新型同心绞导线风阻力系数风洞试验

党 朋， 吴细毛， 刘 斌， 王 乐， 曾 伟， 郑 秋， 李春和

(1.上海电缆研究所，上海200093;2.辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁沈阳110006;3.特种电缆技术国家重点实验室，上海200093)

0 引言

近年来，随着以“西电东送、南北互供、全国联网”为目标的特高压输电工程建设的迅猛发展［1］，市场对架空导线产品的性能要求也越来越高。除了传统的钢芯铝绞线外，大量的新型导线被开发应用，其中包括碳纤维复合芯导线、陶瓷纤维复合芯导线、钢芯软铝绞线等。这些新型导线在结构上不同于传统的钢芯铝绞线，均采用了型线同心绞结构［2］。

导线在实际使用中，其所受风压占整个输电线路所受风压的50%～70%，所以减小导线风压对于降低线路造价以及提高线路运行的安全性具有重要意义。然而有研究表明［3］，与传统的圆线同心绞导线相比，相同直径的型线同心绞结构导线的表面较为光滑，粗糙度小，其风阻力系数较大，因此影响到型线结构导线的推广应用。

本文将介绍一种新型同心绞导线，通过风洞试验测试其风阻力系数，并与普通型线结构导线的风阻力系数比较，证明结构经过改进的新型同心绞导线具有低风阻系数的优异性能。

1 试验

1.1 试样制备

本次试验所测试的导线有圆线同心绞导线、型线同心绞导线和新型同心绞导线等三种(见图1)。为了尽量增大导线的长径比并考虑到导线的变形和风洞尺寸的限制，所有试验试件长度均取1.5 m，其规格见表1。在试验前，这三种导线预先经过矫直与封头处理。

图1 三种导线的截面示意图

表1 试验导线规格

1.2 试验条件

试验地为同济大学土木工程防灾国家重点实验室TJ-2风洞。其风洞试验段尺寸为3 m×2.5 m×15 m，能够产生2～68 m/s的连续风速。考虑到风洞的性能和工程中风速的发生范围，试验取均匀流场中 11.85、16.75、22.48、27.94、34、39.80 m/s 共六个风速。最高风速39.80 m/s，相当于标准风级13级。

试验过程中，两个高频测力天平采样频率均为1000 Hz，每种工况下天平采集时间为1 min，共60000个数据点。

本次试验测量了三种导线在单根、并列双分裂和四分裂时的风阻力系数。测试现场如图2所示。

图2 导线风洞试验现场

1.3 风阻力系数计算

预先测量了空端板在上述六个风速下所受的风力，在后续的试验数据处理中减去空端板所受的风力，得到单独作用在导线上的风力。然后由式(1)计算给出导线的整体风阻力系数:

式中:Fd为试验所测得的导线所受风阻力均值(N);ρ为空气密度(kg/m3);u为风速(m/s);L为模型导线长度(m);d为导线外径(m);n为导线分裂数。

在按照式(1)计算导线的整体风阻力系数时，风速u取来流风速。这一方法得到的风阻力系数对于多分裂导线只是计算意义上的风阻力系数，因为前部导线的屏蔽效应［4］，后部导线的实际迎风风速不同于来流风速。但是这一方法也是我国现阶段规范［5］对于多分裂导线整体风荷载计算所采用的方法，该方法简便易行，具有实际工程意义与可行性。

2 试验结果与分析

2.1 单根导线风阻力系数

表2给出了三种测试导线单根时的风阻力系数。图3为风阻力系数随风速变化的曲线图。

表2 单根导线风阻力系数

图3 单根导线风阻力系数-风速曲线

由表2和图3可以看出，随着风速的增大，传统的圆线同心绞导线的风阻力系数先下降后上升，最终稳定在1.05左右。这反映了风阻力系数的雷诺数效应，并且与ESDU 80025规范［6］给出的导线风阻力系数随风速变化的趋势曲线相吻合。

新型同心绞导线特殊的外形设计使得其气动特性与圆线同心绞导线不同，其风阻力系数随着风速的增加呈现单调下降趋势。在低风速区(风速小于27.94 m/s)，新型同心绞导线的风阻力系数比圆线同心绞导线大，而在高风速区(风速超过27.94 m/s)，其风阻力系数小于圆线同心绞导线风阻力系数。在风速为34 m/s和39.8 m/s时，新型同心绞导线的风阻力系数比圆线同心绞导线分别降低23.8%和39%。型线同心绞导线在所测试的风速范围内，其风阻力系数与圆线同心绞导线和新型同心绞导线也不同，呈现先上升后下降的趋势，但是其风阻力系数显著大于圆线同心绞导线，并没有表现出低风阻力系数的特性。

2.2 双分裂导线风阻力系数

表3给出了在分裂间距为450 mm时，三种导线在并列双分裂时的整体风阻力系数。图4为风阻力系数随风速的变化曲线图。

表3 双分裂导线整体风阻力系数

由表3和图4可以看出，圆线同心绞导线的风阻力系数随风速的增加呈现先下降，然后趋于稳定的趋势。比单根导线的风阻力系数(见图3)趋于稳定时候的风速低。

图4 并列双分裂导线风阻力系数-风速曲线

对于新型同心绞导线，整体风阻力系数随风速的增加仍然呈现单调递减的趋势。其整体风阻力系数在低风速时(风速小于27.94 m/s)大于相同直径的圆线同心绞导线的整体风阻力系数，而在风速超过27.94 m/s之后，新型同心绞导线的整体风阻力系数小于圆线同心绞导线的整体风阻力系数。在风速为34 m/s和39.8 m/s时，新型同心绞导线的整体风阻力系数比圆线同心绞导线的整体风阻力系数分别小11%和20%，这对于降低输电线路杆塔风荷载和造价具有重要意义。

型线同心绞导线在双分裂时的整体风阻力系数与单根时风阻力系数(见图3)不同，随着风速的增加呈现单调递减趋势。但是在所测试的大部分风速范围内，其整体风阻力系数比普通圆线同心绞导线大。

2.3 四分裂导线风阻力系数

表4给出了在分裂间距为450 mm时，三种导线在四分裂时的整体风阻力系数。图5为风阻力系数随风速的变化曲线图。

表4 四分裂导线整体风阻力系数

图5 四分裂导线整体风阻力系数-风速曲线

由表4和图5可以看出，圆线同心绞导线在四分裂时的整体风阻力系数随着风速的增加呈现先下降后上升的趋势，与其在单根时的风阻力系数随风速变化的趋势相同。

新型同心绞导线在四分裂时的整体风阻力系数随风速的变化趋势与双分裂时的变化趋势相同，并且在高风速下也表现出风阻力系数减小。在34 m/s风速时，新型同心绞导线在四分裂时的整体风阻力系数比圆线同心绞导线的整体风阻力系数降低23%;在39.8 m/s风速时降低达到34%。降低幅度比双分裂时的降低幅度大，表明随着分裂数的增多，新型同心绞导线比圆线同心绞导线有更加小的低风阻力系数。

型线同心绞导线在四分裂时的整体风阻力系数随着风速的增加呈先上升后下降，和在单根时的变化趋势一致，而与双分裂时的变化趋势不同。但是其风阻力系数明显大于圆线同心绞导线和新型同心绞导线的风阻力系数。

3 结论

(1)新型同心绞导线的风阻力系数随风速的增加而减小，与圆心同心绞导线和型线同心绞导线的风阻力系数随风速的变化规律不同。在低风速区，其风阻力系数大于圆线同心绞导线的风阻力系数;在高风速区，其风阻力系数小于圆线同心绞导线风阻力系数，表现出较好的降阻作用。

(2)型线同心绞导线风阻力系数随着风速的增加，在单根和四分裂时先上升后降低，而双分裂时为一直下降。但是在所测试的风速范围内，其风阻力系数均大于圆线同心绞导线的风阻力系数。

(3)新型同心绞导线在单根和双分裂时，其风阻力系数在高风速区时小于型线同心绞导线。在四分裂时，其风阻力系数在整个测试风速范围内小于型线同心绞导线。

［1］刘振亚，张启平.国家电网发展模式研究［J］.中国电机工程学报，2013，33(7):1-10.

［2］刘 斌，党 朋，季世泽.型线同心绞架空导线技术发展与应用［J］，电线电缆，2008(6):9-12.

［3］尤传永.输电线路低风压导线的开发研究［J］，电力建设，2010，31(12):1-5.

［4］谢 强，孙启刚，管 政.多分裂导线整体风阻力系数风洞试验研究［J］，电网技术，2013，37(4):1106-1112.

［5］GB 50545—2010110～750 kV架空输电线设计技术规范［S］.

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