Причины возникновения, характеристики вибрации

Эоловой вибрацией или просто вибрацией проводов называются вызываемые ветром периодические колебания натянутого в пролете ВЛ провода, происходящие, главным образом, в вертикальной плоскости и образующие на длине пролета L стоячие волны. Участки стоячих волн, где провод совершает наибольшие отклонения от положения равновесия, называются пучностями, а точки, где провод совершает только угловые колебания - узлами (рис. 2.1).

Измерения и расчеты показывают, что для вибрации проводов характерными являются диапазон частот колебаний ω от 3 до 150 Гц, длины полуволн колебаний λ/2 (расстояние между двумя соседними узлами) от 1 до 30 м, размах (удвоенная амплитуда) колебаний 2 А в пучности может несколько превышать по значению диаметр провода.

Интенсивность вибрации может характеризоваться следующими величинами:

-размахом 2 А или амплитудой А колебаний в пучности;

-углом вибрации a;

-изгибной амплитудой yc, которая в соответствии со сложившейся международной практикой определяется на расстоянии Хс = 89 мм (рис. 2.2) от последней точки контакта провода с зажимом [2];

-амплитудой деформации провода в зажиме;

-амплитудой циклических напряжений в точке выхода провода из зажима.

. Вибрация является результатом воздействия на провод поперечно направленного аэродинамического потока со скоростью от 0,6 до 7 м/с, создающего за проводом периодически возникающие и срывающиеся вихревые движения воздуха. Возникающие за проводом вихри уносятся воздушными потоками, способствуя образованию следующих вихрей с противоположным направлением вращения.

Струхалем было найдено безразмерное число St устанавливающее взаимосвязь между скоростью потока, диаметром цилиндра и частотой вихрей [3]

S t= n D / V (2.1)

Где

ν - частота образования вихрей;

D - диаметр цилиндра;

V- скорость потока.

Для аэродинамики проводов характерны числа Струхаля в диапазоне от 0,18 до 0,22. Из выражения (2.1) получена удобная для практического использования формула для определения частоты образования вихрей

(2.2)

где ν - частота образования воздушных вихрей, Гц;

V - скорость ветра, м/с;

D - диаметр провода, мм;

St = 0,18 ÷ 0,22 - число Струхаля.

Рис. 2.1. Стоячая волна вибрации провода в пролете ВЛ:

1 - узел колебаний; 2 - пучность;

L - длина пролета; λ - длина волны колебаний; А - амплитуда колебаний; 2 А - размах колебаний; a - угол вибрации

Рис. 2.2. Деформированное состояние провода при жестком закреплении на конце:

yc - изгибная амплитуда; Хс - расстояние от последней точки контакта провода с зажимом

Рис. 2.3. Схема вихреобразования за проводом

В момент развития вихря скорость потока с одной стороны (например, верхней) несколько возрастает по сравнению со скоростью потока с противоположной (нижней) стороны; при образовании следующего вихря, с обратным направлением вращения, получается обратное соотношение скоростей потока. По закону Бернулли разнице скоростей потока соответствует разница давления - большей скорости соответствует меньшее давление и наоборот. Периодическому образованию вихрей сопутствуют периодические импульсы силы, поочередно действующие на провод на данном его участке то снизу, то сверху (рис. 2.3).

Вибрация провода возникает в результате совпадения частоты таких динамических импульсов с одной из собственных частот упругой системы, которую представляет собой натянутый в пролете провод. Такие аэродинамические импульсы приводят к постепенному нарастанию амплитуды колебаний. Возникающее колебательное движение провода координирует срыв вихрей на отдельных его участках, синхронизируя срыв вихрей с переменой направления движения провода. Развитие колебаний и рост их интенсивности продолжается до тех пор, пока не наступает состояние баланса между энергией ветра, воспринимаемой в виде аэродинамических импульсов, и потерями на рассеивание энергии колеблющимся проводом

Для защиты от вибрации алюминиевых проводов и проводов из алюминиевого сплава АН сечением 35 - 95 мм2, сталеалюминевых проводов и проводов из алюминиевого сплава АЖ сечением 25 - 70 мм2, медных и стальных проводов и тросов сечением 25 - 35 мм2 рекомендуется применение гасителей вибрации петлевого типа. Основные размеры петлевых гасителей для указанных проводов приведены в табл. 3.4.

Конструкция и расположение петлевого гасителя у поддерживающего зажима показаны на рис. 3.1. Петлевой гаситель выполняется из отрезка провода той же марки, что и защищаемый провод. Гаситель крепится к основному проводу петлевыми плашечными зажимами (например, типа ПА, ПАБ, ПС).

Геометрические размеры петлевых гасителей для проводов, не вошедших в табл. 3.4, могут быть определены по формулам [4]

(3.1)

(3.2)

где в - ширина провеса петли, м;

а - длина петли, м;

К = 10-3 - коэффициент размерности, с/мм;

D - диаметр провода, мм;

Т э - тяжение проводов при среднегодовой температуре, Н;

т - масса провода, кг/м.

. Для защиты от вибрации алюминиевых проводов сечением 120 - 300 мм2, проводов из алюминиевых сплавов АН и АЖ и других сечением 120 - 185 мм2, сталеалюминиевых проводов сечением 120 ¸ 300 мм2, стальных тросов сечением 50 ¸ 120 мм2 могут применяться гасители вибрации петлевого типа из трех петель, конструкция и размеры которых показаны на рис. 3.2. Петлевые гасители этого типа также выполняются из отрезков провода той же марки, что и защищаемый провод. Крепление петель производится трехболтовыми плашечными петлевыми зажимами типа ПА. Размеры петель определяются по формулам (3.1), (3.2). Трехпетлевой гаситель по эффективности гашения вибрации не уступает гасителям Стокбриджа.

Применение трехпетлевых гасителей рекомендуется в районах с частой пляской проводов, поскольку при возникновении пляски полностью отсутствует опасность повреждения защищаемого провода гасителем. В случае же применения гасителей Стокбриджа при возникновении пляски существует опасность повреждения провода в местах установки гасителей типа ГВН или ГПГ (ГПС), разрушения самих гасителей.

Основным способом защиты от вибрации ВЛ с одиночными проводами и тросами является применение гасителей Стокбриджа. Для защиты от вибрации алюминиевых проводов и проводов из алюминиевого сплава АН сечением 120 мм2 и более, сталеалюминиевых проводов, проводов из алюминиевого сплава АЖ и проводов АЖС из алюминиевого сплава АЖ со стальным сердечником сечением 95 мм2 и более, медных и стальных проводов и тросов сечением 50 мм2 и более рекомендуется применение стандартных гасителей вибрации ГВН [5] или ГПГ [6].

Конструкция гасителей типа ГВН, ГПГ дана в приложении 1 (рис. П1.6) геометрические и физические параметры приведены в табл. П1.3, П1.4 приложения. Гаситель ГПС отличается от гасителей ГПГ только конструкцией зажима.

В зависимости от длины пролетов и тяжения проводов (тросов) гасители вибрации Стокбриджа устанавливаются на проводах с обеих сторон пролета (рис. 3.3, а), либо только с одной стороны пролета (рис. 3.3, б).

Односторонняя установка гасителей допускается в следующих случаях:

в пролетах длиной менее 150 м, независимо от значения механического напряжения в проводах (тросах); при этом не допускается односторонняя установка гасителей, если трасса ВЛ проходит по местности категории I;

в пролетах длиной 150 - 200 м, если расчетное механическое напряжение в проводах (тросах) при среднегодовой температуре не превышает значений, указанных в табл. 3.3.

Рис. 3.1. Петлевой гаситель вибрации

Рис. 3.2. Трехпетлевой гаситель вибрации

Рис. 3.3. Схема установки гасителей вибрации на ВЛ:

а - установка гасителей с обеих сторон пролета; б - установка гасителей с одной стороны пролета

При установке гасителя Стокбриджа место его установки выбирается с таким расчетом, чтобы во всем диапазоне опасных частот вибрации гасители не были расположены в узлах колебаний. Опасная вибрация проводов и тросов наблюдается при скоростях ветра до 7 м/с. Минимальные значения длин полуволн колебаний, соответствующие максимальной скорости ветра, могут быть определены по формуле (П1.5) приложения 1.

При установке одного гасителя на пролет (см. рис. 3.3, б) он должен отстоять от места крепления провода на расстоянии:

(3.3)

где S 1 - расстояние от середины гасителя до места выхода провода из поддерживающего или натяжного зажима, м