Zašto dalekovodi zuje? Jeste li ikada razmišljali o tome? Ali odgovor na ovo pitanje možda nimalo nije trivijalan, iako je prilično domišljat. Pogledajmo nekoliko objašnjenja, od kojih svako ima pravo postojati.

koronsko pražnjenje

Najčešće se daje ova ideja. Izmjenično električno polje u blizini žice dalekovoda elektrificira zrak oko žice, ubrzava slobodne elektrone, koji ioniziraju molekule zraka, a one zauzvrat generiraju. I tako 100 puta u sekundi zasvijetli i ugasi se korona pražnjenje oko žice, dok se zrak uz žicu zagrijava - hladi, širi - skuplja i na taj način ispada zvučni val u zraku, koje naše uho percipira kao zujanje žice.

Vene vibriraju

Postoji i ova ideja. Buka dolazi od činjenice da izmjenična struja s frekvencijom od 50 Hz stvara izmjenično magnetsko polje, koje tjera pojedinačne jezgre u žici (osobito čelične - u žicama tipa AC-75, 120, 240) da vibriraju, čini se da se međusobno sudaraju i čujemo karakterističan šum.

Osim toga, žice različitih faza nalaze se jedna pored druge, njihove struje su u međusobnom magnetskom polju, a prema Amperovom zakonu na njih djeluju sile. Budući da je frekvencija promjena polja 100 Hz, žice vibriraju jedna drugoj u magnetskim poljima od Amperovih sila na ovoj frekvenciji, i mi to čujemo.

Rezonancija mehaničkog sustava

I takva se hipoteza nađe tu i tamo. Oscilacije s frekvencijom od 50 ili 100 Hz prenose se na nosač, a pod određenim uvjetima nosač, ulazeći u rezonanciju, počinje proizvoditi zvuk. Na volumen i rezonantnu frekvenciju utječu gustoća materijala nosača, promjer nosača, visina nosača, duljina žice u rasponu, kao i njezin presjek i sila zatezanja. Ako dođe do udarca u rezonanciju, čuje se šum. Ako nema rezonancije, nema buke ili je tiša.

Vibracije u Zemljinom magnetskom polju

Razmotrimo drugu hipotezu. Žice vibriraju frekvencijom od 100 Hz, što znači da na njih neprestano djeluje promjenljiva poprečna sila povezana sa strujom u žicama, svojom veličinom i smjerom. Gdje je vanjsko magnetsko polje? Hipotetski, ovo bi moglo biti magnetsko polje koje je uvijek pod nogama, koje usmjerava iglu kompasa, -.

Doista, struje u žicama visokonaponskih vodova dosežu amplitudu od nekoliko stotina ampera, dok je duljina žica vodova znatna, a magnetsko polje našeg planeta, iako relativno malo (njegova indukcija u središnjoj Rusiji je samo oko 50 μT), ipak djeluje posvuda oko planeta, a posvuda ima ne samo horizontalnu, već i vertikalnu komponentu, koja se križa okomito poput žica dalekovoda položenih duž linija sile magnetsko polje Zemlju, i one žice koje su orijentirane preko njih ili općenito pod bilo kojim drugim kutom.

Da bi razumjeli proces, svatko može provesti tako jednostavan eksperiment: uzmite automobilski akumulator i savitljivu akustičnu žicu, presjeka od 25 kvadratnih mm, dugu najmanje 2 metra. Pričvrstite ga na trenutak na terminale baterije. Žica će skočiti! Što je to ako ne impuls Amperove sile koji djeluje na žicu s strujom u Zemljinom magnetskom polju? Osim ako je žica skočila u vlastitom magnetskom polju...

Nosač dalekovoda najčešće zamišljamo u obliku rešetkaste strukture. Prije 30-ak godina to je bila jedina opcija, a danas se nastavljaju graditi. Na gradilište se donosi set metalnih uglova i korak po korak od tih tipičnih elemenata pričvršćuje se nosač. Zatim dolazi dizalica i uspravlja strukturu. Takav proces traje dosta vremena, što utječe na vrijeme polaganja linija, a sami nosači s tupim rešetkastim siluetama vrlo su kratkotrajni. Razlog je loša zaštita od korozije. Tehnološka nesavršenost takve potpore nadopunjena je jednostavnim betonskim temeljem. Ako je to učinjeno u lošoj vjeri, na primjer, korištenjem otopine neodgovarajuće kvalitete, nakon nekog vremena beton će puknuti, voda će ući u pukotine. Nekoliko ciklusa smrzavanja i odmrzavanja, a temelj je potrebno preurediti ili ozbiljno popraviti.

Cijevi umjesto uglova

Pitali smo predstavnike Rosseti PJSC kakva je alternativa zamjena tradicionalnih nosača od željeznog metala. „U našoj tvrtki, koja je najveći operater električne mreže u Rusiji,“ kaže stručnjak iz ove organizacije, „dugo smo pokušavali pronaći rješenje za probleme povezane s rešetkastim nosačima, a kasnih 1990-ih počeli smo prelaziti na fasetirani nosači. To su cilindrični nosači izrađeni od savijenog profila, zapravo cijevi, u presjeku koji imaju oblik poliedra. Osim toga, počeli smo primjenjivati ​​nove metode antikorozivne zaštite, prvenstveno vruće cinčanje. Ovo je elektrokemijska metoda nanošenja zaštitnog premaza na metal. U agresivnom okruženju sloj cinka postaje tanji, ali potporni dio nosača ostaje netaknut.”

Osim veće izdržljivosti, novi se nosači također lako postavljaju. Nema potrebe više zavijati uglove: cjevasti elementi budućeg nosača jednostavno se umetnu jedan u drugi, a zatim se veza fiksira. Takvu strukturu moguće je montirati osam do deset puta brže nego sastaviti rešetkastu. Temelji su također prošli odgovarajuće transformacije. Umjesto uobičajenog betona počeli su se koristiti tzv. školjkasti piloti. Konstrukcija se spušta u zemlju, na nju se pričvršćuje kontra prirubnica, a sam nosač je već postavljen na njega. Procijenjeni vijek trajanja takvih nosača je do 70 godina, odnosno otprilike dvostruko više od rešetkastih.

Nosače električnih nadzemnih vodova obično zamišljamo tako. Međutim, klasična rešetkasta struktura postupno ustupa mjesto naprednijim opcijama - višestrukim nosačima i nosačima od kompozitnih materijala.

Zašto žice zuje

A žice? Vise visoko iznad zemlje i iz daljine izgledaju kao debeli monolitni kablovi. Zapravo, visokonaponske žice izrađene su od žice. Uobičajena i široko korištena žica ima čeličnu jezgru, koja daje strukturnu čvrstoću i okružena je aluminijskom žicom, takozvanim vanjskim slojevima, kroz koje se prenosi strujno opterećenje. Mast se postavlja između čelika i aluminija. Potreban je kako bi se smanjilo trenje između čelika i aluminija - materijala koji imaju različite koeficijente toplinskog rastezanja. Ali budući da aluminijska žica ima kružni presjek, zavoji se ne uklapaju čvrsto jedan uz drugi, površina žice ima izražen reljef. Ovaj nedostatak ima dvije posljedice. Prvo, vlaga prodire u praznine između zavoja i ispire mazivo. Povećava se trenje i stvaraju se uvjeti za koroziju. Kao rezultat toga, vijek trajanja takve žice nije duži od 12 godina. Kako bi se produžio vijek trajanja, ponekad se na žicu stavljaju manšete za popravak, što također može uzrokovati probleme (više o tome u nastavku). Osim toga, ovaj dizajn žice doprinosi stvaranju dobro definiranog zujanja u blizini nadzemnog voda. Nastaje zbog toga što izmjenični napon od 50 Hz stvara izmjenično magnetsko polje, zbog čega pojedine niti u žici vibriraju, zbog čega se međusobno sudaraju, a mi čujemo karakteristično zujanje. U zemljama EU takva se buka smatra akustičnim zagađenjem i protiv nje se bori. Sada je takva borba počela i kod nas.

"Sada želimo zamijeniti stare žice žicama novog dizajna koje razvijamo", kaže predstavnik PJSC Rosseti. - To su također čelično-aluminijske žice, ali tu se ne koristi žica okruglog presjeka, već trapeznog presjeka. Ispada da je uvijanje gusto, a površina žice je glatka, bez pukotina. Vlaga gotovo ne može ući unutra, mazivo se ne ispire, jezgra ne hrđa, a vijek trajanja takve žice približava se trideset godina. Žice sličnog dizajna već se koriste u zemljama kao što su Finska i Austrija. Postoje i linije s novim žicama u Rusiji - u regiji Kaluga. Ovo je linija Orbit-Sputnik, duga 37 km. Štoviše, tamo žice imaju ne samo glatku površinu, već i drugačiju jezgru. Nije izrađen od čelika, već od stakloplastike. Takva žica je lakša, ali rastezljivija od obične čelično-aluminijske.

Međutim, najnovije dizajnersko postignuće u ovom području može se smatrati žicom koju je stvorio američki koncern 3M. U ovim žicama nosivost osiguravaju samo vodljivi slojevi. Nema jezgre, već su sami slojevi ojačani aluminijevim oksidom čime se postiže visoka čvrstoća. Ova žica ima izvrsnu nosivost, a sa standardnim nosačima, zbog svoje čvrstoće i male težine, može izdržati raspone dužine do 700m (standardno 250-300m). Osim toga, žica je vrlo otporna na toplinska opterećenja, što je čini pogodnom za južne države SAD i npr. u Italiji. Međutim, žica od 3M ima jedan značajan nedostatak - cijena je previsoka.

Izvorni "dizajnerski" nosači služe kao nedvojbeni ukras krajolika, ali malo je vjerojatno da će se široko koristiti. Prioritet elektromrežnim tvrtkama je pouzdanost prijenosa energije, a ne skupe "skulpture".

Led i žice

Nadzemni dalekovodi imaju svoje prirodne neprijatelje. Jedan od njih je zaleđivanje žica. Ova katastrofa je posebno tipična za južne regije Rusije. Na temperaturama oko nule kapljice kiše padaju na žicu i smrzavaju se na njoj. Na vrhu žice formira se kristalna kapica. Ali ovo je tek početak. Šešir pod svojom težinom postupno okreće žicu, izlažući drugu stranu ledenoj vlazi. Oko žice će se prije ili kasnije stvoriti ledeni rukavac, a ako težina rukava premaši 200 kg po metru, žica će puknuti i netko će ostati bez svjetla. Rosseti ima vlastiti know-how kako se nositi s ledom. Dio vodova sa zaleđenim žicama je odvojen od voda, ali spojen na izvor istosmjerne struje. Kada se koristi istosmjerna struja, omski otpor žice može se praktički zanemariti i propuštati struje, recimo, dvostruko jače od izračunate vrijednosti za izmjeničnu struju. Žica se zagrijava i led se topi. Žice odbacuju nepotreban teret. Ali ako na žicama postoje rukavci za popravak, tada se pojavljuje dodatni otpor, a zatim žica može izgorjeti.

Drugi neprijatelj su visoke i niske frekvencije vibracija. Rastegnuta žica nadzemnog voda je struna koja pod utjecajem vjetra počinje vibrirati visokom frekvencijom. Ako se ta frekvencija podudara s prirodnom frekvencijom žice i ako se amplitude podudaraju, žica može puknuti. Kako bi se nosili s ovim problemom, na vodove su ugrađeni posebni uređaji - prigušivači vibracija, koji izgledaju poput kabela s dva utega. Ovaj dizajn, koji ima vlastitu frekvenciju osciliranja, usklađuje amplitude i prigušuje vibracije.

Takav štetan učinak kao što je "ples žica" povezan je s niskofrekventnim vibracijama. Kada dođe do loma na vodu (npr. zbog stvaranja leda), dolazi do vibracija žica koje idu dalje u valu, kroz nekoliko raspona. Kao rezultat toga, pet do sedam nosača koji čine raspon sidra (udaljenost između dva nosača s krutom žicom) mogu se saviti ili čak pasti. Dobro poznato sredstvo za borbu protiv "plesa" je postavljanje međufaznih razmaka između susjednih žica. Ako postoji odstojnik, žice će međusobno prigušivati ​​svoje vibracije. Druga mogućnost je korištenje na liniji nosača izrađenih od kompozitnih materijala, posebice stakloplastike. Za razliku od metalnih nosača, kompozitni ima svojstvo elastične deformacije i lako će "odigrati" vibracije žica savijanjem i vraćanjem u okomiti položaj. Takav oslonac može spriječiti kaskadni pad cijelog dijela voda.

Fotografija jasno pokazuje razliku između tradicionalne visokonaponske žice i žice novog dizajna. Umjesto okrugle žice korištena je prethodno deformirana žica, a mjesto čelične jezgre zauzela je kompozitna jezgra.

Jedinstvene potpore

Naravno, postoje sve vrste jedinstvenih slučajeva povezanih s polaganjem nadzemnih vodova. Na primjer, pri postavljanju nosača u poplavljenom tlu ili u uvjetima permafrosta, konvencionalne školjke pilota za temelje neće raditi. Tada se koriste vijčani piloti koji se kao vijci ušrafljuju u tlo kako bi se postiglo što čvršće temeljenje. Poseban slučaj je prolazak dalekovoda širokih vodenih barijera. Koriste posebne visinske nosače koji su deset puta teži od uobičajenih i imaju visinu od 250-270 m. Budući da raspon može biti veći od dva kilometra, koristi se posebna žica s ojačanom jezgrom koja je dodatno poduprta teretni kabel. Tako je, primjerice, uređen prijelaz dalekovoda preko Kame s rasponom od 2250 m.

Zasebnu skupinu nosača predstavljaju strukture dizajnirane ne samo za držanje žica, već i za nošenje određene estetske vrijednosti, na primjer, nosači skulptura. Godine 2006. tvrtka Rosseti pokrenula je projekt razvoja stupova originalnog dizajna. bili zanimljiv rad, ali njihovi autori, dizajneri, često nisu mogli cijeniti mogućnost i proizvodnost inženjerske implementacije ovih dizajna. Općenito, mora se reći da se stupovi u koje je uložen umjetnički koncept, kao što su, na primjer, stupne figure u Sočiju, obično postavljaju ne na inicijativu mrežnih tvrtki, već po nalogu neke treće strane. ili vladine organizacije. Na primjer, u SAD-u je popularan nosač u obliku slova M, stiliziran kao logo lanca brze hrane McDonald's.

Večernji vjetar tamo diše svježinu, I šušti u lišću I njiše grane I ljubi harfu... Ali harfa šuti... ................... ...... ............ I odjednom... iz tišine se digne otegnuta zamišljena zvonjava.

V. Žukovski. "Eolska harfa"

Još su stari Grci primijetili da žica rastegnuta u vjetru ponekad počinje zvučati melodično - pjevati. Možda je već tada bila poznata eolska harfa, nazvana po bogu vjetra Eolu. Eolska harfa sastoji se od okvira na kojem je napeto nekoliko žica; postavlja se na mjesto gdje strune puše vjetar. Čak i ako se ograničite na jednu žicu, možete dobiti više različitih tonova. Nešto slično, ali s puno manjom raznolikošću tonova, događa se kada vjetar pokreće telegrafske žice.

Dugo vremena ovaj fenomen i mnogi drugi povezani s strujanjem zraka i vode oko tijela nisu bili objašnjeni. Tek je Newton, utemeljitelj moderne mehanike, pružio prvi znanstveni pristup rješavanju takvih problema.

Prema zakonu otpora gibanju tijela u tekućini ili plinu, koji je otkrio Newton, sila otpora proporcionalna je kvadratu brzine:

F = Kρv 2 S.

Ovdje je v brzina tijela, S je površina njegovog presjeka okomitog na smjer brzine, ρ je gustoća tekućine.

Kasnije se pokazalo da Newtonova formula nije uvijek točna. Kad je brzina tijela mala u usporedbi s brzinom toplinsko gibanje molekula, Newtonov zakon otpora više ne vrijedi.

Kao što smo već govorili u prethodnim odjeljcima, kod dovoljno usporenog gibanja tijela, sila otpora proporcionalna je njegovoj brzini (Stokesov zakon), a ne njegovom kvadratu, kao što se događa kod brzog gibanja. Takva situacija nastaje npr. kada se male kapi kiše kreću u oblaku, kada se taloži talog u čaši, kada se kapi tvari A kreću u „Čarobnoj lampi“. Međutim, u Moderna tehnologija sa svojim velikim brzinama, Newtonov zakon otpora obično vrijedi.

Čini se da se, budući da su poznati zakoni otpora, može objasniti zujanje žica ili pjevanje eolske harfe. Ali nije. Uostalom, kad bi sila otpora bila konstantna (ili rasla s povećanjem brzine), tada bi vjetar jednostavno povukao žicu, a ne pobudio njezin zvuk.

Što je bilo? Za objašnjenje zvuka žice, pokazalo se da jednostavne ideje o sili otpora koje smo upravo analizirali nisu dovoljne. Razmotrimo detaljnije neke vrste strujanja tekućine oko nepokretnog tijela (ovo je prikladnije nego razmatrati kretanje tijela u nepokretnoj tekućini, a odgovor će, naravno, biti isti).

Pogledajte sl. 1. Ovo je slučaj niske brzine tekućine. Strujnice tekućine obilaze cilindar (slika prikazuje presjek) i glatko se nastavljaju iza njega. Takav tok se zove laminaran. Sila otpora u ovom slučaju duguje svoje podrijetlo unutarnjem trenju u tekućini (viskoznosti) i proporcionalna je v. Brzina tekućine na bilo kojem mjestu, kao i sila otpora, ne ovisi o vremenu (protok stacionarni). Ovaj slučaj nas ne zanima.

Ali pogledajte sl. 2. Protok se povećao, a u području iza cilindra pojavili su se vrtlozi tekućine – vrtlozi. Trenje u ovom slučaju više ne određuje u potpunosti prirodu procesa. Promjene u zamahu počinju igrati sve važniju ulogu, ne događaju se na mikroskopskoj razini, već na razini usporedivoj s veličinom tijela. Sila otpora postaje proporcionalna v 2 .

I na kraju, na sl. 3, brzina protoka se još više povećala, a vrtlozi su se poredali u pravilne lance. Evo ga, ključ za objašnjenje zagonetke! Ti lanci vrtloga, koji povremeno izlaze s površine žice, pobuđuju njezin zvuk, baš kao što žice gitare izazivaju zvuk povremenih dodira glazbenikovih prstiju.

Fenomen pravilnog rasporeda vrtloga iza strujnog tijela prvi je eksperimentalno proučavao njemački fizičar Benard početkom našeg stoljeća. No tek zahvaljujući Karmanovim radovima koji su ubrzo uslijedili, takav trend, koji se isprva činio vrlo čudnim, dobio je objašnjenje. Po imenu ovog znanstvenika sustav periodičnih vrtloga danas se naziva Karmanova staza.

Kako se brzina dalje povećava, vrtlozi imaju sve manje vremena za širenje velika površina tekućine. Zona vrtloga postaje uska, vrtlozi se miješaju, a strujanje postaje kaotično i nepravilno ( turbulentan). Istina, pri vrlo velikim brzinama, nedavni eksperimenti su otkrili pojavu neke nove periodičnosti, ali njeni detalji još uvijek nisu jasni.

Može se činiti da je Karmanova vrtložna ulica samo lijepa pojava naravi, bez praktične važnosti. Ali nije. Žice dalekovoda također osciliraju pod djelovanjem vjetra koji puše stalnom brzinom zbog odlijevanja vrtloga. Na mjestima gdje su žice pričvršćene na nosače, pojavljuju se značajne sile koje mogu dovesti do uništenja. Visoki dimnjaci njišu se pod utjecajem vjetra.

No, fluktuacije mosta Tacoma u Americi svakako su stekle najširu slavu. Ovaj je most stajao samo nekoliko mjeseci i srušio se 7. studenog 1940. Na sl. Slika 4 prikazuje pogled na most tijekom njihanja. Vihori su se otrgli od nosive konstrukcije kolnika mosta. Nakon dugotrajnih istraživanja, most je ponovno podignut, samo su površine koje je vjetar nanio imale drugačiji oblik. Time je otklonjen uzrok koji je uzrokovao vibracije mosta.