電氣化鐵路接觸網(wǎng)防冰除冰技術(shù)綜述

中圖分類號(hào)：U226.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2025）19-0176-04

Abstract：Aselectrifiedrailwaysextendintoregionssusceptibletosevereicing，frequenticingincidentshaveposed significantchalengestorailwaysafety.Thispaperpresentsacomprehensivereviewofanti-icing，monitoring，anddeicing technologiesforcatenarysystems.Thispaperdelvesintoanti-icingstrategies，includinganti-icingcoatings，citicalcurnt methods，andphysicalpropertyaproaches.Additionallthepaperexaminesicingpredictionandonlinemonitoringtechnologies， leveragingdataanalysis，artificialinteligenceandsensorsystems.Variousdeicingtechniques，suchasthermalmelting， mechanicalremovalandthermalsliding，arealsodiscussedThefindingsunderscorethenecesityforfutherresearchtoevelop cost-efectiveeasilyimplementableintegratedanti-icinganddeicingsystemstoenhancethedisasterresilenceofrailway catenary systems and ensure their safe operation.

Keywords：catenary; icing;anti-icing technology；icing monitoring;de-icing technology

隨著電氣化鐵路的不斷延伸，接觸網(wǎng)在易覆冰、重覆冰地區(qū)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，接觸網(wǎng)覆冰問(wèn)題已成為影響鐵路安全運(yùn)行的重要隱患。2008年南方曾遭遇嚴(yán)重大覆冰災(zāi)害，2023年底至2024年初東北和南方的冰雪災(zāi)害曾導(dǎo)致鐵路大面積停運(yùn)，進(jìn)一步凸顯了該問(wèn)題的緊迫性。當(dāng)高速列車經(jīng)過(guò)覆冰接觸網(wǎng)時(shí)，接觸網(wǎng)在覆冰載荷作用下其固有頻率改變，馳度加大，剛度分布更不均勻，造成弓網(wǎng)離線增加、電弧頻發(fā)，嚴(yán)重惡化弓網(wǎng)受流質(zhì)量，嚴(yán)重影響鐵路安全運(yùn)行。覆冰接觸網(wǎng)如圖1所示。

接觸網(wǎng)覆冰的形成與低溫、大霧、雨雪等極端天氣密切相關(guān)，其復(fù)雜的形成機(jī)理決定了其治理的多樣性和復(fù)雜性。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)接觸網(wǎng)覆冰的研究主要集中在防冰技術(shù)、覆冰監(jiān)測(cè)和除冰技術(shù)領(lǐng)域。然而，現(xiàn)有技術(shù)多局限于單一方法，綜合治理體系尚未完全建立，部分技術(shù)在應(yīng)用中面臨經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境適應(yīng)性的制約。

基于上述背景，本文對(duì)接觸網(wǎng)的防冰、覆冰監(jiān)測(cè)及除冰技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)綜述，總結(jié)現(xiàn)有技術(shù)的研究進(jìn)展及應(yīng)用效果，提出未來(lái)改進(jìn)方向，以期為提高接觸網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)能力提供參考。

1 防冰技術(shù)

參照國(guó)內(nèi)外輸電線路的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)前比較常見(jiàn)的防冰方法主要有防覆冰涂料法、臨界電流法和物理特性法，在接觸網(wǎng)防冰中已有大量的相關(guān)研究。

1.1防覆冰涂料法

防覆冰涂料法具有施工簡(jiǎn)易、成本低廉、應(yīng)用效果好等優(yōu)勢(shì)，在接觸網(wǎng)運(yùn)營(yíng)中得到了廣泛的應(yīng)用。基于材料表面防覆冰的機(jī)理，將防覆冰涂料主要分為親水性、疏水性和彈性涂料3類。而親水性、彈性涂料在除冰階段的特定條件下對(duì)覆冰的脫離具有“反作用力”，因此通常在接觸網(wǎng)防冰時(shí)采用的涂料為疏水性涂料。

防覆冰涂料通過(guò)加入金屬化合物溶膠，可以有效地降低水的冰點(diǎn)溫度，具有良好的融冰、除冰效果。Zuo等通過(guò)制備超疏水納米多孔涂層，注入全氟聚醚潤(rùn)滑油，獲得了能有效防止冰與固體表面接觸的超滑面，構(gòu)建了兼?zhèn)涑杷植诒砻婧偷捅砻婺艿耐繉?，?jīng)測(cè)試達(dá)到了優(yōu)秀的防冰性能。

此外，超疏水粗糙表面涂層的制備技術(shù)包括液相沉積、化學(xué)蝕刻、陽(yáng)極氧化、激光蝕刻和機(jī)械模板等，多樣的涂層制備工藝也展現(xiàn)了對(duì)涂層防冰性能進(jìn)一步提升的潛力。

1.2 臨界電流法

臨界電流法是通過(guò)接觸網(wǎng)導(dǎo)線自身電阻的焦耳熱效應(yīng)，將導(dǎo)線溫度維持在冰點(diǎn)以上防止覆冰形成的一種防冰系統(tǒng)。Peter等推導(dǎo)了將導(dǎo)線電阻絲 R 維持在 0% 以上所需的電流 I 可以計(jì)算為

式中： R 為電阻（每米）； I 為電流； q 為熱量消耗； h 為傳熱系數(shù)； T 為電纜表面溫度； T₀ 為大氣溫度； 為水的密度； r 為電纜半徑； l_e 為蒸發(fā)潛熱。

利用有限元仿真方法可以模擬預(yù)測(cè)導(dǎo)線溫度，驗(yàn)證了臨界電流法在接觸網(wǎng)防冰應(yīng)用的可行性，然而在實(shí)際線路上仍需大量試驗(yàn)證明其有效性。

1.3 物理特性法

從物理材質(zhì)的角度，有應(yīng)用鐵磁材料防冰器件裹在輸電導(dǎo)線表面，促使覆冰難度提升，從而達(dá)到有效防冰的研究。

從物理結(jié)構(gòu)的角度，導(dǎo)線的覆冰過(guò)程中，覆冰量M 取決于碰撞系數(shù) α₁ 、捕獲系數(shù) α₂ 、凍結(jié)系數(shù) α₃ 空氣中液態(tài)水含量 ω 、導(dǎo)線直徑 d 、風(fēng)速 U 和導(dǎo)線長(zhǎng)度 L 及覆冰時(shí)間 τ ，其表達(dá)式為[4]

M=α₁α₂α₃ωdULτ

碰撞系數(shù)物理模型如圖2所示，氣流吹向?qū)Ь€表面附近時(shí)，過(guò)冷卻水滴因?yàn)槭艿金Φ淖饔枚l(fā)生運(yùn)動(dòng)軌跡的偏轉(zhuǎn)，部分水滴碰撞到導(dǎo)線表面，設(shè)初始高度為 δ 的水滴可達(dá)到導(dǎo)線兩端的極限碰撞點(diǎn)，則導(dǎo)線表面的水滴碰撞率 α₁ 的計(jì)算式為

從公式（3）可知，導(dǎo)線半徑 R 越大，碰撞系數(shù) α₁ 越低。在一定環(huán)境下，導(dǎo)線存在臨界直徑 d₀ ，即認(rèn)為當(dāng)dgt;d₀ 時(shí)，導(dǎo)線不會(huì)覆冰。

2覆冰監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)

接觸網(wǎng)覆冰發(fā)生在惡劣的天氣環(huán)境下，肉眼難以對(duì)覆冰的階段進(jìn)行有效觀察，并且沿線長(zhǎng)距離架設(shè)，導(dǎo)致采用人力布防的形式對(duì)接觸網(wǎng)覆冰進(jìn)行監(jiān)測(cè)效率極其低下。隨著人工智能與無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，加上氣象數(shù)據(jù)的積累，使得覆冰預(yù)測(cè)技術(shù)及在線監(jiān)測(cè)技術(shù)都得到了快速的發(fā)展。

2.1 覆冰預(yù)測(cè)技術(shù)

接觸網(wǎng)覆冰預(yù)測(cè)主要依賴大量的數(shù)據(jù)分析，提取影響覆冰區(qū)域的主要關(guān)鍵因子，并構(gòu)建具有權(quán)重分配的關(guān)鍵因子數(shù)據(jù)庫(kù)。王健等參考架空導(dǎo)線的覆冰預(yù)測(cè)模型得出接觸網(wǎng)雨淞覆冰自然增長(zhǎng)模型，建立了接觸網(wǎng)牽引電流等效融冰厚度模型，能夠更貼切地表征實(shí)際覆冰產(chǎn)生的情況，然而僅考慮部分因子的計(jì)算，仍不能完整反映接觸線的結(jié)冰狀態(tài)。

Li等提出了一種基于數(shù)值模型和深度學(xué)習(xí)算法的接觸線覆冰預(yù)測(cè)方法。利用覆冰關(guān)鍵參數(shù)建立了時(shí)變氣象條件下接觸線結(jié)冰的數(shù)值模型，輸入多個(gè)氣象因素，利用卷積-長(zhǎng)短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立了接觸線結(jié)冰預(yù)測(cè)模型。

2.2 在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

在線監(jiān)測(cè)技術(shù)是運(yùn)用傳感器，獲取接觸網(wǎng)的實(shí)時(shí)圖像、微波、光纖傳感等信息，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析來(lái)判斷接觸網(wǎng)的覆冰狀況，達(dá)到對(duì)接觸網(wǎng)覆冰在線監(jiān)測(cè)的目的。

許多研究以機(jī)器視覺(jué)技術(shù)為依托，獲取線路雙目圖像，根據(jù)線路覆冰力學(xué)模型，通過(guò)識(shí)別高壓輸電線路狀態(tài)，構(gòu)建了線路覆冰力學(xué)模型，計(jì)算出線路覆冰等效厚度，利用圖像處理技術(shù)，經(jīng)過(guò)濾波處理與關(guān)鍵信息提取，獲取覆冰的厚度。

黃國(guó)勝等通過(guò)覆冰傳感器獲取微波監(jiān)測(cè)信號(hào)，進(jìn)而計(jì)算目標(biāo)區(qū)域的覆冰厚度。由于傳感器單元運(yùn)行于野外，且置于強(qiáng)高壓電磁干擾環(huán)境中，對(duì)傳感器單元的可靠性提出很高的要求。

光纖是一種不受電磁干擾，安全可靠高效的測(cè)量技術(shù)。張益昕等8通過(guò)分布式光纖測(cè)量高壓輸電線路的溫度，判斷高壓輸電線路的覆冰情況。鄔蓉蓉等通過(guò)在架空地線內(nèi)部埋入測(cè)量光纖，分析內(nèi)部光纖由于架空地線覆冰增厚導(dǎo)致產(chǎn)生的拉伸應(yīng)變與溫度變化，從而實(shí)時(shí)計(jì)算出光纖的應(yīng)變分布和等值覆冰厚度，很好地解決了現(xiàn)有覆冰測(cè)量方法的監(jiān)測(cè)范圍窄、故障率高、測(cè)量準(zhǔn)確性差、穩(wěn)定性差和實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題。

3 除冰技術(shù)

接觸網(wǎng)常用的除冰方法為人力敲擊，利用打冰棒敲打覆冰接觸線，如圖3所示[。隨著越來(lái)越多的技術(shù)學(xué)科引入接觸網(wǎng)除冰，目前較為可行的方法包括：熱力融冰法、機(jī)械除冰法和熱滑法。

3.1 熱力融冰法

熱力融冰法，采用焦耳效應(yīng)融冰原理，利用電流加熱覆冰導(dǎo)線進(jìn)行除冰。熱力融冰具體可分為直流、交流2種方式，這2種方式都采用短路法，只能在停運(yùn)時(shí)使用。

采用直流方式的熱力融冰需要整流器的支持，將牽引變電所的交流電壓，經(jīng)降壓、整流輸出為直流電壓，向覆冰線路輸出可控的直流電源，擁有較高的靈活性；采用交流方式的熱力融冰大多數(shù)基于靜止無(wú)功發(fā)生器SVG（StaticVarGenerator），SVG工作在感性狀態(tài)時(shí)，吸收無(wú)功電流，從而降低電壓，使大電流通過(guò)接觸網(wǎng)，應(yīng)用多種開(kāi)關(guān)器件可根據(jù)場(chǎng)景達(dá)到不同融冰效果[2]。

蔣汶兵等[3提出了一種基于靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置SVC（StaticVarCompensator）的融冰裝置的計(jì)算和設(shè)計(jì)，投切過(guò)程不改變牽引網(wǎng)和機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了融冰功能的在線使用。

3.2 機(jī)械除冰法

機(jī)械除冰法，將機(jī)械沖擊載荷應(yīng)用在覆冰接觸網(wǎng)表面上，利用慣性達(dá)到使覆冰脫落的效果。利用有限元建模的方法，可以得到接觸線在不同類型覆冰應(yīng)用不同沖擊載荷幅值下的除冰率，能夠?yàn)闄C(jī)械除冰裝置的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。萬(wàn)祉俁[通過(guò)試驗(yàn)分析了冰的關(guān)鍵力學(xué)性能參數(shù)，確定了一種能準(zhǔn)確描述冰的力學(xué)行為的本構(gòu)模型，并依此制作了一款能有效去除覆冰的除冰裝置。

應(yīng)用工器具進(jìn)行人力除冰的作業(yè)環(huán)境艱苦、勞動(dòng)強(qiáng)度極高，導(dǎo)致效率低下。采用智能機(jī)器人自動(dòng)化除冰的研究引起了廣泛的關(guān)注。鄭焱月等[4設(shè)計(jì)了一款基于STC89C52單片機(jī)的高壓線除冰機(jī)器人，可以使用藍(lán)牙及短信遙控，采用機(jī)械敲擊的方法，對(duì)高壓線覆冰進(jìn)行清除。文獻(xiàn)[15]中研發(fā)了基于嵌入式系統(tǒng)的智能除冰機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)高效除冰。

3.3 熱滑法

熱滑是指在接觸網(wǎng)帶電情況下，由試驗(yàn)列車通過(guò)受電弓從接觸網(wǎng)獲得電能，自行驅(qū)動(dòng)完成開(kāi)車、牽引、制動(dòng)等全部運(yùn)行動(dòng)作，從而完成綜合檢測(cè)的試驗(yàn)方法。在接觸網(wǎng)覆冰災(zāi)害發(fā)生時(shí)，采用熱滑法可以實(shí)現(xiàn)高效除冰，其效率與受電弓滑板的結(jié)構(gòu)密不可分，然而受電弓碳滑板及受電弓本身也將因受長(zhǎng)期的機(jī)械刮冰而損壞，進(jìn)而影響到動(dòng)車組的正常運(yùn)行。田長(zhǎng)安等[梳理、歸納及分析了國(guó)內(nèi)動(dòng)車組用的幾種型號(hào)受電弓裝用刮冰滑板的可行性，從滑板的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、受流性能、發(fā)熱情況及弓網(wǎng)匹配的跟隨性等方面進(jìn)行技術(shù)分析，明確了刮冰滑板對(duì)動(dòng)車組的適用性。

4結(jié)論

本文針對(duì)電氣化鐵路接觸網(wǎng)的覆冰問(wèn)題，從防冰、覆冰監(jiān)測(cè)及除冰三大技術(shù)方向進(jìn)行了系統(tǒng)綜述。防冰技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在耐久性不足、對(duì)環(huán)境適應(yīng)性有限、導(dǎo)電性能不佳等問(wèn)題，尚需進(jìn)一步優(yōu)化材料性能與應(yīng)用方式；覆冰監(jiān)測(cè)技術(shù)雖然通過(guò)結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)顯著提高了預(yù)測(cè)精度，但對(duì)氣象數(shù)據(jù)的處理能力和惡劣環(huán)境下的傳感器可靠性仍需改進(jìn)；除冰技術(shù)在效率和成本方面各有優(yōu)勢(shì)，但其綜合治理能力不足，尤其在長(zhǎng)距離、多點(diǎn)覆冰情況下尚需提升。

下一步的研究應(yīng)著眼于構(gòu)建低成本、高可靠性的綜合防冰與除冰體系，兼顧預(yù)防和治理功能，減少單一技術(shù)的局限性；推動(dòng)新材料和智能化技術(shù)的結(jié)合，探索更高效的覆冰檢測(cè)與預(yù)測(cè)方法；強(qiáng)化多學(xué)科協(xié)同，結(jié)合材料科學(xué)、人工智能、氣象學(xué)和鐵路工程，形成系統(tǒng)化解決方案。

本文為接觸網(wǎng)覆冰問(wèn)題提供了全面的技術(shù)總結(jié)和發(fā)展建議，為電氣化鐵路的安全運(yùn)行提供理論支持，同時(shí)也為相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用與創(chuàng)新提供了思路。

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