徐 倩, 蔡萌琦, 周林抒, 嚴(yán) 波, 王清遠(yuǎn)
(1. 西華大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院, 四川 成都 610039; 2. 成都大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院, 四川 成都 610106;3. 四川省電力工業(yè)調(diào)整試驗(yàn)所, 四川 成都 610016; 4. 重慶大學(xué) 航空航天學(xué)院, 重慶 400044;5. 四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院, 四川 成都 610065)
為解決電力供求不平衡的問題,特高壓輸電線路已被大量建成[1]。特高壓輸電線路常用于遠(yuǎn)距離輸送,由于其所處自然環(huán)境相較于普通輸電線更為復(fù)雜,因此線路覆冰的可能性更大,在風(fēng)載荷激勵(lì)下較易誘發(fā)線路舞動(dòng)[2-3]。特高壓輸電線路常采用八分裂導(dǎo)線,但復(fù)雜線路將導(dǎo)致更嚴(yán)重的舞動(dòng)問題。國內(nèi)外關(guān)于特高壓輸電線路的舞動(dòng)現(xiàn)象研究非常有限[4-5],尚不能滿足實(shí)際工程需求。近年來,國內(nèi)學(xué)者已開始進(jìn)行特高壓輸電線路舞動(dòng)機(jī)理及其防治技術(shù)的研究[2,4,6-7],但研究工作多數(shù)還處于探索階段。
研究輸電線路舞動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)是分析覆冰導(dǎo)線的空氣動(dòng)力特性。Nigol等[8-9]利用塑料模型模擬四種不同形狀覆冰,對冰厚為1.8~7.0 mm的覆冰單導(dǎo)線,通過風(fēng)洞試驗(yàn)測得風(fēng)速范圍為9.12~13.68 m/s內(nèi)的空氣動(dòng)力系數(shù)。Alonso等人[10-11]基于風(fēng)洞試驗(yàn)獲得了兩個(gè)異性結(jié)構(gòu)(三角形和菱形)的空氣動(dòng)力系數(shù),并對二維結(jié)構(gòu)的舞動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了非線性有限元分析。Chabart等人[12]利用風(fēng)洞試驗(yàn)獲得了實(shí)際冰型的覆冰單根導(dǎo)線的空氣動(dòng)力系數(shù),且通過試驗(yàn)測試了模型的舞動(dòng)現(xiàn)象。Keutgen等[13]基于試驗(yàn)結(jié)果,利用數(shù)值模擬方法對導(dǎo)線的舞動(dòng)進(jìn)行研究,以驗(yàn)證數(shù)值方法的適用性。顧明和馬文勇等人[14-15]通過風(fēng)洞試驗(yàn)測量了單導(dǎo)線在不同覆冰形狀下(準(zhǔn)橢圓形和扇形)的空氣動(dòng)力系數(shù),并基于試驗(yàn)結(jié)果,應(yīng)用有限元軟件分析了不同湍流度、風(fēng)向和冰厚等多參數(shù)對準(zhǔn)橢圓覆冰導(dǎo)線空氣動(dòng)力系數(shù)的影響[15]。王昕和樓文娟等[16]對導(dǎo)線進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn),獲得了不同湍流度下新月形和D形覆冰導(dǎo)線氣動(dòng)力系數(shù)。李萬平等[17]對特大截面覆冰導(dǎo)線進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn),獲得了導(dǎo)線的氣動(dòng)力系數(shù)。
多分裂導(dǎo)線的尾流效應(yīng)對各子導(dǎo)線的氣動(dòng)系數(shù)存在一定影響。李萬平等[18-19]為了獲得靜態(tài)和動(dòng)態(tài)下導(dǎo)線的空氣動(dòng)力系數(shù),對新月形和扇形的覆冰狀態(tài)下的三分裂導(dǎo)線進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn),并討論了子導(dǎo)線尾流對氣動(dòng)特性的影響。張宏雁和嚴(yán)波等[20]基于風(fēng)洞試驗(yàn)測試了覆冰四分裂導(dǎo)線的氣動(dòng)特性,并研究了氣動(dòng)特性隨風(fēng)速、冰型和覆冰厚度的變化。肖正直等人[21]為了測得新月形和扇形覆冰八分裂導(dǎo)線的氣動(dòng)系數(shù),對八分裂導(dǎo)線進(jìn)行了結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn),分析了不同風(fēng)攻角下導(dǎo)線的空氣動(dòng)力特性。周林抒等人[22]對均勻流作用下典型八分裂導(dǎo)線的氣動(dòng)參數(shù)進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)測量,并討論了尾流效應(yīng)對導(dǎo)線舞動(dòng)的影響。但目前尚缺乏對覆冰八分裂導(dǎo)線在不同湍流度下的氣動(dòng)參數(shù)分析。
由于受地面粗糙度的影響,越靠近地面,風(fēng)越不均勻,且湍流度越高。覆冰導(dǎo)線在高湍流度風(fēng)的作用下,舞動(dòng)將會(huì)更加復(fù)雜。目前,尚缺乏復(fù)雜湍流度下特高壓輸電線路舞動(dòng)特性的研究。本文為了獲得湍流度對各子導(dǎo)線的空氣動(dòng)力系數(shù)的影響,對新月形覆冰八分裂導(dǎo)線進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)。并在此基礎(chǔ)上,采用非線性有限元方法分析了覆冰八分裂導(dǎo)線的湍流問題,獲得了舞動(dòng)幅值隨湍流強(qiáng)度的變化規(guī)律。此外,對不同參數(shù)下的分裂導(dǎo)線進(jìn)行模擬分析,獲得了不同參數(shù)下的分裂導(dǎo)線的舞動(dòng)特性。本文的研究成果對八分裂導(dǎo)線的舞動(dòng)機(jī)理及防治技術(shù)的后續(xù)研究具有一定的參考價(jià)值。
由于新月形是比較典型的易于誘發(fā)舞動(dòng)的覆冰冰型[1],因此選取冰厚為20 mm的新月形覆冰進(jìn)行試驗(yàn)。此外,以8根直徑為30 mm的LGJ-500/35型號導(dǎo)線為試驗(yàn)?zāi)P?,且各相鄰子?dǎo)線的距離為400 mm。覆冰模型用輕木制作,原因在于輕木與覆冰的密度相差較小,為836.81 kg/m3。取導(dǎo)線的試驗(yàn)?zāi)P烷L度為800 mm,試驗(yàn)中采用實(shí)際導(dǎo)線段。制作的覆冰和導(dǎo)線試驗(yàn)?zāi)P腿鐖D1所示。
(a) 輕木冰形
(b) 導(dǎo)線模型
圖1導(dǎo)線模型Fig.1Modelofconductors
在中國空氣動(dòng)力學(xué)研究與發(fā)展中心低速所的1.4 m×1.4 m風(fēng)洞,對覆冰八分裂導(dǎo)線氣動(dòng)系數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)測量。圖2(a)所示為導(dǎo)線的試驗(yàn)布置方案,8根間距為400 mm的子導(dǎo)線垂直布置在兩圓盤之間,將每根覆冰導(dǎo)線模型垂直安裝在兩個(gè)圓形端板之間,兩個(gè)圓形端板用來確保來流的二維特性,端板外部分別通過剛性支座與風(fēng)洞上、下轉(zhuǎn)盤連接。每根子導(dǎo)線通過改變風(fēng)洞頂部的驅(qū)動(dòng)裝置來控制模型風(fēng)攻角的變化。如圖2(b)所示,α表示風(fēng)攻角,其初始值設(shè)置為0°,每轉(zhuǎn)動(dòng)5°取一組數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為0°~180°。此外,F(xiàn)L、FD分別表示導(dǎo)線所受升力、阻力,M為扭矩。設(shè)置10 m/s為導(dǎo)線的試驗(yàn)風(fēng)速。試驗(yàn)采用格柵模擬復(fù)雜湍流度環(huán)境,如圖2(c)所示。
測力導(dǎo)線模型及其天平安裝方式如圖2(d)所示。測力采用的DXTP天平通過連接板固定安裝在上、下支座上,并與測力子導(dǎo)線模型上下連接,天平外罩防風(fēng)罩。試驗(yàn)時(shí)通過同步轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤來改變模型位置與風(fēng)向角,分別測量各子導(dǎo)線的三分量力,每隔5°測量一個(gè)點(diǎn)。風(fēng)洞測控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、模型姿態(tài)角控制系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)組成。通過網(wǎng)絡(luò)控制功能實(shí)現(xiàn)對風(fēng)洞動(dòng)力系統(tǒng)、模型姿態(tài)角控制系統(tǒng)的控制和操作。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于NI-PXI構(gòu)架,采用SCXI/PXI混合機(jī)箱,該混合箱有16個(gè)靜態(tài)/動(dòng)態(tài)通道,16位A/D轉(zhuǎn)換器,靜態(tài)采集精度達(dá)0.05%。
(a) 導(dǎo)線試驗(yàn)布置方案
(b) 覆冰八分裂導(dǎo)線靜態(tài)測力試驗(yàn)系統(tǒng)
(c) 風(fēng)洞格柵
(d) 測力導(dǎo)線天平安裝方式圖
圖2覆冰八分裂導(dǎo)線靜態(tài)測力試驗(yàn)系統(tǒng)
Fig.2Statictestsystemforiced8-bundledconductor
基于試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù),由式(1)可計(jì)算得到導(dǎo)線的氣動(dòng)力參數(shù):
(1)
其中CD、CL和Cm分別表示作用在導(dǎo)線上的阻力、升力系數(shù)以及扭轉(zhuǎn)系數(shù);FD、FL與M為子導(dǎo)線所受到的阻力、升力以及扭矩;常溫下的空氣密度為ρ;子導(dǎo)線直徑為D;作用于導(dǎo)線的風(fēng)速為U;L為導(dǎo)線的有效長度。
本文測量了典型湍流度8.41%時(shí)20 mm厚度新月形覆冰八分裂導(dǎo)線各子導(dǎo)線的氣動(dòng)特性曲線,同時(shí)與均勻流時(shí)獲得的曲線作比較,結(jié)果詳見圖3。來流湍流度為8.41%、風(fēng)攻角范圍0°~60°時(shí),導(dǎo)線的阻力系數(shù)較均勻流小,在其他風(fēng)攻角時(shí),阻力系數(shù)與均勻流相差較小。此外,與均勻流中測值不同,在小攻角范圍內(nèi)時(shí),未受到尾流干擾的子導(dǎo)線1、2、7、8的升力和扭矩系數(shù)均將出現(xiàn)一個(gè)明顯的峰值。可知在兩種情況下,新月形覆冰八分裂導(dǎo)線的某些子導(dǎo)線升力、扭矩系數(shù)在某一區(qū)間內(nèi)均出現(xiàn)大幅提升,這會(huì)導(dǎo)致線路更易發(fā)生舞動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)風(fēng)攻角范圍為0°~30°時(shí),湍流對氣動(dòng)力系數(shù)有明顯的影響,該結(jié)論同文獻(xiàn)[7]相似。這主要是由于湍流對新月形覆冰導(dǎo)線氣動(dòng)特性的影響主要體現(xiàn)在兩方面:首先在整體上略微提高了氣動(dòng)系數(shù)的幅值,尤其是湍流改變了氣流經(jīng)過覆冰表面的分離點(diǎn)位置,增大了氣流與覆冰導(dǎo)線的接觸范圍;其次,湍流加劇了覆冰表面氣流的不對稱性,顯著提高了升力系數(shù)兩側(cè),尤其是左側(cè),尖峰的峰值。
(a) 子導(dǎo)線1
(b) 子導(dǎo)線2
(c) 子導(dǎo)線3
(d) 子導(dǎo)線4
(e) 子導(dǎo)線5
(f) 子導(dǎo)線6
(g) 子導(dǎo)線7
(h) 子導(dǎo)線8
另外,參考Den Hartog舞動(dòng)準(zhǔn)則[5],當(dāng)覆冰導(dǎo)線的空氣動(dòng)力系數(shù)經(jīng)由式(2)計(jì)算所得的Den Hartog系數(shù)小于0時(shí),可能導(dǎo)致導(dǎo)線發(fā)生垂直方向的舞動(dòng)。而依照Nigol舞動(dòng)準(zhǔn)則[8-9],當(dāng)覆冰導(dǎo)線的空氣動(dòng)力系數(shù)經(jīng)由式(3)計(jì)算所得的Nigol系數(shù)小于0時(shí),可能導(dǎo)致導(dǎo)線產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)方向的自激振動(dòng)。
?CL/?α+CD<0
(2)
?Cm/?α<0
(3)
由圖3所示的兩種湍流度下各子導(dǎo)線的Den Hartog系數(shù)和Nigol系數(shù)隨風(fēng)攻角的變化曲線可知,湍流度對兩種系數(shù)的影響較大。該兩種系數(shù)存在明顯差異,可說明導(dǎo)線產(chǎn)生舞動(dòng)的特性不同。
另外,由圖3可知,風(fēng)攻角在15°~30°和175°~180°的區(qū)間內(nèi)時(shí),導(dǎo)線易發(fā)生舞動(dòng)。原因是形成新月形覆冰后,在15°~30°范圍內(nèi)導(dǎo)線易受到覆冰靜扭矩的作用,在175°~180°范圍內(nèi)風(fēng)向的改變使得風(fēng)攻角與線路正交分量發(fā)生了反向。因此,新月形覆冰八分裂導(dǎo)線在覆冰形成后的初始條件下便易于發(fā)生舞動(dòng)。此外,升力系數(shù)曲線兩側(cè)尖峰峰值隨著風(fēng)場中湍流度的增加而增大。
根據(jù)文獻(xiàn)[23]所提出的舞動(dòng)數(shù)值模擬分析方法,對湍流作用下新月形覆冰八分裂導(dǎo)線的舞動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了分析。采用ABAQUS有限元軟件,釋放其空間梁單元結(jié)點(diǎn)的彎曲自由度,保留扭轉(zhuǎn)自由度,再將材料性質(zhì)設(shè)置為不可壓縮,即可獲得模擬具有扭轉(zhuǎn)自由度的覆冰導(dǎo)線索單元。單元收斂性檢查表明,導(dǎo)線單元長度取0.5 m時(shí)滿足精度要求。間隔棒簡化成正八邊形框,用空間梁單元模擬。建立的導(dǎo)線有限元模型如圖4所示。覆冰導(dǎo)線在風(fēng)載荷作用下會(huì)受到阻力FD、升力FL和扭矩M作用,其大小由下式確定:
(4)
式中:ρ為試驗(yàn)氣溫下的空氣密度,U為風(fēng)速,L為導(dǎo)線的有效長度,d為導(dǎo)線的直徑,CD、CL和Cm分別為覆冰導(dǎo)線的阻力系數(shù)、升力系數(shù)和扭矩系數(shù)。在導(dǎo)線的運(yùn)動(dòng)過程中,氣動(dòng)載荷隨風(fēng)攻角變化,不考慮扭轉(zhuǎn)變形。如文獻(xiàn)[23]所述,在ABAQUS軟件中,可利用單元用戶自定義子程序UEL實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線氣動(dòng)載荷的施加。
圖4 覆冰八分裂導(dǎo)線有限元模型Fig.4 FEM model of iced 8-bundle conductor line
有限元模型劃分為200個(gè)離散單元,單元類型為索單元,邊界條件為兩端固定,通過導(dǎo)線各結(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)力的布置?;谟邢拊浖M導(dǎo)線的舞動(dòng)現(xiàn)象時(shí),常采用圓形截面來等效覆冰導(dǎo)線的真實(shí)截面,以減少運(yùn)算時(shí)間。在此過程中應(yīng)保證兩者的扭轉(zhuǎn)剛度、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、軸向剛度、單位長度質(zhì)量的值滿足下列表達(dá)式:
E′πd′2/4=EA,ρ′πd′2/4=μ,
G′πd′4/32=GI,ρ′πd′4/32=J
(5)
其中參數(shù)E′、G′、ρ′和d′各代表等效圓形截面的彈性模量、剪切模量、密度和直徑。由表1數(shù)據(jù)聯(lián)立式(4)可解出各參數(shù)值,如表2所示。
表1 覆冰導(dǎo)線的力學(xué)參數(shù) Table 1 Mechanics parameters of iced conductors
表2 覆冰導(dǎo)線等效物理參數(shù)Table 2 Equivalent physical parameters of iced conductors
如2.3節(jié)所示,湍流度的不同將會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線的空氣動(dòng)力系數(shù)存在較大的不同。本文采用非線性有限元方法,分析了湍流度對新月形覆冰八分裂導(dǎo)線舞動(dòng)的影響。選取八分裂導(dǎo)線的覆冰厚度為20 mm,典型線路檔距取值為300 m,風(fēng)攻角20°,風(fēng)速10 m/s。圖5為湍流度0%和8.41%的覆冰八分裂導(dǎo)線各子導(dǎo)線中點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡,圖6表示該兩種湍流度下子導(dǎo)線6中點(diǎn)位移時(shí)程及扭轉(zhuǎn)角度時(shí)程圖。由圖5可知,子導(dǎo)線的運(yùn)動(dòng)軌跡均為細(xì)長橢圓狀,導(dǎo)線所受湍流度的增加,均將致使各子導(dǎo)線的振動(dòng)幅值明顯增大,表明大湍流度情況更易誘發(fā)線路舞動(dòng)。由圖6可知湍流度的增加會(huì)致使導(dǎo)線起舞的時(shí)間明顯減少,說明湍流度增加將導(dǎo)致線路更易發(fā)生舞動(dòng)。
(a) 湍流度0%
(b) 湍流度8.41%
已有的四分裂導(dǎo)線舞動(dòng)的研究表明風(fēng)速對導(dǎo)線舞動(dòng)有一定的影響?;陲L(fēng)洞試驗(yàn)所獲得的氣動(dòng)系數(shù),運(yùn)用有限元方法研究了風(fēng)速對覆冰八分裂線路舞動(dòng)的影響。圖7詳細(xì)比較了檔距300 m、湍流度8.41%、風(fēng)攻角20°、典型風(fēng)速(6m/s、8m/s、10 m/s及12m/s)時(shí)線路檔距中點(diǎn)的各子導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)軌跡??梢园l(fā)現(xiàn),不同風(fēng)速下子導(dǎo)線的舞動(dòng)幅值差異較小,原因在于在湍流作用下線路發(fā)生了振蕩。且隨著風(fēng)速的增加,子導(dǎo)線垂直方向的振動(dòng)幅值變化較小,但水平振動(dòng)幅值逐漸增大。
(a) 湍流度0%
(b) 湍流度8.41%
(a) 風(fēng)速6 m/s
(b) 風(fēng)速8 m/s
(d) 風(fēng)速12 m/s
與此同時(shí),子導(dǎo)線的振動(dòng)軌跡逐漸不規(guī)則,且呈現(xiàn)多個(gè)振動(dòng)頻率疊加情況(見Vwind=12m/s)。對比圖8子導(dǎo)線振動(dòng)時(shí)程曲線的頻譜分析可知,風(fēng)速較高時(shí),會(huì)激發(fā)線路振動(dòng)的高階振動(dòng)模態(tài)。
(a) 風(fēng)速6 m/s
(b) 風(fēng)速8 m/s
(c) 風(fēng)速10 m/s
(d) 風(fēng)速12 m/s
由2.2節(jié)可知,不同風(fēng)攻角下導(dǎo)線的空氣動(dòng)力系數(shù)不同。且對新月形覆冰而言,不穩(wěn)定攻角范圍為15°~60°和120°~180°,但實(shí)際情況下,線路初始風(fēng)攻角出現(xiàn)大于90°的情況極少。因此選取20°和60°兩個(gè)典型風(fēng)攻角進(jìn)行研究分析。由圖9可知,同一湍流度與風(fēng)速下,風(fēng)攻角不同時(shí),導(dǎo)線的振動(dòng)幅值有著顯著區(qū)別。風(fēng)攻角為60°時(shí),八分裂導(dǎo)線舞動(dòng)的水平與垂直幅值均遠(yuǎn)大于風(fēng)攻角為20°時(shí)的幅值。同時(shí)可以看出,大湍流度情況下,導(dǎo)線起舞的風(fēng)攻角范圍明顯增多。
(a) 垂直振幅
(b) 水平振幅
根據(jù)已有對導(dǎo)線舞動(dòng)現(xiàn)象的相關(guān)研究,可知檔距的不同能導(dǎo)致分裂導(dǎo)線舞動(dòng)幅值發(fā)生變化。選取湍流度0%、風(fēng)速10 m/s、風(fēng)攻角為20°的新月形覆冰八分裂為研究對象,檔距分別為300 m、400 m和500 m?;谠囼?yàn)數(shù)據(jù)和有限元方法進(jìn)行檔距對覆冰八分裂導(dǎo)線舞動(dòng)的影響研究。表3為不同檔距下覆冰八分裂導(dǎo)線數(shù)值分析結(jié)果。由表3可知,覆冰八分裂導(dǎo)線的垂直與水平方向的舞動(dòng)幅值隨著導(dǎo)線檔距的增加均明顯增大。
表3 不同檔距下覆冰八分裂導(dǎo)線的舞動(dòng)最大幅值Table 3 Maximum galloping amplitude of the eight bundle conductors under different spans
基于風(fēng)洞試驗(yàn)所獲得的新月形覆冰八分裂導(dǎo)線的氣動(dòng)系數(shù),利用有限元軟件模擬分析了不同湍流度、風(fēng)速及風(fēng)攻角等工況下覆冰八分裂導(dǎo)線的舞動(dòng)幅值。得到如下結(jié)論:
(1) 湍流與均勻流作用下的新月形覆冰八分裂導(dǎo)線氣動(dòng)特性相比,湍流作用下某些子導(dǎo)線升力、扭矩系數(shù)會(huì)局部突增。此外,風(fēng)攻角的不同,會(huì)致使湍流對各子導(dǎo)線的空氣動(dòng)力系數(shù)影響存在較為顯著的區(qū)別。
(2) 湍流與均勻流作用下導(dǎo)線的運(yùn)動(dòng)軌跡均為橢圓狀,且各子導(dǎo)線的振動(dòng)幅值相差較小。湍流作用下更易誘發(fā)線路舞動(dòng),且易導(dǎo)致線路的起舞風(fēng)攻角增多。
(3) 舞動(dòng)的水平幅值隨著風(fēng)速的增加而明顯增加,且高風(fēng)速會(huì)激發(fā)線路振動(dòng)的高階振動(dòng)模態(tài);隨著風(fēng)攻角的變化,導(dǎo)線舞動(dòng)幅值存在明顯差異;線路舞動(dòng)的垂直與水平幅值均隨著檔距的增大而明顯提高。
本文對不同湍流度下覆冰八分裂線路舞動(dòng)的影響規(guī)律的研究結(jié)果,可對線路舞動(dòng)分析和防舞起到參考作用,可以用于指導(dǎo)八分裂線路實(shí)際工程設(shè)計(jì)。