接触网上跨输电线断线冲击载荷研究

黎锋，罗明，宦荣华

（1. 中铁电气化勘测设计研究院有限公司，天津 300250；2. 拟优（上海）软件科技有限公司，上海 201601；3. 浙江大学 航空航天学院，浙江 杭州 310027）

接触网上跨输电线断线冲击载荷研究

黎锋1，罗明2，宦荣华3

（1. 中铁电气化勘测设计研究院有限公司，天津 300250；2. 拟优（上海）软件科技有限公司，上海 201601；3. 浙江大学 航空航天学院，浙江 杭州 310027）

通过多体系统动力学仿真软件RecurDyn，建立覆冰输电线和接触网防护结构的柔性多体系统动力学模型，分析覆冰输电线断线后对接触网防护结构及其地面的冲击载荷。研究接触刚度、接触阻尼、摩擦系数等仿真参数对冲击载荷的影响规律。研究表明，由于输电线变形及与防护结构间的摩擦，冲击载荷主要集中在沿输电线的水平方向。研究结果可用于防护结构的强度设计，研究不同接触参数对冲击载荷的影响规律，为防护结构材料和外形选择提供理论依据。

接触网；上跨输电线；断线；冲击载荷；柔性多体系统；动力学仿真软件

0 引言

频繁出现的冻雨、冰灾、雪灾等恶劣天气，可能造成接触网上跨输电线掉线、断线、倒塔等故障，直接导致接触网设备故障，给铁路运输尤其是高速铁路带来极大安全隐患，严重影响列车运行秩序。因此，针对输电线路跨越区域接触网的防护设计开展研究。上跨输电线，尤其是覆冰上跨输电线，断线后对下方接触网防护结构产生巨大的冲击力。为了设计有效的接触网防护结构，研究覆冰输电线断线后对防护结构的冲击载荷，对接触网防护结构的强度及稳定性分析具有重要的意义。然而覆冰输电线对接触网防护结构的冲击载荷分析，必须考虑上跨输电线的断线位置、跨越高差、冲击速度、变形，以及输电线与接触网防护结构间的摩擦等多种因素，这是非常复杂并且困难的动力学问题。目前，国内外对输电线断线动力响应问题已有了一些研究[1-2]，然而绝大部分研究是针对断线对输电线或线塔体系的影响[3-4]，对输电线断线对下方接触网的影响涉及极少。

针对接触网上跨输电线防护设计问题，基于新一代多体系统动力学仿真软件RecurDyn，仿真研究了大风和覆冰等典型工况下接触网上跨输电线断线运动轨迹[5]，并据此设计了接触网防护结构初步方案，确定纵向（沿铁路方向）长度。而后进一步研究覆冰工况下上跨输电线断线后对接触网防护结构的最大冲击载荷，以及接触刚度、接触阻尼、摩擦系数等参数对冲击载荷的影响，为接触网上跨输电线断线防护结构设计提供了有力的理论依据。其研究方法也为接触网故障仿真提供了新的、有效的技术手段。

1 仿真模型

柔性多体系统动力学是近几十年发展起来的一门新兴学科，由多刚体系统动力学、连续介质力学、结构动力学、计算力学、计算方法，以及计算机技术等学科构成的一门交叉性、边缘性学科，是国际公认的研究热点和难点，也是最活跃的领域之一[6-7]。目前，随着柔性多体动力学的快速发展，相继出现了ADAMS、Simpack、RecurDyn等应用成熟的商业化软件。RecurDyn是新一代柔性多体系统动力学软件，可处理传统多体动力学所涉及的线性和小变形问题，也可处理常见的非线性及大变形，以及刚柔耦合接触碰撞问题，目前已广泛应用于科研及工程设计、复杂系统动力学及运动学分析、零部件刚强度及疲劳寿命分析，以及控制系统设计等[8]。

通过RecurDyn建立覆冰输电线和接触网防护结构的柔性多体系统动力学模型，分析覆冰输电线断线后对接触网防护结构及其地面的冲击载荷。模型中将输电线杆塔和接触网防护结构视为刚体，对输电线采用梁单元进行模拟。上跨输电线对防护结构和地面的冲击作用采用接触碰撞处理，在上跨输电线与防护结构和地面之间分别建立接触，采用刚柔线-面接触表征。同时，在仿真中还考虑了环境温度对输电线张力的影响。假定上跨输电线在跨中垂直跨越接触网，跨越高差14 m，跨中、3/4跨、悬挂点处断线，研究覆冰情况下上跨输电线断线后对接触网防护结构的冲 击载荷。

接触网防护结构初步方案采用钢结构骨架加檩条。接触网防护结构示意见图1。防护结构横向（沿输电线方向）宽20 m，纵向（沿铁路方向）设置4跨，每跨6 m，高12 m。

图1 接触网防护结构示意图

2 仿真分析

2.1 仿真参数

上跨输电线杆塔参数见表1，导线机电性能参数见表2。

表1 上跨输电线杆塔参数

表2 上跨输电线导线机电性能参数

根据历年实测数据，上跨输电线最大覆冰厚度为30 mm。仿真模型中上跨输电线与接触网防护结构间的接触参数见表3，上跨输电线与地面间的接触参数见表4。

表3 上跨输电线与接触网防护结构间的接触参数

表4 上跨输电线与地面间的接触参数

2.2 最大冲击载荷

上跨输电线对接触网防护结构的冲击情形比较复杂，冲击过程中输电线与防护结构多点接触，其相互作用为分布力系。其接触点处的摩擦系数与相对速度关系见图2。输电线对防护结构的冲击（包括冲击力和力矩）采用此分布力系在防护结构质心处的合力（力矩）表示。模型坐标定义为X方向为横向（沿输电线方向），Y方向为垂向（重力方向），Z方向为纵向（沿铁路方向）。防护结构的质心位置约为（100，9.483，0）m。

上跨输电线对防护结构最大总冲击力98.6 kN，总冲击力矩392.9 kN·m。上跨输电线对防护结构冲击力的时程曲线见图3。图3（a）为冲击力合力的时程曲线，可见在输电线与防护结构接触瞬间，冲击力最大达到98.6 kN；图3（b）为垂向冲击力的时程曲线，垂向冲击力主要是由于输电线下落与防护结构的垂向碰撞，输电线垂向分量较小，最大约25.2 kN；图3（c）为横向冲击力的时程曲线，横向冲击力主要是由于输电线的变形及与防护结构间的摩擦，引起输电线张力变化而导致的水平冲击，最大约95.3 kN；图3（d）为纵向冲击力的时程曲线，最大约4.43 kN，可以忽略。输电线断线后，横向冲击载荷最大，垂向冲击载荷次之，纵向冲击载荷最小可以忽略。

图2 接触点处摩擦系数与相对速度关系示意图

冲击力对防护结构执行的冲击力矩的时程曲线见图4。从图4可知冲击力矩沿垂向和纵向的分量较大。

2.3 不同参数对冲击的影响

图3 上跨输电线对防护结构冲击力的时程曲线

图4 冲击力对防护结构执行的冲击力矩的时程曲线

针对接触刚度、接触阻尼、摩擦系数等参数对输电线与防护结构间冲击载荷的影响规律进行仿真研究。

不同接触刚度对冲击载荷的影响见图5。从图5可以看出，接触刚度为350 N/mm时，总冲击力最大值为94.1 kN，总冲击力矩最大值为369.9 kN·m；接触刚度为500 N/mm时，最大冲击力达到98.6 kN，最大冲击力矩为392.8 kN·m。随着接触网刚度的增加，冲击载荷有一定增加，但趋势不是非常明显，即接触刚度对冲击载荷的影响不大。

图5 不同接触刚度对冲击载荷的影响

不同接触阻尼对冲击载荷的影响见图6。从图6可以看出，阻尼系数为0.5时，总冲击力最大值为98.6 kN，总冲击力矩最大值为392.8 kN·m；阻尼系数为0.6时，总冲击力最大值为80.1 kN，总冲击力矩最大值为266.9 kN·m；阻尼系数为0.7时，总冲击力最大值为89.6 kN，总冲击力矩最大值为334.4 kN·m；阻尼系数为0.8时，总冲击力最大值为101.1 kN，总冲击力矩最大值为379.4 kN·m。从图6可知接触阻尼对冲击载荷的影响较大，随着接触阻尼的增加冲击力先减小后增大。

图6 不同接触阻尼对冲击载荷的影响

不同摩擦系数对冲击载荷的影响见图7。从图7可以看出，摩擦系数为0.2时，总冲击力最大值为89.9 kN，总冲击力矩最大值为323.6 kN·m；摩擦系数为0.3时，总冲击力最大值为98.6 kN，总冲击力矩最大值为392.8 kN·m；摩擦系数为0.4时，总冲击力最大值为72.2 kN，总冲击力矩最大值为312.7 kN·m；摩擦系数为0.5时，总冲击力最大值为72.2 kN，总冲击力矩最大值为292.9 kN·m。从图7可知摩擦系数对冲击的影响较大，且随着摩擦系数的增加冲击力先增大后减小。

2.4 仿真结果

（1）上跨输电线断线对接触网防护结构的冲击载荷横向最大可达到98.6 kN，垂向次之，纵向最小。

（2）接触刚度对冲击载荷的影响不大。

（3）接触阻尼对冲击载荷的影响较大，随着接触阻尼的增加，冲击力先减小后增大。

图7 不同摩擦系数对冲击载荷的影响

（4）摩擦系数对冲击载荷的影响较大，随着摩擦系数的增加，冲击力先增大后减小。

3 结束语

针对接触网上跨输电线路防护结构设计，分析上跨输电线断线后对防护结构的冲击载荷。研究表明，在输电线一端断开，另一端固定时，由于输电线的变形及与防护结构间的摩擦，使输电线冲击瞬间产生较大张力，沿输电线方向对防护结构产生较大的冲击载荷。研究结果可用于防护结构的强度设计，研究不同接触参数对冲击载荷的影响规律，为防护结构材料和外形选择提供理论依据；仿真方法为接触网故障仿真提供了新的、有效的技术手段。

[1] TB 10621—2014 高速铁路设计规范[S]．

[2] 沈国辉，孙炳楠，叶尹，等. 高压输电塔的断线分析和短线张力计算[J]. 浙江大学学报：工学版，2011(45)：678-683.

[3] MCCLURE G，LAPOINTE M. Modeling the structural dynamic response of overhead transmission lines[J]. Computer and Structures，2003(81)：825-834.

[4] 曹丹京，田利，马瑞升. 输电线断线对高压输电塔-线体系的冲击作用分析[J]. 防灾减灾工程学报，2014(34)：365-369.

[5] 黎锋，罗明，宦荣华. 接触网上跨输电线断线运动轨迹研究[J]. 铁道工程学报，2016，33(9)：93-98.

[6] 刘铸永, 洪嘉振. 柔性多体系统动力学研究现状与展望[J]. 计算力学学报, 2008，25(4)：411-416.

[7] 黄文虎，曹登庆，韩增尧. 航天器动力学与控制的研究进展与展望[J]. 力学进展，2012，42(4)：367-394.

[8] 王江文. 受电弓非线性动力学建模方法及应用研究[D].成都：西南交通大学，2016.

责任编辑 卢敏

A Study on Impact Load from Broken Power Transmission Line over OCS System

LI Feng1，LUO Ming2，HUAN Ronghua3
（1. China Railway Electrif cation Survey，Design & Research Institute Co Ltd，Tianjin 300250，China；2. Sim-Opt，Shanghai 201601，China；3. School of Aeronautics and Astronautics，Zhejiang University，Hangzhou Zhejiang 310027，China）

By RecurDyn, a multi-body dynamic simulation software, a f exible and multi-body dynamic model involving ice coating power transmission line and OCS protective structure is established to analyze the impact load generated to the OCS protective structure and the ground in case of broken ice coating power transmission line. The effects and rules of impact loads from simulation parameters, e.g. contact rigidity, contact damp, friction coeff cient are studied, which show that the impact loads mainly distribute in horizontal direction along the power transmission line due to deformation of transmission line and the friction between the line and the protective structure. The results can be used for the strength design of protective structure and for the study of rules of impact loads from different contact parameters to provide theoretical foundation for material and shape selection of protective structures.

OCS；power transmission line over OCS system；broken line；impact load；f exible multi-body system；dynamic simulation software

U225

A

1001-683X（2017）03-0075-07

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.03.075

2016-09-02

黎锋（1978—），男，高级工程师。E-mail：lifeng2@tjedi.com.cn