高压输电线路与铁路交叉断线冲击暂态过程.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 29 日 作者简介：孙继星（1984），男，汉族，北京交通大学副教授，主要从事电气化铁路与电力线路交叉跨越安全防护技术的研究工作。-100-高压输电线路与铁路交叉断线冲击暂态过程 孙继星1 杨加生2 王 鑫2 穆 清3 丛显成4 1.北京交通大学，北京 100044 2.中国铁路建设管理有限公司，北京 100038 3.中国铁路设计集团有限公司，天津 310053 4.京津冀城际铁路投资有限公司，河北 廊坊 065001 摘要：摘要：我国高压输电线路与铁路快速建设过程不可避免的出现交叉跨越的情况，为保证电力线路及铁路运行安全，文章针对该问题研究，建立了柔性导线结构断线模型，得到了高压输电线路与铁路交叉跨越断线冲击暂态过程，获得了电力线路挂线点高度及交叉角度对断线冲击力与冲击应力的影响。研究结果表明，导线或地线的挂线高度越高，电力线路与铁路线路交叉角度越小，断线冲击暂态力幅值越大。结合算例得到 35kV 及 110kV 电力线路与京张铁路交叉跨越断线冲击力暂态特性，研究结果为电气化铁路防护棚洞强度设计提供数据支持。关键词：关键词：输电走廊；电气化铁路；导线；最大断线力；防护棚洞 中图分类号：中图分类号：TM771 0 引言 高压输电线路与铁路快速建设过程不可避免的出现交叉跨越的情况1-5，为保证电力线路与铁路运行安全，需计算高压输电线路断线冲击暂态力6-8，明确防护棚洞承力特性9-11。针对电力系统导线断线情况，国内外学者展开一系列研究。浙江大学沈国辉等12-13采用有限元方法对输电线路断线过程开展研究，探讨断线暂态对输电系统塔线体系的动力冲击作用。曹丹京等14通过建立高压输电系统塔线体系三维有限元模型，研究了输电线断线对高压输电系统塔线体系的冲击作用。Mozer 等15对输电系统塔线体系进行模型试验，得到输电塔在输电线路断线情况下顺导线方向的静态及动态响应，并与理论分析相比较，预测出顺导线方向正常工作条件下的荷载和动力峰值冲击荷载关系。Faruq 等16通过编写程序计算一根或多根输电线突然断线对输电系统塔线体系的动力冲击响应。针对电力线路导线舞动情况，黎锋等17基于Recurdyn 柔性体仿真软件，研究了在最大风及最大覆冰条件下输电线断线之后的空间运动轨迹情况。李黎等18利用显式动力有限元方法研究了输电系统线路断线的振荡响应。McClure19-20，Kempner21等研究了支撑结构对导线断线的动力响应。北京航空航天大学胡晓楠等22基于有限元法，采用 ANSYS 软件建立柔性绳索显式动力学分析有限元模型，通过提取运动状态参数、计算空气阻力及施加分步载荷来模拟空气阻力作用，实现了柔性绳索在空气阻力下的断线动力学仿真计算。针对电力线路覆冰对舞动的影响情况，主要是建立有限元模型进行分析23-24。南方电网张志强等25利用ANSYS 软件搭建了输电杆塔非线性有限元模型和输电线-输电杆塔耦合模型，对不同覆冰厚度输电线发生断线后的动态特性和输电杆塔的应力变化进行仿真计算。李宏男等26-27研究获得输电线路覆冰时力学结构特性及脱冰影响因素。李正良等28-29研究了输电线路覆冰时发生舞动情况下的力学特性。蒋兴良等30-31对覆冰条件下输电线路的电气特性进行研究。上述研究揭示了导线的短线暂态过程，但直接针对导线断线与防护结构冲击特性的研究尚无公开报道，仍然需要深入开展研究。文章针对电力线路与电气化铁路交叉跨越断线冲击力问题，建立了柔性导线断线模型，获得了线路交叉角度、挂线点高度对断线冲击力影响过程，得到了断线影响范围。研究结果应用于新建京张铁路，为电力线路与铁路交叉段防护棚结构强度设计提供理论依据和数据支持。中国科技期刊数据库 工业 A-101-1 电力线路断线模型与计算条件 1.1 电力线路断线模型 考虑到电力线路导线钢芯铝绞结构，其单元变形能由轴心的拉伸和弯曲两部分构成：22001122llxxUEAdxEIdx (1)方程中：112Txxxxrr (2)12332TxxxxxxxxxTxxxrrrrrrrrr (3)断线过程广义弹性力由单元变形能对节点坐标求一阶导数得到7：2200001122eskllxxllxxxxEAdxEIdxEAdxEIdxQQQeeee(4)方程中：,12TTxxxxxxiiiTTxxx ixieeeeerrrrrrSr (5),132212,523Tx ixxxxx ixxxTiTxxxxxxxxxTTxxxxxxx ixTxxeSrrSrrrrrrrrrrrrSrrr (6)为提高方程的求解效率，同时考虑到电力导线与防护棚洞接触初期为刚性接触，需使用隐式积分方法对系统的动力学方程进行求解，计算弹性力对节点坐标求偏导得到的 Jacobi 矩阵可以表达为：2,00,0,0lls ixxxxxxxxjijijlTTx ixx jxlTxxx ix jEAdxEAdxeeee eEAdxEAdx QSrSrSS (7)弯曲部分表示为：2,00llk ijijijEIdxEIdxeeee e Q (8)钢芯铝绞结构单元的动力学方程为：eeeeextelaM eQQ&(9)其中，Qeext为单元的广义弹性力，Qeela为单元所受外力，包括广义重力、导线与防护棚洞的接触力以及附加外载荷，如风载荷等，该动力学方程为一组二阶常微分方程组。当导线发生滑动接触情况，电力导线与输电塔之间形成的约束关系需要使用非线性约束对其进行描述，推导得到的动力学方程为一组二阶微分-代数方程21-23：,0TeketMeQQCC e&(10)式中，C 为系统约束方程，Ce为约束方程对节点坐标求偏导得到的 Jacobi 矩阵，为拉格朗日乘子。为了进一步探究电力线路与防护棚洞的接触问题，先探究输电导线和地面的接触问题，导线与地面的接触深度可以表示为24：=00rh (11)进一步可以推导出嵌入速度的表达式如下：=r (12)其中，导线嵌入地面的深度向量；r在全局坐标系下导线位置；h导线初始位置与面的距离；导线嵌入地面时的速度；r导线在全局坐标系下运动速度。接触力可以按照切向和法向来考虑。获得嵌入深度以及嵌入速度之后，则接触力表达式为：0ctnQFF (13)法向力：3nFkc d (14)其中，Ft 切向接触力；Fn法向接触力；(3)导线嵌入地面竖直方向的位置分量；(3)导线嵌入地面时的竖直方向速度。进一步得到两作用力之间的关系：00000,nttnFFvvvvFF vv vv (15)结合方程求得导线和防护棚洞的接触力。为描述中国科技期刊数据库 工业 A-102-导线与防护棚接触时产生的力，需要定义接触点单位外法向量 n，以及接触点的单位切向量 t，其中：,0,1cpTcprnn ttr (16)进而得到：22221301313nntnnnn(17)综上，输电导线和防护棚接触力表达式25：cntQF nF t (18)当计算完成之后，参照方程 19 可得等效应力：32misesijijS S (19)其中，Sij偏应力分量。文章求解电路线路与防护棚洞碰撞方程参照 Newmark 法26。1.2 电力线路一般设计条件 影响电力线路断线与防护结构碰撞过程冲击力的因素，主要为导线材质与分裂数、挂线点高度、跨越段档距及交叉角度等，电力线路常用的导线不同电压等级，导线的类型有所差别，具体如下16-17：表 1 典型导线与地线的使用张力 35kV 导线 LGJ-150/25 最大使用张力（N）20560 地线 GJ-35 13660 110kV 导线 LGJ-240/30 26665 地线 JLBIA-95 29216 气象组合条件如表 2 所示，当环境温度为-5C，最大风速 29m/s 时，覆冰厚度 10mm。表 2 设计气象条件 参数 条件 气温（C）风速（m/s）覆冰（mm）基本风速-5 29 0 覆冰情况-5 10 10 1.3 断线工况分析 参考国家电网公司GB50545-2019 110kV750 kV架空输电线路设计规范29-31中的要求，对单回路和双回路杆塔，同一档内，单导线任意两相导线、地线未断；同一档内断任一根地线、单导线断任一相导线断线的情况需要考虑-5、风载荷等气象条件。2 断线仿真模型及冲击特性分析 2.1 断线仿真模型分析 根据断线计算方程与计算条件，借助仿真软件开展建模分析计算，在防护棚洞之上建立跨越电力线路。断线模型如图 1 所示。图 1 断线仿真模型 输电线路断线落线冲击力的主要影响因素包括导线材质与分裂数、挂线点高度、跨越段档距及交叉角度。对于导线断线情况，取一个档距内（500m）的情况进行分析，当一端杆塔位置为导线的固定端约束，导线出现拉断力时，将会出现断线的情况，仿真计算导线断落情况如图 2 所示。LA 图 2 断线与防护棚洞的碰撞位置及碰撞面积 2.2 断线过程及影响因素 采用典型 35kV 及 110kV 导线断线进行分析，35kV LGJ-150/25 导线重量 0.6kg/米，110kV LGJ-240/30导线重量 0.922kg/米，考虑档距 200m 米，铁路与电力线路交叉角度 1590。电力线路与铁路交叉角度不同时，除需要考虑沿导线方向的滑动接触，还需按方程(14)考虑垂直导线方向的力，文中按模值计算。交叉角度不同时，断线与防护棚洞碰撞面积增加，碰撞力增大，如图 3 所示。当挂线点高度为 80m，档距为 500m，弧垂高度 30米，断线与防护棚洞碰撞力受交叉角度影响情况如图 4中国科技期刊数据库 工业 A-103-所示，碰撞力随交叉角度增加而减小，当导线与防护棚洞正交叉 90时，碰撞力幅值最小。图 3 挂线点高度与冲击力关系 图 4 导线交叉角度与冲击力关系 3 算例分析与应用 3.1 算例分析 京张城际铁路在 DK31+713 处与原西回二/西回一线 110kV 双回电力线路发生交叉跨越，靠近铁路的杆塔为 67#杆塔，跨越铁路线的杆塔 35kV 侧为 66#杆塔，110kV 侧为 68#杆塔。66#杆塔与 67#杆塔线路走向与铁路线走向之间的夹角 65.5，67#与 68#杆塔线路走向与铁路线走向之间的夹角 49，67#杆塔架设角度与铁路线走向的夹角为 12，如图 5 所示。3.2 京张铁路断线冲击过程分析 针对京张铁路西安路交叉，建立断线模型，并计算了各个导线断线后与护棚的碰撞过程中的碰撞力变化过程，碰撞后标记为 0 初始时刻，地线与防护结构碰撞后的碰撞力如图 8 所示。经计算，地线断线后与防护棚洞最大碰撞应力1.8MPa，碰撞力约 13000N。A 相(110kV 最高位置)导线断线后与防护棚洞最大碰撞应力 1.71MPa，碰撞力约12600N，如图 9 所示。铁路线铁路线6767#6868#6666#225225m m122122m m2302306565.5 54949.5 512122424m m北北 图 5 电气化铁路与电力线路交叉 2121.2222m m2222m m6767#6868#图 6 67#杆塔与 68#杆塔导线示意图 1717.3131m m1313.65656767#6666#图 7 67#杆塔与 66#杆塔导线示意图 图 8 地线断线与护棚的碰撞变化 中国科技期刊数据库 工业 A-104-碰撞力碰撞力(N)时间时间(t)图 9 110kVA 相断线与护棚的碰撞变化 B相(110kV中间相)导线断线后与防护棚洞最大碰撞应力 1.47MPa，碰撞力约 9900N，如图 10 所示。碰撞力碰撞力(N)时间时间(t)图 10 110kVB 相断线与护棚的碰撞变化 到 C 相(110kV 最下相)导线断线后与防护棚洞最大碰撞应力 1.40MPa，碰撞力约 9500N，如图 11 所示。碰撞力碰撞力(N)时间时间(t)图 11 110kVB 相断线与护棚的碰撞变化 对于另外一侧导线，A2 相(35kV 北上侧相)导线断线后与防护棚洞最大碰撞应力 1.27MPa，碰撞力约8000N。B2 相(35kV 最南上)导线断线后与防护棚洞最大碰撞应力 1.30MPa，碰撞力约 8400N。C2 相(35kV 北下相)导线断线后与防护棚洞最大碰撞应力 1.18MPa，碰撞力约 7500N。分别如图 12 所示。对京张高铁定泗桥高压线路跨越的断线冲击力进行计算，计算过程中所用的导线编号如图 15 所示，南侧分别为地线，110kV 的 A、B、C 相及 35kV 的 B 相，北侧分别为地线，110kVA1、B1、C1 及 35kV 的 A、C相。图 12 35kVA2 相断线与护棚的碰撞变化 图 13 35kVB2 相断线与护棚的碰撞变化 图 14 35kVC2 相断线与护棚的碰撞变化 a)导线断线与防护棚洞碰撞应力 b)导线断线与防护棚洞碰撞力 图 15 各导线与护棚之间的碰撞应力与碰撞力比较 碰撞力碰撞力(N)时间时间(t)碰撞力碰撞力(N)时间时间(t)碰撞力碰撞力(N)时间时间(t)中国科技期刊数据库 工业 A-105-比较得到地线、110kV 线路的 A、B、C 导线及 35kV侧的 A、B、C 导线断线后与护棚之间的碰撞冲击应力及冲击力，地线断线后冲击应力较大，幅值约为1.82MPa，冲击力规律与之相同，地线与 110kV 导线断线后与护棚之间的冲击力较大，碰撞力约为 13000N。随着导线的高度的升高，导线与护棚之间的碰撞应力及碰撞力也随之增加，导线断线影响的范围也随之增大。4 京张铁路防护结构应用 京张铁路与原西回二/西回一线110kV双回电力线路在北京市昌平区定福黄庄段发生交叉跨越，原线路为内燃机车线路，如图 16 所示。新线路扩建后为电气化铁路复线。图 16 京张既有线路原线 图 17 承力尺寸的设计 结合模型计算及承力分析，获得电力线路 110kV侧自然断线时影响范围约为 48m，35kV 侧约为 38m，断线最大碰撞应力约为 l.8MPa，最大碰撞力 13000N。参考计算结果设计的防护棚垂直于线路方向柱距 20.25m跨度，如图 17 所示。框梁尺寸为 400mmx1200mm，顺线方向柱距 5m，框柱尺寸为 600mmx800mm，板厚 120mm，以防止电力线路断线对电气化铁路的影响。当前防护结构已经完成，并于 2019 年投入使用，助力冬季奥运会，防护结构现状如图 17 所示。图 18 京张铁路防护结构运行现状 5 结论 文章针对高压输电线路与铁路交叉跨越断线冲击暂态过程开展研究。建立了柔性导线断线模型，获得了挂线点高度、电力线路与铁路的交叉角度对断线影响范围的影响规律，研究成果在京张铁路与电力线路交叉跨越防护工程中获得应用。得到具体结论如下：1）电力线路导线钢芯铝绞线结构按柔性体建模需要考虑拉伸和弯曲过程，断线过程受到广义弹性力及外力作用，采用 Newmark 法可完成断线过程的冲击力及冲击应力的求解。2）电力线路断线与防护棚洞冲击力随着挂线点高度的增加而增大，随线路交叉角度增加儿减小，考虑到电压等级升高，导线分裂数增加及线重，断线碰撞力随电压等级升高而增大。3）获得京张高铁与 110kV 双回线路交叉情况导线断线冲击力及冲击应力，地线与 110kV 导线断线后与护棚之间的冲击力较大，碰撞力约为 13kN，研究结论应用于京张铁路，同时为电力线路防护棚洞强度设计提供数据支持。参考文献 1杨志伟.1000kV 枣菏线 14 标段跨越施工安全风险管理研究D.山东:山东大学,2021.2刘泊涛.新建铁路穿越特高压输电线走廊增设防护棚洞方案探讨J.电气化铁道,2019,30(4):72-76.3程晨.复杂环境下高压线路跨越铁路施工技术J.建筑技术开发,2021,48(10):33-34.4吴晓锋,张楷,赵贞欣,李志强.输电线路及电气化铁路新型伞形桩基础应用研究J.电气化铁道,2021,32(04):91-94.5Bentes J L,Menezes R C R D,Riera J D.Dynamic response of guyed towers in transmission lines submitted 中国科技期刊数据库 工业 A-106-to broken conductorsC.Proceedings of the 9th International Conference on Structural Dynamics,EURODYN 2014,Porto,Portugal:European Association for Structural 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