Устройство для ограничения интенсивности пляски проводов воздушной линии электропередачи
DEVICE FOR LIMITING INTENSITY OF DANCING WIRES OF OVERHEAD TRANSMISSION LINE

Изобретение относится к области электроэнергетики, а именно к устройствам для ограничения интенсивности пляски проводов воздушных линий электропередачи (ЛЭП).
Известно устройство, реализующее способ [1] гашения пляски проводов в пролете ЛЭП, которое содержит маятник-гаситель и маятник-стабилизатор, установленные на проводе, при этом маятник-гаситель закреплен на проводе жестко и отклонен от вертикали, а центр масс маятника-стабилизатора расположен ниже провода, что совпадает с существенными признаками предлагаемого.
При этом маятник-стабилизатор закреплен на проводе жестко на значительном (штатном) расстоянии от маятника-гасителя, при этом провод в точке крепления маятника-гасителя закручивают относительно продольной оси, чтобы направление закрутки провода на каждом из участков было противоположно направлению закрутки провода на соседних участках, и фиксируют в этом состоянии с помощью маятников.
Этот известный аналог на практике трудно осуществим (сложность закрутки проводов в различных направлениях из-за необходимости применения соответствующих приспособлений и сложность монтажа с учетом разнесения маятников по длине пролета) и поэтому он не нашел широкого распространения при строительстве воздушных ЛЭП.
Известна также воздушная ЛЭП [2], содержащая маятник-гаситель и маятник-стабилизатор, установленные на проводе, при этом маятник-гаситель закреплен на проводе жестко и отклонен от вертикали, а центр масс маятника-стабилизатора расположен ниже провода, что совпадает с существенными признаками предлагаемого, причем соседние грузы размещены по разные стороны от указанной вертикальной плоскости, при этом между каждыми двумя соседними маятниками установлены дополнительно введенные маятники-ограничители закручивания, каждый из которых жестко закреплен на проводе и расположен под проводом.
В вышеприведенной воздушной ЛЭП используются конструкции закрепляемых на проводе маятников-гасителей и стабилизаторов, исключающих опрокидывание первых. Такой аналог также малоэффективен вследствие трудностей при их монтаже на линии.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для ограничения интенсивности пляски одиночных проводов воздушных ЛЭП [3], выбранное в качестве прототипа.
Устройство-прототип содержит маятник-гаситель и маятник-стабилизатор, установленные на проводе, при этом маятник-гаситель закреплен на проводе жестко и отклонен от вертикали, а центр масс маятника-стабилизатора расположен ниже провода ЛЭП, что совпадает с существенными признаками предлагаемого.
Кроме того, маятник-стабилизатор закреплен на проводе жестко и на значительном расстоянии от маятника-гасителя.
Недостаток устройства-прототипа состоит в том, что его работа основана на взаимодействии соседних групп маятников-гасителей и маятников-стабилизаторов, разнесенных вдоль линии на значительное расстояние. Это приводит к необходимости проведения последовательных монтажных работ на соседних участках ЛЭП, отстоящих друг от друга на 5-10 метров. Это требует организации нескольких монтажных площадок, снижает оперативность монтажа, увеличивает его стоимость и трудоемкость.
Для преодоления недостатков известного устройства предложено устройство для ограничения интенсивности пляски проводов воздушной ЛЭП, которое содержит маятник-гаситель и маятник-стабилизатор, установленные на проводе, при этом маятник-гаситель закреплен на проводе жестко и отклонен от вертикали, а центр масс маятника-стабилизатора расположен ниже провода, что совпадает с существенными признаками предлагаемого.
При этом маятник-стабилизатор закреплен на установленном на проводе шарнире, на маятник- стабилизатор опирается вязкоупругий элемент, который поддерживает маятник-гаситель.
Кроме того, вязкоупругий элемент обеспечивает логарифмический декремент крутильных колебаний маятника-гасителя относительно маятника-стабилизатора в диапазоне 0.8±0.2.
Кроме того, маятник-гаситель отклонен от вертикальной плоскости на угол более 60° и перпендикулярен оси провода, при этом маятник-стабилизатор перпендикулярен оси провода, и отклонен от вертикальной плоскости на угол менее 30°.
Кроме того, момент инерции маятника-стабилизатора больше, чем момент инерции маятника-гасителя, на 0.5-1.0 порядка.
Кроме того, моменты инерции маятника-стабилизатора и маятника-гасителя отличаются менее чем на 15%, а угол между маятниками находится в диапазоне от 120° до 170° при этом маятник-гаситель отклонен от вертикали на угол больше 60°.
Список фигур чертежей:
фиг. 1 Схема предлагаемого устройства по п. 3 формулы;
фиг. 2 Схема предлагаемого устройства по п. 5 формулы;
На фиг. 1, 2 использованы следующие обозначения элементов:
1 - маятник-гаситель;
2 - маятник-стабилизатор;
3 - провод;
4 - шарнир;
5 - вязкоупругий элемент.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства по п.п. 1, 3 формулы, на которой видно, что маятник-гаситель 1 расположен в горизонтальной плоскости перпендикулярно оси провода 3 и жестко закреплен на нем, а маятник-стабилизатор 2 расположен в вертикальной плоскости перпендикулярно оси провода 3 и закреплен на шарнире 4, при этом между маятником-гасителем 1 и маятником-стабилизатором 2 введен вязкоупругий элемент 5. При этом маятник-гаситель 1 отклонен от вертикальной плоскости на угол α>60° (в изображенном варианте - на угол α=90°) и перпендикулярен оси провода 3, при этом маятник-стабилизатор перпендикулярен оси провода и отклонен от вертикальной плоскости на угол β<30° (в изображенном варианте - на угол β=0°).
На фиг. 2 представлена схема предлагаемого устройства по п. 5 формулы, на которой видно, что маятник-гаситель 1, жестко закрепленный на проводе 3, и маятник-стабилизатор 2, закрепленный на шарнире 4, размещенном на проводе 3, расположены близко к горизонтальной плоскости перпендикулярно оси провода 3, при этом между маятником-гасителем 1 и маятником-стабилизатором 2 введен вязкоупругий элемент 5, а угол между маятниками находится в диапазоне 120°≤γ≤170°, при этом маятник-гаситель отклонен от вертикали на угол δ>60° (в изображенном варианте - на угол δ=80°).
Изобретение работает следующим образом. Резонансы в макромасштабных механических колебательных системах, как известно, приводят к разрушительным последствиям. Эффективный метод борьбы с этим состоит в относительном сдвиге фаз его спектральных компонентов, что достигается введением дополнительных колебательных систем с отстроенным резонансом. В конечном итоге все сводится к энергетическому взаимодействию таких резонансных систем с несовпадающими резонансными частотами. Взаимодействие с энергией галопирующего провода 3 осуществляет маятник-гаситель 1, жестко закрепленный на проводе 3. Согласно экспериментальным данным, наиболее вероятно галопирование провода 3 в вертикальной плоскости. Поэтому горизонтальное положение маятника-гасителя 2 обеспечивает его максимальный эксцентриситет относительно провода 3. Это позволяет ему запасти максимальную энергию упругого кручения провода, чтобы затем использовать ее на расфазирование галопирующего колебания. Поддержание горизонтальности маятника-гасителя 1 обеспечивает маятник-стабилизатор 2, расположенный в вертикальной плоскости перпендикулярно оси провода 3. Маятник-стабилизатор 2 закреплен на проводе 3 шарнирно, его вертикальность обеспечивается силой гравитации, а опирающийся на него вязкоупругий элемент 5 поддерживает маятник-гаситель 1 в положении, близком к горизонтальному.
Пример простого и наиболее эффективного исполнения устройства показан на фиг. 1, где маятник-гаситель 1 и маятник-стабилизатор 2 выполнены в виде стержней, на концах которых закреплены грузы необходимой массы. При этом маятник-гаситель 1 расположен в горизонтальной, а маятник-стабилизатор 2 - в вертикальной плоскости. Удобство и простота монтажа устройства очевидны, т.к. он проводится с одной монтажной площадки, поскольку устройство существенно компактнее аналогов и прототипа - места крепления маятника-гасителя 1 и маятника-стабилизатора 2 на проводе 3 расположены близко один от другого.
Другой пример простого и надежного исполнения устройства показан на фиг. 2, где маятник-гаситель 1 и маятник-стабилизатор 2 расположены вблизи горизонтальной плоскости. Маятник-стабилизатор 2 закреплен на шарнире 4 на проводе 3, и уравновешен массой маятника-гасителя 1 посредством вязкоупругого элемента 5. Крутильная упругость провода 3 и расположение центра масс ниже провода обеспечивает горизонтальность такой системы маятников. Как и в ранее рассмотренном варианте, упругость вязкоупругого элемента 5 обеспечивает сдвиг фаз галопирующей волны и колебаний маятников 1 и 2, что уменьшает амплитуду результирующего колебания, а вязкость - диссипацию энергии этого процесса. Горизонтальное положение маятника-стабилизатора 2 используется при необходимости увеличить пробойное напряжение до земли или проводящих элементов рельефа под высоковольтным проводом 3. На практике для повышения устойчивости такой системы маятников и предотвращения ее опрокидывания целесообразно задавать углы между маятниками 1 и 2 в начальном положении вблизи 160°, что обеспечит необходимую устойчивость системы маятников при повышенных ветровых нагрузках.
Согласно полученным данным, эффективность гашения пляски проводов возрастает, если момент инерции маятника-гасителя 1 меньше момента инерции маятника-стабилизатора 2 на фиг. 1 на 0.5-1.0 порядка.
Покажем, что технический результат достигается за счет существенных признаков предлагаемого устройства.
То, что устройство содержит, маятник-гаситель 1 и маятник-стабилизатор 2, установленные на проводе 3, при этом маятник-гаситель 1 закреплен на проводе 3 жестко и отклонен от вертикали, а центр масс маятника-стабилизатора 2 расположен ниже провода 3, а также что маятник-стабилизатор 2 закреплен на установленном на проводе 3 шарнире 4, на маятник- стабилизатор 2 опирается вязкоупругий элемент 5, который поддерживает маятник-гаситель 1, обеспечивает компактность конструкции, возможность монтажа конструкции без передислокации монтажной площадки, что повышает оперативность работ, снижает их стоимость. Кроме того, увеличивается надежность ЛЭП, что связано с уменьшением интенсивности крутящих нагрузок на провода ЛЭП при движении маятника-гасителя 1 и маятника-стабилизатора 2. Дело в том, что в прототипе закручивается отрезок провода 3 ЛЭП между жестко закрепленными на нем маятником-гасителем 1 и маятником-стабилизатором 2 (от 5 до 10 метров). В предлагаемом закручивается отрезок провода 3 ЛЭП между маятниками-гасителями 1 (десятки метров), поскольку маятники-стабилизаторы 2 закреплены шарнирно на проводе 3 и в его закрутке не принимают участия. Это уменьшает момент кручения на единицу длины провода 3 и увеличивает его ресурс в предлагаемом устройстве.
Кроме того, определенный эмпирически для вязко-упругого элемента 5 логарифмический декремент крутильных колебаний маятника-гасителя 1 относительно маятника-стабилизатора 2 в диапазоне 0.8±0.2 повышает эффективность гашения пляски проводов, повышает надежность ЛЭП.
Кроме того, отклонение маятника-гасителя 1 от вертикальной плоскости на угол более 60° и перпендикулярность его оси провода 3, а также перпендикулярность маятника-стабилизатора 2 оси провода 3, и отклонение его от вертикальной плоскости на угол менее 30° повышает эффективность гашения пляски проводов, сообщает предельную лаконичность конструкции, минимизирует стоимость, максимизирует надежность ЛЭП. Дальнейшее расширение диапазона указанных углов, очевидно, снижает эффективность устройства, поскольку уменьшаются как момент сил галопирующего провода 3, действующий на маятник гаситель 1, так и возвращающий момент гравитационных сил, действующий на маятник- стабилизатор 2.
Кроме того, определенное эмпирически превышение момента инерции маятника-стабилизатора 2 по сравнению с моментом инерции маятника-гасителя 1 на 0.5-1.0 порядка повышает эффективность гашения пляски проводов, повышает надежность ЛЭП, обеспечивая за счет гравитации заданную ориентацию системы маятников 1 и 2 при различных ветровых нагрузках.
Кроме того, моменты инерции маятника-стабилизатора 2 и маятника-гасителя 1 отличаются менее чем на 15%, а угол между маятниками находится в диапазоне от 120° до 170°, при этом маятник-гаситель отклонен от вертикали на угол больше 60°. Такой вариант исполнения устройства повышает надежность работы ЛЭП при больших пролетах между опорами и изрезанном рельефе местности и высоком вольтаже ЛЭП, когда критично расстояние от земли до проводящих элементов гасителя. Понятно, что расположение маятников 1 и 2 в положении близком к горизонтальной плоскости максимально увеличивает дистанцию конструктивных элементов ЛЭП до земной поверхности и увеличивает пробивное напряжение. Это при изрезанном рельефе местности повышает надежность работы ЛЭП. Кроме того, возможно увеличение длины маятника гасителя 1 с одновременным снижением его массы. Это позволяет снизить весовую нагрузку на провод и уменьшить вероятность его обрыва при сохранении эффективности гашения. Вместе с тем, на практике, как отмечено выше, реализуются углы между маятниками 1 и 2 меньше 170°, чтобы центр тяжести гасителя был расположен еще ниже провода 3. Это связано с необходимостью снижения вероятности опрокидывания гасителя и закручивания провода 3, что привело бы к увеличению его натяжения и уменьшению надежности. С другой стороны, уменшение диапазона указанных углов привело бы к снижению эффективностиустройства, поскольку уменьшится момент сил галопирующего провода 3, действующий на маятник гаситель 1, и уменьшится пробивное напряжение между землей и стабилизатором 2. Отклонение от вертикали маятника-гасителя 2 на угол больше 60° повышает эффективность устройства с учетом повышения до необходимого значения горизонтальной проекции маятника-гасителя 2, ответственной за взаимодействие с проводом 3, галопирующем преимущественно в вертикальной плоскости.
Определенное эмпирически соотношение моментов инерции маятника-гасителя 1 и маятника-стабилизатора 2 повышает эффективность процесса гашения пляски проводов, повышает надежность ЛЭП.
Таким образом повышается технологичность реализации предлагаемого устройства, что также способствует достижению требуемого технического результата - снижает стоимость, повышает оперативность работ, обеспечивает гашение галопирующих колебаний и повышает надежность работы ЛЭП.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает достижение заявленного технического результата.
Проведенные исследования подтвердили возможность его практической реализации.
Источники информации:
1. Яковлев Л.В. «Способ гашения пляски проводов» // А.С. СССР №364274, опубл. в Б.И. №27 от 25.07.1977 г.
2. Яковлев Л.В. «Воздушная линия электропередачи» // А.С. СССР №1584021, опубл. в Б.И. №29 от 07.08.1990 г.
3. Киселев Н.А. «Способ ограничения интенсивности пляски одиночных проводов воздушной линии электропередачи и устройство для его осуществления» // RU 2 628 999, опубл. в Б.И. №24 от 24.08.2017.