沈國輝 包玉南 錢程 郭勇 宋剛

摘? ?要：采用風(fēng)洞試驗(yàn)方法研究角度風(fēng)作用下多分裂導(dǎo)線的干擾效應(yīng)和體型系數(shù)，對比不同風(fēng)速和湍流度導(dǎo)線和同直徑圓柱的阻力系數(shù)，獲得不同風(fēng)向角下多分裂導(dǎo)線的子線和整體的阻力系數(shù)，并與規(guī)范及他人結(jié)果進(jìn)行對比. 研究表明，高風(fēng)速下導(dǎo)線的阻力系數(shù)比光滑圓柱小13%，說明絞線外形可以減小圓柱的阻力系數(shù);子線之間存在前后遮擋效應(yīng)時后方子線的阻力系數(shù)顯著減小，子線間距越小時阻力系數(shù)越小;存在顯著干擾效應(yīng)的風(fēng)向角下多分裂導(dǎo)線的整體阻力系數(shù)較小;直徑23.94 mm、間距400 mm的多分裂導(dǎo)線阻力系數(shù)包絡(luò)建議值為：1.02（單導(dǎo)線和二分裂）、1.00（四分裂）、0.97（六分裂）、0.93（八分裂）.

關(guān)鍵詞：多分裂導(dǎo)線;阻力系數(shù);風(fēng)洞試驗(yàn);子導(dǎo)線;風(fēng)向角

中圖分類號：TU312.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Interference Effect and Drag Coefficients of

Multi-bundled Conductors under Skewed Azimuths

SHEN Guohui1?，BAO Yunan1，QIAN Cheng1，GUO Yong2，SONG Gang2

（1. College of Civil Engineering and Architecture，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China;

2. Zhejiang Electric Power Design Institute Company Limited，Hangzhou 310012，China）

Abstract：Wind tunnel testing methods were employed to study the interference effect and drag coefficients of multi-bundled conductors under various azimuths. Drag coefficients of isolated conductor and circular cylinder with the same diameter were compared under various wind velocities and turbulence intensities. The drag coefficients of sub-conductor and total drag coefficients of multi-bundled conductor were obtained and their results are compared with those obtained from Codes and other researchers. The results show that the drag coefficient of the isolated conductor is 13% less than that of the circular cylinder under high velocity， indicating that the twisted shape can reduce the drag coefficient of the circular cylinder. When two sub-conductors are in front-back arrangement， the drag coefficient of the back sub-conductor decreases significantly， and the less distance between them， the more the drag coefficient decreases. The total drag coefficient of multi-bundled conductors is small under certain azimuth when the significant interference effect is considered. The enveloped drag coefficients of multi-bundled conductors with 23.94 mm in diameter and 400 mm in distance are recommended as 1.02， 1.00， 0.97 and 0.93 for isolated conductor， two-bundled conductor， four-bundled conductor， six-bundled conductor and eight-bundled conductor， respectively.

Key words：multi-bundled conductors;drag coefficient;wind tunnel test;sub-conductor;wind azimuth

特高壓輸電線路中大量使用了多分裂導(dǎo)線，多分裂導(dǎo)線與單導(dǎo)線相比具有不同的氣動力系數(shù)，上風(fēng)向的子導(dǎo)線對下風(fēng)向的子導(dǎo)線產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)，會造成多分裂導(dǎo)線整體阻力系數(shù)的降低. 針對多分裂導(dǎo)線的這個特性，國內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了一些研究.

通常采用測力風(fēng)洞試驗(yàn)方法研究導(dǎo)線的阻力系數(shù). 對于單導(dǎo)線，李名珍等[1]研究了低風(fēng)壓導(dǎo)線的阻力系數(shù);黨朋等[2]獲得了新型同心絞導(dǎo)線的阻力系數(shù);晏致濤等[3]分析了表面粗糙度對導(dǎo)線風(fēng)荷載的影響. 對于多分裂導(dǎo)線，樓文娟等[4]研究單根子線的干擾效應(yīng)和阻力系數(shù)特征;謝強(qiáng)等[5]、左太輝等[6]分別給出了多分裂導(dǎo)線的干擾效應(yīng)和子導(dǎo)線之間的屏蔽效應(yīng);試驗(yàn)表明多分裂導(dǎo)線的整體阻力系數(shù)均小于規(guī)范取值[7-12]. 現(xiàn)場測試方面，Shan等[13]提出單導(dǎo)線現(xiàn)場實(shí)測方法，并與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較;Pan等[14]提出了利用汽車相對風(fēng)速來獲得覆冰導(dǎo)線阻力系數(shù)的測試方法，給出了覆冰導(dǎo)線的阻力系數(shù). 各國規(guī)范[15-20]均給出了單根導(dǎo)線的阻力系數(shù)，但對于多分裂導(dǎo)線未做規(guī)定.

本文針對23.94 mm直徑、400 mm間距的多分裂導(dǎo)線阻力系數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的研究，分析風(fēng)速和湍流度對單導(dǎo)線阻力系數(shù)的影響，對比同直徑光滑圓柱的阻力系數(shù)以分析表面粗糙度的影響，給出二、四、六、八分裂導(dǎo)線的子導(dǎo)線和整體阻力系數(shù)，并與規(guī)范和他人結(jié)果進(jìn)行對比，最后給出角度風(fēng)作用下多分裂導(dǎo)線整體阻力系數(shù)的建議值.

1? ?試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃脱芯抗r

針對LGJ 300/40導(dǎo)線進(jìn)行研究，外徑為23.94 mm，子線直徑為3.99 mm，節(jié)徑比為12，分裂間距為400 mm. 制作1 ∶ 1的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，長度為800 mm，內(nèi)芯采用輕質(zhì)木材，外表面纏繞圓形泡沫條，泡沫條的直徑、節(jié)徑比和實(shí)物一致，以模擬導(dǎo)線的表面粗糙度. 進(jìn)行單導(dǎo)線和二、四、六、八分裂情況的風(fēng)洞試驗(yàn)，試驗(yàn)風(fēng)向角如圖1所示. 圖中涂黑的子導(dǎo)線為進(jìn)行氣動力測試的子導(dǎo)線，不同分裂數(shù)的不同風(fēng)向角間隔設(shè)置主要是為了體現(xiàn)子導(dǎo)線之間的干擾效應(yīng).

在浙江大學(xué)ZD-1風(fēng)洞中進(jìn)行測試，試驗(yàn)段截面為4 m × 3 m. 將試驗(yàn)平臺墊高20 cm，超過了風(fēng)洞地板的黏滯層厚度;在模型頂部放置蓋板，用來形成模型試驗(yàn)的二維流場. 單導(dǎo)線和多分裂導(dǎo)線的風(fēng)洞試驗(yàn)情況如圖2所示. 測力天平采用德國ME-SYSTEM公司生產(chǎn)的高頻底座測力天平，量程為Fxy = 20 N、Fz = 40 N、Txyz = 4 N·m，測量精度為0.3% F.S.

進(jìn)行直徑24 mm光滑圓柱的測力試驗(yàn)，以分析表面粗糙度對阻力系數(shù)的影響. 為了分析湍流度對阻力系數(shù)的影響，還進(jìn)行了4%、8%和12%均勻湍流場的風(fēng)洞試驗(yàn). 均勻湍流場通過多功能尖劈隔柵組合裝置生成，風(fēng)洞獲得的平均風(fēng)速U和湍流度剖面Iu沿風(fēng)洞高度H的變化如圖3所示，可知風(fēng)洞中均勻流和均勻湍流場模擬精度很高.

導(dǎo)線阻力系數(shù)CD和升力系數(shù)CL的計算公式如下：

式中：FD和FL分別為天平測試獲得的順風(fēng)向阻力和橫風(fēng)向升力;A為所有桿件的面積（直徑與長度的乘積）之和;v為來流風(fēng)速;ρ為空氣密度.

2? ?單導(dǎo)線和光滑圓柱的阻力系數(shù)

單導(dǎo)線的阻力系數(shù)如圖4所示，可知：1）均勻流下，單導(dǎo)線阻力系數(shù)隨風(fēng)速增加呈緩慢減小的趨勢，25 m/s風(fēng)速下的阻力系數(shù)為1.02;2）均勻湍流場下，小風(fēng)速情況均勻湍流場下的阻力系數(shù)大于均勻流，但當(dāng)風(fēng)速接近15 m/s時，導(dǎo)線在均勻湍流場和均勻流的阻力系數(shù)比較接近，因此可以認(rèn)為高風(fēng)速下湍流度對單導(dǎo)線阻力系數(shù)的影響并不顯著.

光滑圓柱的阻力系數(shù)如圖5所示，可知：1）均勻流下，光滑圓柱阻力系數(shù)隨風(fēng)速增加呈緩慢增大再呈不變的趨勢，25 m/s風(fēng)速時阻力系數(shù)為1.17;2）均勻湍流場下，小風(fēng)速情況阻力系數(shù)大于均勻流;當(dāng)風(fēng)速接近15 m/s時，光滑圓柱的阻力系數(shù)與均勻流接近，可見，高風(fēng)速下湍流度對光滑圓柱阻力系數(shù)的影響不大.

對比圖4和圖5可知：1）25 m/s風(fēng)速下，單導(dǎo)線的阻力系數(shù)1.02比光滑圓柱的阻力系數(shù)1.17小了13%，絞線外形可以減小圓柱的阻力系數(shù);2）當(dāng)風(fēng)速較大（如大于15 m/s）時，湍流度對單導(dǎo)線和光滑圓柱阻力系數(shù)的影響并不顯著，因此在后面的多分裂導(dǎo)線阻力系數(shù)研究中，不再考慮湍流度的影響.

3? ?多分裂導(dǎo)線的阻力系數(shù)

3.1? ?多分裂導(dǎo)線單根子線的阻力系數(shù)

各分裂導(dǎo)線單根子線的阻力系數(shù)隨風(fēng)向角α的變化如圖6所示，可知：1）子線的阻力系數(shù)隨著風(fēng)速的增加呈減小趨勢;2）對于二分裂導(dǎo)線，180°風(fēng)向出現(xiàn)最大的遮擋效應(yīng);3）對于四分裂導(dǎo)線，135°風(fēng)向出現(xiàn)最大的遮擋效應(yīng)，180°風(fēng)向出現(xiàn)較大的遮擋效應(yīng);4）對于六分裂導(dǎo)線，120°風(fēng)向出現(xiàn)最大的遮擋效應(yīng)，150°風(fēng)向遮擋效應(yīng)次之，180°風(fēng)向遮擋效應(yīng)再次之;5）對于八分裂導(dǎo)線，112.5°風(fēng)向發(fā)生最大的遮擋，135°、157.5°和180°風(fēng)向的遮擋效應(yīng)依次減弱;6）對于非遮擋效應(yīng)的風(fēng)向角，單導(dǎo)線的阻力系數(shù)變化不大.

圖7給出了多分裂導(dǎo)線干擾效應(yīng)最顯著的風(fēng)向角順序，用第1～4干擾來體現(xiàn)干擾程度，可知：1）在干擾效應(yīng)顯著的風(fēng)向角，單根子導(dǎo)線的阻力系數(shù)均出現(xiàn)較小值;2）出現(xiàn)前后遮擋效應(yīng)的風(fēng)向，后方子線的阻力系數(shù)會顯著減小，且子導(dǎo)線間距越小遮擋效應(yīng)越顯著，如八分裂導(dǎo)線，112.5°、135°、157.5°和180°風(fēng)向角子線距離分別為400 mm、739 mm、966 mm、1 045 mm，25 m/s風(fēng)速下子線的阻力系數(shù)分別為0.71、0.74、0.80和0.79.

3.2? ?多分裂導(dǎo)線整體阻力系數(shù)和升力系數(shù)

多分裂導(dǎo)線整體的阻力系數(shù)和升力系數(shù)如圖8所示，可知：1）所有工況的升力系數(shù)很小;2）根據(jù)對稱性，二分裂導(dǎo)線阻力系數(shù)關(guān)于90°風(fēng)向?qū)ΨQ，四分裂導(dǎo)線阻力系數(shù)關(guān)于45°、90°風(fēng)向?qū)ΨQ，六分裂導(dǎo)線阻力系數(shù)關(guān)于30°、60°、90°風(fēng)向?qū)ΨQ，八分裂導(dǎo)線阻力系數(shù)關(guān)于22.5°、45°、67.5°、90°風(fēng)向?qū)ΨQ;3）多分裂導(dǎo)線整體阻力系數(shù)隨著風(fēng)速的增加呈減小趨勢;4）遮擋效應(yīng)顯著的風(fēng)向下分裂導(dǎo)線整體阻力系數(shù)存在谷值，遮擋效應(yīng)顯著的風(fēng)向角有：0°風(fēng)向（二分裂）;0°、45°、90°風(fēng)向（四分裂）;0°、30°、60°、90°風(fēng)向（六分裂）;0°、22.5°、45°、67.5°、90°風(fēng)向（八分裂）.

4? ?試驗(yàn)結(jié)果與以往結(jié)果的對比

4.1? ?單分裂導(dǎo)線的阻力系數(shù)對比

圖9給出了均勻流下單導(dǎo)線的阻力系數(shù)和比較，可知：1）本文結(jié)果隨風(fēng)速的變化規(guī)律與其他文獻(xiàn)非常接近，在10～15 m/s風(fēng)速范圍內(nèi)阻力系數(shù)較大，然后隨著風(fēng)速增大呈減小趨勢，在高風(fēng)速下趨于穩(wěn)定;2）25 m/s風(fēng)速下本文結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果非常接近，均約為1.0;3）與25 m/s風(fēng)速結(jié)果相比，BS規(guī)范[20]建議值偏大，GB 50545規(guī)范[15]建議值稍大，而ASCE[17]、IEC 60826[18]、EN 50341-1[19]和DL/T 5551規(guī)范[16]的建議值和試驗(yàn)結(jié)果比較接近.

4.2? ?多分裂導(dǎo)線整體阻力系數(shù)的對比

圖10給出了均勻流多分裂導(dǎo)線的整體阻力系數(shù)及其比較，由圖可知：1）本文結(jié)果隨風(fēng)速的變化規(guī)律與文獻(xiàn)結(jié)果非常接近，即隨著風(fēng)速的增大呈減小趨勢，在高風(fēng)速下趨于穩(wěn)定;2）對于四、六、八分裂導(dǎo)線，本文結(jié)果比其他文獻(xiàn)結(jié)果偏大，其原因主要為本文試驗(yàn)導(dǎo)線直徑（直徑23.94 mm）較小，而文獻(xiàn)[5-11]的導(dǎo)線直徑為27.60 mm和33.60 mm，在前后子導(dǎo)線干擾情況下，可以預(yù)見，子導(dǎo)線直徑越大，對后方子導(dǎo)線的干擾效應(yīng)越顯著，導(dǎo)致后方子導(dǎo)線的阻力系數(shù)較小.

5? ?多分裂導(dǎo)線整體阻力系數(shù)建議值

考慮實(shí)際導(dǎo)線的設(shè)計風(fēng)速，以25 m/s均勻流風(fēng)速的測試結(jié)果作為建議值，即針對直徑23.94 mm、間距400 mm的多分裂導(dǎo)線，其阻力系數(shù)在各風(fēng)向下的建議值如圖11所示. 可知：1）多分裂導(dǎo)線阻力系數(shù)隨著風(fēng)向角變化存在顯著的對稱性，其中四、六、八分裂導(dǎo)線分別關(guān)于45°、30°和22.5°風(fēng)向?qū)ΨQ;2）對于存在干擾效應(yīng)的風(fēng)向角，其整體阻力系數(shù)小于不存在干擾效應(yīng)風(fēng)向的數(shù)據(jù);3）隨著分裂數(shù)的增加，多分裂導(dǎo)線整體體型系數(shù)呈減小趨勢;4）試驗(yàn)獲得的阻力系數(shù)均小于GB 50545的數(shù)據(jù).

從圖11的阻力系數(shù)中取出最大值和最小值如圖12所示，可知：1）多分裂導(dǎo)線阻力系數(shù)最大值對應(yīng)于干擾不顯著的工況，隨著分裂數(shù)的增加最大值呈減小趨勢;2）多分裂導(dǎo)線阻力系數(shù)最小值對應(yīng)于干擾最顯著的工況，最小值與導(dǎo)線分裂數(shù)的關(guān)系并不大;3）保守起見，直徑23.94 mm、間距400 mm的多分裂導(dǎo)線阻力系數(shù)建議值：單導(dǎo)線和二分裂導(dǎo)線為1.02，四分裂導(dǎo)線為1.00，六分裂導(dǎo)線為0.97，八分裂導(dǎo)線為0.93.

6? ?結(jié)? ?論

針對23.94 mm直徑、400 mm間距的多分裂導(dǎo)線阻力系數(shù)進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下：

1）高風(fēng)速下單導(dǎo)線的阻力系數(shù)比光滑圓柱的阻力系數(shù)小13%，絞線外形可減小圓柱的阻力系數(shù);風(fēng)速較大時湍流度對單導(dǎo)線和光滑圓柱的阻力系數(shù)影響很小.

2）單根子導(dǎo)線的阻力系數(shù)隨著風(fēng)速的增加呈減小趨勢;子線間的氣動干擾效應(yīng)非常明顯，只要出現(xiàn)前后遮擋效應(yīng)，后方子線的阻力系數(shù)會顯著減小.

3）多分裂導(dǎo)線整體阻力系數(shù)隨著風(fēng)速的增加呈減小趨勢;在遮擋效應(yīng)顯著的風(fēng)向角下分裂導(dǎo)線總的阻力系數(shù)存在谷值.

4）對于各種分裂導(dǎo)線，本文結(jié)果比其他文獻(xiàn)結(jié)果偏大，其原因主要為本文試驗(yàn)導(dǎo)線直徑較小，在前后干擾情況下導(dǎo)線直徑越小，干擾效應(yīng)越不顯著.

5）給出了各風(fēng)向角多分裂導(dǎo)線整體阻力系數(shù)的建議值;阻力系數(shù)隨著風(fēng)向角存在顯著的對稱性，四、六、八分裂導(dǎo)線分別關(guān)于45°、30°和22.5°風(fēng)向?qū)ΨQ; 23.94 mm直徑、400 mm間距多分裂導(dǎo)線阻力系數(shù)包絡(luò)值建議為：單導(dǎo)線和二分裂導(dǎo)線為1.02;四分裂導(dǎo)線為1.00;六分裂導(dǎo)線為0.97;八分裂導(dǎo)線為0.93.

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