雷暴风及强风下输电线路风偏精细化分析与试验研究

Recent years the windage yaw flashover frequently happened in transmission lines all over the country. Such events caused serious disruptions of normal operation of state grids. The current design practice for windage yaw is not adequate. This project focuses on the following five aspects of research contents. (1) Study time-space characteristics of wind fileds under thunderstorm downburst or strong wind conditions by setting up full-scale measurement instruments on typical windage yaw-prone sites. (2) Develop new-generation large diameter thunderstorm downburst simulator, acquire wind field structure of non-stationary downburst. (3) Carry out high-frequency force balance wind tunnel experiments to measure aerodynamic force coefficients of sub-conductors and insulators. (4) Perform wind pressure measurements on rigid sectional models of transmission tower made of steel angles to study local wind load distribution on structural steel members. (5) Investigate the potential non-linear coupling vibration and inner resonance among conductors, insulators and towers, clarify exciting mechanism of tower vibration to insulator; (6) Analysis windage yaw responses of multiple span tower-line coupling systems, reveal the underline relations of windage yaw responses to parameters of meteorological conditions and transmission line design, establish practical calculation methods of windage yaw. The outcomes of this project provide scientific evidences and technical supports to revise and upgrade the current design guidelines for preventing windage yaw damages to grids.

我国输电线路风偏闪络事故频发，严重威胁电网系统正常运行。现有风偏计算方法和相关风载参数不够精准。本课题主要研究：(1)在风偏易发场地进行雷暴风、季节强风多点同步现场实测，研究风场时空特征；(2)研发可移动大口径雷暴风模拟试验装置，开发高精度三维风速同步测试技术，获取非稳态雷暴风风场的变化规律；(3)采用高频天平测力试验，研究各子导线、绝缘子串和跳线串的的平均和脉动气动力特性；(4)进行角钢输电塔刚性节段模型测压试验，研究各构件的风荷载分布；(5)研究导地线、绝缘子与输电塔之间可能发生的非线性耦合振动和内共振，确定杆塔风致三维振动对导线绝缘子串和跳线串的激励特征；(6)开展雷暴风、强风作用下多档距输电塔-导线耦联体系风偏响应的精细化理论分析，把握风偏响应随气象及线路结构参数的变化规律，给出风偏计算实用方法。项目成果可为输电线路防风偏设计计算建立更为科学合理的方法，为规范的修订提供技术支撑。

本项目对雷暴风及强风下输电线路风偏精细化分析展开全面研究。现场实测方面：建立了多点同步的强风实时监测系统，在风偏事故多发的典型输电线路沿线实测获得了超长时间的风速风向记录；开展了湍流尺度内风场的水平向空间相关性研究，提出了空间相关性与风向角、空间间距和平均风速间的数学模型；结合多变量经验模态分解法提出了可考虑风场非均匀性、非平稳性影响的风压不均匀系数计算方法。风洞试验和室内模拟试验方面：开展了二、四、八分裂导线和双联悬垂绝缘子串的气动力风洞试验研究，给出了其阻力系数的合理取值；开展了角钢塔测压风洞试验，获得了输电塔主材、斜材和辅材杆件的风压分布规律和体型系数沿杆件展长的分布，归纳了风荷载对塔身各杆件的作用特点以及体型系数随风向角的变化规律，并与国内外规范结果进行对比；通过地形模型风洞试验研究了山区地貌的三维脉动风场特性；研发了新一代可移动的大口径雷暴冲击风模拟试验装置，实现了静止型和运动型雷暴冲击风场的室内模拟。理论建模方面：构建了静止型和运动型雷暴冲击风三维脉动风速场的实用模拟方法；提出了多跨输电导线单目标和多目标等效静力风荷载、风荷载调整系数的计算方法，并与我国规范取值进行对比；提出了导线平面内、外运动耦合产生的气动阻尼非比例项，建立了合理有效的输电线路风偏精细化频域计算方法。数值模拟方面：发展了运动雷暴冲击风作用下输电线路风偏动态分析的数值模拟方法，给出雷暴风场作用下悬垂绝缘子的最大风偏角及对应的最不利工况；结合地形模型风洞试验结果详细研究了微地形对输电线路风偏影响；针对1000kV超高压线路研究了B类地貌、山区地貌、台风风场下风偏响应随气象及线路结构参数的变化规律；研究了输电线路防风偏闪络优化措施并进行了相应的数值仿真分析。项目成果为输电线路沿线风场及风荷载参数取值提供了实测和风洞试验依据，为输电线路防风偏设计计算建立了更为科学合理的方法，为相关规范的修订提供了技术支撑。