Воздушные линии

Массовое сетевое строительство в России и других странах СНГ сегодня практически полностью ведется на технологической и научной базе 1960-70-х годов. Всесторонний анализ современных зарубежных технологий, в том числе в области СИП, поможет оценить перспективность их применения в российских распределительных сетях.

Геннадий Степанович Боков и Александр Николаевич Жулев обобщили опыт нескольких стран в использовании различных по конструкции и материалам опор для сооружения ВЛ с изолированными и защищенными проводами. Первая публикация была посвящена деревянным опорам («Новости ЭлектроТехники» № 2(80) 2013, с. 72–74), вторая – металлическим.

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

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ОПОРЫ ДЛЯ ВЛ С ПРИМЕНЕНИЕМ СИП
Обзор зарубежной практики

До середины 1960-х годов мировая и отечественная практика сетевого строительства были идентичны. Затем тенденции применения опор существенно разошлись. В большинстве стран Америки, Европы и Азии экономический кризис 1970–1980-х годов вынудил энергокомпании искать решения, способные сократить затраты на передачу и распределение электроэнергии. Резкое повышение цен на землю, трудности выбора трасс линий, комплекс экологических проблем определили направления разработки новых технических решений для ВЛ.

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ОПОРЫ

Воздушные линии среднего напряжения изначально сооружались на деревянных опорах, поэтому и сегодня опоры из других материалов, в том числе металлические (стальные, чугунные, алюминиевые), рассматриваются в сравнении с ними. И если в распределительных сетях до 20 кВ у деревянных опор практически нет альтернативы, то на линиях более высоких классов напряжения металлические опоры – в первую очередь стальные – с ними успешно конкурируют.

Ассоциация североамериканских сталелитейных предприятий – American Iron and Steel Institute (AISI) называет главными достоинствами стальных опор:

• Единые габариты в пределах одного класса. Промышленное производство обеспечивает выпуск опор с жесткими допусками, что их выгодно отличает от деревянных.
• Масса стойки. Стальные опоры в среднем на 30% легче деревянных (этот показатель может достигать 70%), что упрощает их транспортировку по бездорожью.
• Прочность. В отличие от деревянных, стальные опоры не ломаются под тяжестью льда и сильного ветра.
• Экономичность. В настоящее время по цене и стоимости эксплуатации стальные опоры сравнились с деревянными.
• Возможность новых конструктивных решений. Стальные опоры можно модифицировать, выпускать на любую нагрузку, любой высоты, длины, диаметра и т.д.
• Экологичность. Металлические опоры не наносят вреда окружающей среде и практически на 100% подлежат вторичной переработке.

К недостаткам стальных опор, применяемых на ВЛ среднего напряжения, обычно относят их металлоемкость, необходимость устройства железобетонных фундаментов и окрашивания в процессе эксплуатации для защиты от коррозии.

Независимо от конструктивного решения и схемы металлические опоры традиционно выполняются в виде пространственных решетчатых или трубных конструкций. Когда развитие сетей потребовало создания узкобазовых, многоцепных, удобно доставляемых к месту установки и вместе с тем эстетичных опор появились опоры на стальных многогранных гнутых стойках. Примерно 50 лет назад в странах Европы и в США начали выпускать многогранные конические стойки.

За прошедшие полвека выпуск стальных многогранных опор (СМО) и строительство ВЛ на их основе бурно развивались. Лидерами в их производстве являются такие фирмы, как Tomas&Betts Corporation (США), Petitjean (Франция), Valmont (США), Siderpole (Италия), которые развивают это направление несколько десятилетий. Организовано производство СМО в Мексике, Китае, Австралии, Саудовской Аравии и ряде других стран.

Срок службы СМО во всем мире принимается не менее 50 лет. Они используются на ВЛ в качестве промежуточных и анкерных опор в стесненных городских условиях, при сооружении больших переходов и др. Высота опор, как правило, варьируется от 10–12 до 30–40 м. При строительстве многоцепных линий (3–4 цепи) высота опор возрастает до 50–55 м, а при сооружении переходов – до 70–80 м. Количество стоек в опоре зависит от ее назначения. Промежуточные, как правило, исполняются в одностоечном варианте.

Конструкции траверс могут быть самыми разными, максимально отвечающими требованиям конкретного проекта по несущей способности, размерам и форме. В настоящее время в сетях до 165 кВ применяют самонесущие изолирующие траверсы, что позволяет существенно сузить коридор прохождения ВЛ.

Проектирование и производство конструкций опор автоматизировано. При проектировании конкретной ВЛ СМО могут быть изготовлены по индивидуальным техническим требованиям заказчика, что позволяет в определенной степени решать задачи художественного проектирования и строить ВЛ, гармонично вписывающиеся в ландшафт. В ряде стран, например в Австралии, Великобритании, Канаде, Франции, национальным стандартом в области анализа и проектирования линий и опор стал программный комплекс PLS-CADD, разработанный в США почти 25 лет назад. Этот известный и в России программный продукт дает возможность выполнить расчет любых типов и конфигураций опор, в том числе из стали или алюминия. Опоры можно моделировать двумя способами: определяя геометрию точек крепления проводов и изолирующей подвески или создавая полную геометрию опоры с учетом сечения и соединения всех элементов опоры (с помощью модулей PLS-Tower и PLS-Pole).

При использовании СМО для ВЛ 10 кВ линии становятся более затратными (примерно на 20%). В 2007 г. была разработана новая опора для районов II–III по ветру и гололеду, которая позволила увеличить пролетные расстояния до 100–115 м. В результате ВЛ на СМО и бетонных опорах сравнялись по затратам.

Опоры на многогранных гнутых стойках завоевали достойное место во многих сетевых компаниях мира. Они занимают узкую полосу отчуждения, оказывают минимальное воздействие на окружающую среду. Небольшая масса многогранных опор позволяет их транспортировать и устанавливать с использованием вертолетов, что особенно важно при строительстве ВЛ в труднодоступных и отдаленных районах.

Кроме того, опоры на многогранных стойках высокотехнологичны при монтаже, имеют, как правило, одно основание, что уменьшает расход материала на фундамент и снижает трудоемкость его устройства по сравнению с грибовидными фундаментами для решетчатых конструкций. Расход метизов на стойку такой опоры в 9–20 раз меньше, чем на стойку опоры решетчатой конструкции.

Степень адаптивности стальных опор, выполненных на основе многогранных конических труб, не имеет аналогов. Изменяя толщину листового металла или угол наклона конуса, можно менять несущую способность стоек и траверс.

Кроме того, многогранные стойки многофункциональны: они используются как опоры ВЛ, порталы подстанций, опоры контактной сети железной дороги и городского электрического транспорта, опоры освещения и др.

ОПЫТ США

В США применяются в основном единые модели опор как для СИП, так и для иных видов проводов. При этом опыт США по использованию опор для ВЛ с изолированными и защищенными проводами представляется особенно интересным в связи с распространением в стране системы Spacer Cable (рис. 1) с дополнительной конструкцией (распоркой) для крепления проводов к главному проводящему проводу.

Рис. 1. Опоры ВЛ с воздушным кабелем Spacer Cable (США)

 

Металлические опоры получили широкое распространение в тех регионах США, в которых наблюдается наибольшее количество торнадо. Сегодня на участках, где на опоры ВЛ воздействуют значительные механические нагрузки, применяются стальные опоры – трубчатые или решетчатые.

Первый опытный участок ВЛ (115 кВ, 8 км) на базе стальных оцинкованных конических трубчатых опор был построен в США еще в 1957 г. Трубчатые опоры изготавливаются из нескольких секций разного диаметра. Применяются опоры восьмигранного или круглого сечения с одной или с двумя полостями. Сборка многогранных опор выполняется, как правило, на месте их установки.

Идею широкого применения стальных опор в распределительных сетях активно продвигает AISI, а также ее бизнес-подразделение – Steel Market Development Institute (SMDI). Основной тезис кампании: стальные одностоечные опоры – это экономичный способ повысить надежность распределительных ВЛ.

По данным SMDI, за последние 10 лет было установлено около одного миллиона стальных опор. Сегодня стальные опоры используют в своих сетях более 600 распределительных энергокомпаний.

Новое слово в области металлических опор для распределительных сетей – уже упоминавшиеся опоры из высокопрочного чугуна, разработанные компанией McWane (рис. 2). Они дешевле стальных и бетонных, а весят на 50% меньше, чем сопоставимые деревянные. По данным компании-производителя, эти опоры устойчивы к внешним воздействиям, предполагают длительный срок службы и вторичную переработку.

Рис. 2. Опоры из высокопрочного чугуна (США): а) на двухцепной ВЛ; б) на ВЛ с СИП 69 кВ

а)	б)

Для защиты от коррозии их внешние и внутренние поверхности покрываются керамической эпоксидной смолой, которая может имитировать природную (деревянную) поверхность. Кроме того, на опоры может дополнительно наноситься слой цинка и изоляционный акриловый слой.

В последние годы в США началось усиленное внедрение опор из алюминиевых сплавов. Они применяются не только в сетях уличного освещения, но и для ВЛ.

ОПЫТ ЕВРОПЕЙСКИХ СТРАН

В Финляндии при всей популярности деревянных опор металлические также находят применение, хотя и менее широкое. В основном такие опоры используются в сетях с СИП напряжением 20 кВ.

В этих ВЛ стандартный интервал между фазами для горизонтальной конфигурации составляет 450 мм (с высотой изолятора 260 мм). На угловых опорах воздушных линий для горизонтальной конфигурации интервал между фазами больше – 900–1200 мм.

Для вертикальной конфигурации двухцепной линии интервал составляет 550 мм. Такой же межфазный интервал используется на угловой опоре. Таким образом, использование СИП позволяет уменьшить расстояние между фазами практически в три раза по сравнению с расстоянием между фазами для незащищенных проводов.

В Финляндии есть опыт использования стальных опор для СИП на ВЛ более высокого напряжения. В 1996 г. рядом с аэропортом Хельсинки была пущена в эксплуатацию линия Mätäkivi–Sula (рис. 3) – первая ВЛ с СИП (типа SAX 355) напряжением 110 кВ. Для сооружения линии с вертикальной конфигурацией фаз были использованы стальные трубчатые двухцепные опоры арочной формы. Проект ВЛ, длина которой составила чуть менее 6 км, был реализован финской электросетевой компанией Tuusulanjärven Energia.

Рис. 3. Опоры линии Mätäkivi–Sula 110 кВ (Финляндия)

 

В Германии для сооружения ВЛ с изолированными и защищенными проводами обычно применяются стальные трубчатые опоры.

На протяжении последних 20 лет технологии СИП успешно развивались в Великобритании, и сегодня протяженность ВЛИ и ВЛЗ здесь составляет более 15000 км. Сталь – наравне с деревом – основной материал для большинства опор.

Первый СИП типа BLX появился в Великобритании в 1994 г. и был установлен норвежской энергокомпанией NORWEB. С течением времени в Великобритании начали проводиться исследования и тестирования СИП, в результате чего в стране сформировалась одна из наиболее полных и комплексных систем нормативов и стандартов для ВЛ, использующих СИП.

Согласно исследованию, проведенному английской компанией EA Technology в 2005 г., в Великобритании используются два вида изолированных проводов: воздушный многожильный Aerial Cable (аналог СИП-3) и СИП с изоляцией из сшитого полиэтилена и полиэтилена высокой плотности (XLPE/HDPE), в том числе финские SAX и шведские BLX. Соответственно, в сетевом строительстве широко применяются скандинавские, и в частности финские, технологии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При выборе опор ВЛ, в том числе с применением СИП, важным показателем считается стоимость материалов. Однако этот показатель не всегда является определяющим при проектировании линии электропередачи. На первое место, как правило, выходят такие требования, как срок службы ВЛ и ее эксплуатационные характеристики.

Необходимо отметить, что в развитых странах уже отказались от массового применения типовых проектов. В современном электросетевом строительстве наблюдается деунификация, разрабатываются новые оригинальные опоры, предназначенные для условий конкретной трассы ВЛ. Каждая линия, в том числе и с применением СИП, строится с учетом всех нюансов рельефа, климата и других факторов. Металлические опоры дают широкие возможности для реализации новых инженерных и дизайнерских идей в таких проектах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Steel Distribution Poles: What Every Lineman Should Know / Steel Market Development Institute // www.smdisteel.org.
2. The Science of Pole Selection // Transmission and Distribution World. 2003. August.
3. Utilities Make Tradeoffs When Selecting Pole Types // Transmission and Distribution World. 2003. June.
4. Design of Latticed Steel Transmission Structures (ASCE 10-97) / American Society of Civil Engineers (ASCE). 2000, section C 2.3. pp. 14–102 and 14–10.
5. ASTM WK35986. New Test Method for Field Inspection of Transmission Poles and Lattice Towers: Date Initiated 01-12-2012 // www.astm.org.
6. Ellis T., Ely S., Tobola D. Steel Poles Harden Distribution System // T&D World Magazine. 2011. June. 1.
7. Centrifugally cast ductile iron utility pole having stepped portions: Patent number D629531 / M.C. Keel, J.F. Carter, K.W. Mallett, S.G. Meisel; McWane Global. Filed 03.03.2009 // patents.justia.com.
8. Kropf K. Ironing Out Pole Problems // T&D World Magazine. 2011. Feb. 1.