淺析接觸網覆冰現象的危害以及應對措施

甄 磊

0 引言

近年，電氣化鐵道作為高速及重載鐵路的主要牽引方式在國內得到了大力推廣，接觸網覆冰作為一項在大部分電氣化區(qū)段存在的問題逐漸突出。2008 年的南方雨雪災，2009 年10 月及2010 年2月發(fā)生在遼寧的凍雨極大地破壞了運輸秩序。這些災害無一不是由于接觸網覆冰造成的。本文對接觸網覆冰現象的成因危害以及克服的辦法進行淺議。

1 接觸網覆冰

1.1 覆冰的起因及類型

引起接觸網覆冰的主要因素是氣候。覆冰發(fā)生在凍雨或者雨夾雪的天氣之下。一般易出現覆冰的溫度為0℃～-5℃，空氣濕度較大，有風且毛毛雨。

主要影響天氣因素包括空氣溫度、空氣濕度、風速風向、過冷卻水滴大小等4 個方面。

覆冰的種類主要有5 種，包括雨淞、粒狀霧淞、晶狀霧淞、濕雪、混合淞。

其中危害最嚴重的是雨淞。一般由凍雨形成，透明玻璃體、與接觸線表面的附著力強，不易脫落。形成氣溫在0℃～-6℃之間，雨滴較小，呈毛毛細雨的情況下發(fā)生。

1.2 覆冰的危害

（1）對接觸網設備的影響。接觸線上面附著的冰殼會阻礙受電弓取流，產生較大的電弧，甚至燃弧。對接觸線形成嚴重的機械磨耗以及電弧燒傷。在錦州站觀測到約有1.0 m 高的藍色火焰以及明亮電弧，伴隨有四濺的火花（是電弧融化銅線濺出的金屬液滴）。2010 年2 月25 日的凍雨造成新民站的接觸線上形成約7～15 cm 的冰凌，電力機車通過時形成的電弧就有半米高，在該情況下檢修發(fā)現接觸線的磨耗加大，這一夜的磨耗幾乎是全線開通一年以來所有磨耗的數倍。而且分段絕緣器等設備上面的小型零配件，如菱形分段銅滑板上面的銷釘燒傷，開口銷甚至燒斷后掉落，給設備安全運行帶來極大的隱患。

（2）對電力機車的影響。由于受電弓碳滑板一般都帶ADD（自動降弓裝置），在電弧嚴重燒傷的情況下會自動降弓，可以起到一定的保護作用。覆冰會造成碳滑條燒斷裂或封裝樹脂變形開裂漏氣，造成電力機車不能使用。此外凍雨還會引發(fā)嚴重的弓網故障，在車站內停留的電力機車在升弓時由于機械部分凍結或碳滑板上面嚴重結冰，使車頂支持絕緣子閃絡放電，較大的短路電流會形成電弧燒斷接觸線。在2009 年10 月—2010 年1 月間3次凍雨覆冰災害均引起高橋鎮(zhèn)、葫蘆島站的3 起接觸線斷線事故。這些事故均發(fā)生在停留電力機車一弓損壞后升起另一個受電弓的時候。在2009 年10月31 日的凍雨覆冰災害中，僅錦州機務段更換的受電弓滑板就有12 塊。

（3）接觸線覆冰造成覆冰舞動事故。接觸線不均勻覆冰，在風的作用下產生舞動，覆冰的接觸線低頻高幅舞動會造成金具損壞，接觸線斷股。

（4）過荷載。接觸懸掛的實際重量超過設計值，導致接觸網機械和電氣事故。

（5）絕緣子串冰閃事故。絕緣子覆冰絕緣強度下降，泄漏距離縮短，局部表面電阻增加，形成閃絡，閃絡過程中持續(xù)電弧燒傷絕緣子，絕緣強度降低。

（6）諧波電流對電能的質量影響。接觸線覆冰造成電力機車運行時弓網拉弧嚴重。引起嚴重的諧波污染，影響電能質量，危害電力設備。2009年遼寧的幾次覆冰災害中，曾造成牽引變電所電容補償裝置多次跳閘。

2 覆冰的應對措施分析

目前覆冰應對措施主要有人工除冰、電力機車受電弓帶負荷運行除冰、不帶負荷運行除冰、接觸線電加熱、涂抹防凍劑等多種渠道，但還沒有一種成為主流方法。目前已開通的高速鐵路上多數都設置了接觸線電加熱融冰系統。

（1）人工除冰效率極其低下，每小時不過一公里且無法清除干凈，完全不可取。

（2）電力機車受電弓帶負荷運行的方法曾在沈陽鐵路局采用過，但效果不明顯，嚴重的凍雨覆冰幾乎沒有效果，且對接觸線的損傷較為嚴重，有時可能引發(fā)弓網故障。

（3）電力機車受電弓不帶負荷運行除冰是指由內燃機牽引的電力機車升弓不取流，僅作機械刮除。其效果也較為有限，但對接觸線的損傷較前一種小。

（4）接觸線電加熱融冰技術是采用短路法，以牽引變電所為中心，通過特定的接線方式使得變電所對地短路，形成閉合的回路，利用其短路電流的熱能進行融冰。

（5）涂抹防凍劑是利用機械設備向接觸線涂抹防凍劑，利用其溶解于水時所散發(fā)的熱量除冰。

接觸線電加熱和涂抹防凍劑這2 種方法筆者認為可行性較大，值得推廣或借鑒。下面具體分析這2 種方法的優(yōu)缺點和利用情況。

2.1 接觸線電加熱融冰技術

該技術的原理是利用電流的焦耳熱效應加熱導線，使覆冰融化。可分為直流融冰和交流融冰。

直流融冰的原理是將覆冰線路作為負載，線路末端短接，逐段施加直流電源，利用較低的直流電壓提供短路電流加熱導線使覆冰融化。需要增設斷路器、融冰變壓器、整流器及相應的控制設備。原理圖見圖1。該方案的特點是需要的電源功率較小，對電力系統的影響也小，但投資相對較大。

圖1 直流融冰方案示意圖

交流融冰的原理是將融冰線路的一端短路接地，在另一端施加融冰電源，由較大的短路電流加熱導線，使之達到融冰的溫度，對于電氣化鐵道，可以采取牽引變電所設施及接觸網接線方式不變，通過分合開關實現融冰。如圖2 所示，將供電臂一個饋線開關合閘，另一個饋線開關接地，分區(qū)所并聯，形成短路電流進行融冰。交流融冰方案簡單，實施方便，但是會產生較大的無功功率，影響電能質量，耗電量大。

圖2 交流融冰方案示意圖

交流融冰與直流融冰的共同缺點是對于接觸網中非導電回路中的設備不起作用，如分相的中性段無電區(qū)，此外，電加熱必須在天窗時間內進行，不能同時運行電力機車，使用時間受運輸的影響較大，不能做到與出現凍雨的時間同步，對已發(fā)生的凍雨無法及時處理。且國內目前尚無已投入實戰(zhàn)的電加熱系統的相關案例可供參考。

2.2 涂抹防凍劑

該技術是德國STEMMANN TECHNIK 公司開發(fā)的。根據天氣預報獲知即將發(fā)生凍雨天氣后，預先使用防凍劑涂敷接觸線，以防止結冰。

涂抹設備由2 個部件組成：其中一個部件安裝在軌道車輛內部的一個固定框架上。另一個部件為附加的車頂受電弓，它的滑條由一個潤滑裝置取代。潤滑裝置的基本部件是一個用甘油浸潤的毛氈輥，在行駛期間，把設備中的防凍劑由壓縮空氣通過組合管道系統導入到中空的毛氈輥內，通過毛氈輥滾動將防凍劑涂抹在接觸線上。該設備的有效期為2～3 天，運行速度30 km/h。具有使用方便，運行使用費用較低，效率很高等特點，且不受天窗時間的限制，在安裝到相應的軌道車后，可以任意時間增開一列即可，而且不受中性段無電區(qū)的影響，只要在受電弓接觸到的范圍內都可以涂抹防冰劑。缺點是對較為嚴重的覆冰效果可能不明顯，而且對通過的分段絕緣器有一定選擇性，對德國的空氣式Adtranze 分段絕緣器較為合適，而對于采用絕緣器件作為滑道的分段絕緣器會污染絕緣滑道，對未來的V 型天窗作業(yè)造成安全隱患，故不應通過帶分段絕緣器的岔間渡線。

結合上述分析，筆者認為要采取兼容并包的方式，積極借鑒每種方法的核心思想。特別是在已經完成電氣化改造的既有設備上，即沒有條件增設電加熱融冰的設備。雖然沒有機械涂抹防凍劑的設備，但是可以針對個別重點處所采取人工涂抹的方式，使用絕緣桿綁扎滾刷，向接觸線涂抹防凍劑，也可以起到一定的效果。比如，站場內站線，在凍雨引發(fā)的接觸線斷線事故中，大部分是電力機車在啟動處所升弓造成的。由于受電弓滑板上面覆冰以及接觸線上面覆冰形成的冰溜子，使得弓網沒有接觸到的時候就開始形成電弧，燒斷接觸線。如果在這些易發(fā)生斷線的重點處所進行人工涂抹，會在一定程度上減少發(fā)生接觸網斷線的可能性。筆者按照該思路進行了多次模擬實驗，利用噴壺在氣溫0℃及以下時向接觸線上面噴水，接觸線一側涂抹防凍劑，在未涂抹防凍劑的接觸線另一側形成最大約1 cm 的冰碴時，而涂抹了防凍劑的一側基本上沒有結冰，實驗效果尚可，因此，筆者認為該方法具有一定的可行性。

3 結束語

綜上思路，在國內開通的客運專線上，可使用電加熱融冰裝置、人工涂抹防凍劑相結合的方法，增加除冰的效果。同時還可以使用雙弓受流以減小電弧，降低對接觸線的危害。在既有的電氣化鐵道上，可以采取對重點處所人工涂抹防凍劑，電力機車不帶負荷除冰相結合的方式進行除冰。如果能有機械化的涂抹防凍劑設備作為補充，則可大大增加上述2 種方法的除冰效果。防凍劑的成分應選擇既導電又溶于水，且溶于水時會釋放熱量的材料，宜采用純甘油，加之以一定比例的CaCl2。筆者通過數次模擬實驗說明該方法有一定效果。

接觸線覆冰對運輸的影響很大，對接觸網設備有很大的危害。解決該問題需要供電、機務、運輸等多家單位協調解決。同時渴望國內廠家能及早研發(fā)出機械化涂抹防凍劑的設備，或研發(fā)其他除冰的可行方案。望各供電運維單位共同努力，相互交流，共享經驗教訓，提高設備質量和運營管理水平，確保牽引供電設備的安全，保證鐵路運輸暢通。

[1] 蔣先國.高速鐵路四電系統集成[M].成都：西南交通大學出版社，2010.

[2] 王漢東.2 種和諧型機車受電弓花在凍雨天氣破損分析[J].機車電傳動，2010，（4）.