低風(fēng)壓架空導(dǎo)線的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證

黨 朋

（上海電纜研究所有限公司 特種電纜技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093）

0 引言

架空輸電線路中導(dǎo)線受到的風(fēng)壓約占整個(gè)輸電線路的50% ～70%，除了導(dǎo)線本身的強(qiáng)度要抵抗風(fēng)載的作用以外，導(dǎo)線的支撐物（桿塔）也必須能夠承載導(dǎo)線傳遞過(guò)來(lái)的風(fēng)載荷及其桿塔本身受到的風(fēng)載荷的聯(lián)合作用［1］。 導(dǎo)線的風(fēng)壓對(duì)鐵塔基礎(chǔ)和塔身本體的強(qiáng)度設(shè)計(jì)有著重大的影響。 長(zhǎng)期以來(lái)，輸電線路的工作者始終關(guān)注著降低導(dǎo)線風(fēng)壓的問(wèn)題，力求用一種較為簡(jiǎn)便的方法使導(dǎo)線風(fēng)壓降至最?。?］。

低風(fēng)壓導(dǎo)線是一種在高風(fēng)速下顯著降低導(dǎo)線所受風(fēng)壓的新型導(dǎo)線［3-8］，其原理是通過(guò)對(duì)導(dǎo)線最外層鋁線表面的形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)，減小其風(fēng)阻系數(shù)，進(jìn)而減少導(dǎo)線所受的風(fēng)的作用力。 導(dǎo)線的風(fēng)阻系數(shù)（即設(shè)計(jì)規(guī)范中的體型系數(shù)）研究結(jié)果表明［9］，普通鋼芯鋁絞線的風(fēng)阻系數(shù)在低風(fēng)速（＜10 m·s-1）時(shí)，其風(fēng)阻系數(shù)最高（1.2～1.3），隨著風(fēng)速的增加，其風(fēng)阻系數(shù)先下降后微上升至一個(gè)穩(wěn)定值（1.0 ～1.1），隨后不隨風(fēng)速的變化而變化。 同直徑低風(fēng)壓導(dǎo)線在低風(fēng)速區(qū)段（＜25 m·s-1），其風(fēng)阻系數(shù)大于普通鋼芯鋁絞線的風(fēng)阻系數(shù)。 但其風(fēng)阻系數(shù)也是隨著風(fēng)速的增加而下降，當(dāng)風(fēng)速大于某一風(fēng)速（25 ～30 m·s-1）時(shí)，其風(fēng)阻系數(shù)低于普通鋼芯鋁絞線的風(fēng)阻系數(shù)，并隨風(fēng)速的增加繼續(xù)下降至一定值之后保持穩(wěn)定。

GB 50545—2010《110 ～750 kV 架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》［10］中規(guī)定導(dǎo)線線徑小于17 mm 或覆冰時(shí)（不論導(dǎo)線直徑大?。w型系數(shù)（μSC）取1.2，導(dǎo)線線徑大于或等于17 mm 時(shí)，μSC取1.1。 在主干輸電線路中，一般使用的導(dǎo)線規(guī)格在185 mm2以上。 其直徑為18 mm，因此實(shí)際線路中導(dǎo)線的μSC取1.1。 為了降低導(dǎo)線在高風(fēng)速（＞25 m·s-1）時(shí)的載荷，采用低風(fēng)壓導(dǎo)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(fēng)壓導(dǎo)線在高風(fēng)速時(shí)的風(fēng)阻系數(shù)應(yīng)小于0.85［11］。 為此，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)滿足這一要求的低風(fēng)壓導(dǎo)線成為迫切的技術(shù)需求。

本工作針對(duì)凹弧式低風(fēng)壓導(dǎo)線開(kāi)發(fā)，將外層型單線的凸面弧設(shè)計(jì)為凹弧面，設(shè)計(jì)不同凹弧深度的模型導(dǎo)線，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證其對(duì)導(dǎo)線風(fēng)阻系數(shù)的影響，并制作與模型導(dǎo)線相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的真實(shí)導(dǎo)線進(jìn)行驗(yàn)證。

1 低風(fēng)壓導(dǎo)線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

低風(fēng)壓導(dǎo)線的最外層單線一般采用型線結(jié)構(gòu)形式［11］，并在型線基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，主要有兩種，一種是溝槽式，另一種是表面凹弧式，低風(fēng)壓導(dǎo)線結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 低風(fēng)壓導(dǎo)線結(jié)構(gòu)示意圖

本工作設(shè)計(jì)研究的是表面凹弧式低風(fēng)壓導(dǎo)線，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 低風(fēng)壓導(dǎo)線設(shè)計(jì)示意圖

圖2 中，D為導(dǎo)線直徑，D1為導(dǎo)線鄰?fù)鈱又睆剑葹樾蛦尉€的夾角角度，R為外層單線的凹弧面半徑，點(diǎn)A和點(diǎn)B為導(dǎo)線直徑對(duì)應(yīng)的外圓切線與型單線夾角線的交點(diǎn)，h為凹弧頂點(diǎn)到外圓切線點(diǎn)的距離，稱之為凹弧深度，h可按式（1）計(jì)算：

由式（1）可知，h取決于導(dǎo)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(jié)構(gòu)尺寸取決于D、D1和θ。從導(dǎo)線結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(shù)也隨之確定，進(jìn)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(fēng)壓導(dǎo)線設(shè)計(jì)為例，其導(dǎo)線設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 低風(fēng)壓導(dǎo)線結(jié)構(gòu)參數(shù)

按照表1 低風(fēng)壓導(dǎo)線結(jié)構(gòu)參數(shù)制作實(shí)心鋁棒模型導(dǎo)線，如圖3 所示，進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試模型導(dǎo)線［見(jiàn)圖3（a）］的風(fēng)阻力系數(shù)測(cè)試，選取風(fēng)阻力系數(shù)最低的模型導(dǎo)線參數(shù)生產(chǎn)真實(shí)導(dǎo)線［見(jiàn)圖3（b）］，并進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖3 低風(fēng)壓導(dǎo)線樣品圖

2 試驗(yàn)部分

2.1 風(fēng)洞試驗(yàn)

本次低風(fēng)壓導(dǎo)線的風(fēng)阻系數(shù)在低速回流風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。 該風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室是一座閉口豎向回流式矩形截面低速風(fēng)洞，如圖4 所示。

圖4 低速回流風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室示意圖

該風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的三維尺寸為27.0 m×7.3 m×4.2 m。 提供的風(fēng)洞流場(chǎng)性能指標(biāo)為：試驗(yàn)段氣流穩(wěn)定性小于0.6%、流場(chǎng)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(huán)境噪聲小于85 dB。

2.2 試驗(yàn)方法

導(dǎo)線試樣在風(fēng)洞試驗(yàn)的布置見(jiàn)圖5。

圖5 樣品安裝示意圖

利用與導(dǎo)線相連的六維力學(xué)傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量在不同風(fēng)速下導(dǎo)線所受風(fēng)力大小。 導(dǎo)線受力數(shù)據(jù)的采集在風(fēng)速達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)后進(jìn)行。 風(fēng)速加載的間隔為5 m·s-1，采樣頻率為1000 Hz，采樣時(shí)間為30 s。

試驗(yàn)時(shí)保持支架垂直于來(lái)流風(fēng)向，首先測(cè)量支架的阻力，安裝導(dǎo)線試樣后再測(cè)量全部阻力，數(shù)據(jù)處理時(shí)用測(cè)量的全部阻力減去對(duì)應(yīng)風(fēng)速下支架阻力，即為導(dǎo)線試樣所受力，導(dǎo)線試樣的風(fēng)阻系數(shù)（CD）通過(guò)公式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中：FD為試樣所受力，N；V為試驗(yàn)風(fēng)速，m·s-1；ρ為空氣密度，kg·m-3；L為試樣長(zhǎng)度，m；D為導(dǎo)線試樣的直徑，m。

3 結(jié)果與討論

3.1 模型導(dǎo)線試驗(yàn)

按試驗(yàn)方法對(duì)3 個(gè)不同模型樣品進(jìn)行測(cè)試，3 個(gè)不同模型導(dǎo)線的風(fēng)阻系數(shù)隨風(fēng)速變化的曲線見(jiàn)圖6。

圖6 3 個(gè)不同模型導(dǎo)線風(fēng)阻系數(shù)隨風(fēng)速變化曲線

由圖6 可以看出：隨著風(fēng)速的不斷增大，1＃模型樣品的風(fēng)阻系數(shù)先上升后下降再上升至穩(wěn)定狀態(tài)。而2＃和3＃模型樣品的風(fēng)阻系數(shù)先下降后上升至穩(wěn)定狀態(tài)。 在風(fēng)速小于15 m·s-1時(shí)，1＃模型樣品和2＃、3＃模型樣品的風(fēng)阻系數(shù)變化趨勢(shì)不同；當(dāng)風(fēng)速大于15 m·s-1時(shí)，3 個(gè)不同模型樣品的風(fēng)阻系數(shù)變化趨勢(shì)基本一致。 1＃樣品的測(cè)試結(jié)果滿足低風(fēng)壓導(dǎo)線導(dǎo)線在高風(fēng)速時(shí)的風(fēng)阻系數(shù)小于0.85 這一要求，而2＃模型樣品和3＃模型樣品均不能達(dá)到要求。 隨著凹弧深度的增大，同風(fēng)速下的風(fēng)阻系數(shù)也隨之增大。 這與文獻(xiàn)［13］的研究結(jié)果一致，說(shuō)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(fēng)壓導(dǎo)線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。 由于凹弧式低風(fēng)壓導(dǎo)線是在外層型線的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，將其凸弧面設(shè)計(jì)為凹弧面，改變了普通型線同心絞導(dǎo)線不具有的低風(fēng)阻特性，這與文獻(xiàn)［9］的研究結(jié)果一致。

3.2 模型導(dǎo)線與真實(shí)導(dǎo)線比對(duì)試驗(yàn)

選取與模型導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的真實(shí)導(dǎo)線進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)，模型導(dǎo)線和真實(shí)導(dǎo)線的風(fēng)阻系數(shù)隨風(fēng)速變化的曲線見(jiàn)圖7。

圖7 模型導(dǎo)線、真實(shí)導(dǎo)線風(fēng)阻系數(shù)與風(fēng)速的關(guān)系曲線

由圖7 可知：模型導(dǎo)線和真實(shí)導(dǎo)線的風(fēng)阻系數(shù)隨風(fēng)速變化的趨勢(shì)一致，隨著風(fēng)速的增大，都先增大后下降隨后穩(wěn)定。 真實(shí)導(dǎo)線的風(fēng)阻系數(shù)在高風(fēng)速時(shí)的也小于0.85，滿足低風(fēng)壓導(dǎo)線的標(biāo)準(zhǔn)要求。 這說(shuō)明可通過(guò)模型導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)參數(shù)指導(dǎo)真實(shí)導(dǎo)線的生產(chǎn)，這一方式可大大減少低風(fēng)壓導(dǎo)線的開(kāi)發(fā)成本。真實(shí)導(dǎo)線的風(fēng)阻系數(shù)大于模型導(dǎo)線的風(fēng)阻系數(shù)，這是由于真實(shí)導(dǎo)線的剛度不如模型導(dǎo)線，在測(cè)試過(guò)程中容易出現(xiàn)振動(dòng)，造成受力值增大。

4 結(jié) 論

（1）將凹弧式低風(fēng)壓導(dǎo)線外層單線的凸面弧改變?yōu)榘济婊?，并通過(guò)凹弧深度的設(shè)計(jì)來(lái)降低導(dǎo)線的風(fēng)阻系數(shù)。 其凹弧深度取決于導(dǎo)線直徑、型單線的夾角角度和單線凹弧面半徑。

（2）對(duì)于JL／G1A-630／45 尺度相當(dāng)?shù)陌蓟∈降惋L(fēng)壓導(dǎo)線，可以通過(guò)調(diào)整凹弧深度，獲得期望的低風(fēng)壓特性。

（3）通過(guò)模型導(dǎo)線的風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證后，其結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)參數(shù)可以指導(dǎo)真實(shí)導(dǎo)線的生產(chǎn)，其風(fēng)阻系數(shù)與模型導(dǎo)線基本一致。