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专利名称：一种应用于台风风场的输电线风洞试验系统及方法
技术领域：
本发明属于输电线路抗风研究，特别是基于气动弾性模型风洞试验的抗台风研究领域。
背景技术：
目前，输电线路风振响应风洞试验研究主要采用气动弹性模型(简称气弹模型，下同)，国内输电塔塔架气弹模型的制作方法一般有集中刚度法、离散刚度法和刚性节段加V形弹簧法三种。集中刚度法制作简单，但是对刚度的模拟并不准确，无法模拟塔身的扭转刚度，且不能模拟杆件的振动以及杆件间的相互影响；刚性节段加V形弹簧法制作也较为容易，但不能模拟每个节段的振动情況；离散刚度法加工难度大，但可以较准确地模拟输电塔塔架主要杆件的轴向刚度和几何尺寸，因此模型与真型的相似性最好。输电导地线气弹模型目前主要使用金属丝模拟，然而难以找到既满足拉伸刚度相似又满足外形相似的金属材 料，因而模型的相似情况并不理想。目前塔线体系气弹模型较少考虑绝缘子串的模拟，实际上绝缘子串作为导地线的支座一定程度上影响其风致振动的特性，且绝缘子串本身也受到风荷载的作用。风洞试验的风场模型通常采用良态大气边界层模型，《建筑结构荷载规范》对其风场參数有详细的規定，良态大气边界层模型气象资料丰富、研究成熟、使用广泛，因此目前已经完成的输电线路风振响应风洞试验基本上针对于良态风场。然而我国东南沿�：湍喜垦睾５厍�夏季时常受台风袭扰，台风风力強、影响区域较大、随机性较明显，与良态风场在风场參数上存在明显区别，输电线路在台风中的表现与良态风明显不同，现有的针对良态大气边界层模型中输电线路的风洞试验难以适应抗台风设计的要求。目前塔线体系气弹模型风洞试验受到导地线跨度和风洞尺寸的制約，仅能进行90度风向角(来流风向垂直于导地线线条方向，下同)的试验エ况，不能反映输电线路在其他风向角下的振动情况，实际上输电线路在其他风向角下亦较为危险。所以进行台风风场下的输电线路气弹模型多角度风洞试验对研究输电线路的风致振动特性和抗风设计措施具有深远的意义。

发明内容
针对集中刚度法和刚性节段加V形弹簧法制作气弹模型难以完全模拟输电塔架的风致振动情况，为尽可能地反映输电塔架的振动特点，本发明采用离散刚度法设计制作试验塔，采用不锈钢丝加塑料套管的方法解决导线、地线难以同时满足轴向刚度和外形轮廓的问题，采用不锈钢管加ABS板模拟绝缘子串的轴向刚度、质量和几何外形。本发明的一目的为针对目前国内外对台风环境下输电塔线体系气弹模型风洞试验研究的缺乏，以及我国电カ行业现行设计规范对台风考虑的不足，为研究台风作用下500kV输电塔线体系不同风向角下的振动特征，验证现行输电线路设计规范中的相关參数是否适用于台风环境。本发明提出应用于台风风场下500kV输电塔线风洞试验系统，其具体的技术方案为一种应用于台风风场的输电线的风洞试验系统，包括试验塔、直线塔、耐张塔、导线、地线、绝缘子串、风洞转盘、试验风�。凰�述试验塔位于风洞转盘的几何中心，直线塔放置在试验塔两侧，耐张塔放置在直线塔两侧，试验塔、直线塔、耐张塔位于同一竖直平面上；绝缘子串分别安装在试验塔、直线塔及耐张塔上；导线、地线悬挂在绝缘子串上；试验风场位于试验塔、直线塔及耐张塔组成的竖直平面上流。所述试验塔采用离散刚度法制作；试验塔根据几何相似计算试验塔各杆件的长度和外径，根据弹性參数计算试验塔各杆件的轴向刚度，根据惯性參数计算试验塔各部分的质量，根据斯托罗哈数调整试验塔的ー阶自振频率，使用毛细黄铜管制作试验塔骨架，使用泡沫塑料和ABS板制作试验塔外形。 根据几何相似(即试验塔模型和真型相应长度的比例一致)计算试验塔各杆件的
II
长度和外径,几何相似比= L·., 80式中，Lm和Lp分別为试验塔模型和试验塔真型
相应的长度。根据试验塔真型塔设计风速和风洞可调风速范围确定风速相似比K'
Λ Vm I
爲V,
V 1
P.式中，Vffl和Vp分别为试验塔模型和试验塔真型相应的风速。根据惯性參数(即试验塔模型与试验塔真型的结构密度和流体密度之比一致)设
WfI
计试验塔各部分的质量，质量相似比X m为▲謂===
mp1 M 2()0()式中，Hlm和mp分别为试验塔模型和试验塔真型相应的质量，λ ^为几何相似比，^Pf = I为流体密度相似比。根据试验塔模型杆件和试验塔真型的弹性參数一致设计试验塔各杆件的轴向刚度，轴向刚度相似比为λΕΛ ==ΚΑρ/ =ワ嶋式中，(EA)m和(EA)p分别为试验塔模型和试验塔真型相应的轴向刚度，λ ^为几何相似比，λ ν为风速相似比，み5/—为流体密度相似比。根据试验塔模型与试验塔真型的斯托罗哈数相等调整试验塔的ー阶自振频率，频率相似比Af为
,L Λ. 26.67刚I, Iて丁
式中，fm和fp分别为试验塔模型和试验塔真型相应的自振频率，λ,为几何相似比，λ ν为风速相似比。所述直线塔、耐张塔采用不锈钢管材料；所述导线、地线采用不锈钢丝外套分段塑料套管材料。所述导线为四跨四分裂导线；地线为四跨地线。所述绝缘子串包括绝缘子串芯棒、绝缘片伞裙、间隔棒；绝缘子串芯棒采用不锈钢管材料，；绝缘片伞裙、间隔棒均采用ABS板材料。所述试验风场包括双木块粗糙元、双石块粗糙元、单石块粗糙元、格栅，形成风剖面和产生紊流的格栅摆放在远离竖直平面；竖直平面与格栅之间交错摆放形成紊流度剖面的双木块粗糙元、双石块粗糙元、单石块粗糙元。所述风洞试验系统还包括激光位移计、皮托管；所述激光位移计安放在近试验塔的试验风场内；皮托管安放在与试验塔同一直线上的远处。 本发明的又一目的为在不同參考风速、不同风向角下通过测量关心部位的位移和加速度可以研究台风对输电线路风振响应的影响，研究了不同风向角对塔线体系风振响应的影响，比较台风与良态风下输电线路响应的异同，进而可以得出一些设计參数如风振系数在台风下的试验值。本发明的风洞试验系统的工作过程包括以下步骤I)按照间距要求安装双木块粗糙元、双石块粗糙元、单石块粗糙元、矩形格栅组成试验风�。�2)安装试验塔于风洞转盘的几何中心，并处于90度风向角下；3)按尺寸要求安装直线塔和耐张塔，并与试验塔对齐；4)悬挂绝缘子串至试验塔和直线塔的各挂点位置；5)悬挂导线和地线至绝缘子串上，张拉至垂度满足设计要求；6)安装激光位移计、皮托管；7)测量试验塔的动カ特性、调试采样仪器；8)进行90度风向角下不同风速等级下的风洞试验，采集位移时程和加速度时程；9)旋转风洞转盘至75度风向角和60度风向角，分别进行相应的风洞试验。本发明的有益效果是，可以通过采用气弹模型风洞试验测得台风风场下输电线路的位移和加速度响应，计算关心部位的风振系数等设计參数，并通过与良态风场的比较分析输电线路在台风下的风致响应特点。


图I是台风风场下输电塔线体系气弹模型多角度风洞试验布置图；图2是绝缘子串和间隔棒ネ旲型；图3是直线塔等代模型和耐张塔等代模型；图4是90度风向角エ况模型布置图；图5是75度风向角エ况模型布置图；图6是60度风向角エ况模型布置图。
具体实施方式
在图I中，试验塔I位于风洞转盘13正中，其两侧各依次放置I个直线塔2和I个耐张塔3，5个塔中心对齐保证处于同一直线上；6根导线4和2根地线5通过绝缘子串6悬挂于5个塔的挂点位置，张拉导地线至垂度符合设计要求；5个塔上流处摆放形成风剖面和产生紊流的矩形格栅12，矩形格栅12后交错摆放形成紊流度剖面的双木块粗糙元7、双石块粗糙元8、单石块粗糙元9和矩形格栅12 ;下游近试验塔I处安放激光位移计10 ;与试验塔I同一直线上的远处安放皮托管11控制试验风速，来流风14沿箭头方向吹向5个塔。试验塔I杆件使用规格为Φ0. 25X0. 065mm Φ1. 5X0. 15mm的毛细黄铜管模拟轴向刚度，使用泡沫塑料和ABS板模拟钢管和角钢的外形轮廓，试验塔I主要杆件刚度设计值和实际制作值如表I所示，外形尺寸设计值和实际制作值如表2所示。
表I试验塔I主要杆件刚度模拟
权利要求
1.一种应用于台风风场的输电线的风洞试验系统，其特征在于包括试验塔(I)、直线塔(2)、耐张塔(3)、导线(4)、地线(5)、绝缘子串(6)、风洞转盘(13)、试验风�。凰�述试验塔(I)位于风洞转盘(13)的几何中心，直线塔(2)放置在试验塔(I)两侧，耐张塔(3)放置在直线塔(2)两侧，试验塔(I)、直线塔(2)、耐张塔(3)位于同一竖直平面上；绝缘子串(6)分别安装在试验塔(I)、直线塔(2)及耐张塔(3)上；导线(4)、地线(5)悬挂在绝缘子串(6)上；试验风场位于试验塔(I)、直线塔(2)及耐张塔(3)组成的竖直平面上流。
2.根据权利要求I所述应用于台风风场的输电线的风洞试验系统，其特征在于所述试验塔(I)采用离散刚度法制作；试验塔(I)根据几何相似计算试验塔(I)各杆件的长度和外径，根据弹性参数计算试验塔(I)各杆件的轴向刚度，根据惯性参数计算试验塔(I)各部分的质量，根据斯托罗哈数调整试验塔(I)的一阶自振频率，使用毛细黄铜管制作试验塔(I)骨架，使用泡沫塑料和ABS板制作试验塔(I)外形。
3.根据权利要求I所述应用于台风风场的输电线的风洞试验系统，其特征在于所述直线塔(2)、耐张塔(3)采用不锈钢管材料；所述导线(4)、地线(5)采用不锈钢丝材料和塑料套管材料，分段的塑料套管材料套在不锈钢丝外。
4.根据权利要求3所述应用于台风风场的输电线的风洞试验系统，其特征在于所述导线(4)为四跨四分裂导线；地线(5)为四跨地线。
5.根据权利要求I所述应用于台风风场的输电线的风洞试验系统，其特征在于所述绝缘子串(6)包括绝缘子串芯棒(15)、绝缘片伞裙(17)、间隔棒(19);绝缘子串芯棒(15)采用不锈钢管材料，；绝缘片伞裙(17)、间隔棒(19)均采用ABS板材料。
6.根据权利要求I所述应用于台风风场的输电线的风洞试验系统，其特征在于所述试验风场包括双木块粗糙元(7 )、双石块粗糙元(8 )、单石块粗糙元(9 )、格栅(12 )，形成风剖面和产生紊流的格栅(12)摆放在远离竖直平面；竖直平面与格栅(12)之间交错摆放形成紊流度剖面的双木块粗糙元(7)、双石块粗糙元(8 )、单石块粗糙元(9 )。
7.根据权利要求I至6任一项所述应用于台风风场的输电线的风洞试验系统，其特征在于所述风洞试验系统还包括激光位移计(10)、皮托管(11);所述激光位移计(10)安放在近试验塔(I)的试验风场内；皮托管(11)安放在与试验塔(I)同一直线上的远处。
8.应用于权利要求1-7所述风洞试验系统的试验方法，其特征在于包括如下步骤 .1)按照间距要求安装双木块粗糙元、双石块粗糙元、单石块粗糙元、矩形格栅组成试验风�。� .2)安装试验塔于风洞转盘的几何中心，并处于90度风向角下； .3)按尺寸要求安装直线塔和耐张塔，并与试验塔对齐； . 4)悬挂绝缘子串至试验塔和直线塔的各挂点位置； .5)悬挂导线和地线至绝缘子串上，张拉至垂度满足设计要求； .6)安装激光位移计、皮托管； .7)测量试验塔的动力特性、调试采样仪器； . 8)进行90度风向角下不同风速等级下的风洞试验，采集位移时程和加速度时程； .9)旋转风洞转盘至75度风向角和60度风向角，分别进行相应的风洞试验。
全文摘要
本发明公开一种应用于台风风场的输电线风洞试验系统及方法，其试验风场采用台风风�。皇匝橄低秤�1个按照离散刚度法制作的试验塔、2个作为远端支座的直线塔和2个耐张塔、6根四跨四分裂导线、2根四跨地线和18个绝缘子串组成。试验在90度、75度、60度三种风向角下进行。通过气弹模型多角度风洞试验测得台风风场下试验塔在不同风速、不同风向角下的位移和加速度响应，计算关心部位的风振系数，并通过与良态风场的比较分析输电线路在台风下的风致响应特点。
文档编号G01M9/00GK102692309SQ20121014493
公开日2012年9月26日 申请日期2012年5月10日 优先权日2012年5月10日
发明者刘万群, 历天威, 吴培烽, 吴晖, 姚文峰, 朱映洁, 王振华, 王衍东, 邱昊, 金小明, 陈建福, 陈雄伟, 陈鹏 申请人:南方电网科学研究院有限责任公司, 广东省电力设计研究院