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      電氣化鐵路接觸網(wǎng)雨凇覆冰厚度預(yù)測(cè)模型研究

      2014-06-27 05:11:56屈志堅(jiān)李恩龍
      電氣化鐵道 2014年1期
      關(guān)鍵詞:電氣化鐵路融化接觸網(wǎng)

      王 健,王 瑋,屈志堅(jiān),李恩龍

      0 引言

      中國(guó)幅員遼闊,氣候差異大。從南到北,從東到西,電氣化鐵路覆冰范圍很廣。由于特殊的氣象條件和地理?xiàng)l件,接觸網(wǎng)覆冰情況在中國(guó)南方地區(qū)發(fā)生的頻率很高,尤其在云南、貴州、湖南、江西等省份[1]。冬季氣溫達(dá)到零下,一旦受到冷暖氣流的作用,凍雨天氣極易發(fā)生,會(huì)造成接觸網(wǎng)線路覆冰,其中接觸網(wǎng)作為為機(jī)車提供電能的載體,也受到冰凍災(zāi)害的嚴(yán)重影響。按照覆冰量的大小可以分為嚴(yán)重覆冰和一般覆冰[2]。嚴(yán)重的覆冰可導(dǎo)致接觸網(wǎng)因張力過大斷線、桿塔斷裂;一般的覆冰也能導(dǎo)致電力機(jī)車不能正常受電,以致不能正常運(yùn)行。

      2010年2月24日,中國(guó)東北大部分地區(qū)出現(xiàn)雨雪冰凍災(zāi)害天氣,造成遼寧、吉林兩省的機(jī)場(chǎng)和高速公路全部關(guān)閉,大量客流涌向鐵路。災(zāi)害天氣造成沈山、秦沈、沈大等電氣化鐵路接觸網(wǎng)覆冰掛凌、電力機(jī)車受電弓受損、道岔凍結(jié),致使沈陽至北京間部分旅客列車晚點(diǎn),沿線車站出現(xiàn)旅客滯留??梢?,由于接觸網(wǎng)覆冰引起的事故遍及中國(guó)的大江南北,接觸網(wǎng)覆冰對(duì)于電氣化鐵路的安全運(yùn)行是極大的威脅。

      隨著電氣化鐵路建設(shè)的空前擴(kuò)大,一些新的電氣化線路很可能要穿越高寒、高濕及高海拔地區(qū),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(duì)鐵路運(yùn)輸?shù)奈:σ仓饾u凸顯,接觸網(wǎng)覆冰將對(duì)弓網(wǎng)接觸、取電、拉弧、支吊產(chǎn)生重大影響。接觸網(wǎng)覆冰災(zāi)害問題將更加突出,接觸網(wǎng)防冰、除冰問題也將成為鐵路安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一。

      而在目前電氣化鐵路接觸網(wǎng)覆冰研究中,能夠找到的接觸網(wǎng)覆冰機(jī)理分析及理論預(yù)測(cè)模型的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料不多。如果直接引用現(xiàn)有的架空線覆冰模型進(jìn)行覆冰厚度預(yù)測(cè),結(jié)果并不準(zhǔn)確。建立符合電氣化鐵路接觸網(wǎng)覆冰特點(diǎn)的雨淞覆冰預(yù)測(cè)模型,對(duì)于電氣化鐵路接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中采取除冰、防冰措施具有重要的意義。

      1 接觸網(wǎng)雨淞覆冰形成機(jī)理

      1.1 雨淞的形成

      形成雨淞?xí)r的典型天氣是微寒且有雨,風(fēng)力強(qiáng)、霧滴大,多在冷空氣與暖空氣交鋒,而且暖空氣勢(shì)力較強(qiáng)的情況下才會(huì)發(fā)生??拷孛嬉粚拥目諝鉁囟容^低(略低于攝氏零度),而其上又有溫度高于攝氏零度的空氣層或云層,再往上則是溫度低于攝氏零度的云層,從這里掉下來的雪花通過暖層時(shí)融化成雨滴,接著當(dāng)它進(jìn)入靠近地面的冷氣層時(shí),雨滴便迅速冷卻,由于這些雨滴的直徑很小,溫度雖然降到0℃以下,但還來不及凍結(jié)便掉了下來,當(dāng)其接觸到地面冷的物體時(shí),就立即凍結(jié)。凍結(jié)成透明或半透明的冰層,使樹枝或?qū)Ь€變成粗粗的冰筒,就形成了雨淞[3]。凍雨覆冰形成的雨凇因其密度大、附著力強(qiáng),對(duì)接觸網(wǎng)線路危害大。

      1.2 影響接觸網(wǎng)雨淞覆冰的主要因素

      氣象條件、微地形、通過接觸線的牽引電流、電流持續(xù)時(shí)間是影響覆冰的主要因素。

      電氣化鐵路接觸線表面產(chǎn)生覆冰,必須達(dá)到一定的氣象條件。一般地,產(chǎn)生覆冰必須達(dá)到的氣象條件是:氣溫及導(dǎo)線表面溫度達(dá)到0℃以下;空氣相對(duì)濕度在85%以上;風(fēng)速在0~3 m/s。氣溫是影響覆冰的重要因素,一般而言覆冰時(shí)氣溫多在0℃以下,但是氣溫過低(超過-10℃)則不會(huì)覆冰,如果空氣中的過冷水過冷度較大,則也有可能氣溫在 0℃以上(1℃左右)發(fā)生覆冰,這時(shí)會(huì)形成密度很高的雨凇。風(fēng)速也是影響覆冰的重要因素,空氣中的過冷卻水滴只有到達(dá)導(dǎo)線表面才有可能在導(dǎo)線表面覆冰,因此,風(fēng)主要起輸送空氣中的過冷水滴到導(dǎo)線表面的作用。

      受風(fēng)條件比較好的突出地形或空氣水分充足的地區(qū),如山頂、迎風(fēng)坡等處,覆冰程度也比較嚴(yán)重。覆冰受水汽影響的典型地區(qū)有江西省贛北地區(qū)的梅嶺、廬山一帶。該走廊地帶西面是梅嶺、廬山等海拔500 m左右的山峰,受風(fēng)條件較好。東面是鄱陽湖,有充足的水汽來源。另外,該地區(qū)冬季氣溫多在0℃~10℃,滿足雨淞覆冰的氣象條件。所以,在冬季出現(xiàn)凍雨天氣的時(shí)候,途徑該走廊地區(qū)的京九電氣化鐵路和昌九城際鐵路接觸線會(huì)出現(xiàn)雨淞覆冰現(xiàn)象。

      負(fù)荷電流影響接觸線的表面溫度,從而影響接觸線的覆冰量。當(dāng)電流較小時(shí),接觸線產(chǎn)生的焦耳熱不能使其表面溫度維持在0℃以上,還會(huì)由于電場(chǎng)的影響,增加接觸線覆冰量;當(dāng)電流足夠大時(shí),接觸線產(chǎn)生的焦耳熱使其表面溫度維持在 0℃以上,這時(shí)冷卻水滴碰撞導(dǎo)線不會(huì)產(chǎn)生覆冰。

      接觸網(wǎng)牽引電流持續(xù)時(shí)間也是影響雨淞覆冰的重要因素??瓦\(yùn)、貨運(yùn)繁忙的區(qū)段,接觸線中牽引電流持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng),產(chǎn)生的熱量大,會(huì)阻礙雨淞覆冰的形成或使已有覆冰融化,形成的覆冰量就小些;而接觸網(wǎng)停運(yùn)時(shí)間長(zhǎng)的區(qū)段,接觸線中牽引電流持續(xù)的時(shí)間短,產(chǎn)生的熱量小,形成的覆冰量就大些。

      2 接觸網(wǎng)雨凇覆冰厚度預(yù)測(cè)模型

      2.1 接觸網(wǎng)覆冰過程分析

      接觸網(wǎng)擔(dān)負(fù)著把從牽引變電所獲得的電能直接輸送給電力機(jī)車使用的重要任務(wù)。因此接觸網(wǎng)的質(zhì)量和工作狀態(tài)將直接影響著電氣化鐵道的運(yùn)輸能力。直供加回流線供電方式是目前中國(guó)電氣化鐵路廣泛采用的牽引供電方式。該供電方式由接觸網(wǎng)、鋼軌、沿全線架設(shè)的回流線(負(fù)饋線)組成。由于在接觸網(wǎng)同高度的外側(cè)增設(shè)了一條回流線,回流線上的電流與接觸網(wǎng)上的電流方向相反。直供加回流線供電方式的原理如圖1所示。

      圖1 接觸網(wǎng)供電原理圖

      沒有電力機(jī)車通過時(shí),接觸線中沒有電流。當(dāng)有凍雨降落時(shí),一旦滿足覆冰氣象條件,接觸線上的覆冰厚度是自然增長(zhǎng)的。而當(dāng)有電力機(jī)車通過時(shí),由于電流比較大,產(chǎn)生的焦耳熱較多。該熱量一部分會(huì)散失到大氣中,另外一部分與凍雨進(jìn)行熱交換,相當(dāng)于使本該自然增長(zhǎng)的一定量的覆冰融化掉,從而減小了接觸線上覆冰厚度的增長(zhǎng)。

      2.2 接觸網(wǎng)雨淞覆冰模型的建立

      2.2.1 基本假設(shè)為分析接觸網(wǎng)雨淞覆冰,做如下基本假設(shè):

      (1)凍結(jié)系數(shù)為 1,且雨淞冰的密度為0.9 g / cm3,水的密度為1.0 g / cm3。

      (2)導(dǎo)線為無限長(zhǎng)圓柱體,且半徑為R。

      (3)忽略接觸線與周圍空氣對(duì)流換熱量,也就是牽引電流產(chǎn)生的焦耳熱全部用來融化自然增長(zhǎng)產(chǎn)生的覆冰。

      (4)不考慮冰和水的分界面位置且認(rèn)為其界面溫度為0℃。

      (5)接觸線的通過電流發(fā)熱均勻,且在整個(gè)過程中導(dǎo)線電阻恒定。

      2.2.2 自然雨淞覆冰厚度計(jì)算模型

      雨淞覆冰一般總是在有風(fēng)的情況下進(jìn)行的,一部分無風(fēng)時(shí)原本可以被導(dǎo)線捕獲的小水滴可能被風(fēng)吹走,因而存在一個(gè)導(dǎo)線捕獲水滴的過程,引入捕獲系數(shù)E,并將下雨產(chǎn)生的導(dǎo)線捕獲水量Pρw(其中,P為降水率,ρw為水的密度)和風(fēng)吹濕空氣產(chǎn)生的導(dǎo)線捕獲水量VW(其中:V為風(fēng)速,W為液態(tài)水含量)按矢量合成,考慮捕獲系數(shù)E及各物理量單位的統(tǒng)一,得到導(dǎo)線捕獲的總水量:

      式中,v為空氣的運(yùn)動(dòng)粘度,雨凇時(shí)取v = 13.2×10-6m2/s;C為計(jì)算常數(shù),雨凇時(shí)取1.64;d為水滴直徑。由此可以看出當(dāng)風(fēng)速V在一定范圍內(nèi)時(shí),捕獲系數(shù)隨著風(fēng)速的增加而增加。

      液態(tài)水含量W與降水率P的關(guān)系式:

      而,相對(duì)于1 mm的降水量對(duì)應(yīng)的冰厚:

      所以,凍雨持續(xù)時(shí)間為T時(shí),接觸線上均勻自然覆冰時(shí)的厚度可表示為

      式中,T為凍雨小時(shí)數(shù),h。

      2.2.3 牽引電流等效融冰厚度計(jì)算模型

      接觸線牽引電流發(fā)出的熱量等于所能融化的冰筒融化所吸收的熱量[4,5]。

      參見圖2進(jìn)行分析計(jì)算,牽引電流融冰的準(zhǔn)熱平衡方程表達(dá)式為

      式中,qj為單位長(zhǎng)度接觸線產(chǎn)生的焦耳熱,qj= I2rl;l為接觸線長(zhǎng)度,m;I為接觸線牽引電流,A;r為單位長(zhǎng)度導(dǎo)線的電阻,Ω/m;Qm為接觸線牽引電流所產(chǎn)生的熱量;ρi為冰筒的平均密度,kg/m3;Lf為冰的融化潛熱,J/kg;Cp為冰的比定壓熱容,J/(kg·)℃; T0為冰融化溫度,℃;Tm為冰筒的表面平均溫度,℃;Vm為融化的冰體積,m3;t1為接觸網(wǎng)牽引電流持續(xù)時(shí)間,h。

      所以,

      圖2 接觸線覆冰厚度示意圖

      又,等效融冰厚度ΔR2= R′ - R

      所以,

      2.2.4 接觸網(wǎng)雨淞覆冰預(yù)測(cè)厚度

      接觸網(wǎng)雨淞覆冰的預(yù)測(cè)厚度為自然覆冰增長(zhǎng)的厚度與接觸網(wǎng)牽引電流等效融冰厚度之差。即接觸網(wǎng)雨凇覆冰預(yù)測(cè)厚度為

      3 雨凇覆冰厚度計(jì)算及結(jié)果分析

      3.1 計(jì)算流程

      電氣化鐵路接觸線雨凇覆冰計(jì)算流程如圖 3所示。通過在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得計(jì)算所需的參數(shù):風(fēng)速、氣溫、降水率、冰筒表面溫度、牽引電流、凍雨持續(xù)時(shí)間、牽引電流持續(xù)時(shí)間等。對(duì)相關(guān)氣象參數(shù)進(jìn)行分析,判斷能否產(chǎn)生覆冰。然后,通過式(5)、式(9)和式(10)進(jìn)行接觸線覆冰厚度計(jì)算。

      圖3 接觸線雨淞覆冰厚度計(jì)算流程圖

      3.2 仿真結(jié)果及分析

      接觸線覆冰厚度與牽引電流持續(xù)時(shí)間的關(guān)系如圖4所示。在0到t1時(shí)間內(nèi),牽引電流I的存在,可以產(chǎn)生一定的焦耳熱。假設(shè)該熱量全部用來融化冰筒,計(jì)算出可以融化的冰筒的體積,進(jìn)而可以求出相當(dāng)于融化的冰筒的厚度,也就是牽引電流等效融冰厚度。在之后的時(shí)間里,沒有電力機(jī)車運(yùn)行,牽引電流為零,接觸線處于自然覆冰狀態(tài)。最終,在一定的時(shí)間(這里取時(shí)間為1 h)內(nèi),接觸線的實(shí)際覆冰,等于接觸線自然覆冰厚度減去牽引電流存在時(shí)間內(nèi)的等效融冰厚度。牽引電流的大小以及持續(xù)的時(shí)間,會(huì)對(duì)等效融冰厚度產(chǎn)生影響,進(jìn)而對(duì)接觸線的實(shí)際覆冰厚度產(chǎn)生影響。牽引電流越大,持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng),則接觸線實(shí)際覆冰的厚度越??;反之,接觸線實(shí)際覆冰的厚度越大。

      圖4 接觸線覆冰厚度與牽引電流持續(xù)時(shí)間的關(guān)系圖

      4 結(jié)語

      由于考慮了牽引電流的影響,應(yīng)用本文中的模型計(jì)算得出覆冰預(yù)測(cè)厚度比直接套用金屬導(dǎo)線的覆冰厚度模型計(jì)算值要小。如果單位時(shí)間內(nèi)牽引電流持續(xù)的時(shí)間比較小,也就是行車密度比較小時(shí),則接觸線的覆冰厚度就比較大;如果單位時(shí)間內(nèi)牽引電流持續(xù)的時(shí)間比較大,也就是行車密度比較大時(shí),則接觸線的覆冰厚度就比較小或不產(chǎn)生覆冰。該結(jié)論更加貼近接觸網(wǎng)雨淞覆冰的實(shí)際情況,對(duì)于接觸網(wǎng)的安全運(yùn)行具有積極的指導(dǎo)意義。

      [1]王國(guó)梁.接觸網(wǎng)融冰防冰問題的分析研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2009,(8):93-95.

      [2]于萬聚.高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2009.

      [3]蔣興良,易輝.輸電線路覆冰及防護(hù)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2001.

      [4]劉和云. 架空導(dǎo)線覆冰防冰的理論與應(yīng)用[M]. 北京:中國(guó)鐵道出版社,2001.

      [5]黃新波.電網(wǎng)的大氣覆冰[M].北京:中國(guó)電力出版社,2010.

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