孟遂民 申 威 唐 波

(三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

近年來，特高壓工程建設(shè)發(fā)展十分迅速，輸電線路之間的交叉跨越日益頻繁，在交叉跨越施工中如何保證施工安全是問題的重中之重[1].經(jīng)過多年的實踐與發(fā)展，無跨越架封網(wǎng)在跨越高壓超高壓帶電線路等施工中應(yīng)用得越來越廣泛[2].無跨越架架線施工技術(shù)通常采用局部封網(wǎng)，其典型結(jié)構(gòu)由承載索、絕緣網(wǎng)、絕緣網(wǎng)撐桿等部件組成.封網(wǎng)結(jié)構(gòu)主要用于預(yù)防張力牽引和緊線過程中牽引繩或?qū)Ь€斷裂后跌落造成的閃絡(luò)停電事故.由于這種突發(fā)故障對不停電跨越架線施工是最危險的工況，因此，研究封網(wǎng)受跌落導(dǎo)線沖擊過程中的垂直位移與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化十分必要.

跌落導(dǎo)線與封網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞的動力過程具有高度非線性，目前主要通過數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行研究.夏擁軍，胡院生，萬建成，等[3]建立封網(wǎng)有限元模型進(jìn)行動態(tài)沖擊仿真，將結(jié)果與靜力學(xué)結(jié)果進(jìn)行對比分析后，指出采用靜力學(xué)方法不能準(zhǔn)確地評估封網(wǎng)的安全性.陳保家，朱晨希，周幼輝，等[4]使用棒料等效斷線導(dǎo)線與跨越架封網(wǎng)碰撞，模擬計算了不同工況下承載索受沖擊的變化規(guī)律.胡院生[5]研究了導(dǎo)線對于封網(wǎng)桿的沖擊，指出動態(tài)沖擊載荷具有持續(xù)作用時間較短，沖擊過程呈瞬時性的特點.然而，以上研究采用集中載荷或沖擊系數(shù)的方法模擬導(dǎo)線對封網(wǎng)的沖擊，而對導(dǎo)線-封網(wǎng)跌落碰撞模擬尚未見諸報道.然而封網(wǎng)裝置受張力導(dǎo)線跌落沖擊時，其載荷分布、載荷類型、幾何拓?fù)涓淖兣c等效質(zhì)量塊或沖擊系數(shù)模擬導(dǎo)線截然不同.因此，如何通過已有研究成果對導(dǎo)線-封網(wǎng)碰撞進(jìn)行模擬，分析封網(wǎng)在導(dǎo)線沖擊過程中垂直位移與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的變化成為難點.

本文綜合隱式-顯式有限元仿真方法[6]，建立一套導(dǎo)線-封網(wǎng)從建模到碰撞的全過程仿真流程，并以某帶電跨越架線工程為例，再現(xiàn)導(dǎo)線跌落對封網(wǎng)裝置產(chǎn)生碰撞沖擊的全過程.實現(xiàn)了對封網(wǎng)裝置受跌落導(dǎo)線沖擊碰撞過程仿真，并對碰撞過程中封網(wǎng)的垂直位移與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化進(jìn)行了分析，可為封網(wǎng)結(jié)構(gòu)弱點分析、安全設(shè)計提供重要參考.

1 斷線事故及仿真難點

輸電線路架設(shè)施工導(dǎo)線被牽引過程中，導(dǎo)線經(jīng)過放線滑車時，放線滑車可能發(fā)生偏移，使導(dǎo)線或牽引繩受力過大斷裂，被牽導(dǎo)線跌落后對封網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，給被跨帶電線路帶來極大安全隱患(如圖1所示).因此，研究斷線事故對確?？缭郊芫€施工安全具有重要意義.

圖1 導(dǎo)線與封網(wǎng)結(jié)構(gòu)碰撞事故狀態(tài)圖

然而導(dǎo)線與封網(wǎng)的沖擊過程是非常復(fù)雜與困難的動力學(xué)問題.傳統(tǒng)方法通過集中載荷或沖擊系數(shù)模擬導(dǎo)線對封網(wǎng)的沖擊，而不考慮預(yù)應(yīng)力導(dǎo)線對整個結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響顯然是不準(zhǔn)確的.若充分考慮預(yù)應(yīng)力對結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的影響，則需要將導(dǎo)線與封網(wǎng)碰撞過程的數(shù)值仿真分為兩步進(jìn)行：第一步搭建施加預(yù)應(yīng)力的導(dǎo)線-封網(wǎng)模型；第二步預(yù)應(yīng)力導(dǎo)線沖擊封網(wǎng).傳統(tǒng)意義上這兩步需分別用到隱式分析與顯式分析，會使得這類問題變得無法解決.因此，為了解決這類多工步加載的復(fù)雜問題，需要綜合隱式與顯式求解器，即序列求解.

采用隱式-顯式序列求解法，先通過隱式求解器得到導(dǎo)線與封網(wǎng)裝置的預(yù)應(yīng)力，然后在顯示動力分析之前將其施加于結(jié)構(gòu)之上，最后通過顯式求解器對導(dǎo)線沖擊封網(wǎng)時的動力響應(yīng)進(jìn)行分析.通過隱式-顯式序列求解法，解決了單獨使用顯式或隱式無法解決的多工步加載的問題，使模擬與實際更加符合.

2 碰撞仿真原理與流程

2.1 碰撞仿真原理

導(dǎo)線與封網(wǎng)的碰撞過程中存在大變形、大位移等多維非線性問題.LS-DYNA 方程因其非耦合，且具有不需要進(jìn)行非線性剛度矩陣逆運(yùn)算的優(yōu)點，因此能夠有效解決高度非線性問題求解不收斂的問題[7-8].

進(jìn)行跌落導(dǎo)線沖擊作用下封網(wǎng)動力分析時，其動力方程可表示如下：

式中：M為封網(wǎng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣；C為封網(wǎng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的阻尼矩陣；K為封網(wǎng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的剛度矩陣；¨ut為加速度矩陣，˙ut為速度矩陣，u為位移矢量矩陣；Ft為導(dǎo)線沖擊引起的載荷向量.

將式中的加速度與速度通過位移表示，并使用中心差分替代微分，則可分別表示為：

將式(2)、(3)代入式(1)通過整理得：

由上述推算可知，使用中心差分法只需將初始條件代入，即可得t+Δt

時刻的瞬時封網(wǎng)結(jié)構(gòu)的各個位移量ut+Δt，再將ut+Δt代入物理與幾何方程中便可求得t+Δt時封網(wǎng)結(jié)構(gòu)各個單元的應(yīng)力與應(yīng)變[9-10].由此，可以得到封網(wǎng)結(jié)構(gòu)各個時刻的垂直位移量與對應(yīng)時刻的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度參數(shù).

2.2 仿真流程

采用ANSYS/LS-DYNA 軟件，運(yùn)用隱式-顯式聯(lián)合算法的導(dǎo)線與封網(wǎng)結(jié)構(gòu)碰撞仿真流程如圖2所示.

圖2 導(dǎo)線與封網(wǎng)結(jié)構(gòu)碰撞仿真流程

由圖2可知，由隱式分析實現(xiàn)導(dǎo)線與封網(wǎng)結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力的施加，通過APDL 編制程序?qū)㈦[式與顯式模型等效轉(zhuǎn)換后，顯式分析應(yīng)用LS-DYNA 技術(shù)，求解導(dǎo)線跌落沖擊封網(wǎng)過程的非線性問題，充分考慮了沖擊過程中的接觸與碰撞，進(jìn)而實現(xiàn)導(dǎo)線跌落沖擊封網(wǎng)的動力學(xué)仿真.

3 工程實例及參數(shù)設(shè)定

3.1 工程概況

某帶電跨越張力架線工程，檔距369m，高差4.3m；導(dǎo)線懸掛于封網(wǎng)上方，型號為LGJ-500/45，與封網(wǎng)承載索懸掛點高差2.2m；封網(wǎng)部分長70m，寬6m，左側(cè)距左懸掛點的水平距離260m.封網(wǎng)裝置下方帶電線路電壓等級500kV，該線路與新建線路交叉角為90°.架線采用一牽四放線，放線張力為104000N.

3.2 材料參數(shù)

選用規(guī)格為Ф16mm 迪尼瑪繩作為封網(wǎng)結(jié)構(gòu)的承載索，其單根應(yīng)力為40.52MPa，絕緣網(wǎng)撐桿則選用規(guī)格為Ф50mm 圓形環(huán)氧樹脂絕緣桿，絕緣網(wǎng)選取規(guī)格為Ф12mm 的高強(qiáng)度錦綸繩網(wǎng)，具體參數(shù)見表1.

表1 封網(wǎng)跨越結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.3 仿真關(guān)鍵參數(shù)

導(dǎo)線、承載索、絕緣網(wǎng)視為柔性結(jié)構(gòu)，選用LINK10單元.絕緣網(wǎng)撐桿能夠承受拉力和彎矩，使用BEAM4梁單元.撐桿與承載索鉸接[11-13].假設(shè)導(dǎo)線在跌落過程中不受風(fēng)荷載等環(huán)境因素影響，導(dǎo)線跌落于封網(wǎng)中央.導(dǎo)線跌落與封網(wǎng)結(jié)構(gòu)碰撞屬于大變形，為防止模擬仿真構(gòu)件間發(fā)生不真實穿透，選用

LS-DYNA 提供的罰函數(shù)法作為接觸算法，并設(shè)置接觸類型為自動單面 AG[14-15].

4 仿真結(jié)果與分析

為了分析出現(xiàn)斷線事故時封網(wǎng)結(jié)構(gòu)的位移與力學(xué)特性，采用上述方法，對LS-DYNA

動力有限元模型施加預(yù)應(yīng)力，對導(dǎo)線與封網(wǎng)的碰撞過程進(jìn)行仿真.根據(jù)有關(guān)參數(shù)搭建導(dǎo)線-封網(wǎng)有限元模型，如圖3所示.

圖3 導(dǎo)線-封網(wǎng)跨越結(jié)構(gòu)有限元模型

4.1 導(dǎo)線封網(wǎng)碰撞過程分析

導(dǎo)線-封網(wǎng)模型建立后進(jìn)行碰撞仿真，仿真以牽引繩斷線時刻作為起始點，計算時長10s，得到的不同時刻導(dǎo)線與封網(wǎng)碰撞的變形仿真結(jié)果如圖4所示.

圖4 導(dǎo)線與封網(wǎng)變形圖

由圖4(a)可知，t=0s時，在牽引張力和重力作用下導(dǎo)線出現(xiàn)一定形變位移，牽引繩斷線，導(dǎo)線開始下落.當(dāng)t=1.28s時，導(dǎo)線與封網(wǎng)結(jié)構(gòu)右側(cè)第一個絕緣網(wǎng)撐桿接觸(如圖4(b)所示)，沖擊碰撞開始.圖4(c)為導(dǎo)線跌落在封網(wǎng)結(jié)構(gòu)上，封網(wǎng)受到?jīng)_擊，承載索形變由最開始受到?jīng)_擊的最右側(cè)絕緣撐桿處向左傳播，導(dǎo)致封網(wǎng)各段繩索產(chǎn)生振動，跌落在封網(wǎng)外的導(dǎo)線以最右側(cè)的絕緣桿為節(jié)點，作錘擺運(yùn)動.圖4(d)為封網(wǎng)裝置上的絕緣網(wǎng)與絕緣撐桿繼續(xù)振動，絕緣撐桿1與撐桿8(如圖4(b)所示)均有較大形變.

4.2 垂直位移分析

承載索與封網(wǎng)結(jié)構(gòu)在承接跌落導(dǎo)線的過程中，需要始終保證與下方被跨帶電線路有足夠的安全距離.在實際工程中多以封網(wǎng)兩端跨越點(封網(wǎng)裝置末端和承載索的連接處)到被跨線路的垂直距離為準(zhǔn)，因此需要確定封網(wǎng)兩端跨越點在垂直(Y)方向的最大位移.為此選取封網(wǎng)結(jié)構(gòu)兩端作為跨越點的兩個節(jié)點965、627，以及絕緣網(wǎng)撐桿1和8中間位置的兩個節(jié)點1615、1604(如圖4(b)所示)進(jìn)行分析，其Y方向的位移時程曲線如圖5所示.

圖5 有關(guān)節(jié)點的位移時程曲線

由圖5可知，上述節(jié)點垂直方向均具有初始位移，其中1615號與965號節(jié)點，1604號與627號節(jié)點垂直位移趨勢相同，表明絕緣撐桿中間節(jié)點與其承載索連接處節(jié)點位移基本同步.但兩組節(jié)點運(yùn)動趨勢不同，靠近斷線點一側(cè)節(jié)點運(yùn)動呈一側(cè)先下降后上升，另一側(cè)先上升后下降，且絕緣撐桿中間節(jié)點位移大于其承載索連接處節(jié)點垂直位移.在t=2.76s時，1615號節(jié)點運(yùn)動至最低點，相對其初始位置向下垂直運(yùn)動了1.93m.在t=6.21s時，1604號節(jié)點達(dá)到最低點，相對其初始位置向下垂直運(yùn)動了2.65m.1604節(jié)點最大位移大于最先受到?jīng)_擊的1615節(jié)點.因此，封網(wǎng)裝置最先受到?jīng)_擊點的垂直方向上的最大位移不一定最大，考慮電氣距離時，應(yīng)以整個碰撞過程中封網(wǎng)兩端絕緣桿中間位置的最大垂直位移為準(zhǔn).

4.3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

絕緣網(wǎng)撐桿和承載索是封網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的主要受力部件，其中絕緣網(wǎng)撐桿用于支撐絕緣網(wǎng)，在封網(wǎng)結(jié)構(gòu)受到導(dǎo)線沖擊后仍能保證絕緣網(wǎng)張開足夠的保護(hù)面積來承接跌落導(dǎo)線.撐桿1最先受到斷線沖擊，其承受沖擊力最大，故選取撐桿1的跨中截面進(jìn)行分析，截面壓彎應(yīng)力時程曲線如圖6所示.

圖6 絕緣網(wǎng)撐桿1跨中截面壓彎應(yīng)力

由于碰撞過程中撐桿1受力狀態(tài)復(fù)雜，且存在較多的相互作用，截面壓彎應(yīng)力存在震蕩現(xiàn)象.觀察圖中曲線走勢，可以發(fā)現(xiàn)碰撞過程中撐桿1跨中截面壓彎應(yīng)力方向沒有改變，其承載機(jī)制反映出撐桿1一直是受壓桿件，承受壓彎應(yīng)力.此外，由圖6可知撐桿1跨中截面壓彎應(yīng)力在t=2.81s時達(dá)到最大，最大值為-123.1MPa.其最大壓彎應(yīng)力小于撐桿可承受的極限應(yīng)力，由此可知，封網(wǎng)結(jié)構(gòu)最右端絕緣網(wǎng)撐桿在導(dǎo)線與封網(wǎng)結(jié)構(gòu)碰撞過程中撐桿1不會被破壞.

導(dǎo)線跌落至封網(wǎng)結(jié)構(gòu)上時，承載索同樣承受著較大的沖擊荷載，因此承載索的安全也至關(guān)重要.為了確保承載索在該工況下不被破壞，就需要了解其主要單元所要承受的最大張力.

由于導(dǎo)線跌落于封網(wǎng)中央，所以兩承載索的沖擊情況相同，為此僅需要對一根承載索進(jìn)行分析，其選取的承載索單元具體位置如圖3所示.由表2可知，靠近斷線點一側(cè)承載索單元的最大張力大于另一側(cè)，靠近斷線點的封網(wǎng)裝置末端與承載索連接處的969號單元最大張力最大，最大值為33193.1N.

表2 承載索主要單元最大張力

依據(jù)本文相關(guān)參數(shù)，通過等效載荷與架空線狀態(tài)方程計算，分別得到事故狀態(tài)下?lián)螚U1截面壓彎應(yīng)力-119.4MPa，承載索張力32329N，其與仿真結(jié)果相比誤差均小于5%，誤差值在允許范圍內(nèi)，證明了仿真計算的可行性與有效性.

5 結(jié) 論

1)為了準(zhǔn)確分析斷線事故狀態(tài)下封網(wǎng)結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)，充分考慮導(dǎo)線與封網(wǎng)預(yù)應(yīng)力的影響，建立相應(yīng)數(shù)值仿真技術(shù)流程，通過隱式-顯式序列求解法，解決了結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力施加與碰撞的多步仿真問題.

2)實現(xiàn)了導(dǎo)線與封網(wǎng)碰撞的全過程模擬，分析了碰撞過程中封網(wǎng)結(jié)構(gòu)垂直位移變化與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，通過理論計算驗證仿真的可行性，可為后續(xù)封網(wǎng)結(jié)構(gòu)材料選擇、強(qiáng)度設(shè)計提供理論依據(jù).