CN102692309B - 一种应用于台风风场的输电线风洞试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种应用于台风风场的输电线风洞试验系统及方法，其试验风场采用台风风场；试验系统由1个按照离散刚度法制作的试验塔、2个作为远端支座的直线塔和2个耐张塔、6根四跨四分裂导线、2根四跨地线和18个绝缘子串组成。试验在90度、75度、60度三种风向角下进行。通过气弹模型多角度风洞试验测得台风风场下试验塔在不同风速、不同风向角下的位移和加速度响应，计算关心部位的风振系数，并通过与良态风场的比较分析输电线路在台风下的风致响应特点。

Description

一种应用于台风风场的输电线风洞试验系统及方法

技术领域

本发明属于输电线路抗风研究，特别是基于气动弹性模型风洞试验的抗台风研究领域。

背景技术

目前，输电线路风振响应风洞试验研究主要采用气动弹性模型（简称气弹模型，下同），国内输电塔塔架气弹模型的制作方法一般有集中刚度法、离散刚度法和刚性节段加V形弹簧法三种。集中刚度法制作简单，但是对刚度的模拟并不准确，无法模拟塔身的扭转刚度，且不能模拟杆件的振动以及杆件间的相互影响；刚性节段加V形弹簧法制作也较为容易，但不能模拟每个节段的振动情况；离散刚度法加工难度大，但可以较准确地模拟输电塔塔架主要杆件的轴向刚度和几何尺寸，因此模型与真型的相似性最好。输电导地线气弹模型目前主要使用金属丝模拟，然而难以找到既满足拉伸刚度相似又满足外形相似的金属材料，因而模型的相似情况并不理想。目前塔线体系气弹模型较少考虑绝缘子串的模拟，实际上绝缘子串作为导地线的支座一定程度上影响其风致振动的特性，且绝缘子串本身也受到风荷载的作用。

风洞试验的风场模型通常采用良态大气边界层模型，《建筑结构荷载规范》对其风场参数有详细的规定，良态大气边界层模型气象资料丰富、研究成熟、使用广泛，因此目前已经完成的输电线路风振响应风洞试验基本上针对于良态风场。然而我国东南沿海和南部沿海地区夏季时常受台风袭扰，台风风力强、影响区域较大、随机性较明显，与良态风场在风场参数上存在明显区别，输电线路在台风中的表现与良态风明显不同，现有的针对良态大气边界层模型中输电线路的风洞试验难以适应抗台风设计的要求。目前塔线体系气弹模型风洞试验受到导地线跨度和风洞尺寸的制约，仅能进行90度风向角（来流风向垂直于导地线线条方向，下同）的试验工况，不能反映输电线路在其他风向角下的振动情况，实际上输电线路在其他风向角下亦较为危险。所以进行台风风场下的输电线路气弹模型多角度风洞试验对研究输电线路的风致振动特性和抗风设计措施具有深远的意义。

发明内容

针对集中刚度法和刚性节段加V形弹簧法制作气弹模型难以完全模拟输电塔架的风致振动情况，为尽可能地反映输电塔架的振动特点，本发明采用离散刚度法设计制作试验塔，采用不锈钢丝加塑料套管的方法解决导线、地线难以同时满足轴向刚度和外形轮廓的问题，采用不锈钢管加ABS板模拟绝缘子串的轴向刚度、质量和几何外形。

本发明的一目的为针对目前国内外对台风环境下输电塔线体系气弹模型风洞试验研究的缺乏，以及我国电力行业现行设计规范对台风考虑的不足，为研究台风作用下500kV输电塔线体系不同风向角下的振动特征，验证现行输电线路设计规范中的相关参数是否适用于台风环境。

本发明提出应用于台风风场下500kV输电塔线风洞试验系统，其具体的技术方案为：

一种应用于台风风场的输电线的风洞试验系统，包括试验塔、直线塔、耐张塔、导线、地线、绝缘子串、风洞转盘、试验风场；所述试验塔位于风洞转盘的几何中心，直线塔放置在试验塔两侧，耐张塔放置在直线塔两侧，试验塔、直线塔、耐张塔位于同一竖直平面上；绝缘子串分别安装在试验塔、直线塔及耐张塔上；导线、地线悬挂在绝缘子串上；试验风场位于试验塔、直线塔及耐张塔组成的竖直平面上流。

所述试验塔采用离散刚度法制作；试验塔根据几何相似计算试验塔各杆件的长度和外径，根据弹性参数计算试验塔各杆件的轴向刚度，根据惯性参数计算试验塔各部分的质量，根据斯托罗哈数调整试验塔的一阶自振频率，使用毛细黄铜管制作试验塔骨架，使用泡沫塑料和ABS板制作试验塔外形。

根据几何相似（即试验塔模型和真型相应长度的比例一致）计算试验塔各杆件的长度和外径，几何相似比λ_L：式中，L_m和L_p分别为试验塔模型和试验塔真型相应的长度。

根据试验塔真型塔设计风速和风洞可调风速范围确定风速相似比λ_v：

式中，v_m和v_p分别为试验塔模型和试验塔真型相应的风速。

根据惯性参数（即试验塔模型与试验塔真型的结构密度和流体密度之比一致）设计试验塔各部分的质量，质量相似比λ_m为： ${\mathrm{\λ}}_m=\frac{m_m}{m_p}={\mathrm{\λ}}_L^3\·{\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{\ρ}}_f}=\frac{1}{512000}$

式中，m_m和m_p分别为试验塔模型和试验塔真型相应的质量，λ_L为几何相似比，为流体密度相似比。

根据试验塔模型杆件和试验塔真型的弹性参数一致设计试验塔各杆件的轴向刚度，轴向刚度相似比为

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{EA}}=\frac{{\left(\mathrm{EA}\right)}_m}{{\left(\mathrm{EA}\right)}_p}={\mathrm{\λ}}_L^2\·{\mathrm{\λ}}_v^2\·{\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{\ρ}}_f}=\frac{1}{57600}$

式中，(EA)_m和(EA)_p分别为试验塔模型和试验塔真型相应的轴向刚度，λ_L为几何相似比，λ_v为风速相似比，为流体密度相似比。

根据试验塔模型与试验塔真型的斯托罗哈数相等调整试验塔的一阶自振频率，频率相似比λ_f为：

${\mathrm{\λ}}_f=\frac{f_m}{f_p}=\frac{{\mathrm{\λ}}_v}{{\mathrm{\λ}}_L}=\frac{26.67}{1}$

式中，f_m和f_p分别为试验塔模型和试验塔真型相应的自振频率，λ_L为几何相似比，λ_v为风速相似比。

所述直线塔、耐张塔采用不锈钢管材料；所述导线、地线采用不锈钢丝外套分段塑料套管材料。所述导线为四跨四分裂导线；地线为四跨地线。

所述绝缘子串包括绝缘子串芯棒、绝缘片伞裙、间隔棒；绝缘子串芯棒采用不锈钢管材料，；绝缘片伞裙、间隔棒均采用ABS板材料。

所述试验风场包括双木块粗糙元、双石块粗糙元、单石块粗糙元、格栅，形成风剖面和产生紊流的格栅摆放在远离竖直平面；竖直平面与格栅之间交错摆放形成紊流度剖面的双木块粗糙元、双石块粗糙元、单石块粗糙元。

所述风洞试验系统还包括激光位移计、皮托管；所述激光位移计安放在近试验塔的试验风场内；皮托管安放在与试验塔同一直线上的远处。

本发明的又一目的为在不同参考风速、不同风向角下通过测量关心部位的位移和加速度可以研究台风对输电线路风振响应的影响，研究了不同风向角对塔线体系风振响应的影响，比较台风与良态风下输电线路响应的异同，进而可以得出一些设计参数如风振系数在台风下的试验值。

本发明的风洞试验系统的工作过程包括以下步骤：

1）按照间距要求安装双木块粗糙元、双石块粗糙元、单石块粗糙元、矩形格栅组成试验风场；

2）安装试验塔于风洞转盘的几何中心，并处于90度风向角下；

3）按尺寸要求安装直线塔和耐张塔，并与试验塔对齐；

4）悬挂绝缘子串至试验塔和直线塔的各挂点位置；

5）悬挂导线和地线至绝缘子串上，张拉至垂度满足设计要求；

6）安装激光位移计、皮托管；

7）测量试验塔的动力特性、调试采样仪器；

8）进行90度风向角下不同风速等级下的风洞试验，采集位移时程和加速度时程；

9）旋转风洞转盘至75度风向角和60度风向角，分别进行相应的风洞试验。

本发明的有益效果是，可以通过采用气弹模型风洞试验测得台风风场下输电线路的位移和加速度响应，计算关心部位的风振系数等设计参数，并通过与良态风场的比较分析输电线路在台风下的风致响应特点。

附图说明

图1是台风风场下输电塔线体系气弹模型多角度风洞试验布置图；

图2是绝缘子串和间隔棒模型；

图3是直线塔等代模型和耐张塔等代模型；

图4是90度风向角工况模型布置图；

图5是75度风向角工况模型布置图；

图6是60度风向角工况模型布置图。

具体实施方式

在图1中，试验塔1位于风洞转盘13正中，其两侧各依次放置1个直线塔2和1个耐张塔3，5个塔中心对齐保证处于同一直线上；6根导线4和2根地线5通过绝缘子串6悬挂于5个塔的挂点位置，张拉导地线至垂度符合设计要求；5个塔上流处摆放形成风剖面和产生紊流的矩形格栅12，矩形格栅12后交错摆放形成紊流度剖面的双木块粗糙元7、双石块粗糙元8、单石块粗糙元9和矩形格栅12；下游近试验塔1处安放激光位移计10；与试验塔1同一直线上的远处安放皮托管11控制试验风速，来流风14沿箭头方向吹向5个塔。

试验塔1杆件使用规格为Φ0.25×0.065mm～Φ1.5×0.15mm的毛细黄铜管模拟轴向刚度，使用泡沫塑料和ABS板模拟钢管和角钢的外形轮廓，试验塔1主要杆件刚度设计值和实际制作值如表1所示，外形尺寸设计值和实际制作值如表2所示。

表1试验塔1主要杆件刚度模拟

表2试验塔1主要杆件外形模拟

对导线4、地线5的跨度、外径、质量进行调整。

调整后的跨度相似比为： ${{\mathrm{\λ}}_L}^{*}=\mathrm{\γ}\·{\mathrm{\λ}}_L=\frac{1}{200}$

式中，λ_L ^*为调整后的跨度相似比，λ_L为原几何相似比，γ为调整系数。

调整后的外径相似比为： ${{\mathrm{\λ}}_d}^{*}=\frac{{\mathrm{\λ}}_L}{\mathrm{\γ}}=\frac{1}{32}$

式中，λ_d ^*为调整后的跨度相似比，λ_L为几何相似比，γ为调整系数。

调整后的每延米质量相似比为： ${{\mathrm{\λ}}_{\stackrel{\‾}{m}}}^{*}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\stackrel{\‾}{m}}}{\mathrm{\γ}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_L^2\·{\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{\ρ}}_f}}{\mathrm{\γ}}=\frac{1}{2560}$

式中，为调整后的每延米质量相似比，为质量相似比，λ_L为几何相似比，为流体密度相似比，γ为调整系数。

根据输电线模型和真型的自振频率比与输电塔架模型和真型的自振频率比相等的原则设计输电线模型的垂度，垂度相似比为： ${{\mathrm{\λ}}_s}^{*}=\frac{{\mathrm{\λ}}_L^2}{{\mathrm{\λ}}_v^2}=\frac{1}{711.11}$

式中，λ_s ^*为垂度相似比，λ_L为几何相似比，λ_v为风速相似比。

导线4、地线5满足模型与真型的频率比与输电塔一致，使用Φ0.1mm的不锈钢丝和Φ1.0mm的塑料套管模拟轴向刚度和外形轮廓，导线4、地线5主要设计值和实际制作值如表3所示。

表3导地线模型主要参数

在图2中，绝缘子串芯棒15由Φ1.6×0.15mm的不锈钢管制作，长55mm，距两端2.5mm处开圆孔16；绝缘片伞裙17由1mm厚ABS板雕刻而成，中心开圆孔18；用1mm厚的ABS板雕刻成间隔棒19的简化形状，中心开方孔20，用于减轻间隔棒19的重量，方孔20上下左右各开一个小圆孔21，间隔棒19四脚端部各开一个大圆孔22；伞裙17通过中心圆孔18穿于绝缘子串芯棒15上，使用502胶固定，每根芯棒15各穿17个伞裙17；间隔棒19上小圆孔21与芯棒端部圆孔16通过硬铁钩23相连；间隔棒上大圆孔22用于固定导线4。绝缘子串6采用Φ1.6×0.15mm的不锈钢管模拟轴向刚度和质量，采用17个外径4.5mm的ABS圆环模拟外形，轴向刚度相似比λ_EA、质量相似比λ_m和几何相似比λ_L均与输电塔塔架模型相同。间隔棒19使用ABS板模拟外形，其几何相似比λ_L与输电线模型外径相似λ_d ^*相同。直线塔2、耐张塔3按照尺寸和整体自振频率的要求使用钢管焊接

在图3中，直线塔2简化为一根钢管杆，通过有限元模型分析和实测调整保证其一阶自振频率与试验塔1一致，主管使用Φ60×2mm24、Φ40×2mm25和Φ30×2mm36的三段不锈钢管焊接而成，底部焊接在400×400mm的铁板底座28上，导地线横担27使用Φ12×1mm的不锈钢管焊接在主管上；耐张塔3主管29使用Φ50×2mm的不锈钢管钢管，导地线横担30使用Φ12×1mm的不锈钢管焊接而成，底部焊接在400×400mm的铁板底座31上。

在图4中，试验塔1位于风洞转盘13中心，其两侧依次安装直线塔2和耐张塔3，间距为均3.15m，5个塔位于同一直线上，中心线32与来流风14垂直为90度风向角。

在图5中，中心线32顺时针旋转15度，与来流风向14成75度夹角。

在图6中，中心线32顺时针旋转30度，与来流风向14成60度夹角。

在本实施例中选台风环境的平均风参数如表4,

表4

风场	基本风速	地貌类别	风剖面幂指数	梯度风高度（m）
					台风	v10=43.1m/s		0.08	150

除进行常规的90度风向角（来流风向垂直于输电线线路方向）工况的试验外，通过整体旋转进行75度和60度工况下的试验，三种风向角下风场、风速等级（2.12m/s，2.86m/s，3.67m/s，4.36m/s，5.31m/s，6.15m/s，6.95m/s）、测点、采样频率与时长均保持一致。

Claims (7)

1.一种应用于台风风场的输电线的风洞试验系统，其特征在于包括试验塔（1）、直线塔（2）、耐张塔（3）、导线（4）、地线（5）、绝缘子串（6）、风洞转盘（13）和激光位移计（10）、试验风场；所述试验塔（1）位于风洞转盘（13）的几何中心，直线塔（2）放置在试验塔（1）两侧，耐张塔（3）放置在直线塔（2）两侧，试验塔（1）、直线塔（2）、耐张塔（3）位于同一竖直平面上；绝缘子串（6）分别安装在试验塔（1）、直线塔（2）及耐张塔（3）上；导线（4）、地线（5）悬挂在绝缘子串（6）上；试验风场位于试验塔（1）、直线塔（2）及耐张塔（3）组成的竖直平面上流；所述激光位移计（10）安放在近试验塔（1）的试验风场内；

所述试验塔（1）采用离散刚度法制作；试验塔（1）根据几何相似计算试验塔（1）各杆件的长度和外径，根据弹性参数计算试验塔（1）各杆件的轴向刚度，根据惯性参数计算试验塔（1）各部分的质量，根据斯托罗哈数调整试验塔（1）的一阶自振频率，使用毛细黄铜管制作试验塔（1）骨架，使用泡沫塑料和ABS板制作试验塔（1）外形。

2.根据权利要求1所述应用于台风风场的输电线的风洞试验系统，其特征在于所述直线塔（2）、耐张塔（3）采用不锈钢管材料；所述导线（4）、地线（5）采用不锈钢丝材料和塑料套管材料，分段的塑料套管材料套在不锈钢丝外。

3.根据权利要求2所述应用于台风风场的输电线的风洞试验系统，其特征在于所述导线（4）为四跨四分裂导线；地线（5）为四跨地线。

4.根据权利要求3所述应用于台风风场的输电线的风洞试验系统，其特征在于所述绝缘子串（6）包括绝缘子串芯棒（15）、绝缘片伞裙（17）、间隔棒（19）；绝缘子串芯棒（15）采用不锈钢管材料；绝缘片伞裙（17）、间隔棒（19）均采用ABS板材料。

5.根据权利要求4所述应用于台风风场的输电线的风洞试验系统，其特征在于所述试验风场包括双木块粗糙元（7）、双石块粗糙元（8）、单石块粗糙元（9）、格栅（12），形成风剖面和产生紊流的格栅（12）摆放在远离竖直平面；竖直平面与格栅（12）之间交错摆放形成紊流度剖面的双木块粗糙元（7）、双石块粗糙元（8）、单石块粗糙元（9）。

6.根据权利要求5所述应用于台风风场的输电线的风洞试验系统，其特征在于所述风洞试验系统还包括皮托管（11）；皮托管（11）安放在与试验塔（1）同一直线上的远处。

7.应用于权利要求6所述风洞试验系统的试验方法，其特征在于包括如下步骤：

1）按照间距要求安装双木块粗糙元、双石块粗糙元、单石块粗糙元、矩形格栅组成试验风场；

2）安装试验塔于风洞转盘的几何中心，并处于90度风向角下；

3）按尺寸要求安装直线塔和耐张塔，并与试验塔对齐；

4）悬挂绝缘子串至试验塔和直线塔的各挂点位置；

5）悬挂导线和地线至绝缘子串上，张拉至垂度满足设计要求；

6）安装激光位移计、皮托管；

7）测量试验塔的动力特性、调试采样仪器；

8）进行90度风向角下不同风速等级下的风洞试验，采集位移时程和加速度时程；

9）旋转风洞转盘至75度风向角和60度风向角，分别进行相应的风洞试验。