接觸網(wǎng)絕緣子覆冰閃絡分析及對策

李杰瓊

摘 要：隨著電氣化鐵道牽引方式在我國的不斷推廣應用，其電氣化區(qū)段的接觸網(wǎng)覆冰問題也日益突出。文章簡述了覆冰危害的現(xiàn)狀，形成的原因及影響因素，并在此基礎上對覆冰在接觸網(wǎng)及電力機車兩方面產(chǎn)生的影響進行分析，最后提出應對措施。

關鍵詞：接觸網(wǎng)；覆冰閃絡；絕緣子

覆冰是一種分布廣泛的自然現(xiàn)象，尤其霧凇是一種美麗的自然景觀。但對于接觸網(wǎng)線路覆冰將對弓網(wǎng)接觸、取電、拉弧、支吊產(chǎn)生重大影響，甚至造成受電弓無法取流，中斷鐵路線路正常運營，并引起嚴重的經(jīng)濟損失。覆冰對于電力輸電線路的影響也很突出，尤其是2008年在南方出現(xiàn)的罕見雨凇覆冰天氣更是對輸電線路的安全穩(wěn)定運行造成了極大危害?；诖?，提高對輸電線路覆冰災害原因及規(guī)律的認識，進而制定出更為合理的防止對策對輸電安全具重要意義。與此同時，隨著電氣化鐵道牽引方式在我國的不斷推廣應用，逐漸延伸到易覆冰地區(qū)，電氣化區(qū)段的接觸網(wǎng)覆冰問題也日益突出，本文即是對該問題所導致的危害及對策進行一定闡述。

1 覆冰危害及現(xiàn)狀

在初冬和初春兩個時節(jié)，接觸網(wǎng)覆冰是常發(fā)于電氣化鐵路的自然災害，且與其他災害比較，接觸網(wǎng)覆冰同時包括了更多頗為不利的因素，比如危害性大、受災面積廣以及相對難于搶修等。就我過的氣候特征而言，在冬季，寒流通?？稍斐奢^大的影響，可出現(xiàn)持續(xù)時間較長的大面積的降溫和降水天氣，這就更加促使接觸網(wǎng)覆冰的形成，又由于在一個較大的區(qū)域通常具有相似的氣象條件，所以一旦有接觸網(wǎng)覆冰事件發(fā)生，其受災面積可在整個地區(qū)蔓延開來，進而對鐵路運輸造成嚴重影響，甚至會停運。而近些年來，隨著全球氣候的日益惡化，極端氣候的出現(xiàn)頻率較過去高出很多，因此接觸網(wǎng)覆冰事件的發(fā)生頻次和嚴重程度都有較大幅度提升，如何應對接觸網(wǎng)覆冰災害，已成為了電氣化鐵路迫切需要面對的重要課題，深入研究接觸網(wǎng)覆冰機理并同時制定出行之有效的接觸網(wǎng)防冰融冰方案是提高電氣化鐵路安全可靠性必要保障。

2 覆冰形成原因及影響因素

2.1 覆冰原因及種類

氣候條件是形成接觸網(wǎng)覆冰的主要因素，同時還受微地形、溫濕度、冷暖空氣對流環(huán)流情況以及風等多因素影響，為一種綜合性的物理現(xiàn)象。在有凍雨或雨夾雪的天氣時均有發(fā)生接觸網(wǎng)覆冰的可能，而在空氣濕度大，溫度處于0～5℃范圍且有風和毛毛雨的時候最易發(fā)生。就接觸網(wǎng)覆冰的種類而言，我們通常根據(jù)覆冰表面外觀特性將其分為雨凇、粒狀霧凇、晶狀霧凇、濕雪以及混合淞等5個類型。

2.2 氣象、地理條件對覆冰的影響

與絕緣子形成覆冰關系密切的氣象因素主要包括空氣溫度、風速風向、空氣或云層中過冷卻水滴直徑以及空氣中的液態(tài)水含量等4種，該4種因素的可通過差異性的組合而表現(xiàn)為不同類型的覆冰，而要產(chǎn)生覆冰，還必須具備三方面的條件，即氣溫和接觸網(wǎng)表面溫度保持在0℃以下、空氣濕度保持在85%以上以及風速應大于1m/s。在以上因素當中，風在覆冰的形成過程中發(fā)揮著重要作用。風將空氣中的水滴吹送至導線，導線才能將過冷卻水滴相撞并將其捕獲，可加速接觸網(wǎng)表面覆冰的產(chǎn)生，此外風向也是影響覆冰的重要參數(shù)，有研究指出，當風向與導線保持處置或與導線成大于45度且小于150度夾角時可形成比較嚴重的覆冰，而風向與導線平行或與導線夾角小于45度或大于150度時所形成的覆冰較薄弱。另外，風向的不同還會對覆冰的結構形狀造成影響，當風向與導線垂直時通常會在迎風面形成不均勻的覆冰并有幾率發(fā)生覆冰舞動的情況，而當風向與導線平行時那么產(chǎn)生的覆冰相對比較均勻。就其他地理條件對覆冰的影響而言，也多是基于從空氣中的含水量及受風條件來進行衡量，比如在空氣水含量比較充分的山頂、迎風破以及云霧環(huán)繞的山腰等處，均為嚴重覆冰的多產(chǎn)地帶。

2.3 走向及懸掛高度對于覆冰的影響

一方面，覆冰與導線的走向存有較密切的關系。在冬季覆冰季節(jié)，多吹北風或西北風，因此當線路的走向大致為南北向時，可基本與風向平行或僅有較小的角度，那么在單位時間內被線路捕獲的水滴與其他微粒就會更少，所以難以形成較重覆冰；但當線路走向更接近東西走向時，風向與線路呈90度左右夾角，線路可在較短施加內捕獲更多的水滴和微粒，可形成更為嚴重的覆冰，而且還可同時導致不均勻覆冰的產(chǎn)生而誘發(fā)覆冰舞動。另一方面，就線路的懸掛高度而言，因為空氣中的液態(tài)水含量通常是隨著高度的增加而有所升高，而且高出的風速也比較大，綜合作用下，高懸掛導線通常會產(chǎn)生比較嚴重的覆冰。

3 覆冰的危害

3.1 對接觸網(wǎng)設備的影響

附著于接觸線上的冰殼會對受電弓的取流形成阻礙，繼而產(chǎn)生較大的電弧甚至是程度更嚴重的燃弧，這不僅會對接觸線造成很大程度的機械磨損，同時也可伴隨嚴重的電弧燒傷的情況。有資料顯示，當電力機車通過伴有嚴重冰凌的接觸線時所形成的電弧超過半米高，在之后的檢修中發(fā)現(xiàn)，其磨損程度幾乎等效于全線開通1年來的累計磨損的數(shù)倍[1]。同時，某些分段絕緣器相關設備包括了許多較小的零配件，比如有菱形分段銅滑板上面的銷釘?shù)?，這些零件一旦被燒傷后發(fā)生松動甚至掉落，均可能對設備的安全運行帶來較多不安全因素。

3.2 對電力機車的影響

受電弓碳滑板通常都帶有自動降弓裝置（ADD），一旦發(fā)生有被電弧嚴重燒傷的情況，該裝置即可自動降弓，并以此可發(fā)揮一定保護作用。覆冰所導致的電弧甚至會將碳滑條燒斷或是導致封裝樹脂變形裂開而發(fā)生漏氣，最終可使電力機車不能正常使用[3]。另外，凍雨還會造成嚴重的弓網(wǎng)故障，當電力機車停留在車站內進行升弓的時候，由于部分機械被凍結或是在碳滑板之上存有嚴重結冰的情況，可導致車頂支持絕緣子閃絡放電，此時的短路電流一般比較強，其所形成的電弧甚至可直接將接觸線燒斷。

4 覆冰的應對措施分析

當前對于覆冰的應對策略主要有人工除冰、電力機車受電弓帶與不帶負荷運行除冰、對接觸線進行電加熱以及涂抹防凍劑等多種方法，但以上方法就目前的應用情況來看并未有某一種表現(xiàn)為主流方式，但基于現(xiàn)在開通的高速鐵路多有設置接觸線電加熱融冰系統(tǒng)的情況，筆者認為接觸線電加熱與涂抹防凍劑此兩種方法可能會有更大的發(fā)展前景。以下主要對此兩種方法進行一定介紹。

4.1 接觸線電加熱融冰技術

該技術為通過利用電流的焦耳熱效應而達到融化覆冰的目的，具體可分為直流和交流兩種融冰方案。其中直流融冰即是將覆冰線路作為負載，并在其線路末端進行短接，同時逐段施加直流電源，這樣即可利用較低的直流電壓提供短路電流而將導線加熱而融化覆冰，但該方法需要增加斷路器、融冰變壓器、整流器以及其他控制設備等，因此其整體優(yōu)缺點為對電力系統(tǒng)本身影響不大，但投資成本相對會更高；交流融冰需將融冰線路的一端進行短路接地，同時在另一端加以融冰電源，由此可產(chǎn)生較大的短路電流來對導線進行加熱，進而將覆冰融化，該方法在實施方面相對更為簡便，但較前者比較會有更多無效功率產(chǎn)生，其能量消耗更大。綜合來看，直流與交流融冰有一個共同的缺點就是不能對接觸網(wǎng)中的非導電回路產(chǎn)生作用，同時開展時間也容易受天窗時間、行車狀況以及運輸情況等多方面影響，目前可能還會存在一定的局限性。

4.2 涂抹防凍劑技術

該技術最早由德國的STEMMANN TECHNIK公司開發(fā)，在通過天氣預報獲取凍雨天信息之后，采用防凍劑對接觸線進行涂覆，以此來防止覆冰的產(chǎn)生。涂抹設備一般為2部件組成，其一固定于軌道車輛內部的固定框架，另一部件為附加的車頂受電弓，其滑條由一個潤滑裝置所取代，而新的潤滑裝置的基本部件即是一個用甘油浸潤的中空毛氈輥，工作期間，設備帶壓縮空氣可將防凍劑壓迫導入至中空毛氈輥，在滾動時即可將防凍劑涂抹于接觸線上。該設備不僅使用極為簡便，而且費用比較低，其速度可達30km/h，因此還具有較高的效率，同時其工作不會受到天窗時間和中性段無電區(qū)等情況的影響，只要在受電弓接觸到的范圍內都可以涂抹防冰劑。但該技術的缺點就是對某些嚴重覆冰并無很明顯的效果，而且對分段絕緣器有一定選擇性。

5 結束語

線路覆冰災害是電力技術領域的世界性難題，目前還未見一種運用非常成熟的防治策略及相關理論，但電氣化鐵道牽引方式在我國的不斷推廣應用，相關配套技術必將越來越成熟，可以預見，通過加大覆冰災害的預防力度同時進一步加強融冰技術的攻關，覆冰事故可在一定范圍內得到較好的防治。

參考文獻

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[3]仇昕，張永康.接觸網(wǎng)絕緣子覆冰閃絡電壓探討[J].電氣化鐵道，2008，2：40-42.

[4]陳向宜，何樸，劉明忠.四川電網(wǎng)輸電線路覆冰分析及防御措施[J].四川電力技術成都，2011，34（2）：41-43.