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)國家重點實驗室,上海200093)
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)過改進的新型同心絞導(dǎo)線具有低風(fēng)阻系數(shù)的優(yōu)異性能。
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
試驗地為同濟大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室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。考慮到風(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。
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
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,具有實際工程意義與可行性。
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。
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。
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)。
(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,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].