分裂導線論文：多分裂導線阻力系數(shù)的變化規(guī)律研究

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本文作者：謝強、孫啟剛、管政 單位：同濟大學土木工程學院、安徽省電力設計院

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，設計制作了4、6、8分裂模型導線和真型導線，通過導線在風洞中水平布置的方式，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(shù)。通過對比不同分裂數(shù)和不同直徑的多分裂導線的整體阻力系數(shù)的大小，揭示多分裂導線整體阻力系數(shù)的變化規(guī)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(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表示用于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。本試驗同時加工制作了真實導線并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(shù)目為4、6、8分裂，其分裂間距分別為450、400、400mm。為了模擬分裂導線在實際工程中水平布置的方式，同時為了方便在風洞中安裝導線，設計制作了端板以及豎向支架。端板用鋁板制作，并進行內(nèi)部鏤空與周邊倒角處理，保證剛度的同時減小端板對風場的干擾以及端板橫風向振動的影響。端板上分裂導線布設位置分別留孔，以便安裝導線。導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)多分裂導線在風洞內(nèi)的整體轉(zhuǎn)動，以研究多分裂導線阻力系數(shù)隨迎風角度的變化，設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后的效果見圖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。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，此高度范圍內(nèi)湍流強度剖面非常穩(wěn)定。在整個試驗風速范圍內(nèi)，湍流強度保持在7%~8.5%。

風洞試驗結(jié)果與分析

1模型導線與真型導線的試驗結(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分裂真型導線與模型導線阻力系數(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)極小值對應的風速要小于在均勻流場中的風速，說明在紊流場中導線由臨界區(qū)轉(zhuǎn)移到超臨界區(qū)的臨界風速小于均勻流場中的臨界風速，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。但是由于風洞性能的限制，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(shù)沒有達到穩(wěn)定。由于紊流場中氣流在導線表面的分離位置推后，引起導線負壓區(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。真型導線的阻力系數(shù)要略大于模型導線的阻力系數(shù)，主要原因在于真型導線彎曲剛度較小，安裝完成后出現(xiàn)彎曲，并且在試驗的過程中隨著風速的增大彎曲程度增大，使得前后導線的軸線高度不能完全重合，從而降低了導線之間的屏蔽干擾效應，使得其阻力略大。其次，模型導線外圍纏繞的用于模擬真型導線外形的橡膠線與空氣的摩擦系數(shù)與真型導線的鋁線與空氣的摩擦系數(shù)存在差異，也是引起真型導線與模型導線阻力系數(shù)不同的一個因素。表1示出了在均勻流場中高風速下真型導線與模型導線穩(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(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，這表明真型導線與模型導線阻力系數(shù)在高風速區(qū)差別不大。由于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(jié)果進行分析。

2整體阻力系數(shù)隨迎風角度的變化。綜合考慮導線的分裂數(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攻角下導線穩(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。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(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)最小值時候的風速基本保持不變，這說明導線迎風角度的改變并不影響其臨界風速。此外，可以看出，正常施工時候?qū)Ь€安裝的初始位置(對應0迎風角度)的阻力系數(shù)最小。隨著風速的改變，阻力系數(shù)并不存在一個固定的具有最大值的迎風角度，但是存在一個總體上阻力系數(shù)較大的迎風角度，如8分裂900/40導線13.5的位置等。當導線處于這一角度附近時，在同一風速下，導線所受的風荷載較大，此時結(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)和導線直徑的變化更具有工程實際意義。

3導線分裂數(shù)對整體阻力系數(shù)的影響。圖10示出了隨導線分裂數(shù)的不同，整體最大阻力系數(shù)的變化趨勢。由圖10可知，均勻流場中風速超過35m/s后，導線位于超臨界區(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，差值以同一種導線4分裂最大阻力系數(shù)穩(wěn)定值為基準(負數(shù)表示該阻力系數(shù)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(shù)隨分裂數(shù)的增加而減小，并且導線截面越大，減小幅度越大，這是由于隨著分裂數(shù)的增加，使得位于直接迎風導線后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(xiàn)象，對于重新考慮我國正在大規(guī)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(shù)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(shù)的變化結(jié)果。由圖11可以看出，同一分裂數(shù)同一種導線，隨著風速的增加，進入臨界區(qū)后，阻力系數(shù)迅速減??；風速繼續(xù)增加，進入超臨界區(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(shù)導線隨導線直徑的變化，最大整體阻力系數(shù)穩(wěn)定值及其變化，以各分裂導線400/50導線最大阻力系數(shù)穩(wěn)定值為比較基準(負號表示該阻力系數(shù)較基準值減小)。由圖11及表4可見，同一分裂數(shù)，在均勻流場和紊流場中，多分裂導線的整體阻力系數(shù)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后部導線的影響增大，即導線的屏蔽效應增大，使得多分裂導線的整體阻力系數(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計技術(shù)規(guī)程》[1]、《110~750kV架空輸電線路設計技術(shù)規(guī)范》[3]和《1000kV架空輸輸電線路設計規(guī)范》[18]規(guī)定：導線或地線的阻力系數(shù)Cd，當線徑小于17mm或覆冰時(不論線徑大小)應取1.2；線徑大于或等于17mm時，取1.1。ASCE[4]與IEC[8]規(guī)定，導線的阻力系數(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線的阻力系數(shù)為1.1，計算分裂導線整體阻力時應在1.1的基礎(chǔ)上依次乘以導線分裂數(shù)目、單根導線的迎風面積和基本風壓，因此對應于本試驗對多分裂導線整體阻力系數(shù)的定義，規(guī)范值取1.1。但由圖8—11可以看出，各工況下多分裂導線的整體阻力系數(shù)在均勻流場中的設計風速以及更高風速中(風速大于等于27m/s)均在1.0以下，如900/406分裂導線最大阻力系數(shù)在風速超過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)范值降低幅度達到18.2%。因此，現(xiàn)行規(guī)范對于多分裂導線阻力系數(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(shù)取值考慮導線間遮擋效應的影響，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分裂導線的風洞試驗研究，從模型導線和真型導線的區(qū)別、湍流強度、迎風角度、導線分裂數(shù)目和導線截面等多方面對多分裂導線阻力系數(shù)進行了詳細研究。本文的主要結(jié)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(shù)產(chǎn)生較大的變化，存在一個總體上阻力系數(shù)最大的迎風角度。正常施工時候?qū)Ь€安裝的初始位置(對應0迎風角度)的阻力系數(shù)最小。2）同一種導線，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，多分裂導線的整體阻力系數(shù)隨導線截面的增大而降低。4）現(xiàn)行規(guī)范對多分裂導線的阻力系數(shù)的取值略顯保守。對于大截面多分裂導線，特別是特高壓的八分裂導線阻力系數(shù)的取值，可以考慮導線之間的遮擋效應造成的阻力系數(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導線整體阻力系數(shù)取0.9。