在線防冰過程中電氣化鐵路接觸網(wǎng)的溫度場

摘要： 接觸網(wǎng)覆冰嚴(yán)重影響電氣化鐵路安全運(yùn)營，為確保牽引供電的可靠性，提出了一種基于靜止無功發(fā)生裝置的接觸網(wǎng)在線防冰方案.針對該方案建立了在線防冰時接觸網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)熱平衡方程，并通過分別對比鐵路運(yùn)輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2809—2005和實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證.在此基礎(chǔ)上，分析了防冰系統(tǒng)運(yùn)行后接觸網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)溫度變化和溫度場分布，并探討了機(jī)車速度和負(fù)載電流對溫度場分布的影響.分析結(jié)果表明，環(huán)境溫度為-4 ℃，目標(biāo)溫度為2 ℃時，吊弦及其線夾處溫差可達(dá)5.3 ℃，可能成為最薄弱環(huán)節(jié).

關(guān)鍵詞： 在線防冰；熱平衡；溫度場；接觸網(wǎng)

中圖分類號： U225文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ATemperature Field of Catenary for Electrified Railway

覆冰是電氣化鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)中廣泛存在的問題，嚴(yán)重影響了我國高速鐵路牽引供電的可靠性，2008年我國南方各省遭遇嚴(yán)重的冰災(zāi)，多條電氣化鐵路主干線運(yùn)輸中斷.隨著鐵路線路延伸，要經(jīng)過各種氣候的區(qū)域，在低溫、高濕、凍雨頻繁的區(qū)域，更易產(chǎn)生覆冰.采用人工清除耗時長、效率低，結(jié)冰后再融冰必然影響列車運(yùn)行，對接觸網(wǎng)采用在線防/融冰是一種較為適宜的方案.

接觸網(wǎng)結(jié)冰過程取決于局部氣流場[1]、微水滴運(yùn)動軌跡、水滴的碰撞、金屬表面對微水滴的俘獲、轉(zhuǎn)移等[2]，其根本因素包括環(huán)境溫度、濕度、金屬表面溫度場等[3]，其中碰撞率及凍結(jié)系數(shù)是通用的描述覆冰過程的參數(shù)，對于覆冰物理過程的研究也主要集中在對這兩個參數(shù)的研究[45] .在線防冰的基本原理是使線路材料表面的動態(tài)溫度場超過結(jié)冰臨界溫度[6].接觸網(wǎng)系統(tǒng)由承力索、吊弦、接觸線、電連接等部分組成，各個部分對覆冰的要求不同，如承力索可以允許一定量的覆冰存在，接觸線要求與受電弓有良好的電接觸，對覆冰的要求很苛刻.因此為滿足防冰要求，接觸網(wǎng)系統(tǒng)各部分的溫度場要求也不同.掌握接觸網(wǎng)系統(tǒng)各部分材料表面溫度場的分布是在線防冰技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ).目前接觸網(wǎng)系統(tǒng)溫度相關(guān)研究包括：接觸線選型和不同溫度下的導(dǎo)線壽命[7]、電接觸（包括電弧）引起的接觸線局部溫度升高及燒蝕[8]、溫度升高對載流滑動摩擦的影響[9]等方面.

本文提出了一種基于靜止無功發(fā)生裝置（static var generator， SVG）的接觸網(wǎng)在線防冰方案.針對該方案建立了在線防冰時接觸網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)熱平衡方程，并通過分別對比鐵路運(yùn)輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（后文簡稱鐵標(biāo)）TB/T 2809—2005和實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證.據(jù)此分析了防冰系統(tǒng)運(yùn)行后接觸網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)溫度變化和溫度場分布，同時研究了機(jī)車速度、取流對溫度場分布的影響，研究結(jié)果為在線防冰技術(shù)應(yīng)用中關(guān)鍵環(huán)節(jié)水滴局部碰撞系數(shù)、凍結(jié)系數(shù)的求取奠定了基礎(chǔ).1 在線防冰技術(shù)在線防冰系統(tǒng)原理如圖1所示，牽引變電所（SS1）兩相供電臂分別在首端和末端連接SVG，4個SVG均由單相的四象限電壓型變流器構(gòu)成.

在線防冰過程中電氣化鐵路接觸網(wǎng)的溫度場本方案中SVG的主要功能是產(chǎn)生感性或容性無功.對首端SVG，其功能和控制目標(biāo)與普通補(bǔ)償裝置無異，都是通過檢測電壓和電流信號，分離其有功、無功分量并進(jìn)行補(bǔ)償.而末端SVG的控制目標(biāo)是與牽引負(fù)荷一起提供足夠的防冰電流，同時保證機(jī)車正常工作的末端電壓.空載時末端SVG工作在感性狀態(tài)，首端SVG補(bǔ)償容性無功保證功率因數(shù)；負(fù)載時根據(jù)末端電壓、防冰電流計算值共同決定末端SVG工作在感性還是容性狀態(tài)，首端SVG始終以保證功率因數(shù)為目標(biāo).無論有無負(fù)載，線路上始終保證有防冰電流存在.所需施加的防冰電流由水滴在接觸網(wǎng)系統(tǒng)表面的局部碰撞系數(shù)、捕獲系數(shù)、凍結(jié)系數(shù)等決定，因此需要檢測環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速等量，同時必須明確知曉導(dǎo)體表面溫度場的分布情況.溫度場分布取決于風(fēng)速、環(huán)境溫度、導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)體材料和結(jié)構(gòu)、電流大小等因素.實(shí)際運(yùn)行中，防冰電流通過電連接在接觸線和承力索之間按照一定規(guī)則進(jìn)行分配.防冰電流為工頻電流，因此接觸線和承力索的防冰電流分配主要由兩者的電抗值決定，計算表明二者電流分配比約為1∶0.85.

下文首先建立接觸線熱平衡方程并驗(yàn)證，然后根據(jù)防冰過程分析接觸線的溫度動態(tài)變化和溫度場分布.2接觸網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)熱平衡方程2.1動態(tài)熱平衡過程分析建立導(dǎo)線的熱平衡方程是分析溫度場分布的基礎(chǔ).導(dǎo)線通電發(fā)熱，最終達(dá)到一個平衡狀態(tài)，這是一個熱量傳遞、交換與平衡的過程.考慮導(dǎo)線加熱過程中的諸多因素，可列出其熱平衡方程如下：

6結(jié)束語覆冰嚴(yán)重影響了我國高速鐵路牽引供電的可靠性，對此本文完成了如下工作：

（1） 提出了一種基于SVG技術(shù)的在線防冰方案，基本原理為由SVG產(chǎn)生無功，對線路進(jìn)行加熱，在提供足夠的防冰電流的同時，保證線路具有穩(wěn)定的工作電壓.

（2） 根據(jù)熱傳輸原理，建立了導(dǎo)線的溫升模型，采用鐵標(biāo)中給出的數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)驗(yàn)證，基于實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證了暫態(tài)過程.

（3） 模擬在線防冰設(shè)備投運(yùn)工況，模擬線路多種狀態(tài)下接觸線、承力索、吊弦、線夾等關(guān)鍵部位的溫度場分布，為求取水滴的局部碰撞系數(shù)、凍結(jié)系數(shù)奠定了基礎(chǔ)，這是在線防冰技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ).

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（中文編輯：唐晴英文編輯：付國彬）