磁浮線路接觸軌防冰凍災(zāi)害研究

涂振華，歐陽(yáng)虹，鄒同友，郭樂(lè)洋

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，溫室氣體的不斷排放導(dǎo)致全球氣候變暖，極端天氣席卷全球。近年來(lái)，在我國(guó)南方地區(qū)，冬季凍雨天氣頻發(fā)，加之環(huán)境溫度、濕度和風(fēng)速等因素的共同作用，處于室外高架段的城市軌道交通接觸網(wǎng)、接觸軌極易形成大面積覆冰現(xiàn)象，如2008 年春運(yùn)期間我國(guó)南方地區(qū)遭遇嚴(yán)重冰災(zāi)，多條電氣化鐵路的接觸網(wǎng)及列車受電弓發(fā)生覆冰險(xiǎn)情，導(dǎo)致受電弓不能正常取流，嚴(yán)重影響了鐵路的安全運(yùn)營(yíng)[1]。如何有效解決南方冬季凍雨天氣下磁浮交通供電系統(tǒng)的接觸軌覆冰問(wèn)題，保障凍雨天氣時(shí)磁浮列車安全運(yùn)行，已成為急需解決的問(wèn)題。本文以投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)近5 年的長(zhǎng)沙磁浮快線為例，探討磁浮線路安全穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)中面臨的一系列問(wèn)題。

長(zhǎng)沙磁浮快線大部分為室外高架段，如冬季遭遇嚴(yán)重冰凍雨雪天氣，接觸軌覆冰風(fēng)險(xiǎn)很大，若接觸軌頂面及側(cè)部受流面結(jié)冰，將直接阻礙磁浮列車受流器與接觸軌接觸，嚴(yán)重時(shí)將造成受流器與接觸軌受流面拉弧、放電等，不僅影響列車運(yùn)行時(shí)的受流質(zhì)量，而且極易造成接觸軌受流面本體、受流器損傷或破壞，甚至可能導(dǎo)致線路無(wú)法正常運(yùn)營(yíng)。

目前國(guó)內(nèi)外暫無(wú)磁浮接觸軌防冰、除冰的工程應(yīng)用技術(shù)和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，少數(shù)研究機(jī)構(gòu)或團(tuán)隊(duì)的接觸軌防冰、除冰方法仍處于理論或?qū)嶒?yàn)室研究和試驗(yàn)階段。經(jīng)了解，傳統(tǒng)的除冰方法有人工除冰、機(jī)械除冰、化學(xué)除冰和自然被動(dòng)除冰等[2]，這些方法雖然實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但由于城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線路長(zhǎng)，除冰工作量大，在人力資源投入、人身安全、環(huán)境污染、運(yùn)營(yíng)需求和實(shí)際效果方面均存在不足。

本文在深入研究國(guó)家電網(wǎng)、鐵路接觸網(wǎng)防冰與除冰技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合中速磁浮發(fā)展需求，根據(jù)長(zhǎng)沙磁浮快線接觸軌自身特點(diǎn)，以及長(zhǎng)沙磁浮快線供電系統(tǒng)現(xiàn)有設(shè)備與供電條件等，提出接觸軌直流融冰法和接觸軌保線電流法[3]，并通過(guò)理論計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)人為制冰和除冰模擬試驗(yàn)驗(yàn)證方法的有效性。

1 長(zhǎng)沙磁浮快線及供電系統(tǒng)簡(jiǎn)介

長(zhǎng)沙磁浮快線作為國(guó)內(nèi)首條擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中低速磁浮線路，運(yùn)營(yíng)車輛采用中低速磁浮列車，常導(dǎo)電磁鐵懸浮、直線感應(yīng)電機(jī)牽引，運(yùn)用“同極相斥、異極相吸”電磁原理，以電磁力支撐列車并推動(dòng)前行。該線路全長(zhǎng)18.55 km，正線設(shè)有6 座牽引降壓混合變電所（額定容量均為3 200 kV·A），其供電線路為鋪設(shè)在線路兩側(cè)的C 型接觸軌，接觸軌分為正極和負(fù)極，正極側(cè)電壓為DC 1 500 V，負(fù)極側(cè)電壓為0 V。

供電接觸軌系統(tǒng)主要由鋼鋁復(fù)合接觸軌及中間接頭、膨脹接頭、電連接、中心錨結(jié)、端部彎頭、絕緣安裝支架、過(guò)渡彎頭、分段絕緣器等附件構(gòu)成。系統(tǒng)接觸軌采用HP-C100 鋼鋁復(fù)合C 型接觸軌，是由不銹鋼型鋼帶（型號(hào)為06Cr19Ni10）與鋁合金型材通過(guò)塑性加工方法復(fù)合而成的導(dǎo)電軌，其截面為100 mm2，鋼帶厚度為4.5 mm，標(biāo)準(zhǔn)軌制造長(zhǎng)度為11.7 m。接觸軌溫升曲線與主要技術(shù)參數(shù)分別如圖1 和表1 所示。

圖1 接觸軌溫升曲線

表1 接觸軌主要技術(shù)參數(shù)

2 接觸軌直流融冰法

接觸軌直流融冰法是根據(jù)接觸軌溫升特性，通過(guò)將上下行接觸軌首尾串聯(lián)，使供電系統(tǒng)與接觸軌成為一種融冰電源發(fā)熱裝置，再使用既有供電系統(tǒng)整流裝置向接觸軌兩端施加1 500 V 直流電壓[5]，利用導(dǎo)體本身的內(nèi)阻消耗電能產(chǎn)生熱能，達(dá)到接觸軌除冰的效果。接觸軌直流融冰法的供電系統(tǒng)簡(jiǎn)化等效電路如圖2 所示。圖中R線為接觸軌線路阻抗，R內(nèi)為變電所內(nèi)阻。

圖2 接觸軌直流融冰法等效電路

下文利用電流熱效應(yīng)原理，分析直流融冰法的可行性。電流熱效應(yīng)原理即利用焦耳-楞次定律以及比熱容的相關(guān)公式：

式中：C為比熱容；M為質(zhì)量；ΔT為溫升。

若將該線上行或下行接觸軌從0℃升溫至20 ℃，即ΔT= 20 ℃，將接觸軌主要技術(shù)參數(shù)代入式（2），得到Q鋁=C鋁·M鋁·ΔT= 404 874 377.6 J，Q鋼=C鋼·M鋼·ΔT= 1 732 570 000 J。

現(xiàn)變電所單臺(tái)整流變壓器容量為1 600 kV·A，單臺(tái)整流器額定功率P為1 500 kW，額定直流電流為1 000 A，既有供電系統(tǒng)兩套整流裝置為并聯(lián)運(yùn)行，則空載電壓U空= 1 650 V 時(shí)，單臺(tái)整流器輸出電流I=P/U空≈909 A，而整流器標(biāo)準(zhǔn)工作制等級(jí)為Ⅵ類工作制等級(jí)[5]，即

1.0 p.u..連續(xù)；

1.5 p.u..2 h；

3.0 p.u..1 min。

將t1= 552 s 換算成分鐘，僅耗時(shí)約9 min，I短1= 2 672 A 時(shí)，單臺(tái)整流器需承受的短路電流為I短1的一半，即1 336 A，因此該融冰時(shí)長(zhǎng)與融冰電流可滿足整流器標(biāo)準(zhǔn)工作制等級(jí)的要求。

當(dāng)I短2= 1 423 A 時(shí)，將t2= 1 946 s 換算成分鐘，需耗時(shí)約32.5 min，以上融冰時(shí)長(zhǎng)與融冰電流同樣滿足整流器標(biāo)準(zhǔn)工作制等級(jí)的要求。

通過(guò)上述理論計(jì)算，在使用既有供電系統(tǒng)整流裝置，并在融冰回路中增加相應(yīng)控制導(dǎo)通裝置的情況下，應(yīng)用接觸軌直流融冰法理論上可實(shí)現(xiàn)接觸軌除冰。

3 接觸軌保線電流法

接觸軌保線電流法是指有磁浮列車運(yùn)行時(shí)，在上下行接觸軌正負(fù)極分段串接可調(diào)電阻柜作為負(fù)載接入供電分區(qū)末端，再使用既有供電系統(tǒng)整流裝置向該供電分區(qū)的接觸軌兩端施加1 500 V 直流電壓，利用磁浮列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電流和流經(jīng)可調(diào)電阻柜及對(duì)應(yīng)供電分區(qū)接觸軌的電流，消耗電能產(chǎn)生熱能，使得接觸軌持續(xù)通流發(fā)熱，達(dá)到接觸軌除冰或防止覆冰的效果。

3.1 方法一

長(zhǎng)沙磁浮快線正線共有6 座牽引所，保留正線兩端的牽引所1、牽引所6 以及牽引所5，牽引所1、5、6 采取接觸軌單邊供電，在牽引所3、牽引所5 的位置分別形成接觸軌斷點(diǎn)，以便有限調(diào)控線路電流；在牽引所3 的上行兩個(gè)區(qū)間、下行兩個(gè)區(qū)間分別串接1 套可調(diào)電阻柜，并在牽引所5 到牽引所6 單邊串接2 套可調(diào)電阻柜；牽引所2、牽引所3 均采取越區(qū)供電，根據(jù)長(zhǎng)沙磁浮快線線路里程，從牽引所1 到牽引所3 的距離為7.5 km，從牽引所3 到牽引所5 的距離為7.8 km。接觸軌保線電流法一的供電系統(tǒng)簡(jiǎn)化等效電路如圖3 所示。

圖3 接觸軌保線電流法一等效電路

該方法中，采取接觸軌單邊供電模式，主要考慮因線路較長(zhǎng)導(dǎo)致在牽引所3 末端電壓能否滿足行車需要及末端短路保護(hù)等問(wèn)題；若區(qū)間內(nèi)磁浮列車用電最大值I車= 900 A，串接電阻柜阻值R串= 2 Ω，線路阻抗R線1= 0.014 62×7.8×2 = 0.228 072 Ω。

3.2 方法二

長(zhǎng)沙磁浮快線正線共設(shè)置4 個(gè)供電區(qū)間，保留正線兩端的牽引所1、牽引所6 以及牽引所3，牽引所1 和6 采取接觸軌單邊供電，牽引所3 采取接觸軌雙邊供電，在牽引所2、牽引所5 的位置均形成接觸軌斷點(diǎn)，在牽引所2、牽引所5 均串接4 套可調(diào)電阻柜。牽引所2、牽引所5 均采取越區(qū)供電，從牽引所1 到牽引所2 的距離為4 km，從牽引所3到牽引所5 的距離為7.8 km。接觸軌保線電流法二的供電系統(tǒng)簡(jiǎn)化等效電路如圖4 所示。

圖4 接觸軌保線電流法二等效電路

該方法減小了區(qū)間距離，末端電壓降低較少，從牽引所3 到牽引所5 之間的距離較長(zhǎng)，為7.8 km，根據(jù)串接電阻柜阻值的不同，以及區(qū)間有無(wú)磁浮列車，有如下幾種情況：

（1）串接電阻柜阻值R串= 1.5 Ω，線路阻抗值R線1= 0.014 62×7.8×2=0.228 072 Ω。

采用該方法同樣需優(yōu)化供電系統(tǒng)保護(hù)定值。

通過(guò)上述理論計(jì)算，使用既有供電系統(tǒng)整流裝置，在正線上設(shè)置合理的接觸軌斷點(diǎn)，重新劃分正線供電區(qū)間，并在融冰回路中串接可調(diào)電阻柜，利用磁浮列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電流與流經(jīng)可調(diào)電阻柜及對(duì)應(yīng)供電分區(qū)接觸軌的電流和，該電流和的大小滿足整流器標(biāo)準(zhǔn)工作制等級(jí)的要求，在保證磁浮列車正常運(yùn)行的同時(shí)，使得接觸軌持續(xù)通流發(fā)熱，達(dá)到接觸軌除冰或防止覆冰的效果。

4 結(jié)論

（1）在長(zhǎng)沙磁浮快線特定的供電系統(tǒng)現(xiàn)有設(shè)備、供電方式和線路條件下，根據(jù)電流熱效應(yīng)原理，不論是將上行或者下行接觸軌正負(fù)極短接，還是將全線接觸軌串聯(lián)短接，線路阻抗值均能滿足接觸軌直流融冰法的條件，理論上可實(shí)現(xiàn)接觸軌除冰；就長(zhǎng)沙磁浮快線接觸軌而言，若線路太短則線路阻抗值就小，短路電流太大，則融冰電流將不能滿足整流器標(biāo)準(zhǔn)工作制等級(jí)要求，即不能使用接觸軌直流融冰法；此外，通過(guò)理論計(jì)算，在滿足文中整流器標(biāo)準(zhǔn)工作制等級(jí)要求的情況下，若要使融冰時(shí)間短，則融冰電流將很大，融冰電流太大對(duì)供電系統(tǒng)及其設(shè)備的安全可靠性造成較大考驗(yàn)。

（2）接觸軌保線電流法是在接觸軌直流融冰法的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)上，根據(jù)磁浮線路在冰凍雨雪天氣時(shí)實(shí)際運(yùn)營(yíng)需要而研究的一種方法，其技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)在于如何合理設(shè)置接觸軌斷點(diǎn)，使重新劃分的正線供電分區(qū)能更有利于除冰工作的開(kāi)展，在可調(diào)電阻柜的阻值選擇和線路阻抗值的計(jì)算方面，應(yīng)根據(jù)供電系統(tǒng)電流保護(hù)定值等參數(shù)進(jìn)行合理選擇配置，同時(shí)，在重新劃分的同一供電分區(qū)內(nèi)對(duì)運(yùn)行的磁浮列車數(shù)量也應(yīng)進(jìn)行合理的行車調(diào)度，避免出現(xiàn)融冰電流超出供電系統(tǒng)及其設(shè)備所能承受的范圍，因此，從理論計(jì)算的結(jié)果以及所需承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)來(lái)看，應(yīng)用接觸軌保線電流法應(yīng)酌情減少串接可調(diào)電阻柜的投入，降低設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)，重點(diǎn)研究供電系統(tǒng)電流保護(hù)定值等參數(shù)的設(shè)置，從系統(tǒng)的角度動(dòng)態(tài)分析研判。采用接觸軌保線電流法時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮供電系統(tǒng)、行車組織的動(dòng)態(tài)模型變化，在保障磁浮列車安全運(yùn)行的同時(shí)，又能達(dá)到較好的接觸軌除冰或防止覆冰的效果。

（3）在長(zhǎng)沙磁浮快線特定的線路條件和供電系統(tǒng)運(yùn)行工況下，根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，接觸軌直流融冰法和接觸軌保線電流法均能在接觸軌除冰和防止覆冰方面發(fā)揮作用。

（4）本文只從理論上研究了利用電流熱效應(yīng)原理對(duì)接觸軌進(jìn)行除冰和防止接觸軌覆冰，并未對(duì)接觸軌結(jié)冰的成因和過(guò)程進(jìn)行深入分析，實(shí)際接觸軌除冰和防止覆冰的效果還會(huì)受到環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速、局部氣流場(chǎng)、凍雨運(yùn)動(dòng)軌跡和接觸軌金屬表面溫度場(chǎng)等多種因素的影響[6]，因此，接觸軌實(shí)際除冰和防止覆冰的工程應(yīng)用仍需進(jìn)一步研究，且方法和措施絕不局限于本文所述。