Металлоконструкции

Металлоконструкции в электроэнергетике: классификация, применение, требования и монтаж

Металлоконструкции (МК) в электроэнергетике представляют собой несущие, поддерживающие и вспомогательные элементы, изготовленные из металлопроката, предназначенные для монтажа, крепления и обслуживания электротехнического оборудования, прокладки кабельных трасс и обеспечения безопасной эксплуатации энергообъектов. Их основная функция – создание жесткого, устойчивого и долговечного каркаса, способного выдерживать значительные механические, динамические и климатические нагрузки на протяжении всего жизненного цикла объекта.

Классификация и виды металлоконструкций

Металлоконструкции в электротехнике классифицируются по нескольким ключевым признакам: назначению, типу конструкции, способу изготовления и монтажа, а также условиям эксплуатации.

1. По основному назначению

• Опорные конструкции для электрооборудования: Шкафы, щиты, пульты управления, трансформаторы, реакторы, высоковольтные выключатели (маломасляные, элегазовые, вакуумные) монтируются на жестких стальных рамах, фундаментах или платформах. Эти конструкции обеспечивают точное позиционирование аппаратуры, доступ для обслуживания и необходимые изоляционные расстояния.
• Кабельные конструкции: Предназначены для упорядоченной прокладки, крепления и защиты силовых и контрольных кабелей. К ним относятся:
  • Кабельные лотки (гладкие, перфорированные, лестничного типа).
  • Кабельные короба (с глухими или перфорированными крышками).
  • Кабельные стойки и кронштейны.
  • Кабельные полки и этажерки.
• Несущие конструкции для шинопроводов: Специализированные кронштейны, траверсы и стойки для крепления шинных мостов (магистральных, распределительных, троллейных систем) как внутри помещений, так и на открытом воздухе.
• Каркасы зданий и сооружений: Полнокомплектные металлические каркасы для ЗРУ (закрытых распределительных устройств), трансформаторных подстанций (КТП, КТПН), модульных зданий энергообъектов.
• Вспомогательные и технологические конструкции: Лестницы, площадки обслуживания, ограждения, козырьки, системы молниезащиты (молниеприемные мачты), опоры для локального освещения.

2. По типу конструкции и способу изготовления

• Сварные конструкции: Изготавливаются путем сварки элементов из листового, сортового и фасонного проката. Отличаются высокой прочностью и жесткостью. Применяются для ответственных несущих рам, каркасов шкафов, опор.
• Сборно-разборные (болтовые) конструкции: Состоят из отдельных стандартизированных элементов (стоек, траверс, соединителей), собираемых на месте монтажа с помощью болтовых соединений. Преимущества: простота транспортировки, возможность модификации и повторного использования. Типичный пример – системы кабельных лестниц и стоек (например, по стандарту DL/T 802.2).
• Перфорированные конструкции: Элементы (стойки, уголки, профили) с регулярной перфорацией, позволяющей производить крепление в любой точке. Широко используются для монтажа кабельных трасс и оборудования внутри помещений.
• Гнутые профили (холодногнутые): Изготавливаются из листовой стали методом холодной гибки. Обладают оптимальным соотношением массы и несущей способности. Применяются в каркасах КТП, лотках, коробах.

Основные материалы и требования к ним

Выбор материала определяется условиями эксплуатации, нагрузками и требованиями нормативных документов.

• Углеродистая сталь обыкновенного качества (Ст3, Ст3кп) и низколегированная сталь (09Г2С): Основной материал для большинства МК в электроэнергетике. Сталь 09Г2С применяется для конструкций, работающих при низких температурах (до -70°С), например, на объектах в северных регионах.
• Оцинкованная сталь: Сталь с цинковым покрытием, нанесенным горячим методом или методом цинкования в порошке. Обеспечивает защиту от коррозии в атмосферных условиях. Является стандартом для кабельных лотков, коробов, наружных каркасов.
• Алюминиевые сплавы: Используются для конструкций, где критична масса (мобильные установки), или в агрессивных средах, где алюминий обладает лучшей коррозионной стойкостью. Также применяются в зонах с сильными электромагнитными полями (не намагничиваются).
• Нержавеющая сталь (AISI 304, AISI 316): Применяется на объектах с особыми требованиями: высокая коррозионная активность среды (приморские районы, химические производства), объекты пищевой или фармацевтической промышленности, чистые помещения.

Требования нормативных документов

Проектирование, изготовление и монтаж МК регламентируются комплексом стандартов и правил:

• СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции» (актуализированная редакция СНиП II-23-81*).
• ГОСТ 23118-2012 «Конструкции стальные строительные. Общие технические условия».
• ГОСТ Р 52868-2007 «Конструкции кабельные для электрических установок. Общие технические условия».
• Стандарты серии IEC 61537, EN 61537 (для кабеленных трасс).
• Правила устройства электроустановок (ПУЭ, главы 2.1, 2.3, 3.4, 4.2).
• Отраслевые стандарты (РД, СТО) энергетических компаний.

Расчет и проектирование металлоконструкций

Расчет МК выполняется на прочность, устойчивость и деформативность. Учитываются следующие виды нагрузок:

Вид нагрузки	Примеры	Коэффициент надежности
Постоянные	Собственный вес конструкции, вес стационарно закрепленного оборудования.	γf = 1.05 – 1.1
Длительные временные	Вес кабелей, изоляторов, постоянно действующие технологические нагрузки.	γf = 1.1 – 1.2
Кратковременные	Ветровая и гололедная нагрузка, вес персонала с инструментом при обслуживании, монтажные нагрузки.	γf = 1.2 – 1.4
Особые	Сейсмические воздействия, последствия аварийных ситуаций (динамические нагрузки от КЗ).	γf = 1.0

Особое внимание уделяется расчету динамических нагрузок от электродинамического воздействия токов короткого замыкания (КЗ) на шинные конструкции и опоры. Проверяется условие, чтобы частота собственных колебаний конструкции не совпадала с частотой следования ударных токов КЗ.

Для кабельных конструкций ключевым параметром является допустимая нагрузка (кг/м), которая зависит от типа лотка/лестницы, шага опор и глубины заложения кабелей. Данные приводятся в технической документации производителя.

Защита от коррозии

Антикоррозионная защита – критически важный этап, определяющий срок службы МК.

• Горячее цинкование: Погружение конструкции в ванну с расплавленным цинком. Создает прочное покрытие (толщиной 40-120 мкм), обеспечивающее защиту на 25-50 лет в зависимости от агрессивности среды. Наилучший метод для наружных конструкций.
• Цинкование в порошке (холодное цинкование): Нанесение состава с высоким содержанием цинка (96-98%) на подготовленную поверхность. Используется для защиты сварных швов после монтажа или для ремонта покрытия, а также для крупногабаритных конструкций, которые невозможно оцинковать горячим способом.
• Лакокрасочные покрытия (ЛКП): Многослойные системы (грунт-эмаль) на основе эпоксидных, полиуретановых, акриловых смол. Толщина сухого слоя (TSD) для средних условий – 80-120 мкм, для агрессивных – до 200 мкм. Позволяют получить любое цветовое решение (например, для идентификации фаз, трубопроводов).
• Комбинированная защита (цинк + ЛКП): Нанесение ЛКП поверх горячеоцинкованного слоя (система Duplex). Значительно увеличивает срок службы, так как лакокрасочный слой защищает цинк от преждевременного расходования, а цинк обеспечивает катодную защиту в местах повреждения ЛКП.

Монтаж и контроль качества

Монтаж МК должен выполняться в строгом соответствии с проектом производства работ (ППР) и рабочими чертежами.

Основные этапы:

1. Приемка и входной контроль: Проверка комплектности, соответствия сертификатам, качества защитного покрытия, геометрических размеров.
2. Разметка и установка анкерных оснований: Точная разметка мест установки опор, стоек. Крепление к полу, стене, фундаменту с помощью анкерных болтов (химических или механических) расчетного класса прочности.
3. Сборка каркаса: Последовательная сборка стоек, траверс, горизонтальных прогонов с контролем вертикальности, горизонтальности и проектных размеров.
4. Установка кабельных конструкций: Монтаж лотков, лестниц, коробов с обеспечением электрической непрерывности (заземления) на всем протяжении трассы. Стыки должны быть надежно соединены, зазоры – в пределах допуска.
5. Нанесение защитного покрытия на сварные швы и поврежденные участки: Очистка, грунтовка, окраска или нанесение холодного цинка.
6. Сдача-приемка: Визуальный осмотр, проверка геометрии, прочности креплений, качества защитного покрытия, непрерывности цепи заземления (измерение сопротивления).

Тенденции и инновации

• Биметаллические решения: Использование комбинаций материалов (например, стальная основа с алюминиевыми накладками) для оптимизации стоимости, веса и коррозионной стойкости.
• Модульность и унификация: Развитие систем быстрой сборки на основе стандартизированных элементов, что сокращает сроки монтажа и упрощает логистику.
• Интеграция с BIM-технологиями: Трехмерное информационное моделирование металлоконструкций на этапе проектирования для выявления коллизий, точного расчета материалов и организации монтажа.
• Повышение огнестойкости: Применение специальных огнезащитных красок и обмазок для МК на объектах с повышенными требованиями пожарной безопасности.
• Системы активного мониторинга: Встраивание датчиков в ответственные конструкции для контроля напряженно-деформированного состояния, вибрации, коррозии в реальном времени.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Как правильно выбрать тип кабельной конструкции (лоток, короб, лестница)?

Выбор зависит от типа и количества кабелей, условий прокладки и требований к доступу. Кабельные лестницы (с открытой структурой) применяются для прокладки большого количества силовых кабелей большого сечения, обеспечивают лучшее охлаждение. Гладкие и перфорированные лотки подходят для контрольных, слаботочных кабелей. Короба (с крышками) используются там, где требуется механическая защита кабелей от внешних воздействий, пыли, либо по эстетическим соображениям. Необходимо выполнить расчет нагрузки и сравнить с несущей способностью конструкции при заданном шаге опор.

2. Каковы требования к заземлению металлоконструкций?

Все металлоконструкции, на которых установлено электрооборудование или проложены кабели, должны быть заземлены в соответствии с ПУЭ, гл. 1.7. Обеспечивается непрерывная электрическая цепь между всеми элементами конструкции. Для этого используются либо штатные соединители с контактами заземления, либо отдельные перемычки (гибкие медные шины сечением не менее указанного в проекте). Сопротивление растеканию тока контура заземления должно соответствовать нормам для данного класса напряжения и типа оборудования.

3. Чем отличается горячее цинкование от холодного и какое предпочтительнее для открытой подстанции 110 кВ?

Горячее цинкование дает более толстое, равномерное и долговечное покрытие, которое является частью металла (образует интерметаллидные слои). Для агрессивной атмосферной среды открытой подстанции, с учетом длительного (40+ лет) срока службы, горячее цинкование является предпочтительным и часто обязательным по техническому заданию энергокомпаний. Холодное цинкование (цинк-наполненный состав) – это барьерное покрытие, его свойства сильно зависят от качества подготовки поверхности и нанесения. Оно чаще используется для ремонта, защиты сварных швов или для конструкций, которые невозможно оцинковать горячим способом из-за габаритов.

4. Как учитывается ветровая и гололедная нагрузка при расчете опор для наружного оборудования?

Расчет выполняется согласно СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия». Определяется район по картам ветрового и гололедного давления. Ветровая нагрузка рассчитывается как равномерно распределенная по площади конструкции с учетом аэродинамического коэффициента. Гололедная нагрузка учитывается как дополнительный вес цилиндрической ледяной корки на элементах конструкции, ее толщина нормируется по районам. Эти нагрузки суммируются с другими в наиболее неблагоприятных комбинациях. Для высоких и гибких конструкций также выполняется проверка на аэродинамическую устойчивость (вихревую возбужденную вибрацию, галопирование).

5. Какие существуют методы контроля качества сварных соединений в несущих металлоконструкциях?

Применяются неразрушающие методы контроля (НК):

• Визуальный и измерительный контроль (ВИК): Проверка формы и размеров шва, отсутствия трещин, подрезов, прожогов.
• Ультразвуковой контроль (УЗК): Основной метод для выявления внутренних дефектов (непроваров, пор, шлаковых включений) в стыковых и тавровых швах.
• Капиллярный контроль (ПВК): Используется для выявления поверхностных дефектов.
• Контроль сплошности покрытия: После нанесения антикоррозионного покрытия на сварные швы проверяется толщина слоя магнитным или вихретоковым толщиномером и отсутствие пор (прибором типа «Искра»).

Объем контроля (процент швов, подвергаемых проверке) определяется уровнем ответственности конструкции и требованиями проектной документации.