覆冰实验均匀风场形成方法研究

蒋正龙，赵纯，孙利朋，胡建平，吴伟，王博闻

(1.国网湖南省电力公司防灾减灾中心，国网输变电设备防冰减灾技术实验室，湖南长沙410000；2.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

覆冰实验均匀风场形成方法研究

蒋正龙1，赵纯1，孙利朋2，胡建平1，吴伟1，王博闻1

(1.国网湖南省电力公司防灾减灾中心，国网输变电设备防冰减灾技术实验室，湖南长沙410000；2.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

本文基于自由射流理论，介绍了在气候人工模拟室试验设备表面形成均匀风的实现方法，通过吹风、吹—吸风和吸风3种方式的仿真计算以及冰风洞缩比试验，建成了一种带低能耗冰风洞气候人工模拟室并实测了试验区风速大小及均匀性，实现了试验区风速在0～10 m/s可以自由调节，风速稳定，试验区各点差异小，能耗低，对气候人工模拟室内低温环境无影响，满足输变电设备表面覆冰试验对风的要求，为研究风对输变电设备表面覆冰的影响及覆冰增长规律提供了技术支持平台。

冰风洞；风速；气候人工模拟室；自由射流理论；覆冰

中等程度及以上的雨雪冰冻是输电工程中十分严重的自然灾害之一，设备表面覆冰事故极大地危害着电网运行安全〔1－7〕。为研究覆冰灾害对电网的影响，目前部分国家建立了输变电设备气候人工模拟室，并进行了大量试验、获得了大量的人工覆冰数据〔7－10〕，加快了覆冰研究的进程，为覆冰灾害研究和电网防冰减灾提供了技术支持。自然雨雪冰冻环境条件下输变电设备表面覆冰与环境风速有关〔2，11－13，18〕，但在气候人工模拟室内被试设备表面形成均匀风覆冰难度较大，目前的电网人工覆冰研究是在无风的条件下进行的，国内外已有的研究表明〔14－21〕:形成的覆冰形态与自然界线路覆冰有一定的差异。这也是人工覆冰和自然覆冰之间的主要区别之一，同时风对覆冰增长机理的研究还处在理论研究阶段，没有进行有效的试验验证和量化研究。

本文基于自由射流理论，结合气候人工模拟室建立了冰风洞仿真模型，仿真分析了吹风、吸风和吹—吸风3种模式下的试验区风速分布情况，通过缩比搭建了气候人工模拟室缩比风洞并进行模拟测试，对仿真结果的吹风方式进行了的实测验证，同时通过风机参数选择和风管内部结构设计方式进行了研究和试验论证，根据研究成果建成了带冰风洞的气候人工模拟室，对室内试验区风速和温度的大小、均匀性和稳定性进行了实测，性能满足人工覆冰试验要求，具备开展风对覆冰、融冰研究的能力。

1 具有冰风洞的气候人工模拟室结构设计

根据目前对自然覆冰的研究〔10－18〕来看，自然覆冰的风速一般不会很大，覆冰易增长的主要风速分布区间为3～7 m/s，过小的风速影响极小，过大的风速反而不易引起设备表面覆冰，因此在气候人工模拟室内建立低速冰风洞，其风速主要区间应是3～7 m/s。

国家电网公司输变电设备防冰减灾技术实验室设计的具有低速冰风洞气候人工模拟室净空尺寸为17.5 m(长)×9.5 m(宽)×8.6 m(高)，如图1所示，墙面为钢筋水泥结构，采用内保温方式，六面保温层厚度均为15 mm，室内由试验区、冰风洞两部分组成，风在冰风洞内循环流动，循环方式为:风从风机吹出，经风管中的导流板和阻尼网转向并均匀处理后，进入设备试验区，再经回风口转向后回到冰风洞的热交换区，通过热交换区再回到风机，实现风的循环。制冷设备的热交换器安置在冰风洞内进行热量交换，风机运行中产生的热能、风循环时冰风洞内风阻产生的热量通过热交换器带走，保持室内温度均匀稳定。其中设备试验区的净空尺寸是4.5 m(长)×4.5 m(宽)×6.5 m (高)，设备试验区上部设置1.5 m高静压层并在该层内安装满足3 t重物悬挂的电动悬挂装置，可以满足220 kV及以下电压等级被试品和更高电压等级短样被试品的试验需求，最大风速超过10 m/s。实现了在悬式绝缘子的试验区(离地高度3.5 m，以试验区中心轴为中心的1.5 m(长)×1.5 m(宽)× 2.5 m(高)区域的柱体)形成在3～7 m/s内可自由调节，且稳定度为±0.5 m/s，均匀度为±0.5 m/s的均匀风速场，风口距离绝缘子悬挂点不小于1.5 m。

图1 带冰风洞气候人工模拟室平面布置图

2 冰风洞的数值仿真计算

2.1 模型的原理

根据自由射流理论，空气从喷口处射流出后，会形成射流核心区和混合区，核心区内流体流动速度与出口速度基本一致，但随着射流距离的增大，核心区逐渐收缩，直至完全消失，而混合区则是收到包围在核心区外面的一部分流体与外界流体作用，导致速度降低，而形成的一个区域，该区域随射流距离的增大而呈扩大趋势，且速度呈递减趋势，直至与外界空气速度基本相等。因此为保证试验区的风速均匀稳定，必须使试验区处于自由射流的核心区。射流分布方式如图2所示。

图2 射流结构分布图

2.2 模型建立

本风洞设计的最大风速是10 m/s，模型的计算按最大风速来核实。为了获得有效、经济的实验方案，分别针对吹风、吸风以及吹—吸风3种典型的方案进行数值模拟，考察其中心试验区的风速大小和均匀性。与图1中的吹风方式相比，吸风方式去掉了吹风机和风管，而在回风口处增加1台吸风机；吹—吸风方式在回风口处增加1台吸风机。在模型计算中，假设:

①由于空气经过风机、阻尼网、风管后以均匀的风速进行送风，因此在数值模拟的边界条件选取时，直接将风管出风口作为速度入口，不考虑空气进入出风口前的风速变化过程，其中出风口为2.0 m (宽)×3.0 m(高)的长方形；

②回风口出口为3.5 m(宽)×6.0 m(高)的长方形，外部导流板对试验区的风速影响不大，因此在计算过程中未考虑。

为减少计算量，文中采用二维直角坐标进行计算。

①连续性方程:

运动方程:

②状态方程:

由于模型中的风速风量较大，采用k－ε湍流模型。

湍动能k方程:

③耗散率ε方程:

④边界条件:将送风口按速度界面处理，其他边界设置为墙。

2.3 仿真计算结果及分析

3种工况下的仿真计算结果如图3所示。根据仿真计算结果，在吸风方式下，中间试验区的风速很低，如果要在试验区达到设计风速要求，则要求吸风机提供很大的风速，相应的功率和能耗大，给制冷系统和室内温度均匀性带来不良影响，很不经济，因此吸风方式是较差的一种实现方式。

图3 各种工况下的速度场分布图

图4为吹风和吹—吸风方式下的风速等值线，吹风方式和吹—吸风方式在试验区内均能达到设计风速的要求，且在试验区内吹风方式与吹—吸风形式的风速分布基本相近，其中，吹—吸风形式对于流场的均匀性相比吹风形式是有一定程度的改善，但是改善的并不是中心区域的流场而是中心区域外的流场，对试验区风速的改善效果并不明显，其经济性相对较差。因此，综合仿真计算的结果来看，应采用吹风的方式。

图4 两种方式下的风速等值线

3 风速均匀性缩比试验验证

通过仿真计算来看，吹风方式下的风速均匀性较好，经济实用，为进一步验证吹风方式的可行性，并对风机选型和风洞内部结构设计进行试验验证，搭建了风洞的缩比试验平台，在风洞的高度和宽度进行了1∶3的缩比，长度保持不变。选用型号为RDK8.3A的离心风机，风量为30 000 m3/h，全压为978.6 Pa，功率为15 kW。风速测量采用了型号为WD4110的皮托管式风速传感器，量程为0～30 m/s，测量精度为0.2%。在风洞中设置单层和双层阻尼网进行对比试验。

在设备试验区距出风口0m，1m，2m和3m的中心轴线处分别安装了4个风速传感器，每间隔30 s采集一次数据，在3 m/s基准风速下单层阻尼网和双层阻尼网各测量点的风速见图5。

对比图5可知:①在同一测量点，双层阻尼网与单层阻尼网的平均风速差异小，但双层阻尼网的稳定性好；②7 min后试验区风速区域稳定，双层阻尼网风速波动幅度小于0.4 m/s；③在同一时间点，距离风口不同距离点的风速差异小，试验区风向方向风速衰减小，对直径不大于0.5 m的绝缘子，可以认为处在风向风速一致的风场中。缩比试验实测结果与仿真结果基本是一致，可以满足人工覆冰试验区内风速均匀性的要求。

图5 不同测点风速测量

4 气候人工模拟室风速测试及分析

根据仿真和缩比试验建设了带冰风洞的气候人工模拟室，实测了试验区的风速均匀性，选取风速为7 m/s时实测风速变化情况，见图6，试验区风向方向风速变化小，当风速基本稳定后，对直径为0.5 m的被试品，风向方向误差小于0.5 m/s。

图6 各实测风速变化情况

在绝缘子悬挂处前(距风口2.0 m处)，与风向垂直截面绝缘子悬挂上下左右选取5个点安装风速测试仪，见图7，启动风机输出风速到一个定值，3 min和6 min时各测点分速数据见表1。

表1 绝缘子悬挂处截面风速测试数据m/s

图7 测点位置分布图

在试品同一风向截面的不同位置，风速差异小，6 min后风速标准差仅为0.10 m/s。

5 试验区温度变化

采用上送下回的方式将冷风从试验区上部注入试验区，从下部回风口汇入热交换区冷却，采用Fluent对试验区温度进行了仿真计算，仿真模型如图8所示。设定边界条件为:外部环境温度为35℃，从上到下运动的冷风速度为1.0 m/s，当制冷机组将室内温度降低到－15℃，悬挂长2.2 m，伞径300 mm棒形绝缘子，并施加130 kV电压，绝缘子表面均匀发热，热源按照440 W计算，离心风机型号为KF3－95N016.OEZ的最大功率为90 kW，压缩机采用LSB720DZ双头螺杆压缩机，冰风洞内用于热交换设备为3台HLD－150/1140型制冷风机，无风时仿真结果见图9，室内温度稳定均匀，绝缘子表面温度略高，实测无风和3 m/s风速时数据见表2，风将导致室内空气流动、温度更为稳定。

图8 试验区温度分布仿真模型

图9 试验区温度分布图

表2 试验区温度稳定性测试数据

6 结论

1)冰风洞内采用吹风方式，风速均匀性和稳定性好；在风管中增加阻尼网数量，可以提高风速的稳定性，采用双层阻尼网，可以满足试验区内的风速均匀性和稳定性的要求。

2)风对室内温度的均匀稳定性有正面影响。

3)风对电力设备表面覆冰速度有极大影响，提出的在气候室内建设冰风洞的方法，能为人工覆冰试验时在设备表面形成均匀稳定的风速场，通过该实验平台可以深入研究风对输变电设备表面覆冰增长规律、导线融冰电流和时间的影响。

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Study on the uniform wind field formation method in icing experiments

JIANG Zhenglong1，ZHAO Chun1，SUN Lipeng2，HU Jianping1，WU Wei1，WANG Bowen1
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Disaster Prevention and Reduction Center，State Grid Key Laboratory of Power Transmission and Distribution Equipment Anti-icing＆Reducing-disaster Technology，Changsha 410000，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

In this paper，a uniform wind speed formation method of test equipment surface in artificial climate chamber is introduced based on free jet theory.An artificial climate chamber with low energy consumption icing wind tunnel is established by scaling test in the icing wind tunnel and wind speed simulation and calculation in three ways of blowing wind，blowingabsorbing wind and absorbing wind，an artificial climate chamber with low energy consumption icing wind tunnel is established，and then values and uniformities of wind speed in the test area are measured.The results show that the wind speed can adjust freely in 0～10 m/s，in different test points are stable and have smaller differences.Also，the icing wind tunnel has characteristics of low energy consumption and has no influence on the low-temperature environment of artificial climate chamber. In summary，the uniform wind speed formation method satisfies the requirement for wind speed in surface icing experiments of power transmission equipment，and the icing wind tunnel provides a technical support platform for researching influences of wind speed on surface icing of power transmission equipment and ice accretion rules.

icing wind tunnel；wind speed；artificial climate chamber；free jet theory；ice accretion

TM75

B

1008-0198(2016)05-0001-06

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.05.001

蒋正龙(1968)，男，高工，主要从事高电压技术及输变电设备防冰减灾技术的研究和生产工作。

国家电网公司科技项目(SGKJ[2007]871)

2016-02-02 改回日期:2016-03-16