Вибрация и пляска проводов на воздушных ЛЭП

Для передачи электрического тока на большие расстояния используются воздушные и кабельные линии высокого напряжения. Протяженность таких линий электропередач может достигать нескольких километров, на которых установлены высоковольтные опоры для отделения проводов от земли. В местах крепления обеспечивается достаточно жесткая фиксация, но в пролетах опор провода могут свободно колебаться. При воздействии определенных внешних факторов на воздушных линиях  возникает вибрация и пляска проводов, способная как повредить сами устройства, так и нарушить нормальный режим работы энергосистемы.

Содержание

1. Определение
2. Причины возникновения
3. Возникновение вибрации и пляски от воздушного потока
4. Физика процесса
5. Опасность
6. Методы борьбы

Определение

Под вибрацией следует понимать  перемещения провода в вертикальной плоскости, которые характеризуются сравнительно небольшой амплитудой движения – в пределах нескольких сантиметров, но не более диаметра провода для двойной амплитуды или 0,005 от длины волны вибрации. При этом частота таких перемещений в вертикальной плоскости  может достигать от 3 до 150 Гц. Наибольший вред интенсивной вибрации – быстрое изнашивание металла в местах частого перегиба.

Как видите на рисунке 1, в точке 1 происходит частый излом, который приводит к усталости металла с дальнейшим отпуском, что и обуславливает потерю жесткости проводов, и обрывы отдельных жил.

Под пляской проводов подразумевается вертикальное перемещение с частотой от 0,2 до 2Гц. Амплитуда колебаний во время пляски может достигать от 0,3 до 5м, а при расстоянии между опорами в 200 — 500м амплитуда пляски достигает 10 – 14м. Такому явлению могут подвергаться любые ЛЭП и их элементы (фазные провода, грозозащитные троса и т.д.). Но в низковольтных линиях до 6-10кВ за счет малого расстояния между опорами явление незначительно.

Отличие вибрации от пляски проводов.

Физически и вибрация, и пляска проводов представляют собой перемещение в вертикальной плоскости. Их основное отличие в размере возникающей при колебаниях волны и в ее частоте. Так вибрация характеризуется значительно большей частотой колебания проводов, в сравнении с пляской. Но вибрация имеет несоизмеримо меньшую амплитуду, чем пляска, благодаря чему она не несет такой угрозы для линии.

Причины возникновения

Все причины возникновения и пляски, и вибрации можно разделить на:

• воздействие воздушного потока – наиболее частая и опасная причина, поскольку имеет продолжительное воздействие и приводит к нарастанию амплитуды и частоты;
• коммутационные процессы – при подаче напряжения в сеть или при подключении нагрузки переходные процессы обуславливают скачек электромагнитного поля, приводящего провода в движение;
• механическая нагрузка – обуславливается всевозможными ударами или движением предметов, к примеру, токоприемником электроподвижного состава по контактной сети.

Следует отметить, что движение линий во время переходного процесса носит разовый характер, и дальнейшие собственные колебания постепенно угасают. То же происходит и с механической нагрузкой,  в отличии от воздуха, который не только может дуть в течении продолжительного времени, но и менять  свой угол и интенсивность. Поэтому наиболее значимой причиной для всех типов линий является воздушный поток.

Возникновение вибрации и пляски от воздушного потока

Воздействие ветра происходит при любом направлении потока, как в горизонтальной плоскости, так и под каким-то углом. Основной причиной колебаний является неравномерная скорость, с которой воздух огибает провод, из-за чего в верхней и нижней точке возникает разность давления.

Посмотрите на рисунок 2, здесь приведен пример, когда воздух огибает окружность из точки А в точку Б.  Воздушный поток в этом месте закручивается, и возникают завихрения. Это приводит к возникновению сил, давящих не только со стороны ветра, но и в вертикальной плоскости. В нижней точке давление становится меньшим, чем в верхней и при совпадении вихрей с собственными колебаниями возникают горизонтальные перемещения провода.

Следует отметить, что такая ситуация возможна лишь при относительно небольших скоростях воздушных потоков – от 0,5 до 7м/с, так как при увеличении скорости потоки движутся иначе. Но прекращение ветра, увы, не означает окончание вибрации, так как из-за большой протяженности линий в них возникают собственные колебания, которые уже не требуют поддержания, а продолжаются за счет резонансных явлений.  И, если вибрация носит незаметный характер, то при пляске, волны станут куда более значительными и опасными.

Физика процесса

Во время пляски в местах подвешивания к опоре линия крепится жестко, поэтому в таких узлах не возникает никаких колебаний. А в местах провеса проводов амплитуда колебаний становиться максимальной.

При достижении максимума пляски в пиковой точке провиса возникает, так называемая, стоячая волна. Данное явление характеризуется величиной амплитуды кратной или равной длине пролета. Наиболее опасные перемещения возникают на скоростях в 0,6 – 0,8 м/с, а при нарастании скорости воздушного потока более 5 – 8 м/с динамические нагрузки слишком малы из-за незначительной амплитуды.

Но, помимо амплитуды вибрации вторым по значимости параметром является их частота, которую можно определить по формуле:

f = (0,185×V)/d, где

• f – это частота колебаний;
• 0,185 – постоянная Струхаля;
• V – скорость аэродинамического потока;
•  d – диаметр провода.

Как видите из формулы, чем меньшего сечения торсы применяются в ЛЭП, тем с большей частотой они будут колебаться. На практике,  частота колебаний обуславливает и интенсивность пляски, из-за чего диапазон наиболее опасных частот для линии составляет от 0,2 до 2 Гц.

Следует отметить, что ситуация может значительно ухудшаться за счет погодных факторов, которые влияют не только на воздушные потоки, но и на состояние провода. Наиболее значимым из них является гололед, так как он возникает с подветренной стороны и характеризуется искажением формы провода. При этом вибрирующие провода подвергаются воздействию поднимающей силы V_y, приложенной к отложениям гололеда. Она дополнительно усугубляет ситуацию при вибрации и пляске.

Провод совершает не только горизонтальные колебания, но и вращательные движения, а в узлах и точках фиксации из-за обледенения происходит повреждение металла.

Опасность

Пляска и вибрация имеют схожую природу, но отличаются по интенсивности. Тем не менее, оба явления могут нести такие виды опасности для ЛЭП:

• Распушивание — повреждение проводов, при котором медные, алюминиевые или стальные тросы теряют утяжку и механическую прочность;
• Перекрытие воздушного промежутка – в случае движения смежных фаз с различной амплитудой, волны могут приближаться достаточно близко друг к другу, из-за чего произойдет пробой и возникновение дуги;
• Схлестывание проводов – являются более опасным развитием предыдущей ситуации, когда параллельные линии касаются друг друга и создают электрический контакт с протеканием токов короткого замыкания и оплавлением металла;
• Обрыв проводов – может возникать как результат короткого замыкания, так и множественных обрывов отдельных проволок, разрушенных многократными вибрациями или пляской.

Как видите, все потенциальные опасности могут запросто привести к нарушению нормального электроснабжения и материальным затратам на восстановление. Также не забывайте, что любая аварийная ситуация потенциально несет угрозу человеку, как выполняющему работу в электроустановках, так и находящемуся поблизости. Поэтому для предотвращения опасных воздействий разработаны методы борьбы с вибрацией и пляской, направленные на гашение колебаний.

Методы борьбы

Условия, при которых следует применять защитные меры для гашения амплитуды вибрации, оговаривает п.2.5.85 ПУЭ. При этом учитываются такие параметры, как:

• Длина пролета;
• Материал проводника и его сечение;
• Механическое напряжение в расщепленных и одиночных проводах.

Конкретные методы борьбы регламентируются методическими указаниями РД 34.20.182-90. Для гашения вибрации и пляски устанавливаются специальные устройства.

По типу и конструктивным особенностям гасители пляски и вибрации подразделяются на три типа:

• Петлевые гасители — применяются для проводов напряжением в 6 – 10 кВ и выполняются в виде гибкой распорки. В зависимости от числа петель и конструкции распорок может быть одно- или трехпетлевым. В качестве петлевого зажима используется проволока или крепежные детали.
• Спиральные – самые эффективные, но и самые дорогие модели для борьбы с высоко- и низкочастотной вибрацией. Из-за дороговизны их редко применяют, хотя они и дают равномерное распределение нагрузки по всей длине гасителя.
• Мостовые – имеют специальные грузы, которым передается вибрация от раскачивающегося провода и ими же поглощается. Отличаются простотой монтажа и дальнейшего обслуживания.

В линиях от 330 до 750 кВ применяется расщепление фазы, при котором все провода соединяются распорками. Несмотря на то, что такое соединение само может выступать в роли гасителя вибрации, на практике этого не достаточно. Поэтому в главе 5 РД 34.20.182-90 приведены способы борьбы с вибрацией и пляской для различных линий и условий, в которых они могут эксплуатироваться.