低風壓絕緣導線配電線路應用研究

季媛媛，宗 強*，張孝雷，張鈴偉

（1.南通電力設計院有限公司，江蘇 南通 226001；2.遠東電纜有限公司，江蘇 宜興 214257）

隨著我國經濟的快速發展和人民生活水平的日益提高，對電力的需求越來越大，對供電可靠性的要求越來越高。近年來，局部性氣象災害呈現突發、多發、頻發、重發態勢，歷時短但破壞力強，大面積斷線倒桿（塔）等事故嚴重威脅電網安全，影響國民經濟的發展和人民群眾的生活。

研究發現，大風工況下，架空導線所受的風壓約占整個線路所受風壓的50%～70%。通過降低導線所受的風壓能極大地提高線路抗風能力。長期以來，降低輸電線路風壓得到關注和重視，但極端天氣給配電網線路帶來的損害也不容忽視。本文將輸電線路中有良好應用成效的低風壓導線應用于配電線路，通過優化配電網導線結構，得到體型系數（風阻系數）低且便于生產制造的低風壓絕緣導線。此低風壓絕緣導線的應用可有效減小在大風天氣時線路風荷載，提高線路抗風能力，避免大面積斷線倒桿事故發生，保障電網安全穩定運行[1-2]。

1 低風壓絕緣導線研究背景

1.1 低風壓導線簡介

低風壓導線是一種在高風速下顯著降低導線所受風壓的新型導線。在相同導線直徑的情況下，低風壓導線和傳統導線相比，具有更小的阻力系數。國內外對低風壓導線應用于輸電線路進行了大量研究和應用，低風壓導線對降低輸電線路風壓有明顯成效。

1.2 低風壓導線設計原理

對于層流風中的導線類的圓柱狀的物體來說，其受到風速方向的導線單位長度的作用力F 的大小，與空氣密度ρ、阻力系數（CD）、風速（V）及圓柱體的直徑（D）有關，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（CD）越小，則導線單位長度風的作用力（F）越小。其中，無量綱的阻力系數（CD）又是雷諾數（Re）的函數[2]。

處于流體場中的圓柱體，當雷諾數Re 為80～300時，在其背風面的旋渦交替脫落，形成2 排向下游運動的渦列，即卡門渦列；當雷諾數Re 為300～1.3×105時，在迎風面上形成層流邊界層，分離點發生在迎風面，這種情況為亞臨界狀態，此種狀態回流區相對較大，回流區的壓力較低，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，阻力系數也相應較大；當雷諾數Re＞1.3×105時，邊界層分離以前由層流轉變為湍流，分離點在背風面，這種情況稱為超臨界狀態，此種狀態回流區相對較小，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，阻力系數也相應較小。由此可見，要減小導線的風阻，必須減小其風阻系數，即使導線處于超臨界狀態。國內外大量研究也表明，表面具有一定“粗糙度”的圓柱體的風阻系數也更小，所以需設計出合理“粗糙度”的導線[2]。

1.3 國內外低風壓導線應用研究

20 世紀70 年代，日本開始進行輸電線路低風壓導線的開發研究，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的低風壓導線，低風壓導線在國外得到推廣應用。日本開發的外層線股為扇形截面的低風壓導線，經過現場試驗發現，在30 ～60 m/s 的風速范圍內，其阻力系數和風壓能降低到普通導線的70%以下。

2013 年開始，國內已有中國電力科學研究院、上海電纜研究所、遠東電纜、中天科技和亨通等多家單位對低風壓導線的結構和性能進行了深入研究。2017年，福建忠田—湄洲電力線路工程成為首條采用低風壓導線的工程。2019 年，上海電纜研究所有限公司牽頭起草NB/T 10667—2021《低風壓架空導線》能源行業標準，為低風壓導線的制造、設計及應用提供了有力的技術支持[3-4]。

2 低風壓絕緣導線結構設計

2.1 10 kV 240 鋁芯低風壓絕緣導線結構設計依據

在架空配電網線路設計規范GB 50061—2010《66 kV 及以下架空電力線路設計規范》[5]中，導線、地線水平風荷載計算公式如下

式中：μsc是導線或地線的體型系數，當導線線徑小于17 mm 或覆冰時μsc取1.2，導線線徑大于或等于17mm，μsc取1.1。從定義看，低風壓導線的研究中的風阻系數和線路設計規范中的體型系數是同一概念。大量研究表明，普通導線的風阻系數在低風速（小于10 m/s）時，其風阻系數最高1.2～1.3，隨著風速增加，先下降后上升到一個穩定值1.0～1.1，隨后將不受風速的影響。研究發現，同直徑低風壓導線在低風速區段，其風阻系數大于普通導線的風阻系數，隨著風速增加，風阻系數下降，當大于某一風速時，其風阻系數低于普通導線的風阻系數，并隨風速的增加繼續下降至一定值（小于0.75）之后保持穩定。

因此，將低風壓絕緣導線應用至配電網線路，在大風情況下，體型系數（風阻系數）能有效地降低，從而降低高風速條件下的絕緣導線對桿塔的水平風荷載，提高架空配電線路抗風能力。

2.2 10 kV 240 鋁芯低風壓絕緣導線結構設計

按照GB/T 14049—2008《額定電壓10 kV 架空絕緣電纜》[6]標準規定普通絕緣厚度的10 kV 240 鋁芯交聯聚乙烯絕緣架空電纜結構，以及低風壓絕緣導線結構1、低風壓絕緣導線結構2 如圖1 所示，其參數見表1。

表1 絕緣導線基本參數

圖1 結構圖

2.3 不同結構絕緣導線風壓值有限元分析

對普通絕緣導線JKLYJ-10/240、結構1、結構2 低風壓絕緣導線的風壓進行有限元分析，分析圖分別如圖2、圖3 和圖4 所示。

圖2 普通絕緣導線風壓有限元分析

圖3 結構1 低風壓絕緣導線風壓有限元分析

圖4 結構2 低風壓絕緣導線風壓有限元分析

在35 m/s 風速情況下，圖2、圖3 和圖4 的有限元分析結果可見，結構1 的低風壓絕緣導線風壓僅為普通絕緣導線的71.5%，結構2 的低風壓絕緣導線風壓僅為普通絕緣導線的83.5%。

3 低風壓絕緣導線應用設計

風向與線路垂直情況的導線或地線風荷載的標準值為

式中：WX為導線或地線風荷載的標準值，kN；α 為風荷載檔距系數；d 為導線或地線覆冰后的計算外徑之和，m；μS為風荷載體型系數；Lw為風力檔距，m。

3.1 低風壓絕緣導線風阻系數折算

普通絕緣導線按照1.1 的體型系數，低風壓絕緣導線按照0.75 的體型系數（風阻系數），當普通絕緣導線和低風壓絕緣導線水平風載荷相等時，計算低風壓絕緣導線風速折減數值見表2。

表2 低風壓絕緣導線與普通絕緣導線等水平載荷下的風速折減表m/s

3.2 典型應用案例分析

按照表3 氣象條件，計算采用體型系數為0.75 的低風壓絕緣導線應用在單回路和雙回路普通絕緣導線和低風壓絕緣導線所能承受的風速值，計算結果見表4。

表3 氣象條件

由表4 可知，低風壓絕緣導線體型系數取0.75時，可使得雙回JKLYJ-DFY-10/240 線路抗風能力從風速35 m/s（12 級風）提高至41.9 m/s（14 級風）；低風壓絕緣導線體型系數取0.75 時，可使得單回JKLYJDFY-10/240 線路抗風能力從風速35 m/s（12 級風）提高至42 m/s（14 級風）。

表4 低風壓絕緣導線和普通絕緣導線所能承受的風速值

4 風洞試驗

對JKLYJ-DFY-10/240 導線樣品（如圖5 所示）進行風洞試驗。

圖5 低風壓絕緣導線試驗樣品

試驗風速范圍為10～50 m/s，依次調節風速從低到高，每組采集9 個數據點，測得相應導線所受阻力均值，重復進行3 組試驗，通過公式（1）計算得導線的風阻系數。3 組試驗數據得到的風阻系數如圖6所示。

由圖6 可見，在低風速（小于15 m/s）時，風阻系數呈上升趨勢并達到1.2 左右，在15～25 m/s 風速階段，風阻系數處于微下降階段，接著隨著風速升高，風阻系數迅速下降，在風速達到40 m/s 時，風阻系數低至0.73左右，隨后不隨風速的變化而變化。

5 結論

1）根據有限元分析，本文中設計的低風壓絕緣導線在35 m/s 風速情況下，所受的風壓和普通絕緣導線相比，均有所下降。

2）代表檔距60 m，表3 氣象區條件下，低風壓絕緣導線體型系數取0.75 時，采用2Z-S-190/15 型號桿塔，可使得雙回和單回JKLYJ-DFY-10/240 線路抗風能力均從12 級風提高至14 級風。

3）根據低風壓絕緣導線樣品風洞試驗結果，在風速達到40 m/s 時（14 級風），風阻系數低至0.73 左右，隨后不隨風速的變化而變化。