Воздушные линии

Применение СИП позволяет значительно повысить устойчивость воздушных линий (особенно при экстремальных снеговых, гололедных и ветровых нагрузках) и экономичность передачи электроэнергии. В России активное внедрение СИП началось чуть менее десяти лет назад, в то время как во многих зарубежных странах линии с изолированными (ВЛИ) и защищенными (ВЛЗ) проводами эксплуатируются уже более 40 лет.
Для расширения применения СИП в электросетевом хозяйстве России необходимо всестороннее исследование всех аспектов использования данной технологии. Геннадий Степанович Боков и Александр Николаевич Жулев подготовили материал, обобщающий зарубежный опыт применения опор для СИП, различных по конструкции и материалам. Цикл статей открывается публикацией, посвященной деревянным опорам.

Геннадий Боков, к.т.н., доцент, заместитель начальника Центра нормативно-технического обеспечения	Александр Жулев, начальник Центра нормативно-технического обеспечения
ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС», г. Москва

ДЕРЕВЯННЫЕ ОПОРЫ ДЛЯ ВЛ С ПРИМЕНЕНИЕМ СИП
Обзор зарубежной практики

Использование СИП позволяет уменьшить расстояния между фазами линии практически в три раза по сравнению с ВЛ, оснащенной незащищенными проводами (до 40–50 см на линиях напряжением 20 кВ). Это означает, что СИП дает возможность использовать более компактные опоры.

Выбор материала для опор ВЛ определяется требованиями к их надежности, технологиям их изготовления и монтажа, а также стоимостью исходных материалов. В определенной степени выбор опор зависит также от режима работы электрической сети. Так, если в сетях 6–10 кВ в России используется система с изолированной нейтралью, то в зарубежных странах эти сети работают, как правило, с заземленной нейтралью. Способ заземления нейтрали в свою очередь определяется конфигурацией сети и существенно влияет на ее надежность и выбор конструкции ВЛ.

ДЕРЕВЯННЫЕ ОПОРЫ

За рубежом для линий классов напряжений 0,4–35 кВ используют преимущественно деревянные опоры или деревянные траверсы, установленные на железобетонных опорах.

В Великобритании, странах Скандинавии и других европейских государствах, в США и Канаде введены национальные стандарты на деревянные опоры для линий электропередачи.

Деревянные опоры имеют относительно небольшую массу, что снижает затраты на их транспортировку и монтаж. Высокие изоляционные свойства древесины уменьшают количество изоляторов на линиях. Стойки хорошо работают на изгиб и не ломаются при больших ветровых и гололедных нагрузках.

По мнению Северо-Американской коалиции изготовителей деревянных опор (North American Wood Pole Coalition, NAWPC), этим опорам при строительстве ВЛ напряжением до 35 кВ принадлежит большое будущее. Коалиция сформулировала 10 главных достоинств деревянных опор:

• Надежность в эксплуатации.
• Экономичность. Расчеты, в которых сравнивались опоры из разных материалов, показали, что для большинства ВЛ опоры из пропитанной древесины оказываются самым выгодным решением.
• Долговечность. В отчете, подготовленном фирмой Engineering Data Management Inc., показано, что реальная долговечность пропитанных деревянных опор значительно больше принимаемой в расчетах. При надлежащем обслуживании типовая деревянная опора может прослужить до 75 лет и более, а в среднем за 10 лет замена составляет менее 4%.
• Отличные физические свойства. Естественная упругость древесины позволяет выдерживать нагрузки, разрушительные для более хрупких материалов. Благодаря низкому коэффициенту теплового расширения и низкой электрической проводимости опора ВЛ – температурно-стабильная конструкция и требует меньше изоляции. Древесина не подвержена коррозии, не крошится, антисептики защищают ее от грибков и термитов.
• Простой подъем на опору. В случае, когда автокран не может подъехать к опоре, монтер легко поднимается на нее с помощью простых приспособлений.
• Быстрое удовлетворение спроса. Некоторые заводы могут выпускать по 400 опор в сутки. После гололедного урагана на северо-востоке США в 1998 г. в течение 3 недель было изготовлено около 30000 деревянных опор.
• Эстетичность. Большинство потребителей предпочитают видеть природные материалы в естественном окружении. Рядом с лесом, вдоль улиц, обсаженных деревьями, в полях, городских пригородах и т.д. естественный вид древесины делает деревянные опоры идеальным выбором.
• Неприхотливость. Деревянные опоры не требуют бережного обращения, без повреждений переносят механические перегрузки и не слишком аккуратное обращение при погрузке, разгрузке, складировании. Зазубрины на поверхности безопасны для деревянных опор.
• Простота обслуживания и модификации. Периодический осмотр и дополнительная пропитка – широко распространенная практика, продлевающая на десятилетия срок службы деревянных опор. Большинство способов оздоровления опор просты. Не представляют сложности и работы по модификации опоры.
• Возобновляемость ресурсов. Выращивание лесов, дающих сырье для опор, не требует больших затрат.

В качестве основных недостатков деревянных опор в первую очередь можно отметить ограниченную механическую проч-ность стоек, а также необходимость диагностики состояния древесины и качества стоек.

Деревянные опоры, пропитанные водорастворимыми антисептиками, практически идеальны для использования в сетях (рис. 1). Опыт США, Франции, Англии, Германии, Канады и стран Скандинавии показывает, что пропитанные антисептиками стойки служат более 40–50 лет.

Рис. 1.

Деревянная опора с проводами и кабелями различного назначения	Деревянная опора со столбовой ТП

ОПЫТ ФИНЛЯНДИИ

Деревянная опора показала себя самым экономичным решением для поддержки ВЛ с использованием СИП в Финляндии. Деревянные столбы могут использоваться даже в ВЛ высокого напряжения с СИП. Обычно данные опоры устанавливаются непосредственно в землю, соответственно пропадает необходимость в дополнительном фундаменте.

Еще одно преимущество деревянных опор линий электропередачи состоит в сравнительной простоте изготовления и надежности эксплуатации. Согласно финскому опыту, срок службы деревянного столба, обработанного пропиточным составом CCA, составляет приблизительно 40 лет, а столбов, обработанных креозотом, – более 50 лет.

Использованные столбы перерабатываются, чтобы минимизировать отрицательное воздействие на окружающую среду. В Финляндии такие столбы используются в качестве топлива на специальных электростанциях, очищающих газы сгорания от металлосодержащих составляющих.

Часто для ВЛ с СИП применяют столбы, которые несколько тяжелее и выше из-за увеличенного перекоса. Увеличение стоимости ВЛ за счет использования более высоких и тяжелых столбов незначительно с точки зрения общих затрат на установку СИП, в то время как надежность ВЛ с использованием данных столбов значительно повышается. Кроме того, арматура для установки СИП может быть несколько дешевле за счет большого использования винтовых деталей, которые легче и дешевле устанавливать, чем детали для оголенных проводов.

В 2002 г. завершилось строительство линии 110 кВ с использованием СИП типа SAX 185 на деревянных двухцепных столбовых опорах (рис. 2).

Рис. 2. ВЛ с СИП напряжением 110 кВ (Финляндия)

Пилотный проект Forest-SAX представляет собой ВЛ 110 кВ длиной 9,1 км и шириной просеки 12 м. Линия имеет треугольное расположение проводов с деревянными одностоечными свободностоящими столбовыми опорами, с линейными штыревыми изоляторами и одним заземлителем. Высота провисания средней фазы составляет около 12,95 м, максимальный перекос линии – 2,5 м.

Еще одним примером ВЛ напряжением 110 кВ с использованием СИП (SAX) и деревянных опор в Финляндии является проект, реализованный вблизи города Туук.

На основе исследования финской практики сооружения ВЛ с применением СИП, можно сделать вывод о том, что для СИП на линиях до 20 кВ (рис. 3) в основном используются деревянные опоры (одно- и двухцепные), реже – железобетонные опоры (главным образом в городской местности). Наиболее распространенные конструкции деревянных опор – одностоечные столбовые, А-образные и угловые с оттяжкой.

Рис. 3. Деревянная опора ВЛ с СИП напряжением 20 кВ (Финляндия)

Одноцепная	Двухцепная

Для ВЛ напряжением до 110 кВ с использованием СИП в Финляндии применяются деревянные двухцепные одностоечные свободностоящие столбовые опоры и стальные трубчатые двухцепные опоры арочной формы.

ОПЫТ ВЕЛИКОБРИТАНИИ

Великобритания имеет значительный опыт по внедрению и эксплуатации СИП. Британские нормативы используются как базовые для разработки единого европейского стандарта по использованию СИП CENELECprEN50397.

Наиболее распространенными являются два типа СИП – это финский SAX (аналог – российский СИП-3) и трехпроводный СИП без несущего элемента Aerial Cable. Для крепления этих СИП чаще всего применяются опоры из дерева столбовой или H-образной формы. Стандартное напряжение – до 33 кВ.

В Великобритании ВЛ выполняются преимущественно на одностоечных деревянных опорах с металлическими траверсами. Траверсы опор не заземляются, а оттяжки изолируются.

Заземляются только те опоры, на которых устанавливаются распределительные устройства 0,4 кВ или столбовые трансформаторные подстанции. Для установки крупного оборудования применяются сдвоенные опоры.

Отказ от заземления опор в Великобритании основан на учете изоляционных свойств древесины, которые проявляются при нормальном напряжении и при перенапряжениях вследствие грозовых разрядов.

С 2004 г. в стране действует стандарт ENATS 43-121 – Com­pact CC construction for single circuit wood pole lines (Компактное сооружение СИП для одноцепных деревянных опор). Стандарт устанавливает технические требования к деревянным опорам для СИП.
Стандарт ENATS 43-121 определяет основные требования к опорам для кабелей стандарта ENATS 43-120 (одноцепные деревянные опоры для ВЛ 1–33 кВ столбовой или Н-формы). Разработан также стандарт проектирования, который изменил уровни надежности ВЛ в различных климатических районах страны.

Выбор параметров ВЛ осуществляется на основе статистического анализа климатических факторов, а также новых метеорологических карт Великобритании с повторяемостью расчетных климатических условий 1 раз в 50 лет.

Опоры для СИП (рис. 4), установленные в Великобритании норвежской энергетической компанией NORWEB (сегодня – United Utilities), в отличие от стандартов, определенных ENATS 43-121, могут быть многоцепными (столбовой формы).

Рис. 4. Типичная линия с защищенными проводами в Норвегии и Великобритании

ОПЫТ США

В США и Канаде на ВЛ напряжением до 35 кВ деревянные опоры остаются вне конкуренции (рис. 5, 6). В настоящее время в США на ВЛ установлены порядка 150 млн деревянных стоек. Стойки различаются по длине и классам прочности.

Рис. 5. Деревянная опора с установленным оборудованием (США)

Рис. 6. Деревянная А-образная опора (Канада)

Нормированы 10 классов прочности, определяемой нагрузкой, которую может выдержать стойка, и минимальным диаметром стойки в верхнем отрубе. Для каждой длины стойки, класса и типа древесины задается минимальная окружность на расстоянии 1,8 м от нижнего торца стойки. Стандартные длины стоек – от 7,5 до 16,5 м через каждые 1,5 м. Наиболее распространенные длины опор – 9; 10,5 и 12 м. В сельских сетях преобладают опоры длиной 9 м. В городских сетях для опор с одной или двумя траверсами применяют стойки 10,5 м, а для опор с тремя или четырьмя траверсами – 12 м. В местах, где на опоры ВЛ подвешиваются и телефонные провода, стойки короче 10,5 м не применяются.

Траверсы на деревянных опорах, как правило, деревянные. Сложные опоры с подкосом применяются весьма редко, в основном же используются оттяжки. Подкосные опоры применяются главным образом на заболоченных участках, где сложно закрепить анкеры оттяжек.

Наиболее часто для изготовления деревянных опор используются: сосна Южная Желтая (высота до 30 м), из нее изготавливают опоры преимущественно для распределительных сетей (7,5–16,5 м); сосна Пондероза и др.; ель Дугласа Прибрежная (высота 6–40 м) и кедр Западный Красный (высота 6–33 м).

Самым популярным антисептиком для пропитки опор в США является пентахлорфенол, растворяемый обычно в керосине. На ВЛ США установлено свыше 120 млн деревянных опор, пропитанных пентахлорфенолом. Это вещество применяется для пропитки опор и траверс уже около 50 лет. На его долю приходится такой же объем пропитки, сколько на все остальные антисептики вместе взятые. Срок службы пропитанных им опор достигает 40 лет.

Второй по популярности антисептик – водорастворимый состав CCA (chromated copper arsenate), содержащий соли хрома, меди и мышьяка. Он заменил Celcure (селькур), состоящий только из солей хрома и меди. Наличие в ССА мышьяковой соли повышает защитные свойства состава.

Смесь водорастворимого антисептика ССА и масляной эмульсии представляет собой новый антисептик с торговой маркой ССА-ЕТ. Американская компания Koppers Industries применяет также чистый креозот и медный нафтелат. Стойки из древесины пропитываются антисептиками (масляными и водорастворимыми) под давлением. Для водорастворимых антисептиков применяется способ полного поглощения (full cell process), а для масляных антисептиков – способ ограниченного поглощения (empty cell process). За последние годы эти технологии практически не изменились (изменилось оборудование и параметры пропиточного цикла).

Агентство по защите окружающей среды ЕРА разработало новые правила контроля токсичности деревянных опор, обработанных различными видами консервантов.

При всей популярности деревянных опор необходимо отметить, что с расширением использования вертолетов при строительстве линий они вытесняются железобетонными и металлическими, которые позволяют существенно уменьшить объемы работ на пикете ВЛ.

ВЫВОДЫ

В Финляндии на линиях 0,4 и 20 кВ с СИП в основном используются деревянные опоры. Наиболее распространенные конструкции – одностоечные столбовые, А-образные и угловые опоры с оттяжкой. Для линий 110 кВ с СИП применяются деревянные двухцепные одностоечные столбовые опоры.

В Великобритании на напряжении до 33 кВ для СИП используются деревянные опоры столбовой и H-образной формы (одноцепные, двуцепные и многоцепные).

В США дерево – один из основных материалов для опор СИП. России целесообразно перенять у США промышленный способ производства деревянных стоек для использования в сетях напряжением до 110 кВ.

В этих странах широкое применение для ВЛ с СИП деревянных опор обусловлено их сравнительно более низкой стоимостью, относительной простотой изготовления и надежностью эксплуатации, а также возможностью переработки опор, отработавших свой срок.

На конструкционный материал и форму опор для СИП существенно влияет исторически сложившаяся практика использования опор для линий с неизолированными проводами.

ЛИТЕРАТУРА

1. Wareing J.B. Covered Conductor Systems for Distribution. EA Technology. 2005.
2. Tapio L. Design of mv and hv covered conductor overhead lines: Ensto Utility Networks // 17th International Conference on Electricity Distribution. Finland, 2003.
3. Brunnsberg J. Second Forest-Sax Project Report. September, 2003.
4. Pakonen P., Latva-Pukkila V., Hakola T., Björkqvist M., Brunnsberg J. Line partial discharge monitoring of 110 kV and 20 kV covered conductor lines // CIGRE Session. Paris, 2004.
5. Research & Analysis of a Possible Safety Improvement Involving the Selective Replacement of 11 kV/LV Bare-Wire Overhead Lines with Ones having Covered/Insulated Conductors: Engineering Inspectorate, DTI. London, 2004.
6. Guidance on the Electricity Safety, Quality and Continuity Regulations: Engineering Inspectorate, DTI. London, 2002.
7. Rollins H.M. Discussion of Wood Equivalent Poles// North American Wood Pole Coalition Technical Bulletin. Vancouver, 2001.
8. ANSI 05.1. 2009 Wood Poles: Specifications and Dimensions.
9. Book of Standards: American Wood Protection Association. 2009.