受電弓融冰技術(shù)的研究方法綜述

陳 惠 曹志華（湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 410002）

受電弓融冰技術(shù)的研究方法綜述

陳 惠 曹志華
（湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 410002）

文章歸納了電力機(jī)車上受電弓的覆冰類型及其形成條件，針對受電弓覆冰問題，總結(jié)和歸納了受電弓的除冰方法。其次從經(jīng)濟(jì)投入、可靠性（對系統(tǒng)的影響）及操作難易度三個指標(biāo)分析了各種除冰方法的優(yōu)缺點。最后對各種除冰方法進(jìn)行了總結(jié)，對以后受電弓的設(shè)計及運行維護(hù)都有重要的指導(dǎo)意義。

受電弓；除冰；鐵路供電

受電弓是電力機(jī)車上的重要設(shè)備，是電力機(jī)車獲取電能的直接設(shè)備，南方冬天的凍雨天氣，極易使受電弓覆冰。當(dāng)受電弓在覆冰狀態(tài)升弓時，很可能會因為升弓機(jī)構(gòu)凍結(jié)后失去彈性，無法正常升弓。若受電弓不能正常升弓受電，這勢必會造成列車晚點，沿線車站旅客滯留，給人們的出行帶來極大的不便[1]。

為了緩和上述問題，本文歸納了兩大類 5種受電弓的除冰方法原理：（1）機(jī)械人工除冰方法；（2）機(jī)械外部振動法；（3）熱力直流融冰方法；（4）熱力交流融冰方法；（5）熱力激光融冰方法。分析比較了各種方法的優(yōu)缺點，本文從經(jīng)濟(jì)性、可靠性（對系統(tǒng)的影響）及操作難易程度出發(fā)，從而選出最適合受電弓除冰的最佳方法。

1 受電弓覆冰分析

受電弓是電力機(jī)車上直接受電的高壓電氣設(shè)備，對環(huán)境要求極高。在受電弓取流的時候，由于受電弓有電流通過的熱力效應(yīng)現(xiàn)象，此時受電弓是不會結(jié)冰的，但若在無電通過時，受電弓在冬天的凍雨天氣，極易使受電弓覆冰[2]。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，當(dāng)天氣發(fā)生變化，氣溫在0℃以下的天氣，電力機(jī)車上的受電弓100%會覆冰，2℃～3℃的陰雨天氣時，30%～50%的受電弓會覆冰，主要影響受電弓升降的機(jī)構(gòu)是鉸鏈機(jī)構(gòu)和升弓裝置結(jié)冰，導(dǎo)致受電弓無法正常升、降弓。覆冰的結(jié)構(gòu)主要有三以下種形式[2]：

（1）密度為600～900kg/m2的堅硬透明或半透明的覆冰；

（2）密度為600～900kg/m2的薄層結(jié)晶的白霜；

（3）密度為600～900kg/m2的冰霜混合物。

2 機(jī)械除冰方法

這種方法都是借助外力作用于受電弓的覆冰部位，通過破壞受電弓上覆冰的受力平衡狀態(tài)使其脫落，達(dá)到除冰的目的[3]。

2.1 機(jī)械人工除冰

該方法是由檢修操作者采用相應(yīng)的除冰工具（如錘子、榔頭等）在現(xiàn)場手工除冰，這是目前采用的除冰方法，也是最原始的方法。該方法除冰的特點是：

（1）經(jīng)濟(jì)性高。經(jīng)濟(jì)投入低，耗能小，僅需購置一些低值耐用的除冰工具（如榔頭、錘子等），經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)評為“高”；

（2）可靠性高。因沒有附加的設(shè)備和操作，不會影響到受電弓系統(tǒng)的安全性，可靠性指標(biāo)評為“高”；

（3）操作難。操作困難，既不安全，效率也低下，有時需要大量人力，嚴(yán)重影響受電弓的安全運行，操作性指標(biāo)評為“難”。

2.2 機(jī)械外部振動除冰

該方法類似于機(jī)械人工除冰，外部振動法借助振動器使覆冰部件振動來達(dá)到除冰的目的[3]。該方法除冰的特點是：

（1）經(jīng)濟(jì)性中等。經(jīng)濟(jì)投入一般，耗能一般，購置專用的振動設(shè)備，需要投入一定的費用，經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)評為“中等”；

（2）可靠性低。對系統(tǒng)的影響較大，外部振蕩器在對受電弓覆冰處進(jìn)行振動時，會嚴(yán)重影響受電弓裝置系統(tǒng)的緊固性，會嚴(yán)重影響到受電弓系統(tǒng)的安全性，可靠性指標(biāo)評為“低”；

（3）操作難。由于靈敏系數(shù)高，操作困難，設(shè)備攜帶不便，既不安全，效率也低下，嚴(yán)重時會影響受電弓的安全運行，操作性指標(biāo)評為“難”。

3 熱力融冰方法

縱觀多年來各國專家學(xué)者的研究成果，可以說熱力融冰是目前最主要和最有效的抗冰除冰方法。熱力融冰利用的是電流通過導(dǎo)線時會產(chǎn)生焦耳熱的原理，利用各種技術(shù)，以增加輸電線路中的電流密度或者其他方式，使導(dǎo)線自身產(chǎn)生足夠多的熱量，以避免冰雪的覆積或使已有的覆冰融化脫落。熱力融冰時，位于導(dǎo)線上方的冰最先融化。當(dāng)融化到一定程度后，借助自身所受重力的作用，覆冰成塊脫落，達(dá)到融冰的目的。所以在相同氣候條件下，重載時受電弓覆冰較輕或不覆冰，輕載時受電弓覆冰較重。

3.1 交流融冰方法

交流融冰技術(shù)是以交流電作為融冰電源，通過流過線路的交流電產(chǎn)生焦耳熱來加熱導(dǎo)線時覆冰融化脫落[5]。交流電流法是最早使用的熱力融冰技術(shù)。根據(jù)受電弓的具體結(jié)構(gòu)，受電弓適合采用系統(tǒng)停電狀態(tài)的交流融冰法，即短路融冰法。其基本思路是在受電弓停運時，將覆冰系統(tǒng)的一端兩相或三相短接或者與架空地線短接構(gòu)成回路，在另一端注入融冰所需的交流電流來進(jìn)行線路融冰。這種方法也是需采用另外的一套交流供電裝置，需要高額附加費用。該方法除冰的特點是：

（1）經(jīng)濟(jì)性低。經(jīng)濟(jì)投入較高，根據(jù)負(fù)荷的情況，需投入一筆采購交流融冰電源裝置的費用，且該電源裝置的容量與負(fù)荷要保持一致，經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)評為“低”；

（2）可靠性高。該交流融冰裝置對受電弓裝置的影響較小，且融冰安全有效，不會影響到受電弓系統(tǒng)的安全性，可靠性指標(biāo)評為“高”；

（3）操作易。由于該方法的操作都是自動化的，操作容易，安全系數(shù)高，不會影響受電弓的安全運行。操作性指標(biāo)評為“易”。

3.2 直流融冰方法

直流融冰法使用直流電進(jìn)行受電弓的融冰。相比于交流除冰法，直流融冰最大的特點是融化期間僅覆冰受電弓的直流電阻起作用，線路的感抗不會消耗功率。因此，在相同的融冰條件下可大大減輕對于融冰電源容量的限制。此外，直流電流是利用交流電通過整流裝置得到，由于采用了大功率的電力電子裝置，可以靈活的調(diào)節(jié)敲冰電壓和電流，因此適應(yīng)性更強(qiáng)。根據(jù)受電弓的實際情況，可以充分利用電力機(jī)車上的110V直流蓄電池作為電源裝置。該方法除冰的特點是：

（1）經(jīng)濟(jì)性高。經(jīng)濟(jì)投入較低，可以充分利用電力機(jī)車上的110V直流蓄電池作為直流電源。僅根據(jù)實際情況添加一些傳輸導(dǎo)線。經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)評為“高”；

（2）可靠性高。該交流融冰裝置對受電弓裝置的影響較小，且融冰安全有效，電壓等級低、安全，不會影響到受電弓系統(tǒng)的安全性，可靠性評為“高”；

（3）操作易。由于該方法的操作都是自動化的，操作容易，安全系數(shù)高，不會影響受電弓的安全運行。操作性指標(biāo)評為“易”。

3.3 激光融冰方法

激光融冰方法是依據(jù)激光具有高能量、功率的特點，當(dāng)激光作用在冰層時，激光相當(dāng)于熱源，使冰塊慢慢融合，達(dá)到融冰的目的[6]。但不同波長的激光功率不一樣，激光效果也不一樣。激光功率與融穿效果成雙曲線圖形，如圖1所示。

圖1 不同激光功率的融穿時間曲線

該方法除冰的特點是：

（1）經(jīng)濟(jì)性低。經(jīng)濟(jì)投入高，由于激光融冰裝置是新型設(shè)備，價值高，未大范圍使用。經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)評為“高”；

（2）可靠性中等。由于激光技術(shù)是門新技術(shù)，且技術(shù)可靠性有待驗證；其次該電氣設(shè)備容易損壞，影響受電弓系統(tǒng)的安全性；最后，該方法的功率受限，通過上圖可以看出當(dāng)激光功率大于70的時候，融穿的時間并未增加，達(dá)到一定的極限。這項可靠性評為“中等”；

（3）操作難。由于靈敏系數(shù)高，操作困難；其次激光攜帶高熱量、高功率，如發(fā)生偏差極易損壞受電弓的其它設(shè)備。嚴(yán)重影響受電弓的安全運行，這項評為“難”。

4 結(jié)論

通過對上述五種受電弓的融冰方法分析得出融冰效果表，如表1所示。

表1 五種受電弓融冰方法的效果對比表

根據(jù)采用經(jīng)濟(jì)性高、可靠性高、操作難度易的優(yōu)先原則，不難發(fā)現(xiàn)直流融冰技術(shù)是最適合受電弓融冰的方法，其次是機(jī)械人工除冰。機(jī)械外部振動除冰和激光除冰對受電弓覆冰不太適合。本文通過對受電弓融冰方法的研究發(fā)現(xiàn)，技術(shù)先進(jìn)不一定是最好的，要結(jié)合具體的融冰對象去分析。

[1] 劉剛,趙學(xué)增,姜世金,等.架空電力線路防冰除冰技術(shù)國內(nèi)研究綜述[J].電力學(xué)報,2014(4):335-342.

[2] 吳積欽.受電弓與接觸網(wǎng)系統(tǒng)[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2010.

[3] 劉琨,劉念.電力系統(tǒng)冬季除冰和防冰問題的研究[J].四川電力技術(shù),2008,31(4):39-42.

[4] 李剛,邰毅.電力系統(tǒng)較為常用的線路融冰方法[J].科技專論,2013(5):275.

[5] 申屠剛.電力系統(tǒng)輸電線路抗冰除冰技術(shù)研究進(jìn)展綜述[J].機(jī)電工程,2008,25(7):72-75.

[6] 郭煥輝.架空線路交流誠冰技術(shù)的研究[D].保定:華北電力大學(xué),2015.

[7] 薛亮,黃茜.激光技術(shù)在電力工程中的應(yīng)用[J].上海電力學(xué)院學(xué)報,2014,30(4):383-387.

A review of research methods on pantograph ice–melting technology

The types and forming conditions of icing on the pantograph of electric locomotive are summarized in this paper, in view of the pantograph icing problem, the deicing methods are summarized. Secondly, the advantages and disadvantages of various deicing method were analyzed from economic input, (effect) on the system reliability and the operation difficulty level three indicators, finally, the ice removal methods are summarized, design of pantograph and operation maintenance has important guiding significance in the future.

pantograph; deicing; railway power supply

U264

A

1008-1151(2016)11-0034-02

2016-10-10

湖南省教育廳科學(xué)研究項目（15C0318）。

陳惠（1969－），女，湖南衡陽人，湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，碩士，研究方向為鐵道供電技術(shù)。

曹志華（1988－），男，湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院助教，研究方向為鐵道供電技術(shù)。