Приложение 2. Типовые методы защиты проводов от колебаний в подпролетах

Приложение 2

Типовые методы защиты проводов от колебаний в подпролетах

1. Колебания проводов в подпролетах. Причины возникновения и виды колебаний, вызываемых аэродинамическим следом

1.1. Колебаниями проводов в подпролетах или субколебаниями (от английского термина Subspan Oscillation) называются вызываемые ветром периодические колебания горизонтально расположенной (или занимающей положение, близкое к горизонтальному) пары проводов расщепленной фазы (расщепленных грозозащитных тросов), происходящие с одной или несколькими полуволнами на участках (называемых подпролетами) между соседними внутрифазовыми дистанционными распорками с узловыми точками в местах установки распорок либо вблизи зажимов распорок (рис. П2.1).

1.2. Колебания проводов в подпролетах являются наиболее часто встречающейся разновидностью колебаний проводов, вызываемых аэродинамическим следом. Колебания проводов, вызываемые аэродинамическим следом, возникают, когда подветренный провод горизонтальной пары проводов ВЛ попадает в турбулентный аэродинамический поток за наветренным проводом. Наветренным называется первый по направлению воздушного потока провод, подветренным - второй по направлению ветра провод горизонтальной пары.

1.3. Колебания проводов, вызываемые аэродинамическим следом, возникают при действии равномерных ветров в диапазоне скоростей от 7 до 18 м/с. Чаще всего такие колебания возникают при отсутствии отложений на проводах (в виде гололеда, мокрого снега, изморози) в сухую погоду. Однако наблюдаются случаи возникновения колебаний во время дождя, а также при наличии отложений на проводах.

Характерные разновидности колебаний проводов, вызываемых воздействием аэродинамического следа, показаны на рис. П2.2.

Из всех видов колебаний проводов, вызываемых аэродинамическим следом, субколебания встречаются наиболее часто и наиболее опасны (рис. П2.1, П2.2а).

Составляющие горизонтальной пары проводов пучка движутся в противофазе по эллиптическим траекториям с главной осью эллипса, слегка наклонной к горизонтали. Наиболее типичными являются движения с одной полуволной в подпролете. Колебания с более чем двумя полуволнами в подпролете встречаются редко.

Виды движений проводов, показанные на рис. П2.2, б - П2.2, г, характеризуются незначительными изменениями формы поперечного сечения пучка (или расстояния между проводами в пучке). В этих случаях пучок напоминает колеблющуюся ленту. При этих видах колебаний наблюдаются комбинированные движения пучков: в случаях П2.2, б и П2.2, в движение по вертикали и горизонтали сопровождается слабыми крутильными колебаниями, в случае П2.2, г крутильные колебания сопровождаются перемещениями в вертикальной плоскости. Для форм П2.2, б и П2.2, в наиболее характерны колебания с одной, а чаще - с двумя полуволнами в пролете, для формы П2.2, г - многополуволновые колебания с числом полуволн до 8. При возникновении колебаний с двумя или более полуволнами местоположение узлов колебаний не совпадает с местами установки дистанционных распорок.

1.4. Исследования явления колебаний проводов в подпролетах (субколебаний) показали, что это колебания типа флаттера [3]. При воздействии ветрового потока на два параллельных провода, находящихся в плоскости, близкой к горизонтальной, подветренный провод попадает в аэродинамический след наветренного провода. При этом на подветренный провод действует аэродинамическая подъемная сила и сила лобового сопротивления, которые изменяются по значению и направлению с изменением положения подветренного провода в аэродинамическом следе наветренного (рис. П2.3).

Подъемная сила всегда направлена к центральной линий следа. Подъемная сила увеличивается от 0 у границ следа до максимума между границей и центральной линией следа и уменьшается до 0 у центральной линии следа. Значение максимума подъемной силы зависит от расстояния между проводами и уменьшается с увеличением расстояния.

Лобовое сопротивление имеет минимум на центральной линии аэродинамического следа, где скорость ветрового потока минимальна, и симметрично возрастает до максимума у границ следа. Значение максимума лобового сопротивления является функцией значительного числа параметров, таких, как число Рейнольдса, неровности поверхности проводов, конструкция витого провода, турбулентность ветрового потока, влажность воздуха и т.д.

1.5. Основными величинами, характеризующими колебания проводов в подпролетах, являются частота, длина полуволны и амплитуда колебаний.

Частотой называется число циклов колебаний провода в подпролете в течение 1 с.

Длиной полуволны колебаний называется расстояние между двумя соседними узловыми точками колебаний; две соседние полуволны образуют полную волну колебаний.

Амплитудой колебаний проводов в подпролетах называется значение наибольшего отклонения провода в пучности полуволны от нейтрального положения провода; полный размах колебаний в пучности полуволны равен двойной амплитуде колебаний.

1.6. Частота колебаний провода в подпролете зависит от длины полуволны и может быть определена по формуле

, (П2.1)

где n - число полуволн в подпролете (чаще всего n = 1);

l - длина подпролета между соседними распорками, м;

T - тяжение в проводе, Н;

m - масса провода, кг/м.

Наиболее часто колебания в подпролетах происходят с частотами от 0,7 до 5 Гц.

1.7. Двойные амплитуды колебаний 2А в подпролетах длиной 30-40 м обычно не превышают 0,1 м. В подпролетах длиной 60-80 м субколебания могут достигать большого размаха: 2A = 0,3-0,5 м. Такие колебания способны вызвать соударения проводов в средней части подпролета.

1.8. Измерение амплитуды отклонения провода от нейтрального положения может осуществляться механическими устройствами, позволяющими фиксировать максимальные за период наблюдения размахи колебаний проводов в диапазоне от 50 до 400 мм (2А 50, 100, ..., 400 мм). Регистраторы колебаний устанавливаются в пучности полуволны колебаний - в середине подпролета между распорками.

2. Влияние условий прохождения трассы, конструкции ВЛ и применяемой линейной арматуры на подверженность проводов ВЛ колебаниям в подпролетах

2.1. Причиной возникновения субколебаний так же, как и эоловой вибрации проводов, является ветер. Наиболее устойчивые и интенсивные колебания проводов в подпролетах наблюдаются при ветрах скоростью 9-15 м/с, направленных под углом от 90 до 45° к оси линии. При этом с увеличением числа проводов в пучке наблюдается тенденция развития интенсивных колебаний при более высоких скоростях ветра. Так, например, интенсивные субколебания проводов пучка из восьми составляющих наблюдаются при скоростях ветра 12-20 м/с. Это объясняется тем, что при средних скоростях ветра в аэродинамический след наветренного провода попадает подветренный провод, который при отсутствии ветра находится с наветренным на одной горизонтали. При высоких скоростях ветра под действием напора ветра провода отклоняются и подветренный провод выходит из аэродинамического следа наветренного, что приводит к прекращению субколебаний. С увеличением числа составляющих пучка (восьми и более) отклонение проводов под действием скоростного напора ветра приводит к тому, что в аэродинамический след попадают провода, не находившиеся в нем при отсутствии ветра и при средних скоростях ветра.

2.2. Топографические условия прохождения трассы ВЛ (рельеф местности, растительный покров и разного рода сооружения вблизи линии) оказывают существенное влияние на характер аэродинамического потока. Характерные особенности топографии, влияющие на интенсивность турбулентности ветра, приведены в табл. 3.1. Турбулентность аэродинамического потока приводит к ослаблению связей между результирующими аэродинамическими силами, что уменьшает подверженность проводов субколебаниям и их интенсивность [3, 10]. Наиболее опасными с точки зрения возможности возникновения субколебаний и их интенсивности считаются участки ВЛ, проходящие по местности категорий 1, 2 (см. табл. 3.1), а также поперек горных долин и глубоких оврагов.

2.3. Решающее влияние на возможность возникновения колебаний проводов в подпролете оказывает конструкция расщепленной фазы (или грозотроса). Колебаниям в подпролете подвержены горизонтальные или близкие к горизонтальным пары проводов пучка, в которых подветренный провод находится в аэродинамическом следе наветренного провода. Интенсивность воздействия на подветренный провод аэродинамического следа, создаваемого наветренным, в значительной степени зависит от расстояния между проводами пары.

Относительное расстояние между проводами (рис. П2.4) выражается в виде отношения a/D, где а - расстояние между проводами; D - диаметр проводов. Увеличение отношения a/D способствует повышению устойчивости горизонтальной пары проводов к колебаниям, вызываемым воздействие аэродинамического следа [3.10]

На существующих линиях отношение a/D обычно находится в пределах от 10 до 20. Опыт эксплуатации ВЛ показывает, что при отношении a/D в пределах 16-18 обеспечивается стабильность пучка из двух горизонтально расположенных проводов, а также для пучка из трех составляющих. Для пучков из четырех составляющих в форме правильного квадрата с двумя сторонами, параллельными горизонту, а также для пучков из пяти и более составляющих отношение a/D должно быть не менее 20 [3].

Возможными способами увеличения отношения a/D являются, например, замена двухпроводного горизонтального пучка трехпроводным с проводами меньшего диаметра, использование ромбовидного пучка из четырех составляющих вместо пучка из трех проводов.

2.4. Другим конструктивным фактором, влияющим на подверженность проводов колебаниям в подпролетах, является наклон к горизонтали пары проводов, создаваемый с целью ослабления воздействия на подветренный провод аэродинамического следа наветренного провода. При этом угол наклона к горизонтали не обязательно должен быть велик настолько, чтобы вывести полностью подветренный провод из зоны действия аэродинамического следа наветренного.

Создавая наклон пары проводов пучка с целью уменьшения подверженности его колебаниям, необходимо увязывать направление наклона с ожидаемым преобладающим направлением ветра по отношению к данному пучку. Наиболее часто нестабильность пары проводов проявляется при наклоне пучка в диапазоне от 5 до 15°. Направление наклона вверх или вниз по отношению к горизонтальной плоскости, проходящей через ось наветренного провода, необходимо выбирать с учетом конфигурации пучка. Угол наклона считается положительным, если подветренный провод находится выше оси аэродинамического следа наветренного, и отрицательным, если ниже (см. рис. П2.4).

Для обеспечения стабильности проводов угол между плоскостью пары проводов пучка и направлением ветрового потока должен превышать 20°. При этом необходимо учитывать, что положение пары проводов при воздействии ветрового потока изменяется. Например, в пролете с одиночными поддерживающими гирляндами изоляторов по концам наклон пары проводов, горизонтальной в условиях безветрия, под действием ветра может превысить 20°. С другой стороны, пучок с наклоном в середине пролета 20° к горизонтальной плоскости под действием ветра определенного направления может занять положение, близкое к горизонтальному.

Необходимо также учитывать следующие причины возможных изменений наклона пучка проводов по сравнению с проектным: неодинаковые тяжения в различных составляющих пучка, разные коэффициенты вытяжки (ползучести) проводов пучка, различные удлинения проводов под действием неодинаковых гололедных нагрузок и т.д. Долгосрочные изменения наклона пучка по сравнению с проектным могут достигать после нескольких лет эксплуатации ВЛ значения порядка 8°.

Одним из способов ограничения колебаний проводов в подпролетах может служить закручивание пучка проводов по спирали путем поворота пучка на угол порядка 15° на каждой из опор в противоположных направлениях на соседних опорах (с помощью использования удлиненных подвесных скоб на коромыслах поддерживающих устройств). При этом положение подветренного провода в аэродинамическом следе наветренного значительно изменяется вдоль фазы, что оказывает на пучок проводов стабилизирующее воздействие [11].

2.5. Уменьшение длин подпролетов является эффективным средством ограничения колебаний в подпролетах. Частоты собственных колебаний проводов в подпролете обратно пропорциональны его длине. Увеличение собственных частот колебаний проводов в подпролете приводит к возрастанию количества энергии, рассеиваемой по причине аэродинамического демпфирования. Скорость ветра, требуемая для возникновения и поддержания колебаний проводов на участках между дистанционными распорками, называемая критической скоростью, возрастает при увеличении количества распорок в пролете ВЛ. Критическая скорость ветра для ВЛ с более короткими подпролетами по сравнению со скоростью для ВЛ с более длинными подпролетами в 1,3-1,4 раза больше при прочих равных условиях.

Увеличение тяжений в проводах также несколько увеличивает критическую скорость ветра из-за возрастания собственных частот колебаний проводов в пролете.

3. Места и характер повреждений проводов, вызываемых колебаниями в подпролетах

3.1. Опасность колебаний проводов в подпролетах состоит в том, что при периодических перегибах провода в нем возникают циклические механические напряжения; складываясь со статическим напряжением натянутого в пролете провода и напряжением от изгиба и сжатий в местах креплений, они с течением времени могут приводить к явлению усталости металла и разрушению провода при напряжениях, значительно меньших предела его прочности при разрыве.

Отмечаются также повреждения проволок наружного повива проводов в середине подпролета по причине соударений при колебаниях в подпролетах.

Колебания проводов в подпролетах часто являются причиной разрушения деталей арматуры ВЛ [12].

3.2. Опасность повреждения проводов в местах крепления их в элементах арматуры определяется не столько абсолютным значением амплитуды колебаний в пучностях полуволны, сколько степенью перегиба провода в местах крепления. Степень перегиба провода определяет дополнительные динамические напряжения в местах креплений, которые могут приводить к появлению и развитию повреждений провода.

Степень перегиба провода в местах крепления определяется углом отклонения провода при колебаниях от нейтрального положения (рис. П2.1, П2.5). Угол отклонения провода (или угол колебаний) в угловых минутах может быть вычислен по формуле, аналогичной (П1.7)

, (П2.2)

где А - амплитуда колебаний в пучности, мм;

- длина волны колебаний, м.

Опасными считаются субколебания, создающие угловые отклонения провода у мест его подвеса либо у мест выхода из зажимов распорок более 10-20'. При колебаниях в подпролетах меньшей интенсивности не возникает опасности усталостных повреждений проводов в местах креплений, а также опасности соударений проводов в средней части подпролета.

3.3. Распорки для пучка проводов расщепленной фазы (расщепленных тросов), фиксирующие заданное расстояние между проводами, должны обеспечивать длительную надежную работу ВЛ, не создавая опасности повреждения как самих распорок, так и проводов в местах установки распорок.

При субколебаниях на распорки воздействуют циклически изменяющиеся нагрузки, значения и характер которых зависят от формы и амплитуды колебаний проводов в подпролетах. В том случае, когда колебания в смежных подпролетах близки по фазе (рис. П2.5, а), на распорку воздействует поперечная динамическая нагрузка, амплитудное значение которой определяется по формуле:

, (П2.3)

где F - поперечная (продольной оси провода) динамическая нагрузка на распорку, Н;

А - амплитуда колебаний в пучности полуволны, м;

l - длина подпролета, м;

T - тяжение провода, Н.

При колебаниях в смежных подпролетах, противоположных по фазе (рис. П2.5, б), на распорку воздействует изгибающий (либо скручивающий - в зависимости от конструкции распорки) момент [13].

, (П2.4)

где - изгибная жесткость провода.

При недостаточной механической прочности сосредоточенных дистанционных распорок могут наблюдаться усталостные изломы элементов корпуса распорок и разрушения проводов поврежденным лучом.

Распорки, применяемые на ВЛ, должны выдерживать действие циклов нагрузок, определяемых формулами (П2.3), (П2.4). Снижение моментных составляющих нагрузок, действующих как на провод, так и на распорку, достигается креплением плашечных зажимов распорок к корпусу (раме или тяге) с помощью шарниров, работающих в одной либо в двух плоскостях (в последнем случае оси шарниров должны пересекаться).