歐陽克儉，陳紅冬，劉純，龍毅，胡彬

(湖南省電力公司科學研究院，湖南 長沙410007)

覆冰導線在風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行的危害十分嚴重，如線路頻繁跳閘與停電、導線的磨損、燒傷與斷線，金具的損壞等。導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)的大強度、大范圍低溫雨雪冰凍天氣，導致湖南、江西、安徽、湖北等地的電網(wǎng)發(fā)生倒塔、斷線、舞動、覆冰閃絡等多種災害〔4〕。受災區(qū)域內(nèi)626 條500 kV 線路，累計停運119 條，停運率19.01%;3 658 條220 kV 線路，累計停運343 條，停運率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，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線覆冰機理及覆冰導線的氣動力特性研究是十分必要的〔7－8〕。

鑒于八分裂覆冰導線風場擾流機理復雜，常規(guī)的風洞試驗很難精細探明其干擾機理。PIV 風洞試驗雖然能從微觀層面分析擾流特性，但試驗過程復雜，設備昂貴，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線進行了覆冰前后的風場特性對比，探明了八分裂覆冰導線擾流的微觀機理。

1 計算區(qū)域及邊界條件

本文CFD 計算選取導線型號為LGJ630/45，未覆冰的單導線直徑d 為Φ33.6 mm，八分裂導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。單導線和八分裂導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。八分裂覆冰導線數(shù)值計算域外邊界的選取類似覆冰單導線。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 單導線計算網(wǎng)格

首先在導線表面設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。離導線表面最近的網(wǎng)格間距為0.001d。單導線網(wǎng)格總數(shù)約為3.0 萬。圖2 為單導線的整體、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 新月形覆冰單導線網(wǎng)格圖

圖3 新月形覆冰單導線Y+值

2.2 八分裂導線計算網(wǎng)格

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

圖5 新月形覆冰八分裂導線壁面的Y+

3 三分力系數(shù)定義和結(jié)果

覆冰八分裂導線風軸坐標系下的三分力系數(shù)的定義如下:

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

表1 為單導線覆冰厚度分別為10 cm 和20 cm不同攻角對應的三分力系數(shù)，覆冰厚度為10 cm時，0°攻角對應的阻力系數(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。對應于0°攻角存在明顯的漩渦脫落，且在覆冰的最下端對應的分離流速最大。

表1 新月形覆冰單導線的三分力系數(shù)

圖6 新月形覆冰單導線的瞬時壓力云圖

圖7 新月形覆冰單導線的瞬時速度云圖

表2 為八分裂導線覆冰厚度分別為10 cm 和20 cm 不同攻角對應的三分力系數(shù)，覆冰厚度為10 cm時，同樣0°攻角對應的阻力系數(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)對應攻角依然為0°。圖8 和圖9分別為覆冰八分裂導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線的瞬時壓力云圖

表2 新月形覆冰八分裂導線的三分力系數(shù)

圖9 新月形覆冰八分裂導線的瞬時速度云圖

4 結(jié)論

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

2)通過覆冰導線的CFD 數(shù)值仿真計算表明，覆冰單導線和普通的標準圓形截面對應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)八分裂導線的風場擾流特性較覆冰單導線更加復雜，相應的阻力系數(shù)不是依擋風面積的增加而成倍數(shù)增加。和舞動行為關系緊密的升力系數(shù)絕對值較單導線更大，表明八分裂導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〔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理〔J〕． 電網(wǎng)技術，2008，32(5):7-11．

〔5〕李再華，白曉民，周子冠，等． 電網(wǎng)覆冰防治方法和研究進展〔J〕． 電網(wǎng)技術，2008，32(4):7-22．

〔6〕楊靖波，李正，楊鳳利，等． 2008年電網(wǎng)冰災覆冰及倒塔特征分析〔J〕． 電網(wǎng)與水力發(fā)電進展，2008，24(4):4-8．

〔7〕常浩，石巖，殷威揚，等． 交直流線路融冰技術研究〔J〕．電網(wǎng)技術，2008，32(5):1-6．

〔8〕蔣興良，馬俊，王少華，等． 輸電線路冰害事故分析及原因分析〔J〕． 中國電力，2005，38(11):27-30．