Гаситель низкочастотных колебаний проводов воздушных линий электропередачи (варианты)
Владельцы патента RU 2570347:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной механики Российской академии наук (ИПРИМ РАН) (RU)
Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к гасителям низкочастотных колебаний проводов воздушных линий электропередачи. Гаситель состоит из герметичного корпуса, связанного с проводами линии и заполненного электро- или магнитореологической жидкостью, в качестве дисперсной фазы которой использованы суспензии наноразмерных электро- или магниточувствительных частиц, демпферного узла и источников электрического или магнитного полей. Демпферный узел выполняется в виде поршневого диска 1, имеющего возможность кругового вращения при колебаниях проводов за счет своих сил инерции и заставляющего при этом циклично перетекать жидкость 7 по герметичному каналу 6. Демпфирование колебаний проводов воздушных линий электропередачи осуществляется силами гравитации и инерции, а электрические или магнитные поля, создаваемые источниками 8, 18, локально воздействуют на жидкость 7, 13, увеличивая ее вязкость и силы сопротивления течению, обеспечивая тем самым процесс управления частотами колебаний гасителя и повышая эффективность его действия. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области электроэнергетики, в частности к конструкциям гасителей низкочастотных колебаний проводов воздушных линий электропередачи с использованием электро- и магнитореологических жидкостей, так называемых «умных» жидкостей, в которых в качестве дисперсной фазы используются суспензии наноразмерных электро- или магниточувствительных частиц, что дает возможность управлять свойствами таких жидкостей путем наложения соответствующих физических полей [1].
Ветровой поток вызывает колебательные движения проводов воздушных линий электропередачи и появление в них переменных динамических напряжений, вызывающих их разрушение. Для защиты проводов от колебаний используют специальные устройства - гасители колебаний, основным назначением которых является снижение и рассогласование (расстраивание) динамических нагрузок на провода вследствие рассеяния и перераспределения энергии колебаний [2, 3].
На воздушных линиях электропередачи в настоящее время используются разнообразные гасители колебаний: для демпфированных высокочастотных колебаний (эоловых вибраций), подавления субколебаний фазных проводов, вызываемых действием аэродинамического следа, а также для демпфирования и рассогласования пляски (галопирования) - низкочастотных колебаний с большой амплитудой и большой длиной волны, которые возникают при сочетании ветра 5-20 м/сек с наличием на проводе гололедного осадка [2, 4].
Известен механический гаситель пляски для трехфазной воздушной линии электропередачи, состоящий из демпферного узла, маятника, груза, противовеса, соединяющего их криволинейного стержня, тяг для соединения гасителя с фазными проводами и зажимов, посредством которых устройство крепится к проводам [5].
Принцип действия гасителя пляски такой конструкции основан на использовании сил гравитации, инерции, а также трения рабочих элементов внутри демпферного узла, что обуславливает ряд недостатков и условий его эксплуатации. В частности, этот гаситель пляски при низких температурах может частично или полностью потерять свои функции из-за гололедно-изморозевых отложений внутри демпферного узла. Данный факт является одним из основных ограничений эксплуатации гасителей в холодных, полярных и высокогорных климатических зонах.
Известен также гаситель колебаний проводов воздушных линий электропередачи и самонесущих волоконно-оптических кабелей связи, содержащий полый корпус, жестко соединенный с зажимом для закрепления на проводе или кабеле, и демпферный узел, при этом корпус выполнен из легкого по весу материала герметичным с возможностью нерасходуемого заполнения его полости газообразной незамерзающей средой, в качестве которой использован воздух или инертный газ [6].
В данном гасителе в качестве материала, обеспечивающего рассеяние энергии колебаний, используют газообразную незамерзающую среду, а именно воздух или инертный газ. Однако и воздух, и газ являются неуправляемыми средами, то есть они не меняют свои физико-химические характеристики (вязкость, сила сопротивления течению и т.п.) в результате какого-либо, например, внешнего воздействия. То есть в этом гасителе, воздействуя на его рабочее тело (газообразную среду) нельзя управлять частотами колебаний, подбирая наиболее эффективные режимы рассеяния энергии колебаний, что существенно ограничивает функциональные возможности таких технических решений.
Авторы ставили перед собой практическую задачу создать гаситель низкочастотных колебаний проводов воздушных линий электропередачи совершенно нового типа путем использования в качестве рабочего тела управляемых материалов, к которым, в частности, относятся электро- и магнитореологические жидкости (ЭРЖ или МРЖ), в которых в качестве дисперсной фазы используются суспензии наноразмерных электро- или магниточувствительных частиц, что дает возможность управлять свойствами течения таких ЭРЖ или МРЖ путем наложения соответствующих физических полей. Данная особенность позволяет управлять частотами колебаний гасителя, подбирая наиболее эффективные режимы для рассеяния энергии колебаний, то есть в конечном результате получить гаситель высокой эффективности действия. Вышеотмеченный практический результат был достигнут за счет новой совокупности существенных конструктивных признаков заявляемого гасителя низкочастотных колебаний проводов воздушных линий электропередачи (варианты), представленной в нижеследующей формуле изобретения: «гаситель низкочастотных колебаний проводов воздушных линий электропередачи, содержащий герметичный корпус оболочечного типа, связанный с проводами линии посредством системы промежуточных элементов и заполненный электро- или магнитореологической жидкостью, в качестве дисперсной фазы которой использованы суспензии наноразмерных электро- или магниточувствительных частиц, демпферный узел, расположенный внутри корпуса, и источники электрического или магнитного полей, дающих возможность управлять свойствами течения вышеупомянутой жидкости путем наложения соответствующих физических полей, создаваемых вышеуказанными источниками, причем демпферный узел выполнен в виде поршневого диска, расположенного внутри корпуса и имеющего возможность кругового вращения за счет его сил инерции, заставляя при этом циклично перетекать жидкость по герметичному каналу, образуемому боковыми стенками корпуса, внутренней цилиндрической поверхностью корпуса и внешними поверхностями поршневого диска; демпферный узел снабжен жестко связанным с поршневым диском мятником, отклоняющимся при колебаниях проводов относительно вертикальной оси на угол φ и заставляющим циклично перетекать жидкость по герметичному каналу, образуемому боковыми стенками корпуса, внутренней цилиндрической поверхностью корпуса и внешними поверхностями поршневого диска; в качестве электрореологической жидкости используют электрореологические суспензии, получаемые на основе наноразмерных частиц полимеров, в частности полиимидов, а в качестве магнитореологической жидкости используют магнитореологические суспензии ферромагнитных, сверхпарамагнитных или парамагнитных частиц в жидкости-носителе, называемой масляной основой; система промежуточных элементов конструктивно выполнена в виде соединенных с корпусом тяг с шишечными зажимами на их концах, в желобах которых закреплены провода воздушной линии электропередачи; гаситель низкочастотных колебаний проводов воздушных линий электропередачи, содержащий герметичный корпус оболочечного типа, связанный с проводами линии посредством системы промежуточных элементов и заполненный электро- или магнитореологической жидкостью, в качестве дисперсной фазы которой использованы суспензии наноразмерных электро- или магниточувствительных частиц, демпферный узел, расположенный внутри корпуса, и источники электрического или магнитного полей, дающих возможность управлять свойствами течения вышеупомянутой жидкости путем наложения соответствующих физических полей, создаваемых вышеуказанными источниками, причем демпферный узел выполнен в виде, по меньшей мере, двух поршней, связанных между собой штоком, и передвигающихся в горизонтальной плоскости внутри соединенных друг с другом трубопроводом цилиндров, и мятника, шарнирно связанного посредством тяг с поршнями, отклоняющегося при колебаниях проводов относительно вертикальной оси на угол φ и заставляющего циклично перетекать жидкость из одного цилиндра в другой по трубопроводу, при этом упомянутые источники физических полей установлены на внешних поверхностях трубопровода; в качестве электрореологической жидкости используют электрореологические суспензии, получаемые на основе наноразмерных частиц полимеров, в частности полиимидов, а в качестве магнитореологической жидкости используют магнитореологические суспензии ферромагнитных, сверхпарамагнитных или парамагнитных частиц в жидкости-носителе, называемой масляной основой; система промежуточных элементов конструктивно выполнена в виде соединенных с корпусом тяг с плашечными зажимами на их концах, в желобах которых закреплены провода воздушной линии электропередачи».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 - общий вид гасителя низкочастотных колебаний проводов воздушных линий электропередачи, выполненного согласно настоящему изобретению, схематический вид варианта гасителя с демпферным узлом, выполненным в виде поршневого диска; на фиг. 2 - то же, что на фиг. 1, вариант с демпферным узлом, выполненным в виде связанных друг с другом цилиндрических поршней.
Заявляемый гаситель низкочастотных колебаний проводов воздушных линий электропередачи состоит из герметичного корпуса (оболочки), связанного с проводами линии (не показаны) посредством системы промежуточных элементов и заполненного электро- или магнитореологической жидкостью, в качестве дисперсной фазы которой использованы суспензии наноразмерных электро- или магниточувствительных частиц, демпферного узла и источников электрического или магнитного полей, дающих возможность управлять свойствами течения вышеупомянутой жидкости путем наложения соответствующих физических полей, создаваемых вышеуказанными источниками.
Демпферный узел может быть выполнен в нескольких вариантах. Например, на фиг. 1 показан демпферный узел, выполняемый в виде поршневого диска 1, который располагается внутри корпуса 2. Между боковыми стенками 3 корпуса 2, внутренней цилиндрической поверхностью 4 корпуса 2 и внешними поверхностями 5 поршневого диска 1 образуется герметичный канал 6, заполняемый электрореологической жидкостью 7. За счет своих сил инерции поршневой диск 1 имеет возможность кругового вращения при колебаниях проводов воздушной линии, заставляя при этом циклично перетекать жидкость 7 по герметичному каналу 6. Источники 8 электрического или магнитного полей помещаются на пути перемещения жидкости 7, то есть с внешней стороны рабочего объема корпуса 2.
Демпферный узел может быть выполнен с маятником 9, жестко связанным с поршневым диском 1. Маятник 9 отклоняется при колебаниях проводов относительно вертикальной оси 10 на угол φ и заставляет также циклично перетекать жидкость 7 по герметичному каналу 6.
В качестве электро- или магнитореологической жидкости в данном случае выбираются электро- или магнитореологические суспензии, получаемые на основе наноразмерных частиц полимеров (олигомеров) или магниточувствительных частиц (магнетита и др.).
На фиг. 2 схематически показан гаситель, в котором демпферный узел выполняется в виде двух поршней 11. Поршни 11 располагаются в цилиндрах 12, полость которых заполняется жидкостью 13, при этом поршни 11 соединяются между собой штоком 14 и шарнирно связаны с маятником 15 посредством тяг 16. Цилиндры 12 в свою очередь соединяются друг с другом трубопроводом 17, на внешних поверхностях которого устанавливаются источники 18 физических (электрических или магнитных) полей. Поршни 11 имеют возможность перемещения в горизонтальной плоскости внутри цилиндров 12. При колебаниях проводов маятник 15 отклоняется относительно вертикальной оси 19 на угол φ и заставляет циклично перетекать жидкость 13 из одного цилиндра в другой по трубопроводу 17.
Система промежуточных элементов гасителя конструктивно выполняется стандартным путем, например, в виде соединяемых с корпусом 2 тяг с плашечными зажимами на их концах, в желобах которых закрепляются провода воздушной линии электропередачи (не показаны).
Изобретение работает следующим образом: демпфирование колебаний проводов воздушных линий электропередачи осуществляется силами гравитации и инерции посредством маятников 9, 15 или поршневого диска 1. Электрические или магнитные поля, создаваемые источниками 8, 18, локально воздействуют на жидкость 7, 13, значительно увеличивая ее вязкость в зоне воздействия и, как следствие, увеличивая силы сопротивления течению. В этом случае воздействием электрического или магнитного поля на жидкость можно управлять частотами колебаний маятников 9, 15 или поршневого диска 1, подбирая наиболее эффективные режимы для рассеяния энергии колебаний. Источники 8, 18 физического поля (например, магниты) могут быть установлены в герметичный канал 6 между корпусом 2 и поршневым диском 1 (фиг. 1) либо в трубопровод 17, соединяющий цилиндры 12, которые контактируют с ЭРЖ или МРЖ (фиг. 2).
Использование свойств ЭРЖ или МРЖ предоставляет уникальные возможности управления колебаниями, например, маятников 9, 15 или поршневого диска 1 с помощью электрических и магнитных полей. Существуют и другие преимущества гасителей с ЭРЖ или МРЖ по сравнению с механическими вариантами. Например, взаимодействие исполнительных элементов конструкции с жидкостью в каналах можно сделать бесконтактным и дистанционным, используя электрические или магнитные силы. При наличии вращающихся валов их герметизацию можно осуществлять с помощью ЭРЖ или МРЖ. Попадание влаги в демпферный узел невозможно, поскольку жидкости содержатся в герметичном корпусе оболочечного типа, при этом точка замерзания дисперсной среды существенно ниже точки замерзания воды.
В ИПРИМ РАН проводится работа по налаживанию серийного производства заявляемых гасителей низкочастотных колебаний проводов воздушных линий электропередачи.
Источники информации
[1]. Описание изобретения к патенту РФ «Способ получения электрореологических суспензий» №2499030, C09K 19/38 (C08G 73/10, B82B 3/00, C10M 171/06), заявлено 04. 06.2012, опубликовано 20.11.2013.
[2]. Бекметьев Р.М., Жакаев А.Ш., Ширинских Н.В. «Пляска проводов воздушных линий электропередачи». - Алма-Ата: Издательство «Наука» Казахской ССР, 1979. - 151 с.
[3]. Глазунов А.А. «Основы механической части воздушных линий электропередачи. Т.1. Работа и расчет проводов и тросов». - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1956. - 192 с.
[4]. State of the art of conductor galloping. Cigre: Task force B2.11.06. June 2007 - 140 p.
[5]. Damper for galloping conductors for overhead power transmission lines. Patent WO 2005/117228, PCT/RU2005/000302.
[6]. Описание изобретения к патенту РФ «Гаситель колебаний» №2 412511, H02G 7/14, заявлено 27.03.2014, опубликовано 20.02.2011.
[7]. Такетоми С., Тикадзуми С. Магнитные жидкости. - М.: Мир, 1993. - 272 с.
1. Гаситель низкочастотных колебаний проводов воздушных линий электропередачи, содержащий герметичный корпус оболочечного типа, связанный с проводами линии посредством системы промежуточных элементов и заполненный электро- или магнитореологической жидкостью, в качестве дисперсной фазы которой использованы суспензии наноразмерных электро- или магниточувствительных частиц, демпферный узел, расположенный внутри корпуса, и источники электрического или магнитного полей, дающих возможность управлять свойствами течения вышеупомянутой жидкости путем наложения соответствующих физических полей, создаваемых вышеуказанными источниками, причем демпферный узел выполнен в виде поршневого диска, расположенного внутри корпуса и имеющего возможность кругового вращения за счет его сил инерции, заставляя при этом циклично перетекать жидкость по герметичному каналу, образуемому боковыми стенками корпуса, внутренней цилиндрической поверхностью корпуса и внешними поверхностями поршневого диска.
2. Гаситель по п. 1, в котором демпферный узел снабжен жестко связанным с поршневым диском мятником, отклоняющимся при колебаниях проводов относительно вертикальной оси на угол φ и заставляющим циклично перетекать жидкость по герметичному каналу, образуемому боковыми стенками корпуса, внутренней цилиндрической поверхностью корпуса и внешними поверхностями поршневого диска.
3. Гаситель по п. 1, в котором в качестве электрореологической жидкости используют электрореологические суспензии, получаемые на основе наноразмерных частиц полимеров, в частности полиимидов, а в качестве магнитореологической жидкости используют магнитореологические суспензии ферромагнитных, сверхпарамагнитных или парамагнитных частиц в жидкости-носителе, называемой масляной основой.
4. Гаситель по п. 1, в котором система промежуточных элементов конструктивно выполнена в виде соединенных с корпусом тяг с плашечными зажимами на их концах, в желобах которых закреплены провода воздушной линии электропередачи.
5. Гаситель низкочастотных колебаний проводов воздушных линий электропередачи, содержащий герметичный корпус оболочечного типа, связанный с проводами линии посредством системы промежуточных элементов и заполненный электро- или магнитореологической жидкостью, в качестве дисперсной фазы которой использованы суспензии наноразмерных электро- или магниточувствительных частиц, демпферный узел, расположенный внутри корпуса, и источники электрического или магнитного полей, дающих возможность управлять свойствами течения вышеупомянутой жидкости путем наложения соответствующих физических полей, создаваемых вышеуказанными источниками, причем демпферный узел выполнен в виде, по меньшей мере, двух поршней, связанных между собой штоком, и передвигающихся в горизонтальной плоскости внутри соединенных друг с другом трубопроводом цилиндров, и мятника, шарнирно связанного посредством тяг с поршнями, отклоняющегося при колебаниях проводов относительно вертикальной оси на угол φ и заставляющего циклично перетекать жидкость из одного цилиндра в другой по трубопроводу, при этом упомянутые источники физических полей установлены на внешних поверхностях трубопровода.
6. Гаситель по п. 5, в котором в качестве электрореологической жидкости используются электрореологические суспензии, получаемые на основе наноразмерных частиц полимеров, в частности полиимидов, а в качестве магнитореологической жидкости используются магнитореологические суспензии ферромагнитных, сверхпарамагнитных или парамагнитных частиц в жидкости-носителе, называемой масляной основой.
7. Гаситель по п. 5, в котором система промежуточных элементов конструктивно выполнена в виде соединенных с корпусом тяг с плашечными зажимами на их концах, в желобах которых закреплены провода воздушной линии электропередачи.
