接觸網(wǎng)交流在線防冰與離線融冰原理研究

李 崗，郭 華

0 引言

冬季由于氣溫、空氣濕度和風速的共同作用，存在著由液態(tài)水形成冰的覆冰現(xiàn)象。因此，覆冰是一種特定氣象條件下產(chǎn)生的冰凍現(xiàn)象，如果在架空導線上大面積形成覆冰，會導致桿塔傾倒、導線覆冰舞動或斷裂，將直接影響架空線路的正常安全運行。對電氣化鐵路而言，由于接觸網(wǎng)覆冰，會導致受電弓無法正常取流，甚至導致受電弓的損害或斷裂，嚴重影響列車的安全準點運行，對于時速超過300 km的高速鐵路，該問題更加嚴重，必須引起高度重視。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)生過嚴重的冰雪災害。2008年初國內(nèi)南方部分地區(qū)也發(fā)生了罕見的凍雨及冰雪災害，造成了巨大的經(jīng)濟損失[1～2]。

國內(nèi)外輸電線路采用的除冰方法有多種，按照除冰原理可以分為熱力除冰，機械除冰、被動除冰及電子凍結(jié)、電暈放電等[1]。機械除冰法是直接使用刮刀、滾筒、棍子等除冰，機械法除冰的效率比較低[3]。熱力除冰是世界上公認的最有效的除冰技術，采用焦耳效應融冰原理，利用電流加熱覆冰導線進行除冰[1]。本文研究的正是效率較高的熱力除冰。當然，由于電氣化鐵路固有的運行特點，列車運行時接觸線有電流通過，不易結(jié)冰。但客運專線的運行模式有別于傳統(tǒng)的電氣化鐵道，大多采用夜間停電綜合維修方式，這樣就有相當長的時間沒有列車運行，氣溫較低時會造成接觸線出現(xiàn)覆冰現(xiàn)象，天氣特別惡劣時，列車通過的間隙也能在接觸網(wǎng)形成覆冰。根據(jù)日本的接觸線防冰凍經(jīng)驗，接觸線在同時符合氣溫0℃以下、濕度86%以上、風速3 m/s以下等3個條件的情況時會產(chǎn)生冰凍現(xiàn)象，此時，如果接觸線通過250 A的電流，接觸線的溫度達到5 ℃時，能防止結(jié)冰，通過400 A以上的電流，能開始融化覆冰[4]。

針對國內(nèi)客運專線運行的特點，本文研究了接觸網(wǎng)交流在線防冰與離線融冰原理，提出了在保證區(qū)間至少有一輛列車運行的情況下，防止接觸網(wǎng)覆冰的交流在線防冰理念；如果由于天氣急劇惡化或其他因素導致接觸網(wǎng)已經(jīng)覆冰，必須加大接觸網(wǎng)通過電流，融化覆冰，融冰時，機車不能正常取流、通過區(qū)間，只能離線融冰。

1 防冰與融冰原理分析

為了節(jié)省投資，一般不增設防冰與融冰（以下簡稱防融冰）用變壓器，而是以牽引變壓器為融冰電源。當區(qū)間沒有列車通過時，整個接觸網(wǎng)不能形成回路，接觸網(wǎng)也沒有電流通過，因此，必須搭建接觸網(wǎng)融冰回路。可以利用上行接觸線/下行接觸線與鋼軌組建融冰回路，融冰系統(tǒng)安裝在分區(qū)所，如圖1所示[5]?？梢詥为殞ι闲芯€或下行線進行防冰或融冰，也可以并聯(lián)上下行線，同時融冰。

圖1 系統(tǒng)安裝在分區(qū)所，防冰與融冰回路示意圖

為防止融冰時燒損接觸網(wǎng)，影響供電安全，需在融冰回路接觸網(wǎng)固有阻抗基礎上增加限流電阻器或限流電抗器，以控制防融冰電流，考慮到接觸網(wǎng)的感性特性，一般不采用電容器限流。融冰設備阻抗的大小、線路長度及單位阻抗、牽引變壓器容量、接觸網(wǎng)運行方式、AT變壓器漏阻抗、運行機車功率等諸多因素綜合在一起決定了防冰與融冰電流的大小。單線AT供電方式牽引供電系統(tǒng)簡化電路如圖2所示[6]。

圖2 牽引網(wǎng)回路分析圖

根據(jù)圖2，可以建立方程（1）。

式中，Zs為系統(tǒng)阻抗，ZT為變壓器阻抗，Z1為等值的接觸線阻抗，Z2為等值鋼軌（地）回路阻抗，Z3為等值正饋線阻抗，D1為牽引變電所至機車距離，D2為機車距分區(qū)所的距離。取系統(tǒng)最小運行方式正序阻抗標幺值為0.189 1，則折算至27.5 kV側(cè)系統(tǒng)阻抗Zs為 0.189 1×(27.5×27.5/100)×2i。取變壓器容量為63 MV·A，折算至27.5 kV側(cè)變壓器阻抗ZT為(27.5×27.5)×0.105/63i。AT變壓器漏阻抗Zg為 0.45i，T線單位自阻抗Zt= 0.1465 +0.589i，地回路單位自阻抗Zr= 0.084 2 + 0.407i，F(xiàn)線單位自阻抗Zf= 0.145 2 + 0.713i，T線與地回路之間的單位互阻抗Ztr= 0.05 + 0.315i，T線與F線之間的單位互阻抗Ztf= 0.05 + 0.332i，F(xiàn)線與地回路之間的單位互阻抗Zfr= 0.05 + 0.3i，則等值接觸線、等值地回路、等值正饋線單位阻抗分別為

取接觸線與承力索的分流系數(shù)為0.55，供電臂長度為30 km，機車功率為4.8 MW。

2 防融冰方案分析

2.1 限流器采用電阻方案

限流器采用電阻，機車運行至區(qū)間末端時，根據(jù)式（1）與式（2），可以求出機車電壓與限流電阻值的關系（圖 3）、機車電壓與機車距變電所距離m關系（圖4）。

從圖3可以看出，當限流電阻值為20 Ω時，機車電壓為 19.5 kV，因此，當限流電阻值大于20 Ω時，列車可以安全通過整個區(qū)間?？紤]到安全性與可靠性，取限流電阻值為 25 Ω，當機車通過防冰區(qū)間時，機車電壓與機車距牽引變電所的距離關系如圖4所示。從圖4可以看出，當機車運行至接觸網(wǎng)末端時，機車電壓降到21.3 kV，不影響列車通行。

圖3 機車電壓與限流電阻值關系圖

圖4 機車電壓與機車距變電所距離關系圖

當防融冰區(qū)間沒有列車通過時，接觸線防融冰電流與限流電阻的關系如圖5所示，從圖5可以看出，限流電阻值小于 30 Ω時，通過接觸線的電流超過250 A，能防止覆冰，當限流電阻值小于15 Ω后，融冰電流會超過400 A，進入融冰狀態(tài)，此時，機車電壓不足19 kV，機車不能安全通過區(qū)間，只能離線融冰。

無論防冰或融冰、機車在線或離線，不同情況下要求變壓器輸出的功率是不同的，所要求的視在功率不能超過變壓器容量的一半。當區(qū)間沒有機車，不同的限流電阻與要求的變壓器輸出功率如圖6所示，要求變壓器輸出功率不超過27.5 MV·A，小于變壓器容量63 MA·V的一半。取限流電阻值為 25 Ω，機車在區(qū)間運行，機車運行位置與要求變壓器輸出功率如圖7所示。當機車運行至變電所近端時，要求變壓器輸出功率最高，但也不超過27.5 MV·A。

圖5 接觸線防融冰電流與限流電阻值關系圖

圖6 變壓器輸出功率與限流電阻值關系圖

圖7 變壓器輸出功率與機車距變電所距離關系圖

2.2 限流器采用電抗方案

限流器采用電抗器，機車運行至區(qū)間末端時，根據(jù)式（1）與式（2），可以求出機車電壓與限流電抗值的關系如圖8所示，從圖8可以看出，當電抗值大于35 Ω后，機車電壓超過19.2 kV，機車才能安全通過區(qū)間。當區(qū)間沒有列車運行時，防融冰電流與限流電抗值的關系如圖9所示?？梢钥闯?，當電抗值小于8 Ω時，接觸線電流會超過400 A，能融化覆冰；當電抗值大于 35 Ω后，接觸線電流小于180 A，不能防覆；當電抗值達到20 Ω時，接觸線電流會達到256 A，可以防冰，但從圖8可知，此時接觸網(wǎng)末端的機車電壓已不足16 kV，不能在線防冰，只能離線防冰。

圖8 機車電壓與限流電抗值的關系圖

圖9 接觸線電流與限流電抗值的關系圖

綜上所述，無論采用限流電阻還是限流電抗，都可以通過控制限流器阻抗值的大小，促使整個防融冰回路的阻抗發(fā)生變化，進而改變防融冰電流的大小，實現(xiàn)離線防冰與融冰的功能，但電阻限流方案還能夠在保證一列機車安全運行的情況下實現(xiàn)在線防冰功能，如果由于天氣急劇惡化或其他因素導致接觸網(wǎng)已經(jīng)覆冰，通過降低限流電阻器的阻值，加大接觸網(wǎng)通過電流，達到融化覆冰。融冰時，機車不能正常取流、通過區(qū)間，只能離線融冰。

3 結(jié)論

接觸網(wǎng)覆冰是一種自然災害，本文通過在接觸網(wǎng)末端加限流器，依據(jù)現(xiàn)有的牽引供電系統(tǒng)組建防融冰回路，并建立牽引供電網(wǎng)絡回路簡化模型，依據(jù)模型分析了接觸網(wǎng)交流“在線防冰、離線融冰”原理理論，比較研究了電阻器限流模式與電抗器限流模式防融冰方案。根據(jù)天氣惡劣狀況，通過控制限流器阻抗值的大小，促使整個防融冰回路的阻抗發(fā)生變化，進而改變防融冰電流的大小，實現(xiàn)離線防冰與融冰的功能，但電阻限流方案還能夠在保證一列機車安全運行的情況下實現(xiàn)在線防冰功能，且電阻器限流不會降低接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)的功率因數(shù)，不會向電力系統(tǒng)注入無功功率，是一種較理想的防冰與融冰方案。

[1]王國梁.接觸網(wǎng)融冰防冰問題的分析研究[J].鐵道工程學報，2009，（8）：93-95.

[2]張安洪.雪災對接觸網(wǎng)覆冰及其影響的探討[J].電氣化鐵道，2008，（3）：32-33.

[3]山霞，舒乃秋.關于架空輸電線除冰措施的研究[J].高電壓技術，2006，32（4）：25-27.

[4]李漢卿.一種針對客運專線的接觸線防冰凍實施方案[J].電氣化鐵道，2010，（4）：7-9.

[5]李群湛.牽引電力系統(tǒng)分析[M].成都：西南交通大學出版社，2007.

[6]辛成山.AT供電系統(tǒng)等值電路推導方法[J].電氣化鐵道，1999，（1）：17-20.