1                      背景概述

1.1                      項(xiàng)目信息

（1）                      項(xiàng)目建設(shè)方：XXX

（2）                      項(xiàng)目建設(shè)地：新疆吐魯番

1.2                      建設(shè)背景

我國(guó)西北地區(qū)風(fēng)沙較大,沙塵暴頻繁發(fā)生，在沙塵暴的作用下沉積在絕緣子表面的沙塵量嚴(yán)重增大，沉積的沙塵使絕緣子工作環(huán)境發(fā)生變化，一旦絕緣子工作環(huán)境發(fā)生變化其電場(chǎng)分布將會(huì)發(fā)生畸變，絕緣子沿面電場(chǎng)大于空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，閃絡(luò)事故可能發(fā)生，因此通過(guò)建設(shè)沙塵風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室分析接觸網(wǎng)復(fù)合絕緣子在沙塵地區(qū)染污后的沿面電場(chǎng)分布，可為沙塵地區(qū)絕緣子閃絡(luò)機(jī)理的研究提供一定的參考。

沙塵風(fēng)洞可開(kāi)展研究風(fēng)沙地區(qū)環(huán)境物理及其對(duì)材料和電力系統(tǒng)的影響機(jī)制，包括風(fēng)沙天氣、沙塵暴對(duì)電網(wǎng)活動(dòng)的影響，如模擬塵暴和塵卷風(fēng)條件下的電力系統(tǒng)評(píng)估試驗(yàn)；模擬設(shè)備表面砂塵的聚集和吹除作用，同時(shí)還承擔(dān)研究風(fēng)致砂塵運(yùn)動(dòng)等大氣風(fēng)蝕過(guò)程。

目前我國(guó)已有單位設(shè)有人工積污類(lèi)的風(fēng)洞，該類(lèi)風(fēng)洞只是利用風(fēng)洞對(duì)各種型式的絕緣子作吹灰試驗(yàn)，達(dá)不到更寬的風(fēng)速適應(yīng)性以及更均勻的濃度效果，目前我國(guó)還沒(méi)有真正的電網(wǎng)系統(tǒng)專(zhuān)用的風(fēng)沙環(huán)境風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室。

1.3                     國(guó)家電網(wǎng)1.5m沙塵風(fēng)洞方案 本項(xiàng)目技術(shù)難點(diǎn)

沙塵風(fēng)洞建設(shè)主要的技術(shù)難點(diǎn)為：

（1）                      高風(fēng)速的收集技術(shù)難點(diǎn)。過(guò)濾器在高風(fēng)速下會(huì)產(chǎn)生更高的風(fēng)道壓阻，考慮到本項(xiàng)目需要實(shí)現(xiàn)55m/s量級(jí)的高風(fēng)速，超高的風(fēng)速帶來(lái)更高的風(fēng)阻，對(duì)風(fēng)洞氣動(dòng)設(shè)計(jì)帶來(lái)較高的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，且對(duì)風(fēng)沙試驗(yàn)不利。

（2）                      氣動(dòng)輪廓構(gòu)型難點(diǎn)。對(duì)于本項(xiàng)目而言，采用不同的氣動(dòng)輪廓構(gòu)型會(huì)帶來(lái)不同的影響，直流式雖然風(fēng)洞本體的建設(shè)成本低，但是對(duì)過(guò)濾的要求高，風(fēng)洞能量效率低，需要更高功率的風(fēng)機(jī)，綜合建設(shè)成本更高。回流式雖然風(fēng)洞本體建設(shè)成本高，但能量比高，對(duì)過(guò)濾要求不高，試驗(yàn)和維護(hù)更便利，但需要更精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)，尋求適合本項(xiàng)目工況的氣動(dòng)方案。

1.4                      項(xiàng)目創(chuàng)新性

（1）                      采集回流立式布局方案，避免了采用風(fēng)阻式過(guò)濾收集裝置帶來(lái)的能量損失，利用沙塵自重提高了收集效率，降低了沙塵的投入量。

（2）                      采用長(zhǎng)駐室結(jié)構(gòu)，兼顧了擴(kuò)展電網(wǎng)大型絕緣設(shè)備的試驗(yàn)?zāi)芰Γ咏匀伙L(fēng)沙環(huán)境空間，便于后期開(kāi)展各類(lèi)中大型試驗(yàn)。

（3）                      使用矢量流量稱(chēng)配合喂料，精確控制進(jìn)行砂塵供給，同時(shí)采用大周期滯后的控制策略，保證控制精度滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

1.5                      重要說(shuō)明

本報(bào)告只作為初步項(xiàng)目評(píng)估使用，不作為最終實(shí)施依據(jù)。

2                      技術(shù)指標(biāo)

（1）                      風(fēng)洞類(lèi)型：沙塵風(fēng)洞

（2）                      風(fēng)洞形式：回流式風(fēng)洞，立式

（3）                      現(xiàn)有廠房約束：W10m×L40m×H13m

（4）                      環(huán)境溫度：-10°C～室溫

（5）                      試驗(yàn)段尺寸：試驗(yàn)段尺寸為1.0m（寬）×1.5m（高）×3.0m（長(zhǎng)）

（6）                      試驗(yàn)段風(fēng)速范圍：2m/s~55m/s（29m/s以上時(shí)的沙塵試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)不作為驗(yàn)收指標(biāo)）

（7）                      風(fēng)沙試驗(yàn)：絕緣子測(cè)試，模擬新疆地區(qū)沙塵暴；沙塵試驗(yàn)時(shí)最高風(fēng)速為29m/s；

（8）                      沙塵濃度為0~250mg/m3、250~500mg/m3、500~1000mg/m3；

（9）                      沙塵試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)：1h；

（10）                      流場(chǎng)性能(試驗(yàn)區(qū)中心)：

1）       風(fēng)速范圍：2～55m/s ；

2）       模型區(qū)中心湍流度（最大風(fēng)速）：1％左右；

3）       速度均勻性（最大風(fēng)速）：不大于0.05；

（11）                      現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境：白天空氣溫度最高55℃，地表溫度最高70℃，夜間低溫度-20℃；

實(shí)驗(yàn)室凈空間尺寸，長(zhǎng)度40米，寬度10米，高度13米以?xún)?nèi)，配套轉(zhuǎn)盤(pán)機(jī)構(gòu)、加沙裝置、風(fēng)洞試驗(yàn)的控制設(shè)備、測(cè)試設(shè)備，流場(chǎng)指標(biāo)按邊界層風(fēng)洞合格指標(biāo)，要求給出初步方案規(guī)劃、占地面積、用水、用電、用氣情況等。

3                      技術(shù)方案

3.1                      風(fēng)洞形式

回流下吸立式。 開(kāi)口帶駐室風(fēng)洞總長(zhǎng)： 30900mm。    

最大寬度：3500mm，風(fēng)洞總高9500mm。

圖 3?1 風(fēng)洞布置圖

3.2                      風(fēng)洞風(fēng)速控制

風(fēng)速通過(guò)PLC系統(tǒng)及軟件自動(dòng)控制。

3.3                      沙塵實(shí)驗(yàn)

3.3.1                      總處理風(fēng)量

噴口尺寸寬1.0m×高1.5m；

根據(jù)吹沙試驗(yàn)時(shí)最大風(fēng)速29m/s，可得：

最大吹沙試驗(yàn)風(fēng)量=1.5×1.0×29×3600=156,600m3/h；

3.3.2                      噴射砂塵流量

噴口尺寸寬1.0m×高1.5m；風(fēng)速29m/s；沙塵濃度為 0～1000mg/m3,按最大濃度1000mg/m3計(jì)算:

砂流量=1.0×29×1.0×1.5×3600= 156.6kg/h；

因試驗(yàn)時(shí)砂塵采用循環(huán)使用方式，砂塵在試驗(yàn)箱內(nèi)有少量懸浮和沉積，所以砂塵實(shí)際用量遠(yuǎn)小于計(jì)算數(shù)值。

3.3.3                      砂塵濃度測(cè)量

砂塵儀采用交流靜電感應(yīng)測(cè)量原理，當(dāng)帶電粒子接觸或經(jīng)過(guò)傳感器測(cè)量桿附近時(shí)，在測(cè)量桿上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)經(jīng)過(guò)測(cè)量放大，通過(guò)智能數(shù)字算法，過(guò)濾直流部分干擾信號(hào)，只有信號(hào)中的交流分布用于計(jì)算粉塵含量，對(duì)應(yīng)輸出4-20mA或者報(bào)警開(kāi)關(guān)信號(hào)。

3.3.4                      收集

1)       砂塵循環(huán)

采用螺旋輸送機(jī)構(gòu)，將收塵斗下方的砂塵收集后輸送到下料器，再通過(guò)下料器下方的氣力輸送機(jī)構(gòu)將砂塵按試驗(yàn)濃度要求進(jìn)行補(bǔ)料，試驗(yàn)過(guò)程中部分砂塵可循環(huán)使用。輸送速度變頻可調(diào)，功率約11KW。

圖 3?2 俯視沙塵布置圖

圖 3?3螺旋輸送機(jī)構(gòu)參考圖

2)       砂塵收集和管道清潔

配置1套集塵系統(tǒng), 功率約22KW（暫估）。在收集料斗下方設(shè)有閥門(mén)和接口，通過(guò)管道連接到集塵器上，試驗(yàn)結(jié)束清潔系統(tǒng)或更換砂塵時(shí)使用。可手動(dòng)控制和自動(dòng)控制，集塵箱采用抽屜式結(jié)構(gòu)，當(dāng)灰塵積滿(mǎn)后打開(kāi)門(mén)板，即可將儲(chǔ)料器拉出進(jìn)行砂塵的清理，完成后再將儲(chǔ)料器送入即可。管道內(nèi)其余殘留砂塵采用人工清潔方式。

3.4                      風(fēng)洞主要幾何尺寸

考慮到上述指標(biāo)要求，風(fēng)洞主要幾何尺寸如下：

（1）                      試驗(yàn)段

1000mm×1500mm×3000mm，采用開(kāi)口射流封閉駐室形式，有效避免沙塵擴(kuò)散，降低風(fēng)洞能量損耗。加長(zhǎng)駐室設(shè)計(jì)，有效沉積沙塵，另外增加駐室長(zhǎng)度，可以有充分條件用來(lái)模擬大氣邊界層。

（2）                      動(dòng)力段

由異步電動(dòng)機(jī)提供，Ф2000mm×5000mm，擬使用8片葉片，內(nèi)有整流裝置。

（3）                      收縮段

收縮比6，長(zhǎng)3000mm。

（4）                      穩(wěn)定段

3000mm×3000mm，長(zhǎng)2200mm。內(nèi)有二層紊流網(wǎng)及不銹鋼蜂窩器。

4                      廠房條件需求（甲方/最終用戶(hù)方提供）

（1）                      安裝場(chǎng)地由使用方提供，風(fēng)洞總體使用電源功率不低于400kVA（暫定，可優(yōu)化功率），并提供安裝和調(diào)試期間的電。

（2）                      甲方提供滿(mǎn)足風(fēng)洞的地面載荷基礎(chǔ)。

（3）                      滿(mǎn)足風(fēng)洞部段和相關(guān)設(shè)備進(jìn)出的物流通道和安裝空間。

（4）                      安裝和調(diào)試期間的基本生活條件。

5                      項(xiàng)目建設(shè)周期

本項(xiàng)目預(yù)計(jì)建設(shè)周期：6-8個(gè)月（非冬季時(shí)期，考慮新疆地區(qū)，工期略長(zhǎng)）。

6                      已建成有風(fēng)洞業(yè)績(jī)

6.1                      蘭州大學(xué)沙塵風(fēng)洞

蘭州大學(xué)多功能環(huán)境風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室是西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的重要研究平臺(tái)，建設(shè)過(guò)程中得到“985工程"、“雙很好建設(shè)"的強(qiáng)力支持，總投資超過(guò)2000萬(wàn)元，2006年已驗(yàn)收。

該風(fēng)洞為直流下吹式風(fēng)洞，由動(dòng)力段、整流段、實(shí)驗(yàn)段和擴(kuò)散段四部分組成，風(fēng)速由3m/s至40 m/s連續(xù)可調(diào)，洞體總長(zhǎng)55m，實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)20m，實(shí)驗(yàn)段截面積1.30 m （寬）×1.45 m （高），是中國(guó)西北地區(qū)尺寸最大的環(huán)境風(fēng)洞平臺(tái)，主要用于近地層風(fēng)環(huán)境模擬，開(kāi)展與之相關(guān)的風(fēng)沙（雪）運(yùn)動(dòng)機(jī)理、土壤侵蝕過(guò)程、風(fēng)成地貌機(jī)制，荒漠化治理方案以及建筑物風(fēng)載等方面的實(shí)驗(yàn)研究。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室配備有粒子圖像測(cè)速儀（PIV）、多普勒粒子動(dòng)態(tài)分析儀（PDA）、熱線風(fēng)速儀、多通道壓力掃描閥、高速攝影儀、風(fēng)速廓線儀、超聲風(fēng)速儀、氣溶膠粒度譜儀、集沙儀、六分力天平、粒徑分析儀等專(zhuān)業(yè)測(cè)量設(shè)備，同時(shí)還配備大量的實(shí)驗(yàn)輔助設(shè)備以及自主研發(fā)的專(zhuān)業(yè)型測(cè)量裝置，為相關(guān)科研實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展提供了堅(jiān)實(shí)的設(shè)備支持。

圖 6?1蘭州大學(xué)沙塵風(fēng)洞

6.2                      中國(guó)XX集團(tuán)XX所沙塵風(fēng)洞

?       大型砂塵環(huán)境模擬設(shè)施，是世界上目前最大尺寸的砂塵試驗(yàn)風(fēng)洞。

?       具有砂塵混合試驗(yàn)?zāi)芰Α?/span>

?       空氣溫度：20?C～72?C；

?       風(fēng)速：V=1.5m/s～29m/s（噴口處）；

?       可模擬吹砂、吹塵及砂塵混合試驗(yàn)。

?       2023年(已驗(yàn)收)

圖 6?2 北京XX所沙塵風(fēng)洞

6.3                      西南部地區(qū)-某整車(chē)沙塵實(shí)驗(yàn)箱

砂塵試驗(yàn)箱的主要試驗(yàn)對(duì)象是大型猛士車(chē)以及車(chē)載部件、同等尺寸規(guī)模以下的電子信息裝備。具備砂塵環(huán)境模擬能力，滿(mǎn)足吹砂和吹塵試驗(yàn)要求。

?                      出風(fēng)口尺寸：不小于2m×2m；

?                      風(fēng)速： 0m/s～29m/s（±1m/s）；

?                      砂塵濃度：

吹塵試驗(yàn)濃度：10.6±7g/m3；

吹砂試驗(yàn)濃度：低砂、中砂、高砂。

圖 6?3某整車(chē)砂塵試驗(yàn)箱

6.4                      中國(guó)火星沙塵風(fēng)洞

火星風(fēng)洞可開(kāi)展火星自主探測(cè)的相關(guān)研究，包括研究火星表面風(fēng)致沙塵運(yùn)動(dòng)、沙塵暴的形成機(jī)理等火星大氣風(fēng)蝕過(guò)程、火星大氣邊界層、沙礫遷移、地表面風(fēng)蝕過(guò)程、塵埃光譜特性、塵埃的物理等特性。

火星風(fēng)洞全長(zhǎng)約4米，試驗(yàn)段凈空間寬約0.21m，高約0.21m，真空容器為臥式結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度約5米，試驗(yàn)時(shí)可使容器內(nèi)真空壓力達(dá)到100Pa。容器上設(shè)有多個(gè)功能的法蘭接口，風(fēng)洞上設(shè)有多個(gè)觀察窗，可進(jìn)行PIV試驗(yàn)。

圖 6?4火星沙塵風(fēng)洞

6.5                      中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室

6.6                      內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)風(fēng)沙物理實(shí)驗(yàn)室

試驗(yàn)段尺寸為1.2×1.2×16m，風(fēng)洞主要以風(fēng)沙環(huán)境試驗(yàn)研究、教學(xué)觀摩試驗(yàn)為主，同時(shí)兼顧建筑學(xué)院、交通學(xué)院的教學(xué)科研需求。

(1) 微風(fēng)速段：風(fēng)速3～10.0m/s，測(cè)量精度：＜土1%（FS）

(2) 中風(fēng)速段：風(fēng)速10.0～40.0m/s，測(cè)量精度：＜土0.5%(FS)

圖 6?5 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)風(fēng)沙物理實(shí)驗(yàn)室

6.7                      新疆交通科學(xué)研究院

6.8                      國(guó)家電網(wǎng)武漢電力科學(xué)研究院人工積污風(fēng)洞