輸電線路低風(fēng)壓導(dǎo)線的開(kāi)發(fā)研究

尤傳永

（中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市，100055）

0 引言

架空輸電線路低風(fēng)壓導(dǎo)線（drag reduced conductor）是架空輸電線路用的一種特種導(dǎo)線，是在相同導(dǎo)線直徑的情況下，相對(duì)于傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線（aluminum conductor steel reinforced，ACSR），具有更小的風(fēng)阻力系數(shù)的導(dǎo)線。由于這種導(dǎo)線在風(fēng)的作用下比傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線受到的風(fēng)壓更小，因此習(xí)慣上將其稱為低風(fēng)壓導(dǎo)線。

架空輸電線路中導(dǎo)線受到的風(fēng)壓約占整個(gè)輸電線路受到風(fēng)壓的50%～70%，除了導(dǎo)線本身的強(qiáng)度要抵抗得住風(fēng)載的作用以外，導(dǎo)線的支撐物（桿塔）也必須承載得住導(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。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，降低導(dǎo)線風(fēng)壓對(duì)于降低線路造價(jià)以及提高線路運(yùn)行的安全性具有重要的意義。

長(zhǎng)期以來(lái)，輸電線路工作者始終關(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)壓降到最小。在20世紀(jì)70年代，日本開(kāi)始進(jìn)行輸電線路低風(fēng)壓導(dǎo)線的開(kāi)發(fā)研究，取得了初步成果，但實(shí)際應(yīng)用不多。20世紀(jì)90年代開(kāi)始，有關(guān)科研人員繼續(xù)進(jìn)行了深入研究，在低風(fēng)壓導(dǎo)線機(jī)理研究和實(shí)際應(yīng)用方面都取得了明顯的進(jìn)步。

1 圓柱體和標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線的風(fēng)阻力系數(shù)

在開(kāi)發(fā)研究輸電線路低風(fēng)壓導(dǎo)線的早期，研究人員從高爾夫球的表面存在許多小的凹坑的現(xiàn)象中得到啟發(fā)，在撞擊力、撞擊角度、風(fēng)速以及風(fēng)向等條件均相同的情況下，表面存在許多小凹坑的高爾夫球要比表面光滑的球飛得更遠(yuǎn)。表面存在許多小的凹坑的球體或圓柱體受到的風(fēng)阻力要比表面光滑的球體或圓柱體受到的風(fēng)阻力更小，說(shuō)明表面具有一定“粗糙度”的球體或圓柱體的風(fēng)阻力系數(shù)更小。

對(duì)于層流風(fēng)中的導(dǎo)線類圓柱狀物體來(lái)說(shuō)，其受到風(fēng)速方向的導(dǎo)線單位長(zhǎng)度的作用力可以表示為

式中：F為導(dǎo)線單位長(zhǎng)度上受到的風(fēng)壓作用力；ρ為空氣密度；CD為阻力系數(shù)；V為風(fēng)速；D為圓柱體（導(dǎo)線）的直徑。

由式（1）可知：導(dǎo)線受到風(fēng)速方向的單位長(zhǎng)度的作用力與風(fēng)阻力系數(shù)呈線性正比例關(guān)系，在其他條件相同的情況下，風(fēng)阻力系數(shù)越小，導(dǎo)線單位長(zhǎng)度所受風(fēng)的作用力越小。這里風(fēng)的作用力也稱為風(fēng)阻力（Drag）。另外，無(wú)量綱的阻力系數(shù)CD是雷諾數(shù)（Re）的函數(shù)。

由流體力學(xué)中有關(guān)圓柱繞流的理論[1]可知：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(mén)渦列，如圖1所示。

當(dāng)雷諾數(shù)Re為300～1.3×105時(shí)，在其背風(fēng)面出現(xiàn)低速而混亂的回流區(qū)（負(fù)壓領(lǐng)域）。在回流區(qū)不斷脫落的旋渦破裂為小旋渦，形成湍流。在圓柱體的迎風(fēng)面上形成層流邊界層，層流邊界層與圓柱體的分離點(diǎn)發(fā)生在迎風(fēng)面，這種情況稱為亞臨界狀態(tài)，如圖2所示。此時(shí)物體阻力由摩擦阻力和壓差阻力組成，并且以壓差阻力為主。

當(dāng)雷諾數(shù)Re＞1.3×105時(shí)，流動(dòng)情況與前述的狀態(tài)類似，但是邊界層分離以前已由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳎曳蛛x點(diǎn)發(fā)生在背風(fēng)面，這種情況稱為超臨界狀態(tài)，如圖3所示。此時(shí)物體阻力雖由摩擦阻力和壓差阻力組成，但仍以壓差阻力為主。

在亞臨界狀態(tài)下，由于邊界層分離發(fā)生在迎風(fēng)面，故回流區(qū)相對(duì)較大。而回流區(qū)的壓力較低，物體的壓差阻力增加。雖然層流邊界層中物面的摩擦阻力比湍流時(shí)較小，但由于壓差阻力是物體阻力的主要部分，故總阻力仍然較大，阻力系數(shù)也相應(yīng)較大。

在超臨界狀態(tài)下，由于邊界層分離發(fā)生在背風(fēng)面，故回流區(qū)相對(duì)較小，物體的壓差阻力減小。雖然邊界層中物面的摩擦阻力有所增加，但由于壓差阻力是阻力的主要部分，故總阻力仍然較小，阻力系數(shù)也相應(yīng)較小。

從上述分析可知：為減小處于流體中的圓柱體或標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線的阻力，必須減小其阻力系數(shù)，即設(shè)法使其處在超臨界狀態(tài)。

2 低風(fēng)壓導(dǎo)線的開(kāi)發(fā)研究情況

2.1 早期的開(kāi)發(fā)研究

為開(kāi)發(fā)研究輸電線路低風(fēng)壓導(dǎo)線，20世紀(jì)70年代，日本住友電工公司與關(guān)西電力公司、京都大學(xué)等單位的研究人員，利用京都大學(xué)防災(zāi)研究所的風(fēng)洞，對(duì)各種不同表面形狀或“粗糙度”的導(dǎo)線模型進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究[2]。結(jié)果表明，導(dǎo)線的風(fēng)阻力系數(shù)（CD）與導(dǎo)線表面的形狀或“粗糙度”有較大的關(guān)系。通過(guò)試驗(yàn)得到了不同結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)圓線同芯絞導(dǎo)線的阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線，如圖4所示。圖4中數(shù)字為線股數(shù)，括號(hào)內(nèi)數(shù)字為外層線股數(shù)。

由圖4可知，不同結(jié)構(gòu)導(dǎo)線在雷諾數(shù)為1×104～1× 105的區(qū)域阻力系數(shù)最小，當(dāng)雷諾數(shù)Re＞1×105時(shí)，阻力系數(shù)趨與飽和。而且，絞線的層數(shù)和線股數(shù)越多，阻力系數(shù)的最小值與飽和值越小，而阻力系數(shù)為最小值時(shí)的雷諾數(shù)越大，顯示出向平滑圓柱體特性接近的傾向。導(dǎo)線的雷諾數(shù)Re約為表面光滑圓柱體的1/10。

為了最大限度地降低導(dǎo)線的阻力系數(shù)，必須合理選擇導(dǎo)線的最佳表面形狀或“粗糙度”，大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為此提供了可靠依據(jù)。在綜合考慮導(dǎo)線的電暈和無(wú)線電干擾特性、制造工藝及架線施工等方面的因素后，開(kāi)發(fā)出了外層線股為扇形截面的低風(fēng)壓導(dǎo)線，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5所示。

這種低風(fēng)壓導(dǎo)線的外層由扇形截面的耐熱鋁合金線股組成。一部分扇形截面的端部為小圓弧，2個(gè)小圓弧構(gòu)成1個(gè)V形溝槽，使導(dǎo)線表面形成一定的粗糙度。粗糙度的大小與小圓弧的曲率半徑（r）、曲率半徑與導(dǎo)線直徑的比值（r/D）以及扇形截面對(duì)導(dǎo)線中心的開(kāi)口角（θ）有關(guān)。圖5中，r的最大值為5 mm，r的最小值為0.01 D。曲率半徑與導(dǎo)線直徑的比值（r/D）、開(kāi)口角（θ）與阻力系數(shù)（CD）的關(guān)系曲線如圖6所示。

考慮到制造工藝和架線施工等因素，新開(kāi)發(fā)的低風(fēng)壓導(dǎo)線外層的節(jié)徑比約為12，與常規(guī)的導(dǎo)線相似。試驗(yàn)結(jié)果表明，導(dǎo)線外層節(jié)徑比的大小對(duì)表面粗糙度的影響很小。

圖7為不同的低風(fēng)壓導(dǎo)線外徑與阻力系數(shù)（CD）的關(guān)系曲線。圖中V為設(shè)計(jì)平均風(fēng)速值，θ為扇形截面對(duì)導(dǎo)線中心的開(kāi)口角。由圖可知，阻力系數(shù)（CD）隨導(dǎo)線外徑的增大而減小，隨風(fēng)速的增大而減小。

表1列出了住友電工公司各種低風(fēng)壓導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)尺寸與阻力系數(shù)。

住友電工公司各種低風(fēng)壓導(dǎo)線與普通的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖8所示。由于日本輸電線路工程大量采用鋼芯耐熱鋁合金絞線（Thermo-resistance aluminum alloy conductor steel reinforced，TACSR）[3]，為了敘述方便起見(jiàn)，本文中提及的普通導(dǎo)線或標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線即指TACSR。圖9為同時(shí)具備降低風(fēng)壓與噪聲功能的低風(fēng)壓低噪聲導(dǎo)線TACSR810[4-5]的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

表1 住友公司低風(fēng)壓導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)尺寸與阻力系數(shù)Fig.1 Structural size and resistance coefficient of Sumitomo Electric drag reduced conductor

通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)，確認(rèn)開(kāi)發(fā)的各種低風(fēng)壓導(dǎo)線的風(fēng)壓值降低到普通的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線的60%左右。然后在位于福井縣敦賀市南部的湖東試驗(yàn)線路進(jìn)行了多年現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，確認(rèn)低風(fēng)壓導(dǎo)線TACSR810的風(fēng)壓值降低到標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線TACSR810的70%左右。低風(fēng)壓導(dǎo)線TACSR410的風(fēng)壓值降低到標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線TACSR410的90%左右。

在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以前，對(duì)低風(fēng)壓導(dǎo)線及其所配套使用的接續(xù)金具等進(jìn)行了全部機(jī)械和電氣性能試驗(yàn)，并進(jìn)行了滑輪通過(guò)試驗(yàn)，結(jié)果良好。此外，低風(fēng)壓導(dǎo)線的架線施工與普通導(dǎo)線一樣，不需要特殊的施工機(jī)械和方法。

2.2 近期的開(kāi)發(fā)研究

20世紀(jì)90年代，日本古河電工公司與關(guān)西電力公司等單位的研究人員對(duì)低風(fēng)壓導(dǎo)線的機(jī)理進(jìn)行了深入研究。分別利用古河電工日光研究所、東京大學(xué)先端科學(xué)技術(shù)研究中心和加拿大NRC的3個(gè)各具特色的風(fēng)洞，作了大量的導(dǎo)線空氣動(dòng)力特性的試驗(yàn)研究。

另外，在日本電力中央研究院利用水流裝置進(jìn)行了流體的可視化試驗(yàn)。根據(jù)流體力學(xué)的雷諾數(shù)相似原理，分別對(duì)多種低風(fēng)壓導(dǎo)線與普通導(dǎo)線的模型進(jìn)行了水流邊界層分離點(diǎn)位置的測(cè)試。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在普通導(dǎo)線的場(chǎng)合，水流從導(dǎo)線的上流側(cè)的滯留點(diǎn)進(jìn)入開(kāi)始到下流側(cè)的分離點(diǎn)離開(kāi)，大約經(jīng)過(guò)了圓周上的100o，而在低風(fēng)壓導(dǎo)線的場(chǎng)合，大約經(jīng)過(guò)了圓周上的120o，說(shuō)明在低風(fēng)壓導(dǎo)線的場(chǎng)合的回流區(qū)要小于普通導(dǎo)線的場(chǎng)合的回流區(qū)，因此阻力系數(shù)也相應(yīng)較小[6]。

古河電工公司開(kāi)發(fā)的低風(fēng)壓導(dǎo)線與普通導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)如圖10所示，這些導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)特性如表2所示。其中LP-TACSR810為一般的低風(fēng)壓導(dǎo)線，LNPTACSR810為同時(shí)具備降低噪聲與降低風(fēng)壓兩個(gè)功能的低噪聲低風(fēng)壓導(dǎo)線。LP-TACSR810低風(fēng)壓導(dǎo)線最外層是對(duì)稱分布的平滑的Z形和S形線股，在圓周上等間距地設(shè)置了12條小溝槽。LNP-TACSR810低噪聲低風(fēng)壓導(dǎo)線的最外層，除了在圓周上等間距地設(shè)置了12條小溝槽以外，還平均設(shè)置了4個(gè)小突起，相對(duì)而言，小溝槽有利于降低風(fēng)阻力系數(shù)，小突起有利于降低風(fēng)噪聲。

圖11為低風(fēng)壓導(dǎo)線LP-TACSR810與普通導(dǎo)線TACSR810的風(fēng)速-阻力系數(shù)特性曲線，圖中顯示了直角風(fēng)和60o斜風(fēng)的2種情況。由圖11可知，在風(fēng)速為25～60 m/s的高風(fēng)速領(lǐng)域，低風(fēng)壓導(dǎo)線的阻力系數(shù)比普通導(dǎo)線降低約30%。

表2 古河低風(fēng)壓導(dǎo)線和普通導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)特性Tab.2 Structural characteristics of Furukawa Electric drag reduced conductor and common conductor

圖12為低風(fēng)壓導(dǎo)線LP-TACSR810與普通導(dǎo)線TACSR810風(fēng)速為40 m/s時(shí)，不同的斜風(fēng)角與阻力系數(shù)的關(guān)系曲線。低風(fēng)壓導(dǎo)線斜風(fēng)時(shí)的阻力系數(shù)與普通導(dǎo)線的場(chǎng)合一樣，阻力系數(shù)比直角風(fēng)時(shí)略有降低，約為直角風(fēng)時(shí)的sin2θ倍，斜風(fēng)時(shí)的設(shè)計(jì)方法同普通導(dǎo)線的場(chǎng)合一樣。

圖13為低噪聲低風(fēng)壓導(dǎo)線LNP-TACSR810與普通導(dǎo)線TACSR810風(fēng)速-阻力系數(shù)的特性曲線。由圖可知，在風(fēng)速為27～40 m/s時(shí)，低噪聲低風(fēng)壓導(dǎo)線的阻力系數(shù)約比普通導(dǎo)線降低20%。

圖14為低噪聲低風(fēng)壓導(dǎo)線LNP-TACSR810與普通導(dǎo)線TACSR810風(fēng)速為40m/s時(shí)，不同的斜風(fēng)角與阻力系數(shù)的關(guān)系曲線。由圖可知，低噪聲低風(fēng)壓導(dǎo)線表面的線股存在小突起，受其影響，與低風(fēng)壓導(dǎo)線的阻力系數(shù)的曲線相比斜率不一樣。例如在60o斜風(fēng)時(shí)低噪聲低風(fēng)壓導(dǎo)線的阻力系數(shù)比普通導(dǎo)線低得不多。

由圖11～14可知，風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果證明，古河電工公司開(kāi)發(fā)的低風(fēng)壓導(dǎo)線與普通導(dǎo)線相比，在風(fēng)速為25～60 m/s時(shí)，阻力系數(shù)下降了約30%以上。

古河電工公司在風(fēng)洞試驗(yàn)中還對(duì)降雨和干燥天氣的阻力系數(shù)作了對(duì)比試驗(yàn)。降雨時(shí)，由于水滴在導(dǎo)線表面的滯留，阻力系數(shù)比干燥天氣均有所增加，而且阻力系數(shù)隨雨量的增大而增大。風(fēng)速為40 m/s時(shí)，對(duì)于低風(fēng)壓導(dǎo)線，10 min雨量15 mm時(shí)的阻力系數(shù)為0.75。對(duì)于低噪聲低風(fēng)壓導(dǎo)線，10 min雨量15 mm時(shí)的阻力系數(shù)為0.81。

為了驗(yàn)證低風(fēng)壓導(dǎo)線的實(shí)際效果，在古河電工公司的奧日光試驗(yàn)線、旭電機(jī)公司的最上試驗(yàn)線作了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，又于1999年起在臺(tái)風(fēng)多發(fā)地的沖繩宮古島、古河電工公司與沖繩電力公司合建了宮古島試驗(yàn)線，進(jìn)行了多年的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)，測(cè)量數(shù)據(jù)包括風(fēng)速、風(fēng)向、導(dǎo)線張力、導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)軌跡、阻力系數(shù)和最大風(fēng)偏角等在內(nèi)的多種參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，新開(kāi)發(fā)的低風(fēng)壓導(dǎo)線效果明顯，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；風(fēng)速40 m/s時(shí)的導(dǎo)線最大風(fēng)偏角從50o降低到38o。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)前，進(jìn)行了低風(fēng)壓導(dǎo)線與配套金具的機(jī)械、電氣性能試驗(yàn)以及滑輪通過(guò)試驗(yàn)，與住友公司的情況大致相同，情況良好，架線施工也與普通導(dǎo)線一樣順利進(jìn)行，表明低風(fēng)壓導(dǎo)線在應(yīng)用技術(shù)上不存在障礙。

3 工程應(yīng)用

根據(jù)低風(fēng)壓導(dǎo)線風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)直角風(fēng)和斜風(fēng)的阻力系數(shù)的測(cè)定結(jié)果，綜合考慮了經(jīng)濟(jì)性和安全性后，確定了線路設(shè)計(jì)時(shí)采用的阻力系數(shù)，日本關(guān)西電力公司采用的阻力系數(shù)設(shè)計(jì)值如表3所示。

表3 線路設(shè)計(jì)用阻力系數(shù)Tab.3 Design resistance coefficient for transmission lines

多年來(lái)，古河低風(fēng)壓導(dǎo)線已經(jīng)有了一定的應(yīng)用業(yè)績(jī)。2006年，在澳大利亞Western Power電力公司的330 kV輸電線路，使用了古河電工公司生產(chǎn)的型號(hào)為DR-HAL的820 mm2的低風(fēng)壓導(dǎo)線83 km。2009年，日本關(guān)西電力公司的275 kV輸電線路使用了古河公司的型號(hào)為DR-ACSR/AC的410 mm2的低風(fēng)壓導(dǎo)線43.3 km。正在建設(shè)中的日本關(guān)西電力公司的154 kV輸電線路，使用了古河公司的型號(hào)為DR-ACSR/AC的240 mm2的低風(fēng)壓導(dǎo)線38 km。即將建設(shè)的日本四國(guó)電力公司的154 kV輸電線路，將使用古河公司的型號(hào)為DR-ACSR/AC的680 mm2的低風(fēng)壓導(dǎo)線46.8 km。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）在相同導(dǎo)線直徑的情況下，相對(duì)于傳統(tǒng)的ACSR，低風(fēng)壓導(dǎo)線是架空輸電線路用的一種特種導(dǎo)線，具有更小的風(fēng)阻力系數(shù)的導(dǎo)線。

（2）研究結(jié)果表明，為減小處于流體中的圓柱體或標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線的阻力，必須減小其阻力系數(shù)，也就是設(shè)法使其處在超臨界狀態(tài)。導(dǎo)線的阻力系數(shù)與導(dǎo)線的表面形狀或表面的“粗糙度”有較大的關(guān)系。低風(fēng)壓導(dǎo)線的表面具有一定的粗糙度，因此比傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線或表面光滑導(dǎo)線的風(fēng)阻力系數(shù)更小。尋求最佳表面形狀即最佳粗糙度的導(dǎo)線表面是開(kāi)發(fā)低風(fēng)壓導(dǎo)線的關(guān)鍵和難點(diǎn)。

（3）與傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線相比，相同直徑的型線導(dǎo)線（外層鋁線為扇形、梯形或Z（S）型等）的表面較為光滑，表面粗糙度較小，因此風(fēng)阻力系數(shù)較大。只有在相同截面積的情況下，由于型線導(dǎo)線與傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線相比，具有較小的外徑，因此風(fēng)阻力相對(duì)較小。一般來(lái)說(shuō)，型線導(dǎo)線受到的風(fēng)壓較小，是指上述后一種情況、即在相同截面積的情況下而言。因此，不能籠統(tǒng)地說(shuō)型線導(dǎo)線的風(fēng)阻力小。

（4）開(kāi)發(fā)低風(fēng)壓導(dǎo)線時(shí)，要注意避免產(chǎn)生電暈和無(wú)線電干擾的副作用，力求得到一種具有最佳表面粗糙度的外層結(jié)構(gòu)型式。

（5）低風(fēng)壓導(dǎo)線的應(yīng)用對(duì)優(yōu)化線路結(jié)構(gòu)、節(jié)能降耗和降低造價(jià)具有較大的意義，技術(shù)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益明顯，符合低碳經(jīng)濟(jì)的理念。在我國(guó)，低風(fēng)壓導(dǎo)線的研究和應(yīng)用尚未開(kāi)始，隨著輸電線路建設(shè)的飛速發(fā)展，低風(fēng)壓導(dǎo)線將得到業(yè)界更多的關(guān)注。

[1]潘文全.工程流體力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1988：170-178.

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