抗电力线路倒塔入侵高速铁路防护方法研究.pdf

收稿日期:20230130基金项目:国家自然科学基金项目(51907003);中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划课题(N2021G010)。作者简介:孙继星(1984),男,2014 年毕业于西南交通大学电力系统及其自动化专业,工学博士,副教授,E-mail:sanyou345 。文章编号:16727479(2023)04001308抗电力线路倒塔入侵高速铁路防护方法研究孙继星1 江忠贵2 杨加生2 郭明杰3 胡凯旋1 郑 力2 丛显成4 穆 清5(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.中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055;4.京津冀城际铁路投资有限公司,河北廊坊 065001;5.中国铁路设计集团有限公司,天津 300308)摘 要:电气化铁路建设过程中不可避免与电力线路发生交叉,输电线路杆塔在极端气候环境的影响下,会出现倒塔入侵铁路的情况,威胁铁路运行安全。针对该问题开展研究,建立高等级输电线路杆塔受力模型,获得不平衡力作用下杆塔的应力应变特性,结合倒塔与刚性防护棚洞的冲击力分析,计算防护棚洞的设计强度。研究表明,电力线路地线断线并出现不平衡力时,塔头发生明显变形,当侧导线两相断线后,杆塔重心位置变形最大,碰撞应力随断线数量的增加而增大,最大碰撞力接近 900 kN,碰撞时间约 0.6 s,结合研究完成了一种抗 35 kV 电力线路倒塔入侵铁路的防护结构的设计并获得应用,可为电力线路防护棚洞强度设计提供数据支持。关键词:高速铁路;电气化铁路;输电走廊;杆塔;最大断线力;防护棚洞中图分类号:U238;U455.43 文献标识码:ADOI:10.19630/ki.tdkc.202301300002开放科学(资源服务)标识码(OSID):Research on High-speed Railway Protection Method for the Invasion of the Collapse Tower of Crossed Electricity LinesSUN Jixing1 JIANG Zhonggui2 YANG Jiasheng2 GUO Mingjie3HU Kaixuan1 ZHENG Li2 CONG Xiancheng4 MU Qing5(1.Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China;2.China Railway Construction Management Co.,Ltd.,Beijing 100038,China;3.China Railway Engineering Consulting Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China;4.Beijing-Tianjin-Hebei Inter-City Railway Investment Co.,Ltd.,Langfang 065001,China;5.China Railway Design Corporation,Tianjin 300308,China)Abstract:Electrified railways are inevitable crossing with transmission line of electricity power system,and the tower may collapse and invade the railway under extreme climate which threaten the safety.To solve this problem,a tower model with unbalanced force of transmission line was established,and stress and strain characteristics of tower were calculated.The impact of the collapse tower on the protective structure was analyzed and the design strength of the protective casing hole was proposed.The research results show that,when ground wires breaks and unbalanced force occurs,there is obvious deformation on the top of the tower.When there are two phases line broken on the one side of the tower,the deformation appears at the center of gravity position.The maximum impact stress increases with the increase of the number of broken lines,the maximum impact force is nearly 900 kN,and the collision time is close to 0.6 s.A defense structure designed for the tower collapse and invasion of railway with 35kV power line is proposed and could provide support data to the design of electric power line protection shed hole.31抗电力线路倒塔入侵高速铁路防护方法研究:孙继星 江忠贵 杨加生等Key words:high-speed railway;electrified railway;electric corridor;tower;maximum breaking force;protection casing hole 高速铁路列车速度快,安全要求高,在建设过程中不可避免会与电力线路交叉,当跨越点不满足电力线路的“耐-耐、耐-直-耐、耐-直-直-耐”设计时,存在一定的安全隐患1。遇到极端天气时,电力线路还会出现杆塔入侵铁路的情况,如 2010 年 3 月,河北石家庄地区大风导致电力铁塔倾倒,侵入京广铁路定州至清风店间铁路线路(见图 1),造成部分列车晚点。研究及调查表明,恶劣的气候条件,如覆冰、冻雨、大风等都是引发杆塔弹塑性失稳,引发倒塔的关键因素。然而,目前对于杆塔倒塔与防护结构碰撞过程方面尚无公开报道。图 1 电力线路倒塔入侵铁路线路现场情况针对杆塔倒塔形成原因及形成过程,相关学者开展了广泛的研究。胡晓光等对 330 kV 输电线路倒塔事故进行静力和动力计算,综合考虑设计标准、塔型、大风、微地形等多重因素,认为事故段的局部地形对风荷载有放大效应,各种不利情况叠加造成杆塔结构超载受损2;杨趣贤对 1969 年至 1983 年发生的 19 起倒杆塔事故进行分析,得出杆塔的薄弱环节在腿部或拉线点附近3;张鑫对湖南电网 500 kV 民鹤线倒塔事故进行分析,认为主要问题是杆塔出现覆冰,应适当增加耐张塔数量,缩短耐张段距离4。不难看出,极端天气下更容易引发输电线路倒塔、断线等事故5。朱云祥等对 2020 年“黑格比”台风中的倒塔的海岛大跨越塔线体系进行研究,发现台风的风速远超过杆塔的设计值,同时也存在杆件损伤和螺栓松动等因素6;沈康对风载荷作用下输电杆塔连接节点承载性能进行研究,发现杆塔螺栓松动对与其连接的主材、斜材和节点板等构件的应力会有显著改变,从而影响输电塔结构稳定性7;欧阳克俭等对 220 kV 输电塔路拉门倒塌事故进行分析,认为主柱基础设计缺陷、拉线松弛和螺栓松动认为是倒塔的原因8;江巳彦等对广东沿海输电线路台风倒塔事故进行分析,得出在风力入射角不同杆塔所承受的风载荷也会因塔位的不同而存在较大差别9;刘有飞等对线路覆冰导致杆塔倒塔的原因进行了分析,得出线路覆冰 100 mm 对 1 km LGJ-400/35 导线带来的张力为未覆冰时线路的 14.89 倍,明显超过了杆塔的设计值10;沈伟分析了微地形微气象对送电杆塔的影响,提出应对杆塔的选型进行考量11。针对不平衡力作用下的杆塔受力模型,刘纯等应用 ANSYS 建立单元模型,计算出 500 kV 铁塔随导线覆冰厚度变化的极限承载力12;白海峰在对输电塔线体系环境荷载致振响应研究中,针对输电塔线体系各组成部分的结构,提出了杆塔、绝缘子、输电线及边界条件的有限元建模原则与方法,确定了输电塔线体系振动响应时域分析的参数及过程方法13。胡江华分析输电铁塔的风荷受载力,提出考虑风中裹挟物的输电铁塔力学模型,并针对不同形态内容物对铁塔的作用力形式,给出了相应的力学表达式14;王亮在对输电塔结构风致倒塔分析时,采用杆系结构模拟杆件,带有预应力的四节点模拟输电线,带预应力的杆单元模拟绝缘子,简化双线性恢复力模型模拟输电塔杆件的材料非线性,建立输电塔有限元模型15;刘磊对覆冰状态下的输电塔体系进行研究,考虑到输电线路几何非线性对大变形的力学特性影响,依据杆塔、塔线体系结构荷载计算公式,结合 ANSYS 仿真软件完成了输电线路空间模型各种荷载的施加及连接位置的约束,杆塔、塔线体系受到的覆冰荷载、风荷载通过理论公式计算和在线监测两种方式获得,并进行仿真分析16;刘文峰等以韶关地区 110 kV 输电线路为对象,建立输电塔线体系的有限元模型,针对覆冰不均匀状态,共模拟了 24 种仿真工况来探究杆塔对外界荷载的响应,分析发生不均匀覆冰时,杆塔两侧的导线张力以及轴向应力等变化17。不难看出,输电塔体系的杆塔不平衡受力模型一般基于有限元建模方法18-24。针对抗冲击的防护结构设计,刘泊涛针对新建电气化铁路三电迁改工程复杂、费用高、协调难度大、影响铁路运输安全等问题,提出在输电线路走廊下方增设防护棚洞方案,为新建电气化铁路电力迁改模式提供了新思路25。跨越铁路是集电线路施工中的常见问题,在地形复杂、严寒恶劣天气条件下跨越电气化铁路,应进行精确的现场勘测工作,计算分析施工期间所有可能的情况,提前做好充足的防护措施26。吴晓锋41铁 道 勘 察2023 年第 4 期对输电线路及电气化铁路新型伞形桩基础进行了研究,认为目前输电线路及电气化铁路使用的杆塔基础主要考虑受压,而输电线路及电气化铁路线路杆塔基础还应考虑水平和竖直方向受力,并设计了伞形桩基础应对此类问题27。沈国辉对突然断线时输电塔线体系的冲击作用进行研究,得出导线断线将产生 2 个极大的冲击作用,一个是导线断裂瞬间的冲击,另一个是跌落的导线与地面碰撞瞬间产生的冲击,并且计算了此时断线的张力28-29;针对断线问题,黎锋等对接触网上跨输电线断线运动轨迹进行研究,对于最大风速条件下,输电线断线后,跨越高差 14 m 时最大横向漂移位移超过 30 m;对于最大覆冰条件下,输电线断线后,跨越高差14 m 时最大横向漂移位移不到3 m;基于 RECURDYN 的动力学仿真,为接触网故障仿真提供了新的有效技术手段;该研究结论可用于确定接触网上跨输电线防护结构纵向长度30;张志强等考虑10 kV 线路在不同覆冰厚度下发生单相断线故障可能引发的次生事故,讨论了不同加固措施的作用效果,结果表明通过增加埋深可以显著增加基础倾覆力矩设计值,从而提高基础抗倾覆稳定性31;MOZER 对某型号输电线路系统进行断线试验,发现断线后对杆塔的应力明显增大,会加剧螺栓等部件的松动情况32;SIDDIQUI等对输电系统断线情况进行分析,认为应加强线路的抗覆冰抗风振等特性33;杨文刚等针对特高压单柱拉线塔的静力稳定性问题,建立拉线的分析模型,定义并推导出拉线的等效弹性模量以及拉线临界初应力的公式34。韩斌对一起110 kV 输电线路倒塔进行事故原因分析,得出极端的冰雪、大风天气,导线上的覆冰发生不均匀脱落,三相导线随之脱冰跳跃、舞动,大挡距对杆塔造成极大的不平衡张力,最终造成杆塔弯折倒塔事故,并提出了应急处理措施,增设拉线并将塔型改为耐张塔35;潘明东以十堰至白河高速公路跨襄渝铁路立交桥工程为例,提出滑移式防护棚架的施工技术36。以下针对电力线路与铁路线路交叉情况防护结构强度问题开展研究,建立高等级输电线路杆塔受力模型,获得了不平衡力作用下杆塔的应力应变特性,提出了杆塔的倒塔类型,结合倒塔与刚性防护棚洞的冲击力分析,提出了防护棚洞的设计强度,完成了京张高铁定福黄庄段下穿电力线路防倒塔入侵铁路的防护结构的设计并获得应用。1 电力线路杆塔受力入侵分析1.1 断线力作用下的脉动力分析当杆塔受到不平衡力作用时,杆塔存在小变形的弹性变形过程,输电塔结构有限元基本方程可由弹性力学中物理、几何和平衡方程推导得出,即Mx+Cx+Kx=R(1)式中,K、C 和 M 分别为输电塔体系整体刚度矩阵、阻尼矩阵和质量矩阵;R 为外荷载向量;x、x、x 分别为节点的位移、速度、加速度向量。对动力问题,在t+t 时刻有Mt+txk+Ct+txk+Kt+txk=Rt+t(2)由上式联立方程可解得位移 kx,即可得到构件内部各点位移。结构的频率和振型是结构特有的属性,在对结构进行动力特性分析时,需对结构进行模态分析。由于结构阻尼对固有频率影响有限,可忽略阻尼对计算结果的影响,则结构的无阻尼自由振动方程为Mx+Kx=0(3)假定振动是由不同频率的简谐振动组合而成,则其解的形式为(K-2M)x=0(4)式(4)若有非零解,则其系数行列式等于零,故可得到结构的无阻尼自由振动方程。在此情况杆塔受到导线拉力的作用,为非全部的倒塔碰撞过程,如图2 所示。图 2 杆塔在不平衡力条件下的破坏过程1.2 倒塔入侵铁路分析整个倒塔过程中,通常考虑杆塔在自身在受到恒定的外力作用下的自由倒塌过程,考虑冲量守恒与能量守恒,铁路保护棚考虑为与大地牢固连接的刚体,当铁塔撞击铁路保护棚时,铁塔与保护棚发生碰撞,铁塔的所有能量都释放在与保护棚接触时的作用点上,如图 3 所示。设其他杆塔对主杆塔的作用力为 F,且该力为恒力始终平行于地面。设杆塔高度为 L,质量为 m,杆塔与铁路保护棚接触时的角度为,冲击时间为 t,杆塔距铁路保护棚边缘距离为 l0,铁路保护棚半径为 R。在倒塔过程,考虑杆塔承受重力及未断线拉力,恒力作用距离为51抗电力线路倒塔入侵高速铁路防护方法研究:孙继星 江忠贵 杨加生等图 3 杆塔与护棚位置关系示意l=(R+l0)2-R2(5)由机械能守恒,可得mg 12L+Flsin=mg 12Lcos+12J2(6)由于碰撞时间极短,故可以将碰撞时的力矩视为恒力矩,则=mgL+2FlsinmgLcos(7)M=Jt(8)2 不平衡张力条件下电力杆塔倒塔过程2.1 倒塔仿真模型根据理论分析,借助 ANSYS 仿真软件建立杆塔倾倒模型。杆塔材质选用钢结构,如图 4 所示,护棚材料选用钢筋混凝土材料。图 4 500 kV 杆塔梁结构2.2 地线断线条件杆塔变形特征按上 述 模 型 计 算 前,根 据 GB 505452010110 kV750 kV 架空输电线路设计规范中的要求,对杆塔所受线张力情况组合分析线路断线后杆塔偏移、受力及倾倒的情况,计算工况参照规范,考虑单导线断任意一相导线,单导线任意断两相导线的情况。2.3 单导线断线方式下的杆塔变形根据上述分析,确定断线受力参数,当导线张力增加至 137.02 kN,地线张力增加至 90.62 kN,2 根同方向地线断线时,杆塔明显出现变形,如图 5、图 6 所示。图 5 同方向地线断线情况图 6 同方向地线断线细部情况此时,得到断线后杆塔变形情况(如图 7 所示),最大变形在最顶端塔头,总变形为 0.16 m。受到的最大剪切应力为 56.546 kN。图 7 杆塔断线后剪切力计算结果在最高点导线附近产生的作用力为109.27 kN,该力小于导线断线破坏力(137.02 kN),不会出现连续断线的情况。2.4 杆塔与防护棚洞碰撞力特性当杆塔单侧断线增加,杆塔倒塔后与钢护棚洞碰撞,考虑式(7)、式(8)及钢结构材料特性,得到杆塔与防护棚洞的碰撞模型(如图 8 所示)。杆塔受力变形后应力应变如图 9 所示。同时得到杆塔与防护棚洞碰撞过程的暂态冲击力,如图 10 所示。为了对比碰撞对结构的影响,将碰撞开始至碰撞61铁 道 勘 察2023 年第 4 期图 8 杆塔与防护棚洞碰撞模型图 9 杆塔碰撞后变形图 10 碰撞力暂态过程力幅值降低到幅值 1/2 的时间定义为半幅值时间,该时间内防护棚洞承受破坏程度最高。考虑到杆塔与防护棚洞的距离,获得碰撞点在杆塔上的高度(断杆高度)与碰撞时间的关系,如图 11 所示。当杆塔高度为 65 m 时,断杆超过 30 m 时,高度越高,半峰值时间越短。同时碰撞力幅值随着断杆高度增加而减小,如图 12 所示。3 算例分析与应用3.1 算例分析京张高铁在 DK31+713 处与原西回二线/西回一线 110 kV 双回电力线路发生交叉跨越,如图 13 所示,电力线路现状不满足国家电网有限公司十八项电网重大反事故措施铁路技术管理规程要求,迁改工图 11 断杆高度与冲击时间关系图 12 断杆碰撞力与断杆高度之间的关系程牵涉中关村生命科技园区规划、棚户区拆迁、规划建设的定泗路等,改造前无明确方案,为保障京张高铁顺利建成通车,决定采用防护棚方案。原京张铁路为非电气化铁路,铁路线距离杆塔 27 m,不满足铁路技术管理规程(高速铁路部分)第 189 条:“电力线路的杆内缘至线路中心的水平距离不小于杆高加 3 100 mm”的规定,需要增加铁路施工与运行安全防护结构。图 13 京张高铁与电力线路交叉现场杆塔高度 45 m,杆塔质量 55 t,根部断裂时,碰撞高度为 26 m,电力线路与铁路线路交叉情况如图14 所示。3.2 京张高铁应用现状结合文中模型计算获得杆塔倒塔后与防护棚洞碰撞,碰撞云图、碰撞应力及碰撞力变化过程如图 15图17 所示。71抗电力线路倒塔入侵高速铁路防护方法研究:孙继星 江忠贵 杨加生等图 14 京张高铁与电力线路交叉情况图 15 杆塔与防护棚洞碰撞后的应力分布图 16 塔与防护棚洞碰撞应力变化曲线图 17 杆塔与防护棚洞碰撞力(按接触面 0.3 m2)杆塔与护棚碰撞后,0.5 s 时间内,出现最大冲击应力值(可达 4.8107N/m2),考虑杆塔与护棚的接触面积(区别于具体角钢接触面积,文中按整体接触面积计算),扁钢宽度 0.05 m,接触长度 5 m,接触面积0.025 m2,则得到杆塔与护棚之间的碰撞力约为1.20103kN。考虑作用于纵向主梁的冲击力水平分力 1 100 kN,竖向分力为 600 kN。作用于纵向主梁的冲击应力最大应力为 48 MPa,校核后的防护棚洞受力如图 18 所示。图 18 校核后的防护棚洞受力由图 18 可知,梁柱混凝土强度等级提高至 C40,且框柱截面增加为 700 mm800 mm,此时最大应力小于混凝土轴心抗压强度设计值,并考虑在梁角部设置角钢。由于倒塔会冲击到侧面墙体,侧面砌体墙需改为混凝土墙,京张高铁定福黄庄段防护棚洞设计修建现状如图 19 所示。图 19 京张高铁定福黄庄段防护棚洞运行现状4 结论针对电力线路与铁路线路交叉情况防护结构强度问题开展研究,建立了杆塔受力模型,获得不平衡力作用下杆塔的应力应变特性,结合倒塔与刚性防护棚洞的冲击力分析,提出了防护棚洞的设计强度,完成了京张高铁定福黄庄段下穿电力线路防倒塔入侵铁路的防护结构的设计并获得应用,研究得出以下结论。(1)输电线路单侧导线张力与地线张力增加至断线力时,杆塔明显出现变形,断线后杆塔初始最大变形在最顶端塔头,当断线力逐渐增加,杆塔变形位置下移。(2)当杆塔高度一定时,碰撞时间随杆塔碰撞高度增加有先增大后减小的趋势,杆塔中部存在最大碰81铁 道 勘 察2023 年第 4 期撞时间位置,碰撞力幅值随着断杆高度增加减小。(3)结合模型分析,计算了典型 35 kV 杆塔倒塔对防护结构的冲击力,作用于纵向主梁的冲击力水平分力为 1 100 kN,竖向分力为 600 kN。作用于纵向主梁的冲击应力最大应力为 48 MPa,结合该研究设计防护棚洞,目前运行状况良好。参考文献1 杨志伟.1 000 kV 枣菏线 14 标段跨越施工安全风险管理研究D.济南:山东大学,2021.YANG Zhiwei.Study on Safety Risk Management of Crossing Construction of Bid Section 14 of 1000kV Zaohe LineD.Jinan:Shandong University,2021.2 胡晓光,崔智婕,李清华,等.330 kV 输电线路倒塔事故分析J.工业建筑,2016,46(8):50-55.HU Xiaoguang,CUI Zhijie,LI Qinghua,et al.Analysis of Collapse of A 330 Kilovolt Transmission Line TowerJ.Industrial Construction,2016,46(8):50-55.3 杨趣贤.高压线路大风倒塔的调查分析J.电力技术,1984,17(7):13-17.YANG Quxian.Investigation and Analysis of Tower Collapse in High Voltage Line Due to Strong WindJ.Electric Power,1984,17(7):13-17.4 张鑫.湖南电网 500 kV 民鹤 I 线铁塔倒塔事故分析J.电网技术,2008,32(S1):159-161.ZHANG Xin.Fault Analysis on Collapse of Transmission Towers of Minhe Line No.1 in 500 kV Hunan Power Networks J.Power System Technology,2008,32(S1):159-161.5 王增平,相禹维,王彤.台风暴雨灾害下的 110 kV 线路倒塔与断线事故评估方法J.电力系统自动化,2022,46(3):59-66.WANG Zengping,XIANG Yuwei,WANG Tong.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System 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