孫濤，朱寬軍，趙江濤，劉臻，周立憲，王召林

（1.國(guó)家電網(wǎng)公司，北京 100031；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 102401）

1 520 mm2級(jí)型線導(dǎo)線空氣動(dòng)力參數(shù)特性研究

孫濤1，朱寬軍2，趙江濤1，劉臻2，周立憲2，王召林2

（1.國(guó)家電網(wǎng)公司，北京 100031；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 102401）

為研究1 520 mm2大截面單導(dǎo)線及覆冰導(dǎo)線的空氣動(dòng)力參數(shù)及屏蔽效應(yīng)特性，對(duì)JL1X1/G2A-1520/125-481、JL1X1/LHA1-1040/550-487 2種1 520mm2大截面導(dǎo)線進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，給出了不同風(fēng)速下不同結(jié)構(gòu)型式導(dǎo)線的空氣動(dòng)力參數(shù)。為設(shè)計(jì)部門(mén)進(jìn)一步的評(píng)估工作提供可靠的依據(jù)。

1 520mm2輸電導(dǎo)線；型線；空氣動(dòng)力特性；阻力系數(shù)

與一般的結(jié)構(gòu)相比，輸電線路系統(tǒng)具有其特殊性：大跨的輸電線路一般都暴露在易受強(qiáng)風(fēng)作用的野外，輸電線風(fēng)的作用很敏感，變化幅度較大。盡管人們通過(guò)實(shí)測(cè)強(qiáng)風(fēng)載荷下輸電塔-線系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)、觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的破壞性大，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)下線路產(chǎn)生的巨大拖拽張力是風(fēng)災(zāi)倒塌的主要原因之一，并在設(shè)計(jì)中使線路風(fēng)載荷成為輸電桿塔的控制荷載。但是，由于復(fù)雜的風(fēng)荷載作用機(jī)理，特別是線路風(fēng)荷載的屏蔽與等效靜風(fēng)荷載還缺乏全面深入的理論認(rèn)識(shí)，造成線路設(shè)計(jì)方法仍然不盡合理。

導(dǎo)線覆冰后在風(fēng)載荷的激勵(lì)下容易發(fā)生大幅低頻舞動(dòng)。這種振動(dòng)對(duì)線路的安全運(yùn)行造成的危害十分嚴(yán)重，如線路頻繁跳閘與停電、導(dǎo)線的磨損損傷與斷線和金具的損壞等。導(dǎo)線舞動(dòng)對(duì)輸電線路的危害已引起人們的重視，中國(guó)是世界上輸電線路覆冰最為嚴(yán)重的國(guó)家之一。因此，對(duì)于輸電線路覆冰后的氣動(dòng)特性的研究對(duì)于我國(guó)輸電線路的設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)具有至關(guān)重要的作用。

隨著多分裂導(dǎo)線在我國(guó)的大量應(yīng)用，作為導(dǎo)線風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)分析的基礎(chǔ)，在我國(guó)現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范中，風(fēng)荷載系數(shù)還未考慮風(fēng)向角影響及導(dǎo)線分裂類型的不同，均統(tǒng)一取值。隨著多分裂導(dǎo)線在我國(guó)特高壓、超高壓工程中的大量應(yīng)用，多分裂導(dǎo)線的風(fēng)效應(yīng)研究日益重要。因此，借助風(fēng)洞試驗(yàn)研究各類典型高壓輸電多分裂導(dǎo)線節(jié)段的風(fēng)效應(yīng)，從試驗(yàn)和理論2方面對(duì)多分裂導(dǎo)線的風(fēng)效應(yīng)進(jìn)行深入細(xì)致的研究，以滿足大規(guī)模實(shí)踐的需求，無(wú)疑具有重要的工程價(jià)值和理論意義。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)發(fā)展了一種新類型的導(dǎo)線1 520mm2大截面導(dǎo)線，不過(guò)對(duì)于其在氣動(dòng)性能的特性還沒(méi)有定論。文中對(duì)JL1X1/G2A-1520/125-481、JL1X1/ LHA1-1040-/550-487 2種1 520mm2大截面導(dǎo)線進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，給出了不同風(fēng)速下不同結(jié)構(gòu)型式導(dǎo)線的空氣動(dòng)力參數(shù)，為設(shè)計(jì)部門(mén)進(jìn)一步的評(píng)估工作提供可靠的依據(jù)[1-4]。

1 導(dǎo)線空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)試方法

風(fēng)洞試驗(yàn)室依據(jù)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理，將模型或?qū)嵨锕潭ㄔ谌斯きh(huán)境中，人為制造氣體流場(chǎng)，模擬空氣中各種復(fù)雜的流動(dòng)狀態(tài)，獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，導(dǎo)線空氣動(dòng)力參數(shù)、覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)等試驗(yàn)研究也可在風(fēng)洞中開(kāi)展。

華中科技大學(xué)李萬(wàn)平進(jìn)行了覆冰導(dǎo)線群的氣動(dòng)特性測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果給出了2類典型覆冰導(dǎo)線模型截然不同的氣動(dòng)力特性；給出了新月型和扇型2類冰型的氣動(dòng)力特性；張宏雁等對(duì)覆冰四分裂導(dǎo)線的氣動(dòng)力特性進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，獲得了不同風(fēng)速和不同冰厚情況下覆冰四分裂導(dǎo)線靜態(tài)空氣動(dòng)力參數(shù)隨攻角的變化曲線。但對(duì)于不同覆冰導(dǎo)線的研究數(shù)據(jù)較少，得到的結(jié)論具有一定的局限性。

通過(guò)導(dǎo)線氣動(dòng)力測(cè)試，可以獲得給定截面的升力、阻力和扭矩系數(shù)隨攻角的變化規(guī)律，即CL（α）、CD（α）和CM（α），是研究導(dǎo)線荷載特性的基本參數(shù)，也是提供導(dǎo)線水平、垂直和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所必須的外力數(shù)據(jù)。

用于導(dǎo)線氣動(dòng)力測(cè)試的模型是一個(gè)剛性的二維模型，需與導(dǎo)線保持幾何相似。由于實(shí)際輸電線路導(dǎo)線在自然風(fēng)下的雷諾數(shù)為104量級(jí)，因而試驗(yàn)需要在亞臨界雷諾數(shù)下進(jìn)行。

對(duì)于鈍體繞流，其阻力是由壓差阻力和摩擦阻力共同構(gòu)成的。可以通過(guò)對(duì)物體表面與流體流動(dòng)方向平行的壓力分量進(jìn)行積分求出壓差阻力；而摩擦阻力相對(duì)于壓差阻力很小，也就是說(shuō)摩擦阻力在總阻力中所占的比重很小，尤其是在諸如空氣這樣的流體黏度系數(shù)很小的流場(chǎng)中摩擦阻力基本可以忽略不計(jì)。而流體的升力系數(shù)和流體的力矩系數(shù)同壓差阻力一樣可以通過(guò)計(jì)算流體表面的壓力差然后積分的方法得到。在獲得了流體升力、阻力以及力矩后，可通過(guò)下式得到該截面的流體阻力系數(shù)、升力系數(shù)以及流體力矩系數(shù)。

式中：U為來(lái)流速度；D為導(dǎo)線直徑；FD、FL、MZ分別為單位長(zhǎng)度上得流體升力、阻力以及扭力矩。對(duì)無(wú)覆冰導(dǎo)線，其升力與扭矩系數(shù)較小，本研究中重點(diǎn)研究導(dǎo)線的阻力系數(shù)特性[5-6]。

本次試驗(yàn)內(nèi)容是測(cè)量2類導(dǎo)線單導(dǎo)線時(shí)，不同風(fēng)速下的空氣動(dòng)力參數(shù)，即靜力氣動(dòng)力系數(shù)。開(kāi)展不同結(jié)構(gòu)形式1 520 mm2大截面導(dǎo)線風(fēng)洞試驗(yàn)研究，給出不同風(fēng)速下結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)線的空氣動(dòng)力參數(shù)（主要是升力和風(fēng)阻系數(shù)），對(duì)于分裂導(dǎo)線，將重點(diǎn)關(guān)注不同分裂導(dǎo)線引起的屏蔽和干擾效應(yīng)。同時(shí)，基于試驗(yàn)，進(jìn)一步討論雷諾數(shù)對(duì)氣動(dòng)力特性的影響。

2 試驗(yàn)設(shè)備及裝置

2.1 測(cè)試用風(fēng)洞

試驗(yàn)在1.4m×1.4m低速風(fēng)洞進(jìn)行。該風(fēng)洞是一座開(kāi)路式閉口試驗(yàn)段風(fēng)洞，試驗(yàn)風(fēng)速10～65m/s，配備有大氣邊界層模擬裝置和高頻底座天平，試驗(yàn)段截面面積為1.863 2m2，截面形狀為切角矩形，試驗(yàn)段長(zhǎng)2.8m。風(fēng)洞結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 導(dǎo)線空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)試風(fēng)洞Fig.1 W ire aerodynam ic parameter testw ind tunnel

2.2 測(cè)控裝置及設(shè)備

測(cè)力設(shè)備使用FGC03A/FGC3B三分量天平，測(cè)量導(dǎo)線模型阻力、升力和扭矩（俯仰力矩），測(cè)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為PXI系統(tǒng)，角度、速壓控制由相應(yīng)工控機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，設(shè)備之間由網(wǎng)絡(luò)通訊傳遞指令，測(cè)控儀器及設(shè)備如圖2所示[7-10]。

2.3 試驗(yàn)條件及研究目標(biāo)

根據(jù)線路設(shè)計(jì)規(guī)范，最大設(shè)計(jì)風(fēng)速通常取為35～40m/s，因此，對(duì)單導(dǎo)線測(cè)試，風(fēng)速分別取為10～40 m/s，間隔為5，風(fēng)向/攻角為0～180°，間隔5°；分裂數(shù)為4分裂及6分裂。

試驗(yàn)研究目標(biāo)：針對(duì)選取的1 520mm2導(dǎo)線，研究不同風(fēng)速、不同風(fēng)向角情況下，導(dǎo)線的阻力參數(shù)特性，以及不同分裂數(shù)時(shí)，阻力系數(shù)的變化及屏蔽效應(yīng)影響規(guī)律，給出給定1 520 mm2導(dǎo)線在不同試驗(yàn)條件下的阻力系數(shù)特性曲線，指導(dǎo)導(dǎo)線風(fēng)荷載設(shè)計(jì)參數(shù)取值的選擇。

圖2 測(cè)控儀器及設(shè)備Fig.2 M onitoring and control instruments and equipment

2.4 試驗(yàn)裝置及連接

為最大限度降低模型固定支撐裝置對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響，除六分裂導(dǎo)線外，試驗(yàn)中全部支撐裝置均在風(fēng)洞試驗(yàn)段外，模型連接中上下圓盤(pán)連接如圖3所示，通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)，改變攻角，模擬不同攻角下的動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化。風(fēng)洞中模型安裝示意如圖4所示，雙分裂、四分裂及六分裂導(dǎo)線布置方案及初始狀態(tài)如圖5所示。

圖3 上下圓盤(pán)傳感器及支撐裝置連接圖Fig.3 Connection diagram of upper and lower disk sensors and supporting devices

3 阻力系數(shù)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及分析

試驗(yàn)中導(dǎo)線型號(hào)及直徑如表1所示，不同風(fēng)速單導(dǎo)線阻力系數(shù)與風(fēng)速關(guān)系如圖6所示，不同風(fēng)速情況下，不同分裂間距（450 mm、500 mm）雙分裂、550 mm分裂間距四分裂及500mm分裂間距六分裂導(dǎo)線屏蔽效應(yīng)影響曲線如圖7～圖9所示。

由圖6可知，對(duì)單導(dǎo)線，在風(fēng)速相同的情況下，鋁合金芯成型鋁絞線JL1X1/LHA1-1040/550-487的風(fēng)阻系數(shù)大于鋼芯成型鋁絞線JL1X1/G2A-1520/ 125-481，這主要是由于鋁合金芯成型鋁絞線的直徑大于鋼芯成型鋁絞線以及導(dǎo)線表面的粗糙度的不同引起的；在測(cè)試測(cè)試風(fēng)速10～40m/s范圍內(nèi)，2種型線阻力系數(shù)隨著風(fēng)速增大呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

圖4 模型風(fēng)洞連接安裝圖Fig.4 Connection and installation diagram of w ind tunnelmodel

圖5 分裂導(dǎo)線布置及初始狀態(tài)示意圖Fig.5 Schematic diagram of split-up conductor arrangement and the initial state

表1 導(dǎo)線型號(hào)及直徑表Tab.1 W ire type and diameter table

圖6 單導(dǎo)線阻力系數(shù)隨風(fēng)速變化曲線Fig.6 Curve of resistance coefficient of single w ire w ith w ind speed

圖7 雙分裂導(dǎo)線阻力系數(shù)隨風(fēng)速變化曲線Fig.7 Curve of drag coefficient of double split-up conductor

圖8 四分裂導(dǎo)線阻力系數(shù)隨風(fēng)速變化曲線Fig.8 Curve of drag coefficient of four split-up conductor

圖9 六分裂導(dǎo)線阻力系數(shù)隨風(fēng)速變化曲線Fig.9 Curve of drag coefficient of six split-up conductor

由圖7可知，對(duì)于2種規(guī)格的型線以及分別對(duì)應(yīng)450mm和500mm 2種不同分裂間距的雙分裂導(dǎo)線，分裂間距的大小對(duì)其阻力系數(shù)和屏蔽效應(yīng)影響很小，基本可以忽略，說(shuō)明對(duì)于二分裂導(dǎo)線，分裂間距的大小對(duì)其阻力系數(shù)和屏蔽效應(yīng)影響很小；對(duì)于2種規(guī)格的導(dǎo)線，其屏蔽角范圍風(fēng)向角在180°左右時(shí)，其阻力系數(shù)下降到最小，因此，屏蔽角范圍風(fēng)向角在180°左右。在10m/s測(cè)試風(fēng)速情況下，屏蔽角范圍在±10°內(nèi)，阻力系數(shù)由1.3降低至0.7；20 m/s風(fēng)速情況下，型線屏蔽角范圍擴(kuò)大到±15°范圍，阻力系數(shù)由1.2降低至0.6，屏蔽效應(yīng)影響明顯，但受風(fēng)速變化產(chǎn)生影響較小，說(shuō)明對(duì)于二分裂導(dǎo)線，屏蔽角范圍的大小隨風(fēng)速的變大而變大。

由圖8可知，對(duì)2種規(guī)格型線對(duì)應(yīng)的四分裂導(dǎo)線，在0～180°范圍內(nèi)有3次受屏蔽影響導(dǎo)致阻力系數(shù)降低的情況，分別是90°、135°和180°左右，屏蔽角范圍擴(kuò)大至±15°內(nèi)；10m/s風(fēng)速情況下，阻力系數(shù)，由1.3降低至0.7，20 m/s風(fēng)速情況下，阻力系數(shù)由1.2降低至0.6，屏蔽效應(yīng)影響較為明顯，同樣受風(fēng)速變化產(chǎn)生影響較小。

由圖9可知，對(duì)2種規(guī)格型線對(duì)應(yīng)的六分裂導(dǎo)線，與雙分裂及四分裂導(dǎo)線測(cè)試結(jié)果類似，其屏蔽角范圍基本也在±15°內(nèi)，在0～180°范圍內(nèi)有3次受屏蔽影響導(dǎo)致阻力系數(shù)降低的情況分別是120°、145°和180°左右。20m/s風(fēng)速時(shí)，型線屏蔽效應(yīng)影響和屏蔽角影響范圍大，屏蔽效應(yīng)明顯[3]。

4 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)研究，對(duì)2種1 520mm2大截面導(dǎo)線進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究，得到單導(dǎo)線、雙分裂、四分裂及六分裂情況下空氣動(dòng)力參數(shù)特性：

1）對(duì)單導(dǎo)線，在測(cè)試風(fēng)速10～40m/s范圍內(nèi)，導(dǎo)線阻力系數(shù)均隨著風(fēng)速增大呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

2）對(duì)雙分裂導(dǎo)線，在10 m/s測(cè)試風(fēng)速情況下，分裂間距450～550 mm之間時(shí)，導(dǎo)線屏蔽角近似在±15°，迎風(fēng)面導(dǎo)線阻力系數(shù)和被風(fēng)面導(dǎo)線阻力系數(shù)相比較大，屏蔽效應(yīng)明顯。當(dāng)測(cè)試風(fēng)速大于20m/s時(shí)，屏蔽效應(yīng)明顯增大，屏蔽角范圍增大，迎風(fēng)面導(dǎo)線與被風(fēng)面導(dǎo)線阻力系數(shù)差異較大。

3）對(duì)四分裂導(dǎo)線，在0～180°范圍內(nèi)有3次受屏蔽影響導(dǎo)致阻力系數(shù)降低的情況，分別是90°、135°和180°左右，屏蔽角范圍擴(kuò)大至±15°內(nèi)；10m/s風(fēng)速情況下，阻力系數(shù)，由1.3降低至0.7，20 m/s風(fēng)速情況下，阻力系數(shù)由1.2降低至0.6，屏蔽效應(yīng)影響較為明顯，同樣受風(fēng)速變化產(chǎn)生影響較小。

4）對(duì)六分裂導(dǎo)線，其屏蔽角范圍基本也在±15°內(nèi)，在0～180°范圍內(nèi)有3次受屏蔽影響導(dǎo)致阻力系數(shù)降低的情況分別是120°、145°和180°左右。20m/s風(fēng)速時(shí)，型線屏蔽效應(yīng)影響和屏蔽角影響范圍大，屏蔽效應(yīng)明顯。當(dāng)測(cè)試風(fēng)速大于20m/s時(shí)，屏蔽效應(yīng)明顯增大，屏蔽角范圍增大，迎風(fēng)面導(dǎo)線與被風(fēng)面導(dǎo)線阻力系數(shù)差異較大。

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Study on Aerodynam ic Characteristicsof 1 520mm2Grade Line Conductors

SUN Tao1，ZHU Kuanjun2，ZHAO Jiangtao1，LIU Zhen2，ZHOU Lixian2，WANG Zhaolin2
（1.StatGrid Corporation of China，Beijing 100031，China；2.China Electric Power Research Institute，Beijing 102401，China）

In order to study the aerodynamic parameters and shielding effect characteristics of 1 520 mm2large cross section single conductor and iced conductor，this paper expounds the wind tunnel test for two kinds of 1 520 mm2large cross-section wire，namely the JL1X1/G2A-1520-/125-481 and JL1X1/LHA1-1040/550-487 and analyzes the test results and finally works out the wire aerodynamic parameters of the different structures under different wind velocities，providing a reliable basis for design departments.

1 520 mm2transmission line；line；aerodynamic characteristics；drag coefficient

2016-09-25。

孫 濤（1977—），男，博士，高級(jí)工程師，主要從事特高壓直流建設(shè)技術(shù)管理和輸電線路設(shè)計(jì)研究工作；

（編輯 張曉娟）

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（GCB17201400106）。

Project Supported by Science and Technology Foundation of SGCC（GCB17201400106）.

1674-3814（2017）02-0032-05

TM721

B

朱寬軍（1969—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檩斪冸姽こ探ㄔO(shè)研究等。