Гаситель ветровых колебаний провода воздушной ЛЭП Российский патент 2024 года по МПК H02G7/14 

Изобретение относится к электроэнергетике и может использоваться на воздушных линиях электропередачи (ЛЭП) и волоконно-оптических линиях связи в качестве универсального устройства для демпфирования и расстраивания колебаний проводов в результате ветрового воздействия, таких как вибрация и пляска. Последнее представляет собой периодические изгибно-крутильные колебания (движения) одиночного провода, главным образом в вертикальной плоскости, на низших резонансных частотах (от 0,1 до 1 Гц), но большой амплитудой (иногда до величины стрелы провеса провода).

Одной из актуальных задач в энергетике является повышение надежности воздушных линий в целом и проводов, грозозащитных тросов и самонесущих оптических кабелей связи, в частности. Воздушные ЛЭП являются протяженными наиболее массивными объектами и на них наблюдаются крупномасштабные явления. Существенное влияние на показатели надежности проводов и кабелей оказывает ветровое воздействие. В сочетании с климатическими факторами ветровое воздействие приводит к циклическим колебаниям проводов воздушной линии: снижению ресурса работы, уменьшению пропускной способности, частичному или полному разрушению провода. Поэтому актуальна задача предотвращения катастрофических эффектов на подобных объектах. Эту задачу выполняет предлагаемый гаситель низкочастотных колебаний проводов воздушных ЛЭП.

Известен аналог предлагаемого - гаситель низкочастотных колебаний проводов воздушных ЛЭП [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. К недостаткам аналога [1] относится то, что в нем имеется только одна точка крепления демпферного узла на проводе, что не исключает попадания гасителя в узел волны колебания проводов. Это приводит к уменьшению его эффективности как гасителя вибрации и пляски проводов.

Также известен другой аналог - гаситель пляски проводов воздушных ЛЭП [2], содержащий спиральную прядь, ось симметрии которой совпадает с плоскостью, проходящей через провод, 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 жесткий контакт спиральной пряди с проводом и грузов со спиральной препятствует рассеянию энергии колебаний системы, уменьшает число степеней свободы системы и обедняет спектр ее резонансных частот, что уменьшает эффективность ее взаимодействия со спектром вынужденных колебаний провода воздушных ЛЭП, т.е. снижает способность гасителя рассеивать энергию колебаний провода.

Наиболее близким к заявляемому является принятый в качестве прототипа гаситель ветровых колебаний [3], содержащий расположенные вдоль провода спиральные пряди, выполненные, по крайней мере, каждая из одной жилы, и по длине состоящие из крайних, средних и центральных частей, причем крайние и средние части спиральных прядей навиты на провод по обе стороны центральной части, центральные части всех спиральных прядей выполнены в виде П-образных петель и снабжены грузами, что совпадает с существенными признаками предлагаемого.

Кроме того, в прототипе [3] грузы размещены внутри средней части спиральной пряди с возможностью перемещения в ней вдоль ее оси при динамических нагрузках.

Работа прототипа основана на том, что инерционные элементы подвешенной к проводу спиральной пряди с грузами имеют резонансные частоты, отличные от частот колебаний проводов воздушных ЛЭП. Поэтому энергия колебаний проводов частично перекачивается в дополнительную колебательную систему - спиральную прядь с грузами. В результате острый резонанс механических колебаний проводов воздушных ЛЭП расстраивается, добротность системы в целом резко падает, что приводит к снижению амплитуды происходящих в ней колебаний.

Недостатки прототипа [3] состоят в том, что жесткий контакт спиральной пряди с проводом и грузов со спиральной препятствует рассеянию энергии колебаний системы, уменьшает число степеней свободы системы и обедняет спектр ее резонансных частот, что уменьшает эффективность ее взаимодействия со спектром вынужденных колебаний провода воздушных ЛЭП, т.е. снижает способность гасителя рассеивать энергию колебаний провода.

Указанные недостатки преодолеваются в предлагаемом гасителе, схема которого приведена на фиг. 1 и фиг. 2. Он содержит расположенные вдоль провода спиральные пряди, выполненные, по крайней мере, каждая из одной жилы, и по длине состоящие из крайних, средних и центральных частей, причем крайние и средние части спиральных прядей навиты на провод по обе стороны центральной части каждой спиральной пряди, центральные части всех спиральных прядей выполнены в виде П-образных петель, снабженных грузами, что совпадает с признаками известного устройства.

При этом средние и центральные части спиральных прядей покрыты непрерывным коаксиальным слоем упруго-вязкого полимера, на котором закреплены указанные грузы.

Кроме того, при навивке средних частей спиральных прядей на провод и при размещении грузов на среднем участке центральных частей спиральных прядей деформацию слоя упруго-вязкого полимера выбирают в диапазоне от 5% до 60%.

Кроме того, каждый из грузов выполнен в форме единого кольца с отношением длины оси к диаметру от 0.2 до 3.0 и зафиксирован опрессованием на среднем участке каждой из центральных частей спиральных прядей.

Кроме того, каждый из грузов выполнен в форме двух полуцилиндров с отношением длины оси к диаметру от 0.2 до 3.0 и зафиксирован стяжкой на среднем участке каждой из центральных частей спиральных прядей.

Кроме того, соотношение длин крайней и средней частей спиральных прядей выбрано в диапазоне от 0.5 до 2.0.

Кроме того, количество жил в спиральных прядях выбрано в диапазоне от 1 до 7.

Кроме того, отношение длины шага навивки концевых частей спиральных прядей к диаметру провода выбрано в диапазоне от 8 до 30.

Кроме того, отношение длин шагов навивки концевых и длин шагов навивки средних частей спиральных прядей выбрано в диапазоне от 0.2 до 1.5.

Кроме того, плоскость центральной части предыдущей спиральной пряди развернута на угол ϕ в диапазоне 30°<ϕ<120° относительно плоскости центральной части последующей спиральной пряди, а количество петель N (целое) определяется выражением:

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. Схема предлагаемого гасителя по п. 1 формулы (фронтальная проекция).

Фиг. 2. Осевая проекция предлагаемого гасителя по п. 1 формулы.

где использованы обозначения:

1 - спиральная прядь,

2 - провод воздушной ЛЭП,

3 - крайняя часть спиральной пряди

4 - средняя часть спиральной пряди

5 - центральная часть спиральной пряди

6 - груз

7 - коаксиальный слой упруго-вязкого полимера.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого гасителя по п. 1 формулы (фронтальная проекция), где видно, что крайние и средние части спиральных прядей навиты на провод, грузы надеты на средние участки центральных частей спиральной пряди, а средние и центральные части спиральных прядей покрыты слоем упруго-вязкого полимера.

На фиг. 2 представлена осевая проекция схемы предлагаемого гасителя по п. 1 формулы.

Работа предлагаемого гасителя, как и прототипа, основана на том, что инерционные элементы - грузы 6 подвешенных к проводу 2 центральных частей 5 спиральных прядей 1 имеют резонансные частоты, отличные от частот колебаний проводов 2 воздушных ЛЭП.

Одна из возможных конструкций предлагаемого гасителя представлена на фиг. 1, 2. Он содержит две пары петель, плоскости которых близки к горизонтальной и вертикальной плоскости, соответственно. Грузы горизонтальных петель реагируют на колебания провода в вертикальной плоскости (вверх-вниз) - т.н. пляску проводов. Грузы вертикальных петель реагируют на осевые колебания провода (скручивание). Причем частоты собственных колебаний упругих систем гасителя не совпадают с частотой колебаний провода. С учетом вязко-упругого демпфирования энергия провода перекачивается в паразитные резонансы вязко-упругих систем гасителя, снижая тем самым амплитуду пляски проводов и их крутильных колебаний.

Таким образом, энергия колебаний проводов частично перекачивается в дополнительную колебательную систему - спиральную прядь 1 с грузами 6. Каждый из грузов 6 выполнен в виде единого кольца или двух полуцилиндров, надетых на спиральную прядь, в отличие от прототипа [3], где стержневые грузы размещены внутри спиральной пряди 1. Кроме того, средние и центральные части спиральных прядей покрыты коаксиальным слоем упруго-вязкого полимера. Таким образом, средняя часть спиральной пряди, навитая на провод 2, опирается на провод 2 через слой 7 вязкоупругого полимера. Также и грузы 6 опираются на центральные участки центральных частей 5 спиральных прядей 1 через слой 7 вязкоупругого полимера. Вязко-упругие связи через слой вязкоупругого полимера 7 - средней части 4 спиральной пряди 1 с проводом 2 и груза 6 со средним участком центральных частей 5 спиральной пряди 1 за счет декремента затухания снижает добротность резонансной системы и дополнительно расширяет спектр ее колебаний, т.к. добавляются упругие элементы, отзывающиеся на внешнее воздействие на собственных резонансных частотах. Это расширяет спектр колебаний колебательной системы гасителя в целом. Фиксация спиральных прядей 1 на проводе обеспечивается навивкой с натягом крайних частей спиральных прядей 1 на провод 2. Отсутствие жесткого крепления грузов 6 на среднем участке центральных частей 5 спиральной пряди 1 и возможность их небольшого перемещения за счет вязко-упругого контакта с о слоем 7 полимера с трением на центральной части 5 спиральной пряди 1 обеспечивает достижение вышеуказанного эффекта. Такой же эффект достигается за счет вязко-упругого контакта средней части 4 спиральной пряди 1 с проводом 2 через слой полимера 7, расположенного между проводом 2 и средней частью 4 спиральной пряди 1. В результате расстройка изначально острого резонанса механических колебаний проводов воздушных ЛЭП увеличивается по сравнению с прототипом, падение добротности системы в целом возрастает, что приводит к еще большему снижению амплитуды колебаний, происходящих в проводе воздушных ЛЭП.

При этом в предлагаемом гасителе преодолеваются недостатки прототипа - обеспечивается компенсация колебаний провода воздушных ЛЭП в повышенном диапазоне скоростей ветра, повышается функциональная гибкость - возможность приспособления к конкретным для данной местности условиям эксплуатации. Последнее объясняется наличием множества дополнительных управляющих параметров (количество и упругие характеристики спиральных прядей, соотношение длин крайних и средних частей спиральных прядей, а параметры вязкоупругого полимера, также масса и форма грузов, параметры навивки крайних и средних частей спиральных прядей), способных обеспечить требуемый результат на воздушных ЛЭП 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 расположенные вдоль провода спиральные пряди, выполненные, по крайней мере, каждая из одной жилы, и по длине состоящие из крайних, средних и центральных частей, причем крайние и средние части спиральных прядей навиты на провод по обе стороны центральной части каждой спиральной пряди, центральные части всех спиральных прядей выполнены в виде П-образных петель с размещенными в них грузами, а средние и центральные части спиральных прядей покрыты непрерывным коаксиальным слоем упруго-вязкого полимера, на котором закреплены указанные грузы - способствует появлению резонансных частот, отличных от частот колебаний проводов 2 воздушных ЛЭП. При колебаниях проводов 2 грузы 6 перемещаются на центральных частях спиральных прядей 1 с коэффициентом трения, заданным материалами пряди 1 и слоя 7 упруговязкого полимера и степенью их совместного сжатия. Поэтому энергия колебаний проводов 2 частично расходуется на трение в системах «провод-спираль» и «груз-спираль», а также перекачивается в дополнительную колебательную систему - спиральную прядь 1 с грузами 6, усложненную наличием вязко-упругого контакта «провод-спираль». Добротность колебательной системы в целом падает, что приводит к снижению амплитуды колебаний, происходящих в проводе 2 воздушных ЛЭП.

Простота и надежность реализации обеспечена тем, что слой 7 упруго-вязкого полимера размещен непрерывно на длине средних и центральных частей спиральных прядей. Кроме того, при навивке средних частей спиральных прядей на провод и при размещении грузов на среднем участке центральных частей спиральных прядей деформацию слоя упруго-вязкого полимера выбирают в диапазоне от 5% до 60%, что обеспечивает необходимое увеличение декремента затухания при работе слоя упруго-вязкого полимера, приводит к падению добротности колебательной системы в целом и снижению амплитуды колебаний, происходящих в проводе 2 воздушных ЛЭП.

Выполнение грузов в форме единого кольца или двух полуцилиндров и их фиксация на центральной части 5 каждой из спиральных прядей 1 упрощает реализацию устройства, повышает его надежность. Отношение длины оси груза 6 к диаметру от 0.2 до 3.0 выбирается применительно к условиям эксплуатации устройства, чтобы в условиях оледенения эксцентриситет грузов 6 оставался в допустимых пределах.

Соотношение длин крайней 3 и средней 4 частей спиральных прядей 1 выбрано в диапазоне от 0.5 до 2.0 с учетом ожидаемых продольных нагрузок в предполагаемых условиях эксплуатации устройства,.

По аналогичным причинам количество жил в спиральных прядях 1 выбрано в диапазоне от 1 до 7, отношение длины шага навивки концевых частей 3 спиральных прядей 1 к диаметру провода 2 выбрано в диапазоне от 8 до 30, а отношение длин шагов навивки концевых 3 и средних 4 частей спиральных прядей 1 выбрано в диапазоне от 0.2 до 1.5.

Рассмотренный выше на фиг. 1 экономичный вид предлагаемого гасителя содержит две пары центральных частей (петель) 5 спиральных прядей 1 - в горизонтальной и вертикальной плоскости. Однако число спиральных прядей 1 и плоских петель 5 может быть больше с целью расширения функциональных возможностей устройства. При этом, однако, надо сохранить основной принцип попарной работы грузов, особенно в петлях, близких к горизонтальной плоскости, при которой они расположены по разные стороны провода. Поэтому если плоскость центральной части 5 предыдущей спиральной пряди 1 развернута на угол ϕ в диапазоне 30°<ϕ<120° относительно плоскости центральной части 5 последующей спиральной пряди 1, то количество петель N (целое) определяется выражением: .

При этом, в общем случае обеспечивается близкое к равномерному распределение петель 5 в поперечной плоскости.

Следует также отметить, 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 2750616 / Виноградов А.А. и др. Гаситель колебаний проводов воздушных линий электропередачи. Опубл. 30.06.2021 Бюл. №19.

Изобретение относится к электроэнергетике и может использоваться на воздушных линиях электропередачи (ВЛЭП) и волоконно-оптических линиях связи в качестве универсального устройства для демпфирования и расстраивания колебаний проводов в результате ветрового воздействия, таких как вибрация и пляска. Технический результат заключается в уменьшении амплитуды колебаний проводов воздушной ЛЭП. Для обеспечения указанного технического результата гаситель ветровых колебаний содержит расположенные вдоль провода спиральные пряди, выполненные, по крайней мере, каждая из одной жилы, и состоящие по длине из крайних, средних и центральных частей. Крайние и средние части спиральных прядей навиты на провод по разные стороны центральной части каждой спиральной пряди. Центральные части всех спиральных прядей выполнены в виде П-образных петель и снабжены грузами. Грузы надеты на средние участки центральных частей спиральных прядей, а средние и центральные части спиральных прядей покрыты непрерывным коаксиальным слоем упруго-вязкого полимера. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Гаситель ветровых колебаний провода воздушной ЛЭП, содержащий расположенные вдоль провода спиральные пряди, выполненные, по крайней мере, каждая из одной жилы, и по длине состоящие из крайних, средних и центральных частей, причем крайние и средние части спиральных прядей навиты на провод по обе стороны центральной части каждой спиральной пряди, центральные части всех спиральных прядей выполнены в виде П-образных петель, снабженных грузами, отличающийся тем, что средние и центральные части спиральных прядей покрыты непрерывным коаксиальным слоем упруго-вязкого полимера, на котором закреплены указанные грузы.

2. Гаситель ветровых колебаний провода по п. 1, отличающийся тем, что при навивке средних частей спиральных прядей на провод и при размещении грузов на среднем участке центральных частей спиральных прядей деформацию слоя упруго-вязкого полимера выбирают в диапазоне от 5% до 60%.

3. Гаситель ветровых колебаний провода по п. 1, отличающийся тем, что каждый из грузов выполнен в форме единого кольца с отношением длины оси к диаметру от 0,2 до 3,0 и зафиксирован опрессованием на среднем участке каждой из центральных частей спиральных прядей.

4. Гаситель ветровых колебаний провода по п. 1, отличающийся тем, что каждый из грузов выполнен в форме двух полуцилиндров с отношением длины оси к диаметру от 0,2 до 3,0 и зафиксирован стяжкой на среднем участке каждой из центральных частей спиральных прядей.

5. Гаситель ветровых колебаний провода по п. 1, отличающийся тем, что соотношение длин крайней и средней частей спиральных прядей выбрано в диапазоне от 0,5 до 2,0.

6. Гаситель ветровых колебаний провода по п. 1, отличающийся тем, что количество жил в спиральных прядях выбрано в диапазоне от 1 до 7.

7. Гаситель ветровых колебаний провода по п. 1, отличающийся тем, что отношение длины шага навивки концевых частей спиральных прядей к диаметру провода выбрано в диапазоне от 8 до 30.

8. Гаситель ветровых колебаний провода по п. 1, отличающийся тем, что отношение длин шагов навивки концевых и длин шагов навивки средних частей спиральных прядей выбрано в диапазоне от 0,2 до 1,5.

9. Гаситель ветровых колебаний провода по п. 1, отличающийся тем, что плоскость центральной части предыдущей спиральной пряди развернута на угол ϕ в диапазоне 30°<ϕ<120° относительно плоскости центральной части последующей спиральной пряди, а количество петель N (целое) определяется выражением: .