Вибрация проводоввоздушных линий электропередачи

Характеристика вибрации проводов:

приблизительный диапазон частот f

приблизительный диапазон амплитуд вибрации (пик-пик ) Ymax / d

3 – 150 Гц

0,01 – 1

Условия возникновения вибрации:

скорость ветра

поверхность проводов1 – 7 м/с

Голые или равномерно обледенелые

Причина возникновения вибрации Срыв вихрей Кармана

Опасность вибрации проводов Усталостные повреждения

Примерное время до возникновения повреждения 3 мес. – 20 лет и более

25,4 мм

Факторы, определяющие вероятность возникновения усталостных повреждений провода при вибрации

Фреттинг-коррозия Район прохождения трассы ВЛ Тяжение Длина пролета Наличие гасителей Наличие спиральных протекторов

Состояние (режим) Максимально допустимое значение в % от номинальной прочности

Начальное ненагруженное (т.е. без ветра и гололеда), при минимальной температуре во время натягивания провода

  

32

Конечное ненагруженное (с учетом вытяжки), температура 15,6 С (60 F)

 

24

Конечное ненагруженное, при минимальной для данного района температуре

 

27

Максимальная нагрузка, наихудшие условия 35

● Линии, на которых произошли повреждения○ Линии, о повреждениях которых ничего не сообщалось

Тяжение - % от номинальной прочности(k

2

× Дл

ина

прол

ета)

= (

м ·

мм

) / (

кН ·

кг

/м)

Сопоставление случаев усталостных повреждений и случаев безаварийной работы линий со сталеалюминиевыми (ACSR) проводами

● Линии, на которых произошли повреждения○ Линии, о повреждениях которых ничего не сообщалось

(k2

× Дл

ина

прол

ета)

= (

м ·

мм

) / (

кН ·

кг/

м)

Тяжение - % от номинальной прочности

ss

L dkL

RS m

Параметр, соответствующий энергии ветра, был выбран в виде: 

 

где Ls - длина пролета; d - диаметр провода; RS - номинальная прочность провода; m – погонная масса провода.

Провода в поддерживающих зажимах защищены спиральными протекторами

Провода без протекторов

ПОДВОДИМАЯ ВЕТРОВАЯ МОЩНОСТЬ

0

1

10

100

0,01 0,1 1 10

Peak-to-Peak Amplitude - diameters

PW

/f3 d4

Ns2 /m

4

Diana & Falco

Sarpkaya

Bate & Callow

Staubli

Currie

Scruton

Farquharson & McHugh

Rawlins Upper Sheet

Rawlins Lower Sheet

Brikka & Laneville

Подводимая к вибрирующему проводу ветровая мощность может быть выражена как:

  ,

где P - механическая мощность, приходящаяся на единицу длины провода;d - диаметр провода; f - частота вибрации; - функция амплитуды вибрации, выраженной в значениях диаметра провода.

d

YfncfdP 34

d

Yfnc

Зависимость рассеиваемой мощности от амплитуды для каждой фиксированной частоты имеет следующий вид:  ,  где P – рассеяние мощности, Вт; Y – двойная амплитуда вибрации провода (пик - пик); K и n – константы, определяемые для конкретной частоты.

nP KY

Drake at 25% per Munasway & HaldarCEA Report 319 T 883 Figure 2-14

0,01

0,1

1

10

100

0,01 0,1 1

YMAX/d

Sel

f-D

ampi

ng

mw

/m . Legend

Curve Frequency Hz 2 14.00 3 16.41 4 18.54 5 23.50 6 28.25 6 33.25 8 38.01 9 43.25 10 48.25 11 53.75

2

4

6

8

10

3

57

9

11

Для получения зависимостей самодемпфирования провода необходимо:

выполнять испытания при различных тяжениях; проводить измерения на разных частотах; должным образом учесть или свести к минимуму

потери энергии в концевых устройствах и поддерживающей арматуре;

свести к минимуму влияние вибратора на форму полуволн.

Испытание, основанное на измерении силы и скорости Испытание по методу стоячей волны

Испытание по методу определения затухания

2 y m

ax

2 y m

in

Методы измерения самодемпфирования провода

Стробоскопическое изображение полуволны вибрации

,

где - логарифмический декремент; n – количество циклов; Y0 – амплитуда в момент времени t0; Yn - амплитуда через n циклов после t0.

01ln

n

Y

n Y

Система с плавкой проволокой, отсоединяющая вибратор от испытательного пролета

Эта двойная экспозиция показывает как замкнутый, так и разомкнутый механизм

Кривые подводимой ветровой мощности

Амплитуда провода Ymax / d

Диана [3-10]Кэрролл [3-15]

Alcoa [3-12]

Бэйт [3-7], [3-8]

Фаркюхарсон и МкХью [3-9]

P /

(d 4

·f 3

),

(ва

тт

/ ф

утт

) /(

дюй

м 4 ·

ге

рц 3

)

× 10 -

8

Определение амплитуд вибрации провода по точкам пересечения кривых подводимой мощности ветра и мощности саморассеяния провода при

различных частотах

Кривые подводимой мощности ветра из рис. 3-3. (Данные из Диана [3-10] и Alcoa [3-12])

Кривые саморассеяния провода, полученные на основе лабораторных измеренийГц

Гц

Гц

Гц

Гц

Гц

Гц

Гц

Амплитуда провода Ymax / d

3

33

При 10 Гц значения определялись с помощью экстраполяции

Амплитудно-частотная характеристика незащищенного пролета, построенная по полученным результатам

Ам

плит

уда

пров

ода

Ym

ax /

d

Частота, Гц

Расчет выполнен по кривой Alcoa

Расчет выполнен по кривой Диана

Амплитудно-частотные характеристики пролета с одним и двумя гасителями

Ам

плит

уда

пров

ода

Ym

ax /

d

Частота, Гц

Незащищенный пролет

(Расчет выполнен по кривой

Диана)

1 гаситель

2 гасителя

ГАСИТЕЛИ ВИБРАЦИИ

Ранняя модель гасителя Стокбриджа

Современная модель гасителя Стокбриджа

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 20 40 60 80 100

Частота f , Гц

Сил

а ре

акци

и F

, Н

Реакции гасителя ГПГ-16-11-450 и гасителя с аналогичными параметрами ГВ-4534-02 по данным эксперимента при возбуждении скорости на зажиме v = 0.1 м /с

ГПГ-16-11-450 ГВ-4534-02

Одна из модификаций гасителя Стокбриджа

У этого гасителя два неравных груза закреплены на тросике, имеющем неравные плечи по обе стороны от крепежного зажима

Канадский гаситель крутильных колебаний

Гаситель ударного (динамического) действия Элгра или шведский гаситель

Зависимость амплитуды от частоты, приводящая к ускорению 2 g

Частота, Гц

Дво

йна

я ам

пли

туд

а, дю

ймы

Дво

йна

я ам

пли

туд

а,

мм

500400

Границы ускорения можно оценить, используя взаимозависимость перемещения, частоты и ускорения:

,где f – частота, Гц, Y – размах колебаний (двойная амплитуда), мм. Таким образом, для ускорения 2 g можно получить следующую зависимость амплитуды от частоты:

YfУскорение 222

ммf

Y2

994

Результаты полевых испытаний гасителя Элгра

Ам

пли

туд

а в

иб

ра

ци

и п

ро

вод

а в

се

ре

ди

не п

ол

уво

лны

, дю

йм

Обратите внимание на плохую характеристику при низких частотах

Частота, Гц

Петлевые гасители на линии с однопроводными фазами во Франции

Гасители фестонного типа, установленные на переходе длиной 1640 м через залив Кадис

Гаситель фестонного типа, установленный на переходе Сонефьорд в Норвегии

Спроектировано Норвежским исследовательским институтом электроснабжения. Провод защищен спиральным протектором

Спиральный трубчатый гаситель, заполненный кусочками металла

Пластиковый спиральный гаситель

Гаситель в виде свободной ребристой трубки

Другие типы гасителей, установленные на грозозащитный трос

Испытания гасителей вибрации

Испытание на вибростоле

Основное преимущество:

исключается влияние на демпфирующие свойства гасителя со стороны провода.

Основной недостаток:

невозможность предсказать поведение гасителя при его установке на пролет.

Из-за изменений длины полуволны, гаситель при различных частотах может оказываться не в своем идеальном положении (в пучности), а в зоне его менее эффективного положения (ближе к узлу колебаний). Груз гасителя, помещенный на вибрирующий провод, также способен оказывать влияние на форму колебаний.

Испытание на расположенном в помещении лабораторном пролете

Испытание на находящемся на открытом воздухе пролете

Испытания на расположенном в помещении пролетеОсновные преимущества:

возможность проведения точных измерений в любой точке по длине пролета;

частота возбуждения может точно регулироваться;

относительно легкая регулировка и измерение тяжения;

более простой анализ и интерпретация результатов;

независимое регулирование частоты и амплитуды.

Недостатки: проведение испытаний может быть

трудным и кропотливым; может быть исследовано меньшее

количество частот; одночастотная вибрация не

воспроизводит в точности вибрацию пролетов ВЛ;

нужно руководствоваться результатами испытаний на открытом воздухе (чтобы придерживаться уровней вибрации в естественных условиях).

ЗаключениеМожно более просто установить и оценить зоны недостаточного демпфирования, которые могут оказаться неочевидными в сделанных вне помещения записях.Конкретное устройство защиты, демонстрирующее превосходные характеристики при его испытании в помещении, может не проявить себя так же во время эксплуатации

Испытания на находящемся на открытом воздухе пролете

Основное преимущество: возможность оценить конструкцию гасителя в условиях эксплуатации.

Недостатки: длительность проведения измерений, связанная с ожиданием соответствующих

погодных условий; сложности проведения испытаний, когда гасители установлены по обоим концам

пролета (поскольку датчик располагается между поддерживающим зажимом и гасителем, то на большинстве частот, очевидно, будут наблюдаться низкие амплитуды);

генерация больших объемов данных, которые в большинстве случаев используются не все;

линии с большой вибрационной активностью не всегда удобно расположены; вандализм.

Определение степени затухания Испытание, основанное на измерении силы и скорости

Механическая мощность определяется как:

,

где P – механическая мощность, Вт; F – среднеквадратическое значение силы, Н; V - среднеквадратическое значение скорости, м/с;

Φ – угол фазового сдвига между силой и скоростью, или рад.

Определение обратного отношения стоячей волны

Максимальная мощность Pmax, которая может быть передана

проводом, вибрирующим при амплитуде Ymax, определяется как:

,

где Z0 – это механический импеданс провода, или ;

T – тяжение провода, Н; m – погонная масса провода, кг/м;

= 2 f (f – частота, Гц); Ymax – двойная амплитуда (размах)

свободной полуволны вибрации, м; Pmax – максимальная

рассеиваемая мощность, Вт .

Методы испытания гасителей вибрации на лабораторном испытательном пролете

cosFVP

22

0 22

1

max

maxY

ZP

Tm

Применение гасителей вибрации

Установка одного гасителя в пролете

допускается в коротких пролетах до 200 м, расположенных не в самой суровой, с точки зрения вибрации, местности, и при условии, что тяжение в проводе не превышает некоторые нормируемые (в зависимости от категории местности) значения. Он устанавливается на

расстоянии S1 от поддерживающего зажима: , где d – диаметр провода, мм;

T– тяжение, Н; m – погонная масса провода, кг/м. Два гасителя в пролете

В условиях, способствующих развитию вибрации, используются два гасителя в пролете длиной до 500 - 600 м, один из которых устанавливается на расстоянии S1, а другой на расстоянии S2:

.

По два гасителя с каждой стороны пролета

используются в переходных пролетах через реки длиной от 500 до 1500 м, а также через горные долины длиной от 600 до 1500 м. Эти гасители имеют различные характеристики и устанавливаются на разных расстояниях: ближние к опоре (более тяжелые и предназначенные для гашения наиболее опасных низких и средних частот вибрации) - на расстоянии S2; более

удаленные - на расстоянии S3:

Гасители, установленные на расстоянии S1, будут находиться в узле при скорости ветра 8,4 м/c,

а в пучности – при 4,2 м/c; гасители, установленные на расстоянии S2, попадут в узел при

скорости ветра 6,9 м/c, а в пучность – при 3,5 м/c, а гасители, установленные на расстоянии S3,

будут в узле при скоростях ветра примерно 4,1 и 8,2 м/c, а в пучности – при 2 и 6,1 м/c.

m

TdS 4

1 102,3

m

TdS 4

2 109,3

m

TdS 4

3 106,6

Другие методы защиты от вибрации

Использование спиральных протекторов Использование специальных

поддерживающих устройств Применение самодемпфирующих

проводов Применение сталеалюминиевых проводов

с увеличенной нагрузкой на стальной сердечник

Спиральный протектор, формируемый непосредственно на проводе из проволоки с утоньшающимися концами

Частота, Гц

Деф

орм

ация

про

вод

а (о

дин

очн.

ам

плит

уда)

, м

икро

стре

йн

Частота, Гц

Деф

орм

ация

про

вод

а (о

дин

очн.

ам

плит

уда)

, мик

рост

рейн

Диаграмма зависимости деформации от частоты. Незащищенный провод Chukar внешней фазы, подвешенный на опоре с горизонтальным расположением проводов

Диаграмма зависимости деформации от частоты. Провод Chukar внешней фазы со спиральным протектором (концы спиралей обработаны на конус), подвешенный на опоре с горизонтальным расположением проводов

Шведский поддерживающий зажим с длинным пологим профилем

Следы износа провода в шведском поддерживающем зажиме в результате воздействия вибрации провода на корпус зажима. (Продолжительность эксплуатации неизвестна, но, предположительно, она составляет один год или меньше)

Наиболее многообещающие подходы к конструкции зажима заключаются в выборе формы корпуса и плотности его прилегания к проводу, а также в предотвращении повреждения провода монтажными деталями

Самодемпфирующие провода

Современные самодемпфирующие провода представляют сформованные в трубчатую конструкцию алюминиевые проволоки трапецеидальной формы, образующие один или более повивов провода. Размер этих концентрических трубчатых повивов выбирается таким образом, чтобы обеспечить зазор между ними. Стальной сердечник также может иметь зазор относительно внутренней алюминиевой трубы.

Преимущества самодемпфирующих проводов:- возможность их использования с уменьшенными стрелами провеса;- в некоторых случаях они могут использоваться при нормальном тяжении без гасителей.

Причины большего рассеяния энергии:- увеличенная межпроволочная диссипация, вызванная проскальзыванием слоев;- соударения алюминиевых трубчатых повивов друг с другом и со стальным сердечником.

Такие провода в большом объеме были установлены на действующие линии со сниженными стрелами провеса и, как сообщается, они зарекомендовали себя хорошо.

Сталеалюминиевые провода с увеличенной нагрузкой на стальной сердечник

Сталеалюминиевые провода с увеличенной нагрузкой на стальной сердечник разработаны с целью увеличения доли нагрузки, которая приходится на стальной сердечник. Алюминиевые проволоки этих проводов находятся в полностью отпущенном состоянии, имея относительное удлинение 10 – 20 % (при разрыве) на длине 25,4 см. Номинальная разрывная прочность таких проводов на 12 – 35 % меньше, по сравнению с обычными сталеалюминиевыми проводами такого же сечения, однако рекомендуемые стрелы провеса не бόльшие, чем для сталеалюминиевых проводов.

Преимущества этих проводов по сравнению со сталеалюминиевыми проводами:- длительная статическая ползучесть намного ниже (т.к. она менее зависима от свойств алюминия); - самодемпфирующие свойства проводов лучше (получены низкие уровни вибрации при полевых испытаниях);- высокие температуры меньше влияют на стрелу провеса (поскольку основную механическую нагрузку несет сталь).

Недостаток:- мягкие алюминиевые проволоки имеют низкое сопротивление истиранию, поэтому необходимы дополнительные меры предосторожности во время транспортировки и монтажа, чтобы избежать проблем с радиопомехами.

Влияние сохраняющей цилиндрическую форму провода изморози на вибрацию

Изморозь обычно отлагается в условиях совершенно неподвижного воздуха, сохраняя цилиндрическую форму провода, но значительно увеличивая диаметр, без существенного изменения характеристик демпфирования.

Основные особенности вибрации при изморози:

- более низкая частота вибрации (по сравнению с проводом без изморози);

- увеличивается (пропорционально диаметру) подводимая к проводу ветровая мощность;

- амплитуды, отнесенные к диаметру голого провода, как правило, бывают выше;

- пониженные частоты могут быть ниже эффективного рабочего диапазона гасителей вибрации;

- из-за аномально высокой ветровой мощности, подводимой к системе, гасители могут подвергнуться усталостным разрушениям, даже в пределах своего нормированного рабочего диапазона.

Особенности вибрации расщепленных фаз

Сравнение расщепленных фаз с однопроводными:- двухпроводные фазы демонстрируют меньшие уровни вибрации при горизонтальном расположении проводов, чем при при вертикальном;- горизонтальная двухпроводная фаза обычно имеет более низкий уровень вибрации (в 1,5 – 2,5 раза) и по сравнению с одним проводом такого же размера в фазе;- при трех- и четырехпроводных фазах снижение амплитуд может доходить до 5 -10 раз.

Влияние распорокБольшая часть повреждений от воздействия вибрации была связана с распорками: ранние жесткие распорки вызывали чрезмерный износ провода, а иногда ломались и сами распорки.Эффективность работы гасителей в не содержащих их подпролетах, зависит от жесткости распорок, их массы и характера вибрации: - при очень жестких или очень тяжелых распорках, расположенные около концов пролета гасители не будут защищать провод от динамических деформаций, возникающих в распорках;- при очень жестких или очень тяжелых распорках деформации провода вблизи зажимов распорок могут быть равными деформации провода в месте подвески; Выбор расстояний между распорками должен незначительно влиять на вибрацию расщепленных фаз.