多分裂导线阻力系数的变化规律研究论文
本文针对我国GB/T1179—2008《圆线同心绞架空导线》[17]中的典型大截面导线，设计制作了4、6、8分裂模型导线和真型导线，通过导线在风洞中水平布置的方式，测量了不同风速、紊流度和迎风角度时的导线整体阻力系数。通过对比不同分裂数和不同直径的多分裂导线的整体阻力系数的大小，揭示多分裂导线整体阻力系数的变化规律。
多分裂导线风洞实验设计
1模型导线设计与真实导线。本次试验所用的模型为刚体模型，模拟我国目前输电导线标准GB/T1179—2008《圆线同心绞架空导线》中比较典型的几种导线规格，型号分别为JL/G1A-400/50、JL/G1A-630/45和JL/G1A-900/40。试验刚体模型制作比例为1:1，综合考虑长径比与风洞尺寸的限制，长度取为1.5m。模型采用铝管核心外缠绕橡胶线制作，以保证模型弯曲刚度并模拟实际导线外形。3种模型导线的加工截面如图1所示，其中，d表示用于模拟实际导线最外围的单根铝线的橡胶线的直径，D表示模型导线的外径，单位均为mm。本试验同时加工制作了真实导线并进行了相应的风洞试验，试验的所有工况与模型导线相同。
2端板、竖向支架及分离板设计。本次试验涉及的多分裂导线的具体分裂数目为4、6、8分裂，其分裂间距分别为450、400、400mm。为了模拟分裂导线在实际工程中水平布置的方式，同时为了方便在风洞中安装导线，设计制作了端板以及竖向支架。端板用铝板制作，并进行内部镂空与周边倒角处理，保证刚度的同时减小端板对风场的干扰以及端板横风向振动的影响。端板上分裂导线布设位置分别留孔，以便安装导线。导线与端板之间通过卡扣连接。采用2根外径121mm的圆钢柱作为端板与导线组合体的竖向支架。在2个支架的端部安装高频天平，连接测试端板。为了减小钢柱对测试段流场的影响，采用竖向分离板将测试段与竖向支架分隔。
3旋转连接件。为了实现多分裂导线在风洞内的整体转动，以研究多分裂导线阻力系数随迎风角度的变化，设计制作了安装于端板与天平之间的旋转连接件。通过旋转连接件上的刻度控制旋转角度。本次试验各分裂导线的初始安装位置(0位置)及试验风攻角如图2所示。试验模型最终组装完成后的效果见图3。
4紊流风场模拟。本试验在同济大学土木工程防灾国家重点实验室TJ-2风洞进行。通过在模型前安装格栅，并调节格栅，得到合适的紊流场。格栅的布置如图4所示。图5给出了实测风速均值U为23.52m/s时，湍流强度Iu(风速波动的标准差与平均风速的比值)随测点距风洞地面高度H变化的实测值。模型在风洞中所处高度为0.6~1.6m，由图5可知，此高度范围内湍流强度剖面非常稳定。在整个试验风速范围内，湍流强度保持在7%~8.5%。
风洞试验结果与分析
1模型导线与真型导线的试验结果对比。由于本次试验的工况较多，考虑到文章篇幅的限制，以下仅示出一些具有代表性的工况的结果，所显示的规律对于全部的试验工况具有一般性。本次试验在进行模型导线试验的同时，还进行了真型导线的试验。一方面可以通过对比验证本次实验的精度，另一方面也可以研究两者之间产生误差的原因。8分裂和6分裂真型导线与模型导线阻力系数的试验结果分别如图6、7所示。由图6、7可知，在均匀流场和紊流场中，随着风速的增加，阻力系数先降低，然后上升，存在一个极小值，并且在紊流场中，阻力系数极小值对应的风速要小于在均匀流场中的风速，说明在紊流场中导线由临界区转移到超临界区的临界风速小于均匀流场中的临界风速，这与已有的试验结果与理论结果吻合[16]，同时验证了试验的精度。随着风速的增加，均匀流场中的阻力系数最终趋于稳定。但是由于风洞性能的限制，在紊流场中难以达到均匀流场中的高风速，紊流场中的阻力系数没有达到稳定。由于紊流场中气流在导线表面的分离位置推后，引起导线负压区减小。因此，紊流场中的阻力系数最终的稳定值将小于均匀流场中的阻力系数稳定值。真型导线的阻力系数要略大于模型导线的阻力系数，主要原因在于真型导线弯曲刚度较小，安装完成后出现弯曲，并且在试验的过程中随着风速的增大弯曲程度增大，使得前后导线的轴线高度不能完全重合，从而降低了导线之间的屏蔽干扰效应，使得其阻力略大。其次，模型导线外围缠绕的用于模拟真型导线外形的橡胶线与空气的摩擦系数与真型导线的铝线与空气的摩擦系数存在差异，也是引起真型导线与模型导线阻力系数不同的一个因素。表1示出了在均匀流场中高风速下真型导线与模型导线稳定后的整体阻力系数(Cdreal、Cdmodel)及其之间的差值，以模型导线为基准。由表1可以看出，所选工况中，真型导线与模型导线阻力系数相差最大为6.1%，最小的为2.4%，绝大多数工况相差在5%以下，这表明真型导线与模型导线阻力系数在高风速区差别不大。由于模型导线在测试中不变形，测试精度更好，因此下文选用模型导线的试验结果进行分析。
2整体阻力系数随迎风角度的变化。综合考虑导线的分裂数以及直径，选取几个具有代表性的试验工况比较阻力系数随迎风角的变化情况，试验结果见图8、9。表2给出了在均匀流场中不同风攻角下导线稳定后的整体阻力系数的最大值Cdmax、最小值Cdmin及其之间的差值，差值以最小值为基准。由图8、9及表2可见，随着迎风角度的变化，多分裂导线的整体阻力系数产生较大的变化，表2所选工况的阻力系数最大值与最小值相差均在10%以上，多数在18%~22%之间。但由图8、9可见，各角度下出现阻力系数最小值时候的风速基本保持不变，这说明导线迎风角度的改变并不影响其临界风速。此外，可以看出，正常施工时候导线安装的初始位置(对应0迎风角度)的阻力系数最小。随着风速的改变，阻力系数并不存在一个固定的具有最大值的迎风角度，但是存在一个总体上阻力系数较大的迎风角度，如8分裂900/40导线13.5的位置等。当导线处于这一角度附近时，在同一风速下，导线所受的风荷载较大，此时结构处于最不利状态。因此，比较此最大阻力系数随分裂数和导线直径的变化更具有工程实际意义。
3导线分裂数对整体阻力系数的影响。图10示出了随导线分裂数的不同，整体最大阻力系数的变化趋势。由图10可知，均匀流场中风速超过35m/s后，导线位于超临界区，最大阻力系数趋于稳定。表3给出了几个工况均匀流场中最大阻力系数稳定值及其随分裂数的变化，差值以同一种导线4分裂最大阻力系数稳定值为基准(负数表示该阻力系数较基准值减小)。由图10及表3可以看出，同一种导线，最大阻力系数随分裂数的增加而减小，并且导线截面越大，减小幅度越大，这是由于随着分裂数的增加，使得位于直接迎风导线后部的导线受到前部导线尾流的影响增大，即通常所说的多分裂导线的遮挡效应。这一现象，对于重新考虑我国正在大规模建设的特高压大截面、多分裂导线输电线路的导线风荷载取值提供了重要启示。
4导线直径对阻力系数的影响。图11示出了6、8分裂导线随导线直径的变化，最大阻力系数的变化结果。由图11可以看出，同一分裂数同一种导线，随着风速的增加，进入临界区后，阻力系数迅速减小；风速继续增加，进入超临界区后，阻力系数缓慢增加，最终趋于稳定，存在一个使得阻力系数取得最小值的临界风速。在均匀流场和紊流场中，临界风速值随着导线直径的增大都有减小的趋势。表4示出了在均匀流场中各分裂数导线随导线直径的变化，最大整体阻力系数稳定值及其变化，以各分裂导线400/50导线最大阻力系数稳定值为比较基准(负号表示该阻力系数较基准值减小)。由图11及表4可见，同一分裂数，在均匀流场和紊流场中，多分裂导线的整体阻力系数随导线直径的增大而降低。这是因为，随着导线直径的增大，直接迎风面导线的尾流对后部导线的影响增大，即导线的屏蔽效应增大，使得多分裂导线的整体阻力系数减小。由表4同时也可以看出随着分裂数的增加，屏蔽效应更加明显。
5阻力系数试验值与规范值的比较。我国《重覆冰架空输电线路设计技术规程》[1]、《110~750kV架空输电线路设计技术规范》[3]和《1000kV架空输输电线路设计规范》[18]规定：导线或地线的阻力系数Cd，当线径小于17mm或覆冰时(不论线径大小)应取1.2；线径大于或等于17mm时，取1.1。ASCE[4]与IEC[8]规定，导线的阻力系数统一取1.0，但是有直接测量结果或者是有风洞试验结果的可按照测量或者试验结果取值。本次试验的3种型号导线直径均大于17mm，根据我国现行规范，在不覆冰情况下单根导线的阻力系数为1.1，计算分裂导线整体阻力时应在1.1的基础上依次乘以导线分裂数目、单根导线的迎风面积和基本风压，因此对应于本试验对多分裂导线整体阻力系数的定义，规范值取1.1。但由图8—11可以看出，各工况下多分裂导线的整体阻力系数在均匀流场中的设计风速以及更高风速中(风速大于等于27m/s)均在1.0以下，如900/406分裂导线最大阻力系数在风速超过35m/s时稳定在0.92。此外，由图8—11还可以看出，在更多分裂数、更大导线截面的特高压输电线路中，最大阻力系数的降低更为明显，8分裂900/40导线在均匀流场中最大阻力系数的稳定值降到了0.9，较规范值降低幅度达到18.2%。因此，现行规范对于多分裂导线阻力系数的统一取值偏于保守，尤其是对于目前建设的特高压8分裂导线输电线路中，建议特高压多分裂导线的阻力系数取值考虑导线间遮挡效应的影响，使计算结果更加合理化。
结论
本文通过对3种型号的4、6、8分裂导线的风洞试验研究，从模型导线和真型导线的区别、湍流强度、迎风角度、导线分裂数目和导线截面等多方面对多分裂导线阻力系数进行了详细研究。本文的主要结论如下：1）随着迎风角度的变化，多分裂导线的整体阻力系数产生较大的变化，存在一个总体上阻力系数最大的迎风角度。正常施工时候导线安装的初始位置(对应0迎风角度)的阻力系数最小。2）同一种导线，均匀流场中最大阻力系数随分裂数的增加而减小。3）同一分裂数，在均匀流场和紊流场中，多分裂导线的整体阻力系数随导线截面的增大而降低。4）现行规范对多分裂导线的阻力系数的取值略显保守。对于大截面多分裂导线，特别是特高压的八分裂导线阻力系数的取值，可以考虑导线之间的遮挡效应造成的阻力系数的减小这一有利因素。建议对于目前特高压线路中使用的八分裂900/40导线整体阻力系数取0.9。
本文标签：
[!--temp.ykpl--]