נושא : מפחית רעידות בקווי מתח חשמלי (Stockbridge damper)

בס"ד ‏יום שני 10 פברואר 2025

הקדמה

קווי הולכה עיליים נחשפים לתנועת רוחות חזקות ומערבולות אוויר הגורמות להם לרטוט בתדרים שונים עם הזמן , הרטיטות הללו בסופו של דבר מובילות לעייפות החומר, לסדקים ושבירה של הכבל במקומות שונים דבר זה יגרום בסופו של דבר לכשל מכאני, בדרך כלל במבודדים או במהדקי התליה של הכבל בו מתרחשים הכוחות המשמעותיים ביותר של קווי החשמל , וכצפויי תופעה זו מובילה להפסקת חשמל. ישנן שלוש תנודות מכניות הנגרמות על ידי משבי אוויר והם:

1. רטט אאולי (Aeolian Vibration)- נגרם על ידי משבי רוח נמוכים עד בינוניים היוצרים מערבולות סביב הכבל, מה שגורם לו לרטוט בתדר גבוה אך בעוצמה נמוכה. רטט זה עלול לגרום לעייפות החומר ולבלאי ממושך.
2. דילוגים (Galloping) – רטט בתדר נמוך אך בעוצמה גבוהה יותר, הנגרם כתוצאה מחוסר סימטריה בפרופיל הכבל (למשל, הצטברות קרח לא אחידה אצלנו בבית שאן זו תופעה נפוצה פעם ב 50 שנה יש לנו פתית אחד של שלג שמתאדה באוויר). תנועה זו מסוכנת במיוחד ועלולה לגרום לכבלים להתנגש או להיקרע.
3. תנודות מושרות מערבולות (Wake-Induced Oscillation) – מתרחשות כאשר שני כבלים או יותר תלויים במקביל, והמערבולות שיוצר כבל אחד גורמות לכבל הסמוך להתחיל לרטוט. תופעה זו נצפית לעיתים קרובות בקווי מתח גבוה עם כבלים קרובים.
את נושא זה באה לפתור המצאתו של גורג ה. סטוקברידג' ועליה נדבר היום

תמונה מספר 1 : התמונה צולמה ליד היישוב גדעונה , התקנה של מפחית רעידות על כבל מתח עליון.

מבנה מפחית הרעידות סטוקברידג'

המבנה אומנם פשוט מאוד אך יעיל ביותר לפתרון בעיית הרעידות והוא מורכב ממספר רכיבים עיקריים:

1. משקולות קצה

שני גופים מסיביים העשויים לרוב ממתכת או חומר כבד אחר. משקולות אלו ממוקמות בקצותיו של המתקן ומשמשות להגדלת האינרציה ולספיגת האנרגיה הקינטית מהרטט.

2. כבל גמיש או מוט מתכת

מחבר בין שתי המשקולות. גמישותו מאפשרת לו לפעול כמערכת קפיץ-מסה, המאפשרת קליטת אנרגיה ותנועת התנודות.

3. אזור חיכוך פנימי

המוט המרכזי מכיל בדרך כלל אלמנטים רכים או אזורים המייצרים חיכוך פנימי, המסייעים להמיר את האנרגיה הקינטית של הרטט לחום, ובכך להפחית את עוצמת הרעידות.

כאשר הרוח גורמת לכבל החשמל לרטוט, האנרגיה מועברת אל מפחית הרעידות סטוקברידג' אשר מתחיל להתנודד בתגובה. תנועתו של מפחית הרעידות מפזרת את האנרגיה על פני טווח רחב יותר ומפחיתה את ההשפעה של התנודות על הכבל עצמו. המבנה המדויק של מפחית הרעידות יכול להשתנות בהתאם לדרישות ולתנאי השטח, אך העיקרון הבסיסי נשאר זהה – הפחתת רטט באמצעות המרת אנרגיה קינטית לחום.

תמונה מספר 2 : מבנה מפחית רעידות סטוקברידג'

מקומות שבהם נראה יישום של מפחיתי רעידות

1. קווי מתח גבוה – הכבלים החשמליים הרגישים לרעידות מרוח והפרעות סביבתיות.
2. גשרים תלויים – בהם כבלים תלויים יכולים להיות מושפעים מרוחות חזקות ולסבול מתנודות מסוכנות.
3. עמודי תקשורת – בהם חוטים וכבלים דקים זקוקים להגנה מפני רעידות שעלולות לשבור אותם לאורך זמן.
4. מערכות תאורה חיצוניות – שם כבלים וגופי תאורה מושפעים מתנודות חזקות בעקבות מזג אוויר קיצוני.

סוגים של שונים של מפחיתי רעידות

1. מפחית רעידות מסוג סטוקברידג' (Stockbridge Damper) – בנוי ממשקולות המחוברות למוט מתכתי גמיש, אשר מאפשר לו לבלום רטטים בתדרים שונים.
2. מפחית רעידות ספיראלי() – צורתו הספירלית משמשת להפחתת רעידות בתדירויות גבוהות.
3. מנחת רעידות משקולת מכוונת(Tuned Mass Damper) – מיועד לשיכוך רעידות במבנים הנדסיים ובקווי מתח גבוה בעלי תנודות משמעותיות.

תמונה מספר 3 : מפחית רעידות ספיראלי.

תמונה מספר 4 : מפחית רעידות ספיראלי צולם על כבלי מתח גבוה (צילום צמוד למועצה אזורית בית שאן).

מפחית רעידות מסוג הפרדה (Spacer Damper)

הוא התקן ייחודי המשמש בקווי מתח גבוה שבהם נעשה שימוש במספר של מוליכים לאותה פאזה לדוגמה כמו ברשת 400kV , מטרתו העיקרית היא לשמור על המרחק בין המוליכים כדי למנוע מגע ביניהם לייצר חוזק מכני מוגבר של הכבלים באמצעות שילובם ובכך ולהפחית את הרטיטה של הכבלים.

מבנה המפחית מבוסס על 3 חלקים

1. גוף מרכזי – עשוי מאלומיניום או סגסוגת קלה המספקת יציבות מכנית.
2. זרועות אחיזה – מחברות את המפחית למוליכים ומשמשות גם כבולמי רטט.
3. יחידות שיכוך (Damping Elements) – לרוב עשויות גומי או פולימרים המסייעים בספיגת האנרגיה.

שמירה על מבנה מסודר ומרווח אחיד בין המוליכים תוך הפחתת הרטט.

תמונה מספר 5 : מפחית רעידות מסוג הפרדה.

רעיונות נוספים הפותרים את בעיית הרעידות מבלי להשתמש במנחתי הרעידות השונים

1. שימוש בכבלים עם מבנה מוגבר – כמו כבלים עבים יותר או מחוזקים, אשר יכולים לעמוד בעומסים גבוהים יותר.
2. ציפוי חיצוני אווירודינמי – מפחית את השפעת הרוח על הכבל ומפחית תנודות.
3. מתח מכני מוגבר – חיזוק הכבל ויישורו באופן כזה שיקטין את רגישותו לרעידות הנגרמות מרוח.
4. התקנת בולמי אנרגיה אלטרנטיביים – שימוש בבולמי רטט נוספים בהתאם לסוג הכבל והעומס עליו.

מסקנות

מפחית רעידות הוא התקן הכרחי לשמירה על יציבות קווי מתח גבוה ומבנים הנדסיים רגישים לרעידות. התקנתו מאפשרת הארכת חיי הכבל, שיפור היעילות האנרגטית, וצמצום עלויות תחזוקה. בחירת מפחית הרעידות הנכון תלויה בגורמים רבים, כולל תנאי הסביבה, סוג הכבל והעומסים שהוא חווה. בעזרת פתרונות מתקדמים אלו, ניתן להבטיח פעולה יציבה ואמינה של מערכות חשמליות והנדסיות שונות לאורך שנים רבות.

בהצלחה.