Введение

Башня передачи (также электрический пилон, опора ЛЭП или пилон) – это высокое сооружение, как правило, решетчатая башня из стали, используемая для поддержки линий электропередачи. В электрических сетях башни передачи несут высоковольтные линии, транспортирующие большие объемы электроэнергии от генерирующих станций до электрических подстанций, от которых электроэнергия поступает конечным потребителям; кроме того, столбы используются для поддержки низковольтных линий подраспределения и распределительных сетей, транспортирующих электроэнергию от подстанций к потребителям. Существуют четыре категории вышек передачи: (i) подвесная вышка, (ii) концевая (тупиковая) вышка, (iii) натяжная вышка и (iv) транспозиционная вышка. Хотя для больших пролетов, например, при пересечении водных преград, иногда используются более высокие башни. Для смягчения последствий изменения климата требуется строительство большего количества вышек передачи, поэтому в 2020-х годах они приобрели политическое значение.

Терминология

Трансмиссионная башня – это название конструкции, используемой в отрасли в Соединенных Штатах и некоторых других англоязычных странах. В Европе и Великобритании термины "электроопорная вышка" и "пилон" происходят от базовой формы конструкции – обелиска с сужающимся кверху основанием. В Канаде используется термин "гидровышка", поскольку гидроэлектроэнергия является основным источником электроэнергии в стране.

Высоковольтные передатчики переменного тока

Трехфазные системы электроснабжения используются для высоковольтных (66 или 69 кВ и выше) и сверхвысоковольтных (110 или 115 кВ и выше; наиболее часто 138 или 230 кВ и выше в современных системах) линий передачи переменного тока. В некоторых европейских странах, например, в Германии, Испании или Чешской Республике, более компактные решетчатые опоры также используются для линий передачи среднего напряжения (выше 10 кВ). Опоры должны быть спроектированы для размещения трех (или кратных трех) проводников. Опоры обычно изготавливаются из стальных решеток или ферм (в некоторых случаях в Австралии, Канаде, Германии и Скандинавии используются деревянные конструкции), а изоляторы представляют собой стеклянные или фарфоровые диски, либо композитные изоляторы из силиконовой резины или материала EPDM, собранные в гирлянды или длинные стержни, длина которых зависит от напряжения линии и условий окружающей среды. Как правило, на вершине размещаются один или два заземляющих провода, также называемые "защитными" проводами, для перехвата молнии и безопасного отвода ее в землю. Опоры для высоковольтных и сверхвысоковольтных линий обычно проектируются для размещения двух или более электрических цепей. Если линия строится с использованием опор, предназначенных для нескольких цепей, не обязательно устанавливать все цепи на момент строительства. Фактически, по экономическим соображениям, некоторые линии передачи проектируются для трех (или четырех) цепей, но первоначально устанавливаются только две (или три) цепи. Некоторые высоковольтные цепи часто монтируются на тех же опорах, что и линии 110 кВ. Параллельное размещение цепей линий 380 кВ, 220 кВ и 110 кВ на одних и тех же опорах – обычная практика. Иногда, особенно в случае цепей 110 кВ, параллельная цепь используется для питания контактной сети железнодорожной электрификации.

Башни передачи постоянного тока высокого напряжения

Линии передачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC) бывают монополярными или биполярными. В биполярных системах используется проводниковая схема с одним проводником с каждой стороны опоры. В некоторых схемах заземляющий проводник используется в качестве электродной линии или для возврата тока в землю. В этом случае он должен быть установлен с изоляторами, оснащенными устройствами защиты от импульсных перенапряжений на опорах, чтобы предотвратить электрохимическую коррозию опор. Для однополюсной передачи HVDC с возвратом тока в землю могут использоваться опоры с одним проводником. Однако во многих случаях опоры проектируются с расчетом на последующее преобразование в двухполюсную систему. В этих случаях часто проводники устанавливаются с обеих сторон опоры по механическим причинам. До момента необходимости использования второго полюса, он либо используется как электродная линия, либо подключается параллельно к используемому полюсу. В последнем случае линия от преобразовательной подстанции до заземляющего электрода строится в виде подземного кабеля, воздушной линии на отдельном трассе или с использованием заземляющих проводников. В некоторых схемах HVDC используются опоры электродных линий для передачи линии электропередачи от преобразовательной подстанции к заземляющему электроду. Они аналогичны конструкциям, используемым для линий с напряжением 10–30 кВ, но обычно несут только один или два проводника. Для увеличения уровня передачи мощности, опоры линий передачи переменного тока могут быть переоборудованы для полного или смешанного использования HVDC, что обходится дешевле, чем строительство новой линии передачи.

Башни железнодорожных тяговых линий

Башни, используемые для однофазных линий тяги переменного тока, по конструкции аналогичны башням, применяемым для трехфазных линий 110 кВ. Для этих линий также часто используются стальные мачты или бетонные опоры. Однако системы тягового тока на железных дорогах являются двухполюсными системами переменного тока, поэтому тяговые линии рассчитаны на два проводника (или кратные два, обычно четыре, восемь или двенадцать). Как правило, они располагаются в один уровень, при этом каждая цепь занимает половину поперечной стрелы. Для четырех тяговых цепей проводники располагаются в два уровня, а для шести – в три уровня.

Форма

Различные типы конструкций опор линий электропередачи характерны для разных стран. Форма также зависит от напряжения и количества линий.

Одна цепь

Дельта-пилоны – наиболее распространенная конструкция для одноцепных линий электропередачи благодаря своей устойчивости. Они имеют V-образный корпус с горизонтальным плечом сверху, образующим перевернутую дельту. В более крупных дельта-опорах обычно используются два оттяжных троса. Портальные пилоны широко применяются в США, Ирландии, Скандинавии и Канаде. Они устанавливаются на двух опорах с одним перекладом, что придает им форму буквы "Н". До напряжения 110 кВ их часто изготавливали из дерева, но для линий более высокого напряжения используются стальные опоры. Небольшие одноцепные опоры могут иметь два небольших переклада с одной стороны и один – с другой.

Две цепи

У пилонов с одним уровнем есть только одна перекладина, несущая по три кабеля с каждой стороны. Иногда они имеют дополнительную перекладину для защитных кабелей. Они часто используются вблизи аэропортов из-за их меньшей высоты. Дунайские мачты (Donaumasten) получили свое название от линии электропередач, построенной в 1927 году вдоль реки Дунай. Они являются наиболее распространенной конструкцией в центральноевропейских странах, таких как Германия или Польша. У них две перекладины: верхняя несет один кабель, а нижняя – два с каждой стороны. Иногда они также имеют дополнительную перекладину для защитных кабелей. Башни тонной формы – наиболее распространенная конструкция, они имеют три горизонтальных уровня с одним кабелем, расположенным очень близко к мачте с каждой стороны. В Великобритании второй уровень часто (но не всегда) шире остальных, а в Соединенных Штатах все перекладины имеют одинаковую ширину.

Т-пилоны

В 2021 году в Великобритании был установлен первый Т-пилон – новая трубчатая конструкция в форме буквы Т – для новой линии электропередач к атомной электростанции Hinkley Point C, предназначенная для передачи двух высоковольтных линий электропередач напряжением 400 кВ. Конструкция отличается тем, что электрические кабели подвешены под перекладиной, расположенной на вершине единственной опоры, что снижает визуальное воздействие на окружающую среду по сравнению с решетчатыми пилонами. Эти 36 Т-пилонов стали первым значительным обновлением конструкции пилонов в Великобритании с 1927 года и были разработаны датской компанией Bystrup, победителем конкурса 2011 года, в котором участвовало более 250 заявок, организованного Королевским институтом британских архитекторов и правительством Великобритании.

Стерлинг

Y-пилоны – это более новая конструкция электрических опор линий электропередачи. Обычно они имеют оттяжку или поддерживающую балку для усиления Y-образной формы опоры.

Четыре контура

В Германии распространены башни в форме елки для 4 или даже 6 цепей и имеют 3 крестообразных рычага, где на верхнем рычаге по одному кабелю, на втором – по два кабеля, а на третьем – по три кабеля с каждой стороны. Кабели на третьем рычаге обычно используются для цепей более низкого напряжения.

Структуры поддержки

Башни могут быть самонесущими и способны выдерживать все силы, возникающие из-за нагрузки проводников, несбалансированной нагрузки проводников, ветра и льда в любом направлении. Такие башни часто имеют приблизительно квадратное основание и обычно четыре точки опоры на землю. Полужесткая башня спроектирована таким образом, чтобы использовать воздушные заземляющие провода для передачи механической нагрузки на соседние конструкции в случае обрыва фазового проводника и возникновения несбалансированной нагрузки на конструкцию. Этот тип полезен при сверхвысоких напряжениях, где фазовые проводники группируются (два или более провода на фазу). Маловероятно, чтобы все они оборвались одновременно, за исключением катастрофического повреждения или сильного шторма. Мачта с оттяжками имеет небольшую площадь основания и опирается на оттяжные тросы, находящиеся под натяжением, для поддержания конструкции и любой несбалансированной нагрузки от проводников. Башня с оттяжками может быть выполнена в V-образной форме, что позволяет снизить вес и стоимость. По состоянию на 2012 год в США все еще используются линии электропередач 345 кВ на деревянных опорах, и некоторые из них продолжают строиться с использованием этой технологии. Дерево также может использоваться для временных конструкций при строительстве постоянной замены.

Бетон

В Германии бетонные столбы обычно используются только для линий с рабочим напряжением ниже 30 кВ. В исключительных случаях бетонные столбы используются также для линий 110 кВ, а также для общественной сети или для железнодорожной сети тягового тока. Бетонные столбы для среднего напряжения также используются в Канаде и Соединенных Штатах. В Швейцарии для воздушных линий 380 кВ используются бетонные пилоны высотой до 59,5 метров (самый высокий в мире пилон из сборного бетона находится в Литтау). В Аргентине и некоторых других странах Южной Америки многие воздушные линии электропередач, за исключением сети сверхвысокого напряжения, были установлены на трубчатых бетонных столбах. Также в бывших советских странах широко распространены бетонные пилоны, хотя и с крестовыми рукавами из стали. Бетонные пилоны, которые не являются сборными, также используются для конструкций высотой более 60 метров. Одним из примеров является высокий пилон 380 кВ линии электропередач возле электростанции Reuter West в Берлине. В Китае некоторые пилоны для линий, пересекающих реки, были построены из бетона. Самые высокие из этих пилонов относятся к пересечению линий электропередач Янцзы в Нанкине, высота которых составляет… метров.

Сборка

Прежде чем даже возвести опоры линий электропередачи, прототипы опор испытываются на станциях испытаний опор. Существует множество способов их сборки и установки:

Их можно собирать горизонтально на земле и поднимать с помощью тяговых тросов. Этот метод используется редко из-за необходимости большой площади для сборки. Их можно собирать вертикально (в конечном вертикальном положении). Очень высокие опоры, такие как переправа через реку Янцзы, строились именно таким образом. Для сборки решетчатых опор можно использовать краны с джибом. Это также применяется для установки столбов. Вертолеты могут использоваться в качестве воздушных кранов для сборки в районах с ограниченным доступом. Опоры также могут быть собраны в другом месте и доставлены на место установки по трассе линии электропередачи. Вертолеты также могут использоваться для транспортировки разобранных опор на утилизацию.

Маркеры

Международная организация гражданской авиации публикует рекомендации по маркировке башен и проводников, подвешенных между ними. В некоторых странах эти рекомендации становятся обязательными, например, требование об установке маркеров на проводах линий электропередач через определенные интервалы и о размещении предупреждающих огней на достаточно высоких башнях. Это особенно актуально для линий электропередач, расположенных вблизи аэропортов. На опорах линий электропередач часто имеется идентификационная табличка с названием линии (указанием начальной и конечной точек или внутренним обозначением энергокомпании) и номером опоры. Это облегчает определение местоположения неисправности для энергокомпании, которой принадлежит опора. Линии электропередач, как и другие стальные решетчатые конструкции, включая теле- и радиовещательные, а также вышки сотовой связи, снабжены предупреждающими знаками, запрещающими доступ посторонним из-за опасности высокого напряжения. Обычно это достигается с помощью знака, предупреждающего о высоком напряжении. В других случаях предупреждающий знак размещается на всем участке доступа к трассе линии электропередач. На знаках, предупреждающих о высоком напряжении, также может быть указано название компании, построившей эти сооружения и владеющей землей, на которой они расположены, а также участками линии электропередач или полосой отвода.