Сооружение линий электропередачи - Металлические опоры ЛЭП

ЧАСТЬ ВОСЬМАЯ
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ОПОРЫ
Глава двадцать девятая
КОНСТРУКЦИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОПОР

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

Область применения металлических опор, в основном, определяется рядом существенных преимуществ, выгодно отличающих опоры из металла от опор из дерева и железобетона.
Преимущества металлических опор по сравнению с деревянными следующие:

1. Больший срок службы.
2. Способность противостоять огню и разрушениям от грозовых разрядов в опору.
3. Возможность крепления значительно большего числа проводов и практически неограниченная высота опоры.
4. Высокая эксплуатационная надежность и простота обслуживания.
5. Лучшие условия для заземления и подвески защитных тросов.
6. Лучшее архитектурное оформление опоры.
7. Большая сборность, позволяющая изготовление целых основных элементов опор или отдельных секций на заводах, что существенно уменьшает трудоемкие работы на трассе.

Кроме того, металлические опоры при одинаковых нагрузках и высоте примерно в 2 раза легче деревянных и в 8 раз — железобетонных. Последнее обстоятельство является одной из причин, затрудняющих применение железобетонных опор.
Недостатками металлических опор являются:

1. Необходимость их периодической окраски для предохранения от ржавления.
2. Слабое использование грузоподъемности транспортных средств при перевозке опор.
3. Необходимость выполнения на трассе Специальных работ (сборка, рассверловка и иногда сварка металлических конструкций), что требует наличия квалифицированной, рабочей силы разных специальностей и усложняет монтаж.
4. Увеличение начальных затрат на сооружение линии.

Опоры из металла выполняются на линиях, где требуется высокая эксплуатационная надежность, большой срок службы опоры, а также при двухцепных линиях; на больших переходах через различные инженерные сооружения или через реки; в городских и промышленных местностях и в горных районах, где деревянные опоры не размещаются из-за больших размеров в плане.
Широкие перспективы развития и реконструкции высоковольтных сетей Союза дают основание полагать, что применение металлических опор будет ежегодно расти.
Это обязывает линейные строительно-монтажные организации перейти от существующих полукустарных методов изготовления и монтажа металлических опор на новые индустриальные и скоростные методы работы.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОПОР

Металлическая опора состоит из следующих четырех основных конструктивных элементов: а) фундамента, б) основной колонны или ствола опоры, в) траверз и г) тросостоек или рогов опоры (фиг. 80).
Фундамент опоры служит для закрепления ее в грунте и обеспечивает устойчивость опоры.
В отдельных случаях фундаменты опор выполняются металлическими.
Основная колонна, являясь опорой для прикрепления траверз и тросостоек на определённой высоте от земли, воспринимает все внешние нагрузки от проводов и тросов и передает их на фундамент.
По конструкции основная колонна, или ствол опоры, представляет собой легкую решетчатую пространственную ферму прямоугольного или квадратного сечения. Почти во всех типах опор размеры поперечного сечения колонны опоры уменьшаются по направлению от низа к верху.
Пространственная ферма, служащая стволом опоры, состоит из: 1) четырех основных стержней (ребер) (фиг. 81), называемых поясами, несущими большую часть нагрузки; 2) системы вспомогательных стержней, или решеток, расположенных в четырех гранях опоры и связывающих между собой пояса; 3) нескольких систем горизонтальных связей, располагаемых в отдельных поперечных сечениях опоры и называемых диафрагмами.
Диафрагмы необходимы для обеспечения неизменяемости формы поперечного сечения колонны и устойчивости отдельных стержней.
По. этим соображениям в каждой части колонны, перевозимой отдельно на место монтажа, должны быть одна или две диафрагмы, располагаемые в торцах.
Места соединения стержней решетки с поясом или между собой называются узлами. Центром узла называют точку пересечения продольных осей стержней, сходящихся в данном узле (фиг. 81).
Часть пояса, расположенная между двумя соседними узлами, называется панелью, а расстояние между центрами этих узлов — длиной панели.
Решетки и грани колонны различают по их положению относительно оси линии.

Фиг. 80. Промежуточная двухцепная опора широкобазого вида основного типа.

Фиг. 81. Решетка двух смежных граней портальной опоры в развернутом виде.
Поперечными или фасадными гранями (решетками) называют грани опоры, располагаемые поперек оси линии, а продольными или боковыми — грани, параллельные оси линии.
Часто решетки двух граней колонны, или даже всех четырех, имеют одинаковую конфигурацию (схему).
Траверзы опоры предназначаются для прикрепления к опоре проводов при помощи изоляторов с арматурой — на определенном расстоянии между собой и от ствола опоры.
В большинстве конструкций 35 и 110-кВ опор траверзы выполняются из уголков в виде небольших консольных конструкций треугольной формы, прикрепляемых к стволу опоры. Реже траверзы делаются из швеллеров. В опорах 220 кВ, а также в различных специальных и переходных опорах, часто траверзы имеют форму длинных пространственных ферм квадратного или прямоугольного сечения.
Тросостойки, или рога, служат для крепления защитных тросов на определенном расстоянии над проводами. Они выполняются в виде легких конструкций, образующих верхнюю часть опоры.
Пространственные фермы, образующие основные части опор, отличаются от обычных строительных металлических ферм:

1. легкостью всей конструкции, состоящей из стержней, выполняемых почти исключительно из одиночных уголков, часто мелких и средних профилей;
2. увеличенной в 1,5—2 раза гибкостью как отдельных стержней, так и всей фермы в целом;
3. значительными поперечными размерами фермы и большой ее высотой.

Вследствие отмеченных особенностей металлические конструкции опор имеют малый объемный вес, что создает при перевозке низкий коэффициент использования грузоподъемности транспортных средств. Кроме того, наличие в конструкции мелких уголков, с повышенным коэффициентом гибкости, создает значительные трудности сохранения их от повреждений при погрузке, разгрузке и перевозке.

ВИДЫ И ТИПЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОПОР

В настоящем описании опор рассматриваются лишь те конструктивные особенности их, которые имеют производственное значение при изготовлении, транспортировке и монтаже. В соответствии с этой задачей в последующих материалах металлические опоры классифицируются в основном по конструктивным признакам. Сведения о разбивке конструктивных видов опор по другим признакам, как-то: по напряжению линии, по количеству цепей или проводов, по расположению и сечению их, а также по назначению и положению опор на линии приведены на фиг. 82 *
Основных видов опор, определяемых их конструктивным различием и трудоемкостью работ по сборке на линии, три:

1. Широкобазый.
2. Узкобазый.
3. Портальный.                   

Фиг. 82. Применение различных конструктивных видов и типов опор на линиях.

*График на фиг. 82 составлен по материалам справочника конструкций опор, утвержденного 24/V 1948 г. зам. министра электростанций для обязательного применения впредь до выпуска типовых опор. Цифрами помечены номера конструктивных типов опор по монтажной классификации, изображенной на фиг. 83. В графе 16 фиг. 83 по каждому номеру типа опоры дано указание на номер листа и раздел утвержденного справочника.

Фиг. 83. Монтажная классификация опор.

Фиг. 84. Промежуточная опора узкобазого вида основного типа.
Фиг. 85. Анкерная опора широкобазого вида смешанного типа.
Под определение «широкобазовый вид» подходят все виды опор, имеющие нижнюю секцию с поперечным габаритом более 2,7 м.
Секции такого габарита делаются разборными, так как максимальный габарит ж.-д. вагона 2,74 м.
Узкобазные и портальные опоры имеют нижние секции целые, так как по своим габаритам они укладываются в габарит ж.-д. вагона.
Изготовление нижних секций опор на заводе целыми значительно сокращает трудоемкие работы по сборке на линии.
Внутри этих трех видов опоры подразделяются на типы в зависимости от напряжения, числа проводов, назначения и конструкции верхней части опоры.
В практике линейного строительства применяются опоры и других видов (Х-образные из труб, Свирская и др.), но все эти виды опор широкого распространения не получили.
Конструкции опор первых двух видов одностоечные, а портальная опора имеет две стойки или колонны.

Фиг. 86. Промежуточная опора узкобазого вида 220 кВ типа "Рюмка".

Характерными отличительными признаками конструкций опор являются также: а) геометрическая форма отдельных частей ствола; б) отношение базы опоры к ее высоте; в) принципиальная схема верхней части опоры с траверзами (см. графы № 5, 6, 7, 9 на фиг. 83).
Указанными характерными отличительными признаками три основные вида опор разбиваются на типы.
Разделение опор по типам на фиг. 83 отмечено номерами типов опор внутри каждого из трех видов.
А. Опоры узкобазого вида (фиг. 84 и 86) характеризуются небольшими поперечными размерами, что вместе с простой схемой стержней определяет удобства изготовления, хорошую транспортабельность и возможность укрупнения ствола до 60—100%, т. е. высокую сборность. Этими главными преимуществами опорам узкобазого вида обеспечивается по производственной оценке первое место среди других рассматриваемых видов. По затрате металла опоры узкобазого вида выгодно отличаются от широкобазых. Однако разница в весе опор значительно изменяется в зависимости от их назначения. С увеличением расчетных нагрузок и изгибающего момента экономия в металле снижается.
Необходимость производства на линии бетонных работ является одним из существенных недостатков опор узкобазого вида, что до сих пор ограничивало их применение.
Практикуемое в последнее время широкое применение металлических подножников весьма существенно снижает выгоды по расходу металла на узкобазые опоры, но расширяет возможности применения их по производственным соображениям. При одинаковых расчетных условиях веса подножников и объемы фундаментов узкобазых опор получаются больше, чем для опор широкобазого вида. Это вызывается увеличением нагрузок на фундамент узкобазой опоры от уменьшения размера базы. Вес подножника 35-кВ 2-цепной промежуточной опоры для линии сечением до МГ-50 составляет 32% от веса верхнего строения, а для трехпроводных 110-кВ линий сечением до МГ-95 по промежуточным опорам это соотношение увеличивается до 35—40%.
Не рассматривая подробно вопроса о пределах рентабельности применения узкобазых опор с металлическими подножниками, отметим, что по производственным соображениям конструкция опор узкобазого вида обеспечивает сокращение времени на сооружение опор, снижение трудозатрат, особенно на линии, и сокращение транспортных расходов.
Это необходимо учитывать при выборе конструктивного вида опоры и фундаментов для нее.
В зависимости от расположения проводов опоры узкобазого вида выполняются двух различных по конструкции типов:

1. опоры основного типа (см. на фиг. 83 типы с № 1 по № 3) с вертикальным расположением проводов, и
2. опоры типа «Рюмка» с горизонтальным расположением проводов.

Последние характеризуются особой конструкцией верха опоры в виде развилки, заменяющей верхнюю часть ствола.
Б. Широкобазые опоры (фиг. 80 и 85) имеют значительно большую базу (до 1/4 от высоты опоры) и, как правило, устанавливаются на 4 раздельных фундаментах.
Последние выполняются для промежуточных, анкерных, а в некоторых случаях и для угловых опор в виде подножников:
Как уже указывалось, из-за большой затраты металла широкобазая опора уступает узкобазой, но необходимые для ее устойчивости размеры фундаментов значительно меньше.
Возможность применения металлических подножников для промежуточных и анкерных опор, составляющих от 85 до 95 % общего количества опор, имеет весьма существенное практическое значение при постройке линий.
Это обстоятельство является основным преимуществом широкобазых опор и объясняет значительное распространение их в прошлом на 2-цепных 110-кВ линиях.
Однако, наряду с указанным преимуществом, широкобазый вид опоры имеет и существенные недостатки; главные из них:

1. Плохая транспортабельность, вызывающая значительную потребность в транспортных средствах и горючем;
2. Большая сложность и трудоемкость изготовления, а также и сборки опоры на трассе.
3. Больший, по сравнению с узкобазой, вес.

Недостатки широкобазой опоры определяются, главным образом, значительными поперечными размерами ствола ее.
Опоры широкобазого вида по конструктивным отличиям разделяются на три типа (см. фиг. 83):

1. основной, или башенный тип (см. № 6 и 7);
2. смешанный тип (см. № 8 и 9);
3. тип «Рюмка» (см. № 10 и 11).

Фиг. 87. Промежуточная опора портального вида 220 кВ.
Основной тип опор широкобазого вида в настоящее время применяется только в отдельных случаях в качестве угловых опор с большими нагрузками (см. конструктивный тип № 6 и 7 на фиг. 83).
К группе широкобазых опор смешанного типа относятся опоры, у которых нижние части ствола имеют конструкцию, подобную широкобазым опорам основного типа, а траверзы, верхняя и средняя части, по конструкциям одинаковы с соответствующими частями узкобазых опор основного типа.

Фиг. 89. Специальная переходная опора.
Раскос, совместно с колонной, к которой он крепится вверху, воспринимает основные нагрузки от проводов и тросов, постоянно действующие по биссектрисе угла поворота линии.
В опорах типа «У-30°» и «У-60°» (см. тип 13) сжатый раскос опирается на фундамент, расположенный внутри угла поворота линии, а в опорах типа «У-90°» (см. тип 14) — на наружный фундамент крепится растянутый раскос.
Кроме того, на угловой портальной опоре 90° тросы крепятся не к раздельным тросостойкам, а к специальной траверзе, опирающейся на две стойки, которые являются продолжением основных колонн над нижней траверзой.
У большинства угловых портальных опор ширина продольных граней у грунта не превышает 2,5 м, поэтому фундамент, в который опирается подкос, выполняется общим для всей колонны.
Г. Переходные или повышенные опоры, с большей высотой, чем у нормальных опор, приходится применять в местах переходов линии электропередачи через шоссе, железные дороги, различные инженерные сооружения и другие препятствия.
Для этих целей часто нормальные опоры устанавливают на отдельные секции высотой от 2 до 8 м, называемые повышениями, конструкция которых соответствует стволу опоры.
В отдельных, более редких случаях, — например при переходах через реки с широкой поймой, — применяют опоры с высотой в не сколько раз большей, чем у нормальных опор; такие опоры, в отличие от указанных обычных переходных, называют специальными переходными (фиг. 89). Конструкция специальных переходных опор зависит от количества и расположения проводов и тросов.
Для трех- и шестипроводных линий, с расположением проводов обратной елкой и треугольником, конструкция верхней части специальной переходной опоры по конфигурации подобна соответствующей части нормальной опоры, но размеры ее значительно увеличены из-за большего, против нормального, расстояния между проводами.
Специальные переходные опоры для трехпроводных линий с горизонтальным расположением проводов имеют конструкции, близкие к изображенной на фиг. 89.
Фундаменты специальных опор выполняются как раздельными блоками, так и в виде одного большого массива.

СПОСОБЫ СОЕДИНЕНИЯ СТЕРЖНЕЙ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОПОРАХ

В процессе изготовления и монтажа металлических опор способ соединения стержней имеет не меньшее производственное значение, чем тип конструкции.
Как в заводских, так и в монтажных узлах металлических опор применяются следующие соединения стержней: а) клепка, б) сварка и в) болтовые соединения.
Способ соединения выбирается в техническом проекте, а при рабочем проектировании опор разрабатываются соответствующие конструкции узлов.
Это обстоятельство строительствам следует учитывать и своевременно решать вопрос о способе соединений, наиболее отвечающем условиям сооружения данной линии.
А. Заклепочные соединения ранее были одним из основных способов соединения стержней в опорах, а в настоящее время, по производственным соображениям, почти полностью заменены сваркой или болтами не только на монтаже, но даже при заводском изготовлении, а потому в настоящей работе не рассматриваются.
Б. Сварку следует признать одним из основных и наиболее распространенных способов соединения стержней при сооружении металлических опор.
Небольшая стоимость сварки в заводских условиях, значительное упрощение процесса изготовления сварных конструкций и некоторое снижение их веса обуславливают широкое применение этого способа соединений, имеющего существенные преимущества перед другими.
При изготовлении металлических опор соединение стержней производится почти исключительно электродуговой сваркой, по способу Славянова.
Значительные затруднения с доставкой на пикеты линии сварочных агрегатов, затраты жидкого горючего и обслуживание агрегата квалифицированным персоналом, а также необходимость кантовки при сварке конструкций ограничивают возможность применения сварки на монтаже.
В линейных условиях, особенно при небольших объемах сварочных работ (несколько десятков погонных метров сварных швов на опоре), стоимость сварки получается весьма высокой.
Кроме того, не всегда возможно обеспечить надлежащее качество сварки в полевых условиях, а способы контроля качества швов весьма сложны.
Следовательно, если при изготовлении опор на заводах и в мастерских сварка, благодаря своим преимуществам, служит основным способом соединения стержней, го на монтаже опор применение ее ограничивается лишь отдельными случаями, например: а) при укрупнении монтажных элементов опор на промежуточных прирельсовых базах, б) для устранения отдельных дефектов в сварных металлоконструкциях и для приварки заземлений к опоре.

1. Болтовые соединения находят все большее применение при монтаже опор на линиях из-за затруднений с производством клепки и электросварки на пикетах. В заводских условиях болты ставятся лишь в редких случаях.

До последнего времени в узлах металлических опор применяли только точеные болты, так как техническими условиями постановка черных болтов разрешалась только в малоответственных частях сооружений.
В настоящее время практикой сооружения металлических опор введено применение черных болтов для соединения отдельных элементов.
Использование болтовых соединений в монтажных узлах опор обусловлено рядом следующих преимуществ их перед клепкой и сваркой:

1. Большое упрощение процесса монтажа опор, при котором не требуется кантовки конструкций, специальных инструментов, оборудования или механизмов.
2. Возможность выполнения болтовых соединений без применения квалифицированной рабочей силы (клепальщиков или сварщиков).
3. Существенное уменьшение затраты времени на сборку опор.

К недостаткам соединений на черных болтах относятся:

1. некоторое снижение надежности болтового соединения против сварного или клепаного, за счет неравномерного распределения усилий между болтами;
2. значительная затрата метизов (болты, гайки и шайбы), количество и размеры которых больше, чем в равнопрочных клепаных соединениях.

Применение черных болтов в опорах должно предусматриваться проектом. При замене соединений (стыков) сварных, заклепочных или с чистыми болтами на болтовые соединения черными болтами надлежит произвести расчеты прочности и конструктивные изменения узлов.
В последнее время при монтаже опор начинают применять рифленые болты.
Конструктивной особенностью рифленых болтов является наличие рифов, расположенных параллельно оси болта (фиг. 90). Высота рифа 1,6—1,9 мм, наружный диаметр рифленой части превышает на 0,4 мм диаметр отверстия в соединяемом пакете.
Рифленый болт устанавливается при помощи молотка; при этом рифы сминаются и заполняют отверстие. Головка рифленого болта аналогична заклепочной. На противоположном конце болт имеет резьбу под гайку.
Длина рифленой части болта делается не менее толщины соединяемого пакета.
Затягивание гайки 0 = 20 мм после установки болта производится при помощи монтажного ключа с длиной рукоятки l = 700 мм. Крепление гайки к болту осуществляется путем расчеканки, сбивки резьбы керном или приваркой.
Саратовским метизным заводом в настоящее время разработана технология и осваивается изготовление рифленых болтов по сортаменту, указанному в табл. 72а.
На основании предварительных испытаний рекомендуется при выполнении соединений рифлеными болтами выполнять следующие указания;

1. Разницу между отверстием в пакете и диаметром по рифам болтов наиболее целесообразно применять в 0,3— 0,4 мм, как обеспечивающую легкую забивку и достаточно плотное заполнение отверстия.
2. Допустимую черноту (несовпадение отверстий в пакете) необходимо ограничить величиной 1 мм, допуская при этом напряжение на болты аналогично напряжению на чистые болты.
3. Размещение рифленых болтов производится аналогично размещению нормальных болтов.
4. Отверстия для рифленых болтов можно выполнять одним из следующих способов:
5. сверлением или проколкой на меньший диаметр (на 3—6 мм меньше проектного) с последующим рассверлением собранной конструкции;
6. сверлением на полный диаметр по кондукторам с последующей прочисткой при монтаже.

Допустимые пределы овальности для рассверленных отверстий указаны в табл. 726.
Применение в опорах рифленых болтов вместо черных позволит существенно увеличить надежность соединений и одновременно уменьшить диаметры и количество болтов в нем.  

Фиг. 90. Рифленый болт.

Таблица 72а
Размеры рифленых болтов (мм) (фиг. 90)