关于电气化铁路接触网在线防冰技术的研究

摘 要：铁路作为主要的交通工具之一，在国民经济发展和人员集散等方面发挥了重要作用。接触网是电气化铁路沿线上空架设的输电线路，主要作用是为电气机车的正常运行提供电能。由于接触网长时间暴露在空气中，在恶劣的自然条件下接触网发生故障的概率也会相应增加。在冬季低温环境下，接触网表面容易覆盖冰层，一方面是增加了输电线路的压力，加上低温导致线路脆性增加，存在输电线路断裂的隐患；另一方面是导致电弓无法正常取流，电气化铁路电力系统的正常运行也会受到影响。探究接触网在线防冰技术，也成为保障电气化铁路安全运行的重要措施。

关键词：电气化铁路；接触网；覆冰；防冰技术

中图分类号：TM922.3 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）22-0167-02

1 接触网覆冰类型

1.1 干雪

干雪质轻且松散，正常情况下不易在接触网线路上堆积。但是当中午气温小幅度回升后，接触线路的积雪会率先融化。由于冬季气温较低，积雪融化速度缓慢，进入夜晚后，氣温重新回落，融合的雪水会重新结冰，附着在接触网线路上，形成一层包裹在线路外围的覆冰。另外，在重力作用下，在接触网线路下放还会形成一定长度的冰凌，导致线路所受的压力增加，严重情况下还会导致线路断裂。影响正常供电。

1.2 白霜

在秋、冬季空气湿度较大的早晨，空气中的水分与0℃以下的接触网接触后，会在接触网表面冷凝成一层白霜。白霜对接触网的危害相对较小，一方面是由于白霜的粘结性较差，在受到震动或风力吹动时，附着在接触网表面的白霜会大比例的脱离；另一方面，白霜的冰点较低，只要温度在0℃以上，白霜会迅速融化。

1.3 雨凇

在低海拔的沿海地区，空气湿度较大，冬季容易出现冻雨。冰雨的持续时间较短，低温环境下，附着在接触网表面的雨滴会结冰，形成覆冰；在0℃以上的环境下，雨滴会逐渐蒸发、消失，不会形成覆冰。

2 电气化铁路接触网防冰技术

线路覆冰是电气化铁路经常遇到的病害类型之一，例如2008年春季，我国南方多个省份都出现了严重的冰冻灾害，线路覆冰一度导致南方多省电力中断，铁路运输也受到了很大的影响。因此，不断创新接触网防冰技术，也成为保障电气化铁路正常和安全运行的关键。目前国内外常用的电气化铁路接触网防冰、除冰技术有以下几种。

（1）机械除冰。在欧洲一些国土面积较小、铁路通车里程较短的国家，常使用机械除冰方式。方法是在受电弓前端安装除冰装置，在电车行驶速度在200km/h以下时，可以使用机械除冰，有一定的效果。但是在高速铁路中，机械除冰方式受到了很大限制。（2）防冻剂除冰。在电气化铁路接触网线路的表面，涂抹一定防冻剂或防冰机，可以有效避免覆冰问题的形成。主要原理是增加接触网线路的疏水性，雨雪等不易在线路上堆积，从而达到防冰目的。（3）热熔除冰。日本在电气化铁路接触网除冰方面也掌握了比较先进的技术，在接触网线路上增加电热丝，通电后利用电热丝产生的热量，可以防止覆冰的形成。虽然热熔除冰的理论效果比较理想，但是在实际应用中也存在诸多技术问题，例如电流过大会导致电热丝熔断。（4）直流大电流热力融冰。我国自2010年开始，用直流大电流热力融冰方法进行电气化铁路接触网除冰。虽然初步取得了一定的应用效果，但是仍然存在许多技术问题，例如防冰装置仍然受到行驶速度的限制。在这种情况下，提出了以在线防冰为主、融冰为辅的电气化铁路接触网除冰技术。

3 接触网在线防冰的数学模型

简单来说，接触网防冰是在可以形成覆冰的环境下，通过消除形成覆冰的必要条件，达到防冰目的。例如，通过增加接触网线路电流值，借助于电流的热效应，可以使接触网的温度始终在冰点以上，从而防止接触网导线覆冰。但是由于外界温度处于动态变化的状态，在线防冰既要达到防止覆冰形成的效果，又要控制好电流大小，避免电流过大产生过多的热量。为了实现动态控制，就需要引进在线监测和控制系统，将前端收集到的信息反馈给计算机，经过热量计算后动态调控电流值，将接触网导线的温度始终控制在临界值。

在建立接触网在线防冰模型时，确定接触网防冰临界电流是关键。可以通过建立热平衡方程进行计算。电气化铁路接触网在线防冰的热平衡方式为：

ΦF+ΦJ+ΦV+ΦK+ΦI=ΦC+ΦE+ΦW+ΦS+ΦR

上式中，ΦF为空气与接触网摩擦时，释放出的热量；ΦJ为接触网通电时，电流热效应释放的热量；ΦV为附着在接触网导线表面的小水滴凝结时释放的热量；ΦK为小水滴的动能损失；ΦI为水滴碰撞接触网线路时动能转化的热量；ΦC为对流热损失；ΦE为覆冰升华时的热损失；ΦW为小水滴从冰点温度上升到冰面稳态温度吸收的热量；ΦS为接触网导线辐射热损失；ΦR为水滴从导线表面流走时带走的热量。

当电气化铁路接触网上通入大电流后，整个接触网中导线生成的热量会远远超出散失的热量，对比之下，上式中的ΦV、ΦI、ΦK等由于数值较小，可以忽略。经过简化后，上述公式可以进行化简：

ΦJ=ΦC+ΦE+ΦW+ΦS

基于该公式可以建立接触网防冰模型。在接触网的导线上安装多个温度监控元件、电流感应元件，动态的收集前端的数据。计算机将这些反馈数据，输入到防冰数学模型中，可以计算出使上述公式保持动态平衡的电流值。通过控制电流的大小，既可以确保电流产生的热量，足够使接触网表面的覆冰无法形成；同时又可以避免电流过大，影响接触网的正常运行。

4 接触网防冰与融冰策略

4.1 并联电抗器防融冰

早期的在线融冰技术中，主要采用交流电提供融冰的热量，这种融冰方式的优点主要有两方面：其一是不需要在接触网上额外安装变压器，无形中节省了成本；其二是直接使用牵引变压器作为融冰电源，在操作上也更加灵活和方便。但是交流融冰方案在实际应用中也存在一些问题，例如串联线路不能使接触网形成回路，接触网电流的热效应不理想等。针对这一问题，提出了基于并联电抗器防融冰的技术措施。目前从技术上来看具有可行性的方案有两种：方案一是借助于并联线路，在电气化铁路接触网上构建融冰回路。这样就可以提供持续的电流，提升了融冰效果；方案二是在电气化铁路的上、下行接触线上组建融冰回路。这样既可以单独融冰，也可以上行线与下行线并联融冰。

需要注意的是，在完成并联电抗器融冰系统后，还要充分考虑到电流大小对承力索产生的影响。需要对电流阈值进行科学设定，使电流最大波动值保持在承力索的安全接受范围内。电流阈值的调整，可以通过增加或减小电抗器的数值来完成。影响电抗器阻抗值大小的参数有线路长度、牵引变压器容量、接触网运行方式等，技术人员在调节并联电抗器的电流阈值时，也要充分结合这些影响要素。

并联电抗器防融冰技术在实际应用中，具有明显的优势，例如可以人为选择限流电抗器，在后期使用时可以灵活的调节电抗值，进而实现了对接触网导线电流大小的灵活控制，保证了防冰效果。此外，电抗器采用并联方式，与接触网相连，这样还能够减轻接触网运行负荷，对提高接触网的防冰与除冰效果也有一定作用。但是并联电抗器也有一些缺点需要通过技术创新进行优化，例如每次重新设置或调整电流后，都需要切换断路器开关状态，频繁的切换会缩短断路器的使用寿命。如果断路器出现故障，开关不能闭合，也会影响接触网防冰效果。此外，并联电抗器仍然不能起到稳定电流的效果，电流波动会对系统带来冲击影响。

4.2 SVC静止无功补偿器

使用补偿设备也可以达到电流控制的效果，也是现阶段接触网防冰、融冰中应用较为广泛的技术措施。目前铁路部门常用的补偿设备有TCR、MSC以及SVC。不同种类的补偿设备，在适用环境、电流控制效果等方面均有一定差异。本文重点介绍SVC静止无功补偿器。首先，技术人员要明确电气化铁路接触网对于防冰、融冰要求，进而根据要求设计方案。尤其是对于分布面积广泛、结构较为复杂的接触网，为了兼顾防冰效果和技术成本，需要提高设计方案的科学性，并在后期施工中严格遵循方案内容和技术标准，提高接触网的使用效果。

SCV主要由以下四个模块组成：

（1）TCR基波电流参考计算，根据装置的无功电流需求，计算其中的TCR基波电流参考值。（2）触发延迟角计算：模拟电路方法；数字电路方法；微机处理方法。（3）同步定时：向脉冲控制提供同步基准信号，它与输入交流电压频率相同。（4）晶间管触发脉冲发生器：根据触发延迟角计算结果，产生晶闽管触发口极触发脉冲。通过控制，FC-TCR型SVCC能向接触网提供满足防冰、融冰电流要求的无功电流，保证接触网达到防冰、融冰的要求。

4.3 SVG静止同步补偿器

SVG防冰、融冰的基本原理是将自换相的桥式电路通过电抗器或者直接并联接触网上，对桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值进行适当地调节，或者对其交流侧电流进行直接控制，送样就可使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，动态补偿的目的就能得以实现。设接触网电压和SVG输出的交流电压分别用U0和U1表示，则连接电抗器X上的电压U2即为U0和U1的向量差。因此，改变SVG交流侧输出电压U1的幅值及其相对于接触网U2电压的相位，那么连接电抗器X上的电压就得以改变，从而控制SVG从接触网吸收电流的相位和幅值，SVG吸收无功功率的性质和大小也就得到了控制。

SVC和SVG相比来说，SVC侧重于通过调整电抗器的输出功率，来达到控制电流热效应的目的，因此在防冰和融冰操作上更加灵活。SVC的输出功率与电压为正比例关系，当接触网中电压或电流增加时，输出功率也会随之上升。而SVG的输出功率则具有稳定性，受电压或电流的影响相对較小。从这一方面来看，对于电压波动较大的接触网，采用SVG的防冰效果更理想。因此，在实际选择在线防冰技术时，也要充分考虑电气化铁路的实际情况以及防冰需要，进行科学选择，保证应用效果的最优化。

5 结语

受近年来气候异常的影响，我国多地发生了电气化铁路接触网覆冰情况，不仅造成了经济损失，而且也直接影响了铁路的正常运行。特别是在春运期间，一旦因为接触网覆冰导致铁路运行受阻，还将引发一系列的社会问题。因此，关于电气化铁路接触网防冰与除冰技术的研究也得到了高度重视。以在线防冰技术为主，以除冰方式为辅，可以极大的提高接触网防冰效果，保障电气化铁路的运行安全。

参考文献

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