Использование новых конструкций опор из гнутых металлических профилей при строительстве воздушных линий электропередачи высших классов напряжения


Гунгер Ю.Р., Зевин А.А., ЗАО "ВНПО ЭЛСИ", Новосибирск

Хромов Е.Г., Демин Ю.В., ОАО "Сибэнергосетьпроект", Новосибирск


Выполнен анализ технических решений, реализованных в традиционных типах стальных опор линий электропередачи высших классов напряжения. Выявлены достоинства и недостатки опор различных типов. Предложены опоры новых конструкций из гнутых профилей переменного сечения, в которых реализованы достоинства опор, выполненных по различным традиционным схемам. Предложенные новые конструкции опор, разработанные ГК ЭЛСИ, имеют лучшие технико-экономические характеристики, чем опоры традиционных конструкций.

Ключевые слова: опоры ЛЭП из гнутых стальных профилей, разработка опор новых конструкций

В настоящее время при строительстве воздушных линий электропередачи (ЛЭП) высших классов напряжения (220 кВ и выше) в России в основном применяются стальные опоры. При этом опоры выполняются свободностоящими или на оттяжках. Свободностоящие стальные опоры могут быть башенного типа или узкобазыми [ 1 ].

Усилия в несущих поясах свободностоящих опор определяются, в основном, изгибающими моментами от нагрузок, которые в нормальных режимах направлены перпендикулярно оси ВЛ, а в аварийных – вдоль оси ВЛ. При этом изгибающий момент, воздействующий на стойки опор, увеличивается в направлении к поверхности земли. Для восприятия этого возрастающего момента в опорах башенного типа и в узкобазых опорах используются разные технические идеи.


Стальные свободностоящие опоры башенного типа.

Стойки стальных свободностоящих опор башенного типа выполняются в виде четырехгранных пространственных ферм с элементами поясов и решетки из прокатных уголков (Рис.1.а.). Конструктивно стойки по высоте делятся на секции высотой 5-9 м; в пределах каждой секции сечения поясов постоянны. Так как изгибающие моменты в верхних сечениях меньше, а в нижних больше, выгодно делать секции с наклонными поясами, чтобы, по возможности, сблизить усилия в поясах верхних и нижних панелей каждой секции. При равенстве этих усилий можно полностью использовать прочность материала поясов по всей высоте секции, что минимизирует затраты стали на пояса. Однако, большой наклон поясов, приводит к расширению стоек опор в нижней части, увеличению массы решетки и необходимости установки опор на четыре фундамента. Характерный размер сечения в основании для опор башенного типа – около 5 метров для опор 220 кВ, 5-8 метров для опор 500 кВ, и до 14 метров для опор 1150 кВ.

Опоры башенного типа широко используются не только на территории РФ и СНГ, но и во всей мировой практике строительства ЛЭП, и являются наиболее распространенными.

На фундаменты опор башенного типа в основном воздействуют сжимающие и вырывающие нагрузки. Характер нагрузок, воздействующих на фундамент, определяет выбор типа фундаментов, которые выполняются из железобетона грибовидными или свайными. При использовании свайных фундаментов, в связи с необходимостью обеспечивать закрепление на действие вырывающих усилий, необходимая длина свай колеблется от 8 до 12 метров, а в некоторых случаях возникает необходимость установки под каждый несущий пояс нескольких свай – до четырех штук.

tip1.gif


Преимуществом стальных опор башенного типа является простота технологического процесса по их изготовлению. Производство опор состоит в нарезке в размер стандартных прокатных профилей и продавливании в них монтажных отверстий. Сварочные работы ограничиваются приваркой фланцев для установки опор на фундаменты.

Недостатки стальных опор башенного типа состоят в следующем:

  • значительные трудозатраты на укрупнительную сборку опор на базах монтажных организаций;
  • большие размеры секций опор после укрупнительной сборки, что снижает эффективность загрузки транспортных средств;
  • значительные затраты на строительство фундаментов;
  • плохая устойчивость опор к пучениям (пучение фундаментов всегда неравномерно, что приводит к разрушению пояса опоры со стороны фундамента, подверженного пучению в большей степени);
  • сложность закрепления опор в "слабых" и заболоченных грунтах, где для удержания опоры необходимо значительно увеличивать вес свайных фундаментов с целью компенсации выдергивающих усилий;
  • большая отчуждаемая под опоры площадь.


Стальные свободностоящие узкобазые опоры

Стальные свободностоящие узкобазые опоры выполнены по схеме консоли с защемленным концом. Стойки опор выполняются многогранными с изменяющимся по высоте опоры сечением (Рис1.б.). Опоры подобного типа в последние десятилетия получили широкое распространение в США и Канаде, где большая часть новых ЛЭП строится с использованием опор этого типа, получивших название "poles". Опоры типа poles выполняются в виде многогранных стоек сплошного сечения с изменяемой по высоте опоры площадью поперечного сечения. Стойки опор состоят из отдельных секций длиной 10 – 15 метров. В СССР были разработаны аналогичные опоры серии ПМ [ 1 ], однако они не нашли широкого применения при строительстве ЛЭП, очевидно в силу своей высокой цены и сложной технологии производства.

Недостатком опор со стойками сплошного многогранного сечения является относительно большой расход материала. Объясняется это тем, что при воздействии изгибающих усилий напряжение в волокнах, расположенных в районе нейтральных осей сечения оказываются существенно ниже допускаемых, т.е. прочность материала в этих волокнах полностью не используется. Еще одним недостатком подобных конструкций является наличие замкнутых полостей, для которых необходимо обеспечить герметичность на протяжении всего срока эксплуатации опор, т.к. при разгерметизации замкнутых полостей возможна интенсивная коррозия внутренней поверхности конструкции, вызванная конденсирующейся внутри полости влагой.

Опоры этого типа устанавливаются на один фундамент. Фундаменты опор ЛЭП выполняются буронабивными железобетонными, либо в виде сваи из стальной трубы или в виде продолжения стойки.

К достоинствам узкобазых свободностоящих опор следует отнести малый поперечный размер секций (как правило не более 1 м), установку опор на один фундамент и, как следствие малую площадь, отчуждаемую под опору.

Недостатки стальных свободностоящих узкобазых опор состоят в следующем:

  • большой вес;
  • повышенные требования к эксплуатации, состоящие в необходимости обеспечения герметичности конструкции в течение всего срока службы;
  • невозможность подъема на опоры монтажного и ремонтного персонала без использования специальной грузоподъемной техники;
  • сложность технологического процесса по изготовлению опор;
  • высокая цена.


Стальные опоры на оттяжках

Стальные опоры на оттяжках выполняются по различным механическим схемам. Опоры этого типа могут быть одностоечными и двухстоечными с количеством оттяжек от двух до шести. Пример исполнения опоры на оттяжках приведен на рис.1.в. Независимо от схемы, стойки опор на оттяжках, в отличии от свободностоящих опор, испытывают не изгибающие, а сжимающие усилия, оттяжки в таких опорах воспринимают растягивающие усилия. Характер нагрузок, воздействующих на стойки опор на оттяжках, позволяет использовать для стоек малые сечения. Размер сечения для стоек опор этого типа определяется из соображений общей устойчивости конструкций. Характерный размер сечения стоек опор на оттяжках находится в пределах 1 метра. Закрепление оттяжек выполняется при помощи анкерных плит, винтовых анкеров или свай.

Преимуществом стальных опор на оттяжках является их малый вес, малый поперечный размер секций и простота технологического процесса по их изготовлению. Производство опор, так же, как и для опор башенного типа, состоит в нарезке в размер стандартных прокатных профилей и продавливании в них монтажных отверстий.

Недостатки стальных опор на оттяжках состоят в следующем:

  • значительные трудозатраты на укрупнительную сборку опор на базах монтажных организаций;
  • значительные затраты на строительство фундаментов;
  • сложность монтажа;
  • сложность закрепления опор в "слабых" и заболоченных грунтах, где для закрепления оттяжек необходимо значительно увеличивать вес свайных фундаментов с целью компенсации выдергивающих усилий;
  • большая площадь, отчуждаемая под опоры из-за наличия оттяжек;
  • повышенные требования к эксплуатации, состоящие в необходимости контроля за усилиями в оттяжках;
  • возможность повреждения оттяжек транспортными средствами и сельскохозяйственной техникой.


Учитывая то, что все рассмотренные конструкции опор имеют как определенные достоинства, так и некоторые недостатки, вытекающие из реализованных в них технических идей, представляется целесообразным выполнение работ, направленных на создание более оптимальных конструкций опор линий электропередачи. При этом, чтобы удовлетворить требованиям оптимальности, новые разрабатываемые конструкции должны с одной стороны максимально вобрать в себя достоинства существующих опор различных типов, а с другой стороны, максимально избавиться от присущих существующим опорам недостатков.

Такой подход может быть реализован при использовании механических схем опор с узкой базой (как для опор ПМ и poles), но с заменой сплошного металлического листа в области нейтральных осей сечения на легкие раскосы (как у опор башенного типа). При этом с тем, чтобы избежать увеличения базы опор, несущие пояса должны изготавливаться переменного по высоте сечения, что требует применения в конструкции стоек опор гнутых стальных профилей, т.к. металлургическая промышленность не выпускает требуемых для решения поставленной задачи стандартных профилей переменного сечения. Полученные в результате такого усовершенствования опоры представляют собой эволюцию узкобазых опор замкнутого сечения. Преимущества новых конструкций опор, разработанных в рамках предложенного подхода, состоят в снижении веса опор и в отсутствии замкнутых полостей.

На сегодняшний день есть примеры разработки более совершенных конструкций стальных опор линий электропередачи с использованием гнутых стальных профилей переменного сечения для ЛЭП напряжением 35 – 110 кВ [ 2 ]. В ЗАО "ВНПО ЭЛСИ" разработана и испытана базовая стойка [ 3 ], на которой выполняются опоры для ЛЭП 35 – 110 кВ в одноцепном и двухцепном исполнениях. Стойка выдерживает изгибающий момент 40 тсм. На рис.2.а. в качестве примера представлена механическая схема двухцепной опоры 110 кВ и поперечное сечение стойки опоры в основании и в верхней части опоры.

Однако, механических характеристик стойки, используемой группой компаний ЭЛСИ при изготовлении опор линий электропередачи 35-110 кВ, недостаточно для использования этой стойки для разработки и производства опор ЛЭП более высоких классов напряжения.

tip2.gif


Разработка новых конструкций опор для ЛЭП высших классов напряжения – 220 кВ и выше годами сдерживалась отсутствием спроса на строительство ЛЭП этих классов напряжения на протяжении последних 10 лет. В настоящее время эта ситуация начинает меняться – с конца 2002 года интерес к новым конструкциям опор для ЛЭП 220 кВ стали проявлять некоторые энергосистемы РФ и компания АЛРОСА. В связи с этим в ЗАО "ВНПО ЭЛСИ" с начала 2003 г. возобновлены работы по разработке новых конструкций опор для линий электропередачи высших классов напряжения.

Самым простым способом увеличения несущей способности стойки на изгиб является изменение ее геометрических размеров. На рис.2.б. представлена механическая схема одноцепной опоры для ЛЭП 220 кВ и поперечное сечение стойки опоры в основании. Стойка с новыми геометрическими размерами воспринимает изгибающий момент до 55 тсм. При такой прочности стойки предлагаемая опора позволяет использовать провод АС 400/51, обеспечивая при этом габаритные пролеты 310 м для III ветрового и II гололедного районов, и 260 м для III ветрового и IV гололедного районов. По сравнению со стальной опорой башенного типа П-220-3, предлагаемая конструкция дает экономию стали на 1 км ЛЭП 29 % для II и на 35 % для IV гололедных районов.

Кроме сокращенного объема стали на производство опор, существенная экономия денежных средств и времени строительства при сооружении ЛЭП с использованием опор подобного типа будет определяться тем, что опора устанавливается на один фундамент, что резко сокращает самую трудоемкую, дорогостоящую и продолжительную составляющую строительства – устройство фундаментов.

Не существует принципиальных препятствий для того, чтобы разработать и изготовить узкобазую стойку опоры с практически любым изгибающим моментом. Так в ЗАО "ВНПО ЭЛСИ" разработаны стойки, воспринимающие изгибающие моменты до 100 тсм [ 4 ]. Однако, при использовании таких стоек возникают проблемы с их закреплением в большинстве типов грунтов, т.к. довольно сложно выполнить фундамент с такой несущей способностью по грунту на опрокидывание. По этой причине, на наш взгляд, для двухцепных опор линий электропередачи высших классов напряжения схему опору "консоль с защемленным концом" вряд ли стоит рассматривать как оптимальную.

Для опор двухцепных ЛЭП высших классов напряжения и для одноцепных ЛЭП высших классов напряжения с расщепленными проводами предлагается новая механическая схема, включающая в себя основную несущую стойку и легкий подкос, установленный в плоскости, перпендикулярной оси ЛЭП. Выбор этой схемы основан на том, что для указанных выше опор определяющими являются нагрузки нормальных режимов, а нагрузка аварийного режима заметно ниже. При таком распределении воздействующих на опоры нагрузок, подкос позволяет снять изгибающие нагрузки рабочих режимов, переведя их ниже точки крепления подкоса в сжимающие и растягивающие. Это позволяет выбирать несущую способность основной стойки на изгиб по аварийному режиму. Фактически, в такой схеме дополнительно к преимуществам основной стойки добавляется преимущество опор с оттяжками, не испытывающими изгибающих воздействий, с той разницей, что функции оттяжек выполняет подкос. Использование подкоса позволяет добиться по сравнению с оттяжками двух преимуществ: применить один подкос вместо двух оттяжек (т.к. подкос может работать не только на растяжение, но и на сжатие), за счет чего достигается экономия одного фундамента, и избежать необходимости периодической проверки и регулировки оттяжек в процессе эксплуатации опор.

На рис.2.в. представлена механическая схема двухцепной опоры ЛЭП 220 кВ с одним подкосом и сечение основной стойки в части ниже крепления подкоса. Двухцепная опора 220 кВ, выполненная по такой схеме, позволяет использовать провод АС 400/51, обеспечивая при этом габаритные пролеты 440 м для IV ветрового и II гололедного районов, и 355 м для IV ветрового и IV гололедного районов. По сравнению со стальной опорой башенного типа П-220-2, предлагаемая конструкция дает экономию стали на 1 км ЛЭП 26 %.

Кроме сокращенного объема стали на производство опор, существенная экономия денежных средств и времени строительства при сооружении ЛЭП с использованием опор подобного типа будет определяться тем, что опора устанавливается на два фундамента (а не четыре, как опора башенного типа), что значительно сокращает самую трудоемкую, дорогостоящую и продолжительную составляющую строительства – устройство фундаментов.

Дополнительные преимущества предлагаемых новых конструкций опор:

  • лучшая устойчивость к пучениям;
  • опоры "лазовые", что позволяет производить монтаж ЛЭП и ее обслуживание без применения автовышек;
  • в отличие от опор типа ПМ и "poles", нет необходимости обеспечивать герме-тичность конструкций в процессе эксплуатации;
  • нет необходимости проверки и регулировки оттяжек.


С использованием предложенных подходов и конструктивных решений могут быть разработаны опоры с улучшенными технико-экономическими характеристиками для ЛЭП более высоких классов напряжения.


Выводы

  1. Применяемые на сегодняшний день при строительстве ЛЭП высших классов напряжения различные конструкции опор имеют ряд достоинств и недостатков, что позволяет разработать новые оптимальные конструкции опор, максимально включающие в себя достоинства различных существующих конструкций.
  2. Предложены новые конструкции опор ЛЭП 220 кВ. В основу новых конструкций опор заложена комбинация технических решений, используемых в узкобазых многогранных опорах, опорах башенного типа и опорах на оттяжках. В новых конструкциях опор реализованы положительные характеристики опор указанных типов.
  3. Предлагаемые новые конструкции опор ЛЭП 220 кВ характеризуются сниженным расходом материалов и объемами строительно-монтажных работ, в результате чего стоимость и время строительства ЛЭП с использованием опор такого типа будет ниже, чем при использовании опор традиционных конструкций.
  4. Предлагаемые новые конструкции опор линий электропередачи 220 кВ более просты в эксплуатации.



СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Справочник по электрическим установкам высокого напряжения / Под. ред. И.А. Буамштейна, С.А. Бажанова. – 3-е изд., перераб. И доп. – М.:Энергоатомиздат, 1989. – 768 с.
  2. Гунгер Ю.Р., Пивчик И.Р., Хромов Е.Г., Демин Ю.В. Разработка новых конструкций опор ВЛ из гнутых металлических профилей нетрадиционных форм. / /Электрические станции. – 2003. – № 3. – С.48-50.
  3. Заявка PCT/RU01/00460 ВОИС, МКИ Е04Н 12/10, Е04С 3/32. Power transmission line support/ Gunger Y.R., Zewin A.A. (RU) – Опубл. 16.01.03; Приоритет 03.07.01, № 2001118068 (Россия) – 18 с.
  4. Пат. 2197586 РФ, МКИ Е04Н 12/10. Опорная конструкция для линии электропередачи/ Гунгер Ю.Р., Зевин А.А.; Опубл. 27.01.03, Бюл. № 3, Приоритет 25.07.01, № 2001120753 (Россия) – 20 с.

Возврат к списку