多分裂導(dǎo)線阻力系數(shù)的變化規(guī)律研究論文
本文針對我國GB/T1179—2008《圓線同心絞架空導(dǎo)線》[17]中的典型大截面導(dǎo)線，設(shè)計制作了4、6、8分裂模型導(dǎo)線和真型導(dǎo)線，通過導(dǎo)線在風(fēng)洞中水平布置的方式，測量了不同風(fēng)速、紊流度和迎風(fēng)角度時的導(dǎo)線整體阻力系數(shù)。通過對比不同分裂數(shù)和不同直徑的多分裂導(dǎo)線的整體阻力系數(shù)的大小，揭示多分裂導(dǎo)線整體阻力系數(shù)的變化規(guī)律。
多分裂導(dǎo)線風(fēng)洞實驗設(shè)計
1模型導(dǎo)線設(shè)計與真實導(dǎo)線。本次試驗所用的模型為剛體模型，模擬我國目前輸電導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)GB/T1179—2008《圓線同心絞架空導(dǎo)線》中比較典型的幾種導(dǎo)線規(guī)格，型號分別為JL/G1A-400/50、JL/G1A-630/45和JL/G1A-900/40。試驗剛體模型制作比例為1:1，綜合考慮長徑比與風(fēng)洞尺寸的限制，長度取為1.5m。模型采用鋁管核心外纏繞橡膠線制作，以保證模型彎曲剛度并模擬實際導(dǎo)線外形。3種模型導(dǎo)線的加工截面如圖1所示，其中，d表示用于模擬實際導(dǎo)線最外圍的單根鋁線的橡膠線的直徑，D表示模型導(dǎo)線的外徑，單位均為mm。本試驗同時加工制作了真實導(dǎo)線并進(jìn)行了相應(yīng)的風(fēng)洞試驗，試驗的所有工況與模型導(dǎo)線相同。
2端板、豎向支架及分離板設(shè)計。本次試驗涉及的多分裂導(dǎo)線的具體分裂數(shù)目為4、6、8分裂，其分裂間距分別為450、400、400mm。為了模擬分裂導(dǎo)線在實際工程中水平布置的方式，同時為了方便在風(fēng)洞中安裝導(dǎo)線，設(shè)計制作了端板以及豎向支架。端板用鋁板制作，并進(jìn)行內(nèi)部鏤空與周邊倒角處理，保證剛度的同時減小端板對風(fēng)場的干擾以及端板橫風(fēng)向振動的影響。端板上分裂導(dǎo)線布設(shè)位置分別留孔，以便安裝導(dǎo)線。導(dǎo)線與端板之間通過卡扣連接。采用2根外徑121mm的圓鋼柱作為端板與導(dǎo)線組合體的豎向支架。在2個支架的端部安裝高頻天平，連接測試端板。為了減小鋼柱對測試段流場的影響，采用豎向分離板將測試段與豎向支架分隔。
3旋轉(zhuǎn)連接件。為了實現(xiàn)多分裂導(dǎo)線在風(fēng)洞內(nèi)的整體轉(zhuǎn)動，以研究多分裂導(dǎo)線阻力系數(shù)隨迎風(fēng)角度的變化，設(shè)計制作了安裝于端板與天平之間的旋轉(zhuǎn)連接件。通過旋轉(zhuǎn)連接件上的刻度控制旋轉(zhuǎn)角度。本次試驗各分裂導(dǎo)線的初始安裝位置(0位置)及試驗風(fēng)攻角如圖2所示。試驗?zāi)Ｐ妥罱K組裝完成后的效果見圖3。
4紊流風(fēng)場模擬。本試驗在同濟大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室TJ-2風(fēng)洞進(jìn)行。通過在模型前安裝格柵，并調(diào)節(jié)格柵，得到合適的紊流場。格柵的布置如圖4所示。圖5給出了實測風(fēng)速均值U為23.52m/s時，湍流強度Iu(風(fēng)速波動的標(biāo)準(zhǔn)差與平均風(fēng)速的比值)隨測點距風(fēng)洞地面高度H變化的實測值。模型在風(fēng)洞中所處高度為0.6~1.6m，由圖5可知，此高度范圍內(nèi)湍流強度剖面非常穩(wěn)定。在整個試驗風(fēng)速范圍內(nèi)，湍流強度保持在7%~8.5%。
風(fēng)洞試驗結(jié)果與分析
1模型導(dǎo)線與真型導(dǎo)線的試驗結(jié)果對比。由于本次試驗的工況較多，考慮到文章篇幅的限制，以下僅示出一些具有代表性的工況的結(jié)果，所顯示的規(guī)律對于全部的試驗工況具有一般性。本次試驗在進(jìn)行模型導(dǎo)線試驗的同時，還進(jìn)行了真型導(dǎo)線的試驗。一方面可以通過對比驗證本次實驗的精度，另一方面也可以研究兩者之間產(chǎn)生誤差的原因。8分裂和6分裂真型導(dǎo)線與模型導(dǎo)線阻力系數(shù)的試驗結(jié)果分別如圖6、7所示。由圖6、7可知，在均勻流場和紊流場中，隨著風(fēng)速的增加，阻力系數(shù)先降低，然后上升，存在一個極小值，并且在紊流場中，阻力系數(shù)極小值對應(yīng)的風(fēng)速要小于在均勻流場中的風(fēng)速，說明在紊流場中導(dǎo)線由臨界區(qū)轉(zhuǎn)移到超臨界區(qū)的臨界風(fēng)速小于均勻流場中的臨界風(fēng)速，這與已有的試驗結(jié)果與理論結(jié)果吻合[16]，同時驗證了試驗的精度。隨著風(fēng)速的增加，均勻流場中的阻力系數(shù)最終趨于穩(wěn)定。但是由于風(fēng)洞性能的限制，在紊流場中難以達(dá)到均勻流場中的高風(fēng)速，紊流場中的阻力系數(shù)沒有達(dá)到穩(wěn)定。由于紊流場中氣流在導(dǎo)線表面的分離位置推后，引起導(dǎo)線負(fù)壓區(qū)減小。因此，紊流場中的阻力系數(shù)最終的穩(wěn)定值將小于均勻流場中的阻力系數(shù)穩(wěn)定值。真型導(dǎo)線的阻力系數(shù)要略大于模型導(dǎo)線的阻力系數(shù)，主要原因在于真型導(dǎo)線彎曲剛度較小，安裝完成后出現(xiàn)彎曲，并且在試驗的過程中隨著風(fēng)速的增大彎曲程度增大，使得前后導(dǎo)線的軸線高度不能完全重合，從而降低了導(dǎo)線之間的屏蔽干擾效應(yīng)，使得其阻力略大。其次，模型導(dǎo)線外圍纏繞的用于模擬真型導(dǎo)線外形的橡膠線與空氣的摩擦系數(shù)與真型導(dǎo)線的鋁線與空氣的摩擦系數(shù)存在差異，也是引起真型導(dǎo)線與模型導(dǎo)線阻力系數(shù)不同的一個因素。表1示出了在均勻流場中高風(fēng)速下真型導(dǎo)線與模型導(dǎo)線穩(wěn)定后的整體阻力系數(shù)(Cdreal、Cdmodel)及其之間的差值，以模型導(dǎo)線為基準(zhǔn)。由表1可以看出，所選工況中，真型導(dǎo)線與模型導(dǎo)線阻力系數(shù)相差最大為6.1%，最小的為2.4%，絕大多數(shù)工況相差在5%以下，這表明真型導(dǎo)線與模型導(dǎo)線阻力系數(shù)在高風(fēng)速區(qū)差別不大。由于模型導(dǎo)線在測試中不變形，測試精度更好，因此下文選用模型導(dǎo)線的試驗結(jié)果進(jìn)行分析。
2整體阻力系數(shù)隨迎風(fēng)角度的變化。綜合考慮導(dǎo)線的分裂數(shù)以及直徑，選取幾個具有代表性的試驗工況比較阻力系數(shù)隨迎風(fēng)角的變化情況，試驗結(jié)果見圖8、9。表2給出了在均勻流場中不同風(fēng)攻角下導(dǎo)線穩(wěn)定后的整體阻力系數(shù)的最大值Cdmax、最小值Cdmin及其之間的差值，差值以最小值為基準(zhǔn)。由圖8、9及表2可見，隨著迎風(fēng)角度的變化，多分裂導(dǎo)線的整體阻力系數(shù)產(chǎn)生較大的變化，表2所選工況的阻力系數(shù)最大值與最小值相差均在10%以上，多數(shù)在18%~22%之間。但由圖8、9可見，各角度下出現(xiàn)阻力系數(shù)最小值時候的風(fēng)速基本保持不變，這說明導(dǎo)線迎風(fēng)角度的改變并不影響其臨界風(fēng)速。此外，可以看出，正常施工時候?qū)Ь�安裝的初始位置(對應(yīng)0迎風(fēng)角度)的阻力系數(shù)最小。隨著風(fēng)速的改變，阻力系數(shù)并不存在一個固定的具有最大值的迎風(fēng)角度，但是存在一個總體上阻力系數(shù)較大的迎風(fēng)角度，如8分裂900/40導(dǎo)線13.5的位置等。當(dāng)導(dǎo)線處于這一角度附近時，在同一風(fēng)速下，導(dǎo)線所受的風(fēng)荷載較大，此時結(jié)構(gòu)處于最不利狀態(tài)。因此，比較此最大阻力系數(shù)隨分裂數(shù)和導(dǎo)線直徑的變化更具有工程實際意義。
3導(dǎo)線分裂數(shù)對整體阻力系數(shù)的影響。圖10示出了隨導(dǎo)線分裂數(shù)的不同，整體最大阻力系數(shù)的變化趨勢。由圖10可知，均勻流場中風(fēng)速超過35m/s后，導(dǎo)線位于超臨界區(qū)，最大阻力系數(shù)趨于穩(wěn)定。表3給出了幾個工況均勻流場中最大阻力系數(shù)穩(wěn)定值及其隨分裂數(shù)的變化，差值以同一種導(dǎo)線4分裂最大阻力系數(shù)穩(wěn)定值為基準(zhǔn)(負(fù)數(shù)表示該阻力系數(shù)較基準(zhǔn)值減小)。由圖10及表3可以看出，同一種導(dǎo)線，最大阻力系數(shù)隨分裂數(shù)的增加而減小，并且導(dǎo)線截面越大，減小幅度越大，這是由于隨著分裂數(shù)的增加，使得位于直接迎風(fēng)導(dǎo)線后部的導(dǎo)線受到前部導(dǎo)線尾流的影響增大，即通常所說的多分裂導(dǎo)線的遮擋效應(yīng)。這一現(xiàn)象，對于重新考慮我國正在大規(guī)模建設(shè)的`特高壓大截面、多分裂導(dǎo)線輸電線路的導(dǎo)線風(fēng)荷載取值提供了重要啟示。
4導(dǎo)線直徑對阻力系數(shù)的影響。圖11示出了6、8分裂導(dǎo)線隨導(dǎo)線直徑的變化，最大阻力系數(shù)的變化結(jié)果。由圖11可以看出，同一分裂數(shù)同一種導(dǎo)線，隨著風(fēng)速的增加，進(jìn)入臨界區(qū)后，阻力系數(shù)迅速減小；風(fēng)速繼續(xù)增加，進(jìn)入超臨界區(qū)后，阻力系數(shù)緩慢增加，最終趨于穩(wěn)定，存在一個使得阻力系數(shù)取得最小值的臨界風(fēng)速。在均勻流場和紊流場中，臨界風(fēng)速值隨著導(dǎo)線直徑的增大都有減小的趨勢。表4示出了在均勻流場中各分裂數(shù)導(dǎo)線隨導(dǎo)線直徑的變化，最大整體阻力系數(shù)穩(wěn)定值及其變化，以各分裂導(dǎo)線400/50導(dǎo)線最大阻力系數(shù)穩(wěn)定值為比較基準(zhǔn)(負(fù)號表示該阻力系數(shù)較基準(zhǔn)值減小)。由圖11及表4可見，同一分裂數(shù)，在均勻流場和紊流場中，多分裂導(dǎo)線的整體阻力系數(shù)隨導(dǎo)線直徑的增大而降低。這是因為，隨著導(dǎo)線直徑的增大，直接迎風(fēng)面導(dǎo)線的尾流對后部導(dǎo)線的影響增大，即導(dǎo)線的屏蔽效應(yīng)增大，使得多分裂導(dǎo)線的整體阻力系數(shù)減小。由表4同時也可以看出隨著分裂數(shù)的增加，屏蔽效應(yīng)更加明顯。
5阻力系數(shù)試驗值與規(guī)范值的比較。我國《重覆冰架空輸電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程》[1]、《110~750kV架空輸電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)范》[3]和《1000kV架空輸輸電線路設(shè)計規(guī)范》[18]規(guī)定：導(dǎo)線或地線的阻力系數(shù)Cd，當(dāng)線徑小于17mm或覆冰時(不論線徑大小)應(yīng)取1.2；線徑大于或等于17mm時，取1.1。ASCE[4]與IEC[8]規(guī)定，導(dǎo)線的阻力系數(shù)統(tǒng)一取1.0，但是有直接測量結(jié)果或者是有風(fēng)洞試驗結(jié)果的可按照測量或者試驗結(jié)果取值。本次試驗的3種型號導(dǎo)線直徑均大于17mm，根據(jù)我國現(xiàn)行規(guī)范，在不覆冰情況下單根導(dǎo)線的阻力系數(shù)為1.1，計算分裂導(dǎo)線整體阻力時應(yīng)在1.1的基礎(chǔ)上依次乘以導(dǎo)線分裂數(shù)目、單根導(dǎo)線的迎風(fēng)面積和基本風(fēng)壓，因此對應(yīng)于本試驗對多分裂導(dǎo)線整體阻力系數(shù)的定義，規(guī)范值取1.1。但由圖8—11可以看出，各工況下多分裂導(dǎo)線的整體阻力系數(shù)在均勻流場中的設(shè)計風(fēng)速以及更高風(fēng)速中(風(fēng)速大于等于27m/s)均在1.0以下，如900/406分裂導(dǎo)線最大阻力系數(shù)在風(fēng)速超過35m/s時穩(wěn)定在0.92。此外，由圖8—11還可以看出，在更多分裂數(shù)、更大導(dǎo)線截面的特高壓輸電線路中，最大阻力系數(shù)的降低更為明顯，8分裂900/40導(dǎo)線在均勻流場中最大阻力系數(shù)的穩(wěn)定值降到了0.9，較規(guī)范值降低幅度達(dá)到18.2%。因此，現(xiàn)行規(guī)范對于多分裂導(dǎo)線阻力系數(shù)的統(tǒng)一取值偏于保守，尤其是對于目前建設(shè)的特高壓8分裂導(dǎo)線輸電線路中，建議特高壓多分裂導(dǎo)線的阻力系數(shù)取值考慮導(dǎo)線間遮擋效應(yīng)的影響，使計算結(jié)果更加合理化。
結(jié)論
本文通過對3種型號的4、6、8分裂導(dǎo)線的風(fēng)洞試驗研究，從模型導(dǎo)線和真型導(dǎo)線的區(qū)別、湍流強度、迎風(fēng)角度、導(dǎo)線分裂數(shù)目和導(dǎo)線截面等多方面對多分裂導(dǎo)線阻力系數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究。本文的主要結(jié)論如下：1）隨著迎風(fēng)角度的變化，多分裂導(dǎo)線的整體阻力系數(shù)產(chǎn)生較大的變化，存在一個總體上阻力系數(shù)最大的迎風(fēng)角度。正常施工時候?qū)Ь�安裝的初始位置(對應(yīng)0迎風(fēng)角度)的阻力系數(shù)最小。2）同一種導(dǎo)線，均勻流場中最大阻力系數(shù)隨分裂數(shù)的增加而減小。3）同一分裂數(shù)，在均勻流場和紊流場中，多分裂導(dǎo)線的整體阻力系數(shù)隨導(dǎo)線截面的增大而降低。4）現(xiàn)行規(guī)范對多分裂導(dǎo)線的阻力系數(shù)的取值略顯保守。對于大截面多分裂導(dǎo)線，特別是特高壓的八分裂導(dǎo)線阻力系數(shù)的取值，可以考慮導(dǎo)線之間的遮擋效應(yīng)造成的阻力系數(shù)的減小這一有利因素。建議對于目前特高壓線路中使用的八分裂900/40導(dǎo)線整體阻力系數(shù)取0.9。
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