Воздушные линии
На выбор конструкционного материала и формы опор для СИП существенно влияет исторически сложившаяся практика использования опор ЛЭП и распределительных сетей с неизолированными проводами.
Геннадий Степанович Боков и Александр Николаевич Жулев суммировали и представили в виде краткого обзора опыт ряда зарубежных стран в применении различных опор для сооружения ВЛ с СИП. Первая публикация была посвящена деревянным опорам («Новости ЭлектроТехники» № 2(80) 2013), вторая – металлическим (№ 3(81) 2013), в третьей речь пойдет о композитных опорах.
 |
 |
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 |
КОМПОЗИТНЫЕ ОПОРЫ ДЛЯ ВЛ С ПРИМЕНЕНИЕМ СИП
Обзор зарубежной практики
Высокий уровень технологичности при строительстве и обслуживании ВЛ, в том числе с применением СИП, обеспечивается применением композитных опор.
На первый взгляд, опоры из полимерных материалов недавно используются на ВЛ среднего напряжения и практика их применения недостаточна. Однако, по данным зарубежных компаний, впервые опоры ВЛ из композитного материала были установлены в 1960-х гг. на острове Мауи на Гаваях, где деревянные и стальные опоры быстро разрушались под воздействием влажного соленого воздуха.
Несмотря на фотодеструкцию – разрушение структуры полимеров под действием агрессивных компонентов атмосферы (кислород, озон), эти опоры успешно проработали до замены более 40 лет.
КОМПОЗИТНЫЕ ОПОРЫ
Композитные опоры применяются для сооружения сетей наружного освещения и электрических сетей различных классов напряжения. Быстромонтируемые, легкие и компактные комплекты опор ВЛ облегчают и ускоряют восстановление электроснабжения при повреждении или разрушении опор, в том числе в труднодоступной местности.
По электрофизическим характеристикам композитные стойки очень близки к деревянным, поэтому в сетях среднего напряжения зарубежные энергокомпании используют их для замены деревянных опор.
Компании-производители к основным достоинствам стеклопластиковых опор относят следующие:
Существенный недостаток опор из полимерных материалов – высокая стоимость. В настоящее время они примерно в два раза дороже деревянных опор той же конструкции. Но если рассматривать общую стоимость владения опорами, учитывая более долгий срок их службы и меньшие затраты на установку и обслуживание, то разница оказывается значительно меньшей.
Сегодня самыми распространенными материалами для изготовления композитных стоек служат полиуретановые смолы и стекловолокно, которое в силу низкой стоимости и высокой прочности применяется особенно широко. Возможно, в дальнейшем станет выгодным использовать базальтовый композит, который по стоимости, механической прочности, химической стойкости и долговечности сопоставим со стеклопластиком.
В настоящее время существуют две коммерчески оправданные технологии производства стеклопластиковых конструкций: филаментная намотка и пултрузия. При филаментной намотке пропитанный стеклоровинг наматывается на дорн и охлаждается. По этой технологии работают такие производители опор, как Utility Composite Solutions International Inc. (UCSI), RS Technologies Inc., Shakespeare Composite Structures, Composite Poles Australia.
Рис. 2. Опоры ВЛ Shakespeare Composite Structures (США):
а) на Гаваях, б) в штате Южная Каролина
Рис. 3. Опора компании UCSI (США) на ВЛ с СИП
Рис. 4. Композитные опоры RStandard (Канада)
Технологию пултрузии используют такие компании, как Duratel, Strongwell, Powertrusion International Inc, Composite Poles. В процессе пултрузии стекловолокна в виде жгута (стеклоровинга) пропитываются смолой, собираются в форму, протягиваются через нагретую фильеру и разрезаются на фрагменты нужной длины.
Ряд компаний производят композитные опоры в виде модульной конструкции. Такая конструкция дает возможность на одной бурильно-крановой машине разместить несколько комплектов опор и бригаду монтажников с необходимым набором приспособлений.
Монтаж модульных опор осуществляется в четыре этапа: раскладка модулей для монтажа, установка монтажных проушин, соединение модулей между собой и скрепление соединенных модулей. Конструкция позволяет в дальнейшем демонтировать опору, привести в исходное состояние и по-вторно использовать для устранения аварийных ситуаций на воздушных линиях.
Стеклопластиковые опоры любой конструкции позволяют размещать на них электрооборудование и аппаратуру операторов сотовой связи. Более высокие опоры могут использоваться как платформы для приемопередатчиков, что позволит энергокомпании получить дополнительный доход при заключении соответствующих договоров об эксплуатации.
Кроме того, достоинством стеклопластиковых опор является полая конструкция. По мнению представителей компании-производителя Duratel, это помогает избежать воровства медных проводов, так как при необходимости их можно разместить внутри опоры.
Традиционно сложным вопросом при строительстве ВЛ является обустройство фундаментов. Решения по фундаментам и закреплению опор в грунте должны быть максимально унифицированными, позволяющими выполнить монтаж в заболоченной, горной и других типах местности. При быстромонтируемой ремонтной опоре фундамент может быть элементарным, а для восстановления линии с упавшими опорами могут быть использованы старые фундаменты и оттяжки.
Ряд компаний (Shakespeare Composite Structures из США, канадская Chemque) предлагают использовать для установки опор композитные фундаменты. Такой тип фундамента уже применяется в различных климатических условиях. Например, эта технология внедрена в Германии, Норвегии, Швеции, Исландии.
ОПЫТ АМЕРИКИ И АВСТРАЛИИ
Рынок композитных опор и траверс особенно активно развивается в Северной Америке. В США интересы производителей такой продукции представляет ACMA (American Composites Manufacturers Association). В рамках ассоциации создан UCSC (Utility&Communication Structures Council) – Совет, миссия которого состоит в том, чтобы улучшить работу распределительных и телекоммуникационных линий с помощью композитных опор и арматуры. С этой целью Совет стремится скоординировать разработку и продвижение композитных материалов и продуктов на этих рынках. UCSC старается влиять на законодательство в этой области, особое внимание членов Совета сейчас сосредоточено на разработке соответствующих стандартов.
Кроме того, более активному внедрению в практику распределительных сетей США стеклопластиковых опор и траверс помогают рекомендации, подготовленные в 2003 г. Комитетом по FRC-конструкциям для ВЛ, входящим в Structural Engineering Institute Американского общества инженеров-строителей (ASCE, American Society of Civil Engineers).
В документе Recommended Practice for Fiber-Renforced Polymer Products for Overhead Utility Line Structures объясняется разница между композитными опорами и опорами из других материалов, детально рассматривается наиболее успешная практика их применения, методы контроля и обслуживания в полевых условиях, факторы, влияющие на срок службы и т.д.
В настоящее время композитные опоры эксплуатируются в различных регионах Америки – от Гаваев до Аляски. Хорошо известен и показателен опыт энергокомпании WKRECC, работающей в штате Кентукки. Так, ураган «Айк» привел к поломке тысяч деревьев и деревянных опор, но 7 композитных модульных опор RStandard, изготовленных RS Technologies и приобретенных WKRECC для пробных испытаний, выдержали нагрузки.
При ликвидации последствий урагана в октябре 2008 г. были установлены композитные опоры вдоль дороги недалеко от склада WKRECC. В январе 2009 г. большая часть территории США была охвачена зимним штормом. За 5 дней WKRECC потеряла всю систему передачи электроэнергии. При этом вдоль дороги, где были установлены композитные опоры, поврежденной оказалась одна стальная опора с двумя переломами. Композитный материал выдержал не только ветровые и гололедные нагрузки, но и часть нагрузки от этой сломанной стальной опоры, которая стояла на другой стороне улицы.
В дальнейшем WKRECC были установлены 3 композитные опоры большого диаметра при строительстве ВЛ от новой подстанции, а затем еще 20 опор для замены части линии напряжением 7,2 кВ длиной 2,5 км.
Модульная конструкция позволяет не только изменять высоту опор, используя различное количество и набор модулей, но и использовать отдельные модули при ремонтных работах. Например, компания Southern California Edison использовала отдельные композитные модули для восстановления деревянных опор, сломанных на высоте от 1,5 до 2,4 м над уровнем земли, но по всем остальным параметрам находившихся в прекрасном состоянии.
Распространение композитных опор в Америке не ограничивается США и Канадой. Масштабный проект с применением стеклопластиковых опор будет в ближайшее время осуществлен в Мексике. Компания-производитель UCSI сообщила, что минимум 1000 распределительных модульных (4-сегментных) опор марки Intelli-pole будут установлены в Мексике.
Необходимо также упомянуть Австралию, которая применяет композитные опоры и траверсы. Применять композитные траверсы вместо деревянных предложила компания Wagners Composite Fibre Technologies. Этот проект стал очень успешным. Даже на первом этапе заметно снизилось количество пожаров на мачтах, а также значительно выросла безопасность на рабочем месте при установке траверс.
Скорость разложения деревянных траверс, серьезная нехватка твердой древесины способствовали развитию производства композитных траверс для распределительных сетей Австралии. С завершением промышленных испытаний композитные траверсы стали применяться энергокомпаниями Energex и Ergon по всей стране.
ОПЫТ ЕВРОПЕЙСКИХ СТРАН
В Европе композитные опоры и в первую очередь опоры освещения применяются уже более 10 лет. В определенной степени на развитие этого рынка повлияло принятие стандарта по пассивной безопасности на дорогах En 12767:2000, так как композитные опоры в отличие, например, от бетонных столбов при аварии деформируются, перераспределяют и гасят энергию удара, сохраняя жизнь пассажирам автомобиля.
Композитные опоры, как придорожные, так и для распределительных сетей, сегодня выпускает ряд европейских компаний, в том числе Top Glass S.p.A. (Италия), EPL Composite Solutions (Великобритания), Alumast (Польша) и др.
Практика применения композитных опор в ВЛ пока не так обширна. Хорошо известен опыт Норвегии, где на ВЛ напряжением 132 кВ, расположенной в труднодоступной горной местности, электросетевая компания использовала опоры на базе стеклопластиковых стоек RStandard. Часть деревянных опор ВЛ была заменена на металлические и композитные в пропорции одна металлическая на три композитные. Было реконструировано около 2 км ВЛ, для чего было использовано на 25% меньше опор, чем в свое время при строительстве этого участка. Установлены как портальные, так и одностоечные опоры. Высота опор в среднем – до 15 м.
Защита от грозовых перенапряжений и заземление на линии организованы по аналогии с ВЛ на деревянных опорах. Имеющиеся тросы заземляются спусками, выполненными из медного многопроволочного проводника. Спуск прикрепляется к телу опоры снаружи или может быть смонтирован внутри стойки. Производитель дает долгосрочную гарантию от повреждения композитных модулей разрядами молнии. На одностоечных опорах 132 кВ в Норвегии используются изоляционные траверсы консольного типа. На портальных опорах в качестве траверс применяются композитные балки, к которым прикрепляются подвесные полимерные изоляторы, снабженные арматурой, защищающей от электрических воздействий.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Широкое применение для строительства ВЛ композитных опор, выполненных по аналогии с традиционными, требует дополнительных исследований и внимательного изучения опыта их применения.
При использовании стоек из стеклопластика технико-экономический анализ должен сводиться к доказательству эффективности применения опор с точки зрения надежности и срока эксплуатации всех элементов, включая металлические. Количество металлических элементов на композитных опорах должно быть минимальным. В идеале их следует применять для подвески и крепления проводов, а также защиты опор от грозовых перенапряжений и для обеспечения требуемого уровня грозоупорности ВЛ. Траверсы опор должны быть изоляционными.
При разработке композитных опор необходимо принимать во внимание, что попытки повысить одни технические показатели могут привести к снижению других и общему неудовлетворительному результату.
В настоящий момент стоимость исходных материалов высока, влияние электрических и других воздействий на конструкции и защита от грозовых перенапряжений линий с композитными опорами недостаточно изучены. В связи с этим рентабельность сооружения ВЛ высокого напряжения на композитных опорах пока остается под вопросом.
В российских сетях среднего напряжения, в том числе с использованием СИП, опоры из композитных материалов целесообразно применять в первую очередь для восстановления отдельных участков или замены одиночных опор. Необходимо также регламентировать технические требования к ним, чтобы обеспечить высокий уровень надежности электроснабжения и качества электроэнергии на электропринимающих устройствах потребителей.
Один из способов повысить надежность линии электропередачи – это установка композитной опоры после каждой пятой или шестой деревянной в качестве профилактической меры для ограничения каскадных отказов. Такой вариант может быть выгоден энергокомпаниям, действующим на территориях, подверженных воздействию льда, снега, смерчей и ураганов.
ЛИТЕРАТУРА
- Wareing J. B. Covered Conductor Systems for Distribution. EA Technology. 2005.
- http://www.ena.asn.au/udocs/2010/01/Covered-conductor-systems-for-distribution-report-number-5925.pdf.
- Sarmento M., Lacoursiere B. A State of the Art Overview Composite Utility Poles for Distribution and Transmission Applications // Transmission and Distribution Conference and Exposition. Venezuela. 2006. P. 1–4.
- Колтхарп С., Вайд Т. Композитные опоры уверенно противостоят стихии // Энергоэксперт. 2010. №6. С. 26–28.
- Wolf G. Composites Take the Field // Transmission and Distribution World, Oct. 1, 2011.
| 
