Одной из основных причин выхода из строя воздушных линий электропередачи является разрушение проводов, арматуры и изоляторов в результате воздействия ветровой вибрации. Для защиты линий электропередачи от воздействия вибрации принимаются различные меры: уменьшение тяжения проводов, тросов и кабелей (далее — проводов), длин пролетов, применение гасителей вибрации.
Основным способом защиты проводов является установка на них указанных устройств. За последние сто лет, со времени первого применения резонансных гасителей вибрации Стокбриджа, было разработано большое число различных их конструкций . Работы велись в направлениях повышения эффективности гашения вибрации, повышения надежности и долговечности самих гасителей. В настоящее время сформировался перечень технических требований к гасителям вибрации [1,2,3], разработаны методы испытаний [1,3,4], выпущены многочисленные научные труды, обобщенные в монографиях [4,5].
ПО «Форэнерго» в течение двадцати лет ведёт работы по изучению процессов вибрации и разрабатываются методы повышения стойкости линий электропередачи к знакопеременным нагрузкам [6]. Работа основана на большом объеме экспериментальных данных, полученных сотрудниками «Форэнерго» в результате проведенных испытаний.
Основной характеристикой гасителя Стокбриджа, отвечающей за его способность убирать вибрацию, является мощность поглощения энергии ветра устройством. Максимальных значений мощность изделия достигает на резонансных частотах. Гасители Стокбриджа имеют в рабочем диапазоне, в зависимости от конструкции, от 2 до 6 резонансных частот. На основании этого сложилось мнение о том, что их эффективность определяется числом резонансных частот. Это мнение нашло отражение в «Положении о технической политике ФСК ЕЭС», в котором, начиная с 2007 года, рекомендуется применение многорезонансных гасителей вибрации. К положению выпущено разъяснение, а именно, информационное письмо ФСК ЕЭС № ЧА/29/173 от 08.12.2007. В нём указывается, что применение гасителей вибрации, имеющих менее трёх резонансных частот, запрещено. Таким образом, было фактически исключено применение устройств марок ГПГ, ГВН и ГПС, выпускавшихся в течение нескольких десятилетий.
Анализ отечественного и зарубежного опыта эксплуатации показал, что в ряде случаев применение такого оборудования, имеющего три резонансных частоты, может способствовать возникновению аварийных ситуаций на ВЛ. В работе [4] показано, что, если рассматривать резонансные частоты оборудования, гасящего вибрацию, в порядке возрастания, то колебания груза на первых двух частотах вызывают изгиб троса гасителя, а колебания на третьей резонансной частоте вызывают кручение троса. В литературе [4] отмечено разрушение троса гасителя при крутильных колебаниях (рис. 1). Кручение троса гасителя Стокбриджа наблюдается при частоте колебаний от 30 до 100 Гц, и, в зависимости от диаметра провода, это происходит при скоростях ветра 5 — 9 м/с.
Аналогичные разрушения наблюдали авторы статьи у устройств, использовавшихся в условиях Крайнего Севера (рис. 2 и 3).
Для оценки опасности разрушения троса от крутильных колебаний грузов гасителей были проведены расчеты касательных напряжений в проволоках троса гасителя. Расчет напряжений в проволоках троса, проведенный для ГВ-1,6-11-450 производства МЗВА, имеющего несимметричные грузы, показал, что величина касательных напряжений в проволоках наружного повива троса достигает величины допускаемых напряжений при кручении (200 МПа) для нормализованной стали 65Г [7]. Расчеты проводились на основании данных, полученных при испытаниях устройства на стенде. Зависимость расчетных касательных напряжений от частоты и скорости перемещения зажима гасителя в области третьей резонансной частоты приведены на рис. 4.
В этой статье авторы на основании исследований различных конструкций гасителей вибрации оценивают целесообразность запрета применения устройств с двумя резонансными частотами и правомочность использования числа резонансных частот гасителя в качестве основного фактора, определяющего его эффективность. Исследователи, на основании оценки характеристик описываемого оборудования, показывают, что параметр гашения вибраций нельзя оценивать только с помощью числа резонансных частот.
Испытания проводились в соответствии с приложением Д2 ГОСТ Р 51155-2017. Метод используется для оценки стабильности параметров устройств. Указания по их применению, приведенные в упомянутом выше информационном письме ФСК ЕЭС, основаны на результатах испытаний, проведенных этим способом.
ГОСТ Р 51155-2017 и МЭК 61897-2020 рекомендуют оценивать эффективность гасителя путем испытаний его совместно с проводом, однако, для оценки сравнительной эффективности различных изделий, достаточно использование метода испытаний согласно приложению Д2 ГОСТ Р 51155-2017.
Для оценки правильности выбора в качестве критерия оценки эффективности гасителя вибрации количества резонансных частот рассмотрим несколько их типов производства МЗВА:
- ГПГ-1,6-11-450,
- ГВ-1,6-11-450,
- несимметричный, марки ГВ-1,6/1,2-11-500,
- пневматический,
- спиральный.
Измерение параметров гасителя (сила, скорость, межфазовый угол) проводилось в диапазоне частот, характерном для этого устройства с шагом 0,35 Гц. Общий вид испытательного вибростенда с ГПГ-1,6-11-450 приведен на рисунке 5.
Мощность устройств определяли по формуле:
где:
- F(f) — сила, приложенная к гасителю вибрации;
- v — виброскорость (в процессе испытаний поддерживается равной 0,1 м/с);
- φ(f ) — угол между векторами скорости и силы.
Резонансные частоты определяли по максимумам функции.
У ГПГ грузы имеют одинаковые плечи (рис. 5), у ГВ грузы имеют плечи разной длины (рис. 6). На рис. 7 показаны зависимости мощности ГВ-1,6-11-450 и ГПГ-1,6-11-450 от частоты. Эти устройства имеют грузы, выполненные в виде U- образных стержней круглого сечения.
На графиках отчетливо видны три резонансные частоты у ГВ-1,6-11-450 и две у ГПГ-1,6-11-450. Однако величина мощности рассеивания у обоих гасителей в среднем отличается незначительно, это можно оценить, например, сравнив средние значения их мощности рассеивания. Эти параметры определяли по формуле:
где:
- Pi — значение мощности на i частоте;
- n — число измерений.
Среднее значение мощности у ГВ-1,6-11-450 составляет 2,05 Вт, а у ГПГ-1,6-11-450 — 1,95 Вт. Таким образом, в среднем, во всём диапазоне частот устройства практически равноценны по мощности рассевания энергии.
Повышение эффективности частот гасителей вибрации Стокбриджа может быть достигнуто путем:
- применения грузов различной массы,
- смещения центра тяжести изделия относительно центра его жесткости.
При этом длина участков троса, примыкающих к грузам, будет отличаться.
Теоретически такой гаситель может иметь до шести резонансных частот, которые накладываются друг на друга. У таких устройств отсутствует снижение мощности на частотах справа и слева от резонансов (например, у ГВ-1,6/1,2-11-500).
Максимумы мощности на графике для ГВ-1,6/1,2-11-500 следует считать условными резонансными частотами, поскольку в результате наложения резонансных частот максимум мощности может появиться на нерезонансной частоте. Среднее значение мощности ГВ-1,6/1,2-11-500 составляет 2,2 Вт.
Несколько лет назад в ПО «Форэнерго» разработан пневматический гаситель вибрации типа ГВПБ, основанный на новом физическом принципе работы. Гашение колебаний происходит за счет вязкого трения воздуха, перетекающего через специальные отверстия внутри оболочки, разделенной подвижной мембраной (рис. 8).
Зависимость мощности рассеивания гасителя от частоты (рис. 7) показывает отсутствие ярко выраженных резонансных частот у ГВПБ. Следует отметить, что представленная конструкция обеспечивает надежную защиту от вибрации в широком частотном диапазоне. Среднее значение мощности пневматического гасителя составляет 2,6 Вт.
Другим «безрезонансным» типом устройств являются спиральные гасители вибрации. Определить их эффективность можно методом стоячей волны совместно с проводом. Эффективность ГВС-11, установленного на проводе АС 70/11, а также зависимость мощности от частоты приведены на рис. 9. Расчетная длина пролета при определении мощности ветра — 100 м.
Задачей гасителя вибрации является снижение амплитуды колебаний провода до безопасного уровня, при котором система «провод-арматура-изоляторы» устойчива к воздействию ветровой вибрации в течение всего срока службы. Этим требованиям могут удовлетворять как устройства, имеющие две резонансные частоты, так и не имеющие их при правильном подборе схемы защиты — верный подбор типов устройств, их количества и места установки на проводе.
Переход на гасители, не имеющие резонансной частоты, нашёл отражение в новой редакции МЭК 61897-2020. В частности, была принята методика испытаний устройств на усталость. Введение в МЭК 61897-2020 этого метода испытаний, вероятно, вызовет необходимость введения изменений в ГОСТ Р 51177-2017 и ГОСТ Р 51155-2017. Кроме того, появление гасителей, не имеющих резонансных частот (спиральные, пневматические), и имеющих невыраженные резонансные частоты (гасители Стокбриджа с грузами разной массы), требует введения в упомянутые стандарты ряда уточнений в части выбора частот для проведения ресурсных испытаний.
Результаты определения характеристик гасителей показывают, что количество резонансных частот не является определяющим фактором, обеспечивающим их эффективность. Определяющим фактором является правильный выбор схемы защиты проводов от вибрации. У ряда изделий — пневматических, спиральных — резонансные частоты отсутствуют, при этом они обеспечивают высокую мощность рассеивания энергии колебаний.
Развитием системы защиты от вибрации ВЛ могла бы стать общепринятая методика, с помощью которой можно было бы разрабатывать эффективные схемы защиты от вибрации с применением различных по конструкции гасителей. Как пример, рассмотрим испытания провода АЖС70/39 с различными гасителями, которые проводились энергетическим методом согласно Приложению «Д» (п. Д.1.2) ГОСТ Р 51155-2017.
На рис. 10 приведены графики энергопоглощения устройствами разного типа на проводе АЖС70/39. При эффективной схеме защиты от вибрации гасителями их мощность должна превышать мощность ветра. Из графиков видно, что только схема с двумя ГВ-1,2/0,8-11-400 обеспечивает полную защиту провода АЖС 70/39 во всех диапазонах частот.
Разработка типовой методики защиты проводов от вибрации на основании различных расчетных моделей, результатов применения различных схем гашения на реальных ВЛ и экспериментальных данных позволит существенно повысить надежность ВЛ.
Выводы
Следует отказаться от принятия решения об эффективности гасителей вибрации на основании оценки по числу имеющихся резонансных частот. Из «Положения о технической политике ФСК ЕЭС» следует исключить требование о применении только многорезонансных гасителей вибрации, отменить информационное письмо ФСК ЕЭС № ЧА/29/173 от 08.12.2007.
Оценку эффективности устройств следует проводить согласно требованиям ГОСТ Р 51177-2017, по методам, изложенным в ГОСТ Р 51155-2017 и МЭК 61897-2020.
Следует разработать соответствующее изменение ГОСТ Р 51177-2017 и ГОСТ Р 51155-2017, внеся новые требования и методы испытаний согласно МЭК 61897-2020, а также учесть особенности новых конструкций гасителей вибрации, например, пневматических. Следует разработать методику по применению гасителей вибрации с учетом особенностей различных по конструкции устройств.
Авторы материала: Б. М. Жуков, к.т.н., начальник отдела виброзащитных устройств и спиральной арматуры ООО МЗВА«, Р. С. Каверина, руководитель экспертного совета ассоциации «Электросетьизоляция».
Литература.
- ГОСТ Р 51177-2017 «Арматура линейная. Технические требования».
- ГОСТ Р 51155-2017 «Арматура линейная. Правила приемки и методы испытаний».
- МЭК 61897-2020 «Воздушные линии — Требования и процедуры испытаний для гасителей ветровой вибрации».
- EPRI Transmission Line Reference Book -Wind Induced Conductor Motion, Second Edition.
- CIGRE Green Books. Overhead Lines. CIGRE, International Council on Large Electric Systems (CIGRE), Paris, France.
- Жуков Б. М. «Гашение вибрации — важная проблема повышения надежности и долговечности линий электропередачи и связи». — Воздушные линии, 2013, № 4, с.16-23.
- Анурьев В. И. «Справочник конструктора-машиностроителя»: В 3 т. Т.1- 8-е изд. перераб. и доп. под ред. И. Н. Жестковой. — М.: Машиностроение, 2001.- 920 с.
