高壓大截面覆冰導(dǎo)線氣動(dòng)力特征研究

高壓大截面覆冰導(dǎo)線氣動(dòng)力特征研究

0覆冰導(dǎo)線氣動(dòng)力系數(shù)隨機(jī)變動(dòng)力特性的變化規(guī)律電力線路的擾動(dòng)是一種低頻率的自發(fā)激勵(lì)聲，通常發(fā)生在冬季寒冷的天氣，當(dāng)導(dǎo)線在冬季發(fā)生變化時(shí)，它們會(huì)形成非圓截面。舞動(dòng)將使導(dǎo)線承受額外的動(dòng)態(tài)張拉力,并造成輸電系統(tǒng)相間閃絡(luò)、電弧燒傷、金具損壞,嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致整條線路跳閘停電、斷線倒塔等事故。輸電線路的舞動(dòng)機(jī)理是國(guó)內(nèi)外學(xué)者所長(zhǎng)期研究的問(wèn)題。DenHartog最早于20世紀(jì)30年代提出了單自由度豎向舞動(dòng)機(jī)理,認(rèn)為覆冰截面的氣動(dòng)升力負(fù)斜率幅值大于氣動(dòng)阻力時(shí),導(dǎo)線豎向運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)引發(fā)舞動(dòng);Nigol增加了對(duì)扭轉(zhuǎn)自由度的考慮,提出當(dāng)覆冰導(dǎo)線氣動(dòng)扭轉(zhuǎn)阻尼為負(fù)時(shí)且幅值超過(guò)導(dǎo)線固有阻尼時(shí)將激發(fā)扭轉(zhuǎn)失穩(wěn),若線路扭轉(zhuǎn)頻率與豎向運(yùn)動(dòng)頻率接近則將進(jìn)一步產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)-豎向耦合失穩(wěn),即扭轉(zhuǎn)舞動(dòng)機(jī)理;Yu等考慮了導(dǎo)線覆冰的偏心耦合效應(yīng),提出了偏心慣性耦合失穩(wěn)機(jī)理,即由于覆冰偏心慣性引起攻角變化,使得相應(yīng)的升力對(duì)橫向振動(dòng)形成正反饋,最終形成大幅度舞動(dòng)。對(duì)以上機(jī)理而言,覆冰導(dǎo)線氣動(dòng)力特性是輸電線路舞動(dòng)的核心參數(shù),因而獲取各種覆冰導(dǎo)線的氣動(dòng)力系數(shù)是研究輸電線路舞動(dòng)以及防舞的基礎(chǔ)性工作。Nigol和Keutgen分別在風(fēng)洞中利用天平測(cè)量了新月形斷面覆冰導(dǎo)線的氣動(dòng)力系數(shù);Stumpf則對(duì)D形斷面覆冰導(dǎo)線的氣動(dòng)力特性進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究;Chadha等同樣通過(guò)風(fēng)洞獲取了三種新月形斷面和一種D形斷面覆冰導(dǎo)線在各自部分風(fēng)攻角下的氣動(dòng)力系數(shù);李萬(wàn)平和Shimizu則均針對(duì)新月形覆冰分裂導(dǎo)線展開研究,分別得到了三分裂及四分裂新月形覆冰導(dǎo)線的氣動(dòng)力系數(shù)試驗(yàn)值;此外,李萬(wàn)平還針對(duì)特大厚度覆冰導(dǎo)線發(fā)生馳振時(shí)的實(shí)際冰形斷面進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究。但以上試驗(yàn)通常在均勻流場(chǎng)中進(jìn)行,而實(shí)際線路所處地形情況復(fù)雜,經(jīng)過(guò)輸電導(dǎo)線的氣流必然存在湍流成分,影響氣流與覆冰導(dǎo)線表面的附著與分離,使得實(shí)際覆冰導(dǎo)線氣動(dòng)力特性與試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生偏差。利用CFD數(shù)值模擬技術(shù)是風(fēng)洞試驗(yàn)之外研究覆冰導(dǎo)線氣動(dòng)力系數(shù)的另一種方法,黃河、呂翼等都曾采用非穩(wěn)態(tài)算法獲取覆冰導(dǎo)線的氣動(dòng)力時(shí)間歷程,進(jìn)而得到各攻角下時(shí)均化的氣動(dòng)力系數(shù),但與風(fēng)洞試驗(yàn)比較表明CFD模擬結(jié)果僅能在一定程度上定性反映覆冰導(dǎo)線氣動(dòng)力系數(shù)隨風(fēng)攻角的變化趨勢(shì),具體數(shù)值則存在誤差,且在氣動(dòng)力系數(shù)變化較快的攻角范圍內(nèi)誤差顯著。由于覆冰狀況的隨機(jī)性與復(fù)雜性,目前已有成果還不能滿足舞動(dòng)研究的要求,累積各種冰型、冰厚以及風(fēng)攻角下導(dǎo)線氣動(dòng)力系數(shù)仍是研究舞動(dòng)及防舞所必須的工作之一。隨著我國(guó)特(超)高壓輸電線路的建設(shè),大截面輸電導(dǎo)線得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,此類導(dǎo)線相比中低壓及普通高壓導(dǎo)線直徑較大,以630/45和1000/45兩型號(hào)為例,導(dǎo)線直徑分別為33.6mm和42.1mm;而在2008年我國(guó)南方冰災(zāi)中,許多地區(qū)線路覆冰厚度超過(guò)了設(shè)計(jì)值,部分地區(qū)覆冰厚度達(dá)到40～60mm。本文制作了兩種典型覆冰斷面導(dǎo)線節(jié)段模型,在風(fēng)洞中分別測(cè)量了其在均勻流和均勻湍流中的氣動(dòng)力特性,研究了風(fēng)場(chǎng)中湍流對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。根據(jù)DenHartog理論分別計(jì)算了兩種斷面覆冰導(dǎo)線可能發(fā)生舞動(dòng)的風(fēng)攻角范圍,并結(jié)合以往試驗(yàn)結(jié)果,研究了兩類覆冰冰型的氣動(dòng)力特征。1試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃驮O(shè)備1.1覆冰斷面形狀輸電導(dǎo)線的覆冰形狀受覆冰時(shí)氣象條件的影響:在低溫微風(fēng)且雨量較少的天氣,水滴與導(dǎo)線表面一觸即凝,將形成典型的新月形覆冰;若氣溫相對(duì)較高,且雨量較大,水滴在導(dǎo)線表面無(wú)法立即凝固,且由于風(fēng)經(jīng)過(guò)導(dǎo)線壁面流動(dòng)產(chǎn)生分離點(diǎn)使得冰型外周產(chǎn)生角點(diǎn),形成近似D形的覆冰截面形狀。試驗(yàn)所采用的兩種典型覆冰斷面形狀如圖1所示,導(dǎo)線及覆冰模型均采用有機(jī)玻璃制作,導(dǎo)線直徑35mm,D形覆冰斷面為直徑80mm的半圓;新月形覆冰斷面則為半圓與半橢圓的組合形狀,其中橢圓短半軸長(zhǎng)等于導(dǎo)線半徑,長(zhǎng)半軸長(zhǎng)38.5mm。節(jié)段有效長(zhǎng)度為1m。實(shí)際試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。1.2測(cè)力試驗(yàn)結(jié)果本次試驗(yàn)在大連理工大學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)室(DUT-1)進(jìn)行,風(fēng)洞試驗(yàn)段長(zhǎng)18m,橫斷面寬3m,高2.5m,空風(fēng)洞最大設(shè)計(jì)風(fēng)速50m/s。根據(jù)實(shí)測(cè)資料,舞動(dòng)發(fā)生風(fēng)速通常小于20m/s,多集中于7～15m/s,同時(shí)為研究風(fēng)場(chǎng)中湍流對(duì)導(dǎo)線氣動(dòng)力特性的影響,本文試驗(yàn)風(fēng)速分為風(fēng)速15m/s均勻流場(chǎng)以及風(fēng)速10m/s的均勻湍流場(chǎng)。覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)多發(fā)生在空曠地帶,對(duì)應(yīng)于我國(guó)荷載規(guī)范GB50009-2001的A類或B類地貌,由于我國(guó)規(guī)范對(duì)于風(fēng)荷載湍流度缺乏明確規(guī)定,參考日本的荷載規(guī)范,湍流度隨地面高度的變化采用以下理論公式描述:Ιu=A(ΖΗ)-β-0.05(1)Iu=A(ZH)?β?0.05(1)式中Z是離地面高度,A是常數(shù),當(dāng)H=30m時(shí),A=β。假定導(dǎo)線所處高度離地面100m,對(duì)于A類地貌,β=0.12;B類地貌,β=0.16。此時(shí)導(dǎo)線高度的湍流度分別為10%和13%,限于風(fēng)洞試驗(yàn)條件限制,難以實(shí)現(xiàn)較高的均勻湍流,故試驗(yàn)湍流度定為6%。通過(guò)在風(fēng)洞試驗(yàn)段前端加裝等距離橫桿,如圖3所示,使來(lái)流產(chǎn)生較為均勻的湍流。則試驗(yàn)雷諾數(shù)約為:Re=Ud/v≈(2.4～3.6)×104根據(jù)以往試驗(yàn)結(jié)果在試驗(yàn)雷諾數(shù)范圍內(nèi)風(fēng)速變化對(duì)導(dǎo)線氣動(dòng)力系數(shù)的影響極小,故均勻流場(chǎng)與均勻湍流場(chǎng)風(fēng)速的區(qū)別基本不影響試驗(yàn)結(jié)果,可認(rèn)為兩種流場(chǎng)下氣動(dòng)力特性的區(qū)別主要由湍流造成。試驗(yàn)測(cè)力設(shè)備為日本NITTA公司IFS-75E20A-1125EX高頻測(cè)力天平,水平力測(cè)量量程為100N,彎矩測(cè)量量程11N·m,測(cè)力頻率8kHz,精度0.61‰。試驗(yàn)時(shí)將測(cè)力天平置于風(fēng)洞底部轉(zhuǎn)盤中心,并將導(dǎo)線節(jié)段模型豎向放置于測(cè)力天平上,如圖1所示定義風(fēng)攻角,并順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤,轉(zhuǎn)角步長(zhǎng)為5°,考慮到模型的對(duì)稱性,轉(zhuǎn)角范圍為0°～180°。測(cè)量時(shí)天平采樣頻率200Hz,每個(gè)風(fēng)攻角采樣時(shí)間25s,采樣點(diǎn)數(shù)為5000。由于模型長(zhǎng)細(xì)比超過(guò)15,可近似認(rèn)為滿足二元流動(dòng),故模型頂部沒(méi)有添加端板。試驗(yàn)?zāi)Ｐ图霸O(shè)備如圖4所示。2試驗(yàn)方法風(fēng)對(duì)覆冰導(dǎo)線斷面的作用可表現(xiàn)為阻力FD,升力FL以及扭矩M,如圖5所示,其相應(yīng)的無(wú)量綱氣動(dòng)力系數(shù)如下所示:CD=FD0.5ρU2LdCD=FD0.5ρU2Ld;CL=FL0.5ρU2LdCL=FL0.5ρU2Ld;CΜ=Μ0.5ρU2Ld2(2)CM=M0.5ρU2Ld2(2)式中CD、CL、CM分別表示阻力系數(shù)、升力系數(shù)以及扭轉(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d分別為試驗(yàn)導(dǎo)線節(jié)段的有效長(zhǎng)度和有效迎風(fēng)寬度,為使各風(fēng)攻角下導(dǎo)線氣動(dòng)力系數(shù)便于比較,迎風(fēng)寬度固定為導(dǎo)線直徑。試驗(yàn)所直接測(cè)得的水平力結(jié)果為天平X、Y軸力,由于天平坐標(biāo)軸隨風(fēng)洞底盤轉(zhuǎn)動(dòng),故需將各風(fēng)攻角下天平軸力轉(zhuǎn)化為風(fēng)軸阻力和升力,并將高頻采樣得到的氣動(dòng)力時(shí)程進(jìn)行時(shí)均化處理,最終通過(guò)式(2)轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱化氣動(dòng)力系數(shù)。3氣動(dòng)力特征試驗(yàn)結(jié)果3.1覆冰導(dǎo)線氣動(dòng)極限分布新月形覆冰導(dǎo)線各攻角下的氣動(dòng)三分力系數(shù)如圖6～圖8所示。升力系數(shù)曲線在中部由正變負(fù)呈波狀變化,兩側(cè)在20°和165°附近各存在一向上尖峰,且尖峰位置所對(duì)應(yīng)的阻力系數(shù)和扭矩系數(shù)曲線同樣存在局部突變。阻力系數(shù)在0°～180°呈半波狀分布,兩端較小中間最大,反映了導(dǎo)線實(shí)際迎風(fēng)寬度隨攻角的變化;扭轉(zhuǎn)系數(shù)同樣兩側(cè)小中部大,除兩端部分攻角為負(fù)外,其余范圍均為正值,其最大值對(duì)應(yīng)攻角為覆冰處于導(dǎo)線側(cè)上方偏背風(fēng)向位置。在試驗(yàn)雷諾數(shù)范圍內(nèi),湍流對(duì)新月形覆冰導(dǎo)線氣動(dòng)力特性的影響則主要體現(xiàn)在兩方面:首先在整體上略微提高了氣動(dòng)三分力系數(shù)的幅值,尤其由于湍流改變了氣流經(jīng)過(guò)覆冰表面的分離點(diǎn)位置,增大了氣流與覆冰導(dǎo)線的接觸范圍,因而對(duì)阻力系數(shù)幅值的提高效果較為明顯;其次,湍流加劇了覆冰表面氣流的不對(duì)稱性,顯著提高了升力系數(shù)兩側(cè)尤其是左側(cè)尖峰的峰值,同樣也加大了對(duì)應(yīng)攻角下阻力系數(shù)和扭矩系數(shù)的突變。結(jié)合后文分析可以看出,這對(duì)新月形覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)穩(wěn)定性存在較大影響。3.2覆冰導(dǎo)線阻力系數(shù)曲線D形覆冰導(dǎo)線各攻角下的氣動(dòng)三分力系數(shù)如圖9～圖11所示。D形覆冰導(dǎo)線升力系數(shù)曲線呈現(xiàn)出兩個(gè)相向尖峰,位于90°和135°攻角附近,后一尖峰即正向尖峰峰值較大,兩尖峰外側(cè)皆存在較大攻角范圍的升力系數(shù)曲線負(fù)斜率區(qū)域。兩峰值對(duì)應(yīng)攻角下的阻力系數(shù)和扭轉(zhuǎn)系數(shù)均存在局部突變。D形覆冰導(dǎo)線阻力系數(shù)曲線呈兩端大中間小凹谷狀分布,除實(shí)際迎風(fēng)寬度變化的影響外,覆冰圓弧段迎風(fēng)時(shí),阻力系數(shù)相對(duì)較小,變化較為平緩;當(dāng)直線段迎風(fēng)時(shí)則阻力系數(shù)較大,變化速度快。扭轉(zhuǎn)系數(shù)分布趨勢(shì)與升力系數(shù)較為相似,覆冰圓弧段迎風(fēng)時(shí)呈較為光滑的正向半波狀分布,直線段迎風(fēng)時(shí)則呈反向尖角分布,其正負(fù)峰值幅值接近。另外可以發(fā)現(xiàn),風(fēng)場(chǎng)中湍流對(duì)D形覆冰導(dǎo)線升力系數(shù)影響相對(duì)較小,主要體現(xiàn)于降低前一尖峰左側(cè)區(qū)域的負(fù)斜率,對(duì)后一尖峰僅略微提升了幅值;湍流對(duì)阻力系數(shù)兩側(cè)峰值提升較大,對(duì)扭轉(zhuǎn)系數(shù)幅值0°至90°攻角范圍的增大效果則較為顯著。3.3覆冰導(dǎo)線denhartag系數(shù)根據(jù)DenHartog單自由度豎向舞動(dòng)機(jī)理,圖12所示的覆冰導(dǎo)線截面模型,在風(fēng)速U機(jī)理下,產(chǎn)生y向振動(dòng),振動(dòng)速度為˙y?攻角為α,其運(yùn)動(dòng)方程可表示為:??y+[2ξyωy+12Udρd22(?CL?α+CD)]˙y+ω2yy=0(3)式中,ωy為系統(tǒng)豎向固有頻率,ξy為系統(tǒng)豎向阻尼比。系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于其阻尼項(xiàng)的正負(fù),當(dāng)系統(tǒng)阻尼項(xiàng)為負(fù)時(shí)將發(fā)生失穩(wěn)。可見(jiàn),當(dāng)覆冰導(dǎo)線滿足:?CL?α+CD<0(4)時(shí),且風(fēng)速超過(guò)臨界風(fēng)速Uc輸電線路即將發(fā)生舞動(dòng),臨界風(fēng)速Uc可表示為:Uc=-8πξyωy2πρd×(?CL/?α+CD)(5)式(4)等式左端即為DenHartog系數(shù),可以發(fā)現(xiàn),影響導(dǎo)線DenHartog系數(shù)的氣動(dòng)參數(shù)主要為升力系數(shù)斜率和阻力系數(shù),采用求試驗(yàn)值兩點(diǎn)間斜率的方法計(jì)算升力系數(shù)對(duì)攻角的導(dǎo)數(shù),可得兩種覆冰斷面的DenHartog系數(shù)如圖13、圖14所示。對(duì)新月形覆冰而言,其不穩(wěn)定攻角范圍存在于試驗(yàn)攻角范圍兩側(cè),即15°～30°和175°～180°范圍內(nèi)。導(dǎo)線形成新月形覆冰后,考慮覆冰靜扭矩的影響,風(fēng)攻角極易落入前側(cè)不穩(wěn)定范圍內(nèi);若風(fēng)向改變使其與線路正交分量反向,則風(fēng)攻角仍然易處于后側(cè)不穩(wěn)定范圍內(nèi),可見(jiàn)新月形覆冰導(dǎo)線的氣動(dòng)力特性在覆冰形成后初始條件下便易于誘發(fā)舞動(dòng)。另外可見(jiàn),風(fēng)場(chǎng)中湍流加大了升力系數(shù)曲線兩側(cè)尖峰峰值,但卻降低了后一尖峰下降段的負(fù)斜率,因而湍流僅增大了前一不穩(wěn)定攻角范圍,并降低了起舞臨界風(fēng)速,卻減小了后一不穩(wěn)定范圍。D形覆冰導(dǎo)線DenHartog系數(shù)的負(fù)值則出現(xiàn)在65°～85°及135°～150°范圍內(nèi),即升力系數(shù)兩尖峰的外側(cè)負(fù)斜率區(qū)域,相比新月形斷面,其不穩(wěn)定攻角范圍較寬,因而D形覆冰導(dǎo)線在覆冰靜扭矩及氣動(dòng)扭矩聯(lián)合作用下落入不穩(wěn)定攻角范圍誘發(fā)舞動(dòng)的概率同樣很大。湍流對(duì)D形覆冰導(dǎo)線DenHartog系數(shù)的影響主要在于增強(qiáng)了65°～85°攻角范圍內(nèi)即升力系數(shù)曲線前側(cè)尖峰的負(fù)斜率,使該范圍下DenHartog系數(shù)由均勻流下的略大于0變?yōu)樨?fù)值,增大了D形覆冰導(dǎo)線的舞動(dòng)范圍;而湍流對(duì)升力系數(shù)曲線后側(cè)尖峰的影響使均勻流下不穩(wěn)定的85°攻角反而成為穩(wěn)定攻角。4覆冰風(fēng)力動(dòng)力特性導(dǎo)線覆冰冰型、冰厚等均具有不確定性,針對(duì)某特定覆冰斷面的單次風(fēng)洞試驗(yàn)尚不足以掌握此類冰型的氣動(dòng)力特性,為此本文將本次試驗(yàn)均勻流場(chǎng)下所得結(jié)果結(jié)合以往試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,由于各試驗(yàn)所用導(dǎo)線直徑、覆冰冰厚及冰型細(xì)節(jié)均有所差別,故此處僅能定性反映兩類覆冰冰型氣動(dòng)力的總體特征及變化規(guī)律。以往試驗(yàn)導(dǎo)線及覆冰斷面形狀如圖15所示,各試驗(yàn)所得升力及阻力氣動(dòng)力系數(shù)曲線如圖16～圖19所示。試驗(yàn)(b)與本次試驗(yàn)新月形覆冰冰型差異較大,主要表現(xiàn)為覆冰厚度較小,形狀較為圓滑;試驗(yàn)(a)和(c)與本次試驗(yàn)較為接近,因而其升力及阻力系數(shù)曲線與本試驗(yàn)結(jié)果變化規(guī)律較一致,升力系數(shù)曲線皆存在正負(fù)波狀變化和兩側(cè)尖峰,阻力系數(shù)曲線則均為中間大兩側(cè)小;試驗(yàn)(b)斷面升力系數(shù)曲線則波狀變化趨勢(shì)不明顯,且不存在后側(cè)尖峰,其阻力系數(shù)曲線表現(xiàn)為3個(gè)正向半波分布,外側(cè)半波范圍較小,中間半波范圍較大,半波峰值較為接近。本次試驗(yàn)與以往試驗(yàn)3種D形覆冰冰型接近,因而在共同的試驗(yàn)攻角范圍內(nèi)分布規(guī)律較為一致,但由于以往試驗(yàn)攻角范圍有限,故無(wú)法從全局反映D型覆冰導(dǎo)線氣動(dòng)力特性。試驗(yàn)(b)與本次試驗(yàn)新月形覆冰冰型差異較大,主要表現(xiàn)為覆冰厚度較小,形狀較為圓滑;試驗(yàn)(a)和(c)與本次試驗(yàn)較為接近,因而其升力及阻力系數(shù)曲線與本試驗(yàn)結(jié)果變化規(guī)律較一致,升力系數(shù)曲線皆存在正負(fù)波狀變化和兩側(cè)尖峰,阻力系數(shù)曲線則均為中間大兩側(cè)小;試驗(yàn)(b)斷面升力系數(shù)曲線則波狀變化趨勢(shì)不明顯,且不存在后側(cè)尖峰,其阻力系數(shù)曲線表現(xiàn)為3個(gè)正向半波分布,外側(cè)半波范圍較小,中間半波范圍較大,半波峰值較為接近。本次試驗(yàn)與以往試驗(yàn)3種D形覆冰冰型接近,因而在共同的試驗(yàn)攻角范圍內(nèi)分布規(guī)律較為一致,但由于以往試驗(yàn)攻角范圍有限,故無(wú)法從全局反映D型覆冰導(dǎo)線氣動(dòng)力特性。5覆冰導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)方程及均勻流特征本文通過(guò)在風(fēng)洞進(jìn)行覆冰導(dǎo)線節(jié)段模型的測(cè)力試驗(yàn),獲取了新月形及D形覆冰導(dǎo)線的氣動(dòng)三分力系數(shù)及其隨風(fēng)攻角的變化規(guī)律,研究了流場(chǎng)湍流對(duì)其影響,主要結(jié)論如下:(1)新月形覆冰導(dǎo)線升力系數(shù)曲線呈正負(fù)波狀變化,兩側(cè)攻角存在尖峰;阻力系數(shù)及扭轉(zhuǎn)系數(shù)則均為中間攻角范圍大兩側(cè)攻角范圍小。湍流顯著提高阻力系數(shù)幅值,并增強(qiáng)了升力系數(shù)兩側(cè)尖峰。(