特高压多回路输电塔横担体型系数风洞试验研究

何清清1,谢强1,田雷2  

(1. 同济大学建筑工程系,上海市 杨浦区 200092;2. 国网北京经济技术研究院,北京市 昌平区 102209)

摘要

对某1000 kV输电线路工程四回路输电塔的横担模型进行了高频天平测力风洞试验,得到了5个横担的体型系数,研究了横担体型系数随风向角的变化规律,并将试验结果与国内外规范进行了对比。试验结果表明,横担顺线路体型系数随风向角增大而增大,在85º~90º时达到最大值。试验结果大于GB50665—2011规范取值,除了第四个横担,其他横担体型系数试验结果与IEC60826、ASCE74、JEC-127-1979和BS EN50341-1:2012规范取值接近,可为国内规范中横担的体型系数取值提供补充。

关键词 : 特高压;多回路输电塔;体型系数;风洞试验;风向角

国家自然科学基金项目(51278369);国家电网公司科技项目(SGTYHT/14-JS-188)。

0 引言

特高压输电是全球能源互联网发展的关键技术之一,特高压输电塔是特高压线路的支撑点,是特高压输电工程的关键组成部分。对于输电塔这类高耸结构,风荷载起到主要的控制作用。强风所致输电线路倒塔事故频繁发生[1],因此输电塔在强风下的安全性十分重要。

为了满足大容量和长距离输电的需求,特高压输电工程在中国得到广泛应用。特高压输电塔较一般的架空输电线路杆塔更高,且为节省线路走廊,同塔多回路输电技术越来越多地运用在高压线路中,此类塔横担层数多且长度较大,对风荷载更为敏感,因此横担的风荷载计算尤其重要。

体型系数是准确计算风荷载的关键参数。在DL/T5154—2012《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》[2]中,横担的体型系数计算沿用建筑结构荷载规范[3]中杆塔的体型系数计算方法,横担的体型系数未在规范中体现,故有必要通过风洞试验获得横担的体型系数,进而准确评估作用于横担的风荷载。

对于横担这种格构式结构,主要通过刚体测力风洞试验获得体型系数,此前已有针对500 kV电压等级横担体型系数的研究。张庆华等以多回路高压输电塔常见的横担结构为对象,采用高频测力天平(high frequency force balance, HFFB)进行了风洞试验,获得了横担的体型系数[4]。Fengli Yang等制作了两个输电塔的节段模型,分析了横担体型系数随风向角的变化规律[5]

本文以某1000 kV输电线路的四回路输电塔为原型,将塔头分为4个节段,以1∶30的缩尺比例制作刚性模型,对其进行了HFFB风洞试验,得出作用在模型上的风荷载,计算得到各横担的体型系数,并研究体型系数随风向角的变化规律,最后将试验结果与国内外现行规范进行比较,为国内规范中横担的体型系数取值提供补充。

1 风洞试验简介

1.1 试验模型

输电塔原型高132 m,呼高48 m,塔身的平面形状为正方形,主要构件采用薄壁钢管,横担及辅助材料釆用角钢。其单线图如图1所示,共有五层横担。各个横担的单线图如图2所示,图2中虚线表示构件采用角钢,实线表示构件采用薄壁钢管,各横担的外形尺寸如表1所示。模型采用有机玻璃,缩尺比为1∶30。试验时模型通过钢板与天平连接,以保证模型和天平连接的刚度。模型在风洞中的试验照片如图3所示。

图1 四回路输电塔单线图(单位:mm)
Fig. 1 Diagram of four-circuit tower (Unit: mm)

图2 各横担单线图(单位:mm)
Fig. 2 Diagram of five cross arms (Unit: mm)

图3 第二个横担风洞试验照片
Fig. 3 Test photo of the second cross arm in wind tunnel

表1 横担外形尺寸
Table 1 Overall dimensions of five cross arms

1.2 试验设备

本次试验在同济大学土木工程防灾国家重点实验室TJ-2风洞中进行。TJ-2风洞试验段尺寸为3 m宽、2.5 m高、15 m长,试验风速范围从2 m/s~68 m/s连续可调。风洞配有自动调速、控制与数据采集系统,浮框式六分量汽车模型应变式测力天平及转盘系统,建筑结构模型试验自动转盘系统。试验区流场的速度不均匀性小于1%,湍流度小于0.46%,平均气流偏角小于0.5º。风力测量设备采用的是美国ATI公司生产的Delta SI 330-30型高频测力天平系统,其固有频率高达1500 Hz,且分辨率极高,可以满足风洞试验对各类结构模型动态测力的要求。

1.3 试验介绍

试验中采用均匀流场,结合实验室的实际条件,取试验风速为13 m/s和16 m/s,试验中实测风速分别为12.17 m/s和14.96 m/s。风偏角分别为0º、5º、10º、15º、20º、30º、40º、45º、50º、60º、65º、70º、75º、80º、85º和90º,共16个风偏角。通过装卸横担,分别获得各节段下有横担和无横担的对称模型上的风荷载。本文中假定各模型之间的气动干扰可以忽略,通过有无横担的对称模型上的风荷载差值得到作用在横担上的风荷载,因此在试验中忽略了雷诺数对塔身钢管构件风荷载的影响。试验过程中通过风洞的转盘系统使得天平和模型一起转动,所以试验测得的模型上的各力均按照体轴系给出,风向角和坐标系统如图4所示。

图4 风向角和坐标系统的定义
Fig. 4 Definition of wind attack angle and coordinate system

2 横担体型系数的试验结果分析

2.1 体型系数计算

通过刚体模型测力试验获得作用在模型上的沿 x方向和 y方向的总水平风力,从而通过式(1)和式(2)得到无量纲的气动力系数。

式中, Fx、Fy分别为x向、y向水平风力的平均值;Ax为 90º 时迎风面实际挡风面积;Ay为0º时迎风面实际挡风面积,V为参考来流风速;ρ为空气密度;Cx、Cy分别为x方向、y方向的气动力系数。

2.2 试验结果分析

根据风洞试验所测得的水平风力,经过式(1)、(2)的计算,获得了横担的体型系数,90°风向角时各横担的体型系数如表2所示。图5给出了两种风速下横担体型系数随风向角的变化规律。由图5可以看出:1)五个横担的体型系数随风向角变化规律相同,在0°~ 90°风向角范围内,x向体型系数随风向角增大而增大,在85°~ 90°风向角达到最大值,y向体型系数先增大后减小,在30°时达到最大值;2)由于各模型均具有双轴对称性,模型在横风方向的体型系数理论上应该为零,如图5所示,模型在0º风向角的体型系数几乎为零。

3 试验结果与各国规范的比较

3.1 各国规范关于体型系数的规定

各个国家设计规范所使用的体型系数计算方法存在差异,计算参数的确定也存在很大的差异。各国规范都给出了根据结构挡风系数计算风荷载体型系数的计算公式,然而只有日本输电线路结构设计标准(JEC-127-1979)[6]明确给出了横担风荷载体型系数的计算公式,其他规范在计算横担体型系数时均沿用了杆塔风荷载体型系数的计算公式。式(3)~(6)分别为我国1000 kV架空输电线路设计规范(GB50665—2011)[7]、国际电工委员会架空输电线路设计准则(IEC60826)[8]、日本输电线路结构设计标准(JEC-127-1979)[6]和欧洲架空输电线规范(BS EN50341-1:2012)[10]给出的关于体型系数的计算公式。表3为美国输电线路结构荷载准则(ASCE 74)[9]矩形截面角钢格构式杆塔的风荷载体型系数计算规定。

图5 各横担在两种风速下的体型系数
Fig. 5 Drag coefficients of the cross arms under two different wind speed

式中,µs、C xt 、C、Ctc为 杆塔风荷载体型系数;η 为塔架背风面降低系数;6φ、5χ均为节间构件的投影面积与该节间外廓面积之比。

表2 各个横担90º风向角时的体型系数
Table 2 Drag coefficients of cross arms under wind attack angle 90°

表3 ASCE74格构式杆塔的风荷载体型系数[9]
Table 3 Drag coefficients of latticed towers in ASCE 74

图6中给出了相同的挡风系数下,按各规范计算的在90º风向角下的横担风荷载体型系数。可以发现在相同挡风系数下,国外规范取值较接近,我国规范计算的体型系数小于其他规范计算值。

图6 各国规范90º风向角时横担的体型系数
Fig. 6 Drag coefficients of cross arms under wind attack angle 90°in various codes

3.2 本文试验结果与规范取值对比

图7 中给出了试验结果与各国规范给出的体型系数的差值,图中纵坐标差值=(试验值-规范值)/规范值,横坐标为各横担的编号。横担的体型系数试验结果比我国规范大20%~35%,除了第四个横担,其余四个横担的试验结果与国外规范计算结果比较接近。各国规范中给出的输电塔的体型系数是根据国内外的试验资料整理而成的,但是已有的试验中没有针对1000 kV特高压横担体型系数的研究,试验用的横担长度小于1000 kV输电塔横担长度。本文认为横担根部宽度与端部宽度的比值、横担净长是影响横担外形的主要因素,从而影响其体型系数。第四个横担的根部宽度与端部宽度的比值较大、单侧横担较长,故与规范差别相比其他横担要大。

图7 90º风向角时试验结果与各国规范的差值
Fig. 7 Deviation between the test and various national codes under wind attack angle 90°

4 结论

本文通过对输电塔四个节段模型的风洞测力试验,获得了五个特高压横担的体型系数随风向角的变化情况,并和国内外的一些规范进行了对比,得出以下结论:

(1)90°风向角时横担的体型系数变化范围是2.94~3.38。在顺线路方向上,体型系数随风向角增大而增大,在85°~ 90°风向角达到最大值。

(2)90º风向角下,当挡风系数在0~0.6范围内时,横担风荷载体型系数在IEC60826、ASCE74、JEC-127-1979和BS EN50341-1:2012规范中取值接近,在GB50665—2011规范中取值最小。

(3)本文中试验结果比GB50665—2011规范取值大20%~35%,除了第四个横担,其他四个横担试验结果与IEC60826、ASCE74、JEC-127-1979和BS EN50341-1:2012规范取值接近。

参考文献

[1] 谢强,李杰. 电力系统自然灾害的现状与对策[J]. 自然灾害学报,2006,15(4):126-131.

Xie Qiang, Li Jie. Current Situation of Natural Disaster in Electric Power System and Counter Measures [J]. Journal of Natural Disasters, 2006, 15(4): 126-131(in Chinese).

[2] 电力规划设计总院. 架空输电线路杆塔结构设计技术规定:DL/T5154—2012[S]. 北京:中国计划出版社,2012.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑结构荷载规范:GB50009—2012[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2011.

[4] 张庆华,马文勇. 多回路高压输电塔典型横担结构风力系数风洞试验研究[J]. 振动与冲击, 2016,35(16):158-163.

Zhang Qinghua, Ma Wenyong. Experimental Study of Wind Force Coefficients on Typical Crossarms of a Multi-circle High-voltage Transmission Tower[J]. Journal of Vibration and Shock, 2016, 35(16): 158-163(in Chinese).

[5] Yang F, Yang J, Niu H, et al. Design Wind Loads for Tubularangle Steel Cross-arms of Transmission Towers Under Skewed Wind Loading[J]. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics, 2015, 140: 10-18.

[6] JEC-127-1979 Design Standards on Structures for Transmissions[S]. Tokyo: Japanese Electrotechnical Committee, 1979.

[7] 中国电力企业联合会. 1000 kV架空输电线路设计规范:GB50665—2011[S]. 北京:中国计划出版社,2011.

[8] IEC60826 Design Criteria of Overhead Transmission Lines[S].International Electrical Commission, 2003.

[9] ASCE-74 Guidelines for Electrical Transmission Line Structural Loading[S]. America: American Society of Civil Engineers, 2009.

[10] BS EN50341-1 Overhead Electrical Lines Exceeding AC 1 kV[S].European Committee for Electrotechnical Standardization, 2012.

Wind Tunnel Tests on Drag Coefficient of Cross Arm in Multi-Circuit Ultra-High Voltage Transmission Tower

HE Qing-qing 1, XIE Qiang 1, TIAN Lei2
(1. Department of Structural Engineering, Tongji University, Yangpu District, Shanghai 200092, China;2. State Grid Economic and Technological Research Institute, Changping District, Beijing 102209, China)

Abstract: In this study, a high frequency force balance (HFFB)wind-tunnel test on cross arms adopted in a 1000 kV power transmission project was carried out. The drag coefficients of five cross arms were obtained, the dependence of the drag coefficients and the wind direction angle were analyzed.Besides, the coefficients were compared with the value from some existing codes at home and abroad. The investigation revealed the drag coefficients along the transmission line generally increased with the incoming wind directions and reached peak value at about 85ºto 90º.The test results are larger than the values calculated by GB50665-2011.The drag coefficients obtained in tests were close to the values calculated by IEC60826, ASCE74, JEC-127-1979 and BS EN50341-1:2012, except for the fourth cross arm. The test results can provide reference for the drag coefficient of cross arm in Chinese design code.

Keywords: ultra-high voltage; multi-circuit transmission tower;drag coefficient; wind tunnel test; wind attack angle


Supported by National Natural Science Foundation of China (51278369) and Science and Technology Foundation of SGCC(SGTYHT/14-JS-188).


作者简介:

何清清

何清清(1991),女,硕士研究生,主要从事高压输电线路杆塔结构抗风研究,E-mail:hzgzhqq@163.com。

谢强(1971),男,博士,教授,博士生导师,IEEE693标准委员会委员,IEEE1527标准委员会委员,ASCE学会TCLEE(生命线工程抗震联合会)委员,主要从事电网基础设施防灾减灾研究。

田雷(1973),男,教授级高级工程师,主要从事线路结构工作,E-mail:tianlei@chinasperi.sgcc.com.cn。

(责任编辑 夏雪)

  • 目录

    图1