新型同心絞導線風阻力系數風洞試驗

黨 朋， 吳細毛， 劉 斌， 王 樂， 曾 偉， 鄭 秋， 李春和

(1.上海電纜研究所，上海200093;2.遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧沈陽110006;3.特種電纜技術國家重點實驗室，上海200093)

0 引言

近年來，隨著以“西電東送、南北互供、全國聯網”為目標的特高壓輸電工程建設的迅猛發展［1］，市場對架空導線產品的性能要求也越來越高。除了傳統的鋼芯鋁絞線外，大量的新型導線被開發應用，其中包括碳纖維復合芯導線、陶瓷纖維復合芯導線、鋼芯軟鋁絞線等。這些新型導線在結構上不同于傳統的鋼芯鋁絞線，均采用了型線同心絞結構［2］。

導線在實際使用中，其所受風壓占整個輸電線路所受風壓的50%～70%，所以減小導線風壓對于降低線路造價以及提高線路運行的安全性具有重要意義。然而有研究表明［3］，與傳統的圓線同心絞導線相比，相同直徑的型線同心絞結構導線的表面較為光滑，粗糙度小，其風阻力系數較大，因此影響到型線結構導線的推廣應用。

本文將介紹一種新型同心絞導線，通過風洞試驗測試其風阻力系數，并與普通型線結構導線的風阻力系數比較，證明結構經過改進的新型同心絞導線具有低風阻系數的優異性能。

1 試驗

1.1 試樣制備

本次試驗所測試的導線有圓線同心絞導線、型線同心絞導線和新型同心絞導線等三種(見圖1)。為了盡量增大導線的長徑比并考慮到導線的變形和風洞尺寸的限制，所有試驗試件長度均取1.5 m，其規格見表1。在試驗前，這三種導線預先經過矯直與封頭處理。

圖1 三種導線的截面示意圖

表1 試驗導線規格

1.2 試驗條件

試驗地為同濟大學土木工程防災國家重點實驗室TJ-2風洞。其風洞試驗段尺寸為3 m×2.5 m×15 m，能夠產生2～68 m/s的連續風速。考慮到風洞的性能和工程中風速的發生范圍，試驗取均勻流場中 11.85、16.75、22.48、27.94、34、39.80 m/s 共六個風速。最高風速39.80 m/s，相當于標準風級13級。

試驗過程中，兩個高頻測力天平采樣頻率均為1000 Hz，每種工況下天平采集時間為1 min，共60000個數據點。

本次試驗測量了三種導線在單根、并列雙分裂和四分裂時的風阻力系數。測試現場如圖2所示。

圖2 導線風洞試驗現場

1.3 風阻力系數計算

預先測量了空端板在上述六個風速下所受的風力，在后續的試驗數據處理中減去空端板所受的風力，得到單獨作用在導線上的風力。然后由式(1)計算給出導線的整體風阻力系數:

式中:Fd為試驗所測得的導線所受風阻力均值(N);ρ為空氣密度(kg/m3);u為風速(m/s);L為模型導線長度(m);d為導線外徑(m);n為導線分裂數。

在按照式(1)計算導線的整體風阻力系數時，風速u取來流風速。這一方法得到的風阻力系數對于多分裂導線只是計算意義上的風阻力系數，因為前部導線的屏蔽效應［4］，后部導線的實際迎風風速不同于來流風速。但是這一方法也是我國現階段規范［5］對于多分裂導線整體風荷載計算所采用的方法，該方法簡便易行，具有實際工程意義與可行性。

2 試驗結果與分析

2.1 單根導線風阻力系數

表2給出了三種測試導線單根時的風阻力系數。圖3為風阻力系數隨風速變化的曲線圖。

表2 單根導線風阻力系數

圖3 單根導線風阻力系數-風速曲線

由表2和圖3可以看出，隨著風速的增大，傳統的圓線同心絞導線的風阻力系數先下降后上升，最終穩定在1.05左右。這反映了風阻力系數的雷諾數效應，并且與ESDU 80025規范［6］給出的導線風阻力系數隨風速變化的趨勢曲線相吻合。

新型同心絞導線特殊的外形設計使得其氣動特性與圓線同心絞導線不同，其風阻力系數隨著風速的增加呈現單調下降趨勢。在低風速區(風速小于27.94 m/s)，新型同心絞導線的風阻力系數比圓線同心絞導線大，而在高風速區(風速超過27.94 m/s)，其風阻力系數小于圓線同心絞導線風阻力系數。在風速為34 m/s和39.8 m/s時，新型同心絞導線的風阻力系數比圓線同心絞導線分別降低23.8%和39%。型線同心絞導線在所測試的風速范圍內，其風阻力系數與圓線同心絞導線和新型同心絞導線也不同，呈現先上升后下降的趨勢，但是其風阻力系數顯著大于圓線同心絞導線，并沒有表現出低風阻力系數的特性。

2.2 雙分裂導線風阻力系數

表3給出了在分裂間距為450 mm時，三種導線在并列雙分裂時的整體風阻力系數。圖4為風阻力系數隨風速的變化曲線圖。

表3 雙分裂導線整體風阻力系數

由表3和圖4可以看出，圓線同心絞導線的風阻力系數隨風速的增加呈現先下降，然后趨于穩定的趨勢。比單根導線的風阻力系數(見圖3)趨于穩定時候的風速低。

圖4 并列雙分裂導線風阻力系數-風速曲線

對于新型同心絞導線，整體風阻力系數隨風速的增加仍然呈現單調遞減的趨勢。其整體風阻力系數在低風速時(風速小于27.94 m/s)大于相同直徑的圓線同心絞導線的整體風阻力系數，而在風速超過27.94 m/s之后，新型同心絞導線的整體風阻力系數小于圓線同心絞導線的整體風阻力系數。在風速為34 m/s和39.8 m/s時，新型同心絞導線的整體風阻力系數比圓線同心絞導線的整體風阻力系數分別小11%和20%，這對于降低輸電線路桿塔風荷載和造價具有重要意義。

型線同心絞導線在雙分裂時的整體風阻力系數與單根時風阻力系數(見圖3)不同，隨著風速的增加呈現單調遞減趨勢。但是在所測試的大部分風速范圍內，其整體風阻力系數比普通圓線同心絞導線大。

2.3 四分裂導線風阻力系數

表4給出了在分裂間距為450 mm時，三種導線在四分裂時的整體風阻力系數。圖5為風阻力系數隨風速的變化曲線圖。

表4 四分裂導線整體風阻力系數

圖5 四分裂導線整體風阻力系數-風速曲線

由表4和圖5可以看出，圓線同心絞導線在四分裂時的整體風阻力系數隨著風速的增加呈現先下降后上升的趨勢，與其在單根時的風阻力系數隨風速變化的趨勢相同。

新型同心絞導線在四分裂時的整體風阻力系數隨風速的變化趨勢與雙分裂時的變化趨勢相同，并且在高風速下也表現出風阻力系數減小。在34 m/s風速時，新型同心絞導線在四分裂時的整體風阻力系數比圓線同心絞導線的整體風阻力系數降低23%;在39.8 m/s風速時降低達到34%。降低幅度比雙分裂時的降低幅度大，表明隨著分裂數的增多，新型同心絞導線比圓線同心絞導線有更加小的低風阻力系數。

型線同心絞導線在四分裂時的整體風阻力系數隨著風速的增加呈先上升后下降，和在單根時的變化趨勢一致，而與雙分裂時的變化趨勢不同。但是其風阻力系數明顯大于圓線同心絞導線和新型同心絞導線的風阻力系數。

3 結論

(1)新型同心絞導線的風阻力系數隨風速的增加而減小，與圓心同心絞導線和型線同心絞導線的風阻力系數隨風速的變化規律不同。在低風速區，其風阻力系數大于圓線同心絞導線的風阻力系數;在高風速區，其風阻力系數小于圓線同心絞導線風阻力系數，表現出較好的降阻作用。

(2)型線同心絞導線風阻力系數隨著風速的增加，在單根和四分裂時先上升后降低，而雙分裂時為一直下降。但是在所測試的風速范圍內，其風阻力系數均大于圓線同心絞導線的風阻力系數。

(3)新型同心絞導線在單根和雙分裂時，其風阻力系數在高風速區時小于型線同心絞導線。在四分裂時，其風阻力系數在整個測試風速范圍內小于型線同心絞導線。

［1］劉振亞，張啟平.國家電網發展模式研究［J］.中國電機工程學報，2013，33(7):1-10.

［2］劉 斌，黨 朋，季世澤.型線同心絞架空導線技術發展與應用［J］，電線電纜，2008(6):9-12.

［3］尤傳永.輸電線路低風壓導線的開發研究［J］，電力建設，2010，31(12):1-5.

［4］謝 強，孫啟剛，管 政.多分裂導線整體風阻力系數風洞試驗研究［J］，電網技術，2013，37(4):1106-1112.

［5］GB 50545—2010110～750 kV架空輸電線設計技術規范［S］.

［6］ESDU 80025—1980 Mean forces，pressures and field velocities for circular cylindrical structures:single cylinder with two-dimensional flow［S］.