输电线路低风压导线的开发研究

尤传永

（中国电力科学研究院，北京市，100055）

0 引言

架空输电线路低风压导线（drag reduced conductor）是架空输电线路用的一种特种导线，是在相同导线直径的情况下，相对于传统的钢芯铝绞线（aluminum conductor steel reinforced，ACSR），具有更小的风阻力系数的导线。由于这种导线在风的作用下比传统的钢芯铝绞线受到的风压更小，因此习惯上将其称为低风压导线。

架空输电线路中导线受到的风压约占整个输电线路受到风压的50%～70%，除了导线本身的强度要抵抗得住风载的作用以外，导线的支撑物（杆塔）也必须承载得住导线传递过来的风载荷及其杆塔本身受到的风载荷的联合作用。导线的风压对铁塔基础和塔身本体的强度设计有着重大的影响，降低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的意义。

长期以来，输电线路工作者始终关注着降低导线风压的问题，力求用一种较为简便的方法使导线风压降到最小。在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，取得了初步成果，但实际应用不多。20世纪90年代开始，有关科研人员继续进行了深入研究，在低风压导线机理研究和实际应用方面都取得了明显的进步。

1 圆柱体和标准导线的风阻力系数

在开发研究输电线路低风压导线的早期，研究人员从高尔夫球的表面存在许多小的凹坑的现象中得到启发，在撞击力、撞击角度、风速以及风向等条件均相同的情况下，表面存在许多小凹坑的高尔夫球要比表面光滑的球飞得更远。表面存在许多小的凹坑的球体或圆柱体受到的风阻力要比表面光滑的球体或圆柱体受到的风阻力更小，说明表面具有一定“粗糙度”的球体或圆柱体的风阻力系数更小。

对于层流风中的导线类圆柱状物体来说，其受到风速方向的导线单位长度的作用力可以表示为

式中：F为导线单位长度上受到的风压作用力；ρ为空气密度；CD为阻力系数；V为风速；D为圆柱体（导线）的直径。

由式（1）可知：导线受到风速方向的单位长度的作用力与风阻力系数呈线性正比例关系，在其他条件相同的情况下，风阻力系数越小，导线单位长度所受风的作用力越小。这里风的作用力也称为风阻力（Drag）。另外，无量纲的阻力系数CD是雷诺数（Re）的函数。

由流体力学中有关圆柱绕流的理论[1]可知：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，如图1所示。

当雷诺数Re为300～1.3×105时，在其背风面出现低速而混乱的回流区（负压领域）。在回流区不断脱落的旋涡破裂为小旋涡，形成湍流。在圆柱体的迎风面上形成层流边界层，层流边界层与圆柱体的分离点发生在迎风面，这种情况称为亚临界状态，如图2所示。此时物体阻力由摩擦阻力和压差阻力组成，并且以压差阻力为主。

当雷诺数Re＞1.3×105时，流动情况与前述的状态类似，但是边界层分离以前已由层流转变为湍流，而且分离点发生在背风面，这种情况称为超临界状态，如图3所示。此时物体阻力虽由摩擦阻力和压差阻力组成，但仍以压差阻力为主。

在亚临界状态下，由于边界层分离发生在迎风面，故回流区相对较大。而回流区的压力较低，物体的压差阻力增加。虽然层流边界层中物面的摩擦阻力比湍流时较小，但由于压差阻力是物体阻力的主要部分，故总阻力仍然较大，阻力系数也相应较大。

在超临界状态下，由于边界层分离发生在背风面，故回流区相对较小，物体的压差阻力减小。虽然边界层中物面的摩擦阻力有所增加，但由于压差阻力是阻力的主要部分，故总阻力仍然较小，阻力系数也相应较小。

从上述分析可知：为减小处于流体中的圆柱体或标准导线的阻力，必须减小其阻力系数，即设法使其处在超临界状态。

2 低风压导线的开发研究情况

2.1 早期的开发研究

为开发研究输电线路低风压导线，20世纪70年代，日本住友电工公司与关西电力公司、京都大学等单位的研究人员，利用京都大学防灾研究所的风洞，对各种不同表面形状或“粗糙度”的导线模型进行了大量的试验研究[2]。结果表明，导线的风阻力系数（CD）与导线表面的形状或“粗糙度”有较大的关系。通过试验得到了不同结构标准圆线同芯绞导线的阻力系数与雷诺数的关系曲线，如图4所示。图4中数字为线股数，括号内数字为外层线股数。

由图4可知，不同结构导线在雷诺数为1×104～1× 105的区域阻力系数最小，当雷诺数Re＞1×105时，阻力系数趋与饱和。而且，绞线的层数和线股数越多，阻力系数的最小值与饱和值越小，而阻力系数为最小值时的雷诺数越大，显示出向平滑圆柱体特性接近的倾向。导线的雷诺数Re约为表面光滑圆柱体的1/10。

为了最大限度地降低导线的阻力系数，必须合理选择导线的最佳表面形状或“粗糙度”，大量的试验数据为此提供了可靠依据。在综合考虑导线的电晕和无线电干扰特性、制造工艺及架线施工等方面的因素后，开发出了外层线股为扇形截面的低风压导线，其结构简图如图5所示。

这种低风压导线的外层由扇形截面的耐热铝合金线股组成。一部分扇形截面的端部为小圆弧，2个小圆弧构成1个V形沟槽，使导线表面形成一定的粗糙度。粗糙度的大小与小圆弧的曲率半径（r）、曲率半径与导线直径的比值（r/D）以及扇形截面对导线中心的开口角（θ）有关。图5中，r的最大值为5 mm，r的最小值为0.01 D。曲率半径与导线直径的比值（r/D）、开口角（θ）与阻力系数（CD）的关系曲线如图6所示。

考虑到制造工艺和架线施工等因素，新开发的低风压导线外层的节径比约为12，与常规的导线相似。试验结果表明，导线外层节径比的大小对表面粗糙度的影响很小。

图7为不同的低风压导线外径与阻力系数（CD）的关系曲线。图中V为设计平均风速值，θ为扇形截面对导线中心的开口角。由图可知，阻力系数（CD）随导线外径的增大而减小，随风速的增大而减小。

表1列出了住友电工公司各种低风压导线的结构尺寸与阻力系数。

住友电工公司各种低风压导线与普通的标准导线的结构简图如图8所示。由于日本输电线路工程大量采用钢芯耐热铝合金绞线（Thermo-resistance aluminum alloy conductor steel reinforced，TACSR）[3]，为了叙述方便起见，本文中提及的普通导线或标准导线即指TACSR。图9为同时具备降低风压与噪声功能的低风压低噪声导线TACSR810[4-5]的结构简图。

表1 住友公司低风压导线的结构尺寸与阻力系数Fig.1 Structural size and resistance coefficient of Sumitomo Electric drag reduced conductor

通过风洞试验，确认开发的各种低风压导线的风压值降低到普通的标准导线的60%左右。然后在位于福井县敦贺市南部的湖东试验线路进行了多年现场实际测试，确认低风压导线TACSR810的风压值降低到标准导线TACSR810的70%左右。低风压导线TACSR410的风压值降低到标准导线TACSR410的90%左右。

在进行现场试验以前，对低风压导线及其所配套使用的接续金具等进行了全部机械和电气性能试验，并进行了滑轮通过试验，结果良好。此外，低风压导线的架线施工与普通导线一样，不需要特殊的施工机械和方法。

2.2 近期的开发研究

20世纪90年代，日本古河电工公司与关西电力公司等单位的研究人员对低风压导线的机理进行了深入研究。分别利用古河电工日光研究所、东京大学先端科学技术研究中心和加拿大NRC的3个各具特色的风洞，作了大量的导线空气动力特性的试验研究。

另外，在日本电力中央研究院利用水流装置进行了流体的可视化试验。根据流体力学的雷诺数相似原理，分别对多种低风压导线与普通导线的模型进行了水流边界层分离点位置的测试。试验发现，在普通导线的场合，水流从导线的上流侧的滞留点进入开始到下流侧的分离点离开，大约经过了圆周上的100º，而在低风压导线的场合，大约经过了圆周上的120º，说明在低风压导线的场合的回流区要小于普通导线的场合的回流区，因此阻力系数也相应较小[6]。

古河电工公司开发的低风压导线与普通导线的结构如图10所示，这些导线的结构特性如表2所示。其中LP-TACSR810为一般的低风压导线，LNPTACSR810为同时具备降低噪声与降低风压两个功能的低噪声低风压导线。LP-TACSR810低风压导线最外层是对称分布的平滑的Z形和S形线股，在圆周上等间距地设置了12条小沟槽。LNP-TACSR810低噪声低风压导线的最外层，除了在圆周上等间距地设置了12条小沟槽以外，还平均设置了4个小突起，相对而言，小沟槽有利于降低风阻力系数，小突起有利于降低风噪声。

图11为低风压导线LP-TACSR810与普通导线TACSR810的风速-阻力系数特性曲线，图中显示了直角风和60º斜风的2种情况。由图11可知，在风速为25～60 m/s的高风速领域，低风压导线的阻力系数比普通导线降低约30%。

表2 古河低风压导线和普通导线的结构特性Tab.2 Structural characteristics of Furukawa Electric drag reduced conductor and common conductor

图12为低风压导线LP-TACSR810与普通导线TACSR810风速为40 m/s时，不同的斜风角与阻力系数的关系曲线。低风压导线斜风时的阻力系数与普通导线的场合一样，阻力系数比直角风时略有降低，约为直角风时的sin2θ倍，斜风时的设计方法同普通导线的场合一样。

图13为低噪声低风压导线LNP-TACSR810与普通导线TACSR810风速-阻力系数的特性曲线。由图可知，在风速为27～40 m/s时，低噪声低风压导线的阻力系数约比普通导线降低20%。

图14为低噪声低风压导线LNP-TACSR810与普通导线TACSR810风速为40m/s时，不同的斜风角与阻力系数的关系曲线。由图可知，低噪声低风压导线表面的线股存在小突起，受其影响，与低风压导线的阻力系数的曲线相比斜率不一样。例如在60º斜风时低噪声低风压导线的阻力系数比普通导线低得不多。

由图11～14可知，风洞试验的结果证明，古河电工公司开发的低风压导线与普通导线相比，在风速为25～60 m/s时，阻力系数下降了约30%以上。

古河电工公司在风洞试验中还对降雨和干燥天气的阻力系数作了对比试验。降雨时，由于水滴在导线表面的滞留，阻力系数比干燥天气均有所增加，而且阻力系数随雨量的增大而增大。风速为40 m/s时，对于低风压导线，10 min雨量15 mm时的阻力系数为0.75。对于低噪声低风压导线，10 min雨量15 mm时的阻力系数为0.81。

为了验证低风压导线的实际效果，在古河电工公司的奥日光试验线、旭電機公司的最上试验线作了现场试验，又于1999年起在台风多发地的冲绳宫古岛、古河电工公司与冲绳电力公司合建了宫古岛试验线，进行了多年的现场验证试验，测量数据包括风速、风向、导线张力、导线运动轨迹、阻力系数和最大风偏角等在内的多种参数。试验结果表明，新开发的低风压导线效果明显，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；风速40 m/s时的导线最大风偏角从50º降低到38º。

现场试验前，进行了低风压导线与配套金具的机械、电气性能试验以及滑轮通过试验，与住友公司的情况大致相同，情况良好，架线施工也与普通导线一样顺利进行，表明低风压导线在应用技术上不存在障碍。

3 工程应用

根据低风压导线风洞试验对直角风和斜风的阻力系数的测定结果，综合考虑了经济性和安全性后，确定了线路设计时采用的阻力系数，日本关西电力公司采用的阻力系数设计值如表3所示。

表3 线路设计用阻力系数Tab.3 Design resistance coefficient for transmission lines

多年来，古河低风压导线已经有了一定的应用业绩。2006年，在澳大利亚Western Power电力公司的330 kV输电线路，使用了古河电工公司生产的型号为DR-HAL的820 mm2的低风压导线83 km。2009年，日本关西电力公司的275 kV输电线路使用了古河公司的型号为DR-ACSR/AC的410 mm2的低风压导线43.3 km。正在建设中的日本关西电力公司的154 kV输电线路，使用了古河公司的型号为DR-ACSR/AC的240 mm2的低风压导线38 km。即将建设的日本四国电力公司的154 kV输电线路，将使用古河公司的型号为DR-ACSR/AC的680 mm2的低风压导线46.8 km。

4 结语

（1）在相同导线直径的情况下，相对于传统的ACSR，低风压导线是架空输电线路用的一种特种导线，具有更小的风阻力系数的导线。

（2）研究结果表明，为减小处于流体中的圆柱体或标准导线的阻力，必须减小其阻力系数，也就是设法使其处在超临界状态。导线的阻力系数与导线的表面形状或表面的“粗糙度”有较大的关系。低风压导线的表面具有一定的粗糙度，因此比传统的钢芯铝绞线或表面光滑导线的风阻力系数更小。寻求最佳表面形状即最佳粗糙度的导线表面是开发低风压导线的关键和难点。

（3）与传统的钢芯铝绞线相比，相同直径的型线导线（外层铝线为扇形、梯形或Z（S）型等）的表面较为光滑，表面粗糙度较小，因此风阻力系数较大。只有在相同截面积的情况下，由于型线导线与传统的钢芯铝绞线相比，具有较小的外径，因此风阻力相对较小。一般来说，型线导线受到的风压较小，是指上述后一种情况、即在相同截面积的情况下而言。因此，不能笼统地说型线导线的风阻力小。

（4）开发低风压导线时，要注意避免产生电晕和无线电干扰的副作用，力求得到一种具有最佳表面粗糙度的外层结构型式。

（5）低风压导线的应用对优化线路结构、节能降耗和降低造价具有较大的意义，技术经济和社会效益明显，符合低碳经济的理念。在我国，低风压导线的研究和应用尚未开始，随着输电线路建设的飞速发展，低风压导线将得到业界更多的关注。

[1]潘文全.工程流体力学[M].北京：清华大学出版社，1988：170-178.

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[3]尤传永.架空输电线路增容导线的应用研究[J].电力设备，2006，7（10）：1-7.

[4]日本电气协同研究会.送电用新型导线电气协同研究[J].电气协同研究，1988，43（3）：6-9.

[5]尤传永.输电线路低噪声导线的开发研究[J].电力建设，2005，26（9）：1-5.

[6]菊池直志，松崎豐.架空送電用低風压型電缐ffl開発[J].古河電工時報，第109号，2002（1）：51-56.