1 000 kV特高壓變電構(gòu)架風(fēng)荷載特性

李方慧, 唐 浩, 支旭東

(1.黑龍江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，哈爾濱150086；2.結(jié)構(gòu)工程災(zāi)變與控制教育部重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱150090；3.土木工程智能防災(zāi)減災(zāi)工業(yè)和信息化部重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱150090)

1 000 kV特高壓變電構(gòu)架是十分重要的生命線工程，輸電能力強，效率高，棗莊等一批1 000 kV輸變電工程逐步興建.由于其輕質(zhì)、高柔、阻尼小的特性，屬于典型的風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)。在強風(fēng)和地震作用下，其結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生劇烈的振動，引起桿件變形或斷裂，嚴重的會導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)倒塌[1]。目前，DL/T 5154—2012《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》[2]等規(guī)范尚未對1 000 kV特高壓變電構(gòu)架風(fēng)荷載給出明確的計算條款。因此，開展該類結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載特性研究具有重要意義。

國內(nèi)外的一些專家學(xué)者對變電構(gòu)架抗風(fēng)關(guān)鍵問題進行了一系列研究。文獻[3-8]利用氣彈模型風(fēng)洞試驗、高頻天平測力試驗和數(shù)值模擬等手段對500 kV輸電塔架風(fēng)荷載體型系數(shù)、風(fēng)振響應(yīng)以及塔線體系耦合振動效應(yīng)進行了全面而細致的研究，形成了較為成熟的計算理論和實用設(shè)計方法。相比而言，1 000 kV輸電構(gòu)架塔身較高、剛度沿高度分布不均勻，結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析更加復(fù)雜。文獻[9-11]對1 000 kV特高壓變電構(gòu)架風(fēng)荷載分布特性及等效靜風(fēng)荷載進行研究。文獻[12]對輸電線塔架順風(fēng)向荷載效應(yīng)進行研究。文獻[13-16]應(yīng)用高頻測力天平技術(shù)對800 kV和1 100 kV特高壓輸電塔架體型系數(shù)、風(fēng)振響應(yīng)等開展研究。此外，輸電構(gòu)架的塔-線氣動阻尼、結(jié)構(gòu)疲勞以及下?lián)舯┝髯饔肹17]等方面也是研究熱點，本文不展開敘述。

上述研究主要集中在500 kV和800 kV特高壓變電構(gòu)架風(fēng)工程研究，而對1 000 kV特高壓輸電塔架風(fēng)荷載分布特性的研究正在逐步展開，目前尚缺乏系統(tǒng)的研究。本文采用3D打印技術(shù)制作1 000 kV特高壓變電構(gòu)架整體和節(jié)段的風(fēng)洞試驗剛性縮尺模型，在均勻流、A類和B類三種地貌下完成高頻天平測力風(fēng)洞試驗，利用采集的氣動力系數(shù)時程數(shù)據(jù)詳細考察1 000 kV變電構(gòu)架整體以及各節(jié)段結(jié)構(gòu)在不同風(fēng)向、地貌類型下氣動力系數(shù)均值、均方根值、峰度和偏度等統(tǒng)計特性及功率譜變化規(guī)律并分析作用機理，從而指導(dǎo)工程實踐。

1 風(fēng)洞試驗

1.1 試驗設(shè)備

高頻底部天平測力風(fēng)洞試驗在哈爾濱工業(yè)大學(xué)風(fēng)洞與浪槽聯(lián)合實驗室完成，小試驗段截面寬4.0 m，高3.0 m，長25 m，配有自動轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)，轉(zhuǎn)盤直徑2.4 m，可實現(xiàn)0°～360°任意角度調(diào)節(jié)，風(fēng)洞氣動輪廓如圖1所示。高頻測力天平試驗采用ATI六分力傳感器(圖2)，型號為ATI delta ip68 si-660-60，采樣頻率為1 000 Hz，每個樣本采樣時間60 s。試驗中采用固定于自動上下移動支架上的Cobra Probe眼鏡蛇三維脈動風(fēng)速儀測量風(fēng)速剖面及參考風(fēng)速。

圖1 風(fēng)洞氣動輪廓Fig.1 Aerodynamic profile of wind tunnel

圖2 ATI六分力傳感器Fig.2 ATI six-axis force sensor

1.2 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

1 000 kV特高壓變電構(gòu)架為空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，由左右兩個獨立塔架和中間橫梁組成，桿件截面形式為圓鋼管，原型結(jié)構(gòu)輪廓尺寸為高70 m，寬49 m(圖3)。為了詳細考察不同高度塔架的風(fēng)荷載變化特性分別在均勻流場、A類地貌和B類地貌三種流場條件下對整體模型和部分節(jié)段模型進行高頻底部測力風(fēng)洞試驗，將左側(cè)塔架沿不同高度分別A、B、C、D四個節(jié)段模型(圖4)。風(fēng)洞試驗剛性縮尺整體模型和節(jié)段模型采用SLA光敏樹脂3D打印而成，縮尺比分別為1∶100和1∶50。風(fēng)洞試驗中整體模型及A節(jié)段模型見圖5。

圖3 變電構(gòu)架結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of substation frame

圖4 分段示意(m)Fig.4 Segmentation diagram (m)

圖5 風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ虵ig.5 Wind tunnel test models

1.3 風(fēng)場模擬與試驗工況

采用尖塔和粗糙元、地毯對A類和B類地貌進行風(fēng)場模擬，為確保風(fēng)洞流場品質(zhì)，將風(fēng)洞試驗段中風(fēng)剖面和湍流度曲線與荷載規(guī)范分別進行對比分析，結(jié)果顯示風(fēng)場模擬效果良好。為詳細考察地貌和風(fēng)向?qū)鈩恿ο禂?shù)的影響，利用結(jié)構(gòu)的對稱性，在0°～90°范圍內(nèi)每間隔15°測量一次。由于篇幅限制，以A節(jié)段模型為例詳細給出風(fēng)洞測量氣動力系數(shù)對比分析結(jié)果。

1.4 主要研究內(nèi)容

利用高頻底部測力天平同步采集的力和力矩數(shù)據(jù)，詳細考察x向和y向的氣動力系數(shù)Cx和Cy以及扭矩系數(shù)Cmz，利用如下計算獲得。

式中Fx、Fy、Mz分別為x、y方向的力和扭矩。U為參考風(fēng)速，均勻流場U=14.1 m/s，A類和B類地貌參考風(fēng)速取模型頂部風(fēng)速，分別為7.6 m/s和8.7 m/s。ρ為空氣密度，S為迎風(fēng)面積，B為結(jié)構(gòu)特征寬度(表1)。

表1 各風(fēng)向角下A節(jié)段模型及整體模型特征寬度Tab.1 Characteristic width of segment model A and overall model at different wind directions

2 A節(jié)段模型氣動力系數(shù)分析

將A節(jié)段模型氣動力系數(shù)均值、均方根、偏度和峰度以及功率譜等進行對比分析，詳細考察風(fēng)向、地貌等因素對氣動力系數(shù)的影響規(guī)律，通過每個節(jié)段模型氣動力特性對比分析，可為整體結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載特性的精細化研究提供依據(jù)。

2.1 統(tǒng)計特征分析

對比分析不同地貌、風(fēng)向下的氣動力系數(shù)的均值、均方根、峰度(kurtosis)和偏度(skewness)等統(tǒng)計特性。三種不同流場下A節(jié)段模型Cx和Cy的均值和均方根對比見圖6，在0°～90°風(fēng)向角下，Cx均值逐漸遞增，在90°達到最大，Cx均方根值先減后增，在0°達到最大，75°取到最小值。Cy均值逐漸遞減，在0°達到最大，Cy均方根逐漸遞增，在90°達到最大，主要原因是隨著風(fēng)向角的變化，擋風(fēng)面積、氣體繞流和分離方式不同導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)發(fā)生變化。0°風(fēng)向均勻流場、A類地貌和B類地貌A節(jié)段模型Cx均方根之比為1∶1.60∶1.59，Cy均方根之比為1∶1.53∶1.30。均勻流場中各風(fēng)向下Cx最大均值和Cy最大均值之比為1∶1.10，說明兩個垂直方向氣動力特性較為接近。

圖6 A節(jié)段氣動力系數(shù)均值與均方根值對比Fig.6 Comparison of mean values and RMS values of aerodynamic coefficients of segment A

圖7為三種流場條件下A節(jié)段模型氣動力系數(shù)skewness和kurtosis對比，三類流場條件下Cx的skewness波動范圍-0.38～-0.01，B類地貌下各個風(fēng)向下skewness絕對值最大。同時可見，Cy的skewness波動范圍0.01～0.55，在30°向角下B類地貌的skewness最大。kurtosis的變化規(guī)律見圖7(b)，kurtosis值均在3刻度線以上。均勻流、A類地貌、B類地貌三種流場條件下Cx的skewness最大值之比和kurtosis最大值之比分別為1∶1.92∶3.17和1∶1.08∶1.19，同時Cy的skewness最大值之比和kurtosis最大值之比分別為1∶3.57∶7.86和1∶1.11∶1.20。

圖7 A節(jié)段氣動力系數(shù)偏度與峰度對比Fig.7 Comparison of skewness and kurtosis of aerodynamic coefficients of segment A

2.2 功率譜分析

從頻域角度詳細考察地貌、風(fēng)向?qū)鈩恿ο禂?shù)的影響規(guī)律，圖8為0°風(fēng)向三類流場下A節(jié)段模型氣動力系數(shù)功率譜對比分析。

1) 地貌的影響

圖8對比可見，0°風(fēng)向A節(jié)段模型Cx和Cy功率譜在A類地貌和B類地貌高頻部分大于均勻流場，這是由于紊流場對流動量高，耗散動量低。

圖8 A節(jié)段氣動力系數(shù)功率譜密度地貌對比Fig.8 Comparison of PSD of aerodynamic coefficients of segment A under different terrains

2) 風(fēng)向角的影響

圖9為輸電構(gòu)架A節(jié)段模型在均勻流場不同風(fēng)向角時氣動力系數(shù)Cx和Cy功率譜對比，在低頻部分，對Cx和Cy功率譜密度影響最大的風(fēng)向角分別是0°和90°。在高頻部分，對Cx功率譜密度影響最大的風(fēng)向角為0°和75°，對Cy功率譜密度影響最大的為0°和90°。主要原因是隨著風(fēng)向角的不同，氣體繞流模式發(fā)生變化導(dǎo)致流場特性改變，能量傳遞隨之改變。

圖9 A節(jié)段氣動力系數(shù)功率譜密度對比Fig.9 Comparison of PSD of aerodynamic coefficients of segment A

3 整體和節(jié)段模型氣動力系數(shù)對比分析

3.1 統(tǒng)計特征對比

3.1.1 均值與均方根

均勻流場不同風(fēng)向時各節(jié)段模型與整體模型氣動力系數(shù)Cx和Cy均值對比見圖10。對比發(fā)現(xiàn)，Cx從0°到90°遞減，0°時最大，90°時最小，Cy的變化規(guī)律相反。90°風(fēng)向均勻流場下整體模型與四個節(jié)段模型Cx的均值之比為1∶0.02∶0.26∶0.22∶0.38，Cy的均值之比為1∶0.46∶0.57∶0.43∶0.69。對比發(fā)現(xiàn)各節(jié)段模型均值D節(jié)段占比最大。

圖10 整體模型及節(jié)段模型氣動力系數(shù)均值對比Fig.10 Comparison of mean values of aerodynamic coefficients of overall model and segment models

圖11為均勻流場下節(jié)段及整體模型氣動力系數(shù)Cx和Cy均方根對比。整體模型節(jié)段模型氣動力系數(shù)均方根變化趨勢基本相同，Cx從0°到90°遞減，0°時最大，90°時最小，Cy的變化規(guī)律正好相反。90°風(fēng)向均勻流場下整體模型與A～D節(jié)段模型的Cx和Cy均方根之比分別為1∶0.06∶0.37∶0.32∶0.41和1∶0.47∶0.58∶0.44∶0.70。

圖11 整體模型及節(jié)段模型氣動力系數(shù)均方根對比Fig.11 Comparison of RMS values of aerodynamic coefficients of overall model and segment models

3.1.2 偏度與峰度

均勻流場輸電構(gòu)架節(jié)段模型及整體模型氣動力系數(shù)Cx和Cy偏度對比見圖12。整體模型與節(jié)段模型skewness值變化范圍為-0.10～0.09，接近于0，表明氣動力系數(shù)的數(shù)據(jù)分布接近對稱分布。對Cx而言，在0°～90°風(fēng)向角下，A節(jié)段和B節(jié)段模型skewness值均在0刻度線以下。對Cy而言，只有D節(jié)段的skewness值在0刻度線以下。

圖12 整體模型及節(jié)段模型氣動力系數(shù)偏度對比Fig.12 Comparison of skewness of aerodynamic coefficients of overall model and segment models

圖13為均勻流場下節(jié)段及整體模型氣動力系數(shù)Cx和Cy峰度對比。整體模型與節(jié)段模型氣動力系數(shù)Cx的kurtosis值變化范圍為2.90～3.44，整體模型在75°風(fēng)向kurtosis達到3.44。對Cy而言，A節(jié)段、B節(jié)段和D節(jié)段的kurtosis值在3刻度線以上，D節(jié)段模型45°風(fēng)向kurtosis達到3.23。

圖13 整體模型及節(jié)段模型氣動力系數(shù)峰度對比Fig.13 Comparison of kurtosis of aerodynamic coefficients of overall model and segment models

4 結(jié) 論

本文通過1 000 kV特高壓變電構(gòu)架的高頻天平測力風(fēng)洞試驗詳細考察了均勻流、A類地貌和B類地貌下，風(fēng)向角對氣動力系數(shù)功率譜以及均值、均方根等統(tǒng)計參數(shù)的影響規(guī)律，獲得結(jié)論如下：

1)地貌對氣動力系數(shù)均值和均方根影響較大。0°風(fēng)向A節(jié)段模型在均勻流場、A類和B類地貌Cx的均值之比為1∶1.58∶1.57，均方根之比為1∶1.60∶1.50。與之對應(yīng)，三類流場條件下Cy的均值之比為1∶7.00 ∶7.57，均方根之比為1∶1.53∶1.30。

2)不同風(fēng)向下輸電構(gòu)架氣動力系數(shù)Cx和Cy統(tǒng)計特性的變化明顯，綜合考慮均值、均方根等參數(shù)最大值出現(xiàn)的風(fēng)向以及對應(yīng)時程對比分析表明0°、75°、90°風(fēng)向可能出現(xiàn)最不利風(fēng)向，為工程設(shè)計提供參考。

3)通過整體和各節(jié)段模型對比分析，明確各節(jié)段模型對整體風(fēng)荷載的貢獻大小。90°風(fēng)向均勻流場下整體模型與A～D四個節(jié)段模型Cx的均值和均方根值之比分別為1∶0.02∶0.26∶0.22∶0.38和1∶0.06∶0.37∶0.32∶0.41，可以發(fā)現(xiàn)各節(jié)段模型中D節(jié)段占比最大。

4)均勻流場整體模型與節(jié)段模型氣動力系數(shù)Cx的kurtosis值變化范圍為2.90～3.44，整體模型在75°風(fēng)向kurtosis為3.44，D節(jié)段模型氣動力系數(shù)Cy在45°風(fēng)向kurtosis為3.23。