覆冰導(dǎo)線(xiàn)氣動(dòng)力特性的試驗(yàn)研究

0覆冰導(dǎo)電線(xiàn)路氣動(dòng)力特性在一定的氣候條件下，電源可能會(huì)覆蓋風(fēng)面，并具有一些翼型特征，使壓力復(fù)雜化。在一定的風(fēng)速和攻角下,導(dǎo)線(xiàn)容易產(chǎn)生舞動(dòng)。舞動(dòng)是輸電導(dǎo)線(xiàn)的一種低頻、大幅的自激振動(dòng)。大幅度的舞動(dòng)產(chǎn)生的反復(fù)動(dòng)力沖擊將導(dǎo)致塔臂和絕緣子的破壞及輸電塔結(jié)構(gòu)上橫擔(dān)和桿件螺栓的松動(dòng);導(dǎo)線(xiàn)舞動(dòng)還將造成線(xiàn)路頻繁跳閘與停電,對(duì)輸電線(xiàn)路安全運(yùn)行的危害很大。導(dǎo)線(xiàn)覆冰情況極其復(fù)雜,它與海拔高度、電線(xiàn)走向、風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫等多種因素有關(guān)。常見(jiàn)的覆冰形式有雨淞、濕雪、干雪、霜淞、霧淞等五類(lèi)。其中,霜淞和雨淞兩類(lèi)覆冰附著力大,在雨淞地區(qū),由于凍雨持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),可能形成較厚而堅(jiān)實(shí)不易脫落的覆冰層,成為發(fā)生導(dǎo)線(xiàn)舞動(dòng)的重大威脅。由于覆冰形狀的隨機(jī)性和多樣性,目前國(guó)內(nèi)外對(duì)覆冰導(dǎo)線(xiàn)的氣動(dòng)力研究只能選擇具有代表性的典型覆冰形狀進(jìn)行研究。MckayGA,KikuchiT通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)研究輸電導(dǎo)線(xiàn)的覆冰形狀。YukinoT、肖正直等通過(guò)試驗(yàn)研究了導(dǎo)線(xiàn)的覆冰形狀。根據(jù)湖北中山口大跨越實(shí)際觀(guān)測(cè)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線(xiàn)覆冰形狀有如下規(guī)律:氣溫較低,雨量較小,形成新月形;氣溫較低,雨量較大,風(fēng)速一般,一般形成扇形;氣溫較低,雨量較大,風(fēng)速較大,一般形成D型;氣溫較高,雨量較大,風(fēng)速一般,形成垂掛的冰凌。日本學(xué)者M(jìn)Masataka對(duì)124次舞動(dòng)觀(guān)測(cè)中的覆冰形狀進(jìn)行了歸類(lèi),結(jié)果表明,在實(shí)際舞動(dòng)的觀(guān)測(cè)中新月形覆冰占有相當(dāng)大的比重。覆冰導(dǎo)線(xiàn)氣動(dòng)力三分力系數(shù)是舞動(dòng)分析計(jì)算的重要參數(shù)。這些參數(shù)可通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)或CFD數(shù)值模擬獲得。但以往的試驗(yàn)主要針對(duì)單導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行,因此,實(shí)際高壓線(xiàn)路中常用的分裂導(dǎo)線(xiàn)氣動(dòng)力系數(shù)仍十分缺乏。且除文獻(xiàn)外,其他文獻(xiàn)均在均勻流場(chǎng)中進(jìn)行,實(shí)際線(xiàn)路中氣流必然存在湍流的成分。CFD數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果相比只能在一定程度上反映覆冰導(dǎo)線(xiàn)的氣動(dòng)力特性,在某些風(fēng)攻角下存在較大的誤差。由于覆冰的隨機(jī)性和多樣性,已有的成果仍不能滿(mǎn)足舞動(dòng)研究的需要。積累不同厚度覆冰及覆冰分裂導(dǎo)線(xiàn)的氣動(dòng)力系數(shù)對(duì)研究導(dǎo)線(xiàn)舞動(dòng)具有重要的學(xué)術(shù)與應(yīng)用價(jià)值。本文制作了4種不同覆冰厚度的新月形導(dǎo)線(xiàn)節(jié)段模型,在5%的均勻湍流場(chǎng)中測(cè)試了4種不同覆冰厚度的單導(dǎo)線(xiàn)及二、四分裂導(dǎo)線(xiàn)的氣動(dòng)力特性。研究了覆冰厚度對(duì)氣動(dòng)力特性的影響。分析了不同覆冰厚度導(dǎo)線(xiàn)的馳振穩(wěn)定性,闡明了分裂導(dǎo)線(xiàn)氣動(dòng)力特性與單導(dǎo)線(xiàn)的區(qū)別。1試驗(yàn)總結(jié)1.1覆冰厚度的確定根據(jù)實(shí)際輸電線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)截面尺寸,按1∶1的幾何尺寸制作剛性模型。參考國(guó)標(biāo)(LGJGB117983)的型號(hào)規(guī)定,單導(dǎo)線(xiàn)通常選用LGJ-240(ue78821.6mm),本文為與分裂導(dǎo)線(xiàn)直徑相一致以便于比較,將所有導(dǎo)線(xiàn)直徑統(tǒng)一采用LGJ-400/35(ue78826.8mm),分裂導(dǎo)線(xiàn)間距相應(yīng)進(jìn)行放大,覆冰厚度對(duì)導(dǎo)線(xiàn)直徑無(wú)量綱化。設(shè)計(jì)0.25D、0.5D、0.75D和1D等4種厚度的新月形覆冰,D為裸導(dǎo)線(xiàn)的直徑。表1給出了覆冰導(dǎo)線(xiàn)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑敿?xì)規(guī)格,試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒孛嫒鐖D1所示,模型長(zhǎng)度取800mm。1.2高頻測(cè)力地位及風(fēng)向角試驗(yàn)在浙江大學(xué)邊界層風(fēng)洞(ZD-1)中進(jìn)行。有關(guān)實(shí)測(cè)資料表明,發(fā)生舞動(dòng)的風(fēng)速多集中在7~15m/s,本次試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)取風(fēng)速為10m/s,湍流度為5%的均勻流。均勻湍流場(chǎng)通過(guò)安裝在風(fēng)洞試驗(yàn)段入口處的多功能尖塔實(shí)現(xiàn),如圖2所示。測(cè)力設(shè)備為德國(guó)ME-SYSTEM公司生產(chǎn)的高頻動(dòng)態(tài)測(cè)力天平,數(shù)據(jù)采樣頻率達(dá)1000Hz,具有大小兩個(gè)量程。小量程水平力量程為20N,扭矩量程為4N·m;大量程下水平力量程為130N,扭矩量程為26N·m。測(cè)力精度3‰。本次試驗(yàn)單導(dǎo)線(xiàn)和二分裂導(dǎo)線(xiàn)選用小量程,四分裂導(dǎo)線(xiàn)則選用大量程。試驗(yàn)時(shí)將高頻測(cè)力天平中心與風(fēng)洞的轉(zhuǎn)盤(pán)中心保持一致,模型通過(guò)轉(zhuǎn)接板與天平剛性連接。為消除導(dǎo)線(xiàn)端部流體分離影響,保證導(dǎo)線(xiàn)主體上的二元流動(dòng),導(dǎo)線(xiàn)模型上下兩端設(shè)置表面光滑的端板,模型轉(zhuǎn)接板與下端板之間不相碰。上端板與模型間保留微小縫隙使得上部端板的荷載不被傳至天平。下端板抬高是為了考慮消除風(fēng)洞底面的邊界層效應(yīng)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ图把b置照片如圖3所示。風(fēng)向角定義如圖4所示,由于覆冰模型的對(duì)稱(chēng)性風(fēng)攻角范圍取為0°~180°,間隔為5°,對(duì)某些升力系數(shù)變化大的角度進(jìn)行測(cè)試風(fēng)向角加密。測(cè)量時(shí)天平的采樣頻率設(shè)為200Hz,每個(gè)攻角下采樣時(shí)間30s。2u3000試驗(yàn)特點(diǎn)覆冰導(dǎo)線(xiàn)的氣動(dòng)力可表示為升力FL、阻力FD和扭矩M,如圖4所示。將氣動(dòng)力無(wú)量綱化可得:式中CL、CD、CM分別為覆冰導(dǎo)線(xiàn)的升力系數(shù)、阻力系數(shù)和扭轉(zhuǎn)系數(shù)。U為試驗(yàn)風(fēng)速,ρ為試驗(yàn)時(shí)空氣密度,l和A分別為模型的有效長(zhǎng)度和有效迎風(fēng)寬度,B為分裂導(dǎo)線(xiàn)的間距。對(duì)單導(dǎo)線(xiàn):A=B=D=0.0268m;對(duì)二分裂導(dǎo)線(xiàn):A=2D=0.0536m,B=0.448m;對(duì)四分裂導(dǎo)線(xiàn):A=4D=0.1072m,B=0.45m。試驗(yàn)所測(cè)得的力為隨風(fēng)洞轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的天平坐標(biāo)軸下的X、Y軸力,需將各風(fēng)攻角下天平軸下的氣動(dòng)力轉(zhuǎn)化為氣流軸下的升力和阻力。將高頻天平測(cè)到的氣動(dòng)力時(shí)程進(jìn)行時(shí)均化處理,最終通過(guò)式(1)計(jì)算得到所需的動(dòng)三分力系數(shù)。3結(jié)果表明，覆冰線(xiàn)的氣動(dòng)力特性為3.1覆冰時(shí)導(dǎo)電因子測(cè)試在不同覆冰厚度的基礎(chǔ)上發(fā)生明顯的變化規(guī)律不同覆冰厚度下單導(dǎo)線(xiàn)的氣動(dòng)力系數(shù)如圖5所示。升力系數(shù)由正到負(fù)呈正弦狀變化,隨著覆冰厚度的增加,曲線(xiàn)兩側(cè)在15°和170°附近出現(xiàn)尖峰。1D厚度覆冰在小攻角范圍內(nèi)的峰值大于0.75D厚度覆冰,而在大攻角范圍內(nèi)的峰值,0.75D卻比1D厚度的高,這表明,隨著覆冰厚度的增大,到特厚覆冰時(shí)升力系數(shù)曲線(xiàn)變化規(guī)律會(huì)有局部的變化。由于覆冰的對(duì)稱(chēng)性,0°和180°風(fēng)攻角下升力系數(shù)接近于零。阻力系數(shù)在0°~180°之間呈半波狀分布,兩端小中間大,這與導(dǎo)線(xiàn)實(shí)際投影面積的變化有關(guān)。隨著覆冰厚度的增大,相應(yīng)攻角下阻力系數(shù)絕對(duì)值變大。厚覆冰時(shí),在升力系數(shù)出現(xiàn)尖峰的攻角處(15°~20°),阻力系數(shù)曲線(xiàn)也出現(xiàn)拐點(diǎn)。扭轉(zhuǎn)系數(shù)曲線(xiàn)同樣由于覆冰的對(duì)稱(chēng)性,在0°和180°風(fēng)攻角下接近于零。薄覆冰時(shí)導(dǎo)線(xiàn)截面接近圓形扭轉(zhuǎn)系數(shù)較小,且隨風(fēng)向角變化不明顯。隨著覆冰厚度的增大,扭轉(zhuǎn)系數(shù)明顯加大,且在15°~20°之間有較大突變,出現(xiàn)尖峰。3.2尾流干擾下分裂導(dǎo)線(xiàn)典型特征2.圖6和圖7分別給出了0.75D和1D模型的分裂導(dǎo)線(xiàn)氣動(dòng)力系數(shù)及其與單導(dǎo)線(xiàn)的比較。從圖中可以看出,由于上風(fēng)尾流的影響,二分裂導(dǎo)線(xiàn)的阻力系數(shù)在90°攻角附近相對(duì)單導(dǎo)線(xiàn)下降約20%,其他攻角下阻力系數(shù)與單導(dǎo)線(xiàn)相差不大。對(duì)四分裂導(dǎo)線(xiàn)來(lái)說(shuō),由于尾流的干擾,除90°攻角外,在45°及135°攻角下阻力系數(shù)也有較大幅度的下降,降幅約15%。對(duì)扭轉(zhuǎn)系數(shù)來(lái)說(shuō),為方便與單導(dǎo)線(xiàn)比較,定義轉(zhuǎn)化關(guān)系如下:式中,CMn和CMn-1分別為分裂導(dǎo)線(xiàn)和分裂導(dǎo)線(xiàn)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)單導(dǎo)線(xiàn)的氣動(dòng)扭轉(zhuǎn)系數(shù)。B1和Bn分別為單導(dǎo)線(xiàn)和分裂導(dǎo)線(xiàn)的扭轉(zhuǎn)特征長(zhǎng)度。從圖6和圖7可以的看出,分裂導(dǎo)線(xiàn)尤其是四分裂導(dǎo)線(xiàn)的扭轉(zhuǎn)系數(shù)與單導(dǎo)線(xiàn)相差很大。這與尾流干擾導(dǎo)致各子導(dǎo)線(xiàn)的氣動(dòng)力特性差異有關(guān)。分裂導(dǎo)線(xiàn)的扭矩由三個(gè)部分組成,可表示如下:式中,CM_total為分裂導(dǎo)線(xiàn)整體氣動(dòng)扭轉(zhuǎn)系數(shù),CM_moment、CM_drag、CM_lift分別為子導(dǎo)線(xiàn)自身扭矩、阻力和升力對(duì)分裂導(dǎo)線(xiàn)整體氣動(dòng)扭矩的貢獻(xiàn)。對(duì)四分裂導(dǎo)線(xiàn)來(lái)說(shuō),各分量可表示如下:式中,下標(biāo)i(i=1,2,3,4)代表分裂導(dǎo)線(xiàn)子導(dǎo)線(xiàn)的編號(hào),α為風(fēng)攻角。從式(4)中可以看出,分裂導(dǎo)線(xiàn)由于尾流的干擾,子導(dǎo)線(xiàn)間升力和阻力系數(shù)的差異對(duì)分裂導(dǎo)線(xiàn)整體扭轉(zhuǎn)系數(shù)的影響是巨大的,因此分裂導(dǎo)線(xiàn)的扭轉(zhuǎn)系數(shù)很難通過(guò)單導(dǎo)線(xiàn)來(lái)確定。由于測(cè)力設(shè)備的限制,可通過(guò)數(shù)值模擬等手段得到分裂導(dǎo)線(xiàn)各子導(dǎo)線(xiàn)的氣動(dòng)力,從而明確阻力和升力對(duì)整體扭矩的貢獻(xiàn)。3.3新月形覆冰導(dǎo)線(xiàn)橫向擺動(dòng)的穩(wěn)定性根據(jù)DenHartog馳振機(jī)理,覆冰導(dǎo)線(xiàn)馳振穩(wěn)定性可由下式判斷:式中,Den即為DenHartog系數(shù)。若Den小于零則導(dǎo)線(xiàn)將可能發(fā)生舞動(dòng)?？梢钥闯?影響DenHartog系數(shù)的氣動(dòng)參數(shù)為升力與阻力系數(shù)。根據(jù)Nigol舞動(dòng)機(jī)理,當(dāng)覆冰滿(mǎn)足某種特定條件時(shí),扭轉(zhuǎn)振動(dòng)為自激振動(dòng),若導(dǎo)線(xiàn)的扭轉(zhuǎn)頻率和橫風(fēng)向自振頻率接近,扭轉(zhuǎn)振動(dòng)就激發(fā)了導(dǎo)線(xiàn)的橫風(fēng)向振動(dòng)。導(dǎo)線(xiàn)發(fā)生尼戈?duì)栁鑴?dòng)的必要條件可用下式表示:式中,CM為覆冰導(dǎo)線(xiàn)的扭轉(zhuǎn)系數(shù),稱(chēng)為Nigol系數(shù)。對(duì)升力系數(shù)和扭轉(zhuǎn)系數(shù)求導(dǎo)可得不同覆冰厚度下的DenHartog系數(shù)和Nigol系數(shù)如圖8~圖10所示。由圖8可見(jiàn),新月形覆冰單導(dǎo)線(xiàn)的不穩(wěn)定攻角分別在15°~30°和170°~180°范圍內(nèi)。隨著覆冰厚度的減小,DenHartog系數(shù)絕對(duì)值變小,當(dāng)為0.25D的薄覆冰時(shí),全攻角的DenHartog系數(shù)均大于零。理論上對(duì)于薄覆冰情況,根據(jù)DenHartog豎向舞動(dòng)機(jī)理導(dǎo)線(xiàn)將不會(huì)發(fā)生舞動(dòng)。對(duì)分裂導(dǎo)線(xiàn)來(lái)說(shuō),DenHartog舞動(dòng)的穩(wěn)定區(qū)與單導(dǎo)線(xiàn)基本一致,而Nigol舞動(dòng)的不穩(wěn)定區(qū)有所不同。二分裂導(dǎo)線(xiàn)在80°~100°攻角范圍內(nèi)出現(xiàn)不穩(wěn)定區(qū),而原本對(duì)Nigol機(jī)理穩(wěn)定的大攻角范圍(170°~180°)在四分裂導(dǎo)線(xiàn)時(shí)變成不穩(wěn)定區(qū)。若考慮導(dǎo)線(xiàn)覆冰后重力偏心等因素的影響,導(dǎo)線(xiàn)將存在初始凝冰角,初始風(fēng)攻角極易在15°~30°和170°~180°范圍內(nèi)出現(xiàn),發(fā)生舞動(dòng)的可能性較大。4覆冰導(dǎo)線(xiàn)升力系數(shù)本文通過(guò)對(duì)新月形覆冰導(dǎo)線(xiàn)節(jié)段模型的氣動(dòng)力測(cè)試,獲得了不同覆冰厚度單導(dǎo)線(xiàn)、二、四分裂覆冰導(dǎo)線(xiàn)氣動(dòng)三分力系數(shù)及其隨攻角的變化規(guī)律,研究了分裂導(dǎo)線(xiàn)三分力系數(shù)與單導(dǎo)線(xiàn)的區(qū)別與聯(lián)系,主要結(jié)論如下:(1)隨著覆冰厚度的增加,新月形覆冰導(dǎo)線(xiàn)的升力系數(shù)的尖峰不斷增大,但對(duì)1D厚度的特厚覆冰來(lái)說(shuō),大攻角下升力系數(shù)的峰值卻小于0.75D。(2)新月形覆冰導(dǎo)線(xiàn)的升力和阻力系數(shù)隨覆冰厚度的增加,氣動(dòng)力系數(shù)絕對(duì)增大,變化規(guī)律一致。當(dāng)覆冰厚度較大時(shí),扭轉(zhuǎn)系數(shù)在15°~20°之間出現(xiàn)較大尖峰。(3)結(jié)合DenHartog豎向舞動(dòng)機(jī)理,新月形覆冰導(dǎo)線(xiàn)可能發(fā)生舞動(dòng)的攻角范圍為15°~30°和170°~180°。其中15°~30°攻角范圍對(duì)Nigol舞動(dòng)機(jī)理而言也是不穩(wěn)定區(qū)。(4)分裂導(dǎo)線(xiàn)