客專鐵路接觸網(wǎng)交流融冰方案研究及工程驗證

郭 華，范紅疆，董曉冬，葛海波

客專鐵路接觸網(wǎng)交流融冰方案研究及工程驗證

郭 華，范紅疆，董曉冬，葛海波

建立了牽引供電系統(tǒng)的融冰回路的簡化結(jié)構(gòu)，并對該結(jié)構(gòu)進行了分析和仿真計算，探討了交流融冰方案。該方案在工程中得到了實際應用，并取得了現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)。

牽引供電系統(tǒng)；接觸網(wǎng)；交流融冰

0 引言

我國南北方的冬季，由于氣溫、空氣濕度和風速的共同作用，存在著由液態(tài)水形成冰的覆冰現(xiàn)象。對電氣化鐵路而言，覆冰是一種自然災害，會導致桿塔傾倒、導線覆冰舞動或斷裂，同時由于接觸網(wǎng)覆冰，會導致受電弓無法正常取流，甚至導致受電弓的損害或斷裂，嚴重影響列車的安全準點運行，對于時速超過300 km的高速鐵路，該問題更加嚴重，必須引起高度重視。

目前，國內(nèi)外電力系統(tǒng)除冰方法主要有大電流熱力融冰、機械除冰等方法。國內(nèi)接觸網(wǎng)除冰通常采用人工打冰或用銅基粉末冶金滑板受電弓破冰方式，在速度、效率越來越快的今天，特別是繁忙的客運專線，人力除冰方式越來越不可行了，從2008年開始，直流大電流熱力融冰方法在國內(nèi)電力系統(tǒng)220 kV及以上輸電線路中廣泛使用。根據(jù)日本的接觸線防凍冰經(jīng)驗，接觸線在同時符合氣溫0℃一下、濕度86%以上、風速3 m/s以下等3個條件的情況會產(chǎn)生冰凍現(xiàn)象，此時，如果接觸線通過250 A的電流，接觸線的溫度達到5℃時，能防止結(jié)冰，通過400 A以上的電流能開始融化覆冰[3]。

1 融冰電流理論

使用大電流融冰時，為確保不使導線過熱損壞線路，需要對融冰電流的大小和融冰時間進行計算。導線不覆冰時流過的最小電流稱為防止導線覆冰的臨界電流Ic，其計算公式為

式中，D為導線直徑；ρ為導線電阻率；ts為導線表面溫度；h為對流換熱系數(shù)；σ為 Stefan-Boltcomann常數(shù)；ε為導線黑度；E為導線對空氣中過冷卻水滴的捕獲系數(shù)；V、W和t分別為濕空氣或過冷卻水滴的移動均勻速度、含濕量和溫度；CW為水的比定壓熱容；WE為在導線表面蒸發(fā)的液體份額；LV為水的汽化潛熱[4]。

線路融冰與環(huán)境溫度、濕度、風速等條件都有密切的關(guān)系，環(huán)境溫度越低，臨界融冰電流越大，融冰電流相同時，融冰需要的時間越長。風速越大，臨界融冰電流越大，融冰電流相同時，融冰所需要的時間也越長。

2 交流防融冰仿真計算

為直觀的分析融冰狀態(tài)下的融冰參數(shù)，運用MATLAB/SIMULINK建立了融冰狀態(tài)下牽引供電系統(tǒng)模型進行仿真計算。根據(jù) MATLAB/ SIMULINK模型能夠比較容易的考慮不同的運行工況下（比如泄漏電阻參數(shù)、上下行是否并聯(lián)等）牽引供電系統(tǒng)的參數(shù)。下文以某接觸網(wǎng)為例，對牽引網(wǎng)特性進行計算。

圖1是融冰回路結(jié)構(gòu)示意圖。融冰回路阻抗計算如下：

（1）接觸線自阻抗：

式中，rj為單位有效電阻；，取Dg= 93×103cm；f為電流頻率，Hz；σ為大地電導率，取；Rεj為導線計算半徑。

對于CTS150+JTMH120構(gòu)成的接觸網(wǎng)，其參數(shù)為有效電阻rj= 0.239 5 (Ω/km)，當量半徑Rεj= 5.62 mm。

由式（2）得：

（2）承力索自阻抗：

式中，rc為單位有效電阻；Dg= 930×103mm；Rεc為導線計算半徑。

rc= 0.242 Ω/km，Rεc= 5.31 mm

可得：Zc= 0.242 + j 0.760 4 Ω/km

（3）接觸線、承力索的互阻抗：

式中，Djc為接觸線和承力索的間距，Djc= 1 300 mm。

（4）上行（或下行）接觸網(wǎng)自阻抗：

將式（2）—式（4）代入計算得：

Z1=Z2=0.120 4 + j0.586 3 Ω/km

（5）上行與下行的互阻抗：

式中，Dg為上行和下行接觸網(wǎng)的互幾何均距，此時 Dg= 5 100 mm；D為等值計算半徑，且

均為上下行各導線的間距。

取Dj1j2= Dc1c2= 5 000 mm，

Dj1c2= Dc1j2= 5 200 mm。

可得：Z12= 0.327 8 Ω/km

（6）融冰回路等值阻抗：

根據(jù)融冰電流的流向，可以得到：

式中，Z1= Z2，I2= ?I1。

因此，在計算融冰線路阻抗時，假設(shè)復線線路長25 km，則在變電所處的測量阻抗為

圖1 融冰回路示意圖

表 1的仿真參數(shù)反映了該接觸網(wǎng)在不同限流電抗器的情況下，接觸網(wǎng)上的電流和消耗功率的情況，仿真條件：接觸網(wǎng)臂長25 km，變電所AT變退出運行。

表1 接觸網(wǎng)融冰電流參數(shù)表

3 交流融冰方案分析

在交流融冰方案中，為了節(jié)省投資，不額外增加變壓器而借用牽引變電所現(xiàn)有的牽引變壓器作為融冰電源，利用上行與下行接觸線串聯(lián)組建融冰回路。融冰回路組建完成后，需調(diào)整融冰回路的阻抗，限制融冰電流，防止接觸網(wǎng)電流過大而燒毀接觸線及承力索，引發(fā)安全事故。根據(jù)阻抗調(diào)整的需要，可以增加回路的電阻或電抗，限制回路電流。本系統(tǒng)在工程試驗中將融冰系統(tǒng)安裝在分區(qū)所，利用上行線/下行線與鋼軌組建融冰回路，如圖 2所示。如果由于天氣惡劣或其他原因，接觸網(wǎng)上已結(jié)冰，必須對接觸網(wǎng)進行融冰，可以分別合上2QF、2QS、9QS、11QS、11QF單獨對上行線融冰，或分別合上1QF、1QS、10QS、12QS、12QF單獨對下行線融冰，也可把上行線與下行線并聯(lián)，同時進行融冰，但由于上行線與下行線的分流，融冰電流會變小。為滿足接觸網(wǎng)運行狀態(tài)下的防冰，在防冰狀態(tài)下，允許接觸網(wǎng)正常帶電，一旦機車進入防冰區(qū)間，系統(tǒng)將自動退出運行，不影響機車正常通過區(qū)間。

圖2 融冰系統(tǒng)安裝于分區(qū)所融冰回路示意圖

4 工程試驗情況

針對某接觸網(wǎng)線路進行3次試驗，第1，第2次試驗的外部環(huán)境情況：溫度 6℃左右，濕度80%RH，風速0.6～1.0 m/s，第3次試驗的外部環(huán)境情況：溫度0℃左右，濕度80%RH，風速0.5～1.1 m/s，試驗中分別在接觸線上施加了 360、500和690 A交流電流，接觸網(wǎng)的溫升曲線見圖3—圖5。由試驗數(shù)據(jù)可看出，電流越大溫升越明顯，在電流小的情況下，溫度升高到一定值后就不再上升，線路產(chǎn)生熱量與外部環(huán)境保持平衡。通過試驗可以得知：實際使用中可通過較小電流進行接觸網(wǎng)在線防冰，讓線路產(chǎn)生一定的熱量，防止接觸網(wǎng)覆冰，通過較大電流直接進行接觸網(wǎng)融冰。

圖3 試驗1的溫升圖

圖4 試驗2的溫升圖

圖5 試驗3的溫升圖

5 結(jié)論

接觸網(wǎng)覆冰是電氣化鐵道比較常見的自然災害，有效的融冰手段可以更好地保障鐵路牽引供電系統(tǒng)的安全運行。本文闡述了交流融冰系統(tǒng)方案并進行了實際現(xiàn)場試驗，試驗結(jié)果表明在保證接觸網(wǎng)安全的情況下，可通過限流電抗器調(diào)節(jié)接觸網(wǎng)上的防融冰電流，實現(xiàn)接觸網(wǎng)在線防冰、離線融冰。

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

[2] 張安洪.雪災對接觸網(wǎng)覆冰及其影響的探討[J].電氣化鐵道，2008，（3）：32-33.

[3] 李漢卿.一種針對客運專線的接觸線防冰凍實施方案[J].電氣化鐵道，2010，（4）：7-9.

[4] 常浩，石巖，殷威揚，張民.交直流線路融冰技術(shù)研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，（5）：1-6.

[5] 李群湛.牽引電力系統(tǒng)分析[M].成都：西南交通大學出版社，2007.

[6] 李崗，郭華.接觸網(wǎng)交流在線防冰與離線融冰原理研究[J].電氣化鐵道，2012，（6）：5-8.

Established the simplified structure of de-icing circuit for traction power supply system, and analyzes and calculates in simulation of the structure, discusses AC de-icing scheme. The scheme has been applied in the actual engineering, and obtained the site test data.

Traction power supply system; overhead contact system; AC de-icing

U226.8

：B

：1007-936X(2015)03-0027-04

2014-09-11

郭 華.成都交大許繼電氣有限公司，工程師，電話：13882255167；

范紅疆.成都交大許繼電氣有限公司，高級工程師；

董曉冬，葛海波.成都交大許繼電氣有限公司，工程師。