Введение
Высокоамплитудные, низкочастотные колебания воздушных линий электропередач, вызванные ветром.
Галоп проводника – это высокоамплитудные, низкочастотные колебания воздушных линий электропередач, вызванные ветром. Движение проводов чаще всего происходит в вертикальной плоскости, хотя возможно также горизонтальное или вращательное движение. Собственная частота колебаний обычно составляет около 1 Гц, что обуславливает часто грациозное периодическое движение, также известное как «танец проводника». Амплитуда колебаний может превышать один метр, а смещение иногда становится достаточным для нарушения рабочих расстояний между фазными проводниками и другими объектами, что может привести к пробою изоляции. Интенсивное движение также значительно увеличивает механическую нагрузку на изоляторы и опоры линий электропередач, повышая риск их механического повреждения. Механизмы, запускающие галоп, не всегда понятны, однако считается, что часто это связано с асимметричной аэродинамикой проводника из-за обледенения одной стороны провода. Образовавшаяся форма льда в виде полумесяца приближается по форме к крылу самолета, изменяя обычный круглый профиль провода и увеличивая его склонность к колебаниям. При подозрении на обледенение возможно увеличение передачи мощности по линии для повышения ее температуры за счет джоулева нагрева и, как следствие, плавления льда.
Теоретический анализ
Самые ранние исследования длинных проводов, помещенных в поток движущейся жидкости, относятся к концу XIX века, когда Винсент Стругал объяснил явление "поющих" проводов с точки зрения срыва вихрей. Сейчас известно, что галопирование возникает из-за иного физического явления – аэродинамической подъемной силы. Наледь на проводе нарушает его круговую симметрию, и естественные вертикальные колебания провода изменяют угол атаки обледенелого провода в потоке воздуха. Для определенных форм изменение подъемной силы при различных углах настолько велико, что вызывает колебания значительной амплитуды. Математически, ненагруженный протяженный провод в неподвижном воздухе можно приближенно представить как массу m, подвешенную на высоте y пружиной с коэффициентом жесткости k. Если ветер движется со скоростью U, то он образует угол α с проводом, где при больших скоростях ветра подъемная сила и сила сопротивления, действующие на провод, пропорциональны квадрату скорости ветра, но коэффициенты пропорциональности CL и CD (для провода некруглой формы) зависят от α: где ρ – плотность жидкости, а l – длина провода. В принципе, возбужденные колебания могут проявляться в трех формах: вращение провода, горизонтальное отклонение или вертикальное погружение. В большинстве случаев галопирование сочетает вращение с одной или двумя другими формами. Для упрощения алгебраических выкладок в данной статье будет рассмотрен проводник, испытывающий только вертикальное погружение (без вращения); аналогичный подход может быть использован для анализа других типов колебаний. Из геометрических соображений, при вычислении вертикальной составляющей силы необходимо учитывать только члены первого порядка при ẏ≪U. Галопирование возникает, когда коэффициент возбуждения превышает естественную демпфирующую способность провода; в частности, необходимое, но недостаточное условие для этого – это условие, известное как критерий галопирования Ден-Хартога, названное в честь инженера, впервые его сформулировавшего. При низких скоростях ветра U вышеуказанный анализ перестает быть применимым, поскольку галопирующие колебания связываются с отрывом вихрей.
Флатер
Аналогичным эоловым явлением является флаттер, вызываемый вихрями на подветренной стороне провода, который отличается от галопа высокой частотой (10 Гц) и малой амплитудой колебаний. Для подавления флаттера на линиях электропередачи могут устанавливаться настроенные демпферы массы (известные как демпферы Стокбриджа), закрепляемые на проводах вблизи опор. Использование распорок между проводами пучка также может быть полезным.