输电线断线对铁路防护网的冲击作用

李强

摘要：随着人们的生活质量在不断提高，对于电力的需求在不断加大，横跨铁路的架空输电线路在施工过程中出现输电线断裂事故时，跨越轨道防护装备拦截下落的输电线断线，防止其坠落在铁路线路上造成运行安全事故。基于此，文中使用ABAQUS软件对输电线断线冲击防护网的全过程进行动态仿真计算分析。计算结果表明，存在某一断线位置，输电线断线在冲击防护网的过程中，其端部略超出水平位置防护网最外侧迪尼玛绳，可穿过水平位置和竖直位置防护网之间的空当，此工况下防护网所受冲击作用最大，防护网应力也最大且满足强度要求，跨越轨道防护装备成功拦截下落的输电线断线，对铁路运营起到了安全防护作用。

关键词：铁路运输;安全防护;输电线断线;防护网;冲击作用

引言

在电力系统方面，在交流特高压同塔双回输电线路中，当一个回路停电检修时，运行回路对检修回路和地线存在感应电压和感应电流的影响. 如果高压输电线路下方存在平行油气管道，静电感应和电磁耦合产生的感应电压和感应电流会加速管道的腐蚀. 也有学者对交流和直流输电线共用走廊的电磁感应进行了研究，在铁路供电方面也存在交流电气化铁路对直流地铁供电线路的电磁干扰影响.

1电气化铁路对电力系统的影响

铁路干线实现电气化后，供电系统一般采用交流电源，电力列车一般作为功率较大的单相负载，其系统中，除存在50Hz基波外，同时包含其他的谐波成分，在实际运行中即使是负序分量也有各种谐波成分。而且电力机车这种负载具有一定的波动性，并会沿着铁路线路分布，因此，对于大电网，现代化后的电气化铁路干线是具有不平衡性的随机干扰，当电力机车通过时，会对当地电网造成一定的冲击，当电力机车通过后，干扰消失，系统恢复正常。除此之外，由于大部分电气化铁路采用单相供电方式或者两相供电方式，这会造成电力系统三相负荷不平衡，给电网带来负序电流和负序电压。

2输电线断线对铁路防护网的冲击作用

2.1高铁桥面与输电线路模型

根据水平排列与同塔双回输电线路的平行与交叉情况，构建计算模型。与实际情况相结合，对电路与导线相交的各项参数进行设置，保障输电线路下相导线与地面间的距离为30m，高铁桥面与地面间的距离为15m。当输电电路与高铁平行分布时，杆塔边缘与高铁中心的水平距离为30m;当线路与高铁桥面以交叉、跨越的形式分布时，应对输电线路进行架空设计，并且根据相关规范对其与地面间的距离进行设置。在单回水平输电线路中，将与高铁相导线之间距离最近的一点设置为A相，将距离最远的一点设置为C相;在同塔双回线路中，采用逆相序分布的方式，与高铁间距离最近的导线为A相，上导线为C相。在对场点进行计算时，选择距离桥面之上1.5m距离之处，将桥面中心作为坐标原点，在[-6m，6m]的范围内设置观测线，基本覆盖;在输电线路与高铁平行的情况下，只需采用一条观测线即可;对于电路与高铁交叉的情况，需要采用多条观测线，且每条观测线之间的距离应在5m左右。

2.2有限元模型约束、载荷及接触设置

在输电线两端和3张防护网两侧分别与横梁、主塔及副塔相连的网格结点处约束3个方向的平动自由度，在模拟地面的刚性面添加参考点并施加完全固定约束。在整个仿真计算过程中，输电线断线在自身重力作用下掉落;故对输电线有限元模型施加重力加速度g作为载荷，其中g取9.81m/s2。输电线断线与防护网及输电线断线与地面之间的接触属性，在法向行为上通过硬接触模拟，在切向行为上通过库仑摩擦模型模拟，采用罚函数方法计算。假定输电线断线与地面接触后动能被完全吸收，两者接触部分不再分开。输电线断线与防护网之间的摩擦系数为0.12，输电线断线与地面之间的摩擦系数按照输电线在沙土中移动的摩擦系数取值为1.5。

2.3电力电缆接地方式选择

为降低感应电流对电力电缆的损耗以及避免牵引网发生短路故障时电力电缆感应电流对维修人员构成威胁，将电缆金属护层接地方式设为双端接地、单端接地和中间接地3种方式，对比其感应电流大小. 在牵引网短路状态下，沿电缆方向分为50个小段，每小段作为一个电缆采样点读取3种接地方式的金属护层感应电流数据，电力电缆单端接地时，感应电流从接地端到另一端由大到小分布，这是由于接地端地中电流更易侵入金属护层;电力电缆中点接地时，感应电流呈中间高两端低的趋势，中点由于接地使地中电流流入电缆部分较多，中点以左部分牵引网连接牵引变电所取流大，导致电缆感应电流中点出现拐点. 因此，中点接地和单端接地能较好地降低电力电缆感应电流，电力电缆感应电流从小到大的接地方式依次为中点接地、单端接地和双端接地.

2.4电气化铁路中输电线路保护设置

1）继电保护启动部分。目前，为了削弱电力机车带来的冲击电流对系统继电保护的影响，启动装置一般选择基于暂态量和基于稳态量两种原理相互补充的模式，这样既能缩短保护的启动时间，同时提高保护的可靠性：2）零序电流保护部分。这种保护一般分为四段，实现各种保护的配合，能准确的反应输电线路上的非对称性故障，保护的配合及定值，调试员可以根据实际的系统进行整定设置;3）距离保护部分。这种保护一般装设三段，不同型号的保护，动作采用的判据有所差别。例如，CSL161A型号保护一般选用多边形动作特性作为其判据，不同保护的定值可以单独进行设置，在时间和定值上实现各段的配合：4）TV断线和保护闭锁部分。当电力系统输电线路发生复合故障时，为了确保继电保护装置仍能在最短时间内切除故障，电气化铁路中加装了突发事故保护。例如，ISA-311GRCS-941D和CSL161A继电保护装置在电压互感器发生断线时，在装置收到断线信息时，会自动地将距离保护从电力系统中停投，同时将电压互感器断线过电流保护投入运行，零序过流保护也会被闭锁。

2.5雷击位置对计算结果的影响

（1）当雷击点与铁路之间的相对位置发生改变时，正馈线、综合地线的电位差与分布也将随之发生改变;（2）在幅值方面，当雷击点处于坐标0或者-2000m的位置时，正馈线中峰值的变化较小;当雷击点与AT正面相对时，正馈线的峰值有所降低，这将意味着AT等效电容模型能够对电压进行抑制;（3）雷击点位置的变化对综合的线峰值几乎不产生影响;同时正馈线与接触网受此方面的影响也不大，相比来看，雷击点与AT之间的越远，则计算结果也就随之增大;（4）AT能够在一定程度上抑制雷电过电压，但是效果不甚显著。

结语

1）横跨铁路的架空输电线路在施工过程中发生断线事故，导致输电线断线冲击防护网时，防护网满足强度要求，跨越轨道防护装备成功地拦截下落的输电线断线，对铁路运营起到了安全防护作用。2）输电线断线位置不同，导致防护网所受冲击作用不同。存在某一断线位置，输电线断线在冲击防护网的过程中，其端部略超出水平位置防护网最外侧迪尼玛绳，可穿过水平位置和竖直位置防护网之间的空当。此工况下输电线断线对防护网的冲击作用最大，防护网应力也最大。3）由于架空輸电线路多种多样，在输电线短线冲击防护网的仿真计算过程中进行了简化处理，未考虑风载、多根输电线同时断裂等因素，后续还需进一步分析上述因素对输电线断线冲击防护网的影响。

参考文献：

[1]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.

[2]夏朝国.跨越轨道防护装备安全性分析及局部结构优化[D].成都：西南交通大学，2019.