Адаптивный магнитореологический демпфер пляски и вибрации проводов воздушных линий электропередачи

Область техники
Полезная модель относится к области электроэнергетики, в частности к конструкциям управляемых гасителей пляски и вибраций проводов воздушных линий электропередачи, выполненных с использованием магнитореологических жидкостей, способных изменять свои реологические свойства под воздействием внешнего магнитного поля.
Ветер и гололедные образования оказывают на воздушные линии электропередачи (ЛЭП) статические и динамические силовые воздействия, приводящие к износу и разрушению высоковольтной арматуры, обрыву проводов, схлестыванию проводников с грозотросами и друг с другом, разрушению гирлянд изоляторов. Наиболее уязвимыми узлами опор воздушных ЛЭП являются гирлянды изоляторов, непосредственно воспринимающие силовые воздействия, оказываемые колеблющимися из-за порывов ветра проводами. При этом гололедные образования усугубляют колебательные процессы в воздушных линиях, увеличивая площадь профиля проводов, воспринимающих ветровую нагрузку, отчего наибольшее число аварий на ЛЭП происходит именно в осенне-зимний период [1, 2]. Более того, падение наледи вызывает подскок и закручивание провода, оказывая тем самым ударную нагрузку на крепежную арматуру опоры ЛЭП.
Вибрация проводов ЛЭП с частотой 10-100 Гц возникает при скоростях ветра 0,6-0,8 м/с. Следствием вибрации являются изломы проволок проводов, самоотвёртывание болтов креплений, износ частей арматуры гирлянд изоляторов. Опыт эксплуатации показывает, что вибрация проводов наблюдается чаще всего на линиях, проходящих по открытой и ровной местности. Особенно опасна вибрация проводов ЛЭП на переходах через реки и водные пространства с пролетами длиной более 500 м.
Пляска проводов относится к низкочастотным колебаниям порядка 0,2 - 5 Гц с амплитудой 10-100% от стрелы провисания провода ЛЭП и обусловлена взаимодействием его вертикальных и крутильных колебаний. Как правило, пляска проводов наблюдается на воздушных линиях напряжением свыше 110 кВ. Опасность пляски заключается в том, что колебания проводов отдельных фаз, а также проводов и тросов происходят несинхронно: зачастую наблюдаются случаи, когда провода перемещаются в противоположных направлениях, сближаются или схлестываются. При этом происходят электрические разряды, вызывающие оплавление отдельных проволок, а иногда и обрывы проводов.
Для защиты арматуры и проводов от пляски, нахлестов и эоловой (высокочастотной) вибрации на ЛЭП применяются различные типы виброгасителей. Фазные, межфазные распорки и маятниковые гасители применяются для ограничения пляски проводов и предотвращения их нахлеста. Пружинные гасители, демпферы Стокбриджа и демпферы с подпружиненными грузами, работающие по принципу динамических гасителей, активно используются для гашения эоловой вибрации на воздушных ЛЭП любого напряжения [3].
Уровень техники
Известен гаситель пляски и вибрации проводов воздушных ЛЭП, состоящий из зажима, сферического корпуса, заполненного вязкой жидкостью, с подпружиненной массой внутри [4]. Гашение колебаний обеспечивается за счет работы сил тяжести, инерции, упругости, вязкого демпфирования и сухого трения. Главным недостатком такого демпфера является узкий рабочий частотный диапазон и низкая эффективность в области низкочастотных колебаний. Компенсация этого недостатка возможна путем применения гасителя большей массы, что, в свою очередь, приведет к снижению эффективности борьбы с высокочастотной вибрацией.
Известен натяжной зажим для гашения пляски и вибрации проводов воздушных линий, состоящий из поршня, связанного с корпусом посредством тарельчатых пружин [5]. Зажим защищает гирлянды изоляторов, непосредственно воспринимая осевые нагрузки, действующие при колебаниях провода. Снижение нагрузок на изоляторы осуществляется главным образом за счет работы сил упругости. Недостатком технического решения является почти полное отсутствие защиты от пляски и нахлестов проводов друг на друга. Кроме того, такие зажимы подходят только для установки на анкерные опоры линий электропередачи.
Известен гаситель пляски проводов воздушных линий с расщепленной фазой, состоящий из двухарочной несущей рамы, двуплечего маятника, фазной распорки и демпфера крутильных колебаний [6]. Гашение пляски проводов осуществляется за счет работы сил инерции, гравитации и сухого трения. Главными недостатками технического решения являются громоздкость и массивность конструкции. К тому же такой гаситель малоэффективен в гашении высокочастотной вибрации, может быть установлен только на линию с расщепленной фазой и может частично потерять свои функции в случае гололедообразования.
Известен гаситель колебаний проводов воздушных линий электропередач, включающий в себя герметичный корпус с зажимом, заполненный магнитореологической жидкостью, поршневого диска с маятником и электромагнитов [7]. Гашение пляски и колебаний проводов осуществляется за счет использования сил инерции, гравитации и вязкого трения. Основным недостатком такой конструкции следует считать шарнирность соединения маятника с поршневым диском, что может привести к непрогнозируемому поведению демпфирующей системы и к невозможности эффективного управления вязкостью жидкости. Более того, в описании конструкции не раскрывается расположение электромагнитов и питающих выводов, направление силовых линий магнитных полей.
Известно устройство для гашения колебаний проводов воздушных линий, состоящее из цилиндрического корпуса и штока с петлями для подвешивания проводов, двух соприкасающихся пружин с противоположной навивкой [8]. Таким образом, виброгашение будет осуществляться за счет сил упругости и сухого трения между пружинами, штоком и корпусом. Кроме того, такой демпфер обеспечивает повышенную защиту гирлянд изоляторов от ударных и случайных силовых воздействий. Недостатком конструкции является низкая демпфирующая способность, возможность усиления колебаний проводов вследствие резонанса. Более того, в случае множественного застревания витков пружин гаситель может потерять свои функции.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности является управляемый гаситель пляски проводов воздушных линий электропередачи, описанный в патенте [9]. Устройство состоит из корпуса, штока-поршня с постоянным магнитом, пружины, электромагнитной катушки, аккумулятора, преобразователя, акселерометра и нагревательного элемента. Вырабатываемая за счет электромагнитной индукции энергия используется для плавки гололедных образований на устройстве, а также подачи сигнала от акселерометра на устройства мониторинга. Виброгашение осуществляется за счет силы упругости.
Предложенное устройство обладает рядом недостатков. Во-первых, устройство малопригодно для гашения горизонтальных составляющих колебаний, и использует лишь силу упругости для виброгашения, что в свою очередь может способствовать резонансному усилению колебаний проводов. Во-вторых, многие датчики и электронные компоненты устройства могут быть подвержены воздействию магнитного поля со стороны провода, что может привести к неправильной работе. В-третьих, многие элементы конструкции повышают сложность и стоимость устройства, не повышая при этом его эффективность, например, акселерометр, станция мониторинга, изолирующая прослойка и система управления.
Сущность полезной модели
Задачей настоящей полезной модели является снижение интенсивности и амплитуды пляски и вибрации проводов воздушных линий электропередачи, а также предотвращение разрушения крепежной арматуры, изоляторов и обрыва проводов концевых и анкерных опор вследствие действия переменных и случайных ветровых и гололедных нагрузок. Технический результат достигается посредством адаптивного магнитореологического демпфера, устанавливаемого между гирляндой изоляторов и проводом, обладающего следующей совокупностью существенных конструктивных признаков:
адаптивный магнитореологический демпфер включает в себя шток-поршень, способный перемещаться внутри заполненного магнитореологической жидкостью корпуса, создавая тем самым силу сопротивления при движении;
между нижней крышкой и поршнем демпфера расположена пружина сжатия;
поршень содержит в своем составе электромагнит, позволяющий управлять посредством наведения внешнего магнитного поля вязкостью и пределом текучести магнитореологической жидкости в узком кольцевом канале внутри поршня, изменяя тем самым силу сопротивления его движению;
бесперебойность питания электромагнита обеспечивается наличием аккумулятора внутри поршня и первичного источника питания, установленного на защищаемый провод, причем эти элементы электрически связаны токоведущими выводами, проходящими через отверстие внутри штока;
поршень содержит в своем составе блок электроники, включающий аккумулятор, акселерометр, преобразователь и систему управления, предназначенную для адаптивного управления силой сопротивления.
Краткое описание чертежей
Возможность осуществления полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен общий вид адаптивного магнитореологического демпфера пляски и вибрации проводов воздушных линий электропередачи; на фиг. 2 - общий вид магнитореологического поршня демпфера пляски и вибрации проводов воздушных линий электропередачи.
Адаптивный магнитореологический демпфер состоит из верхней крышки-фланца 1 с рядом концентрических отверстий, ниппелем 2 для закачки газа и проушиной 3 для соединения с крепежной арматурой, по крайней мере, четырех длинных стягивающих болтов 4, уплотнительного кольца 5, полого стального корпуса цилиндрической формы 6, внутри которого расположен поршень 7, разделяющий корпус на гидравлически связанные между собой компенсационную 8 и рабочую 9 камеры, эластичной гофрированной мембраны 10, отделяющей газовый накопитель 11, пружины сжатия 12, обоймы сальника 13, сальника с уплотнительным кольцом 14, нижней крышки-фланца демпфера 15 с концентрическими отверстиями, по меньшей мере, четырех болтов 16, четырех шайб 17 и гаек 18, штока 19 с отверстием для электрических выводов 20 и проушиной 21 для крепления к арматуре проводов.
Магнитореологический поршень 7 состоит из верхней стальной крышки полой цилиндрической формы с рядом концентрических дугообразных отверстий и рядом круглых отверстий 22, стальной основы 23 с Г-образным отверстием 24 и концентрическими круглыми отверстиями с выточенной внутренней резьбой, по меньшей мере, трех соединительных винтов 25, немагнитной кольцеобразной крышки 26, уплотнительных колец 27, 28, 29, цилиндрического отсека 30 с внутренним отверстием (на чертеже не показано, находится напротив отверстия 24), электромагнитной катушки 31 с медной обмоткой 32 и выходящими из внутренней части выводами (на чертеже не показаны), заполненного магнитореологической жидкостью кольцевого гидравлического канала 33, по меньшей мере, одного поршневого кольца 34, нижней стальной крышки поршня 35 с концентрическими длинными дугообразными отверстиями, круглыми сквозными отверстиями 36 и отверстиями с выточенной резьбой под винты 37, центрирующим выступом 38 и цилиндрическим отверстием 39, цилиндрической пластиковой коробки 40, блока электронных компонентов 41, и, по меньшей мере, четырех соединительных винтов 37.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели
Адаптивный магнитореологический демпфер состоит из стального цилиндрического полого корпуса 6, внутри которого расположен подвижный поршень 7 с жестко закрепленным на нем стальным штоком 19. Внутренний объем корпуса демпфера 6 разделен поршнем 7 на рабочую 9 и компенсационную 8 камеры, заполненные магнитореологической жидкостью и гидравлически связанные кольцевым каналом 33 в поршне 7.
Снизу рабочая камера 9 ограничена обоймой 13 сальника 14, жестко зафиксированной на корпусе демпфера 6 посредством болтового соединения 16. Таким образом, сальник 14, обеспечивающий герметичность рабочей камеры 9, оказывается зажат между корпусом 6 и обоймой 13. Для повышения надежности конструкции в демпфере используется армированный сальник.
Между поршнем 7 и обоймой сальника 13 в рабочей камере 9 располагается стальная пружина 12, работающая преимущественно на сжатие. Верхний конец пружины 12 фиксируется на центрирующем выступе 38 внизу поршня 7. Нижний конец пружины 12 плотно прилегает к обойме 13 за счет силы давления, а в процессе эксплуатации прижимается еще и весом провода. С целью предотвращения перекоса пружины 12 в процессе работы ее нижний конец центрирован наличием выступа на обойме 13.
Компенсационная гидравлическая камера 8 демпфера сверху ограничена эластичной мембраной 10, с другой стороны которой находится газовый накопитель 11. Внутри газового накопителя 11, ограниченного мембраной 10 и верхней крышкой демпфера 1, содержится газ под давлением 3-10 бар. Закачка газа в камеру 11 осуществляется через ниппель 2 в верхней крышке демпфера 1.
Фиксация верхней крышки-фланца 1 на корпусе осуществляется за счет ее соединения с нижней крышкой-фланцем 15 посредством длинных болтов 4, гаек 18 и шайб 17. Таким образом, верхняя 1 и нижняя крышка-фланец 15 плотно прилегают к корпусу демпфера 6, дополнительно отцентрированные соединением «выступ - впадина». Герметичность компенсационной камеры 8 и газового накопителя 11 обеспечивается уплотнительным кольцом 5, расположенным между верхней крышкой 1 и корпусом 6. Мембрана 10 также зажимается между корпусом 6 и крышкой 1 благодаря наличию утолщений по краям и концентрического паза на верхнем основании корпуса 6, что предотвращает возможность срыва мембраны 10 в процессе эксплуатации.
Поршень 7 состоит из верхней стальной магнитопроводной крышки 22 и стального магнитопроводного сердечника 23, соединенных друг с другом винтами 25. При этом на сердечник надевается катушка 31 с медной обмоткой 32, помещенная в цилиндрический корпус 30 из немагнитного материала (нержавеющая сталь, дюралюминий). Корпус 30 необходим для предотвращения попадания рабочей жидкости из канала 33 в обмотку 32, для чего он накрывается кольцевидной крышкой 26 из фторопласта или другого твердого материала с низким трением. При затягивании винтов 25 крышка 26 сдавливает уплотнительные резиновые кольца 27, 28, расположенные на стенках цилиндрического корпуса 30 и обеспечивающие хорошую герметичность конструкции поршня 7.
Токоведущие выводы медной обмотки 32 выходят через отверстие в нижней части корпуса катушки 31, соответствующее узкое отверстие в цилиндрическом корпусе 30, Г-образный канал 24 в сердечнике 23 и подсоединяются к источнику питания внутри блока электроники 41 в нижней части поршня.
Блок электроники 41 представляет собой цилиндрическую коробку 40 из диэлектрического материала (гетинакс, текстолит) с расположенными внутри нее акселерометром, аккумулятором, преобразователем и микросхемой с заложенным внутри нее алгоритмом управления. Коробка 40 расположена внутри «стакана», являющегося нижней частью стального сердечника 23, и плотно прижата снизу крышкой поршня 35. Для повышения герметичности соединения между стальной нижней крышкой 35 и коробкой 40 расположена резиновая уплотнительная пластина 29. Нижняя крышка 35 надевается на выступы «стакана» сердечника 23 через гидравлические концентрические отверстия и упирается в них. При этом нагрузка, приходящаяся на диэлектрическую коробку 40 при сдавливании пластины 29, будет зависеть от величины зазора между коробкой 40 и крышкой 35, а также жесткости и толщины пластины 29.
После установки нижней крышки поршня 35 на выступы «стакана» сердечника 23 детали соединяются винтами 37, для чего в крышке 35 предусмотрены боковые концентрические отверстия 36. При этом обечайки верхней 22 и нижней крышек 35 упираются друг в друга, соединяясь по принципу «выступ - впадина». На внешнюю поверхность верхней крышки 22 также надевается поршневое кольцо 34 для центрирования поршня 7 относительно корпуса 6, исключения протекания рабочей жидкости между ними, снижения трения и истирания поверхностей.
На нижней крышке поршня 35 находится цилиндрический выступ для установки пружины сжатия 12. Внутри нижней крышки 35 предусмотрено сквозное отверстие 39, сопряженное с длинным каналом внутри штока 20, по которому пролегают провода, соединяющие блок электроники 41 с первичным источником питания, устанавливаемым на защищаемый провод. Шток 19 соединяется с нижней крышкой поршня в области 42 посредством резьбового соединения, либо является с ней одним сплошным телом.
Кольцевой гидравлический канал 33 образуется между верхней 22 и нижней 35 крышками поршня, сердечником 23 и цилиндрическим корпусом 30, а также кольцевой крышкой 26 и уплотнительным кольцом 28. Для гидравлической связи канала 33 с жидкостными камерами 8, 9 в крышках 22, 35 предусмотрены сквозные дугообразные концентрические отверстия, являющиеся продолжением канала 33.
Принцип действия полезной модели
Корпус демпфера крепится к гирлянде изоляторов через крепежную арматуру посредством проушины 3 в верхней крышке-фланце 1. Наружный конец штока 19 за проушину 21 крепится к поддерживающему или натяжному зажиму одиночного провода или зажиму для проводов расщепленной фазы воздушной линии электропередачи. Соответственно, электрический потенциал демпфера будет равен потенциалу провода.
При расположении адаптивного магнитореологического демпфера между гирляндой изоляторов и защищаемым проводом внутри демпфера под действием внешней переменной силы (например, при колебаниях провода в вертикальной плоскости) перемещается подпружиненный шток 19 с поршнем 7, в который встроена электромагнитная катушка 32 магнитореологического трансформатора. Помимо катушки 32 трансформатор имеет в своём составе магнитопровод 22, 23 и кольцевой гидравлический канал 33, по которому между камерами 8, 9 протекает магнитореологическая жидкость. В результате перемещения штока-поршня 7, например, при опускании удерживаемого участка провода во время галопирования, уменьшается объём рабочей камеры 24. Вследствие разности давлений часть магнитореологической жидкости перетекает через дроссельный канал 33 из рабочей камеры 9 в компенсационную камеру 8. При перемещении жидкости в компенсационную камеру 8, давление внутри последней уравновешивается давлением сжатого газа 11, заполняющего пространство между мембраной 10 и крышкой-фланцем 1. Наличие такой камеры делает возможным ход штока 19 внутри демпфера, защищает его от осевых ударных нагрузок, несколько повышает качество виброгашения в низкочастотном диапазоне и позволяет предотвратить опасное явление кавитации, возникающее при большой разности давлений между камерами 8, 9 и приводящее к разрушению внутренних стенок гидравлических устройств.
Пружина сжатия 12 вкупе с силой вязкого трения внутри движущегося поршня 7 создают силу сопротивления в вертикальной плоскости и, частично, в горизонтальной плоскости. При этом пружина 12 рассчитывается таким образом, чтобы ее ход вверх и вниз был примерно одинаков с учетом действующей силы давления со стороны газового накопителя 11 и веса провода, приведенного к штоку 19. Возможность вращения штока-поршня 7 внутри демпфера позволяет компенсировать недостаточную шарнирность узла крепления гирлянд изоляторов к траверсам, которая приводит к их разрушению и обрыву провода. Шарнирность обеспечивается двумя степенями свободы, а конструктивно - пружиной сжатия 12 и вращением штока-поршня 7.
Магнитореологический поршень функционирует следующим образом. При периодическом силовом воздействии на гидроподвес рабочая магнитореологическая жидкость будет перетекать между камерами по гидравлическому кольцевому каналу 33, образованному между стальными крышками 22, 35, сердечником 23 и цилиндрическим отсеком 30, а также между уплотнительными элементами 26, 28, 29, и по дугообразным отверстиям в крышках 22, 35, являющимся продолжением канала 33. При этом движению поршня будет оказываться сила сопротивления, одна часть которой пропорциональна скорости поршня, а другая - пределу текучести гидравлической жидкости. Внешние стенки поршня 7 плотно прилегают к внутренним стенкам гидроподвеса, следовательно, потока жидкости между ними нет, а благодаря наличию фторопластовых поршневых колец 34 трение будет минимальным. Когда силовое воздействие со стороны колеблющегося провода вызовет растяжение/сжатие демпфера с ускорением выше порогового значения, появляется электрический сигнал с акселерометра, поступающий на вход системы управления магнитореологическим трансформатором, на выходе которой формируется алгоритм управления ключами преобразователя, получающего питание от аккумулятора. На выходе преобразователя, расположенного в блоке 41, будет сформирован ток до I = 0,5 А, который поступит на обмотку катушки 32 по выводам, расположенным в канале 24. Таким образом, внутри поршня возникнет магнитное поле, силовые линии которого замкнутся через сердечник 23, верхнюю крышку 22 и некоторую область кольцевого канала 33 с магнитореологической жидкостью. Как известно, предел текучести магнитореологической жидкости даже в сравнительно слабых магнитных полях (50-100 кА/м) может достигать нескольких десятков кПа, причем под действием поперечных полей магнитореологический эффект примерно в 1,3-1,5 раз сильнее. Таким образом, конструкция поршня обеспечивает широкий диапазон управления пределом текучести магнитореологической жидкости, протекающей по гидравлическому каналу 33, за счет его малой ширины и направления магнитного поля поперечного течению жидкости.
Благодаря уникальным свойствам магнитореологических материалов адаптивный демпфер способен настраиваться под изменяющиеся динамические характеристики входного вибросигнала. Это приводит к изменению коэффициентов демпфирования и жесткости в колебательной системе «провод-демпфер». Управляющее магнитное поле будет изменяться синфазно с изменением частоты внешнего вибросигнала. Для достижения этой цели система управления адаптируется под изменение погонной массы провода (гололёдных отложений) и силы действия ветра. Это приводит к демпфированию и расстраиванию колебаний защищаемых проводов.
Литература
1. Подготовка к осенне-зимнему периоду 2016-2017, прохождение и основные итоги ОЗП 2015-2016 / Под ред. заместителя Министра энергетики Российской Федерации А. В. Черезова. 2016. - 216 с.
2. Ратушняк В.С. Статистический анализ аварийных отключений электроэнергии из-за гололедообразования на проводах ЛЭП на территории РФ [Электронный ресурс] / В.С. Ратушняк, В.С. Ратушняк, Е.С. Ильин, О.Ю. Вахрушева // Молодая наука Сибири: электрон. науч. журн. - 2018. - №1. - Режим доступа: http://mnv.irgups.ru/toma/11-2018, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус., англ. (дата обращения: 10.03.2021).
3. Brochure No 322 CIGRE “State of the art of conductor galloping”, 2007, Paris, 142 pp.
4. Vibration damper. Patent US 3780207 A.
5. Galloping preventive device JP 2004036770 A.
6. Гаситель пляски расщепленных проводов, его демпфер крутильных колебаний, воздушная линия электропередачи с таким гасителем и воздушная линия электропередачи с гасителем пляски, снабженным таким демпфером RU 2716701 C1.
7. Гаситель низкочастотных колебаний проводов воздушных линий электропередачи (варианты) RU 2570347.
8. Устройство для гашения колебаний проводов RU 2621722.
9. Device for reducing power transmission line galloping and application method thereof. Patent CN 103594996 A.