低风压绝缘导线配电线路应用研究

季媛媛，宗 强*，张孝雷，张铃伟

（1.南通电力设计院有限公司，江苏 南通 226001；2.远东电缆有限公司，江苏 宜兴 214257）

随着我国经济的快速发展和人民生活水平的日益提高，对电力的需求越来越大，对供电可靠性的要求越来越高。近年来，局部性气象灾害呈现突发、多发、频发、重发态势，历时短但破坏力强，大面积断线倒杆（塔）等事故严重威胁电网安全，影响国民经济的发展和人民群众的生活。

研究发现，大风工况下，架空导线所受的风压约占整个线路所受风压的50%～70%。通过降低导线所受的风压能极大地提高线路抗风能力。长期以来，降低输电线路风压得到关注和重视，但极端天气给配电网线路带来的损害也不容忽视。本文将输电线路中有良好应用成效的低风压导线应用于配电线路，通过优化配电网导线结构，得到体型系数（风阻系数）低且便于生产制造的低风压绝缘导线。此低风压绝缘导线的应用可有效减小在大风天气时线路风荷载，提高线路抗风能力，避免大面积断线倒杆事故发生，保障电网安全稳定运行[1-2]。

1 低风压绝缘导线研究背景

1.1 低风压导线简介

低风压导线是一种在高风速下显著降低导线所受风压的新型导线。在相同导线直径的情况下，低风压导线和传统导线相比，具有更小的阻力系数。国内外对低风压导线应用于输电线路进行了大量研究和应用，低风压导线对降低输电线路风压有明显成效。

1.2 低风压导线设计原理

对于层流风中的导线类的圆柱状的物体来说，其受到风速方向的导线单位长度的作用力F 的大小，与空气密度ρ、阻力系数（CD）、风速（V）及圆柱体的直径（D）有关，如下式表示

由公式（1）可知，在其他条件相同的情况下，阻力系数（CD）越小，则导线单位长度风的作用力（F）越小。其中，无量纲的阻力系数（CD）又是雷诺数（Re）的函数[2]。

处于流体场中的圆柱体，当雷诺数Re 为80～300时，在其背风面的旋涡交替脱落，形成2 排向下游运动的涡列，即卡门涡列；当雷诺数Re 为300～1.3×105时，在迎风面上形成层流边界层，分离点发生在迎风面，这种情况为亚临界状态，此种状态回流区相对较大，回流区的压力较低，物体的压差阻力增加，阻力由摩擦阻力和压差阻力组成，压差阻力是主要部分，总阻力较大，阻力系数也相应较大；当雷诺数Re＞1.3×105时，边界层分离以前由层流转变为湍流，分离点在背风面，这种情况称为超临界状态，此种状态回流区相对较小，物体的压差阻力减小，阻力由摩擦阻力和压差阻力组成，压差阻力仍是主要部分，故总阻力较小，阻力系数也相应较小。由此可见，要减小导线的风阻，必须减小其风阻系数，即使导线处于超临界状态。国内外大量研究也表明，表面具有一定“粗糙度”的圆柱体的风阻系数也更小，所以需设计出合理“粗糙度”的导线[2]。

1.3 国内外低风压导线应用研究

20 世纪70 年代，日本开始进行输电线路低风压导线的开发研究，并取得初步成果。2006 年开始，澳大利亚、日本相继采用古河电工公司生产的低风压导线，低风压导线在国外得到推广应用。日本开发的外层线股为扇形截面的低风压导线，经过现场试验发现，在30 ～60 m/s 的风速范围内，其阻力系数和风压能降低到普通导线的70%以下。

2013 年开始，国内已有中国电力科学研究院、上海电缆研究所、远东电缆、中天科技和亨通等多家单位对低风压导线的结构和性能进行了深入研究。2017年，福建忠田—湄洲电力线路工程成为首条采用低风压导线的工程。2019 年，上海电缆研究所有限公司牵头起草NB/T 10667—2021《低风压架空导线》能源行业标准，为低风压导线的制造、设计及应用提供了有力的技术支持[3-4]。

2 低风压绝缘导线结构设计

2.1 10 kV 240 铝芯低风压绝缘导线结构设计依据

在架空配电网线路设计规范GB 50061—2010《66 kV 及以下架空电力线路设计规范》[5]中，导线、地线水平风荷载计算公式如下

式中：μsc是导线或地线的体型系数，当导线线径小于17 mm 或覆冰时μsc取1.2，导线线径大于或等于17mm，μsc取1.1。从定义看，低风压导线的研究中的风阻系数和线路设计规范中的体型系数是同一概念。大量研究表明，普通导线的风阻系数在低风速（小于10 m/s）时，其风阻系数最高1.2～1.3，随着风速增加，先下降后上升到一个稳定值1.0～1.1，随后将不受风速的影响。研究发现，同直径低风压导线在低风速区段，其风阻系数大于普通导线的风阻系数，随着风速增加，风阻系数下降，当大于某一风速时，其风阻系数低于普通导线的风阻系数，并随风速的增加继续下降至一定值（小于0.75）之后保持稳定。

因此，将低风压绝缘导线应用至配电网线路，在大风情况下，体型系数（风阻系数）能有效地降低，从而降低高风速条件下的绝缘导线对杆塔的水平风荷载，提高架空配电线路抗风能力。

2.2 10 kV 240 铝芯低风压绝缘导线结构设计

按照GB/T 14049—2008《额定电压10 kV 架空绝缘电缆》[6]标准规定普通绝缘厚度的10 kV 240 铝芯交联聚乙烯绝缘架空电缆结构，以及低风压绝缘导线结构1、低风压绝缘导线结构2 如图1 所示，其参数见表1。

表1 绝缘导线基本参数

图1 结构图

2.3 不同结构绝缘导线风压值有限元分析

对普通绝缘导线JKLYJ-10/240、结构1、结构2 低风压绝缘导线的风压进行有限元分析，分析图分别如图2、图3 和图4 所示。

图2 普通绝缘导线风压有限元分析

图3 结构1 低风压绝缘导线风压有限元分析

图4 结构2 低风压绝缘导线风压有限元分析

在35 m/s 风速情况下，图2、图3 和图4 的有限元分析结果可见，结构1 的低风压绝缘导线风压仅为普通绝缘导线的71.5%，结构2 的低风压绝缘导线风压仅为普通绝缘导线的83.5%。

3 低风压绝缘导线应用设计

风向与线路垂直情况的导线或地线风荷载的标准值为

式中：WX为导线或地线风荷载的标准值，kN；α 为风荷载档距系数；d 为导线或地线覆冰后的计算外径之和，m；μS为风荷载体型系数；Lw为风力档距，m。

3.1 低风压绝缘导线风阻系数折算

普通绝缘导线按照1.1 的体型系数，低风压绝缘导线按照0.75 的体型系数（风阻系数），当普通绝缘导线和低风压绝缘导线水平风载荷相等时，计算低风压绝缘导线风速折减数值见表2。

表2 低风压绝缘导线与普通绝缘导线等水平载荷下的风速折减表m/s

3.2 典型应用案例分析

按照表3 气象条件，计算采用体型系数为0.75 的低风压绝缘导线应用在单回路和双回路普通绝缘导线和低风压绝缘导线所能承受的风速值，计算结果见表4。

表3 气象条件

由表4 可知，低风压绝缘导线体型系数取0.75时，可使得双回JKLYJ-DFY-10/240 线路抗风能力从风速35 m/s（12 级风）提高至41.9 m/s（14 级风）；低风压绝缘导线体型系数取0.75 时，可使得单回JKLYJDFY-10/240 线路抗风能力从风速35 m/s（12 级风）提高至42 m/s（14 级风）。

表4 低风压绝缘导线和普通绝缘导线所能承受的风速值

4 风洞试验

对JKLYJ-DFY-10/240 导线样品（如图5 所示）进行风洞试验。

图5 低风压绝缘导线试验样品

试验风速范围为10～50 m/s，依次调节风速从低到高，每组采集9 个数据点，测得相应导线所受阻力均值，重复进行3 组试验，通过公式（1）计算得导线的风阻系数。3 组试验数据得到的风阻系数如图6所示。

由图6 可见，在低风速（小于15 m/s）时，风阻系数呈上升趋势并达到1.2 左右，在15～25 m/s 风速阶段，风阻系数处于微下降阶段，接着随着风速升高，风阻系数迅速下降，在风速达到40 m/s 时，风阻系数低至0.73左右，随后不随风速的变化而变化。

5 结论

1）根据有限元分析，本文中设计的低风压绝缘导线在35 m/s 风速情况下，所受的风压和普通绝缘导线相比，均有所下降。

2）代表档距60 m，表3 气象区条件下，低风压绝缘导线体型系数取0.75 时，采用2Z-S-190/15 型号杆塔，可使得双回和单回JKLYJ-DFY-10/240 线路抗风能力均从12 级风提高至14 级风。

3）根据低风压绝缘导线样品风洞试验结果，在风速达到40 m/s 时（14 级风），风阻系数低至0.73 左右，随后不随风速的变化而变化。