受電弓直流融冰技術(shù)研究

陳 惠，曹志華，曹楚君

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受電弓直流融冰技術(shù)研究

陳 惠，曹志華，曹楚君

以HXD3C電力機車上的DSA250型受電弓為研究對象，設(shè)計了一套受電弓直流融冰技術(shù)方案，分別從受電弓（升、降）融冰點、直流電源的選取、電氣布線、高低壓隔離、加熱設(shè)備等5個方面分析了該方案的可行性，并對受電弓直流融冰技術(shù)進行總結(jié)，提出該設(shè)計的優(yōu)缺點，對受電弓的設(shè)計及運行維護具有指導(dǎo)意義。

受電弓；直流融冰；電力機車

0 引言

受電弓是使電力機車從接觸網(wǎng)獲取電能的重要設(shè)備，安裝在電力機車車頂。受電弓在冬天的凍雨天氣極易覆冰，而受電弓在覆冰狀態(tài)下，可能會因升弓機構(gòu)凍結(jié)而失去彈性，導(dǎo)致無法正常升弓。若受電弓不能正常升弓受電，勢必會造成列車中斷運行，列車晚點，沿線車站旅客滯留，給人們的出行帶來極大的不便[1]。

1 常用除冰方法

為了克服覆冰問題，需對受電弓進行除冰。常見的除冰方法有機械除冰和熱力除冰。機械除冰是由檢修人員使用相應(yīng)的除冰工具（如錘子、榔頭等）在現(xiàn)場手工除冰，這是目前常用的除冰方法，也是最原始的方法。該方法可靠、經(jīng)濟，但操作復(fù)雜，受環(huán)境因素的影響較大。熱力除冰是利用電流通過導(dǎo)線時會產(chǎn)生焦耳熱的原理，焦耳熱使冰融化脫落，達(dá)到融冰的效果。常見的熱力除冰方法有短路交流融冰、短路直流融冰。由文獻[2]可知，短路交流融冰比較適合用于輸電線路上，受電弓最佳的熱力融冰方法是采用短路直流融冰。該方法可靠、經(jīng)濟、操作簡單，其原理如圖1所示。

圖1 直流融冰原理

2 直流融冰技術(shù)

本文以HXD3C電力機車上的DSA250型受電弓為例，設(shè)計了一套受電弓直流融冰技術(shù)方案，分別從以下5個方面分析該方案的技術(shù)可行性：（1）進行受電弓升弓機構(gòu)的受力點分析，根據(jù)受電弓的結(jié)構(gòu)，找出導(dǎo)致受電弓結(jié)冰時不能升弓的力矩點；（2）選取最經(jīng)濟實惠的直流電源類型；（3）根據(jù)電力機車的結(jié)構(gòu)，選擇最安全、可靠、經(jīng)濟的電氣布線方式；（4）設(shè)計合適的高、低壓電氣隔離方案；（5）根據(jù)結(jié)冰狀態(tài)，選取合適的加熱設(shè)備，保證能夠達(dá)到受電弓融冰的效果。

2.1 受電弓融冰位置的選取

受電弓是電力機車上直接受電的高壓電氣設(shè)備，對環(huán)境要求極高。由于受電弓有電流通過的熱力效應(yīng)現(xiàn)象，受電弓升弓取流時不會結(jié)冰。升弓機構(gòu)是升弓的關(guān)鍵，本文主要討論受電弓升弓前升弓機構(gòu)的融冰問題。DSA250型受電弓通過一組四臂連桿機構(gòu)底座、下臂、上臂及拉桿（上、下導(dǎo)桿）完成升弓，升弓的2個主要過程：（1）氣囊充氣推動下臂抬起；（2）通過拉桿的拉力，使上臂升起。在氣囊推動下臂抬起時，阻尼器調(diào)節(jié)下臂的抬升高度，使弓頭與接觸網(wǎng)接觸良好。在升弓過程中，阻尼器、下臂、上臂、上導(dǎo)桿、下導(dǎo)桿之間的連接點是力矩的傳遞點，也是受電弓升弓的關(guān)鍵部位，即受電弓直流融冰的位置，如圖2所示，有8個位置，共11處融冰點。

圖2 DSA250型受電弓升弓時的受力點

2.2 直流電源的選取

目前，直流融冰裝置的電源有2種基本形式：固定式和移動式。移動式直流融冰裝置的電源不固定在電力機車內(nèi)而是移動的，能夠為任一電力機車受電弓融冰，但費用較高，另外還需配置合理的接口，經(jīng)濟性不理想；固定式直流融冰裝置的電源固定在電力機車內(nèi)，即利用機車內(nèi)的DC 110 V蓄電池，操作簡單，且有備用的電源接口，能夠直接使用，但僅供本機車使用。

結(jié)合HXD3C電力機車的總體結(jié)構(gòu)布局以及蓄電池能夠完全提供受電弓融冰所需的能量等因素，直流融冰的電源選用電力機車上的DC 110 V蓄電池為最佳。

2.3 電氣布線

電氣布線也是受電弓直流融冰技術(shù)方案中非常重要的環(huán)節(jié)，需考慮電氣布線的安全性和可靠性，即需要將DC 110 V蓄電池電安全、可靠地連接于電力機車頂。通過現(xiàn)場調(diào)研并依據(jù)相關(guān)鐵路標(biāo)準(zhǔn)選擇最佳的電氣布線路徑：DC 110 V蓄電池備用接口?地板槽?側(cè)墻?線槽?升弓氣路板?車頂孔（需打孔2個）?車頂高壓接口?隔離開關(guān)?受電弓，如圖3所示。

注意事項：（1）車頂孔需密封良好，防止水氣泄漏進入機車內(nèi)；（2）因機車有雙弓，在電氣布線時需考慮前、后2路；（3）發(fā)熱電阻絲與受電弓的力矩傳遞點要緊貼，電線與受電弓也要緊貼。

圖3 直流融冰技術(shù)的電氣布線

2.4 高、低壓隔離方案

當(dāng)融冰完成，受電弓升起取流后，直流融冰的線路是緊貼在受電弓帶電體上的，如不進行安全隔離，受電弓上的25 kV高壓電將沿直流融冰線路傳送到DC 110 V蓄電池充電器上，將對電力機車上的設(shè)備造成損壞，嚴(yán)重影響電力機車的安全運行。

由于受電弓表面采用絕緣材料，且融冰升弓后，即使有電（交流），但壓降很小，不會對直流線路造成很大危害。所以該系統(tǒng)的電氣安全隔離主要是指高（交流）、低壓（直流）側(cè)之間的隔離，即直流融冰線路的隔離開關(guān)，且直流隔離開關(guān)需安裝于車頂，防止25 kV高壓電進入車廂造成危險。

雖然直接在車頂安裝高壓直流隔離開關(guān)能夠達(dá)到隔離電壓的效果，但所占空間太大，嚴(yán)重影響行車安全。在此，可借鑒汽車加油原理：（1）高壓接口箱與受電弓的距離需滿足安全要求；（2）當(dāng)受電弓取流時，直流電纜緊繞在受電弓底座上，防止受電弓取流時直流電纜上的高壓危險；（3）當(dāng)受電弓需融冰時，直流電纜延伸至高壓接口箱，與直流接口連接，完成直流融冰通路，如圖4所示。

圖4 直流融冰技術(shù)的高、低壓隔離方案

2.5 加熱設(shè)備的選取

加熱設(shè)備主要采用耐高壓的加熱電阻絲，但需選用相應(yīng)規(guī)格的電阻絲，即需要確定臨界融冰電流的大小。

假定冰塊為圓筒形狀。當(dāng)冰層內(nèi)表面溫度in= 0℃，且焦耳熱與冰層外表面的熱損失恰好相等時，冰層將處于融與不融的臨界狀態(tài)，設(shè)臨界融冰電流為c，可得臨界狀態(tài)的熱平衡方程為[9]

而圓筒形冰層的q、c可以表示為

賽里木鎮(zhèn)5村1組核桃園，供試驗嫁接核桃砧木為3年生實生核桃樹，嫁接品種為溫185，嫁接方法為6月25日在3年生枝條上進行方塊芽接技術(shù)。

將式（2）代入式（1），得

由式（4）可以求出冰層外表面的溫度為

將式（5）代入式（3）計算出融冰電流為

式（1）—式（6）中，i為冰層外表面溫度；為冰層外表面與空氣的熱交換系數(shù)；i為覆冰厚度；i為覆冰導(dǎo)線的半徑，m；q為圓筒形冰塊半徑，m；c為受電弓的半徑，m；為冰層的熱傳導(dǎo)率，= 2.22 W/(m·K)；T為導(dǎo)線在℃時的電阻率，W/m；c為融冰電流；a為空氣環(huán)境溫度。

3 結(jié)論

通過對受電弓直流融冰技術(shù)進行研究，并結(jié)合HXD3C電力機車的實際情況，得出以下結(jié)論：

（1）融冰位置不是固定的，因受電弓種類不同需進行具體分析。

（2）因假定的冰塊為圓筒形，加熱電流的計算分析存在一定誤差，但基本準(zhǔn)確，通過適當(dāng)延長加熱時間即可達(dá)到融冰效果。

（4）受電弓直流融冰技術(shù)為非標(biāo)技術(shù)，即未經(jīng)過中國鐵道科學(xué)研究院的型式試驗，實踐性有待進一步研究驗證。

[1] 劉剛，趙學(xué)增，姜世金，等. 架空電力線路防冰除冰技術(shù)國內(nèi)研究綜述[J]. 電力學(xué)報，2014（4）：335-342

[2] 楊秀余. 風(fēng)力發(fā)電機葉片電加熱防/融冰過程和冰層脫落條件分析[D]. 重慶大學(xué)，2015.

[3] 胡琴，楊秀余，梅冰笑，等．風(fēng)力發(fā)電機葉片臨界防冰與融冰功率密度分析[J]．中國電機工程學(xué)報，2015，35（19）：4997-5002

[4] 吳積欽．受電弓與接觸網(wǎng)系統(tǒng)[M]．成都：西南交通大學(xué)出版社，2010.

[5] 劉琨，劉念. 電力系統(tǒng)冬季除冰和防冰問題的研究[J].四川電力技術(shù)，2008，31（4）：39-42.

[6] 李剛，邰毅．電力系統(tǒng)較為常用的線路融冰方法[J]．科技與企業(yè)，2013（5）：275-275.

.[7] 申屠剛. 電力系統(tǒng)輸電線路抗冰除冰技術(shù)研究進展綜述[J]. 機電工程，2008，25（7）：72-75.

[8] 郭煥輝. 架空線路交流融冰技術(shù)的研究[D]. 華北電力大學(xué)，2015.

[9] 范松海. 輸電線路短路電流融冰過程與模型研究[D]. 重慶大學(xué)，2010.

With DSA250 pantograph on HXD3C electric locomotive as the object of research, a technical scheme of ice melting by pantograph DC short circuit current is prepared, the paper analyzes feasibilities of the scheme in terms of 5 aspects of ice melting point of pantograph (raising or dropping), selection of DC power supply, electric wiring, isolation between high voltage and low voltage and heating equipment, summarizes the pantograph DC ice melting technology, lists out the advantages and disadvantages of the scheme, providing a reference for design, operation and maintenance of pantograph.

Pantograph; DC current ice melting; electric locomotive

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.05.014

U225.4

A

1007-936X(2017)05-0060-03

陳 惠.湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，副教授，研究方向為鐵道供電技術(shù)；曹志華.湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，助教；曹楚君.湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師。

湖南省教育廳科學(xué)研究項目（15C0318）。

2017-01-15