Проектирование механической части ВЛ - Выбор и расчет металлических опор

Стальные (металлические) опоры
Стальные опоры воздушных линий изготавливаются из малоуглеродистой стали в зависимости от назначения опор и расчетной температуры в районе сооружения воздушной линии [6, 7, 12]. Достоинствами стальных опор являются:

1. возможность создания конструкций на большие механические нагрузки и большие высоты;
2. масса меньшая, чем у железобетонных опор при высокой механической прочности;
3. простота заводского исполнения и технологичность сборки на трассах.

Эти преимущества позволяют использовать их для воздушных линий всех классов напряжений, проходящих в районах со сложными геолого-климатическими и грунтовыми условиями, а также применять в качестве анкерных и угловых опор на воздушных линиях напряжением от 110 до 500 кВ, где в качестве промежуточных используются железобетонные опоры.
К числу недостатков стальных опор следует отнести:

1. большое число деталей;
2. увеличение затрат на устройство фундамента;
3. возможность хищения деталей опор;
4. дополнительные затраты на борьбу с коррозией.

В качестве защиты от коррозии применяются:

1. масляные, битумные, алкидные с наполнителями лакокрасочные покрытия, которыми секции и детали опор окрашиваются на заводе-изготовителе. Срок службы такого покрытия не превышает 2 - 8 лет. Разрушение лакокрасочного покрытия сопровождается подпленочной коррозией, что приводит к снижению несущей способности опор, а в особо агрессивных условиях к их преждевременному разрушению;
2. горячее оцинкование элементов опоры, являющееся надежным и испытанным методом защиты металла. Срок службы покрытия в среднем 12 лет;
3. холодное оцинкование элементов опоры (рис. 2.45), заключающееся в нанесении специальных композиций. Срок службы покрытия составляет 15 лет.

Рис. 2.45. Внешний вид опоры воздушной линии Ишим - Тобольск с заводским покрытием, полученным методом холодного оцинкования: а - общий вид; б - покрытие после 5-ти лет службы

Металлические опоры, применяемые на воздушных линиях напряжением 35 кВ и выше подразделяются:

1. по конструктивному решению ствола на башенные (одностоечные) и портальные (рис. 2.46, а, б);
2. по способу закрепления на фундаментах на свободностоящие и опоры на оттяжках;
3. по способу соединения элементов на конструкции из сварных секций и болтовые конструкции.

Рис. 2.46. Унифицированные промежуточные опоры: а - башенного типа; б - портальная

Независимо от конструктивного исполнения стальные опоры выполняются в виде пространственных решетчатых конструкций, основными элементами которых являются (рис. 2.47):
пояса (1), воспринимающие нормальные усилия, возникающие при действии изгибающих моментов и осевых сил;
решетки (2), воспринимающие поперечные силы и крутящие моменты;
диафрагмы (3), обеспечивающие пространственную жесткость конструкции.
Ствол опоры у ее основания называется базой опоры. Ширина базы у основания принимается: для промежуточных опор воздушных линий 110-150 кВ - 2-3 м; для анкерных опор - 4,6-6 м; для промежуточных опор воздушных линий 220-330 кВ - 4,5-5,5 м; для анкерных опор - 8-10 м. Ширину ствола вверху опоры рекомендуется принимать: для промежуточных опор воздушных линий 110-150 кВ - 0,6—1,2 м; для анкерных опор - 1-1,5 м; для промежуточных опор воздушных линий 220-330 кВ - 1-1,4 м; для анкерных опор - 1,5-2 м; для свободностоящих портальных опор воздушных линий 500 кВ ширину ствола на отметке траверсы принимают в пределах 0,8-1 м.

Рис. 2.47. Элементы пространственных решетчатых конструкций

Решетка ствола башенных опор может быть различных типов. Для опор с небольшими нагрузками может применяться решетка «в елку», смещенная на половину панели в соседних гранях (рис. 2.48, а). При больших нагрузках применяется перекрестная решетка (рис. 2.48, б) или решетка со смещением узлов в смежных гранях (рис. 2.48, в).
Соединения раскосов с поясами опор могут быть сварными и болтовыми. Приварка раскосов к поясам осуществляется встык или внахлестку (рис. 2.49, а, б).

Рис. 2.48. Ствол опоры с решеткой: а - «в елку»; б - с перекрестной решеткой; в - с перекрестной решеткой со смещением узлов
в смежных гранях

Рис. 2.49. Узел крепления раскосов к поясам: а - встык ; б - внахлестку

Рис. 2.50. Узел крепления раскосов к поясам одним болтом

В болтовых опорах в каждом узле два раскоса крепятся к поясу одним болтом (рис. 2.50).
При больших усилиях в раскосах, например, для анкерных опор, раскосы присоединяются к поясам двумя или тремя болтами.
Одноцепная и двухцепная промежуточные опоры воздушной линии электропередачи напряжением 110 кВ представлены в (Приложении 2, рис. 2.8, а, б).
Верхняя часть опор выполнена сварной с параллельными поясами, в нижних секциях предусмотрены болтовые соединения раскосов с поясами. База опор - прямоугольная.
Для воздушных линий напряжением 110 кВ, проходящих в лесных районах и по заболоченным труднодоступным трассам, применяется одностоечная опора на оттяжках (Приложение 2, рис. 2.9).
Особенностями этой опоры являются система двойных оттяжек и способ крепления их к стволу. Две оттяжки - расщепленные, нижними концами закреплены к общему анкеру, а верхними - к противоположным концам траверсы. Такая система обеспечивает передачу на оттяжки усилий от крутящего момента, возникающего при обрыве провода. Третья оттяжка нерасщеплена и предназначена для надежного поддержания опоры.
Промежуточная угловая опора для воздушной линии напряжением 110 кВ, рассчитанная на углы поворота до 10° представлена на рис. 2.10 (Приложение 2).
Опоры этого типа отличаются от промежуточных опор вылетами траверс, увеличенными с учетом отклонения гирлянды изоляторов в поперечном направлении, и усиленной конструкцией ствола, на который действуют нагрузки от тяжений проводов и тросов.
Анкерные угловые опоры (Приложение 2, рис. 2.11) выполняются с увеличенными размерами ствола вследствие значительных усилий, возникающих в раскосах в аварийном режиме. Стволы таких опор - болтовые.
На рис. 2.12 (Приложение 2) представлены промежуточные одноцепная и двухцепная опоры линии напряжением 220 кВ. Все секции таких опор болтовые и собираются в условиях прокладки трассы для облегчения транспортировки.
На воздушных линиях 220 кВ применяются анкерные угловые опоры (Приложение 2, рис. 2.13).
Переходы воздушных линий напряжением 110-220 кВ выполняются двухцепными опорами с расположением проводов по типу «бочка» или по типу «обратная елка» (рис. 2.64).
Промежуточные опоры воздушных линий напряжением 330 кВ отличаются от опор 220 кВ только расстоянием между проводами и длиной траверс.
На воздушных линиях электропередачи 500 кВ применяют только одноцепные опоры с горизонтальным расположением проводов (Приложение 2, рис. 2.14).
Промежуточные угловые опоры 500 кВ выполняются двух типов: портальные на оттяжках для углов поворота до 5° и трехстоечные - для углов поворота 5° - 20°.
В качестве анкерных угловых опор применяется система, состоящая из трех отдельных стоек, каждая из которых представляет собой пространственную башенную конструкцию (Приложение 2, рис. 2.15).
Переходы воздушных линий 500 кВ сооружаются одноцепными с горизонтальным расположением проводов (Приложение 2, рис. 2.16).
Для линий 750 кВ разработаны конструкции портальных опор на оттяжках, подобные опорам 500 кВ, а также V-образные опоры с расщепленными оттяжками.
Система анкерных угловых опор 750 кВ повторяет вид системы для воздушной линии напряжением 500 кВ.
Для воздушных линий электропередачи напряжением 35 и 110 кВ используются промежуточные узкобазовые опоры ПС35П и ПС110П (рис. 2.51), изготовленные из гнутого стального профиля. Опоры ПС35П и ПС110П хорошо зарекомендовали себя при строительстве воздушных линий в районах крайнего Севера и Западной Сибири в суровых климатических условиях, а также в условиях городской и промышленной застройки.
Основными преимуществами узкобазовых конструкций являются:

1. сниженный вес;
2. повышенная гибкость, которая делает их более устойчивыми к динамическим воздействиям при пляске и обрыве проводов, сбросе гололеда, землетрясениях;
3. удобство транспортировки - загрузка составляет 4 опоры в полуприцеп;
4. малый объем земляных работ;
5. высокая механическая стойкость опор при пучениях за счет применения одного свайного фундамента;
6. минимальное воздействие на окружающую среду при строительстве.

Рис. 2.51. Промежуточные узкобазовые опоры для воздушных линий напряжением 35 и 110 кВ

Для проектирования линий напряжением 110 кВ предлагается стальная опора на оттяжках с полимерной траверсой (рис. 2.52). Конструктивно опора состоит из двух стоек, закрепленных на одном основании, вершины стоек соединены полимерной траверсой. Каждая стойка представляет собой трубу квадратного сечения из четырех стальных уголков, соединенных через определенное расстояние планками. Полимерная траверса состоит из четырех изоляторов, при этом крайние изоляторы изготавливаются на фазное напряжение воздушной линии, а средние - на линейное напряжение. Поперечные и продольные оттяжки обеспечивают необходимую механическую прочность опоры при воздействии ветровых и весовых нагрузок, а также в аварийных режимах работы воздушной линии.
Опора устанавливается на фундамент, выполненный из сваи. Оттяжки закрепляются в грунте заглубленными железобетонными или винтовыми сваями, либо цилиндрическими анкерами. Конструкция опоры отличается повышенной устойчивостью к восприятию динамических нагрузок за счет горизонтального расположения трех проводов в одном ярусе. Даже при отсутствии грозозащитного троса воздушная линия, построенная на таких опорах, обладает повышенной грозоупорностью за счет горизонтального расположения проводов в одном ярусе и естественного эффекта экранирования воздушной линии поверхностью земли.

Рис. 2.52. Опора с полимерной траверсой для воздушных линий напряжением 110 кВ