Zastosowanie pełnościennych stalowych słupów rurowych do budowy elektroenergetycznych linii napowietrznych wysokiego i najwyższych napięć

Transkrypt

1 Zastosowanie pełnościennych stalowych słupów rurowych do budowy elektroenergetycznych linii napowietrznych wysokiego i najwyższych napięć Autor: Piotr Szpindler - KROMISS-BIS Sp. z o.o. ( Energetyka nr 8/2011) Streszczenie: W ciągu ostatnich kilku lat znacząco wzrosło zainteresowanie krajowej i zagranicznej elektroenergetyki wykorzystaniem w liniach napowietrznych słupów stalowych pełnościennych. Dotychczas główną barierą w szerszym zastosowaniu tych słupów był brak odpowiedniej technologii ich produkcji, w szczególności w zakresie precyzji obróbki blachy o dużej powierzchni. Obecny rozwój technologii produkcji tego rodzaju konstrukcji wsporczych zaprezentowany w artykule oferuje nowoczesny produkt, który jest alternatywą dla rozwiązań opartych na konstrukcjach kratowych. Wstęp Realizacja głównych celów europejskiej polityki energetycznej wskazuje na potrzebę bardzo intensywnego rozwoju europejskiego systemu energetycznego. Zwiększenie do 2020r wykorzystania energii elektrycznej pochodzącej z odnawialnych źródeł (w całkowitej produkcji energii), wspieranie wewnętrznego rynku energii w szczególności w zakresie zwiększenia zdolności przesyłowych i tranzytowych, zapewnienie bezpieczeństwa dostaw i niezawodności w coraz bardziej złożonych systemach sieci przesyłowej i dystrybucyjnej wymaga budowy nowych oraz modernizacji istniejących linii napowietrznych. Według danych opublikowanych w dziesięcioletnim planie rozwoju europejskiego systemu energetycznego istnieje potrzeba wybudowania około km nowych linii przesyłowych oraz modernizacji około km [1], w tym w kraju potrzeby te wynoszą ok km. Dane te wskazują na to, że jednym z najważniejszych obszarów funkcjonowania europejskiej i krajowej elektroenergetyki jest obszar inwestycji. Potrzeby alokacji środków finansowych w podsektor elektroenergetyczny dotyczą zarówno inwestycji w wytwarzanie jak i w infrastrukturę liniową. Infrastruktura sieciowa przesyłowa i dystrybucyjna powinna być w szybkim tempie rozbudowana oraz zmodernizowana ze względu na prognozowany wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną w przyszłości [3, 5, 6]. Ponadto aktualny poziom zdolności przesyłowych połączeń transgranicznych nie zapewnia wykorzystania w sposób efektywny tranzytowego położenia Polski w międzynarodowym handlu energią. Wymaga to rozbudowy połączeń transgranicznych z systemami energetycznymi innych krajów Unii Europejskiej, dzięki czemu w perspektywie czasu będzie możliwe zwiększenie pokrycia ewentualnych niedoborów handlowych importem energii elektrycznej i wzmocnienie pozycji Polski, jako kraju mogącego uczestniczyć w międzypaństwowym tranzycie energii elektrycznej [2]. Realizacja inwestycji liniowych jest procesem złożonym i czasochłonnym gdyż jest realizowana między innymi w oparciu o regulacje prawne, do których należą głównie prawo energetyczne, prawo budowlane, prawo o planowaniu i zagospodarowaniu przestrzennym, prawo związane z ochroną środowiska. Wysokie potrzeby w zakresie minimalizacji negatywnego oddziaływania linii na środowisko oraz rosnące oczekiwania społeczne wymagają od operatorów sieci przesyłowych i dystrybucyjnych poszukiwania i wdrażania nowoczesnych technologii, umożliwiających sprostanie takim warunkom. Zatem, celowym

2 staje się uzyskanie konstrukcji linii możliwie najlepszych z punktu widzenia ekonomicznego, ekologicznego i społecznego [4]. Mając na uwadze szczególne wymagania w zakresie niezawodności systemu elektroenergetycznego wprowadzenie do powszechnego użytku nowych technologii musi być poprzedzone procesem badawczym. Stalowe pełnościenne słupy rurowe prezentowane w artykule (fot. 1) stanowią przykład zastosowania nowoczesnej technologii w napowietrznym budownictwie liniowym. Wprowadzenie do stosowania w elektroenergetyce tego typu słupów zostało poprzedzone prowadzonymi już od kilku lat wszechstronnymi badaniami typu, ze szczególnym uwzględnieniem osiąganych parametrów wytrzymałościowych oraz uzyskaniem pozytywnych opinii z realizacji projektów pilotażowych. Na konstrukcję słupa pełnościennego składa się stożkowy trzon (zespół dwóch lub więcej członów), do którego za pomocą przyspawanych gniazd mocowane są poprzeczniki, podtrzymujące układ izolacyjny z podwieszonym przewodem roboczym linii (rys. 1). Słup wyposażony jest w drabinę umożliwiającą komunikację pionową w celu wykonania czynności eksploatacyjnych. Rys. 1. Schemat słupa stalowego pełnościennego elektroenergetycznej linii napowietrznej jednotorowej Fot. 1. Widok słupa stalowego pełnościennego elektroenergetycznej linii napowietrznej jednotorowej 400 kv Trzon powstaje w wyniku kolejnego nakładania i zaciskania stożkowych członów. Zaciskanie członów realizowane jest za pomocą urządzenia składającego się z uchwytów siłowników, siłowników oraz pompy hydraulicznej wyposażonej w pomiar siły zaciskania (rys. 2). W trakcie składania trzonu słupa kontrolowana jest długość zacisku oraz siła zaciskania poszczególnych członów. Wartości tych parametrów są wyznaczane na podstawie, średnicy członu, grubości blachy oraz zbieżności powierzchni bocznej trzonu.

3 Rys. 2. Schemat zaciskania członów słupa stalowego pełnościennego Pełnościenne stalowe słupy rurowe są wytwarzane na linii produkcyjnej umożliwiającej automatyczne cięcie, wyginanie oraz spawanie blach stalowych. Cały proces technologiczny podlega stałej kontroli jakości. Proces technologiczny produkcji pełnościennych słupów stalowych Proces produkcyjny rozpoczyna się od wycinania trapezowych formatek (fot. 2), które następnie są odpowiednio formowane na prasie krawędziowej (fot. 3). Powstałe w ten sposób łupki są scalane (poprzez spawanie w osłonie gazowej lub łukiem krytym) w celu uzyskania stożkowego członu o przekroju wielokąta foremnego (fot. 4 i 5). Człony powstają z dwóch, trzech lub czterech łupek (rys. 1) a ilość łupek jest uzależniona od średnicy członu. Fot. 2. Wycinanie trapezowych formatek Fot. 3. Formowanie łupek na prasie krawędziowej Fot. 4. Scalanie łupek za pomocą spawania Fot. 5. Spawanie wzdłużne członu

4 Kolejnym etapem produkcji jest uzbrajanie członów w pozostałe elementy konstrukcyjne. Płyta podstawy jest spawana do dolnego członu (fot. 7), natomiast do środkowych członów spawane są elementy mocowania drabiny. Do górnych członów są spawane gniazda przeznaczone dla mocowania poprzeczników (fot 6). Poprzeczniki uzyskuje się w sposób analogiczny jak poszczególne człony trzonu słupa. Fot. 6. Spawanie gniazd mocowania poprzeczników Fot.7. Spawanie płyty podstawy Końcowym etapem produkcji jest cynkowanie ogniowe, które stanowi podstawowy system zabezpieczenia antykorozyjnego. Przed rozpoczęciem procesu cynkowania elementy słupów poddawane są obróbce chemicznej, która ma na celu usunięcie z powierzchni zanieczyszczeń i rdzy (fot. 8). Cynkowanie polega na zanurzeniu przygotowanego w odpowiedni sposób elementu stalowego w ciekłym cynku, przez co na całej powierzchni stali wytwarza się powłoka cynkowa. Cynkowanie odbywa się zwykle w temperaturze ( )ºC. W tej temperaturze następuje reakcja żelaza i cynku, wskutek czego powstaje na całej konstrukcji trzonu jednorodna warstwa stopowa, która decyduje o bardzo dobrej przyczepności cynku do podłoża stalowego (fot. 9). Poza cynkowaniem konstrukcja trzonu słupa może być poddana malowaniu. Jednak czynność ta jest wykonywana wyłącznie na życzenie klienta. Fot. 8.Wytrawianie członu Fot. 9. Cynkowanie członu

5 Transport i montaż pełnościennych słupów stalowych Dostawa elementów słupa na budowę odbywa się przy wykorzystaniu standardowych środków transportowych (fot. 10). Proces montażu słupa może być realizowany metodą poziomą lub pionową. W metodzie poziomej poszczególne człony są zaciskane w pozycji poziomej (fot. 11), a następnie w całości stawiane na fundamencie. W metodzie pionowej pierwszy dolny człon jest mocowany na fundamencie, a następne są nakładane na siebie kolejno jeden po drugim (fot. 12 i 13). Fot. 10. Transport słupa na budowę Fot. 11. Scalanie członów Fot. 12. Montaż dolnych członów Fot. 13.Montaż górnych członów Słupy pełnościenne są mocowane do fundamentów wykonywanych bezpośrednio na budowie. Do najczęściej stosowanych technologii wykonywania fundamentów pod słupy pełnościenne zaliczyć należy fundamenty blokowe, monopolowe lub wielopalowe. Fundamenty blokowe są wykonywane w formie monolitycznego bloku żelbetowego o kształcie sześcianu. Fundamenty monopalowe wykonywane są w formie pala o przekroju kołowym. Pale wykonywane są poprzez pogrążanie betonowych kręgów studziennych w gruncie lub przy wykorzystaniu odpowiednich maszyn umożliwiających wykonanie pali wielkośrednicowych (np mm). Fundamenty wielopolowe wykonywane są jako układ

6 wielu pali powiązanych ze sobą poprzez odczep. Metoda wykonania oraz gabaryty fundamentów są uzależnione od indywidualnych uwarunkowań terenowych określanych na podstawie badań geotechnicznych. W górnej część fundamentu zalewane są kotwy stalowe służące do mocowania słupa. Technologie wielopalowe (rys. 3) należą do najczęściej stosowanych przy posadowieniu słupów do budowy linii najwyższych napięć. Wraz z obniżaniem wartości sił reakcji słupa na fundament jako alternatywne można zastosować fundamenty monopalowe (rys.4) lub blokowe. Rys. 3. Przykład fundamentu wielopalowego Rys. 4. Przykład fundamentu monopalowego Badania pełnościennych słupów stalowych W celu potwierdzenia posiadanych parametrów mechanicznych wybrane słupy poddawane są badaniom na stacji prób. Dla przykładu na fotografiach 14 i 15 zaprezentowano rzeczywisty słup pełnościenny poddany badaniom, które wykonano na stacji prób zlokalizowanej w Żylinie (Słowacja). W procesie badania słup pełnościenny został zamocowany do fundamentu stacji za pomocą specjalnie zaprojektowanego i wykonanego elementu przejściowego, łączącego słup z fundamentem w sposób odzwierciedlający rzeczywiste ich zespolenie. Badania polegały na obciążeniu słupa normowymi kombinacjami sił oraz ocenie nośności i deformacji całej konstrukcji. Uzyskane w trakcie badania wyniki uznano za pozytywne, gdyż przy maksymalnym obliczeniowym obciążeniu poszczególnych kombinacji SGN nie nastąpiło przekroczenie stanu granicznego nośności 1 oraz przy maksymalnym obliczeniowym obciążeniu poszczególnych kombinacji SGU również nie nastąpiło przekroczenie stanu granicznego 1 złamanie, pęknięcie, rozerwanie, deformacja, itp. słupa lub jego elementów

7 użytkowalności. 2 Dodatkowym elementem programu badań było wyznaczenie siły niszczącej słup. Efektem tej części badania było wyboczenie części dolnej pierwszego segmentu trzonu słupa wskutek osiągnięcie stanu krytycznego pasma płytowego ścianki płaskiej słupa 3 ( fot. 15). Osiągnięcie stanu granicznego nośności nastąpiło w chwili, gdy siła wypadkowa działająca na słup osiągnęła wartość ok. 140% wartości siły obliczeniowej. Po każdym z przeprowadzanych badań wytrzymałościowych, zgodnie z wymaganiami inwestora, pobierano próbki materiału z powierzchni trzonu słupa i poddawano je badaniu laboratoryjnemu celem potwierdzenia zgodności parametrów materiałów zastosowanych przy produkcji slupów z wymaganiami dokumentacji projektowej. Badania prowadzone były przy udziale przedstawicieli inwestora, zespołu projektowego, generalnego wykonawcy, producenta słupa pełnościennego oraz niezależnej jednostki naukowo-badawczej. Końcowym efektem badań był raport przygotowany przez niezależną jednostkę naukowo-badawczą. Dokument ten zawierał opinie dotyczącą programu badań, wyników pomiarów deformacji segmentów słupa, wyników badań mechanicznych próbek materiałów oraz składu chemicznego zastosowanego materiału. Fot. 14. Badanie słupa 1x400kV Fot. 15. Odkształcenie członu słupa po badaniach niszczących Na wykresie (rys. 5) przedstawiono przykładowe wyniki pomiarów przemieszczeń słupa powstających pod wpływem przykładania sił. Literami H oznaczono kolejne punkty pomiarowe słupa. W tracie badań obciążono słup 28 kombinacjami obciążeń o różnych kierunkach i wartościach sił. Żadna z zastosowanych kombinacji sił obciążających słup nie doprowadziła do całkowitej degradacji badanej konstrukcji. 2 wychylenie w każdym kierunków przekraczające wartość H/50 dla słupów mocnych i H/40 dla słupów przelotowych, gdzie H jest wysokością od ziemi do punktu pomiarowego 3 Człon traktowany jest jako zespół płaskich ścianek ściskanych i rozciąganych (podczas zginania), warunki nośnościowe odnoszą się zawsze do najmocniej ściskanej ścianki

8 Rys. 5. Przemieszczenia punktów pomiarowych słupa Szczegółowy opis zrealizowanego procesu badania konstrukcji słupa stalowego pełnościennego wraz z dyskusją wyników i prezentacja sformułowanych po wykonaniu badań wniosków będzie przedmiotem kolejnego referatu. Podsumowanie Zaprezentowane w artykule nowoczesne rozwiązania konstrukcyjne stalowych słupów pełnościennych stanowią alternatywę dla powszechnie stosowanych dzisiaj stalowych słupów kratowych. Technologia produkcji słupów pełnościennych dostosowana do wymagań stawionych przez projektantów, wykonawców i użytkowników elektroenergetycznej infrastruktury sieciowej stanowi nową jakość w procesie jej rozwoju. Przeprowadzona analiza zainteresowania elektroenergetyki tą technologią wykazała, że konstrukcje słupów pełnościennych są obecnie rozwiązaniem, po które coraz częściej sięgają operatorzy sieci przesyłowych i dystrybucyjnych w kraju i zagranicą. W okresie ostatnich kilku lat w krajowym systemie elektroenergetycznym wykonano ponad tysiąc stanowisk słupów pełnościennych różnych typów. Zatem krajowe doświadczenia projektowe, produkcyjne oraz montażowe choć stale poszerzane już dzisiaj gwarantują operatorom systemów przesyłowego i dystrybucyjnych możliwość swobodnego korzystania z tej technologii. Na szczególną uwagę zasługuje również to, że linie wykonane z wykorzystaniem słupów pełnościennych stanowią rozwiązanie, które maksymalnie ogranicza ingerencję w środowisko naturalne konstrukcje wsporcze o wąskiej, kompaktowej sylwetce. Stąd należy spodziewać się szerszej akceptowalności społecznej tych rozwiązań, co ma kolosalne znaczenie w procesie pozyskania zgody społecznej na realizację inwestycji liniowych w elektroenergetyce.

9 Fot. 8. Widok jednotorowej elektroenergetycznej linii napowietrznej o napięciu znamionowym 400 kv wykonanej na stalowych słupach pełnościennych, przebiegającej przez tereny zurbanizowane Literatura [1] ENTSO-E AISBL: Ten-years network development plan [2] Dołęga W.: Zapewnienie bezpieczeństwa elektroenergetycznego. Energetyka Cieplna i Zawodowa nr 11/2009 [3] Kasprzyk S.: Aktualne problemy funkcjonowania krajowego systemu elektroenergetycznego z punktu widzenia operatora systemu przesyłowego. Konferencja Aktualne Problemy w Elektroenergetyce, Jurata [4] Sauvegrain F.: Conceptualizing a "Sustainable Development" oriented 400 kv overhead line. Cigre [5] Skomudek W.: Wpływ rozwoju sieci przesyłowej na bezpieczeństwo i niezawodność pracy Krajowego Systemu Elektroenergetycznego. Energetyka Nr 9/2009. [6] Skomudek W.: Potrzeby inwestycyjne infrastruktury sieciowej. Konferencja pt.: Potrzeby Rozwojowe Energetycznej Infrastruktury Sieciowej. Uwarunkowania Prawne i Środowiskowe. Poznań [7] Skomudek W.: Rozwój elektroenergetycznych kompaktowych linii napowietrznych wysokich i najwyższych napięć. Konferencja Aktualne Problemy Elektroenergetyki, Jurata 2011.