Состояние разработки и применения инновационных конструктивных решений опор и фундаментов ВЛ и ПС

Современные тенденции в проектировании объектов электросетевого строительства стремятся к эффективному использованию ресурсов: сокращению времени строительства, экономии материалов, увеличению надежности ВЛ.

Вышедшая в 2003 г. седьмая редакция Правил устройства электроустановок (ПУЭ) повысила требования к надежности воздушных линий, в том числе и за счет увеличения расчетных нагрузок на их элементы.

В связи с этим остро встал вопрос о выборе конструктивных решений опор и фундаментов, обеспечивающих минимальные затраты на строительство ВЛ.

В 60—80-е годы в соответствии с ПУЭ-5 и ПУЭ-6 были разработаны типовые унифицированные опоры и фундаменты, которые до сих пор активно применяются в электросетевом комплексе.

Использование типовых конструкций при разработке проектов ВЛ при наличии широкого спектра металлических и железобетонных опор, разработанных в рамках унификаций, было оправданно. Оно обеспечивало сокращение сроков выпуска проектной документации при обеспечении приемлемого уровня затрат на строительство ВЛ.

Сегодня все типовые унифицированные опоры не удовлетворяют требованиям действующих норм. Применение конструкций по типовым проектам, разработанным до 1991 г., допускается только при условии обязательной проверки их соответствия требованиям действующих норм и уточнения области применения опор (в частности, сокращения пролетов).

Наиболее рациональным при проектировании конкретных ВЛ является модификация унифицированных опор для сохранения оптимальных пролетов. Чаще всего — усиление отдельных (3—5% от общей массы) элементов ВЛ, изменение тросостойки анкерных опор для обеспечения угла грозозащиты 20о, увеличение длины траверсы при недостаточности габаритов между проводом и телом опоры и др. Максимальное сохранение пролетов ВЛ с усилением и корректировкой отдельных элементов позволяет существенно сократить затраты металла на ВЛ. Для использования модифицированных опор в проектах ВЛ в экспертизу должны быть представлены расчеты, подтверждающие соответствие модификаций унифицированных опор требованиям действующих нормативных документов.

Проектирование ВЛ с использованием решетчатых опор будет оптимальным при условии использования в проектах серии вновь разработанных модернизированных решетчатых конструкций, изначально рассчитанных в соответствии с требованиями ПУЭ-7.

Альтернативой решетчатым металлическим и железобетонным опорам являются опоры из элементов многогранного профиля.

Преимущества этих конструкций были оценены еще 20 лет назад, когда создавались первые унифицированные многогранные опоры, секции которых соединялись тогда на фланцах. Изготовленные на Волгоградском заводе, они были установлены на участках ВЛ в Западной Сибири.

В Европе и Америке эти конструкции уже с 60-х годов заняли достойную нишу. Оттуда же к нам пришли и новые технологии изготовления многогранных опор. Современное заводское оборудование позволяет с высокой точностью изготавливать элементы конструкций. Стойки опор соединяются между собой при помощи телескопических стыков, что, несомненно, делает их более эстетичными.

Опоры из многогранного профиля позволяют обеспечить:
• сокращение сроков строительства ВЛ;
• снижение металлоемкости для ВЛ 35—220 кВ;
• уменьшение площади отвода земли под опору и под ВЛ в целом;
• обеспечение возможности проведения ремонтных работ на ВЛ под напряжением для ВЛ 330—500 кВ;
• вандалоустойчивость конструкций;
• эстетически привлекательный внешний вид;
• уменьшение затрат на эксплуатацию.

По заказу Департамента технологического развития и инноваций в рамках целевых программ ОАО «ФСК ЕЭС» в 2006—2009 гг. разработаны серии технических проектов многогранных стальных опор и фундаментов к ним и, кроме того, фундаменты из винтовых свай для унифицированных решетчатых опор. Базовые конструкции прошли испытания, для них созданы технологические карты по монтажу, сметные нормы и единичные расценки. В рамках этих программ разработаны нормативные документы по проектированию новых видов опор и фундаментов на уровне стандартов ОАО «ФСК ЕЭС».

Многогранные опоры, базовые и модифицированные для условий конкретной ВЛ, активно внедряются в практику электросетевого строительства. При их проектировании встают вопросы о применимости базовой серии многогранных опор. Что делать при несовпадении области применения базовой опоры и условий на ВЛ? Кто имеет право разработки модифицированных конструкций и нужно ли их испытывать? Ответы на вопросы отражены в Стандарте ФСК ЕЭС «Проектирование многогранных опор и фундаментов к ним для ВЛ напряжением 110—500 кВ».

В соответствии с этим документом:
• базовые конструкции — конструкции, разработанные, испытанные и аттестованные для многократного применения на различных ВЛ;
• индивидуальные конструкции — конструкции, разработанные для условий конкретных ВЛ. Разделяют модифицированные и разработанные впервые конструкции.

Модифицированные конструкции опор разрабатываются на основе базовых конструкций одного класса напряжения с сохранением общей расчетной схемы и конструктивных решений основных узлов. Модифицированные конструкции фундаментов могут отличаться от прототипа габаритными размерами, количеством свай, материалом изготовления, наличием банкетки или георешеток. Несущая способность модифицированных конструкций при применении в конкретных условиях должна быть проверена расчетом, проведения их испытаний и аттестации не требуется. Исключительное право разработки модифицированных конструкций имеет организация — автор базовой конструкции, прошедшей процедуру аттестации.

Разрабатываемые впервые конструкции могут отличаться от базовых общей расчетной схемой и конструктивным решением узлов. Они подлежат обязательным испытаниям и аттестации в установленном ФСК ЕЭС порядке.

Использование базовых конструкций опор эффективно, если область эксплуатации совпадает с расчетной областью их применения. При расширении данной области целесообразна разработка индивидуальных конструкций — модифицированных или впервые разработанных. Создание индивидуальных конструкций для конкретной ВЛ позволяет улучшить ее экономические показатели.

Лаборатория НИЛКЭС является автором проектов стальных многогранных опор ВЛ напряжением 330—500 кВ и фундаментов многогранных опор линий напряжением 35—500 кВ. Фундаменты разработаны с учетом различных технологий строительства: предусмотрены фундаменты из свай-оболочек, погружаемых в пробуренные котлованы или вибропогружаемых, из буронабивных свай различного диаметра, из винтовых свай с металлическим или монолитным ростверком.

Для проекта «Строительство ВЛ 330 кВ для выдачи мощности от второго блока Калининградской ТЭЦ-2» на базе типовых разработаны модифицированные конструкции опор и фундаментов. Индивидуальное проектирование без разработки новых конструкций (без проведения испытаний и процедуры аттестации) показало свою экономическую эффективность и существенно сократило сроки проектных работ.

В качестве базового решения для одноцепной ВЛ напряжением 330 кВ выбраны одностоечные промежуточные стальные многогранные опоры МП330-1, которые предназначены для ВЛ, проходящих в ненаселенной местности, во II и III районах по гололеду и ветровых районах до III включительно. Опоры рассчитаны на подвеску двух проводов в фазе 2хАС300/39 или 2хАС400/51 и грозозащитного троса — стального каната ТК-11.

Климатические условия прохождения ВЛ 330 кВ для выдачи мощности от второго блока Калининградской ТЭЦ-2 не совпадают с областью применения многогранной опоры МП330-1. Требовалось разработать опору для линии, проходящей в населенной местности, в IV районе по ветру и II по гололеду.

На базе опоры МП330-1, прошедшей испытания и аттестованной в ФСК ЕЭС, разработаны конструкции промежуточных одноцепных многогранных стальных опор МПГ330-1 и МПГ330-1т, предназначенных для прохождения ВЛ 330 кВ по населенной местности (рис. 1). Габаритные и ветровые пролеты для этих опор составляют 350 м, весовые — 400 м. Высота до нижней траверсы составляет 25 м. Вертикальное расстояние между траверсами 7,5 м обеспечивает воздушноизоляционный промежуток от проводов до траверсы 3,5 м, что согласно ПУЭ-7 дает возможность проведения технического обслуживания и ремонтных работ под напряжением. Секции ствола опоры соединяются между собой телескопическими стыками. Масса опоры составляет порядка 10 тонн.

На опорах проектируемой ВЛ 330 кВ подвешиваются 2 провода в фазе марки АС300/39 по ГОСТ 839-80. По всей длине ВЛ используется один грозозащитный трос OPGW по ГОСТ 3063-80. На подходах к ПС для повышения надежности грозозащиты на опорах подвешивается второй стальной трос марки 11,0-М3-В-ОЖ-Н-Р по СТО 71915393-ТУ 062-2008.

В качестве анкерно-угловых опор использованы два типа решетчатых опор с подставками +5 м, +9 м, +14 м, разработанных на базе унифицированных опор У330-1 (с одним тросом) и У330-3 (с двумя тросами на подходах к подстанциям).

Для выполнения требований ПУЭ-7 по результатам проведенных расчетов в рабочие чертежи анкерно-угловых опор были внесены конструктивные изменения: увеличены размеры верхних секций для обеспечения воздушно-изоляционного промежутка 3,5 м от проводов до нижней траверсы, изменены конструкции тросостойки и верхней траверсы, предусмотрены отверстия для крепления поддерживающей гирлянды при больших углах поворота ВЛ. Модифицированные анкерно-угловые опоры имеют в шифре дополнительную букву К.

Инженерно-геологические условия трассы характеризуются как сложные, она проходит по болотистой местности, мощность залегания торфа составляет до 7 м. Трасса пересекает долину реки Преголя, опоры перехода находятся в подтопляемой зоне. В долине реки Преголя геологолитологический разрез характеризуется наличием биогенных отложений большой мощности: торф (до 7 м) и суглинистые илы (до 13,5 м) характеризуются большой сжимаемостью, медленным развитием осадок во времени и возможностью в связи с этим возникновения нестабилизированного состояния, а при нарушении естественного залегания проявляют тиксотропные свойства, что резко снижает несущую способность.

Для закрепления промежуточных опор из многогранного профиля МПГ330-1 (МПГ330-1т), установленных на трассе ВЛ 330 кВ, использованы фундаменты базовой серии из вибропогружаемых свай-оболочек (рис. 2).

На переходе ВЛ через пойму реки Преголя установлены следующие типы опор: промежуточные МПГ330-1 и анкерно-угловые У330-1К+9 и У330-1К+14.

Для закрепления промежуточных опор из многогранного профиля МПГ330-1 разработаны модифицированные фундаменты из 14 винтовых свай с монолитным железобетонным ростверком (рис. 3). Параметры винтовых свай: диаметр ствола — 325 мм, диаметр лопасти — 850 мм, толщина стенки ствола — 10 мм, длина — от 7 до 20 м. Для обеспечения работы свай на большие горизонтальные нагрузки 10 свай из 14 погружены в грунт под углом к вертикали. Разработанные фундаменты отличаются от типовых количеством свай и наличием вспомогательных материалов (геосетки, банкеток).

Для закрепления анкерноугловых решетчатых опор У330- 1К+9 и У330-1К+14 разработаны модифицированные фундаменты из винтовых свай с металлическим балочным ростверком. Разработанные фундаменты отличаются от базовых использованием в качестве ригелей типовых железобетонных свай, укладываемых в тело банкетки.

Таким образом, для условий конкретной ВЛ общей протяженностью порядка 50 км были разработаны модифицированные конструкции стальных многогранных опор, унифицированных решетчатых опор, фундаментов из винтовых свай с железобетонным и металлическим ростверками.

Разработка индивидуальных конструкций позволила повысить экономическую эффективность ВЛ: модификация существующих конструкций адаптировала типовые базовые решения к условиям конкретной трассы ВЛ.