接觸網(wǎng)除冰方法的探討

邵全東 上海鐵路局合肥供電段

覆冰覆雪是一種嚴(yán)寒天氣時產(chǎn)生的自然現(xiàn)象，如果在接觸網(wǎng)上大面積形成覆冰，將直接影響電氣化鐵路的正常安全運(yùn)行。世界上不少國家如美國、加拿大、俄羅斯、法國、日本等都曾發(fā)生過嚴(yán)重的冰雪災(zāi)害。2008年初我國南方部分地區(qū)也發(fā)生了罕見的凍雨及冰雪災(zāi)害，給鐵路網(wǎng)造成了重大影響。

1 接觸網(wǎng)覆冰產(chǎn)生的危害

1.1 列車無法正常取流運(yùn)行

較長時間沒有列車運(yùn)行時，接觸線會完全被覆冰包圍，使受電弓無法取流。例如在2004年2月20日至22日，哈大線遭遇了自開通以來強(qiáng)度最大、范圍最廣的降水，氣溫驟降和雨雪交加致使接觸網(wǎng)及受電弓多處結(jié)冰，發(fā)生了多起因受電弓不能正常取流的事故。2008年春運(yùn)期間，在貴陽供電段、長沙供電段均發(fā)生多起接觸線被覆冰包裹的事件，使列車無法取流運(yùn)行。

1.2 降低接觸網(wǎng)的安全可靠性

(1)在風(fēng)的作用下，接觸網(wǎng)設(shè)備不僅承受了覆冰自身的荷載，而且也承受了因受風(fēng)面積增大而增大的風(fēng)荷載。如果覆冰值超過設(shè)計(jì)值，可能會使導(dǎo)線張力增大(嚴(yán)重時斷線)、支持裝置破環(huán)。(2)覆冰使接觸線與受電弓接觸受流(特別是高速受流時)時導(dǎo)電性能降低，并產(chǎn)生電弧而燒傷受電弓和導(dǎo)線。(3)絕緣子冰閃。在冬季霧雪天氣時，絕緣子表面會出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，主要集中在絕緣子的迎風(fēng)面上，厚度一般在5-10 mm。冰體內(nèi)的污染介質(zhì)形成導(dǎo)電體，可能造成短路，引起閃絡(luò)放電、接觸網(wǎng)跳閘、損壞電氣設(shè)備，影響正常運(yùn)輸。

1.3 影響弓網(wǎng)受流質(zhì)量

接觸線波動傳播速度是接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)，直接關(guān)系到了弓網(wǎng)運(yùn)行速度目標(biāo)值能否實(shí)現(xiàn)。接觸線波動傳播速度的平方與其工作張力成正比，與其線密度成反比。當(dāng)接觸線覆冰時，其線密度提高而工作張力不變，因此減小了接觸線波動傳播速度，進(jìn)而影響了弓網(wǎng)受流質(zhì)量。其次由于接觸網(wǎng)特別是接觸線覆冰的不均勻性，在覆冰處，相當(dāng)于接觸線增加了集中荷載，甚至?xí)a(chǎn)生硬點(diǎn)，嚴(yán)重時會發(fā)生打弓事故。在速度越高時，覆冰對弓網(wǎng)受流質(zhì)量影響越大。

輸電線路除冰和融冰方法有幾十種，大致可分為4類：熱融冰方法、機(jī)械除冰方法、被動除冰方法、混合除冰方法。目前，國內(nèi)外相對成熟且可大規(guī)模應(yīng)用于輸電線路覆冰除冰和融冰方法卻十分有限。

2 基于輸電線路導(dǎo)線力學(xué)效應(yīng)的機(jī)械除冰方法

指用物理器械通過人工敲擊，受迫震動，刮除，扭轉(zhuǎn)等方式，直接將外力作用于電力網(wǎng)外冰層，使得冰層變形脫落，這類方法又可分為"ad hoc"除冰法、滑輪鏟刮法、強(qiáng)力震動法等。

3 基于輸電線路導(dǎo)線電流焦?fàn)栯姛嵝?yīng)的熱融冰方法

這種方法主要是在輸電線路導(dǎo)線中接通電流，利用導(dǎo)線的焦?fàn)栃?yīng)產(chǎn)生的熱量對導(dǎo)線表面的覆冰進(jìn)行熱融化除冰。這類方法又可分為直流電流方法和交流電流方法。由于接觸網(wǎng)自身?xiàng)l件的優(yōu)勢使得電熱融冰方法是一種相對快捷、方便的除冰方式。不同電流、溫度、風(fēng)速條件下融冰時間的數(shù)學(xué)模型表示式為：

Ec--加熱導(dǎo)線所需的能量；

Eo--加熱冰所需的能量；

Efg--冰融化所需的能量；

R--導(dǎo)線電阻；

I-一導(dǎo)線中的電流；

Ps--吸收的太陽能；

Pr--熱輻射損失；

Pc--熱對流損失。

3.1 交流短路融冰法

交流短路融冰是利用輸電線路短路時，線路電流大大增加實(shí)現(xiàn)短路電流融冰：將覆冰接觸網(wǎng)斷電，牽引所供電線隔離開關(guān)打開，在上下行接觸線間接上交流電源，用較低電壓提供較大短路電流加熱導(dǎo)線使導(dǎo)線覆冰融化。這種融冰方法比較簡單(見圖1）。

圖1 接觸線的交流短路融冰示意圖

(1)確定短路點(diǎn)?？紤]到需要短接線路既要盡可能的方便操作又要在除冰完成后的迅速復(fù)原，短路點(diǎn)一般選擇在分區(qū)所。

(2)短路接觸網(wǎng)的阻抗計(jì)算。根據(jù)線路參數(shù)，計(jì)算出短路段電網(wǎng)的阻抗。假如一個供電臂的長度是L=25 km，x=0.4 Ω/km，R=2Lx=20 Ω。

(3)確認(rèn)融冰電壓。設(shè)冰層情況，導(dǎo)線覆冰每邊冰厚5 mm，氣象條件分別為氣溫-3℃、風(fēng)速3 m/s，假定導(dǎo)線最大融冰電流為 500 A，則冰層吸收的熱功率為 P=I×I×R=500×500×20=5×106J，融冰電壓為 U=I×R=10 kV。

(4)每隔10 s后觀察融冰情況，直至冰層已除，恢復(fù)接觸網(wǎng)供電。

3.2 直流短路融冰

與交流短路法類似，直流法的關(guān)鍵是融冰電源。主要是y要具有較高的穩(wěn)定性并且易于控制。根據(jù)直流融冰的原理可知，融冰時線路將通過極大的電流。這將極大的超過單整流裝置的極限。因而最好采用整流橋并聯(lián)的形式，確保裝置的安全。晶閘管整流器并聯(lián)形式，目前主要有三種形式：12脈沖電路、雙12脈沖電路和雙6脈沖電路。目前，直流電流可由發(fā)電機(jī)及勵磁設(shè)備采用零起升流辦法提供，也可以由系統(tǒng)電源經(jīng)可控硅整流后提供。一種利用可控硅整流的方案如圖2所示。直流融冰的特點(diǎn)是不受線路長遠(yuǎn)的限制，直流電源容量也容易滿足，還可利用可控硅整流與SVC技術(shù)相結(jié)合以提高經(jīng)濟(jì)效率，節(jié)約成本。直流電源接入接觸網(wǎng)接線方式見圖2。

4 高頻高壓激勵融冰法

覆冰導(dǎo)線上加高頻激勵，能使冰成為有損的電介質(zhì)而直接發(fā)熱，也能引起導(dǎo)線的集膚效應(yīng)，使電流只在導(dǎo)體表面流

圖2 可控硅整流提供直流方案

通，造成更大的等效電阻損耗發(fā)熱。高頻高壓激勵融冰法就是利用二者共同產(chǎn)生的熱量除冰。在需要除冰的線路上選定位置安裝高頻高壓激勵裝置，線路的兩端安裝吸收器，以控制作用的范圍（見圖3）。隨著激勵頻率的增加，冰的介質(zhì)損耗增加，推薦激勵頻率范圍為20 kHz～150 kHz；25 kV、100 kHz的電壓可為100 km的線路有效融冰。

圖3 高頻高壓激勵融冰

5 電脈沖除冰方法

電脈沖除冰 (簡稱EIDI)原理是采用電容器組向線圈放電，由線圈產(chǎn)生強(qiáng)磁場，在置于線圈附近的接觸線上產(chǎn)生一個幅值高、持續(xù)時間短的機(jī)械力，從而使冰破裂而脫落。

5.1 電脈沖除冰原理

電脈沖除冰的原理是基于這樣一個定律，即變化的電場產(chǎn)生磁場，而磁場將會對導(dǎo)線產(chǎn)生電磁力，而若該電磁力為脈動電磁力，便會如同上文所述的機(jī)械除冰法中，電磁力代替機(jī)械力使得電網(wǎng)導(dǎo)線震動，擊落冰層達(dá)到除冰效果，基本原理電路如圖4。

圖4 電脈沖除冰原理圖

工作過程：電源電壓經(jīng)升壓電路升壓，給電容器充電，充電到需要電壓值后斷開電源，觸發(fā)可控硅整流器(SCR)使電容器向線圈放電，線圈中流過強(qiáng)大的瞬時脈沖電流產(chǎn)生的磁場，作用在電線上，使之產(chǎn)生變化磁場，使線圈與導(dǎo)線之間產(chǎn)生作用時間為ms級、大小為幾百至上萬N的排斥力。

5.2 電脈沖除冰的仿真研究

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定電容端充電電壓U=1 000 V，R=0.1 Ω，L=10 μH，C=400 μF。步驟一在 MATlab 中繪制出電路圖

設(shè)定電容端充電電壓 U=1 000 V，R=0.1 Ω，L=10 μH，C=400 μF。

開關(guān)元件使用IGBT，控制元件為脈沖信號源（見圖5）。

圖5 電路圖

設(shè)置算法ode45，仿真時間為0.5 s開始仿真，可得出示波器中電流波形（見圖6）。

圖6 電流波形

由波形可以看出，電路中電流使重復(fù)出現(xiàn)的尖峰脈沖，這樣的脈沖產(chǎn)生的脈動電磁力，可有效震落冰層。

6 結(jié)論

頻繁發(fā)生的覆冰事故對發(fā)展迅速的電氣化鐵路接觸網(wǎng)的影響日益凸顯，特別是目前高速鐵路網(wǎng)的不斷延伸，夜間沒有列車運(yùn)行，接觸網(wǎng)就更容易形成覆冰。接觸網(wǎng)機(jī)械除冰方法比較耗費(fèi)人力、效率低，且對接觸網(wǎng)線路可能造成機(jī)械損傷。大電流融冰法效率較高，但耗能巨大，操作復(fù)雜。交流、直流短路融冰都必須在接觸網(wǎng)斷電的情況下實(shí)施，此方法在實(shí)際運(yùn)用的中比較常見，但是融冰時間控制不好可能會對線路造成電氣損傷。高頻激勵融冰會產(chǎn)生高頻電磁波干擾通信，電脈沖除冰可在不斷電的情況實(shí)施，前景較好。針對鐵路供電系統(tǒng)的重要性，基于大電流熱力融冰的方法值得深化研究。