Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ технического состояния и существующих решений конструкций опор воздушных линий электропередач 6-ю кв. Задачи исследования 14
1.1. Материалы для изготовления конструкций опор воздушных линий электропередачи 14
1.2. Техническое состояние, причины разрушения и надежность работы воздушных линий электропередачи
1.2.1. Надежность работы ВЛ6(10)-110 кВ 17
1.2.2. Анализ технического состояния элементов воздушных линий электропередачи... 18
1.2.3. Причины и анализ явлении, вызывающих разрушения конструкций ВЛ
1.3. Основные тенденции развития строительства воздушных линий электропередачи 36
1.4. Разработка новых конструкций опор воздушных линий электропередачи. Задачи исследования 43
2. Новые конструктивные формы секций опор линий электропередачи на базе элементов из гнутого профиля 47
2.1. Расчёты опор с учётом поддерживающего действия проводов.. 47
2.2. Расчет стоек опор 6-ю кв на кручение 51
2.3. Контрольные механические испытания опор ВЛ -10 кВ 54
. 2.3.1. Результаты испытаний опор ВЛ - 10 кВ ВНПО "ЭЛСИ" 55
2.3.2. Результаты испытаний железобетонных опор ВЛ - 10 кВ 57
2.4. Техническая документация по опорам 6-ю кв из гнутых профилей
3. Сравнительный технико - экономический анализ строительства лэп на металлических опорах серии пс10п с традиционными типами опор 66
3.1. Общие положения 66
3.2. Сравнение опор серии с1 оп с типовыми опорами по физическим объемам работ 68
3.3. Структура стоимости строительства вл 6-10 кв на типовых опорах и опорах серии с10п 72
3.4. Оценка эффективности инвестиционных вложений заказчика строительства в л 75
4. Вопросы эксплуатации опор вл из гнутых профилей 81
4.1. Расчёт коррозии элементов узкобазовых опор конструкции компаний внпо «элси» 81
4.2. Оценка опасности коррозии фундаментов вдоль трассы вл 88
4.3. Диагностика состояния фундаментов опор внпо "элси" 94
4.4. Расчёт устойчивости фундаментов опор вл 6-і0 кв конструкции внпо «элси» в пучинистых грунтах 100
Заключение , 103
Список использованных источников
- Техническое состояние, причины разрушения и надежность работы воздушных линий электропередачи
- Расчет стоек опор 6-ю кв на кручение
- Структура стоимости строительства вл 6-10 кв на типовых опорах и опорах серии с10п
- Диагностика состояния фундаментов опор внпо "элси"
Техническое состояние, причины разрушения и надежность работы воздушных линий электропередачи
В настоящее время для изготовления опор наиболее широко используют такие материалы, как дерево, железобетон и сталь.
Доля ВЛ с железобетонными опорами (на все напряжения до 750 кВ) составляет около 80% протяженности всех построенных линий [1]. Это обусловлено их высокой механической прочностью, низкими затратами труда на сборку.
Однако, железобетонные опоры имеют ряд недостатков: большая масса, что существенно удорожает транспортные расходы и требует применения при сборке и монтаже кранов большой грузоподъемности; низкая долговечность (в южных регионах СНГ из-за коррозии; в северных - из-за циклов «замораживания - оттаивания»). Для опор В Л напряжение до 10 кВ применяют вибрированные стойки СВ длиной 9,5 и 11 м, изготовленные из вибрированного железобетона. Однако, как показывает практика, именно вибрированный бетон наименее долговечен. Применение деревянных опор обусловлено в основном сравнительно низкой стоимостью древесины и достаточно высокой механической прочностью. В качестве фундаментов для деревянных опор используют железобетонные пасынки или сваи.
Деревянные опоры в 1,5 раза дешевле железобетонных, но они менее долговечны. Средний срок службы непропитанной древесины составляет 5 лет. Пропитка антисептиками увеличивает срок службы до 15-20 лет. Недостатком деревянных опор является возгораемость, возникающая из-за токов утечки, пожаров, ударов молнии, случаев вандализма.
Альтернативой железобетонным и деревянным опорам являются стальные опоры.
Область применения стальных опор практически не ограничена. Стальные опоры устанавливают на линиях электропередачи всех напряжений (в различных природно-климатических районах (зонах)) в районах с тяжелыми природно-климатическими условиями.
В зависимости от способа соединения элементов опоры делят на сварные и болтовые и изготавливают в виде отдельных пространственных секций для последующей сборки на трассе ВЛ. Секции сварных опор собирают на месте установки с помощью накладок и болтов. Элементы болтовых опор отгружают с завода комплектно.
Количеством отправленных с завода деталей и частей определяется степень (группа) заводской готовности опор и характеризуется объем работ по их сборке на трассе ВЛ [54]: I группа - с завода поступают россыпью отдельные элементы или отдельные части секций и сборка производится на трассе; II группа - с завода поступают отдельные пространственные секции и детали опор и на трассе ВЛ выполняется укрупнительная и общая сборка на болтах; III группа - с завода поступают целые основные части, не требующие укрупнительной сборки на трассе и общая сборка выполняется на болтах. При транспортировке сварных опор крайне низко используется грузоподъемность транспортных средств (не более 10-30%). Болтовые опоры экономичнее в перевозках, но требуют значительного увеличения трудозатрат на сборку. К недостаткам стальных опор следует отнести тот факт, что они значительно дороже железобетонных и деревянных.
На В Л 6 - 10 кВ применяются одностоечные промежуточные, одностоечные с подкосами и А-образные - угловые, концевые и анкерные опоры [54]. Одностоечные промежуточные опоры из вибрированных железобетонных стоек СВ снабжены траверсой, рассчитанной на подвеску трёх алюминиевых проводов сечением до 95 мм2.
В 1987 г. член кор. РАН М.В. Костенко [2] сообщил, что массовое сооружение ВЛ-10 кВ на железобетонных опорах привело к увеличению электрической нагрузки на изоляторы и резкому росту удельной повреждаемости опор. На железобетонных опорах наблюдается в 10 раз большее количество пробитых изоляторов [2]. Емкостные токи замыкания на землю пробитых изоляторов приводят к разрушению бетона опор [2].
По мнению группы авторов [3] использование одностоечных железобетонных опор из центрифугированного бетона имеет ряд недостатков: непомерный рост стоимости перевозок и эксплуатации тяжелой техники, необходимой для монтажа железобетонных опор.
К этому (по нашему мнению) следует добавить также малый (всего 5 лет) срок службы железобетона, в частности, в северных условиях [33; 35; 36].
Оценивая, в целом, конструкции и материалы для опор ВЛ 6-10 кВ, необходимо констатировать, что с точки зрения надежности наиболее перспективны стальные опоры. В тоже время для них также велики затраты на строительно-монтажные работы. В связи с этим необходимо совершенствование технологии изготовления металлических опор и повышения экономических показателей при строительстве ВЛ.
Расчет стоек опор 6-ю кв на кручение
Некоторых из приведенных недостатков типовых металлических опор лишены типовые железобетонные опоры, которые выполняются по иной механической схеме - по схеме консоли с защемлёнными в грунте концом. Однако, железобетонным опорам свойственны другие недостатки (табл. 1.6).
Представляется целесообразным сохранить достоинства стальных широкобазных и железобетонных опор и свести до минимума их недостатки.
Избежать недостатков тех и других опор возможно при использовании стальных узкобазых опор, выполненных по схеме консоли с защемленным в грунте концом.
Конструкции стоек узкобазых опор могут выполняться аналогично конструкции широкобазых из стандартных прокатных профилей постоянного по высоте сечения. Однако при этом, вследствие уменьшения ширины стойки возрастают усилия в поясах, а вследствие уменьшения наклона поясов, усилия в поясах верхних и нижних панелей каждой секции существенно различаются. Поэтому прочность поясов, подобранных по максимальным усилиям ( в нижних панелях ) в остальных панелях секций полностью не используется. По этим причинам расход стали на пояса в узкобазых опорах, выполненных по типу широкобазых, существенно увеличивается.
Отмеченные недостатки узкобазых опор, выполненных по типу широкобазых, частично устраняются применением узкобазых многогранных стоек из гнутого листа со сплошным поперечным сечением в виде правильного многоугольника. Размеры поперечного сечения многогранной стойки с целью экономии материала обычно уменьшаются от максимального в нижней части, до минимального в верхней, в соответствии с уменьшением изгибающих моментов. Подобные конструкции нашли применение в качестве типовых опор серии ПМ для В Л 110 и 220 кВ [1, 3].
Узкобазые опоры серии ПМ не нашли широкого применения при строительстве ЛЭП на территории бывшего СССР, очевидно, в связи со сложностью их изготовления. Опоры подобного типа в последнее десятилетие получили широкое распространение в США и Канаде, где большая часть новых ЛЭП строится с использованием опор типа «poles».
Этому типу опор присущи следующие недостатки: относительно большой расход металла, нерациональное использование прочности металла и возможность внутренней коррозии в замкнутых полостях.
Указанные недостатки опор типа ПМ и «poles» делают актуальной тему разработки новых типов опор ВЛ с использованием разомкнутых гнутых профилей нетрадиционных сечений.
Гнутые профили (уголки, швеллеры, с - образные и иных форм) позволяют наиболее эффективно и экономно изготавливать элементы конструкций в сравнении с горячекатанными и штампованными профилями, так как имеют перед последними ряд существенных преимуществ: а) рациональное распределение металла по сечению, чем обеспечивается максимальная жесткость и прочность элементов конструкции при сниженном до 40% расходе металла; б) одним гнутым профилем можно заменить элемент конструкции, изготовленный из двух и более горячекатанных профилей, что позволяет снизить технологические затраты и трудоемкость сборки; в) учитывая высокую составляющую строительных и транспортных затрат вариант строительства ВЛ на опорах из гнутых профилей будет в 2 раза более выгодным по сравнению со строительством на типовых опорах;
В работе на основе элементов из гнутого профиля разработаны новые конструктивные формы секций для опор линий электропередачи. На рис. 2.1. показаны поперечные сечения разработанных секций, применяемых в стойках опор ВЛ. Комбинация решетчатых граней (показанных пунктиром) с элементами из гнутого профиля позволяет облегчить конструкцию и исключить замкнутые пространства, способствующие коррозии металла. На все конструкции стоек получены патенты на изобретение или положительные решения о выдаче патентов.
Все конструкции ориентированы на узкобазые опоры, крепящиеся к одному фундаменту, который может быть установлен в сверленый котлован; соединения элементов в секции выполняется на сварке, стыки между секциями болтовые. Элементы решетки секций, как правило, одиночные уголки, прокатные или гнутые. При небольшой ширине решетчатых граней может оказаться рациональной решетка из круглой стали.
Секции с сечением по рис. 2.1а целесообразно применять для опор В Л 6 - 10 кВ, где изгибающие моменты в стойках невелики (до 7 тс-м). Достоинство схемы - небольшое число деталей, что упрощает изготовление. Секции по рис. 2.lb, с, d более оптимальны для опор более высоких классов напряжения - 35-220 кВ. Во всех рассматриваемых вариантах секции могут быть выполнены переменного по высоте сечения за счет изменения по линейному закону параметров h и Ь, (рис. 2.1), при этом заготовки для гнутых профилей будут иметь форму трапеций.
Структура стоимости строительства вл 6-10 кв на типовых опорах и опорах серии с10п
Новые технические идеи, заложенные в конструкции опор и фундаментов группы «ЭЛСИ», позволяет значительно изменить технологию строительства ЛЭП и обеспечить более высокие технико - экономические характеристики ЛЭП для наиболее распространенных типов линий 6-10 кВ.
Ниже приводятся результаты сравнительных технико - экономических расчетов опор группы «ЭЛСИ» с типовыми опорами.
В расчетах использовалась принятая в зарубежной, а в последнее время и в отечественной методология при подобных расчетах: «Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования. Официальное издание. М.: 1994».
Экономическая оценка выполнялась на основе анализа совокупности различных экономических показателей, дающих наиболее полное представление о сравниваемых вариантах. В выполненных расчетах применены следующие экономические показатели: 1. Чистый дисконтированный доход (ЧДД); 2. Индекс доходности (ИД); 3. Внутренняя норма доходности (ВНД); 4. Срок окупаемости (Ток); 5. Чистый денежный поток (ЧДП). Чистый дисконтированный доход определяется как сумма текущих эффектов за весь расчетный период, приведенная к начальному шагу, или как превышение интегральных результатов над интегральными затратами. Расчет ЧДД выполняется по следующим формулам: эинт = чдд = Х(к1-з - у или или ИНТ чдд = з ИТОГ(Т) ИТОГ(Т) "иТОГ(Т) где т ИТОГ(Т) = 1(3, -а,) t=i т или PHTor(T)=E(Pt-at) t=l Эинт - интегральный показатель ЧДД - чистый дисконтированный доход Pt - единовременные результаты, достигаемые на t-м шаге расчета 3t - единовременные затраты (инвестиции или приведенные капвложения), осуществляемые на t-м шаге Т - временной период расчета (период жизни инвестиционного проекта) Е - норма дисконта at - коэффициент дисконтирования t - год авансирования капитальных вложений
Если ЧДД инвестиционного проекта положителен, проект является эффективным (при данной норме дисконта) и может рассматриваться вопрос о его принятии. Чем больше ЧДД, тем эффективнее проект.
Индекс доходности представляет собой отношение суммы приведенных эффектов к величине капвложений:
Внутренняя норма доходности представляет собой ту норму дисконта, при которой величина приведенных эффектов равна приведенным капиталовложениям. ВНД = Е, при которой или ИД=0 ЧДД - чистый дисконтированный доход Pt — единовременные результаты, достигаемые на t-м шаге расчета 3t - единовременные затраты (инвестиции или приведенные капвложения), осуществляемые на t-м шаге KBt - капвложения, авансированные в t-м году .. - ИД приравнивается нулю в том случае, когда нет решения уравнения ЧДД=0 Если расчет ЧДД инвестиционного проекта дает ответ на вопрос, является он эффективным или нет при некоторой заданной норме дисконта Е, то ВНД проекта определяется в процессе расчета и затем сравнивается с требуемой инвестором нормой доходности на вкладываемый капитал.
В случае, когда ВНД равна или больше требуемой инвестором нормы дохода на капитал, инвестиции в данный проект оправданы.
Срок окупаемости - минимальный временной интервал (от начала осуществления проекта), за пределами которого интегрированный эффект становится и в дальнейшем остается неотрицательным.
Сравнение опор серии С10П с типовыми опорами по физическим объемам работ Технико-экономические показатели строительства В Л 6-10 кВ существенно зависят от местных условий строительства, при этом основой для их расчета служат физические объемы выполняемых работ.
В работе приведено сравнение физических объемов работ, стоимости конструкций и строительно-монтажных работ для регионов средней полосы и крайнего Севера России. Сравнение выполнено для следующих типов опор: типовые железобетонные опоры 6-10 кВ ПБ10; стальные опоры 6-10 кВ серии С10П; типовые стальные опоры 35 кВ П35-1.
Сравнение с вариантом строительства В Л 6 -10 кВ на типовых стальных опорах 35 кВ выполнено как для варианта, аналогичного по показателям надежности ЛЭП.
Физические объемы работ при строительстве 1 км ВЛ 6-10 кВ для районов средней полосы и крайнего Севера РФ представлены в таблицах 3, 4. Расчет объемов работ выполнен исходя из следующих фундаментных решений: для средней полосы опора ПБ10 устанавливается с заглублением на 2,5 м, опора С10П - на фундамент из стальной трубы диаметром 219 мм с заглублением на 2,5 м, опора П35-1 - на 4 сваи С35-8; для крайнего Севера опора ПБ10 устанавливается на фундамент из трубы 377 мм с заглублением на 6 м, опора С10П - на фундамент из стальной трубы диаметром 219 мм с заглублением на 6 м, опора П35-1 — на 4 сваи С35-12.
Диагностика состояния фундаментов опор внпо "элси"
Прогноз по этому уравнению может быть выполнены на срок более 30 лет. учитывая наличие качественной связи между параметрами грунта и глубиной коррозии стали, была составлена таблица 4.3.
Зная параметры грунта, приведённые в табл. 4.3., можно найти коэффициенты "а", "Ь", "с", "d" зависимости и рассчитать глубину коррозии на заданный срок службы.
Для существующих фундаментов необходимо вскрыть фундамент до глубины 0,7 м и произвести работы в следующей последовательности. поверхность фундамента очищается от продуктов коррозии вначале механической обработкой, а затем химическим способом, разработанным в СибНИИЭ. Состав СибНИИЭ, состоящий из равного количества щавелевой кислоты и кварцевого песка замешанный с водой до пастообразного состояния, наносят на поверхность и протирают её. Затем с помощью индикатора часового типа измеряют глубину коррозии трубы (фундамента). Минимальное число измерений глубины коррозии фундамента равно не менее 16 с доверительной вероятностью 0,9.
Поскольку срок службы линии на момент обследования известен, то далее можно по кривым (рис. 4.3.) определить к какой кривой ближе всего ложится точка средней коррозии фундамента. То есть определить степень опасности коррозии (К0-ЙК5) и глубину коррозии на заданный срок службы, например, 30-40 лет. Поскольку зоной "повышенного коррозионного риска" считают К0-гК2, то далее в пределах этой зоны необходимо произвести оценку опасности коррозии инструментальными методами. Рост средней глубины грунтовой коррозии стали K0.s = 6,2- 0,831п-= р, Фж- потенциал стали, В; рг - удельное сопротивление грунта, Ом-м. 30 лет Рис. 4.3.
Для этого предлагается метод "пробного электрода". Из теории многоэлектродных электрохимических систем Г.В. Акимова и Н.Д. Томашова [55], обоснования и разработки метода прогноза [24; 25] следует вывод о том, что "точечный электрод", расположенный в непосредственной близости от металлической поверхности значительно большей площади и электрически связанный с ней, поляризуется до её потенциала. Это даёт возможность определять режим работы металлической поверхности ("анодный" или "катодный"), около которой расположен точечный электрод из того же металла.
Указанная гипотеза является физической основой метода "пробного электрода" (рис. 4.4.). По падению напряжения на шунте измеряется величина и направление коррозионного тока. Измерения производятся с шагом 10 см. по направлению тока определяется режим работы ("анодный" или "катодный") поверхности фундамента.
В табл. 4.4. представлены результаты подобных измерений на трассе ВЛ. Из табл.4.4. видно, что «катодная» зона сосредоточена в верхней части фундамента до глубины 0,4+1,5 м. Ниже этой зоны поверхность трубы «анодна». Таблица 4.4 Примеры распределения токов коррозии по поверхности стального фундамента (трубы) [65] Тип грунта Глубина погруженияэлектрода, м Ток электрода (мА) [(-) катодный ток; (+) анодный ток] Солончак с гумусом 0,2 0,4 1,0 1,5 1,6 1,8 -2,4-1,6-0,08-0,02+0,04+0,12 Граница солончака и пахотного поля 0,2 0,4 1,0 1,5 1,6 1,8 -0,93 -0,7 -0,03 -0,05 +0,16 +1,3 солончак 0,2 0,4 1,0 1,4 1,6 1,8 -0,34 -0,03 +0,07 +0,11 +0,09 +0,04 Поскольку сумма "катодных токов" равна сумме "анодных токов [55], то можно по величине катодного тока судить о степени коррозионной опасности фундаментов. Если величина катодной поверхности оказывается меньше площади анода, то анодный ток будет мал и опасность коррозии невысокой.
Для проектируемых опор этот метод можно использовать, если в грунт на месте установки опоры будет погружен точечный электрод до глубины 2,5+3 м.
Метод пробного электрода хорошо отражает физику коррозионного процесса и может быть использован в качестве дополнительного при оценке опасности коррозии по параметрам грунта. Кроме того, для проектируемых опор метод пробного электрода позволяет определить величину окислительно - восстановительного потенциала І ф и удельного сопротивления грунта р, составляющие формулы (4.5) [24] при оценке опасности коррозии оттяжек по физико - химическим параметрам грунта. К = 6,167- 0,833 In М5 (4.5) где К - степень опасности коррозии; І ф I - измеряется с помощью вольтметров магнито - электрической системы (М-231; Ф-4318 и т.п.) по отношению к неполяризующимся электродом сравнения, например, медносульфатным.
Схема измерения удельного электрического сопротивления грунта методом пробного электрода Удельное сопротивление грунта р определяется по схеме рис. 4.4. для измерения сопротивления необходимо образование токовой и потенциальной цепей между пробным электродом, токовым "Т" и потенциальным "П" электродами. По схеме рис. 4.4. измеряется сопротивление пробного электрода и по формуле (4.6) рассчитывается удельное сопротивление грунта [56]: где d - диаметр пробного электрода; 1 - длина пробного электрода. Методом пробного электрода удельное электрическое сопротивление грунта определяется на глубину равную максимальной глубине погружения пробного электрода.
Таким образом, выделяется зона "повышенного коррозионного риска", в пределах которой необходимо проводить оценку степени опасности коррозии с помощью методов диагностики. 4.3. Диагностика состояния фундаментов опор ВНПО "ЭЛСИ" В пределах зоны "повышенного коррозионного риска" необходим контроль состояния с помощью различных методов: 1. контроль за агрессивностью окружающей среды; 2. визуальное обследование; 3. диагностика ультразвуковыми методами; 4. диагностика электрохимическими методами; 5. диагностика механическими методами. Сведения об агрессивности атмосферы и о блуждающих токах имеются в проектной документации.
Визуальное обследование и диагностика ультразвуковыми методами требуют откопки фундамента, что при массовом обследовании неприемлемо.
Механические испытания можно рекомендовать только в качестве контрольных.
В качестве диагностики без вскрытия грунта можно рекомендовать электрохимический метод контроля состояния стальных трубчатых фундаментов [63].
Суть данного метода заключается в измерении электромеханического потенциала трубы рис. 4.5. при её деполяризации после отключения высшего источника постоянного тока положительной и отрицательной полярности.
