高速鐵路接觸網直流融冰技術

史國強

（中國國家鐵路集團有限公司運輸調度指揮中心，北京100844）

1 接觸網覆冰危害

覆冰是特定氣象條件下產生的冰凍現象。我國是輸電線路覆冰嚴重的國家，特別是2008年初發生的50年一遇的冰雪災害，導致南方10多個省市部分電力供應中斷，引發電氣化鐵路大范圍停電，給鐵路系統造成了巨大損失，只能臨時采用內燃機車擺渡維持運行，由此對國民經濟其他方面造成的損失更是難以估量［1］。

作為牽引供電系統的重要組成部分，接觸網直接裸露于空氣中，極易受氣候、地形等外部因素影響，在高寒、高濕地區覆冰現象頻發，嚴重影響鐵路安全運行［2］。通常情況下，電氣化鐵路由于列車運行時接觸導線中有電流通過不易結冰，所以接觸網覆冰概率較小，但由于我國“八縱八橫”高鐵網分布于眾多氣候帶及地質條件下，加之采用夜間天窗綜合維修方式，在相當長時間內沒有列車通過，當溫度在0℃上下浮動、濕度較大時，接觸導線極易出現覆冰現象。

1.1 對接觸網導線、承力索的危害

當接觸網覆冰質量超過設計最大值，迎風面面積過大，在風力作用下會發生振蕩、舞動，引發線索、連接部件、絕緣子等抽拖、折斷，嚴重時造成倒桿、斷線甚至塌網事故。接觸網覆冰分布不均勻時，不同部位溫度不同，造成覆冰融化程度存在差異，鄰近線索張力差會引發電氣安全距離不足等隱患。接觸網覆冰破壞弓網關系，造成弓網虛接，打壞受電弓滑板，嚴重時甚至會燒斷導線，引發大范圍設備損壞。2012年2月21日，原沈陽鐵路局萬家屯站7道，因電力機車停車位置處弓網均覆有冰霜，造成弓網間虛接，放電過程中將接觸線燒斷。2015年1月28日，原武漢鐵路局漢宜客專枝江北—荊州下行區段，持續發生接觸網加強線與回流線覆冰舞動現象，造成動車組列車取流不暢，拉弧嚴重。2019年春運期間，中國鐵路武漢局集團有限公司管內京廣、長荊、漢宜等線路出現接觸網覆冰，多列動車組列車受電弓風管遭擊打破損，對春運返程運輸秩序造成較大影響。

1.2 對絕緣設備的危害

覆冰極易引發絕緣設備電氣性能降低、泄漏距離縮短，造成絕緣子放電擊穿，而且絕緣子擊穿的故障點不易被發現，故障處理往往用時很長，大面積的絕緣子覆冰很難在短時間內消除，因此通常對運輸安全影響很大。2012年2月13日，原濟南鐵路局京滬高鐵泰安—曲阜東上行區段雪后覆冰，正饋線絕緣子擊穿。2013年3月11日，原烏魯木齊鐵路局蘭新線柴窩堡—達坂城上下行共計45.56 km的運營線路接觸網發生大面積絕緣子覆冰，用時近13 h才處理完畢。2016年4月30日，原烏魯木齊鐵路局蘭新高鐵遭遇強降雪，雪淞造成F線絕緣子大范圍閃絡放電。

2 接觸網防覆冰技術現狀

多年來，關于電力輸電線路和鐵路接觸網防覆冰技術，國內外研究成果較多。按照原理分類，主要分為熱熔除冰、機械刮冰兩大類，以及電子凍結、電暈放電等，其中只有7種除冰方法通過了校驗，包括4種熱力除冰和3種機械除冰方法。機械除冰即通過刮擦方式等刮掉表面覆冰。熱熔除冰被國內外認為是最有效的防覆冰技術，采用焦耳熱效應融冰原理，對電力輸電線路、鐵路接觸網通過電流加熱導線進行除冰［3］。對于電力變配電設備而言，世界首套直流融冰裝置于2006年在加拿大魁北克Levis變電站正式投產［4-5］。針對鐵路接觸網設備，目前主要的融冰方法是交流和直流熱熔除冰［6］，接觸網融冰裝置在俄羅斯、韓國已有實際應用。2008年后，我國京廣、哈大等高速鐵路也有類似裝置投入試驗運行。

電力輸電線路融冰技術已有很多成果，鐵路接觸網設備融冰技術正在加緊開展，兩者在設備結構、運行方式、電氣特性等方面存在諸多不同，需要區別分析研究。電力輸電線路負荷一般較為穩定或規律性較強，突變畸形波形不多，通過的大電流本身也具備一定熱熔除冰能力，除非出現2008年那樣的極端天氣，一般情況下覆冰不嚴重。鐵路接觸網作為電力機車（動車組）的動力來源，列車根據運行圖開行，不同線路、不同時段開行列車密度差異很大，接觸網通過的負荷是間歇性的，電流時斷時續、時大時小，列車運行密度低則更容易造成結冰。雖然鐵路接觸網允許一定覆冰存在，但容忍度較低，技術要求更加苛刻，重點是應該考慮覆冰引發弓網虛接，可能燒斷導線。在隧道口、高路基、高架橋等區段，風速大、溫度低，接觸網更容易發生覆冰［6］。

目前，我國鐵路大多采取加強管控的手段，當溫度在0℃上下浮動時，取消接觸網停電天窗維修作業，保證接觸網上持續通過電流，融化輕微覆冰。或者將人員鋪開巡查，發現覆冰隱患就及時要點處理［7］。也可采用人工除冰方法，熱滑電力機車（動車組）車頂安裝硬度大的不受流受電弓，在列車間歇時段不間斷來回運行，刮除接觸網覆冰［8］。上述方法需要投入大量人力和電力機車（動車組）資源，熱滑也不能完全保障遠端接觸網的融冰效果［9］。因此，深入研究不影響鐵路正常運行的在線融冰技術具有重要意義和工程價值。在此，提出一種直流融冰的解決方案。

3 直流融冰技術

3.1 技術原理

接觸導線的融冰技術原理是采用短路法，以牽引變電所為中心，通過特定的接線方式使變電所上下行供電臂形成閉合回路，從而融化覆冰。直流融冰技術利用沿線牽引變電所內變壓器輸出的27.5 kV交流電源作為輸入電源，基于絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），結合柔性直流輸電功能的移動式直流融冰裝置，經直流融冰裝置轉換成直流電進行接觸網融冰。直流融冰技術原理見圖1［7］。

圖1 直流融冰技術原理

直流融冰裝置具有良好的恒流特性，在負載變化時，可快速響應，確保電流穩定加熱。同時，其保護系統投入運行，對接觸網線路及設備進行保護。待融冰完成后，可根據一定操作規程退出接觸網直流融冰裝置。直流融冰具有以下優點:

（1）安全可靠。在天窗期間運行，無需考慮機車的運行狀態，不影響正常行車，與地回路無關聯，可減少對線路的干擾。

（2）效率高。受直流電特性作用，接觸網感性分量部分能基本消耗多余電能，因此裝置容量可減少到交流融冰裝置的1/6左右，容量小、能耗少，融冰效率有較大提升。

（3）可用范圍廣。融冰裝置的電源輸出電壓可調，無需進行阻抗匹配，有良好的恒流特性，可滿足不同長度線路的融冰要求，一定程度上不受供電臂長度的限制。

（4）機動靈活。集裝箱式直流融冰裝置可固定使用，也可吊裝，機動靈活，節省投資。

3.2 基本功能與技術指標

（1）直流融冰裝置應具備的基本功能為:具有對輸出功率進行連續或分級調節的功能，為接觸網提供穩態電流，對接觸導線進行加熱；具有完備、可靠的控制保護功能，如過電流保護、過電壓保護、欠電壓保護、接地故障保護、負載過溫保護、負載開路保護、系統超溫保護等；具有當地投切、功率調整、遠方監控及顯示、溫度在線監測、遠動操作控制及通信等功能；具有接觸網覆冰預警及提示裝置投入初始功率、投入運行時間等功能。

（2）使用環境條件如下:工作海拔:不超過1 000 m；工作環境溫度:-40～+40℃；地震烈度:不大于8度；風速:最大風速40 m/s；污穢等級:按IV級考慮。

（3）技術要求如下:額定輸入電壓:27.5 kV；設備最高工作電壓:31.5 kV；額定頻率:50 Hz；1 min工頻耐受電壓:不小于80 kV；雷電沖擊耐受電壓:不小于185 kV；過載能力:裝置中所有設備均能耐受所要求的連續或短時負荷能力，在電壓和電流超允許值時能進行保護，應滿足1.1倍過載能連續運行，1.2倍過載運行時間不低于10 s；平均無故障時間:不小于2 000 h；輸出功率:由供需雙方根據牽引供電系統負載能力、當地氣候條件、接觸網可能的覆冰厚度、融冰期望時間等協商確定。

直流融冰裝置在工作時，電流在接觸線、承力索之間分配計算結果見表1（以CTMH-150型接觸線、JTMH-120型承力索為例）。

表1 電流在接觸線、承力索之間分配情況

4 直流融冰裝置

采用沿線牽引變電所27.5 kV所用變壓器供電的直流融冰裝置宜采用集裝箱內布置方式，安裝在牽引變電所內。集裝箱主要設備包括:交流開關柜、陽極電抗器、無功補償設備（備選）、整流器、控制柜、直流刀開關等。導線及溫度在線監測裝置應采取可靠安裝方式，任何情況下不能影響正常行車。

直流融冰的電源裝置主電路為三相全控橋式整流電路，直流輸出端跨接續流二極管，交流輸入側帶保護裝置，其原理見圖2。晶閘管的導通順序為:VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6。當調整晶閘管的觸發角度時，輸出直流電壓相應改變，加載在阻感負載上的電流也相應改變，實現輸出電流的連續可調。

直流融冰裝置工作后，相關溫升曲線見圖3。

圖2 電源裝置主電路原理

圖3 溫升曲線

5 保護與控制系統

直流融冰裝置的保護系統為三級保護（見圖4）。

圖4 保護與控制系統

（1）一級保護。變電所和AT分區所增加一種“直流融冰運行方式”保護形式，因直流融冰裝置在本線維修天窗點進行試驗運行。根據各種電流、電壓的計算，進行整定保護計算，在既有變電所的綜合自動化系統保護裝置中增加1套適合“直流融冰運行方式”保護整定值，牽引變電所的饋線保護設置電流速斷保護作饋出線至融冰裝置交流進線側的線路保護，為主保護；設置過電流保護作融冰裝置保護的后備保護，以保護融冰裝置和接觸網的安全性。

（2）二級保護。在牽引變電所27.5 kV變壓器和陽極電抗器之間裝有10 kV高壓開關柜，當系統出現交流過壓、交流欠壓、交流短路、交流過流、整流變壓器出現內部故障時，發跳閘信號給該10 kV高壓開關柜，同時將跳閘信號送給整流控制系統封鎖脈沖以保護下級電氣設備。

（3）三級保護。整流變壓器的二次側每相都裝有電流互感器，同時裝有三相電壓互感器，電流互感器和電壓互感器的輸出信號送到整流控制系統，整流控制系統將實時監控變壓器二次側的電壓和電流，如出現交流過壓、欠壓、短路、過流時，發跳閘信號給交流進線的10 kV高壓開關柜，同時封鎖脈沖以保護下級電氣設備，并且三相電壓互感器的輸出信號還將作為整流器控制系統的同步信號。

6 融冰裝置投運前試驗項目

除按照相應標準完成單體設備試驗外，還應在融冰裝置構成系統后完成型式試驗、出廠試驗、現場試驗（見表2、表3）。

表2 型式試驗、出廠試驗項目

表3 現場試驗項目

7 結束語

接觸網融冰技術有待深入研究與探索，尤其在融冰電磁特性與兼容、溫度場、阻抗比值，以及提高經濟性、與鐵路安全運營緊密結合、盡快實現工程化應用等方面，應采取有效方法與措施，借助高科技研究成果，進一步解決接觸網覆冰問題，保障高速鐵路安全運行。