關于電氣化鐵路接觸網在線防冰技術的研究

陳潔

摘 要：鐵路作為主要的交通工具之一，在國民經濟發(fā)展和人員集散等方面發(fā)揮了重要作用。接觸網是電氣化鐵路沿線上空架設的輸電線路，主要作用是為電氣機車的正常運行提供電能。由于接觸網長時間暴露在空氣中，在惡劣的自然條件下接觸網發(fā)生故障的概率也會相應增加。在冬季低溫環(huán)境下，接觸網表面容易覆蓋冰層，一方面是增加了輸電線路的壓力，加上低溫導致線路脆性增加，存在輸電線路斷裂的隱患；另一方面是導致電弓無法正常取流，電氣化鐵路電力系統的正常運行也會受到影響。探究接觸網在線防冰技術，也成為保障電氣化鐵路安全運行的重要措施。

關鍵詞：電氣化鐵路；接觸網；覆冰；防冰技術

中圖分類號：TM922.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）22-0167-02

1 接觸網覆冰類型

1.1 干雪

干雪質輕且松散，正常情況下不易在接觸網線路上堆積。但是當中午氣溫小幅度回升后，接觸線路的積雪會率先融化。由于冬季氣溫較低，積雪融化速度緩慢，進入夜晚后，氣溫重新回落，融合的雪水會重新結冰，附著在接觸網線路上，形成一層包裹在線路外圍的覆冰。另外，在重力作用下，在接觸網線路下放還會形成一定長度的冰凌，導致線路所受的壓力增加，嚴重情況下還會導致線路斷裂。影響正常供電。

1.2 白霜

在秋、冬季空氣濕度較大的早晨，空氣中的水分與0℃以下的接觸網接觸后，會在接觸網表面冷凝成一層白霜。白霜對接觸網的危害相對較小，一方面是由于白霜的粘結性較差，在受到震動或風力吹動時，附著在接觸網表面的白霜會大比例的脫離；另一方面，白霜的冰點較低，只要溫度在0℃以上，白霜會迅速融化。

1.3 雨凇

在低海拔的沿海地區(qū)，空氣濕度較大，冬季容易出現凍雨。冰雨的持續(xù)時間較短，低溫環(huán)境下，附著在接觸網表面的雨滴會結冰，形成覆冰；在0℃以上的環(huán)境下，雨滴會逐漸蒸發(fā)、消失，不會形成覆冰。

2 電氣化鐵路接觸網防冰技術

線路覆冰是電氣化鐵路經常遇到的病害類型之一，例如2008年春季，我國南方多個省份都出現了嚴重的冰凍災害，線路覆冰一度導致南方多省電力中斷，鐵路運輸也受到了很大的影響。因此，不斷創(chuàng)新接觸網防冰技術，也成為保障電氣化鐵路正常和安全運行的關鍵。目前國內外常用的電氣化鐵路接觸網防冰、除冰技術有以下幾種。

（1）機械除冰。在歐洲一些國土面積較小、鐵路通車里程較短的國家，常使用機械除冰方式。方法是在受電弓前端安裝除冰裝置，在電車行駛速度在200km/h以下時，可以使用機械除冰，有一定的效果。但是在高速鐵路中，機械除冰方式受到了很大限制。（2）防凍劑除冰。在電氣化鐵路接觸網線路的表面，涂抹一定防凍劑或防冰機，可以有效避免覆冰問題的形成。主要原理是增加接觸網線路的疏水性，雨雪等不易在線路上堆積，從而達到防冰目的。（3）熱熔除冰。日本在電氣化鐵路接觸網除冰方面也掌握了比較先進的技術，在接觸網線路上增加電熱絲，通電后利用電熱絲產生的熱量，可以防止覆冰的形成。雖然熱熔除冰的理論效果比較理想，但是在實際應用中也存在諸多技術問題，例如電流過大會導致電熱絲熔斷。（4）直流大電流熱力融冰。我國自2010年開始，用直流大電流熱力融冰方法進行電氣化鐵路接觸網除冰。雖然初步取得了一定的應用效果，但是仍然存在許多技術問題，例如防冰裝置仍然受到行駛速度的限制。在這種情況下，提出了以在線防冰為主、融冰為輔的電氣化鐵路接觸網除冰技術。

3 接觸網在線防冰的數學模型

簡單來說，接觸網防冰是在可以形成覆冰的環(huán)境下，通過消除形成覆冰的必要條件，達到防冰目的。例如，通過增加接觸網線路電流值，借助于電流的熱效應，可以使接觸網的溫度始終在冰點以上，從而防止接觸網導線覆冰。但是由于外界溫度處于動態(tài)變化的狀態(tài)，在線防冰既要達到防止覆冰形成的效果，又要控制好電流大小，避免電流過大產生過多的熱量。為了實現動態(tài)控制，就需要引進在線監(jiān)測和控制系統，將前端收集到的信息反饋給計算機，經過熱量計算后動態(tài)調控電流值，將接觸網導線的溫度始終控制在臨界值。

在建立接觸網在線防冰模型時，確定接觸網防冰臨界電流是關鍵。可以通過建立熱平衡方程進行計算。電氣化鐵路接觸網在線防冰的熱平衡方式為：

ΦF+ΦJ+ΦV+ΦK+ΦI=ΦC+ΦE+ΦW+ΦS+ΦR

上式中，ΦF為空氣與接觸網摩擦時，釋放出的熱量；ΦJ為接觸網通電時，電流熱效應釋放的熱量；ΦV為附著在接觸網導線表面的小水滴凝結時釋放的熱量；ΦK為小水滴的動能損失；ΦI為水滴碰撞接觸網線路時動能轉化的熱量；ΦC為對流熱損失；ΦE為覆冰升華時的熱損失；ΦW為小水滴從冰點溫度上升到冰面穩(wěn)態(tài)溫度吸收的熱量；ΦS為接觸網導線輻射熱損失；ΦR為水滴從導線表面流走時帶走的熱量。

當電氣化鐵路接觸網上通入大電流后，整個接觸網中導線生成的熱量會遠遠超出散失的熱量，對比之下，上式中的ΦV、ΦI、ΦK等由于數值較小，可以忽略。經過簡化后，上述公式可以進行化簡：

ΦJ=ΦC+ΦE+ΦW+ΦS

基于該公式可以建立接觸網防冰模型。在接觸網的導線上安裝多個溫度監(jiān)控元件、電流感應元件，動態(tài)的收集前端的數據。計算機將這些反饋數據，輸入到防冰數學模型中，可以計算出使上述公式保持動態(tài)平衡的電流值。通過控制電流的大小，既可以確保電流產生的熱量，足夠使接觸網表面的覆冰無法形成；同時又可以避免電流過大，影響接觸網的正常運行。

4 接觸網防冰與融冰策略

4.1 并聯電抗器防融冰

早期的在線融冰技術中，主要采用交流電提供融冰的熱量，這種融冰方式的優(yōu)點主要有兩方面：其一是不需要在接觸網上額外安裝變壓器，無形中節(jié)省了成本；其二是直接使用牽引變壓器作為融冰電源，在操作上也更加靈活和方便。但是交流融冰方案在實際應用中也存在一些問題，例如串聯線路不能使接觸網形成回路，接觸網電流的熱效應不理想等。針對這一問題，提出了基于并聯電抗器防融冰的技術措施。目前從技術上來看具有可行性的方案有兩種：方案一是借助于并聯線路，在電氣化鐵路接觸網上構建融冰回路。這樣就可以提供持續(xù)的電流，提升了融冰效果；方案二是在電氣化鐵路的上、下行接觸線上組建融冰回路。這樣既可以單獨融冰，也可以上行線與下行線并聯融冰。

需要注意的是，在完成并聯電抗器融冰系統后，還要充分考慮到電流大小對承力索產生的影響。需要對電流閾值進行科學設定，使電流最大波動值保持在承力索的安全接受范圍內。電流閾值的調整，可以通過增加或減小電抗器的數值來完成。影響電抗器阻抗值大小的參數有線路長度、牽引變壓器容量、接觸網運行方式等，技術人員在調節(jié)并聯電抗器的電流閾值時，也要充分結合這些影響要素。

并聯電抗器防融冰技術在實際應用中，具有明顯的優(yōu)勢，例如可以人為選擇限流電抗器，在后期使用時可以靈活的調節(jié)電抗值，進而實現了對接觸網導線電流大小的靈活控制，保證了防冰效果。此外，電抗器采用并聯方式，與接觸網相連，這樣還能夠減輕接觸網運行負荷，對提高接觸網的防冰與除冰效果也有一定作用。但是并聯電抗器也有一些缺點需要通過技術創(chuàng)新進行優(yōu)化，例如每次重新設置或調整電流后，都需要切換斷路器開關狀態(tài)，頻繁的切換會縮短斷路器的使用壽命。如果斷路器出現故障，開關不能閉合，也會影響接觸網防冰效果。此外，并聯電抗器仍然不能起到穩(wěn)定電流的效果，電流波動會對系統帶來沖擊影響。

4.2 SVC靜止無功補償器

使用補償設備也可以達到電流控制的效果，也是現階段接觸網防冰、融冰中應用較為廣泛的技術措施。目前鐵路部門常用的補償設備有TCR、MSC以及SVC。不同種類的補償設備，在適用環(huán)境、電流控制效果等方面均有一定差異。本文重點介紹SVC靜止無功補償器。首先，技術人員要明確電氣化鐵路接觸網對于防冰、融冰要求，進而根據要求設計方案。尤其是對于分布面積廣泛、結構較為復雜的接觸網，為了兼顧防冰效果和技術成本，需要提高設計方案的科學性，并在后期施工中嚴格遵循方案內容和技術標準，提高接觸網的使用效果。

SCV主要由以下四個模塊組成：

（1）TCR基波電流參考計算，根據裝置的無功電流需求，計算其中的TCR基波電流參考值。（2）觸發(fā)延遲角計算：模擬電路方法；數字電路方法；微機處理方法。（3）同步定時：向脈沖控制提供同步基準信號，它與輸入交流電壓頻率相同。（4）晶間管觸發(fā)脈沖發(fā)生器：根據觸發(fā)延遲角計算結果，產生晶閩管觸發(fā)口極觸發(fā)脈沖。通過控制，FC-TCR型SVCC能向接觸網提供滿足防冰、融冰電流要求的無功電流，保證接觸網達到防冰、融冰的要求。

4.3 SVG靜止同步補償器

SVG防冰、融冰的基本原理是將自換相的橋式電路通過電抗器或者直接并聯接觸網上，對橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值進行適當地調節(jié)，或者對其交流側電流進行直接控制，送樣就可使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，動態(tài)補償的目的就能得以實現。設接觸網電壓和SVG輸出的交流電壓分別用U0和U1表示，則連接電抗器X上的電壓U2即為U0和U1的向量差。因此，改變SVG交流側輸出電壓U1的幅值及其相對于接觸網U2電壓的相位，那么連接電抗器X上的電壓就得以改變，從而控制SVG從接觸網吸收電流的相位和幅值，SVG吸收無功功率的性質和大小也就得到了控制。

SVC和SVG相比來說，SVC側重于通過調整電抗器的輸出功率，來達到控制電流熱效應的目的，因此在防冰和融冰操作上更加靈活。SVC的輸出功率與電壓為正比例關系，當接觸網中電壓或電流增加時，輸出功率也會隨之上升。而SVG的輸出功率則具有穩(wěn)定性，受電壓或電流的影響相對較小。從這一方面來看，對于電壓波動較大的接觸網，采用SVG的防冰效果更理想。因此，在實際選擇在線防冰技術時，也要充分考慮電氣化鐵路的實際情況以及防冰需要，進行科學選擇，保證應用效果的最優(yōu)化。

5 結語

受近年來氣候異常的影響，我國多地發(fā)生了電氣化鐵路接觸網覆冰情況，不僅造成了經濟損失，而且也直接影響了鐵路的正常運行。特別是在春運期間，一旦因為接觸網覆冰導致鐵路運行受阻，還將引發(fā)一系列的社會問題。因此，關于電氣化鐵路接觸網防冰與除冰技術的研究也得到了高度重視。以在線防冰技術為主，以除冰方式為輔，可以極大的提高接觸網防冰效果，保障電氣化鐵路的運行安全。

參考文獻

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