Prečo bzučia elektrické vedenia? Zamysleli ste sa niekedy nad tým? Ale odpoveď na túto otázku nemusí byť v žiadnom prípade triviálna, hoci celkom dômyselná. Pozrime sa na niekoľko vysvetlení, z ktorých každé má právo na existenciu.
korónový výboj
Najčastejšie sa táto myšlienka uvádza. Striedavé elektrické pole v blízkosti drôtu elektrického vedenia elektrizuje vzduch okolo drôtu, urýchľuje voľné elektróny, ktoré ionizujú molekuly vzduchu a tie zase generujú. A tak 100-krát za sekundu sa korónový výboj okolo drôtu rozsvieti a zhasne, zatiaľ čo vzduch v blízkosti drôtu sa ohrieva - ochladzuje, expanduje - sťahuje a takto zvuková vlna vo vzduchu, ktorý naše ucho vníma ako bzučanie drôtu.
Žily vibrujú
Existuje aj táto myšlienka. Hluk pochádza zo skutočnosti, že pri striedavom prúde s frekvenciou 50 Hz vzniká striedavé magnetické pole, ktoré núti jednotlivé jadrá drôtu (najmä oceľové - v drôtoch typu AC-75, 120, 240) vibrujú, zdá sa, že do seba narážajú a počujeme charakteristický hluk.
Okrem toho sú vodiče rôznych fáz umiestnené vedľa seba, ich prúdy sú vo vzájomných magnetických poliach a podľa Ampérovho zákona na ne pôsobia sily. Keďže frekvencia zmien poľa je 100 Hz, drôty vibrujú navzájom vo svojich magnetických poliach od ampérových síl pri tejto frekvencii a my to počujeme.
Mechanická rezonancia systému
A takáto hypotéza sa tu a tam nájde. Na podložku sa prenášajú kmity s frekvenciou 50 alebo 100 Hz a za určitých podmienok začne podložka, ktorá vstupuje do rezonancie, vydávať zvuk. Na objem a rezonančnú frekvenciu má vplyv hustota nosného materiálu, priemer podpery, výška podpery, dĺžka drôtu v rozpätí, ako aj jeho prierez a ťahová sila. Ak dôjde k rezonančnému zásahu, je počuť šum. Ak nie je žiadna rezonancia, nie je počuť žiadny hluk alebo je tichšia.
Vibrácie v magnetickom poli Zeme
Uvažujme o ďalšej hypotéze. Drôty kmitajú s frekvenciou 100 Hz, čo znamená, že na ne neustále pôsobí premenlivá priečna sila spojená s prúdom vo vodičoch, s jeho veľkosťou a smerom. Kde je vonkajšie magnetické pole? Hypoteticky to môže byť magnetické pole, ktoré je vždy pod nohami, ktoré orientuje strelku kompasu, -.
Prúdy vo vodičoch vysokonapäťových elektrických vedení skutočne dosahujú amplitúdu niekoľko stoviek ampérov, pričom dĺžka vodičov je značná a magnetické pole našej planéty, hoci je relatívne malé (jeho indukcia v strednom Rusku je len asi 50 μT), napriek tomu pôsobí všade okolo planéty a všade má nielen horizontálnu, ale aj vertikálnu zložku, ktorá sa kolmo kríži ako drôty siločiar položených pozdĺž siločiar. magnetické pole Zem a tie drôty, ktoré sú orientované cez ne alebo vo všeobecnosti v akomkoľvek inom uhle.
Na pochopenie procesu môže každý vykonať taký jednoduchý experiment: vezmite si autobatériu a ohybný akustický drôt s prierezom 25 mm2, dlhým aspoň 2 metre. Na chvíľu ho pripevnite na svorky batérie. Drôt preskočí! Čo je to, ak nie impulz ampérovej sily pôsobiaci na drôt s prúdom v magnetickom poli Zeme? Pokiaľ drôt nepreskočil vo vlastnom magnetickom poli...
Podperu vedenia na prenos energie si najčastejšie predstavujeme vo forme priehradovej konštrukcie. Asi pred 30 rokmi to bola jediná možnosť a dnes sa v nich pokračuje. Na stavbu sa privezie sada kovových rohov a z týchto typických prvkov sa krok za krokom priskrutkuje podpera. Potom dorazí žeriav a postaví konštrukciu do vzpriamenej polohy. Takýto proces trvá pomerne veľa času, čo ovplyvňuje načasovanie kladenia čiar a samotné podpery s nudnými mriežkovými siluetami sú veľmi krátkodobé. Dôvodom je slabá ochrana proti korózii. Technologickú nedokonalosť takejto podpery dopĺňa jednoduchý betónový základ. Ak sa to robí v zlej viere, napríklad pomocou malty nedostatočnej kvality, potom po určitom čase betón praskne, do trhlín sa dostane voda. Niekoľko cyklov zmrazovania a rozmrazovania a základ je potrebné prerobiť alebo vážne opraviť.
Rúry namiesto rohov
Opýtali sme sa zástupcov Rosseti PJSC, aký druh alternatívy nahrádza tradičné podpery zo železných kovov. „V našej spoločnosti, ktorá je najväčším prevádzkovateľom elektrickej siete v Rusku,“ hovorí špecialista z tejto organizácie, „sme sa dlho snažili nájsť riešenie problémov spojených s priehradovými podperami a koncom 90. rokov sme začali prechádzať na fazetové podpery. Sú to valcové regály vyrobené z ohýbaného profilu, vlastne rúr, v priereze v tvare mnohostena. Okrem toho sme začali uplatňovať nové metódy antikoróznej ochrany, hlavne žiarové zinkovanie. Ide o elektrochemický spôsob nanášania ochranného náteru na kov. V agresívnom prostredí sa zinková vrstva stenčuje, no nosná časť podpery zostáva nedotknutá.“
Okrem väčšej odolnosti sa nové podpery aj jednoducho inštalujú. Nie je potrebné skrutkovať žiadne ďalšie rohy: rúrkové prvky budúcej podpery sa jednoducho vložia do seba, potom sa spojenie zafixuje. Takúto konštrukciu je možné namontovať osem až desaťkrát rýchlejšie ako mriežkovú. Zodpovedajúcimi premenami prešli aj základy. Namiesto bežného betónu sa začali používať takzvané škrupinové pilóty. Konštrukcia sa spustí do zeme, pripevní sa na ňu protipríruba a na ňu je už umiestnená samotná podpera. Predpokladaná životnosť takýchto podpier je až 70 rokov, teda približne dvojnásobná ako u priehradových.
Väčšinou si takto predstavujeme podpery elektrických nadzemných vedení. Klasická priehradová konštrukcia však postupne ustupuje pokročilejším možnostiam – mnohostranným podperám a podperám z kompozitných materiálov.
Prečo bzučia drôty
A drôty? Visia vysoko nad zemou a z diaľky vyzerajú ako hrubé monolitické káble. V skutočnosti sú vysokonapäťové drôty vyrobené z drôtu. Bežný a široko používaný drôt má oceľové jadro, ktoré poskytuje konštrukčnú pevnosť a je obklopené hliníkovým drôtom, takzvanými vonkajšími vrstvami, cez ktoré sa prenáša prúdové zaťaženie. Mazivo sa ukladá medzi oceľ a hliník. Je potrebný na zníženie trenia medzi oceľou a hliníkom - materiálmi, ktoré majú rôzne koeficienty tepelnej rozťažnosti. Ale keďže hliníkový drôt má kruhový prierez, závity k sebe tesne nepriliehajú, povrch drôtu má výrazný reliéf. Tento nedostatok má dva dôsledky. Po prvé, vlhkosť preniká do medzier medzi závitmi a vyplavuje mazivo. Zvyšuje sa trenie a vytvárajú sa podmienky pre koróziu. V dôsledku toho životnosť takéhoto drôtu nie je dlhšia ako 12 rokov. Na predĺženie životnosti sa niekedy na drôt nasadzujú opravné manžety, čo môže tiež spôsobiť problémy (viac o tom nižšie). Okrem toho tento dizajn drôtu prispieva k vytvoreniu dobre definovaného bzučania v blízkosti trolejového vedenia. Vzniká tak, že pri striedavom napätí 50 Hz vzniká striedavé magnetické pole, ktoré spôsobí rozkmitanie jednotlivých prameňov v drôte, čím dôjde k ich vzájomnej zrážke a počujeme charakteristický bzukot. V krajinách EÚ sa takýto hluk považuje za akustické znečistenie a bojuje sa proti nemu. Teraz sa s nami začal takýto boj.
„Teraz chceme nahradiť staré drôty drôtmi nového dizajnu, ktorý vyvíjame,“ hovorí zástupca PJSC Rosseti. - Sú to tiež oceľovo-hliníkové drôty, ale tam sa používa drôt nie s kruhovým prierezom, ale skôr s lichobežníkovým. Skrútenie sa ukáže ako husté a povrch drôtu je hladký, bez trhlín. Vlhkosť sa dovnútra takmer nedostane, mazivo sa nevymyje, jadro nehrdzavie a životnosť takéhoto drôtu sa blíži k tridsiatim rokom. Drôty podobného dizajnu sa už používajú v krajinách ako Fínsko a Rakúsko. Linky s novými drôtmi sú aj v Rusku - v regióne Kaluga. Ide o linku Orbit-Sputnik v dĺžke 37 km. Navyše tam majú drôty nielen hladký povrch, ale aj iné jadro. Nie je vyrobený z ocele, ale zo sklolaminátu. Takýto drôt je ľahší, ale ťažší ako obyčajná oceľ-hliník.
Za najnovší dizajnový počin v tejto oblasti však možno považovať drôt vytvorený americkým koncernom 3M. V týchto drôtoch je nosnosť zabezpečená len vodivými vrstvami. Neexistuje žiadne jadro, ale samotné vrstvy sú vystužené oxidom hlinitým, čím sa dosahuje vysoká pevnosť. Tento drôt má výbornú nosnosť a so štandardnými podperami vďaka svojej pevnosti a nízkej hmotnosti znesie rozpätia až do dĺžky 700 m (štandardne 250-300 m). Okrem toho je drôt veľmi odolný voči tepelnému zaťaženiu, vďaka čomu je vhodný pre južné štáty USA a napríklad aj v Taliansku. Drôt od 3M má však jednu významnú nevýhodu – príliš vysoká cena.
Pôvodné "dizajnérske" podpery slúžia ako nepochybná dekorácia krajiny, ale je nepravdepodobné, že budú široko používané. Prioritou pre energetické spoločnosti je spoľahlivosť prenosu energie a nie drahé „sochy“.
Ľad a struny
Nadzemné elektrické vedenia majú svojich prirodzených nepriateľov. Jedným z nich je námraza drôtov. Táto katastrofa je typická najmä pre južné oblasti Ruska. Pri teplotách okolo nuly padajú kvapky mrholenia na drôt a zamŕzajú na ňom. Na vrchnej časti drôtu je vytvorený kryštálový uzáver. Ale toto je len začiatok. Klobúk pod svojou váhou postupne obracia drôt a vystavuje druhú stranu mrazivej vlhkosti. Skôr či neskôr sa okolo drôtu vytvorí ľadová manžeta a ak hmotnosť manžety presiahne 200 kg na meter, drôt sa pretrhne a niekto zostane bez svetla. Rosseti má svoje vlastné know-how, ako sa vysporiadať s ľadom. Sekcia vedenia s namrznutými vodičmi je odpojená od vedenia, ale je napojená na zdroj jednosmerného prúdu. Pri použití jednosmerného prúdu možno ohmický odpor drôtu prakticky ignorovať a prechádzať prúdy, povedzme, dvakrát tak silné ako vypočítaná hodnota pre striedavý prúd. Drôt sa zahrieva a ľad sa topí. Drôty zhadzujú nepotrebný náklad. Ak sú však na drôtoch opravné objímky, vzniká dodatočný odpor a drôt môže vyhorieť.
Ďalším nepriateľom sú vysoko a nízkofrekvenčné vibrácie. Natiahnutý drôt trolejového vedenia je struna, ktorá pod vplyvom vetra začne vibrovať vysokou frekvenciou. Ak sa táto frekvencia zhoduje s prirodzenou frekvenciou vodiča a amplitúdy sa zhodujú, vodič sa môže zlomiť. Na zvládnutie tohto problému sú na linkách inštalované špeciálne zariadenia - tlmiče vibrácií, ktoré vyzerajú ako kábel s dvoma závažiami. Táto konštrukcia, ktorá má vlastnú frekvenciu kmitov, rozlaďuje amplitúdy a tlmí vibrácie.
Takýto škodlivý účinok ako "tanec drôtov" je spojený s nízkofrekvenčnými vibráciami. Keď dôjde k prerušeniu vedenia (napríklad v dôsledku tvorby ľadu), dôjde k vibráciám drôtov, ktoré idú ďalej vo vlne cez niekoľko rozpätí. Výsledkom je, že päť až sedem podpier, ktoré tvoria rozpätie kotvy (vzdialenosť medzi dvoma podperami s pevným drôteným upevnením), sa môže ohnúť alebo dokonca spadnúť. Známym prostriedkom boja proti "tancu" je zriadenie medzifázových rozpier medzi susednými drôtmi. Ak je tam rozpera, drôty vzájomne tlmia ich vibrácie. Ďalšou možnosťou je použiť na linke podpery vyrobené z kompozitných materiálov, najmä zo sklenených vlákien. Na rozdiel od kovových podpier, kompozitný má vlastnosť elastickej deformácie a ľahko „prehrá“ vibrácie drôtov ohnutím a následným obnovením vertikálnej polohy. Takáto podpera môže zabrániť kaskádovitému pádu celého úseku vedenia.
Fotografia jasne ukazuje rozdiel medzi tradičným vysokonapäťovým drôtom a novým dizajnovým drôtom. Namiesto okrúhleho drôtu bol použitý vopred zdeformovaný drôt a miesto oceľového jadra bolo použité kompozitné jadro.
Jedinečné podpery
Samozrejme, existujú najrôznejšie jedinečné prípady spojené s položením nadzemných vedení. Napríklad pri inštalácii podpier v zaplavenej pôde alebo v podmienkach permafrostu nebudú bežné pilotové škrupiny pre základy fungovať. Potom sa používajú skrutkové pilóty, ktoré sa zaskrutkujú do zeme ako skrutka, aby sa dosiahol čo najpevnejší základ. Špeciálnym prípadom je prechod elektrického vedenia širokých vodných prekážok. Používajú špeciálne výškové podpery, ktoré vážia desaťkrát viac ako zvyčajne a majú výšku 250-270 m. Keďže rozpätie môže byť aj viac ako dva kilometre, používa sa špeciálny drôt so zosilneným jadrom, ktorý je navyše podopretý záťažový kábel. Takto je riešený napríklad prechod elektrického vedenia cez Kamu s rozpätím 2250 m.
Samostatnú skupinu podpier predstavujú konštrukcie určené nielen na uchytenie drôtov, ale aj na nosenie určitej estetickej hodnoty, napríklad podpery sôch. V roku 2006 iniciovala spoločnosť Rosseti projekt vývoja stožiarov s originálnym dizajnom. boli zaujímavá práca, no ich autori, projektanti, často nevedeli oceniť možnosť a vyrobiteľnosť inžinierskej realizácie týchto návrhov. Vo všeobecnosti treba povedať, že stožiare, do ktorých je investovaný umelecký koncept, ako sú napríklad stĺpové figúrky v Soči, sa zvyčajne inštalujú nie z iniciatívy sieťových spoločností, ale na objednávku niektorých komerčných tretích strán. alebo vládne organizácie. Napríklad v USA je populárna podpora v podobe písmena M, štylizovaného ako logo siete rýchleho občerstvenia McDonald's.
Večerný vietor tam dýcha chladom a šumí v lístí A kolíše konáre A bozkáva harfu... Ale harfa mlčí... ................... ...... ............ A zrazu... z ticha pretrvávajúca zamyslená zvonivá ruža.
V. Žukovského. "Liparská harfa"
Už starí Gréci si všimli, že struna natiahnutá vo vetre začína niekedy znieť melodicky – spievať. Možno už vtedy bola známa Liparská harfa, pomenovaná podľa boha vetra Eola. Liparská harfa pozostáva z rámu, na ktorom je napnutých niekoľko strún; umiestňuje sa na miesto, kde sú struny prefukované vetrom. Aj keď sa obmedzíte na jednu strunu, môžete získať množstvo rôznych tónov. Niečo podobné, ale s oveľa menšou rozmanitosťou tónov, nastáva, keď vietor uvedie do pohybu telegrafné drôty.
Pomerne dlho nebol tento jav a mnohé ďalšie spojené s prúdením vzduchu a vody okolo tiel vysvetlené. Až Newton, zakladateľ modernej mechaniky, poskytol prvý vedecký prístup k riešeniu takýchto problémov.
Podľa zákona odporu voči pohybu telies v kvapaline alebo plyne, ktorý objavil Newton, je odporová sila úmerná štvorcu rýchlosti:
F = Kρv 2 S.
Tu v je rýchlosť telesa, S je plocha jeho prierezu kolmá na smer rýchlosti, ρ je hustota kvapaliny.
Neskôr sa ukázalo, že Newtonov vzorec nie je vždy pravdivý. Keď je rýchlosť tela malá v porovnaní s rýchlosťou tepelný pohyb molekuly, Newtonov zákon odporu už neplatí.
Ako sme už diskutovali v predchádzajúcich častiach, pri dostatočne pomalom pohybe telesa je odporová sila úmerná jeho rýchlosti (Stokesov zákon), a nie jeho druhej mocnine, ako sa to stáva pri rýchlom pohybe. Takáto situácia nastáva napríklad pri pohybe malých dažďových kvapiek v oblaku, pri usadzovaní sedimentu v pohári, pri pohybe kvapiek látky A v „Čarovnej lampe“. Avšak v moderná technológia pri jeho vysokých rýchlostiach zvyčajne platí Newtonov zákon odporu.
Zdalo by sa, že keďže sú známe zákony odporu, dá sa vysvetliť bzučanie drôtov alebo spev liparskej harfy. Ale nie je. Koniec koncov, ak by sila odporu bola konštantná (alebo rástla so zvyšujúcou sa rýchlosťou), vietor by jednoducho potiahol strunu a nevzbudil by jej zvuk.
Čo sa deje? Na vysvetlenie zvuku struny sa ukazuje, že jednoduché predstavy o sile odporu, ktoré sme práve analyzovali, nestačia. Rozoberme si podrobnejšie niektoré typy prúdenia tekutiny okolo stacionárneho telesa (je to pohodlnejšie ako uvažovať o pohybe telesa v stacionárnej tekutine a odpoveď bude, samozrejme, rovnaká).
Pozrite sa na obr. 1. Ide o prípad nízkej rýchlosti tekutiny Prúdy tekutiny obchádzajú valec (obrázok znázorňuje rez) a plynule pokračujú za ním. Takýto tok sa nazýva laminárne. Odporová sila v tomto prípade vďačí za svoj pôvod vnútornému treniu v kvapaline (viskozita) a je úmerná v. Rýchlosť tekutiny na akomkoľvek mieste, ako aj odporová sila nezávisia od času (prietok stacionárne). Tento prípad nás nezaujíma.
Ale pozrite sa na obr. 2. Prietok sa zvýšil a v oblasti za valcom sa objavili víry kvapaliny - víry. Trenie v tomto prípade už úplne neurčuje povahu procesu. Čoraz dôležitejšiu úlohu začínajú hrať zmeny hybnosti, ktoré sa nevyskytujú v mikroskopickom meradle, ale v meradle porovnateľnom s veľkosťou tela. Odporová sila sa stáva úmernou v 2 .
A nakoniec na obr. 3 sa rýchlosť prúdenia ešte zvýšila a víry sa zoradili do pravidelných reťazcov. Tu je kľúč k vysvetleniu hádanky! Tieto reťazce vírov, periodicky unikajúce z povrchu struny, vyburcujú jej zvuk, rovnako ako struny gitary sú prinútené zaznieť periodickými dotykmi prstov hudobníka.
Fenomén správneho usporiadania vírov za prúdnicovým telesom prvýkrát experimentálne skúmal nemecký fyzik Benard na začiatku nášho storočia. Ale iba vďaka dielam Karmana, ktoré čoskoro nasledovali, dostal tento trend, ktorý sa spočiatku zdal veľmi zvláštny, vysvetlenie. Podľa mena tohto vedca sa systém periodických vírov teraz nazýva Karmanova cesta.
Ako sa rýchlosť ďalej zvyšuje, víry majú čoraz menej času na rozšírenie veľká plocha kvapaliny. Vírivá zóna sa zužuje, víry sa miešajú a prúdenie sa stáva chaotickým a nepravidelným ( turbulentný). Je pravda, že pri veľmi vysokých rýchlostiach nedávne experimenty odhalili výskyt nejakej novej periodicity, ale jej detaily stále nie sú jasné.
Môže sa zdať, že Karmanova vírová ulica je spravodlivá krásny fenomén charakteru, bez praktického významu. Ale nie je. Drôty prenosových vedení tiež oscilujú pôsobením vetra fúkajúceho konštantnou rýchlosťou v dôsledku uvoľňovania vírov. V miestach, kde sú drôty pripevnené k podperám, vznikajú značné sily, ktoré môžu viesť k zničeniu. Vysoké komíny sa kývajú pod vplyvom vetra.
Najväčšiu známosť si však určite získali výkyvy mosta Tacoma Bridge v Amerike. Tento most stál len niekoľko mesiacov a zrútil sa 7. novembra 1940. Na obr. 4 pohľad na mostík počas kmitania. Víchrice sa odtrhli od nosnej konštrukcie vozovky mosta. Po zdĺhavom výskume most opäť postavili, len plochy nafúkané vetrom mali iný tvar. Tým bola odstránená príčina vibrácií mosta.
