Металлические опоры воздушных линий электропередачи (ЛЭП)

Металлические опоры ЛЭП являются важной частью инфраструктуры для передачи электроэнергии от генераторов к потребителям. Они состоят из нескольких элементов, включая фундамент, стойку или башню, крепежные элементы и кронштейны для крепления проводов с изоляторами.

Существует несколько видов металлических опор ЛЭП, различающихся по конструкции и характеристикам.

Опоры для линий электропередач напряжением до 35 кВ обычно имеют высоту от 6 до 15 метров и состоят из одной или нескольких стоек. Опоры для ЛЭП с более высоким напряжением могут достигать 60 метров и иметь форму башен или мачт. Для мостовых переходов используются специальные конструкции, способные выдерживать сильные ветры и другие природные факторы.

Металлические опоры могут быть решетчатыми или многогранными. Решетчатые опоры изготавливаются из стального проката и используются для строительства ВЛ напряжением 35-1150 кВ. Соединения элементов могут быть сварными или болтовыми. Многогранные опоры изготавливаются из листового проката и применяются для воздушных ЛЭП 10-500 кВ.

Область применения металлических опор воздушных линий электропередачи (ЛЭП), 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:

• Больший срок службы;

• Способность противостоять огню и разрушениям от грозовых разрядов в опору;

• Возможность крепления значительно большего числа проводов и практически неограниченная высота опоры;

• Высокая эксплуатационная надежность и простота обслуживания;

• Лучшие условия для заземления и подвески защитных тросов;

• Лучшее архитектурное оформление опоры;

• 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 легче деревянных и железобетонных.

Недостатками металлических опор являются:

• Необходимость их периодической окраски для предохранения от ржавления;

• Слабое использование грузоподъемности транспортных средств при перевозке опор;

• Необходимость выполнения на трассе специальных работ (сборка, рассверловка и иногда сварка металлических конструкций), что требует наличия квалифицированной рабочей силы разных специальностей и усложняет монтаж;

• 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.

Конструктивные элементы металлических опор

Металлическая опора состоит из следующих четырех основных конструктивных элементов:

• фундамента;

• основной колонны или ствола опоры;

• траверс;

• тросостоек или рогов опоры.

Выстота металлических опор ЛЭП в зависимости от номинального напряжения

Фундамент опоры служит для закрепления ее в фунте и обеспечивает устойчивость опоры. В отдельных случаях фундаменты опор выполняются металлическими.

Основная колонна, являясь опорой для прикрепления траверс и тросостоек на определенной 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:

• четырех основных стержней (ребер), называемых поясами, несущими большую часть нагрузки;

• системы вспомогательных стержней, или решеток, расположенных в четырех гранях опоры и связывающих между собой пояса;

• нескольких систем горизонтальных связей, располагаемых в отдельных поперечных сечениях опоры и называемых диафрагмами.

Места соединения стержней решетки с поясом или между собой называются узлами. Центром узла называют точку пересечения продольных осей стержней, сходящихся в данном узле.

Металлическая промежуточная двухцепная опора

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.

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).

Траверсы 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 траверсы выполняются из уголков в виде небольших консольных конструкций треугольной формы, прикрепляемых к стволу опоры. Реже траверсы делаются из швеллеров. Часто траверсы имеют форму длинных пространственных ферм квадратного или прямоугольного сечения.

Тросостойки, или рога, служат для крепления защитных тросов па 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:

• легкостью осей конструкции, состоящей из стержней, выполняемых почти исключительно из одиночных уголков, часто мелких и средних профилей;

• увеличенной в 1,5 — 2 раза гибкостью как отдельных стержней, так и всей фермы в целом;

• значительными поперечными размерами фермы и большой ее высотой.

Вследствие отмеченных особенностей металлические конструкции опор воздушных линий электропередачи 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.

Материалы для металлических опор ЛЭП

Для изготовления металлических опор ЛЭП используют сталь, алюминий, чугун и бетон.

Наиболее распространённым материалом является сталь, так как она обладает высокой прочностью, устойчивостью к коррозии и долговечностью. Алюминий – лёгкий и прочный материал с высокой устойчивостью к коррозии и хорошей электропроводностью. Чугун также обладает высокой прочностью и устойчивостью к коррозии, но его использование ограничено из-за высокой стоимости.

Металлические опоры ВЛ изготавливаются из низколегированного стального проката класса С345 или углеродистой стали класса С245 в зависимости от климатических условий. Для защиты от коррозии применяется горячее оцинкование, холодное оцинкование или окрашивание лакокрасочными материалами.

Требования к условиям производства металлоконструкций ЛЭП

К условиям производства металлоконструкций ЛЭП предъявляются высокие требования, так как от их надежности и качества зависит стабильность функционирования линий электропередач и безопасность потребителей.

Основные требования к опорам ЛЭП:

• Механическая прочность и устойчивость. Опоры должны выдерживать вес проводов, изоляторов, ветровые нагрузки и сейсмические воздействия.
• Электрическая прочность. Опоры должны предотвращать утечки тока и короткие замыкания, что достигается использованием изоляторов.
• Защита от коррозии. Для металлических опор применяется оцинкование (горячее или холодное) или окрашивание для защиты от воздействия окружающей среды. Горячее оцинкование обеспечивает эксплуатационный срок до 25 лет, снижает эксплуатационные расходы и повышает устойчивость к механическим повреждениям.
• Экологические требования. Минимизация воздействия на флору и фауну, а также соблюдение требований по уровню электромагнитного излучения.

Производство металлоконструкций ЛЭП должно соответствовать государственным строительным нормам, регулирующим общие правила проектирования, изготовления и монтажа стальных конструкций.

На производстве используется современное автоматизированное оборудование, обеспечивающее высокую производительность и точность размеров. Для подтверждения собираемости опорной конструкции проводятся обязательные контрольные сборки.

Изготовление и монтаж опор ЛЭП

В процессе изготовления и монтажа металлических опор способ соединения стержней имеет не меньшее производственное значение, чем тип конструкции. Как в заводских, так и к монтажных узлах металлических опор применяются следующие соединения стержней:

• клепка;

• сварка;

• 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.

Заклепочные соединения ранее были одним из основных способов соединения стержней в опорах, а в настоящее время, по производственным соображениям, полностью заменены сваркой или болтами не только на монтаже, но даже при заводском изготовлении.

Сварку является одним из 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. 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.

Болтовые соединения используются при монтаже опор на линиях из-за затруднений с производством клепки и электросварки на пикетах.

Использование болтовых соединений в монтажных узлах опор обусловлено рядом следующих преимуществ их перед клепкой и сваркой:

• большое упрощение процесса монтажа опор, при котором не требуется кантовки конструкций, специальных инструментов, оборудования или механизмов;

• возможность выполнения болтовых соединений без применения квалифицированной рабочей силы (клепальщиков или сварщиков);

• существенное уменьшение затраты времени на сборку опор.

К недостаткам соединений на черных болтах относятся:

• некоторое снижение надежности болтового соединения против сварного или клепаного, за счет неравномерного распределения усилий между болтами;

• значительная затрата метизов (болты, гайки и шайбы), количество и размеры которых больше, чем в равнопрочных клепаных соединениях.