Устройство для сброса гололедно-изморозевых отложений с проводов воздушной линии электропередачи

Область техники
Полезная модель относится к области электроэнергетики, а именно к средствам борьбы с гололедно-изморозевыми отложениями на проводах и грозозащитных тросах воздушных линий электропередач (ВЛ). Предлагаемое устройство предназначено для автоматизированного сброса отложений путем механического встряхивания провода ВЛ (в контексте данной заявки термин «провод ВЛ» распространяется также на грозозащитный трос).
Уровень техники
Гололедно-изморозевые отложения (далее - отложения) на проводах ВЛ приводят к многократному утяжелению проводов, увеличению механической нагрузки на элементы ВЛ, что, в свою очередь, может стать причиной обрыва проводов, повреждений линейной арматуры и траверс опор ВЛ.
Кроме того, отложения способствуют возникновению и развитию такого опасного явления как пляска проводов, которая является причиной значительной доли наиболее тяжелых аварий. Наиболее часто встречающейся и опасной является пляска проводов, возникающая при наличии на проводе несимметричных отложений с профилем, близким к крыловидному. При этом пляска начинает развиваться при скорости ветра от 5 м/с и толщине отложений от 3 мм, вес которых не представляет угрозы с точки зрения механической прочности. Известны также случаи, когда пляска проводов возникает под действием ветра без отложений на проводах.
При малых скоростях ветра может возникать другое, опасное для проводов и линейной арматуры явление - вибрация провода. В обоих случаях в колебаниях провода преобладает вертикальная составляющая [https://www.asutpp.ru/vibratsiya-i-plyaska-provodov.html].
В качестве прототипа выбрано устройство для удаления обледенения с проводов линий электропередач, известное из патента [RU 128796, опуб. 27.05.2013 (вариант по п. 2 патентной формулы)].
Прототип содержит корпус, имеющий трубчатую стенку, крышку и опорный фланец, и установленные в корпусе поршень, жестко связанный со штоком, который зафиксирован в центральном отверстии опорного фланца с возможностью вертикального перемещения, магнит, размещенный над поршнем, ограничитель зоны вертикального перемещения магнита и пружинный механизм удержания, возврата и амортизации поршня.
Прототип обеспечивает механическое встряхивание провода с налипшими отложениями при достижении ими порогового веса, задаваемого параметрами устройства.
Недостаток прототипа состоит в том, что устройство не оказывает влияния на колебания провода, даже если они имеют опасный характер, до тех пор, пока не произойдет срабатывание устройства и встряхивание провода. Это снижает эффективность прототипа по предотвращению аварийных ситуаций на ВЛ.
Технический результат заявляемой полезной модели состоит в повышении эффективности предотвращения аварийных ситуаций на трассе ВЛ, путем гашения колебаний провода в периоды между его встряхиваниями, когда отложения отсутствуют или их вес не достигает порогового значения.
Предметом полезной модели является устройство для сброса гололедно-изморозевых отложений с проводов воздушной линии электропередачи, содержащее корпус, имеющий трубчатую стенку, крышку и опорный фланец, и установленные в корпусе поршень, жестко связанный со штоком, который зафиксирован в центральном отверстии опорного фланца с возможностью вертикального перемещения, магнит, размещенный над поршнем, ограничитель зоны вертикального перемещения магнита и пружинный механизм удержания, возврата и амортизации поршня, отличающееся тем, что трубчатая стенка корпуса выполнена с возможностью ее вихретокового взаимодействия с магнитом в зоне его вертикального перемещения.
Это позволяет получить вышеуказанный технический результат.
Полезная модель имеет развития, которые состоят в том, что:
- магнит выполнен неодимовым;
- трубчатая стенка корпуса в зоне вертикального перемещения магнита выполнена из токопроводящего немагнитного материала или содержит слой из такого материала;
- по меньшей мере, часть стенки трубчатого корпуса выполнена из композитного материала;
- пружинный механизм содержит пружину удержания и возврата поршня и более короткую пружину-амортизатор, соосно охватывающие шток, а ограничитель зоны вертикального перемещения магнита выполнен в виде группы стержней, вертикально закрепленных на магните с возможностью упора в пружину-амортизатор;
- пружина-амортизатор размещена внутри пружины удержания и возврата поршня.
- пружина-амортизатор выполнена в виде составной пружины тарельчатого типа;
- пружина-амортизатор выполнена в виде винтовой пружины или в виде группы винтовых пружин.
Осуществление полезной модели с учетом ее развитий
На фиг. 1 показан пример выполнения конструкции устройства, на фиг. 2 - устройство, смонтированное на траверсе опоры ВЛ.
На фиг. 1 обозначено:
- корпус с трубчатой стенкой 1, крышкой 2 и опорным фланцем 3;
- поршень 4, жестко связанный со штоком 5;
- центральное отверстие 6 фланца 3, в отверстии 6 шток 5 зафиксирован с возможностью вертикального перемещения;
- постоянный магнит 7, который размещен в корпусе над поршнем 4 и может быть неодимовым (т.е. изготовленным из сплава неодима, железа и бора);
- ограничитель 8 зоны вертикального перемещения магнита 7, выполненный в виде группы стержней, закрепленных на магните 7 с возможностью прохождения через предназначенные для них отверстия в поршне 4;
- пружина 9 удержания и возврата поршня 4;
- пружина 10 - амортизатор;
Верхняя часть 11 стенки 1, выполнена с возможностью вихретокового взаимодействия с магнитом 7 в зоне его вертикального перемещения.
Для этого часть 11 стенки 1 может быть изготовлена из токопроводящего немагнитного материала (например, меди, алюминия или их сплавов) или содержать слой из такого материала. В последнем случае часть 11 стенки 1 может быть выполнена из композитного материала (например, стеклопластика, базальтопластика или углепластика), на который, по меньшей мере, в зоне вертикального перемещения магнита нанесен слой токопроводящего немагнитного материала. Остальная (нижняя) часть 12 стенки 1, также может быть выполнена как из металлических сплавов (например, стали), так и из композитного материала. Таким образом, из композитного материала могут быть выполнены как одна (любая) из частей 11, 12 стенки 1, так и стенка 1 целиком. Крышку 2 и фланец 3 целесообразно выполнять металлическими.
В примере выполнения устройства, который приведен на фиг. 1, обе пружины 9 и 10, входящие в состав пружинного механизма, соосно охватывают шток 5 и выполнены в виде пружин сжатия. Винтовая пружина 9 опирается на фланец 3, пружина 10 размещена внутри пружины 9 и опирается на закрепленную в отверстии 6 фланца 3 трубу 13, направляющую шток 5. Пружина 10 может быть винтовая или тарельчатого типа. Обе пружины 9 и 10 могут быть составными - в виде группы пружин каждая.
Поршень 4 жестко закреплен на верхнем конце штока 5 и опирается на пружину 9. В поршне 4 выполнены сквозные отверстия для прохождения стержней ограничителя 8. Поршень примыкает к внутренней стороне стенки 1 и при цилиндрической форме стенки 1 имеет форму диска.
В других случаях осуществления полезной модели пружинный механизм и ограничитель 8 могут быть выполнены иначе: например, на основе пружин растяжения и внутренних выступов на стенке 1 соответственно или использовать, как прототип, пружины обоих типов и ограничитель 8 в виде шпильки, проходящей через отверстие в крышке 2.
На фиг. 2 дополнительно показаны:
14 - траверса опоры ВЛ;
15 - изолирующая подвеска, закрепленная с помощью сцепной арматуры на нижнем конце штока 5;
16 - провод ВЛ, закрепленный на подвеске 15.
Кроме того, на фиг. 2 показаны стенка 1, крышка 2 и опорный фланец 3 корпуса, вертикально закрепленного на траверсе 14 (например, с использованием монтажного кронштейна 17).
Устройство функционирует следующим образом.
В исходном состоянии (т.е. без нагрузки на шток 5) поршень 4 притянут к магниту 7 и пружина 9, действуя на поршень 4 снизу, прижимает магнит 7 к крышке 2 (фиг. 1).
Для работы на ВЛ корпус устройства вертикально монтируют на опоре ВЛ, закрепляя фланец 3 на траверсе 14 (или монтажном кронштейне 17) с помощью болтовых соединений, использующих отверстия 18 во фланце 3. К нижнему концу штока 5 крепится подвеска 15 с проводом 16 (фиг. 2).
При отсутствии или незначительности колебаний провода 16 устройство работает следующим образом. Под действием веса провода 16 и подвески 15 поршень 4 вместе с магнитом 7 опускается, частично сжимая пружину 9 так, что ограничитель 8 не достигает пружины 10 (или накрывающей ее шайбы 19, если она установлена). При этом подвеска 15 с проводом 16 оказывается свободно подвешенной на пружине 9, так, что поршень 4 с магнитом 7 имеют возможность свободного хода вверх (до упора магнита 7 в крышку 2) и вниз до упора стержней ограничителя 8 в пружину 10 (или в шайбу 19, накрывающую пружину 10).
При увеличении веса отложений на проводе 16 пружина 9 сжимается настолько, что стержни ограничителя 8 упираются в пружину 10 (или в шайбу 19).
При дальнейшем увеличении веса отложений на проводе 16 поршень 4 вместе с подвешенными к штоку 5 подвеской 15 и проводом 16 удерживается силой притяжения к магниту 7. Когда вес отложений на проводе 16 достигает порогового значения, поршень 4 отрывается от магнита 7. Скользя по стержням ограничителя 8, поршень 4 сжимает пружину 9 (имеющую относительно малую жесткость) и падает на пружину 10 (или шайбу 19). Пружина 10, амортизируя удар поршня 4, обеспечивает безопасную для устройства кратность перегрузки, возникающей при резкой остановке поршня 4, падающего вместе с подвеской 15 и проводом 16. При этом кратность перегрузки должна быть достаточна для встряхивания провода 16 и сброса, по меньшей мере, частичного, налипших на провод 16 отложений. После сброса или уменьшения веса отложений на проводе 16 пружина 9 поднимает поршень 4 со штоком 5, подвеской 15 проводом 16, так, что магнит 7 и поршень 4 снова притягиваются друг к другу и удерживаются пружиной 9 в зоне вертикального перемещения и вихретокового взаимодействия магнита 7 со стенкой 1.
При наличии колебаний провода 16, предшествующих опасному развитию низкочастотной вибрации или пляски проводов, вертикальная составляющая сил, вызывающих эти колебания, направленная вдоль оси корпуса, через шток 5 передается поршню 4 и притянутому к нему магниту 7, который вместе с поршнем 4 совершает возвратно-поступательные движения. Поскольку в зоне вертикального перемещения магнита 7 стенка 1 выполнена с возможностью вихретокового взаимодействия с магнитом 7, на движущийся в этой зоне магнит 7 действует сила торможения, направленная противоположно силам, вызывающим возвратно-поступательные движения поршня. Тормозной эффект вихретокового взаимодействия подробнее описан, например, в патенте [RU 2762760 пуб. 29.11.21], где он применен для демпфирования колебаний подвески транспортных средств.
При нарастании вертикальной составляющей колебаний провода 16 и, соответственно, скорости движения поршня (от которой сила торможения зависит линейно) вихретоковое взаимодействие приводит к соответствующему возрастанию силы торможения. Энергия, затрачиваемая движущимся поршнем на преодоление этой силы, отбирается у энергии колебаний провода 16, предотвращая их дальнейшее развитие с переходом в такие опасные явления как низкочастотная вибрация или пляска проводов.
Эффективность гашения колебаний провода 16 возрастает:
- при использовании в качестве магнита 7, ниодимового магнита, обладающего большой коэрцитивной силой, поскольку сила торможения находится в квадратичной зависимости от значения индукции магнитного поля, создаваемого за счет коэрцитивной силы магнита;
- при приближении формы амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) колебаний поршня 4 (вместе с магнитом 7 и закрепленными на штоке 5 подвеской и проводом 16) к форме АЧХ собственных колебаний провода 16 в пролете ВЛ. (Значения АЧХ колебаний поршня на частотах основных гармоник определяет жесткость пружины 9);
- при увеличении доли энергии колебаний провода, гасимой при вихретоковом взаимодействии магнита 7 с токопроводящей частью стенки 1. (Эта доля пропорциональна работе, совершаемой движущимся поршнем 4 по преодолению силы торможения, возникающей при вихретоковом взаимодействии).
Как следует из изложенного, конструкция предлагаемого устройства для сброса гололедно-изморозевых отложений с проводов линии электропередачи, содержащего корпус, имеющий трубчатую стенку 1, крышку 2 и опорный фланец 3, и установленные в корпусе поршень 4, жестко связанный со штоком 5, который зафиксирован в центральном отверстии 6 фланца 3 с возможностью вертикального перемещения, магнит 7, размещенный над поршнем, ограничитель 8 вертикального перемещения магнита 7 и пружинный механизм удержания, возврата и амортизации поршня, обеспечивает повышение эффективности предотвращения аварийных ситуаций на трассе ВЛ, путем гашения колебаний провода 16 в периоды между его встряхиваниями, благодаря тому, что стенка 1 выполнена с возможностью ее вихретокового взаимодействия с магнитом 7 в зоне его вертикального перемещения.