О зависимости надежности стальных опор линий электропередачи от рассогласования вертикальных отметок их опорных узлов

Миронов С.В., Кудлаи А.А.

Оренбургский государственный университет

О ЗАВИСИМОСТИ НАДЕЖНОСТИ СТАЛЬНЫХ ОПОР ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ОТ РАССОГЛАСОВАНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ОТМЕТОК ИХ ОПОРНЫХ УЗЛОВ

Статья посвящена оценке надежности стальных опор линиИ электропередачи. В настоящее время временной ресурс существующих опор в большинстве своем исчерпан, однако замена их связана с большими материальными затратами. По наблюдениям авторов статьи, в подавляющем большинстве стальные опоры находятся в работоспособном состоянии, и срок их службы может быть продлен. В то же время авторами выявлено наличие относительных смещении подножников четырехногих опор, приводящее (в силу статическоИ неопределимости схемы) к появлению дополнительных внутренних усилиИ. Выполненные с использованием программных комплексов Лира и SCAD расчеты показали, что в отдельных случаях при неблагоприятных погодных условиях возможна потеря устойчивости опор, несмотря на полное соответствие опор проектным требованиям. Предлагается внести коррективы в существующие нормативные документы.

Важная составляющая энергетической сети - ее передающее звено. Чаще всего это воздушные линии электропередачи, которые служат для передачи и распределения электрической энергии по проводам, расположенным на открытом воздухе и закрепленным при помощи изоляторов и линейной арматуры на опорах. При сооружении большей части линий применяются типовые конструкции опор и фундаментов. Опоры воздушных линий электропередачи в зависимости от класса напряжения и степени ответственности линии применяют: менее 10 кВ - деревянные, до 220 кВ - железобетонные и от 35 кВ -стальные. В настоящее время в Оренбуржье продолжительность эксплуатации значительного количества эксплуатируемых стальных опор линий электропередачи либо приближается к предельному сроку, либо этот срок уже превышен. В то же время общая аварийность опор линий минимальна. При изучении архивных данных ОАО «Оренбургэнер-го» за 2002-2004 гг. в подразделениях не было зафиксировано ни одной аварии стальных опор. Статистика аварий и эксплуатационные характеристики стальных конструкций опор ставят вопрос о продлении срока службы таких опор более, чем предусмотрено при проектировании. Наряду с этим можно выделить отдельные факты аварий стальных опор в энергосистеме, когда происходили аварии опор при расчетных или близких к расчетным режимах работы. Часто последствия аварий для разных стоек на протяжении аварийного участка неодинаковы. В од-

них случаях аварийное воздействие не оставляет видимых разрушений и работоспособность всего сооружения не нарушается. В других наблюдаются дефекты отдельных узлов и элементов. В третьих случаях те же воздействия приводят к потере работоспособности всего сооружения.

Это свидетельствует о том, что существуют разные причины аварий. Такими причинами могут быть:

- дефекты изготовления и неправильный монтаж конструкций;

- отсутствие контроля и неправильная эксплуатация сооружений;

- проектные ошибки;

- возникновение дополнительных факторов, имеющих неполное отражение в нормативах.

В данной работе будут рассматриваться частные случаи аварий на линиях электропередачи, когда анализируемые конструкции отвечают требованиям норм и правил на монтаж и изготовление, эксплуатация ведется с учетом всех требований, а проектные работы выполнены верно и с соблюдением нормативов. Таким образом, внимание сосредоточено на выявлении дополнительных факторов.

Для проведения анализа в качестве объекта изучения взят один из наиболее широко применяемых на практике типовой проект №3.407-68 «Промежуточные опоры 35 и 110 кВ». В проведенных нами расчетах использовалась конструктивная схема двухцепной опоры с геометрическими размерами элементов

и сечениями согласно проекту. Нагрузки на элементы приняты на основе проекта. Для оценки правильности используемой в работе расчетной схемы произведен статический расчет по одной из схем загружения, являющейся расчетной для поясов ствола опоры. Расчет выполнен современными методами на программных комплексах SCAD 7.31 и Лира 9.2. Разница полученных результатов оказалась ничтожной. Разница значений усилий, указанных в проекте, и результатов нашего расчета находится в пределах 1%.

Говоря об особенностях данного типа опор, важно отметить, что рассматриваемые сооружения - это стальные четырехгранные опоры с раздельными фундаментами, расположенными в плане по вершинам прямоугольника. Конструкция опор геометрически неизменяема и изготовлена таким образом, что все четыре опорных узла лежат в одной плоскости. Известно, что для устойчивого закрепления конструкции на основании достаточно трех шарнирных узлов, не лежащих на одной прямой. Поэтому рассмотренная схема имеет внешнюю статическую неопределимость. В результате этого при смещении одной из четырех опорных точек из плоскости в системе возникнут усилия от этого смещения. К неодинаковым осадкам фундаментов одной опоры могут приводить различные грунтовые условия. Разность отметок подножников контролируется нивелировкой и при монтаже компенсируется установкой стальных пластин между верхом фундамента и плитой подножника, либо подливкой цементно-песчаного раствора под плиту под-ножника. По таблице 37 СНиП III-18-75 эта разность отметок должна быть в пределах 20 мм. Нормами не регламентируется зависимость этой величины от:

- типа опоры (анкерная, угловая или промежуточная);

- высоты опоры;

- размеров основания в плане;

- внешней статической неопределимости (не делается различия между «трех-» и «четырехногими» опорами).

Также не регламентируется зависимость величины крена сооружения от:

- типа опоры;

- размеров основания в плане;

- внешней статической неопределимости.

В настоящее время СНиП III-18-75 «Металлические конструкции» заменен ГОСТ 23118-99 «Конструкции стальные строительные. Общие технические условия». В разделе «Указания по монтажу» ГОСТ содержит следующие пояснения: «Монтаж конструкций следует производить в соответствии с требованиями нормативных документов на монтаж и правилами, установленными проектом организации и производства монтажных работ». В то же время рассматриваемые конструкции были изготовлены в период действия СНиП III-18-75 и, поскольку проектная документация на сооружения не содержит специальных указаний по данному вопросу, его положения представляются действительными. Действующий РД 34.20.504-94 «Типовая инструкция по эксплуатации воздушных линий электропередачи напряжением 35-800 кВ» полностью повторяют требования СНиП III-18-75 в этом вопросе.

На практике идеального положения опор не наблюдается. В ходе подготовки этой работы была проведена нивелировка случайной выборки 30 опор в г. Оренбурге и пригороде. Были обследованы стальные четырехгранные опоры, на раздельных фундаментах, различных типов (анкерные, анкерно-угловые, промежуточные) и с различными размерами базы опоры (от 1,8х2,4 м до 9х9 м). При этом разность отметок подножников в большинстве случаев более 20 мм и достигает 145 мм. При обследовании не обнаружено ни одной опоры, в которой все четыре опорных точки лежали бы в одной горизонтальной плоскости. Такая картина допускается нормативами, если крен сооружения менее h/200 (таблица 38 СНиП III-18-75 h - высота сооружения), а максимальная разность отметок подножни-ков (max zab) меньше 20 мм (табл. 37 СНиП III-18-75). В то же время, поскольку все четыре подножника имеют разные отметки по высоте zabs, можно утверждать, что они, как правило, не лежат в одной плоскости. Иначе говоря, одна из четырех опорных точек смещена относительно плоскости, в которой находятся три других. В этом случае в силу статической неопределимости системы воз-

никают усилия в элементах, зависящие от расстояния от смещенной точки опоры до плоскости трех других.

На рис. 1 показано смещение положения опорных точек В, С, В относительно горизонтальной плоскости, проведенной через точку В. Абсолютные смещения точек относительно горизонтальной плоскости обозначены 2аЪз (для точки В 2аЪз = 0). Гексагональной штриховкой отмечена плоскость, проведенная через точки В, С, В. Расстояние от точки А до этой плоскости 2Г1. Поскольку плоскость можно провести через любые три опорные точки, возможны четыре варианта смещения четвертой опорной точки. Однако для четырех точек величина 2ге1 не зависит от варианта.

Поскольку эта величина рассчитывается аналитически, исходными данными являются значения 2 и размеры основания в плане. Поэтому для двух подножников (скажем, А и В на рис. 1) две из трех точек, определяющих плоскость, совпадают (С и В), а третья соответствует рассмотренной ранее вершине (А или В). Таким образом, делать вывод о том, какая из опор смещена и вызывает дополнительные усилия, можно лишь связав результаты нивелировки с направлением и величиной крена.

Таким образом, 2 не зависит от максимальной разности вертикальных отметок, регламентируемой РД 34.20.504-94, и может быть как меньше, так и больше этой разности.

Таблица 1. Результаты нивелировки и расчетных значений опоры, расположенной рядом с пересечением улиц Березка и пр-т. Победы

№ точки № подножника 3 ^ „ « о 8§*е § ^<3 0 Н о База опоры Наимен ьшая отметка подножника Относительные превышения

А 275 0 - 137

25 В 150 7,4 275 125 125 137

С 244 31 - 137

D 232 43 137

Как следствие - встречаются случаи с максимальным относительным перепадом высот (тах 2аЫ - нормируется СНиП), который меньше смещения одного из подножни-ков из плоскости, образованной тремя другими (табл. 1).

Для оценки влияния 2ге1 на напряженно-деформированное состояние опор выполнены статические расчеты. За основу взята расчетная схема типового проекта №3.407-68 «Промежуточные опоры 35 кВ», двухцепная промежуточная стойка. Загружение соответствует загружению №°1а в типовом проекте -для определения сечений поясов ствола опоры. Кроме проектных нагрузок к схеме добавлялись различные смещения одного из подножников опоры на величину, допускаемую нормативами.

У

I

Рисунок 1. Схема взаимного расположения опорных точек.

Расчетная схема - с закреплением всех четырех подножников (аналогично проектной). В результате расчета выявилось расхождение значений усилий с проектными менее 1%. Максимальное использование сечения 76,93%. (В расчетной схеме со свободным (не закрепленным) подножником система становится внешне статически определимой, в ней максимальное использование сечения 91,56%, система устойчива.) При расчетной схеме со смещенным подножником на 5 мм вниз максимальное использование сечения 91,78%, система устойчива. При расчетной схеме со смещенным подножником на 10 мм вниз максимальное использование сечения 115,8%, система теряет устойчивость

при смещении меньше допустимых 20 мм. При смещении подножника на 5 мм вверх -максимальное использование сечения 95,62%, система устойчива. При расчетной схеме со смещенным подножником на 10 мм вверх - максимальное использование сечения 107,57%, и система теряет устойчивость при смещении меньше допустимых 20 мм.

На основе этого можно сделать вывод о существенном влиянии закрепления поднож-ников, их положения относительно друг друга и всего сооружения на напряженно-деформированное состояние всей конструкции, а также о необходимости регламентации зависимости между допустимым креном опоры и разностью отметок подножников.

Список использованной литературы:

1. Барг И.Г., Эдельман В.И. Воздушные линии электропередачи: Вопросы эксплуатации и надежности. — М.: Энерго-атомиздат, 1985. — 248 с.: ил.

2. Крюков К.П. и др. Конструкции и расчет металлических и железобетонных опор линий электропередачи. Изд. 2-е. Л., «Энергия», 1975. - 456 с. с ил.

3. Пособие по проектированию стальных конструкций опор воздушных линий (ВЛ) электропередачи и открытых распределительных устройств (ОРУ) подстанций напряжением свыше 1 кВ (к СНиП 11-23-81* «Стальные конструкции») /Энергосетьпроект: Минэнерго СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР. 1989. 72 с.

4. РД 34.20.504-94. Типовая инструкция по эксплуатации воздушных линий электропередачи напряжением 35-800кВ.

5. СНиП Ш-18-75 «Металлические конструкции». М.: Стройиздат, 1976.

6. Типовой проект. Унифицированные стальные нормальные опоры ВЛ 35, 110 и 150 кВ. Промежуточные опоры 35 кВ. Шифр П35-2Н. Л.: Энергосетьпроект, 1972.