роулинз субколебания

Явление субколебаний проводов Явление субколебаний проводов на линиях СВНна линиях СВН

Москва2005

Автор: Чарльз РоулинзЧитает: Д. В. Снеговский

Содержание

1. Описание и причины возникновения

2. Повреждения

3. Методы защиты

4. Математическое моделирование

5. Методы испытаний

Расщепленная фаза

1. Описание

Изобретена в конце 40х гг., Применяется с 1960х гг.

http://www.balaes.ru/gallery/

Ветер Подветренные провода расщепленной фазы находятся в дальнем следе

Аэродинамический след

Ближний след (~3.5 диаметра)

Дальний след

Граница следа

Ветер

• Движение с низкой частотой (0,5 – 10 Гц) и средней амплитудой, вызванное эффектом одних проводов, лежащих в спутном следе других.

• Возникают при скорости ветра 7 – 18 м/с

• Ветер – ламинарный (интенсивность турбулентности менее 10%)

Общие определения

A. «Дыхательная» B. Вертикальная пляска

C. Горизонтальная пляска или змейка D. Крутильная

Формы субколебаний

Ветер

Субколебания подветренного провода (почти одинаковые подпролеты)

Формы субколебаний

Общие определения

• Колебания могут возникнуть при расстоянии между проводами меньше 20 диаметров.

• Чем меньше расстояние, тем выше риск колебаний.

ДВУХПРОВОДНАЯ РАСЩЕПЛЕННАЯ

ФАЗА

ТРЕХПРОВОДНАЯ РАСЩЕПЛЕННАЯ

ФАЗА

ЧЕТЫРЕХПРОВОДНАЯ РАСЩЕПЛЕННАЯ ФАЗА

Свойства субколебаний

A: Встречные движения проводов

B: вертикальное и крутильное

С: Горизонтальное и крутильное D: вертикальное и крутильное

Комбинация движений

Провод может двигаться как в горизонтальном, так и вертикальном направлениях.В простейших случаях это – эллиптическая орбита.

Орбита субколебаний

Частоты по обеим формам примерно равны.


Комбинация двух форм колебаний


• Частоты субколебаний зависят от резонансных частот расщепленной фазы.

• Амплитуды субколебаний определяются аэродинамикой следа.

fzfy

Неустойчивость

Устойчивость

Ветер, м/с

Ветер, м/с

Час

тота

Дем

пфир

ован

ие

Частоты субколебаний

Частоты синхронизируются при критической скорости ветра.

Критическая скорость ветра

Частоты субколебаний

Когда частоты остаются неодинаковыми, тогда провод движется и по часовой стрелке, и против. Колебания не устанавливаются.

Аэродинамика следа

• Положение в следе• Скорость ветра• Скос потока на провод• Диаметр проволоки• Турбулентность ветра• Влажность провода

От чего зависят аэродинамические силы?


Ветер

(Расчет на программном комплексе FlowVision)

Ветер

Возмущение потока в следе

Мат. моделирование

[Эксперимент Прайса - 1975]

Лобовое сопротивление

на подветренном проводе

Y/DZ/D


Стат. испытания

Подъемная сила на подветренном проводе

Y/DZ/D

[Эксперимент Прайса - 1975]


Стат. испытания

Попутное движение

Встречное движение

Аэродинамические силы

Ветер

• Направление вращения определяется разностью скорости ветра на встречном и попутном участках.

• На попутном участке орбиты скорость ветра выше.

Аэродинамические силы

Скорость ветра в следе

Скорость СхСy

Скорость ветра отн. провода изменяется за счет скорости движения провода.

V - y

-zVв следе

V отн. провода

Скорость ветра относительно провода

Мат. моделирование

• Скорости ветра на проводе становятся равны на встречном и попутном участках орбиты.

• Приток энергии прекращается -> субколебания становятся постоянными.

Установление колебаний

• В других случаях орбита подветренного провода выходит за пределы следа.

• Вне следа силы сопротивления быстро уравновешивают энергию, полученную в следе.

Установление колебаний

Выводы

Колебания возникают, если:Частоты синхронизируютсяЕсть приток ветровой энергииОбмен энергии между формами колебаний

согласуется с притоком/рассеянием ветровой энергии в подпролетах.

Влияющие параметры фазы

• Наклон расщепленной фазы• Двухпроводная фаза• Соотношение длин подпролетов• Упругие распорки• Многопроводная фаза

Наклон расщепленной фазы

Горизонтальное положение, X/D

Вер

тика

льно

е по

лож

ение

, Y/D

Скорость ветра (м/с):11

12

15

18

21

Гладкий провод

(Эксперимент Вордлоу и Купера) СхемаМодель


Вер

тика

льно

е по

лож

ение

, Y/D

(Эксперимент Вордлоу и Купера)

Скорость ветра(м/с):

Горизонтальное положение, X/D

Обычный провод

Схема

• При повороте фазы подветренные провода выводятся за границы следа наветренных проводов.

• Ветровая энергия на проводе рассеивается: колебания не возникают.


Двухпроводная фаза

• Вертикальные формы колебаний определены длиной пролета и числом полуволн.

• Горизонтальные формы колебаний зависят от расположения распорок.

• Для жестких распорок каждый подпролет имеет свою собственную частоту горизонтальных колебаний.

• Вертикальные частоты n подпролетов равны n-й вертикальной частоте пролета.

• Число полуволн равно числу подпролетов. • Могут возникать устойчивые орбиты.

Одинаковые подпролеты

Неравные подпролеты

• Устойчивая орбита возникает в каждый момент времени в одном подпролете.

• Но вертикальное движение происходит во всех подпролетах.

• Потери энергии на сопротивление воздуха больше, чем приток энергии в колеблющемся подпролете. Субколебания не устанавливаются.

Сочетание горизонтальных и вертикальных колебаний

Горизонтальная форма

Вертикальная форма

Колебания в левой части подпролета -- в фазе с вертикальным движением. Идет приток ветровой энергии.

В правой части подпролета колебания – в противофазе (демпфируются).

Рассеяние энергии больше, чем приток => колебания не устанавливаются.

Упругие и демпфирующие распорки

• Горизонтальные перемещения в подпролетах взаимосвязаны, также как собственные колебания расщепленной фазы.

I I I I I I

Ан

кер

Ан

кер

Ан

кер

Ан

кер

Ан

кер

Ан

кер

Р.

Р.

Р.

Р.

Р.

Р.


• Случай I – орбиты во всех подпролетах получают энергию. Колебания возникают также, как при жестких распорках.

I I I I I I

Ан

кер

Ан

кер

Ан

кер

Ан

кер

Ан

кер

Ан

кер

Р.

Р.

Р.

Р.

Р.

Р.


• Случаи I I и I I I : одни подпролеты получают энергию, другие – отбирают и действуют как демпферы.

I I I I I I

Ан

кер

Р.

Р.

Р.

Р.

Р.

Р.

Ан

кер

Ан

кер

Ан

кер

Ан

кер

Ан

кер

• Рассеяние энергии демпфирующими распорками мало по сравнению с ветровой энергией, приводящей к субколебаниям.


• Демпфирование таких распорок слабо влияет на критическую скорость ветра: их влияние почти отсутствует в 2х и 3х-проводных фазах, но достаточно велико в 4х-проводных фазах.


• При более чем 2 проводах в фазе демпфирующие распорки – важный элемент защиты от эоловых вибраций.


Многопроводная фаза

• Орбиты субколебаний в 4-проводной фазе - также результат взаимодействия вертикальных и горизонтальных форм.


• Амплитуды колебаний в верхней и нижней парах проводов могут значительно различаться.

• Все вышеуказанные явления присутствуют в расщепленных фазах с 3 и более проводами.

• При использовании жестких распорок в таких фазах может возникнуть равенство горизонтальных и вертикальных собственных частот, способствуя возникновению колебаний.


Наиболее серьезное повреждение – усталостное разрушение гирлянды изоляторов. Резонансные колебания гирлянды возбуждались в режиме вертикального и крутильного движений фазы

2. Повреждения от субколебаний

Повреждения возникали в верхнем и нижнем соединениях и приводили к падению фазы.

Повреждения от субколебаний

Возникали усталостные повреждения проводов в местах крепления жестких распорок при субколебаниях («дышащий» тон).


• Усталостные разрушения и преждевременный износ возникали в упругих распорках, таких как распорки с пружинными или тросовыми элементами.


3. Методы защиты

Короткие подпролеты• амплитуда колебаний стабилизируется, когда

относительная скорость ветра становится равной на встречном и попутном участках орбиты.

Методы защиты

Короткие подпролеты• Уменьшить амплитуду можно, повысив

частоту колебаний провода в подпролете.


Короткие подпролеты

Результаты полевых исследований

0 15 30 45 60 75 90 105

Длина подпролета - м

200

150

100

50

0

Деф

орм

ация

мар

кера

- м

м

Схлестывание

Многочисленные наблюдения

(Эксперимент Р. Чампа)

• Цель: вывод подветренных проводов из следа• Угол поворота >20° • Устраняются все колебания.


Поворот фазы

• Используются эффекты:– взаимовлияния подпролетов– рассогласования частот колебаний

• Основной метод защиты

Неравные длины подпролетов


• Различные схемы подпролетов предлагаются производителями или энергокомпаниями.

• При одной схеме расстановки различные нежесткие распорки демонстрируют разную эффективность.

• Эффективность зависит от упругих свойств распорок, особенно при 3 и более проводов в фазе.

Схема расстановки распорок

• Все схемы расстановки – обоснованные предположения.

• Многие схемы проверены в полевых условиях. Их эффективность подтверждается опытным путем.

• Некоторые схемы периодически проверялись на испытательных пролетах.


• Поставщики распорок или распорок-гасителей должны располагать этой информацией для поддержки своей продукции.

• Наиболее ясной картиной полевого эксперимента располагают пользователи.


• Распорка и схема расстановки должны рассматриваться как единый пакет.

• Выбор среди имеющихся пакетов – предмет инженерного поиска пользователей.


• Оценка эффективности -- критическая скорость ветра, при которой возникают колебания.

Равные подпролеты Ступенчатая схема расстановки

5 10 15 20 5 10 15 20


Полевые испытания

Частоты

4. Математическое моделирование

Расчет FlowVision

Расчет субколебаний (Метод конечных элементов)

L

H

Расстояние в диаметрах провода

L= 10, H = -2.7

Ветер 10 м/с

Математическое моделирование

Расчет субколебаний (Метод конечных элементов) Скорость на проводе

Риск субколебаний

Вер

тика

льно

е ра

ссто

яние

, Z/D

Ветер

Горизонтальное расстояние, Y/D

Зоны неустойчивости

(метод Симпсона)


Вордлоу

• Сложность математического моделирования субколебаний связана с:

– аэродинамикой спутного следа

– многообразием параметров динамики расщепленной фазы.


В Оранжевой Книге приводится 19 методов анализа.

Ни один не учитывает связь колебаний в соседних пролетах.

Также не учитываются:

• неточности в расстановке распорок

• погрешности в наклоне фазы

• …


• Аналитические решения не несут пользы при разработке линии. Они полезны для понимания явления и для истолкования полевых испытаний.


5. Методы испытаний

• Полевой эксперимент • Испытательный пролет• Лабораторные испытания

Полевой эксперимент

• Единственная возможность тестировать ВСЕ свойства на ВСЕ виды воздействий.

• Это – роскошь, которая доступна слишком редко.

• Отдача от испытаний зависит от эффективности методов проверки и системы регистрации.

• Для эффективной эксплуатации полевых испытаний требуется формировать «пакет» результатов полевого эксперимента для конкретного изделия (распорки).

• Потребители располагают даннымиполевых испытаний. Для формирования «пакетов» требуется кооперация между потребителями и поставщиками.


• Эффективность зависит – от оснащенности, тренированности персонала и качества

визуальных проверок на предмет износа и усталостных трещин.

– от времени года и метеоусловий.


Испытательный пролет

• Может быть оборудован в конечный срок для исследования многих параметров.

Испытательная станция IREQ-Hydro на островах Магдалины

• Динамические– Исследование условий неустойчивости

• Статические– Определение аэродинамических коэффициентов

• Испытания распорок

Лабораторные испытания

Статические испытания

Экран

Массы

Подветренный провод

Торцевые пластины

Фиксированный наветренный провод

ВЕТЕР

Результаты

Динамические испытания

y

z

Вордлоу

Упругая подвеска моделирует формы субколебаний. - угол отклонения провода под ветром.

Фиксированныйнаветренный провод

Испытания распорок

• Применяются для описания упругих, демпфирующих и связанных с ними свойств распорок и распорок-гасителей, а также для проверки произведенных образцов.

• Результаты могут использоваться при моделировании субколебаний.

• Старение эластомеров может быть рассмотрено в ходе ускоренных испытаний.

• Большинство ТУ на лабораторные испытания охватывает режимы, выходящие за рамки субколебаний (напр., прочность при КЗ).

Испытания распорок

• Конструктивные решения для противодействия субколебаниям -- более надежные и доступные, а процедуры испытаний -- более отработанные, чем при пляске.

• Риск того, что меры противодействия окажутся менее эффективны, чем ожидалось, -- выше, чем для эоловых вибраций.

• Спектр повреждений от субколебаний невелик, а степень повреждений -- слабая.

Заключение

роулинз субколебания

Technology