城市軌道交通架空接觸網(wǎng)防冰凍系統(tǒng)技術(shù)研究

李漢卿，吳愛艷，肖立君，沈 菊

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城市軌道交通架空接觸網(wǎng)防冰凍系統(tǒng)技術(shù)研究

李漢卿，吳愛艷，肖立君，沈 菊

針對(duì)城市軌道交通架空接觸網(wǎng)低溫條件下出現(xiàn)的問題，結(jié)合城市軌道交通的運(yùn)行特點(diǎn)，依托工程實(shí)際，通過理論計(jì)算和分析，提出了一種接觸網(wǎng)防冰凍系統(tǒng)主要思路及工作原理，該系統(tǒng)簡單有效，切實(shí)可行，對(duì)工程實(shí)施具有一定的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

城市軌道交通；接觸網(wǎng)；防冰凍系統(tǒng)

0 引言

2016年11月21日，天津津?yàn)I輕軌受低溫雨雪天氣影響，接觸線金屬表面附著大量因凍雨形成的冰凌，造成列車受電弓與接觸網(wǎng)間嚴(yán)重打火，列車輔助供電系統(tǒng)保護(hù)裝置動(dòng)作，導(dǎo)致正線多列運(yùn)營列車無法正常運(yùn)行。據(jù)統(tǒng)計(jì)，21日全天因雨雪天氣造成十列列車出現(xiàn)中途停車，大量乘客滯留，社會(huì)影響較大。近幾年來，國內(nèi)多條城市軌道交通地面或高架線路接觸網(wǎng)曾遭受冰凍的危害，嚴(yán)重影響了列車的正常運(yùn)行。因此，針對(duì)城市軌道交通供電系統(tǒng)直流供電制式的特點(diǎn)及牽引網(wǎng)系統(tǒng)組成，提出相應(yīng)的接觸網(wǎng)防冰凍系統(tǒng)方案，對(duì)于城市軌道交通架空接觸網(wǎng)安全及可靠運(yùn)營具有重要意義。

1 城市軌道交通的運(yùn)營特點(diǎn)

城市軌道交通按運(yùn)營時(shí)間段劃分，可分為白天正常運(yùn)營模式（5：00～23：30）和夜間停運(yùn)模式（23：30～次日5：00）。

城市軌道交通白天正常運(yùn)營時(shí)，接觸網(wǎng)帶電運(yùn)行，夜間停運(yùn)模式時(shí)，接觸網(wǎng)不帶電，為設(shè)備固定垂直維修天窗時(shí)段。

城市軌道交通在白天正常運(yùn)營時(shí)，由于接觸網(wǎng)電流的作用，接觸網(wǎng)出現(xiàn)覆冰的幾率很小。夜間停運(yùn)時(shí)，由于接觸網(wǎng)不帶電，在極端氣候條件下接觸網(wǎng)出現(xiàn)覆冰幾率明顯加大。

2 接觸網(wǎng)防冰凍系統(tǒng)相關(guān)仿真計(jì)算

根據(jù)既有研究成果，接觸線在環(huán)境溫度、濕度、和風(fēng)速相互作用下，達(dá)到一定條件時(shí)就會(huì)產(chǎn)生冰凍現(xiàn)象。為了防止接觸線出現(xiàn)冰凍，解決思路是打破接觸線產(chǎn)生冰凍的條件。在溫度、濕度及風(fēng)速3個(gè)條件中，人為易實(shí)現(xiàn)的操作措施是改變接觸線溫度。城市軌道交通接觸網(wǎng)是牽引供電系統(tǒng)向列車授流的導(dǎo)體，因此，可以利用電流加熱方式增加接觸線溫度。

通過接觸線的電流應(yīng)既能起到防冰凍的作用，又不能損害牽引網(wǎng)系統(tǒng)本身，不能對(duì)牽引網(wǎng)正常運(yùn)行和壽命產(chǎn)生任何負(fù)面影響。

城市軌道交通地上接觸網(wǎng)一般配置為雙接觸線+雙承力索，以天津津?yàn)I輕軌為例，其接觸網(wǎng)組成為2×CTA120（接觸線）+2×JT150（承力索）。依據(jù)Morgan公式，對(duì)單根接觸線電流進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。

接觸線和承力索在電氣上為并聯(lián)關(guān)系，兩者在接觸網(wǎng)中流通電流的分配與電阻成反比。為使每根導(dǎo)體均達(dá)到指定溫度，接觸網(wǎng)通入電流按滿足達(dá)到該溫度各導(dǎo)體所需最小電流取值。表2給出了各導(dǎo)體保持在指定溫度時(shí)，接觸網(wǎng)需通入電流的大小。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)顯示，接觸網(wǎng)保持5℃時(shí)，接觸網(wǎng)內(nèi)流通的電流為1 381 A，接觸網(wǎng)防冰凍系統(tǒng)的額定電流可按1 500 A考慮。

表1 單根接觸線保持不同溫度所需電流 A

表2 接觸網(wǎng)保持不同溫度所需電流 A

3 接觸網(wǎng)發(fā)熱功率和電能損耗

3.1 發(fā)熱功率（導(dǎo)體溫度為5℃時(shí)）

一行接觸網(wǎng)的交流電阻為3.18×10-5W/m，接觸網(wǎng)保持電流為1 381 A時(shí)的單位發(fā)熱功率約為60.8 W/m。

2根接觸線的并聯(lián)交流電阻為6.93×10-5W/m，接觸線保持電流為630 A時(shí)的單位發(fā)熱功率約為27.6 W/m。

根據(jù)天津津?yàn)I輕軌牽引供電系統(tǒng)配置（DC 1 500 V系統(tǒng)、2×3 000 kW整流機(jī)組），按上述條件計(jì)算防冰凍裝置容量配置約為2.1 MW，可覆蓋最大保護(hù)距離約34 km，折合正線長度約17 km。

3.2 電能損耗（導(dǎo)體溫度為5℃）

一行接觸網(wǎng)每小時(shí)電能損耗為60.8 kW·h/km。

4 防冰凍系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路及工作原理

4.1 接觸網(wǎng)防冰凍系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)思路

接觸網(wǎng)防冰凍系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)思路是運(yùn)營人員根據(jù)收集到的氣象信息，綜合判斷接觸網(wǎng)是否存在覆冰的可能以及是否需要投入防冰凍系統(tǒng)。若需要，則按照一定的操作程序?qū)⒔佑|網(wǎng)防冰凍系統(tǒng)接入，使接觸網(wǎng)導(dǎo)線中通過一定電流，以防止接觸網(wǎng)覆冰，同時(shí)接觸網(wǎng)防冰凍系統(tǒng)的保護(hù)系統(tǒng)相應(yīng)投入。運(yùn)行一定時(shí)間后，再經(jīng)一定的操作程序退出接觸網(wǎng)防冰凍系統(tǒng)，恢復(fù)接觸網(wǎng)正常供電模式。

4.2 接觸網(wǎng)防冰凍系統(tǒng)的主要工作原理

結(jié)合城市軌道交通的運(yùn)營特點(diǎn)及接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)特點(diǎn)，接觸網(wǎng)防冰凍系統(tǒng)的主要工作原理是在接觸網(wǎng)停電情況下，一般為夜間垂直天窗時(shí)段，將接觸網(wǎng)上、下行的接觸線作為防冰凍電流通路，利用在變電所設(shè)置的防冰凍直流正饋線回路和負(fù)回流回路實(shí)現(xiàn)防冰凍電流的饋出和返回，通過投入防冰凍裝置使接觸網(wǎng)上下行連通，從而構(gòu)成完整的接觸網(wǎng)防冰凍系統(tǒng)的電流通路。接觸網(wǎng)防冰凍系統(tǒng)回路方案如圖1所示。

圖1 接觸網(wǎng)防冰凍系統(tǒng)的回路方案

當(dāng)需要投入接觸網(wǎng)防冰凍系統(tǒng)時(shí)，先打開原變電所內(nèi)直流正饋線的斷路器和隔離開關(guān)，再閉合非掛接防冰凍系統(tǒng)裝置的牽引變電所內(nèi)的越區(qū)隔離開關(guān)（掛接防冰凍系統(tǒng)裝置的牽引變電所內(nèi)的越區(qū)隔離開關(guān)打開），最后投入防冰凍系統(tǒng)裝置，使接觸網(wǎng)上下行連通，并通過一定電流，電流流通使接觸網(wǎng)發(fā)熱以防止產(chǎn)生冰凍。

5 結(jié)語

城市軌道交通架空接觸網(wǎng)防冰凍系統(tǒng)接線及設(shè)備配置簡單、可靠易實(shí)施，是一套切實(shí)可行、簡單有效的技術(shù)方案。該防冰凍系統(tǒng)在城市軌道交通工程中具有一定應(yīng)用推廣價(jià)值和借鑒指導(dǎo)意義。

[1] 李漢卿. 一種針對(duì)客運(yùn)專線的接觸網(wǎng)防冰凍實(shí)施方案[J]. 電氣化鐵道，2010（4）：7-9.

[2] 馬國棟. 鐵道電氣化用牽引網(wǎng)懸掛導(dǎo)線載流量計(jì)算[J].電線電纜，1989（2）：40-43.

[3] 韓曉燕，黃新波，趙小惠，等. 輸電線路摩爾根載流簡化公式的初步研究[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2009，21（5）：92-96.

With respect to problems occurred on the overhead contact line system for urban rail transit under conditions of low temperature, with consideration of its operation characteristics, by means of practical engineering based theoretical calculation and analysis, the paper proposes main thoughts and working principles of a new type of OCS anti-icing and anti-freezing system, which is simple, practical, and worth for promotion and application in the engineering implementation.

Urban rail transit; OCS; anti-icing/freezing system

U231.8

B

1007-936X(2018)02-0053-02

2018-01-22

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.02.014

李漢卿.天津中鐵電氣化設(shè)計(jì)研究院有限公司，教授級(jí)高級(jí)工程師；吳愛艷，沈 菊.天津中鐵電氣化設(shè)計(jì)研究院有限公司，高級(jí)工程師；肖立君.天津中鐵電氣化設(shè)計(jì)研究院有限公司，工程師。