接觸網(wǎng)直流電流融冰技術(shù)研究

肖經(jīng)志

(中鐵七局電務(wù)公司，河南鄭州45000)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國電氣化鐵路規(guī)模也在不斷地?cái)U(kuò)大，電氣化鐵路在國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防建設(shè)中也擔(dān)負(fù)著越來越重要的作用。但是，由于我國是跨越地域氣候最多的國家，接觸網(wǎng)覆冰的現(xiàn)象也就越顯嚴(yán)重，隨著接觸網(wǎng)不斷延伸到易覆冰區(qū)，頻繁發(fā)生的覆冰事故對鐵路運(yùn)營的危害也逐漸凸顯，接觸網(wǎng)覆冰將對弓網(wǎng)接觸、取電、拉弧、支吊產(chǎn)生重大影響。因此，研究出可靠的防冰融冰技術(shù)已經(jīng)成為一項(xiàng)重要而緊迫的任務(wù)。

1 直流融冰的可行性

接觸網(wǎng)的交流電流融冰技術(shù)主要包括發(fā)電機(jī)零起電流、交流短路和過負(fù)荷融冰等方法。交流電流融冰(簡稱交流融冰)的基本原理與直流融冰相同，但在技術(shù)的研究和應(yīng)用上又有自身的特點(diǎn)，受交流電流自身的特性影響，由于接觸網(wǎng)一般是低壓線路，在低壓接觸網(wǎng)中一般串接線路及變電站較多，則電源較難保障，不像直流融冰一樣可以用發(fā)電車來作為電源，所以選擇直流融冰法作為融冰的方案。

2 直流融冰的原理

將兩相或三相導(dǎo)線一端接入直流融冰裝置，另外一端短路，通過大功率整流器將直流電流注入導(dǎo)線加熱來達(dá)到融冰的目的。直流電流產(chǎn)生的熱量必須大于導(dǎo)線散熱量和融冰熱量之和，覆冰才能融化。這就要求:線路所通融冰電流I 達(dá)到一定的數(shù)值;融冰電流確定以后，融冰裝置的電源容量對應(yīng)一定長度的線路(電阻為R)，并裝置的輸出電壓也受到IR 的限制。

設(shè)計(jì)短路融冰方案時(shí)，接觸網(wǎng)的融冰電流、保線電流以及最大允許電流應(yīng)首先被確定。

融冰電流。融冰電流是指導(dǎo)線上覆冰融化電流。融冰電流在導(dǎo)線電阻中產(chǎn)生的熱量一部分使冰柱的溫度上升至融點(diǎn)，一部分使冰柱融化，一部分損失在從導(dǎo)線表面到冰柱表面的傳遞途中，還有一部分通過冰柱表面散失。

保線電流。保線電流是指保持導(dǎo)線溫度在冰點(diǎn)以上，是導(dǎo)線覆冰所需的最小電流。保線電流通過導(dǎo)線產(chǎn)生的熱量與對流，輻射散熱消耗熱量平衡。

導(dǎo)線最大允許電流。導(dǎo)線最大允許電流是指在融冰的短時(shí)間內(nèi)(最長幾小時(shí))允許導(dǎo)線最高溫度(90℃)所通過的電流。

在一定的環(huán)境條件下，直流融冰所需要的整流器容量取決于需要融冰線路的導(dǎo)線截面及導(dǎo)線長度?，F(xiàn)代直流技術(shù)的應(yīng)用和大電流晶閘管閥片的開發(fā)為直流融冰創(chuàng)造了良好的條件。直流短路融冰從技術(shù)上可適應(yīng)于各級電壓等級的不同導(dǎo)線截面的線路，實(shí)現(xiàn)這一方法的關(guān)鍵則是根據(jù)不同的應(yīng)用條件，開發(fā)出不同型式、不同容量的直流融冰設(shè)備。

直流融冰時(shí)線路阻抗的感性分量不起作用，降低了融冰所需的容量，提高了融冰效率;直流融冰時(shí)直流電壓連續(xù)可調(diào)，可以滿足不同長度線路的融冰要求，且不需要進(jìn)行阻抗匹配，也降低了融冰對電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的苛刻要求;安裝于樞紐變電站的直流融冰裝置可對全站所有進(jìn)出線進(jìn)行融冰，在線路大面積覆冰時(shí)，效果特別明顯。

3 直流融冰設(shè)備的開發(fā)

3.1 直流融冰電源型式

直流融冰的電源可以直接取自發(fā)電機(jī)(發(fā)電車)。

發(fā)電機(jī)(發(fā)電車)提供電源。發(fā)電機(jī)(發(fā)電車)主要指大功率柴油發(fā)電機(jī)組，也可以是電網(wǎng)中存在的發(fā)電機(jī)。在嚴(yán)重冰災(zāi)時(shí)，很難從變電站獲得電源，而車載式發(fā)電車能夠靈活移動(dòng)，移動(dòng)式直流電源可以發(fā)揮重要的作用。對于發(fā)電車，為了保證其移動(dòng)的靈活性，不應(yīng)該帶有變壓器，因此只能用發(fā)電車輸出電壓直接作為閥側(cè)電壓。

圖1 發(fā)電機(jī)提供電源的直流融冰方案(不帶整流變壓器)

3.2 直流融冰裝置主要參數(shù)的確定

直流融冰裝置的主要參數(shù)包括整流形式、直流額定電流、直流額定電壓、直流功率。對于需要安裝直流融冰裝置的變電站，對所有需融冰線路的融冰參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)參照約束條件，即可確定直流融冰裝置的這些參數(shù)和其他相關(guān)參數(shù)。

發(fā)電機(jī)(發(fā)電車)移動(dòng)式直流融冰裝置主要參數(shù)的確定。對于發(fā)電機(jī)(發(fā)電車)提供電源的移動(dòng)式直流融冰裝置，為確保其移動(dòng)的靈活性，不宜在整流器和發(fā)電車之間加變壓器，這樣發(fā)電車移動(dòng)式直流融冰裝置只能采用6 脈動(dòng)整流，直流側(cè)的最大可能直流輸出電壓為540 V。為保證移動(dòng)的靈活性，整流器只能采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，整流器的直流電流不宜超過1 000 A。為充分利用直流融冰裝置的容量，整流器的直流功率不宜超過540 kW。500 kVA 左右容量的發(fā)電車也可保持引動(dòng)的靈活性。

4 直流融冰裝置的控制和保護(hù)

直流融冰裝置的控制功能保證在電流和有功控制等調(diào)節(jié)目標(biāo)下，在直流融冰過程中實(shí)現(xiàn)融冰裝置換流器、直流隔離開關(guān)等的自動(dòng)控制，使直流融冰裝置各支路斷路器、隔離開關(guān)、融冰線路、冷卻系統(tǒng)、保護(hù)裝置和有關(guān)系統(tǒng)等運(yùn)行協(xié)調(diào)、安全。各交流出線可由控制裝置自動(dòng)切換三相線路連接到整流裝置。一方面，可以保證三相線路均衡融冰，切換過程中整流裝置及開關(guān)的操作都能自動(dòng)進(jìn)行以實(shí)現(xiàn)快速、安全融冰;另一方面，可以減少開關(guān)的倒閘操作。以保證系統(tǒng)在各種不同運(yùn)行方式下，實(shí)現(xiàn)不同線路快速、可靠、安全的融冰。

直流融冰裝置控制以融冰線路所需融冰電流為主要調(diào)節(jié)目標(biāo)，直流融冰裝置的有功功率和無功功率輸出可作為輔助調(diào)節(jié)目標(biāo)。

通常由運(yùn)行人員設(shè)定希望的電流定值以及電流升降速率?？刂葡到y(tǒng)控制直流融冰裝置輸出的直流電流為設(shè)定的電流定值，在交流和直流擾動(dòng)下仍保持本融冰裝置直流電流恒定。

根據(jù)融冰要求，提出對不同線路相應(yīng)的直流融冰裝置運(yùn)行方式和模式轉(zhuǎn)換方案，以保證融冰快速和安全完成。主要包含直流融冰裝置啟動(dòng)和停運(yùn)過程中的順序操作，各種控制模式和運(yùn)行方式的切換功能。

直流融冰裝置中如配置進(jìn)行無功補(bǔ)償和諧波治理的濾波器組，在監(jiān)視控制系統(tǒng)中可根據(jù)融冰電流的大小和觸發(fā)角進(jìn)行相應(yīng)濾波器的組投退控制。

直流融冰裝置的保護(hù)與控制系統(tǒng)功能相對獨(dú)立;控制與保護(hù)為統(tǒng)一設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)直流融冰裝置的保護(hù)與控制系統(tǒng)可采用不同的主機(jī)。

5 結(jié)語

本文闡述了直流融冰技術(shù)的可行性。除直流融冰技術(shù)外，其他防冰除冰方法在一定范圍和一定程度上也可以達(dá)到防冰除冰的目的，但其安全性、經(jīng)濟(jì)性、有效性和易操作性等方面存在不足。為了滿足更廣泛設(shè)備防冰除冰的要求，提高接觸網(wǎng)防冰除冰的效率和水平，在現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)上，依然迫切地需要完善一些未完成但有前景的防冰除冰技術(shù)，或者開發(fā)出新的技術(shù)，為鐵路運(yùn)輸安全提供更多保障。

［1］張光普，馬勁航，朱智宏. 城市軌道交通接觸網(wǎng)的防冰害措施［J］.都市快軌交通，2007(5).

［2］洪從魯，何忠韜. 接觸網(wǎng)除冰裝置及其安裝方法的研究［R］.成都:蘭州交通大學(xué)機(jī)電學(xué)院，2010.