Перспективы использования сталей повышенной прочности и атмосферостойкой стали для решетчатых опор ВЛ

Page 1

Page 2

Перспективы использования
сталей повышенной прочности
и атмосферостойкой стали
для решетчатых опор ВЛ

УДК 621.315.668.2

ВОЗДУШНЫЕ

ЛИНИИ

Качановская

к.т.н., заведующая НИЛКЭС

ООО «ПО «Энерго-

железобетонинвест»

Касаткин

начальник сектора НИЛКЭС

ООО «ПО «Энерго-

железобетонинвест»

Статья

посвящена

оценке

возможности

снижения

металлоемкости

опор

ВЛ

при

исполь

зовании

высокопрочных

сталей

работе

рассматриваются

результаты

эскизных

про

ектов

промежуточных

анкерных

опор

геометрическая

схема

которых

разработана

использованием

шпренгельных

элементов

Показано

что

предложенные

схемы

опор

изготовленные

из

сталей

класса

прочности

345,

сравнении

типовыми

решениями

для

одноцепных

двухцепных

ВЛ

позволяют

сократить

массу

конструкций

на

16–32%.

При

использовании

атмосферостойкой

стали

отказе

от

цинкования

затраты

на

изго

товление

конструкций

снижаются

на

28–43%.

Сделан

вывод

что

для

массового

внедре

ния

новых

решений

целесообразна

разработка

серии

унифицированных

решетчатых

промежуточных

анкерно

угловых

опор

из

стали

класса

прочности

345

оптимизиро

ванными

габаритными

размерами

шпренгельной

решеткой

из

уголкового

профиля

Ключевые

слова

решетчатые опоры ВЛ,

стали повышенной прочности,

атмосферостойкая сталь,

оптимизация геометрической

схемы с использованием

шпренгельной системы

еталлургическая промы-

шленность страны осво-

ила изготовление угол-

кового проката из сталей

повышенной прочности С390, С440

и атмосферостойкой стали 14ХГНДЦ

(класса прочности 345). К настояще-

му времени накоплен опыт исполь-

зования атмосферостойкой стали

в конструкциях мостов и для опор

контактной сети электрифицирован-

ных железных дорог [1].

Основная масса типовых решет-

чатых опор линий электропередачи,

эксплуатируемых в России, запро-

ектирована из стали С245 (Ст3).

Использование сталей повышенной

прочности позволит уменьшить по-

перечное сечение элементов, со-

хранив их несущую способность,

и тем самым снизить металлоем-

кость опор ВЛ. А использование

атмосферостойкой стали даст воз-

можность отказаться от затрат на

оцинковку, обеспечив защиту от

коррозии на весь срок эксплуатации

ВЛ. Максимальный эффект может

быть достигнут в наиболее массо-

вых изделиях — решетчатых опорах

ВЛ 110–750 кВ, так как затраты на

опоры и фундаменты составляют

до 70% затрат от стоимости матери-

алов на строительство ВЛ.

В ходе рабочего совещания

в ПАО «Россети» был рассмотрен

вопрос о необходимости разработ-

ки типовой линейки опор ВЛ для по-

лучения существенной выгоды за

счет использования последних до-

стижений в области производства

металлопроката. Первый этап, по-

священный поиску основных тех-

нических решений для оптималь-

ного использования новых сталей,

был поручен научно-исследова-

тельской лаборатории конструкций

электросетевого

строительства

(НИЛКЭС), силами которой был

разработан «Эскизный проект ре-

шетчатых опор 110–220 кВ из ста-

лей повышенной прочности С390,

С440 и атмосферостойкой стали

14ХГНДЦ».

Актуальность задачи анализа

конструктивных особенностей ре-

шетчатых опор обоснована необхо-

димостью определения зоны наибо-

лее выгодного применения сталей

повышенной прочности, так как их

стоимость на 7%, а атмосферо-

стойкость на 15% выше стоимости

конструкционных сталей массового

применения.

В рамках эскизного проекта ВЛ

110–220 кВ были решены следую-

щие задачи:

Page 3

1. Проведены расчеты типо-

вых опор (определены усилия

в элементах и подобраны их се-

чения для случаев использова-

ния сталей С245, С390 и С440.

В каждом варианте определена

масса конструкций с учетом тре-

бований современных Правил

устройства

электроустановок

в 7 редакции (изначально эти

конструкции запроектированы

с учетом ПУЭ-5 и ПУЭ-6). Решет-

ка опор во всех случаях остава-

лась неизменной.

2. Разработаны варианты гео-

метрии решетки промежуточных

и анкерных опор ВЛ 110 кВ и ВЛ

220 кВ с целью минимизации

массы конструкции при исполь-

зовании высокопрочной и атмос-

феростойкой сталей (проведены

расчеты шести вариантов новых

геометрических схем опор). Но-

вые опоры с оптимизированными

по массе металла схемами рас-

считаны на те же нагрузки и ту же

высоту подвески, что и типовые

опоры, что позволяет провести

объективное сравнение предлага-

емых вариантов.

3. Выполнено технико-эконо-

мическое сравнение рассмотрен-

ных вариантов опор для ВЛ 110 кВ

и ВЛ 220 кВ.

К рассмотрению выбраны

следующие наиболее часто ис-

пользуемые марки типовых опор,

изначально разработанные на

требованиях ПУЭ-6 (рисунок 1).

Уменьшение массы опор толь-

ко за счет использования высоко-

прочных сталей в типовых решет-

ках не позволяет получить явную

выгоду за счет более высокой сто-

имости новых сталей.

Для существенного снижения

массы опор необходимо изме-

нить геометрическую схему ти-

повых опор, которая была опти-

мальной для унифицированных

конструкций при использовании

стали марки Ст3. Так как опреде-

ляющим фактором при выборе

поперечного сечения элементов

в башенных опорах является

требование обеспечения устой-

чивости элементов, то сократить

массу (поперечное сечение) эле-

ментов опоры можно уменьшая

свободную длину элементов, ра-

ботающих на сжатие. Для этого

необходимо подобрать геометри-

ческую схему опоры, используя

возможность установки шпренге-

лей [2].

В нашей стране шпренгельная

схема использовалась при созда-

нии сильно нагруженных опор ВЛ

220–750 кВ.

За рубежом высокопрочные

стали, в том числе и атмосферо-

стойкие, давно нашли широкую

нишу для применения. Приме-

ры использования шпренгель-

ных сис тем в опорах ВЛ в нашей

стране и за рубежом приведены

на рисунке 2.

Рис

. 1.

Типовые

опоры

принятые

для

сравнения

)

промежуточная

110-5

инв

№

11520

тм

.1;

)

анкерно

угловая

110-1+9

инв

№

3078

тм

.10;

)

промежуточная

220-2

инв

№

3080

тм

в)

б)

а)

Рис

. 2.

Использование

шпренгельных

систем

нашей

стране

за

рубежом

№

2 (53) 2019

Page 4

ВОЗДУШНЫЕ

ЛИНИИ

Табл. 1. Результаты анализа расчетов типовых схем опор П110-5В и П110-5ВМ

Марка опоры

П110-5В

П110-5ВМ

Нормы для расчета

ПУЭ-5 (6)

по действующим нормам — ПУЭ-7

Геометрия решетки

типовая

модернизированная

Сталь

СтЗ

С245

С390

атмосферо-

стойкая С345

асса

стальные уголки, кг

2187

2003

1939

1718

1773

изменение массы, %

–

–8,4% –11,3% –21,4%

–18,9%

Ст

оимость, тыс. р

уб.

стальных уголков

109

100

104

102

изготовления металло-

конструкций

горячей оцинковки

не требуется

итоговая

204

187

188

167

137

Изменение стоимости, тыс.руб.

–

–17

–16

–38

–67

Изменение стоимости, %

–

–8%

–18,5%

–32,8%

В процессе поиска гео-

метрической схемы опоры,

имеющей минимальный вес

при заданном уровне нагру-

зок, было рассмотрено (рас-

считано) несколько вариан-

тов конструктивных решений

для промежуточных опор

110, 220 кВ и анкерной опоры

110 кВ. В результате для окон-

чательного сравнения были

выбраны схемы опор, даю-

щие максимальный эффект

в части минимизации массы

конструкций. Отметки под-

вески нижнего провода для

старых и новых опор приняты

одинаковыми. Для маркиров-

ки вновь разработанных (уже

оптимизированных)

опор

к индексу типовых конструк-

ций была добавлена буква М:

П110-5ВМ, У110-1+9М, П220-

2М (рисунок 3).

При сравнении стоимости

опор разных геометрических

схем, выполненных из обыч-

ных и высокопрочных сталей

принята в расчет стоимость

металла (уголкового профи-

ля), стоимость изготовления

и стоимость защиты от корро-

зии. Информация о стоимо-

сти принята в современном

уровне цен по данным заво-

дов изготовителей:

– уголок из стали С245,

С390 и 14ХГНДЦ — 50,

53,5 и 57 тыс. руб./т;

– изготовление металлокон-

струкций — 20 тыс. руб./т;

– горячее цинкование —

23,5 тыс. руб./т.

Результаты анализа расче-

тов типовых схем опор П110-

5В, У110-1+9, П220-2, выпол-

ненных из сталей С245 и С390

с учетом требований ПУЭ-7

(таблицы 1, 2 и 3) показали

следующее:

– только лишь за счет опти-

мизации сечений элемен-

тов типовой опоры из стали

С245 возможно сократить

массу элементов уголко-

вого проката на 8,4, 15,8

и 4,6% соответственно;

– подбор сечений элемен-

тов при использовании

стали С390 дает уменьше-

ние массы уголков на 11,3,

в)

б)

а)

Рис

. 3.

Оптимизированные

опоры

—

аналоги

типовых

конструкций

)

110-5

ВМ

)

110-1+9

)

220-2

19,2 и 9,5% относительно массы

указанных типовых опор.

Однако это сокращение металла

в пересчете на стоимость единицы

массы опоры будет не столь значи-

тельна, если учесть цены на стали

повышенной прочности. Существен-

ную выгоду может принести только

использование модифицированных

опор, решетка которых подобра-

на специально для высокопрочных

сталей.

Сравнительный анализ стоимо-

сти типовых опор с оптимизирован-

ными позволил сделать следую-

щие выводы:

1. Модифицированные опоры из

стали С390 легче типовых опор

Page 5

Табл. 4. Расчет стоимости строительства 1 километра ВЛ напряжением 35–110 кВ

Нормы для расчета

ПУЭ-5 (6)

по действующим нормам — ПУЭ-7

Геометрия решетки

типовая

модернизированная

ТОИМОС

ТЬ

К из уг

олк

ов,

тыс. р

уб.

Сталь

СтЗ

С245

С390

атмосферостойкая С345

для анкерной опоры

639,9

538,5

536,6

439,4

362,3

для промежуточной опоры

204,5

187,4

188,1

166,7

137,4

на анкерный участок (1,63 км)

1457,9

1288,1

1289

1106,2

911,9

на 1 км ВЛ

894,4

790,2

790,8

678,7

559,4

ЭКОНОМИЯ

в сравнении

с типовыми

опорами

на 1 км ВЛ, тыс. руб.

–

104

216

335

на 1 км ВЛ, %

–

11,6%

24,1%

37,5%

на объектах ПАО «Россети»

(1160 км/год), млн руб.

–

121

120

250

389

Табл. 2. Результаты анализа расчетов типовых схем опор У110-1+9 и У110-1+9М

Марка опоры

У110-1+9

У110-1+9М

Нормы для расчета

ПУЭ-5 (6)

по действующим нормам — ПУЭ-7

Геометрия решетки

типовая

модернизированная

Сталь

СтЗ

С245

С390

атмосферо-

стойкая С345

асса

стальные уголки, кг

6844

5759

5529

4530

4675

изменение массы, %

–

–15,8% –19,2% –33,8%

–31,7%

Ст

оимость, тыс. р

уб.

стальных уголков

342

288

296

242

269

изготовления металло-

конструкций

137

115

111

горячей оцинковки

161

135

130

106

не требуется

итоговая

640

539

537

440

362

Изменение стоимости, тыс.руб.

–

–101

–103

–200

–278

Изменение стоимости, %

–

15,8% –16,2% –31,3%

–43,4%

Табл. 3. Результаты анализа расчетов типовых схем опор П220-2 и П220-2М

Марка опоры

П220-2

П220-2М

Нормы для расчета

ПУЭ-5 (6)

по действующим нормам — ПУЭ-7

Геометрия решетки

типовая

модернизированная

Сталь

СтЗ

С245

С390

атмосферо-

стойкая С345

асса

стальные уголки, кг

5242

5000

4746

4466

4526

изменение массы, %

–

–4,6% –9,5% –16,7%

–15,5%

Ст

оимость, тыс. р

уб.

стальных уголков

262

250

254

239

260

изготовления металло-

конструкций

105

100

горячей оцинковки

123

118

112

105

не требуется

итоговая

490

468

460

433

351

Изменение стоимости, тыс.руб.

–

–23

–30

–57

–140

Изменение стоимости, %

–

4,8% –6,1% –11,6%

–28,4%

на 17–34%. За счет этого

их стоимость ниже на 12–

31%.

2. Модифицированные опо-

ры из атмосферостойкой

стали 14ХГНДЦ (класс

прочности 345) легче ти-

повых опор на 16–32%,

при этом отсутствуют за-

траты на горячее цинкова-

ние. За счет этого их стои-

мость ниже на 28–43%.

Расчет модернизирован-

ных схем опор для стали С440

показал, что ее использова-

ние в конструкциях при задан-

ном уровне нагрузок не дает

дополнительной выгоды по

массе.

Стали класса прочности

345 и 390 имеют сопостави-

мый эффект по изменению

массы (разница в 2%), по-

этому унифицированную се-

рию опор ВЛ целесообразно

разрабатывать из сталей

класса 345. В этом случае

появляется возможность ис-

пользования этих конструк-

ций как в оцинкованном ва-

рианте (при изготовлении их,

например, из стали 09Г2С),

так и в атмосферостой-

ком исполнении (из стали

14ХГНДЦ).

Для оценки возможно-

го годового экономического

эффекта от применения оп-

тимизированных опор, ис-

пользующих сталь С390

и атмосферостойкую сталь

14ХГНДЦ, на объектах ПАО

«Россети» была определена

№

2 (53) 2019

Page 6

экономия (таблица 4) при строи-

тельстве 1 кило метра ВЛ напря-

жением 35–110 кВ: до 37,5% (до

335 тыс. руб. на 1 км ВЛ).

По данным о планируемых

объемах строительства ВЛ ПАО

«Россети», учитывая, что только

половина всех строящихся опор

будет изготавливаться из совре-

менных сталей, определен воз-

можный объем использования

модернизированных опор на ВЛ

35–110 кВ — 1160 км/год.

Таким образом, годовой эко-

номический эффект от примене-

ния модернизированных опор на

объектах ПАО «Россети» может

составлять 390 млн рублей.

ВЫВОДЫ

Проведенное исследование до-

казало эффективность исполь-

зования для опор ВЛ уголкового

проката из сталей повышенной

прочности С390, С345 и атмос-

феростойкой стали 14ХГНДЦ

(класс прочности 345).

Для массового снижения за-

трат на изготовление опор на

28–43% целесообразна раз-

работка серии унифицирован-

ных решетчатых промежуточ-

ных и анкерно-угловых опор

из стали класса прочности 345

с оптимизированными габарит-

ными размерами и шпренгель-

ной решеткой из уголкового

профиля. Новые опоры позво-

лят решать вопрос защиты от

коррозии на стадии разработ-

ки проектов ВЛ: с использова-

нием защитных покрытий или

при помощи атмосферостойкой

стали.

В заключение необходимо

отметить, что линейка новых

высокопрочных и атмосферо-

стойких сталей не исчерпыва-

ется прокатным уголком. Впер-

вые появилась возможность

использования для опор ВЛ

квадратного и прямо угольного

профиля, в том числе и из ат-

мосферостойкой стали. В бли-

жайших выпусках журнала мы

расскажем о результатах эскиз-

ной разработки опор ВЛ из ква-

дратных труб, которая показа-

ла, что повышенная жесткость

таких сечений при работе на

сжатие позволяет существенно

облегчить опоры ВЛ напряжени-

ем 110–500 кВ. Установка таких

конструкций на трассах сократит

стоимость строительства линий

в 1,2–1,5 раза.

ВОЗДУШНЫЕ

ЛИНИИ

ЛИТЕРАТУРА
1. Шелест А.И., Конюхов А.Д. Применение атмосферо-

стойких сталей в конструкциях линий электропереда-

чи, мостов и контактной сети электрифицированных

железных дорог / Сборник докладов научно-практи-

ческой конференции «Опоры и фундаменты для ум-

ных сетей: инновации в проектировании и строитель-

стве», СПб, 4–6 июля 2018.

2. Зевин А.А., Качановская Л.И., Константинова Е.Д., Ро-

манов П.И. Выбор промежуточной опоры для ВЛ 330 кВ

«Северный транзит» // Электрические станции, 2004,

№ 4.

REFERENCES
1. Shelest A.I., Konyukhov A.D. The use of weather-resistant

steels in the construction of power lines, bridges and the

contact network of electriﬁ ed railways.

Sbornik dokladov

nauchno-prakticheskoy konferentsii "Opory i fundamenty
dlya umnykh setey: innovatsii v proyektirovani i stroitelstve"

[Proceedings of the scientiﬁ c-practical conference "Sup-

ports and foundations for smart grids: innovations in design

and construction"]. St. Petersburg, 2018. (in Russian)

2. Zevin A.A., Kachanovskaya L.I., Konstantinova E.D.,

Romanov P.I. Selection of intermediate support for 330

kV overhead transmission line "Northern transit".

Elek-

tricheskie stantsii

[Power Plants], 2004, no.4. (In Russian)

Санкт-Петербургское

научно-производственное

объединение

АО «Полимер-Аппарат»

разрабатывает и производит

www.polymer-apparat.ru

тел./факс: (812) 331-40-40

(многоканальный)

Для любого класса

напряжений от 0,22 кВ до 750 кВ

Гарантия до 10 лет

Срок службы 30 лет

Для комплектации ограничителей

используются варисторы

различных диаметров и толщин

производства фирмы

EPCOS (Германия)

Возможно изготовление ОПН

с любым наибольшим

длительно допустимым

рабочим напряжением

Вся продукция прошла

полный комплекс испытаний

в лабораториях ОАО «НИЦ ВВА»,

ОАО «НИИПТ», ОАО «НИИВА»

НЕЛИНЕЙНЫЕ
ОГРАНИЧИТЕЛИ

ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

(

ОПН

)

научно-производственное объединение

АО «Полимер-Аппарат»

На прав

ах рек

ламы

Оригинал статьи: Перспективы использования сталей повышенной прочности и атмосферостойкой стали для решетчатых опор ВЛ

Ключевые слова: решетчатые опоры ВЛ, стали повышенной прочности, атмосферостойкая сталь, оптимизация геометрической схемы с использованием шпренгельной системы

Читать онлайн

Статья посвящена оценке возможности снижения металлоемкости опор ВЛ при использовании высокопрочных сталей. В работе рассматриваются результаты эскизных проектов промежуточных и анкерных опор, геометрическая схема которых разработана с использованием шпренгельных элементов. Показано, что предложенные схемы опор, изготовленные из сталей класса прочности 345, в сравнении с типовыми решениями для одноцепных и двухцепных ВЛ позволяют сократить массу конструкций на 16–32%. При использовании атмосферостойкой стали, позволяющей отказаться от затрат на цинкование, затраты на изготовление конструкций снижаются на 28–43%. Сделан вывод, что для массового внедрения новых решений целесообразна разработка серии унифицированных решетчатых промежуточных и анкерно-угловых опор из стали класса прочности С345 с оптимизированными габаритными размерами и шпренгельной решеткой из уголкового профиля.