高速鐵路接觸網(wǎng)直流融冰技術(shù)

史國強(qiáng)

（中國國家鐵路集團(tuán)有限公司運(yùn)輸調(diào)度指揮中心，北京100844）

1 接觸網(wǎng)覆冰危害

覆冰是特定氣象條件下產(chǎn)生的冰凍現(xiàn)象。我國是輸電線路覆冰嚴(yán)重的國家，特別是2008年初發(fā)生的50年一遇的冰雪災(zāi)害，導(dǎo)致南方10多個省市部分電力供應(yīng)中斷，引發(fā)電氣化鐵路大范圍停電，給鐵路系統(tǒng)造成了巨大損失，只能臨時采用內(nèi)燃機(jī)車擺渡維持運(yùn)行，由此對國民經(jīng)濟(jì)其他方面造成的損失更是難以估量［1］。

作為牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分，接觸網(wǎng)直接裸露于空氣中，極易受氣候、地形等外部因素影響，在高寒、高濕地區(qū)覆冰現(xiàn)象頻發(fā)，嚴(yán)重影響鐵路安全運(yùn)行［2］。通常情況下，電氣化鐵路由于列車運(yùn)行時接觸導(dǎo)線中有電流通過不易結(jié)冰，所以接觸網(wǎng)覆冰概率較小，但由于我國“八縱八橫”高鐵網(wǎng)分布于眾多氣候帶及地質(zhì)條件下，加之采用夜間天窗綜合維修方式，在相當(dāng)長時間內(nèi)沒有列車通過，當(dāng)溫度在0℃上下浮動、濕度較大時，接觸導(dǎo)線極易出現(xiàn)覆冰現(xiàn)象。

1.1 對接觸網(wǎng)導(dǎo)線、承力索的危害

當(dāng)接觸網(wǎng)覆冰質(zhì)量超過設(shè)計最大值，迎風(fēng)面面積過大，在風(fēng)力作用下會發(fā)生振蕩、舞動，引發(fā)線索、連接部件、絕緣子等抽拖、折斷，嚴(yán)重時造成倒桿、斷線甚至塌網(wǎng)事故。接觸網(wǎng)覆冰分布不均勻時，不同部位溫度不同，造成覆冰融化程度存在差異，鄰近線索張力差會引發(fā)電氣安全距離不足等隱患。接觸網(wǎng)覆冰破壞弓網(wǎng)關(guān)系，造成弓網(wǎng)虛接，打壞受電弓滑板，嚴(yán)重時甚至?xí)龜鄬?dǎo)線，引發(fā)大范圍設(shè)備損壞。2012年2月21日，原沈陽鐵路局萬家屯站7道，因電力機(jī)車停車位置處弓網(wǎng)均覆有冰霜，造成弓網(wǎng)間虛接，放電過程中將接觸線燒斷。2015年1月28日，原武漢鐵路局漢宜客專枝江北—荊州下行區(qū)段，持續(xù)發(fā)生接觸網(wǎng)加強(qiáng)線與回流線覆冰舞動現(xiàn)象，造成動車組列車取流不暢，拉弧嚴(yán)重。2019年春運(yùn)期間，中國鐵路武漢局集團(tuán)有限公司管內(nèi)京廣、長荊、漢宜等線路出現(xiàn)接觸網(wǎng)覆冰，多列動車組列車受電弓風(fēng)管遭擊打破損，對春運(yùn)返程運(yùn)輸秩序造成較大影響。

1.2 對絕緣設(shè)備的危害

覆冰極易引發(fā)絕緣設(shè)備電氣性能降低、泄漏距離縮短，造成絕緣子放電擊穿，而且絕緣子擊穿的故障點(diǎn)不易被發(fā)現(xiàn)，故障處理往往用時很長，大面積的絕緣子覆冰很難在短時間內(nèi)消除，因此通常對運(yùn)輸安全影響很大。2012年2月13日，原濟(jì)南鐵路局京滬高鐵泰安—曲阜東上行區(qū)段雪后覆冰，正饋線絕緣子擊穿。2013年3月11日，原烏魯木齊鐵路局蘭新線柴窩堡—達(dá)坂城上下行共計45.56 km的運(yùn)營線路接觸網(wǎng)發(fā)生大面積絕緣子覆冰，用時近13 h才處理完畢。2016年4月30日，原烏魯木齊鐵路局蘭新高鐵遭遇強(qiáng)降雪，雪淞造成F線絕緣子大范圍閃絡(luò)放電。

2 接觸網(wǎng)防覆冰技術(shù)現(xiàn)狀

多年來，關(guān)于電力輸電線路和鐵路接觸網(wǎng)防覆冰技術(shù)，國內(nèi)外研究成果較多。按照原理分類，主要分為熱熔除冰、機(jī)械刮冰兩大類，以及電子凍結(jié)、電暈放電等，其中只有7種除冰方法通過了校驗，包括4種熱力除冰和3種機(jī)械除冰方法。機(jī)械除冰即通過刮擦方式等刮掉表面覆冰。熱熔除冰被國內(nèi)外認(rèn)為是最有效的防覆冰技術(shù)，采用焦耳熱效應(yīng)融冰原理，對電力輸電線路、鐵路接觸網(wǎng)通過電流加熱導(dǎo)線進(jìn)行除冰［3］。對于電力變配電設(shè)備而言，世界首套直流融冰裝置于2006年在加拿大魁北克Levis變電站正式投產(chǎn)［4-5］。針對鐵路接觸網(wǎng)設(shè)備，目前主要的融冰方法是交流和直流熱熔除冰［6］，接觸網(wǎng)融冰裝置在俄羅斯、韓國已有實(shí)際應(yīng)用。2008年后，我國京廣、哈大等高速鐵路也有類似裝置投入試驗運(yùn)行。

電力輸電線路融冰技術(shù)已有很多成果，鐵路接觸網(wǎng)設(shè)備融冰技術(shù)正在加緊開展，兩者在設(shè)備結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式、電氣特性等方面存在諸多不同，需要區(qū)別分析研究。電力輸電線路負(fù)荷一般較為穩(wěn)定或規(guī)律性較強(qiáng)，突變畸形波形不多，通過的大電流本身也具備一定熱熔除冰能力，除非出現(xiàn)2008年那樣的極端天氣，一般情況下覆冰不嚴(yán)重。鐵路接觸網(wǎng)作為電力機(jī)車（動車組）的動力來源，列車根據(jù)運(yùn)行圖開行，不同線路、不同時段開行列車密度差異很大，接觸網(wǎng)通過的負(fù)荷是間歇性的，電流時斷時續(xù)、時大時小，列車運(yùn)行密度低則更容易造成結(jié)冰。雖然鐵路接觸網(wǎng)允許一定覆冰存在，但容忍度較低，技術(shù)要求更加苛刻，重點(diǎn)是應(yīng)該考慮覆冰引發(fā)弓網(wǎng)虛接，可能燒斷導(dǎo)線。在隧道口、高路基、高架橋等區(qū)段，風(fēng)速大、溫度低，接觸網(wǎng)更容易發(fā)生覆冰［6］。

目前，我國鐵路大多采取加強(qiáng)管控的手段，當(dāng)溫度在0℃上下浮動時，取消接觸網(wǎng)停電天窗維修作業(yè)，保證接觸網(wǎng)上持續(xù)通過電流，融化輕微覆冰?；蛘邔⑷藛T鋪開巡查，發(fā)現(xiàn)覆冰隱患就及時要點(diǎn)處理［7］。也可采用人工除冰方法，熱滑電力機(jī)車（動車組）車頂安裝硬度大的不受流受電弓，在列車間歇時段不間斷來回運(yùn)行，刮除接觸網(wǎng)覆冰［8］。上述方法需要投入大量人力和電力機(jī)車（動車組）資源，熱滑也不能完全保障遠(yuǎn)端接觸網(wǎng)的融冰效果［9］。因此，深入研究不影響鐵路正常運(yùn)行的在線融冰技術(shù)具有重要意義和工程價值。在此，提出一種直流融冰的解決方案。

3 直流融冰技術(shù)

3.1 技術(shù)原理

接觸導(dǎo)線的融冰技術(shù)原理是采用短路法，以牽引變電所為中心，通過特定的接線方式使變電所上下行供電臂形成閉合回路，從而融化覆冰。直流融冰技術(shù)利用沿線牽引變電所內(nèi)變壓器輸出的27.5 kV交流電源作為輸入電源，基于絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），結(jié)合柔性直流輸電功能的移動式直流融冰裝置，經(jīng)直流融冰裝置轉(zhuǎn)換成直流電進(jìn)行接觸網(wǎng)融冰。直流融冰技術(shù)原理見圖1［7］。

圖1 直流融冰技術(shù)原理

直流融冰裝置具有良好的恒流特性，在負(fù)載變化時，可快速響應(yīng)，確保電流穩(wěn)定加熱。同時，其保護(hù)系統(tǒng)投入運(yùn)行，對接觸網(wǎng)線路及設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。待融冰完成后，可根據(jù)一定操作規(guī)程退出接觸網(wǎng)直流融冰裝置。直流融冰具有以下優(yōu)點(diǎn):

（1）安全可靠。在天窗期間運(yùn)行，無需考慮機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)，不影響正常行車，與地回路無關(guān)聯(lián)，可減少對線路的干擾。

（2）效率高。受直流電特性作用，接觸網(wǎng)感性分量部分能基本消耗多余電能，因此裝置容量可減少到交流融冰裝置的1/6左右，容量小、能耗少，融冰效率有較大提升。

（3）可用范圍廣。融冰裝置的電源輸出電壓可調(diào)，無需進(jìn)行阻抗匹配，有良好的恒流特性，可滿足不同長度線路的融冰要求，一定程度上不受供電臂長度的限制。

（4）機(jī)動靈活。集裝箱式直流融冰裝置可固定使用，也可吊裝，機(jī)動靈活，節(jié)省投資。

3.2 基本功能與技術(shù)指標(biāo)

（1）直流融冰裝置應(yīng)具備的基本功能為:具有對輸出功率進(jìn)行連續(xù)或分級調(diào)節(jié)的功能，為接觸網(wǎng)提供穩(wěn)態(tài)電流，對接觸導(dǎo)線進(jìn)行加熱；具有完備、可靠的控制保護(hù)功能，如過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)、接地故障保護(hù)、負(fù)載過溫保護(hù)、負(fù)載開路保護(hù)、系統(tǒng)超溫保護(hù)等；具有當(dāng)?shù)赝肚?、功率調(diào)整、遠(yuǎn)方監(jiān)控及顯示、溫度在線監(jiān)測、遠(yuǎn)動操作控制及通信等功能；具有接觸網(wǎng)覆冰預(yù)警及提示裝置投入初始功率、投入運(yùn)行時間等功能。

（2）使用環(huán)境條件如下:工作海拔:不超過1 000 m；工作環(huán)境溫度:-40～+40℃；地震烈度:不大于8度；風(fēng)速:最大風(fēng)速40 m/s；污穢等級:按IV級考慮。

（3）技術(shù)要求如下:額定輸入電壓:27.5 kV；設(shè)備最高工作電壓:31.5 kV；額定頻率:50 Hz；1 min工頻耐受電壓:不小于80 kV；雷電沖擊耐受電壓:不小于185 kV；過載能力:裝置中所有設(shè)備均能耐受所要求的連續(xù)或短時負(fù)荷能力，在電壓和電流超允許值時能進(jìn)行保護(hù)，應(yīng)滿足1.1倍過載能連續(xù)運(yùn)行，1.2倍過載運(yùn)行時間不低于10 s；平均無故障時間:不小于2 000 h；輸出功率:由供需雙方根據(jù)牽引供電系統(tǒng)負(fù)載能力、當(dāng)?shù)貧夂驐l件、接觸網(wǎng)可能的覆冰厚度、融冰期望時間等協(xié)商確定。

直流融冰裝置在工作時，電流在接觸線、承力索之間分配計算結(jié)果見表1（以CTMH-150型接觸線、JTMH-120型承力索為例）。

表1 電流在接觸線、承力索之間分配情況

4 直流融冰裝置

采用沿線牽引變電所27.5 kV所用變壓器供電的直流融冰裝置宜采用集裝箱內(nèi)布置方式，安裝在牽引變電所內(nèi)。集裝箱主要設(shè)備包括:交流開關(guān)柜、陽極電抗器、無功補(bǔ)償設(shè)備（備選）、整流器、控制柜、直流刀開關(guān)等。導(dǎo)線及溫度在線監(jiān)測裝置應(yīng)采取可靠安裝方式，任何情況下不能影響正常行車。

直流融冰的電源裝置主電路為三相全控橋式整流電路，直流輸出端跨接續(xù)流二極管，交流輸入側(cè)帶保護(hù)裝置，其原理見圖2。晶閘管的導(dǎo)通順序為:VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6。當(dāng)調(diào)整晶閘管的觸發(fā)角度時，輸出直流電壓相應(yīng)改變，加載在阻感負(fù)載上的電流也相應(yīng)改變，實(shí)現(xiàn)輸出電流的連續(xù)可調(diào)。

直流融冰裝置工作后，相關(guān)溫升曲線見圖3。

圖2 電源裝置主電路原理

圖3 溫升曲線

5 保護(hù)與控制系統(tǒng)

直流融冰裝置的保護(hù)系統(tǒng)為三級保護(hù)（見圖4）。

圖4 保護(hù)與控制系統(tǒng)

（1）一級保護(hù)。變電所和AT分區(qū)所增加一種“直流融冰運(yùn)行方式”保護(hù)形式，因直流融冰裝置在本線維修天窗點(diǎn)進(jìn)行試驗運(yùn)行。根據(jù)各種電流、電壓的計算，進(jìn)行整定保護(hù)計算，在既有變電所的綜合自動化系統(tǒng)保護(hù)裝置中增加1套適合“直流融冰運(yùn)行方式”保護(hù)整定值，牽引變電所的饋線保護(hù)設(shè)置電流速斷保護(hù)作饋出線至融冰裝置交流進(jìn)線側(cè)的線路保護(hù)，為主保護(hù)；設(shè)置過電流保護(hù)作融冰裝置保護(hù)的后備保護(hù)，以保護(hù)融冰裝置和接觸網(wǎng)的安全性。

（2）二級保護(hù)。在牽引變電所27.5 kV變壓器和陽極電抗器之間裝有10 kV高壓開關(guān)柜，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)交流過壓、交流欠壓、交流短路、交流過流、整流變壓器出現(xiàn)內(nèi)部故障時，發(fā)跳閘信號給該10 kV高壓開關(guān)柜，同時將跳閘信號送給整流控制系統(tǒng)封鎖脈沖以保護(hù)下級電氣設(shè)備。

（3）三級保護(hù)。整流變壓器的二次側(cè)每相都裝有電流互感器，同時裝有三相電壓互感器，電流互感器和電壓互感器的輸出信號送到整流控制系統(tǒng)，整流控制系統(tǒng)將實(shí)時監(jiān)控變壓器二次側(cè)的電壓和電流，如出現(xiàn)交流過壓、欠壓、短路、過流時，發(fā)跳閘信號給交流進(jìn)線的10 kV高壓開關(guān)柜，同時封鎖脈沖以保護(hù)下級電氣設(shè)備，并且三相電壓互感器的輸出信號還將作為整流器控制系統(tǒng)的同步信號。

6 融冰裝置投運(yùn)前試驗項目

除按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)完成單體設(shè)備試驗外，還應(yīng)在融冰裝置構(gòu)成系統(tǒng)后完成型式試驗、出廠試驗、現(xiàn)場試驗（見表2、表3）。

表2 型式試驗、出廠試驗項目

表3 現(xiàn)場試驗項目

7 結(jié)束語

接觸網(wǎng)融冰技術(shù)有待深入研究與探索，尤其在融冰電磁特性與兼容、溫度場、阻抗比值，以及提高經(jīng)濟(jì)性、與鐵路安全運(yùn)營緊密結(jié)合、盡快實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用等方面，應(yīng)采取有效方法與措施，借助高科技研究成果，進(jìn)一步解決接觸網(wǎng)覆冰問題，保障高速鐵路安全運(yùn)行。