На проводах и грозозащитных тросах высоковольтных линий электропередач возникают различные механические нагрузки и напряжения. Например, при ветре наблюдается такое явление как вибрация или пляска проводов. Что это такое, какие могут быть последствия и методы борьбы вы узнаете из этой статьи.
Определение
Вибрацией проводов называются периодические колебания провода или троса в пролете между опорами ЛЭП. Колебания происходят с частотой от 3 до 150 Гц в вертикальной плоскости под воздействием ламинарного воздушного потока. В результате образуются стоячие волны, двойная амплитуда которых может быть больше диаметра провода или троса, но при этом не превышает 0,005 длины волны.
Пляской называются устойчивые периодические колебания, с большей чем в предыдущем случае амплитудой и меньшей частотой — от 0,2 до 2 Гц. Таким образом образуются стоячие волны амплитудой от 0,3 до 5 метров, а в некоторых случаях и больше.
Явление наблюдается на линиях электропередач, проводах контактной сети и грозозащитных тросах. К контактной сети также применяется понятие «автоколебания», хотя в сущности это одно и тоже. Еще одно название — Эоловы вибрации.
Так главным отличием вибрации от пляски является частота. Вибрация едва заметна глазу из-за высокой частоты, меньшей амплитуды и числа полуволн, а пляска — это сильные колебания с большей длиной волны и амплитудой.
Причины возникновения
Вибрация проводов и тросов воздушных ЛЭП возникает при ламинарном потоке воздуха (при ветре скоростью 0.5-7 м/с, при большей скорости поток становится турбулентным), направление которого перпендикулярно или находится под некоторым углом к ним.
Тогда потоки воздуха обтекают цилиндрическую поверхность провода и возникает круговой поток, при этом в верхней его части (на рисунке ниже точка А) скорость этого потока больше чем в нижней (точка В). Происходит это из-за срывов вихрей воздуха с верхней и нижней стороны, в результате чего появляется дисбаланс давлений.
Отсюда возникает не только горизонтальная, но и вертикальная составляющая давления потоков воздуха (ветра). Если частота образования вихрей совпадет с частотой (одной из) собственных колебаний провода, то начнутся его колебания в вертикальной плоскости.
Собственными называются колебания, возникающие в системе при отсутствии переменных внешних воздействий, в результате начального отклонения. Как происходит с гитарной струной.
В определенных точках возникнут пучности волн, в них амплитуда будет максимальной. Те точки, которые будут оставаться неподвижными, называются узлами. В них будут происходить угловые перемещения провода, простым языком – он будет изгибаться и вращаться. Возникают стоячие волны, когда длина волны равна или кратна расстоянию между опорами (длине пролёта).
Частота вибраций прямо пропорциональна скорости ветра и может быть вычислена по формуле:
f=(0,185V)/d,
где f – частота колебаний, V – скорость ветра, d – диаметр, 0,185 – характерное в этом случае число Струхаля.
Из формулы видно и то, что чем тоньше провод, тем с большей частотой он вибрирует. При этом особо опасны скорости ветра 0,6-0,8 м/с, поскольку при скорости ветра больше 5-8 м/с амплитуды малы и не опасны. Как правило, явление возникает в пролётах длиной более 120 метров, при увеличении расстояния только усиливается. Особенно это важно при протяженности пересечения ВЛ более чем 500м, например, через реки и водоёмы.
Отличием пляски от вибрации в первую очередь является амплитуда – она больше и может достигать 12-14 метров, а также большей длинной волны. Характер и траектория движения при пляске повторяет форму вытянутого эллипса, с отклоненной осью на 10-20 градусов от вертикальной линии.
При гололеде (наледях и обледенении линии) диаметр провода увеличивается исходя из формулы, приведенной выше – уменьшается частота колебаний и увеличивается длина волны вибраций.
Гололед появляется не равномерно, а с подветренной стороны. В результате провода и тросы становятся не цилиндрическими, а неправильной формы. При такой форме во время ветра возникает подъёмная сила, на рисунке ниже Vy.
Она и вызывает пляску. Слева изображены волны пляски в пролёте между опорами, а с права – обледеневший трос и огибающий его воздушный поток.
Пляска возникает при большей скорости ветра, чем вибрации, а именно 5-20 м/с, под углом к линии в 30-70 градусов. Колебания происходят с меньшей частотой и большей амплитудой.
Внешние отличия явлений этих двух явлений вы можете увидеть на сравнив следующие два видео:
Опасность
Давайте разберемся чем опасна пляска и вибрация на ВЛЭП. Пляска опасна тем, что провода колеблются не синхронно, а амплитуда может достичь такой величины, что может произойти перехлест с тросом грозозащиты, или между собой. Из-за чего происходят электрические разряды, со всеми вытекающими последствиями. Для предотвращения схлестываний в некоторых случаях устанавливаются изолирующие распорки между проводящими частями линий.
Вибрация в свою очередь несёт разрушающие воздействия на жилы проводников, также возможны обрывы линии на соединениях и зажимах или выходах из зажимов.
Методы борьбы
Поскольку опасность вибрации и пляски заключается в выходе из строя ВЛ, обрывах и замыканиях, мы рассмотрим основной метод защиты от неё.
Установка виброгасителей является основным методом устранения рассмотренных явлений. Они бывают различных типов. Общей чертой является то, что выполнены в виде стержня с грузилами на концах, который подвешивается за среднюю часть на тросах и проводах. Тип виброгасителя подбирается в соответствии с длиной пролёта и диаметром проводника, согласно таблице 2.5.9. ПУЭ, п. 2.5.85 (Глава 2.5 ПУЭ).
Для определения климатических условий и расчетов нагрузки механических напряженностях при вибрациях также пользуются информацией, изложенной в пунктах ПУЭ 2.5.38-2.5.74, в них приведено по районам ветровое давление, толщина стенки гололеда, среднегодовая продолжительность гроз и прочие данные. Если хотите узнать больше – можете ознакомится с РД 34.20.182-90 «Методические указания по типовой защите от вибрации и субколебаний проводов и грозозащитных тросов воздушных линий электропередачи напряжением 35-750 кВ».