Как проектировать опоры, соответствующие линиям электропередачи высокого напряжения?

Конструктивные ограничения, обусловленные напряжением, для опор линий электропередачи

Ветровая, гололёдная и электромагнитная нагрузки при напряжении 230 кВ и выше

При работе с напряжениями 230 кВ и выше линии электропередачи подвергаются сложным воздействиям окружающей среды, которые увеличиваются не просто пропорционально уровню напряжения. Во время неблагоприятных погодных условий ветровое давление может достигать более 50 фунтов на квадратный фут, что требует серьёзного усиления боковых опор. Это особенно актуально для башен решётчатой конструкции, где наибольшее напряжение возникает в точках соединения стоек и крепления проводников. Ещё одной серьёзной проблемой является обледенение. Когда толщина льда на проводниках достигает около двух дюймов, их вес утраивается, создавая неравномерное натяжение по всей системе и вызывая крутящие усилия, которых инженеры всячески стремятся избежать. В то же время, когда токи короткого замыкания проходят по линиям со скоростью свыше 40 кА, они создают мощные электромагнитные силы, заставляющие проводники резко двигаться, что иногда вызывает опасные резонансные колебания самой башни. Поскольку эти различные факторы нагрузки настолько сильно пересекаются, инженеры в значительной степени полагаются на метод конечных элементов, чтобы понять, как все компоненты взаимодействуют между собой. Например, в системах 400 кВ решётчатым башням обычно требуется раскосная решётка, имеющая прочность на 20–30 процентов выше, чем у опор монопольной конструкции в аналогичных условиях.

Соответствие расстояний по зазору и по поверхности (IEC 61936 / IEEE 1243)

Необходимость электрической изоляции значительно возрастает с увеличением напряжения. Согласно стандартам, таким как IEC 61936 и IEEE 1243, требуемый зазор между фазами и землёй также существенно увеличивается. В системах на 230 кВ требуется как минимум 2,3 метра пространства, но при напряжении 345 кВ этот показатель возрастает до 3,6 метра. Эти значения напрямую влияют на высоту опор линий электропередачи и расстояние между их траверсами. Другой проблемой являются гирлянды изоляторов, поскольку расстояние утечки по их поверхности также необходимо увеличивать. В частности, для полимерных изоляторов в загрязнённых районах требуется около 25 мм на киловольт, чтобы предотвратить нежелательные поверхностные пробои. Когда пространство ограничено, инженеры часто используют V-образные конфигурации изоляторов. Однако существует и другая постоянная проблема — загрязнение. Накопление солёного тумана или промышленных отложений может снизить напряжение перекрытия почти вдвое. Именно поэтому в регионах, где такие загрязнители со временем накапливаются, становится абсолютно необходимым регулярное техническое обслуживание и очистка.

Выбор типа башни: соответствие конструктивной формы функции и окружающей среде

Функциональные роли: опоры подвески, натяжные, переходные и пересекающие опоры

Принцип работы опор линий электропередачи определяет их физическую форму и конструкцию. Анкерные опоры удерживают электрические провода строго вверх с помощью длинных гирлянд изоляторов, которые мы часто видим свисающими с них, что делает их обычным явлением на прямых участках линий электропередачи. Когда трасса меняет направление или пересекает реки, применяются натяжные опоры. Они специально построены для восприятия значительных усилий, возникающих, когда одна сторона линии тянет сильнее другой. Существуют также транспозиционные опоры, которые меняют местами положение трёх фаз в линии, чтобы всё оставалось сбалансированным на протяжении сотен километров. А также есть переходные опоры, которые просто поднимают провода достаточно высоко, чтобы обеспечить прохождение над дорогами, железными дорогами или горами. Установка неподходящего типа опоры в неподходящем месте может быть опасной. Представьте, что обычная анкерная опора установлена на резком повороте вместо натяжной. Во время штормов или сильного ветра такое несоответствие может привести к быстрому распространению аварий по всей системе электросети.

Компромисс между материалом и формой: решетчатые конструкции против трубчатых опор и монопольных конструкций для линий 400 кВ и выше

Выбор балансирует производительность, логистику и воздействие на окружающую среду:

• Сплошные башни , выполненные из оцинкованных стальных уголков, обеспечивают превосходное соотношение прочности к весу и модульную масштабируемость — что делает их стандартными для проектов 400 кВ и выше, требующих максимальной грузоподъёмности и устойчивости к сейсмическим нагрузкам. Их треугольная геометрия эффективно рассеивает динамическую энергию, особенно в сейсмоопасных зонах.
• Трубчатые стальные опоры обеспечивают меньшее визуальное воздействие и более компактные габариты, а герметичные секции снижают воздействие коррозии. Однако ограничения транспортировки ограничивают допустимую высоту при использовании в сверхвысоковольтных системах.
• Одноопорные мачты , хотя и устанавливаются быстрее и требуют меньше земли, имеют резкий рост стоимости материалов при напряжении свыше 230 кВ. Их сплошная конструкция обеспечивает отличную устойчивость к несимметричной нагрузке ото льда — что особенно выгодно в альпийской местности.

Основные несущие компоненты и целостность передачи нагрузки в опорах линий электропередачи

От поперечной балки до фундамента: обеспечение непрерывной передачи усилия в аварийных условиях

Прочность этих систем зависит от непрерывной передачи нагрузки, начиная с креплений проводников, далее через траверсы, вдоль корпуса опоры и, наконец, до фундамента. Траверсы воспринимают различные усилия, такие как ветровое давление, обледенение и электромагнитные воздействия, после чего передают их на основной несущий каркас. В частности, для решётчатых опор путь передачи нагрузки проходит через болтовые или сварные соединения, которые должны иметь избыточность, чтобы предотвратить потерю устойчивости. Конструкции трубчатых и одностоечных опор работают по-другому, полагаясь на прочные фланцевые соединения между элементами, а также на внутренние рёбра жёсткости для поддержки. Что касается фундаментов — будь то конструкции, заглублённые непосредственно в грунт, или выполненные с применением рамных систем (grillage), — они должны выдерживать внезапное увеличение нагрузки примерно в 2,5 раза выше нормального уровня при аварийных ситуациях, например при неожиданном обрыве проводников, согласно отраслевым стандартам IEC 61936:2020. Метод конечных элементов помогает инженерам проследить, как распределяются напряжения по всем компонентам, с целью исключить возможность отказа в какой-либо одной точке системы. Важными факторами, подлежащими проверке в ходе верификации, обычно являются...

Сталь высокой пластичности (например, S460ML+) обеспечивает пластическую деформацию вместо хрупкого разрушения при перегрузке. Коррозионностойкие покрытия в точках соединения — подтверждённые для побережий или агрессивных по составу сред — сохраняются на протяжении всего срока службы для обеспечения непрерывности передачи нагрузки.

Проверка механической прочности и соответствие требованиям для систем высоковольтных опор

Что касается структурной проверки, инженеры придерживаются хорошо установленных международных стандартов, таких как IEC 60652 для механических испытаний компонентов воздушных линий, и ASCE 10-15, который конкретно касается проектирования стальных опор линий электропередачи. Во время испытаний в полном масштабе прототипы подвергаются проверке в смоделированных условиях, включая скорости ветра до 150 километров в час, различные вертикальные нагрузки — как постоянные, так и динамические, а также сценарии внезапного обрыва проводов. Эти испытания имитируют наиболее экстремальные механические нагрузки, которые могут возникнуть в реальных условиях. Чтобы отследить, как усилия распространяются по конструкции, калиброванные тензодатчики измеряют точки давления, а теодолиты фиксируют любые смещения или перемещения — от траверс до анкеров основания. Результаты после сертификации демонстрируют не просто соответствие нормативным требованиям, а показывают запас прочности, превышающий эксплуатационные требования на 25–40 %. Такой тщательный подход имеет большое значение, поскольку в сетях высокого напряжения выше 400 киловольт одна авария в критической точке может вызвать проблемы, затрагивающие сразу несколько регионов и юрисдикций.

Часто задаваемые вопросы

Почему анализ методом конечных элементов важен для опор линий электропередачи высокого напряжения?

Анализ методом конечных элементов имеет решающее значение, поскольку он помогает инженерам понять, как различные факторы нагрузки, такие как ветер, гололед и электромагнитные силы, взаимодействуют между собой, что позволяет оптимизировать конструкцию и укрепление опор.

В чем основные различия между решетчатыми башнями и одностоечными конструкциями?

Решетчатые башни обеспечивают превосходное соотношение прочности к весу, что идеально подходит для проектов с высокой пропускной способностью, тогда как одностоечные опоры, более простые в установке и требующие меньше земли, имеют более высокую стоимость при напряжении свыше 230 кВ и обеспечивают хорошую устойчивость к нагрузкам от гололеда.

Как стандарты соответствия влияют на проектирование опор линий электропередачи?

Стандарты соответствия определяют необходимые зазоры, пути утечки и грузоподъемность для безопасной эксплуатации, что влияет на выбор материалов, габариты опор и общую конструкцию, чтобы выдерживать воздействие окружающей среды и эксплуатационные нагрузки.