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 про