專利名稱：一種應用于臺風風場的輸電線風洞試驗系統(tǒng)及方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于輸電線路抗風研究，特別是基于氣動弾性模型風洞試驗的抗臺風研究領域。
背景技術(shù)：
目前，輸電線路風振響應風洞試驗研究主要采用氣動彈性模型(簡稱氣彈模型，下同)，國內(nèi)輸電塔塔架氣彈模型的制作方法一般有集中剛度法、離散剛度法和剛性節(jié)段加V形彈簧法三種。集中剛度法制作簡單，但是對剛度的模擬并不準確，無法模擬塔身的扭轉(zhuǎn)剛度，且不能模擬桿件的振動以及桿件間的相互影響；剛性節(jié)段加V形彈簧法制作也較為容易，但不能模擬每個節(jié)段的振動情況；離散剛度法加工難度大，但可以較準確地模擬輸電塔塔架主要桿件的軸向剛度和幾何尺寸，因此模型與真型的相似性最好。輸電導地線氣彈模型目前主要使用金屬絲模擬，然而難以找到既滿足拉伸剛度相似又滿足外形相似的金屬材 料，因而模型的相似情況并不理想。目前塔線體系氣彈模型較少考慮絕緣子串的模擬，實際上絕緣子串作為導地線的支座一定程度上影響其風致振動的特性，且絕緣子串本身也受到風荷載的作用。風洞試驗的風場模型通常采用良態(tài)大氣邊界層模型，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》對其風場參數(shù)有詳細的規(guī)定，良態(tài)大氣邊界層模型氣象資料豐富、研究成熟、使用廣泛，因此目前已經(jīng)完成的輸電線路風振響應風洞試驗基本上針對于良態(tài)風場。然而我國東南沿海和南部沿海地區(qū)夏季時常受臺風襲擾，臺風風力強、影響區(qū)域較大、隨機性較明顯，與良態(tài)風場在風場參數(shù)上存在明顯區(qū)別，輸電線路在臺風中的表現(xiàn)與良態(tài)風明顯不同，現(xiàn)有的針對良態(tài)大氣邊界層模型中輸電線路的風洞試驗難以適應抗臺風設計的要求。目前塔線體系氣彈模型風洞試驗受到導地線跨度和風洞尺寸的制約，僅能進行90度風向角(來流風向垂直于導地線線條方向，下同)的試驗エ況，不能反映輸電線路在其他風向角下的振動情況，實際上輸電線路在其他風向角下亦較為危險。所以進行臺風風場下的輸電線路氣彈模型多角度風洞試驗對研究輸電線路的風致振動特性和抗風設計措施具有深遠的意義。

發(fā)明內(nèi)容
針對集中剛度法和剛性節(jié)段加V形彈簧法制作氣彈模型難以完全模擬輸電塔架的風致振動情況，為盡可能地反映輸電塔架的振動特點，本發(fā)明采用離散剛度法設計制作試驗塔，采用不銹鋼絲加塑料套管的方法解決導線、地線難以同時滿足軸向剛度和外形輪廓的問題，采用不銹鋼管加ABS板模擬絕緣子串的軸向剛度、質(zhì)量和幾何外形。本發(fā)明的一目的為針對目前國內(nèi)外對臺風環(huán)境下輸電塔線體系氣彈模型風洞試驗研究的缺乏，以及我國電カ行業(yè)現(xiàn)行設計規(guī)范對臺風考慮的不足，為研究臺風作用下500kV輸電塔線體系不同風向角下的振動特征，驗證現(xiàn)行輸電線路設計規(guī)范中的相關參數(shù)是否適用于臺風環(huán)境。本發(fā)明提出應用于臺風風場下500kV輸電塔線風洞試驗系統(tǒng)，其具體的技術(shù)方案為一種應用于臺風風場的輸電線的風洞試驗系統(tǒng)，包括試驗塔、直線塔、耐張塔、導線、地線、絕緣子串、風洞轉(zhuǎn)盤、試驗風場；所述試驗塔位于風洞轉(zhuǎn)盤的幾何中心，直線塔放置在試驗塔兩側(cè)，耐張塔放置在直線塔兩側(cè)，試驗塔、直線塔、耐張塔位于同一豎直平面上；絕緣子串分別安裝在試驗塔、直線塔及耐張塔上；導線、地線懸掛在絕緣子串上；試驗風場位于試驗塔、直線塔及耐張塔組成的豎直平面上流。所述試驗塔采用離散剛度法制作；試驗塔根據(jù)幾何相似計算試驗塔各桿件的長度和外徑，根據(jù)彈性參數(shù)計算試驗塔各桿件的軸向剛度，根據(jù)慣性參數(shù)計算試驗塔各部分的質(zhì)量，根據(jù)斯托羅哈數(shù)調(diào)整試驗塔的ー階自振頻率，使用毛細黃銅管制作試驗塔骨架，使用泡沫塑料和ABS板制作試驗塔外形。 根據(jù)幾何相似(即試驗塔模型和真型相應長度的比例一致)計算試驗塔各桿件的
II
長度和外徑,幾何相似比= L·., 80式中，Lm和Lp分別為試驗塔模型和試驗塔真型
相應的長度。根據(jù)試驗塔真型塔設計風速和風洞可調(diào)風速范圍確定風速相似比K'
Λ Vm I
爲V,
V 1
P.式中，Vffl和Vp分別為試驗塔模型和試驗塔真型相應的風速。根據(jù)慣性參數(shù)(即試驗塔模型與試驗塔真型的結(jié)構(gòu)密度和流體密度之比一致)設
WfI
計試驗塔各部分的質(zhì)量，質(zhì)量相似比X m為▲謂===
mp1 M 2()0()式中，Hlm和mp分別為試驗塔模型和試驗塔真型相應的質(zhì)量，λ ^為幾何相似比，^Pf = I為流體密度相似比。根據(jù)試驗塔模型桿件和試驗塔真型的彈性參數(shù)一致設計試驗塔各桿件的軸向剛度，軸向剛度相似比為λΕΛ ==ΚΑρ/ =ワ嶋式中，(EA)m和(EA)p分別為試驗塔模型和試驗塔真型相應的軸向剛度，λ ^為幾何相似比，λ ν為風速相似比，み5/—為流體密度相似比。根據(jù)試驗塔模型與試驗塔真型的斯托羅哈數(shù)相等調(diào)整試驗塔的ー階自振頻率，頻率相似比Af為
,L Λ. 26.67剛I, Iて丁
式中，fm和fp分別為試驗塔模型和試驗塔真型相應的自振頻率，λ,為幾何相似比，λ ν為風速相似比。所述直線塔、耐張塔采用不銹鋼管材料；所述導線、地線采用不銹鋼絲外套分段塑料套管材料。所述導線為四跨四分裂導線；地線為四跨地線。所述絕緣子串包括絕緣子串芯棒、絕緣片傘裙、間隔棒；絕緣子串芯棒采用不銹鋼管材料，；絕緣片傘裙、間隔棒均采用ABS板材料。所述試驗風場包括雙木塊粗糙元、雙石塊粗糙元、單石塊粗糙元、格柵，形成風剖面和產(chǎn)生紊流的格柵擺放在遠離豎直平面；豎直平面與格柵之間交錯擺放形成紊流度剖面的雙木塊粗糙元、雙石塊粗糙元、單石塊粗糙元。所述風洞試驗系統(tǒng)還包括激光位移計、皮托管；所述激光位移計安放在近試驗塔的試驗風場內(nèi)；皮托管安放在與試驗塔同一直線上的遠處。 本發(fā)明的又一目的為在不同參考風速、不同風向角下通過測量關心部位的位移和加速度可以研究臺風對輸電線路風振響應的影響，研究了不同風向角對塔線體系風振響應的影響，比較臺風與良態(tài)風下輸電線路響應的異同，進而可以得出一些設計參數(shù)如風振系數(shù)在臺風下的試驗值。本發(fā)明的風洞試驗系統(tǒng)的工作過程包括以下步驟I)按照間距要求安裝雙木塊粗糙元、雙石塊粗糙元、單石塊粗糙元、矩形格柵組成試驗風場；2)安裝試驗塔于風洞轉(zhuǎn)盤的幾何中心，并處于90度風向角下；3)按尺寸要求安裝直線塔和耐張塔，并與試驗塔對齊；4)懸掛絕緣子串至試驗塔和直線塔的各掛點位置；5)懸掛導線和地線至絕緣子串上，張拉至垂度滿足設計要求；6)安裝激光位移計、皮托管；7)測量試驗塔的動カ特性、調(diào)試采樣儀器；8)進行90度風向角下不同風速等級下的風洞試驗，采集位移時程和加速度時程；9)旋轉(zhuǎn)風洞轉(zhuǎn)盤至75度風向角和60度風向角，分別進行相應的風洞試驗。本發(fā)明的有益效果是，可以通過采用氣彈模型風洞試驗測得臺風風場下輸電線路的位移和加速度響應，計算關心部位的風振系數(shù)等設計參數(shù)，并通過與良態(tài)風場的比較分析輸電線路在臺風下的風致響應特點。


圖I是臺風風場下輸電塔線體系氣彈模型多角度風洞試驗布置圖；圖2是絕緣子串和間隔棒ネ旲型；圖3是直線塔等代模型和耐張塔等代模型；圖4是90度風向角エ況模型布置圖；圖5是75度風向角エ況模型布置圖；圖6是60度風向角エ況模型布置圖。
具體實施方式
在圖I中，試驗塔I位于風洞轉(zhuǎn)盤13正中，其兩側(cè)各依次放置I個直線塔2和I個耐張塔3，5個塔中心對齊保證處于同一直線上；6根導線4和2根地線5通過絕緣子串6懸掛于5個塔的掛點位置，張拉導地線至垂度符合設計要求；5個塔上流處擺放形成風剖面和產(chǎn)生紊流的矩形格柵12，矩形格柵12后交錯擺放形成紊流度剖面的雙木塊粗糙元7、雙石塊粗糙元8、單石塊粗糙元9和矩形格柵12 ;下游近試驗塔I處安放激光位移計10 ;與試驗塔I同一直線上的遠處安放皮托管11控制試驗風速，來流風14沿箭頭方向吹向5個塔。試驗塔I桿件使用規(guī)格為Φ0. 25X0. 065mm Φ1. 5X0. 15mm的毛細黃銅管模擬軸向剛度，使用泡沫塑料和ABS板模擬鋼管和角鋼的外形輪廓，試驗塔I主要桿件剛度設計值和實際制作值如表I所示，外形尺寸設計值和實際制作值如表2所示。
表I試驗塔I主要桿件剛度模擬
權(quán)利要求
1.一種應用于臺風風場的輸電線的風洞試驗系統(tǒng)，其特征在于包括試驗塔(I)、直線塔(2)、耐張塔(3)、導線(4)、地線(5)、絕緣子串(6)、風洞轉(zhuǎn)盤(13)、試驗風場；所述試驗塔(I)位于風洞轉(zhuǎn)盤(13)的幾何中心，直線塔(2)放置在試驗塔(I)兩側(cè)，耐張塔(3)放置在直線塔(2)兩側(cè)，試驗塔(I)、直線塔(2)、耐張塔(3)位于同一豎直平面上；絕緣子串(6)分別安裝在試驗塔(I)、直線塔(2)及耐張塔(3)上；導線(4)、地線(5)懸掛在絕緣子串(6)上；試驗風場位于試驗塔(I)、直線塔(2)及耐張塔(3)組成的豎直平面上流。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述應用于臺風風場的輸電線的風洞試驗系統(tǒng)，其特征在于所述試驗塔(I)采用離散剛度法制作；試驗塔(I)根據(jù)幾何相似計算試驗塔(I)各桿件的長度和外徑，根據(jù)彈性參數(shù)計算試驗塔(I)各桿件的軸向剛度，根據(jù)慣性參數(shù)計算試驗塔(I)各部分的質(zhì)量，根據(jù)斯托羅哈數(shù)調(diào)整試驗塔(I)的一階自振頻率，使用毛細黃銅管制作試驗塔(I)骨架，使用泡沫塑料和ABS板制作試驗塔(I)外形。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述應用于臺風風場的輸電線的風洞試驗系統(tǒng)，其特征在于所述直線塔(2)、耐張塔(3)采用不銹鋼管材料；所述導線(4)、地線(5)采用不銹鋼絲材料和塑料套管材料，分段的塑料套管材料套在不銹鋼絲外。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述應用于臺風風場的輸電線的風洞試驗系統(tǒng)，其特征在于所述導線(4)為四跨四分裂導線；地線(5)為四跨地線。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述應用于臺風風場的輸電線的風洞試驗系統(tǒng)，其特征在于所述絕緣子串(6)包括絕緣子串芯棒(15)、絕緣片傘裙(17)、間隔棒(19);絕緣子串芯棒(15)采用不銹鋼管材料，；絕緣片傘裙(17)、間隔棒(19)均采用ABS板材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述應用于臺風風場的輸電線的風洞試驗系統(tǒng)，其特征在于所述試驗風場包括雙木塊粗糙元(7 )、雙石塊粗糙元(8 )、單石塊粗糙元(9 )、格柵(12 )，形成風剖面和產(chǎn)生紊流的格柵(12)擺放在遠離豎直平面；豎直平面與格柵(12)之間交錯擺放形成紊流度剖面的雙木塊粗糙元(7)、雙石塊粗糙元(8 )、單石塊粗糙元(9 )。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6任一項所述應用于臺風風場的輸電線的風洞試驗系統(tǒng)，其特征在于所述風洞試驗系統(tǒng)還包括激光位移計(10)、皮托管(11);所述激光位移計(10)安放在近試驗塔(I)的試驗風場內(nèi)；皮托管(11)安放在與試驗塔(I)同一直線上的遠處。
8.應用于權(quán)利要求1-7所述風洞試驗系統(tǒng)的試驗方法，其特征在于包括如下步驟 .1)按照間距要求安裝雙木塊粗糙元、雙石塊粗糙元、單石塊粗糙元、矩形格柵組成試驗風場； .2)安裝試驗塔于風洞轉(zhuǎn)盤的幾何中心，并處于90度風向角下； .3)按尺寸要求安裝直線塔和耐張塔，并與試驗塔對齊； . 4)懸掛絕緣子串至試驗塔和直線塔的各掛點位置； .5)懸掛導線和地線至絕緣子串上，張拉至垂度滿足設計要求； .6)安裝激光位移計、皮托管； .7)測量試驗塔的動力特性、調(diào)試采樣儀器； . 8)進行90度風向角下不同風速等級下的風洞試驗，采集位移時程和加速度時程； .9)旋轉(zhuǎn)風洞轉(zhuǎn)盤至75度風向角和60度風向角，分別進行相應的風洞試驗。
全文摘要
本發(fā)明公開一種應用于臺風風場的輸電線風洞試驗系統(tǒng)及方法，其試驗風場采用臺風風場；試驗系統(tǒng)由1個按照離散剛度法制作的試驗塔、2個作為遠端支座的直線塔和2個耐張塔、6根四跨四分裂導線、2根四跨地線和18個絕緣子串組成。試驗在90度、75度、60度三種風向角下進行。通過氣彈模型多角度風洞試驗測得臺風風場下試驗塔在不同風速、不同風向角下的位移和加速度響應，計算關心部位的風振系數(shù)，并通過與良態(tài)風場的比較分析輸電線路在臺風下的風致響應特點。
文檔編號G01M9/00GK102692309SQ20121014493
公開日2012年9月26日 申請日期2012年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月10日
發(fā)明者劉萬群, 歷天威, 吳培烽, 吳暉, 姚文峰, 朱映潔, 王振華, 王衍東, 邱昊, 金小明, 陳建福, 陳雄偉, 陳鵬 申請人:南方電網(wǎng)科學研究院有限責任公司, 廣東省電力設計研究院