Автор: С.В. Рыжов - главный специалист ЗАО «Электросетьстройпроект», кандидат технических наук.
______________________________________
Обзор конструкций натяжных зажимов для подвески проводов и грозозащитных тросов на больших переходах
Большие переходы через водные преграды относятся к наиболее сложным строительным объектам воздушных линий (ВЛ). Их отличает ряд специфических особенностей конструктивного и технологического характера: значительные расстояния между переходными опорами, повышенные растягивающие нагрузки на концевые опоры, увеличенная высота промежуточных опор, строительство в сложных гидрологических условиях и др.
Значительные открытые пространства приводят к повышенным ветровым нагрузкам, интенсивной вибрации, склонности к образованию гололёда и появлению пляски.
Всё сказанное накладывает дополнительные требования к выбору опор и их элементов, проводов (грозозащитных тросов), натяжной и поддерживающей арматуры.
Для анкерного крепления проводов АС и стальных канатов на больших переходах применяется, в основном, прессуемая арматура с повышенной прочностью заделки: НАСУС и НС. Максимальная прочность заделки в указанных типах натяжных зажимов составляет, соответственно, 578 кН (НАСУС-500ЖС-1) и 372 кН (НС-300-3).
Применение клиносочленённых зажимов ограничено усилиями порядка 300 кН.
Появление проводов и грозозащитных тросов нового поколения с более высокими механическими характеристиками приводит к острой потребности в натяжной арматуре с растягивающими нагрузками 500 ÷ 800 кН.
Прессуемые зажимы позволяют развивать такие усилия, но для монтажа необходимо специальное дорогостоящее оборудование, строгое соблюдение технологии прессования, повышенные требования к применяемым материалам, обязательный контроль прессового соединения.
Прессуемый и клиносочленённый зажимы имеют массивный корпус, рассчитанный на высокие нагрузки. Изгибная жесткость такой конструкции во много раз превосходит аналогичный показатель провода. При определённых ветровых воздействиях на выходе из зажима в проводе появляется зона опасных изгибных деформаций, что влечёт за собой уменьшение ресурсной стойкости провода.
Другим существенным недостатком рассматриваемых зажимов является тот факт, что они развивают значительные раздавливающие нагрузки на провод, приводящие к его пластической деформации. Именно поэтому отмеченные способы заделки не применимы для подвески грозозащитных тросов со встроенным оптическим кабелем (ОКГТ) из-за чувствительности оптических модулей к передавливанию.
Применение арматуры спирального типа позволяет исключить указанные проблемы. Более чем двадцатилетний опыт эксплуатации спиральной арматуры в России убедительно показывает, что она хорошо сочетается с проводами, оптическими кабелями, тросами (далее по тексту – сердечниками), так как сама обладает гибкостью и после монтажа фактически интегрируется с ними в единое целое. Такая конструкция надежно предохраняет удерживаемые сердечники от воздействия раздавливающих нагрузок за счет распределения сжимающего усилия по длине спирального зажима, обеспечивает их надежное крепление и защиту от опасных перегибов, перетирания, вибрации и других механических воздействий, увеличивает срок службы.
Типовая конструкция натяжного зажима спирального типа состоит из силовой пряди и коуша (рис.1). Силовая прядь монтируется непосредственно на сердечнике и через коуш и стандартную сцепную арматуру крепится к опоре воздушной линии электропередачи. В свою очередь, силовая прядь собирается из нескольких спиралей. Материалом для спиралей служит стальная проволока с антикоррозионным защитным покрытием из алюминия или цинка.
В процессе нагружения такой конструкции растягивающим усилием Р, когда с одной стороны усилие приложено к проводу, а с другой – к коушу натяжного зажима, возникает, в силу конструктивных особенностей, момент кручения Мкр который стремится раскрутить силовую прядь (рис.1). С увеличением растягивающего усилия значение крутящего момента Мкр возрастает, происходит раскручивание спиралей, и силовые пряди из симметричного по отношению к сердечнику расположения смещаются к одной стороне. Возникающая боковая составляющая растягивающего усилия при определённых условиях выталкивает сердечник на длине одного витка силовой пряди, и происходит отказ зажима.
Методика расчёта спирального натяжного зажима основана на выборе диаметра проволоки, определении количества спиралей и других параметров в зависимости от требований по прочности заделки сердечника. При этом, чем выше требуемая прочность заделки, тем большим должен быть диаметр проволоки спиралей, и тем большее количество спиралей в силовой пряди. И тот, и другой параметр можно увеличивать только до определённого значения. Так, например, максимально допустимое количество спиралей при заданном диаметре проволоки ограничено диаметром сердечника, для которого предназначен зажим. Что касается диаметра применяемой проволоки, то его увеличение ведёт к усложнению технологии изготовления зажима, вызывает дополнительные трудности при монтаже.
Исходя из сказанного, классические натяжные зажимы спирального типа имеют, как правило, прочностные характеристики в пределах 160-200 кН.
Постановка задачи, требования к конструкции натяжного зажима.
Сформулируем основную задачу: спроектировать натяжной зажим на базе арматуры спирального типа, позволяющий достигать растягивающие нагрузки до 800 кН.
При этом необходимо выполнить следующие основные требования:
надежное крепление сердечника во всем диапазоне эксплуатационных условий (стойкость к воздействию положительных и отрицательных температур; изменение тяжений в результате отложения гололеда, снега или ветровых воздействий, возникающих, например, при пляске; стойкость к знакопеременным напряжениям при вибрации);
минимальные воздействия на сердечник в зоне установки натяжного зажима, обеспечивающие неизменность характеристик, как в отношении механической прочности, так и токопроводящих свойств;
высокая ресурсная стойкость сердечника (совместно с арматурой);
исключение возникновения условий, ухудшающих механические и токопроводящие свойства сердечника с течением времени;
быстрый и простой монтаж без применения специальной монтажной оснастки.
Конструктивная схема натяжного зажима с двумя силовыми прядями.
Опираясь на известную и хорошо зарекомендовавшую себя конструкцию натяжного зажима спирального типа, требуется найти такое конструктивное решение, которое позволит компенсировать возникающий в силовой пряди момент кручения Мкр.
Если предположить, что суммарное растягивающее усилие Р распределить между двумя силовыми прядями Р1 и Р2 (рис.2.) и направление навивки спиралей в прядях сделать взаимнопротивоположным, тогда возникающие моменты кручения М1, М2 компенсируют друг друга и суммарный момент М∑ будет равен их разности:
М∑ = М1–М2
На рис.2 приведена конструктивная схема зажима, реализующая сформулированный подход.
Решение поставленной задачи заключается в определении оптимальных значений конструктивных и технологических параметров конструкции, таких как:
длина каждого слоя,
направление и углы подъема спиралей,
коэффициенты трения,
характеристики применяемой проволоки,
количество спиралей и др.
Конструкция натяжного подвеса на основе арматуры спирального типа с двумя силовыми прядями
Усилиями научного коллектива ЗАО «Электросетьстройпрект» в 2006 году конструктивная схема натяжного зажима с двумя силовыми прядями была воплощена в конкретную конструкцию натяжного подвеса: НП-Dпр (П)-5Х(РНР)-ХХХХХ (рис. 3).
Подвес состоит из нижней (1) и верхней (2) силовых прядей, выполненных с противоположным направлением навивки. Нижняя силовая прядь монтируется непосредственно на сердечник или, в случае необходимости, на протектор спирального типа (3), а верхняя силовая прядь монтируется на нижнюю. Силовые пряди зацепляются посредством коушей роликового типа (9) и стандартных промежуточных звеньев 2ПР. Объединяет конструкцию в единое целое коромысло типа 2КУ (4) через скобы СК (5), и вывернутое промежуточное звено ПРВ (7). Для более равномерного распределения радиальных сдавливающих усилий по сердечнику силовые пряди сдвинуты друг относительно друга вдоль сердечника. С этой целью в ветвь верхней пряди добавлено промежуточное звено типа ПРТ (6).
В маркировке подвеса указывается:
НП – натяжной подвес;
Dс – наружный диаметр удерживаемого сердечника в мм;
П – наличие протектора в составе силовых прядей подвеса;
5Х – зажим двойной не раскручиваемый (51, 52– соответственно, спирали из стальной проволоки с защитным покрытием из цинка или алюминия);
(РП) – прочность подвеса с учетом коэффициентов надежности по материалу и регионального, кН;
ХХХХХ – кодировка марки сердечника, до 5 символов.
Примеры обозначения:
НП-37,5-52(400) - натяжной подвес для провода АС 500/336 с наружным диаметром 37,5 мм и прочностью заделки 400 кН;
НП-31,0-52(600)-AZ - натяжной подвес для провода Aero-Z AACSR-Z-647 с наружным диаметром 31,0 мм и прочностью заделки 400 кН;
НП-22,5П-52(600)-МЗ - натяжной подвес для молниезащитного троса МЗ с наружным диаметром 22,5 мм и прочностью заделки 600 кН.
Рассматриваемая конструкция подвеса характеризуется рядом важных конструктивных и технологических особенностей:
технология изготовления, как отдельных спиралей, так и всего технологического цикла производства силовых прядей остаётся неизменной и не зависит от величины прочности заделки;
в конструкцию подвеса легко вписываются стандартные промежуточные звенья, серийно выпускаемые отечественными арматурными заводами;
монтаж подвеса осуществляется вручную без применения специальной монтажной оснастки.
Примеры применения натяжных подвесов на больших переходах ВЛ
На сегодня успешно опробованы конструкции НП с прочностью заделки от 300 до 800 кН. С 2009 года начато их серийное производство. За период с 2009 года натяжные подвесы заложены более чем в 50 проектах. К 2012 натяжные подвесы смонтированы на 12 больших переходах ВЛ.
Далее приведены фотографии, иллюстрирующие фрагменты испытаний, монтажа и подвески НП на объектах ВЛ.
Испытание на статическое нагружение НП-21,0П-52(550)-МЗ
Фото 1. г. Хотьково, 14 марта 2012 г. Совместное испытание подвеса со стальным канатом типа МЗ диаметром 21,0 мм.
Фрагмент нагружения максимальной растягивающей нагрузкой 500 кН.
ВЛ. 500 кВ Балаковская АЭС - ПС Курдюм
Большой переход через р. Волга и р. Воложка (1747 м и 1570 м). Стальной грозозащитный трос МЗ. Диаметр троса – 21,0 мм. Фото 2. Монтаж натяжного подвеса НП-21,0П-52(550)-МЗ (18 марта 2012 г.).
Фото 3. Подвес в сборе перед монтажом на опору.
ВЛ 220 кВ Пермская ГРЭС - Соболи
Большой переход через Камское водохранилище (1480 метров). Оптический грозотрос OPGW ACS 510 2C производства компании «Люмпи-Берндорф» (Австрия).
Фото 4. Фрагмент монтажа натяжного подвеса НП-29,7-52(800) (3 декабря 2010 г.).
ВЛ 220 кВ Нижегородская - Борская
Большой переход через р. Вытегра.
Фото 5. Фрагмент монтажа на опоре ВЛ натяжного подвеса НП-18,95П-52(300) для оптического кабеля, встроенного в грозотрос ОКГТ диаметром 18,9 мм (31 марта 2011).
Фото 6. Вид смонтированного на концевой опоре подвеса.
Заключение
Предложена конструкция натяжного подвеса (НП) для крепления проводов и грозозащитных тросов на больших переходах воздушных линий электропередачи. Основу конструкции составляет силовая часть в виде двух прядей спирального типа с взаимно противоположным направлением навивки. Силовые пряди монтируются или непосредственно на сердечнике одна на другую, или на предварительно смонтированном протекторе, и посредством стандартной сцепной арматуры крепятся к анкерной опоре ВЛ. Параметры силовых прядей НП рассчитаны таким образом, чтобы при нагружении растягивающим усилием возникающие в них моменты кручения компенсировали друг друга. Подвесы соответствуют требованиям технических условий ТУ 3449-022-27560230-10.
При расчёте спиральной части конструкции используются расчётные методики и математические модели АО «Электросетьстройпроект», хорошо отработанные в теоретическом плане и проверенные на практике за более чем 20-ти летний период. Отработана технология серийного производства НП.
Применение НП существенно упрощает и ускоряет как строительство новых линий, так и проведение ремонтно-восстановительных работ на действующих ВЛ.
