Обледенение проводов

Обледенение проводов — это процесс образования и накопления льда, снега, изморози или мокрого снега на поверхности проводов линий электропередачи (ЛЭП), контактных сетей электрифицированного транспорта и линий связи. Данное явление представляет собой один из наиболее опасных видов гололёдно-изморозевых отложений, способный приводить к обрывам проводов, повреждению опор, коротким замыканиям и нарушению энергоснабжения на значительных территориях.

Физические основы и механизмы образования

Обледенение проводов возникает при определённых метеорологических условиях, когда температура воздуха находится в диапазоне от 0 до −10 °C (реже до −15 °C), а относительная влажность превышает 90 %. Основными механизмами являются:

• Намерзание переохлаждённых капель дождя или мороси. Наиболее интенсивный и опасный вид обледенения. Капли воды, находящиеся в жидком состоянии при отрицательной температуре, при соприкосновении с проводом мгновенно замерзают, образуя плотный слой прозрачного льда. Процесс может продолжаться несколько часов, приводя к нарастанию массы отложений до десятков килограммов на погонный метр.
• Кристаллизация водяного пара (изморозь). При тумане или высокой влажности водяной пар сублимируется на поверхности провода, образуя рыхлую, игольчатую или зернистую структуру — изморозь. Этот процесс протекает медленнее, но может длиться несколько суток, создавая значительные по объёму, но менее плотные отложения.
• Налипание мокрого снега. При температуре около 0 °C и высокой влажности крупные хлопья мокрого снега налипают на провод, формируя рыхлую массу, которая при последующем похолодании может смерзаться в плотный ледяной панцирь.

Ключевым фактором, усиливающим обледенение, является ветер. Ветер не только приносит новые порции влаги, но и способствует асимметричному нарастанию льда, что создаёт неравномерную нагрузку на провод и может вызывать его кручение (галопирование).

Классификация гололёдно-изморозевых отложений

В зависимости от структуры, плотности и условий образования выделяют несколько основных типов отложений на проводах:

• Гололёд (прозрачный лёд). Образуется при намерзании переохлаждённого дождя или мороси. Плотность 0,7–0,9 г/см³. Отличается высокой прочностью сцепления с проводом и значительной массой. Представляет наибольшую опасность для механической целостности ЛЭП.
• Зернистая изморозь. Образуется при тумане и ветре. Представляет собой рыхлую, снегоподобную массу с плотностью 0,1–0,4 г/см³. Может достигать больших толщин (до 10–15 см и более), создавая значительную ветровую нагрузку.
• Кристаллическая изморозь. Образуется в безветренную погоду при сублимации пара. Имеет игольчатую структуру, низкую плотность (менее 0,1 г/см³) и слабо сцеплена с проводом. Обычно легко осыпается при ветре или вибрации.
• Сложное отложение (смешанный тип). Включает слои гололёда, изморози и мокрого снега, образующиеся при смене погодных условий. Наиболее трудно прогнозируемый и опасный тип.

Последствия обледенения

Обледенение проводов приводит к комплексу негативных последствий:

• Механические повреждения. Увеличение веса провода в десятки раз (нормативная нагрузка для провода АС-120/19 составляет около 0,5 кг/м, при гололёде может достигать 10–15 кг/м и более) превышает расчётную прочность проводов и арматуры. Это вызывает обрывы проводов, разрушение изоляторов, деформацию и падение опор.
• Электрические аварии. Неравномерное обледенение может приводить к схлёстыванию проводов разных фаз, вызывая короткие замыкания. Кроме того, при таянии льда образуются сосульки, которые могут создавать частичные разряды и перекрытия изоляции.
• Галопирование проводов. Ветровая нагрузка на обледеневший провод, имеющий некруглое сечение (например, с наросшим льдом с одной стороны), вызывает его низкочастотные (0,1–1 Гц) колебания большой амплитуды (до нескольких метров). Это явление, называемое пляской проводов, способно разрушать опоры и арматуру за считанные часы.
• Нарушение работы транспорта. Обледенение контактной сети железных дорог и трамвайных линий приводит к нарушению токосъёма, искрению и остановке движения. Наиболее остро эта проблема стоит на электрифицированных участках в горной местности и в районах с частыми туманами.

Методы борьбы с обледенением

Для предотвращения и ликвидации обледенения проводов применяются различные методы, которые делятся на пассивные (проектные) и активные (оперативные).

Пассивные методы

• Выбор трассы. ЛЭП прокладывают в обход зон с повышенной гололёдной активностью (например, вдоль водоёмов, на вершинах холмов, в открытых долинах).
• Увеличение механической прочности. Использование проводов с усиленной несущей способностью (например, сталеалюминиевых проводов с большим сечением стального сердечника), более прочных опор и изоляторов.
• Применение специальных конструкций. Использование проводов с профилированной поверхностью (например, с продольными рёбрами), которые препятствуют нарастанию льда, или установка антигололёдных колец (спиральных виброгасителей), которые снижают вероятность образования льда за счёт вибрации.
• Нормирование гололёдных нагрузок. В России районирование территории по гололёдным нагрузкам (СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия») учитывает толщину стенки гололёда, которая может достигать 20–30 мм в наиболее опасных районах (например, в горах Кавказа, на побережье Чёрного моря, в некоторых регионах Сибири и Дальнего Востока).

Активные методы

• Плавка гололёда электрическим током. Наиболее распространённый метод. Путём изменения схемы электроснабжения (например, включение линии на короткое замыкание или перевод на повышенное напряжение) через провод пропускают ток, превышающий номинальный в 1,5–2 раза. Выделяющееся тепло нагревает провод до 0–5 °C, что приводит к таянию льда. Метод требует точного расчёта, чтобы не перегреть провод и не вывести его из строя. Плавка может быть постоянной (в автоматическом режиме) или периодической (по сигналу о начале обледенения).
• Механическое удаление. Используется редко из-за опасности повреждения проводов и необходимости отключения линии. Включает сбивание льда шестами, использование специальных устройств (например, вибрационных или ударных механизмов), а также применение вертолётов с обдувом проводов воздушной струёй.
• Химические методы. Нанесение на провода специальных составов (например, на основе гликолей или солей), понижающих температуру замерзания воды. Метод дорог, требует регулярного обновления покрытия и не всегда эффективен при сильных осадках.
• Прогнозирование и мониторинг. Использование метеорологических станций, датчиков обледенения (например, весовых или оптических), а также систем видеонаблюдения для раннего обнаружения начала обледенения. В России активно внедряются автоматизированные системы управления плавкой гололёда (АСУ ПГ), которые на основе данных с датчиков и прогнозов погоды автоматически запускают процесс плавки.

Обледенение в России и мире

В России проблема обледенения проводов особенно актуальна для регионов с суровым климатом и высокой влажностью. Наиболее подвержены обледенению линии электропередачи в:

• Южных регионах (Краснодарский край, Ставрополье, Ростовская область). Зимой здесь часто наблюдаются переохлаждённые дожди, приводящие к катастрофическим обледенениям. Например, в январе 2014 года в Краснодарском крае обледенение привело к массовым обрывам проводов и обесточиванию сотен населённых пунктов.
• Горных районах (Кавказ, Урал, Алтай, Саяны). Здесь обледенение сочетается с сильными ветрами, что приводит к интенсивному галопированию проводов.
• Северо-западных регионах (Ленинградская, Мурманская, Архангельская области). Частые туманы и высокая влажность способствуют образованию изморози.
• Дальнем Востоке (Приморский край, Сахалин, Камчатка). Циклоническая активность и морские туманы создают условия для интенсивного обледенения.

В мире аналогичные проблемы существуют в Канаде, США (особенно в штатах Новой Англии и на Среднем Западе), странах Скандинавии, Японии, Китае и в горных районах Европы (Альпы, Карпаты). Крупнейшая авария, вызванная обледенением, произошла в Канаде в январе 1998 года (ледяной шторм в Квебеке), когда обледенение проводов привело к падению тысяч опор ЛЭП и оставило без электричества более 3 миллионов человек на несколько недель.

Интересные факты

• В России действует ГОСТ Р 54433-2011, который устанавливает требования к методам испытаний проводов на гололёдные нагрузки.
• Для борьбы с обледенением на высоковольтных линиях (110 кВ и выше) плавку гололёда часто проводят без отключения потребителей, используя специальные схемы с перераспределением токов.
• В некоторых случаях обледенение проводов может быть полезным — например, при использовании его для создания искусственных ледяных структур в научных целях или для оценки прочности материалов.
• Существуют проекты по использованию нагрева проводов с помощью солнечной энергии или тепла земли для предотвращения обледенения, но они пока не получили широкого распространения.

Источники

• СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия» (актуализированная редакция СП 20.13330.2016).
• ГОСТ Р 54433-2011 «Провода воздушных линий электропередачи. Методы испытаний на гололёдные нагрузки».
• «Гололёд и борьба с ним на линиях электропередачи» / Под ред. А. И. Якобсона. — М.: Энергия, 1972.
• «Эксплуатация воздушных линий электропередачи» / В. В. Бурцев, В. А. Козлов. — М.: Энергоатомиздат, 1992.
• Данные Росгидромета и Минэнерго РФ о гололёдных явлениях на территории России.