Опоры металлические

Опоры металлические для воздушных линий электропередачи и контактной сети: классификация, конструкция, применение и монтаж

Металлические опоры представляют собой несущие конструкции, предназначенные для подвески проводов и грозозащитных тросов воздушных линий электропередачи (ВЛ) напряжением от 35 кВ и выше, а также для контактной сети электрифицированного транспорта (железные дороги, трамвай, троллейбус). Их основная функция – обеспечение безопасного и регламентированного расстояния от токоведущих частей до земли, пересекаемых объектов и между фазами в различных климатических и механических условиях. По сравнению с железобетонными, металлические опоры обладают высокой механической прочностью, меньшим весом при равной несущей способности, возможностью изготовления конструкций значительной высоты и сложной конфигурации, а также ремонтопригодностью. К недостаткам относят подверженность коррозии, необходимость в периодической антикоррозионной защите и, как правило, более высокую стоимость.

Классификация металлических опор

Металлические опоры систематизируют по нескольким ключевым признакам, определяющим их конструктивное исполнение и область применения.

1. По способу установки и конструктивному исполнению

• Портальные (П-образные): Состоят из двух стоек (ног), соединенных в верхней части горизонтальной или наклонной траверсой (ригелем). Обладают высокой устойчивостью и способностью воспринимать значительные нагрузки. Применяются на ВЛ высших классов напряжения (110-1150 кВ), часто в качестве анкерных, угловых и переходных опор. Могут быть свободностоящими или на оттяжках.
• Одностоечные (свободностоящие мачтовые): Выполнены в виде единой стойки, обычно многогранной конической формы (из гнутых листов) или решетчатой конструкции. Устанавливаются на фундамент и работают как консоль. Распространены на ВЛ 35-220 кВ, особенно в городских условиях и стесненных трассах.
• Одностоечные на оттяжках (оттяжные мачты): Состоят из центральной стойки (мачты), которая удерживается в проектном положении системой стальных канатных оттяжек, закрепленных на анкерах. Оттяжки позволяют значительно облегчить и удешевить конструкцию стойки за счет уменьшения изгибающего момента в ее основании. Широко применяются на ВЛ 35-500 кВ, особенно в качестве переходных и анкерно-угловых.
• Трех- и четырехгранные решетчатые башни: Классические конструкции для ВЛ 110-1150 кВ. Имеют форму усеченной пирамиды, собираются из стальных уголков, соединенных в решетчатую систему. Обладают максимальной несущей способностью и применяются на ответственных участках трасс, в том числе в качестве переходных опор через крупные препятствия (реки, ущелья).

2. По назначению на ВЛ

• Промежуточные опоры: Устанавливаются на прямых участках трассы. Предназначены для поддержания проводов и тросов в анкерном пролете. В нормальном режиме воспринимают преимущественно вертикальные нагрузки (вес проводов, гололеда) и небольшие горизонтальные (ветер на провода и конструкцию). Составляют 80-90% всех опор на ВЛ.
• Анкерные опоры: Устанавливаются для ограничения анкерного пролета, восприятия продольной нагрузки от разности тяжения проводов и тросов в смежных пролетах, а также для перехода через инженерные сооружения. Конструктивно более жесткие и мощные, чем промежуточные. Полностью воспринимают тяжение проводов в режиме обрыва.
• Угловые опоры: Устанавливаются в точках поворота трассы ВЛ. Воспринимают результирующую нагрузку от тяжения проводов, направленную по биссектрисе угла поворота линии. Могут быть промежуточными (при малых углах поворота) и анкерного типа.
• Концевые опоры: Разновидность анкерных, устанавливаются в начале и конце линии, на подходах к подстанциям. Воспринимают одностороннее тяжение проводов.
• Переходные опоры: Специальные усиленные опоры, устанавливаемые в местах пересечения ВЛ с различными препятствиями (реки, каналы, дороги, другие линии электропередачи). Имеют увеличенную высоту и запас прочности, так как в них допустимо большее провисание проводов для обеспечения требуемых габаритов.
• Ответвительные и транспозиционные опоры: Служат соответственно для устройства ответвлений от основной линии и для перестановки (транспозиции) фаз с целью выравнивания несимметрии индуктивных сопротивлений.

Конструктивные элементы и материалы

Конструкция металлической опоры представляет собой пространственную систему, собираемую из отдельных элементов.

Основные элементы:

• Ствол (стойка, тело опоры): Основной несущий элемент. Для решетчатых опор собирается из стальных горячекатаных уголков, соединяемых в узлах на болтах или с помощью сварки. Для мачтовых опор используется стальной лист, согнутый в многогранную коническую трубу (гнуто-конические стойки).
• Траверсы: Горизонтальные или наклонные элементы для крепления изоляторов и проводов. Изготавливаются из стали, имеют коробчатое или решетчатое сечение.
• Оттяжки: Стальные канаты (чаще всего оцинкованные), применяемые для стабилизации мачт и портальных конструкций. Оборудуются талрепами или натяжными муфтами для регулировки.
• Система связей (раскосы, диафрагмы): Обеспечивает пространственную жесткость решетчатой конструкции, предотвращает ее геометрическую изменяемость.
• Оголовник (надставка): Верхняя часть стойки, на которой крепятся траверсы.
• Фундамент (основание): Передает нагрузки от опоры на грунт. Для металлических опор применяются: отдельностоящие железобетонные фундаменты (стаканного типа или на сваях), анкерные плиты (для оттяжек), а также прямое бетонирование ног опоры в котловане.
• Оборудование для обслуживания: Лестницы, площадки, кронштейны для навески заземляющих спусков, крюки для подвески съемных изолирующих площадок (люлек).

Материалы и защита от коррозии:

Основной материал – углеродистая или низколегированная сталь (марки Ст3, 09Г2С). Критически важным аспектом является защита от коррозии. Применяются два основных метода:

• Горячее цинкование: Погружение подготовленных элементов в ванну с расплавленным цинком. Создает прочное, долговечное (25-30 лет и более) покрытие, обеспечивающее барьерную и электрохимическую защиту. Является предпочтительным и наиболее надежным методом.
• Лакокрасочные покрытия: Нанесение системы грунтовок и эмалей в несколько слоев. Требует тщательной подготовки поверхности (абразивоструйной очистки) и периодического восстановления в процессе эксплуатации. Применяется для крупногабаритных конструкций, где цинкование затруднено, или в качестве дополнительной защиты поверх цинкового слоя.

Нормативная база, проектирование и маркировка

Проектирование, изготовление и монтаж металлических опор регламентируется комплексом нормативных документов:

• СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия»
• СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции»
• ПУЭ 7-е издание (Главы 2.5 «Воздушные линии электропередачи напряжением выше 1 кВ», 2.4 «Воздушные линии электропередачи напряжением до 1 кВ»)
• ГОСТ Р 58033-2017 «Опоры стальные свободностоящие и с оттяжками для воздушных линий электропередачи. Общие технические условия»
• Стандарты серии ГОСТ 32931-2014 (32931-32937) на опоры ВЛ различных классов напряжения.

Проектирование ведется с учетом климатических условий района (ветровой район, гололедный район, температура) и категории трассы по условиям гололедообразования. Расчет выполняется на сочетания нагрузок в нормальном и аварийном режимах работы ВЛ.

Маркировка опор содержит информацию об их типе, назначении, классе напряжения и несущей способности. Пример: У110-5+6 – Угловая опора для ВЛ 110 кВ, для 5-го ветрового района и 6-го гололедного района.

Технические характеристики и выбор опор

Ключевые параметры при выборе металлической опоры:

• Класс напряжения ВЛ (кВ): Определяет габаритные размеры, длину гирлянд изоляторов, количество и расположение траверс.
• Климатические условия (ветровой и гололедный районы): Влияют на расчетные нагрузки.
• Тип проводов и тросов, их сечение и количество: Определяют вес и тяжение, передаваемое на опору.
• Тип местности и грунта: Влияют на выбор фундамента и расчет его несущей способности.
• Назначение опоры в трассе (промежуточная, анкерная и т.д.).

Примерные характеристики металлических опор для ВЛ 110 кВ

Тип опоры	Конструкция	Высота, м	Масса, т	Применяемость (гололедный район)
П110-1 (Промежуточная)	Портальная на оттяжках	22.5	2.8 — 3.5	I — III
У110-2+3 (Угловая анкерная)	Портальная свободностоящая	25.0	6.5 — 8.0	II — IV
ПМ110-1 (Промежуточная мачтовая)	Одностоечная гнуто-коническая	23.0	2.0 — 2.5	I — II

Монтаж и эксплуатация

Монтаж металлических опор включает несколько этапов:

1. Подготовительные работы: Разбивка трассы, подготовка подъездных путей, доставка элементов на трассу.
2. Устройство фундаментов: Земляные работы, установка опалубки и арматуры, бетонирование, выдержка для набора прочности бетоном.
3. Сборка опоры (может выполняться «навесом» или на земле с последующим подъемом). Соединение элементов на болтах с контролируемым усилием затяжки.
4. Установка (подъем) опоры с помощью кранов или методом падающей стрелы.
5. Выверка геометрического положения, закрепление на фундаменте, натяжение оттяжек (при их наличии).
6. Монтаж траверс, изоляторов и проводов.

Эксплуатация предусматривает периодические технические осмотры и обследования с целью выявления дефектов: коррозии металла, ослабления болтовых соединений, повреждения защитных покрытий, нарушения геометрии, дефектов в заземляющих устройствах. Результаты обследований заносятся в паспорт опоры.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

В чем основное преимущество металлических опор перед железобетонными?

Основные преимущества: более высокая удельная прочность (отношение несущей способности к массе), что позволяет создавать конструкции для больших нагрузок и высот; ремонтопригодность (возможность замены поврежденного элемента); возможность использования на слабых и вечномерзлых грунтах за счет вариативности фундаментов; меньшая материалоемкость при транспортировке.

Как определяется срок службы металлической опоры и от чего он зависит?

Нормативный срок службы металлических опор ВЛ, согласно ГОСТ, составляет не менее 40 лет. Фактический срок зависит от агрессивности окружающей среды (промзоны, морское побережье), качества антикоррозионной защиты (горячее цинкование продлевает срок службы в 1.5-2 раза по сравнению с окраской), соблюдения графиков технического обслуживания и нагрузочных условий эксплуатации.

Какие существуют методы усиления или восстановления старых металлических опор?

Применяются следующие методы: установка дополнительных оттяжек для разгрузки основного ствола; наварка усиливающих накладок на ослабленные коррозией элементы; полная или частичная замена наиболее поврежденных секций; устройство обойм (бандажей) с последующей заливкой цементным раствором для усиления подземной части стойки; усиление фундаментов.

Как правильно выбрать тип фундамента для металлической опоры?

Выбор зависит от типа опоры (свободностоящая, с оттяжками), несущей способности грунта, уровня грунтовых вод и глубины промерзания. Для свободностоящих мачт и порталов чаще применяют железобетонные фундаменты стаканного типа или свайные ростверки. Для оттяжек – массивные анкерные плиты, заглубленные ниже линии скольжения. В слабых грунтах предпочтение отдается свайным фундаментам.

Каковы особенности монтажа опор в условиях действующего энергообъекта (под напряжением или в охранной зоне ВЛ)?

Работы выполняются по строго регламентированным правилам (ПТБЭЭП) с оформлением наряда-допуска. Применяются методы, исключающие приближение механизмов и персонала на недопустимое расстояние к токоведущим частям под напряжением. Часто используется технология установки опор краном с телескопической стрелой, управляемым из кабины. Монтаж оттяжек требует особого контроля за траекторией подъема канатов.

Каковы современные тенденции в проектировании и производстве металлических опор?

Основные тенденции: оптимизация конструктивных форм с использованием 3D-моделирования и расчета методом конечных элементов для снижения металлоемкости; применение высокопрочных сталей (например, S355, S420); внедрение многогранных гнуто-конических стоек вместо решетчатых для снижения трудоемкости монтажа и улучшения эстетики; разработка унифицированных модульных систем; использование методов горячего цинкования в качестве стандарта для защиты.