1 000 kV特高壓變電構架風荷載特性

李方慧, 唐 浩, 支旭東

(1.黑龍江大學 建筑工程學院，哈爾濱150086；2.結構工程災變與控制教育部重點實驗室(哈爾濱工業大學)，哈爾濱150090；3.土木工程智能防災減災工業和信息化部重點實驗室(哈爾濱工業大學)，哈爾濱150090)

1 000 kV特高壓變電構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、高柔、阻尼小的特性，屬于典型的風敏感結構。在強風和地震作用下，其結構會產生劇烈的振動，引起桿件變形或斷裂，嚴重的會導致整個結構倒塌[1]。目前，DL/T 5154—2012《架空輸電線路桿塔結構設計技術規定》[2]等規范尚未對1 000 kV特高壓變電構架風荷載給出明確的計算條款。因此，開展該類結構的風荷載特性研究具有重要意義。

國內外的一些專家學者對變電構架抗風關鍵問題進行了一系列研究。文獻[3-8]利用氣彈模型風洞試驗、高頻天平測力試驗和數值模擬等手段對500 kV輸電塔架風荷載體型系數、風振響應以及塔線體系耦合振動效應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計方法。相比而言，1 000 kV輸電構架塔身較高、剛度沿高度分布不均勻，結構抗風分析更加復雜。文獻[9-11]對1 000 kV特高壓變電構架風荷載分布特性及等效靜風荷載進行研究。文獻[12]對輸電線塔架順風向荷載效應進行研究。文獻[13-16]應用高頻測力天平技術對800 kV和1 100 kV特高壓輸電塔架體型系數、風振響應等開展研究。此外，輸電構架的塔-線氣動阻尼、結構疲勞以及下擊暴流作用[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特高壓變電構架風工程研究，而對1 000 kV特高壓輸電塔架風荷載分布特性的研究正在逐步展開，目前尚缺乏系統的研究。本文采用3D打印技術制作1 000 kV特高壓變電構架整體和節段的風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洞試驗，利用采集的氣動力系數時程數據詳細考察1 000 kV變電構架整體以及各節段結構在不同風向、地貌類型下氣動力系數均值、均方根值、峰度和偏度等統計特性及功率譜變化規律并分析作用機理，從而指導工程實踐。

1 風洞試驗

1.1 試驗設備

高頻底部天平測力風洞試驗在哈爾濱工業大學風洞與浪槽聯合實驗室完成，小試驗段截面寬4.0 m，高3.0 m，長25 m，配有自動轉盤系統，轉盤直徑2.4 m，可實現0°～360°任意角度調節，風洞氣動輪廓如圖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眼鏡蛇三維脈動風速儀測量風速剖面及參考風速。

圖1 風洞氣動輪廓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 試驗模型

1 000 kV特高壓變電構架為空間網格結構，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，原型結構輪廓尺寸為高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段模型進行高頻底部測力風洞試驗，將左側塔架沿不同高度分別A、B、C、D四個節段模型(圖4)。風洞試驗剛性縮尺整體模型和節段模型采用SLA光敏樹脂3D打印而成，縮尺比分別為1∶100和1∶50。風洞試驗中整體模型及A節段模型見圖5。

圖3 變電構架結構Fig.3 Structure of substation frame

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

圖5 風洞試驗模型Fig.5 Wind tunnel test models

1.3 風場模擬與試驗工況

采用尖塔和粗糙元、地毯對A類和B類地貌進行風場模擬，為確保風洞流場品質，將風洞試驗段中風剖面和湍流度曲線與荷載規范分別進行對比分析，結果顯示風場模擬效果良好。為詳細考察地貌和風向對氣動力系數的影響，利用結構的對稱性，在0°～90°范圍內每間隔15°測量一次。由于篇幅限制，以A節段模型為例詳細給出風洞測量氣動力系數對比分析結果。

1.4 主要研究內容

利用高頻底部測力天平同步采集的力和力矩數據，詳細考察x向和y向的氣動力系數Cx和Cy以及扭矩系數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為參考風速，均勻流場U=14.1 m/s，A類和B類地貌參考風速取模型頂部風速，分別為7.6 m/s和8.7 m/s。ρ為空氣密度，S為迎風面積，B為結構特征寬度(表1)。

表1 各風向角下A節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節段模型氣動力系數分析

將A節段模型氣動力系數均值、均方根、偏度和峰度以及功率譜等進行對比分析，詳細考察風向、地貌等因素對氣動力系數的影響規律，通過每個節段模型氣動力特性對比分析，可為整體結構風荷載特性的精細化研究提供依據。

2.1 統計特征分析

對比分析不同地貌、風向下的氣動力系數的均值、均方根、峰度(kurtosis)和偏度(skewness)等統計特性。三種不同流場下A節段模型Cx和Cy的均值和均方根對比見圖6，在0°～90°風向角下，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，主要原因是隨著風向角的變化，擋風面積、氣體繞流和分離方式不同導致結構的受力狀態發生變化。0°風向均勻流場、A類地貌和B類地貌A節段模型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節段氣動力系數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節段模型氣動力系數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節段氣動力系數偏度與峰度對比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、風向對氣動力系數的影響規律，圖8為0°風向三類流場下A節段模型氣動力系數功率譜對比分析。

1) 地貌的影響

圖8對比可見，0°風向A節段模型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節段氣動力系數功率譜密度地貌對比Fig.8 Comparison of PSD of aerodynamic coefficients of segment A under different terrains

2) 風向角的影響

圖9為輸電構架A節段模型在均勻流場不同風向角時氣動力系數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°。主要原因是隨著風向角的不同，氣體繞流模式發生變化導致流場特性改變，能量傳遞隨之改變。

圖9 A節段氣動力系數功率譜密度對比Fig.9 Comparison of PSD of aerodynamic coefficients of segment A

3 整體和節段模型氣動力系數對比分析

3.1 統計特征對比

3.1.1 均值與均方根

均勻流場不同風向時各節段模型與整體模型氣動力系數Cx和Cy均值對比見圖10。對比發現，Cx從0°到90°遞減，0°時最大，90°時最小，Cy的變化規律相反。90°風向均勻流場下整體模型與四個節段模型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。對比發現各節段模型均值D節段占比最大。

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

圖11為均勻流場下節段及整體模型氣動力系數Cx和Cy均方根對比。整體模型節段模型氣動力系數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的變化規律正好相反。90°風向均勻流場下整體模型與A～D節段模型的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 整體模型及節段模型氣動力系數均方根對比Fig.11 Comparison of RMS values of aerodynamic coefficients of overall model and segment models

3.1.2 偏度與峰度

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

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

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

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

4 結 論

本文通過1 000 kV特高壓變電構架的高頻天平測力風洞試驗詳細考察了均勻流、A類地貌和B類地貌下，風向角對氣動力系數功率譜以及均值、均方根等統計參數的影響規律，獲得結論如下：

1)地貌對氣動力系數均值和均方根影響較大。0°風向A節段模型在均勻流場、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，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)不同風向下輸電構架氣動力系數Cx和Cy統計特性的變化明顯，綜合考慮均值、均方根等參數最大值出現的風向以及對應時程對比分析表明0°、75°、90°風向可能出現最不利風向，為工程設計提供參考。

3)通過整體和各節段模型對比分析，明確各節段模型對整體風荷載的貢獻大小。90°風向均勻流場下整體模型與A～D四個節段模型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，可以發現各節段模型中D節段占比最大。

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