電氣化鐵路接觸網(wǎng)雨凇覆冰厚度預(yù)測模型

于曉英

摘要 本文主要分析了電氣化鐵路接觸網(wǎng)雨凇覆冰形成的基本機理，同時也融入了雨凇覆冰自然增長模型與電熱融冰熱平衡方程，并充分考慮了牽引電流大小及其持續(xù)時間對覆冰厚度的影響，建立了預(yù)測模型，為后續(xù)接觸網(wǎng)覆冰研究提供了一定的研究基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】電氣化鐵路 接觸線雨凇覆冰 厚度預(yù)測 模型 計算

本文建立了符合電氣化鐵路接觸網(wǎng)及雨凇覆冰特點條件的覆冰預(yù)測模型，希望借此減小傳統(tǒng)預(yù)測模型所產(chǎn)生的誤差，有效提高接觸網(wǎng)防冰及除冰工作效率。

1 接觸網(wǎng)雨凇覆冰的基本形成機理

接觸網(wǎng)雨凇覆冰是由O℃以下冷空氣結(jié)合雨水凍結(jié)所形成的透明冰層，它在樹枝或?qū)Ь€位置會結(jié)成較粗的冰筒，這就是雨凇覆冰。換言之，雨凇覆冰就是凍雨覆冰，它的密度大且附著力強，會對接觸網(wǎng)線本身帶來巨大危害。

影響接觸網(wǎng)雨凇覆冰的外界因素有很多，例如氣象條件、接觸線牽引電流、微地形、電流持續(xù)時間等等，它們都會在不同程度上影響接觸網(wǎng)覆冰效果。當(dāng)接觸網(wǎng)嚴重覆冰以后，接觸網(wǎng)接觸線表面溫度首先就會受到負荷電流影響，進而影響到接觸線覆冰量。如果電流偏小，接觸線會產(chǎn)生焦耳熱，但其熱量無法保證接觸線表面溫度持續(xù)維持在O℃以上，而且由于受到電場影響，接觸線覆冰量也會不斷增加。如果接觸線負荷電流偏大，接觸線所產(chǎn)生的焦耳熱會使得接觸線表面溫度維持在O℃以上，此時即使冷卻水與導(dǎo)線碰撞，也不會產(chǎn)生雨凇覆冰。

另外，接觸網(wǎng)牽引電流也是會受到雨凇覆冰因素影響的，例如在相對運輸繁忙的區(qū)段，接觸線中持續(xù)存在較大牽引電流，此時所產(chǎn)生的熱量偏大，會在一定程度上阻礙雨凇覆冰形成。反之如果該區(qū)段停運，牽引電流持續(xù)時間偏短，所產(chǎn)生熱量偏小，形成的雨凇覆冰量就會增大。

2 電氣化鐵路接觸網(wǎng)覆冰厚度的預(yù)測模型建立與計算分析

電氣化鐵路牽引變電的電能通過接觸網(wǎng)輸送到電力機車中，為電氣化鐵路提供運輸動力。如上文所述，這種特殊的牽引供電方式也決定了接觸網(wǎng)中的接觸線是否會形成雨凇覆冰，以及其覆冰厚度。以下建立了接觸網(wǎng)雨凇覆冰的厚度基本預(yù)測模型，以尋求雨凇覆冰厚度的有效計算過程。

2.1 雨凇覆冰厚度預(yù)測模型建立基本條件

首先假設(shè)接觸網(wǎng)接觸線會形成雨凇覆冰，進而假設(shè)以下基本指標。

凍結(jié)系數(shù)為1，雨凇冰的密度則為0.8g-0.9g/cm3，水的密度為l.Og/cm3;

將接觸線假設(shè)為無限長圓柱體，其半徑為R;

在模型構(gòu)建前忽略接觸線與周圍空氣所產(chǎn)生的對流交換熱量，即假設(shè)接觸線所產(chǎn)生的熱量均為牽引變電所產(chǎn)生的焦耳熱;

不考慮冰水分界面位置，假設(shè)接觸網(wǎng)的溫界面溫度為O℃;

假設(shè)接觸線通過電流保持發(fā)熱均勻，整個導(dǎo)線電阻恒定。

2.2 雨凇覆冰厚度預(yù)測模型的基本計算流程

該預(yù)測模型的重要計算指標就包括了牽引電流等效融冰厚度，牽引電流發(fā)出的焦耳熱量，它應(yīng)該與所融化的冰筒融化所吸收的熱量相等，因此這里可以首先給出牽引電流焦耳熱與接觸網(wǎng)覆冰融冰的準熱量平衡方程表達式，如下：

基于上述接觸網(wǎng)雨凇覆冰等效融冰厚度的計算公式，就進一步計算它的自然覆冰增長厚度，將該計算出厚度與接觸網(wǎng)牽引電流等效融冰厚度相減，所得出的差就應(yīng)該為接觸網(wǎng)接觸線雨凇覆冰的最終預(yù)測厚度，如下：

△R=△R1一△R2

2.3 接觸網(wǎng)雨凇覆冰厚度計算的結(jié)果分析

通過上述一系列計算流程，得出電氣化鐵路接觸網(wǎng)接觸線部分的雨凇覆冰預(yù)測厚度，它的整體計算流程應(yīng)該如下：

參數(shù)在線監(jiān)測（看是否滿足覆冰氣象條件）一一分析凍雨持續(xù)時間和相關(guān)氣象參數(shù)一一分析牽引電流焦耳熱量與電流持續(xù)時間一一構(gòu)建接觸網(wǎng)雨凇覆冰預(yù)測模型一一計算覆冰厚度一一計算等效融冰厚度一一結(jié)合覆冰厚度與等效融冰厚度得出最終覆冰預(yù)測厚度

在最初的在線監(jiān)測系統(tǒng)操作過程中，應(yīng)該為后期的接觸網(wǎng)雨凇覆冰厚度計算提供足夠參數(shù)，這其中就包括了在線監(jiān)測系統(tǒng)中所需要監(jiān)測的外部氣溫、風(fēng)速、降水率、冰筒表面溫度、凍雨持續(xù)時間、牽引電流及其焦耳熱量、牽引電流持續(xù)時間等等。并根據(jù)實際氣象狀況來判斷接觸網(wǎng)、接觸線是否已經(jīng)覆冰，判斷未來能否產(chǎn)生覆冰，如果覆冰，則按照上述一系列模型構(gòu)建過程與計算過程來預(yù)測雨凇覆冰厚度。

通過上述計算得到仿真結(jié)果，在時間0到之內(nèi)t1，如果牽引電流I一直存在，那么就會產(chǎn)生焦耳熱，可由焦耳熱來計算出融化冰簡體積，再進一步對融化冰筒的厚度進行求解，也就是計算牽引電流的等效融冰厚度。假設(shè)接觸線從最初初始狀態(tài)到自然覆冰狀態(tài)為1h，那么接觸線的實際覆冰厚度就應(yīng)該等于自然覆冰厚度與牽引電流存在時間內(nèi)等效融冰厚度二者之差。當(dāng)牽引電流越大時，焦耳熱量存在的持續(xù)時間越長，接觸線的實際覆冰厚度越小。反之，則接觸線的實際覆冰厚度越大。

3 總結(jié)

綜上所述，有關(guān)電氣化鐵路接觸網(wǎng)、接觸線的覆冰厚度預(yù)測就涉及到牽引電流、焦耳熱量以及牽引電流持續(xù)時間，基于上述指標構(gòu)建接觸網(wǎng)雨凇覆冰厚度預(yù)測模型，就可以預(yù)測它的實際覆冰厚度，從某種程度可有效避免接觸網(wǎng)、接觸線雨凇覆冰現(xiàn)象，提前做好除冰準備工作。這對電氣化鐵路中列車的安全運行具有相當(dāng)高的指導(dǎo)價值。

參考文獻

[1]王健，王瑋，屈志堅等，電氣化鐵路接觸網(wǎng)雨凇覆冰厚度預(yù)測模型研究[J].電氣化鐵道，2014 （01）：21-24.

[2]孫軒.電氣化鐵路接觸網(wǎng)防冰融冰技術(shù)研究[D].西南交通大學(xué)，2012.