電氣化鐵路接觸網防冰除冰技術綜述

中圖分類號：U226.8 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）19-0176-04

Abstract：Aselectrifiedrailwaysextendintoregionssusceptibletosevereicing，frequenticingincidentshaveposed significantchalengestorailwaysafety.Thispaperpresentsacomprehensivereviewofanti-icing，monitoring，anddeicing technologiesforcatenarysystems.Thispaperdelvesintoanti-icingstrategies，includinganti-icingcoatings，citicalcurnt methods，andphysicalpropertyaproaches.Additionallthepaperexaminesicingpredictionandonlinemonitoringtechnologies， leveragingdataanalysis，artificialinteligenceandsensorsystems.Variousdeicingtechniques，suchasthermalmelting， mechanicalremovalandthermalsliding，arealsodiscussedThefindingsunderscorethenecesityforfutherresearchtoevelop cost-efectiveeasilyimplementableintegratedanti-icinganddeicingsystemstoenhancethedisasterresilenceofrailway catenary systems and ensure their safe operation.

Keywords：catenary; icing;anti-icing technology；icing monitoring;de-icing technology

隨著電氣化鐵路的不斷延伸，接觸網在易覆冰、重覆冰地區面臨嚴峻挑戰，接觸網覆冰問題已成為影響鐵路安全運行的重要隱患。2008年南方曾遭遇嚴重大覆冰災害，2023年底至2024年初東北和南方的冰雪災害曾導致鐵路大面積停運，進一步凸顯了該問題的緊迫性。當高速列車經過覆冰接觸網時，接觸網在覆冰載荷作用下其固有頻率改變，馳度加大，剛度分布更不均勻，造成弓網離線增加、電弧頻發，嚴重惡化弓網受流質量，嚴重影響鐵路安全運行。覆冰接觸網如圖1所示。

接觸網覆冰的形成與低溫、大霧、雨雪等極端天氣密切相關，其復雜的形成機理決定了其治理的多樣性和復雜性。當前，國內外針對接觸網覆冰的研究主要集中在防冰技術、覆冰監測和除冰技術領域。然而，現有技術多局限于單一方法，綜合治理體系尚未完全建立，部分技術在應用中面臨經濟性和環境適應性的制約。

基于上述背景，本文對接觸網的防冰、覆冰監測及除冰技術進行系統綜述，總結現有技術的研究進展及應用效果，提出未來改進方向，以期為提高接觸網防災減災能力提供參考。

1 防冰技術

參照國內外輸電線路的經驗，當前比較常見的防冰方法主要有防覆冰涂料法、臨界電流法和物理特性法，在接觸網防冰中已有大量的相關研究。

1.1防覆冰涂料法

防覆冰涂料法具有施工簡易、成本低廉、應用效果好等優勢，在接觸網運營中得到了廣泛的應用。基于材料表面防覆冰的機理，將防覆冰涂料主要分為親水性、疏水性和彈性涂料3類。而親水性、彈性涂料在除冰階段的特定條件下對覆冰的脫離具有“反作用力”，因此通常在接觸網防冰時采用的涂料為疏水性涂料。

防覆冰涂料通過加入金屬化合物溶膠，可以有效地降低水的冰點溫度，具有良好的融冰、除冰效果。Zuo等通過制備超疏水納米多孔涂層，注入全氟聚醚潤滑油，獲得了能有效防止冰與固體表面接觸的超滑面，構建了兼備超疏水粗糙表面和低表面能的涂層，經測試達到了優秀的防冰性能。

此外，超疏水粗糙表面涂層的制備技術包括液相沉積、化學蝕刻、陽極氧化、激光蝕刻和機械模板等，多樣的涂層制備工藝也展現了對涂層防冰性能進一步提升的潛力。

1.2 臨界電流法

臨界電流法是通過接觸網導線自身電阻的焦耳熱效應，將導線溫度維持在冰點以上防止覆冰形成的一種防冰系統。Peter等推導了將導線電阻絲 R 維持在 0% 以上所需的電流 I 可以計算為

式中： R 為電阻（每米）； I 為電流； q 為熱量消耗； h 為傳熱系數； T 為電纜表面溫度； T₀ 為大氣溫度； 為水的密度； r 為電纜半徑； l_e 為蒸發潛熱。

利用有限元仿真方法可以模擬預測導線溫度，驗證了臨界電流法在接觸網防冰應用的可行性，然而在實際線路上仍需大量試驗證明其有效性。

1.3 物理特性法

從物理材質的角度，有應用鐵磁材料防冰器件裹在輸電導線表面，促使覆冰難度提升，從而達到有效防冰的研究。

從物理結構的角度，導線的覆冰過程中，覆冰量M 取決于碰撞系數 α₁ 、捕獲系數 α₂ 、凍結系數 α₃ 空氣中液態水含量 ω 、導線直徑 d 、風速 U 和導線長度 L 及覆冰時間 τ ，其表達式為[4]

M=α₁α₂α₃ωdULτ

碰撞系數物理模型如圖2所示，氣流吹向導線表面附近時，過冷卻水滴因為受到黏滯力的作用而發生運動軌跡的偏轉，部分水滴碰撞到導線表面，設初始高度為 δ 的水滴可達到導線兩端的極限碰撞點，則導線表面的水滴碰撞率 α₁ 的計算式為

從公式（3）可知，導線半徑 R 越大，碰撞系數 α₁ 越低。在一定環境下，導線存在臨界直徑 d₀ ，即認為當dgt;d₀ 時，導線不會覆冰。

2覆冰監測預警技術

接觸網覆冰發生在惡劣的天氣環境下，肉眼難以對覆冰的階段進行有效觀察，并且沿線長距離架設，導致采用人力布防的形式對接觸網覆冰進行監測效率極其低下。隨著人工智能與無線通信技術的發展，加上氣象數據的積累，使得覆冰預測技術及在線監測技術都得到了快速的發展。

2.1 覆冰預測技術

接觸網覆冰預測主要依賴大量的數據分析，提取影響覆冰區域的主要關鍵因子，并構建具有權重分配的關鍵因子數據庫。王健等參考架空導線的覆冰預測模型得出接觸網雨淞覆冰自然增長模型，建立了接觸網牽引電流等效融冰厚度模型，能夠更貼切地表征實際覆冰產生的情況，然而僅考慮部分因子的計算，仍不能完整反映接觸線的結冰狀態。

Li等提出了一種基于數值模型和深度學習算法的接觸線覆冰預測方法。利用覆冰關鍵參數建立了時變氣象條件下接觸線結冰的數值模型，輸入多個氣象因素，利用卷積-長短期記憶神經網絡，建立了接觸線結冰預測模型。

2.2 在線監測技術

在線監測技術是運用傳感器，獲取接觸網的實時圖像、微波、光纖傳感等信息，通過實時數據分析來判斷接觸網的覆冰狀況，達到對接觸網覆冰在線監測的目的。

許多研究以機器視覺技術為依托，獲取線路雙目圖像，根據線路覆冰力學模型，通過識別高壓輸電線路狀態，構建了線路覆冰力學模型，計算出線路覆冰等效厚度，利用圖像處理技術，經過濾波處理與關鍵信息提取，獲取覆冰的厚度。

黃國勝等通過覆冰傳感器獲取微波監測信號，進而計算目標區域的覆冰厚度。由于傳感器單元運行于野外，且置于強高壓電磁干擾環境中，對傳感器單元的可靠性提出很高的要求。

光纖是一種不受電磁干擾，安全可靠高效的測量技術。張益昕等8通過分布式光纖測量高壓輸電線路的溫度，判斷高壓輸電線路的覆冰情況。鄔蓉蓉等通過在架空地線內部埋入測量光纖，分析內部光纖由于架空地線覆冰增厚導致產生的拉伸應變與溫度變化，從而實時計算出光纖的應變分布和等值覆冰厚度，很好地解決了現有覆冰測量方法的監測范圍窄、故障率高、測量準確性差、穩定性差和實時性差等問題。

3 除冰技術

接觸網常用的除冰方法為人力敲擊，利用打冰棒敲打覆冰接觸線，如圖3所示[。隨著越來越多的技術學科引入接觸網除冰，目前較為可行的方法包括：熱力融冰法、機械除冰法和熱滑法。

3.1 熱力融冰法

熱力融冰法，采用焦耳效應融冰原理，利用電流加熱覆冰導線進行除冰。熱力融冰具體可分為直流、交流2種方式，這2種方式都采用短路法，只能在停運時使用。

采用直流方式的熱力融冰需要整流器的支持，將牽引變電所的交流電壓，經降壓、整流輸出為直流電壓，向覆冰線路輸出可控的直流電源，擁有較高的靈活性；采用交流方式的熱力融冰大多數基于靜止無功發生器SVG（StaticVarGenerator），SVG工作在感性狀態時，吸收無功電流，從而降低電壓，使大電流通過接觸網，應用多種開關器件可根據場景達到不同融冰效果[2]。

蔣汶兵等[3提出了一種基于靜止型動態無功補償裝置SVC（StaticVarCompensator）的融冰裝置的計算和設計，投切過程不改變牽引網和機車的運行狀態，實現了融冰功能的在線使用。

3.2 機械除冰法

機械除冰法，將機械沖擊載荷應用在覆冰接觸網表面上，利用慣性達到使覆冰脫落的效果。利用有限元建模的方法，可以得到接觸線在不同類型覆冰應用不同沖擊載荷幅值下的除冰率，能夠為機械除冰裝置的設計提供理論指導。萬祉俁[通過試驗分析了冰的關鍵力學性能參數，確定了一種能準確描述冰的力學行為的本構模型，并依此制作了一款能有效去除覆冰的除冰裝置。

應用工器具進行人力除冰的作業環境艱苦、勞動強度極高，導致效率低下。采用智能機器人自動化除冰的研究引起了廣泛的關注。鄭焱月等[4設計了一款基于STC89C52單片機的高壓線除冰機器人，可以使用藍牙及短信遙控，采用機械敲擊的方法，對高壓線覆冰進行清除。文獻[15]中研發了基于嵌入式系統的智能除冰機器人，實現高效除冰。

3.3 熱滑法

熱滑是指在接觸網帶電情況下，由試驗列車通過受電弓從接觸網獲得電能，自行驅動完成開車、牽引、制動等全部運行動作，從而完成綜合檢測的試驗方法。在接觸網覆冰災害發生時，采用熱滑法可以實現高效除冰，其效率與受電弓滑板的結構密不可分，然而受電弓碳滑板及受電弓本身也將因受長期的機械刮冰而損壞，進而影響到動車組的正常運行。田長安等[梳理、歸納及分析了國內動車組用的幾種型號受電弓裝用刮冰滑板的可行性，從滑板的結構、材質、受流性能、發熱情況及弓網匹配的跟隨性等方面進行技術分析，明確了刮冰滑板對動車組的適用性。

4結論

本文針對電氣化鐵路接觸網的覆冰問題，從防冰、覆冰監測及除冰三大技術方向進行了系統綜述。防冰技術在實際應用中存在耐久性不足、對環境適應性有限、導電性能不佳等問題，尚需進一步優化材料性能與應用方式；覆冰監測技術雖然通過結合人工智能和大數據分析等技術顯著提高了預測精度，但對氣象數據的處理能力和惡劣環境下的傳感器可靠性仍需改進；除冰技術在效率和成本方面各有優勢，但其綜合治理能力不足，尤其在長距離、多點覆冰情況下尚需提升。

下一步的研究應著眼于構建低成本、高可靠性的綜合防冰與除冰體系，兼顧預防和治理功能，減少單一技術的局限性；推動新材料和智能化技術的結合，探索更高效的覆冰檢測與預測方法；強化多學科協同，結合材料科學、人工智能、氣象學和鐵路工程，形成系統化解決方案。

本文為接觸網覆冰問題提供了全面的技術總結和發展建議，為電氣化鐵路的安全運行提供理論支持，同時也為相關技術的應用與創新提供了思路。

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