Композитные опоры воздушных линий электропередач

Роль электрического оборудования в обеспечении качества жизни граждан и безопасности рабочих процессов год от года возрастает. В связи с этим растет и важность обеспечения бесперебойного снабжения электроэнергией различных потребителей, к числу которых в последние годы добавилось множество важных и потенциально опасных объектов автомобильного, авиационного и трубопроводного транспорта, а также объекты связи и телекоммуникаций, часто расположенные в самых сложных географических и климатических условиях. Наиболее затратными по капитальным вложениям и в тоже время наиболее уязвимыми к действию неблагоприятных климатических факторов являются воздушные линии электропередач, особенно это относится к распределительным сетям низких классов напряжений 6/10 кВ, которые не закольцованы и имеют упрощенные элементы конструкции (опоры, арматуру) со сравнительно низким запасом прочности, но высокой удельной массой (прежде всего железобетонные стойки опор и стальные траверсы). В последние годы наметилась тенденция замены железобетонных стоек на более эффективные аналоги, особенно на труднодоступных участках линий и на участках, проходящих в сложных климатических условиях. Прежде всего это горные районы и болотистая местность Севера и Сибири. Поэтому проявляется интерес к новым типам опор: стальным многогранным, стальным из гнутого профиля и композитным. Целью работы авторов является разработка, освоение производства и внедрение в опытно-промышленную эксплуатацию особо легких быстросборных и быстромонтируемых композитных опор повышенной надежности для ВЛ 6/10 кВ.

Композитные опоры воздушных линий электропередач — сравнительно новый тип мачтовых конструкций, история которых насчитывает не более 15 лет. Опыт применения их в настоящее время еще небольшой, но характеристики современных композиционных материалов придают опорам этого типа ряд необычных для других типов опор свойств, представляющих определенный интерес с точки зрения снижения затрат на монтаж и повышения эксплуатационной надежности воздушных линий электропередач.

Композитом называется неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более функционально различающихся компонентов, имеющих четкие границы, при этом свойства композита определяются не только и не столько свойствами самих компонентов, сколько их пространственным расположением и характером взаимодействия. В настоящее время термины «композит» и «композитный материал» используется более узко в отношении лишь армированных полимерных композиционных материалов (ПКМ). В качестве армирующих наполнителей в настоящее время получили распространение (в порядке убывания): стеклянное, базальтовое, органическое и углеродное волокно. Органическое и углеродное волокно имеют очень высокую стоимость и крупнотоннажных массовых изделиях применения не находят.

Стеклопластики (СП) и базальтопластики (БП) близки по своим физико-механическим характеристикам (ФМХ).

Указанные особенности ФМХ СП и БП позволяют создавать сверхлегкие мачтовые конструкции, устойчивые к действию повышенных статических и динамических нагрузок. Кроме того, стеклопластики и базальтопластики являются диэлектриками с очень высокими изолирующими свойствами. Основной недостаток данных материалов — достаточно высокая цена. Поэтому их применение оправдано лишь на линиях, сооружаемых в труднопроходимой местности (горы, тундра, тайга, болота) или для строительства линий высокой степени надежности, обслуживание которых затруднено. Высокие диэлектрические свойства стойки позволяют ВЛ сохранять работоспособность при пробое или перекрытии изоляции, а также исключает возникновение блуждающих токов или гибель птиц.

Учитывая вышеобозначенные особенности изделий из композитных материалов, авторами была разработана конструкция облегченной высокопрочной быстросборной и быстромонтируемой компактной при транспортировке комплектной композитной промежуточной опоры для ВЛ 6/10 кВ. В таких изделиях испытывают потребность энергосервисные организации нефтегазовых компаний, операторов сотовой связи. В связи с эти к конструкции предъявляются следующие специфические требования:

- возможность транспортировки не менее 10 опор одновременно вертолетом в грузовой кабине;

- возможность массовой транспортировки легким вездеходным транспортом;

- возможность ручной транспортировки секций опоры в местах, недоступных для техники;

- возможность сборки в полевых условиях с помощью простейших средств;

- возможность монтажа в пробуренный котлован без использования спецтехники;

- стойкость опор и всей линии к экстремальным климатическим нагрузкам;

- возможность продолжения работы линии без отключения при нарушениях изоляции;

- снижение опасности ВЛ для окружающей среды, вызванной блуждающими токами и исключение случаев гибели птиц на ВЛ.

Эти требования были сформулированы авторами на основе публичных технических заданий компаний «Газпром-Стройтек-Салават» и «Татнефть-Энергосервис» на перспективные типы опор ВЛ 6 - 10 кВ.

   

Рисунок 1. Схема композитной опоры ПК-10-1 в трехсекционном и двухсекционном вариантах

Предложенная авторами конструкция опоры ПК10-1 представлена на рисунке 1. Опора свободностоящая типа «столб» секционной конструкции. В варианте для транспортировке вертолетом, вездеходом и вручную конструкция разбита на три секции (поз. 1, поз. 2 и поз. 3). Причем масса каждой из секций не превышает 100 кг, диаметр лежит в диапазоне от 165 до 350 мм, а длина секции не превышает 5 м. Если указанных требований по транспортировке нет — конструкция выполняется двухсекционной. Траверсы поз. 4 (или иные элементы для закрепления проводов) выполнены в виде конструктивных элементов верхней секции. Каждая секция представляет собой композитную цилиндрическую трубу с переменной по высоте толщиной стенки. Вторая и третья секция (при ее наличии) в нижней части имеет переходной конический участок. Секции соединяются друг с другом телескопическим стыком (рисунок 2), фиксируемым штифтами 6 и 8, блокируемые кольцами 7 и 9.

  

  

Рисунок 2 - Процесс сборки опоры ПК-10-1

С завода опоры поставляются упакованными по схеме «матрешка»: секция меньшего размера помещается внутрь секции большего размера. Элементы траверсы, изоляторы и арматура (при комплектной поставке) также помещаются внутрь секций стойки. Таким образом размер опоры в транспортной упаковке не превышает размера нижней секции стойки.

Такая конструкция на первый взгляд несколько необычна, но максимально оптимизирована под особенности имеющейся технологии производства, но при этом полностью отвечает требованиям, предъявляемым к опорам. Дело в том, что создание специализированных заводов, ориентированных лишь на выпуск композитных опор ВЛ пока экономически не целесообразно. Но выпуск на существующих мощностях по производству стеклопластиковых труб вполне рентабелен. Применение телескопического стыка связано также с особенностями технологии производства. Дело в том, что внутренняя цилиндрическая поверхность секции стойки формируется на технологической оправке, выполненной с высокой точностью. Наружная цилиндрического поверхность участка стойки в зоне телескопического стыка механически обрабатывается с высокой точностью. Таким образом формируется посадка с расчетным значениям натяга. Стык фиксируется штифтами поз. 6 устанавливаемыми с натягом, которые фиксируются в отверстиях накиданным запорным кольцом поз. 7, также устанавливаемым с натягом на наружную поверхность. Полученное соединение оказывается прочным, компактным и исключает относительные колебания секций. Переменная толщина стенки обеспечивает равнопрочную и равножесткую конструкцию.

Полученная опора обладает пониженной жесткостью по сравнению с железобетонными аналогами. Это позволяет при буревых скоростях ветра или при обледенении безопасно распределять возникающие локальные избыточные нагрузки по множеству элементов ВЛ и существенно снижает вероятность обрыва проводов и арматуры, а также поломки изоляторов. При этом жесткость вполне достаточна для сохранения безопасных значений габаритов ВЛ. В тоже время конструкционная прочность созданной опоры существенно выше чем у железобетонных и не уступает стальным. Поэтому вероятность излома опоры практически исключается. Высокие диэлектрические свойства ПКМ позволяют существенно снизить требования к изоляции, а также некоторое время (до ремонта) безопасно эксплуатировать линию при повреждении изоляторов и избежать отключений. Последнее очень важно в труднодоступных районах, где ремонтные бригады не всегда имеют возможность оперативно прибыть к месту повреждения, особенно в штормовую погоду. Пониженная жесткость конструкции и и ее высокие диэлектрические свойства позволят ВЛ на композитных опорах сохранить работоспособность в сложных условиях погоды. Здесь оценки авторов подтверждаются опытом энергокомпаний Канады и США [1].

Диэлектрические свойства композитных опор исключают возникновение в грунте блуждающих токов и обеспечивают безопасность для птиц без применение специальных устройств.

Разработанная авторами трехсекционная опора успешно прошла испытания на полигоне ЦИВЛ ОАО «Фирма ОРГРЭС» в соответствии с требованиями стандарта МЭК «Испытания опор воздушных линий электропередач механическими нагрузками», рабочей методики МТ 701.000.0071-86, СНиП-II-23-81 и главы 2.5 ПУЭ 7.

В таблице 1 приводятся характериcтики созданной авторами композитной промежуточной опоры ПК-10-1 в сравнении с опорами типа П10-1 (на базе стойки СВ-105), многогранной стальной опоры ПМ-10-1 и специальной стальной опоры ЭЛСИ ПС10П-6АМ из гнутых профилей.

 

ПК-10-1 [2]

П10-1 [3]

ПМ-10-1 [4]

ЭЛСИ ПС10П-6АМ [5]

Масса (с фундаментом и траверсами), кг

230

1250

377

282 (без фундамента)

Масса наиболее тяжелой детали, кг

120

1170

324

210

Габаритные размеры в транспортной упаковке, мм

360х5000

205х280х10500 (стойка)

310х11100

400х400х9000

Изгибающий момент нормального режима, кН*м

35

36

56

35

Предельный неразрушающий изгибающий момент, кН*м

не менее 150

60

нет данных

нет данных

Отношение предела прочности к модулю упругости материала, ГПа/МПа

12

порядка 3

порядка 5

порядка 5

Состояние опоры после приложения и снятия запредельной нагрузки

восстанавливает исходное состояние

изламывается и падает

получает остаточные пластические деформации и требует замены

На рисунке 3 представлены фотографии опор ПК10-1 в процессе испытания на полигоне. На рисунке 4 — фотография опоры ПК10-1 в составе действующего участка ВЛ 10 кВ «Татнефть-Энергосервис» в г. Альметьевск (Татарстан).  

Рисунок 3 - Композитные опоры в опытном участке действующей линии

Конструкция опоры хорошо оптимизирована под изготовление на существующем оборудовании по выпуску крупногабаритных труд цеха №2 ЗАО НПП «Алтик». Авторами также были решены вопросы обеспечение стойкости опоры к старению под действием излучения Солнца и почвы со щелочной реакцией. В результате выполненной авторами в 2013-2014 годах работы была создана промышленно реализуемая конструкция особо легкой быстросборной быстромонтируемой стеклопластиковой опоры для ВЛ 6 - 10 кВ повышенной надежности. Опора успешно прошла испытания механическими нагрузками, которые подтвердили правильность выбранных авторами решений.

  

Рисунок 4 - Испытания опоры ПК-10-1 на полигоне ЦИВЛ ОАО "Фирма ОРГРЭС"

В настоящее время авторами разрабатывается семейство опор на основе ПК10-1, в частности опоры аварийного резерва с адаптерами для установки на комлевые обломки железобетонных опор, а также опора с интегрированной изолирующей несущей системой.