電氣化鐵路接觸網在線防冰電流的決策及控制

郭 蕾，李群湛，高曉杰

(西南交通大學 電氣工程學院，四川 成都 610031)

我國電氣化鐵路總里程快速增長，客運高速和貨運重載鐵路大規模建設，一些新的電氣化鐵路線路很可能要穿越高寒、高濕等易發生覆冰的區域，哈(爾濱)—大(連)線即是世界首條高寒地區正式運營的高速鐵路。接觸網覆冰災害問題已成為各級部門廣泛關注的問題。為了既能消除覆冰，同時也能保證行車所必須的電能供給，接觸網在線防冰技術將成為未來電氣化鐵路防融冰的主要方法之一，因此，研究接觸網在線防冰技術對保障電氣化鐵路安全運營具有重要的實際意義[1]。

在諸多應用于架空線路的除冰方法中，人工除冰簡單易行，但效率低，安全性差。防覆冰涂層法通過在導線表面涂抹油脂、納米材料等憎水性涂料，降低冰與導線間的黏著力，防止覆冰[2]。基于焦耳熱的電熱除冰方法得到了更多的關注，2005年采用晶閘管整流、為覆冰線路提供直流融冰電流的融冰裝置在魁北克 Levis 變電站投運[3]。2008年雪災后國家電網和南方電網加大投入，研發了直流短路融冰裝備，并在湖南、貴州等省市開展了試驗[4，5]。為更好地開展防融冰工作，文獻[6-8]采用有限元等方法對導線融冰模型、融冰時間計算、導線表面溫度分布的動態變化等進行研究。文獻[9]提出一種智能電力線路(SPL)除冰系統，通過遠程傳感器和控制系統驅動捆綁導線束除冰。

輸電線路允許一定的覆冰存在，覆冰嚴重、超出桿塔承重時才會造成倒桿、塌網等事故。而接觸網是一種特殊的架空線路，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，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。株洲所開發了采用IGBT作為整流器件進行多重四象限整流的接觸網直流融冰裝置[10]。鐵一院、西南交大聯合研制了短路融冰裝置，將電阻或電感作為負載放置在線路末端，基于焦耳熱效應進行防融冰[11]。但上述既有的裝置均為離線裝置，未考慮防冰電流對牽引網壓的影響。當環境條件較為惡劣、所需防冰電流較大或機車駛入供電區間后，負載電流與防冰電流疊加都會導致牽引網壓過低不能行車，影響列車正常運行。研發在線防融冰裝置已經成為一種趨勢，相關研究也已陸續開展[1，11，12]。而為了不影響行車，防冰電流的確定和牽引網電壓的控制是關鍵，急需解決。

本文提出一種基于靜止無功發生器SVG的電氣化鐵路接觸網在線防冰技術，給出了SVG在線防冰電流的確定方法，采用該方法實時、自動調節防冰電流，不僅可以保證防冰效果，同時還保障了牽引網供電電壓，不影響行車，從而為接觸網在線防冰方法的應用奠定基礎。

1 基于SVG的接觸網在線防冰方案

要實現接觸網的在線防冰，其首要條件是在防冰裝置投入的同時，能夠保證鐵路運輸工作的正常開展，因此必須具備如下基本要求：

(1)產生足以保持接觸網任意區間不結冰的電流；

(2)接觸網各部分的電壓，尤其是機車(動車組)通過部分的網壓必須保證穩定在允許范圍之間；

(3)防冰電流不影響對機車的供電和車內設備的正常運行；

(4)防冰電流在各個部分所消耗的電能必須在經濟允許的范圍之內。

接觸網不產生覆冰所需的最小電流稱之為臨界防冰電流，該電流與環境溫度、太陽輻射量、風速等多種因素密切相關，因此實現接觸網在線防冰的總體思路如圖1所示。所注入的防冰電流將由環境條件、供電方式、牽引網網壓等眾多因素決定。

圖1 接觸網在線防冰的總體思路

接觸網在線防冰系統原理如圖2所示，在牽引變電所的兩相供電臂末端分別設置靜止無功發生器SVG1和SVG2、電壓互感器YH、接觸線溫度和濕度傳感器、風速測量儀等共同構成的環境監測單元TC和控制單元CU；靜止無功發生器的控制端、電壓互感器的輸出端和接觸線溫度傳感器的輸出端與控制單元相連接；同時遠動裝置可根據需要選擇是否與控制單元相連接。當接觸線溫度傳感器輸出的溫度值高于冰點或遠動裝置未發出防冰命令時，即在正常、無覆冰情況下，SVG對接觸網進行無功補償，工作于網壓補償工況，即吸收容性無功以保證網壓。

圖2 電氣化鐵道接觸網在線防冰系統原理圖

當接觸線溫度傳感器輸出的溫度值低于或等于冰點或調度員根據天氣預報可能結冰而經遠動裝置發出防冰命令時，即在易覆冰情況下，SVG進入防冰工況。防冰工況下，環境監測單元等將溫度、濕度、風速等所測數據傳輸給控制單元，基于臨界防冰電流計算模型得出該條件下保障接觸線溫度在冰點以上所需的電流。同時令SVG間隙性工作，在其停運期間，電壓互感器實測獲得牽引網末端電壓。上述電壓、電流數據交由防冰電流決策單元，即可計算出在保證牽引網供電電壓的前提下，線路上允許的最大防冰電流，判定電流性質，并輸出最終的決策結果。

在本方案中，當電壓互感器測得的網壓較高時，供電臂上列車負荷較輕或空載運行，SVG進入感性工況，即吸收感性工作電流，該電流流經接觸網產生焦耳熱進行防冰。當電壓互感器測得的網壓較低時，供電臂上列車負荷較重，SVG進入容性工況，即吸收容性電流。在防冰的同時，還保證了供電臂接觸網上各處的電壓始終大于列車工作所需電壓，保證了列車的正常運行。若同時在供電臂首端也設置SVG3、SVG4，通過檢測電壓和電流信號，分離其有功、無功分量，還可進行補償，保障功率因數，在線防冰的同時不會對電力系統產生任何影響，但其相應的投資也要加大。

在供電方式、接觸線單位阻抗、供電區間長度等條件確定的情況下，通過實時檢測牽引網末端電壓，在保證供電電壓的前提下，調節末端的SVG1、SVG2，可保證線路上電流在可取值范圍內發揮最大限度的防冰功效。

2 接觸網在線防冰電流的決策

2.1 臨界防冰電流的確定

導線通電發熱，最終達到一個平衡狀態，這是熱量傳遞、交換與平衡的過程，建立導線的熱平衡方程是確定其臨界防冰電流的基礎。考慮接觸線加熱過程中的諸多因素，可列出其熱平衡方程為

( 1 )

式中：Qc為對流熱損失；Qe為接觸網表面蒸發或者升華熱損失；Qra為接觸網導線輻射熱損失；Qr為水滴從環境溫度加熱到接觸網表面溫度所需吸收的熱；Qk為小水滴的動能損失轉換的熱量；Qv為空氣摩擦對導線的加熱；QS為日光輻射的熱量。

上述各項表達式及計算方法可參見文獻[6，8]。分析式( 1 )，其穩態解可以表示為

( 2 )

式( 2 )即為接觸線臨界防冰電流IC的表達式。實際運行中，防冰電流在接觸線和承力索之間按照一定比例進行分配。接觸線上流經臨界防冰電流IC時，承力索上的電流為kIC，所以接觸網的臨界防冰電流ICJ=(1+k)IC，其中，k為兩導線上的電流比。

( 3 )

式中：Z1、Z2、Z12分別為接觸線阻抗、承力索阻抗、接觸線和承力索的互阻抗。

2.2 直供單線供電系統電氣參數關聯

前文給出了接觸網臨界防冰電流ICJ的計算公式，但該電流僅能保證接觸網防冰，對牽引網網壓影響未知，為此必須要結合供電方式等具體條件，研究牽引網電壓與防冰電流分布的關系，以及前者對后者取值上的限制。下文以直供單線供電系統為例，具體分析牽引網網壓對防冰電流的限制關系。圖3為該供電系統的簡化電路圖。

圖3 直供單線供電系統單臂簡化電路圖

SVG2投入前后的電壓回路方程分別為

( 4 )

則有

( 5 )

將式( 5 )實部虛部分別展開，當SVG2為感性負荷時，可得方程組

( 6 )

( 7 )

同樣，還可推導計算得到牽引網壓允許的容性防冰電流上限I2C。

( 8 )

2.3 在線防冰電流的決策流程

接觸網工頻在線防冰電流決策的控制目標可歸納為：①流過接觸網任一段的電流均大于等于臨界防冰電流；②牽引網網壓在供電安全允許范圍內。目標②優先滿足。

圖4 接觸網在線防冰電流確定的流程圖

圖4為接觸網在線防冰電流的決策流程圖。由式( 1 )～式( 3 )計算出接觸網臨界防冰電流ICJ，由式( 7 )、式( 8 )計算出牽引網網壓允許條件下的防冰電流感性上限I2L、容性上限I2C后，關鍵在于確保供電電壓的基礎上，確定末端SVG實際投入的防冰電流大小及其性質(即末端SVG工作狀態是感性還是容性)。若接觸網臨界防冰電流ICJ在防冰電流允許范圍內，則令投入的防冰電流I2=ICJ，且I2電流的性質取I2L、I2C中的較大者所對應的狀態。若超出允許范圍，取I2=max(I2L，I2C)，即網壓允許的防冰電流的上限，I2電流性質仍取I2L、I2C中的較大者所對應的狀態。此種情況下防冰效果與牽引網網壓不可同時兼顧，為了不影響機車正常運行，犧牲短時防冰效果，待機車駛出該區間后，再轉入防冰狀態。

3 基于貴昆線數據的仿真驗證

受冬季低溫凍雨性氣候的影響，我國南方貴州、湖南等省經常遭受雪凝天氣襲擊，是接觸網覆冰的高發區域。下文基于貴陽西實際天氣特征和牽引變電所實測負荷數據，以該區間內一段單線接觸網為對象進行防冰電流計算和溫度校驗，為制定合理有效的接觸網在線防冰方案提供支撐。

某日凌晨3：00～4：00，溫度-3 ℃，濕度80%，風速3 m/s。依據記錄的氣溫、風速等參數可計算出該時段內CTMH120型接觸線所需的臨界防冰電流為191 A，由牽引網阻抗計算得到接觸線和承力索的電流分配系數k=1，接觸網臨界防冰電流ICJ=382 A。該供電臂長25 km，供電方式為直供單線，牽引網單位長度阻抗為0.16+j0.53 Ω/km。圖5為該時段內負荷電流及牽引網末端電壓。

圖5 負載電流及牽引網末端電壓

結合牽引網單位阻抗、供電區間長度及實測末端網壓數據，由式( 7 )、式( 8 )計算出牽引網壓允許的感性、容性防冰電流的上限，如圖6所示。

圖6 牽引網壓允許的防冰電流取值上限

由圖6可知，本算例中的末端電壓所對應的感性防冰電流全程均大于容性防冰電流，故而此時末端SVG工作在感性狀態，且該電流范圍完全能滿足臨界防冰電流ICJ=382 A的要求，故而實際投入的防冰電流取值I2=ICJ。

當防冰系統投入ICJ大小的防冰電流后，接觸網首端、中點的電流—時間曲線如圖7、圖8所示，而接觸網末端電流為防冰電流，取值始終為I2。

圖7 接觸網首端電流

圖8 接觸網中點電流

圖9 防冰系統投入后，接觸網首、末端和中點的接觸線溫度

圖9給出了防冰系統投入后，接觸網首端、末端和中點的接觸線溫度，由圖9可知：防冰系統投運后約15～20 min使接觸線表面溫度達到0 ℃，開始發揮在線防冰的作用；接觸線導線溫度受負荷影響，機車駛出區間后，若線路處于空載，接觸線溫度迅速下降，10 min 左右就下降到0 ℃，因此當機車發車密度較低時，可以認為負荷對導線溫度的影響是暫時的，甚至可以忽略。由于首端承受機車負荷的時間最長，而末端承受機車負荷電流的時間最短，因此相對而言，首端的溫度受負荷的影響較大，但總體而言機車密度較低時，負荷對首端和末端接觸網溫度或防冰效果的影響都可以忽略。在SVG容量可以滿足要求的前提下，可以適當提高防冰電流，使導線的溫度超過0 ℃，如設定導線溫度為1 ℃，能得到更好的防冰效果。

圖10 防冰系統投入前后，牽引網末端電壓對比

圖10所示為防冰系統投入前后牽引網末端電壓對比，投入后，SVG吸收感性無功，防冰電流使網壓有所降低，但降低幅度仍在允許范圍內，在機車負荷和防冰電流共同的作用下，牽引網末端電壓取值在安全范圍內，滿足供電電壓要求。

綜上所述，貴昆線電氣化鐵路投入在線防冰系統后，既可以實現在線防冰，同時可以保證供電質量，防冰系統投運到發揮效果的時間約15～20 min。

本算例中由于負荷較輕，牽引網末端電壓始終在24 kV以上，SVG工作在感性狀態。若負荷較重，SVG也可工作在容性狀態，并且可以在幾個周波內完成兩種狀態的切換[1]。

4 結束語

本文提出一種基于SVG的電氣化鐵路接觸網工頻在線防冰方案，通過在供電臂末端設置的SVG，控制接觸網流經的電流，在不影響行車的前提下實現在線防冰。防冰電流不僅受溫度、風速等環境因素影響，也要受牽引網網壓限定值的約束。同時負載電流對接觸網溫度的抬升貢獻有限，必須有持續的防冰電流，才能保證接觸網溫度穩定在冰點之上。

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