Отчёт о нагрузках вихревых потоков на опоры ЛЭП

Для конструкций опор воздушных линий электропередач, как и для других конструкций, существуют значения разрушающих напряжений в них. Для каждой конкретной конструкции значение разрушающего напряжения рассчитывается методами теории сопротивления материалов и заносится в справочники. Разрушающим напряжениям соответствует и предельный угол (амплитуда) отклонения опоры в целом от положения равновесия, по превышению которого опора падает. Основным внешним фактором, заставляющим опоры отклоняться от положения равновесия, тем самым создавая нагрузки в металлоконструкциях, является обычный воздушный ветер. Считается, что на предельный угол опора отклоняется в результате стационарного ламинарного потока воздуха на неё со скоростью 30 м/c. Это называется парусностью опоры. Однако разрушающие напряжения в конструкциях опор могут создать и другие внешние эффекты, отличные от стационарной нагрузки ламинарного потока воздуха. Одним из таких эффектов является нестационарная нагрузка вихревого воздушного потока.

Плотные воздушные вихри образуются в результате обтекания стационарным ламинарным потоком различных препятствий. В нашем случае это железнодорожная насыпь. Обратимся к рисунку.

Рисунок. Образование вихрей за железнодорожной насыпью.

На рисунке схематически изображены железнодорожная насыпь и опоры линии электропередач. В результате обтекания железнодорожной насыпи стационарным потоком ветра, за ней образуется застойная зона 1 с гидродинамически неустойчивой границей 2. Из-за гидродинамической неустойчивости границы с неё начинают срываться вихревые потоки, которые получаются плотными и не распадаются в силу стабилизации их верхней частью набегаемого потока. Плотные вихревые образования распространяются дальше по направлению ветра и ударяются об опоры, вызывая нестационарную нагрузку. Частоту образования вихрей можно вычислить по формуле:

, где V₀ – скорость стационарного набегающего потока, - характерный размер обтекаемого препятствия, - полуэмпирическое число Струхаля, отвечающее за физику процесса вихреобразования. Для воздуха в данном случае его можно принять равным 0,5. Таким образом, частота образования вихрей:

.

С такой же частотой вихри ударяются об опоры, вынуждая их колебаться. Примерно в этом же диапазоне частот (около 1 Гц) располагаются частоты собственных колебаний опор. Частота внешней вынуждающей силы совпала с собственной частотой колебаний опоры, возбудив соответствующую моду колебаний. Такое явление называется резонансом. Одним из эффектов резонанса является резкое увеличение амплитуды колебаний, которая может превысить предельную, вызывая в конструкциях разрушающие напряжения. Это и произошло в нашем случае.

Ситуация осложняется тем, что через провода между соседними опорами наличествует слабая нелинейная акустическая связь, превращая их в автоколебательную систему. По прошествии определённого времени наступает эффект автосинхронизации, в результате которого несколько опор начинают колебаться в такт (синхронно) друг с другом. Таким образом падает не одна, а несколько рядом стоящих опор.