接觸網直流電流融冰技術研究

肖經志

(中鐵七局電務公司，河南鄭州45000)

隨著我國經濟的不斷發展，我國電氣化鐵路規模也在不斷地擴大，電氣化鐵路在國家經濟建設和國防建設中也擔負著越來越重要的作用。但是，由于我國是跨越地域氣候最多的國家，接觸網覆冰的現象也就越顯嚴重，隨著接觸網不斷延伸到易覆冰區，頻繁發生的覆冰事故對鐵路運營的危害也逐漸凸顯，接觸網覆冰將對弓網接觸、取電、拉弧、支吊產生重大影響。因此，研究出可靠的防冰融冰技術已經成為一項重要而緊迫的任務。

1 直流融冰的可行性

接觸網的交流電流融冰技術主要包括發電機零起電流、交流短路和過負荷融冰等方法。交流電流融冰(簡稱交流融冰)的基本原理與直流融冰相同，但在技術的研究和應用上又有自身的特點，受交流電流自身的特性影響，由于接觸網一般是低壓線路，在低壓接觸網中一般串接線路及變電站較多，則電源較難保障，不像直流融冰一樣可以用發電車來作為電源，所以選擇直流融冰法作為融冰的方案。

2 直流融冰的原理

將兩相或三相導線一端接入直流融冰裝置，另外一端短路，通過大功率整流器將直流電流注入導線加熱來達到融冰的目的。直流電流產生的熱量必須大于導線散熱量和融冰熱量之和，覆冰才能融化。這就要求:線路所通融冰電流I 達到一定的數值;融冰電流確定以后，融冰裝置的電源容量對應一定長度的線路(電阻為R)，并裝置的輸出電壓也受到IR 的限制。

設計短路融冰方案時，接觸網的融冰電流、保線電流以及最大允許電流應首先被確定。

融冰電流。融冰電流是指導線上覆冰融化電流。融冰電流在導線電阻中產生的熱量一部分使冰柱的溫度上升至融點，一部分使冰柱融化，一部分損失在從導線表面到冰柱表面的傳遞途中，還有一部分通過冰柱表面散失。

保線電流。保線電流是指保持導線溫度在冰點以上，是導線覆冰所需的最小電流。保線電流通過導線產生的熱量與對流，輻射散熱消耗熱量平衡。

導線最大允許電流。導線最大允許電流是指在融冰的短時間內(最長幾小時)允許導線最高溫度(90℃)所通過的電流。

在一定的環境條件下，直流融冰所需要的整流器容量取決于需要融冰線路的導線截面及導線長度。現代直流技術的應用和大電流晶閘管閥片的開發為直流融冰創造了良好的條件。直流短路融冰從技術上可適應于各級電壓等級的不同導線截面的線路，實現這一方法的關鍵則是根據不同的應用條件，開發出不同型式、不同容量的直流融冰設備。

直流融冰時線路阻抗的感性分量不起作用，降低了融冰所需的容量，提高了融冰效率;直流融冰時直流電壓連續可調，可以滿足不同長度線路的融冰要求，且不需要進行阻抗匹配，也降低了融冰對電力系統運行方式的苛刻要求;安裝于樞紐變電站的直流融冰裝置可對全站所有進出線進行融冰，在線路大面積覆冰時，效果特別明顯。

3 直流融冰設備的開發

3.1 直流融冰電源型式

直流融冰的電源可以直接取自發電機(發電車)。

發電機(發電車)提供電源。發電機(發電車)主要指大功率柴油發電機組，也可以是電網中存在的發電機。在嚴重冰災時，很難從變電站獲得電源，而車載式發電車能夠靈活移動，移動式直流電源可以發揮重要的作用。對于發電車，為了保證其移動的靈活性，不應該帶有變壓器，因此只能用發電車輸出電壓直接作為閥側電壓。

圖1 發電機提供電源的直流融冰方案(不帶整流變壓器)

3.2 直流融冰裝置主要參數的確定

直流融冰裝置的主要參數包括整流形式、直流額定電流、直流額定電壓、直流功率。對于需要安裝直流融冰裝置的變電站，對所有需融冰線路的融冰參數進行計算，同時參照約束條件，即可確定直流融冰裝置的這些參數和其他相關參數。

發電機(發電車)移動式直流融冰裝置主要參數的確定。對于發電機(發電車)提供電源的移動式直流融冰裝置，為確保其移動的靈活性，不宜在整流器和發電車之間加變壓器，這樣發電車移動式直流融冰裝置只能采用6 脈動整流，直流側的最大可能直流輸出電壓為540 V。為保證移動的靈活性，整流器只能采用強迫風冷，整流器的直流電流不宜超過1 000 A。為充分利用直流融冰裝置的容量，整流器的直流功率不宜超過540 kW。500 kVA 左右容量的發電車也可保持引動的靈活性。

4 直流融冰裝置的控制和保護

直流融冰裝置的控制功能保證在電流和有功控制等調節目標下，在直流融冰過程中實現融冰裝置換流器、直流隔離開關等的自動控制，使直流融冰裝置各支路斷路器、隔離開關、融冰線路、冷卻系統、保護裝置和有關系統等運行協調、安全。各交流出線可由控制裝置自動切換三相線路連接到整流裝置。一方面，可以保證三相線路均衡融冰，切換過程中整流裝置及開關的操作都能自動進行以實現快速、安全融冰;另一方面，可以減少開關的倒閘操作。以保證系統在各種不同運行方式下，實現不同線路快速、可靠、安全的融冰。

直流融冰裝置控制以融冰線路所需融冰電流為主要調節目標，直流融冰裝置的有功功率和無功功率輸出可作為輔助調節目標。

通常由運行人員設定希望的電流定值以及電流升降速率。控制系統控制直流融冰裝置輸出的直流電流為設定的電流定值，在交流和直流擾動下仍保持本融冰裝置直流電流恒定。

根據融冰要求，提出對不同線路相應的直流融冰裝置運行方式和模式轉換方案，以保證融冰快速和安全完成。主要包含直流融冰裝置啟動和停運過程中的順序操作，各種控制模式和運行方式的切換功能。

直流融冰裝置中如配置進行無功補償和諧波治理的濾波器組，在監視控制系統中可根據融冰電流的大小和觸發角進行相應濾波器的組投退控制。

直流融冰裝置的保護與控制系統功能相對獨立;控制與保護為統一設計實現，同時直流融冰裝置的保護與控制系統可采用不同的主機。

5 結語

本文闡述了直流融冰技術的可行性。除直流融冰技術外，其他防冰除冰方法在一定范圍和一定程度上也可以達到防冰除冰的目的，但其安全性、經濟性、有效性和易操作性等方面存在不足。為了滿足更廣泛設備防冰除冰的要求，提高接觸網防冰除冰的效率和水平，在現有的技術基礎上，依然迫切地需要完善一些未完成但有前景的防冰除冰技術，或者開發出新的技術，為鐵路運輸安全提供更多保障。

［1］張光普，馬勁航，朱智宏. 城市軌道交通接觸網的防冰害措施［J］.都市快軌交通，2007(5).

［2］洪從魯，何忠韜. 接觸網除冰裝置及其安裝方法的研究［R］.成都:蘭州交通大學機電學院，2010.