Внутрифазные дистанционные распорки-гасители

Внутрифазные дистанционные распорки, используемые в России на воздушных ЛЭП 330, 500 и 750 кВ для поддержания геометрии расщепленной фазы, нередко выходят из строя. Ежегодно на объектах ФСК заменяется до 22 тысяч распорок [2], причем их средний срок службы не превышает 10 — 15 лет. Причины замены распорок — их частичное разрушение и износ, а также повреждения проводов. Износ появляется как следствие истирания или накопления усталости под воздействием колебаний. Также некоторая часть распорок теряется в результате их разрушения из-за неравномерного сброса гололеда или прохождения токов короткого замыкания.

Различают три вида колебаний проводов: пляску, эолову вибрацию и колебания, вызываемые аэродинамическим следом [8]. В этой работе рассматриваются последние два, ввиду специфики работы дистанционных распорок.

Основной причиной возникновения вибрации проводов являются вызываемые ветром, чередующиеся срывы вихрей с верхней и нижней сторон провода. Возникающий в результате этого переменный дисбаланс давления вызывает вертикально направленную силу и движение провода в направлении, перпендикулярном набегающему ветровому потоку. Что, в свою очередь, может приводить к установлению стабильного режима вибрации из-за явления синхронизации. Характерные частоты вибрации — 3–150 Гц с амплитудой от 0.01 до 1 диаметра провода.

Субколебания — одна из форм колебаний, которые вызываются аэродинамическим следом, в результате экранирования подветренных проводов расщепленной фазы наветренными проводами. Аэродинамический след, образующийся за наветренным проводом, меняется во времени из-за движения провода. Поэтому сила, действующая на подветренный провод, также меняет свое направление и величину. Движение подветренного провода также оказывает силовое воздействие на наветренный провод через внутрифазные дистанционные распорки и другую арматуру. Характерные частоты субколебаний — 0.15–10 Гц с амплитудой от 0.5 до 20 диаметров провода.

2.1 Вибрация

Согласно правилам эксплуатации электроустановок [5], на проводах расщепленной фазы в пролетах и петлях анкерных опор должны быть установлены дистанционные распорки; при этом длинные пролеты расщепленной фазы должны защищаться гасителями вибрации. Поскольку гасители вибрации устанавливаются вблизи подвесов проводов, то наиболее эффективное подавление вибрации происходит именно в крайних подпролетах. В средних подпролетах, не имеющих гасителей, вибрации поглощаются менее эффективно.

Плоскостные распорки типа РГН и РГУ, имеющие весьма небольшой люфт в местах крепления проводов, практически не пропускают вибрационные волны — явление изоляции подпролетов. Демпфирование вибрации происходит, в основном, за счет сил внутреннего трения в проводах и вязкости среды. Поскольку вибрации плохо поглощаются в средних подпролетах и не могут их покинуть, значительно возрастает риск повреждения проводов от распорок, а также самих распорок в этих зонах.

2.2 Субколебания

Говоря о субколебаниях, можно привести опыт исследований плоскостных распорок, проводившихся в КиргНИОЭ на четырехпроводной расщепленной фазе в 1986 г [3]. Общий вывод этих исследований говорит о том, что групповая расстановка распорок РГН способствует некоторому снижению интенсивности субколебаний. Однако эти распорки обладают крайне низкими демпфирующими характеристиками, кроме того, взаимное влияние смежных подпролетов, на чем основан эффект «расстройки» колебаний, невелико.

2.3 Выводы

Исходя из вышесказанного, могут быть сделаны выводы о том, как улучшить функциональные качества распорок. Распорка должна сама по себе являться гасителем вибрации. Также, необходимо, чтобы вибрации могли проникать в соседний подпролет через распорку, и, таким образом могли распространяться из одного на все подпролеты, достигать других распорок и гасителей вибрации, где они могли бы эффективно поглощаться. Эффективность снижения уровня вибрации в каждом из подпролетов будет зависеть как от свойств гасителей, так и от жесткости распорок, их массы, расстановки и характера вибрации [14]. Исследования влияния жесткости распорки на развитие субколебаний [4] говорят о значительном увеличении эффективности подавления субколебаний при наделении распорок демпфирующими свойствами. Механизмы подавления субколебаний схожи с механизмами подавления вибрации: перераспределение субколебаний на более протяженный участок вовлекает другие распорки в процесс демпфирования, а также создает возможность использования явления расстройки колебаний.

Принимая вышесказанное во внимание, можно заключить, что:

- в распорках должна быть обеспечена подвижность конструктивных элементов;

- в конструкцию распорки должны быть включены элементы демпфирования.

В результате опытно-конструкторских работ, проводившихся в ЭССП в 2005–2006 гг. была сформирована комплексная методика, направленная на повышение устойчивости расщепленной фазы к вибрациям и субколебаниям. Ключевым элементом предлагаемой методики является применение распорки-гасителя совместно со схемами расстановки [1] и схемой виброзащиты.

Распорка демпфирующего типа или распорка-гаситель  предназначена для эффективного подавления вибрации и субколебаний. Она создавалась, основываясь на существующих в настоящее время стандартах [9], [11] и актуальных исследованиях проблемы [7], [6] и др.

Лучи распорки-гасителя шарнирно соединены с корпусом через демпфирующие элементы — торсионы. Благодаря наклону лучей, распорка-гаситель реагирует как на вертикально ориентированные колебания при вибрации, так и на субколебания, развивающиеся в горизонтальном направлении. Подвижность лучей обеспечивает взаимосвязь колебаний в подпролетах. Это способствует их «расстраиванию» [10], а также демпфированию в других распорках-гасителях и гасителях вибрации, и, за счет распределения вибрации на большие расстояния, увеличивает эффекты аэродинамического сопротивления и внутреннего трения проводов.

Важным элементом распорки-гасителя является демпферный узел, который должен рассеивать как энергию субколебаний, так и энергию вибрации. Основу его составляют эластомерные вкладыши, обеспечивающие необходимые гистерезисные характеристики и высокий ресурс распорки. Диапазон рабочих температур демпферов соответствует категории УХЛ-1 и составляет от −60 до +60 С. Благодаря сотрудничеству с ведущими отечественными производителями была сформирована рецептура эластомера, отвечающая этим требованиям.

Эффективность применения распорок-гасителей существенно зависит от их размещения по пролету. Выбор схемы расстановки распорок осуществляется в соответствии с двумя условиями:

- ограничения амплитуд субколебаний во всех подпролетах для обеспечения отсутствия схлестывания проводов;

- ограничения амплитуд изгибных напряжений, величиной, соответствующей количеству циклов колебаний до наступления повреждения провода у зажимов распорок, не менее.

Разработанная ЭССП методика расстановки распорок прошла проверку с положительными результатами в Южной Корее на ВЛ 345 кВ с четырьмя проводами и ВЛ 765 кВ с шестью проводами в расщепленной фазе.

Разработанная распорка-гаситель позволяет подавлять вибрацию в расщепленной фазе за счет демпфирующих узлов. И несмотря на то, что спектр поглощения распорки-гасителя неоднороден на всем диапазоне [13], благодаря подвижности лучей обеспечивается передача остаточной вибрации из средних подпролетов в крайние, где она может быть рассеяна многочастотными гасителями вибрации. Характеристики виброзащиты могут варьироваться в зависимости от конфигурации пролетов и внешних условий.

Как показывает мировой опыт, распорки-гасители практически вытеснили жесткие распорки на всех типах расщепленной фазы [12]. Одним из главных условий применения распорок-гасителей в России является их соответствие эксплуатационным условиям Российских сетей. Эта задача решается с помощью распорок-гасителей, предлагаемых ЭССП.

[1] Шалашилин В. И., Данилин А. Н., Снеговский Д. В., Захаров А. П. Выбор оптимальной схемы расстановки распорок-гасителей в пролете расщепленной фазы. В сборнике трудов семинара «Вопросы проектирования, строительства и эксплуатации ВЛ с учетом перспективы повышения надежности их работы на современном этапе», Март 2007.

[2] Годовые отчеты ФСК ЕЭС за 2002 — 2005 гг., ФСК.

[3] Вартанов В. С. Экспериментальные исследования влияния конструктивных параметров расщепленной фазы ВЛ на ее устойчивость к колебаниям проводов в подпролетах между распорками. Сб. Ветровые и гололедные воздействия на конструкции горных ВЛ, 1986.

[4] Виноградов А. А. Теоретическое Обоснование и Реализация Принципов Построения Распорок-гасителей Субколебаний Проводов Расщепленной Фазы Воздушных Линий Электропередачи. Диссертация на соискание степени кандидат технических наук, Белорусский Политехнический Институт, Минск, 1991.

[5] Правила устройства электроустановок. 7-е издание, раздел 2, глава 2.5. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2003.

[6] Распорки дистанционные внутрифазные двух-, трех- и четырехлучевые. Технические требования. Технический отчет, ЭЛЕКТРОСЕТЬСТРОЙПРОЕКТ, Высоковольтный проезд, д. 1, стр. 36, 127566 Москва, Россия, 2005.

[7] Современное состояние по распоркам и распоркам — гасителям, часть 2: технические вопросы. Рабочая группа B2.11 подкомитета СИГРЕ 5D1.33 — Электра, 221(3):342–351, 2005.

[8] Rawlins C. B., Hard A. R., Doocy E. S., and Ikegami R. Transmission Line Reference Book. Wind-Induced Conductor Motion. Electric Power Research Institute, 1979.

[9] International Electrical Commision. International standard IEC61854: Overhead lines — Requirements and tests for spacers. 3, rue de Varembe, Geneva, Switzerland, 1998.

[10] Hearnshaw D. Spacer Damper Perfomance — a Function of In- Span Positioning. In IEEE Trans. on PAS., volume 93, pages 1298–1306, 1974.

[11] Технические условия National Grid. Распорки для проводов воздушных линий и их установка, Сентябрь 1992. Выпуск 1.

[12] P. Hagedorn. State of the art survey on spacers and spacer dampers: Part 3 — experience with current practice. In Electra 221, April 2000. TB No. 277 — SC B2, WG B2.11.

[13] D. Haward. Subspan oscillations on overhead lines. Technical report, The Swedish State Power Board, 1981. Final report. Main area 3, Rep. no. 1.

[14] Champa R. J., Poffenberger J. C., and Siter R. B. Bundled conductor spacers. In Annual Conf. Transmission Section, pages 11–13, Atlanta, Georgia, USA, April 1973. Engineering and Operations Div., Southeastern Electric Exchange.

Источник: Третий международный электроэнергетический семинар