ГЛАВА 4

ОПОРНО-ПОДЦЕРЖИВАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА КОНТАКТНЫХ СЕТЕЙ И ЛЭП

 

4.1. Общие положения

                             

Опорно-поддерживающие устройства предназначены для зак­репления на них токопроводящих и контактных элементов с по­мощью изолирующих деталей. К ним относятся опоры с фунда­ментами, консоли, кронштейны, жесткие и гибкие поперечины и т.п., характеристики которых рассчитываются методами строи­тельной механики.

К вертикальным нагрузкам в расчетах относят и равномерно распределенные по длине устройств их собственный вес G₀, вес гололеда G_г , а также сосредоточенные нагрузки: вес цепной под­вески, поддерживающих изоляторов и фиксаторов (последние учи­тывают целиком или частично) Q_п и вес гололеда на проводах Q_г .

К горизонтальным нагрузкам относят: силу давления ветра на провода подвески Р_в; усилия, возникающие от изменения направ­ления проводов на кривой Р_г, а также при отводах на анкеровки, зигзагах, стрелках, пересечениях и т. п.

Найдем величину горизонтальной составляющей натяжения провода на кривой В в точке А (рис. 4.1). На опору, расположен­ную на кривой, действует составля­ющая натяжения контактного про­вода Р_кR. Ее можно определить из рассмотрения подобных треуголь­ников АСО (силовой) и А ВО:

 

АD/DС=АВ/OВ.

 

Заменим АD = Р_кR, кН; АС = К (натяжение контактного провода), кН; АВ=l (длина пролета), м; ОВR (радиус кривой), м, тогда

 

                                          Р_кR=Кl/R.                                                      (4.1)

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4.1. Расчетная схема для определения составляющей на­тяжения провода на кривой

 

Заменив в этом выражении натяжение контактного провода К  на натяжение несущего троса Т, получим выражение для  определения горизонтального усилия от изменения направления несуще­го троса на кривой радиусом R:

                                                   Р_ТR=Тl/R.                                              (4.2)

По схеме на рис. 4.2 можно определить горизонтальное усилие P_KZ от натяжения контактного провода при его отводе:

                                                   P_KZ=K K_z/l                                     (4.3)

где z  — отклонение провода на длине пролета, м;

— угол отклонения провода.

Горизонтальное усилие от натяжения несущего троса

                                                     P_TZ=Tz/l,                                                   (4.4)

Аналогично вместо z можно подставить значение зигзага, а за­тем просуммировать все усилия.

Действие на опоры показанных выше усилий создает разные эпю­ры изгибающих моментов, исчисляемых, например, для консольных опор относительно условного обреза фундамента, представляющего собой линию, проходящую на 0,5 м ниже уровня головки рельса (УГР).

На рис. 4.3, а приведена эпюра опоры с консолью для простой подвески, где Q — вертикальная сила; Р — горизонтальная сила (давление ветра на подвеску и неуравновешенные составляющие натяжения проводов); Q₀ — равномерно распределенная верти­кальная нагрузка (заштрихованная часть на кронштейне); Р₀ — давление ветра на опору.

Эпюра на рис. 4.3, б относится к опорам с цепной подвеской на пря­мой и внешней стороне кривой. Здесь P_т — давление ветра на несущий трос при подвеске на кривой; Р_к — горизонтальная сила от контактного провода. Эпюра отличается изломом на уровне силы P_k.

 

 

Рис. 4.2. Расчетная схема для определения поперечной составляющей натяжения провода при его отводе от оси пути

 

         

 

Рис. 4.3. Схемы нагрузки и эпюры изгибающих моментов   консольных опор

 

Эпюра на рис. 4.3, в относится к опорам, установленным с внут­ренней стороны кривой ,и на прямой при действии ветра по направ­лению от пути к опоре. Здесь направление сил P_т и Р_к обратное по сравнению с предыдущими. Силы Р_Т и Р_к представляют сумму уси­лий от кривой и ветра. Направление ветровых усилий выбирают та­ким, чтобы получить наибольшие значения изгибающих моментов.

 

 

 

 

4.2. Консоли, кронштейны и траверсы контактных сетей и ЛЭП

 

Консоли. Для поддержания проводов (с изоляторами) на заданном уровне от головки рельсов к опорам, стойкам жестких поперечин, сво­дам тоннелей крепятся различные консоли, кронштейны, траверсы. Ис­ходя из функционального назначения и обеспечения прочности, в об­щем плане консоли классифицируют (рис. 4.4) по числу перекрываемых путей; конструктивной схеме; по конфигурации несущего элемента и обес­печению его несущей способности; наличию дополнительных узлов — стоек; изоляции; способу закрепления на опоре; материалу, из которого они изготовлены; форме сечений, а также по габаритам и мощности.

В зависимости от числа перекрываемых путей консоли делят на однопутные, двухпутные и многопутные. Чаще всего применя­ют однопутные консоли, так как при двухпутных и многопутных появляется механическая связь между контактными подвесками различных путей, что нежелательно.

Однопутные неизолированные консоли бывают наклонные, изог­нутые (рис. 4.5, а) и горизонтальные. Они состоят из кронштейна (на­клонную часть которого называют стрелой, а горизонтальную — хо­ботом) и тяги. Кронштейны наклонных консолей изготавливают из двух швеллеров номер 5 или 6,5, скрепленных вместе соединительными планками или из оцинкованных труб диаметром 60 мм. В зависимости от направления горизонтальных усилий в тягах наклонных консолей мо­гут возникать растягивающие или сжимающие усилия. В первом слу­чае тяги выполняют из круглой стали диаметром 16 мм, а во втором — из труб. Изогнутые консоли состоят из фигурного кронштейна, также выполненного из двух швеллеров, и растянутой тяги из круглой стали. Длина горизонтальной части изогнутой консоли обеспечивает возмож­ность сдвига точки крепления гирлянд подвесных изоляторов на пря­мых участках переменного тока на 800 мм от оси пути.

Двухпутные (рис. 4.5, б, в) и многопутные консоли кроме неже­лательной связи между путями, снижающей надежность пропуска поездов, требуют более мощных опор и фундаментов, поэтому их используют в случае особой необходимости.

Изолированные консоли применяют в виде прямых и наклон­ных (рис. 4.5, г). В отличие от неизолированных изолированные консоли прикрепляют к опорным конструкциям через стержневые изоляторы, рассчитанные на полную механическую нагрузку кон­солей. Так же, как и неизолированные, они могут иметь растяну­тые и сжатые тяги, а также предохраняющие изоляторы распорки. Кронштейны и тяги изолированных консолей выполняют из тех же труб и швеллеров, из которых изготавливают неизолированные наклонные консоли, кроме консолей с распорками для контактной сети систем КС-160-3 и КС-200 (рис. 4.6), выполняемых полностью трубчатыми.

 

Рис. 4.4 Классификация  консолей (кронштейнов)

Кронштейны, устанавливаемые на опорах контактной сети, име­ют разнообразные конструкции и предназначены для подвески пи­тающих и усиливающих проводов, волноводов, линий автоблоки­ровки 6—10 кВ, ДПР и низковольтных сетей. Схемы кронштейнов показаны на рис. 4.7, а—е)

Фидерные кронштейны (рис. 4.7, ж, з, и) рассчитаны на питаю­щие и усиливающие провода. Они могут быть обычными и удли­ненными и состоят: из горизонтальной балки, изготовленной из двух швеллеров; подкоса из двух уголков и вертикального свеса из швеллера, на конце которого подвешена серьга для крепления гир­лянды изоляторов. Удлиненные фидерные кронштейны устанавливают на анкерных

Рис. 4.5. Схемы консолей: однопутной изогнутой неизолированной (а); двухпутной изогнутой неизолированной с прямой и обратными фиксаторнымн стой­ками (б): двухпутной горизонтальной с двумя фиксаторными стойками (в); од­нопутной изолированной прямой с подкосом и распоркой (г); однопутной изо­лированной наклонной с тягой (д);  1— консоль; 2 — опора; 3 — тяга; 4 — стой­ка; 5 — распорка; 6 — изолятор; 7— подкос

 

опорах с секционными разъединителями и в дру­гих случаях, когда надо отдалить провода от стойки опоры.

Кронштейны КФД (рис. 4.7, к) рассчитаны на подвеску двух про­водов ДПР и обычно устанавливаются с наклоном. Горизонталь­ное расположение кронштейна, показанное на рис. 4.7, б тонкими линиями, применяют лишь при достаточной высоте опор, при этом тяга кронштейна всегда растянута и выполняется из круглой ста­ли. При наклонном положении тяга может быть как сжатой, так и растянутой; кронштейн в этом случае обозначают маркой КФДС. В местах с повышенными ветровыми воздействиями устанавлива­ют накладку, препятствующую развороту кронштейна вдоль пути.

Для проводов линий электропередачи 6—10 к В, располагаемых на опорах контактной сети, применяют деревянные (рис. 4.7, л) или металлические (рис. 4.7, м) кронштейны, которые, так же, как и фи­дерные, делятся на обычные и удлиненные. Кроме того, на опорах контактной сети могут быть установлены надставки и волноводы.   

             

         а                                                               б 

                   

Рис.4.6. Изолированные консоли: КС-160-3 (а); КС-200 (б); 1 — изолятор; 2-консоль; 3 — тяга: 4 — распорка; 5 — подкос

 

Провода низковольтных сетей подвешивают на деревянных кронштейнах с подкосами, рассчитанных на установку 2—5 шты­ревых изоляторов (рис. 4.7, н).

Для контактной сети КС-200 применяют только трубчатые кронштейны (см. рис. 4.7, з, и, м).

Сигнальные и высоковольтные провода линий СЦБ напряжением 6-10 кВ крепят на прямоугольных деревянных траверсах сечением 100x80 мм, пропитанных антисептиком.

Расчет элементов консолей и кронштейнов производят, исполь­зуя методы теоретической и прикладной механики. К таким элемен­там относятся балки и стержни, работающие на растяжение, сжатие, изгиб и устойчивость; валики в отверстиях, проверяемые на срез, смя­тие и т.п. Кроме того, в расчетах используют данные для стандартных профилей (сечений) и материалов элементов (круг, труба, уголок, дву­тавр, швеллер).

Для расчета конструкции конкретной опоры контактной сети состав­ляют геометрическую схему с размерами, определяют действующие силы и моменты, рассчитывают напряжения в сечениях элементов при­нятого варианта конструкции и сравнивают их с допускаемыми. Под­робно методики и примеры расчетов изложены в пособиях по проекти­рованию контактных сетей. Разработаны также программы для ЭВМ.

Практически выбор типов консолей (без их прочностного расче­та), рекомендованных техническими условиями, производят по таб­лицам справочной литературы, в которых учитываются геометричес­кие схемы и действующие нагрузки. При использовании таблиц надо знать: тип опоры (промежуточная или переходная), место ее установ­ки (на прямой, с внутренней или внешней стороны кривых радиуса­ми 600—1000 м), рабочая или анкеруемая ветвь подвески, габарит опор (3,1—5,5 м). Определенные типы консолей следует выбирать и для опор средней анкеровки компенсированной подвески.

 

4.3. Опоры контактных сетей и ЛЭП

 

Опоры контактных сетей и ЛЭП предназначены для поддержания на заданной высоте консолей, поперечин, проводов и т.п. Они класси­фицируются по материалу, конструкции поддерживающих устройств, назначению и условиям нагрузки (рис. 4.8). Опоры изготавливают из железобетона, стали, дюралюминия, круглой и клееной древесины.

В зависимости от конструкции размещенных на них поддерживаю­щих устройств опоры контактной сети подразделяют на консольные анкерные, фиксирующие, опоры гибких и жестких поперечин. По на­значению опоры могут быть промежуточными, угловыми, анкерными и переходными. В зависимости от направленности нагрузок применя­ются опоры без подкосов и оттяжек (самонесущие) и с оттяжками.

                                             

 

Рис 4 7. Кронштейны, устанавливаемые на опорах контактной сети: фидерные (а д;ж); ДПР (б); ВЛ-10 кВ (в,е); ВЛ до 1 кВ (г). Кронштейны (д;е,ж) предназначены для КС- 200; (в) для комплекта ВЛ-10 кВ с фидерной надставкой и волноводом

 

По конструкции опоры ВЛ могут быть одностоечными, А-, П, АП-образными, а также трехногими. Если надземная и подземная части опоры представляют собой единое целое, то их называют не­раздельными, а если эти части изготавливают и устанавливают от­дельно — раздельными (разъемными). Опоры могут быть рассчи­таны на направленные нагрузки или равнопрочные (всесторонние).

 

 

Рис.4.8. Классификация опор контактных сетей и фидерных ВЛ

 

Железобетонные опоры начали широко применять в СССР после 1956 г. Как известно, бетон допускает небольшие растягивающие усилия и большие усилия на сжатие, поэтому практически нельзя выполнить опоры, работающие на изгиб из одного бетона. Приходится усиливать его арматурой и применять ненапряженные и предварительно напряжен­ные железобетонные конструкции, арматура которых на специальных станках предварительно (до закладки бетона) растягивается. После за­ливки, уплотнения и схватывания бетона в форме растягивающее усилие с арматуры снимают, и она, стремясь сократить свою длину, сжимает бетон. Армированные опоры контактной сети (рис. 4.9. а, б) с предвари­тельным натяжением высокопрочной проволоки называют струнобетонными типа С (рис. 4.9, в), со стержневой арматурой — СО и со смешан­ным армированием, т. е. со струнами и стержнями — СС (рис. 4.9, г). Последние созданы под руководством профессора В.И. Подольского.

По способу уплотнения бетона при изготовлении опоры могут быть вибрированными и центрифугированными. Наибольшее при­менение получил второй способ, по которому изготавливают прак­тически все конические опоры контактной сети. Для улучшения качества бетона используется пропарка.

Большую часть железобетонных опор контактной сети изготав­ливают нераздельными, устанавливают их главным образом на пе­регонах, а также на станциях, где прочность и электропроводность грунтов позволяет это сделать. При этом сравнительный анализ нераздельных и раздельных опор показал, что во втором случае значительно увеличивается расход бетона и стали, производство работ в две стадии затрудняет и удорожает строительство, услож­няются работы по обеспечению монолитности стыка и т.д.

Металлические опоры могут быть сквозными и сплошными (рис. 4.10, а). Первые представляют собой одну или несколько ферм, создающих сложную пространственную конструкцию, и имеют малую массу; вторые являются сплошным телом, более тяжелые, но проще в изготовлении.

Сквозные опоры классифицируют по форме поперечного сечения, типу соединительной решетки и форме на пирамидальные (сужающие­ся кверху) и призматические (одинаковый размер сечения по всей вы­соте). Пирамидальные опоры более сложны в изготовлении, чем при­зматические. К сплошным относят опоры, изготовленные из широкополочного двутавра и труб. Они могут быть выполнены из труб одина­кового или разного (телескопические) диаметра.

Металлические опоры небольшой высоты и малой массы вы­полняют, как правило, цельными (неразъемными). Высокие опо­ры, как, например, для гибких поперечин (рис. 4.10, б), обычно выполняют раздельными (разъемными). В этом случае в бетонный фундамент закладывают анкерные болты и на них устанавливают опору.

Нераздельные опоры проще по конструкции и обычно име­ют меньшую массу; раздельные опоры проще в установке.

Оцинкование металлических опор обеспечивает антикоррозий­ную защиту поверхности, более долговечную, чем покраска. Для контактной подвески системы КС-200 применяют стальные опоры из гнутого швеллера с планками (рис. 4.10, в), обработанного го­рячим цинкованием с последующей окраской. Такой способ защиты широко применяется за рубежом.

 

                              

 

Рис. 4.9. Железобетонные опоры контактных сетей: центрифугированные стойки типов С, СС, СО длиной 15,6 м (я): то же 13,6 и 10,8 м (б); армированные стойки типа С (в); то же СС и СО (г); 1 — заглушка верхняя; 2 — отверстия для уста­новки деталей крепления контактной сета; 3 — то же для вентиляции; 4 — заглушка нижняя; 5 — спираль; 6—струны из высокопрочной проволоки; 7— стержневая арматура; 8 — монтажное кольцо

 

Дюралюминиевые опоры обладают высокой антикоррозийной стойкостью. Кроме того, низкий вес опор облегчает их установку при электрификации участка, а также восстановление при возмож­ных повреждениях. К недостаткам этих опор можно отнести опре­деленный дефицит алюминия и его сравнительно высокую стоимость.

Деревянные опоры (рис. 4.11) применяют в сетях ВЛ 1-10 кВ в двух исполнениях: с деревянными и железобетонными пасынками (приставками). Деревянные элементы опор выполняют из лесома­териалов и пропитывают антисептиком. Пасынки изготавливают из вибрированного железобетона. Для деревянных опор применя­ют лесоматериалы не ниже третьего сорта.

Опоры из клееной древесины распространены в электросетевом строительстве США, Канады, ФРГ и других стран. Деревянные кле­еные конструкции, изготовленные из отходов натуральной древеси­ны, обработанные современными химическими защитными препа­ратами, скрепленные эффективными клеевыми составами, одновре­менно защищающие ее от биоразрушений и возгораний могут слу­жить в открытых сооружениях до 90 лет. Деревянные опоры из кле­еной древесины имеют меньшую стоимость, чем железобетонные стойки, и, кроме того, более чем в 4 раза меньшую массу. По дан­ным В.Н. Яковлева, к достоинствам клееной древесины относятся: большая сопротивляемость химически агрессивным средам; пониженная электропроводность; повышенная стойкость к воздействию высокого напряжения; отсутствие проблем утилизации; простота транспортировки; возможность создания деревянной конструкции различной длины и сечения; сравнительно небольшая масса.

Расчет элементов опор производят, основываясь на законах тео­ретической и прикладной механики, используя методы расчетов для балок (стоек или ферм), заделанных одним концом, имеющих круг­лые, кольцевые и двутавровые сечения. Наиболее сложен расчет же­лезобетонных опор, опор с оттяжками и подкосами, поясов и раско­сов решетчатых опор. При расчете конкретной опоры составляют гео­метрическую схему с размерами, определяют действующие нагрузки, принимают вариант конструктивного исполнения опоры (на основа­нии технических условий). Подробные методики с примерами расче­тов изложены в пособиях по проектированию контактных сетей.

Выбор опор (без прочностных расчетов) производят по таблицам их применения с учетом характеристик грунта, очертаний пути и т.п.

 

Рис. 4.10. Металлические опоры контактных сетей: конструктивные формы (а); решетчатая опора для гибких поперечин (6); опора КС-200 из гнутых швеллеров с планками, на клиновидном фундаменте (в);     1 — решетчатая; 2 — швеллерная с планками; 3 — швеллерная с раскосами; 4 — двутавровая с отверстиями; 5 — двутавровая; 6—трубчатая; 7—телескопическая сварная; 8—телескопическая литая; 9 – треугольная. 1—4- сквозные, 5— 9- сплошные

 

 

Рис. 4.11. Схемы деревянных опор для линий ВСЛ СЦБ: одностоечная—проме­жуточная для установки в болотистых грунтах (а); А-образная—силовая с транс­форматором типа ОМ (6); АП-образная—концевая кабельная (в); П-образная— мачтовая подстанция (г); трехногая—угловая для перехода через железнодорож­ные пути (д)