当输电线跨越铁路时，需架设多高，才能不被高铁卷起的劲风损伤？
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
华中科技大学中欧清洁与可再生能源学院、华中科技大学电气与电子工程学院的研究人员张玉婵、何正浩，在2019年第5期《电气技术》杂志上撰文（标题为“基于Fluent分析交叉跨越输电线路流场分布”）指出，高速铁路凭借便捷及舒适度优势，近年建设规模飞速发展。针对跨越高铁接触网的输电线路交叉点进行大量观测，当高铁驶过时，该点线路会发生由气流波动引起的振动现象，加剧疲劳损伤，导致机械特性降低，造成掉线事故。
研究振动现象及危害，需先研究列车风对交叉线路流场分布的影响，但国内外尚无相关的研究。本文采用创新性思维，基于Fluent有限元分析软件，对跨接触网的线路交叉点周围流速场分布进行数值模拟，处理分析后发现线路周围列车风风速方向处于交替变化状态，预测列车风会加剧线路疲劳损伤，建议跨越高铁线路要有不小于9m的对地距离。
随着生活节奏的加快，社会对出行工具的要求不断增加，因此高速铁路的建设在国内外快速发展。为迎合市场需求，现有研究集中关注如何改善电力机车动力、提高列车车速，缺乏对高速列车周围的流场研究。同时随着铁路建设规模的扩大，交叉跨越接触网的输电线路供电稳定性亟待解决。而国内外尚无针对列车风对交叉线路振动的影响研究，线路设计时也未考虑由此类振动诱发的疲劳损伤及安全性降低的问题。
在有关列车风的中外文相关文献中，很多学者用有限元分析软件软件ANSYS的Fluent模块建立二、三维模型并进行流速场理论研究和分析。比如对列车邻线结构的研究，包括附近人体和建筑物、高铁客站、列车会车等；对列车跨线结构的研究集中在跨线天桥方面。
雷波等人采用三维不可压缩势流模型和面元法，研究了列车高速通过跨线天桥时作用在其表面的气动压力，用Fluent软件分析了跨线天桥压力分布的基本特征。杨亦军等人以日本静冈车站跨线桥为例，采用有限元分析的思维，研究了跨线天桥的列车风致结构动力特性，确定了调谐质量阻尼器（tuned mass damper, TMD）阻尼的减振作用。
张帅等人采用保留脉动成分的大涡摸拟（large eddy simulation, LES）和平均风压的雷诺时均（Reynolds average navier-stockes, RANS）湍流模型分别进行数值计算，并利用Fluent软件对跨线天桥结构的脉动风场进行数值模拟，探讨风压时程中脉动风压在空间的分布规律及脉动风能里所占的比例。交叉跨高铁越接触网的输电线路，可以参考跨线天桥结构进行研究。
在有关高铁接触网的相关文献中，由于实验条件制约等客观原因的存在，建立高速接触网模型，仿真分析是研究力学性能的重要手段。接触网动力学建模的方法主要有：有限差分法、有限单元法、模态叠加法。
刘志刚等人总结了接触网初始平衡态求解的发展历程和现状，为精确分析弓网动态响应提供了依据。Carnicero等人采用非线性有限元方法建立了接触网模型，并针对弓网耦合的移动网格算法。Ikeda等人通过建立接触网的非线性模型，并提出了弓网的检测与振动控制方案。
Alberto和Benet分别开发了弓网二维和三维非线性仿真平台。王圣昆总结了接触网风振的研究现状，并设计了风振在线检测的设备。Stickland等人通过实验获取了接触线的气动系数，并由此计算得到接触线受风的邓哈托系数。
Pombo等人采用Von Karman形式的风功谱分别模拟得到横向脉动风场和纵向脉动风场，根据气动系数计算脉动风对接触网的作用力并采用多体动力学方法分析了脉动风对弓网受流质量的影响。对于交叉跨越高铁的输电线路风振问题，可以参考接触网风振进行研究。
图1 高铁模型及计算域尺寸
图2 模型网格划分
本文针对线路运维现场观测到的振动现象，建立高铁模型并在有限元分析软件Fluent中进行流场仿真，通过对测点（1,…,6）的风速v(t)曲线、x轴方向风速vu(t)曲线和y轴方向风速vv(t)曲线进行模拟数据输出和分析，可预测线路周围的风场分布。为防止线路振动提供理论依据。主要结论有：
1）动车组以300km/h的速度穿过跨越输电线路时，对对地距离小于12m的线路周围的空气流场有扰动影响，以7～10m最为显著且波峰速度可达15～20m/s。
2）高速列车通过时，流场中跨越导线附近的风速方向处于交替变化状态，这将使其受力产生很大波动，并对抗疲劳性能产生不利影响。
3）在进行跨越高铁输电线路及杆塔设计时，需要考虑列车风的存在性和特殊性，建议线路在跨越区域的对地距离不小于9m。