蔣正龍，趙純，孫利朋，胡建平，吳偉，王博聞

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司防災減災中心，國網(wǎng)輸變電設備防冰減災技術實驗室，湖南長沙410000；2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

覆冰實驗均勻風場形成方法研究

蔣正龍1，趙純1，孫利朋2，胡建平1，吳偉1，王博聞1

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司防災減災中心，國網(wǎng)輸變電設備防冰減災技術實驗室，湖南長沙410000；2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

本文基于自由射流理論，介紹了在氣候人工模擬室試驗設備表面形成均勻風的實現(xiàn)方法，通過吹風、吹—吸風和吸風3種方式的仿真計算以及冰風洞縮比試驗，建成了一種帶低能耗冰風洞氣候人工模擬室并實測了試驗區(qū)風速大小及均勻性，實現(xiàn)了試驗區(qū)風速在0～10 m/s可以自由調節(jié)，風速穩(wěn)定，試驗區(qū)各點差異小，能耗低，對氣候人工模擬室內低溫環(huán)境無影響，滿足輸變電設備表面覆冰試驗對風的要求，為研究風對輸變電設備表面覆冰的影響及覆冰增長規(guī)律提供了技術支持平臺。

冰風洞；風速；氣候人工模擬室；自由射流理論；覆冰

中等程度及以上的雨雪冰凍是輸電工程中十分嚴重的自然災害之一，設備表面覆冰事故極大地危害著電網(wǎng)運行安全〔1－7〕。為研究覆冰災害對電網(wǎng)的影響，目前部分國家建立了輸變電設備氣候人工模擬室，并進行了大量試驗、獲得了大量的人工覆冰數(shù)據(jù)〔7－10〕，加快了覆冰研究的進程，為覆冰災害研究和電網(wǎng)防冰減災提供了技術支持。自然雨雪冰凍環(huán)境條件下輸變電設備表面覆冰與環(huán)境風速有關〔2，11－13，18〕，但在氣候人工模擬室內被試設備表面形成均勻風覆冰難度較大，目前的電網(wǎng)人工覆冰研究是在無風的條件下進行的，國內外已有的研究表明〔14－21〕:形成的覆冰形態(tài)與自然界線路覆冰有一定的差異。這也是人工覆冰和自然覆冰之間的主要區(qū)別之一，同時風對覆冰增長機理的研究還處在理論研究階段，沒有進行有效的試驗驗證和量化研究。

本文基于自由射流理論，結合氣候人工模擬室建立了冰風洞仿真模型，仿真分析了吹風、吸風和吹—吸風3種模式下的試驗區(qū)風速分布情況，通過縮比搭建了氣候人工模擬室縮比風洞并進行模擬測試，對仿真結果的吹風方式進行了的實測驗證，同時通過風機參數(shù)選擇和風管內部結構設計方式進行了研究和試驗論證，根據(jù)研究成果建成了帶冰風洞的氣候人工模擬室，對室內試驗區(qū)風速和溫度的大小、均勻性和穩(wěn)定性進行了實測，性能滿足人工覆冰試驗要求，具備開展風對覆冰、融冰研究的能力。

1 具有冰風洞的氣候人工模擬室結構設計

根據(jù)目前對自然覆冰的研究〔10－18〕來看，自然覆冰的風速一般不會很大，覆冰易增長的主要風速分布區(qū)間為3～7 m/s，過小的風速影響極小，過大的風速反而不易引起設備表面覆冰，因此在氣候人工模擬室內建立低速冰風洞，其風速主要區(qū)間應是3～7 m/s。

國家電網(wǎng)公司輸變電設備防冰減災技術實驗室設計的具有低速冰風洞氣候人工模擬室凈空尺寸為17.5 m(長)×9.5 m(寬)×8.6 m(高)，如圖1所示，墻面為鋼筋水泥結構，采用內保溫方式，六面保溫層厚度均為15 mm，室內由試驗區(qū)、冰風洞兩部分組成，風在冰風洞內循環(huán)流動，循環(huán)方式為:風從風機吹出，經(jīng)風管中的導流板和阻尼網(wǎng)轉向并均勻處理后，進入設備試驗區(qū)，再經(jīng)回風口轉向后回到冰風洞的熱交換區(qū)，通過熱交換區(qū)再回到風機，實現(xiàn)風的循環(huán)。制冷設備的熱交換器安置在冰風洞內進行熱量交換，風機運行中產(chǎn)生的熱能、風循環(huán)時冰風洞內風阻產(chǎn)生的熱量通過熱交換器帶走，保持室內溫度均勻穩(wěn)定。其中設備試驗區(qū)的凈空尺寸是4.5 m(長)×4.5 m(寬)×6.5 m (高)，設備試驗區(qū)上部設置1.5 m高靜壓層并在該層內安裝滿足3 t重物懸掛的電動懸掛裝置，可以滿足220 kV及以下電壓等級被試品和更高電壓等級短樣被試品的試驗需求，最大風速超過10 m/s。實現(xiàn)了在懸式絕緣子的試驗區(qū)(離地高度3.5 m，以試驗區(qū)中心軸為中心的1.5 m(長)×1.5 m(寬)× 2.5 m(高)區(qū)域的柱體)形成在3～7 m/s內可自由調節(jié)，且穩(wěn)定度為±0.5 m/s，均勻度為±0.5 m/s的均勻風速場，風口距離絕緣子懸掛點不小于1.5 m。

圖1 帶冰風洞氣候人工模擬室平面布置圖

2 冰風洞的數(shù)值仿真計算

2.1 模型的原理

根據(jù)自由射流理論，空氣從噴口處射流出后，會形成射流核心區(qū)和混合區(qū)，核心區(qū)內流體流動速度與出口速度基本一致，但隨著射流距離的增大，核心區(qū)逐漸收縮，直至完全消失，而混合區(qū)則是收到包圍在核心區(qū)外面的一部分流體與外界流體作用，導致速度降低，而形成的一個區(qū)域，該區(qū)域隨射流距離的增大而呈擴大趨勢，且速度呈遞減趨勢，直至與外界空氣速度基本相等。因此為保證試驗區(qū)的風速均勻穩(wěn)定，必須使試驗區(qū)處于自由射流的核心區(qū)。射流分布方式如圖2所示。

圖2 射流結構分布圖

2.2 模型建立

本風洞設計的最大風速是10 m/s，模型的計算按最大風速來核實。為了獲得有效、經(jīng)濟的實驗方案，分別針對吹風、吸風以及吹—吸風3種典型的方案進行數(shù)值模擬，考察其中心試驗區(qū)的風速大小和均勻性。與圖1中的吹風方式相比，吸風方式去掉了吹風機和風管，而在回風口處增加1臺吸風機；吹—吸風方式在回風口處增加1臺吸風機。在模型計算中，假設:

①由于空氣經(jīng)過風機、阻尼網(wǎng)、風管后以均勻的風速進行送風，因此在數(shù)值模擬的邊界條件選取時，直接將風管出風口作為速度入口，不考慮空氣進入出風口前的風速變化過程，其中出風口為2.0 m (寬)×3.0 m(高)的長方形；

②回風口出口為3.5 m(寬)×6.0 m(高)的長方形，外部導流板對試驗區(qū)的風速影響不大，因此在計算過程中未考慮。

為減少計算量，文中采用二維直角坐標進行計算。

①連續(xù)性方程:

運動方程:

②狀態(tài)方程:

由于模型中的風速風量較大，采用k－ε湍流模型。

湍動能k方程:

③耗散率ε方程:

④邊界條件:將送風口按速度界面處理，其他邊界設置為墻。

2.3 仿真計算結果及分析

3種工況下的仿真計算結果如圖3所示。根據(jù)仿真計算結果，在吸風方式下，中間試驗區(qū)的風速很低，如果要在試驗區(qū)達到設計風速要求，則要求吸風機提供很大的風速，相應的功率和能耗大，給制冷系統(tǒng)和室內溫度均勻性帶來不良影響，很不經(jīng)濟，因此吸風方式是較差的一種實現(xiàn)方式。

圖3 各種工況下的速度場分布圖

圖4為吹風和吹—吸風方式下的風速等值線，吹風方式和吹—吸風方式在試驗區(qū)內均能達到設計風速的要求，且在試驗區(qū)內吹風方式與吹—吸風形式的風速分布基本相近，其中，吹—吸風形式對于流場的均勻性相比吹風形式是有一定程度的改善，但是改善的并不是中心區(qū)域的流場而是中心區(qū)域外的流場，對試驗區(qū)風速的改善效果并不明顯，其經(jīng)濟性相對較差。因此，綜合仿真計算的結果來看，應采用吹風的方式。

圖4 兩種方式下的風速等值線

3 風速均勻性縮比試驗驗證

通過仿真計算來看，吹風方式下的風速均勻性較好，經(jīng)濟實用，為進一步驗證吹風方式的可行性，并對風機選型和風洞內部結構設計進行試驗驗證，搭建了風洞的縮比試驗平臺，在風洞的高度和寬度進行了1∶3的縮比，長度保持不變。選用型號為RDK8.3A的離心風機，風量為30 000 m3/h，全壓為978.6 Pa，功率為15 kW。風速測量采用了型號為WD4110的皮托管式風速傳感器，量程為0～30 m/s，測量精度為0.2%。在風洞中設置單層和雙層阻尼網(wǎng)進行對比試驗。

在設備試驗區(qū)距出風口0m，1m，2m和3m的中心軸線處分別安裝了4個風速傳感器，每間隔30 s采集一次數(shù)據(jù)，在3 m/s基準風速下單層阻尼網(wǎng)和雙層阻尼網(wǎng)各測量點的風速見圖5。

對比圖5可知:①在同一測量點，雙層阻尼網(wǎng)與單層阻尼網(wǎng)的平均風速差異小，但雙層阻尼網(wǎng)的穩(wěn)定性好；②7 min后試驗區(qū)風速區(qū)域穩(wěn)定，雙層阻尼網(wǎng)風速波動幅度小于0.4 m/s；③在同一時間點，距離風口不同距離點的風速差異小，試驗區(qū)風向方向風速衰減小，對直徑不大于0.5 m的絕緣子，可以認為處在風向風速一致的風場中?？s比試驗實測結果與仿真結果基本是一致，可以滿足人工覆冰試驗區(qū)內風速均勻性的要求。

圖5 不同測點風速測量

4 氣候人工模擬室風速測試及分析

根據(jù)仿真和縮比試驗建設了帶冰風洞的氣候人工模擬室，實測了試驗區(qū)的風速均勻性，選取風速為7 m/s時實測風速變化情況，見圖6，試驗區(qū)風向方向風速變化小，當風速基本穩(wěn)定后，對直徑為0.5 m的被試品，風向方向誤差小于0.5 m/s。

圖6 各實測風速變化情況

在絕緣子懸掛處前(距風口2.0 m處)，與風向垂直截面絕緣子懸掛上下左右選取5個點安裝風速測試儀，見圖7，啟動風機輸出風速到一個定值，3 min和6 min時各測點分速數(shù)據(jù)見表1。

表1 絕緣子懸掛處截面風速測試數(shù)據(jù)m/s

圖7 測點位置分布圖

在試品同一風向截面的不同位置，風速差異小，6 min后風速標準差僅為0.10 m/s。

5 試驗區(qū)溫度變化

采用上送下回的方式將冷風從試驗區(qū)上部注入試驗區(qū)，從下部回風口匯入熱交換區(qū)冷卻，采用Fluent對試驗區(qū)溫度進行了仿真計算，仿真模型如圖8所示。設定邊界條件為:外部環(huán)境溫度為35℃，從上到下運動的冷風速度為1.0 m/s，當制冷機組將室內溫度降低到－15℃，懸掛長2.2 m，傘徑300 mm棒形絕緣子，并施加130 kV電壓，絕緣子表面均勻發(fā)熱，熱源按照440 W計算，離心風機型號為KF3－95N016.OEZ的最大功率為90 kW，壓縮機采用LSB720DZ雙頭螺桿壓縮機，冰風洞內用于熱交換設備為3臺HLD－150/1140型制冷風機，無風時仿真結果見圖9，室內溫度穩(wěn)定均勻，絕緣子表面溫度略高，實測無風和3 m/s風速時數(shù)據(jù)見表2，風將導致室內空氣流動、溫度更為穩(wěn)定。

圖8 試驗區(qū)溫度分布仿真模型

圖9 試驗區(qū)溫度分布圖

表2 試驗區(qū)溫度穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)

6 結論

1)冰風洞內采用吹風方式，風速均勻性和穩(wěn)定性好；在風管中增加阻尼網(wǎng)數(shù)量，可以提高風速的穩(wěn)定性，采用雙層阻尼網(wǎng)，可以滿足試驗區(qū)內的風速均勻性和穩(wěn)定性的要求。

2)風對室內溫度的均勻穩(wěn)定性有正面影響。

3)風對電力設備表面覆冰速度有極大影響，提出的在氣候室內建設冰風洞的方法，能為人工覆冰試驗時在設備表面形成均勻穩(wěn)定的風速場，通過該實驗平臺可以深入研究風對輸變電設備表面覆冰增長規(guī)律、導線融冰電流和時間的影響。

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Study on the uniform wind field formation method in icing experiments

JIANG Zhenglong1，ZHAO Chun1，SUN Lipeng2，HU Jianping1，WU Wei1，WANG Bowen1
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Disaster Prevention and Reduction Center，State Grid Key Laboratory of Power Transmission and Distribution Equipment Anti-icing＆Reducing-disaster Technology，Changsha 410000，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

In this paper，a uniform wind speed formation method of test equipment surface in artificial climate chamber is introduced based on free jet theory.An artificial climate chamber with low energy consumption icing wind tunnel is established by scaling test in the icing wind tunnel and wind speed simulation and calculation in three ways of blowing wind，blowingabsorbing wind and absorbing wind，an artificial climate chamber with low energy consumption icing wind tunnel is established，and then values and uniformities of wind speed in the test area are measured.The results show that the wind speed can adjust freely in 0～10 m/s，in different test points are stable and have smaller differences.Also，the icing wind tunnel has characteristics of low energy consumption and has no influence on the low-temperature environment of artificial climate chamber. In summary，the uniform wind speed formation method satisfies the requirement for wind speed in surface icing experiments of power transmission equipment，and the icing wind tunnel provides a technical support platform for researching influences of wind speed on surface icing of power transmission equipment and ice accretion rules.

icing wind tunnel；wind speed；artificial climate chamber；free jet theory；ice accretion

TM75

B

1008-0198(2016)05-0001-06

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.05.001

蔣正龍(1968)，男，高工，主要從事高電壓技術及輸變電設備防冰減災技術的研究和生產(chǎn)工作。

國家電網(wǎng)公司科技項目(SGKJ[2007]871)

2016-02-02 改回日期:2016-03-16