一种垭口微地貌输电导线风致振动的风洞试验方法

摘要

本发明提供的垭口微地貌输电导线风致振动的风洞试验方法，包括以下步骤：制作垭口微地貌模型；将风速排管安装于垭口微地貌模型的垭口中轴处，检测垭口中轴处不同高度的风速；根据高度和风速的具体数值获得垭口中轴处的风速曲线；撤走风速排管；制作输电导线气弹模型，并将输电导线气弹模型置于垭口微地貌模型上；检测模型输电导线的响应位移；根据响应位移和风速的具体数值获得垭口微地貌输电导线风致振动曲线。该方法以垭口微地貌模型真实模拟垭口微地貌风场，以输电导线气弹模型真实模拟输电导线的动力特性，有助于理清垭口微地貌输电导线的风致振动机理，提高垭口微地貌地区的输电线路的安全可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及输电线路抗风研究技术领域，尤其涉及一种垭口微地貌输电导线风致振动的风洞试验方法。

背景技术

随着国家“跨区域治霾”战略的快速推进，特高压输电线路往往远离生产生活区域，不可避免的要穿越垭口、分水岭和风口等微地貌、微气象特征明显地区。风场受垭口微地貌影响，其风速明显增大，与良态风场参数存在明显区别。处于垭口微地貌地区的输电导线，受到垭口风场的影响频发风偏乃至断线倒塌，严重威胁位于该地区的输电线路的安全稳定运行。

垭口微地貌风致振动原理十分复杂，在理论上尚无法完整地解决，所以往往通过风洞试验的方法来研究风振响应特性。由于垭口微地貌多处于山区，受试验条件和工作环境等诸多限制，对其进行现场实测研究非常困难，一般也不会选择对原型输电线路进行测试。但是，国内外尚缺乏垭口微地貌风场输电导线风致振动的风洞试验技术的可借鉴资料。

因此，有必要以风洞试验作为研究手段，对垭口微地貌输电导线风致振动特性进行分析，有助于理清垭口微地貌输电导线风致振动曲线机理。利用该机理建造适宜垭口微地貌的输电塔，并配置相应的输电导线，同时合理安排输电塔的分布，保证处于垭口微地貌地区的输电线路的安全运行。

发明内容

本发明提供了一种垭口微地貌输电导线风致振动的风洞试验方法，以解决垭口微地貌输电导线风致振动曲线机理的探究问题。

本发明提供的垭口微地貌输电导线风致振动的风洞试验方法，包括以下步骤：制作垭口微地貌模型，将垭口微地貌模型置于风洞中；将风速排管安装于垭口微地貌模型的垭口中轴处，利用电子压力扫描阀检测垭口中轴处不同高度的风速；以高度为纵坐标，以风速为横坐标，根据高度和风速的具体数值获得垭口中轴处的风速曲线；撤走风速排管；制作输电导线气弹模型，并将输电导线气弹模型置于垭口微地貌模型上；利用激光位移传感器检测模型输电导线的响应位移；以响应位移为纵坐标，以风速为横坐标，根据响应位移和风速的具体数值获得垭口微地貌输电导线风致振动曲线。

可选地，制作垭口微地貌模型，包括：在保证风洞阻塞比≤5％的条件下，依据风洞的截面开口尺寸，确定垭口微地貌模型的几何缩尺比γ；选择正弦平方山体模型，利用3D打印技术制成垭口微地貌模型。

可选地，制作输电导线气弹模型，并将输电导线气弹模型置于垭口微地貌模型上，包括：以垭口微地貌模型的几何缩尺比γ作为输电导线气弹模型的几何缩尺比γ；将输电导线气弹模型中的模型输电导线的跨度、垂度、长度、外径和单位长度质量分别缩小为实际输电导线的γ倍；为保持模型和原型之间具有相同的气动阻尼，模型输电导线的阻力系数与外径的乘积缩小为实际输电导线的γ倍；将输电导线气弹模型中的模型输电塔的高度缩小为实际输电导线的γ倍；根据模型和原型之间斯特劳哈尔斯数不变的原则，调整输电导线气弹模型的固有频率；将两座模型输电塔设置在垭口微地貌模型的两个山脊上，模型输电导线悬挂于两座模型输电塔上。

可选地，模型输电导线在模型输电塔上的悬挂高度可调。

可选地，模型输电塔在山脊上的设置位置可调。

可选地，风洞的风速缩尺比为

本发明提供的垭口微地貌输电导线风致振动的风洞试验方法，包括以下步骤：制作垭口微地貌模型，将垭口微地貌模型置于风洞中；将风速排管安装于垭口微地貌模型的垭口中轴处，利用电子压力扫描阀检测垭口中轴处不同高度的风速；以高度为纵坐标，以风速为横坐标，根据高度和风速的具体数值获得垭口中轴处的风速曲线；撤走风速排管；制作输电导线气弹模型，并将输电导线气弹模型置于垭口微地貌模型上；利用激光位移传感器检测模型输电导线的响应位移；以响应位移为纵坐标，以风速为横坐标，根据响应位移和风速的具体数值获得垭口微地貌输电导线风致振动曲线。本发明以垭口微地貌模型真实模拟垭口微地貌风场，以输电导线气弹模型真实模拟输电导线的动力特性，二者结合在一起可较为准确地反映输电导线结构与垭口微地貌风场的静动力作用，从而考察垭口微地貌输电导线风致振动情况，有助于理清垭口微地貌输电导线的风致振动机理，合理安排输电塔的分布，提高垭口微地貌地区的输电线路的安全可靠性。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的垭口微地貌模型；

图2为本发明实施例提供的输电导线气弹模型在垭口微地貌模型上的布置示意图；

图3为本发明实施例提供的垭口中轴处的风速曲线；

图4为本发明实施例提供的垭口微地貌输电导线风致振动曲线。

具体实施方式

随着电网的不断发展延伸，输电线路电压等级的不断升高，输电线路通过复杂地形地区的情况也不断增多，垭口、分水岭和风口等微地貌对局部大风的形成可产生很大的影响,因此微地貌对输电线路的影响越来越受到电力线路设计人员的关注。垭口微地貌是典型的微地貌之一,输电线路通过垭口微地貌时,由于调查研究及资料掌握得不够,对风载荷的估计不足,常常在这些区段会发生较为频繁的因大风引起的倒塔、倒杆、断线、放电闪络等事故,极大地影响了电力输送与安全。因此，理清垭口微地貌的风致振动机理，合理安排输电塔的分布，有利于保证垭口微地貌地区的输电线路安全运行。

山脊标高较低的鞍部，即相连的两山顶之间较低的部分称为垭口。当风垂直于垭口截面刮过时，由于气流在垭口处集中，导致风速在垭口处增大。除此之外，由于垭口的特殊地貌特点，导致风向也会发生变化。风速和风向的变化，导致架设于垭口之间的输电导线产生相应的振动。本发明为真实模拟垭口微地貌输电导线风致振动情况，提供了一种垭口微地貌输电导线风致振动的风洞试验方法。该方法包括以下步骤。

步骤S100，制作垭口微地貌模型，将垭口微地貌模型置于风洞中。

风洞即风洞实验室，是以人工的方式产生并且控制气流，用来模拟模型周围气体的流动情况，并可量度气流对模型的作用效果以及观察物理现象的一种管道状实验设备，它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具之一。当进行试验的风洞的尺寸确定时，所需制作的垭口微地貌模型的体积也就确定了。保证风洞阻塞比≤5％的条件下，根据风洞试验段截面开口的尺寸，选择能放入该试验段正常进行风洞试验的预计垭口微地貌模型，以预计垭口微地貌模型尺寸与实际垭口微地貌尺寸比值作为垭口微地貌模型的几何缩尺比γ。

选择正弦平方山体模型，以几何缩尺比γ计算垭口微地貌模型的垭口宽度W、山脉宽度L、山脉长度S和山脉高度H。参见图1示出的垭口微地貌模型，以垭口宽度W和山脉宽度L的延伸方向作为x轴，由于组成垭口微地貌模型需要两座相同山脉，因此，山脉宽度L指的是每一条山脉的宽度；以山脉长度S的延伸方向作为y轴；以山脉最高点到山脉底部的垂直距离，即山脉高度H的延伸方向作为z轴，建立三维坐标系。利用3D打印技术制成垭口微地貌模型。

其中，垭口截面轮廓z＝Hsin²(πx/L)，为保证所得到的模型为垭口微地貌，要求|x|≤L/2。

步骤S200，将风速排管安装于垭口微地貌模型的垭口中轴处，利用电子压力扫描阀检测垭口中轴处不同高度的风速。

由于气流在垭口处集中，导致风速在垭口处增大，在竖直方向上，即图1的z轴方向，风速也会具有相应的变化。为获取垭口中轴处竖直方向上的风速变化情况，在垭口微地貌模型的垭口中轴处设置一个风速排管，该风速排管从上到下依次排布有多个测点，测点分布越密集，测量越准确。利用电子压力扫描阀测量每个测点位置的风速。

步骤S300，以高度为纵坐标，以风速为横坐标，建立风速坐标系。根据高度和风速的具体数值获得垭口中轴处的风速曲线。具体地，以步骤S200中所记录的测点高度和测点风速的具体数值作为高度和风速的具体数值，并在风速坐标系中标记相应的坐标点，将坐标点用平滑的曲线连接，得到垭口中轴处的风速曲线。

步骤S400，将风速排管撤走。

步骤S500，制作输电导线气弹模型，并将输电导线气弹模型置于垭口微地貌模型上。

为保证分析的一致性，以垭口微地貌模型的几何缩尺比γ作为输电导线气弹模型的几何缩尺比γ。根据输电导线气弹模型的相似准则，需要满足输电导线气弹模型的聚合相似、刚度相似和质量分布一致。因此，将输电导线气弹模型中的模型输电导线的跨度、垂度、长度、外径和单位长度质量分别缩小为实际输电导线的γ倍。

在输电导线响应振动的拉索运动中，气动阻尼占主要地位，特别是在大风环境中。气动阻尼是一个减速力，来自于结构和空气之间的相互运动。因此，为保持模型和原型之间具有相同的气动阻尼。因此，其中，C_D为阻力系数，d为外径，(C_Dd)_m为模型输电导线的阻力系数与外径的乘积，(C_Dd)_p为实际输电导线的阻力系数与外径的乘积。

根据输电导线气弹模型的相似准则，将输电导线气弹模型中的模型输电塔的高度缩小为实际输电导线的γ倍；

斯特劳哈尔斯数S_t是流体力学中讨论武力相似与模化时引入的相似准则。对于特定模态的振动，其长度、时间和速度之间的关系是基于模型和原型之间相等的斯特劳哈尔斯数S_t。其中，f_m、s_m和U_m分别为输电导线气弹模型的固有频率、模型输电导线的垂度和模型风速，f_p、s_p和U_p分别为实际输电导线的固有频率、实际输电导线的垂度和实际风速。选择风速缩尺比为则

将两座模型输电塔设置在垭口微地貌模型的两个山脊上，将模型输电导线悬挂于两座模型输电塔上。为测量不同风向的情况下，输电导线的振动情况，模型输电导线在模型输电塔上的悬挂高度可调，模型输电塔在山脊上的设置位置可调。参见图2，为输电导线气弹模型在垭口微地貌模型上的布置示意图。模型输电导线在两座模型输电塔悬挂点的高度差以倾斜角α表示。模型输电导线在两座模型输电塔的水平差以风向角β表示。

具体地，将模型输电导线在两座模型输电塔悬挂点投影于xz的二维坐标系中，两个悬挂点连线所在直线与x轴相交所形成的锐角即为倾斜角α。将模型输电导线在两座模型输电塔悬挂点投影于xy的二维坐标系中，两个悬挂点连线所在直线与x轴相交所形成的锐角即为风向角β。

步骤S600，利用激光位移传感器检测模型输电导线的响应位移。其中，响应位移指的是模型输电导线最低点的最大位移。调整倾斜角α和风向角β，测得一系列与倾斜角α和风向角β相对应的模型输电导线的响应位移。根据模型输电导线最低点的高度，在步骤S300得到的垭口中轴处的风速曲线中，获得相应的风速。

步骤S700，以响应位移为纵坐标，以风速为横坐标，根据响应位移和风速的具体数值获得垭口微地貌输电导线风致振动曲线。

为进一步描述本发明所提供的一种垭口微地貌输电导线风致振动的风洞试验方法，下面将详细阐述一个具体的实施例。

实施例一

步骤S110，选定垭口微地形，测量垭口微地形的宽度为120m，山脉长度为120m，山脉高度为60m，山脉宽度为60m。由于实验所选定风洞截面宽度为3×3m，因此，在保证风洞阻塞比≤5％的条件下，确定垭口微地貌模型的几何缩尺比γ＝1/300。选择正弦平方山体模型，以几何缩尺比γ计算垭口微地貌模型的垭口宽度W、山脉宽度L、山脉长度S和山脉高度H。利用3D打印技术制成垭口微地貌模型。

步骤S210，选择具有16个测点的风速排管，将风速排管安装于垭口微地貌模型的垭口中轴处，利用Scanivalve电子压力扫描阀系统测量每个测点位置的风速。

步骤S310，以高度为纵坐标，以风速为横坐标，建立风速坐标系。根据高度和风速的具体数值获得垭口中轴处的风速曲线。具体地，以步骤S200中所记录的测点高度和测点风速的具体数值作为高度和风速的具体数值，并在风速坐标系中标记相应的坐标点，将坐标点用平滑的曲线连接，得到图3所示的垭口中轴处的风速曲线。

步骤S410，将风速排管撤走。

步骤S510，为便于分析，在此仅以单根ACSR-300/70输电导线作为实际输电导线，其外径为25.5mm，计算截面面积为376.61mm²，单位长度质量质量为1.402kg/m，弹性模量为80415n/mm²。选取跨度为120m，垂度为6m。为保证分析的一致性，输电导线气弹模型的几何缩尺比也是γ＝1/300。根据上述步骤S500，计算输电导线气弹模型的各项参数，参见表1，为输电导线气弹模型参数与实际输电导线参数。

表1输电导线气弹模型参数

参数实际输电导线输电导线气弹模型跨度(m)1200.4垂度(m)60.02长度(m)120.70.402外径(m)25.20.084单位长度质量(g/m)14024.67阻力系数与外径的乘积(mm)25.20.084固有频率(Hz)0.2213.827

选取外径为0.08m的金属丝作为模型输电导线，其单位长度质量为4.67g/m，要求外形相似和单位长度质量相似。选择两根钢梁作为模型输电塔。输电导线气弹模型的其他各项参数均参照表1。将两座模型输电塔设置在垭口微地貌模型的两个山脊上，将模型输电导线悬挂于两座模型输电塔上。

步骤S610，调整模型输电塔的位置及模型输电导线悬挂点的位置，改变并记录倾斜角α和风向角β，测得一系列与倾斜角α和风向角β相对应的模型输电导线的响应位移。根据模型输电导线最低点的高度，在图3的垭口中轴处的风速曲线中，获得相应的风速。

步骤S710，以响应位移为纵坐标，以风速为横坐标，根据响应位移和风速的具体数值获得图4所示的垭口微地貌输电导线风致振动曲线。图4中，风速越大，输电导线的响应位移越大，对输电导线的影响最大。随着倾斜角α和风向角β的增大，垭口微地貌输电导线风致振动曲线变化越来越缓，这说明当风向垂直于输电导线时，对输电导线的影响最大。

本发明以垭口微地貌模型真实模拟垭口微地貌风场，以输电导线气弹模型真实模拟输电导线的动力特性，二者结合在一起可较为准确地反映输电导线结构与垭口微地貌风场的静动力作用，从而考察垭口微地貌输电导线风致振动情况，有助于理清垭口微地貌输电导线的风致振动机理，合理安排输电塔的分布，提高垭口微地貌地区的输电线路的安全可靠性。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。