76
Квадратный профиль — новые
решения в проектировании
решетчатых опор ВЛ
УДК 621.315.668.2
Качановская
Л
.
И
.,
к.т.н., заведующая НИЛКЭС
ООО «ПО «Энерго железо-
бетон инвест»
Касаткин
С
.
П
.,
начальник сектора НИЛКЭС
ООО «ПО «Энерго железо-
бетон инвест»
Ключевые
слова
:
решетчатые опоры ВЛ,
стали повышенной
прочности, атмосферо-
стойкая сталь, квад рат-
ный профиль, шпрен-
гельные системы
Статья
развивает
поднятую
в
предыдущих
номерах
тему
использования
сталей
повышенной
прочности
для
опор
ВЛ
.
Впервые
выполненная
в
нашей
стране
эскизная
разработка
конструкций
из
квадратных
труб
показала
,
что
повышенная
жесткость
таких
сечений
при
работе
на
сжатие
позволяет
существенно
облегчить
опоры
ВЛ
,
традиционно
изготавливаемые
из
угол
кового
проката
.
Установка
таких
опор
на
трассах
ВЛ
110–500
кВ
позволит
сократить
стоимость
строительства
линий
в
1,2–1,5
раза
.
Использование
атмосферостойких
сталей
приведет
к
дополнительному
снижению
затрат
на
этапе
строительства
и
эксплуатации
.
М
еталлургическая промыш-
ленность страны налади-
ла выпуск сталей повы-
шенной прочности, в том
числе и атмосферостойких. Стали
доступными для широкого использо-
вания не только прокатный профиль
уголкового сечения, но и листовой
прокат, а также стальные трубы гну-
тосварного профиля (ГСП) квадрат-
ного и прямоугольного сечения [1].
Типовые конструкции опор ВЛ, мас-
сово применяемые на линиях электро-
передачи, спроектированы с учетом
использования уголкового прокатного
профиля из стали С245. Использова-
ние фасона квадратного профиля для
опор ВЛ может дать максимальный
эффект за счет использования именно
механических характеристик таких се-
чений, которые существенно отлича-
ются от уголкового профиля большей
изгибной жесткостью.
Для того чтобы конструкции опор,
изготовленные из квадратного про-
филя, стали экономически выгодны-
ми (стоимость опор на каждый кило-
метр ВЛ уменьшилась по сравнению
со стоимостью существующих ре-
шетчатых конструкций), необходимо
разработать новые геометрические
схемы опор. Новые характеристики
профилей (новая форма и повышен-
ная прочность) требуют поиска новых
конструктивных решений как для про-
межуточных, так и для анкерных опор.
Кроме того, использование ква-
дратных профилей из атмосферо-
стойкой стали позволит сделать
решетчатую опору линии электропе-
редачи необслуживаемой (не нужно
красить и цинковать) на протяжении
всего срока ее службы.
В сравнении со стоимостью кон-
струкционных сталей массового при-
менения высокопрочная сталь марки
14ХГНДЦ в настоящее время доро-
же ориентировочно на 15%. Однако
с учетом отсутствия затрат на эксплу-
атационное обслуживание опор ВЛ
(для атмосферостойкой стали) воз-
можно достичь существенного сни-
жения затрат на жизненном цикле ВЛ,
так как оцинковка металлоконструк-
ций увеличивает стоимость изделий
на 25–30%.
Разработка новых типов опор
может дать комплексный эффект
(сокращение затрат на ВЛ в целом)
в случае учета характеристик про-
водов, выпускаемых оте чественной
промышленностью.
ВЫБОР
ПРОВОДОВ
ДЛЯ
РАЗРАБОТКИ
ОПОР
Новые типы проводов (высокопроч-
ные, высокотемпературные) требу-
ют разработки для них оптимальных
схем опор. Например, возможность
удлинения пролетов при исполь-
зовании высокопрочных проводов
потребует увеличения прочности
элементов как промежуточных, так
и анкерно-угловых опор ВЛ.
Департаментом технологического
развития и инноваций ПАО «Россе-
ти» поставлена задача рассмотрения
вариантов конструкций из квадрат-
ВОЗДУШНЫЕ
ЛИНИИ
77
ного профиля с подвеской
обычных и инновационных
проводов для технико-эко-
номического обоснования
их применения в сравнении
с широко используемыми
в настоящее время типовы-
ми решетчатыми опорами
из прокатных уголков.
Для эскизной разработ-
ки опор ВЛ 110 кВ выбра-
ны 5 типов проводов, об-
ладающих сопоставимой
пропускной способностью,
выраженной
длительно
допустимым током, рас-
считанным по единой мето-
дике в соответствии с СТО
ПАО «ФСК ЕЭС» [2].
Провода разделены на
две группы в зависимости
от их прочностных характе-
ристик: обычные (АС 240/32;
АСку 240/32; АСТ 185/29)
и высокопрочные (АСВП
258/74; АСВТ 190/55).
Физико-механические
характеристики проводов приведены в таблице 1.
КОНСТРУКТИВНЫЕ
РЕШЕНИЯ
ОПОР
И
ФУНДАМЕНТОВ
ДЛЯ
ВЛ
110
КВ
Для каждой группы проводов разработаны промежу-
точные и анкерные двухцепные опоры. Для обычных
проводов — П110-2С и У110-2С; для высокопроч-
ных — П110-4С и У110-4С. Схемы опор приведены
на рисунках 1 и 2.
Проектирование двухцепных опор проведено, ис-
ходя из нагрузок от проводов и тросов в различных
режимах и от ветра на конструкцию опоры. Расче-
Табл. 1. Физико-механические характеристики проводов
Расчетные параметры
АС 240/32 ГОС
Т 839-80
АСку 240/32
АС
Т 185/29
АСВП 258/74 II
АСВ
Т 190/55 II
Группа проводов
I (обычные)
II (высокопрочные)
Сечение алюминий/сталь, мм
2
240/31,7 240/32
181/29
332/74,3
190,4/55
Диаметр, мм
21,6
19,4
18,8
21,6
18,5
Электрическое сопротивление
1 км провода постоянному
току при 20°С, Ом, не более
0,1182
0,1170
0,1639
0,1116
0,1541
Разрывное усилие, Н
75 050
87 680
66 570
154 000
114 900
Масса 1 км провода, кг
921
899
728
1337
990
Допускаемое максимальное
напряжение, кг/мм
2
12,2
14,7
14,5
21,2
21,4
Допускаемое напряжение
в среднеэксплуатационном
режиме, кг/мм
2
8,1
9,8
9,67
14,13
14,27
Длительно допустимый ток, А
при температуре провода, °С
697
70
640
70
744
100
675
70
718
100
Рис
. 1.
Схемы
опор
для
обычных
проводов
:
а
)
П
110-2
С
;
б
)
У
110-2
С
а)
б)
Рис
. 2.
Схемы
опор
для
высокопрочных
проводов
:
а
)
П
110-4
С
;
б
)
У
110-4
С
а)
б)
№
4 (55) 2019
78
ты выполнены при помощи «Интегрированной сис-
темы анализа конструкций SCAD Offi ce». Выбор по-
перечных сечений элементов произведен из усло вия
использования стали класса прочности 345 (в том
числе атмосферостойкой стали марки 14ХГНДЦ) для
2 района по ветру (
W
= 500 Па) и 3 района по гололе-
ду (
b
= 20 мм) [3].
Опоры планируется собирать на стройплощадке
из укрупненных сварных секций.
Промежуточные опоры разработаны узкобазыми
с параллельными поясами. Все четыре «ноги» кон-
струкции устанавливаются на один фундамент и кре-
пятся к нему при помощи фланцевого соединения.
Для закрепления опор могут быть использованы же-
лезобетонные центрифугированные сваи-оболочки
диаметром 0,8 м, которые имеют стальной оголовок
для соединения с опорой. Длина фундаментных сек-
ций в стандартном изготовлении составляет 4, 5 или
6,7 м. Схема закрепления промежуточной опоры на
фундаменте приведена на рисунке 3.
Фундаменты указанного типа отличаются от
стальных свай-оболочек высокой коррозионной
устойчивостью и вдвое более низкой стоимостью.
Анкерные опоры, воспринимающие значительные
нагрузки от тяжения проводов и тросов, разработаны
с использованием шпренгель-
ной системы, позволяющей, ра-
ционально подобрав свободную
длину элементов, работающих
на сжатие, существенно со-
кратить их поперечное сечение
и массу конструкции в целом.
Схемы анкерных опор для
обычных и высокопрочных про-
водов отличаются углом накло-
на поясов и схемой расположе-
ния раскосов. Для уменьшения
усилий в элементах анкерных
опор они выполнены с широкой
базой, при этом ось поясов со-
вмещена с вектором реакции
фундамента при наибольших
нагрузках. Каждая «нога» анкерной опоры устанав-
ливается на отдельный фундамент.
Размеры сварных модулей, изготавливаемых на
заводе, выбраны таким образом, чтобы обеспечить
возможность их компактной погрузки в автотран-
спорт. Принципиальная схема погрузки приведена
на рисунке 4.
СРАВНЕНИЕ
МАССЫ
И
СТОИМОСТИ
ВНОВЬ
РАЗРАБОТАННЫХ
И
ТИПОВЫХ
ОПОР
ВЛ
110
КВ
Для сравнения с новыми промежуточными опорами
П110-2С и П110-4С выбраны типовые решетчатые
П110-4В и многогранные ПМ110-2Ф конструкции. Ан-
керная опора У110-2С для обычных проводов сопо-
ставляется с типовой решетчатой У110-2, а У110-4С
для высокопрочных проводов — с У220-2 (табли-
цы 2 и 3).
В расчетах принято:
– труба профильная из атмо сферостойкой стали —
54,4 тыс. руб./т;
– изготовление металлоконструкций —
38,0 тыс. руб./т;
– стоимость типовых опор — на основании анали-
за цен на интернет-ресурсах.
ВОЗДУШНЫЕ
ЛИНИИ
Рис
. 3.
Схема
закреп
-
ления
опоры
ВЛ
на
фундаменте
Рис
. 4.
Принципиальная
схема
компактной
погрузки
секций
опор
У
110-2
С
в
бортовой
грузо
-
вой
автомобиль
Табл. 2. Масса и стоимость опор ВЛ 110 кВ для проводов
АС 240/32, АСку 240/32, АСТ 185/29
Тип опор
Промежуточные
Анкерно-угловые
Марки опор
П110-4В ПМ110-2Ф
П110-2С
У110-2
У110-2С
Геометрия решетки
типовая
новая
типовая
новая
Сталь
С245
С345
14ХГНДЦ
класс 345 С245
14ХГНДЦ
класс 345
Масса стали
(в т.ч. метизы), кг
3191
2713
2233
7696
4415
Изменение массы, %
143
121
100
174
100
Стоимость опоры, тыс. руб.
292
376
206
704
408
Изменение стоимости, %
141
182
100
173
100
79
Масса и стоимость новых опор для обеих групп
проводов сократились:
– для промежуточных конструкций — в 1,2–1,4 раза;
– для анкерных — в 1,7–2,3 раза.
СРАВНЕНИЕ
СТОИМОСТИ
1
км
ВЛ
110
кВ
НА
НОВЫХ
И
ТИПОВЫХ
ОПОРАХ
ПРИ
ИСПОЛЬЗОВАНИИ
ОБЫЧНЫХ
И
ВЫСОКОПРОЧНЫХ
ПРОВОДОВ
Для корректных расчетов стоимости 1 км ВЛ 110 кВ
рассматривался анкерный участок, состоящий из од-
ной анкерно-угловой опоры и пяти промежуточных.
Для всех пяти проводов определены расчетные
пролеты, с которыми сравниваемые опоры могут
быть расставлены по трассе.
Кроме стоимости опоры в расчетах учтены затра-
ты на монтаж конструкций. Трудозатраты на сборку
Табл. 4. Стоимость участка ВЛ с проводами I группы
Тип опор
Решетчатые
Многогранные
Из профильных труб
Марки опор
П110-4В
У110-2
ПМ110-2Ф
У110-2
П110-2С
У110-2С
Тип фундамента
Ф4-2
Ф4-А
СО720.12-5
Ф4-А
СЦФ50.80.4-1
Ф4-А
Стоимость,
тыс. руб.
опоры с монтажом
407
979
445
979
275
610
фундаментов с установкой
180
307
187
307
104
307
Стоимость провода
АС 240/32
— 156,4 тыс. руб./км
Пролет, м
295
240
295
240
245
215
Стоимость 1 км ВЛ, тыс. руб.
2931
3063
2423
Изменение стоим. 1 км ВЛ, тыс. руб.
+508
+640
–
Стоимость провода
АСку 240/32
— 203,1 тыс. руб./км
Пролет, м
330
270
330
270
275
240
Стоимость 1 км ВЛ, тыс. руб.
2808
2926
2351
Изменение стоим. 1 км ВЛ, тыс. руб.
+457
+575
–
Стоимость провода
АСТ 185/29
— 207,8 тыс. руб./км
Пролет, м
285
255
285
255
245
215
Стоимость 1 км ВЛ, тыс. руб.
3136
3271
2577
Изменение стоим. 1 км ВЛ, тыс. руб.
+559
+694
–
Табл. 3. Масса и стоимость опор ВЛ 110 кВ для проводов
АСВП 258/74 II, АСВТ 190/55
Тип опор
Промежуточные
Анкерно-угловые
Марки опор
П110-4В ПМ110-2Ф
П110-4С
У220-2
У110-4С
Геометрия решетки
типовая
новая
типовая
новая
Сталь
С245
С345
14ХГНДЦ
класс 345 С245
14ХГНДЦ
класс 345
Масса стали
(в т.ч. метизы), кг
3191
2713
2325
14378
6251
Изменение массы, %
137
116
100
230
100
Стоимость опоры, тыс. руб.
292
376
215
1318
578
Изменение стоимости, %
136
175
100
228
100
решетчатых типовых опор су-
щественно превышают затра-
ты на сборку многогранных или
новых сварных опор, которые
являются малоэлементными,
и количество соединяемых при
монтаже элементов у них мини-
мально. Затраты на сборку но-
вых анкерных опор из сварных
секций сопоставимы с затрата-
ми на сборку типовых промежу-
точных решетчатых опор.
При оценке стоимости 1 км
ВЛ 110 кВ учтены данные о сто-
имости линейной арматуры
и проводов по данным произ-
водителей.
Для каждого варианта использования опор с ука-
занными типами проводов (с учетом нагрузок) опре-
делены типы фундаментов. Выбор фундаментов
сделан для одинаковых грунтовых условий.
При расчетах стоимости участка линии учтена
стоимость конструкции фундаментов и их установки
(таблицы 4 и 5).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПО
РЕЗУЛЬТАТАМ
СРАВНЕНИЯ
СТОИМОСТИ
1
км
ВЛ
110
кВ
1. Стоимости 1 км ВЛ 110 кВ на новых опорах, раз-
работанных для обычных и высокопрочных про-
водов, сопоставимы. Незначительное отличие
(от 1 до 10%) объясняется тем, что при использо-
вании высокопрочных проводов удается сократить
стрелу провеса и увеличить расстояния между
опорами (сократить количество опор на каждый
№
4 (55) 2019
80
километр ВЛ), но при этом опоры, которые должны
выдерживать нагрузки от проводов с повышенным
тяжением и с больших пролетов, становятся тяже-
лее. Общее количество металла на 1 км остается
практически тем же.
2. Предложенные типы новых опор из профиль-
ных труб при любом из рассмотренных вариантов
провода дают минимальное значение стоимости 1 км
ВЛ 110 кВ за счет уменьшения массы металла и про-
межуточных, и анкерных конструкций. Например, при
использовании провода АС 240/32 стоимость работ
по строительству 1 км ВЛ 110 кВ, учитываемых при
сравнении (стоимость опор и фундаментов с учетом
их монтажа плюс стоимость проводов и линейной ар-
матуры) составляет 2423 тыс. руб. Разница в стоимо-
сти 1 км ВЛ по сравнению с решетчатыми опорами
составляет 508 тыс. руб., с многогранными — 640 тыс.
руб. При использовании провода АСВП 258/74 II ука-
занная разница составляет – 987 и 1105 тыс. рублей.
3. В целом стоимость каждого километра ВЛ
110 кВ на опорах из квадратного профиля и атмос-
феростойкой стали сокращается в 1,24 и в 1,46 раза
по сравнению с вариантами использования типовых
решетчатых и многогранных опор соответственно.
4. Анализ конструктивных особенностей ти-
повых решетчатых опор ВЛ 220 и 330 кВ, схожих
с анализируемыми для 110 кВ, позволяет утверж-
дать, что переход к новым шпренгельным системам
для всех указанных напряжений при использова-
нии высокопрочных сталей и квадратного профи-
ля приведет к снижению стоимости конструкций
и линий электропередачи в целом.
НОВАЯ
ОПОРА
ВЛ
500
кВ
В
СРАВНЕНИИ
С
ТИПОВЫМИ
КОНСТРУКЦИЯМИ
Для оценки возможности получения существенной
выгоды при использовании квадратного профиля
в опорах ВЛ 500 кВ, была разработана промежу-
точная опора П500-1К. Высота подвески проводов
и расчетные условия выбраны по аналогии с ти-
повыми схемами башенной решетчатой «Рюмки»
(Р-2) и многогранной портальной (2МП500-5В) опор
(рисунок 5).
Башенная конструкция П500-1К, пояса, распорки
и элементы траверсы которой выполнены из ква-
дратных труб, в основании своем имеет прямоуголь-
ник, большая сторона которого перпендикулярна оси
ВЛ. Перекрестные тяги выполнены из круглых стерж-
ней. Верхняя часть конструкции в зоне траверсы
и тросостоек выполняется из укрупненных сварных
элементов, соединяемых на стройплощадке при по-
мощи болтов.
Использование квадратного профиля позволи-
ло увеличить свободную длину элементов, работа-
ющих на сжатие, сократить количество стыков и об-
легчить конструкцию в целом.
Результаты сравнения новых опор ВЛ 500 кВ из
квадратного профиля с типовыми конструкциями
представлены в таблице 6.
Масса опоры из квадратного профиля сопоста-
вима с многогранной опорой и легче опоры из угол-
кового профиля на 22%.
Стоимость вновь разработанной опоры в 1,5 раза
ниже по сравнению с многогранной и на 23% ниже
стоимости опоры из уголкового профиля.
С учетом стоимости фундаментов и земляных
работ выгода от применения опор из квадратно-
го профиля по сравнению с опорой типа «Рюм-
ка» составляет 204 тыс. руб., а с многогранной —
288 тыс. руб. на опору.
Если принять, что габаритный пролет всех трех
сравниваемых опор составляет 370 м (3 × АС 300/66,
W
= 500 Па,
b
= 20 мм), то применение опор из ква-
дратного профиля позволяет сократить стоимость
1 км ВЛ 500 кВ на 550 и 778 тыс. руб. по сравнению
с «Рюмкой» и многогранником соответственно.
Табл. 5. Стоимость участка ВЛ с проводами II группы
Тип опор
Решетчатые
Многогранные
Из профильных труб
Марки опор
П110-4В
У220-2
ПМ110-2Ф
У220-2
П110-4С
У110-4С
Тип фундамента
Ф4-2
Ф5А
+2Р1-А
СО720.12-5
Ф5А
+2Р1-А
СЦФ50.80.4-1
Ф5А
+2Р1-А
Стоимость,
тыс. руб.
опоры с монтажом
407
1702
445
1702
284
802
фундаментов с установкой
180
434
187
434
104
434
Стоимость провода
АСВП 258/74
II — 250 тыс. руб./км
Пролет, м
320
320
320
320
325
295
Стоимость 1 км ВЛ, тыс. руб.
3391
3509
2404
Изменение стоим. 1 км ВЛ, тыс. руб.
+987
+1105
–
Стоимость провода
АСВТ 190/55
II — 197,2 тыс. руб./км
Пролет, м
340
310
340
310
300
275
Стоимость 1 км ВЛ, тыс. руб.
3115
3227
2380
Изменение стоим. 1 км ВЛ, тыс. руб.
+735
+847
–
ВОЗДУШНЫЕ
ЛИНИИ
81
ВЫВОДЫ
Подводя итоги эскизной разработки опор ВЛ 110–
500 кВ, можно с уверенностью сказать о целесоо-
бразности использования конструкций из квадратно-
го профиля. Доступность профильных труб класса
прочности 345, в том числе из атмосферостойкой
стали, и наличие современного технологического
Рис
. 5.
Промежуточные
опоры
ВЛ
500
кВ
,
принятые
для
сравнения
:
а
)
П
500-1
К
из
квадратного
профиля
;
б
)
Р
-2,
инв
.
№
3539
тм
-
т
.2;
в
) 2
МП
500-5
В
,
инв
.
№
20033
тм
-
т
.1
а)
б)
в)
оборудования для их обработки дает возможность
сократить стоимость строительства каждого киломе-
тра ВЛ напряжением 110–500 кВ на 0,5–1,1 млн руб.
Для массового внедрения новых опор в энер-
гетическое строительство необходима разработка
серии унифицированных опор ВЛ 110–500 кВ и нор-
мативной документации для ее применения.
Табл. 6. Масса и стоимость промежуточных опор ВЛ 500 кВ
Марка опоры
П500-1К Р-2
2МП500-5В
Профиль
квадрат уголок многогранник
Сталь
14ХГНДЦ Ст3
С345
Масса стали, кг
9400
11473
9675
Изменение массы, %
100
122
103
Стоимость,
тыс. руб.
металлоконструк-
ций с изготовле-
нием
869
803
1077
горячей оцинковки не тре-
буется
270
227
Итоговая
869
1073
1304
Изменение стоимости, %
100
123
150
Тип фундамента
4×Ф4
4×Ф4
2 сваи,
L
= 7 м,
Ø 0,72 м
Стоимость фундаментов и зем-
ляных работ
390
390
463
Общая стоимость, тыс. руб.
1259
1463
1767
Изменение стоимости, тыс. руб.
–
+204
+508
Изменение стоимости, %
100
116
140
ЛИТЕРАТУРА
1. Качановская Л.И., Касаткин С.П. Перспективы
использования сталей повышенной прочности
и атмосферо стойкой стали для решетчатых
опор ВЛ // ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и рас-
пределение, 2019, № 2(53). С. 42–46.
2. Методика расчета предельных токовых нагрузок
по условиям сохранения механической прочно-
сти проводов и допустимых габаритов воздуш-
ных линий . СТО 56947007-29.240.55.143-2013
ПАО «ФСК ЕЭС».
3. СП16.13330.2017. Стальные конструк ции. URL:
http://docs.cntd.ru/docu ment/456069588
REFERENCES
1. Kachanovskaya L.I., Kasatkin S.P. Prospects for us-
ing of the high-strength steel and weathering steel
for lattice poles of overhead transmission lines.
ELEKTROENERGIYa: peredacha i raspredelenie
[ELECTRIC POWER: Transmission and Distribu-
tion], 2019, no. 2(53), pp. 42-46. (in Russian)
2. STO 56947007-29.240.55.143-2013. The method
for calculating the maximum current loads under
the conditions of maintaining mechanical strength
of the wires and permissible clearance of overhead
lines. Moscow, PJSC "FGC UES" Publ., 2013. 67 p.
(in Russian)
3. SR16.13330.2017.
Staljnye konstruktsii
[Steel
structures]. URL: http://docs.cntd.ru/docu ment
/456069588
№
4 (55) 2019
Оригинал статьи: Квадратный профиль — новые решения в проектировании решетчатых опор ВЛ
Статья развивает поднятую в предыдущих номерах тему использования сталей повышенной прочности для опор ВЛ. Впервые выполненная в нашей стране эскизная разработка конструкций из квадратных труб показала, что повышенная жесткость таких сечений при работе на сжатие позволяет существенно облегчить опоры ВЛ, традиционно изготавливаемые из уголкового проката. Установка таких опор на трассах ВЛ 110–500 кВ позволит сократить стоимость строительства линий в 1,2–1,5 раза. Использование атмосферостойких сталей приведет к дополнительному снижению затрат на этапе строительства и эксплуатации.
