Аэродинамический гаситель колебаний проводов Российский патент 2024 года по МПК H02G7/14 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к энергетике, а именно к устройству для гашения колебаний проводов и грозозащитных тросов линий электропередачи.

Уровень техники

Принцип работы большинства известных и применяемых в настоящее время устройств для гашения колебаний проводов основан на явлении наложения собственных колебаний гасителя на вынужденные колебания провода под действием скоростного напора ветра и конструкциях, приведенных в бюллетенях на изобретения [1,2,3,4]. Под действием этого наложения уменьшаются параметры колебательного процесса проводов (амплитуда, частота и период колебаний), в результате чего происходит затухание колебаний, что предотвращает разрушение и обрыв проводов.

Как показала практика эксплуатации линий электропередачи, эти устройства в III, IV и V районах по величине скоростного напора ветра [5] в ряде случаев оказываются недостаточно эффективными при резких порывах ветра.

Известны устройства, принцип действия которых основан на создании в гасителе реактивной силы, вектор которой направлен противоположно вектору возмущающей силы скоростного напора ветра, вызывающей колебания провода [3;4]. Уменьшение величины возмущающей силы колебательного процесса способствует уменьшению его параметров и способствует его затуханию.

Известно устройство для предотвращения колебаний проводов [патент на изобретение № 2440650 РФ 20.01.2012. бюл. №2], содержащее продолговатый элемент в виде двух полуклемм, облегающих провод и присоединенных к проводу соединительными поясками с отверстиями, куда входят крепежные болты с гайками, на полуклеммах с верхней и нижней сторон располагаются входные сопла в виде полых усеченных конусов с насадками, образующими выходные сопла, повернутые большими основаниями усеченных конусов противоположно большим основаниям входных сопел. Сопла, расположенные на нижней полуклемме повернуты на 180º по отношению к соплам, расположенным на верхней полуклемме. Количество сопел от четырех до шести на каждой из полуклемм. Сочетание входного и выходного сопел образует комбинированное сопло Лаваля.

Основным недостатком вышеназванного аналога является возникновение ударной нагрузки на провод в первоначальный момент воздействия скоростного напора ветра на гаситель до образования реактивной силы. Возникает явление, подобное гидроудару в жидкой среде.

Кроме того, при резком порыве ветра появляется возможность поворота гасителя на угол α в вертикальной плоскости при закреплении продолговатого элемента (корпуса гасителя) на проводе с помощью полуклемм. Неустойчивость расположения сопел гасителя в горизонтальной плоскости является недостатком жесткого крепления продолговатого элемента (корпуса гасителя) к проводу.

Наиболее близким к предлагаемому аэродинамическому гасителю является устройство для предотвращения колебаний проводов [патент на изобретение № 34727 20.11.2020, бюл. №46 Республика Казахстан (прототип)] с гибкой подвеской продолговатого элемента (корпуса гасителя) к проводу, обеспечивающее горизонтальное положение продолговатого элемента в пространстве. Устройство включает продолговатый элемент полого поперечного сечения в виде прямоугольника, на верхней и нижней гранях которого расположены по четыре комбинированных сопла Лаваля, повернутых по отношению друг к другу на 180º.

Гибкая подвеска продолговатого элемента (корпуса гасителя) к проводу состоит из двух параллельных винтовых пружин повышенной жесткости с плотно прилегающими друг к другу витками. Каждая пружина шарнирно нижним и верхним концами соответственно прикреплена к корпусу гасителя и к механизму глухого крепления к проводу, который применяется для гасителей вибрации.

Предусмотрен механизм регулировки длины выходного сопла с целью обеспечения расположения оси сопел в горизонтальной плоскости перпендикулярно проводу.

К основным недостаткам данного прототипа относятся сложность конструкции и практической реализации. Кроме того, жесткость винтовых пружин, приводит к малой деформации пружин при гашении гидравлического удара скоростного напора ветра на провод, что приводит к незначительной степени его гашения.

Раскрытие сущности изобретения

Технической задачей изобретения является повышение надежности функционирования линий электропередачи.

Технический результат заключается в сокращении числа повреждений и обрывов проводов посредством уменьшения возмущающей силы колебательного процесса проводов при одновременном предохранении их от ударной нагрузки при резких порывах ветра в III, IV и V районах по величине скоростного напора ветра.

Это достигается тем, что в устройстве для гашения колебаний проводов линий электропередачи, закрепленном на проводе с помощью гибкой подвески на продолговатом элементе в виде параллелепипеда с полым прямоугольным сечением, на верхней и нижней гранях продолговатого элемента горизонтально и перпендикулярно проводу расположены входные сопла в виде полых усеченных конусов и соединенные с ними насадки в виде полых «обратных» усеченных конусов, представляющих собой выходные сопла, на каждом из входных сопел перед входом в насадку предусмотрена зона «С», представляющая собой полый конус с углом конусности 12º, соединенный с насадкой своим меньшим основанием, позволяющая уменьшить воздействие гидроудара на гаситель от скоростного напора ветра перед образованием в гасителе реактивной силы, длина зоны «С» равна диаметру окружности меньшего основания насадки, а корпус гасителя закреплен к проводу гибкой подвеской в виде двух резиновых стержней. Соотношение диаметров большего и меньшего оснований входных сопел составляет 2,66:1.

Для крепления продолговатого элемента с соплами и насадками к проводу используется гибкая подвеска в виде двух резиновых цилиндрических стержней сплошного поперечного сечения диаметром 40…50 мм и высотой 100…120 мм из высокопрочной резины 1 класса с гарантированным сроком эксплуатации 5 лет, изготовленных совместно с подошвой толщиной 12…15 мм из этого же материала, подошва прикреплена к верхней грани продолговатого элемента четырьмя болтами, верхний конец резинового стержня посредством крюка шарнирно соединен с механизмом глухого крепления к проводу гасителей вибрации проводов.

Резиновый стержень гибкой подвески гасителя к проводу совместно с резиновой подошвой армирован армировочной сеткой цилиндрической формы, изготовленной из стержней пружинной стали, армировочная сетка состоит из верхнего и нижнего поясов в виде колец, соединенных вертикальными стержнями, вертикальные стержни совместно с соединенными с ними горизонтальными стержнями образуют армировочную сетку, к нижнему поясу которой присоединены в лучеобразном исполнении стержни для армирования подошвы.

Нижний торец резинового стержня гибкой подвески гасителя к проводу жестко присоединен к верхней грани продолговатого элемента.

Преимуществом предлагаемого изобретения является то, что жесткое крепление стержня в верхней грани продолговатого элемента обеспечивает горизонтальное положение оси комбинированных сопел и позволяет отказаться от использования сопел с механизмом регулировки длины выходного сопла, тем самым облегчает массу гасителя, его эксплуатацию, уменьшает его стоимость и облегчает его эксплуатацию.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена Принципиальная схема аэродинамического гасителя (вид спереди); фиг. 2 – Поперечное сечение продолговатого элемента (корпуса гасителя) (сечение А-А); фиг. 3 – Схема комбинированного сопла Лаваля (вид сбоку в разрезе); фиг. 4 – Крепление стержня гибкой подвески к корпусу гасителя (выносной элемент Б); фиг. 5 – Крюк резинового армированного стержня гибкой подвески; фиг. 6 – Продольный разрез фиксации зацепа резинового стержня гибкой подвески к узлу крепления гасителя к проводу (разрез В-В); фиг 7 - Схема расположения проволочных армирующих стержней зацепа; фиг. 8 – Общий вид гасителя колебаний проводов.

Осуществление изобретения

Предложенный аэродинамический гаситель колебаний проводов линий электропередачи состоит из продолговатого элемента (корпуса гасителя) 1 (фиг. 1) в виде параллелепипеда с полым прямоугольным сечением (фиг. 2), закрепленным на проводе 2 (фиг. 1) с помощью гибкой подвески 3. На верхней и нижней гранях продолговатого элемента 1 (фиг. 1) горизонтально и перпендикулярно проводу расположены входные сопла 4 в виде полых усеченных конусов с соотношением диаметров окружностей большего D и меньшего d оснований 2,66:1, длиной l равной диаметру большего основания D и соединенные с ними насадки 5 в виде полых «обратных» усеченных конусов, представляющих собой выходные сопла (фиг. 3).

На каждом из входных сопел 4 перед входом в насадку предусмотрена зона «С» 6 (фиг. 3), позволяющая уменьшить воздействие гидроудара на гаситель от скоростного напора ветра перед образованием в гасителе реактивной силы. Длина этой зоны равна диаметру d окружности меньшего основания насадки, а угол конусности принят 12º как у сопла Лаваля. Длина входного сопла 4 с учетом длины зоны «С» равна сумме диаметров большего и меньшего оснований входных сопел 4.

Поверхность зоны «С» является местом закрепления комбинированного сопла гасителя на продолговатом элементе (корпусе) гасителя 1. Конусность зоны «С» противоположна конусности выходного сопла (насадки) 5.

Размеры входных сопел 4 по диаметрам и длине назначаются конструктивно, а размеры выходных сопел рассчитываются по общепринятой теории термодинамического истечения газов и корректируются конструктивно применительно к проектируемым объектам.

Продолговатый элемент (корпус гасителя) 1, сопла 4, 5 изготавливаются из алюминия или высокопрочной пластмассы с толщиной стенок корпуса соответственно 8 и 10 мм, толщина сопел s соответственно 6 мм и 8 мм (фиг. 3).

Продолговатый элемент (корпус гасителя) 1 прикрепляется к проводу 2 на гибкой подвеске 3, состоящей из двух стержней и выполненной заодно с ними подошвы 7 (фиг. 4) из высокопрочной резины 1 класса.

Стержень гибкой подвески 3 сплошного сечения цилиндрической формы диаметром 40 - 50 мм и высотой 100 -120 мм, толщина подошвы 12 -15 мм. Стержень гибкой подвески 3 заодно с подошвой 7 изготавливается в пресс-форме под давлением. Подошва 7 прикрепляется к верхней грани продолговатого элемента 1 четырьмя болтами 8 и пружинной шайбой 9. Для предотвращения деформации подошвы 7 поверх нее устанавливается упорная пластина 10 из стали ст3 толщиной 2-3 мм (фиг. 4).

Верхняя часть резинового стержня гибкой подвески 3 шарнирно соединена с механизмом глухого крепления 11 стандартной конструкции к проводу 2 (фиг.1). Шарнирное соединение осуществляется крюком 12 (фиг. 5) из стали 35, который устанавливается в резиновый стержень гибкой подвески 3 при его изготовлении (фиг. 6).

Резиновый стержень гибкой подвески 3 более эластичен, чем винтовая пружина и более эффективно гасит гидроудар скоростного напора ветра на провод в первоначальный момент его воздействия до образования в гасителе реактивной силы.

С целью увеличения долговечности эксплуатации гасителей с гибкой подвеской на резиновых стержнях 3 к проводу 2 предложена схема армирования стержней сеткой, изготовленной из стержней пружинной стали диаметром 1,5 мм (фиг. 7). Сетка образует армирующий цилиндр диаметром 35…40 мм и высотой 85… 90 мм, который устанавливается в пресс-форму при изготовлении стержня.

Армирующие стержни 13 (фиг. 7) подошвы 7 резинового стержня гибкой подвески располагаются горизонтально в лучеобразном исполнении и присоединяются к нижнему поясу 14 (основанию) армирующего цилиндра как единое целое (фиг. 7). Армирование резинового стержня гибкой подвески 3 и подошвы 7 незначительно увеличивает массу стержня, при этом существенно повышает его прочность и долговечность.

Армирование резинового стержня 3 несколько увеличивает его жесткость, но благодаря упругим свойствам резины обеспечивает достаточную восприимчивость упругого поглощения части гидроудара ветрового потока на гаситель и провод в первоначальный момент его воздействия до образования реактивной силы в гасителе.

Аэродинамический гаситель колебаний проводов работает следующим образом.

Поток воздуха попадет во входное сопло 4 гасителя с определенной скоростью и давлением. По закону неразрывности газовой струи, проходя через выходное отверстие входного сопла 4, давление воздушной струи уменьшается обратно пропорционально площадям входного и выходного отверстий, при этом скорость истечения воздушного потока резко возрастает, увеличивая реактивную силу, возникающую в гасителе и направленную встречно скоростному напору ветра. Величина скорости истечения воздушного потока рассчитывается по общеизвестным зависимостям термодинамики и зависит, в частности, от соотношения давлений на входе и выходе входного сопла. Выходное сопло 5 при соблюдении соотношений геометрических размеров, соответствующих соплу Лаваля, способствует увеличению скорости истечения воздуха из выходного отверстия входного сопла 4 и далее при истечении в атмосферу через выходное сопло 5. На основании закона об изменении количества движения и вытекающего из него закона сохранения количества выбрасываемого вещества возникает реактивная сила, вектор которой направлен противоположно вектору усилия скоростного напора ветра, расчетное значение которого находится при условии перпендикулярного расположения его проводу. Поскольку усилие скоростного напора ветра и реактивная сила действует по одной прямой противоположно друг к другу, равнодействующая этих сил равна их разности, поэтому возмущающая сила колебательного процесса провода при наличии реактивной силы значительно уменьшается, что в свою очередь приводит к уменьшению всех параметров колебательного процесса провода (амплитуды, частоты и периода колебаний) с последующим его затуханием.

При попадании воздушной струи скоростного напора ветра в зону «С» 6 (фиг. 3) за счет конусности этой зоны происходит мгновенное уменьшение силового воздействия его на гаситель до образования реактивной силы, направленной противоположно вектору силы, действующей по осевой линии гасителя. Таким образом, до образования в гасителе реактивной силы происходит «смягчение» гидравлического удара воздушной струи о гаситель. Это «смягчение» дополняет «смягчение» гидроудара упругой деформацией резиновых стержней гибкой подвески гасителя 3 к проводу 2 (фиг. 1).

Гарантированный по ГОСТ 7338 – 90 срок службы резины 1 класса 5 лет соответствует периоду межремонтного обслуживания линий электропередачи. Армирование резиновых стержней гибкой подвески способствует увеличению их срока службы в районах с низкой температурой окружающей среды.

Резиновый стержень гибкой подвески является более упругим (менее жестким) по сравнению с винтовой пружиной с плотно прижатыми друг к другу витками, что позволяет гасителю быстрее поглощать гидроудар на провод от ветровой нагрузки и тем самым более эффективно предохранять провод от обрыва при резких и сильных порывах ветра. При расположении сопел в горизонтальной плоскости и меньшей жесткости стержней гибкой подвески гасителя к проводу обеспечивается увеличение реактивной силы в гасителе и уменьшается воздействие гидроудара от ветровой нагрузки при упрощении конструкции гасителя.

Давление воздушной струи, попадая в конусную часть зоны «С» 6 снижается, а скорость ее движения при попадании во входное отверстие насадки 5 плавно увеличивается (фиг. 3). За счет падения давления на гаситель со стороны воздушного потока при вхождении его из зоны «С» 6 во входное отверстие насадки гасителя 5 усилие гидравлического удара скоростного напора ветра снижается, что в дополнение к снижению эффективности гидроудара скоростного напора ветра деформацией резиновых стержней гибкой подвески 3 гасителя к проводу предохраняет провод от разрыва при резких порывах ветра до возникновения в гасителе реактивной силы. Конусообразная конфигурация зоны «С» 6 способствует также увеличению скорости воздушной струи при вхождении во входное отверстие выходного сопла 5, что, в свою очередь, увеличивает скорость вхождения воздушной струи во внутреннюю конусообразную поверхность сопла Лаваля, образованного зоной «С» 6 и выходным соплом 5 (фиг. 3), что способствует увеличению реактивной силы, образуемой гасителем.

Предложенная конструкция гасителя колебаний проводов позволяет снизить ветровую нагрузку на провод в течение всего периода воздействия на него скоростного напора ветра, тем самым уменьшает вероятность обрыва проводов в районах с повышенным скоростным напором ветра на провода и грозозащитные тросы. Это обстоятельство позволяет в целом повысить эксплуатационную надежность функционирования линий электропередачи в тех районах, где ветер воздействует на провода с резкими и частыми порывами значительной величины.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №666599 кл. Н02G 7/14, 1977.

2. Авторское свидетельство СССР № 936148 М.кл. Н02G 7/14.1982.

3. Патент на изобретение № 2440650 РФ 20.01.2012. бюл. №2.

4. Патент на изобретение № 34727 20.11.2020, бюл. №46 Республика Казахстан (прототип).

5. Ляховецкая Л.В. Обеспечение работоспособности воздушных линий 35 кВ сельских распределительных сетей, расположенных в обводненных грунтах. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Челябинск, 2014 - 166 с.

Изобретение относится к гашению колебаний проводов. Технический результат заключается в сокращении числа повреждений и обрывов проводов посредством уменьшения возмущающей силы колебательного процесса проводов при одновременном предохранении их от ударной нагрузки при резких порывах ветра. Для этого аэродинамический гаситель колебаний проводов линий электропередачи закреплен на проводе с помощью гибкой подвески на продолговатом элементе, на верхней и нижней гранях которого горизонтально и перпендикулярно проводу расположены входные сопла в виде полых усеченных конусов и соединенные с ними насадки в виде полых обратных усеченных конусов, представляющих собой выходные сопла, при этом на каждом из входных сопел перед входом в насадку предусмотрена зона, представляющая собой полый конус с углом конусности 12°, соединенный с насадкой своим меньшим основанием, длина зоны равна диаметру окружности меньшего основания насадки, корпус гасителя закреплен к проводу гибкой подвеской в виде двух резиновых стержней. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Аэродинамический гаситель колебаний проводов линий электропередачи, закрепленный на проводе с помощью гибкой подвески на продолговатом элементе в виде параллелепипеда с полым прямоугольным сечением, на верхней и нижней гранях продолговатого элемента горизонтально и перпендикулярно проводу расположены входные сопла в виде полых усеченных конусов и соединенные с ними насадки в виде полых обратных усеченных конусов, представляющих собой выходные сопла, отличающийся тем, что на каждом из входных сопел перед входом в насадку предусмотрена зона С, представляющая собой полый конус с углом конусности 12°, соединенный с насадкой своим меньшим основанием, длина зоны С равна диаметру окружности меньшего основания насадки, корпус гасителя закреплен к проводу гибкой подвеской в виде двух резиновых стержней.

2. Аэродинамический гаситель по п. 1, отличающийся тем, что соотношение диаметров большего и меньшего оснований входных сопел составляет 2,66:1.

3. Аэродинамический гаситель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что гибкая подвеска выполнена в виде двух резиновых цилиндрических стержней сплошного поперечного сечения диаметром 40-50 мм и высотой 100-120 мм из высокопрочной резины 1 класса, изготовленных совместно с подошвой толщиной 12-15 мм из этого же материала, подошва прикреплена к верхней грани продолговатого элемента четырьмя болтами, верхний конец резинового стержня посредством крюка шарнирно соединен с механизмом глухого крепления к проводу гасителей вибрации проводов.

4. Аэродинамический гаситель по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что резиновый стержень гибкой подвески гасителя к проводу совместно с резиновой подошвой армирован армировочной сеткой цилиндрической формы, изготовленной из стержней пружинной стали, армировочная сетка состоит из верхнего и нижнего поясов в виде колец, соединенных вертикальными стержнями, вертикальные стержни совместно с соединенными с ними горизонтальными стержнями образуют армировочную сетку, к нижнему поясу которой присоединены в лучеобразном исполнении стержни для армирования подошвы.

5. Аэродинамический гаситель колебаний проводов по п. 1, отличающийся тем, что нижний торец резинового стержня гибкой подвески гасителя к проводу жестко присоединен к верхней грани продолговатого элемента.