湍流度对覆冰导线气动力特性影响的试验研究

为研究风场湍流度对覆冰导线气动特性的影响,对D形和4种不同冰厚的新月形覆冰导线进行了风洞试验。分别在均匀流、5%和13%这3种均匀湍流场中,获得了0～180°攻角范围内单导线和6分裂导线的气动三分力系数,考察了2种不同形状覆冰时导线截面的气动力特性。同时,根据Den Hartog竖向和Nigol扭转舞动机理,讨论了覆冰导线的驰振不稳定攻角范围,为覆冰导线的舞动计算分析提供了有效参考。研究结果表明:湍流会降低新月形覆冰导线的气动稳定性,其中5%的湍流场对弛振稳定性的影响最为不利。然而对D形覆冰导线而言,湍流仅会略微改变气动力系数的幅值,不会影响其随攻角的变化规律;此外,湍流会提高D形覆冰导线的竖向弛振稳定性,而对扭转弛振稳定性几乎没有影响。     

特高压八分裂覆冰导线风场特性研究

针对特高压交流线路中的八分裂导线设计方案,通过流体动力学(CFD)的仿真分析计算,给出常见的新月形覆冰单导线和八分裂导线3个分量的风场特性参数,得到覆冰导线扰流的压力等高线和速度云图,从细观角度探明八分裂覆冰导线的风场扰流形式。     

基于Fluent的覆冰导线气动特性分析

为了研究覆冰导线在风荷载作用下的气动特性,笔者采用计算流体力学软件Fluent模拟覆冰导线周围的空气流场,并计算了不同覆冰厚度的导线在不同迎风攻角下的升力系数、阻力系数及扭矩系数,得到了覆冰厚度、风速等因素对覆冰导线气动参数的影响规律。结果表明,覆冰厚度对阻力系数、升力系数和力矩系数均有较大影响,但影响规律不尽相同。风速对阻力系数有较大影响,对升力系数和力矩系数的影响并不明显。计算所得的气动参数可为覆冰导线舞动研究提供参考。     

湍流度对二分裂新月形覆冰绞股导线气动力特性的影响研究

在研究覆冰输电导线风致舞动及其气动力特性时，必须考虑实际风场中的湍流强度。文中选取湿雪天气中易起舞的二分裂新月形覆冰绞股导线作为研究对象，通过风洞试验探究了湍流度变化对其气动力特性的影响。首先探讨了试验模型的绞股外形设计对于获取准确的气动力参数的重要性，然后制作了二分裂新月形覆冰绞股导线的刚性节段模型，并在不同湍流度下测量了该模型的气动三分力系数，并基于Den Hartog以及Nigol舞动机理对该模型的驰振稳定性进行了分析。结果表明：制作覆冰导线模型时设计绞股外形对于结果的准确性非常重要；湍流度不会影响研究对象的气动力系数随风攻角变化趋势，但会对其阻力系数与扭矩系数的幅值产生较大影响；同时，湍流度也会对所研究对象的弛振稳定性产生较大影响。     

不同绞向组合覆冰分裂导线稳定性及其舞动特性

为了研究导线内存在的捻矩对覆冰导线系统的气动力稳定性及舞动特性的影响规律,首先建立覆冰导线三自由度耦合的风致振动分布参数连续体非线性动力学偏微分方程;然后,利用Galerkin离散得易于求解的常微分方程;最后以新月形覆冰分裂导线为例,借助符号运算软件Mathematica,应用Routh-Hurwitz判据进行系统稳定性分析,获得分裂导线临界起舞风速vcr随导线扭绞系数βt变化的曲线图,而βt的绝对值越小,系统的临界起舞风速值vcr越高。研究结果表明:采用不同绞向组合的分裂导线,可减小甚至消除系统内的捻矩,从而提高系统的临界起舞风速值。研究成果可为输电线路舞动治理提供一种全新的理论指导和方法。     

不同初凝角下D形覆冰分裂导线气动力特性

通过刚性节段模型高频测力天平测力风洞试验,对D形覆冰二分裂和六分裂导线模型进行了13组不同工况的试验,测得了在不同初凝角下分裂导线整体和60°初凝角下各子导线的气动力系数,攻角范围为0°~360°,并以5°为各攻角间隔,基于邓哈托准则,对D形覆冰分裂导线的驰振稳定性进行分析。试验结果表明：初凝角对覆冰分裂导线气动力特性及驰振稳定性存在影响;在一定风攻角下,子导线尾流干扰对气动力特性影响显著,增大了导线的驰振不稳定性。所得试验结果为D形覆冰二分裂和六分裂导线的舞动分析及其防治技术提供了必要的气动力数据。     

多种覆冰形状导线风荷载增大系数研究北大核心CSCD

根据导线风阻力的计算原理推导了覆冰导线风荷载增大系数。基于覆冰导线的气动力系数风洞试验结果,分别计算了不同覆冰厚度、不同覆冰种类的圆截面覆冰导线、新月形覆冰导线和D形覆冰导线的风荷载增大系数,给出了便于工程设计和校核使用的覆冰导线风荷载增大系数的取值用表。结果表明,3种覆冰形状导线的风荷载增大系数均受实际覆冰厚度与覆冰种类的影响,其值随覆冰厚度的增大而增大、随覆冰密度的增大而减小。理想圆截面覆冰导线的风荷载增大系数在覆冰密度较小时的部分工况大于规范取值,在覆冰密度较大时均小于规范取值。新月形和D形覆冰导线的风荷载增大系数还与对应风攻角下的阻力系数有关,两者的风荷载增大系数取值在多数风攻角下小于规范取值。     

八分裂输电导线结冰风洞及气动力特性试验

通过八分裂输电导线的结冰风洞试验,揭示了导线的覆冰过程与规律,温度、风速及空气中的含水量都是影响导线覆冰量的重要因素。针对两类不同冰型,系统地进行了八分裂导线和覆冰八分裂导线的气动力特性试验,给出了八分裂导线的三分力系数。分析了上游导线对流场的干扰和尾流的作用对导线气动力特性的影响。试验结果反映了八分裂覆冰导线的气动力特性规律,为覆冰导线的舞动研究提供了参考。     

大档距/高差线路非均匀覆冰下的脱冰跳跃特性研究

冰区输电导线上的覆冰脱落会减小绝缘间隙,可能引发闪络跳闸,威胁线路安全运行。针对目前基于有限元法的非均匀覆冰下导线脱冰跳跃特性研究的不足,采用有限元方法建立3档四分裂导线计算模型,研究非均匀覆冰和均匀覆冰对导线脱冰跳跃特性的影响,分析非均匀覆冰导线在档距、高差、覆冰厚度等参数下对最大脱冰跳跃高度的影响规律,并对现有经验公式进行改进。结果表明,最大脱冰跳跃高度与非均匀覆冰密切相关,非均匀覆冰下导线的脱冰跳跃高度可能大于均匀覆冰下的脱冰跳跃高度,且最大脱冰跳跃高度所在位置可能不在档距中点,更容易引发闪络跳闸事故。因此,所提非均匀覆冰下导线的脱冰跳跃特性对重冰区线路绝缘设计具有重要工程价值。     

分裂导线覆冰扭转特性分析及等值覆冰厚度计算

覆冰在线监测对输电线路防、融冰方案的制定具有重要作用,而分裂导线和单导线覆冰特性的差异使得两者覆冰厚度计算方法不同。由于导线扭转特性的不同,同一档距内分裂导线和单导线覆冰形态存在明显差异。比较偏心覆冰单导线和分裂导线档距中部的扭转角度可知,相同覆冰厚度时后者是前者的10.2%。为实现分裂导线等值覆冰厚度的实时监测,提出将分裂子导线的覆冰等效为单根导线的覆冰。根据力矩平衡关系,建立以悬挂绝缘子轴向拉力、倾角为输入参量的力学计算模型,并在雪峰山试验基地开展了耐张塔3分裂导线覆冰测量。结果表明:利用计算模型得到的综合荷载等值覆冰厚度和基于称重法得到的人工测量结果吻合较好,两者相对误差为7.8%,从而验证了模型的有效性。     

雨凇覆冰对输电线路分裂导线起晕电压的影响

雨凇覆冰后的输电线路导线表面电场会发生畸变从而降低起晕电压值,但目前国内外尚未深入分析雨凇覆冰对导线电晕特性的影响规律,且缩比导线模型所得结论与工程实际存在较大差异。为探求雨凇覆冰导线的电晕特性,在人工气候实验室内完成了3种分裂导线雨凇覆冰后的交流电晕试验,结合紫外成像与拟合法对导线雨凇覆冰后的电晕特性进行了测量,建立了有限元模型并分析了导线表面电场强度以弥补雨凇电晕研究的空缺。结果表明:雨凇覆冰会降低裸导线起晕电压值约50%;导线表面的起晕电压会在最初的15 min内下降较快,之后会随着雨凇覆冰程度的增加而继续下降,但其速度逐渐饱和;相同雨凇覆冰时间内分裂子导线越多则起晕电压值越高;覆冰水电导率的大小并不会直接改变或影响雨凇覆冰表面形态,但起晕电压值却会随着覆冰水电导率的增加而持续降低。所得结论可供雨凇覆冰地区架空输电线路的设计和选型参考。     

覆冰导线空气动力系数数值分析

采用ANSYS12中的FLUENT模块模拟覆冰导线周围的空气流场,计算不同分裂导线在全迎风攻角下的升力系数、阻力系数及扭矩系数。首先通过将湖北省中山口三分裂导线的数值计算结果与风洞实验数据进行对比,验证了计算模型的精确度,然后运用该计算模型对部分多分裂导线的气动力参数进行计算分析,得到覆冰厚度、覆冰形状以及来流风速对气动力系数的影响,同时计算分析了导线间距与直径比对尾流的影响,得到的空气动力参数可为导线舞动研究提供载荷支持。     

双分裂导线覆冰等效圆柱表征方法及试验验证

分裂子导线流场间的耦合影响是造成分裂导线和单导线覆冰特性差异的主要原因.根据导线覆冰增长理论,该文提出用等效圆柱来表征分裂导线覆冰程度的计算模型,并研究了等效圆柱直径与覆冰时间、覆冰环境参数(温度、风速、水滴中值直径)、双分裂导线结构(导线直径、分裂间距)之间关系.研究结果表明:双分裂导线等效圆柱直径受环境温度和覆冰时间的影响较小,但随风速、水滴中值直径的增大而逐渐增大,增长趋势逐渐饱和.等效圆柱直径随双分裂导线结构组合参数增大而减小,两者存在指数拟合关系.并在人工气候室内搭建平台,结果显示等效圆柱和双分裂导线覆冰量最大相对误差为2.5％,验证了该方法的有效性.     

输电导线粗糙覆冰表面对流换热特性

对流换热系数是覆冰热平衡中的关键参数,其精确计算对于提高热平衡方程计算精度有很大作用。以往对于覆冰导线的模拟过程中,大都将覆冰导线等效为光滑圆柱处理,但过冷却液滴的冻结会引起覆冰形状差异和覆冰表面粗糙高度的大幅增加,从而能对覆冰导线表面换热特性的计算精度带来很大影响。针对硬雾凇覆冰表面工况,建立了包含表面粗糙高度的覆冰输电导线有限元模型,并采用流体力学数值模拟计算方法分析了覆冰导线表面粗糙高度对其换热特性影响。结果表明:覆冰导线表面粗糙高度将改变边界层内流体流态,加剧流体扰动,换热效果显著增强;在雷诺数为40 000时,与以往光滑覆冰模型相比,粗糙覆冰模型平均对流换热系数分别增长为原来的1.333、1.452、1.667倍;在相同情况下,新月形覆冰结构湍流程度整体略低于圆形覆冰结构,平均对流换热系数也小于圆形覆冰结构。     

云广±800 kV直流输电重冰区导线选型

为了合理地选择云广±800kV直流输电工程重冰区的导线型号,采用CISPR的无线电干扰预估公式、美国BPA与EPRI的可听噪声预估公式预估了不同型号导线的电磁环境参数,分析极导线不同分裂根数时的无线电干扰、可听噪声、导线振荡、次档距振荡、覆冰跳跃以及覆冰舞动等后确定了极导线的分裂根数与分裂间距;计算、比较了不同型式导线的单丝性能、外层单丝应力、覆冰过载能力、弧垂特性等因素对杆塔荷载的影响;在采用年费用最小法比较不同导线组合,并评价整个工程供电安全性后推荐云广±800kV工程20mm重冰区采用普通钢芯铝绞线6×LGJ-630/45,30mm重冰区采用钢芯铝合金导线6×LJHA1/G3A-630-54/19。     

架空输电线路分裂导线扭转刚度及舞动机理分析

分裂导线因具有比单导线大得多的扭转刚度而更容易发生舞动,分裂导线扭转刚度是分析其舞动机理的关键因素。为此,基于对分裂导线扭转过程中能量增量的分析,建立了分裂导线扭转刚度的计算公式,并开展了真型分裂导线扭转试验,试验结果与公式计算结果比较相符,验证了该公式的准确性和可行性;以该扭转刚度计算公式为基础,通过建立导线逐渐覆冰的计算模型,对比分析了分裂导线和单导线上导线覆冰形状的不同,并引入覆冰不均匀系数来表征导线表面覆冰的不均匀程度,通过计算表明,分裂导线的覆冰不均匀系数大于单导线,且随着覆冰厚度的增加,2者之间的差距更加显著,由此从理论上验证了分裂导线比单导线更容易发生舞动的结论。     

混合凇对分裂导线起晕电压影响

我国冬季混合凇冰灾频繁并严重影响输电线路安全运行;覆冰后的导线表面电场发生严重畸变,进而影响导线起晕电压;目前国内外针对导线电晕起始特性进行了大量研究,但大多采用缩比模型来研究实际分裂导线,且尚未深入分析混合凇对导线起晕电压的影响规律;故本文在低温低气压试验室内完成了对同直径的单、双和三分裂导线混合凇覆冰后的交流电晕试验,利用紫外成像仪及曲线拟合法对导线覆冰后的电晕特性进行测量分析,并建立有限元模型进行电场分析以弥补混合凇电晕研究的空缺。结果表明:混合凇会降低导线电晕起始电压至未覆冰时的60%以下;随着覆冰程度的增加,导线起晕电压继续跌落,但跌落速度减慢;相同覆冰时间内,分裂数越多的导线起晕电压越高,混合凇对导线表面的场强畸变越小;不同覆冰水电导率对混合凇覆冰形态及导线起晕电压没有明显的影响。本文所得结论可为混合凇地区的输电线路设计及导线起晕电压计算提供理论依据。     

架空输电线路分裂导线扭转刚度的计算

针对分裂导线扭转的非线性特征,提出了一种新的利用有限元数值模型计算分裂导线扭转刚度的方法。该方法在建模过程中考虑了导线、间隔棒以及塔线连接等因素的影响,可准确计算大变形、大扭转、几何非线性的分裂导线的扭转刚度。算例验证证明了所提出方法的有效性。通过分析分裂导线结构特征、导线覆冰以及分裂导线局部扭转对扭转特性的影响,得到了分裂导线扭转刚度随各种影响因素变化的规律。     

1000kV交流同塔双回输电线路导线脱冰跳跃特性

导线脱冰会引起导线的剧烈运动,使导线跳跃上下摆动,将导致导地线间或导线档中空气间隙的减小,严重时引起闪络;特高压线路由于导线分裂根数较多,截面较大,其脱冰跳跃问题更为严重,特高压输电线路导线脱冰跳跃的考虑对于导线排列,杆塔选型,档距配置等都有重要意义。为此首先进行了单导线覆冰脱落模拟试验研究,研究了不同档距组合、不同脱冰方式下的导线脱冰跳跃规律。还通过计算机仿真的方法针对试验工况进行数值模拟,仿真计算与模拟试验的结果具有相同的规律性。建立了适用于1000 kV交流同塔双回输电线路导线脱冰跳跃分析的3自由度多档导线模型,分析了连续档数、档距组合、档距大小、导线机械参数因素对特高压同塔输电线路脱冰跳跃的影响。分析了15 mm覆冰情况下特高压线路导线脱冰跳跃水平。研究表明,在15 mm覆冰及以下时,特高压同塔双回输电线路相间导线不需要水平偏移,在导线发生脱冰跳跃时线路也能安全运行。     

分裂导线覆冰增长模拟计算及试验验证

在分裂导线覆冰过程中,由于下风侧子导线处于上风侧子导线的尾流区,空气流场及水滴运动的轨迹受到上风侧子导线遮蔽效应的影响,两者覆冰特性之间存在差异。为此采用多相流场计算的拉格朗日法,通过跟踪水滴的运动轨迹,得到分裂子导线的碰撞系数β与气流速度v、水滴中值直径(MVD)、导线直径D和子导线间距ΔL的关系。结果表明:分裂子导线流场的耦合影响可归结为水平布置的上风侧子导线对下风侧子导线的遮蔽效应;v或MVD越大,上、下风侧子导线的β越大。且上风侧子导线的β值较大,但两者的差异随v或MVD的增大而逐渐减小。在一定直径范围内,D与上、下风侧子导线的β呈负相关,即β随D的增大而减小。ΔL不影响上风侧子导线的β,而下风侧子导线的β随ΔL的增大而增大。基于控制体思想,结合热力学平衡方程,分析了v和MVD对导线表面覆冰形状的影响。并在人工气候室进行二分裂导线的覆冰试验,验证了计算方法的有效性。