接觸網臨界防覆冰電流分析

孫 軒，李茂亮，申 寧

0 引言

接觸網覆冰是電氣化鐵路比較常見的自然災害，主要發生在初冬和初春季節。接觸網覆冰受災面積廣、危害比較大、搶修難度大[1，2]。近年來，極端氣候頻繁出現，接觸網覆冰災害頻現，電氣化鐵路如何應對接觸網覆冰帶來的危害，是一個非常重要的課題。

1 接觸網防覆冰原理

圖1 為接觸網防覆冰原理圖，分別在牽引變電所供電臂的首端和末端連接動態補償裝置SVG。當溫度低于0℃時，接觸網有可能覆冰，在無機車時，末端SVG2 從接觸網取電流 I2˙（ I2˙為感性電流），其幅值大于接觸線防覆冰所需最小電流，連接在首端SVG1 產生一個容性電流 I1˙（與 I2˙幅值相等）， I1˙、 I2˙在接觸線、SVG1、鋼軌和SVG2 形成的閉合回路中流通，接觸線的電阻產生足夠的熱使接觸線的溫度升高，防止接觸線結冰。

圖1 接觸網防覆冰原理示意圖

2 接觸網覆冰過程熱交換

式中，d 為接觸線的直徑，m；α1為碰撞系數；α2為捕獲系數，如果忽略水滴反彈的影響，可取捕獲系數α2= 1；α3為冷凍系數[3，5]；為空氣中液態水含量，kg·m-3；v 為風速，m·s-1；h 為對流換熱系數；Lf、Le、Lm分別為水凝結過程釋放的潛熱、水蒸發

導線的覆冰過程是導線與周圍環境熱交換的過程，主要有焦耳熱，對流熱，液態水滴與空氣摩擦產生的熱，液態水滴與接觸線碰撞的動能損失[3，4]。其熱平衡方程可以表示為

式中，Qf為碰撞水滴凍結時釋放的潛熱；QR為傳輸電流產生的焦耳熱；Qk為水滴與接觸線碰撞的動能損失；Qv為空氣摩擦對冷卻水滴的加熱；Qs為導線吸收的太陽能；Qc為對流熱損失；Qe為冰表面蒸發或者升華熱損失；Ql為水滴從冰點溫度Ta（單位℃）加熱到Tf冰面穩態溫度吸收的熱；Qr為接觸線輻射熱；Qw為附在導線上的雪融化吸收的熱量；以上單位均為J·m-2·s-1。

式（1）中各量具體可由下列各式分別計算：吸收潛熱、冰雪融化吸收的熱，J·kg·K-1；r 為接觸線電阻，Ω·m-1；ca、cw分別為空氣和水的比熱容，J·kg-1·K-1；pa為大氣壓強，Pa；α 為輻射常數；δR為波爾茲曼常數；e(Ts)、e(Ta)為飽和水壓[6]，Pa；P 為降水量，mm·h-1；ε為水汽分子重量比，取0.622；p 為太陽有效福輻射系數，晴天取0.75；αs為接觸線的吸收系數，取0.9；rq為恢復系數，圓柱取0.79；Jn為太陽常數，W·m-2；θ為太陽照射角度，rαd；I為電流，A。

3 臨界防覆冰電流的分析

導線臨界結冰的條件：冷卻系數為0，α3= 0設Ts= Tf= 0℃。則臨界防覆冰電流為

分析可知，影響接觸線臨界防覆冰電流的環境因素主要有風速、環境溫度、液態水含量、降水量；此外還有接觸線的直徑與阻抗等本身的因素。

3.1 風速與臨界防覆冰電流的關系

以鋼鋁接觸線GLCB-85/173 為例，分析各個因素對臨界防覆冰電流的影響，接觸線參數d =0.014 94 m，r = 0.000 23 Ω·m-1。陽光與降水只有單獨分析時才考慮，其他情況下，先不考慮這2 個因素的影響。

由圖2 知，風速越大，臨界防覆冰電流就越大，風速的影響主要有2 個方面：風速越大，碰撞系數增加，使更多的液態水與接觸線碰撞；接觸線與空氣的熱交換越快，散熱越快。風速越大，空氣對過冷水的加熱越快，液態水的速度增大，動能也會增加。風速對接觸線熱交換和碰撞系數的影響是主要的，因此，臨界防覆冰電流隨著風速增大而增大。

3.2 溫度與臨界防覆冰電流的關系

由圖3 可知，溫度越低，臨界防覆冰電流越大。溫度主要影響接觸線與空氣的熱交換。溫度越低，接觸線與周圍空氣溫差越大，接觸線散熱就越快，需要臨界防覆冰電流越大。

圖2 風速與臨界防覆冰電流的關系示意圖

圖3 溫度與臨界防覆冰電流的關系示意圖

3.3 液態水含量與臨界防覆冰電流的關系

由圖4 可知，在其他因素相同時，空氣中液態水含量越高，附在接觸線表面的水就越多，吸收的熱就越多，臨界防覆冰電流越大。

圖4 溫度與臨界防覆冰電流的關系示意圖

3.4 降水量與臨界防覆冰電流的關系

由圖5 可知，降水增加使落在接觸線上的水越多，則液態水的吸熱增大，臨界防覆冰電流增加。此外，降水量越大，使空氣中的液態水含量增加[7]，這也會增大接觸線的臨界防覆冰電流。

圖5 降水與臨界防覆冰電流的關系示意圖

3.5 陽光與臨界防覆冰電流的關系

由圖6 可知，太陽光可以減小接觸線臨界防覆冰電流，并且風速越小影響越顯著。在晴天由于接觸線吸收足夠的太陽光，因此，不易發生覆冰現象。

圖6 太陽照射角度與臨界防覆冰電流的關系示意圖

4 結論

風速、溫度、液態水含量和降水量都會對臨界防覆冰電流產生影響。其中風速和溫度主要影響接觸線與環境的熱交換，是影響臨界防覆冰電流的主要因素；液態水含量、降水量主要影響附在接觸線的水量，是對臨界防覆冰電流產生影響的次要因素。晴天由于太陽光照射比較強烈，很少出現覆冰現象。因此，接觸網覆冰多出現在陰雨天。

[1] 王國梁.接觸網融冰防冰問題的分析研究[J].鐵道工程學報，2009，8.

[2] 張安洪.雪災對接觸網覆冰及其影響的探討[J].電氣化鐵道，2008，（3）.

[3] Masoud Farzaneh.電網的大氣覆冰雪災[M].黃新波譯.北京：中國電力出版社.

[4] 蔣興良，易輝.輸電線路覆冰及防護[M].北京：中國電力出版社.

[5] 劉和云.架空導線覆冰防冰的理論與應用[M].北京：中國鐵道出版社，2001.

[6] 王長根.幾種飽和水汽壓計算公式的比較[J].氣象科技，1974，（8）.

[7] 劉和云，周迪，付俊萍，等.導線雨淞覆冰預測簡單模型的研究[J].中國電機工程學報，2001，（4）.