城市軌道交通接觸網在線防融冰技術研究

劉若飛 肖梓林 黃文勛 魏 光

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043）

接觸網為電力機車輸送電能，是城市軌道交通牽引供電系統的關鍵組成設備。由于露天、沿軌道線路架設且無備用的特點，接觸網工作性能易受外部條件的影響，尤其是冬季低溫、雨雪等天氣條件下，高架、場段區間接觸網容易造成大面積覆冰問題，導致電力機車取流受限，甚至引起導線舞動斷裂，嚴重影響城市軌道交通的安全運行[1-3]。

針對接觸網覆冰問題，常用的除冰技術主要有機械破冰、化學藥劑、熱力除冰等[4-5]。但上述接觸網融冰方式無法良好地兼顧持續有效、經濟易實施及減少對接觸網性能影響。因此，利用大電流熱力融冰方式，結合城市軌道交通牽引供電系統的結構與組成，本文提出一種基于中壓回饋裝置的接觸網在線防（融）冰技術方案，其利用中壓回饋裝置的可控輸出特性、雙向能量流動的優勢，使防（融）冰電流在接觸網和中壓環網間形成回路流動產生焦耳熱，進而達到接觸網在線防冰的目的。

基于上述方案，文中首先分析了接觸網的覆冰特性及防（融）冰機理，然后給出了接觸網防（融）冰電流計算公式，接著提出了接觸網防（融）冰技術方案，最后建立了接觸網覆冰在線監測系統。

1 接觸網覆冰特性及防（融）冰機理分析

1.1 導線覆冰分類與性質

導線覆冰按照密度分類有雨凇、霧凇、混合淞及雪幾種；按照覆冰增長過程分類有干增長和濕增長。

1.2 導線覆冰條件分析

1.2.1 導線覆冰的影響因素

導線覆冰主要受地理分布、氣象條件、海拔高度及導線自身等因素影響。

1.2.2 覆冰的形成條件

導線覆冰的形成條件包含：

a.具備凍結水滴的外界溫度和導線表面溫度，一般在0℃以下。

b.具備較高的空氣相對濕度，通常在85%以上，作為導線覆冰的水來源。

c.具備相應的風速，通常在1～l0m/s，使空氣中的過冷卻水滴或云霧與導線碰撞被捕獲，進而形成覆冰。

1.3 接觸網覆冰過程及模型

接觸網覆冰是空氣中過冷卻水滴與接觸導線碰撞而出現的物理現象[6]。即，受0℃以下環境溫度與風力共同作用，空氣中大量的過冷卻水滴或云霧碰撞接觸導線并被捕獲，最終經熱傳導散熱在導線表面形成覆冰。

圖1 過冷卻水滴碰撞圓柱形導線示意圖

1.4 臨界融冰電流

結合導線覆冰時的熱平衡方程，可以構建導線防（融）冰的物理數學模型[7]。接觸網導線流經電流產生焦耳熱，熱量傳遞至冰層，冰層表面受熱輻射和對流與外界環境發生熱傳遞。其中，導線表面溫度最高，沿著冰層溫度逐步下降，離冰層表面足夠遠處為環境溫度。融冰的臨界狀態溫度場圖如圖2 所示。

圖2 融冰的臨界狀態溫度場圖

由上圖可知，導線融冰包含導線與冰層、冰表面與空氣兩個熱交換過程。當兩個熱交換過程達到平衡時，焦耳熱產生的熱量剛好處于臨界融冰狀態，該時刻的融冰電流定義為接觸導線融冰的臨界電流。因此，依據融冰臨界電流的定義可知，可以使通過接觸網導線電流大于融冰臨界電流來實現防（融）冰的目的。

2 接觸網防（融）冰電流計算

接觸網大電流防（融）冰基本原理是將覆冰接觸網視作負荷，施加電源，當接觸網流過電流產生的焦耳熱多于融冰耗熱量和散熱量總和時，接觸網覆冰融化。因此，接觸網融冰電流的選擇應該介于最小融冰電流和最大融冰電流之間，同時充分考慮融冰電流與時間的關系特性、融冰電源容量等因素，選擇合理大小的融冰電流，實現融化覆冰且減少融冰時間和能耗。

2.1 防結冰電流計算

防結冰電流定義為相應外界條件下滿足導線不覆冰所需的最小電流，計算如下：

式中：Ib- 防結冰電流；R0-0℃時導線單位長度電阻，Ω/m；v- 風速，m/s；d- 導線直徑，cm；εi- 輻射系數；t1-導線溫度；t2- 外界溫度。

2.2 最小融冰電流計算

最小融冰電流定義為相應外界條件下滿足導線覆冰融化所需的最小電流。該電流下融冰所需時間最長，計算如下：

式中：Imin- 最小導線融冰電流，A；Δt- 導線與外界環境的溫差，℃；RTO- 冰層等效傳導熱阻，℃·cm/W；RT1-輻射、對流等效熱阻，℃·cm/W；D- 覆冰后導線外徑，cm；λ- 導熱系數，W/cm·℃；霧凇取0.12×10-2，雨凇取2.27×10-2。

2.3 最大融冰電流計算

最大融冰電流定義為相應外界條件下融冰過程中短時達到導線允許溫度所需的最大電流，計算如下：

式中：Imax- 最大融冰電流，A；R90- 導線溫度為90℃時的單位長度電阻，Ω/m。

2.4 融冰電流計算

融冰電流定義為相應外界條件下使覆冰導線融化所需的電流，計算如下：

式中：Ir- 融冰電流，A；Tr- 融冰時間，h；go- 覆冰相對密度，g/cm3，一般取0.9；b- 覆冰厚度，cm。

3 接觸網防（融）冰方案設計

利用大電流熱力融冰方式，結合城市軌道交通牽引供電系統結構與組成，本文提出一種基于中壓回饋裝置的接觸網在線防（融）冰技術方案，該方案充分利用中壓回饋裝置的可控輸出特性、雙向能量流通的優勢[8]，采用整流機組和中壓回饋裝置之間的不同組合，在中壓環網與接觸網之間形成不同的能量循環回路，在接觸網導線產生焦耳熱來融化覆冰。根據實際情況，本節劃分了如下四種能量循環回路。

3.1 整流機組與中壓回饋裝置間能量循環

該方式下能量循環回路示意如圖3 所示。牽引所1的整理機組運行于整流模式為接觸網提供直流電源，牽引所2 的中壓回饋裝置運行于逆變模式將電流回饋至中壓環網形成回路。其中，牽引所1 與牽引所2 之間即為接觸網防（融）冰區段。

圖3 整流機組與中壓回饋裝置間能量循環回路示意圖

由于目前大部分運行的中壓能饋裝置僅工作于逆變回饋功能，因此上述方式適用于現階段的防冰系統。

3.2 中壓回饋裝置之間能量循環

該方式下能量循環回路示意如圖4 所示。牽引所1中壓回饋裝置運行于整流模式為接觸網提供直流電源，牽引所2 中壓回饋裝置運行于逆變模式將電流回饋至中壓環網形成回路。其中，牽引所1 與牽引所2 之間即為接觸網防（融）冰區段。

圖4 中壓回饋裝置之間能量循環回路示意圖

中壓回饋裝置由于其可控輸出特性、雙向能量流通特性逐漸成為城軌牽引供電系統的發展方向，因此上述方式適用于可實現雙向變流的中壓回饋裝置的防冰系統。

3.3 三個牽引所雙邊能量循環

該方式下能量循環回路示意如圖5 所示。當接觸網防（融）冰區間較長時，接觸網上防（融）冰電流通過會出現較大電壓降落，影響中壓回饋裝置穩定運行。因此，提出三個牽引所雙邊能量循環方案，牽引所2 整流機組運行于整流模式為接觸網提供直流電源，牽引所1 和牽引所3 中壓回饋裝置均運行于逆變模式將電流回饋至中壓環網形成回路。其中，牽引所1 與牽引所3 之間即為接觸網防（融）冰區段。

圖5 三個牽引所雙邊能量循環回路示意圖

3.4 三牽引所單邊能量循環

該方式下能量循環回路示意如圖6 所示。在困難條件下，牽引所的中壓回饋裝置由于容量有限不能適應接觸網的防（融）冰電流的需要，可采取多個牽引所的協同工作來實現接觸網防（融）冰電流的需要。以三個牽引所為例分析，牽引所1 整流機組運行于整流模式為接觸網提供直流電源，牽引所2 和牽引所3 中壓回饋裝置運行于逆變模式將電流回饋至中壓環網形成回路。其中，牽引所1 與牽引所3 之間即為接觸網防（融）冰區段。

圖6 三牽引所單邊能量循環回路示意圖

4 接觸網覆冰監測（預警）系統

接觸網覆冰監測（預警）系統如圖7 所示，主要包含監控層、網絡層、數據庫及客戶端。其可以對接觸網導線溫度、運行環境進行實時監測；利用智能化視頻識別算法、覆冰計算模型，在線自動監測、預警接觸網覆冰情況；采取多種接口方式，與路內其他監測系統實現融合。

圖7 接觸網覆冰監測（預警）系統示意圖

其中，數據庫專家系統依據現場監測環境參數對接觸網覆冰進行預判；在確認接觸網覆冰后，專家系統根據現場監測環境參數、覆冰厚度等參數，為運營維護單位提供輔助的接觸網防（融）冰投切預案。

5 結論

針對城市軌道交通接觸網覆冰問題，本文分析了接觸網的覆冰特性及防（融）冰機理，給出了接觸網防（融）冰電流的計算公式，并結合城市軌道交通牽引供電系統結構與組成，提出了一種基于中壓回饋裝置的在線防（融）冰技術方案，該方案無需額外新增設備，且提高了中壓回饋裝置利用率，具有控制靈活，可靠性高的優點，最后構建了接觸網覆冰監測（預警）系統，實現在線自動監測和預警功能。