多分裂導線阻力系數的變化規律研究論文
多分裂導線阻力系數的變化規律研究論文
本文針對我國GB/T1179—2008《圓線同心絞架空導線》[17]中的典型大截面導線，設計製作了4、6、8分裂模型導線和真型導線，透過導線在風洞中水平佈置的方式，測量了不同風速、紊流度和迎風角度時的導線整體阻力系數。透過對比不同分裂數和不同直徑的多分裂導線的整體阻力系數的大小，揭示多分裂導線整體阻力系數的變化規律。
多分裂導線風洞實驗設計
1模型導線設計與真實導線。本次試驗所用的模型為剛體模型，模擬我國目前輸電導線標準GB/T1179—2008《圓線同心絞架空導線》中比較典型的幾種導線規格，型號分別為JL/G1A-400/50、JL/G1A-630/45和JL/G1A-900/40。試驗剛體模型製作比例為1:1，綜合考慮長徑比與風洞尺寸的限制，長度取為1.5m。模型採用鋁管核心外纏繞橡膠線製作，以保證模型彎曲剛度並模擬實際導線外形。3種模型導線的加工截面如圖1所示，其中，d表示用於模擬實際導線最外圍的單根鋁線的橡膠線的直徑，D表示模型導線的外徑，單位均為mm。本試驗同時加工製作了真實導線並進行了相應的風洞試驗，試驗的所有工況與模型導線相同。
2端板、豎向支架及分離板設計。本次試驗涉及的多分裂導線的具體分裂數目為4、6、8分裂，其分裂間距分別為450、400、400mm。為了模擬分裂導線在實際工程中水平佈置的方式，同時為了方便在風洞中安裝導線，設計製作了端板以及豎向支架。端板用鋁板製作，並進行內部鏤空與周邊倒角處理，保證剛度的同時減小端板對風場的干擾以及端板橫風向振動的影響。端板上分裂導線佈設位置分別留孔，以便安裝導線。導線與端板之間透過卡扣連線。採用2根外徑121mm的圓鋼柱作為端板與導線組合體的豎向支架。在2個支架的端部安裝高頻天平，連線測試端板。為了減小鋼柱對測試段流場的影響，採用豎向分離板將測試段與豎向支架分隔。
3旋轉連線件。為了實現多分裂導線在風洞內的整體轉動，以研究多分裂導線阻力系數隨迎風角度的變化，設計製作了安裝於端板與天平之間的旋轉連線件。透過旋轉連線件上的刻度控制旋轉角度。本次試驗各分裂導線的初始安裝位置(0位置)及試驗風攻角如圖2所示。試驗模型最終組裝完成後的效果見圖3。
4紊流風場模擬。本試驗在同濟大學土木工程防災國家重點實驗室TJ-2風洞進行。透過在模型前安裝格柵，並調節格柵，得到合適的紊流場。格柵的佈置如圖4所示。圖5給出了實測風速均值U為23.52m/s時，湍流強度Iu(風速波動的標準差與平均風速的比值)隨測點距風洞地面高度H變化的實測值。模型在風洞中所處高度為0.6~1.6m，由圖5可知，此高度範圍內湍流強度剖面非常穩定。在整個試驗風速範圍內，湍流強度保持在7%~8.5%。
風洞試驗結果與分析
1模型導線與真型導線的試驗結果對比。由於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果，所顯示的規律對於全部的試驗工況具有一般性。本次試驗在進行模型導線試驗的同時，還進行了真型導線的試驗。一方面可以透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生誤差的原因。8分裂和6分裂真型導線與模型導線阻力系數的試驗結果分別如圖6、7所示。由圖6、7可知，在均勻流場和紊流場中，隨著風速的增加，阻力系數先降低，然後上升，存在一個極小值，並且在紊流場中，阻力系數極小值對應的風速要小於在均勻流場中的風速，說明在紊流場中導線由臨界區轉移到超臨界區的臨界風速小於均勻流場中的臨界風速，這與已有的試驗結果與理論結果吻合[16]，同時驗證了試驗的精度。隨著風速的增加，均勻流場中的阻力系數最終趨於穩定。但是由於風洞效能的限制，在紊流場中難以達到均勻流場中的高風速，紊流場中的阻力系數沒有達到穩定。由於紊流場中氣流在導線表面的分離位置推後，引起導線負壓區減小。因此，紊流場中的阻力系數最終的穩定值將小於均勻流場中的阻力系數穩定值。真型導線的阻力系數要略大於模型導線的阻力系數，主要原因在於真型導線彎曲剛度較小，安裝完成後出現彎曲，並且在試驗的過程中隨著風速的增大彎曲程度增大，使得前後導線的軸線高度不能完全重合，從而降低了導線之間的遮蔽干擾效應，使得其阻力略大。其次，模型導線外圍纏繞的用於模擬真型導線外形的橡膠線與空氣的摩擦係數與真型導線的鋁線與空氣的摩擦係數存在差異，也是引起真型導線與模型導線阻力系數不同的一個因素。表1示出了在均勻流場中高風速下真型導線與模型導線穩定後的整體阻力系數(Cdreal、Cdmodel)及其之間的差值，以模型導線為基準。由表1可以看出，所選工況中，真型導線與模型導線阻力系數相差最大為6.1%，最小的為2.4%，絕大多數工況相差在5%以下，這表明真型導線與模型導線阻力系數在高風速區差別不大。由於模型導線在測試中不變形，測試精度更好，因此下文選用模型導線的試驗結果進行分析。
2整體阻力系數隨迎風角度的變化。綜合考慮導線的分裂數以及直徑，選取幾個具有代表性的試驗工況比較阻力系數隨迎風角的變化情況，試驗結果見圖8、9。表2給出了在均勻流場中不同風攻角下導線穩定後的整體阻力系數的最大值Cdmax、最小值Cdmin及其之間的差值，差值以最小值為基準。由圖8、9及表2可見，隨著迎風角度的變化，多分裂導線的整體阻力系數產生較大的變化，表2所選工況的阻力系數最大值與最小值相差均在10%以上，多數在18%~22%之間。但由圖8、9可見，各角度下出現阻力系數最小值時候的風速基本保持不變，這說明導線迎風角度的改變並不影響其臨界風速。此外，可以看出，正常施工時候導線安裝的初始位置(對應0迎風角度)的阻力系數最小。隨著風速的改變，阻力系數並不存在一個固定的具有最大值的迎風角度，但是存在一個總體上阻力系數較大的迎風角度，如8分裂900/40導線13.5的位置等。當導線處於這一角度附近時，在同一風速下，導線所受的風荷載較大，此時結構處於最不利狀態。因此，比較此最大阻力系數隨分裂數和導線直徑的變化更具有工程實際意義。
3導線分裂數對整體阻力系數的影響。圖10示出了隨導線分裂數的不同，整體最大阻力系數的變化趨勢。由圖10可知，均勻流場中風速超過35m/s後，導線位於超臨界區，最大阻力系數趨於穩定。表3給出了幾個工況均勻流場中最大阻力系數穩定值及其隨分裂數的變化，差值以同一種導線4分裂最大阻力系數穩定值為基準(負數表示該阻力系數較基準值減小)。由圖10及表3可以看出，同一種導線，最大阻力系數隨分裂數的增加而減小，並且導線截面越大，減小幅度越大，這是由於隨著分裂數的增加，使得位於直接迎風導線後部的導線受到前部導線尾流的影響增大，即通常所說的多分裂導線的遮擋效應。這一現象，對於重新考慮我國正在大規模建設的`特高壓大截面、多分裂導線輸電線路的導線風荷載取值提供了重要啟示。
4導線直徑對阻力系數的影響。圖11示出了6、8分裂導線隨導線直徑的變化，最大阻力系數的變化結果。由圖11可以看出，同一分裂數同一種導線，隨著風速的增加，進入臨界區後，阻力系數迅速減小；風速繼續增加，進入超臨界區後，阻力系數緩慢增加，最終趨於穩定，存在一個使得阻力系數取得最小值的臨界風速。在均勻流場和紊流場中，臨界風速值隨著導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導線隨導線直徑的變化，最大整體阻力系數穩定值及其變化，以各分裂導線400/50導線最大阻力系數穩定值為比較基準(負號表示該阻力系數較基準值減小)。由圖11及表4可見，同一分裂數，在均勻流場和紊流場中，多分裂導線的整體阻力系數隨導線直徑的增大而降低。這是因為，隨著導線直徑的增大，直接迎風面導線的尾流對後部導線的影響增大，即導線的遮蔽效應增大，使得多分裂導線的整體阻力系數減小。由表4同時也可以看出隨著分裂數的增加，遮蔽效應更加明顯。
5阻力系數試驗值與規範值的比較。我國《重覆冰架空輸電線路設計技術規程》[1]、《110~750kV架空輸電線路設計技術規範》[3]和《1000kV架空輸輸電線路設計規範》[18]規定：導線或地線的阻力系數Cd，當線徑小於17mm或覆冰時(不論線徑大小)應取1.2；線徑大於或等於17mm時，取1.1。ASCE[4]與IEC[8]規定，導線的阻力系數統一取1.0，但是有直接測量結果或者是有風洞試驗結果的可按照測量或者試驗結果取值。本次試驗的3種型號導線直徑均大於17mm，根據我國現行規範，在不覆冰情況下單根導線的阻力系數為1.1，計算分裂導線整體阻力時應在1.1的基礎上依次乘以導線分裂數目、單根導線的迎風面積和基本風壓，因此對應於本試驗對多分裂導線整體阻力系數的定義，規範值取1.1。但由圖8—11可以看出，各工況下多分裂導線的整體阻力系數在均勻流場中的設計風速以及更高風速中(風速大於等於27m/s)均在1.0以下，如900/406分裂導線最大阻力系數在風速超過35m/s時穩定在0.92。此外，由圖8—11還可以看出，在更多分裂數、更大導線截面的特高壓輸電線路中，最大阻力系數的降低更為明顯，8分裂900/40導線在均勻流場中最大阻力系數的穩定值降到了0.9，較規範值降低幅度達到18.2%。因此，現行規範對於多分裂導線阻力系數的統一取值偏於保守，尤其是對於目前建設的特高壓8分裂導線輸電線路中，建議特高壓多分裂導線的阻力系數取值考慮導線間遮擋效應的影響，使計算結果更加合理化。
結論
本文透過對3種型號的4、6、8分裂導線的風洞試驗研究，從模型導線和真型導線的區別、湍流強度、迎風角度、導線分裂數目和導線截面等多方面對多分裂導線阻力系數進行了詳細研究。本文的主要結論如下：1）隨著迎風角度的變化，多分裂導線的整體阻力系數產生較大的變化，存在一個總體上阻力系數最大的迎風角度。正常施工時候導線安裝的初始位置(對應0迎風角度)的阻力系數最小。2）同一種導線，均勻流場中最大阻力系數隨分裂數的增加而減小。3）同一分裂數，在均勻流場和紊流場中，多分裂導線的整體阻力系數隨導線截面的增大而降低。4）現行規範對多分裂導線的阻力系數的取值略顯保守。對於大截面多分裂導線，特別是特高壓的八分裂導線阻力系數的取值，可以考慮導線之間的遮擋效應造成的阻力系數的減小這一有利因素。建議對於目前特高壓線路中使用的八分裂900/40導線整體阻力系數取0.9。