基于剛性節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)的輸電導(dǎo)線阻力系數(shù)研究

王述良　梁樞果　鄒良浩　吳海洋

摘 要：為了研究多分裂導(dǎo)線靜力風(fēng)荷載，進(jìn)行了原尺寸剛性節(jié)段模型測力風(fēng)洞試驗(yàn)，計(jì)算得到了多種直徑導(dǎo)線阻力系數(shù)，并分析了包括雷諾數(shù)效應(yīng)、屏蔽效應(yīng)等因素對其結(jié)果的影響.研究結(jié)果表明，導(dǎo)線阻力系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果較規(guī)范取值小，且由于導(dǎo)線表面粗糙度及紊流度的增加，會使其臨界區(qū)雷諾數(shù)范圍提前，盡管導(dǎo)線雷諾數(shù)處于名義的亞臨界區(qū)域，其阻力系數(shù)依然隨雷諾數(shù)變化比較敏感.對于多分裂導(dǎo)線而言，由于上游導(dǎo)線的遮擋干擾，導(dǎo)線整體阻力系數(shù)有所降低，必須考慮這種屏蔽效應(yīng)的影響.擬合得到了考慮雷諾數(shù)效應(yīng)以及屏蔽效應(yīng)在內(nèi)的輸電導(dǎo)線阻力系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式，為輸電導(dǎo)線靜力風(fēng)荷載的計(jì)算提供一定的參考.

關(guān)鍵詞：多分裂輸電導(dǎo)線；風(fēng)洞試驗(yàn)；阻力系數(shù)；雷諾數(shù)效應(yīng)；屏蔽效應(yīng)；經(jīng)驗(yàn)公式

中圖分類號：TU312.1； TU972.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-2974（2016）03-0032-09

與一般的土木工程結(jié)構(gòu)不同，輸電線路是由導(dǎo)、地線和各個輸電桿塔連接而成的耦聯(lián)體系，塔高由幾十米到數(shù)百米，輸電線跨度由幾百米到上千米，深山峽谷和大江大河之間塔高和導(dǎo)線跨度更大.隨著多分裂導(dǎo)線的應(yīng)用及導(dǎo)線跨度的增加，導(dǎo)線本身的風(fēng)荷載占輸電塔線體系整體風(fēng)荷載的比重越來越大，一般來說，對于數(shù)百米跨度的多分裂導(dǎo)線輸電線路，作用在導(dǎo)線上的風(fēng)荷載往往會高達(dá)輸電塔總體風(fēng)荷載的60%～80%[1]，由此可見，輸電桿塔所受的風(fēng)荷載主要來自于輸電導(dǎo)線而非輸電桿塔自身.強(qiáng)風(fēng)作用下，特別是覆冰情況下，導(dǎo)線傳遞給輸電塔的不平衡張力會引起輸電塔的破壞[2]，因此，了解輸電導(dǎo)線的靜力和動力風(fēng)荷載，是進(jìn)行輸電塔可靠度分析的重要基礎(chǔ)[3]，對于輸電塔線體系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要.然而，國內(nèi)外現(xiàn)行規(guī)范[4-8]有關(guān)多分裂導(dǎo)線靜風(fēng)荷載的取值卻不盡合理，主要存在以下兩點(diǎn)不足：其一，沒有考慮雷諾數(shù)效應(yīng)的影響，阻力系數(shù)的取值與風(fēng)速無關(guān)，始終取某一定值；其二，沒有考慮多分裂導(dǎo)線屏蔽效應(yīng)的影響，分裂導(dǎo)線的總風(fēng)荷載是以分裂導(dǎo)線數(shù)量乘以單根導(dǎo)線風(fēng)荷載得到.對于低電壓等級的線路，導(dǎo)線直徑較小，分裂根數(shù)較少，其屏蔽效應(yīng)相對較弱，可以忽略分裂導(dǎo)線的屏蔽效應(yīng)對導(dǎo)線風(fēng)荷載的影響.然而，對于特高壓輸電線路而言，所使用的導(dǎo)線直徑可高達(dá)52.8 mm，且分裂數(shù)量也達(dá)到8分裂之多，其屏蔽效應(yīng)不容忽視.鑒于此， Wardlaw等[9]進(jìn)行了2，4，6 和8 分裂導(dǎo)線的剛體靜力試驗(yàn)以及3 維氣彈試驗(yàn)，研究了分裂導(dǎo)線之間的干擾效應(yīng)以及該效應(yīng)對導(dǎo)線振動的影響.Ball等[10]分析了可能引起導(dǎo)線阻力系數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)測量誤差的多種原因，包括端部連接方式、長度與直徑的比值（長寬比）等.蔡萌琦[11]等通過風(fēng)洞試驗(yàn)測試獲得在不同風(fēng)速和風(fēng)攻角下4分裂導(dǎo)線的風(fēng)壓阻力系數(shù)，同時采用數(shù)值模擬方法計(jì)算得到與試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?yīng)的導(dǎo)線阻力系數(shù)，認(rèn)為在計(jì)算多分裂導(dǎo)線的風(fēng)壓時，導(dǎo)線阻力系數(shù)按國內(nèi)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)取值可能偏大而過于保守.張素俠等[12]通過數(shù)值模擬對4分裂導(dǎo)線阻力系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，并分析了影響阻力系數(shù)的多種原因.謝強(qiáng)等[13-14]研究多分裂導(dǎo)線的整體阻力系數(shù)隨迎風(fēng)角度、導(dǎo)線直徑、風(fēng)速、紊流度、分裂數(shù)等的變化規(guī)律，研究結(jié)果表明對于大截面多分裂導(dǎo)線，特別是特高壓的8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.盡管對導(dǎo)線阻力系數(shù)的既有研究均證實(shí)規(guī)范取值偏于保守這一事實(shí)，且從多分裂導(dǎo)線屏蔽效應(yīng)的角度分析了影響阻力系數(shù)的重要原因，但是總體而言，對屏蔽效應(yīng)的分析還不夠系統(tǒng)和完善，僅初步認(rèn)識了屏蔽效應(yīng)對阻力系數(shù)的影響，但并沒有定量分析影響屏蔽效應(yīng)本身的多種因素以及考慮這些影響因素情況下的導(dǎo)線阻力系數(shù)計(jì)算方法.

基于此，本文在既有研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了單根導(dǎo)線及多分裂導(dǎo)線剛性節(jié)段模型測力風(fēng)洞試驗(yàn)，將包括風(fēng)速、紊流度、導(dǎo)線截面直徑、導(dǎo)線分裂間距以及分裂根數(shù)等對阻力系數(shù)的影響因素歸結(jié)到雷諾數(shù)效應(yīng)和屏蔽效應(yīng)兩個方面進(jìn)行分析，并從導(dǎo)線結(jié)構(gòu)參數(shù)及流場特性兩個方面對屏蔽效應(yīng)進(jìn)行了分析，最后提出了考慮雷諾數(shù)效應(yīng)及屏蔽效應(yīng)的阻力系數(shù)擬合公式，該經(jīng)驗(yàn)公式物理意義明確，可以為多分裂導(dǎo)線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的參考.

1 導(dǎo)線剛性節(jié)段模型測力試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 模型制作

本文以5種不同技術(shù)參數(shù)的特高壓輸電導(dǎo)線為藍(lán)本，制作了幾何縮尺比為1∶1，節(jié)段長度為0.5 m的剛性導(dǎo)線模型.考慮到剛性節(jié)段模型剛度和外形的影響，采用鋁管作為內(nèi)核模擬實(shí)際導(dǎo)線的鋼芯，橡膠螺紋模擬實(shí)際導(dǎo)線的外形.橡膠螺紋模擬實(shí)際導(dǎo)線最外圍的單根鋁線的直徑，為了精確地模擬實(shí)際導(dǎo)線外形需考慮橡膠條螺紋纏繞時的節(jié)徑比.絞線中每層的任何一根單線都是按一定的絞制角度環(huán)繞一中心線作螺旋狀絞捻的.按照相關(guān)技術(shù)參數(shù)規(guī)定，節(jié)徑比一般取10～12，本次試驗(yàn)擬用節(jié)徑比為11，其對應(yīng)的捻角（捻股時鋁線中心線與中心線之間的夾角）為74.1°.導(dǎo)線模型橫截面如圖1所示.1.2 固定端板設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)涉及的多分裂導(dǎo)線的具體分裂數(shù)目為4，6，8 分裂，4分裂底盤采用鋁材制作，6和8分裂底盤采用剛度較大的有機(jī)玻璃制作而成，并進(jìn)行了內(nèi)部鏤空和周邊倒角處理，使氣流可以平穩(wěn)地分離，保證剛度的同時減小底盤對風(fēng)場的干擾.底盤上分裂導(dǎo)線布設(shè)的位置分別留內(nèi)絲，以便與導(dǎo)線下端的外絲牢固結(jié)合.為了考察導(dǎo)線分裂間距對阻力系數(shù)的影響，在設(shè)計(jì)底盤時，預(yù)留導(dǎo)線的分裂間距分別為200，250，300，400，450和500 mm.3種多分裂底盤平面如圖2所示.

2 風(fēng)洞試驗(yàn)

2.1 風(fēng)場模擬

試驗(yàn)在武漢大學(xué)WD-1風(fēng)洞中進(jìn)行.模擬了均勻流場以及采用布置橫向和豎向格柵的方法模擬5%和9.5%兩種典型均勻紊流場.9.5%紊流度的均勻紊流場格柵布置方式及模擬結(jié)果如圖3所示.

2.2 試驗(yàn)工況

在3種紊流場下，分別進(jìn)行了上述5種型號單根導(dǎo)線剛性節(jié)段模型測力試驗(yàn)，并對LGJ-630/45和JL/G3A-1000/45兩種型號的模型導(dǎo)線進(jìn)行了4，6和8分裂3種分裂根數(shù)的測試，其分裂間距為200～500 mm.試驗(yàn)風(fēng)速為5～30 m/s.采用測力天平測試導(dǎo)線基底力，采樣頻率500 Hz，采樣時間90 s，樣本容量45 000；采用眼鏡蛇探頭測試流場風(fēng)速，采樣頻率625 Hz，采樣時間31.13 s，樣本容量19 456.模型風(fēng)洞試驗(yàn)如圖4所示.為了考慮實(shí)際導(dǎo)線在風(fēng)荷載作用下的偏轉(zhuǎn)問題，本文分別設(shè)計(jì)了4，6和8分裂導(dǎo)線模型風(fēng)攻角工況，如圖5所示.試驗(yàn)結(jié)果采用一次消去法剔除底盤所受的風(fēng)荷載，從而得到作用于導(dǎo)線上的荷載.

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

由于本次試驗(yàn)所涉及的導(dǎo)線型號以及考慮的因素較為全面，試驗(yàn)工況設(shè)置較多，限于篇幅，在分析導(dǎo)線阻力系數(shù)的影響因素時，本文僅給出了幾種典型導(dǎo)線的試驗(yàn)結(jié)果，這些結(jié)果均具有類似于所有工況的普遍規(guī)律.

3.1 試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范對比

中國《重覆冰架空輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[4]、《110～750 kV 架空輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》[5]和《1 000 kV 架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]規(guī)定導(dǎo)線或地線的阻力系數(shù)Cd取值為：當(dāng)線徑小于17 mm 或覆冰時（不論線徑大?。?yīng)取1.2；線徑大于或等于17 mm 時，取1.1.ASCE[7]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)果或者有風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的可按照測量或者試驗(yàn)結(jié)果取值.

按照中國規(guī)范的規(guī)定，本次試驗(yàn)所涉及的5種導(dǎo)線直徑均大于17 mm，因此單根導(dǎo)線的阻力系數(shù)取值應(yīng)該為1.1，對于多分裂導(dǎo)線規(guī)范取值應(yīng)該在單根導(dǎo)線的基礎(chǔ)上乘以導(dǎo)線的分裂根數(shù)得到，多分裂導(dǎo)線阻力系數(shù)的取值與單根導(dǎo)線沒有實(shí)質(zhì)分別.事實(shí)上，對比阻力系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范取值（如圖6與圖7所示）可知：在均勻流場中，相同間距，不同風(fēng)速的條件下，阻力系數(shù)的試驗(yàn)值明顯小于規(guī)范值，且多分裂導(dǎo)線試驗(yàn)值與規(guī)范值的差值比單根導(dǎo)線試驗(yàn)值與規(guī)范值的差值大得多.整體上看，隨著風(fēng)速的增加，導(dǎo)線阻力系數(shù)試驗(yàn)值與規(guī)范值的差值增大，并趨于穩(wěn)定.在高風(fēng)速下，LGJ-630/45單根、4和8分裂導(dǎo)線試驗(yàn)值與規(guī)范值的差值分別穩(wěn)定在19.25%，25.8%，29.85%附近，JL/G3A-1000/45單根、4和8分裂導(dǎo)線試驗(yàn)值與規(guī)范值的差值分別穩(wěn)定在19.44%，26.92%，30.25%附近.因此，按照現(xiàn)行規(guī)范對多分裂導(dǎo)線阻力系數(shù)取值是偏于保守的.實(shí)際上，阻力系數(shù)試驗(yàn)值與規(guī)范值間的差異，在Shan[15]和Landers等[16]的研究中也被證實(shí)，這種差異被認(rèn)為是由于實(shí)測線路中沿整跨導(dǎo)線風(fēng)場的速度、風(fēng)向、湍流度不同導(dǎo)致的.本文將針對這種差異從雷諾數(shù)效應(yīng)和屏蔽效應(yīng)兩個方面進(jìn)行分析.但在Shan 的研究中同時發(fā)現(xiàn)，將在風(fēng)洞中測量導(dǎo)線阻力系數(shù)的裝置置于真實(shí)大氣環(huán)境中測得的結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果相比具有足夠的精度[15].

3.2 阻力系數(shù)雷諾數(shù)效應(yīng)分析

如前所述，國內(nèi)外規(guī)范阻力系數(shù)取值的限定條件僅僅與導(dǎo)線的截面直徑有關(guān)，當(dāng)導(dǎo)線截面直徑確定后，無論在何條件下，導(dǎo)線的阻力系數(shù)均取一定值.然而，試驗(yàn)結(jié)果表明導(dǎo)線的阻力系數(shù)隨風(fēng)速與導(dǎo)線截面直徑的變化存在較大差異.圖8給出了均勻流場中，單根導(dǎo)線阻力系數(shù)隨風(fēng)速及導(dǎo)線截面直徑的變化情況，其他流場下阻力系數(shù)的變化規(guī)律類似，本文不再贅述.可知：低風(fēng)速時，導(dǎo)線的阻力系數(shù)呈降低趨勢，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到17 m/s左右時，導(dǎo)線的阻力系數(shù)略有增大，但增大的幅度很小，基本趨于穩(wěn)定，導(dǎo)線阻力系數(shù)隨風(fēng)速的變化存在一個使得阻力系數(shù)趨于穩(wěn)定的臨界風(fēng)速；導(dǎo)線阻力系數(shù)隨其截面直徑的增大而降低.

上述分析表明，盡管導(dǎo)線雷諾數(shù)處于亞臨界范圍（Re<105），其阻力系數(shù)仍然對雷諾數(shù)的變化比較敏感，其原因?yàn)閳A截面結(jié)構(gòu)表面的粗糙度以及流場的紊流度會影響雷諾數(shù)效應(yīng)，即隨著結(jié)構(gòu)表面粗糙度的增加以及紊流度的增加，其所謂的有效雷諾數(shù)也會隨之增加，阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)變化由亞臨界向臨界區(qū)轉(zhuǎn)變的范圍將被提前，使得導(dǎo)線雷諾數(shù)提早落入臨界區(qū).文獻(xiàn)[17]的研究也證實(shí)了圓截面結(jié)構(gòu)阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律受結(jié)構(gòu)表面粗糙度和結(jié)構(gòu)所處流場的紊流度影響較大，其結(jié)論與本文研究結(jié)果一致.

3.3 阻力系數(shù)屏蔽效應(yīng)分析

對于多分裂導(dǎo)線而言，各導(dǎo)線間存在干擾，使得其整體的阻力系數(shù)有所降低，這種由于多分裂導(dǎo)線間相互干擾引起的阻力系數(shù)降低的效應(yīng)定義為導(dǎo)線阻力系數(shù)的屏蔽效應(yīng).圖10給出了3種流場下，LGJ-630/45四分裂導(dǎo)線模型阻力系數(shù)隨分裂間距的變化情況.圖11給出了2種型號多分裂導(dǎo)線模型分裂間距為400 mm時，阻力系數(shù)隨分裂根數(shù)的變化規(guī)律.可知：阻力系數(shù)隨導(dǎo)線分裂間距的增大呈遞增趨勢，隨分裂根數(shù)的增多呈下降趨勢.總體而言，在分析導(dǎo)線屏蔽效應(yīng)時，導(dǎo)線的分裂間距與分裂根數(shù)是需要考慮的兩個重要因素.

本文以多分裂導(dǎo)線阻力系數(shù)與單根導(dǎo)線阻力系數(shù)的比值，即屏蔽效應(yīng)系數(shù)來表征屏蔽效應(yīng)的影響程度.一般而言，屏蔽效應(yīng)系數(shù)小于1，越接近1說明屏蔽效應(yīng)越不明顯.屏蔽效應(yīng)系數(shù)表示為：

Cs=多分裂導(dǎo)線整體阻力系數(shù)單根導(dǎo)線阻力系數(shù)×分裂根數(shù).（2）

試驗(yàn)結(jié)果表明，多分裂導(dǎo)線的阻力系數(shù)與其分裂根數(shù)以及分裂間距有關(guān)，本文僅給出了導(dǎo)線LGJ-630/45和JL/G3A-1000/45在30 m/s時，即阻力系數(shù)基本穩(wěn)定后，9.5%紊流度均勻紊流場中，高風(fēng)速下的屏蔽效應(yīng)系數(shù)隨分裂間距與分裂根數(shù)的變化情況，如圖12所示.可知：在其他條件不變的情況下，多分裂導(dǎo)線的屏蔽效應(yīng)系數(shù)隨分裂根數(shù)的增加而降低，隨分裂間距的減小而降低；當(dāng)分裂間距為500 mm時，導(dǎo)線的屏蔽效應(yīng)系數(shù)接近于1，即：此時導(dǎo)線的屏蔽效應(yīng)不再顯著；對于兩種型號導(dǎo)線而言，相同分裂間距下，直徑較大的屏蔽效應(yīng)更為明顯，本文所涉及的試驗(yàn)工況中，這兩種型號屏蔽效應(yīng)系數(shù)最小值分別為0.83和0.77.

除了導(dǎo)線分裂特性會影響其阻力系數(shù)的屏蔽效應(yīng)以外，流場的紊流特性同樣也不可忽略，即隨著風(fēng)速的變化，導(dǎo)線的屏蔽效應(yīng)會有所不同.圖13給出了LGJ-630/45的4分裂導(dǎo)線模型屏蔽效應(yīng)系數(shù)隨風(fēng)速的變化情況.由13圖可看出，與阻力系數(shù)的雷諾效應(yīng)相似，屏蔽效應(yīng)系數(shù)隨風(fēng)速的變化同樣存在一個臨界風(fēng)速，在此臨界風(fēng)速之前，屏蔽效應(yīng)系數(shù)增幅較快，此后屏蔽效應(yīng)系數(shù)呈降低趨勢，但降幅并不顯著，因此流場特性，特別是雷諾數(shù)引起的來流與結(jié)構(gòu)間的流動特性對屏蔽效應(yīng)的影響同樣是需要考慮的另一重要因素.

此外，在風(fēng)荷載作用下，實(shí)際導(dǎo)線會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，致使來流風(fēng)攻角發(fā)生變化，從而使得屏蔽效應(yīng)的影響程度有所差異.圖14給出了LGJ-630/45型號4，6和8分裂導(dǎo)線不同風(fēng)攻角下，阻力系數(shù)隨風(fēng)速的變化情況.可知，風(fēng)攻角發(fā)生變化，在整體的迎風(fēng)面上的導(dǎo)線數(shù)量也會發(fā)生變化，整體迎風(fēng)面上的導(dǎo)線數(shù)量越多，屏蔽效應(yīng)越明顯，阻力系數(shù)就越小.從大小上來看，其他風(fēng)攻角的阻力系數(shù)大體為0度風(fēng)攻角阻力系數(shù)的1.1倍.盡管本文研究了不同風(fēng)攻角對阻力系數(shù)的影響，但可能不足以涵蓋其風(fēng)攻角影響的最不利情況，因此這一方面有待進(jìn)一步完善.

5 結(jié) 論

通過剛性模型測力風(fēng)洞試驗(yàn)，對5種截面單根導(dǎo)線以及2種截面多分裂導(dǎo)線阻力系數(shù)從雷諾數(shù)效應(yīng)和屏蔽效應(yīng)兩個方面進(jìn)行了分析，得到以下主要結(jié)論：

1）無論是均勻流場還是均勻紊流場，導(dǎo)線阻力系數(shù)的雷諾數(shù)效應(yīng)非常明顯，存在一個臨界雷諾數(shù)界限，使得導(dǎo)線阻力系數(shù)由急劇減小到趨于平穩(wěn)的轉(zhuǎn)變.

2）紊流度和導(dǎo)線表面的螺紋會引起雷諾數(shù)效應(yīng)的變化，使得導(dǎo)線阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)變化的臨界雷諾數(shù)范圍有所提前，即盡管導(dǎo)線的雷諾數(shù)在104～105內(nèi)，導(dǎo)線的阻力系數(shù)依然對雷諾數(shù)比較敏感.

3）多分裂導(dǎo)線的屏蔽效應(yīng)比較顯著.多分裂導(dǎo)線的分裂間距與直徑之比、分裂根數(shù)以及流場特性是評估屏蔽效應(yīng)影響程度的重要因素.分裂間距與直徑的比值越大，屏蔽效應(yīng)對阻力系數(shù)的影響就越為顯著，分裂根數(shù)越多屏蔽效應(yīng)越嚴(yán)重.

4）現(xiàn)行規(guī)范沒有考慮阻力系數(shù)的雷諾數(shù)效應(yīng)以及多分裂導(dǎo)線阻力系數(shù)的屏蔽效應(yīng)，使得阻力系數(shù)的取值偏于保守.

5）提出了考慮雷諾數(shù)效應(yīng)及屏蔽效應(yīng)的多分裂導(dǎo)線阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，此公式可為多分裂導(dǎo)線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定參考.

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