Быстровозводимая облегченная опора для производства аварийно-восстановительных работ на линиях электропередачи
PREFABRICATED LIGHTWEIGHT SUPPORT FOR EMERGENCY RECOVERY WORK ON POWER LINES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области энергетики и строительства, а именно сооружения быстровозводимых опор для производства аварийно-восстановительных работ на линиях электропередач.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известен ряд конструкций быстровозводимых облегченных опор для линий электропередач, в том числе и пригодных для аварийно-восстановительных работ. Эти конструкции основаны на Х-образной стойке и отличаются способом ее установки на грунте и способом подвески проводов.
Х-образная конструкция обладает хорошей несущей способностью при сравнительно малой массе, требует при монтаже небольшого числа сборочных операций, позволяет разнести фазные провода на необходимое расстояние.
Так, в авторском свидетельстве SU №65425 описана Х-образная опора для подвески проводов линии электропередачи, имеющая подкос, подпирающий указанные. Х-образно установленные стержни (стойки) в точке их пересечения и поддерживающую поперечную траверсу для проводов. Стержни (стойки) и подкос закреплены к массивным фундаментам или выполнена заделка их непосредственно в грунт. Такая опора имеет простую конструкцию и, в случае заделки стержней (стоек) в грунт может быть сравнительно быстро возведена в месте проведения аварийно-восстановительных работ. Однако оперативно выполнить котлованы для заделки стержней (стоек) в грунт не всегда возможно. Препятствиями могут стать мерзлый, скальный или переувлажненный грунт, а также невозможность оперативного подъезда бурильной машины из-за отсутствия дорог.
Кроме того, техническая реализация закрепления подкоса в точке пересечения Х-образно установленных стержней (стоек) технически сложна.
Недостатки вышеуказанного решения частично устраняются в опоре линии электропередач, описанной в авторском свидетельстве SU 1416647. Данная опора может устанавливаться не только в заглубленный котлован, но и на уплотненный грунт. Подкос в этой конструкции закрепляется не в точке пересечения стоек, а к поперечной балке, установленной ниже. Очевидный недостаток конструкции - девять регулируемых гибких связей, обеспечивающий ее пространственную жесткость, установить которые и отрегулировать их натяжение в полевых условиях достаточно сложно. Кроме того, что более важно, не решен вопрос подъема жестких частей опоры в рабочее положение без привлечения тяжелой техники, которая в условиях аварийно-восстановительных работ может быть не доступна из-за отсутствия дорог.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является быстровозводимая облегченная опора для производства аварийно-восстановительных работ на линиях электропередачи, описанная в патенте RU 2614180, выбранная за прототип. В этой конструкции, как и в вышеописанном решении, применяется система Х-образных стоек с подкосом, закрепленным к поперечной балке, расположенной ниже точки пересечения стоек. Принципиальным отличием является наличие основания из трех секций, соединенных в треугольник, к вершинам которого закрепляются стойки и подкос. В такой конструкции решается проблема транспортировки и подъема жестких частей в рабочее положение без применения спецтехники за счет применения прочных, но легких секций из композитного материала и возможности использования лебедок, закрепляемых к жесткому основанию, как описано в патенте.
Однако указанное решение имеет и недостатки. Главным из них является сниженная устойчивость под действием сил, направленных поперек линии (ветровые нагрузки, натяжение проводов на поворотах линии) и несимметричная устойчивость под действием сил, направленных вдоль линии (натяжение проводов).
Связано это с тем, что Х-образно установленные стойки наклонены к горизонту от вертикали таким образом, чтобы проекция центра тяжести подвешенных к опоре проводов находилась внутри периметра треугольного основания. Для сил, действующих на линию в поперечном направлении, ребро опрокидывания будет проходить по боковой секции основания (соединяющей точку закрепления одной из Х-образно соединенных стоек и подкоса), а для сил, действующих в направлении линии - по фронтальной секции основания (соединяющего точки закрепления Х-образно установленных стоек). Расстояние от ребер опрокидывания до центра тяжести подвешенных проводов (плечо устойчивости) будет существенным образом зависеть от угла отклонения плоскости установки Х-образно установленных стоек относительно вертикали, так как производная функции синуса для углов малой величины близка к максимуму. В то же время расстояние от ребер опрокидывания до фокуса сил опрокидывания по вертикали (плечо опрокидывания) будет мало зависеть от вышеуказанного угла, так как производная функции косинуса для углов малой величины близка к нулю.
При практически вертикальной установке центр тяжести будет проецировать практически на ребро основания, соединяющее Х-образные стойки, при этом плечо устойчивости для боковых сил будет максимальным, однако для продольных сил, действующих в направлении «от подкоса» - минимальным и конструкция станет неустойчивой к одностороннему натяжению проводов.
Компромисс между продольной и поперечной устойчивостью будет при наклоне Х-образно соединенных стоек таким образом, чтобы центр тяжести проецировался примерно в центр треугольника основания. При этом плечо устойчивости будет составлять примерно 2/3 от максимально достижимого.
Вторым недостатком конструкции, усугубляющим вышеописанный, является отсутствие средств приведения основания в устойчивое горизонтальное положение на пересеченной местности. Очевидно, что на негоризонтальном и/или неплоском участке местности основание опоры встанет под углом к горизонту, который неизбежно уменьшит плечо ее устойчивости.
Третьим недостатком является фланцевое соединение секций основания и стойки. Фланцы увеличивают поперечный габарит секций при транспортировке, что в прототипе еще сильнее усугубляется применением секций конической формы, где фланец размещается на большем основании. Сборка фланцевых соединений требует предварительного приведения секций в состояние соосности, что в полевых условиях для конструкции, описанной в прототипе сделать сложно. Фланцевое соединение обеспечивает соосность соединяемых секций только за счет трения торцов, что может быть недостаточным.
ПРЕДЛАГАЕМОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ направлено на устранение недостатков прототипа за счет обеспечения вертикального положения плоскости Х-образно соединенных стоек, обеспечения симметричности конструкции для сил, действующих вдоль линии электропередач, добавления в конструкцию домкратов для приведения основания в устойчивое горизонтальное положение на пересеченной местности и замены фланцевого соединения секций основания и стоек телескопическим.
ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕЗУЛЬТАТ заключается в возможности устойчивой установки быстровозводимой облегченной опоры для производства аварийно-восстановительных работ на пересеченной местности.
СУТЬ ПРЕДЛАГАЕМОГО ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ заключается в том, что в известной конструкции, принятой за прототип, основание выполнено не в виде треугольника, а в виде ромба, жесткость которого обеспечивается за счет наличия в диагоналях гибких или жестких связей. X-образно соединенные стойки опираются на шарниры (соединяющие ребра основания), принадлежащие одной диагонали ромба, а подкосы в количестве двух - на шарниры, принадлежащие другой диагонали ромба.
Стойки и ребра основания состоят не менее чем из одной секций из композитного материала, при наличии двух и более секций они соединяются не фланцами, а телескопически, где одна из соединяемых секций является охватывающей, а другая - охватываемой.
К шарнирным соединениям секций основания закрепляются домкраты, регулирующие положение основания опоры относительно горизонта, устанавливаемые на опорные плиты, через которые вес опоры передается на грунт.
Телескопическое соединение образуется по любому из трех вариантов:
1. Наружный диаметр охватываемой секции выбирается равным внутреннему диаметру охватывающей секции с учетом необходимого зазора;
2. На конце охватывающей секции выполняется раструб, внутренний диаметр которого равен наружному диаметру охватываемой секции с учетом необходимого зазора;
3. На конце охватываемой секции выполняется раструб, наружный диаметр которого равен внутреннему диаметру охватываемой секции с учетом необходимого зазора.
Фиксация телескопического соединения осуществляется по следующим вариантам:
1. На сжатие - упором торца охватываемой секции во внутренний торец раструба охватывающей секции, а в направлении на рассоединение секций - силами реакции связей в диагоналях основания и весом вышестоящих конструкций на стойках и подкосах (только для варианта 2 образования телескопического соединения);
2. На сжатие - кольцевым упором на наружной поверхности охватываемой секции, упирающимся в торец охватывающей секции, а в направлении на рассоединение секций - силами реакции связей в диагоналях основания и весом вышестоящих конструкций на стойках и подкосах (для вариантов 1 и 3 образования телескопического соединения).
3. Шурупами типа «глухарь», равномерно распределенными по окружности на боковой поверхности охватываемой секции имеющими длину, превышающую сумму толщин охватываемой и охватывающей секции.
4. Не менее чем одним штырем, пропускаемым через предварительно выполненные в радиальном наплавлении соосные отверстия в охватываемой и охватывающей секциях, фиксируемым от выпадания замковым устройством.
5. Гибким тросом, вводимым в кольцевые канавки, выполненные на внутренней поверхности охватывающей секции и наружной поверхности охватываемой секции через прорезь на наружной поверхности охватывающей секции при этом ширина канавок должна быть равна диаметру троса, увеличенного на значение требуемого зазора, а глубина канавок - половине суммы диаметра троса и требуемого зазора.
6. Сочетанием фиксации по любому из вариантов 1 или 2 и любому из вариантов 3-5.
В рамках одной опоры допускаются различные варианты образования и фиксации телескопических соединений.
ПОЯСНЕНИЕ СУТИ ПРЕДЛАГАЕМОГО ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ представлено на фиг. 1 и фиг. 2.
На фиг. 1 показано общая схема предлагаемого технического решения.
Каждое из четырех ребер основания состоят как минимум из одной секции поз. 1. В случае двух или более секций (поз. 2) они соединяются телескопическими соединениями поз. 3. Ребра основания соединяются между собой шарнирами поз. 4, установленными на концах секций. К шарнирам поз. 4 закрепляются домкраты поз. 5. Домкраты устанавливаются на опорные плиты поз. 6. Регулировкой высоты домкратов поз. 5 основание приводится в горизонтальное положение. Жесткость формы ромба основания обеспечивается связями поз. 7 и поз. 8, которые могут быть как гибкими, так и жесткими.
Каждая стойка состоит как минимум из одной секций поз. 9. В случае двух и более секций (поз. 10), они соединяются телескопическими соединениями поз. 11. Стойки соединяются между собой Х-образно жестким или шарнирным узлом поз. 12. Ниже узла поз. 12 закрепляется балка поз. 13, соединяемая со стойками шарнирными узлами поз. 14. Выше узла соединения поз. 12 может устанавливаться верхняя балка поз. 15, соединяемая со стойками шарнирными узлами поз. 16. Х-образно соединенные стойки своими секциями поз. 9 закрепляются к шарнирами основания поз. 4, что позволяет приводить Х-образно соединенные стойки в вертикальное положение. В вертикальном положении Х-образно соединенные стойки удерживаются двумя подкосами поз. 17, закрепляемыми к нижней балке поз. 13 через шарнир поз. 18, а своими нижними концами - к шарнирам основания поз. 4. К изолированным гибким связям поз. 19 и поз. 20 через изоляторы поз. 21 и поз. 22 закрепляются провода ремонтируемой воздушной линии электропередач поз. 23.
На фиг. 2 представлены варианты образования и фиксации телескопических соединений. Поз. 24 - охватывающая секция, поз. 25 - охватываемая секция, поз. 26 - раструб на охватывающей секции, поз. 27 - раструб на охватываемой секции, поз. 28 - кольцевой упор на наружной поверхности охватываемой секции, поз. 29 - саморез типа «глухарь», поз. 30 соосные радиальные отверстия, предварительно выполненные в охватываемой и охватывающей секциях, поз. 31 - замковое устройство штыря, поз. 32 - штырь, поз. 33 - гибкий трос, поз. 34 - кольцевая канавка на внутренней поверхности охватывающей секции, поз. 35 - кольцевая канавка на наружной поверхности охватываемой секции, поз. 36 - прорезь на наружной поверхности охватывающей секции.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПРЕДЛАГАЕМОГО ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ
Предложенное техническое решение может быть осуществлено для изготовления быстровозводимых облегченных опор для производства аварийно-восстановительных работ на линиях электропередачи любого класса напряжения. При этом устойчивость конструкции позволяет устанавливать опору как в створе линии, так и с отклонением от створа, если установка в створе невозможна без демонтажа разрушенной постоянной опоры.
Секции основания и стоек, а также подкосы и жесткие связи основания целесообразно изготавливать в виде тонкостенных цилиндрических труб с постоянной или переменной толщиной стенки из стеклопластика, выполненного по технологии косослойной продольно-поперечной намотки (КППН) с характеристиками прочности не хуже 200 МПа и модуля упругости не хуже 30 ГПа.
В качестве домкратов могут быть использованы любые серийные изделия соответствующей грузоподъемности и высоты. Например, домкраты гидравлические по ГОСТ Р 53822-2010 или домкраты механические по ГОСТ 34504-2018. Конструкция и площадь опорных плит выбирается исходя из массы опоры и подвешиваемых проводов, определяемой классом напряжения линии электропередач.
В качестве примера может быть рассмотрена реализация опоры для линий электропередач классов напряжений 10 кВ и 220 кВ.
Для линий электропередач класса напряжения 10 кВ требуется опора с высотой подвеса провода не менее 7,5 м. Вес проводов, покрытых гололедом, передаваемый на опору с одного пролета может достигать 120 кгс. Сила действия ветра на провода, передаваемая на опору может достигать 200 кгс в горизонтальном направлении.
Схема опоры с указанием основных размеров для таких условий эксплуатации представлена на фиг. 3.
Основание выполнено из четырех труб стеклопластиковых диаметром 100 мм с толщиной стенки 5 мм длиной 3500 мм. Масса каждой трубы 11 кг. Масса шарниров основания 16 кг каждый. Основание имеет форму квадрата (частный случай ромба) с длиной диагоналей 5000 мм. Связи в диагоналях гибкие, выполненные из стального каната (троса) диаметром 6 мм.
Стойки одинаковые, состоят каждая из двух секций. Нижняя секция стойки выполнена, из трубы стеклопластиковой диаметром 150 мм с толщиной стенки 5 мм длиной 5500 мм. Верхняя секция выполнена из трубы стеклопластиковой диаметром 140 мм с толщиной стенки 4 мм общей длиной 4000 мм, из которых 250 мм приходится на телескопическое соединение. Масса нижней секции - 26 кг, верхней - 14 кг. Общая масса каждой стойки - 40 кг. Каждый подкос выполнен из трубы стеклопластиковой диаметром 100 мм с толщиной стенки 4 мм длиной 5100 мм. Масса каждого подкоса - 13 кг. Масса шарниров подкоса - 8 кг. Верхняя и нижняя балки одинаковые, выполнены в виде легких металлоконструкций из прямоугольного профиля с приваренными шарнирами. Масса каждой балки - 14 кг. Для установки опоры на грунт используются четыре винтовых домкрата грузоподъемностью по 500 кг с ходом 400 мм. Домкраты опираются на грунт через композитные опорные плиты сотовой конструкции размером 500×00 мм. Масса каждой плиты 6 кг.
Провода подвешиваются к опоре через 6 полимерных подвесных изолятора типа ЛК-10/10. Изоляторы крепятся к конструкциям опоры через тросы стальные диаметром 6 мм.
Масса опоры в комплекте без упаковки - 350 кг. При этом масса самого тяжелого элемента - 26 кг. Такие габариты и масса позволяют перевозить опору автомобилем типа УАЗ-2206 оперативно-выездной бригады и монтировать вручную без применения, каких либо механизмов.
2
Удельное давление на грунт, создаваемое опорой с подвешенными проводами в условиях нормального гололедно-ветрового режима составляет 0,05 кг/см, что позволяет устанавливать опору на грунтах с минимальной несущей способностью: чернозем, в том числе пашня, снег, заболоченная местность.
Для линий электропередач класса напряжения 220 кВ требуется опора с высотой подвеса провода не менее 18 м и межфазным расстоянием не менее 4 м. Вес проводов, покрытых гололедом, передаваемый на опору с одного пролета может достигать 2800 кгс. Сила действия ветра на провода, передаваемая на опору может достигать 1600 кгс в горизонтальном направлении.
Схема опоры с указанием основных размеров для таких условий эксплуатации представлена на фиг. 4.
Основание выполнено из четырех ребер длиной 10000 мм, каждое ребро состоит из двух секций - стеклопластиковых труб диаметром 200 мм с толщиной стенки 6 мм длиной 5500 мм (с учетом 500 мм на телескопический стык). Телескопические стыки выполнены по схеме раструба на охватываемой секции, фиксируются упором торца охватываемой секции во внутренний торец раструба с дополнительной фиксацией гибкими тросами. Масса каждой трубы секции 41 кг. Масса шарниров одной секции основания по 25 кг каждый. Длина ребра вместе с шарнирами 10300 мм. Основание имеет форму ромба 16000×13000 по диагоналям, большая диагональ которого направлена поперек оси линии электропередач. Связи в диагоналях гибкие, выполненные из стального каната (троса) диаметром 25 мм.
Стойки одинаковые, состоят каждая из четырех секций. Две нижние секции выполнены из труб стеклопластиковых диаметром 315 мм с толщиной стенки 7 мм длиной по 6500 мм. Телескопическое соединение выполнено по схеме раструба на охватывающей секции при этом охватывающая секция располагается сверху. Фиксация телескопического соединения по схеме упора торца охватываемой секции во внутренний торец раструба охватывающей секции. Дополнительная фиксация - двумя штырями. Третья снизу секция выполнена из трубы диаметром 230 мм с толщиной стенки 7 мм длиной 6500 мм. Телескопическое соединение по схеме раструба на охватываемой секции (меньшего диаметра). Фиксация - кольцевым упором на охватываемой секции с дополнительной фиксацией двумя штырями. Верхняя секция выполнена из трубы стеклопластиковой диаметром 154 мм с толщиной стенки 6 мм общей длиной 4500 мм из которых 500 мм приходится на телескопическое соединение, выполненное по схеме с раструба на охватываемой секции (меньшего диаметра). Фиксация - кольцевым упором на охватываемой секции с дополнительной фиксацией двумя штырями.
Масса каждой из двух нижних секций - 90 кг, третей снизу - 65 кг, верхней - 29 кг. Общая масса каждой стойки - 274 кг.
Каждый подкос выполнен из двух секций. Нижняя секция каждого подкоса выполнена и трубы стеклопластиковой диаметром 150 мм с толщиной стенки 5 мм длиной 6500 мм, верхняя - из трубы диаметром 140 мм с толщиной стенки 5 мм длиной 6500 мм. Масса нижней секции подкоса - 30 кг, верхней - 28 кг, общая масса двух секций - 58 кг, в сборе с шарнирами 80 кг.
Верхняя и нижняя балки одинаковые, выполнены из стеклопластиковых труб диаметром 200 мм длиной по 2800 мм с толщиной стенки 6 мм. Масса каждой балки по 21 кг, в сборе с шарнирами - по 40 кг. Для установки опоры на грунт используются четыре гидравлических домкрата грузоподъемностью по 5000 кг с ходом 800 мм и механизмом стопорения. Домкраты опираются на грунт через композитные опорные плиты сотовой конструкции с металлической рамой размером 1500×1500 мм. Масса каждой плиты 40 кг.
Провода подвешиваются к опоре через 6 полимерных подвесных изоляторов типа ЛК-70/220. Изоляторы крепятся к конструкциям опоры через тросы стальные диаметром 25 мм.
Масса опоры в комплекте без упаковки - 1500 кг. При этом масса самого тяжелого элемента - 90 кг. Такие габариты и масса позволяют перевозить опору легкими грузовыми автомобилям высокой проходимости, включая ГАЗ-3309 и подобные. Возможно транспортировать элементы опоры от дороги к месту проведения аварийных работ снегоходами и снегоболотоходами. При наличии возможности подъезда к месту проведения работы грузового автомобиля с крано-манипуляторной установкой или бурильно-крановой машины сборка и подъем опоры производятся с их помощью. При отсутствии такой возможности сборка опоры на месте производится вручную с использованием лебедок. Начальный подъем X-образно соединенных стоек из горизонтального положения на угол примерно 30-40 градусов производится с помощью длинноходового домкрата, после чего с помощью лебедок подкосы подтягиваются к шарнирам основания.
Удельное давление на грунт, создаваемое опорой с подвешенными проводами в условиях нормального гололедно-ветрового режима составляет 0,06 кг/см, что позволяет устанавливать опору на грунтах с минимальной несущей способностью: чернозем, в том числе пашня, снег, заболоченная местность.