低风压架空导线的设计与试验验证

党 朋

（上海电缆研究所有限公司 特种电缆技术国家重点实验室，上海 200093）

0 引言

架空输电线路中导线受到的风压约占整个输电线路的50% ～70%，除了导线本身的强度要抵抗风载的作用以外，导线的支撑物（杆塔）也必须能够承载导线传递过来的风载荷及其杆塔本身受到的风载荷的联合作用［1］。 导线的风压对铁塔基础和塔身本体的强度设计有着重大的影响。 长期以来，输电线路的工作者始终关注着降低导线风压的问题，力求用一种较为简便的方法使导线风压降至最小［2］。

低风压导线是一种在高风速下显著降低导线所受风压的新型导线［3-8］，其原理是通过对导线最外层铝线表面的形状进行设计，减小其风阻系数，进而减少导线所受的风的作用力。 导线的风阻系数（即设计规范中的体型系数）研究结果表明［9］，普通钢芯铝绞线的风阻系数在低风速（＜10 m·s-1）时，其风阻系数最高（1.2～1.3），随着风速的增加，其风阻系数先下降后微上升至一个稳定值（1.0 ～1.1），随后不随风速的变化而变化。 同直径低风压导线在低风速区段（＜25 m·s-1），其风阻系数大于普通钢芯铝绞线的风阻系数。 但其风阻系数也是随着风速的增加而下降，当风速大于某一风速（25 ～30 m·s-1）时，其风阻系数低于普通钢芯铝绞线的风阻系数，并随风速的增加继续下降至一定值之后保持稳定。

GB 50545—2010《110 ～750 kV 架空输电线路设计规范》［10］中规定导线线径小于17 mm 或覆冰时（不论导线直径大小）体型系数（μSC）取1.2，导线线径大于或等于17 mm 时，μSC取1.1。 在主干输电线路中，一般使用的导线规格在185 mm2以上。 其直径为18 mm，因此实际线路中导线的μSC取1.1。 为了降低导线在高风速（＞25 m·s-1）时的载荷，采用低风压导线使其荷载相比同直径的钢芯铝绞线下降20%以上，因此，低风压导线在高风速时的风阻系数应小于0.85［11］。 为此，设计开发满足这一要求的低风压导线成为迫切的技术需求。

本工作针对凹弧式低风压导线开发，将外层型单线的凸面弧设计为凹弧面，设计不同凹弧深度的模型导线，通过风洞试验验证其对导线风阻系数的影响，并制作与模型导线相同结构参数的真实导线进行验证。

1 低风压导线结构设计

低风压导线的最外层单线一般采用型线结构形式［11］，并在型线基础上进行改进，主要有两种，一种是沟槽式，另一种是表面凹弧式，低风压导线结构示意图见图1。

图1 低风压导线结构示意图

本工作设计研究的是表面凹弧式低风压导线，其结构示意图见图2。

图2 低风压导线设计示意图

图2 中，D为导线直径，D1为导线邻外层直径，θ为型单线的夹角角度，R为外层单线的凹弧面半径，点A和点B为导线直径对应的外圆切线与型单线夹角线的交点，h为凹弧顶点到外圆切线点的距离，称之为凹弧深度，h可按式（1）计算：

由式（1）可知，h取决于导线直径（D）、型单线的夹角角度（θ） 和单线凹弧面半径（R）。

最外层型单线的结构尺寸取决于D、D1和θ。从导线结构稳定性和型单线的加工工艺考虑［12］，型线单线面积一般在9 ～23 mm2（等效直径在3.40 ～5.40 mm）之间。 最外层单线的总截面取决于D和D1，在型线单线面积的限制下，最外层单线根数也随之确定，进而可以确定型线单线的夹角角度θ。以JL／G1A-630／45 同直径的凹弧式低风压导线设计为例，其导线设计结构参数见表1。

表1 低风压导线结构参数

按照表1 低风压导线结构参数制作实心铝棒模型导线，如图3 所示，进行风洞试验测试模型导线［见图3（a）］的风阻力系数测试，选取风阻力系数最低的模型导线参数生产真实导线［见图3（b）］，并进行风洞试验验证。

图3 低风压导线样品图

2 试验部分

2.1 风洞试验

本次低风压导线的风阻系数在低速回流风洞实验室进行。 该风洞实验室是一座闭口竖向回流式矩形截面低速风洞，如图4 所示。

图4 低速回流风洞实验室示意图

该风洞实验室的三维尺寸为27.0 m×7.3 m×4.2 m。 提供的风洞流场性能指标为：试验段气流稳定性小于0.6%、流场不均匀性小于0.6%、气流紊流度不大于0.2%、气流偏角不大于0.3°、环境噪声小于85 dB。

2.2 试验方法

导线试样在风洞试验的布置见图5。

图5 样品安装示意图

利用与导线相连的六维力学传感器实时测量在不同风速下导线所受风力大小。 导线受力数据的采集在风速达到平稳状态后进行。 风速加载的间隔为5 m·s-1，采样频率为1000 Hz，采样时间为30 s。

试验时保持支架垂直于来流风向，首先测量支架的阻力，安装导线试样后再测量全部阻力，数据处理时用测量的全部阻力减去对应风速下支架阻力，即为导线试样所受力，导线试样的风阻系数（CD）通过公式（2）进行计算：

式中：FD为试样所受力，N；V为试验风速，m·s-1；ρ为空气密度，kg·m-3；L为试样长度，m；D为导线试样的直径，m。

3 结果与讨论

3.1 模型导线试验

按试验方法对3 个不同模型样品进行测试，3 个不同模型导线的风阻系数随风速变化的曲线见图6。

图6 3 个不同模型导线风阻系数随风速变化曲线

由图6 可以看出：随着风速的不断增大，1＃模型样品的风阻系数先上升后下降再上升至稳定状态。而2＃和3＃模型样品的风阻系数先下降后上升至稳定状态。 在风速小于15 m·s-1时，1＃模型样品和2＃、3＃模型样品的风阻系数变化趋势不同；当风速大于15 m·s-1时，3 个不同模型样品的风阻系数变化趋势基本一致。 1＃样品的测试结果满足低风压导线导线在高风速时的风阻系数小于0.85 这一要求，而2＃模型样品和3＃模型样品均不能达到要求。 随着凹弧深度的增大，同风速下的风阻系数也随之增大。 这与文献［13］的研究结果一致，说明凹弧深度的取值不是越大越好，凹弧深度的取值成为凹弧式低风压导线设计的关键。 由于凹弧式低风压导线是在外层型线的基础上进行设计，将其凸弧面设计为凹弧面，改变了普通型线同心绞导线不具有的低风阻特性，这与文献［9］的研究结果一致。

3.2 模型导线与真实导线比对试验

选取与模型导线的结构参数相同的真实导线进行比对试验，模型导线和真实导线的风阻系数随风速变化的曲线见图7。

图7 模型导线、真实导线风阻系数与风速的关系曲线

由图7 可知：模型导线和真实导线的风阻系数随风速变化的趋势一致，随着风速的增大，都先增大后下降随后稳定。 真实导线的风阻系数在高风速时的也小于0.85，满足低风压导线的标准要求。 这说明可通过模型导线的结构参数指导真实导线的生产，这一方式可大大减少低风压导线的开发成本。真实导线的风阻系数大于模型导线的风阻系数，这是由于真实导线的刚度不如模型导线，在测试过程中容易出现振动，造成受力值增大。

4 结 论

（1）将凹弧式低风压导线外层单线的凸面弧改变为凹面弧，并通过凹弧深度的设计来降低导线的风阻系数。 其凹弧深度取决于导线直径、型单线的夹角角度和单线凹弧面半径。

（2）对于JL／G1A-630／45 尺度相当的凹弧式低风压导线，可以通过调整凹弧深度，获得期望的低风压特性。

（3）通过模型导线的风洞试验验证后，其结构

设计参数可以指导真实导线的生产，其风阻系数与模型导线基本一致。