低風壓架空導線的設計與試驗驗證

黨 朋

（上海電纜研究所有限公司 特種電纜技術國家重點實驗室，上海 200093）

0 引言

架空輸電線路中導線受到的風壓約占整個輸電線路的50% ～70%，除了導線本身的強度要抵抗風載的作用以外，導線的支撐物（桿塔）也必須能夠承載導線傳遞過來的風載荷及其桿塔本身受到的風載荷的聯合作用［1］。 導線的風壓對鐵塔基礎和塔身本體的強度設計有著重大的影響。 長期以來，輸電線路的工作者始終關注著降低導線風壓的問題，力求用一種較為簡便的方法使導線風壓降至最?。?］。

低風壓導線是一種在高風速下顯著降低導線所受風壓的新型導線［3-8］，其原理是通過對導線最外層鋁線表面的形狀進行設計，減小其風阻系數，進而減少導線所受的風的作用力。 導線的風阻系數（即設計規范中的體型系數）研究結果表明［9］，普通鋼芯鋁絞線的風阻系數在低風速（＜10 m·s-1）時，其風阻系數最高（1.2～1.3），隨著風速的增加，其風阻系數先下降后微上升至一個穩定值（1.0 ～1.1），隨后不隨風速的變化而變化。 同直徑低風壓導線在低風速區段（＜25 m·s-1），其風阻系數大于普通鋼芯鋁絞線的風阻系數。 但其風阻系數也是隨著風速的增加而下降，當風速大于某一風速（25 ～30 m·s-1）時，其風阻系數低于普通鋼芯鋁絞線的風阻系數，并隨風速的增加繼續下降至一定值之后保持穩定。

GB 50545—2010《110 ～750 kV 架空輸電線路設計規范》［10］中規定導線線徑小于17 mm 或覆冰時（不論導線直徑大?。w型系數（μSC）取1.2，導線線徑大于或等于17 mm 時，μSC取1.1。 在主干輸電線路中，一般使用的導線規格在185 mm2以上。 其直徑為18 mm，因此實際線路中導線的μSC取1.1。 為了降低導線在高風速（＞25 m·s-1）時的載荷，采用低風壓導線使其荷載相比同直徑的鋼芯鋁絞線下降20%以上，因此，低風壓導線在高風速時的風阻系數應小于0.85［11］。 為此，設計開發滿足這一要求的低風壓導線成為迫切的技術需求。

本工作針對凹弧式低風壓導線開發，將外層型單線的凸面弧設計為凹弧面，設計不同凹弧深度的模型導線，通過風洞試驗驗證其對導線風阻系數的影響，并制作與模型導線相同結構參數的真實導線進行驗證。

1 低風壓導線結構設計

低風壓導線的最外層單線一般采用型線結構形式［11］，并在型線基礎上進行改進，主要有兩種，一種是溝槽式，另一種是表面凹弧式，低風壓導線結構示意圖見圖1。

圖1 低風壓導線結構示意圖

本工作設計研究的是表面凹弧式低風壓導線，其結構示意圖見圖2。

圖2 低風壓導線設計示意圖

圖2 中，D為導線直徑，D1為導線鄰外層直徑，θ為型單線的夾角角度，R為外層單線的凹弧面半徑，點A和點B為導線直徑對應的外圓切線與型單線夾角線的交點，h為凹弧頂點到外圓切線點的距離，稱之為凹弧深度，h可按式（1）計算：

由式（1）可知，h取決于導線直徑（D）、型單線的夾角角度（θ） 和單線凹弧面半徑（R）。

最外層型單線的結構尺寸取決于D、D1和θ。從導線結構穩定性和型單線的加工工藝考慮［12］，型線單線面積一般在9 ～23 mm2（等效直徑在3.40 ～5.40 mm）之間。 最外層單線的總截面取決于D和D1，在型線單線面積的限制下，最外層單線根數也隨之確定，進而可以確定型線單線的夾角角度θ。以JL／G1A-630／45 同直徑的凹弧式低風壓導線設計為例，其導線設計結構參數見表1。

表1 低風壓導線結構參數

按照表1 低風壓導線結構參數制作實心鋁棒模型導線，如圖3 所示，進行風洞試驗測試模型導線［見圖3（a）］的風阻力系數測試，選取風阻力系數最低的模型導線參數生產真實導線［見圖3（b）］，并進行風洞試驗驗證。

圖3 低風壓導線樣品圖

2 試驗部分

2.1 風洞試驗

本次低風壓導線的風阻系數在低速回流風洞實驗室進行。 該風洞實驗室是一座閉口豎向回流式矩形截面低速風洞，如圖4 所示。

圖4 低速回流風洞實驗室示意圖

該風洞實驗室的三維尺寸為27.0 m×7.3 m×4.2 m。 提供的風洞流場性能指標為：試驗段氣流穩定性小于0.6%、流場不均勻性小于0.6%、氣流紊流度不大于0.2%、氣流偏角不大于0.3°、環境噪聲小于85 dB。

2.2 試驗方法

導線試樣在風洞試驗的布置見圖5。

圖5 樣品安裝示意圖

利用與導線相連的六維力學傳感器實時測量在不同風速下導線所受風力大小。 導線受力數據的采集在風速達到平穩狀態后進行。 風速加載的間隔為5 m·s-1，采樣頻率為1000 Hz，采樣時間為30 s。

試驗時保持支架垂直于來流風向，首先測量支架的阻力，安裝導線試樣后再測量全部阻力，數據處理時用測量的全部阻力減去對應風速下支架阻力，即為導線試樣所受力，導線試樣的風阻系數（CD）通過公式（2）進行計算：

式中：FD為試樣所受力，N；V為試驗風速，m·s-1；ρ為空氣密度，kg·m-3；L為試樣長度，m；D為導線試樣的直徑，m。

3 結果與討論

3.1 模型導線試驗

按試驗方法對3 個不同模型樣品進行測試，3 個不同模型導線的風阻系數隨風速變化的曲線見圖6。

圖6 3 個不同模型導線風阻系數隨風速變化曲線

由圖6 可以看出：隨著風速的不斷增大，1＃模型樣品的風阻系數先上升后下降再上升至穩定狀態。而2＃和3＃模型樣品的風阻系數先下降后上升至穩定狀態。 在風速小于15 m·s-1時，1＃模型樣品和2＃、3＃模型樣品的風阻系數變化趨勢不同；當風速大于15 m·s-1時，3 個不同模型樣品的風阻系數變化趨勢基本一致。 1＃樣品的測試結果滿足低風壓導線導線在高風速時的風阻系數小于0.85 這一要求，而2＃模型樣品和3＃模型樣品均不能達到要求。 隨著凹弧深度的增大，同風速下的風阻系數也隨之增大。 這與文獻［13］的研究結果一致，說明凹弧深度的取值不是越大越好，凹弧深度的取值成為凹弧式低風壓導線設計的關鍵。 由于凹弧式低風壓導線是在外層型線的基礎上進行設計，將其凸弧面設計為凹弧面，改變了普通型線同心絞導線不具有的低風阻特性，這與文獻［9］的研究結果一致。

3.2 模型導線與真實導線比對試驗

選取與模型導線的結構參數相同的真實導線進行比對試驗，模型導線和真實導線的風阻系數隨風速變化的曲線見圖7。

圖7 模型導線、真實導線風阻系數與風速的關系曲線

由圖7 可知：模型導線和真實導線的風阻系數隨風速變化的趨勢一致，隨著風速的增大，都先增大后下降隨后穩定。 真實導線的風阻系數在高風速時的也小于0.85，滿足低風壓導線的標準要求。 這說明可通過模型導線的結構參數指導真實導線的生產，這一方式可大大減少低風壓導線的開發成本。真實導線的風阻系數大于模型導線的風阻系數，這是由于真實導線的剛度不如模型導線，在測試過程中容易出現振動，造成受力值增大。

4 結 論

（1）將凹弧式低風壓導線外層單線的凸面弧改變為凹面弧，并通過凹弧深度的設計來降低導線的風阻系數。 其凹弧深度取決于導線直徑、型單線的夾角角度和單線凹弧面半徑。

（2）對于JL／G1A-630／45 尺度相當的凹弧式低風壓導線，可以通過調整凹弧深度，獲得期望的低風壓特性。

（3）通過模型導線的風洞試驗驗證后，其結構

設計參數可以指導真實導線的生產，其風阻系數與模型導線基本一致。