단일 얼음의 질주 특성에 관한 실험적 연구

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 5172(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

얼음으로 코팅된 송전선이 비스듬한 바람 방향에서 질주하는 현상이 가끔 관찰됩니다. 그러나 질주 메커니즘에 대한 대부분의 현재 조사는 전송선의 범위에 수직인 흐름에 대한 것입니다. 이러한 격차를 해소하기 위해 본 연구에서는 풍동 실험을 기반으로 경사류 하에서 얼음 코팅된 송전선의 질주 특성을 연구합니다. 공기탄성 얼음 코팅 송전선 모델의 바람에 의한 변위는 다양한 풍속과 방향에서 풍동 내 비접촉 변위 측정 장비를 사용하여 측정되었습니다. 결과는 질주가 타원형 궤적과 음의 감쇠를 특징으로 하며 이는 직접 흐름(0°)보다 경사 흐름에서 발생할 가능성이 더 높다는 것을 보여줍니다. 풍향 15°에서는 5m/s 이상의 풍속에서 수직 방향으로 질주하는 것이 관찰되었습니다. 30° 풍향에서는 테스트된 풍속의 전체 범위에 걸쳐 질주가 관찰되었습니다. 더욱이, 경사류 하에서의 질주 진폭은 직접 유동에서의 질주 진폭보다 더 큰 것으로 관찰됩니다. 결과적으로, 주요 겨울 몬순 방위각과 전송선 경로의 측면 방향 사이의 풍향이 15°~30°인 경우 실제로 적절한 질주 방지 장치를 적극 권장합니다.

얼음으로 코팅된 전송선의 질주(galloping)는 바람 여기 하에서 저주파, 큰 진폭, 자가 가진 진동으로 특징지어집니다. 질주하면 전송선과 배선 장치가 피로해지고 손상될 수 있습니다. 게다가 송전탑1이 붕괴될 수도 있다. 얼음으로 코팅된 송전선의 질주 메커니즘은 송전선 시스템의 재해 예방 및 완화에 있어서 가장 중요한 문제입니다. 분석 방법, 수치 시뮬레이션, 현장 측정 및 풍동 테스트는 얼음 코팅 송전선의 질주 메커니즘을 연구하는 주요 방법입니다.

질주 해석 이론의 측면에서 Den Hartog2는 수직 진동을 고려하기 위해 단순화된 단일 자유도 준안정 모델을 제안했습니다. Nigel3은 Den Hartog의 이론을 확장하여 비틀림 여기 질주 메커니즘을 제안했습니다. Yu et al.4,5는 관성 결합 메커니즘을 개발했습니다. 결빙에 따른 편심관성에 의한 받음각의 변화로 인해 양력이 측면진동에 양의 피드백을 주어 실질적인 질주 현상을 형성하는 것으로 나타났다. 위에서 언급한 분석 방법을 사용하여 질주(galloping)의 발생 조건과 영향 요인을 논의합니다. 결과적으로, 연습을 위한 질주에 대한 이해가 향상되었습니다. Liu et al.6은 안정적인 바람 조건을 기반으로 결빙된 송전선의 지배 방정식에 외부 가진 하중을 추가하여 질주에 대한 새로운 강제 자가 가진 진동 모델을 확립했습니다. Liu et al.7은 갤로핑 방정식에 대한 섭동 방법으로 얻은 근사해의 정확도를 분석했습니다. 이러한 조사를 바탕으로 송전선로의 질주를 억제하거나 제거하는 데 도움이 되는 이론적 설계 기준이 제안되었습니다. 그러나 실제 공학에서는 고전 이론에 기초하여 계산된 조건을 넘어서는 질주(Galloping)가 가끔 발생하는 경우가 있어 보다 복잡한 현실적 상황에 대한 고려가 필요함을 시사한다.

수치적 방법을 사용하여 송전선의 질주 과정을 시뮬레이션하려는 대규모 시도가 수행되었습니다. 공간 곡선 빔 이론을 기반으로 Yan et al.8,9은 전송선의 질주를 시뮬레이션하기 위해 두 종류의 얼음 도체 질주 모델, 즉 유한 곡선 빔 모델과 혼합 모델을 확립했습니다. 결과적으로 임계풍속에 대한 공식이 제안되었다. Wu et al.10은 상용 CFD 소프트웨어 FLUENT를 사용하여 두 개의 번들 도체 주위의 공기 흐름을 시뮬레이션했습니다. 후류 진동에 대한 수치 시뮬레이션 방법이 제안되었으며, 이는 풍동 데이터에 의해 검증되었습니다. 결과는 질주가 발생할 때 부도체의 궤적이 수평 타원에 가깝다는 것을 보여주었습니다. Meynen et al.11은 2차원 층류 단순 조화 진동 실린더 문제를 해결하여 단일 도체의 에너지 입력 특성을 수치적으로 시뮬레이션했습니다. Clunia 등12은 층류 및 난류 유동에 대한 수치 시뮬레이션을 통해 전송선의 피로 수명을 분석했습니다. Desai et al.13은 얼음 도체를 시뮬레이션하기 위해 비틀림 자유도를 갖는 케이블 요소를 제안했습니다. Xiong et al.14은 얼음 도체에 대한 모드 해석을 수행하고 3차원 곡선 빔 모델을 사용하여 질주 성능을 결정했습니다. Zhang et al.15은 4개의 묶음 도체에 대한 공탄성 테스트를 수행하고 다양한 유형의 절연체를 고려한 진동 모드를 분석했습니다. 이러한 조사를 바탕으로 전송선의 질주 과정을 수치적으로 재현할 수 있습니다. 풍력과 송전선 사이의 상호작용이 논의되었습니다. 그러나 정확성과 효율성을 계산하는 데 있어 복잡성과 결함으로 인해 실제 엔지니어링에 적용하는 데에는 제한이 있었습니다.