低風(fēng)壓絕緣導(dǎo)線配電線路應(yīng)用研究

季媛媛，宗 強(qiáng)*，張孝雷，張鈴偉

（1.南通電力設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南通 226001；2.遠(yuǎn)東電纜有限公司，江蘇 宜興 214257）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的日益提高，對(duì)電力的需求越來越大，對(duì)供電可靠性的要求越來越高。近年來，局部性氣象災(zāi)害呈現(xiàn)突發(fā)、多發(fā)、頻發(fā)、重發(fā)態(tài)勢(shì)，歷時(shí)短但破壞力強(qiáng)，大面積斷線倒桿（塔）等事故嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全，影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民群眾的生活。

研究發(fā)現(xiàn)，大風(fēng)工況下，架空導(dǎo)線所受的風(fēng)壓約占整個(gè)線路所受風(fēng)壓的50%～70%。通過降低導(dǎo)線所受的風(fēng)壓能極大地提高線路抗風(fēng)能力。長(zhǎng)期以來，降低輸電線路風(fēng)壓得到關(guān)注和重視，但極端天氣給配電網(wǎng)線路帶來的損害也不容忽視。本文將輸電線路中有良好應(yīng)用成效的低風(fēng)壓導(dǎo)線應(yīng)用于配電線路，通過優(yōu)化配電網(wǎng)導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，得到體型系數(shù)（風(fēng)阻系數(shù)）低且便于生產(chǎn)制造的低風(fēng)壓絕緣導(dǎo)線。此低風(fēng)壓絕緣導(dǎo)線的應(yīng)用可有效減小在大風(fēng)天氣時(shí)線路風(fēng)荷載，提高線路抗風(fēng)能力，避免大面積斷線倒桿事故發(fā)生，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-2]。

1 低風(fēng)壓絕緣導(dǎo)線研究背景

1.1 低風(fēng)壓導(dǎo)線簡(jiǎn)介

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。在相同導(dǎo)線直徑的情況下，低風(fēng)壓導(dǎo)線和傳統(tǒng)導(dǎo)線相比，具有更小的阻力系數(shù)。國(guó)內(nèi)外對(duì)低風(fēng)壓導(dǎo)線應(yīng)用于輸電線路進(jìn)行了大量研究和應(yīng)用，低風(fēng)壓導(dǎo)線對(duì)降低輸電線路風(fēng)壓有明顯成效。

1.2 低風(fēng)壓導(dǎo)線設(shè)計(jì)原理

對(duì)于層流風(fēng)中的導(dǎo)線類的圓柱狀的物體來說，其受到風(fēng)速方向的導(dǎo)線單位長(zhǎng)度的作用力F 的大小，與空氣密度ρ、阻力系數(shù)（CD）、風(fēng)速（V）及圓柱體的直徑（D）有關(guān)，如下式表示

由公式（1）可知，在其他條件相同的情況下，阻力系數(shù)（CD）越小，則導(dǎo)線單位長(zhǎng)度風(fēng)的作用力（F）越小。其中，無量綱的阻力系數(shù)（CD）又是雷諾數(shù)（Re）的函數(shù)[2]。

處于流體場(chǎng)中的圓柱體，當(dāng)雷諾數(shù)Re 為80～300時(shí)，在其背風(fēng)面的旋渦交替脫落，形成2 排向下游運(yùn)動(dòng)的渦列，即卡門渦列；當(dāng)雷諾數(shù)Re 為300～1.3×105時(shí)，在迎風(fēng)面上形成層流邊界層，分離點(diǎn)發(fā)生在迎風(fēng)面，這種情況為亞臨界狀態(tài)，此種狀態(tài)回流區(qū)相對(duì)較大，回流區(qū)的壓力較低，物體的壓差阻力增加，阻力由摩擦阻力和壓差阻力組成，壓差阻力是主要部分，總阻力較大，阻力系數(shù)也相應(yīng)較大；當(dāng)雷諾數(shù)Re＞1.3×105時(shí)，邊界層分離以前由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?，分離點(diǎn)在背風(fēng)面，這種情況稱為超臨界狀態(tài)，此種狀態(tài)回流區(qū)相對(duì)較小，物體的壓差阻力減小，阻力由摩擦阻力和壓差阻力組成，壓差阻力仍是主要部分，故總阻力較小，阻力系數(shù)也相應(yīng)較小。由此可見，要減小導(dǎo)線的風(fēng)阻，必須減小其風(fēng)阻系數(shù)，即使導(dǎo)線處于超臨界狀態(tài)。國(guó)內(nèi)外大量研究也表明，表面具有一定“粗糙度”的圓柱體的風(fēng)阻系數(shù)也更小，所以需設(shè)計(jì)出合理“粗糙度”的導(dǎo)線[2]。

1.3 國(guó)內(nèi)外低風(fēng)壓導(dǎo)線應(yīng)用研究

20 世紀(jì)70 年代，日本開始進(jìn)行輸電線路低風(fēng)壓導(dǎo)線的開發(fā)研究，并取得初步成果。2006 年開始，澳大利亞、日本相繼采用古河電工公司生產(chǎn)的低風(fēng)壓導(dǎo)線，低風(fēng)壓導(dǎo)線在國(guó)外得到推廣應(yīng)用。日本開發(fā)的外層線股為扇形截面的低風(fēng)壓導(dǎo)線，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在30 ～60 m/s 的風(fēng)速范圍內(nèi)，其阻力系數(shù)和風(fēng)壓能降低到普通導(dǎo)線的70%以下。

2013 年開始，國(guó)內(nèi)已有中國(guó)電力科學(xué)研究院、上海電纜研究所、遠(yuǎn)東電纜、中天科技和亨通等多家單位對(duì)低風(fēng)壓導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了深入研究。2017年，福建忠田—湄洲電力線路工程成為首條采用低風(fēng)壓導(dǎo)線的工程。2019 年，上海電纜研究所有限公司牽頭起草NB/T 10667—2021《低風(fēng)壓架空導(dǎo)線》能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為低風(fēng)壓導(dǎo)線的制造、設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持[3-4]。

2 低風(fēng)壓絕緣導(dǎo)線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 10 kV 240 鋁芯低風(fēng)壓絕緣導(dǎo)線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)

在架空配電網(wǎng)線路設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50061—2010《66 kV 及以下架空電力線路設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]中，導(dǎo)線、地線水平風(fēng)荷載計(jì)算公式如下

式中：μsc是導(dǎo)線或地線的體型系數(shù)，當(dāng)導(dǎo)線線徑小于17 mm 或覆冰時(shí)μsc取1.2，導(dǎo)線線徑大于或等于17mm，μsc取1.1。從定義看，低風(fēng)壓導(dǎo)線的研究中的風(fēng)阻系數(shù)和線路設(shè)計(jì)規(guī)范中的體型系數(shù)是同一概念。大量研究表明，普通導(dǎo)線的風(fēng)阻系數(shù)在低風(fēng)速（小于10 m/s）時(shí)，其風(fēng)阻系數(shù)最高1.2～1.3，隨著風(fēng)速增加，先下降后上升到一個(gè)穩(wěn)定值1.0～1.1，隨后將不受風(fēng)速的影響。研究發(fā)現(xiàn)，同直徑低風(fēng)壓導(dǎo)線在低風(fēng)速區(qū)段，其風(fēng)阻系數(shù)大于普通導(dǎo)線的風(fēng)阻系數(shù)，隨著風(fēng)速增加，風(fēng)阻系數(shù)下降，當(dāng)大于某一風(fēng)速時(shí)，其風(fēng)阻系數(shù)低于普通導(dǎo)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（小于0.75）之后保持穩(wěn)定。

因此，將低風(fēng)壓絕緣導(dǎo)線應(yīng)用至配電網(wǎng)線路，在大風(fēng)情況下，體型系數(shù)（風(fēng)阻系數(shù)）能有效地降低，從而降低高風(fēng)速條件下的絕緣導(dǎo)線對(duì)桿塔的水平風(fēng)荷載，提高架空配電線路抗風(fēng)能力。

2.2 10 kV 240 鋁芯低風(fēng)壓絕緣導(dǎo)線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照GB/T 14049—2008《額定電壓10 kV 架空絕緣電纜》[6]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定普通絕緣厚度的10 kV 240 鋁芯交聯(lián)聚乙烯絕緣架空電纜結(jié)構(gòu)，以及低風(fēng)壓絕緣導(dǎo)線結(jié)構(gòu)1、低風(fēng)壓絕緣導(dǎo)線結(jié)構(gòu)2 如圖1 所示，其參數(shù)見表1。

表1 絕緣導(dǎo)線基本參數(shù)

圖1 結(jié)構(gòu)圖

2.3 不同結(jié)構(gòu)絕緣導(dǎo)線風(fēng)壓值有限元分析

對(duì)普通絕緣導(dǎo)線JKLYJ-10/240、結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2 低風(fēng)壓絕緣導(dǎo)線的風(fēng)壓進(jìn)行有限元分析，分析圖分別如圖2、圖3 和圖4 所示。

圖2 普通絕緣導(dǎo)線風(fēng)壓有限元分析

圖3 結(jié)構(gòu)1 低風(fēng)壓絕緣導(dǎo)線風(fēng)壓有限元分析

圖4 結(jié)構(gòu)2 低風(fēng)壓絕緣導(dǎo)線風(fēng)壓有限元分析

在35 m/s 風(fēng)速情況下，圖2、圖3 和圖4 的有限元分析結(jié)果可見，結(jié)構(gòu)1 的低風(fēng)壓絕緣導(dǎo)線風(fēng)壓僅為普通絕緣導(dǎo)線的71.5%，結(jié)構(gòu)2 的低風(fēng)壓絕緣導(dǎo)線風(fēng)壓僅為普通絕緣導(dǎo)線的83.5%。

3 低風(fēng)壓絕緣導(dǎo)線應(yīng)用設(shè)計(jì)

風(fēng)向與線路垂直情況的導(dǎo)線或地線風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值為

式中：WX為導(dǎo)線或地線風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值，kN；α 為風(fēng)荷載檔距系數(shù)；d 為導(dǎo)線或地線覆冰后的計(jì)算外徑之和，m；μS為風(fēng)荷載體型系數(shù)；Lw為風(fēng)力檔距，m。

3.1 低風(fēng)壓絕緣導(dǎo)線風(fēng)阻系數(shù)折算

普通絕緣導(dǎo)線按照1.1 的體型系數(shù)，低風(fēng)壓絕緣導(dǎo)線按照0.75 的體型系數(shù)（風(fēng)阻系數(shù)），當(dāng)普通絕緣導(dǎo)線和低風(fēng)壓絕緣導(dǎo)線水平風(fēng)載荷相等時(shí)，計(jì)算低風(fēng)壓絕緣導(dǎo)線風(fēng)速折減數(shù)值見表2。

表2 低風(fēng)壓絕緣導(dǎo)線與普通絕緣導(dǎo)線等水平載荷下的風(fēng)速折減表m/s

3.2 典型應(yīng)用案例分析

按照表3 氣象條件，計(jì)算采用體型系數(shù)為0.75 的低風(fēng)壓絕緣導(dǎo)線應(yīng)用在單回路和雙回路普通絕緣導(dǎo)線和低風(fēng)壓絕緣導(dǎo)線所能承受的風(fēng)速值，計(jì)算結(jié)果見表4。

表3 氣象條件

由表4 可知，低風(fēng)壓絕緣導(dǎo)線體型系數(shù)取0.75時(shí)，可使得雙回JKLYJ-DFY-10/240 線路抗風(fēng)能力從風(fēng)速35 m/s（12 級(jí)風(fēng)）提高至41.9 m/s（14 級(jí)風(fēng)）；低風(fēng)壓絕緣導(dǎo)線體型系數(shù)取0.75 時(shí)，可使得單回JKLYJDFY-10/240 線路抗風(fēng)能力從風(fēng)速35 m/s（12 級(jí)風(fēng)）提高至42 m/s（14 級(jí)風(fēng)）。

表4 低風(fēng)壓絕緣導(dǎo)線和普通絕緣導(dǎo)線所能承受的風(fēng)速值

4 風(fēng)洞試驗(yàn)

對(duì)JKLYJ-DFY-10/240 導(dǎo)線樣品（如圖5 所示）進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。

圖5 低風(fēng)壓絕緣導(dǎo)線試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)風(fēng)速范圍為10～50 m/s，依次調(diào)節(jié)風(fēng)速?gòu)牡偷礁?，每組采集9 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，測(cè)得相應(yīng)導(dǎo)線所受阻力均值，重復(fù)進(jìn)行3 組試驗(yàn)，通過公式（1）計(jì)算得導(dǎo)線的風(fēng)阻系數(shù)。3 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的風(fēng)阻系數(shù)如圖6所示。

由圖6 可見，在低風(fēng)速（小于15 m/s）時(shí)，風(fēng)阻系數(shù)呈上升趨勢(shì)并達(dá)到1.2 左右，在15～25 m/s 風(fēng)速階段，風(fēng)阻系數(shù)處于微下降階段，接著隨著風(fēng)速升高，風(fēng)阻系數(shù)迅速下降，在風(fēng)速達(dá)到40 m/s 時(shí)，風(fēng)阻系數(shù)低至0.73左右，隨后不隨風(fēng)速的變化而變化。

5 結(jié)論

1）根據(jù)有限元分析，本文中設(shè)計(jì)的低風(fēng)壓絕緣導(dǎo)線在35 m/s 風(fēng)速情況下，所受的風(fēng)壓和普通絕緣導(dǎo)線相比，均有所下降。

2）代表檔距60 m，表3 氣象區(qū)條件下，低風(fēng)壓絕緣導(dǎo)線體型系數(shù)取0.75 時(shí)，采用2Z-S-190/15 型號(hào)桿塔，可使得雙回和單回JKLYJ-DFY-10/240 線路抗風(fēng)能力均從12 級(jí)風(fēng)提高至14 級(jí)風(fēng)。

3）根據(jù)低風(fēng)壓絕緣導(dǎo)線樣品風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，在風(fēng)速達(dá)到40 m/s 時(shí)（14 級(jí)風(fēng)），風(fēng)阻系數(shù)低至0.73 左右，隨后不隨風(fēng)速的變化而變化。