Дирижер галопом

Продолжительность: 27 секунд. 0:27

Галопирующие кондукторы в восточном Айдахо перед Рождеством 1998 года.

Галоп проводника — это высокоамплитудные низкочастотные колебания воздушных линий электропередачи, вызванные ветром. Перемещение проводов чаще всего происходит в вертикальной плоскости, хотя возможны также горизонтальные или вращательные движения. Собственная частота обычно составляет около 1 Гц, поэтому часто изящное периодическое движение также известно как танец дирижера . Колебания могут иметь амплитуду, превышающую метр, а смещение иногда оказывается достаточным для того, чтобы фазные проводники нарушили рабочие зазоры (слишком близко подошли к другим объектам) и вызвали перекрытие . Сильное движение также значительно увеличивает нагрузку на изоляторы и опоры электропередач , повышая риск их механического повреждения.

Механизмы, которые инициируют галоп, не всегда ясны, хотя считается, что это часто вызвано асимметричной аэродинамикой проводника из-за скопления льда на одной стороне провода. Серп покрытого коркой льда напоминает аэродинамический профиль , изменяя обычно круглый профиль троса и увеличивая склонность к колебаниям.

Галоп может стать серьезной проблемой для операторов систем передачи , особенно там, где линии пересекают открытую, продуваемую ветрами местность и существует риск обледенения. Если галоп может вызвать беспокойство, конструкторы могут использовать проводники с гладкой поверхностью, улучшенные обледенелые и аэродинамические характеристики которых уменьшают движение. Кроме того, на леске могут быть установлены устройства, предотвращающие галоп, чтобы преобразовать боковое движение в менее разрушительное скручивающее движение. Увеличение натяжения линии и использование более жестких изоляционных креплений приводит к уменьшению скачкообразного движения. Эти меры могут быть дорогостоящими, часто непрактичными после того, как линия уже построена, и могут повысить склонность линии проявлять высокочастотные колебания.

Если есть подозрение на наличие ледяной нагрузки, можно увеличить передачу мощности на линии и, таким образом, повысить ее температуру за счет джоулева нагрева , растапливая лед. Внезапная потеря льда с троса может привести к явлению, называемому «прыжком», при котором цепная цепь резко отскакивает вверх в ответ на изменение веса. Если риск отключения высок, оператор может предпочесть упреждающее контролируемое отключение линии, чтобы не столкнуться с неожиданной неисправностью. Риск механического повреждения линии сохраняется.

Теоретический анализ

Самые ранние исследования длинных проводов, включенных в движение движущейся жидкости, относятся к концу 19 века, когда Винценц Струхаль объяснил «поющие» провода с точки зрения образования вихрей . Теперь известно, что галоп возникает из-за другого физического явления: аэродинамической подъемной силы . Накопившийся на проводе лед нарушает круговую симметрию провода, а естественное «поющее» движение провода вверх-вниз меняет угол атаки обледеневшего провода на ветру. Для некоторых форм изменение подъемной силы под разными углами настолько велико, что вызывает крупномасштабные колебания.

Математически ненагруженный натянутый провод в мертвом воздухе можно аппроксимировать как массу m, подвешенную на высоте y с помощью пружины с постоянной k . Если ветер движется со скоростью U , то он составляет угол α , где с проволокой $$\tan {\alpha }={\frac {\dot {y}}{U}}{\text{.}}$$При больших скоростях ветра подъемная сила и сопротивление, пропорциональны квадрату скорости ветра, но константы пропорциональности C _L и CD _{возникающие на проводе ,} (для некруглого провода) зависят от α : $$F_{j}={\frac {1}{2}}\rho (U^{2}+{\dot {y}}^{2})l\cdot C_{j}\quad \quad \quad {\text{(}}j\in \{{\text{L}},{\text{D}}\}{\text{),}}$$где ρ — плотность жидкости, l — длина проволоки.

В принципе, возбуждаемые колебания могут принимать три формы: вращение проволоки, горизонтальное покачивание или вертикальное погружение. Большинство галопов сочетают вращение хотя бы с одной из двух других форм. Для алгебраической простоты в этой статье будет анализироваться проводник, испытывающий только погружение (а не вращение); подобное лечение может повлиять на другие динамики. Из геометрических соображений вертикальная составляющая силы должна быть равна $${\frac {1}{2}}\rho l(U^{2}+{\dot {y}}^{2})(C_{L}\cos {\alpha }+C_{D}\sin {\alpha })\approx {\frac {1}{2}}\rho lU^{2}\left(C_{L}|_{\alpha =0}-{\frac {\dot {y}}{U}}\left.\left(C_{D}+{\frac {\partial C_{L}}{\partial \alpha }}\right)\right|_{\alpha =0}\right){\text{,}}$$сохраняя только члены первого порядка в режиме ẏ ≪ U . Галоп возникает всякий раз, когда движения коэффициент ⁠ 1 / 2 ⁠ ρlU ·( C _D + ⁠ ∂ C _L / ∂ α ⁠ )| _{α =0} превышает естественное затухание проволоки; в частности, необходимым, но недостаточным условием является то, что $$\left.\left(C_{D}+{\frac {\partial C_{L}}{\partial \alpha }}\right)\right|_{\alpha =0}<0{\text{.}}$$Это явление известно как условие галопа Дена Хартога , по имени инженера, который впервые его обнаружил.

При низких скоростях ветра U приведенный выше анализ начинает давать сбой, поскольку галопные колебания сочетаются с образованием вихря .

трепетать

Аналогичным эоловым явлением является флаттер , вызываемый вихрями на подветренной стороне провода и отличающийся от галопа своим высокочастотным (10 Гц) малоамплитудным движением. Чтобы контролировать флаттер, линии электропередачи могут быть оснащены настроенными массовыми демпферами (известными как демпферы Стокбриджа ), прикрепленными к проводам рядом с опорами. Использование прокладок для пучков проводов также может оказаться полезным.

См. также

• Эолова вибрация