分裂导线气动特性及次档距振动研究

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我国超高压输电线路一般采用四分裂导线,特高压交流线路多采用八分裂导线。多分裂导线在风荷载作用下,由于子导线尾流的影响,作用于背风侧的子导线上的气动阻力可能会有所减小,同时还会产生升力作用,因而作用于每一根子导线上的气动力存在差异。子导线上阻力的不同,会导致不同分裂数分裂导线的风压系数会有所不同;升力的产生会引起尾流驰振问题。另外,覆冰导线舞动过程中也可能伴随次档距振动。次档距振动严重时会导致子导线之间的碰撞和鞭击,危及线路的安全运行。分裂导线风压系数的取值和次档距振动是输电线路设计和安全运行中急需解决的问题。本论文首先利用风洞试验测量四分裂导线和八分裂导线的空气动力系数。设计制作了试验模型,试验得到在典型风速下四分裂和八分裂导线各子导线的升力系数、阻力系数和扭矩系数随风攻角变化的曲线。试验结果表明,当子导线处于迎风侧子导线的尾流区时,作用于其上的阻力会明显下降,同时会受到升力的作用;作用于裸导线上的扭矩非常小;八分裂导线各子导线的气动系数随风攻角的变化较之四分裂导线更加复杂。为研究分裂导线的舞动,利用风洞试验测量新月形覆冰八分裂导线的空气动力系数。获得在典型风速和覆冰厚度下,八分裂导线各子导线的升力系数、阻力系数和扭矩系数随风攻角变化的曲线。试验结果表明,背风侧子导线的升力系数和阻力系数受迎风测子导线尾流的影响明显,而扭矩系数受到的影响较小;在试验的风速范围内,风速对覆冰八分裂导线子导线的升力系数和阻力系数影响较小,对扭矩系数几乎没有影响;覆冰厚度越大,子导线的阻力系数和扭矩系数越大,而升力系数随风攻角的变化越大。利用计算流体动力学软件FLUENT,数值模拟四分裂、六分裂和八分裂导线的扰流问题,进而得到作用于各子导线上的气动力,分析得到分裂导线的风压系数。得到的四分裂和八分裂导线的风压系数与由风洞试验得到的结果一致,验证了数值模拟的正确性。基于风洞试验和数值模拟研究结果,对我国设计规程中分裂导线风压系数的取值提出改进建议。利用数值方法对典型覆冰四分裂导线和覆冰八分裂导线的扰流场进行模拟,进而得到气动系数随风攻角的变化曲线。空气动力系数随风攻角的变化规律与风洞试验结果一致,但数值大小存在较明显的差异。基于数值模拟和风洞试验的气动参数的Den Hartog系数和Nigol系数均较接近。Den Hartog系数和Nigol系数对于理解输电线路舞动模式和诱发机理具有重要意义,采用数值模拟方法得到的空气动力系数可以用于导线舞动及其防治技术的研究。基于ABAQUS有限元软件,给出模拟分裂导线尾流驰振数值模拟方法,并对覆冰四分裂和八分裂导线由尾流驰振和舞动引起的次档距振动进行数值模拟研究。模拟了不同档距和风速以及不同间隔棒排布方式下,四分裂导线和八分裂导线的尾流驰振过程。结果表明:四分裂导线的尾流驰振,除了次档距振动外,还可能发生整档舞动;采用间隔棒均匀布置方案时,尾流驰振的幅值大于非均匀布置方案;风速越大,达到稳定驰振状态所需的时间越短,即越易激发尾流驰振;尾流驰振过程中,四根子导线的振动幅值和张力存在差异,且各子导线的运动方向可能不一致,造成“鞭击”现象。对于八分裂导线,尾流驰振以次档距振动为主;采用间隔棒非均匀布置方案时,尾流驰振的幅值大于均匀布置方案;风速越大,越易激发尾流驰振,尾流驰振振动幅值越大;不同档距的尾流驰振模式不同。此外,覆冰四分裂导线舞动过程数值模拟结果表明,导线舞动过程中伴随有明显的次档距振动。本论文研究成果为超高压和特高压输电线路风偏、风振和次档距振动问题的研究提供了必要的试验数据和有效的数值方法,为分裂导线次档距振动防治技术的研究奠定了基础。
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