Металлические опоры изготавливаются из стали или алюминиевых сплавов. Применяют их на ВЛ электропередачи практически всех напряжений. Имея большую механическую прочность, эти опоры, как правило, используют в
районах с тяжелыми климатическими условиями, в горной местности или на труднодоступных трассах. Их также применяют в качестве угловых и анкерных опор для ВЛ 110-500 кВ, а также переходных опор для переходов большой длины.
Основными недостатками металлических опор является их большая по сравнению с железобетонными опорами стоимость, а также низкая коррозионная стойкость.
По конструкции стальные опоры разделяются на одностоякови или башенные и портальные, а по способу закрепления в грунт - свободностоящих и с растяжками. При размере нижней части 2,7 метра и более одностоякови опоры называются широкобазимы, а меньше - вузькобазимы. Основными элементами металлических опор является ствол, траверсы и тросостийка. Ствол, как правило, выполняют в виде четырехгранной усеченной пирамиды из стального проката и состоит из: пояса, решетки и диафрагмы. Играть, в свою очередь, состоят из раскосов и распорок, а также дополнительных связей. В зависимости от способа соединения элементов, опоры делятся на сварные и болтовые. Изготовленные на предприятиях в виде отдельных пространственных секций, они доставляются на трассу ВЛ, где и происходит их окончательная сборка.
Траверсы одностоечных опор имеют обычную плоскую рамную или пространственную конструкцию и выполнены из швеллеров.
Для подвески грозозащитных тросов на вершине ствола опоры устанавливают тросостийку в виде усеченной пирамиды. Тросостийкы портальных опор, как правило, крепят на траверсах.
Пояса стволов свободностоящих опор кончаются внизу опорными башмаками, которые крепятся к фундаменту анкерными болтами. Стволы опор с оттяжками крепятся к фундаменту специальными шарнирными ноги. Конструкции промежуточных опор ВЛ 220 и 330 кВ аналогичные опорам 110 кВ, но имеют большее расстояние между проводами и соответственно - большую длину траверс. Анкерно-угловые опоры ВЛ 35-330 кВ изготовляют также свободностоящих башенного типа. Из-за больших нагрузок поперечные размеры ствола этих опор значительно увеличены, а высота подвески нижнего провода снижена.
В последние годы начали активно внедрять металлические опоры, которые собирают с длинномерных многогранных элементов, изготовленных из стального лис-та. [2]. Такие опоры получили название металлические гнутые стойки (МГС). Изготавливают такие опоры путем изгиба стального листа с последующей сваркой или соединением его краев на ребре или грани. Толщина стального листа может колебаться от 2 до 12 - 14 мм. Применять меньшую толщину листа не рекомендуют в связи с уменьшением механической прочности стойки. При увеличении толщины листа ухудшается качество сварного шва.
Сечение стойки в комля лежит в диапазоне: 450 - 600 мм для стоек опор ВЛ 0,4 - 10 кВ. Для промежуточных опор ВЛ напряжения 110 - 500 кВ сечение находится в пределах 750 - 900 мм. В высоковольтных одностоечных анкерно-угловых опор - 1,0 - 3,0 м. Дальнейшее увеличение сечения стойки приводит к тому, что площадь земли, занимаемая опорой, становится сравнимой с площадью опоры решетчатой конструкции.
Пересечение вершины опоры, как правило, находится в пределах 200 - 400 мм, и определяется конусности стойки (отношением пересечения комля до пересечения вершины), рассчитываемого исходя из необходимых прочностных характеристик.
Соответствии с требованиями ПУЭ для обеспечения расстояния, которую рекомендуют, от нижнего провода до земли, стойки изготавливаются такой длины: 9 - 13,5 м - для опор низковольтной распределительной сети, 22 - 26 (и более) м - для опор высоковольтных ЛЭП.
После доставки на пикет, составление опор проводят в следующей последовательности: составление многогранной гнутой стойки составление траверс, монтаж траверс на стойку; установка приспособлений для подъема монтажника на опору; установка временного оборудования для последующего монтажа провода и изоляции. Многогранные гнутые стойки выпускают с двумя вариантами соединения секций: телескопическим и фланцевым. При фланцевом варианте соединения, секции опоры соединяются и скручиваются болтами. При телескопическом варианте - секции опоры лежа насаживаются одна на другую и стягиваются с помощью специального приспособления и ручных лебедок.
Траверсы опор на МГС бывают двух типов: многогранные и решетчатые. Для решетчатых траверс, поступающих на пикет в разобранном виде, сборка осуществляется по обычной технологии, согласно сборочных чертежей.
Присоединение траверс до опоры выполняют на болтах или шпильках, в зависимости от проектного решения.
Далее монтируются приспособления для подъема монтажника на опору, которые в зависимости от требований заказчика, могут устанавливаться стационарно или демонтироваться после окончания монтажа проводов.
Зависимости от типа опоры, установка ее производится на анкерные болты фланцевого стыка фундамента или непосредственно в пробурено котлован.
Основные достоинства опор из металлических гнутых стоек заключаются в следующем:
- Использование компьютерных технологий позволяет легко изменять режимы работы изгибающих машин без смены оснастки, что позволяет иметь в производстве базовый набор стоек с широким диапазоном изменения несущей способности;
- Расход металлоизделий на стойку многогранной опоры в 9 - 20 раз меньше, чем на стойку опоры решетчатой конструкции;
- Трудоемкость сборки опор из стоек многогранного сечения в 7 - 8 раз ниже, чем из болтов решетчатой опорой, и в 1,3 раза - по сравнению с железобетонной;
- Уменьшается масса опор ВЛ в 2,2 раза по сравнению с железобетонными;
- Уменьшается время на монтаж многогранных опор ВЛ, поскольку они, как правило, одно основание, что в 4 раза уменьшает расход материала на фундамент и в 12 раз снижает трудоемкость на устройство котлована под цилиндрический фундамент по сравнению с фундаментами для решетчатых конструкций;
- Несущая способность стоек (траверс) опор легко может быть изменена в широких пределах, как за счет толщины листового металла, так и за счет угла наклона конуса;
- Не нужна спецтехника для доставки МГС на пикет, что позволяет сократить время транспортировки опор и, соответственно, стоимость доставки;
- Уменьшается полоса отчуждения, оказывает минимальное негативное влияние на окружающую среду;
- Увеличивается срок службы опор по сравнению с железобетонными опорами;
- Капитальные затраты на 1 км линий электропередач на 25-50% ниже, чем при использовании железобетонных и стальных формовых опор;
- Опоры на основе многогранных стальных стоек обладают антивандаль-ными свойствами.
Первый опыт строительства линий электропередачи в России подтвердил преимущества многогранных опор [2]. Прежде всего, эти преимущества оказались при решении транспортных проблем, причем, чем сложнее транспортная схема, тем эффективнее применение многогранных опор.
Кроме того, объем строительно-монтажных работ по сравнению с железобетонными опорами сокращается практически в 2 раза за счет веса и уменьшение количества опор. По сравнению с решетчатыми опорами, объем строительно-монтажных работ снижается на порядок за счет уменьшения удельных затрат на сооружение одной опоры.
В России ОАО «Промик» разработало серии свободностоящих одностоякових4-х цепных опор с вертикальным расположением цепей (ПМГ 110-4УР, ПМГ 110-4УР +4 и УМГ 110-4УР) для ВЛ 110 кВ. [2.] Эти опоры предназначались для условий прохождения трассы по территории интенсивной городской застройки (рис.3.10).
Для прохождения 4-х цепных ВЛ 110 кВ территории лесных массивов, ОАО «Промик» разработало также серии свободностоящих одностоечных 4-х цепных опор с горизонтальным расположением цепей. Эскизы свободностоящих одностоечных 3-цепных опор для ВЛ 110
- 220 кВ с двумя грозозащитных тросов и 4-ярусным расположением проводов (ПМ220 / 110-3 и РОЗУМ220 / 110-3) приведены на рис. 3.11. Следует отметить, что организация выполняет разработку опор ВЛ 110 - 220 кВ для конкретных условий.
Основными типами опор являются: промежуточная опора ПМ 110-2 и анкерно-угловая опора УМ 110-2. Для этих опор выполняют вариантную оптимизацию конструкции заключается в технико-экономическом сравнении вариантов. Количество вариантов для оптимизации определяют перебором следующих параметров:
- Стрела прогиба провода - 6, 8, 10, 12, 16 и 20 метров - для промежуточных опор;
- Высота подвеса нижнего провода-10,5 м - для анкерно-угловых опор;
- Количество граней в секциях стойки - 8, 10, 12 - для промежуточных опор и 10, 12, 16-для анкерно-угловых опор;
- Размер комля и верха стойки (конусность) - 500 - 200 мм, 600 - 200 мм, 700 -200 мм - для промежуточных опор и - 800 - 400 мм, 1000 - 400 мм, 1200 - 400 мм, 1600 - 400 мм, 1800 - 400 мм, 2000 - 400 мм - для анкерно-угловых опор.
Для каждого из вариантов выполняют полный силовой расчет и определяют минимально необходимую толщину стали в каждой секции стоек и в каждом пересечении через 0,1 м в диапазоне 4 - 14 мм с шагом 1 мм.
При необходимости определяют конструкцию фланцевых соединений.
Определение стоимости 1 км ВЛ для каждого варианта выполняют с учетом следующих расходов: стоимости металла для изготовления МГС с учетом раскроя, стоимости металла для изготовления траверс, стоимости металла для изготовления фланцев, стоимости металлоизделий для стыковки секций, а также крепление траверс и фланцев; стоимости металла и бетона для закрепления опор в грунте; заводских расходов на изготовление МГС зависимости от количества граней; затрат на постоянный отвод земли под опоры; расходов на вырубку просеки; затрат на установку опор и фундаментов; расходы на арматуру и изоляторы.
Основные опоры при оптимизации рассчитывают на подвеску проводов АС 240/32 и троса для оптоволоконной связи типа ОКГТ марки ACS 66-6.3.
Анкерно-угловые опоры при оптимизации рассчитывают на угол поворота трассы не менее 60 °. После проведения оптимизации основных опор и определение их конструкции, выполняют определение сферы применения опор для других марок проводов AC 70/11, AC 95/16, AC 120/19, AC 150/24, AC185/29 и АС 300/39 (c определению толщины каждой секции) и определения подтипа стойки для каждого провода.
Для основной анкерно-угловой опоры сфера ее применения (с определением толщины каждой секции) и подтип стойки, определяют для различных углов поворота трассы: от 0 до 20о, от 20 до 40о, от 40 до 60 °, от 60 до 75о, от 75 до 90о.
Однако, не следует рассматривать МГС как некоторые универсальные конструкции, которые позволяют заменить все известные типы опор ВЛ электропередачи. Рациональный подход к определению сферы применения МГС позволяет во многом существенно снизить затраты на строительство ВЛ и их дальнейшую эксплуатацию. Для каждого конкретного случая эффективность применения того или иного типа опор зависит от различных факторов. К таким факторам можно отнести: климатические условия района, особенности технического задания на строительство объекта, близость производства того или иного типа опор и т.д. В связи с многообразием условий строительства целесообразно предварительно оценить сферу эффективного применения конкретных типов МГС. Это позволит избежать необоснованных расходов при строительстве ВЛ и ускорит получение экономического эффекта от реализации конкретных проектов. В [2] приведены результаты расчета стоимости строительства пятикилометровой анкерных участков с МГС для напряжений от 6 кВ до 500 кВ. Основным критерием выбора рационального варианта был минимум капитальных затрат на строительство объекта. Анализ полученных результатов позволяет сделать предварительные выводы о наиболее рациональные варианты использования опор на МГС. Относительно напряжения можно выделить три сферы с разными уровнями эффективности.
В электрических сетях напряжением до 10 кВ экономически эффективнее является применение железобетонных опор, которые имеют в 5-6 раз меньшую стоимость по сравнению с металлическими. Однако, в труднодоступных районах применения МГС существенно уменьшает расходы на транспорт и монтаж линий в связи с чем металлические опоры становятся на 30% эффективнее железобетонных.
Следует отметить, что при расчете экономической эффективности не учитывались характеристики надежности электрических сетей. Опыт эксплуатации электрических сетей 0,4 - 10 кВ показывает, что в случае возникновения экстремальных метеорологических условий крупнейшем разрушению подвергаются электрические сети на базе трапецеидальных стоек с вибрированных бетона. В связи с этим оценку целесообразности применения опор на МГС в электрических сетях 0, 4-10 кВ следует проводить с учетом потерь от аварий, срока службы и эксплуатационных расходов.
Наиболее полно свои преимущества многогранные опоры проявляются в электрических сетях 35 - 220 кВ. По сравнению с ЛЭП с центрифугированные бетонными опорами линии с опорами МГС дешевле на 6-10%. Основным фактором, обеспечивающим преимущество многогранных опор, является увеличение пролетных расстояний в 1,5-2 раза.
Сравнение стоимости строительства ЛЭП на многогранных и решетчатых опорах показало, что практически по всем составляющим издержек использования опор на МГС экономически целесообразнее. Стоимость 1 км линий данного класса на решетчатых опорах оказывается на 35-40% выше.
Как и в сетях 0, 4-10 кВ преимущества опор на МГС возрастают при строительстве ЛЭП в труднодоступных районах. Следует отметить, что при использовании опор на МГС сокращается время строительства ПЛ.
В электрических сетях напряжением 330 - 500 кВ, как показали результаты расчетов, применение железобетонных опор экономически нецелесообразно. Сравнение опор на МГС и металлических решетчатых опор показало, что для ВЛ 330 кВ оба типа опор ривноефективни. Для ВЛ 500 кВ решетчатые опоры имеют определенные преимущества. Обусловлено это увеличением массы многогранной опоры, а также увеличением стоимости фундамента.
Опыт строительства линий электропередачи на многогранных опорах накопленный как в нашей стране, так и за рубежом, свидетельствует, что это направление может стать одним из перспективных в сетевом строительстве. Проблемы, которые имеют место сегодня, не носят принципиального характера и могут быть решены при незначительных объемах инвестиций.