Wybrane zagadnienia techniczne projektowania linii 110 kV w kontekście aktualnych uwarunkowań normowych wg PN-EN 50341:2013 na przykładzie projektu Pylon, zrealizowanego przez pracownię projektową spółki Energa Invest

1. Wstęp

Nieustający wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną, a także zwiększanie niezawodności pracy sieci i utrzymanie coraz wyższego poziomu bezpieczeństwa dostaw energii generują potrzebę rozbudowy i modernizacji sieci dystrybucyjnej. Skala wymaganych zmian jest bardzo duża również ze względu na wiek znacznej części sieci 110 kV. Inwestycje tego typu obejmują budowy nowych linii, jak również zwiększanie obciążalności czy modernizacje już istniejących linii elektroenergetycznych 110 kV.

W związku z zapotrzebowaniem rynku, jak również przy okazji zmian uwarunkowań normowych, czyli wprowadzenia w 2016 roku załącznika krajowego do normy PN-EN 50341-1:2013-03 Elektroenergetyczne linie napowietrzne prądu przemiennego powyżej 1 kV, rozpoczął się proces projektowania konstrukcji wsporczych, które dzięki nowym rozwiązaniom mogą się przyczynić do standaryzacji w projektowaniu linii wysokiego napięcia w Polsce.

2. Oddziaływania klimatyczne w kontekście normy PN-EN 50341

Od 2010 roku aktualną wytyczną do projektowania linii elektroenergetycznych w Polsce jest system norm europejskich PN-EN 50341, który opiera się na normie podstawowej - wspólnej dla krajów europejskich oraz załączniku krajowym, który uwzględnia m.in. lokalne warunki klimatyczne. Ze względu na interdyscyplinarną specyfikę definiowanych zagadnień norma PN-EN 50341 często odwołuje się do Eurokodów, mimo iż została wyłączona z ich składu. W 2013 roku opublikowano polskie tłumaczenie zaktualizowanej części wspólnej normy jako: PN-EN 50341-1:2013-03 Elektroenergetyczne linie napowietrzne prądu przemiennego powyżej 1 kV - Część 1: Wymagania ogólne - Specyfikacje wspólne. Załącznik krajowy ukazał się w roku 2016 jako: PN-EN 50431-2-22:2016.

Aktualizacja załącznika krajowego względem wersji poprzedniej z 2010 roku wprowadziła następujące zmiany:

rozszerzono zasięg strefy S2 kosztem strefy S1
zwiększono obciążenie oblodzeniem w strefie S1
zmieniono sposób wyznaczania oddziaływań wiatru
zmodyfikowano przypadki układów obciążeń dla przewodów oraz słupów
zmieniono stosowanie współczynników częściowych
zmieniono sposób wymiarowania elementów ściskanych
zniesiono wymóg badania słupów seryjnych.

Mapa Polski z rozgraniczeniem na strefy obciążenia wiatrem i oblodzeniem wg wytycznych z załącznika krajowego PN-EN 50341-2-22:2016-04.

Rys. 1. Obszar zastosowania słupów Pylon dla stref obciążenia wiatrem i oblodzeniem wg PN-EN 50431-2-22:2016

Norma PN-EN 50341-1:2013-03 określa rodzaj obciążeń oraz sposób, w jaki należy je uwzględniać. Podstawowe obciążenia to:

- Oddziaływanie wiatru na dowolny podzespół linii określone wzorem: Q_wx=q_p (h) G_xC_xA_x gdzie: q_p(h) - szczytowe ciśnienie prędkości wiatru; h - wysokość odniesienia nad terenem (stosowana dla konkretnego podzespołu linii); G_x - współczynnik konstrukcyjny (dla konkretnego podzespołu linii); C_x - współczynnik oporu aerodynamicznego; A_x - pole rzutu danego podzespołu na płaszczyznę prostopadłą do kierunku wiatru.

- Obciążenie oblodzeniem uwzględnione na przewodach, elementach mocowanych na przewodach oraz na izolatorach. Stopień obciążenia przewodów oblodzeniem norma uzależnia od średnicy przewodu oraz regionu kraju (strefa obciążenia oblodzeniem).

Tab. 1. Charakterystyczne obciążenie oblodzeniem wg PN-EN 50431-2-22:2016

Norma określa przypadki układów obciążeń przewodów wiatrem i oblodzeniem oraz ich kombinacje, wskazując jednocześnie dla każdego przypadku dopuszczalny naciąg określony jako procent wartość obliczeniowej siły zrywającej (RTS) przewodu (Tab. 2).

Tab. 2. Przypadki obciążeń przewodów wg PN-EN 50431-2-22:2016

3. Wytyczne projektowania linii wg PN-EN 50431-2-22:2016

Dla określonych układów obciążeń norma określa także wymagania, jakie powinny być spełnione dla poszczególnych warunków. Powyższe dotyczy m.in. minimalnych:
- zewnętrznych odstępów izolacyjnych - do terenu i obiektów krzyżowanych
- wewnętrznych odległości izolacyjnych - pomiędzy poszczególnymi przewodami, jak również pomiędzy przewodami a konstrukcjami wsporczymi linii.

Tab. 3. Odstępy izolacyjne wg PN-EN 50431-2-22:2016

Rys. 2. Wpływ obciążenia wiatrem na warunki pracy linii na przykładzie słupa przelotowego

Podstawowym zadaniem projektanta sieci wysokich napięć jest zapewnienie spełnienia wymagań normy w zakresie zewnętrznych i wewnętrznych odstępów izolacyjnych. W tym celu projektant może skorzystać z poniższych sposobów:
- dobór rzędnej posadowienia słupa (lokalizowanie z wykorzystaniem ukształtowania terenu)
- dostosowanie długości poszczególnych przęseł
- dostosowanie wysokości słupów
- wybór rodzaju zastosowanych słupów (z uwzględnieniem ich dopuszczalnych warunków pracy).

Rys. 3. Projektowanie linii 110 kV w układzie rzeczywistym

4. Optymalizacja rozwiązań słupów kratowych a gabaryty słupów

Niejednokrotnie sprostanie wymaganiom ukształtowania i zagospodarowania terenu, związane z wypełnieniem wymagań normowych, przysparza wielu problemów podczas projektowania linii napowietrznych. Często problemy te wynikają z ograniczonych właściwości użytkowych dostępnych konstrukcji wsporczych. Każdorazowe indywidualne modyfikacje w zakresie wysokości czy gabarytów słupów są czasochłonne i kosztowne. Wydaje się, że idealnym rozwiązaniem mogłoby być stworzenie konstrukcji maksymalnie uniwersalnych, zapewniających znaczne rezerwy względem wartości wymaganych w normie. Jednak takie podejście podniosłoby koszty realizacji inwestycji typowych, gdzie uwarunkowania terenowe nie są aż tak wymagające. Niewątpliwie rozwiązaniem pożądanym byłyby słupy udoskonalone, tzn. słupy o szerokich możliwościach zastosowania, jednak zaprojektowane tak, aby ich powszechne stosowanie było uzasadnione ekonomicznie. Idealnym momentem na wprowadzenie udoskonaleń w konstrukcjach wsporczych jest zmiana wymagań normowych, kiedy to - tworząc nowe projekty słupów - można uwzględnić aktualne potrzeby.

W ramach realizacji projektu Pylon udoskonalenia słupów stanowiły:
- dopuszczenie przęsła wiatrowego o długości do 380 m jako rozwiązanie na trudne warunki terenowe (problemy gruntowe lub własnościowe), jak również ekonomicznie uzasadnione (redukcja sumarycznej ilości użytej stali względem innych dostępnych słupów przy założeniu sekcji odciągowej o typowej długości 2,5 km)
- zakresy kątów pracy słupów (180˚-165˚-145˚-125˚-90˚) - zapewniające maksymalne wykorzystanie gabarytów (ustalone na podstawie kątów załomów istniejących linii)
- uwzględnienie charakterystyki mechanicznej trzech najczęściej stosowanych typów przewodów fazowych (AFL-6 240 mm2, AFLs-10 310 mm2, AFLse-10 310 mm2) - brak konieczności przeliczania słupów w projektach uwzględniających jeden z ww. przewodów
- uwzględnienie charakterystyki mechanicznej dwóch najczęściej stosowanych typów przewodów odgromowych (AFL-1,7 70 mm2, AFL-1,7 95 mm2) - co pozwala na stosowanie dużej grupy przewodów skojarzonych ze światłowodem (OPGW), ograniczenie ilości przypadków kiedy gabaryt słupów stanowiłby o konieczności skrócenia przęsła lub modyfikacji sylwetki słupów.

Na rys. 4 przedstawiono korelację różnych typów przewodów zawieszonych wg normy PN EN 50341-2-22:2016-04 z naciągiem zmniejszonym. Odmienne charakterystyki mechaniczne przewodów wpływają na ich wzajemną korelację, a docelowo na gabaryt końcowy słupów.

Rys. 4. Profil porównawczy krzywych zwisania różnych typów przewodów (warunki zawieszenia przewodów wg PN-EN 50341-2-22:2016-04, naciąg zmniejszony)

W efekcie zaprojektowano gabaryty konstrukcji wsporczych dla linii WN cechujące się dopuszczalną długością przęsła, wyważoną do możliwości technicznych oraz ekonomicznego ich stosowania. Dodatkowo ograniczono liczbę przypadków, kiedy rzeczywiste kąty pracy słupa istotnie odbiegają od dopuszczalnych dla danego typu słupa, dzięki zawężeniu ich zakresów. Ponadto słupy umożliwiają wykorzystanie najczęściej stosowanych typów przewodów fazowych i odgromowych przy zapewnieniu ich wzajemnej współpracy.

5. Wymiarowanie i optymalizacja

Do obliczeń statycznych zastosowano przestrzenny model konstrukcji kratowej. Konieczność wymiarowania słupów energetycznych z zastosowaniem normy PN-EN 50341-1:2013 oraz Załącznika G i H normy PN-EN 1993-3-1:2008, zamiast ogólnych zasad zdefiniowanych w normie PN-EN 1993-1-1, wymusiła potrzebę stworzenia procedury obliczeniowej ściśle przeznaczonej do projektowania kratowych konstrukcji wsporczych. Na podstawie wartości sił wewnętrznych uzyskanych z modelu obliczeniowego przeprowadzono wymiarowanie prętów ściskanych i rozciąganych za pomocą autorskiej procedury łączącej wymagania najnowszych norm oraz zwiększającej wydajność i poprawność prowadzonych obliczeń.

Punktem wyjścia przy projektowaniu konstrukcji wsporczych dla linii elektroenergetycznych jest analiza doboru optymalnej zbieżności trzonu słupa z uwzględnieniem najkorzystniejszych reakcji na fundament. W kolejnych krokach dobierane jest takie zakratowanie, aby przy spełnieniu normowych wartości granicznych smukłości maksymalnie wykorzystać przekrój danego profilu. Smukłości graniczne elementów (wg PN-EN 50341-2-22:2016-04) powinny wynosić nie więcej niż:

- 120 dla krawężników trzonu i kolumny oraz pasów ściskanych poprzeczników i wieżyczek
- 200 dla prętów skratowania głównego
- 250 dla prętów skratowania drugorzędnego.

Warto podkreślić, że mimo wymiarowania elementów ściskanych opartego na normie PN-EN 1993-3-1:2008 dopuszczono w załączniku krajowym PN-EN 50341-2-22:2016-04 większe smukłości prętów skratowania głównego (200 zamiast 180 dla wież i masztów). Dobór większości profili skratowań determinowany jest przez ograniczenie smukłości prętów. W przypadku prętów krzyżulców nie ma uzasadnienia stosowanie stali o podwyższonych właściwościach. Dobór układów skratowań wynika zwykle z ekonomicznie uzasadnionej konieczności zapewnienia nośności i stateczności prętów przy optymalnym wykorzystaniu przekroju profilu. Po spełnieniu powyższych zaleceń następuje wymiarowanie prętów w stanie granicznym nośności oraz wymiarowanie połączeń śrubowych.

Zasadniczą zmianą w projektowaniu konstrukcji wsporczych linii elektroenergetycznych jest wprowadzona w normie PN-EN 50341-2-22:2016-04 konieczność oceny nośności prętów ściskanych z uwzględnieniem Załącznika G i H normy PN-EN 1993-3-1:2008. Wprowadzony współczynnik smukłości efektywnej, uwzględniający sposób zamocowania prętów w węzłach, wpływa na wzrost teoretycznej nośności prętów, czego konsekwencją są korzyści ekonomiczne szczególnie istotne w przypadku konstrukcji powtarzalnych występujących w obiektach liniowych.

Wszystkie słupy zostały zaprojektowane wg tej samej procedury. W bazie firmy Energa Invest znajduje się komplet danych, dzięki którym projektanci są w stanie bardzo szybko adaptować, rozwijać oraz aktualizować i dostosowywać katalogowe rozwiązania do bieżących warunków normowych i prawnych, a także specyficznych warunków techniczno-terenowych z zachowaniem pełnej funkcjonalności i spójności rozwiązań. Jest to bardzo korzystna sytuacja w przypadku późniejszej eksploatacji, gdyż podczas ewentualnych awarii, napraw i modernizacji nie ma problemu z dokumentacją archiwalną.

6. Badania wytrzymałościowe słupów w skali rzeczywistej

Poprawność przyjętego podejścia obliczeniowego, wcześniej niestosowanego, została potwierdzona badaniami wytrzymałościowymi słupów w skali rzeczywistej. Do 2016 roku normy dotyczące projektowania linii elektroenergetycznych nakładały obowiązek badania jednego słupa przelotowego i jednego mocnego z nowo projektowanej serii. Aktualnie załącznik krajowy PN-EN 50341-2-22:2016 zaleca jedynie wykonanie montażu kontrolnego, natomiast potrzebę przeprowadzania badań wytrzymałościowych pozostawia do określenia przez zamawiającego w specyfikacji projektowej. W trosce o jakość projektu oraz na wniosek Energi Operatora zostały przeprowadzone badania doświadczalne czterech wytypowanych słupów. Badania odbyły się na stacji badawczej Celpi w Bukareszcie i zostały wykonane na podstawie normy PN EN 60652:2006 Badania obciążeniowe konstrukcji wsporczych elektroenergetycznych linii napowietrznych.

Do badań wytrzymałościowych słupów PLN wytypowano pięć najistotniejszych dla wymiarowania konstrukcji przypadków obciążeń. W trakcie badania każdego słupa przeprowadzono pięć nieniszczących prób (do 100% obciążeń obliczeniowych) oraz jedną niszczącą próbę nośności, która była kontynuacją ostatniego przypadku. Do słupa zamontowane zostały na trzech kierunkach liny wraz z tensometrami, przez które przyłożono wypadkowe obciążeń dla każdej kombinacji. Kierunek poziomy sił został uzyskany dzięki zastosowaniu wysokich bramownic. Siły przykładano stopniowo do 50%, 75%, 90%, 95%, 100% wartości określonych obciążeń. Podczas obciążenia nr 5 stopniowo przykładano powyżej 100% wartości sił, co 5% aż do zniszczenia konstrukcji.

Rys. 5. Schemat przyłożenia obciążeń zastępczych na potrzeby badań wytrzymałościowych

Fot. 1. Słup przygotowany do badań wytrzymałościowych wraz z układem lin i przewodów sygnałowych

Wyniki badań uznaje się za pozytywne, jeżeli podczas wszystkich testów konstrukcja wytrzyma obciążenia na każdym poziomie co najmniej przez 1 minutę, bez zniszczenia jej elementów. Natomiast dla 100% wartości obciążeń obliczeniowych przez 5 minut. Po zakończeniu badań wytrzymałościowych zostały pobrane próbki stali w celu przeprowadzenia badań podstawowych właściwości mechanicznych materiału. Elementy te zostały wskazane po badaniach, w zależności od przebiegu zniszczenia konstrukcji.

7. Potwierdzenie założeń normowych w badaniach

Zniszczenie wszystkich czterech słupów nastąpiło w dolnej części trzonu w postaci wyboczenia ściskanych krawężników.

Fot. 2. Zniszczenie słupa PLN122 P (po lewej), słupa PLN122 ON165 (środek) oraz słupa PLN211 P (po prawej)

Konstrukcje wsporcze kratowe wymiarowane były ze względu na stan graniczny nośności. Stan graniczny użytkowalności nie determinował doboru profili. Wartości ugięć obliczone w programie komputerowym i pomierzone w trakcie badań (zarówno przy obciążeniu 100%, jak i tuż przed zniszczeniem) nie przekroczyły wartości dopuszczalnych normowych, a nawet wykazywały znaczny zapas (ok. 70% dla słupów przelotowych i ok. 50% dla słupów mocnych). Badanie wytrzymałości słupów wykonano z przyjęciem obciążeń obliczeniowych (a nie charakterystycznych, które przyjmuje się dla stanu granicznego użytkowalności), zatem porównanie wartości pomierzonych z normowymi ma jedynie charakter orientacyjny. Miarodajne jest porównanie przemieszczenia wyznaczonego w programie na modelu dla obciążenia obliczeniowego i przemieszczenia pomierzonego w badaniu po przyłożeniu 100% wartości tego obciążenia. Różnice są niewielkie (w granicy 10%), co dowodzi poprawności przyjętego modelu oraz procedury obliczeniowej.

Tab. 4. Zestawienie porównawcze pomiędzy przemieszczeniami wyznaczonymi obliczeniowo a przemieszczeniami zbadanymi

Po badaniach przeprowadzone zostały obliczenia na modelu z przyjęciem rzeczywistych wartości wytrzymałości stali zbadanej dla każdego testowanego słupa. Wyznaczono wartości obciążeń, przy których nastąpiłoby przekroczenie nośności, z uwzględnieniem wyników badania stali. Wykazano, że dodatkowo występuje zapas ok. 2-8% w obciążeniach modelowych w stosunku do wartości obciążeń, po których nastąpiłoby zniszczenie. Biorąc pod uwagę zapas wytrzymałości między parametrami normowymi dla stali a rzeczywistymi, zbadanymi w laboratorium, wytężenie konstrukcji obliczone teoretycznie jest bardzo zbliżone do uzyskanego podczas badań. Wielkości wyznaczone na modelu obliczeniowym odpowiadają wielkościom uzyskanym doświadczalnie.

Tab. 5. Zestawienie porównawcze wyników badań z obliczeniami modelowymi

8. Zastosowanie słupów w ramach budowy linii napowietrzno-kablowej 110 kV

W trakcie realizacji zadania inwestycyjnego związanego z przyłączeniem stacji elektroenergetycznej GPZ Daszyna zastosowano pięć różnych typów słupów dwutorowych. Kompleksowy zbiór rozwiązań, jakim jest katalog słupów, poza uproszczeniem procesu projektowania i budowy pozwoli również na skrócenie czasu usuwania ewentualnych przyszłych awarii.

Fot. 3. Słup PLN211 P na linii 110 kV do GPZ Daszyna

9. Podsumowanie

Zmiana wymagań normowych oraz konieczność przebudowy systemu dystrybucyjnego kraju jest idealną okazją do wprowadzenia udoskonaleń w konstrukcjach wsporczych, uwzględniających aktualne potrzeby rynkowe i techniczne. Podkreślenia wymaga fakt, że przy założeniu udoskonalenia słupów, polegającego na zwiększeniu ich wartości użytkowych, Energa Invest stworzyła słupy, które na przykładzie typowej sekcji odciągowej o długości 2,5 km pozwalają na mniejsze zużycie materiałów do budowy, ograniczają ingerencję w grunt prywatny oraz środowisko naturalne. Szerokie możliwości zastosowania pozwalają na zunifikowanie konstrukcji wsporczych w kraju, przez co umożliwią m.in. szybsze usuwanie awarii, a posiadanie pełnych modeli obliczeniowych - sprawną ocenę możliwości adaptacji do nietypowych warunków pracy.

Widząc zalety projektu Pylon, dzięki któremu powstał katalog bezpiecznych, ekonomicznych i ustandaryzowanych konstrukcji wsporczych, zespół Energi Invest postanowił wdrożyć swoje rozwiązania nie tylko na terenie Grupy Energa, ale również na niemal całym obszarze Polski. Dzięki katalogowi możliwa jest unifikacja linii wysokich napięć na bazie jednego rozwiązania, a idea standaryzacji może być przenoszona na innych operatorów sieci dystrybucyjnej. Aktualnie projekt jest rozwijany, trwają prace nad rozszerzeniem katalogu o nowe rozwiązania.

Bibliografia

1. PN-EN 50341-1:2013-03: Elektroenergetyczne linie napowietrzne prądu przemiennego powyżej 1 kV - Część 1: Wymagania ogólne - Specyfikacje wspólne.

2. PN-EN 50341-2-22:2016-04: Elektroenergetyczne linie napowietrzne prądu przemiennego powyżej 1 kV - Część 2-22: Krajowe Warunki Normatywne (NNA) dla Polski.

3. PN-EN 1993-3-1:2008: Projektowanie konstrukcji stalowych - Część 3-1: Wieże, maszty i kominy - Wieże i maszty.

4. PN-EN-60652:2006: Badania obciążeniowe konstrukcji wsporczych elektroenergetycznych linii napowietrznych.

Artykuł ukazał się w bezpłatnym kwartalniku Acta Energetica, wydawanym przez Energę z Grupy ORLEN. Całość wydania dostępna pod adresem: http://actaenergetica.org/pl

Anna Scheibe
mgr inż., Energa Invest
Absolwentka Wydziału Inżynierii Lądowej i Środowiska Politechniki Gdańskiej, kierunek: budownictwo. Od 2009 roku pracuje przy projektowaniu konstrukcji na potrzeby branży elektroenergetycznej. Uczestniczyła w wielu inwestycjach liniowych oraz projektach stacji elektroenergetycznych.

Paweł Szwarczewski
mgr inż., Energa Invest
Absolwent Wydziału Mechanicznego Politechniki Gdańskiej, kierunek: mechanika i budowa maszyn, oraz Wydziału Elektrycznego Akademii Morskiej w Gdyni, kierunek: elektrotechnika.
Od 2007 roku zawodowo związany z projektowaniem linii dystrybucyjnych oraz przesyłowych.