淺析電氣化鐵路接觸網(wǎng)除冰方法

武帥

【摘要】 隨著現(xiàn)代化科技的快速發(fā)展，我國的電氣化鐵路建設(shè)也實現(xiàn)了跨越式發(fā)展。當前，鐵路部門非常重視電氣化鐵路安全運行的問題。我國電氣化鐵路接觸網(wǎng)時常發(fā)生覆冰事故，這對迅速發(fā)展的電氣化鐵路造成十分惡劣的影響，特別是寒冷的冬季，接觸網(wǎng)就非常容易形成覆冰。本文將結(jié)合遂渝鐵路覆冰事件來探討接觸網(wǎng)覆冰對鐵路所產(chǎn)生的危害，并且通過存在的具體問題分析應(yīng)對的融冰方法，以期通過本文的論述能夠為我國電氣化鐵路建設(shè)提供參考和借鑒。

【關(guān)鍵詞】 電氣化鐵路；遂渝鐵路；覆冰；融冰方法

1.接觸網(wǎng)覆冰產(chǎn)生的危害

1.1列車無法正常取流運行

在寒冷的冬季，當鐵路在很長時間內(nèi)沒有列車通過時，接觸線則很容易被覆冰所包圍，這樣可能導(dǎo)致受電弓難以取流，對列車正常運行造成威脅。例如，在2008年1月份，遂渝鐵路在潼南、合川至石子山等站發(fā)生了多起接觸線覆冰的事件，致使行駛列車難以正常取流運行，從而導(dǎo)致春運乘客滯留事件的發(fā)生。在2012年2月22日，遂渝鐵路遇到了有史以來以來最大范圍、最大強度的降水過程，途徑路段的氣溫迅速降低，從而引發(fā)很多路段接觸網(wǎng)及受電弓覆冰，最終發(fā)生多起列車無法正常取流運行的事故。

1.2降低接觸網(wǎng)的安全可靠性

（1）接觸網(wǎng)覆冰之后，接觸網(wǎng)設(shè)備不僅要承受自身的重量，還要承受覆冰所帶來的壓力。而且，電氣化鐵路所處的環(huán)境非常惡劣，在勁風(fēng)的作用下，大大增加了接觸網(wǎng)的承受負荷。當接觸網(wǎng)所承受的荷載超過設(shè)計的標準值時，接觸網(wǎng)很可能會因為導(dǎo)線張力過大而斷線，從而威脅列車的安全行駛。

（2）絕緣子冰閃。在寒冷的冬天，接觸網(wǎng)絕緣子表面往往會大面積結(jié)冰，覆冰區(qū)域主要集中在迎風(fēng)面上的絕緣子，覆冰的厚度可達10 -15毫米。當結(jié)冰區(qū)域的小冰粒與空氣中的灰塵相結(jié)合時，這些覆冰就會形成導(dǎo)電體，從而引起接觸網(wǎng)閃絡(luò)放電，造成接觸網(wǎng)短路，甚至損害接觸網(wǎng)電氣設(shè)備，影響列車正常通行。

（3）接觸網(wǎng)覆冰同時能夠引發(fā)受電弓在接觸受流時的導(dǎo)電性能大為下降，從而引發(fā)接觸網(wǎng)產(chǎn)生電弧，最終灼傷受電弓以及接觸線。

1.3影響弓網(wǎng)受流質(zhì)量

接觸線波動在傳播過程的速度是設(shè)計接觸網(wǎng)主要考慮的參數(shù)之一，此參數(shù)關(guān)系到列車在實際運行當中的速度能否達到所期望的目標值。在理論上，接觸線波動傳播速度的平方與其在正常工作時的張力成正比例關(guān)系，而同接觸網(wǎng)的線密度成反比例關(guān)系。當電氣化鐵路接觸網(wǎng)產(chǎn)生覆冰的時候，接觸網(wǎng)的線密度增加而接觸網(wǎng)的工作張力沒有改變，在這種情況下，接觸線波動的傳播速度會降低，弓網(wǎng)受流質(zhì)量會因此而產(chǎn)生影響。而且，由于接觸網(wǎng)覆冰的區(qū)域并不均勻，接觸線在個別區(qū)域集中增加了承載負荷，威脅接觸網(wǎng)的安全性，在嚴重時接觸網(wǎng)會發(fā)生打弓事故。一般來說，接觸網(wǎng)波動傳播速度越高，覆冰對弓網(wǎng)受流質(zhì)量影響也就相應(yīng)越大。

在過去，人們通常采用機械除冰法，即人工敲擊接觸網(wǎng)，使接觸網(wǎng)受迫震動，覆冰因而掉落。但這種除冰方法的效果不是十分理想，并且可能會對接觸網(wǎng)線路造成一定的破壞。當前，人們已研究出很多種電氣化鐵路接觸網(wǎng)除冰的方法。但是，國內(nèi)外發(fā)展成熟且能夠大規(guī)模的應(yīng)用到接觸線除冰和融冰的方法卻很少。接下來，本文將探討以下兩種有效的除冰方法。 2.基于焦爾電熱效應(yīng)的熱融冰方法

這種方法的工作原理是人們在覆冰接觸線中施加電壓，進而在線路中產(chǎn)生電流，從而利用導(dǎo)線輸電電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)來融化接觸線表面的覆冰。這種方法因傳輸電流的不同又可以分為交流電流融冰方法以及直流電流融冰方法。由于接觸網(wǎng)通電方便、快捷，電熱融冰方法是一種行之有效的一類除冰方式。接觸網(wǎng)熱效應(yīng)除冰的數(shù)學(xué)表示式為：

Ec一—導(dǎo)線加熱所需要的熱能

E0一—覆冰加熱所需要的熱能

Efg一—覆冰融化所需要的熱能

R一—接觸線電阻阻值

I一—接觸線電流值

Ps一—接觸線吸收的太陽能

Pr一—接觸線熱輻射損失量

Pc一—接觸線熱對流損失量

2.1交流短路融冰法

交流短路融冰的原理即是利用導(dǎo)線在短路時，導(dǎo)線內(nèi)部電流會大大增加，進而產(chǎn)生大量的熱，實現(xiàn)接觸網(wǎng)融冰。在實際的操作過程中，工作人員需要提前斷開覆冰接觸網(wǎng)線路，然后打開列車牽引供電所供電線路隔離開關(guān)，在接觸線上、下兩行接觸線之間連接上交流電源，交流電源采用較低電壓，形成較大短路電流來加熱覆冰導(dǎo)線，從而融化接觸網(wǎng)覆冰。

2.2直流短路融冰

直流短路融冰的方法同交流短路法相類似，這種方法的關(guān)鍵在于融冰電源。直流融冰電源需要具有較高的穩(wěn)定性且容易控制。我們根據(jù)電流融冰的原理容易知道，接觸網(wǎng)融冰時需要將很大的電流通過接觸線。直流短路融冰時，供電電源一般采用整流橋并聯(lián)的形式，這是為了確保供電電源的安全。目前，直流電流經(jīng)常用發(fā)電機或者勵磁設(shè)備，然后采取零起升流辦法來完成，也可以由系統(tǒng)電源經(jīng)可控硅整流后提供。直流融冰的特點在于不受接觸線距離的限制，而且，直流電源本身的容量也容易實現(xiàn)，在我國則普遍采用可控硅整流與SVC技術(shù)相結(jié)合的方法，這種方法不但能夠提高經(jīng)濟效率，而且可以節(jié)約融冰成本。

3.基于高頻脈沖的除冰方法

3.1高頻高壓激勵除冰法

高頻高壓激勵除冰的方法是在覆冰導(dǎo)線區(qū)域外施加高頻激勵電流，將覆冰轉(zhuǎn)化成為有損的電介質(zhì)，從而使覆冰內(nèi)部產(chǎn)生熱量。同時，激勵電流也能夠使接觸線產(chǎn)生集膚效應(yīng)，使電流在覆冰導(dǎo)線的外表面進行流通，導(dǎo)線電阻出現(xiàn)損耗發(fā)熱，從而使覆冰融化。應(yīng)用過程中，工作人員需要在覆冰的線路上選擇恰當?shù)奈恢脕戆惭b高頻高壓激勵裝置，并且在覆冰線路的兩端安裝吸收器，這樣便能夠控制激勵的范圍。隨著激勵頻率的不斷加大，覆冰的介質(zhì)損耗也相應(yīng)增加，產(chǎn)生的熱量便可使接觸網(wǎng)的覆冰融化。

3.2電脈沖除冰方法

電脈沖除冰的方法是采用電容器組向線圈供電。線圈通常置于接觸線附近，從而引起線圈產(chǎn)生強大的磁場，使得接觸線上產(chǎn)生一個持續(xù)時間短、幅值較高的機械力，覆冰會在機械力作用下破裂，從接觸網(wǎng)上脫落。這種除冰法是基于麥克斯韋電磁定律，即變化的電場產(chǎn)生磁場。磁場會對輸電導(dǎo)線產(chǎn)生電磁力，當這種電磁力為脈動電磁力時，接觸線會震動，使覆冰掉落，達到除冰效果。

結(jié)論

通過對比我們可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)機械除冰方法效率不高，而且可能會對接觸網(wǎng)線路造成損傷。而大的電流融冰方法雖然效率高，但是會消耗較大的電能，且操作不便。交流、直流短路融冰則必須先短時間內(nèi)切斷接觸網(wǎng)的正常輸電，這種方法在實際中普遍采用，但是融冰時間如果控制不好可能會損傷接觸線。高頻激勵融冰則會產(chǎn)生高頻的電磁波，從而干擾正常通信；電脈沖除冰的方法則可在不斷電的情況下開展融冰工作，目前，遂渝鐵路也由過去的機械除冰法向高頻脈沖除冰法轉(zhuǎn)變，相信在不久的將來，接觸網(wǎng)覆冰問題會得到妥善的解決。

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