1 520 mm2级型线导线空气动力参数特性研究

孙涛，朱宽军，赵江涛，刘臻，周立宪，王召林

（1.国家电网公司，北京 100031；2.中国电力科学研究院，北京 102401）

1 520 mm2级型线导线空气动力参数特性研究

孙涛1，朱宽军2，赵江涛1，刘臻2，周立宪2，王召林2

（1.国家电网公司，北京 100031；2.中国电力科学研究院，北京 102401）

为研究1 520 mm2大截面单导线及覆冰导线的空气动力参数及屏蔽效应特性，对JL1X1/G2A-1520/125-481、JL1X1/LHA1-1040/550-487 2种1 520mm2大截面导线进行风洞试验，并对试验结果进行分析，给出了不同风速下不同结构型式导线的空气动力参数。为设计部门进一步的评估工作提供可靠的依据。

1 520mm2输电导线；型线；空气动力特性；阻力系数

与一般的结构相比，输电线路系统具有其特殊性：大跨的输电线路一般都暴露在易受强风作用的野外，输电线风的作用很敏感，变化幅度较大。尽管人们通过实测强风载荷下输电塔-线系统动力响应、观测现场的破坏性大，发现强风下线路产生的巨大拖拽张力是风灾倒塌的主要原因之一，并在设计中使线路风载荷成为输电杆塔的控制荷载。但是，由于复杂的风荷载作用机理，特别是线路风荷载的屏蔽与等效静风荷载还缺乏全面深入的理论认识，造成线路设计方法仍然不尽合理。

导线覆冰后在风载荷的激励下容易发生大幅低频舞动。这种振动对线路的安全运行造成的危害十分严重，如线路频繁跳闸与停电、导线的磨损损伤与断线和金具的损坏等。导线舞动对输电线路的危害已引起人们的重视，中国是世界上输电线路覆冰最为严重的国家之一。因此，对于输电线路覆冰后的气动特性的研究对于我国输电线路的设计与运营具有至关重要的作用。

随着多分裂导线在我国的大量应用，作为导线风致动力响应分析的基础，在我国现行的设计规范中，风荷载系数还未考虑风向角影响及导线分裂类型的不同，均统一取值。随着多分裂导线在我国特高压、超高压工程中的大量应用，多分裂导线的风效应研究日益重要。因此，借助风洞试验研究各类典型高压输电多分裂导线节段的风效应，从试验和理论2方面对多分裂导线的风效应进行深入细致的研究，以满足大规模实践的需求，无疑具有重要的工程价值和理论意义。

近年来国内发展了一种新类型的导线1 520mm2大截面导线，不过对于其在气动性能的特性还没有定论。文中对JL1X1/G2A-1520/125-481、JL1X1/ LHA1-1040-/550-487 2种1 520mm2大截面导线进行风洞试验，并对试验结果进行分析，给出了不同风速下不同结构型式导线的空气动力参数，为设计部门进一步的评估工作提供可靠的依据[1-4]。

1 导线空气动力学参数测试方法

风洞试验室依据运动的相对性原理，将模型或实物固定在人工环境中，人为制造气体流场，模拟空气中各种复杂的流动状态，获取试验数据，导线空气动力参数、覆冰导线舞动等试验研究也可在风洞中开展。

华中科技大学李万平进行了覆冰导线群的气动特性测试，试验结果给出了2类典型覆冰导线模型截然不同的气动力特性；给出了新月型和扇型2类冰型的气动力特性；张宏雁等对覆冰四分裂导线的气动力特性进行了风洞试验，获得了不同风速和不同冰厚情况下覆冰四分裂导线静态空气动力参数随攻角的变化曲线。但对于不同覆冰导线的研究数据较少，得到的结论具有一定的局限性。

通过导线气动力测试，可以获得给定截面的升力、阻力和扭矩系数随攻角的变化规律，即CL（α）、CD（α）和CM（α），是研究导线荷载特性的基本参数，也是提供导线水平、垂直和扭转运动所必须的外力数据。

用于导线气动力测试的模型是一个刚性的二维模型，需与导线保持几何相似。由于实际输电线路导线在自然风下的雷诺数为104量级，因而试验需要在亚临界雷诺数下进行。

对于钝体绕流，其阻力是由压差阻力和摩擦阻力共同构成的。可以通过对物体表面与流体流动方向平行的压力分量进行积分求出压差阻力；而摩擦阻力相对于压差阻力很小，也就是说摩擦阻力在总阻力中所占的比重很小，尤其是在诸如空气这样的流体黏度系数很小的流场中摩擦阻力基本可以忽略不计。而流体的升力系数和流体的力矩系数同压差阻力一样可以通过计算流体表面的压力差然后积分的方法得到。在获得了流体升力、阻力以及力矩后，可通过下式得到该截面的流体阻力系数、升力系数以及流体力矩系数。

式中：U为来流速度；D为导线直径；FD、FL、MZ分别为单位长度上得流体升力、阻力以及扭力矩。对无覆冰导线，其升力与扭矩系数较小，本研究中重点研究导线的阻力系数特性[5-6]。

本次试验内容是测量2类导线单导线时，不同风速下的空气动力参数，即静力气动力系数。开展不同结构形式1 520 mm2大截面导线风洞试验研究，给出不同风速下结构形式导线的空气动力参数（主要是升力和风阻系数），对于分裂导线，将重点关注不同分裂导线引起的屏蔽和干扰效应。同时，基于试验，进一步讨论雷诺数对气动力特性的影响。

2 试验设备及装置

2.1 测试用风洞

试验在1.4m×1.4m低速风洞进行。该风洞是一座开路式闭口试验段风洞，试验风速10～65m/s，配备有大气边界层模拟装置和高频底座天平，试验段截面面积为1.863 2m2，截面形状为切角矩形，试验段长2.8m。风洞结构如图1所示。

图1 导线空气动力学参数测试风洞Fig.1 W ire aerodynam ic parameter testw ind tunnel

2.2 测控装置及设备

测力设备使用FGC03A/FGC3B三分量天平，测量导线模型阻力、升力和扭矩（俯仰力矩），测力试验数据采集系统为PXI系统，角度、速压控制由相应工控机系统实现，设备之间由网络通讯传递指令，测控仪器及设备如图2所示[7-10]。

2.3 试验条件及研究目标

根据线路设计规范，最大设计风速通常取为35～40m/s，因此，对单导线测试，风速分别取为10～40 m/s，间隔为5，风向/攻角为0～180°，间隔5°；分裂数为4分裂及6分裂。

试验研究目标：针对选取的1 520mm2导线，研究不同风速、不同风向角情况下，导线的阻力参数特性，以及不同分裂数时，阻力系数的变化及屏蔽效应影响规律，给出给定1 520 mm2导线在不同试验条件下的阻力系数特性曲线，指导导线风荷载设计参数取值的选择。

图2 测控仪器及设备Fig.2 M onitoring and control instruments and equipment

2.4 试验装置及连接

为最大限度降低模型固定支撑装置对风场的影响，除六分裂导线外，试验中全部支撑装置均在风洞试验段外，模型连接中上下圆盘连接如图3所示，通过伺服电机驱动圆盘，改变攻角，模拟不同攻角下的动力学参数变化。风洞中模型安装示意如图4所示，双分裂、四分裂及六分裂导线布置方案及初始状态如图5所示。

图3 上下圆盘传感器及支撑装置连接图Fig.3 Connection diagram of upper and lower disk sensors and supporting devices

3 阻力系数试验测试结果及分析

试验中导线型号及直径如表1所示，不同风速单导线阻力系数与风速关系如图6所示，不同风速情况下，不同分裂间距（450 mm、500 mm）双分裂、550 mm分裂间距四分裂及500mm分裂间距六分裂导线屏蔽效应影响曲线如图7～图9所示。

由图6可知，对单导线，在风速相同的情况下，铝合金芯成型铝绞线JL1X1/LHA1-1040/550-487的风阻系数大于钢芯成型铝绞线JL1X1/G2A-1520/ 125-481，这主要是由于铝合金芯成型铝绞线的直径大于钢芯成型铝绞线以及导线表面的粗糙度的不同引起的；在测试测试风速10～40m/s范围内，2种型线阻力系数随着风速增大呈现减小的趋势。

图4 模型风洞连接安装图Fig.4 Connection and installation diagram of w ind tunnelmodel

图5 分裂导线布置及初始状态示意图Fig.5 Schematic diagram of split-up conductor arrangement and the initial state

表1 导线型号及直径表Tab.1 W ire type and diameter table

图6 单导线阻力系数随风速变化曲线Fig.6 Curve of resistance coefficient of single w ire w ith w ind speed

图7 双分裂导线阻力系数随风速变化曲线Fig.7 Curve of drag coefficient of double split-up conductor

图8 四分裂导线阻力系数随风速变化曲线Fig.8 Curve of drag coefficient of four split-up conductor

图9 六分裂导线阻力系数随风速变化曲线Fig.9 Curve of drag coefficient of six split-up conductor

由图7可知，对于2种规格的型线以及分别对应450mm和500mm 2种不同分裂间距的双分裂导线，分裂间距的大小对其阻力系数和屏蔽效应影响很小，基本可以忽略，说明对于二分裂导线，分裂间距的大小对其阻力系数和屏蔽效应影响很小；对于2种规格的导线，其屏蔽角范围风向角在180°左右时，其阻力系数下降到最小，因此，屏蔽角范围风向角在180°左右。在10m/s测试风速情况下，屏蔽角范围在±10°内，阻力系数由1.3降低至0.7；20 m/s风速情况下，型线屏蔽角范围扩大到±15°范围，阻力系数由1.2降低至0.6，屏蔽效应影响明显，但受风速变化产生影响较小，说明对于二分裂导线，屏蔽角范围的大小随风速的变大而变大。

由图8可知，对2种规格型线对应的四分裂导线，在0～180°范围内有3次受屏蔽影响导致阻力系数降低的情况，分别是90°、135°和180°左右，屏蔽角范围扩大至±15°内；10m/s风速情况下，阻力系数，由1.3降低至0.7，20 m/s风速情况下，阻力系数由1.2降低至0.6，屏蔽效应影响较为明显，同样受风速变化产生影响较小。

由图9可知，对2种规格型线对应的六分裂导线，与双分裂及四分裂导线测试结果类似，其屏蔽角范围基本也在±15°内，在0～180°范围内有3次受屏蔽影响导致阻力系数降低的情况分别是120°、145°和180°左右。20m/s风速时，型线屏蔽效应影响和屏蔽角影响范围大，屏蔽效应明显[3]。

4 结论

通过试验研究，对2种1 520mm2大截面导线进行了风洞试验研究，得到单导线、双分裂、四分裂及六分裂情况下空气动力参数特性：

1）对单导线，在测试风速10～40m/s范围内，导线阻力系数均随着风速增大呈现减小的趋势。

2）对双分裂导线，在10 m/s测试风速情况下，分裂间距450～550 mm之间时，导线屏蔽角近似在±15°，迎风面导线阻力系数和被风面导线阻力系数相比较大，屏蔽效应明显。当测试风速大于20m/s时，屏蔽效应明显增大，屏蔽角范围增大，迎风面导线与被风面导线阻力系数差异较大。

3）对四分裂导线，在0～180°范围内有3次受屏蔽影响导致阻力系数降低的情况，分别是90°、135°和180°左右，屏蔽角范围扩大至±15°内；10m/s风速情况下，阻力系数，由1.3降低至0.7，20 m/s风速情况下，阻力系数由1.2降低至0.6，屏蔽效应影响较为明显，同样受风速变化产生影响较小。

4）对六分裂导线，其屏蔽角范围基本也在±15°内，在0～180°范围内有3次受屏蔽影响导致阻力系数降低的情况分别是120°、145°和180°左右。20m/s风速时，型线屏蔽效应影响和屏蔽角影响范围大，屏蔽效应明显。当测试风速大于20m/s时，屏蔽效应明显增大，屏蔽角范围增大，迎风面导线与被风面导线阻力系数差异较大。

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Study on Aerodynam ic Characteristicsof 1 520mm2Grade Line Conductors

SUN Tao1，ZHU Kuanjun2，ZHAO Jiangtao1，LIU Zhen2，ZHOU Lixian2，WANG Zhaolin2
（1.StatGrid Corporation of China，Beijing 100031，China；2.China Electric Power Research Institute，Beijing 102401，China）

In order to study the aerodynamic parameters and shielding effect characteristics of 1 520 mm2large cross section single conductor and iced conductor，this paper expounds the wind tunnel test for two kinds of 1 520 mm2large cross-section wire，namely the JL1X1/G2A-1520-/125-481 and JL1X1/LHA1-1040/550-487 and analyzes the test results and finally works out the wire aerodynamic parameters of the different structures under different wind velocities，providing a reliable basis for design departments.

1 520 mm2transmission line；line；aerodynamic characteristics；drag coefficient

2016-09-25。

孙 涛（1977—），男，博士，高级工程师，主要从事特高压直流建设技术管理和输电线路设计研究工作；

（编辑 张晓娟）

国家电网公司科技项目（GCB17201400106）。

Project Supported by Science and Technology Foundation of SGCC（GCB17201400106）.

1674-3814（2017）02-0032-05

TM721

B

朱宽军（1969—），男，本科，高级工程师，研究方向为输变电工程建设研究等。