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8分裂覆冰导线在不同湍流强度下

的气动特性

摘要：覆冰导线的运动是由气动不稳定性造成的。覆冰导线的气动特性在紊流以及均匀流中有着显著的不同。通过风洞实验，对8分裂覆冰导线的气动系数在不同紊流强度下的管片模型进行测量。除此之外，实验还测得了每个新月形和扇形8分裂覆冰导线在不同紊流强度、不同冰厚条件下的气动系数。风洞实验的结果表明，束流导线的气动特性在紊流和均匀流中有着很大的差异。此外，一些关键性的参数，例如湍流强度、覆冰厚度以及冰层形状对各子导线的气动系数也有着很重要的影响。新月形和扇形的8分裂覆冰导线的气动系数存在明显的不同。最后，再对8分裂覆冰导线的舞动系数进行讨论。风洞实验的测量结果可为冰束导线的舞动及其相关的防治技术方面的综合分析提供有价值的参考。

关键词：湍流强度、8分裂覆冰导线、冰形、空气动力系数、风洞试验

1. 简介

为了有效的解决电力供需不平衡的问题，我国首次在1000KV的特高压输电线路上大量使用8分裂覆冰导线。由于自然条件下存在的不稳定性和复杂性，输电线路的安全性问题引起了广泛的关注。输电线路在一定条件下可能会发生舞动、子跨度振荡以及风振等形式的导线运动。特高压架空导线的舞动（一种冰导体运动）就是一种非常典型的流固耦合运动（Den Hartog ，1932年；Savadjiev，2003年；Fu和Farzaneh，2007年）。在寒冷的冬季，由于覆冰导体的气动不稳定性，会导致导体的截面变得不对称。输电线路的舞动是一种常见的自激振动。而舞动可能会导致短路硬件故障、导线故障，甚至是塔旳倒塌。这些输电事故往往会引发输电的中断。以此为基础，在电气工程与土木工程中，导线运动的控制一直是重点的研究工作。众所周知，由于在集束导线上附着的冰层并非标准的原形，其扭转刚度较大，这种情况在集束导线上比在单体导线上更为常见。（Wang和Lilien，1998年）。因此，对特高压架空输电线路覆冰导线在不同工况下的气动特性进行研究是非常必要的，尤其是8分裂导线的气动特性。

由于实验数据的记录效率低、成本高，因此对实际的全尺寸实验导线的研究较少。基于准稳态理论（OST）的子导线运动研究方法已成为非常常见的研究方法（Wang和Lilien，1998年；Barrero等人，2009年；Raeesi等人，2013年）。为了研究覆冰导线的运动特性，首先要确定其气动特性。与此同时，这些气动系数一般是通过风洞实验获得。最早获得不同类型覆冰导线模型气动系数的是Den Hartog（1932年）。他们提出，通过准稳态风洞实验所获得的空气动力系数是对导线舞动进行研究的基础。随后，Nigol等人提出了扭转舞动机理（1977年）并且Nigol和Buchan（1981a，1981b）对覆冰单导线进行了研究。

为了研究集束导线之间尾流干扰所产生的影响，Yan等人通过风洞实验测量了新月形4分裂覆冰导线气动系数随仰角变化的关系（2016年），他们指出，绕子导线的尾流干扰所产生的尾流影响不容忽视。Cai等人（2015年）使用ABAQUS软件验证了计算流体动力学（CFD）确定的气动系数在分析4分裂覆冰导线舞动特性时的可用性。通过风洞实验获得的数据，在不同束间距、初始积冰角和角度攻角下，新月形的4分裂覆冰导线的气动力特性已经得出（Li等人，2017年）。同时，在不同扭振作用下4分裂覆冰导线随角度变化的非定常气动系数也通过风洞实验获得（Cai等人，2019年）。

对于多分裂导线，Lou等人（2014年）在风洞实验时，在5%湍流强度的湍流条件下得到了不同条件下6分裂覆冰导线的气动系数。这些研究均基于准稳态理论。同时，该设备为单点支撑，实验模型选用光滑圆柱体。为了研究分裂导线和单导线的整体阻力系数（与风压系数相同）之间的差异，Xie等人（2013年）进行了大量的风洞实验，以测量均匀流中集束导线的阻力系数。在最近的几年，人们对8分裂导线的气动特性进行了深入的研究，获得了均匀流中新月形8分裂覆冰导线的气动系数（Zhou等人，2016年）。

以上的这些研究主要基于准稳态理论。目前，对于不同紊流情况下的技术覆冰导线子导线的气动研究较为缺乏，尤其是对1000KV特高压架空输电线路中不同类型的8分裂覆冰导线的气动力研究。因此，目前急需在不同湍流强度下不同冰形、冰厚的8分裂覆冰导线各子导线的气动系数。同时，以上的这些研究主要是在新月形以及D形覆冰导线。所以对扇形8分裂覆冰导线的气动系数进行研究还是一个急需解决的问题。

为了研究在1000KV输电线路中8分裂覆冰导线的气动特性，采用与实际导线表面粗糙程度相同的8分裂裸导线制作成研究模型。通过实验，得到了在不同冰厚、湍流条件和不同冰的形状条件下8分裂覆冰导线的气动系数与仰角之间的变化关系。这些实验数据将为8分裂导线抗运动技术的发展奠定基础。

1. 实验概况
   1. 测试模型

根据之前的研究（Wang和Lilien，1998年），子导线运动的研究方法是基于准稳态理论，因此导线的气动力是导线舞动的数学研究基础。可通过风洞实验来获得8分裂导线的气动力。

导线模型长度（L）为830mm，两个相邻子导线的距离（D）为400mm，实验的导线材料选用铝，冰模型的材料选用木头，长度也为830mm。风驱动的湿雪可能会形成坚硬的沉积物和前缘。这些形成的冰的形状可能导致导体运动。参考之前的研究（Hu等人，2012年；Lou等人，2014年；Yan等人；2016年；Zhou等人，2016年），新月形和扇形可代表自然条件下大部分的冰形。结合冰模型的横截面如图1a和1b。扇形冰的弧角为120°（图1b）。

导线和冰的模型如图2所示，简化导线模型的横截面如图2a，冰模型如图2b。LGJ-500/35型8分裂导线截面实验模型采用实导线制成。每个子导线的直径（d）为30mm。人工冰模型采用轻质木材制成，其密度基本接近冰的密度，自然条件下为836.81kg/msup3;，如图2b所示。冰的类型有新月形和扇形两种。新月形冰模型的两个冰层厚度分别为12mm和20mm。扇形冰模型的冰厚为18mm，每个子导线均覆盖着冰模型。这些典型的导线用于1000KV的8分裂导线输电线路。输电线路的表面采用螺旋形缠绕，也就是圆形的粗糙表面。如图2a所示，这些模型相较于以往实验中使用的光滑表面圆柱体或人造橡胶管更接近实际情况。而冰层则固定在导线模型的表面上。

图1：结冰模型的横截面：a、新月形，b、截面形状

1. 导线模型

b、冰模型

图2：简化模型的横截面

商业导线的制造决定着其精准性。在之前的研究中（Xie等人，2013年），实验所使用的包裹在导线上的铝绞线，与实际导线相比粗糙度上存在明显的不同。商业导线在使用之前，应在测力试验中进行矫直，弯曲模型将会对实验的精度产生不利的影响。然而，当商业导线具备过大的矫直张力时，可能会使实验的支撑装置发生变形。在本次研究中，需将测试模型挖空至实际导线的中间层，并使用刚性铝管代替。采取这种方法可以使真实的导线表面结构可以被完整的保留，确保整个模型具备足够的刚度和直线度。

2.2 风洞

如图3a所示，为保持流入的二维特性，需在两个圆板之间垂直布置8个导线模型。在1.4mtimes;1.4m的风洞中（图3b）进行8分裂导线段的模型试验，实验中报告了类似的分裂配置（Zhou等人，2016年）。风洞采用直流低速风洞，测量期间的典型风速为10m/s。alpha;角的攻角如图3c所示，根据黑格尔试验以及野外考察，初始攻角为0°。在0°~180°攻角范围内，分别对加载在所有子导线上的气动力进行测量，增量为5°。在实验中，通过在试验段入口处设置光栅来抵消均匀湍流。

图3：试验导线模型支撑装置：a、实验装置，b、风洞，c、二维示意

2.3 平衡

使用天平对8分裂导线的阻力系数、升力系数、力矩系数进行了测量。天平的局部量程和精度如表1。天平用于获得空气动力，即阻力、升力以及8个子导线上的扭转力矩。使用眼镜蛇探头测量湍流参数，湍流积分尺度沿风向约为0.1m。另外的两个风积分尺度，垂直方向为0.04m，水平方向为0.05m。

表1：局部量程和天平精度

1. 湍流中8分裂导线在管道中的气动特性

受迎风子导线诱导的尾流影响，这些迎风子导线的气动系数与单导线相比存在明显的差异。在风洞实验中，通过平衡可得到作用在各子导线上的气动力的清晰度，并用公式1求得各子导线的气动系数：

（1）

其中，CD为风阻系数，CL为升力系数，CM为力矩系数，rho;为空气密度，L为导线长度，U为风速。FD、FL和M分别表示覆冰导线上的阻力、升力以及扭转力矩。它们主要取决于覆冰子导线的角度攻角和横截面几何结构。子导线的气动力也各不相同。

Den Hartog（1932年）提出的垂直驰豫机制是气动不稳定性引起的，得到了广大研究者的一致认同。根据垂直舞动机制，舞动可被诱导为：

（2）

这意味着升力系数与迎角和阻力系数的导数，也就是Den-Hartog系数均小于0。

Nigol等人提出了扭振机理（1977年）以及Nigol和Buchan（1981a；1981b）。根据垂直舞动机制，舞动可归纳为：

（3）

即根据攻角的力矩系数和导数，也就是黑格尔系数，也小于0。

1. 参数分析

为了研究关键性的参数（冰厚和冰形）对8分裂导线气动特性的影响，对不同湍流强度下（0%~10.80%）的湍流情况进行实验（表2）。在0%和8.41%湍流强度下测试了子导线1-8号。此外，在10.80%强度下对2号和7号子导线进行了测试。表2：测试用例和模型规范

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