Оценка повреждаемости линий электропередачи напряжением 6–20 кВ в лесной местности, вызванной падением деревьев на различном удалении от провода

В рамках рассмотрения задачи обеспечения надежности электроснабжения потребителей при возникновении неблагоприятных погодных явлений с минимизацией негативных по следствий авторами выполнены оценочные расчеты повреждаемости линий электропередачи 6–20 кВ в лесной местности при падении деревьев в зависимости от расстояния между деревом и проводом ВЛ. Результаты расчетов сопоставлены с требованиями действующих нормативных документов по установлению границ просек ВЛ и мировым опытом энергокомпаний по управлению растительностью.

Гвоздев Д.Б., д.т.н., доцент, первый заместитель генерального директора — главный инженер ПАО «Россети Московский регион»
Иванов Р.В., директор Департамента эксплуатации сетей 0,4–20 кВ ПАО «Россети Московский регион»
Болонов В.О., к.т.н., начальник Управления инноваций и энергоэффективности ПАО «Россети Московский регион»
Тульский В.Н., к.т.н., доцент, директор института электроэнергетики ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»
Торохтунов А.П., главный специалист Управления инноваций и энергоэффективности ПАО «Россети Московский регион»

Надежность электроснабжения потребителей в сельской местности с большой протяженностью воздушных линий электропередачи напряжением 6–20 кВ, проходящих через лесные массивы, существенно зависит от воздействия внешних факторов, которые могут вызвать повреждения проводов и опор ВЛ. Данное обстоятельство особенно актуально при возникновении аномальных неблагоприятных погодных явлений, сопровождающихся ураганными ветрами, резкими перепадами температур и ледяным дождем. Перечисленные факторы согласно статистике наблюдений при эксплуатации ВЛ часто являются причинами массового падения деревьев на границах просек, что создает риски повреждения проводов и опор ВЛ при динамическом воздействии на них падающих деревьев.

Несмотря на регулярно выполняемые электросетевыми компаниями мероприятия по расчистке просек в охранных зонах ВЛ и преимущественное использование самонесущих изолированных проводов для ВЛ 0,4–20 кВ, периодически возникают повреждения линий, связанные с климатическими воздействиями, нарушающие электроснабжение потребителей.

Требования к установлению размера просек, определяющего расстояние от крайнего провода линии электропередачи до деревьев, которые потенциально могут вызвать повреждения ВЛ при их падении, в настоящее время в Российской Федерации законодательно утверждены Постановлением Правительства РФ от 24.02.2009 № 160 «О порядке установления охранных зон объектов электросетевого хозяйства и особых условий использования земельных участков, расположенных в границах таких зон» и соответствуют установленным границам охранных зон. Для ВЛ 1–20 кВ определены границы охранных зон, отстоящих от крайних проводов при неотклоненном их положении на следующем расстоянии:

• 5 метров для линий с самонесущими или изолированными проводами, размещенных в границах населенных пунктов;
• 10 метров в остальных случаях.

Ответственность за содержание охранных зон в нормативном состоянии возложена на сетевые организации.

Основное преимущество изолированных проводов, заключающееся в защите токопроводящих жил от внешних воздействий при схлестывании проводов или падении дерева, позволяющее формировать более узкие просеки, существенно снижая затраты электросетевых компаний на выполнение мероприятий по расчистке просек, не учитывается в данном документе.

Вместе с тем, в ПУЭ (раздел 2.5) даны рекомендации по определению границ ширины просеки с учетом исполнения провода (изолированный или нет), а также видов деревьев. Для проводов ВЛЗ граница просеки должна быть не ближе, чем на 1,25 м от крайнего провода, что существенно меньше расстояний, установленных ПП РФ от 24.02.2009 № 160. Аналогичные рекомендации по ширине просеки были приведены в «Правилах устройства воздушных линий электропередачи напряжением 6–20 кВ с защищенными проводами (ПУ ВЛЗ 6–20 кВ)» (утверждено Минтопэнерго РФ), действовавших до 01.01.2004.

Рассматривая зарубежный опыт, можно отметить, что аналогичные ПУЭ рекомендации по определению границ просек ВЛ до 20 кВ даны в ТКП 339–2022 «Электроустановки на напряжение до 750 кВ линии электропередачи воздушные и токопроводы, устройства распределительные и трансформаторные подстанции, установки электросиловые и аккумуляторные, электроустановки жилых и общественных зданий. Правила устройства и защитные меры электробезопасности. Учет электроэнергии. Нормы приемо-сдаточных испытаний», вводимом в действие 01.08.2025 постановлением Министерства энергетики Республики Беларусь от 21.05.2025 № 19 (по состоянию на 25.07.2025 действует ТКП 339–2011). Такие же рекомендации приведены в СН 4.04.05–2025 «Электрические сети внешнего электроснабжения». При этом ширина охранной зоны, установленная Постановлением Совета Министров Республики Беларусь 21.11.2022 № 794 для изолированных проводов 1–20 кВ, составляет 5 метров вне зависимости от территории.

Согласно руководящему пособию для финских энергокомпаний [1] в распределительных электрических сетях до 20 кВ общая рекомендуемая ширина просеки составляет 7,5 м между крайними ветвями деревьев, между стволами деревьев — 10 м как для неизолированных проводов, так и изолированных (расстояние от крайнего провода до ветвей деревьев составляет 2,65 м, до ствола дерева — 3,9 м).

В соответствии с Планом управления растительностью, разработанным австралийской электроэнергетической компанией Essential Energy [2], в электрических сетях напряжением 11–22 кВ рекомендуется определять минимальное расстояние от проводников до крайних ветвей в зависимости от длины пролета, типа территории (городская, сельская) и штата. Так, в центре пролета ВЛ длиной 50–100 м с неизолированным проводником минимальное расстояние до края кроны дерева составляет 1,5–2,5 м, а при длине пролета 100–200 м — 2,0–3,5 м. Для ВЛ с изолированными проводами минимальное расстояние составляет 1 м независимо от длины пролета. При этом минимально допустимая ширина просеки для ВЛ 11–22 кВ составляет 20 м между стволами деревьев на противоположных сторонах просеки вне зависимости от исполнения проводов.

В США согласно стандарту электросетевой компании Tacoma Power [3] в сетях напряжением от 751 В до 50 кВ как для неизолированных проводов, так и изолированных рекомендуемое минимальное расстояние от проводника до крайних ветвей деревьев составляет 10 футов (3 м).

В диссертационной работе [4] (Австрия) даются рекомендации по управлению растительностью просек линий электропередачи стран Европейского союза с минимальным расстоянием от провода до ветвей деревьев, равным 10 футам (~ 3 м), при этом вблизи ВЛ в зоне от 10 до 20 футов (~ 3–6 м) деревья не могут быть выше 25 футов (~7,6 м), в зоне от 20 до 50 футов (~ 6–15 м) — не выше 40 футов (~12 м), в зоне более 50 футов высота дерева не ограничивается.

В соответствии с материалами работы [5] в Словакии для энергетической компании E.ON в распределительных сетях рекомендуемая ширина просеки от крайнего провода до ветвей деревьев составляет 7 м, при этом внутри просеки в зоне 5 м от крайнего провода допустимая высота деревьев должна быть не более 3 м.

Для наглядности анализа мировой практики сводные рекомендации по управлению растительностью для ВЛ 6–10 кВ в лестной местности представлены в таблице 1.

Таким образом, согласно рассмотренным рекомендациям зарубежного опыта по управлению растительностью во многих странах мира для ВЛ распределительных электрических сетей до 20 кВ с неизолированными проводами рекомендуемая ширина просеки значительно меньше, чем определена в Постановлении Правительства РФ от 24.02.2009 № 160.

Необходимо отметить, что объемы повреждаемости линий электропередачи также определяются вероятностью падения деревьев на границе просеки ВЛ, которая во многом зависит от ветроустойчивости деревьев. Повышению ветроустойчивости способствует формирование древостоя сложной многоярусной формы на границе с безлесными пространствами. Необходимость выполнения данных мероприятий определена в приказе Минприроды России от 30.07.2020 № 534 «Об утверждении правил ухода за лесами» при описании правил формирования и ухода за опушками леса на границе с безлесными пространствами, в том числе вдоль линий электропередачи. При этом в данном документе отсутствует четкое определение ответственных структур за выполнение данных мероприятий.

В работах [6–9] подчеркивается повышенная ветроустойчивость деревьев при их плотной посадке, что свидетельствуют о том, что наличие насаждений в непосредственной близости к границе охранной зоны ВЛ может повысить ветроустойчивость лесного массива и снизить вероятность падения деревьев при неблагоприятных погодных условиях.

Для повышения надежности эксплуатации ВЛ в настоящее время в зарубежных странах активно развивается практика управления растительностью в охранных зонах ЛЭП, примеры инновационных методов управления растительностью представлены в статье [10].

Так в Испании и Франции используется технология LiDAR (лазерный радар) для формирования объемных карт местности, которые необходимы для наиболее точного мониторинга роста деревьев, позволяющего оперативно выполнять мероприятия по обрезке деревьев на необходимых участках.

В Ирландии [10] при формировании просек учитываются такие факторы, как изменение зазоров между проводами ВЛ и ветвями деревьев при максимальной рабочей температуре, сильном ветре, гололеде и комбинированных ветровых и ледовых условий. С учетом этого подхода был разработан ряд практических руководящих принципов, в которых были определены зоны расчистки, оцениваемые по степени риска перекрытия, что позволяет снизить объем обрезки деревьев в просеке.

В США [10] с целью повышения устойчивости к погодным условиям, повышению ветроустойчивости и снижению подверженности болезням и вредителям используется «направленная обрезка», то есть удаление целых ветвей до ствола для формирования V-образной кроны вокруг проводов (формирование многоярусной формы на границе с безлесными пространствами). Помимо США V-образная обрезка применяется и в других странах, в том числе в Швеции при многоярусной обрезке верхушек деревьев.

По результатам анализа характера фактического состояния линий электропередачи при массовых отключениях потребителей на примере Московского региона в ходе выполнения аварийно-восстановительных работ в мае 2025 года отмечена высокая повреждаемость ВЛ 6–10 кВ при падении деревьев, находящихся на значительном расстоянии от линий. При этом деревья, упавшие на провода с малых расстояний, как правило, наносили гораздо меньший ущерб. Наименьшие повреждения наблюдались на ВЛ с изолированными проводами, чему способствовала реализация мероприятий по масштабной замене неизолированных проводов ВЛ 6–10 кВ в предыдущие годы на изолированные в распределительных сетях ПАО «Россети Московский регион» (по состоянию на начало 2025 года в лесной местности всего 5,9 тыс. км ВЛ 6–10 кВ, из них 5,5 тыс. км выполнено в защищенном исполнении).

На рисунке 1 приведены фотографии, выполненные при осмотре ВЛ, с падением деревьев на расстоянии менее 10 м от провода (граница охранной зоны ВЛ) без его обрыва.

На рисунке 2 показаны фотографии, выполненные при осмотре ВЛ, с падением деревьев на провода с границы охранной зоны ВЛ (10 метров и более), при этом зафиксированы критические повреждения, которые привели к обесточению потребителей.

С учетом отмеченных наблюдений авторами статьи проведены оценочные расчеты нагрузок на ВЛ 6–10 кВ, выполненных наиболее распространенной 70, при падении дерева на×маркой провода СИП-3 1 различных расстояниях от линии.

Расчеты основаны на законе сохранения энергии (1) и законе сохранения момента импульса (2) применительно к падающему дереву.

где m — масса дерева; H_ц — высота центра масс дерева в начальный момент времени; g — ускорение свободного падения (9,81 м/с2); h — высота центра масс дерева в момент касания провода; I — момент инерции дерева относительно основания; ω — угловая скорость дерева в момент соприкосновения с проводом; k — коэффициент потери энергии на преодоление воздушного сопротивления кроны дерева при падении.

где t — время замедления дерева от момента соприкосновения с проводом до его остановки; M_вр — момент силы, действующий на дерево со стороны провода.

Расчетная модель и параметры деревьев приняты согласно ГОСТ [11], применяемого для испытаний лесозаготовительной техники на соответствие требованиям безопасности. Необходимо отметить, что аналогичная расчетная модель использовалась ранее [12] при рассмотрении опыта эксплуатации самовосстанавливающейся воздушной линии электропередачи в ПАО «Россети Московский регион». Согласно данной модели, дерево представляется в виде конуса с центром масс, находящимся на расстоянии ¼ высоты дерева от земли.

Алгоритм расчета нагрузки, создаваемой падающим деревом, можно представить в следующем виде.

1. Определение момента инерции дерева относительно центра масс перпендикулярно оси для принятой модели (конус):

где H — высота дерева; R — радиус ствола дерева.

2. Расчет момента инерции относительно основания дерева по теореме Гюйгенса-Штейнера:

3. Вычисление угловой скорости падения дерева в момент касания провода согласно (1):

где k = 0,25 определен для равноускоренного процесса падения дерева с учетом результатов эмпирических исследований, приведенных в работе [13] для средней величины времени падения дерева 4,5–5 секунд.

4. Далее определяется время замедления дерева от момента соприкосновения с проводом до его остановки для равнозамедленного движения с нулевой конечной скоростью:

где v =∙ω·h_п линейная скорость дерева в точке соприкосновения с проводом; h_п — расстояние от основания дерева до точки соприкосновения с проводом; f — стрела провеса провода в нормальном состоянии (определяется согласно [14]); f_д =  — стрела провеса с упавшим деревом; l — длина пролета;  — длина провода в пролете, определяемая уравнением цепной линии.

5. Определение силы, действующей на провод в вертикальном направлении, согласно закону сохранения момента импульса (2):

В работах [6, 7] показано, что за счет упругости дерева снижается значение импульса при падении дерева до 20% в сравнении с жестким стволом. С учетом данного предположения значение возникающей нагрузки можно уменьшить на 20%.

Сила, действующая в пересчете на один провод, составляет:

6. Определение силы, действующей на разрыв провода F_пр, с учетом направления векторов силы (рисунок 3):

С учетом существующего натяжения провода в нормальном режиме сила составит:

где F_н — сила натяжения провода в нормальном режиме.

Результаты выполненных авторами статьи расчетов согласно формулам (1–11) для провода СИП-3 1×70 с предельным разрывным усилием 20,6 кН [15] и пролетом длиной 65 м при различных расстояниях от падающего дерева до проводов и различных размерах деревьев приведены в таблице 2.

На рисунке 4 в наглядной форме показана зависимость нагрузки на провод ВЛ, создаваемой падающим деревом при различных диаметрах ствола дерева и расстояниях до провода.

По результатам расчетов видно, что нагрузка падающего дерева существенно зависит как от его размеров, так и от расстояния до провода. Для расстояния 10 м, соответствующего падению дерева с границы существующей нормативной 70 не выдержива-×охранной зоны, провод СИП-3 1 ет падение дерева диаметром 16 сантиметров. При уменьшении расстояния до 5 м провод выдерживает падение деревьев до 20 сантиметров в диаметре. Для расстояния 3 м отсутствуют повреждения провода от падения деревьев диаметром до 28 см включительно.

Таким образом, с учетом того, что большинство падающих деревьев находятся на границе просек ВЛ, меньшая ширина просеки ВЛ 6–20 кВ для линий с самонесущими или изолированными проводами, размещенных в лесной местности, позволит при неблагоприятных погодных явлениях существенно снизить вероятность повреждения линии и вероятность обесточения потребителей. Согласно выполненным расчетам, оптимальный вариант ширины просеки наблюдается при расстоянии 3 метра от крайнего провода ВЛ, при этом обеспечивается достаточная ширина для проезда техники вдоль ВЛ и обслуживания ВЛ.

Необходимо отметить, что большинство научных работ, связанных с изучением кинематики и динамики падающего дерева [16–19], ориентированы для решения задачи на применение оптимизации и повышения безопасности процесса валки деревьев, поэтому дерево рассматривается как ствол (конус, цилиндр) без изучения совместного влияния изменения его массы и положения центра масс при различной форме кроны и снежных отложениях, а также при ураганных ветрах.

Комплексный учет таких факторов, как вес дерева, ветер, осевшие атмосферные осадки, воздушное сопротивление кроны, сопротивление волокон и состояние дерева, при моделировании процесса падения дерева представляется предметом для отдельной научно-экспериментальной работы.

Тем не менее, несмотря на допущения, принятые авторами в расчетах, полученные качественные выводы не изменятся при рассмотрении процесса падения дерева в сопоставимых для различных расстояний условиях.

Для ВЛ 35 кВ и выше данная проблематика менее актуальна из-за большей конструктивной прочности линий, большей высоты опор и значительно большей ширины просеки, что подтверждается фактической статистикой. 02.05.2025 в ПАО «Россети Московский регион» произошло отключение 9 ВЛ 110 кВ и 10 ВЛ 35 кВ, при этом количество отключений ВЛ 6–10 кВ составило 286.

Анализируя вероятность повреждения ВЛ при падении деревьев, дополнительно можно отметить, что для узкой просеки ущерб от падения высоких деревьев может быть уменьшен за счет того, что высокие деревья падают на крону деревьев с противоположной стороны просеки и не опираются на провода ВЛ (рисунок 5).

Сопоставляя результаты обзора зарубежного опыта по управлению растительностью и полученные результаты расчетов нагрузок при падении деревьев, представляется целесообразным уменьшение ширины просек в Российской Федерации для линий электропередачи 6–20 кВ с защищенными проводами до 3 метров (расстояние от крайнего провода ВЛ до кроны деревьев), что позволит дополнительно существенно уменьшить площадь расчистки древесно-кустарниковой растительности (рисунок 6).

На примере ПАО «Россети Московский регион» площадь расчистки уменьшится оценочно на 5,4 тыс. га, в пересчете затрат с периодичностью расчистки 1 раз в 4 года, ежегодная стоимость расчистки оценочно может сократиться на 406 млн руб. При комплексной оценке экономии затрат на расчистку ДКР дополнительно необходимо также учитывать затраты на кронирование деревьев.

ВЫВОДЫ

1. В рамках рассмотренных рекомендаций по управлению растительностью зарубежных энергокомпаний ширина просеки распределительных линий электропередачи значительно меньше нормативного значения, утвержденного ПП РФ от 24.02.2009 № 160.

2. С целью уменьшения времени аварийного обесточения потребителей рекомендуется в лесной местности применять исключительно самонесущие или изолированные провода для воздушных линий электропередачи 6–20 кВ.

3. Согласно проведенным оценочным расчетам и фактическим наблюдениям повреждаемость линий электропередачи 6–10 кВ при падении деревьев увеличивается с ростом расстояния от дерева до провода ВЛ. Дополнительно при узкой просеке ущерб от падения высоких деревьев может быть уменьшен за счет того, что деревья падают на крону деревьев с противоположной стороны.

4. Направлениями дальнейшего исследования в области оценки повреждаемости ВЛ также может быть детальный фактологический анализ с расчетом интенсивности потока отказов ВЛ с учетом типа провода, типа опор и природно-климатических особенностей.

5. Проведение детального исследования комплексного влияния таких факторов, как вес и порода дерева, ветер, осевшие атмосферные осадки, воздушное сопротивление кроны, сопротивление волокон и состояние дерева при моделировании процесса воздействия дерева при падении на провода возможно в рамках отдельной научно-экспериментальной работы.

6. С целью минимизации перерывов в электроснабжении потребителей, вызванных падением деревьев при неблагоприятных погодных явлениях, представляется целесообразным внесение изменений в ПП РФ от 24.02.2009 № 160 с закреплением границ просеки ВЛ 6–20 кВ с самонесущими или изолированными проводами в лесной местности на расстоянии 3 метра от крайнего провода ВЛ до кроны деревьев без изменения ширины охранной зоны, что не противоречит мировому опыту. Аналогичные изменения предлагается внести в ПУЭ.

7. Для повышения ветроустойчивости деревьев на границе просек линий электропередачи дополнительно рекомендуется обеспечить формирование V-образной формы лесных насаждений, граничащих с просекой ВЛ. При принятии данного подхода целесообразно рассмотреть наиболее эффективные передовые методы расчистки просек ВЛ и кронирования деревьев с выполнением технико-экономической оценки эффективности их применения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Monni M. Käsiraamat professionaalsete elektrijaotusvõrgu elektrikute ettevalmistamiseks. Tööd õhuliinidel, 2014. 290 lk.
2. Division Procedure: Vegetation Management Plan CEOP8008, 22 July 2025, Issue 17, 35 p.
3. W-OH-0020. Vegetation Management Of Overhead Lines. Tacoma Power, May 17, 2004, 11 p.
4. Sustainable Management of Green Corridors Below Overhead Lines in Europe. Kiruthika Vadivu Swarnamaheswaran. Technische Universität Wien, 2023. 68 p.
5. Rastislav Rybanič. Options and opportunities for ecological powerline corridor management in Slovakia with possible transboundary effects. December 2021, 24 p.
6. Борисевич С.А. Динамические модели ствола дерева и их применение к оценке эксплуатационной нагруженности лесозаготовительных машин: автореф. дис. … канд. техн. наук: 01.02.04. Белорусский национальный технический университет. Минск, 2015. 25 с.
7. Борисевич С.А., Камлюк А.Н Воздействие на лесную машину гибкого ствола дерева при его падении // Механика машин, механизмов и материалов, 2011, № 4(17). C. 54–58.
8. Иванов Г.А. Неравномерно распределенная по длине дерева нагрузка при переменной плотности древесины ствола и кроны // Лесной вестник, 1999, № 1. С. 111–118.
9. Борисевич С.А. Определение сопротивления движению крона дерева / С.А. Борисевич, А.Н. Камлюк, Д.В. Ребко // Труды БГТУ. № 6. Физико-математические науки и информатика, 2013. — С. 34–36.
10. Павлов А. Современные подходы в области управления растительностью вдоль воздушных ЛЭП // Ежеквартальный спецвыпуск «Россети» журнала «ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение», 2020, № 2(17). С. 24–29.
11. ГОСТ 12.2.102–89. Система стандартов безопасности труда. Машины и оборудование лесозаготовительные и лесосплавные, тракторы лесопромышленные. Требования безопасности, методы контроля требований безопасности и оценки безопасности труда. URL: https://docs.cntd.ru/ document/1200012573.
12. Иванов Р.В. Самовосстанавливающиеся воздушные линии электропередачи 6–10 кВ. Опыт применения в ПАО «Россети Московский регион» // Ежеквартальный спецвыпуск «Россети» журнала «ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение», 2021, № 2(21). С. 26–28.
13. Голякевич С.А., Карсюк Р.А. Оценка потенциала рекуперации энергии в процессе валки дерева харвестером // Труды БГТУ. Сер. 1. Лесное хозяйство, природопользование и переработка возобновляемых ресурсов, 2020, № 2(234). С. 160–167.
14. СТО 34.01–2.2–028.1–2017. Воздушные линии 6–20 кВ с применением защищенного провода СИП-3. URL: https://armatech. group/wp-content/uploads/2020/05/ СТО-34.01–2.2–028.1–2017–Н-СИП3–ЖБ.pdf.
15. ГОСТ 31946–2012. Провода самонесущие изолированные и защищенные для воздушных линий электропередачи. Общие технические условия. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200102886.
16. Филенкова Н.В., Суховольский В.Г., Захаров Ю.В., Овчинникова Н.Ф. Кластерная модель ветроустойчивости деревьев с учетом ближайших соседей // Хвойные бореальной зоны, 2011, т. 28, № 1–2. С. 91–97.
17. Румянцев Д.Е. Выявление аварийных деревьев в урбанизированной среде: проблемы и перспективы. URL: https://s.econf.rae.ru/pdf/2015/03/4337.pdf.
18. Румянцев Д.Е., Фролова В.А. Проблемы диагностики аварийности деревьев в урбанизированной среде // Принципы экологии, 2021, № 2(40). С. 102–119.
19. Захаров Ю.В., Суховольский В.Г. Модели устойчивости деревьев и насаждений к воздействию ветра // Лесоведение, 2004, № 2. С. 61–67.