接觸網交流在線防冰與離線融冰原理研究

李 崗，郭 華

0 引言

冬季由于氣溫、空氣濕度和風速的共同作用，存在著由液態水形成冰的覆冰現象。因此，覆冰是一種特定氣象條件下產生的冰凍現象，如果在架空導線上大面積形成覆冰，會導致桿塔傾倒、導線覆冰舞動或斷裂，將直接影響架空線路的正常安全運行。對電氣化鐵路而言，由于接觸網覆冰，會導致受電弓無法正常取流，甚至導致受電弓的損害或斷裂，嚴重影響列車的安全準點運行，對于時速超過300 km的高速鐵路，該問題更加嚴重，必須引起高度重視。世界上不少國家如美國、加拿大、俄羅斯、法國、日本等都曾發生過嚴重的冰雪災害。2008年初國內南方部分地區也發生了罕見的凍雨及冰雪災害，造成了巨大的經濟損失[1～2]。

國內外輸電線路采用的除冰方法有多種，按照除冰原理可以分為熱力除冰，機械除冰、被動除冰及電子凍結、電暈放電等[1]。機械除冰法是直接使用刮刀、滾筒、棍子等除冰，機械法除冰的效率比較低[3]。熱力除冰是世界上公認的最有效的除冰技術，采用焦耳效應融冰原理，利用電流加熱覆冰導線進行除冰[1]。本文研究的正是效率較高的熱力除冰。當然，由于電氣化鐵路固有的運行特點，列車運行時接觸線有電流通過，不易結冰。但客運專線的運行模式有別于傳統的電氣化鐵道，大多采用夜間停電綜合維修方式，這樣就有相當長的時間沒有列車運行，氣溫較低時會造成接觸線出現覆冰現象，天氣特別惡劣時，列車通過的間隙也能在接觸網形成覆冰。根據日本的接觸線防冰凍經驗，接觸線在同時符合氣溫0℃以下、濕度86%以上、風速3 m/s以下等3個條件的情況時會產生冰凍現象，此時，如果接觸線通過250 A的電流，接觸線的溫度達到5 ℃時，能防止結冰，通過400 A以上的電流，能開始融化覆冰[4]。

針對國內客運專線運行的特點，本文研究了接觸網交流在線防冰與離線融冰原理，提出了在保證區間至少有一輛列車運行的情況下，防止接觸網覆冰的交流在線防冰理念；如果由于天氣急劇惡化或其他因素導致接觸網已經覆冰，必須加大接觸網通過電流，融化覆冰，融冰時，機車不能正常取流、通過區間，只能離線融冰。

1 防冰與融冰原理分析

為了節省投資，一般不增設防冰與融冰（以下簡稱防融冰）用變壓器，而是以牽引變壓器為融冰電源。當區間沒有列車通過時，整個接觸網不能形成回路，接觸網也沒有電流通過，因此，必須搭建接觸網融冰回路。可以利用上行接觸線/下行接觸線與鋼軌組建融冰回路，融冰系統安裝在分區所，如圖1所示[5]。可以單獨對上行線或下行線進行防冰或融冰，也可以并聯上下行線，同時融冰。

圖1 系統安裝在分區所，防冰與融冰回路示意圖

為防止融冰時燒損接觸網，影響供電安全，需在融冰回路接觸網固有阻抗基礎上增加限流電阻器或限流電抗器，以控制防融冰電流，考慮到接觸網的感性特性，一般不采用電容器限流。融冰設備阻抗的大小、線路長度及單位阻抗、牽引變壓器容量、接觸網運行方式、AT變壓器漏阻抗、運行機車功率等諸多因素綜合在一起決定了防冰與融冰電流的大小。單線AT供電方式牽引供電系統簡化電路如圖2所示[6]。

圖2 牽引網回路分析圖

根據圖2，可以建立方程（1）。

式中，Zs為系統阻抗，ZT為變壓器阻抗，Z1為等值的接觸線阻抗，Z2為等值鋼軌（地）回路阻抗，Z3為等值正饋線阻抗，D1為牽引變電所至機車距離，D2為機車距分區所的距離。取系統最小運行方式正序阻抗標幺值為0.189 1，則折算至27.5 kV側系統阻抗Zs為 0.189 1×(27.5×27.5/100)×2i。取變壓器容量為63 MV·A，折算至27.5 kV側變壓器阻抗ZT為(27.5×27.5)×0.105/63i。AT變壓器漏阻抗Zg為 0.45i，T線單位自阻抗Zt= 0.1465 +0.589i，地回路單位自阻抗Zr= 0.084 2 + 0.407i，F線單位自阻抗Zf= 0.145 2 + 0.713i，T線與地回路之間的單位互阻抗Ztr= 0.05 + 0.315i，T線與F線之間的單位互阻抗Ztf= 0.05 + 0.332i，F線與地回路之間的單位互阻抗Zfr= 0.05 + 0.3i，則等值接觸線、等值地回路、等值正饋線單位阻抗分別為

取接觸線與承力索的分流系數為0.55，供電臂長度為30 km，機車功率為4.8 MW。

2 防融冰方案分析

2.1 限流器采用電阻方案

限流器采用電阻，機車運行至區間末端時，根據式（1）與式（2），可以求出機車電壓與限流電阻值的關系（圖 3）、機車電壓與機車距變電所距離m關系（圖4）。

從圖3可以看出，當限流電阻值為20 Ω時，機車電壓為 19.5 kV，因此，當限流電阻值大于20 Ω時，列車可以安全通過整個區間。考慮到安全性與可靠性，取限流電阻值為 25 Ω，當機車通過防冰區間時，機車電壓與機車距牽引變電所的距離關系如圖4所示。從圖4可以看出，當機車運行至接觸網末端時，機車電壓降到21.3 kV，不影響列車通行。

圖3 機車電壓與限流電阻值關系圖

圖4 機車電壓與機車距變電所距離關系圖

當防融冰區間沒有列車通過時，接觸線防融冰電流與限流電阻的關系如圖5所示，從圖5可以看出，限流電阻值小于 30 Ω時，通過接觸線的電流超過250 A，能防止覆冰，當限流電阻值小于15 Ω后，融冰電流會超過400 A，進入融冰狀態，此時，機車電壓不足19 kV，機車不能安全通過區間，只能離線融冰。

無論防冰或融冰、機車在線或離線，不同情況下要求變壓器輸出的功率是不同的，所要求的視在功率不能超過變壓器容量的一半。當區間沒有機車，不同的限流電阻與要求的變壓器輸出功率如圖6所示，要求變壓器輸出功率不超過27.5 MV·A，小于變壓器容量63 MA·V的一半。取限流電阻值為 25 Ω，機車在區間運行，機車運行位置與要求變壓器輸出功率如圖7所示。當機車運行至變電所近端時，要求變壓器輸出功率最高，但也不超過27.5 MV·A。

圖5 接觸線防融冰電流與限流電阻值關系圖

圖6 變壓器輸出功率與限流電阻值關系圖

圖7 變壓器輸出功率與機車距變電所距離關系圖

2.2 限流器采用電抗方案

限流器采用電抗器，機車運行至區間末端時，根據式（1）與式（2），可以求出機車電壓與限流電抗值的關系如圖8所示，從圖8可以看出，當電抗值大于35 Ω后，機車電壓超過19.2 kV，機車才能安全通過區間。當區間沒有列車運行時，防融冰電流與限流電抗值的關系如圖9所示。可以看出，當電抗值小于8 Ω時，接觸線電流會超過400 A，能融化覆冰；當電抗值大于 35 Ω后，接觸線電流小于180 A，不能防覆；當電抗值達到20 Ω時，接觸線電流會達到256 A，可以防冰，但從圖8可知，此時接觸網末端的機車電壓已不足16 kV，不能在線防冰，只能離線防冰。

圖8 機車電壓與限流電抗值的關系圖

圖9 接觸線電流與限流電抗值的關系圖

綜上所述，無論采用限流電阻還是限流電抗，都可以通過控制限流器阻抗值的大小，促使整個防融冰回路的阻抗發生變化，進而改變防融冰電流的大小，實現離線防冰與融冰的功能，但電阻限流方案還能夠在保證一列機車安全運行的情況下實現在線防冰功能，如果由于天氣急劇惡化或其他因素導致接觸網已經覆冰，通過降低限流電阻器的阻值，加大接觸網通過電流，達到融化覆冰。融冰時，機車不能正常取流、通過區間，只能離線融冰。

3 結論

接觸網覆冰是一種自然災害，本文通過在接觸網末端加限流器，依據現有的牽引供電系統組建防融冰回路，并建立牽引供電網絡回路簡化模型，依據模型分析了接觸網交流“在線防冰、離線融冰”原理理論，比較研究了電阻器限流模式與電抗器限流模式防融冰方案。根據天氣惡劣狀況，通過控制限流器阻抗值的大小，促使整個防融冰回路的阻抗發生變化，進而改變防融冰電流的大小，實現離線防冰與融冰的功能，但電阻限流方案還能夠在保證一列機車安全運行的情況下實現在線防冰功能，且電阻器限流不會降低接觸網供電系統的功率因數，不會向電力系統注入無功功率，是一種較理想的防冰與融冰方案。

[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）：93-95.

[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）：32-33.

[3]山霞，舒乃秋.關于架空輸電線除冰措施的研究[J].高電壓技術，2006，32（4）：25-27.

[4]李漢卿.一種針對客運專線的接觸線防冰凍實施方案[J].電氣化鐵道，2010，（4）：7-9.

[5]李群湛.牽引電力系統分析[M].成都：西南交通大學出版社，2007.

[6]辛成山.AT供電系統等值電路推導方法[J].電氣化鐵道，1999，（1）：17-20.