Анализ преимущества применения композитных опор

Аннотация

В этой статье рассмотрены преимущества и недостатки применения композитных опор в сравнении с другими типами опор.

Стабильная и безаварийная работа линий электропередач имеет огромное значение, как для жителей населенных пунктов, так и для различных организаций. На бесперебойность электроснабжения влияют все входящие в состав ЛЭП элементы. Опоры, арматура, изоляторы, их прочность, устойчивость к внешним воздействиям должны быть максимально высокими.

В последнее время для строительства и ремонта ВЛ высокого и сверхвысокого напряжения предлагаются решения на базе опор из композитных материалов. Внедрение композитных опор оказывает положительное влияние на надежностные и экономические показатели электроэнергетических объектов.

Активному распространению железобетонных опор способствовали следующие их особенности:

  • Железобетонные опоры неприхотливы к климатическим условиям мест их установки. Они выдерживают частые осадки, ветер, скачки температур, они могут эксплуатироваться в районах с температурой воздуха до -55°С.
  • Эти опоры рассчитаны на продолжительную эксплуатацию и в процессе использования не требуют к себе внимания.
  • Стойкость к коррозии и к воздействию химических реагентов из окружающей среды.

Главный недостаток опор из железобетона являются низкие прочностновесовые характеристики, и как следствие высокие затраты при транспортировке из-за больших габаритов и массы изделий, так же низкие прочностновесовые характеристики вызывают необходимость применения при сборке и монтаже кранов большой грузоподъемности, что может привести к возникновению дефектов при транспортировке (трещины, сколы). Еще одним существенным недостатком при эксплуатации железобетонных опор является отсутствие ремонтопригодности. В случае ДТП у опор появляются сильные повреждения, растрескивание бетона, возможны критичные повреждения для автомобиля и человека.

Основным элементом железобетонной опоры является стойка. По способу изготовления стойки бывают центрифугированные и вибрированные. По конструктивному исполнению железобетонные опоры делятся на одностоечные- свободностоящие, на оттяжках и портальные-свободностоящие и на оттяжках.

Стальные опоры выполняются из малоуглеродистой или низколегированной стали в зависимости от назначения опор и расчетной температуры в районе сооружения линии электропередачи. Выбирая конструктивные схемы опор и подходящие профили проката, можно получать конструкции стальных опор для любых условий и нагрузок, требующихся на линиях электропередачи [2, с. 146].

К преимуществам стальных опор относятся:

  • возможность создания конструкций на весьма большие механические нагрузки, большое число проводов и большие высоты;
  • относительно малая масса и высокая механическая прочность;
  • простота заводского изготовления и технологичность сборки на трассах.
  • Опоры ремонтопригодны. При незначительном повреждении достаточно нанести на металл краску, содержащую цинк
  • В случае ДТП остаются вмятины на транспортном средстве. Происходит поглощение силы удара опорой, что уменьшает риск гибели человека
  • При правильной установке и соответствующей эксплуатации средний срок службы составляет до 50 лет.

Главный недостаток металлических опор ЛЭП - большое количество сборочных единиц, и как следствие, увеличенные трудозатраты при монтаже. Сроки монтажа стальных опор ВЛ могут превышаться в несколько раз , чем у аналогичных железобетонных опор.

По способу соединения элементов стальные опоры разделяются насварные и болтовые. В первом случае все соединения стержней пространственной конструкции опоры выполняются на сварке, а во втором случае — на болтах. Практически чисто сварных или чисто болтовых конструкций не бывает. Сварные опоры изготовляются на заводе в виде нескольких пространственных сварных секций, которые соединяются на месте установки при помощи болтов. Болтовые опоры обычно имеют отдельные элементы со сварными соединениями [2, с. 151].

Для защиты от коррозии сварные секции и детали опор окрашиваются на заводе. Более надежная защита опор от коррозии производится путем горячего оцинкования их элементов. Наиболее удобны для оцинкования болтовые опоры. Горячее оцинкование включает в себя покрытие металла слоем цинка для защиты от коррозии, металлическое изделие окунают в ванну с расплавленным цинком при температуре 460°С. Горячее цинкование считается одним из самых надёжных, экономичных и потому распространённых методов защиты железа и стали от коррозии [1, с 43].

При изготовлении деревянных опор наибольшее распространение имеют хвойные деревья. Главная причина - наличие большого количества смолы, которая препятствует проникновению влаги.

Для глубокого проникновения антисептической пропитки и, соответственно защиты от бактерий и грибков деревянные опоры обрабатывают в специальных автоклавах, где на них поочередно воздействуют вакуум и высокое давление.

Деревянные опоры имеют ряд преимуществ перед железобетонными и металлическими конструкциями: отсутствие «эффекта домино», простота монтажа, установки и доставки, низкая стоимость.

Среди недостатков следует отметить следующее: при несоблюдении ГОСТ срок службы сокращается значительно, гниение, пожароопасность, усушка дерева, которая может привести ослабление бандажей, наличие вредные веществ, полученные при пропитке.

Все детали при сборке опор должны быть плотно пригнаны друг к другу. Зазор в местах врубок и стыков не должен превышать 4 мм. Обработку стоек и приставок следует выполнять таким образом, чтобы стык был совершенно плотным, без просветов. Древесина в местах стыков должна быть без сучков и трещин. Зарубы, затесы и отколы должны быть выполнены на глубину не более 10% диаметра бревна. Рабочие поверхности врубок должны быть выполнены сплошным пропилом (без долбежки) [1, с. 42].

Бандажи для сопряжения приставок с опорой должны выполняться из мягкой стальной оцинкованной проволоки диаметром не менее 4 мм. Допускается применение неоцинкованной проволоки диаметром от 5 до 6 мм, покрытой асфальтовым лаком. Число витков бандажа зависит от диаметра проволоки и, если нет специальных указаний в проекте, должно быть равно: 12 - при диаметре проволоки 4 мм; 10 - при 5 мм и 8 - при 6 мм. Все витки бандажа должны быть равномерно натянуты и плотно прилегать друг к другу. При обрыве одного витка весь бандаж следует заменить новым. Концы проволоки бандажа необходимо забивать в дерево на глубину 20-25 мм [1, с. 42].

Допускается взамен проволочных бандажей применять специальные стяжные (на болтах) хомуты, механическая прочность которых должна быть проверена расчетом. Каждый бандаж (хомут) должен сопрягать не более двух деталей опоры [1, с. 42].

Современная энергетика — одна из самых крупных и высокоразвитых отраслей промышленности и это требует применения новых материалов. При сооружении линий электропередач в качестве таких материалов могут выступить полимеры.

При производстве композитных опор ЛЭП основным материалом являются стеклопластики. Одним из видов композиционных материалов является стеклопластик. Это пластичный материал, в основе которого стоит стекловолокнистый наполнитель (кварцевое волокно, стеклянное волокно) и специального связующего вещества, чаще всего ими являются термопластичное полимеры.

При небольшой плотности стеклопластики обладают высокими физикомеханическими характеристиками (Таблица 1 [4, с. 27]). Используя некоторые смолы и определенные виды армирующих материалов, можно получить стеклопластики, по своим удельным прочностным характеристикам превосходящие некоторые сплавы цветных металлов и сталь.

Таблица 1. Физико-механические свойства различных материалов

Физикомеханические свойства

Стеклопластик

Железобетон

Сталь

Алюминий

Плотность, т/м3

1,6-2,0

2,5

7.8

2,7

Разрушающее напряжение при растяжении, МН/м"

410-1180

В 10 раз меньше, чем при сжатии

410-480

80-430

Предел прочности при изгибе, МН/м"

690-1240

5,2

400

275

Модуль упругости при растяжении, ГПа

21-41

0.07

210

70

Коэффициент линейного расширения, 10Л(- б^С’1

5-14

12-15

11-14

22-23

Коэффициент теплопроводности, Вт/мхК

0.3-0,35

1,5-2

46

140-190

Удельное объёмное электрическое сопротивление, Ом X м

1,0х10Л10

Токопроводящая арматура

Проводник

Проводник

Механические свойства стеклопластика определяются преимущественно характеристиками наполнителя и прочностью его связи со связующим материалом. Наибольшей прочностью и жесткостью обладают стеклопластики, содержащие ориентированно расположенные непрерывные волокна. Такие стеклопластики подразделяются на однонаправленные и перекрестные. В первом случае волокна располагаются параллельно, а во втором - под углом друг к другу, который поддерживают постоянным или изменяют в различных частях изделия, управляя механическими и другими характеристиками конструкции. При изготовлении стеклопластики хорошо окрашиваются в любой цвет и при использовании стойких красителей могут сохранять его неограниченно долго. [4, с. 31]

В США композитные опоры RStandard удается эффективно использовать в сетях среднего напряжения 7.2 кВ. Авторы [5] указывают на достаточность чередования деревянных и композитных опор в определенной пропорции, что уже повышает эксплуатационные характеристики линий. Такие ограничения объясняются высокой стоимостью композитных стоек. Эксплуатирующая организация считает, что стоимость опор компенсируется низкими затратами на монтаж и обслуживание, а также высокой надежностью конструкций и снижением аварийности. Рассмотренный опыт является наиболее показательным, а опоры RStandard наиболее подходящими для реализации проектов ВЛ высокого напряжения. Другие производители предлагают решения в основном для сетей среднего и низкого напряжения. Электросетевые компании различных стран мира заинтересованы в подобной продукции. В частности, рассматриваются решения по замене деревянных опор на стеклопластиковые в классах напряжения до 220 кВ. Активно опоры RStandard используются и на территории Канады, где сосредоточено их производство [6, с. 79].

Конкурентными преимуществами композиционных опор перед их традиционными конкурентами являются:

  • малый вес опор. Так, например, опора высотой 12 метров весит всего 68 кг, что в несколько раз меньше веса деревянных опор (таблица 2 [3]).

Таблица 2. Сравнение массогабаритных характеристик опор

Композитные опоры

Деревянные опоры

Стальные опоры

Железобетонные опоры

Высота опор, MM

Вес[1], кг

Высота опор, MM

Вес[2], кг

Высота опор, MM

Вес, кг

Высота опор, MM

Вес, кг

8000

38-45

8500

180, 240, 320

9000

210

9500

800

9000

42-66

9500

200, 280, 380

18,6

1236

10500

1200

11000

57-92

11000

240, 370, 460

19,6

1468+20

11000

1100

12000

68-110

12000

300, 380, 530

24,9

2528

16400

3620

 

  • простота монтажа опор. Для сборки и установки опор из композитных материалов не требуется применение сложных монтажных инструментов и тяжелой техники, что ведет к удешевлению стоимости транспортировки и монтажных работ.
  • не требуется техническое обслуживание в процессе эксплуатации. Опоры из композита не подвержены коррозии (так как не содержат стальных элементов) и гниению, поэтому не требуется периодически восстанавливать лакокрасочное покрытие опор и их гидроизоляцию, заделывать трещины и т.д.
  • опоры из композитных материалов обладают высокой прочностью и долговечностью. Западные производители дают гарантию 40 лет на появление производственных дефектов и пожизненную гарантию на повреждения связанные с воздействием на опору льда, снега, ветра или удара молнии. Расчетный срок службы составляет 100 лет
  • огнестойкость и экологичность. Нет проблем с утилизацией опор, подобных деревянным опорам пропитанных креозотом.
  • хорошие диэлектрические свойства.
  • безопасность для автотранспорта. Опоры из композитных материалов являются более ударобезопасными по сравнению с железобетонными и металлическими аналогами, не наносят травм участникам движения и серьезных повреждений транспортным средствам при ДТП. В случае наезда сильному механическому повреждению подвергается опора, а не автомобиль с водителем и пассажирами [3].

Стандартные опоры ЛЭП это проводники, что влечет определенные особенности, которые надо будет учитывать при изоляции ЛЭП. Этого недостатки лишены композиционные опоры, так как они являются диэлектриками. Это приводит к упрощению схемы защиты и габаритов линии.

Недостатки композиционных опор:

  • производство данных опор не развито, следовательно, цена на них выше (таблица 3 [3]).
  • Отсутствие опоры применения данного типа материалов при сооружении опор.

Таблица 3. Сравнение стоимости опор в российских рублях на 2013 год

Композитные опоры

Деревянные опоры

Железобетонные опоры

Стальные опоры

Высота опор, MM

Стоимость

**, руб

Высота опор, MM

Стоимость

**, руб

Высота опор, MM

Стоимость

**, руб

Высота опор, MM

Стоимость **, руб

8000

19000

8000

2800

9500

5700

9000

14000

9000

21000

9000

3200

10500

6300

18,6

70000

HOO 0

25000

HOOO

3800

HOOO

7000

19,6

85000

1200 0

29500

12000

4700

16400

21300

24,9

150000

Расчет среднего показателя себестоимости различных типов опор к их номинальному сроку эксплуатации производится по формуле:

 

Композитные опоры

Деревянные опоры

Железобетонные опоры

Стальные опоры

Ц

25000*

3800

7000

85000

с

100

30

60

50

р

250

126

116

1700

Анализируя полученные данные (таблица 4), преимущества и минусы каждого типа опор, композитные опоры являются оптимальным вариантов. Наиболее целесообразно их применение в местах с отсутствием или плохим дорожным покрытием, где тяжелые техника не сможет вести работы, а также в районах со сложной климатической обстановкой: сильные ветра, резкие перепады температур.

 

 

Литература:

  1. Справочник по строительству и реконструкции линий электропередачи напряжением 0,4-750 кВ Анатолий Кравцов, Борис Узелков, Ефим Голо горский
  2. К.П. Крюков. Конструкции и механический расчет ЛЭП
  3. Достоинства и недостатки опор из композитных материалов http://elektro-montagnik.ni/
  4. Преображенский, А.И. Стеклопластики - свойства, применения, технологии // Главный механик. 2010. №5. С. 27-36.
  5. Колтарп C.Вайд Т. Стоя в полный рост наперекор погоде. Суровая погода подтверждает решение сетевой компании установить стеклопластиковые опоры // Воздушные линии. 2010. № 1. С. 60-64.
  6. Бочаров Юрий Николаевич, Жук Владислав Викторович. К вопросу о композитных опорах воздушных линий // Труды Кольского научного центра РАН . 2012. №1. URL: http://cyberleninka.rU/article/n/k-voprosu-o-kompozitnyh-oporah-vozdushnyh-liniy.
Год: 2016