основе. Более того, у заказчиков (энергосистемы различных уровней) сложилось ошибочное мнение о том, что применение многогранных опор значительно удорожает стоимость строительства ВЛ. В настоящее время положение в корне изменилось. В 2006 г. ОАО «ФСК ЕЭС» приступило к реализации Целевой программы «Создание и внедрение стальных многогранных опор для ВЛ 35-500 кВ». Целью программы является «…создание опор на основе стальных многогранных стоек для ВЛ 35-500 кВ с разработкой нормативной базы, конструкторской, технологической документации, проектных рекомендаций, указаний к монтажу, ремонту и эксплуатации, обеспечивающих эффективное выполнение ПУЭ-7 при строительстве, реконструкции и техническом перевооружении ВЛ, а также существенное сокращение сроков и затрат строительства и проведения аварийно-восстановительных работ». Реализация программы позволит консолидировать научный и производственный потенциал и полностью ликвидировать возникшее отставание в проектировании и строительстве ЛЭП с использованием многогранных опор.
Первые результаты, полученные за 2006-2007 гг., подтверждают это. К настоящему времени разработано более 40 типов опор для ВЛ 35-330 кВ, в том числе промежуточные и анкерные однои двухцепные для воздушных линий 220-330 кВ, четырехцепные для ВЛ 110 и 220 кВ и др. (рис. 2). Накапливается опыт проектирования конструкций опор. Отметим, что конструирование многогранных опор с использованием современных программных комплексов типа Solid Works значительно проще решетчатых и занимает сегодня 2-3 недели. Основных вопросов, которые необходимо индивидуально определять по каждой опоре, всего три: – величина надвига верхней секции на нижную; – усилие стяжки секций; – конструкция узла крепления траверсы к стволу опоры.
Главное отличие современных многогранных опор от применявшихся ранее — телескопическое соединение секций стойки. Считается, что именно телескопический стык обеспечивает надежность и длительныйсрок службы, а также высокую скорость монтажа опор. Для того, чтобы обеспечить эти преимущества СМО, необходимо определить оптимальные значения двух параметров стыка — длину надвига верхней секции на нижнюю и усилие стяжки секций. Длина надвига. За рубежом за последние десятилетия накоплен большой опыт конструирования многогранных опор, строительства и эксплуатации ВЛ на базе СМО. Была сделана выборка из нескольких десятков стыков.
Для того, чтобы избежать случайной привязки к одному типу опор, в выборку были отобраны самые разнообразные представители телескопических стыков. Они различались по конструкции стыка – по диаметрам 660-2140 мм; – по толщине стенки 5-25 мм; – конусности 15-37 мм/м; – по количеству граней 12-16 гр. Сами опоры различались: по высоте — от 18 до 55 м; по количеству секций — от 2 до 7; по типам — промежуточные и анкерные; по напряжению — от 65 кВ до 230 кВ; по количеству цепей — от 2 до 4. Сформированную выборку можно считать представительной как по количеству, так и по широте охвата различных конструкций стыков и опор. Результаты, представленные на рис. 3, показывают, что данная выборка может быть достаточно точно аппроксимирована линейной функцией Y = 1,42•X + 0,2 . Этот узел является одним из самых важных в опоре. Задача состоит не в нахождении зависимости, наиболее точно описывающей выборку, а в построении простой зависимости, позволяющей конструктору легко и быстро определить необходимый надвиг, который, к тому же, обеспечит и достаточную надежность стыка.
На взгляд авторов, такой зависимостью будет прямая, параллельная прямой, рассчитанной по приведенной формуле, но сдвинутая вверх до уровня превосходящего все точки выборки. Это «поднятие» прямой означает удлинение каждого стыка. В рассматриваемом случае это удлинение составит 120 мм на каждый стык. Это практически не отразится на массе опоры, но повысит ее надежность. Усилие стяжки. Эта величина влияет на процесс сборки опоры и состав применяемых механизмов. Для определения усилия стяжки совместно с фирмой «Остсейм» была проведена серия испытаний для стыков с разным количеством граней, различной конусностью, толщиной стенки, величиной надвига и т.д. Подробное описание результатов требует отдельногоизложения. В данной же статье отметим следующее.
Для стыков диаметром 500-700 мм со стенкой 6-8 мм требуется стягивать секции с усилием 10-15 т. На рис. 4 видно, что для стыка диаметром 500 мм из листа 6 мм достаточно усилие 10 т. Усилие в 15 т увеличивает надвиг всего на 5 мм. Дальнейшее наращивание усилия стяжки до 50 т позволяет надвинуть верхнюю секцию еще на 20 мм, но достигается это уже за счет пластических деформаций секций, что нежелательно, так как снижается надежность конструкции. Это означает, что для сборки основной массы многогранных опор (для сетей до 220 кВ стыки близки к опытным образцам) применение специальных механизмов не потребуется, а сам процесс монтажа предельно упрощается.
За полтора года накоплен достаточный опыт и в строительстве линий на многогранных опорах [2]. К настоящему времени построены и завершается строительство первых 15 ВЛ с использованием СМО. Линии строились в районах с самыми разнообразными природно-климатическими условиями: Москва и Московская область, Тында, Белгород, Игарка, Сургут, Кострома, Кемерово. Общая протяженность ВЛ составила около 500 км. Сооружены как простые линии напряжением 10-110 кВ и количеством цепей до двух (рис. 5), так и технически более сложные — четырехцепные 110 и 220 кВ (рис. 6). Сооружались объекты в сложных природно-климатических условиях, например ВЛ 110 кВ в четвертом ветровом районе на вечной мерзлоте, где установка опор осуществлялась на винтовых сваях (рис. 7).
