Чому тріщать високовольтні дроти. Як улаштовані опори ЛЕП? Резонанс механічної системи

Найчастіше ми уявляємо собі опору ЛЕП у вигляді ґратчастої конструкції. Років 30 тому це був єдиний варіант, та й у наші дні їх продовжують будувати. На місце будівництва привозять набір металевих куточків і крок за кроком звинчують із цих типових елементів опору. Потім приїжджає кран та ставить конструкцію вертикально. Такий процес займає досить багато часу, що позначається на термінах прокладання ліній, а самі ці опори з похмурими ґратчастими силуетами дуже недовговічні. Причина – слабкий захист від корозії. Технологічна недосконалість такої опори доповнює простий бетонний фундамент. Якщо зроблений він недобросовісно, ​​наприклад із застосуванням розчину неналежної якості, то через якийсь час бетон розтріскається, у тріщини потрапить вода. Декілька циклів заморожування-відтавання, і фундамент треба переробляти або серйозно ремонтувати.

Трубки замість куточків

Про те, що за альтернатива йде на зміну традиційним опорам із чорного металу, ми запитали представників ПАТ "Россеті". «У нашій компанії, яка є найбільшим електромережевим оператором у Росії, — каже фахівець цієї організації, — ми давно намагалися знайти вирішення проблем, пов'язаних із ґратчастими опорами, і наприкінці 1990-х почали переходити на гранові опори. Це циліндричні стійки з гнутого профілю, фактично труби, у поперечному перерізі мають вигляд багатогранника. Крім того, ми почали застосовувати нові методи антикорозійного захисту, переважно метод гарячого цинкування. Це електрохімічний спосіб нанесення захисного покриття металу. В агресивному середовищі шар цинку стоншується, але несуча частина опори залишається неушкодженою».

Крім більшої довговічності, нові опори відрізняються ще й простотою монтажу. Ніяких куточків більше не слід свинчувати: трубчасті елементи майбутньої опори просто вставляються один в одного, потім з'єднання закріплюється. Змонтувати таку конструкцію можна у вісім-десять разів швидше, ніж зібрати ґратчасту. Відповідні перетворення зазнали і фундаменти. Замість звичайного бетонного стали застосовувати так звані палі-оболонки. Конструкція опускається в землю, до неї кріпиться фланець у відповідь, а на нього вже ставиться сама опора. Розрахунковий термін служби таких опор — до 70 років, тобто приблизно вдвічі більше, ніж у ґратчастих.

Опори електричних повітряних ліній ми зазвичай уявляємо саме так. Однак класична гратчаста конструкція поступово поступається місцем більш прогресивним варіантам - багатогранним опорам і опорам з композитних матеріалів.

Чому гудуть дроти

А дроти? Вони висять над землею і здалеку схожі на товсті монолітні троси. Насправді високовольтні дроти свиті з дроту. Звичайний та повсюдно застосовуваний провід має сталевий сердечник, який забезпечує конструктивну міцність і знаходиться в оточенні алюмінієвого дроту, так званих зовнішніх повивів, через які передається струмове навантаження. Між сталлю та алюмінієм прокладено мастило. Вона потрібна для того, щоб зменшити тертя між сталлю та алюмінієм – матеріалами, що мають різний коефіцієнт теплового розширення. Але оскільки алюмінієвий дріт має круглий переріз, витки прилягають один до одного нещільно, поверхня дроту має виражений рельєф. Цей недолік має два наслідки. По-перше, в щілини між витками проникає волога і вимиває мастило. Тертя посилюється і створюються умови для корозії. Через війну термін служби такого дроту становить трохи більше 12 років. Щоб продовжити термін служби, на провід часом надягають ремонтні манжети, які можуть стати причинами проблем (про це трохи нижче). Крім того, така конструкція дроту сприяє створенню поблизу повітряної лінії добре помітного шуму. Відбувається через те, що змінна напруга 50 Гц народжує змінне магнітне поле, яке змушує окремі жили у проводі вібрувати, що тягне їх зіткнення один з одним, і ми чуємо характерне гудіння. У країнах ЄС такий шум вважається акустичним забрудненням і з ним борються. Тепер така боротьба розпочалась і в нас.

«Старі дроти ми зараз хочемо замінити на дроти нової конструкції, яку розробляємо, – каже представник ПАТ «Россети». — Це теж сталь-алюмінієві дроти, але дріт там застосовується не круглого перерізу, а скоріше трапецієподібного. Повив виходить щільним, а поверхня дроту гладка, без щілин. Волога всередину потрапити майже не може, мастило не вимивається, сердечник не іржавіє, і термін служби такого дроту наближається до тридцяти років. Провід подібної конструкції вже використовується в таких країнах, як Фінляндія та Австрія. Лінії з новими проводами є й у Росії – у Калузької області. Це лінія «Орбіта-Супутник» завдовжки 37 км. Причому там дроти мають не просто гладку поверхню, а й інший сердечник. Він виконаний не зі сталі, а зі скловолокна. Такий провід легший, але міцніший на розрив, ніж звичайний сталь-алюмінієвий».

Однак останнім конструкторським досягненням у цій галузі можна вважати провід, створений американським концерном 3M. У цих проводах несуча здатність забезпечується тільки струмопровідними повивами. Там немає сердечника, але самі повиви армовані оксидом алюмінію, що досягає високої міцності. У цього дроту чудова здатність, що несе, і при стандартних опорах він за рахунок своєї міцності і малої ваги може витримувати прольоти довжиною до 700 м (стандарт 250-300 м). Крім того, провід дуже стійкий до теплових навантажень, що зумовлює його використання у південних штатах США та, наприклад, в Італії. Однак у дроту від 3M є один суттєвий мінус - надто висока ціна.

Оригінальні «дизайнерські» опори є безперечною прикрасою ландшафту, проте навряд чи вони набудуть широкого поширення. У пріоритеті електромережних компаній надійність передачі енергії, а не дорогі «скульптури».

Лід та струни

Повітряні лінії електропередач мають своїх природних ворогів. Один із них — зледеніння проводів. Особливо це лихо притаманно південних районів Росії. При температурі близько нуля краплі смороси падають на провід і замерзають на ньому. Відбувається утворення кристалічної шапки на верхній частині дроту. Але це лише початок. Шапка під своєю вагою поступово провертає провід, підставляючи замерзаючій волозі інший бік. Рано чи пізно навколо дроту утворюється крижана муфта, і якщо вага муфти перевищить 200 кг на метр, провід обірветься і хтось залишиться без світла. У компанії «Россеті» є своє ноу-хау боротьби з льодом. Ділянка лінії з зледенілими проводами відключається від лінії, але підключається до джерела постійного струму. При використанні постійного струму омічний опір дроту можна практично не враховувати і пропускати струми, скажімо, вдвічі сильніше, ніж розрахункове значення для змінного струму. Провід нагрівається, і крига плавиться. Провід скидають непотрібний вантаж. Але якщо на проводах є ремонтні муфти, виникає додатковий опір, і ось тоді провід може і перегоріти.

Інший ворог - високочастотні та низькочастотні коливання. Натягнутий провід повітряної лінії - це струна, яка під впливом вітру починає вібрувати з високою частотою. Якщо ця частота збігатиметься з власною частотою дроту і відбудеться суміщення амплітуд, провід може порватися. Щоб упоратися з цією проблемою, на лініях встановлюють спеціальні пристрої — гасники вібрації, що мають вигляд тросика з двома грузиками. Ця конструкція, що має свою частоту коливань, засмучує амплітуди і гасить вібрацію.

З низькочастотними коливаннями пов'язаний такий шкідливий ефект, як «танець проводів». Коли на лінії відбувається обрив (наприклад, через льоду, що утворився), виникають коливання проводів, які йдуть хвилею далі, через кілька прольотів. В результаті можуть погнути або навіть впасти п'ять-сім опор, що становлять анкерний проліт (відстань між двома опорами з жорстким кріпленням дроту). Відомий засіб боротьби з танцем - встановлення міжфазних розпірок між сусідніми проводами. За наявності розпірки дроту взаємно гаситимуть свої коливання. Інший варіант - використання на лінії опор із композитних матеріалів, зокрема зі склопластику. На відміну від металевих опор композитна має властивість пружної деформації і легко «відіграє» коливання проводів, нагнувшись, а потім відновивши вертикальне положення. Така опора може запобігти каскадне падіння цілої ділянки лінії.

На фото чітко видно різниця між традиційним високовольтним проводом та проводом нової конструкції. Замість дроту круглого перерізу використано попередньо деформований дріт, а місце сталевого сердечника зайняв сердечник з композиту.

Опори-унікуми

Зрозуміло, існують різноманітні унікальні випадки, пов'язані з прокладанням повітряних ліній. Наприклад, при встановленні опор в обводнений ґрунт або в умовах вічної мерзлоти звичайні палі-оболонки для фундаменту не підійдуть. Тоді використовуються гвинтові палі, які загвинчують у ґрунт як шуруп, щоб досягти максимально міцної основи. Особливий випадок це проходження ЛЕП широких водних перешкод. Там використовуються спеціальні висотні опори, які важать разів у десять більше звичайних і мають висоту 250-270 м. Оскільки довжина прольоту може становити більше двох кілометрів, застосовується особливий провід з посиленим осердям, який додатково підтримується вантажоросом. Так улаштований, наприклад, перехід ЛЕП через Каму з довжиною прольоту 2250 м-коду.

Окрему групу опор представляють конструкції, покликані як тримати дроти, а й нести у собі певну естетичну цінність, наприклад опоры-скульптуры. У 2006 році компанія "Россети" ініціювала проект з метою розробити опори з оригінальним дизайном. Були цікаві роботи, але автори їх, дизайнери часто не могли оцінити можливість і технологічність інженерного втілення цих конструкцій. Загалом треба сказати, що опори, в які вкладено художній задум, як, наприклад, опори-фігури в Сочі, зазвичай встановлюються не з ініціативи мережевих компаній, а на замовлення якихось сторонніх комерційних чи державних організацій. Наприклад, США популярна опора у вигляді букви M, стилізованої під логотип мережі фастфуду «Макдоналдс».

Прохолодою дихає Там вітер вечірній, і в листі шумить І гілки колише І арфу лобзає ... Але арфа мовчить ... ......................... ............ І раптом... з мовчання Піднявся протяжно задумливий дзвін.

В. Жуковський. "Еолова арфа"

Ще давні греки помітили, що струна, натягнута на вітрі, іноді починає мелодійно звучати співати. Можливо, вже тоді була відома еолова арфа, названа на ім'я бога вітру Еола. Еолова арфа складається з рамки, де натягнуто кілька струн; її поміщають у місці, де струни обдуваються вітром. Якщо навіть обмежитися однією струною, можна отримати низку різних тонів. Щось подібне, але з набагато меншою різноманітністю тонів відбувається, коли вітер надає руху телеграфним проводам.

Досить довго це явище та багато інших, пов'язаних з обтіканням тіл повітрям та водою, не було пояснено. Тільки Ньютон, основоположник сучасної механіки, дав перший науковий підхід вирішення таких завдань.

За законом опору руху тіл у рідині або газі, відкритому Ньютоном, сила опору пропорційна квадрату швидкості:

F = Kρv 2 S.

Тут v – швидкість тіла, S – площа його перерізу, перпендикулярного напрямку швидкості, ρ – щільність рідини.

Надалі з'ясувалося, що формула Ньютона не завжди вірна. У тому випадку, коли швидкість руху тіла мала порівняно зі швидкостями теплового руху молекул, закон опору Ньютона не справедливий.

Як ми вже обговорювали в попередніх розділах, за досить повільного руху тіла сила опору пропорційна його швидкості (закон Стокса), а не її квадрату, як це відбувається при швидкому русі. Така ситуація виникає, наприклад, при русі дрібних крапель дощу у хмарі, при осіданні осаду в склянці, при русі крапель речовини А в "Чарівній лампі". Однак у сучасній техніці з її швидкими швидкостями зазвичай справедливий закон опору Ньютона.

Здавалося б, коли відомі закони опору, можна пояснити гудіння проводів або спів еолової арфи. Але це не так. Адже якби сила опору була постійною (чи зростала зі збільшенням швидкості), то вітер просто натягував би струну, а чи не збуджував її звучання.

У чому ж справа? Щоб пояснити звучання струни, виявляється недостатньо тих простих уявлень про силу опору, які ми щойно розібрали. Давайте обговоримо детальніше деякі типи течії рідини навколо нерухомого тіла (це зручніше, ніж розглядати рух тіла в нерухомій рідині, а відповідь, зрозуміло, буде той самий).

Подивіться на рис. 1. Це випадок малої швидкості рідини, лінії струму рідини огинають циліндр (на малюнку показано переріз) і плавно продовжуються за ним. Такий потік називається ламінарним. Сила опору у разі зобов'язана своїм походженням внутрішньому тертю рідини (в'язкості) і пропорційна v. Швидкість рідини в будь-якому місці, як і сила опору, не залежить від часу (потік стаціонарний). Цей випадок для нас не становить інтересу.

Але погляньте на рис. 2. Швидкість потоку збільшилася, і в області за циліндром з'явилися вири рідини - вихори. Тертя у разі вже не повністю визначає характер процесу. Все більшу роль починають відігравати зміни кількості руху, що відбуваються не в мікроскопічному масштабі, а в масштабі, порівнянному з розмірами тіла. Сила опору стає пропорційною v 2 .

І, зрештою, на рис. 3 швидкість потоку ще більше зросла, і вихори вишикувалися в правильні ланцюжки. Ось він, ключ до пояснення загадки! Ці ланцюжки вихорів, що періодично зриваються з поверхні струни, і збуджують її звучання, подібно до того, як викликають звучання струн гітари періодичні дотики до них пальців музиканта.

Явище правильного розташування вихорів позаду обтічного тіла вперше було вивчено експериментально німецьким фізиком Бенаром на початку ХХ століття. Але тільки завдяки роботам Кармана, що відбулися незабаром, така течія, що здавалася спочатку дуже своєрідним, отримала пояснення. На ім'я цього вченого система періодичних вихорів зараз називається доріжкою Кармана.

У міру подальшого зростання швидкості вихор залишається все менше і менше часу, щоб розпливатися на велику область рідини. Вихрова зона стає вузькою, вихори перемішуються, і потік стає хаотичним і нерегулярним ( турбулентним). Правда, при дуже великих швидкостях в експериментах останнього часу виявлено появу якоїсь нової періодичності, але її деталі досі поки що не зрозумілі.

Може здатися, що вихрова доріжка Кишені - просто гарне явище природи, яке не має практичного значення. Але це не так. Проводи ліній електропередачі також коливаються під дією вітру, що дме з постійною швидкістю, через відрив вихорів. У місцях кріплення дротів до опор виникають значні зусилля, які можуть призводити до руйнувань. Під впливом вітру розгойдуються високі димові труби.

Однак найширшу популярність, безумовно, набули коливань Такомського мосту в Америці. Цей міст простояв лише кілька місяців і зруйнувався 7 листопада 1940 р. на рис. 4 показаний вид моста під час вагань. Вихори відривалися від несучої конструкції проїжджої частини мосту. Після тривалих досліджень міст було споруджено знову, тільки поверхні, що обдуваються вітром, мали іншу форму. Таким чином, було усунуто причину, що викликає коливання моста.

Чому гудуть дроти ЛЕП? Ви колись замислювалися про це? Адже відповідь на це питання може бути аж ніяк не тривіальною, хоч і цілком нехитрою. Давайте розглянемо кілька варіантів пояснення, кожен із яких має право існування.

Коронний розряд

Найчастіше наводять таку ідею. Змінне електричне поле поблизу дроту ЛЕП електризує повітря навколо дроту, розганяє вільні електрони, які іонізують молекули повітря, а вони породжують . І ось, 100 разів на секунду загоряється і гасне коронний розряд навколо дроту, при цьому повітря біля дроту нагрівається - остигає, розширюється - стискається, і таким чином виходить звукова хвиля в повітрі, яка сприймається нашим вухом як гудіння дроту.

Вібрують жили

Ще є така ідея. Шум походить від того, що змінний струм із частотою 50 Гц народжує змінне магнітне поле, яке змушує окремі жили у дроті (особливо сталеві - у проводах марок типу АС-75, 120, 240) вібрувати, вони ніби стикаються один з одним, і ми чуємо характерний шум.

Крім того, дроти різних фаз розташовані один біля одного, їх струми знаходяться в магнітних полях один одного, і згідно із законом Ампера на них діють сили. Оскільки частота змін полів 100 Гц - ось і вібрують дроти в магнітних полях один одного від сил Ампера на цій частоті, і ми її чуємо.

Резонанс механічної системи

І така гіпотеза подекуди зустрічається. Коливання частотою 50 або 100 Гц передаються на опору і за певних умов опора, входячи в резонанс, починає видавати звук. На гучність і резонансну частоту впливають щільність матеріалу опори, діаметр опори, висота опори, довжина дроти в прольоті, і навіть його перетин і сила натягу. Якщо в резонанс попадання є, чути шум. Якщо немає попадання в резонанс - шуму немає або він тихіше.

Вібрація у магнітному полі Землі

Розглянемо ще одну гіпотезу. Провід вібрують з частотою 100 Гц, а це означає, що на них постійно діє змінна поперечна сила, пов'язана зі струмом у проводах, з його величиною і напрямом. Де ж зовнішнє магнітне поле? Гіпотетично, це може бути магнітне поле, що завжди під ногами, яке орієнтує стрілку компаса, - .

Дійсно, струми у проводах високовольтних ЛЕП досягають в амплітуді кількох сотень ампер, при цьому довжина проводів ліній чимала, і магнітне поле нашої планети хоч і відносно мало (його індукція в середній смузі Росії становить близько 50 мкТл), проте діє воно всюди по планеті, і скрізь має не тільки горизонтальну, а й вертикальну складову, яка перетинає перпендикулярно як дроти ЛЕП прокладені вздовж силових ліній магнітного поля Землі, так і дроти, що зорієнтовані впоперек них або взагалі під будь-яким іншим кутом.

Для розуміння процесу кожен може провести такий нескладний експеримент: візьміть автомобільний акумулятор та гнучкий акустичний провід, перетином 25 кв.мм, завдовжки хоча б 2 метри. Приєднайте його на мить до клем акумулятора. Провід підстрибне! Що це, якщо не імпульс сили Ампера, що подіяла на провід зі струмом у магнітному полі Землі? Хіба що провід підскочив у власному магнітному полі.