輸電線斷線對(duì)鐵路防護(hù)網(wǎng)的沖擊作用

李強(qiáng)

摘要：隨著人們的生活質(zhì)量在不斷提高，對(duì)于電力的需求在不斷加大，橫跨鐵路的架空輸電線路在施工過(guò)程中出現(xiàn)輸電線斷裂事故時(shí)，跨越軌道防護(hù)裝備攔截下落的輸電線斷線，防止其墜落在鐵路線路上造成運(yùn)行安全事故?；诖?，文中使用ABAQUS軟件對(duì)輸電線斷線沖擊防護(hù)網(wǎng)的全過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果表明，存在某一斷線位置，輸電線斷線在沖擊防護(hù)網(wǎng)的過(guò)程中，其端部略超出水平位置防護(hù)網(wǎng)最外側(cè)迪尼瑪繩，可穿過(guò)水平位置和豎直位置防護(hù)網(wǎng)之間的空當(dāng)，此工況下防護(hù)網(wǎng)所受沖擊作用最大，防護(hù)網(wǎng)應(yīng)力也最大且滿足強(qiáng)度要求，跨越軌道防護(hù)裝備成功攔截下落的輸電線斷線，對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)起到了安全防護(hù)作用。

關(guān)鍵詞：鐵路運(yùn)輸;安全防護(hù);輸電線斷線;防護(hù)網(wǎng);沖擊作用

引言

在電力系統(tǒng)方面，在交流特高壓同塔雙回輸電線路中，當(dāng)一個(gè)回路停電檢修時(shí)，運(yùn)行回路對(duì)檢修回路和地線存在感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流的影響.?如果高壓輸電線路下方存在平行油氣管道，靜電感應(yīng)和電磁耦合產(chǎn)生的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流會(huì)加速管道的腐蝕.?也有學(xué)者對(duì)交流和直流輸電線共用走廊的電磁感應(yīng)進(jìn)行了研究，在鐵路供電方面也存在交流電氣化鐵路對(duì)直流地鐵供電線路的電磁干擾影響.

1電氣化鐵路對(duì)電力系統(tǒng)的影響

鐵路干線實(shí)現(xiàn)電氣化后，供電系統(tǒng)一般采用交流電源，電力列車(chē)一般作為功率較大的單相負(fù)載，其系統(tǒng)中，除存在50Hz基波外，同時(shí)包含其他的諧波成分，在實(shí)際運(yùn)行中即使是負(fù)序分量也有各種諧波成分。而且電力機(jī)車(chē)這種負(fù)載具有一定的波動(dòng)性，并會(huì)沿著鐵路線路分布，因此，對(duì)于大電網(wǎng)，現(xiàn)代化后的電氣化鐵路干線是具有不平衡性的隨機(jī)干擾，當(dāng)電力機(jī)車(chē)通過(guò)時(shí)，會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)造成一定的沖擊，當(dāng)電力機(jī)車(chē)通過(guò)后，干擾消失，系統(tǒng)恢復(fù)正常。除此之外，由于大部分電氣化鐵路采用單相供電方式或者兩相供電方式，這會(huì)造成電力系統(tǒng)三相負(fù)荷不平衡，給電網(wǎng)帶來(lái)負(fù)序電流和負(fù)序電壓。

2輸電線斷線對(duì)鐵路防護(hù)網(wǎng)的沖擊作用

2.1高鐵橋面與輸電線路模型

根據(jù)水平排列與同塔雙回輸電線路的平行與交叉情況，構(gòu)建計(jì)算模型。與實(shí)際情況相結(jié)合，對(duì)電路與導(dǎo)線相交的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，保障輸電線路下相導(dǎo)線與地面間的距離為30m，高鐵橋面與地面間的距離為15m。當(dāng)輸電電路與高鐵平行分布時(shí)，桿塔邊緣與高鐵中心的水平距離為30m;當(dāng)線路與高鐵橋面以交叉、跨越的形式分布時(shí)，應(yīng)對(duì)輸電線路進(jìn)行架空設(shè)計(jì)，并且根據(jù)相關(guān)規(guī)范對(duì)其與地面間的距離進(jìn)行設(shè)置。在單回水平輸電線路中，將與高鐵相導(dǎo)線之間距離最近的一點(diǎn)設(shè)置為A相，將距離最遠(yuǎn)的一點(diǎn)設(shè)置為C相;在同塔雙回線路中，采用逆相序分布的方式，與高鐵間距離最近的導(dǎo)線為A相，上導(dǎo)線為C相。在對(duì)場(chǎng)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，選擇距離橋面之上1.5m距離之處，將橋面中心作為坐標(biāo)原點(diǎn)，在[-6m，6m]的范圍內(nèi)設(shè)置觀測(cè)線，基本覆蓋;在輸電線路與高鐵平行的情況下，只需采用一條觀測(cè)線即可;對(duì)于電路與高鐵交叉的情況，需要采用多條觀測(cè)線，且每條觀測(cè)線之間的距離應(yīng)在5m左右。

2.2有限元模型約束、載荷及接觸設(shè)置

在輸電線兩端和3張防護(hù)網(wǎng)兩側(cè)分別與橫梁、主塔及副塔相連的網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)處約束3個(gè)方向的平動(dòng)自由度，在模擬地面的剛性面添加參考點(diǎn)并施加完全固定約束。在整個(gè)仿真計(jì)算過(guò)程中，輸電線斷線在自身重力作用下掉落;故對(duì)輸電線有限元模型施加重力加速度g作為載荷，其中g(shù)取9.81m/s2。輸電線斷線與防護(hù)網(wǎng)及輸電線斷線與地面之間的接觸屬性，在法向行為上通過(guò)硬接觸模擬，在切向行為上通過(guò)庫(kù)侖摩擦模型模擬，采用罰函數(shù)方法計(jì)算。假定輸電線斷線與地面接觸后動(dòng)能被完全吸收，兩者接觸部分不再分開(kāi)。輸電線斷線與防護(hù)網(wǎng)之間的摩擦系數(shù)為0.12，輸電線斷線與地面之間的摩擦系數(shù)按照輸電線在沙土中移動(dòng)的摩擦系數(shù)取值為1.5。

2.3電力電纜接地方式選擇

為降低感應(yīng)電流對(duì)電力電纜的損耗以及避免牽引網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)電力電纜感應(yīng)電流對(duì)維修人員構(gòu)成威脅，將電纜金屬護(hù)層接地方式設(shè)為雙端接地、單端接地和中間接地3種方式，對(duì)比其感應(yīng)電流大小.?在牽引網(wǎng)短路狀態(tài)下，沿電纜方向分為50個(gè)小段，每小段作為一個(gè)電纜采樣點(diǎn)讀取3種接地方式的金屬護(hù)層感應(yīng)電流數(shù)據(jù)，電力電纜單端接地時(shí)，感應(yīng)電流從接地端到另一端由大到小分布，這是由于接地端地中電流更易侵入金屬護(hù)層;電力電纜中點(diǎn)接地時(shí)，感應(yīng)電流呈中間高兩端低的趨勢(shì)，中點(diǎn)由于接地使地中電流流入電纜部分較多，中點(diǎn)以左部分牽引網(wǎng)連接牽引變電所取流大，導(dǎo)致電纜感應(yīng)電流中點(diǎn)出現(xiàn)拐點(diǎn).?因此，中點(diǎn)接地和單端接地能較好地降低電力電纜感應(yīng)電流，電力電纜感應(yīng)電流從小到大的接地方式依次為中點(diǎn)接地、單端接地和雙端接地.

2.4電氣化鐵路中輸電線路保護(hù)設(shè)置

1）繼電保護(hù)啟動(dòng)部分。目前，為了削弱電力機(jī)車(chē)帶來(lái)的沖擊電流對(duì)系統(tǒng)繼電保護(hù)的影響，啟動(dòng)裝置一般選擇基于暫態(tài)量和基于穩(wěn)態(tài)量?jī)煞N原理相互補(bǔ)充的模式，這樣既能縮短保護(hù)的啟動(dòng)時(shí)間，同時(shí)提高保護(hù)的可靠性：2）零序電流保護(hù)部分。這種保護(hù)一般分為四段，實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)的配合，能準(zhǔn)確的反應(yīng)輸電線路上的非對(duì)稱性故障，保護(hù)的配合及定值，調(diào)試員可以根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)進(jìn)行整定設(shè)置;3）距離保護(hù)部分。這種保護(hù)一般裝設(shè)三段，不同型號(hào)的保護(hù)，動(dòng)作采用的判據(jù)有所差別。例如，CSL161A型號(hào)保護(hù)一般選用多邊形動(dòng)作特性作為其判據(jù)，不同保護(hù)的定值可以單獨(dú)進(jìn)行設(shè)置，在時(shí)間和定值上實(shí)現(xiàn)各段的配合：4）TV斷線和保護(hù)閉鎖部分。當(dāng)電力系統(tǒng)輸電線路發(fā)生復(fù)合故障時(shí)，為了確保繼電保護(hù)裝置仍能在最短時(shí)間內(nèi)切除故障，電氣化鐵路中加裝了突發(fā)事故保護(hù)。例如，ISA-311GRCS-941D和CSL161A繼電保護(hù)裝置在電壓互感器發(fā)生斷線時(shí)，在裝置收到斷線信息時(shí)，會(huì)自動(dòng)地將距離保護(hù)從電力系統(tǒng)中停投，同時(shí)將電壓互感器斷線過(guò)電流保護(hù)投入運(yùn)行，零序過(guò)流保護(hù)也會(huì)被閉鎖。

2.5雷擊位置對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響

（1）當(dāng)雷擊點(diǎn)與鐵路之間的相對(duì)位置發(fā)生改變時(shí)，正饋線、綜合地線的電位差與分布也將隨之發(fā)生改變;（2）在幅值方面，當(dāng)雷擊點(diǎn)處于坐標(biāo)0或者-2000m的位置時(shí)，正饋線中峰值的變化較小;當(dāng)雷擊點(diǎn)與AT正面相對(duì)時(shí)，正饋線的峰值有所降低，這將意味著AT等效電容模型能夠?qū)﹄妷哼M(jìn)行抑制;（3）雷擊點(diǎn)位置的變化對(duì)綜合的線峰值幾乎不產(chǎn)生影響;同時(shí)正饋線與接觸網(wǎng)受此方面的影響也不大，相比來(lái)看，雷擊點(diǎn)與AT之間的越遠(yuǎn)，則計(jì)算結(jié)果也就隨之增大;（4）AT能夠在一定程度上抑制雷電過(guò)電壓，但是效果不甚顯著。

結(jié)語(yǔ)

1）橫跨鐵路的架空輸電線路在施工過(guò)程中發(fā)生斷線事故，導(dǎo)致輸電線斷線沖擊防護(hù)網(wǎng)時(shí)，防護(hù)網(wǎng)滿足強(qiáng)度要求，跨越軌道防護(hù)裝備成功地?cái)r截下落的輸電線斷線，對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)起到了安全防護(hù)作用。2）輸電線斷線位置不同，導(dǎo)致防護(hù)網(wǎng)所受沖擊作用不同。存在某一斷線位置，輸電線斷線在沖擊防護(hù)網(wǎng)的過(guò)程中，其端部略超出水平位置防護(hù)網(wǎng)最外側(cè)迪尼瑪繩，可穿過(guò)水平位置和豎直位置防護(hù)網(wǎng)之間的空當(dāng)。此工況下輸電線斷線對(duì)防護(hù)網(wǎng)的沖擊作用最大，防護(hù)網(wǎng)應(yīng)力也最大。3）由于架空輸電線路多種多樣，在輸電線短線沖擊防護(hù)網(wǎng)的仿真計(jì)算過(guò)程中進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，未考慮風(fēng)載、多根輸電線同時(shí)斷裂等因素，后續(xù)還需進(jìn)一步分析上述因素對(duì)輸電線斷線沖擊防護(hù)網(wǎng)的影響。

參考文獻(xiàn)：

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