Определение характеристик многочастотных гасителей вибрации
ЗАО «ЭЛЕКТРОСЕТЬСТРОЙПРОЕКТ»
Эолова вибрация является наиболее распространенным типом колебаний проводов. Ламинарное обтекание провода ветровым потоком становится причиной синхронизированного срыва вихрей с частотой 3-150 Гц. В результате такого воздействия синхронизированных с формой колебаний нагрузок развивается резонансный процесс и вибрация провода на соответствующей собственной частоте. Амплитуда колебаний при этом не превышает диаметра провода при длине волны от 1 до 20 м во всем диапазоне частот.
Несмотря на относительно небольшие по сравнению с другими типами колебаний амплитуды вибрация приводит к серьезным повреждениям и разрушениям проводов ВЛ. Основной причиной усталостных повреждений на выходе из натяжных и поддерживающих зажимов, на скачках жесткостей и масс, в местах установки гасителей являются знакопеременные изгибные деформации. По принятым в международной практике нормам необходимо обеспечить снижение изгибных деформаций во всех опасных точках пролета до безопасного уровня [1].
Часть энергии ветра, вызывающего вибрацию в проводе рассеивается при аэродинамическом сопротивлении среды, часть энергии поглощается при внутреннем трении в проводе (самодемпфирование), однако наиболее существенное снижение уровня вибрации может быть достигнуто за счет применения гасителей вибрации. Очевидно, что именно от характеристик применяемых гасителей (частотный диапазон, величина рассеиваемой мощности при различных уровнях вибрации) а также их правильной расстановки зависит защищенность пролета от вибрации.
Наряду с традиционными двухчастотными гасителями Стокбриджа широкое распространение получили многочастотные гасители вибрации.
Гасители вибрации типа ГВ производства ЗАО ЭССП являются многочастотной модификацией гасителя типа Стокбриджа, основу которого составляет демпфирующий элемент в виде многоповивного стального троса. В средней части трос жестко закреплен в корпусе зажима, сосредоточенные массы (грузы, ось симметрии и центр масс которых находится вне плоскости вибрации), установлены на концах троса.
В рекомендуемой СИГРЭ [4] схеме отработки вибробезопасности исходными данными для всех последующих расчетов и операций являются геометрические параметры гасителя и свойства троса. Именно свойства применяемого демпферного троса во многом определяют свойства и возможности гасителей.
Для определения параметров гасителей на предприятии ЗАО ЭССП был разработан и изготовлен автоматизированный испытательный комплекс.
Комплекс включает в себя следующие установки:
- установку для измерения жесткостных и диссипативных свойств троса гасителя
- вибростенд, позволяющий снимать и исследовать динамические характеристики гасителей
- стенд, позволяющий проводить ресурсные испытания гасителей на вибрацию при заданной частоте с заданной амплитудой
Установка для измерения жесткостных и диссипативных свойств тросика гасителя
Установка состоит из кинематической и электронной частей. Кинематическая часть установки (рис. 3) собрана на жестком основании и включает: узел крепления образца, обеспечивающий жесткое крепление корпуса исследуемого гасителя; нагружающий механизм, который с помощью шагового электродвигателя обеспечивает прецизионное знакопеременное перемещение троса гасителя; узел захвата троса позволяющий передавать перемещение от нагружающего механизма через датчик силы к заданному сечению троса без люфта. Управление шаговым двигателем с помощью компьютера в сочетании с применением высокоточных механических узлов обеспечивает прецизионное измерение параметров троса гасителей.
Электронная часть состоит из контроллера, подключенного к LPT порту компютера, модуля управления шаговым двигателем (МУШД), предусилителя датчика силы, шагового двигателя, датчика силы и блока питания.
Установка для измерения жесткостных и диссипативных свойств троса гасителя позволяет получать крайне важные для последующих аналитических расчетов динамических свойств гасителей характеристики:
его изгибную, торсионную жесткость и площади петель гистерезиса, которые определяют диссипативные свойства троса, а, стало быть, и гасителя в целом.
Жесткость троса определяется для каждой амплитуды как коэффициент пропорциональности между силой и перемещением. Затем вычисляется жесткость, отнесенная к длине троса и его минимальной жесткости. Эта величина используется в дальнейших расчетах. Величина энергии, рассеиваемой в тросе при данной величине перемещений, находится интегрированием петель гистерезиса. Полученные результаты выводятся на экран компьютера (рис. 6) с возможностью сохранения на диске в двоичном или ASCII форматах.
Результаты проведенных измерений показывают сильную нелинейность зависимости приведенной изгибной жесткости троса гасителя от амплитуды перемещения груза. Для сравнения: принятая величина относительной жесткости реализуется при относительных перемещениях ~ 5 мм.
В расчетной модели эти результаты имеют промежуточный характер. Они необходимы для определения комплексной жесткости и построения матрицы жесткости троса по известным соотношениям для консольной балки. Далее с учетом геометрических размеров зажима и грузов, их распределения масс и тензоров инерции в соответствующих системах координат строится матрица динамической жесткости гасителя для конкретной частоты. Зная матрицу динамической жесткости можно рассчитать силовую реакцию, импеданс и рассеиваемую мощность [3].
Перечисленные характеристики могут быть получены в ходе испытаний, проводимых на другой части комплекса – установке для снятия динамических характеристик гасителей вибрации.
Описание установки для снятия динамических характеристик гасителей вибрации
Установка создана на базе вибростенда ETS-300 фирмы ETS-Solutions.
Исследуемый образец гасителя крепится на имитаторе фазы, который, через два датчика силы жестко соединен с вибростолом стенда.
Для управления работой стенда был разработан и изготовлен блок задания и управления режимами вибрации. Блок состоит из:
- программируемого генератора, который позволяет задать требуемую частоту, свипировать частоту в заданном диапазоне, поддерживая требуемый уровень возбуждения и т. д.;
- контроллера, позволяющего по заданной программе коммутировать пять акселерометров и четыре датчика силы, вести сбор данных;
- компьютера с программой управления процессом измерения и обработки данных.
Программа управления стендом позволяет проводить измерения 9 каналов
(5 каналов ускорения и 4 канала силы) в двух режимах:
- 1. Режим осциллографа с однократным запуском. Для заданной амплитуды и частоты возбуждения на экран в виде графиков выводятся измерения любой комбинации из 9 каналов в заданном промежутке времени. После окончания измерения проводится Фурье преобразование и на экран в цифровом виде выводятся амплитуды в каждом канале и сдвиг фаз относительно первого канала ускорения (задающий датчик, установленный на зажиме гасителя).
- 2. Режим частотных измерений. Задаются пределы изменения частоты и шаг по логарифму частоты. На каждой заданной частоте измерения проводятся на постоянной скорости колебаний для первого канала ускорения. При этом сначала стабилизируется заданная скорость, затем проводятся измерения необходимых каналов. Измерения проводятся на заданном числе колебаний и усредняются. После Фурье преобразования на графики выводятся следующие расчетные величины как функция частоты:
— сила реакции на кинематическое воздействие;
— рассеиваемая гасителем мощность.
— сдвиг фазы между скоростью и силой;
— импеданс гасителя;
— относительное перемещение зажима гасителя и грузов.
Тестирование вибростенда проводилось на нескольких массах и скоростях кинематического воздействия в частотном диапазоне от 3 до 150 Гц.
Установка для проведения ресурсных испытаний гасителей вибрации
Установка для проведения ресурсных испытаний гасителей вибрации состоит из рамы, подвижной балки и электромеханического дебалансного привода. Питание привода осуществляется через преобразователь частоты, позволяющий устанавливать заданную частоту колебаний подвижной балки. Испытываемый гаситель устанавливается на балке на имитаторе фазы. Амплитуда колебаний зажима гасителя контролируется акселерометром и регулируется выбором положения имитатора фазы на балке. Установка позволяет проводить ресурсные испытания на частотах от 10 до 45 Гц с амплитудой до 1,5 мм.
Описанный испытательный комплекс в совокупности с комплексом статических испытаний позволяет определять основные функциональные параметры гасителей вибрации и дает возможность контролировать качество как самого гасителя, так и его демпферного троса. Результаты испытаний, проводимых на установках комплекса, дают возможность сформировать ряд требований к изготовителю троса и производителю гасителя.
Еще более важным результатом работы комплекса является определение всех параметров гасителя и его демпфирующего элемента, необходимых для проведения расчетов схем защиты от вибрации. При этом следует учитывать, что для адекватного описания пролета с установленным гасителем нелостаточно знания импеданса при линейном перемещении. Для более строго описания такого пролета необходимо определение импедансной матрицы и матрицы динамической жесткости гасителя. Эти данные и являются, наряду с проводимыми стандартными динамическими испытаниями, результатом работы описанного испытательного коиплекса.
Литература
1. Guide to vibration measurements on overhead lines. TF 22.11.2., ELECTRA, № 162, October 1995.
2. Методические указания по типовой защите от вибраций и субколебаний проводов и грозозащитных тросов воздушных линий электропередачи напряжением 35–750 кВ. РД 34.20.182–90. Главное производственно-техническое управление эл.сетей и сельской электрификации «Главэлектросеть». М. 1991 г.
3. Фельдштейн В. А., Колосов В. Г. Методы математического моделирования для проектирования защиты пролетов ЛЭП от эоловых вибраций. Доклад на семинаре: «Мониторинг состояния воздушных ЛЭП: методы прогнозирования срока службы, повышение их надежности», 14 –18 февраля 2005 г.
4. Modelling of Aeolian vibrations of a single conductor plus damper: assessment of technology. TF B2.11.01.2003г.
Источник: Третий международный электроэнергетический семинар