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。     

覆冰导线动态风偏简化计算方法及影响因素分析

以导线在自重和平均风荷载作用下的静力平衡构型和几何刚度为基础,采用GLE (阵风荷载包络线)法推导了输电线路的等效静力风荷载计算方法。针对常见的圆形覆冰导线,基于规范中的单摆模型并引入高差修正系数和等效静力风荷载,提出覆冰条件下输电线路动态风偏角的简化计算方法,并与有限单元法时域分析结果进行对比,检验了该简化算法的准确性。覆冰导线的风偏受覆冰密度、厚度和风速等多参数的影响,采用该简化计算方法对某实际线路进行覆冰风偏的参数化分析,结果表明:覆冰密度较小时,风偏角随着冰厚的增加先增大后减小;覆冰密度较大时,风偏角随冰厚的增加单调减小。相较于无覆冰时,多个覆冰工况的风偏角偏大,在设计时需引起重视。     

特高压直流输电大截面导线带电覆冰与融冰特性试验研究

现有小截面导线覆冰和融冰规律不能直接线性换算至大截面导线,为此在人工气候实验室开展LGJ-720/50和JL/G3A-900/40这2种特高压直流输电大截面导线的带电覆冰与融冰试验,分析覆冰厚度增长与电流和气象参数的变化规律,得到大截面导线融冰时间与融冰电流、环境温度和风速、覆冰厚度的特性曲线。研究结果表明运行电流通过产生焦耳热降低水滴在大截面导线上的冻结系数能抑制覆冰增长;风速增大、降雨量增加可以增大水滴的碰撞系数和收集系数,温度降低可增大冻结系数,从而加快导线覆冰增长速度;环境温度还决定着导线覆冰类型。大截面导线融冰时间主要取决于导线表面需要融化的冰层厚度,并随着融冰电流的增大逐渐减小;环境温度越低,风速越大,融冰时间越长;融冰时间随覆冰厚度增加呈线性规律增长。研究结果能够为特高压直流输电线路阻冰和融冰提供理论指导。     

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。     

导线覆冰厚度线径订正系数的理论计算分析

合理的设计冰厚可在保障电网抵御覆冰灾害能力的同时大大降低电网工程的整体造价,因此输电线路冰厚线径订正系数的正确计算具有重要的工程应用价值。本文基于量纲分析提出了一个导线覆冰碰撞率的简化计算公式,并结合雨雾凇导线覆冰理论模型导出了冰厚线径订正系数的理论计算方法,其结果与有关实验研究结果相符并优于最新行业标准(DL/T 5158-2012)推荐的方法。进一步利用该方法从理论上计算分析了不同覆冰类型冰厚线径订正系数及其差异,结果表明:雾凇覆冰情况下冰厚线径订正系数随导线直径增大而减小,雨凇覆冰情况下冰厚线径订正系数随导线直径增大而增大,而模拟雨雾凇混合覆冰情况下的线径订正系数介于前两者之间。由于具有较完整的理论基础并能够考虑不同的覆冰类型和气象条件,该方法具有较好的理论普适性,对电力线路防冰设计具有较大的应用参考价值。     

重覆冰区特高压悬垂型杆塔不平衡张力分析

分别采用有限元分析方法与等线长法计算了典型耐张段的不平衡张力和悬垂串偏移量,这2种方法的计算结果基本一致。通过建立连续7档导线-绝缘子有限元模型,考虑多种线路设计参数的影响,分析了不同工况下重覆冰区特高压悬垂型杆塔的导线张力及不平衡张力。结果表明,覆冰加载模式、覆冰偏心和覆冰风速对不平衡张力影响不大,建议采用换算密度法模拟覆冰荷载并考虑10 m/s覆冰风速。不考虑档距差和高差时,随冰厚、档距和覆冰率的增加,导线不平衡张力百分数逐渐增加,计算得到的不同冰厚下特高压悬垂型杆塔不平衡张力百分数均小于规程规定值。随高差和档距差的增加,有高差和档距差的不平衡张力与无高差、无档距差的不平衡张力比值增大;随冰厚的增加,不平衡张力比值减小。30 mm及以下重覆冰区,不平衡张力百分数按照现行重覆冰区规程规定取值。40、50 mm重覆冰区,应将不平衡张力百分数分别提高至35%和41%。     

山坡地形输电线路的覆冰脱冰研究

采用有限元方法研究山坡地形输电线路的覆冰脱冰问题,分析不同覆冰厚度和山坡倾角下输电塔的受力情况与杆塔设计工程量的变化,研究中间档导线脱冰后输电线路的运动情况、绝缘子的轴力和输电塔的基底弯矩响应等。计算结果表明:线路覆冰后,基底弯矩随着山坡倾角和覆冰厚度的增大而增加;导线脱冰后,输电塔的底部弯矩随着山坡倾角的增大而大幅增加。同时分析了山地倾角、覆冰厚度、导线脱冰对杆塔技术经济性的影响,塔重、造价随山坡倾角增大而表现出线性增长趋势,覆冰厚度和脱冰不同造成的增长并非呈简单的线性关系。研究结果为山地情况下输电线路的覆冰脱落荷载取值以及技术经济分析提供参考。     

典型覆冰导线空气动力学特性数值和试验模拟

输电线路覆冰舞动是由覆冰导线气动力引起的,因此了解覆冰导线的空气动力学特性是研究其舞动的关键因素。为此,结合覆冰导线空气动力学特性的研究现状,采用Spalart-Allmaras(SA)湍流计算模型和ADINA有限元软件对不同覆冰厚度的典型新月型、翼型、扇型和D型覆冰导线的升力系数、阻力系数及扭矩系数等空气动力学参数进行了系统研究。利用流场压力分布特性对空气动力学参数随攻角变化出现的尖峰突跳现象进行了分析。结果表明,数值模拟与试验结果具有较好的一致性,覆冰导线空气动力学参数仅与导线规格、覆冰厚度、覆冰类型和攻角有关,受测试风速影响较小。随着导线覆冰厚度的增加,覆冰导线空气动力参数曲线负斜率和变化率变大,即线路起舞阈值降低,发生舞动的可能性增大。     

大截面导线重覆冰区不均匀冰纵向荷载特性分析

现行规程给定的不平衡张力的设计值与实际工程取值差异较大,为了研究大截面导线重覆冰区不均匀冰纵向荷载特性,建立连续档不平衡张力计算模型,编制VB计算程序,参照典型的特高压直流输电线路工程设计条件,计算了直线塔和耐张塔的不平衡张力,对影响直线塔不平衡张力的档距、高差、悬垂串长、导线直径、覆冰率、档距不均匀性、覆冰厚度等因素进行敏感性分析。针对大截面导线重覆冰区,建议增大耐张塔不平衡张力取值,降低直线塔不平衡张力取值,其中直线塔不平衡张力可根据使用条件进行分级取值。     

基于输电线路不同高度人工观冰资料的高度系数取值研究

国内外针对输电线路覆冰观测,采取的有效且能直接掌握线路覆冰类型的方式是通过部署模拟导线观冰方式,但由于目前有效观测资料较少,由模拟导线冰厚折算至导线实际位置冰厚时可采用的规程中高度变化指数取值较单一,没有区分不同地形区域,导致折算出的冰厚与实际情况仍存在较大差异.为此,分别选取一般地形、微地形、极微地形三个典型代表区域覆冰观测资料,建立不同地形区域,模拟导线2m、5m高度冰厚与实际覆冰厚度之间关系模型,并给出不同微地形区域高度变化指数细化取值.研究结果可为优化现有覆冰观测规程规范参数取值提供参考.     

达坂山导线覆冰与气象条件的关系

文章通过计算达坂山区导线覆冰的冰厚、覆冰密度、标准冰厚及其与气象要素相关的系数,分析了导线覆冰随方位、风向等的变化规律,以及达坂山区导线覆冰与气象条件的关系,并提出了合理的预防达坂山导线冰害的措施。     

中美设计规范导地线风冰荷载比较

为详细研究中美设计规范在导地线风荷载和并何在计算方面的差异,介绍了中美两国输电线路荷载设计规范,从线条风、冰荷载计算公式出发,对基本风速、风压高度变化系数、风荷载调整系数、覆冰厚度等参数进行研究,对比线条风、冰荷载计算的异同点。算例结果表明,中美两国规范在导地线风、冰荷载计算值上都存在差别,为工程设计提供了参考。     

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。     

覆冰特高压导线风致动张力试验与分析

覆冰导线在低风速作用下的风致振动现象是一个复杂问题,而导线动张力的计算对于输电铁塔的抗冰设计具有重要的参考意义。为研究风荷载下覆冰导线动张力对输电塔结构的动力作用,利用光纤布拉格光栅传感器,通过覆冰特高压输电塔-8分裂导线耦联体系风洞试验测得了导线的动应变,验证了导线动张力模型的有效性。用动张力模型计算结果和我国重冰线路设计规程中导线的荷载标准值进行了比较,发现规范对覆冰导线弦向张力荷载值的考虑略显不足,不平衡张力容易成为输电塔结构破坏的重要原因。对覆冰导线的动张力试验和分析研究结果表明:随着覆冰厚度的增加,导线自振频率降低,非线性增强,导线端部动张力增幅明显。考虑风荷载与冰荷载的组合后,覆冰输电塔的安全设计需要进一步提高。     

雪峰山试验站自然条件下导线覆冰厚度形状校正系数

覆冰厚度的检测是输电线路运行部门防冰融冰工作中极为关注的问题之一,为此,总结了国内外覆冰厚度测量方法及其存在的问题。根据雪峰山自然覆冰试验站大量现场试验观测结果分析了自然条件下导线覆冰的几种典型形状特征,并基于面积等效原则,将导线实际非均匀、不规则覆冰校正为均匀覆冰,据此提出了现场人工测量时覆冰厚度的形状校正系数,为输电线路覆冰现场测量提供了一种有效且简便的测量手段。最后,利用雪峰山自然覆冰试验站对覆冰期不同覆冰阶段导线覆冰形状进行观测,对提出的形状校正系数进行试验验证,结果表明校正后导线覆冰厚度与实际覆冰厚度偏差9%,可满足工程实际需要。研究结果可为输电线路覆冰厚度现场测量、在线监测和冰厚计算提供一定的参考。     

中美输电线路规范风荷载计算比较

从工程实际出发,结合风荷载计算参数的取值,对美国ASCE 74-2009 Guidelines for Electrical Transmission Line Structural Loading和我国GB 50545-2010《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》的风荷载计算进行了比较和分析,得出了2种规范取值的相同点和不同点：在基本风速的定义上基本相同,仅在时距的取值上存在着不同;均采用风振系数乘以平均风荷载的方法;GB 50545-2010的风荷载调整系数与ASCE 74-2009的阵风响应系数基本相当;在0°和90°下风荷载计算方法基本相同,角度风的风荷载计算方法不同;在铁塔小于60m时,两个标准中风压高度变化系数的计算高度不同;两个标准体型系数差别较大;此外,对山区地形2个标准也不一样;GB 50545-2010按照不同的覆冰厚规定了不同的风荷载增大系数,而ASCE 74-2009中并没有与此相关的系数.     

考虑融冰因素的输电线路覆冰故障概率计算

根据导线覆冰表面热平衡方程分析内外部融冰因素对导线冰载荷的影响,计及地形对冰载荷的影响以及覆冰引起导线等效半径增大对风载荷的影响,通过气象实测的降雨量、风速、风向、温度等信息以及电网运行信息、当前监测覆冰厚度等信息建立输电线覆冰厚度增长预测模型。从输电线路覆冰过载机理出发,构建覆冰故障概率计算框架,从力学角度分析覆冰厚度及风速对输电线路的共同作用,采用反映金属承载极限特性的指数模型计算输电线路故障概率。以实际线路为例验证了该模型计算得到的线路覆冰故障概率变化趋势与实际故障情况相符,能够充分验证覆冰故障率与实际天气的相关性。     

导线覆冰密度的研究

简述了国内外导线覆冰密度的研究概况,据观冰站和气象站的实测覆冰资料,通过导线覆冰密度影响因素的分析,揭示了川西南地区导线覆冰密度的特性和变化规律,提出了重冰线路设计计算冰厚时,覆冰密度值的选取原则。     

输电线路抗冰设计规程比较

通过条文对比和计算,分析了各国规范在设计冰荷载取值及修正,覆冰时风荷载的计算,不均匀覆冰工况和断线工况等方面的异同。通过比较发现,我国设计冰荷载的导线直径修正系数与IEC标准吻合较好,而导线高度修正系数大于IEC标准,偏于安全。由于线路最小风速的规定,我国覆冰同时风速与按IEC标准、CSA标准规定的计算值吻合较好。由于基准冰荷载选取和覆冰率的不同,我国以50年重现期为基准的不均匀覆冰荷载与IEC标准以500年重现期为基准时吻合,达到甚至超过CSA标准150年重现期的水平。我国一、二和三类杆塔的断线覆冰率亦与IEC标准、CSA标准中500年、150年和50年重现期对应的断线覆冰率相吻合。     

不同直径下导线覆冰增长特性

为研究导线覆冰湿增长与覆冰参数之间的关系,确定导线覆冰厚度的增长特性,在人工气候室内,对不同直径导线进行了覆冰试验研究。通过控制覆冰试验条件,得到大量不同直径导线覆冰厚度增长的试验数据,对试验数据进行对比分析,得到导线覆冰增长特性,并采用MATLAB覆冰预测仿真程序进行验证。分析了温度、风速、时间等因素对不同直径导线覆冰增长特性的影响。试验结果表明:不同直径导线覆冰厚度初始时刻增长较快,随着时间延长覆冰厚度呈现饱和趋势,且导线初始直径越小,增长量越大;在湿增长情况下,导线覆冰厚度与温度成反比;通过纵向对比试验数据和模型仿真发现,风速存在临界值使得导线达到最大覆冰增长速度,并且温度越低,临界风速值越大;存在导线覆冰最大直径。