[发明专利]一种应用于台风风场的输电线风洞试验系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于输电线路抗风研究，特别是基于气动弹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况；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》对其风场参数有详细的规定，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。然而我国东南沿海和南部沿海地区夏季时常受台风袭扰，台风风力强、影响区域较大、随机性较明显，与良态风场在风场参数上存在明显区别，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约，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）的试验工况，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，以及我国电力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参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、试验风场；所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，根据弹性参数计算试验塔各杆件的轴向刚度，根据惯性参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一阶自振频率，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长度和外径，几何相似比λ_L：式中，L_m和L_p分别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λ_v：

式中，v_m和v_p分别为试验塔模型和试验塔真型相应的风速。