CC BY
399
Vitchuk Pavel Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, zzz Ventor@yandex. ru, Russia, Kaluga, Moscow Bauman State Technical University (Kaluga Branch),
Raevskiy Vladimir Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, var- 7 7amail. ru, Russia, Kaluga, Moscow Bauman State Technical University (Kaluga Branch),
Zajarnyj Sergej Leonidovich, candidate of technical sciences, docent, texnakon 'a yandex. ru, Russia, Kaluga, Moscow Bauman State Technical University (Kaluga Branch)
УДК 621.315.1 (083.96)
О ГАСИТЕЛЕ ПЛЯСКИ ПРОВОДОВ ВОЗДУШНЫХ ЛЭП
А. А. Виноградов, А.Н. Данилин, Е.Л. Кузнецова, Н.Н. Курдюмов, С.С. Тарасов
Приведено краткое описание конструкции и принципа действия гасителя пляски TDD (Torsional Damper and Detuner), предназначенного для установки на расщепленные провода воздушных ЛЭП 330-500-750 кВ. Дано описание стенда для определения эффективности энергорассеяния гасителя. Представлены некоторые результаты экспериментальных исследований.
Ключевые слова: провода расщеплённой фазы, пляска, гаситель пляски, эффективность энергорассеяния, экспериментальный стенд
Введение. Ветровой поток вызывает колебательные движения проводов воздушных ЛЭП и появление в них переменных динамических напряжений. Для защиты проводов от колебаний используют специальные устройства - демпферы, основным назначением которых являются снижение и рассогласование (расстраивание) динамических нагрузок на провода вследствие частичного рассеяния и перераспределения энергии колебаний.
Разработка гасителей низкочастотных колебаний, обеспечивающих эффективное демпфирование и рассогласование связанных изгибно-крутильных колебаний проводов, представляет значительный практический интерес. Прежде всего, это актуально в разработках систем энергобезопасности и надёжности для воздушных ЛЭП, которые подвергаются воздействию ветра в условиях обледенения. Не менее важными являются задачи, связанные с уменьшением динамических нагрузок на провода и кабели воздушных линий информационно-телекоммуникационного обеспечения.
Пляска (галопирование) проводов воздушных ЛЭП представляет собой низкочастотные колебания (0.2...0.6 Гц) с большой амплитудой и большой длиной волны, которые возникают при сочетании устойчивого или порывистого ветра 5...20 м/с с наличием на проводе гололёдного осадка [1 - 3]. Гололёд обычно откладывается с наветренной стороны провода. Как правило, гололёдное отложение имеет в сечении несимметричную форму относительно оси провода, поэтому поворот провода приводит к изменению воздействующей на него подъемной силы. Пляска проводов является разновидностью флаттерных колебаний, «пик-пик»-амплитуда которых может приближаться к стреле провеса провода и даже превышать её.
При пляске на проводах образуются стоячие волны, когда длина полуволны становится кратной длине пролёта. Чаще всего наблюдаются колебания с одной, двумя и тремя полуволнами в пролете. Поэтому, при пляске возникают значительные динамические усилия в проводе, линейной арматуре и в траверсах опор. Последствия пляски могут быть катастрофическими и приводить к выходу воздушной ЛЭП из работы на длительное время.
Маятниковые гасители. Маятниковый гаситель пляски получил широкое распространение для снижения амплитуд колебаний одиночных проводов воздушных ЛЭП 35-220 кВ. Принцип его действия заключается в следующем: маятник при возникновении пляски начинает вращаться вокруг оси провода, вовлекая в это движение и сам провод. В результате провод, провернувшись относительно гололедонесущего потока на некоторый угол, покрывается гололедом более равномерно, что снижает амплитуды пляски или вообще прекращает её.
Для расщепленных фаз этот принцип неприменим: закрученное положение расщепленной фазы считается аварийным режимом, которого следует избегать. При определенных условиях расщепленная фаза может не возвращаться в исходное рабочее положение.
Для защиты расщепленных фаз воздушных ЛЭП с двумя, тремя проводами и более в фазе в середине 80-х годов XX века бельгийским учёным Ж.-Л. Лилиеном (Jean-Louis Lilien) был предложен гаситель в виде маятника, вращение которого относительно расщепленной фазы происходит со значительным рассеянием энергии. Благодаря этому крутильные колебания, которые всегда присутствуют при пляске расщепленной фазы, подвергаются эффективному демпфированию, и их амплитуда снижается. Гаситель получил наименование TDD (Torsional Damper and Detuner), т.е. крутильный демпфер и расстраиватель колебаний. Первоначально этот гаситель был разработан для защиты от пляски проводов воздушных линий с двумя составляющими в фазе.
Кроме того, присутствие крутильных маятников на фазе существенно увеличивает момент инерции вращения фазы, и, тем самым, нарушается синхронность крутильных и поперечных колебаний, являющаяся
необходимым условием развития флаттерных колебаний. Соответственно снижаются и амплитуды поперечных колебаний (т.е. собственно пляска), т.к. уменьшается или прекращается поступление энергии от ветрового потока.
Конструкция гасителя показана на рис. 1. Гаситель состоит из корпуса, к которому подвешен маятник, причем ось вращения маятника параллельна фазе и расположена ниже проводов. В протяженных цилиндрах размещены специальные демпферы, выполненные из бутилкаучуковой резины. Этот материал обладает большим внутренним трением, за счет чего возникающие при пляске крутильные движения фазы тормозятся, и амплитуда пляски снижается.
Рис. 1. Фото гасителя пляски типа TDD для двухпроводной расщепленной фазы
Важно отметить, что демпферы такого типа рассеивают не всю энергию, возникающую при пляске проводов, а лишь ту ее часть, которая накапливается в виде крутильных перемещений фазы. Гаситель воздействует на причину возникновения пляски, снижая амплитуду вращательных колебаний фазы. При этом он обеспечивает уменьшение и амплитуды поперечных колебаний, проявляющихся как собственно пляска.
Конструкция гасителя ТББ-3. Общая компоновка опытного образца гасителя для трех проводов в фазе выбрана такой же, какую имеет гаситель двухпроводной расщепленной фазы [4]. Ось вращения маятника расположена ниже нижнего провода фазы, поэтому, чтобы избежать касания маятника и провода, штанги маятника выполнены изогнутыми, как показано на рис. 2. Для упрощения и удешевления конструкции узел демпфирования гасителя существенно изменен. Вместо протяженного (и весьма недешевого) демпфера из бутилкаучуковой резины, примененного в конструкции фирмы 8ЕБЛО, в предлагаемой разработке используется демпферный узел, аналогичный демпферному узлу распорки-гасителя субколебаний. Схема узла такого типа показана на рис. 3.
Для повышения эффективности демпфирования в демпферном узле используются два ряда шариков из озоностойкой резины, которые помещаются в углубления (профилированные каналы) по двум концентрически расположенным окружностям. Два ряда шариков потребовались для повышения уровня энергорассеяния по сравнению с демпферами распорок-гасителей. При этом относительная деформация сжатия для двух рядов шариков различна - внешние эластомерные элементы уложены в углублениях большей глубины по сравнению с внутренними.
Вес маятника воспринимается частично эластомерными шариками, частично опорной эластомерной шайбой на оси стяжной шпильки. Это существенно упростило всю конструкцию и, самое главное, обеспечило ей новые свойства - способность демпфировать малые поперечные колебания расщепленной фазы, возникающие от вибрации проводов.
400=10
Рис. 2. Общий вид гасителя пляски ТББ-З
127
Рис. 3. Основные элементы демпферного узла ТВБ-3: 1 - корпус с тягами для крепления к проводами при помощи плашек;
2 - вращающиеся тарельчатые диски; 3 - резиновые шарики;
4 - стяжная шпилька; 5 - стяжные шайбы
Для крепления корпуса гасителя к проводам расщепленной фазы применены стандартные плашки, причем диаметр их выбран таким, чтобы гаситель можно было устанавливать не непосредственно на поверхность проводов, а на спиральные протекторы, которые должны навиваться на провода в месте установки гасителя.
Механическая прочность системы крепления соответствует требованиям к прочностным характеристикам стандартных внутрифазных распорок (макс. усилие сжатия или растяжения, воздействующее между любыми двумя плашками, равно 200 кгс; макс. усилие сдвига плашек по проводу также равно 200 кгс).
Определение энергорассеяния на стенде. Схема испытаний представлена на рис. 4. К демпферному узлу были присоединены два датчика: потенциометр для измерения угла поворота маятника, и тензометрический датчик для измерения усилия, прикладываемого к рычагу маятника. Сигнал от испытательного стенда выводился на двухкоординатный осциллограф типа Б80. Результаты испытаний при отклонении маятника на предельный угол ± 30° представлены на рис. 5 в виде петель гистерезис-ных потерь. Средняя энергия за один цикл колебаний, которая вычисляется по площади петли гистерезиса, составила около 8 Дж, что при непрерывной работе гасителя дает около 20 Вт энергорассеяния на один гаситель. В пересчете на весь пролет энергорассеяние составит 40...60 Вт, что следует считать достаточным для демпфирования крутильных колебаний фазы.
Рис. 4. Схема стенда для испытаний гасителя ТББ-З на величину энергорассеяния: 1 - маятник гасителя; 2 - демпферный узел; 3 - потенциометр угла отклонения; 4 - осциллограф;
5 - датчик силы
Момент,
4 3 2 1
0
-30 -20 -10 о 10 20 30 Угол,
Рис. 5. Результаты испытаний гасителя при отклонении маятника на ±20° (а) и на ±30° (б)
Для определения логарифмического декремента затухания колебаний использовалась та же схема испытаний, при которых маятник гасителя отводился на предельный угол отклонения и освобождался. Через потенциометр, регистрирующий угол отклонения, производилась запись характера колебаний. Типичный результат испытаний представлен на рис. 6. Можно видеть, что характер свободных движений маятника близок к апе-
129
риодическому, что указывает на высокий уровень энергорассеяния, развиваемый демпферным узлом гасителя. Логарифмический декремент колебаний составил величину 1,7...2,7, что свидетельствует о высоком уровне энергорассеяния.
0.5У 0.2У 15
Рис. 6. Осциллограмма испытания гасителя на величину логарифмического декремента
Таким образом, на специализированном стенде показан весьма высокий уровень энергорассеяния гасителя пляски для расщепленных фаз воздушных ЛЭП с тремя проводами в фазе. Дальнейшие исследования TDD-3 в полевых условиях на испытательном полигоне Казахского НИИ энергетики (Курдайское плато) подтвердили эффективность новой конструкции гасителя пляски серии TDD-3.
Опытные варианты конструкции гасителя TDD-3 и экспериментальный стенд были изготовлены на предприятии ЗАО «Электросетьст-ройпроект» и использованы в ряде научно-исследовательских и производственных проектов.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке грантов Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук (МК-1204.2017.8 и МК-7072.2016.8).
Список литературы
1. Бекметьев Р.М., Жакаев А.Ш., Ширинских Н.В. Пляска проводов воздушных линий электропередачи. Алма-Ата: Изд-во «Наука» Казахской ССР, 1979. 151 с.
2. Глазунов А.А. Основы механической части воздушных линий электропередачи. Т.1. Работа и расчет проводов и тросов. М.-Л.: Госэнер-гоиздат, 1956. 192 с.
3. State of the art of conductor galloping. Cigre: Task force B2.11.06. June 2007. 140 p.
4. Damper for galloping conductors for overhead power transmission lines. Patent WO 2005/117228, PCT/RU2005/000302.
Виноградов Александр Абрамович, канд. техн. наук, вед. науч. сотр., alex. vin35@gmail. com, Россия, Москва, ИПРИМРАН,
Данилин Александр Николаевич, д-р физ.-мат. наук, проф., зав. кафедрой, an-danilin@yandex. ru, Россия, Москва, ИПРИМ РАН, Московский авиационный институт,
Кузнецова Елена Львовна, канд. физ.-мат. наук, доц., vida kuamail.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт,
Курдюмов Николай Николаевич, канд. физ.-мат. наук, доц., nick.n.kurdyumovagmail.com, Россия, Москва, Московский авиационный институт,
Тарасов Сергей Сергеевич, канд. техн. наук, инж., maitarasovamail.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт
ON THE GALLOPING DAMPER FOR OPL CONDUCTORS A.A. Vinogradov, A.N. Danilin, E.L. Kuznetsova, N.N. Kurdyumov, S.S. Tarasov
Brief description of the design and operation principle of galloping damper TDD (Torsional Damper and Detuner) for installation on the conductors of OPL 330-500-750 kV is presented. A description of the stand to determine the dissipation effectiveness is given. And some experimental results are shown as well.
Key words: conductors of split phase, galloping, damper, dissipation effectiveness, experimental stand.
Vinogradov Alexander Abramovich, candidate of technical sciences, leading researcher, alex. vin35@gmail. com, Russia, Moscow, IPRY RAS,
Danilin Alexander Nikolaevich, doctor of physical and mathematical sciences, professor, head of chair, andanilinayandex. ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute,
Kuznetsova Elena Lvovna, candidate of physical and mathematical sciences, docent, vida ku a mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute,
Kurdyumov Nikolay Nikolaevich, candidate of physical and mathematical sciences, docent, nick. n. kurdyumov@gmail. com, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute,
Tarasov Sergey Sergeyevich, candidate of technical sciences, engineer, maitara-sov@mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute
