ЕНЕРГИЯ - Списание за оборудване, технологии и инженеринггодина IX, брой 6, 2017

Конструктивни изисквания към стълбовете на електропреносната мрежа

Конструктивни изисквания към стълбовете на електропреносната мрежа

Електропреносната мрежа трябва да отговаря на едно основно изискване - сигурност на електроснабдяването на потребителите на електрическа енергия, като същевременно качеството на доставяната енергия се контролира без компромиси. България има силно развита вътрешна преносна мрежа, но и амбицията да я доразвива. При изграждане на нови електропроводи се прилагат такива решения за конструктивните елементи, които са доказали през годините своята устойчивост, технологичност и икономичност.
И по време на експлоатацията, и по време на ново строителство е естествено да се търсят оптимални икономически показатели. Част от разходите за експлоатационния период са предвидени за обследване, поддръжка и реконструкция на мрежата, но същественият дял е предназначен за нови конструкции. А защо най-интересни са стомано-решетъчните стълбове?


Въздушните електропроводни линии са съвкупност от проводници, изолатори, стълбове, фундаменти и арматура. Един от основните конструктивни елементи на електропреносните линии, отговорни за закрепването и окачването на електропроводите на определено ниво, са опорните стълбове. По трасето на електропроводите се използват дървени, стоманобетонни - вибрирани, стоманено-тръбни и стомано-решетъчни опори. Разработват се опитни образци от алуминиеви сплави и композитни материали. Засега като най-целесъобразни за опори на линиите над 20kV са се наложили стомано-решетъчните стълбове.

Стоманата е вълшебният материал, от който се изготвят металните опори и различни детайли към тях - траверси, носачи, обтегачи. Преимуществото на стоманените опори в сравнение със стоманобетонните е високата якост при малка маса, а и винаги материалът може да се използва повторно. Употребата на стомана обезпечава удобния транспорт до мястото на монтажа поради възможността да се изработват отделни секции, които да се окрупняват на място, както и бързина на монтажа.

Два основни факторa, присъщи на стоманената конструкция
Първият фактор е изходният материал за конструкциите на стълбовете - това е прокатната стомана, която се изготвя по стандарт за листове, ъглови профили, двойно Т-профили, тръби и т.н. От тях се комплектоват всичко разнообразни конструктивни форми. Стандартите, доскоро само български, вече са хармонизирани с европейските. Те обхващат горещовалцуваните продукти от конструкционни стомани, равнораменните и неравнораменните ъглови профили, U-профили, стандарт за лист и лента от нелегирана и легирана стомана, както и всички останали приложими български и международни стандарти. Самата стомана, обичайно използвана, е нелегирана конструкционна въглеродна стомана, марка S275JR, съгласно утвърдения БДС EN - стандарт.

Вторият фактор е технологичният процес - това е процесът, в чиято основа е студената обработка на метала, както и съединяването на детайлите в конструктивни елементи. Другояче казано, след нарязване, огъване, разпробиване и др., заготовките се обединяват с болтове, заварки или други съединителни операции. Болтовете, гайките, шайбите също се избират по съответните стандарти, като болтовете трябва да са с клас на якост минимум 8.8, а гайките - 8. При заваряване също се спазват изискванията на нормативните документи. Заваръчните шевове се изпълняват съгласно работните чертежи, и се следи за качеството им - те трябва да са гладки, без стеснявания, кратери, прекъсвания и др.

Някои особености при стълбовете за въздушни линии
Конструирането на опорите на въздушните линии е пряко обвързано с проектирането и изграждането на самите линии, и трябва да отговаря на изискванията на действащата НАРЕДБА №3 от 9.06.2004г. за устройството на електрическите уредби и електропроводните линии.

Всъщност, най-голямо приложение в мрежите за ниско напрежение и средно напрежение намират стоманобетонните стълбове. Изработват се от армиран вибриран бетон. Стоманобетонните стълбове имат по-малък разход на стомана в сравнение с металните, не изискват специална поддръжка - не се боядисват, могат да се изработват на полигон в близост до мястото на монтажа, имат голяма трайност и са евтини. Недостатъците на тези стълбове са ограничената им височина, голямото тегло, малката якост на резки ударни натоварвания. Точно затова стомано-решетъчните стълбове се налагат като опори за линиите над 20kV - те имат голяма механична якост, практически неограничена строителна височина, удобни са за транспорт и монтаж.

Именно предназначението на стълбовете за въздушни линии предопределя оразмеряването им. Те могат да бъдат носещи, опъвателни, ъглови, крайни, отклонителни и кръстовищни. Може да се каже ориентировъчно, че междинните носещи стълбове съставляват около 85% от общия брой опори.

Носещите стълбове се монтират в прави участъци от трасето на въздушни линии. Опъващите стълбове в права линия също се монтират в прави участъци на трасето, но за разлика от носещите поемат и надлъжните опъващи сили на проводниците от двете им страни. Ъгловите стълбове се монтират на места, където има промяна на направлението на ВЛ и поемат резултантната сила от опън на проводниците от двете им страни. Тези стълбове са от опъващ тип. Крайните стълбове се монтират в началото и края на електропровода и поемат пълния едностранен опън на проводниците. Тези стълбове са също от опъващ тип. В конструктивно отношение крайните стълбове имат най-тежка конструкция от всички разгледани дотук опори.

Отклонителните и кръстовищните стълбове попадат в групата на стълбовете със специално предназначение. Отклонителните се използват за отклонение на линии, и най-често се конструират като опъвателни, но с монтирана допълнителна конзола. Кръстовищните стълбове се използват при пресичане на две линии, като необходимата им увеличена дължина се постига с монтиране на върха на допълнителна стомано-решетъчна секция. В групата на стълбовете със специално предназначение попадат и преходните стълбове. Това са особен вид преходни опори, които се изпълняват при преминаване на реки, езера, пропасти и други подобни препятствия, когато пресичането не може да се изпълни със стандартни стълбове.

По конструктивно решение опорите са свободно стоящи или с обтегачи - за всички типове стълбове е разрешено използването на подпори или обтяжки, като обтяжките се закотвят в терена или към различни съоръжения. В прави участъци на ВЛ в открити места се поставя усилен тип стълб - опъвателен, след всеки 8÷ 9 носещи стълба. Опорите могат да бъдат единични конструкции или портален тип.

Най-малката височина на стълбовете се определя от изискването за най-малко разстояние на електропроводите до земната повърхност. Обикновено това минимално разстояние се приема около 7÷8m, но има случаи, когато може да се намали - например в ненаселени и труднодостъпни места.

Заземявания на стълбовете на ВЛ се изпълняват на всички метални стълбове.

Унификация
Опорите на въздушните линии са масови съоръжения - при строителството дори само на една линия, ако дължината ѝ е голяма, се поставят десетки стълбове-опори. Това е дало основание да се създаде номенклатура - унифицирана система. Резултатът е добре разработена система от определен брой елементи с типизирани размери. За линиите с различно напрежение са приети типове конструкции с различна височина. Приемането на даден тип е на база технико-икономически сравнения, с отчитане на разходите за самата опора, за проводниците и за фундаментите. Процесът е сложен и отговорен. Отрасловата нормала е "Стълбове стоманорешетъчни за въздушни линии", по утвърдена техническа документация на Енергопроект или еквивалент.

Разбира се, за преходни опори типизация и унификация не са възможни, или поне не са целесъобразни. Такива опори се проектират индивидуално, тъй като обикновено те са сложни инженерни съоръжения с голяма височина, а не рядко и с усложнени условия за фундиране.

Някои насоки при проектиране на стълбовете
Стълбовете и техните фундаменти се изчисляват съгласно действащите нормативни актове. Както при всички строителни конструкции, и при опорите на въздушните линии се започва от натоварването. Избрани са три режима на работа за въздушните електропроводни линии - нормален, монтажен и авариен. В нормалния режим проводниците не са прекъснати, в авариен режим проводниците са скъсани напълно или частично. За проектантите това означава основно съчетание на натоварването, допълнително и особено съчетание.

За нормален режим на работа стълбовете на ВЛ се оразмеряват само за механичните товари при нормален режим и състояние на проводниците - или са свободни от лед, но е приета максимална скорост на вятъра, или са покрити с лед и скоростта на вятъра е скорост при заледяване. При изчисленията се отчитат действията на специфични сили върху стълбовете с различно предназначение - носещите, опъвателните, ъгловите и крайните стълбове. Както при всички останали конструкции, и за стълбовете налягането от вятър се коригира според височините на отделните зони. Налягането от вятъра върху стълба се приема винаги в най-неблагоприятната посока.

При авариен режим на работа на ВЛ носещите стълбове с висящи изолатори се оразмеряват за условни сили при скъсване на тези проводници, от които се получава най-голям огъващ или усукващ момент.

Всички части на стълбовете се проверяват на натоварване, съответстващо на начина на монтаж, приет в проекта, като се вземат под внимание компонентите от силите на теглещото въже и теглото на монтираните проводници и изолатори, а също и допълнителните натоварвания от теглото на монтажните приспособления и монтьора с инструменти.

По своята конструктивна форма опорите са пространствени прътови системи, и усилията в тях се определят с използване на различни изчислителни програмни продукти. Преразпределението на усилията между поясите, подкосите и разпънките зависи не само от направлението на външните въздействия и формата на напречното сечение в план, но и от схемата на решетката. Видът на решетката може да е най-различен - триъгълна, кръстосана, триъгълна с подкоси, ромбовидно-триъгълна и др. Целта е свободната дължина на поясите да се намали, но пак се търси оптималното съотношение между разходите за строителство и разходите за поддръжка.

Елементите на стълбовете обикновено се конструират от равнораменни ъглови профили. При много високи опори се оказва удачно използването на тръби. Разбира се, че когато височината на съоръжението превишава габаритите на превозното средство, тогава конструкцията излиза от цеха за производство на отделни секции, които се окрупняват на мястото при монтажа. При неголеми размери на напречното сечение на стъблото, конструкцията се разделя на секции с дължина 8÷10m. Всяка секция се конструира с най-малко две диафрагми, които обезпечават пространствената ѝ коравина. Диафрагми трябва да се поставят и в местата на промяна на напречното сечение с чупка, и в местата на закрепване на обтяжки.

Конструкциите на стълбовете на ВЛ се изпълняват с възможност за осигуряването на лесно и безопасно изкачване на обслужващия персонал и извършването на ремонтни работи под напрежение. За изкачване по стоманорешетъчните стълбове се предвиждат стъпала към един от поясите, когато височината на стълба е до 20m и разстоянието между диагоналите при поясите е по-голямо от 0.6m или наклонът на диагоналите е по-голям от 30°, стълба без ограждение до един пояс, която достига до най-горната конзола при височина на стълба от 20 до 50m или стълба с ограждения и площадки при всяка секция и ограждения на конзолите за стълбове с височина над 50m. Диагоналите на стоманорешетъчните стълбове, с изключение на хоризонталните елементи на диафрагмите, се изчисляват на сила от теглото на човек, равна на 1.00kN. Стълбите, монтирани по стълбовете, трябва да започват на височина 3.00m от земята и да не са под конзолите на стълба, освен ако завършват на 4m под най-ниско разположената тоководеща част.

Фундиране
Стъпването на опорите за въздушни линии става върху бетонни или стоманобетонни фундаменти, оразмерени така, че да осигуряват устойчивост на стълба основно срещу преобръщане, но се правят проверки и за изтръгване. Фундаментът не само трябва да поема натоварванията от теглото на стълба, изолаторите и проводниците, и външните сили - вятър и заледяване, и да ги предава на терена, но също така трябва да запазва стълба от критични движения на терена. Размерите на фундаментите са функция от размерите на стълбовете и вида на почвата. При необходимост от доизясняване структурата на почвата и нивото на подпочвените води се правят съответните инженерно-геоложки проучвания.

За най-масово използваните стълбове в проектантската практика се е наложила емпирична методика за оразмеряването на основите им. Разработени са таблици, в които са дадени основните размери, количеството на изкопната маса и на бетона, в пряка зависимост от предварително избрания в проекта стълб, чиято долна част се вбетонира във фундамента. При определяне на размерите и формата на този тип фундамент, наречен още "блок-фундамент", се взема предвид и типа на почвата, като условно е прието разделяне на почвите на три основни вида - здрава, слаба с 50% воден подем и слаба със 100% воден подем. За стълбовете, за които няма разработени фундаменти, изчислението се провежда по изискванията на нормите за проектиране.

При изчисленията на опорите със специално предназначение може да се използват фундаменти с широка основа, повече от 4.00m2, и обикновено те се изпълняват като скелетни, стоманобетонни, със затежняваща доливка от бетон или засипка със смес от пясък и чакъл. При използване на фундаменти с малка основа (ориентировъчно по-малка от 4.00m2) се разчита на пилотно фундиране - стоманобетонни или стоманени пилоти.

За изпълнението се прилагат два технологични подхода - използване на готови фундаменти, изготвени в заводски условия, или изливане на фундаментите на място. При изработката на блокови фундаменти се спазва следната последователност - стълбовете се изправят, вертикализират се и се стабилизират с временни обтяжки, до втвърдяването на бетона.

Фундаментът се оформя като самостоятелно съоръжение в следните конструктивни разновидности: едноблоков бетонен фундамент, двублоков и четириблоков. При стоманорешетъчните стълбове връзката между фундамента и надземната част на стълба е разглобяема.

Начини на монтаж
Доставката на отделните елементи, или секции, за един стълб се извършва по стандартните начини на транспорт. Монтажът се извършва с помощта на повдигателно средство, избрано за конкретните условия - автокранове, полиспасти или товароподемни лебедки. За местата, където достъпът е много затруднен, секциите трябва да са с минимални размери. Особено внимание се обръща на такелажните приспособления и на тяхното привързване към конструкцията и към повдигателното съоръжение. Ако се наложи, се използват и траверси. Обикновено специализираните строителни машини могат да достигнат до неподозирани места, но има случаи, макар и много индивидуални, когато се прибягва дори до използването на вертолети за доставка и монтаж.

При всички случаи трябва да се изключват изрязвания и доработки "на място", или каквито и да е дейности, които не са заложени в работния проект или технологията на монтаж.

Не бива да се пренебрегват мерките за опазване здравето на монтажниците. Те са описани в Наредба №2 от 22 март 2004г. за минималните изисквания за здравословни и безопасни условия на труд при извършване на строителни и монтажни работи, както и в Наредба №7 от 23.09.1999 г. за минималните изисквания за здравословни и безопасни условия на труд на работните места и при използване на работното оборудване. Едно от най-важните изисквания е използването на лични предпазни средства, и най-вече предпазни колани, каски и ръкавици, а инструментите се поставят в специални чанти.

Защита от корозия
Начините за защита на стоманените структури от корозия са различни, и зависят от средата, вида на повърхността и нормативните изисквания за дълготрайност. Тук само ще отбележим, че защитното антикорозионно покритие трябва да съответства на корозионно агресивна категория на заобикалящата среда "С3" и степен на дълготрайност "Н", съгласно класификацията на утвърдените БДС EN - стандарти. Подготовката на повърхностите, лаковобояджийските материали, грундиращото покритие, изпълнението и контролът трябва да са така подбрани, че да гарантират минимум 15 години експлоатационна дълготрайност на антикорозионното лаковобояджийско покритие. А дали не е по-целесъобразно цялостното поцинковане на отделните секции на стълбовете, и свързването им с поцинковани болтове? На всички тези въпроси ще се спрем подробно в отделна тема.