Гаситель колебаний проводов воздушных линий электропередачи
VIBRATION DAMPER FOR WIRES OF OVERHEAD POWER LINES

Изобретение относится к электроэнергетике и может использоваться на воздушных линиях электропередачи (ВЛЭП) и волоконно-оптических линиях связи в качестве универсального устройства для расстройки (рассогласования) и демпфирования колебаний одиночных проводов, таких как пляска и вибрация, возникших в результате ветровых воздействий. Эти колебания представляют собой периодические изгибно-крутильные движения провода, главным образом в вертикальной плоскости, на низших резонансных частотах (при пляске от 0,5 до 2..3 Гц, с значительной амплитудой, иногда достигающей стрелы провеса провода; при вибрации - на частотах от 5 до 30 Гц), с опасными для провода изгибными деформациями в точках крепления.
Одной из актуальных задач в энергетике является повышение надежности воздушных линий и в особенности проводов, грозозащитных тросов и самонесущих оптических кабелей связи. Воздушные линии (ВЛЭП) являются протяженными и наиболее уязвимыми для атмосферных влияний техническими объектами, подверженными крупномасштабным процессам старения, деградации и возникновения повреждений. Существенную роль в этих процессах играют ветровые воздействия, особенно при сочетании их с выпадением осадков в виде снега, льда или переохлажденной воды. Изменение формы сечения провода из-за наледи или текущей по нему воды провоцирует развитие или усиление циклических колебаний, что снижает ресурс работы, вызывает перекрытия или короткие замыкания в сети и ведет так или иначе к уменьшению пропускной способности, а иногда и к частичному или полному отключению целых регионов. Актуальна поэтому задача предотвращения подобных дорогостоящих, а в ряде случаев и катастрофических повреждений ВЛЭП / энергосетей, питающих муниципальные, гражданские, прочие объекты.
Эту задачу поможет эффективно выполнять предлагаемый гаситель низкочастотных, а также и высокочастотных колебаний проводов ВЛЭП.
Известен аналог предлагаемого, - гаситель низкочастотных колебаний проводов ВЛЭП [1], который содержит демпферный узел, закрепленный на проводе, а также инертные массы, что совпадает с существенными признаками предлагаемого. Кроме того, аналог содержит герметичный корпус, связанный с проводами линии и заполненный электро- или магнитореологической жидкостью, в качестве дисперсной фазы которой использованы суспензии электро- или магниточувствительных наночастиц, и источники электрического или магнитного полей. Демпферный узел выполняется в виде массивного поршневого диска, имеющего возможность кругового вращения при колебаниях проводов за счет силы собственной инерции и заставляющего при этом циклично перетекать жидкость по герметичному каналу внутри корпуса. Демпфирование колебаний проводов ВЛЭП осуществляется за счет вязкого течения указанной жидкости, когда указанный диск начинает перемещаться, а электрические или магнитные поля, создаваемые источниками, регулируют вязкость жидкости и силу сопротивления течению, обеспечивая тем самым процесс управления частотой и амплитудой колебаний гасителя и повышая эффективность его действия. К недостаткам аналога [1] относится его сложность и чувствительность к температуре, а также то, что в нем имеется только одна точка крепления демпферного узла на проводе, что не исключает попадания гасителя в узел стоячей волны вибрационных колебаний провода. Это приводит к уменьшению его эффективности как гасителя вибрации проводов.
Также известен другой аналог - гаситель пляски проводов ВЛЭП [2], содержащий спиральную прядь, ось средней части которой параллельна оси провода, внутри средней части спиральной пряди расположен груз, а ее крайние части навиты на провод, что совпадает с существенными признаками предлагаемого. Кроме того, груз внутри средней части спиральной пряди выполнен в виде металлического стержня, концы которого загнуты в сторону провода, причем диаметр металлического стержня выбирается соответствующим диаметру спиральной пряди.
Недостатки аналога состоят в том, что выполнение груза в виде монолитного стержня уменьшает число степеней свободы системы и обедняет спектр ее резонансных частот, что уменьшает эффективность ее взаимодействия со спектром вынужденных колебаний провода ВЛЭП, т.е. снижает способность гасителя рассеивать энергию колебаний провода. Кроме того, при попадании узла колебаний провода на среднюю часть металлического стержня, последний начинает раскачиваться, создавая зоны износа на крепежных спиральных прядях у его краев и вызывая накопление в этих зонах усталостных деформаций в проволоках указанных прядей.
Наиболее близким к заявляемому является принятый в качестве прототипа гаситель ветровых колебаний [3], содержащий спиральную прядь, ось симметрии которой совпадает с плоскостью, проходящей через провод, ее средняя часть соединена с грузами, а ее крайние участки навиты на провод, что совпадает с существенными признаками предлагаемого.
Кроме того, прототип [3] содержит демпферный трос, размещенный внутри средней части спиральной пряди, а грузы размещены на концах демпферного троса, выходящего за пределы средней части спиральной пряди.
Работа прототипа основана на том, что инерционные элементы подвешенной к проводу спиральной пряди с грузами имеют резонансные частоты, близкие к частотам колебаний проводов ВЛЭП. Поэтому энергия колебаний проводов частично перекачивается в дополнительную колебательную систему - спиральную прядь с грузами, имеющую высокое демпфирование. В результате острый резонанс механических колебаний проводов ВЛЭП расстраивается, добротность системы в целом падает, что приводит к снижению амплитуды происходящих в ней колебаний.
Недостатки прототипа [3] такие же, как у аналога [2].
Указанные недостатки преодолеваются в предлагаемом гасителе, фото которого приведено на фиг. 1, а схема представлена на фиг. 2.
Он содержит спиральную прядь 1, ось симметрии которой совпадает с плоскостью, проходящей через провод 2, ее средняя часть 3 соединена с грузом 4, а ее крайние участки 5 и 6 навиты на провод 1, что совпадает с признаками известного устройства.
При этом, грузы 4 размещены внутри средней части 3 спиральной пряди 1.
Кроме того, средняя часть 3 спиральной пряди 1 в условиях эксплуатации расположена (в различных вариантах) ниже, выше или на уровне провода 2.
Кроме того, средняя часть спиральной пряди выполнена в виде двух сеггментов (в форме «бабочки»), причем первый сеггмент средней части 3 спиральной пряди 1 расположен ниже провода 2, а второй сегмент - выше провода 2.
Кроме того, грузы 4 выполнены в виде эллипсоидов вращения, вытянутых вдоль оси спиральной пряди, выполненной в виде цилиндрической пружины, причем диаметр поперечного сечения грузов больше внутреннего диаметра спиральной пряди в свободном состоянии, а диаметр поперечного сечения провода 2 больше внутреннего диаметра крайних участков 5 и 6 спиральной пряди 1 в свободном состоянии, причем соотношение диаметра провода и внутреннего диаметра крайних участков спиральной пряди в свободном состоянии выбирают в диапазоне 1:(0.99…0.5), соотношение диаметров поперечного сечения грузов и внутреннего диаметра спиральной пряди выбирают в диапазоне 1:(0.99…0.5), а соотношение расстояния между центрами грузов внутри спиральной пряди к их длине выбирают в диапазоне (1.1…3.5):1.
Кроме того, вдоль провода расположено несколько спиральных прядей, при этом средняя часть предыдущей спиральной пряди расположена на уровне провода с одной стороны провода, а средняя часть последующей спиральной пряди расположена на уровне провода с противоположной стороны провода.
Кроме того, вдоль провода расположено несколько спиральных прядей, при этом плоскость средней части предыдущей спиральной пряди расположены в диапазоне углов 90°±30° относительно средней части последующей спиральной пряди.
Кроме того, направление навивки крайних участков спиральной пряди противоположно направлению навивки проволок верхнего повива защищаемого провода, либо с ним совпадает.
Кроме того, направление навивки левой крайней части спиральной пряди противоположно направлению закрутки правой крайней части спиральной пряди.
Кроме того, спиральная прядь выполнена в виде двух противоположно навитых спиралей, размещенных одна внутри другой, причем внутренний диаметр внешней спирали в свободном состоянии меньше внешнего диаметра внутренней спирали в свободном состоянии, а каждая из спиралей выполнена из, по крайней мере, одного пружинного элемента, причем соотношение диаметров грузов и внутреннего диаметра внутренней спирали спиральной пряди выбирают в диапазоне 1:(0.99…0.5).
Кроме того, крайние части спиральной пряди при навивке на провод разделены на два отдельных пучка, навиваемые в противоположные стороны.
Технический результат достигается за счет устранения указанных выше недостатков в предлагаемом гасителе и состоит в уменьшении амплитуды колебаний проводов ВЛЭП, в увеличении надежности ВЛЭП, повышении безопасности эксплуатации ВЛЭП, снижении себестоимости реализации устройства при упрощении конструкции и сокращении сроков монтажных работ.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
Список фигур чертежей
Фиг. 1. Фото макета гасителя, по п. 1 формулы.
Фиг. 2. Схема гасителя, по п. 12 формулы,
где использованы обозначения:
1 - спиральная прядь,
2 - провод ВЛЭП,
3 - средняя часть спиральной пряди
4 - груз
5 - левый крайний участок спиральной пряди,
6 - правый крайний участок спиральной пряди,
7 - первый пучок крайнего участка спиральной пряди
8 - второй пучок крайнего участка спиральной пряди
9 - промежуточный участок средней части спиральной пряди.
На фиг. 1 представлено фото действующего макета предлагаемого гасителя по п. 1 формулы, где показано, что крайние участки спиральной пряди навиты на провод и разведены по разные стороны от средней части. В данном макете грузы 4 не видны, т.к. размещены внутри спиральной пряди 1, промежуточный участок 9 не использован.
На фиг. 2 представлена схема предлагаемого гасителя по п. 12 формулы, согласно которому как левый 5 так и правый 6 крайние участки спиральной пряди 1 разделены на первый 7 и второй 8 пучки и навиты на провод 2.
Работа предлагаемого гасителя, как и прототипа, основана на том, что инерционные элементы подвешенной к проводу 2 спиральной пряди 1 с грузами 4 имеют резонансные частоты, отличные от частот колебаний проводов 1 ВЛЭП. Поэтому энергия колебаний проводов частично перекачивается в дополнительную колебательную систему - спиральную прядь 1 с грузами 4. В отличие от аналога [2] груз 4 выполнен не в виде единого металлического стержня, и не в виде грузов вне спиральной пряди 1, как в прототипе [3], а в виде набора отдельных грузов 4, соединенных между собой упругими связями - промежуточными участками 9 внутри средней части 3 спиральной пряди 1. Это дополнительно расширяет спектр колебаний подвесной резонансной системы, поскольку добавляются упругие элементы, отзывающиеся на внешнее воздействие на собственных резонансных частотах. Это расширяет спектр колебаний колебательной системы гасителя в целом. Этому же дополнительно способствуют промежуточные участки средней части 3 спиральной пряди 1, которые дополнительно обогащают указанный спектр. Отсутствие жесткого крепления грузов 4 внутри средней части спиральной пряди 1 и возможность их небольшого перемещения с трением внутри спиральной пряди обеспечивает достижение вышеуказанного эффекта. В результате расстройка изначально острого резонанса механических колебаний проводов ВЛЭП увеличивается по сравнению с прототипом, падение добротности системы в целом возрастает, что приводит к еще большему снижению амплитуды колебаний, происходящих в проводе ВЛЭП.
При этом в предлагаемом гасителе преодолеваются недостатки прототипа - обеспечивается компенсация колебаний провода ВЛЭП в повышенном диапазоне скоростей ветра, повышается функциональная гибкость - способность приспособления к конкретным для данной местности условиям эксплуатации. Последнее объясняется наличием множества дополнительных управляющих параметров (направление навивки спиральных прядей и разделенных пучков их конечных участков, а также масса и форма грузов, их количество и расстояние между ними), способных обеспечить требуемый результат на ВЛЭП самых различных масштабов и эксплуатационных характеристик. Кроме того, простота реализации обеспечивает повышенную надежность и экономическую эффективность гасителя.
Далее покажем, что существенные признаки предлагаемого гасителя действительно обеспечивают требуемый технический результат.
То, что гаситель содержит по крайней мере одну спиральную прядь 1, выполненную, по крайней мере, из одного пружинного элемента, ось симметрии спиральной пряди 1 совпадает с плоскостью, проходящей через провод 2, ее средняя часть 3 соединена с грузами 4, а ее крайние участки 5 и 6 навиты на провод, а грузы 4 размещены внутри средней части 3 спиральной пряди 1 способствует появлению резонансных частот, отличные от частот колебаний проводов 2 ВЛЭП. При колебаниях проводов 2 грузы 4 перемещаются внутри спиральной пряди 1 с коэффициентом трения, заданным материалами пряди и грузов и степенью их прижатия в месте контакта. Поэтому энергия колебаний проводов 2 частично расходуется на трение в системе «груз-спираль», а также перекачивается в дополнительную колебательную систему - спиральную прядь 1 с грузами 4, усложненную наличием промежуточных участков 9. Добротность колебательной системы в целом падает, что приводит к снижению амплитуды колебаний, происходящих в проводе 2 ВЛЭП.
Этому же способствует и введение паразитных резонансов за счет добавления дополнительных упругих связей между грузами, а также на промежуточных участках 9, что приводит к дополнительному падению добротности системы в целом.
Использование спиральной пряди при ее навивке на провод упрощает монтаж, ускоряет его и снижает себестоимость.
То, что в гасителе средняя часть 3 спиральной пряди 1 расположена ниже провода 2, на уровне провода или выше провода 2, или состоит из двух сегментов - один выше, а другой ниже провода 2, расширяет арсенал возможных характеристик гасителя, оптимальных для подавления колебаний проводов 2 конкретных ВЛЭП с характерными для них параметрами (длина провода, погонная масса, тип провода и т.д.) и условиями эксплуатации (ветровая нагрузка, температура, обледенение и т.д.).
То, что в гасителе грузы выполнены в виде эллипсоидов вращения, вытянутых вдоль оси спиральной пряди, выполненной в виде цилиндрической пружины, причем диаметр грузов больше внутреннего диаметра спиральной пряди в свободном состоянии, добавляет еще одну степень свободы, связанную с перемещением грузов по инерции внутри средней части спиральной пряди и проявление эффекта трения. Это дополнительно снижает добротность колебательной системы ВЛЭП в целом и обеспечивает требуемый положительный эффект изобретения. Диапазон указанных в формуле изобретения соотношений диаметра провода и внутреннего диаметра крайних участков спирали в свободном состоянии, размеров груза и спирали, а также соотношений расстояний между грузами и их собственных длин обеспечивает достижение положительного эффекта в требуемом диапазоне условий эксплуатации.
То, что в гасителе вдоль провода расположено несколько спиральных прядей 1, при этом средняя часть 3 предыдущей спиральной пряди 1 расположена на уровне провода 2 с одной стороны провода 2, а средняя часть 3 последующей спиральной пряди 1 расположена на уровне провода 2 с противоположной его стороны, уменьшает раскачку провода 2, поскольку расположенные по разные стороны провода 2 спиральные пряди 1 закручивают провод 2 в разные стороны, ограничивая его общую закрутку, которая могла бы перекачать свою энергию в крупномасштабные эффекты галопирования.
То, что в гасителе вдоль провода 2 расположено несколько спиральных прядей 1, при этом плоскость средней части 3 предыдущей спиральной пряди 1 развернута на угол в диапазоне 90°±30° относительно средней части последующей спиральной пряди 1, вызывает эффекты, близкие к ранее рассмотренным. Действительно, при расположении грузов 4 одного гасителя эксцентрично относительно провода 2 и подвески их в одну сторону от провода, а в последующем гасителе - в противоположную сторону и т.д. по всему пролету линии изменяются собственные частоты изгибно-крутильных колебаний провода и таким образом достигается эффективное гашение пляски одиночных проводов ВЛЭП.
То, что в гасителе направление навивки крайних участков спиральной пряди противоположно направлению навивки проволок в верхнем повиве провода, повышает прочность крепления спиральной пряди на проводе 2, т.к. его раскрутка в ходе галопирования приводит к закрутке спиральной пряди 1, т.е. к более плотному контакту и усилению сил трения между спиральной прядью и проводом.
То, что в гасителе направление навивки левой крайней части 5 спиральной пряди 1 противоположно направлению закрутки правой крайней части 6 спиральной пряди, повышает надежность крепления спиральной пряди 1 на проводе 2, т.к. при разнонаправленных закрутках провода 2 на одной из сторон произойдет ослабление сил трения между спиральной прядью 1 и проводом 2, то на противоположной стороне спиральной пряди 1 сила трения будет увеличена. При противоположной фазе периодической закрутки провода 2 исходная сила трения будет восстановлена.
То, что в гасителе спиральная прядь 1 выполнена в виде двух противоположно навитых спиралей, размещенных одна внутри другой, причем внутренний диаметр внешней спирали в свободном состоянии меньше внешнего диаметра внутренней спирали в свободном состоянии, а каждая из спиралей выполнена из, по крайней мере, одного пружинного элемента, обеспечивает блокировку развивания пружин во времени из-за осевых поворотов провода 2, поскольку развивание (ослабление витков) одной из пружин будет сопровождаться свиванием (сжатием витков) другой пружины. В результате крепление спиральной пряди 1 на проводе 2 не будет ослаблено.
То, что в гасителе крайние части 5 и 6 спиральной пряди 1 при навивке на провод 2 разделены на два разнонаправленных отдельных пучка, приводит к тому, что крепление спиральной пряди на проводе не будет ослаблено с учетом различных характеристик проводов и жил спиральной пряди 1.
Следует также ответить, что простота конструкции обеспечивает ее надежность, сокращает сроки монтажа и снижает стоимость устройства. Предлагаемый гаситель компактен и его высотный монтаж возможен с использованием одной опорной площадки, что невозможно при использовании гасителей с протяженной геометрией.
Итак, заявляемый гаситель пляски проводов ВЛЭП прост по своему конструктивному исполнению, соответственно, обладает повышенной надежностью работы, не требует значительных затрат при изготовлении, не оказывает отрицательного влияния на провод из-за того, что почти все элементы гасителя выполнены с применением спиральной арматуры, эффективен с точки зрения достижения высоких эксплуатационных характеристик.
Проведенные эксперименты подтвердили работоспособность предложенного гасителя. После проведения всесторонних испытаний он будет рекомендован к серийному производству.
Список источников информации:
1. RU №2570347 Данилин А.Н. и др. Гаситель низкочастотных колебаний проводов ВЛ электропередачи (варианты) Опубл. 10.12.2015 Бюл. №34.
2. RU №2365009 / Рыжов С.В. и др. Гаситель пляски проводов воздушной линии электропередачи. Опубл. 20.08.2009 Бюл. №23
3. RU №2575918 / Рыжов С.В. и др. Гаситель ветровых колебаний универсальный (варианты) Опубл. 27.02.2016 Бюл. №6.