CC BY
60
УДК 621.315.17 Б01 10.18635/2071-2219-2016-3-9-11
Составные композитные траверсы для опор высоковольтных линий электропередачи
С. Н. Попов,
Институт проблем нефти и газа СО РАН, г. Якутск, заместитель директора по научной работе, доктор технических наук, профессор
Ю. Ю. Федоров,
Институт проблем нефти и газа СО РАН, кандидат технических наук
С. В. Васильев,
Институт проблем нефти и газа СО РАН
В настоящее время развивается рынок композитных опор и траверс ЛЭП. Композитные стеклопла-стиковые профили приходят на смену традиционным материалам, обладая целым рядом неоспоримых преимуществ. Авторами статьи предложена конструкция составной композитной стеклопластиковой траверсы и проведены стендовые и опытно-промышленные испытания в условиях холодного резко континентального климата.
Ключевые слова: траверса, линия электропередачи, композит, стеклопластик, прочность, нагрузка.
Как показывает практика эксплуатации линий электропередачи, деревянные траверсы, предусмотренные для промежуточных П-образных опор ЛЭП, подвержены интенсивной биокоррозии (гниению) в местах соединения с опорами. Происходящее при этом локальное снижение прочности приводит к возникновению аварийных ситуаций и требует проведения ремонтных работ в кратчайшие сроки. Кроме того, предусмотренные конструкциями применяемых опор деревянные траверсы характеризуются большими габаритами по длине (до 8,5 м) и высокой массой, что затрудняет их доставку к местам установки в условиях бездорожья и усложняет монтажные работы.
Применение композитных стеклопластиковых профилей, производство которых освоено российской промышленностью, обеспечивает возможность создания сборно-разборных конструкций со значительно уменьшенными габаритами в транспортном положении и со сниженной массой. Композитная стеклопластиковая траверса является прочной, легкой и экологически безопасной альтернативой траверсам из традиционных материалов. Результаты исследований, приводимые производителями, показывают, что долговечность конструкций из таких материалов превосходит срок службы аналогичных конструкций из традиционных материалов. Однако исследования работоспособности композитных стек-лопластиковых профилей в составе элемента опоры ЛЭП, в данном случае траверсы, не проводились в условиях резко континентального холодного климата, характерного для некоторых регионов, в частности для Республики Саха (Якутия). В настоящей статье представлены исследования несущей способности композитной траверсы и опытно-промышленные испытания по изучению недостатков и преимуществ при монтаже.
Обычно предлагаются три конструктивных варианта сборно-разборных стеклопластиковых траверс. Траверсы предназначены для закрепления электроизоляторов на промежуточных опорах ЛЭП 35 и 110 кВ портального типа с расстоянием между осями опор 3000 мм и 4000 мм. Сборно-разборные конструкции траверс необходимы для проведения ремонтно-восстановительных работ. Конструкция траверс должна обеспечивать минимальные габариты в транспортном положении и максимальное упрощение монтажных операций. Для изготовления траверс предусмотрено применение стеклопластиковых профилей типа «швеллер», изготовленных по технологии пултрузии.
Для опор ЛЭП 110 кВ изготовление траверс рекомендуется из швеллера 240x72x12 мм, для ЛЭП 35 кВ предпочтительно использование швеллера 200x60x10 мм. Следует отметить, что в предлагаемых конструкциях предусмотрена возможность монтажа при изменениях расстояния между осями опор на величину до 0,5 м, которая может проявиться после демонтажа или разрушения старой траверсы в результате продолжительной эксплуатации. Расчетная масса траверсы при изготовлении из швеллера 240x72x12 мм составляет 90 кг, из швеллера 200x60x10 мм - 50 кг.
Представленные конструкции траверс обеспечивают возможность подвески электроизоляторов типа ЛК-70/110, ЛК-120/110, ПС70, ПС120 по традиционной схеме закрепления их на деревянных траверсах в отверстиях, выполненных перпендикулярно оси траверсы.
На рис. 1 а схематично представлена конструкция траверсы для ЛЭП 110 и 35 кВ, изготовленная из стеклопластикового швеллера 240x72x12 мм. Траверса содержит два основных элемента длиной по 4,1 (3,1) м, скрепленных между собой третьим соединительным элементом длиной 2 м. Каждый основной элемент прикрепляется к соединительной
10
эашштшшшттшмшжтшшшт
детали болтами и гайками. Прикрепление траверсы к стойкам опор осуществляется хомутами или традиционным болтовым соединением с шайбой-подпятником (рис. 1 в). Такая конструкция обеспечивает соединение траверс и стоек практически независимо от отклонений расстояния между опорами в достаточно широком диапазоне и исключает сверлильные работы на высоте.
2000
ЗЕ
1С
4100(3100)
8200(6200)
а
Рис. 2. Стендовые испытания траверсы опоры ЛЭП 110 кВ
В процессе стендовых испытаний к изделиям прикладывали имитационные нагрузки и измеряли деформационно-прочностные характеристики при приложении нагрузки к точкам подвеса бокового и центрального провода (рис. 3). Результаты испытаний приведены на рис. 4.
п п
• 1
□ \р Гр
центральный провод боковой провод
Рис. 3. Точки приложения испытательной нагрузки на траверсу
Рис. 1. Стеклопластиковая траверса для опоры ЛЭП 35 и 110 кВ (в скобках даны размеры траверсы для ЛЭП 35 кВ): а) схема конструкции траверсы; б) размещение крепежных деталей; в) соединение траверсы со стойкой опоры
Нагрузки, которые необходимо обеспечить при проведении стендовых испытаний различных вариантов конструкций траверс для опор ЛЭП, определяются ПУЭ 7-го издания [1] и специальной литературой [2, 3]. В нормальном режиме работы высоковольтной линии траверсы должны быть рассчитаны на следующие сочетания нагрузок [1]:
- нагрузка от веса провода и веса гололеда на проводе;
- воздействие поперечной ветровой нагрузки на провода, свободные или покрытые гололедом.
Нормативную толщину стенки гололеда принимаем согласно [1] в соответствии с картой районирования России: 10, 15 и 20 мм для районов по гололеду I, II и III соответственно. Нагрузка Р и угол приложения испытательной нагрузки а соответственно будут равны: Р = 4,67, 6,72 и 10,83 кН; а = 17,7°, 15,3° и 11,3°.
Для определения деформационно-прочностных характеристик траверс разработан и изготовлен стенд, позволяющий моделировать напряженно-деформированное состояние стеклопластиковых изделий. Нагружение траверсы по ее центру моделирует подвес центрального провода, а нагружение по консоли моделирует подвес бокового провода.
В ходе испытаний согласно показаниям динамометра и дальномера определяются деформационно-прочностные характеристики траверс. На рис. 2 приведена фотография испытаний траверсы опоры ЛЭП 110 кВ.
о !! С
120 100 80 60 40 20
у=0,0103х 112=0,9913
2000
4000
6000
8000 10000 Нагрузка, Н
Рис. 4. График нагрузки/прогиба для траверсы на 110 кВ (швеллер).
Приложение нагрузки к траверсе в точке подвеса центрального (к) и бокового () проводов
Опытно-промышленные испытания разработанных траверс проводились на действующей ЛЭП Западных электрических сетей ПАО «Якутскэнерго» в г. Мирном. Замену траверсы на промежуточной деревянной П-образной опоре ЛЭП 110 кВ осуществляли, не спуская стойки, при помощи автокрана. Возможность ручной транспортировки собранного изделия продемонстрировала сниженный вес композитной траверсы (80 кг) по сравнению с деревянной (порядка 250-300 кг). Крепление траверсы на стойки опоры проводили в зимнее время при низких температурах; крепление к стойкам опоры осуществляли через хомуты (рис. 5). В ходе испытаний было установлено, что удобным способом крепления траверсы при замене является комбинированное крепление, то есть, во-первых, производится крепление тради-
б
в
0
ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЬ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ I щту.епсМт
№ 3 (69) 2016, май-июнь
ционным болтовым соединением на старом отверстии, а затем крепление хомутами, что позволяет исключить сверлильные работы на высоте.
Анализ результатов проведенных стендовых испытаний составных траверс опор ЛЭП показывает их работоспособность с точки зрения обеспечения необходимой несущей способности изделий. Опытно-промышленные испытания показали
преимущество легкого веса стеклопластика перед традиционными деревянными и металлическими материалами при изготовлении траверс опор ЛЭП, особенно составных. Составную траверсу можно по частям вручную доставить до места установки, так как максимальный вес самой крупной составляющей траверсы - около 30-35 кг. Преимущество малого веса очевидно при аварийной замене траверсы без применения подъемной техники. Долговечность стеклопластика (срок службы более 70 лет) позволяет многократно использовать траверсу в случае замены стоек опор, что отразится на экономии средств при реконструкции ЛЭП.
Необходимо отметить, что широкие перспективы применения стеклопластиковых траверс при проведении ремонтно-профилактических работ и строительстве новых ЛЭП в ближайшем будущем потребуют значительного расширения ассортимента стеклопластиковых изделий, выпускаемых российской промышленностью. Дополнительным преимуществом является то, что затраты производителей при освоении выпуска новых размеров профилей при применении пултрузионных технологий относительно невелики и составляют 800-1000 тыс. руб. за один тип. Расширение ассортимента типоразмеров позволит оптимизировать конструкции траверс в зависимости от эксплуатационных условий.
Литература
1. Правила устройства электроустановок. Изд. 7-е. - М.: Энергоатомиздат, 2002.
2. Крюков К. П., Новгородцев Б. П. Конструкции и механический расчет линий электропередачи. -Л.: Энергия, 1979.
3. Свод правил СП 20.13330.2011. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85. - М.: Министерство регионального развития Российской Федерации, 2011.
Composite cross-arms for power transmission lines
S. N. Popov,
SB RAS Institute of Oil and Gas Problems, Yakutsk, Doctor of Science, professor
Yu. Yu. Fedorov,
SB RAS Institute of Oil and Gas Problems, Yakutsk, PhD
S. V. Vasiljev,
SB RAS Institute of Oil and Gas Problems, Yakutsk
It is proposed to use composite cross-arms for overhead transmission lines as a replacement for wooden cross-arms. Composite fiberglass materials have many advantages such as structural performance and mechanical properties but need to be tested in variety of external conditions. The authors suggest multi-part composite fiberglass cross-arm design. They test the cross-arm in extremely cold weather conditions.
Keywords: cross-arm, transmission line, composite, fiberglass, strength, load.
