新型同心絞導(dǎo)線風(fēng)阻力系數(shù)風(fēng)洞試驗

黨 朋， 吳細(xì)毛， 劉 斌， 王 樂， 曾 偉， 鄭 秋， 李春和

(1.上海電纜研究所，上海200093;2.遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧沈陽110006;3.特種電纜技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，上海200093)

0 引言

近年來，隨著以“西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)”為目標(biāo)的特高壓輸電工程建設(shè)的迅猛發(fā)展［1］，市場對架空導(dǎo)線產(chǎn)品的性能要求也越來越高。除了傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線外，大量的新型導(dǎo)線被開發(fā)應(yīng)用，其中包括碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線、陶瓷纖維復(fù)合芯導(dǎo)線、鋼芯軟鋁絞線等。這些新型導(dǎo)線在結(jié)構(gòu)上不同于傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線，均采用了型線同心絞結(jié)構(gòu)［2］。

導(dǎo)線在實(shí)際使用中，其所受風(fēng)壓占整個輸電線路所受風(fēng)壓的50%～70%，所以減小導(dǎo)線風(fēng)壓對于降低線路造價以及提高線路運(yùn)行的安全性具有重要意義。然而有研究表明［3］，與傳統(tǒng)的圓線同心絞導(dǎo)線相比，相同直徑的型線同心絞結(jié)構(gòu)導(dǎo)線的表面較為光滑，粗糙度小，其風(fēng)阻力系數(shù)較大，因此影響到型線結(jié)構(gòu)導(dǎo)線的推廣應(yīng)用。

本文將介紹一種新型同心絞導(dǎo)線，通過風(fēng)洞試驗測試其風(fēng)阻力系數(shù)，并與普通型線結(jié)構(gòu)導(dǎo)線的風(fēng)阻力系數(shù)比較，證明結(jié)構(gòu)經(jīng)過改進(jìn)的新型同心絞導(dǎo)線具有低風(fēng)阻系數(shù)的優(yōu)異性能。

1 試驗

1.1 試樣制備

本次試驗所測試的導(dǎo)線有圓線同心絞導(dǎo)線、型線同心絞導(dǎo)線和新型同心絞導(dǎo)線等三種(見圖1)。為了盡量增大導(dǎo)線的長徑比并考慮到導(dǎo)線的變形和風(fēng)洞尺寸的限制，所有試驗試件長度均取1.5 m，其規(guī)格見表1。在試驗前，這三種導(dǎo)線預(yù)先經(jīng)過矯直與封頭處理。

圖1 三種導(dǎo)線的截面示意圖

表1 試驗導(dǎo)線規(guī)格

1.2 試驗條件

試驗地為同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗室TJ-2風(fēng)洞。其風(fēng)洞試驗段尺寸為3 m×2.5 m×15 m，能夠產(chǎn)生2～68 m/s的連續(xù)風(fēng)速?？紤]到風(fēng)洞的性能和工程中風(fēng)速的發(fā)生范圍，試驗取均勻流場中 11.85、16.75、22.48、27.94、34、39.80 m/s 共六個風(fēng)速。最高風(fēng)速39.80 m/s，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)級13級。

試驗過程中，兩個高頻測力天平采樣頻率均為1000 Hz，每種工況下天平采集時間為1 min，共60000個數(shù)據(jù)點(diǎn)。

本次試驗測量了三種導(dǎo)線在單根、并列雙分裂和四分裂時的風(fēng)阻力系數(shù)。測試現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 導(dǎo)線風(fēng)洞試驗現(xiàn)場

1.3 風(fēng)阻力系數(shù)計算

預(yù)先測量了空端板在上述六個風(fēng)速下所受的風(fēng)力，在后續(xù)的試驗數(shù)據(jù)處理中減去空端板所受的風(fēng)力，得到單獨(dú)作用在導(dǎo)線上的風(fēng)力。然后由式(1)計算給出導(dǎo)線的整體風(fēng)阻力系數(shù):

式中:Fd為試驗所測得的導(dǎo)線所受風(fēng)阻力均值(N);ρ為空氣密度(kg/m3);u為風(fēng)速(m/s);L為模型導(dǎo)線長度(m);d為導(dǎo)線外徑(m);n為導(dǎo)線分裂數(shù)。

在按照式(1)計算導(dǎo)線的整體風(fēng)阻力系數(shù)時，風(fēng)速u取來流風(fēng)速。這一方法得到的風(fēng)阻力系數(shù)對于多分裂導(dǎo)線只是計算意義上的風(fēng)阻力系數(shù)，因為前部導(dǎo)線的屏蔽效應(yīng)［4］，后部導(dǎo)線的實(shí)際迎風(fēng)風(fēng)速不同于來流風(fēng)速。但是這一方法也是我國現(xiàn)階段規(guī)范［5］對于多分裂導(dǎo)線整體風(fēng)荷載計算所采用的方法，該方法簡便易行，具有實(shí)際工程意義與可行性。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 單根導(dǎo)線風(fēng)阻力系數(shù)

表2給出了三種測試導(dǎo)線單根時的風(fēng)阻力系數(shù)。圖3為風(fēng)阻力系數(shù)隨風(fēng)速變化的曲線圖。

表2 單根導(dǎo)線風(fēng)阻力系數(shù)

圖3 單根導(dǎo)線風(fēng)阻力系數(shù)-風(fēng)速曲線

由表2和圖3可以看出，隨著風(fēng)速的增大，傳統(tǒng)的圓線同心絞導(dǎo)線的風(fēng)阻力系數(shù)先下降后上升，最終穩(wěn)定在1.05左右。這反映了風(fēng)阻力系數(shù)的雷諾數(shù)效應(yīng)，并且與ESDU 80025規(guī)范［6］給出的導(dǎo)線風(fēng)阻力系數(shù)隨風(fēng)速變化的趨勢曲線相吻合。

新型同心絞導(dǎo)線特殊的外形設(shè)計使得其氣動特性與圓線同心絞導(dǎo)線不同，其風(fēng)阻力系數(shù)隨著風(fēng)速的增加呈現(xiàn)單調(diào)下降趨勢。在低風(fēng)速區(qū)(風(fēng)速小于27.94 m/s)，新型同心絞導(dǎo)線的風(fēng)阻力系數(shù)比圓線同心絞導(dǎo)線大，而在高風(fēng)速區(qū)(風(fēng)速超過27.94 m/s)，其風(fēng)阻力系數(shù)小于圓線同心絞導(dǎo)線風(fēng)阻力系數(shù)。在風(fēng)速為34 m/s和39.8 m/s時，新型同心絞導(dǎo)線的風(fēng)阻力系數(shù)比圓線同心絞導(dǎo)線分別降低23.8%和39%。型線同心絞導(dǎo)線在所測試的風(fēng)速范圍內(nèi)，其風(fēng)阻力系數(shù)與圓線同心絞導(dǎo)線和新型同心絞導(dǎo)線也不同，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，但是其風(fēng)阻力系數(shù)顯著大于圓線同心絞導(dǎo)線，并沒有表現(xiàn)出低風(fēng)阻力系數(shù)的特性。

2.2 雙分裂導(dǎo)線風(fēng)阻力系數(shù)

表3給出了在分裂間距為450 mm時，三種導(dǎo)線在并列雙分裂時的整體風(fēng)阻力系數(shù)。圖4為風(fēng)阻力系數(shù)隨風(fēng)速的變化曲線圖。

表3 雙分裂導(dǎo)線整體風(fēng)阻力系數(shù)

由表3和圖4可以看出，圓線同心絞導(dǎo)線的風(fēng)阻力系數(shù)隨風(fēng)速的增加呈現(xiàn)先下降，然后趨于穩(wěn)定的趨勢。比單根導(dǎo)線的風(fēng)阻力系數(shù)(見圖3)趨于穩(wěn)定時候的風(fēng)速低。

圖4 并列雙分裂導(dǎo)線風(fēng)阻力系數(shù)-風(fēng)速曲線

對于新型同心絞導(dǎo)線，整體風(fēng)阻力系數(shù)隨風(fēng)速的增加仍然呈現(xiàn)單調(diào)遞減的趨勢。其整體風(fēng)阻力系數(shù)在低風(fēng)速時(風(fēng)速小于27.94 m/s)大于相同直徑的圓線同心絞導(dǎo)線的整體風(fēng)阻力系數(shù)，而在風(fēng)速超過27.94 m/s之后，新型同心絞導(dǎo)線的整體風(fēng)阻力系數(shù)小于圓線同心絞導(dǎo)線的整體風(fēng)阻力系數(shù)。在風(fēng)速為34 m/s和39.8 m/s時，新型同心絞導(dǎo)線的整體風(fēng)阻力系數(shù)比圓線同心絞導(dǎo)線的整體風(fēng)阻力系數(shù)分別小11%和20%，這對于降低輸電線路桿塔風(fēng)荷載和造價具有重要意義。

型線同心絞導(dǎo)線在雙分裂時的整體風(fēng)阻力系數(shù)與單根時風(fēng)阻力系數(shù)(見圖3)不同，隨著風(fēng)速的增加呈現(xiàn)單調(diào)遞減趨勢。但是在所測試的大部分風(fēng)速范圍內(nèi)，其整體風(fēng)阻力系數(shù)比普通圓線同心絞導(dǎo)線大。

2.3 四分裂導(dǎo)線風(fēng)阻力系數(shù)

表4給出了在分裂間距為450 mm時，三種導(dǎo)線在四分裂時的整體風(fēng)阻力系數(shù)。圖5為風(fēng)阻力系數(shù)隨風(fēng)速的變化曲線圖。

表4 四分裂導(dǎo)線整體風(fēng)阻力系數(shù)

圖5 四分裂導(dǎo)線整體風(fēng)阻力系數(shù)-風(fēng)速曲線

由表4和圖5可以看出，圓線同心絞導(dǎo)線在四分裂時的整體風(fēng)阻力系數(shù)隨著風(fēng)速的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，與其在單根時的風(fēng)阻力系數(shù)隨風(fēng)速變化的趨勢相同。

新型同心絞導(dǎo)線在四分裂時的整體風(fēng)阻力系數(shù)隨風(fēng)速的變化趨勢與雙分裂時的變化趨勢相同，并且在高風(fēng)速下也表現(xiàn)出風(fēng)阻力系數(shù)減小。在34 m/s風(fēng)速時，新型同心絞導(dǎo)線在四分裂時的整體風(fēng)阻力系數(shù)比圓線同心絞導(dǎo)線的整體風(fēng)阻力系數(shù)降低23%;在39.8 m/s風(fēng)速時降低達(dá)到34%。降低幅度比雙分裂時的降低幅度大，表明隨著分裂數(shù)的增多，新型同心絞導(dǎo)線比圓線同心絞導(dǎo)線有更加小的低風(fēng)阻力系數(shù)。

型線同心絞導(dǎo)線在四分裂時的整體風(fēng)阻力系數(shù)隨著風(fēng)速的增加呈先上升后下降，和在單根時的變化趨勢一致，而與雙分裂時的變化趨勢不同。但是其風(fēng)阻力系數(shù)明顯大于圓線同心絞導(dǎo)線和新型同心絞導(dǎo)線的風(fēng)阻力系數(shù)。

3 結(jié)論

(1)新型同心絞導(dǎo)線的風(fēng)阻力系數(shù)隨風(fēng)速的增加而減小，與圓心同心絞導(dǎo)線和型線同心絞導(dǎo)線的風(fēng)阻力系數(shù)隨風(fēng)速的變化規(guī)律不同。在低風(fēng)速區(qū)，其風(fēng)阻力系數(shù)大于圓線同心絞導(dǎo)線的風(fēng)阻力系數(shù);在高風(fēng)速區(qū)，其風(fēng)阻力系數(shù)小于圓線同心絞導(dǎo)線風(fēng)阻力系數(shù)，表現(xiàn)出較好的降阻作用。

(2)型線同心絞導(dǎo)線風(fēng)阻力系數(shù)隨著風(fēng)速的增加，在單根和四分裂時先上升后降低，而雙分裂時為一直下降。但是在所測試的風(fēng)速范圍內(nèi)，其風(fēng)阻力系數(shù)均大于圓線同心絞導(dǎo)線的風(fēng)阻力系數(shù)。

(3)新型同心絞導(dǎo)線在單根和雙分裂時，其風(fēng)阻力系數(shù)在高風(fēng)速區(qū)時小于型線同心絞導(dǎo)線。在四分裂時，其風(fēng)阻力系數(shù)在整個測試風(fēng)速范圍內(nèi)小于型線同心絞導(dǎo)線。

［1］劉振亞，張啟平.國家電網(wǎng)發(fā)展模式研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2013，33(7):1-10.

［2］劉 斌，黨 朋，季世澤.型線同心絞架空導(dǎo)線技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用［J］，電線電纜，2008(6):9-12.

［3］尤傳永.輸電線路低風(fēng)壓導(dǎo)線的開發(fā)研究［J］，電力建設(shè)，2010，31(12):1-5.

［4］謝 強(qiáng)，孫啟剛，管 政.多分裂導(dǎo)線整體風(fēng)阻力系數(shù)風(fēng)洞試驗研究［J］，電網(wǎng)技術(shù)，2013，37(4):1106-1112.

［5］GB 50545—2010110～750 kV架空輸電線設(shè)計技術(shù)規(guī)范［S］.

［6］ESDU 80025—1980 Mean forces，pressures and field velocities for circular cylindrical structures:single cylinder with two-dimensional flow［S］.