//Электрика. – 2009. – № 1.– С. 12–18.
ОСОБЕННОСТИ РЕКОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
ОСТАНКИНСКОЙ ТЕЛЕБАШНИ
А. В. Алистратов, С. А. Халезов
ООО "Электропроект-М"
Радиотелевизионная железобетонная башня в Останкино общей высотой 540 м – уникальное по своим конструктивным и архитектурным решениям инженерное сооружение, сложный объект многоцелевого назначения. Благодаря удачно выбранному месту строительства – вблизи ВВЦ, Ботанического сада Российской Академии наук, памятников архитектуры XVII в. (Шереметевский дворец и церковь Святой Троицы) с прилегающими парками – создан великолепный ансамбль старого и нового архитектурных стилей.
Останкинская башня рассчитана на массовое посещение экскурсантами главной смотровой площадки, расположенной на отметке 337 м, для обзора сверху панорамы города и посещения высотного ресторана "Седьмое небо", расположенного на отм. 328, 331 и 334 м. Три этажа ресторана могут одновременно принять 240 человек.
Долгие годы Останкинская телебашня была самым высоким сооружением в мире. Недавно пальму первенства она уступила башне в Торонто.
Решения по электроснабжению, принятые при проектировании в 60-е годы. Основными электроприёмниками башни являются теле- и радиопередающие станции, устройства связи, лифты, пожарные насосы, наружное и внутреннее освещение, электроприёмники ресторанов и столовой, сантехническое оборудование. По надёжности электроснабжения они, в основном, относятся к первой категории. Электроприемники расположены в конической части башни, в подвале, в железобетонном стволе и обстройках башни на отм. 117–147, 243–269 и 325–385 м.
Электроснабжение телебашни осуществлялось от распределительного пункта 10 кВ, к которому по радиальной схеме присоединялись пять встроенных в помещения башни комплектных двухтрансформаторных подстанций (КТП) с трансформаторами 1000 кВА. Две КТП размещались на отм. 8,25 м, одна – на отм. 63 м, где заканчивается коническая часть башни, ещё две КТП – в верхней обстройке на отм. 340,8 м.
Следует отметить, что мощность трансформаторов верхних КТП была выбрана с большим запасом – загрузка в нормальном режиме составляла 25–30 %. Это было сделано преднамеренно с целью продления срока службы трансформаторов, поскольку замена трансформаторов на высоте 340 м сложна и трудоёмка.
Всё электрооборудование и кабели изготовили отечественные предприятия. 30 лет эксплуатации телебашни подтвердили высокую надёжность схемы электроснабжения и всего электрооборудования, однако срок службы оборудования и кабелей на момент пожара уже истёк.
Последствия пожара 2000 г. Как известно из результатов работы комиссии, пожар возник в металлической антенне на высоте более 400 м на фидерах, передающих сигнал от передатчиков к антеннам. Поскольку фидера и кабели имели горючие оболочки и изоляцию, поддерживающие горение (отечественной промышленностью не изготовлялись), очаг возгорания быстро разрастался. Распространению пожара вниз способствовало падение расплавленных горящих капель оболочек фидеров и кабелей.
Возникло также возгорание обмазки тросов – проходящей снизу вверх по периметру внутреннего ствола башни канатной арматуры, придающей ей дополнительную устойчивость. Остановить пожар удалось лишь на отм. 79 м.
Полностью вышли из строя две КТП на отм. 340 м, электрооборудование лифтов, ресторанов, электрическое освещение, большое число силовых распределительных пунктов, силовых кабелей 10 и 0,4 кВ, сильно пострадало другое технологическое и сантехническое оборудование.
Основные технические решения по реконструкции электроснабжения. Проектирование восстановления телебашни проводилось под руководством Госстроя РФ. Началось оно с разработки технических условий, направленных на повышение надёжности функционирования всех служб телебашни.
Например, с целью повышения пожарной безопасности башни техническими условиями предусмотрен ряд мероприятий:
• шахты силовых кабелей выгораживаются со всех сторон сплошными перегородками из стального листа толщиной не менее 1,2 мм, покрытого огнезащитным материалом, и разделяются по вертикали на противопожарные отсеки с пределом огнестойкости горизонтальных перегородок не менее REI60;
• каждый отсек защищается автоматическими установками пожаротушения;
• на каждом этаже железобетонного ствола устанавливаются противопожарные двери с пределом огнестойкости Ei30;
• все кабели должны быть не распространяющими горение по категории "А";
• силовые кабели в кабельных шахтах должны прокладываться в коробах, короба и крышки покрываются огнезащитным составом;
• зазоры между коробами, шинопроводами и перекрытиями кабельных отсеков уплотняются негорючими материалами.
При проектировании восстановления электроснабжения верхних зон башни были предложены два варианта.
I. Замена КТП на отм. 340,8 м. Однако это связано с большими сложностями при транспортировке тяжёлых сухих трансформаторов на большую высоту и прокладке специальных кабелей в кабельной шахте.
II. Установка на отм. 63 м дополнительной КТП с трансформаторами мощностью по 1250 кВА; от неё в кабельной шахте проложить два магистральных шинопровода до отм. 340,8 м, где предусмотреть установку ГРЩ для распределения электроэнергии в верхней обстройке; на шинопроводах предусмотреть ответвления для подачи электроэнергии в обстройки 2-й и 3-й зон телебашни (рис. 1, 2).
Рис. 1. Фрагмент ствола башни с трассой шинопроводов
При оценке этих вариантов учитывались следующие обстоятельства:
• в результате модернизации технологического оборудования снизилась потребляемая мощность и телебашни в целом, и верхних зон (в том числе за счёт замены передатчиков на современные, с меньшей потребляемой из сети 0,4 кВ электрической мощностью);
• применение магистральных шинопроводов позволяет выполнить в необходимых местах ответвления и исключить прокладку в шахте силовых кабелей, которые приводят к повышению пожарной опасности;
• освобождаемые от трансформаторов площади помещений на отм. 340 м можно использовать для иных целей, например, для установки дополнительных передатчиков.
Рассмотрев и проанализировав изложенные обстоятельства, ООО "Электропроект-М" приняло смелое и нестандартное техническое решение – использовать для электроснабжения верхних зон башни магистральные шинопроводы. Предложенное решение было всесторонне рассмотрено и одобрено специальной комиссией при Госстрое РФ, а затем включено в технические условия, утверждённые Председателем Госстроя России.
Особенности передачи и распределения электроэнергии с применением шинопроводов. При выборе фирм-изготовителей и типов шинопроводов необходимо было учесть следующие конструктивные особенности:
• для обеспечения на зажимах электроприёмников необходимых уровней напряжения в нормальном и послеаварийном режимах шинопроводы из-за большой протяжённости трассы (300 м) должны иметь низкое индуктивное сопротивление;
• трасса шинопровода, кроме основного (вертикального) прямого участка, имеет два сложных горизонтальных участка с большим количеством поворотов в разных плоскостях;
• увеличение размеров существующих проёмов в горизонтальных междуэтажных перекрытиях шахты трудоёмко из-за их большого количества (около 100 перекрытий), поэтому шинопроводы должны иметь в поперечном сечении минимальные размеры;
• шинопроводы прокладываются в неотапливаемом помещении, где колебания между летними и зимними температурами могут достигать нескольких десятков градусов по Цельсию, поэтому в шинопроводах должны быть специальные компенсационные секции;
• под действием ветровых нагрузок и за счёт неравномерного нагрева бетонной поверхности солнечными лучами происходит постоянное отклонение оси башни от вертикали, увеличивающееся от основания к верху; расчётное максимальное отклонение оси от вертикали на отм. 340 м может достигать 3,1 м; поэтому конструкция шинопроводов и узлы крепления их к площадкам башни должны обеспечивать надёжную работу в условиях постоянного, хотя и незначительного изгиба.
Главное управление государственного пожарного надзора МЧС России (ГУГПН МЧС России) выставило ряд требований: изоляция шинопроводов должна быть нераспространяющей горение; в местах прохода шинопровода через междуэтажные перекрытия через каждые 10 м должны быть применены специальные противопожарные секции (вставки) с пределом огнестойкости REI60; шинопроводы должны иметь сертификат пожарной безопасности, выданный российскими органами.
ООО "Электропроект-М", рассмотрев и сопоставив технические характеристики шинопроводов ряда фирм-изготовителей, рекомендовал применить для Останкинской телебашни магистральные шинопроводы типа CANALIS КТА-16 и КТА-10 фирмы "Шнейдер Электрик" (Франция), которые вполне отвечают особенностям конструкции телебашни и требованиям ГУГПН МЧС России.
Рис. 2. Схема электроснабжения II–IV зон
Выбор шинопроводов. В соответствии с предписанием Госэнергонадзора от 25.01.2001 г. вся электрическая сеть напряжением до 1000 В должна быть выполнена по системе TN-S, т. е. по всей сети нулевой рабочий (N) и нулевой защитный (PE) проводники должны выполняться раздельными. Исходя из этого, шинопроводы выбраны пятипроводными. В дополнение к PE-шине в качестве PE-проводника используется корпус шинопровода, что приводит к повышению чувствительности работы и уменьшению времени срабатывания защиты, снижению напряжения прикосновения и, как следствие, повышению электробезопасности.
Шинопроводы выбирали по максимальному рабочему току, потере напряжения в нормальном и аварийном режимах (с учётом потери напряжения в трансформаторах от пусковых токов лифтов). Учитывались динамическая и термическая стойкость шинопровода к действию токов короткого замыкания, а также индуктивное сопротивление, габаритные размеры поперечного сечения и другие факторы.
Шинопроводы CANALIS КТА-16 с номинальным током 1600 А проложены от отм. 63 до отм. 269 м; с отм. 269 до отм. 340,8 м – КТА-10 с номинальным током 1000 А. Отдельные узлы шинопроводов представлены на рис. 3, 4, некоторые технические характеристики CANALIS КТА-16 приведены ниже:
|
Степень защиты оболочки |
IP-54 |
|
Материал проводников |
Алюминий |
|
Номинальный ток, А |
1600 |
|
Ток динамической стойкости, кА |
130 |
|
Ток термической стойкости (1 с), кА |
60 |
|
Номинальное напряжение, В |
1000 |
|
Среднее индуктивное сопротивление, мОм/м |
0,013 |
|
Сечение проводников, мм |
160´6 |
|
Размеры поперечного сечения шинопровода, мм |
164´140 |
|
Средний вес, кг/м |
29 |
Конструкции КТА-16 и КТА-10 и способ их крепления полностью соответствует выдвинутым ООО "Электропроект-М" требованиям. Отметим положительные особенности этих шинопроводов.
Рис. 3. Горизонтальный участок шинопровода CANALIS КТА-16
Контактные соединения. Для обеспечения минимального сопротивления в месте стыков секций и ответвлений все контакты выполнены с использованием серебра по уникальной технологии "Шнейдер Электрик": биметаллическая пластина (медь/серебро) приштамповывается к алюминиевому проводнику до возникновения молекулярного взаимопроникновения материалов. В местах соединения секций друг с другом предусмотрено обеспечение стабильного давления контакта и предотвращение ослабления крепёжных винтов.
Рис. 4. План расположения шинопровода в шахте
Термокомпенсация. Вертикальные участки шинопроводов содержат термокомпенсационные элементы примерно через каждые 20 м. Эти элементы расположены в местах температурных компенсаторов внутренней металлической шахты башни. Нижняя точка участка между компенсационными элементами имеет жёсткое крепление, остальные крёпежные точки – пружинного типа, обеспечивающие продольное расширение шинопровода.
Компенсация отклонения башни от вертикали. Конструкция шинопроводов обеспечивает надёжность работы при отклонении верхней точки шинопровода от вертикали на расчётную величину 3,1 м. Компенсация осуществляется в соединительных блоках благодаря специальным резиновым вставкам, при этом качество электрического контакта не снижается.
Крепление шинопроводов. Шинопроводы крепятся к горизонтальным междуэтажным металлическим конструкциям. Крепёж пружинного типа обеспечивает выравнивание весовой нагрузки шинопроводов равномерно по этажам. При общем весе вертикальных шинопроводов 15 т на каждую площадку приходится около 150 кг.
Противопожарные вставки (огненные барьеры). Шинопроводы прошли испытания в ФГУ ВНИИПО МЧС России и имеют сертификат пожарной безопасности. Противопожарные барьеры устанавливаются в местах горизонтальных междуэтажных перекрытий через каждые три этажа или 10 м. Подтверждённая стойкость противопожарных барьеров составляет 1,5 ч.
Отвод мощности. От каждого шинопровода предусматривается отвод мощности в шести точках с использованием втычных отводных блоков, с автоматическими выключателями Compact NS, с моторным приводом для дистанционного управления. Подключение к шинопроводам втычных отводных блоков может осуществляться на работающих шинопроводах (под напряжением). Предусмотрена сигнализация положения автомата при аварийном отключении. В отводном блоке конструктивно предусмотрены всевозможные защиты от снятия блока при включённой нагрузке, доступа к токоведущим частям и др.
Следует отметить, что фирма "Шнейдер Электрик" с самого начала проектирования оказывала большую помощь и поддержку, что позволило подробно проработать все технические детали проекта. Специалисты отдела сервиса фирмы проводили шеф-монтаж сборки шинопроводов. Привлекались также технические специалисты из Франции для финальной инспекции после монтажа. Шинопроводы находятся в работе около трёх лет, замечаний по их работе нет.
Замена электротехнического оборудования телебашни. При восстановлении и модернизации телебашни было решено всё электрооборудование, предназначенное для электроснабжения и распределения электроэнергии (в основном, отработавшее нормативные сроки) заменить оборудованием фирмы "Шнейдер Электрик". Запроектировано к установке следующее оборудование:
• сухие трансформаторы Trihal 10/0,4 кВ с температурной защитой обмоток, широко применяемые в мире и хорошо зарекомендовавшие себя на многих объектах г. Москвы;
• высоковольтные ячейки серии RM-6; перед каждым трансформатором предусмотрена установка одной ячейки типа RM-6(1) NE, позволяющая выполнить ввод и вывод кабеля из одной ячейки, в ней установлен выключатель нагрузки без максимальной защиты с независимым расцепителем, отключающийся при достижении недопустимо высокой температуры обмоток трансформатора;
• главные распределительные щиты (ГРЩ) с автоматическими выключателями типа NW-25Н1, NW-20Н1, NW-16Н1, NS-400 и др.;
• шинопроводы для соединения трансформаторов с ГРЩ типа CANALIS КТА-25;
• большое количество силовых распределительных шкафов типа Prisma-GХ с автоматическими выключателями;
• шкафы с автоматическим переключением на резервное питание (АВР) с контакторами и автоматическими выключателями;
• конденсаторные установки с автоматическим регулированием реактивной мощности.
В настоящее время электрооборудование установлено и находится в работе.
Принятые технические решения позволяют обеспечить надёжное электроснабжение Останкинской телебашни.