特高壓八分裂覆冰導(dǎo)線風(fēng)場特性研究

歐陽克儉，陳紅冬，劉純，龍毅，胡彬

(湖南省電力公司科學(xué)研究院，湖南 長沙410007)

覆冰導(dǎo)線在風(fēng)荷載的激勵下容易發(fā)生低頻的大幅舞動〔1－2〕。這種振動對線路的安全運(yùn)行的危害十分嚴(yán)重，如線路頻繁跳閘與停電、導(dǎo)線的磨損、燒傷與斷線，金具的損壞等。導(dǎo)線舞動對輸電線路的危害已引起人們的重視。中國是世界上輸電線路覆冰最為嚴(yán)重的國家之一〔3〕，特別是從2008年1月10日開始，我國華中、華東部分地區(qū)出現(xiàn)長時間持續(xù)的大強(qiáng)度、大范圍低溫雨雪冰凍天氣，導(dǎo)致湖南、江西、安徽、湖北等地的電網(wǎng)發(fā)生倒塔、斷線、舞動、覆冰閃絡(luò)等多種災(zāi)害〔4〕。受災(zāi)區(qū)域內(nèi)626 條500 kV 線路，累計停運(yùn)119 條，停運(yùn)率19.01%;3 658 條220 kV 線路，累計停運(yùn)343 條，停運(yùn)率9.38%〔5－6〕。隨著西部大開發(fā)、西電東送電力發(fā)展戰(zhàn)略的實施及1 000 kV 交流、±800 kV 直流特高壓輸電線路的建設(shè)，將有越來越多的輸電線路跨越峽谷、河流、微氣象地區(qū)，輸電線路覆冰現(xiàn)象將不可避免，因此對特高壓輸電線路上使用八分裂導(dǎo)線覆冰機(jī)理及覆冰導(dǎo)線的氣動力特性研究是十分必要的〔7－8〕。

鑒于八分裂覆冰導(dǎo)線風(fēng)場擾流機(jī)理復(fù)雜，常規(guī)的風(fēng)洞試驗很難精細(xì)探明其干擾機(jī)理。PIV 風(fēng)洞試驗雖然能從微觀層面分析擾流特性，但試驗過程復(fù)雜，設(shè)備昂貴，且面臨采樣頻率相對過低的事實。本文基于Fluent 軟件，針對特高壓輸電線路中的八分裂導(dǎo)線進(jìn)行了覆冰前后的風(fēng)場特性對比，探明了八分裂覆冰導(dǎo)線擾流的微觀機(jī)理。

1 計算區(qū)域及邊界條件

本文CFD 計算選取導(dǎo)線型號為LGJ630/45，未覆冰的單導(dǎo)線直徑d 為Φ33.6 mm，八分裂導(dǎo)線組成的外接圓直徑為Φ1 000 mm。采用網(wǎng)格劃分軟件Gambit 對計算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。計算域外邊界圓左側(cè)半圓為入口邊界，采用速度入口邊界條件，入口速度取10 m/s，覆冰厚度分別取為10 mm 和20 mm。單導(dǎo)線和八分裂導(dǎo)線的計算域劃分如圖1 所示，右側(cè)半圓為出口邊界條件，出口為outflow 邊界條件，出口參考壓力為0。導(dǎo)線表面為無滑移壁面邊界條件，2 個方向的速度為0。八分裂覆冰導(dǎo)線數(shù)值計算域外邊界的選取類似覆冰單導(dǎo)線。數(shù)值計算所求解的流體控制方程為雷諾時均的N-S 方程，紊流模型為SSTκ－ω 模型。入口紊流強(qiáng)度為1%，紊流粘性比為10%。計算時間步長為0.001 s。

圖1 計算域及邊界條件

2 計算網(wǎng)格

2.1 單導(dǎo)線計算網(wǎng)格

首先在導(dǎo)線表面設(shè)置比較密集的邊界層網(wǎng)格，網(wǎng)格沿著徑向按比例逐漸放大。離導(dǎo)線表面最近的網(wǎng)格間距為0.001d。單導(dǎo)線網(wǎng)格總數(shù)約為3.0 萬。圖2 為單導(dǎo)線的整體、局部和邊界層網(wǎng)格示意圖。圖3 為新月形覆冰單導(dǎo)線表面的Y+值，其值在1.0附近，這表明網(wǎng)格滿足計算要求。

圖2 新月形覆冰單導(dǎo)線網(wǎng)格圖

圖3 新月形覆冰單導(dǎo)線Y+值

2.2 八分裂導(dǎo)線計算網(wǎng)格

為提高計算精度，在八分裂導(dǎo)線表面設(shè)置30層密集的邊界層網(wǎng)格。網(wǎng)格沿著徑向逐漸放大。離導(dǎo)線表面最近的網(wǎng)格間距設(shè)置為0.001d。八分裂導(dǎo)線網(wǎng)格總數(shù)約為28.0 萬。圖4 為八分裂導(dǎo)線的整體、局部和邊界層網(wǎng)格示意圖。圖5 為新月形覆冰八分裂導(dǎo)線表面的Y+值，8 根子導(dǎo)線的Y+值在1.0 附近，同樣表明網(wǎng)格滿足計算要求。

圖4 新月形覆冰八分裂導(dǎo)線網(wǎng)格圖

圖5 新月形覆冰八分裂導(dǎo)線壁面的Y+

3 三分力系數(shù)定義和結(jié)果

覆冰八分裂導(dǎo)線風(fēng)軸坐標(biāo)系下的三分力系數(shù)的定義如下:

其中:FD，F(xiàn)L，F(xiàn)M分別為覆冰八分裂導(dǎo)線總的順風(fēng)向的阻力，橫風(fēng)向的升力和對外接圓中心的扭矩;ρ 為空氣密度;v 為來流風(fēng)速;D=8d，d 為8倍單導(dǎo)線直徑。

表1 為單導(dǎo)線覆冰厚度分別為10 cm 和20 cm不同攻角對應(yīng)的三分力系數(shù)，覆冰厚度為10 cm時，0°攻角對應(yīng)的阻力系數(shù)為最大值，升力系數(shù)和扭矩系數(shù)均為正值，這表明對于0°攻角不存在發(fā)生鄧哈托理論為依據(jù)的舞動行為，舞動發(fā)生的攻角可能為30°和60°。覆冰厚度為20 cm 時，最大阻力系數(shù)和覆冰厚度為10 cm 時有顯著區(qū)別，最大值對應(yīng)攻角為－90°，且+60°～－60°之間攻角都存在舞動發(fā)生的可能性。圖6 和圖7 分別為覆冰單導(dǎo)線的瞬時壓力云圖和速度云圖，由于篇幅限制在此只給出了0°和－90°攻角時的圖示。對應(yīng)于0°攻角存在明顯的漩渦脫落，且在覆冰的最下端對應(yīng)的分離流速最大。

表1 新月形覆冰單導(dǎo)線的三分力系數(shù)

圖6 新月形覆冰單導(dǎo)線的瞬時壓力云圖

圖7 新月形覆冰單導(dǎo)線的瞬時速度云圖

表2 為八分裂導(dǎo)線覆冰厚度分別為10 cm 和20 cm 不同攻角對應(yīng)的三分力系數(shù)，覆冰厚度為10 cm時，同樣0°攻角對應(yīng)的阻力系數(shù)為最大值，升力系數(shù)和扭矩系數(shù)也均為正值，這表明對于0°攻角不存在發(fā)生鄧哈托理論為依據(jù)的舞動行為，舞動發(fā)生的攻角可能為30°和±60°。覆冰厚度為20 cm時，最大阻力系數(shù)對應(yīng)攻角依然為0°。圖8 和圖9分別為覆冰八分裂導(dǎo)線的瞬時壓力云圖和速度云圖，由于篇幅限制在此只給出了0°和－90°兩個攻角的圖示。

圖8 新月形覆冰八分裂導(dǎo)線的瞬時壓力云圖

表2 新月形覆冰八分裂導(dǎo)線的三分力系數(shù)

圖9 新月形覆冰八分裂導(dǎo)線的瞬時速度云圖

4 結(jié)論

1)使用圓形計算域結(jié)合導(dǎo)線表面邊界層網(wǎng)格的計算處理方法，可以有效捕捉覆冰單導(dǎo)線和八分裂導(dǎo)線的細(xì)觀流場特性。

2)通過覆冰導(dǎo)線的CFD 數(shù)值仿真計算表明，覆冰單導(dǎo)線和普通的標(biāo)準(zhǔn)圓形截面對應(yīng)的流場特性有顯著的不同，漩渦脫落狀態(tài)因攻角不同而各異。

3)八分裂導(dǎo)線的風(fēng)場擾流特性較覆冰單導(dǎo)線更加復(fù)雜，相應(yīng)的阻力系數(shù)不是依擋風(fēng)面積的增加而成倍數(shù)增加。和舞動行為關(guān)系緊密的升力系數(shù)絕對值較單導(dǎo)線更大，表明八分裂導(dǎo)線的舞動行為可能更容易發(fā)生。

〔1〕Nigol O，Buchan P G． Conductor galloping Part Ⅱ-torsional mechanism〔J〕． IEEE Trans on Power Apparatus and Systems，1981，PAS－100(5):708-720.

〔2〕Wang J W，Lilien J L． Overhead electrical transmission line galloping:a full multi-span 3－dof model，some applications and design recommendations 〔J〕． IEEE Transactions on Power Delivery，1998，13(3):909-916

〔3〕蔣興良，易輝． 輸電線路覆冰及防護(hù)〔M〕． 北京:中國電力出版社，2002:4-12．

〔4〕馬俊，蔣興良，張志勁，等． 交流電場對絕緣子覆冰形成的影響機(jī)理〔J〕． 電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(5):7-11．

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