Широкополосный гаситель вибрации спирального ударного типа
advertisement
Широкополосный гаситель вибрации спирального ударного типа В.Г. Колосов, А.А. Мельников, С.В. Рыжов ЗАО «Научно-технический центр «Электросети» Москва, Россия E-mail: melnikov@essp.ru Аннотация — для защиты воздушных линий электропередачи (ВЛ) от вибрации наибольшее распространение получили гасители вибрации типа Стокбриджа. Опыт эксплуатации показал, что такой гаситель имеет ряд недостатков, среди которых: наличие частотных полос с низкой эффективностью; необходимость установки в строго определѐнные точки защищаемого пролѐта; относительно высокая стоимость. Ставится актуальная задача – создание современного высокоэффективного широкополосного гасителя вибрации принципиально иного типа, лишенного указанных недостатков. Разработан широкополосный гаситель вибрации спирального ударного типа, способный защитить ВЛ от вибрации в частотном диапазоне 15 … 140 Гц. В работе описана математическая модель широкополосного гасителя, приведены результаты испытаний устройства в лабораторных условиях. Ключевые слова — воздушные линии 10–750 кВ; вибрация; защита ВЛ; спиральный гаситель; экономическая эффективность Broadband helical impact vibration damper Valentin Kolosov, Anton Melnikov, Sergey Ryzhov Elektroseti Engineering Center JSC Moscow, Russia E-mail: melnikov@essp.ru Abstract — Overhead power transmission lines (OL) currently employ most massively Stockbridge vibration dampers to fight vibration. Operating experience suggests that these dampers have a number of limitations including: the existence of low-efficiency frequency bands; the need of mounting at strictly specific points of the span protected; a relatively high cost. A relevant goal is set: To devise an advanced highly effective landmark broadband vibration damper free of the above-mentioned shortcomings. A broadband vibration damper of the helical impact type has been developed to protect OL against vibration within the 15 … 140 Hz frequency range. The paper describes a mathematical model of the broadband damper, and provides bench test results. Keywords — 10–750 kV air-lines; vibration; OL protection; helical damper; cost efficiency I. конструкций гасителей вибрации. Среди них наибольшее распространение получили гасители Стокбриджа (Рис. 1). ВВЕДЕНИЕ Повышение требований надежности при эксплуатации проводов и грозозащитных тросов воздушных линий электропередачи (ЛЭП) и самонесущих волоконнооптических кабелей связи выдвигает на первый план проблему обеспечения их эффективной и устойчивой работы. Надежность работы ВЛ и ВОЛС во многом определяется наличием или отсутствием вибрации кабеля. Гасители вибрации Стокбриджа могут использоваться для гашения вибрации проводов ВЛ с частотами от 5 до 130 Гц. При возникновении в пролѐте вибраций грузы гасителя начинают колебаться на демпферном тросе относительно корпуса. В результате изгиба троса, сопровождающегося относительным смещением проволок в повивах, заметная часть энергии рассеивается в виде тепла на трущихся между собой проволочках троса. Существенное снижение уровня вибрации провода может быть достигнуто за счѐт гасителей вибрации. Сегодня можно приобрести гасители, способные ограничить вибрацию практически в любых проблемных пролетах. Трудно объективно судить, насколько может быть обоснованным рост цен на гасители, даже при существенном улучшении их характеристик. A. Гасители Стокбриджа Проведѐнный патентный поиск показал, что в настоящее время существует значительное количество Рис. 1. Гаситель Стокбриджа 546 Традиционный гаситель Стокбриджа имеет две резонансные частоты, обусловленные его конструктивными параметрами. Более современные гасители имеют большее количество резонансных частот. Предполагается, что воздействием гасителя на провод в течение одного периода можно пренебречь и считать, что ось провода колеблется по закону: y1 A cos t A cos 2ft Конструктивно гасители отличаются по своей эффективности, параметрам технологичности, ценовым характеристикам. Насколько хорош гаситель, во многом зависит от остроты резонансов его рабочей амплитудночастотной характеристики, а также от величины отделяющих их промежутков. (1) где A – амплитуда колебаний провода, ω и f — круговая и линейная частоты, t — время. Рассмотрим условия реализации возможных виброударных режимов в системе ― провод—гаситель‖. A. Режим двухстороннего соударения Схема движения провода и гасителя в этом режиме приведена на Рис. 3. B. Спиральные гасители По своим ценовым характеристикам и технологичности, отсутствием каких бы то ни было элементов крепления к проводу привлекают конструкции гасителя спирального типа (Рис. 2.). Преимуществом гасителей спирального типа является их длина. Монтажная секция гасителя монтируется вручную непосредственно на провод, либо на протектор, поэтому такие гасители могут применяться для защиты неизолированных и изолированных проводов, грозозащитных тросов, ОКСН, ОКГТ. Обычно они делаются достаточно длинными, так что часть гасителя почти всегда будет находиться в пучности. Наряду с существенными положительными качествами отметим отрицательные моменты существующих конструкций спирального гасителя. Использование тяжелой инертной массы в качестве гасителя может привести к отрицательному результату. Несмотря на то, что такой груз, помещѐнный на небольшом расстоянии от зажима, может уменьшить деформацию провода в этой области, он, по существу, служит точкой отражения, и в этом случае максимально высокий уровень деформации может переместиться в место крепления груза. Рис. 3. Схема движения при двухстороннем режиме соударения Поскольку работа гасителя относится к расстраиванию колебаний на основе соударения спирали с проводом, то наличие одного постоянного зазора между гасителем и проводом приводит к невозможности такого соударения или слабой эффективности работы гасителя в отдельных диапазонах частот и амплитуд вибрации провода. В этом случае провод соударяется с гасителем за период поочередно верхней и нижней точками поперечного сечения (Рис. 3). Взаимное движение провода и гасителя определяется силами инерции и веса. Сила инерции, действующая на гаситель, равна В результате проведѐнного анализа было принято решение о разработке современного широкополосного гасителя вибрации на основе спирального типа гасителя, лишѐнного описанных недостатков. Для реализации оптимальной конструкции была построена математическая модель работы спирального гасителя. Здесь m – масса провода, y – координата в вертикальном направлении. Отрыв гасителя, лежащего на проводе, при вибрации возможен при условии II. F my2 A 2 m cos t (2) (3) A 2 cos t g где g – ускорение свободного падения. Отсюда следует, что отрыв гасителя от провода происходит в момент g (4) t1 arccos A 2 АНАЛИЗ РЕЖИМОВ ВИБРОУДАРНЫХ КОЛЕБАНИЙ СПИРАЛЬНОГО ГАСИТЕЛЯ Представленная методика предназначена для определения конструктивных параметров гасителя, которые обеспечивают периодический режим колебаний. В дальнейшем гаситель и провод движутся раздельно по законам (5) до нового столкновения: y1 A cos t A cos 2ft y 2 y1 (t1 ) y1 (t1 )(t t1 ) g t2 2 (5) B. Режим одностороннего соударения Схема движения провода и гасителя в режиме одностороннего соударения приведена на Рис. 4. Рис. 2. Пластиковый спиральный гаситель, установленный на грозотрос 547 Рис. 5. Простейший вариант спирального гасителя из одной спирали Основной задачей является определение соотношения между этими параметрами. Наиболее эффективным такой гаситель будет, если за время периода колебания провода на соответствующих частотах происходит два соударения спирали с проводом. Для реализации периодического двухударного режима необходимо, чтобы соударение провода с гасителем в некоторый момент произошло не позже, чем через полпериода. Кроме того, для повышения потерь кинетической энергии при ее переходе в тепло желательно, чтобы скорость удара была наибольшей. Рис. 4. Схема движения при одностороннем режиме соударения Начало отсчета времени совмещено с моментом отделения гасителя от провода по условию (4), так что максимум смещения провода достигается в момент t1 arccos После отделения провод (сплошная линия на Рис. 4): g (6) 2A движется по y1 A cos(t t1 ) закону Тем не менее, реализовать двухударный режим работы с одной спиралью во всем диапазоне частот вибрации провода не представляется возможным. В отдельном диапазоне частот будет реализовываться режим одностороннего соударения. Такой режим может реализовываться на низких частотах вибрации. Более того, на некоторых диапазонах вибрации такой гаситель может вообще не работать – т.е. соударений не будет. (7) a гаситель движется под действием силы тяжести (пунктир на Рис. 4): y 2 y1 (0) y1 (0)t g 2 t 2 2 g (8) В общем случае для более эффективной работы ударного гасителя в диапазоне частот от 15 до 140 Гц потребуется не одна, а несколько спиралей. На Рис. 6 представлена схема гасителя из трех спиралей. g g 2 At 1 (t ) 2 2 2 2 A Для реализации периодического режима необходимо, чтобы в момент времени ωt = 2π ось гасителя оказалась на высоте, не большей чем та, на которой произошло отделение. Решая эту задачу, обозначив диаметр провода и внутренний диаметр спирального гасителя как d и D соответственно, получаем, что режим с односторонними соударениями реализуется при условиях: A 2g 2 , A 0,23( D d ) Три спирали Сп.1 и Сп.2 и Сп.3, установленные на провод (П) отличаются только внутренними диаметрами. Направление навивки у всех спиралей одинаковое. Спирали с большим внутренним диаметром эффективнее работают на малых частотах – с большими амплитудами перемещений. В то же время спирали с меньшим диаметром будут эффективнее работать на верхнем диапазоне частот. Кроме того, взаимное перемещение отдельных спиралей между собой увеличит внутреннее трение системы. (9) Первое условие удобнее привести к виду Af 2 500 , [ A] мм, [ f ] Гц (10) Из проведѐнных теоретических проработок следует, что для работы в области низких и высоких частот отношения внутреннего диаметра спирали к диаметру стержня должны быть соответственно: Очевидно, что данный режим может реализовываться на низких частотах вибрации. Из второго условия (9) следует, что на низких частотах зазор между проводом и гасителем должен быть значительным: при амплитуде вибрации, равной диаметру провода, диаметр гасителя должен составлять D = 5,4d. nmax IV. Таким образом, режим одностороннего соударения тоже может быть использован для гашения вибрации провода, однако он менее эффективен, чем режим двухстороннего соударения. III. D D 1,7...2,0 и nmin 1,1...1,3 d d (11) МЕТОД ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГАСИТЕЛЕЙ ВИБРАЦИИ Эолова вибрация возникает и развивается в условиях устойчивого (ламинарного) ветрового потока при скоростях V = 1-7 м/с. Диапазон амплитуд вибрации (пикпик) выражается в значениях диаметра провода (d) и составляет – (0,01 1)× d [1]. РАЗРАБОТКА ЭСКИЗНОГО ПРОЕКТА СПИРАЛЬНОГО ГАСИТЕЛЯ ВИБРАЦИИ Простейший вариант спирального гасителя расстраивающего типа представлен на Рис.5. Он представляет собой спираль, навитую на провод. При этом внутренний диаметр спирали D больше диаметра провода d (D > d), (Рис. 5). Рис. 6. Вариант спирального гасителя с тремя спиралями 548 В стационарном режиме установившихся колебаний мощность гасителя PD должна определяться через мощность накачки ветра PЕ и мощность внутреннего рассеяния в проводе PС [2]. PD =PЕ − PС (12) Эффективность гасителя h в соответствии с методом обратной стоячей волны [3] определяется соотношением амплитуд в узле и пучности: h Ymin Ymax (13) Конструкция разрабатываемого многочастотного гасителя вибрации должна обеспечивать снижение знакопеременных деформаций в проводе (грозозащитном тросе) до безопасного уровня и тем самым повысить их эксплуатационную надежность. Таблица I. ПРОВЕДЕНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ ИСПЫТАНИЙ Частота, Гц V. Рис. 9. Амплитуда вибрации с разными гасителями (частота 79,8 Гц) СПИРАЛЬНОГО ГАСИТЕЛЯ ВИБРАЦИИ Для проведения лабораторных испытаний гасителя в опытном пролѐте длиной порядка 30 м был натянут трос ТК 70 диаметром 11,0 мм с растягивающим усилием 15 кН. Вибратор устанавливался на расстоянии 7 м от ближнего натяжного зажима (Рис. 7). 19,7 35,8 63,8 79,8 ЭФФЕКТИВНОСТЬ ГАСИТЕЛЕЙ Эффективность, h Голый Массивный Гаситель пролѐт спиральный Стокбриджа 0,248 0,311 0,354 0,356 0,947 0,797 0,556 0,580 0,207 0,137 0,410 0,400 Спиральный гаситель ЭССП 1 1+2 1+2+3 0,601 0,720 0,703 0,889 0,852 0,922 0,847 0,927 0,916 0,921 0,855 0,933 Таким образом, можно утверждать, что эффективность спирального гасителя вибрации производства ЭССП, достаточно высока во всѐм частотном диапазоне. Длина спиралей испытываемого гасителя составила 1,5 м. На основании (11) величина зазоров между спиралями и проводом была определена как 3, 6 и 9 мм соответственно. На Рис. 8 представлен образец гасителя, смонтированный на грозозащитном тросе Ø11,0 мм. VI. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Разработанный широкополосный гаситель вибрации спирального ударного типа способен защитить ВЛ от вибрации в частотном диапазоне 15 … 140 Гц. Конструктивная простота гасителя позволит существенно снизить время монтажа. Средняя стоимость широкополосного гасителя вибрации спирального типа порядка 300 руб., в то время как средняя цена гасителя вибрации типа Стокбриджа составляет 1070 руб. Таким образом, экономия при замене в проекте гасителя Стокбриджа на гасители вибрации спирального типа составит порядка 770 руб. на одно устройство. Разработанный гаситель может быть применѐн для защиты ВЛ класса напряжения 10–750 кВ от вибрации с целью повышения надѐжности и снижения расходов, связанных с затратами на виброзащиту более чем на 30%. Для оценки эффективности разработанных спиральных гасителей, испытания проводились также для гасителей вибрации типа Стокбриджа и массивных спиральных пластиковых гасителей сторонних производителей, предназначенных для данного грозотроса. В результате испытаний были получены формы колебаний грозотроса, защищаемого различными гасителями, на разных частотах. На Рис. 9 представлен пример снятых характеристик на частоте 79,8 Гц. В таблице 1 приведены значения эффективности гасителей аналогов и комбинаций спиралей гасителя производства АО «Электросетьстройпроект» для частот пролета 19,7… 79,8 Гц, рассчитанные по (13). Список литературы [1] [2] [3] Федяевский К.К., Блюмина Л.Х. Гидродинамика отрывного обтекания тел. М., «Машиностроение», 1977. CIGRE TF B2.11.01, ― Modelling of Aeolian vibration of a single conductor plus damper: assessment of technology‖. Electra, 2005, No. 223, pp. 28-36. C.B. Rawlins, ― An efficient method for measuring dissipation by dumpers in laboratory spans‖. IEEE Trans on Power Delivery, 1998. Рис. 7. Схема опытного пролѐта References [1] [2] Рис. 8. Гаситель спирального ударного типа, смонтированный на тросе. [3] 549 Fedyaevsky K. K., Blyumina L. H. Gidrodinamika otryvnogo obtekanija tel. M., «Mashinostroenie» [Hydrodynamics of a separated flow around bodies. Мoscow, Industrial Engineering], 1977. CIGRE TF B2.11.01, ― Modelling of Aeolian vibration of a single conductor plus damper: assessment of technology‖. Electra, 2005, No. 223, pp. 28-36. C.B. Rawlins, ― An efficient method for measuring dissipation by dumpers in laboratory spans‖. IEEE Trans on Power Delivery, 1998.
