運(yùn)動(dòng)雷暴沖擊風(fēng)下輸電線風(fēng)載計(jì)算參數(shù)的變系數(shù)確定方法

運(yùn)動(dòng)雷暴沖擊風(fēng)下輸電線風(fēng)載計(jì)算參數(shù)的變系數(shù)確定方法

近年來，強(qiáng)風(fēng)造成的輸電線閃絡(luò)觸發(fā)事故和輸電塔沉降事故頻發(fā)。雷暴沖擊風(fēng)(亦稱下?lián)舯┝?是高空氣流下沖后撞擊地面形成的輻射大風(fēng),常發(fā)生于雷暴天氣.由于其在近地面產(chǎn)生了極高的短時(shí)風(fēng)速,且往往伴隨大量降水,給輸電塔線體系造成了巨大的威脅本文基于沖擊射流模型,針對(duì)運(yùn)動(dòng)雷暴沖擊風(fēng)的風(fēng)場特征,參考國外規(guī)范,在求解輸電線路承受的風(fēng)荷載時(shí),提出采用平均時(shí)距較短的3s陣風(fēng)風(fēng)速來表示此類風(fēng)場的設(shè)計(jì)風(fēng)速.對(duì)10m高度處的3s陣風(fēng)風(fēng)速、風(fēng)壓高度變化系數(shù)、風(fēng)壓不均勻系數(shù)和風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)隨雷暴沖擊風(fēng)風(fēng)場參數(shù)(包括射流直徑、極值風(fēng)速和湍流度)以及線路結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行探討,計(jì)算結(jié)果可為雷暴多發(fā)地區(qū)的輸電塔線體系抗風(fēng)設(shè)計(jì)和校驗(yàn)計(jì)算提供參考.1瞬態(tài)風(fēng)場的數(shù)值計(jì)算目前,獲取運(yùn)動(dòng)雷暴沖擊風(fēng)瞬態(tài)風(fēng)場的方法主要包括基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的數(shù)值風(fēng)洞模擬、室內(nèi)射流風(fēng)洞試驗(yàn)和結(jié)合風(fēng)場經(jīng)驗(yàn)剖面函數(shù)的數(shù)值計(jì)算方法.考慮到風(fēng)荷載計(jì)算參數(shù)的研究涉及到多參數(shù)分析,計(jì)算的工況較多,此處采用數(shù)值計(jì)算方法快速獲取對(duì)應(yīng)于不同風(fēng)場參數(shù)的瞬態(tài)風(fēng)場.1.1剖面函數(shù)模型采用沖擊射流模型模擬雷暴沖擊風(fēng)風(fēng)場時(shí),一般認(rèn)為靜止雷暴沖擊風(fēng)的平均風(fēng)場是近似軸對(duì)稱的,風(fēng)場內(nèi)某一點(diǎn)的水平徑向平均風(fēng)速可以表示為該點(diǎn)與射流中心的徑向距離r和所在高度z的函數(shù),即u珔=u珔(r,z).工程中常采用的水平徑向平均風(fēng)速的剖面函數(shù)模型包括Holmes模型、Wood模型、Li模型、OBV模型等.其中,Li模型總結(jié)了多個(gè)模型的經(jīng)驗(yàn)公式,并考慮了雷暴沖擊風(fēng)風(fēng)場邊界層的非線性發(fā)展,其計(jì)算結(jié)果與數(shù)值風(fēng)洞模擬和實(shí)測結(jié)果的吻合度均較為良好式中,u運(yùn)動(dòng)雷暴沖擊風(fēng)場中,射流中心沿水平方向發(fā)生移動(dòng),r處于動(dòng)態(tài)變化中,即r=r(t).此時(shí),點(diǎn)P式中,r1.2脈動(dòng)風(fēng)速確定由于平均風(fēng)場存在時(shí)變性,運(yùn)動(dòng)雷暴沖擊風(fēng)為一典型的非平穩(wěn)過程,其脈動(dòng)風(fēng)速可表示為調(diào)幅函數(shù)a(r(t),z)與均值為0、均方根為1的平穩(wěn)高斯隨機(jī)過程ζ(t,z)的乘積式中,式中,至此,可得運(yùn)動(dòng)雷暴沖擊風(fēng)風(fēng)場中t時(shí)刻某一點(diǎn)P式中,t2參數(shù)分析包括動(dòng)態(tài)雷暴風(fēng)暴流量下輸電線的風(fēng)載2.1s陣風(fēng)風(fēng)速極值輸電線路的基本風(fēng)速是指該線路所在地區(qū)在其設(shè)計(jì)重現(xiàn)期內(nèi)根據(jù)概率極值分布得到的一定超越概率下基本高度處的平均風(fēng)速.大氣邊界層風(fēng)場中,基本風(fēng)速可通過查詢基本風(fēng)壓分布圖,或根據(jù)該地區(qū)往年的氣象資料來確定,并需滿足規(guī)范對(duì)相應(yīng)電壓等級(jí)輸電線路的最低基本風(fēng)速要求,在我國,其平均時(shí)距一般為10min.然而,考慮到運(yùn)動(dòng)雷暴沖擊風(fēng)為非平穩(wěn)風(fēng)場,風(fēng)場內(nèi)某點(diǎn)的平均風(fēng)速在幾分鐘至十幾分鐘內(nèi)會(huì)出現(xiàn)劇烈變化,過長的平均時(shí)距對(duì)應(yīng)的平均風(fēng)速無法準(zhǔn)確反映風(fēng)場的強(qiáng)非平穩(wěn)特性.對(duì)于龍卷風(fēng)和雷暴沖擊風(fēng)等持續(xù)時(shí)間較短的強(qiáng)風(fēng),國外規(guī)范的設(shè)計(jì)風(fēng)速多采用平均時(shí)距較短的3s陣風(fēng)風(fēng)速來進(jìn)行表達(dá)根據(jù)定義,運(yùn)動(dòng)雷暴沖擊風(fēng)作用下,風(fēng)場中高度為z處某一點(diǎn)的3s陣風(fēng)風(fēng)速為式中,V珔選取合理的風(fēng)速計(jì)算點(diǎn)位置,通過式(6)計(jì)算得到運(yùn)動(dòng)雷暴沖擊風(fēng)場內(nèi)z高度處的3s陣風(fēng)風(fēng)速極值.考慮到3s陣風(fēng)風(fēng)速的計(jì)算時(shí)距較短,由于選取的隨機(jī)過程不同而導(dǎo)致的脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程計(jì)算結(jié)果的差異不能忽略.對(duì)于任一組風(fēng)場參數(shù)均進(jìn)行多次重復(fù)計(jì)算,得到z高度處具有一定保證率的3s陣風(fēng)風(fēng)速極值,記為V根據(jù)沖擊風(fēng)風(fēng)場的實(shí)測及試驗(yàn)結(jié)果根據(jù)計(jì)算結(jié)果,擬合得到V由圖2可知,擬合值與計(jì)算值較為吻合.經(jīng)統(tǒng)計(jì),最大誤差僅為1.17%.2.2風(fēng)壓剖面函數(shù)風(fēng)壓高度變化系數(shù)μ(z)反映的是平均風(fēng)速沿高度方向的變化規(guī)律,與風(fēng)場的平均風(fēng)速豎向剖面形式密切相關(guān).對(duì)比采用式(1)和以往經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷玫降臍w一化后的平均風(fēng)速豎廓線,結(jié)果如圖3所示本文選用了Li模型作為靜止沖擊風(fēng)風(fēng)場的風(fēng)速剖面函數(shù),采用與求解V式中,z式中,f在此基礎(chǔ)上,計(jì)算對(duì)應(yīng)于不同風(fēng)場參數(shù)的運(yùn)動(dòng)雷暴沖擊風(fēng)風(fēng)場下的風(fēng)壓高度變化系數(shù),即V2.3風(fēng)場參數(shù)變量的選取實(shí)際風(fēng)場中,同一時(shí)刻一個(gè)檔距內(nèi)輸電線各點(diǎn)的風(fēng)壓不可能相同.因此,在輸電線路的設(shè)計(jì)過程中,引入風(fēng)壓不均勻系數(shù)α對(duì)設(shè)計(jì)風(fēng)壓進(jìn)行折減.文獻(xiàn)[21]中規(guī)定,隨著檔距和風(fēng)壓的增大,風(fēng)壓不均勻系數(shù)的取值逐漸變小.其中,進(jìn)行桿塔設(shè)計(jì)時(shí),規(guī)范中采用的α僅由設(shè)計(jì)風(fēng)速?zèng)Q定,校驗(yàn)電氣間隙時(shí),α僅由桿塔的水平檔距決定.對(duì)于水平檔距為L,高度為z的某一檔輸電線,假設(shè)沖擊風(fēng)的射流中心垂直經(jīng)過線路跨中,可認(rèn)為此時(shí)該檔輸電線承受的整體風(fēng)荷載最大.將整檔輸電線劃分為等長的N段,對(duì)應(yīng)的風(fēng)速計(jì)算點(diǎn)共有N+1個(gè),相鄰計(jì)算點(diǎn)之間的距離為L/N.設(shè)射流中心到輸電線所在直線的初始距離為d基于準(zhǔn)定常假設(shè),由本文中N取為100,適當(dāng)考慮數(shù)值計(jì)算中的隨機(jī)誤差,根據(jù)多個(gè)樣本的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,得到具有一定保證率的V選取風(fēng)場參數(shù)變量D=600,800,1000,1250,1500,1750m;I根據(jù)風(fēng)壓不均勻系數(shù)的實(shí)際表征意義,α可由下式求得:V1)I2)D對(duì)于α的影響較為復(fù)雜,近地面范圍內(nèi),α隨D的增大逐漸減小,且變化幅度較小,如圖6(b)、(d)所示.而遠(yuǎn)離地面范圍內(nèi),隨著D的增大,α整體呈增大趨勢(shì),見圖6(e)和(f).這主要是由以下2個(gè)因素共同作用所導(dǎo)致:①射流直徑D的增大必然會(huì)導(dǎo)致垂直于線路的瞬時(shí)平均風(fēng)場沿線路的空間分布更為均勻,α隨之增大,對(duì)于線路檔距L較大的工況,該效應(yīng)尤為明顯,如圖6(e)所示.②由式(1)可知,平均風(fēng)速的極值高度正比于射流直徑,D的增大會(huì)導(dǎo)致風(fēng)場的高風(fēng)速區(qū)域上移,近地面范圍內(nèi)的平均風(fēng)場減小,V3)對(duì)比圖6(b)和(d)~(f),α與z成正比,且變化幅度在近地面范圍內(nèi)較大,尤其是針對(duì)檔距較小的線路.此外,根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范的相關(guān)規(guī)定,高風(fēng)速區(qū)域α取值往往較小,沖擊風(fēng)風(fēng)場的高風(fēng)速區(qū)域在近地面范圍,實(shí)際條件下近地面范圍內(nèi)α的取值可能更小.考慮到式(12)中涉及的參數(shù)過多,求解過程較為繁瑣,對(duì)影響α取值的各因素開展參數(shù)敏感性分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),大多數(shù)情況下,射流直徑D的改變對(duì)α取值影響較小.假定出現(xiàn)不同射流直徑?jīng)_擊風(fēng)的概率相等,對(duì)不同D對(duì)應(yīng)的各個(gè)α值進(jìn)行平均.在此基礎(chǔ)上,對(duì)式(12)進(jìn)行簡化,簡化后的計(jì)算式為式中,A2.4荷載調(diào)整系數(shù)為了考慮脈動(dòng)風(fēng)荷載作用下的動(dòng)力放大效應(yīng),在風(fēng)荷載的計(jì)算過程中引入了風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)β式中,Δx(t)為運(yùn)動(dòng)雷暴沖擊風(fēng)作用下,導(dǎo)線懸掛點(diǎn)垂直線路方向的風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng),可采用非線性瞬態(tài)有限元分析法求得;l設(shè)置多個(gè)計(jì)算工況(見表2),研究各個(gè)風(fēng)場參數(shù)和線路特征參數(shù)對(duì)β3風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果對(duì)比為便于設(shè)計(jì)人員理解、使用,運(yùn)動(dòng)雷暴沖擊風(fēng)下的輸電線風(fēng)荷載求解公式沿用現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)程中風(fēng)荷載計(jì)算公式的形式,不考慮覆冰影響,作用于導(dǎo)、地線上的風(fēng)荷載為式中,W以標(biāo)準(zhǔn)地貌下某500kV超高壓輸電線路為例,對(duì)按照中國規(guī)范由圖8可知,按照本文方法計(jì)算得到的雷暴沖擊風(fēng)荷載的變化趨勢(shì),與美國規(guī)范的計(jì)算結(jié)果有較大差異.這主要是由于美國規(guī)范在求解輸電線雷暴沖擊風(fēng)荷載時(shí),沿用了大氣邊界層風(fēng)荷載的求解公式,并簡單地令計(jì)算參數(shù)中的陣風(fēng)響應(yīng)因子G=1.0,而未考慮雷暴沖擊風(fēng)平均風(fēng)速豎向剖面的特異性.進(jìn)一步對(duì)比各高度處的風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),常規(guī)邊界層風(fēng)場中,較美國規(guī)范而言,我國規(guī)范用于桿塔設(shè)計(jì)的風(fēng)荷載偏大;沖擊風(fēng)場中,沖擊風(fēng)的射流直徑越大,其作用于輸電線上的風(fēng)荷載越大;同等風(fēng)速條件下,近地面范圍內(nèi),根據(jù)本文的參數(shù)組合求解得到的風(fēng)荷載高于根據(jù)中國、美國規(guī)范求解得到的常規(guī)邊界層風(fēng)場下的風(fēng)荷載,當(dāng)射流直徑較大時(shí),其數(shù)值與根據(jù)美國規(guī)范求解得到的下?lián)舯┝飨碌娘L(fēng)荷載較為接近.4射流直徑和湍流度1)10m高度處的3s陣風(fēng)風(fēng)速隨射流直徑的增大而減小,隨湍流度的增大而增加.2)與3s陣風(fēng)風(fēng)速對(duì)應(yīng)的風(fēng)壓高度變化系數(shù)在近地面范圍內(nèi)取到極值,極值大小及其所在的高度正比于沖擊風(fēng)的射流直徑,與湍流度成反比.相較而言,射流直徑對(duì)風(fēng)高系數(shù)的取值影響更大,實(shí)際設(shè)計(jì)過程中,需根據(jù)設(shè)計(jì)地區(qū)沖擊風(fēng)場的氣象統(tǒng)計(jì)資料進(jìn)行選取.3)沖擊風(fēng)風(fēng)場中,各個(gè)風(fēng)場參數(shù)的取值對(duì)風(fēng)壓不均勻系數(shù)的影響較為復(fù)雜,其中湍流度的