城市軌道交通接觸網(wǎng)融冰技術(shù)研究

廖 洪，田 昊，鄭月賓，楊建軍，孟向軍

0 引言

接觸網(wǎng)是為列車牽引提供電能的重要供電設(shè)施，當(dāng)接觸網(wǎng)表面出現(xiàn)覆冰時，會嚴(yán)重影響受電弓的正常取流，降低列車供電可靠性，從而威脅行車安全[1]。目前，國內(nèi)外學(xué)者已對接觸網(wǎng)融冰技術(shù)進行了大量研究，工程中主要通過增加融冰裝置、調(diào)節(jié)SVG或采用SVG與TSC相結(jié)合等方式實現(xiàn)融冰，但以上幾種方式投資成本高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、長期推廣應(yīng)用難度大[2]。為了更好地解決地鐵接觸網(wǎng)覆冰問題，并進一步優(yōu)化地鐵供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，研究同時具有牽引與回饋功能特點的供電設(shè)備將成為發(fā)展趨勢。

雙向變流裝置采用全控型器件IGBT，具有能量雙向流動、效率高、輸出靈活可控等優(yōu)勢，可與整流機組以及雙向變流裝置形成環(huán)路，通過控制流經(jīng)接觸網(wǎng)電流的大小提供所需的融冰熱量，從而實現(xiàn)融冰目的[3，4]。本文根據(jù)直流牽引供電系統(tǒng)及雙向變流裝置運行特點，對接觸網(wǎng)直流融冰技術(shù)進行研究和分析。

1 基于能量循環(huán)的融冰方案設(shè)計

1.1 接觸網(wǎng)覆冰分析

在環(huán)境溫度低于 0 ℃時，空氣流場帶動液態(tài)水碰撞導(dǎo)線，這是造成導(dǎo)線覆冰的主要原因[5]。由此可知，環(huán)境溫度、風(fēng)速、水滴、導(dǎo)線面積與碰撞系數(shù)決定了接觸網(wǎng)覆冰的嚴(yán)重程度，而環(huán)境溫度會影響水滴冷卻程度，風(fēng)速與導(dǎo)線面積會影響碰撞系數(shù)，各因素之間存在一定的耦合關(guān)系。

空氣流場主要分為層流和湍流，層流為一種理想的流體運動狀態(tài)，而對于外界環(huán)境，流體運動狀態(tài)通常為湍流形式，其瞬態(tài)動量守恒方程和連續(xù)方程如下[6]：

在水滴下落過程中，若落在接觸網(wǎng)上的總水滴數(shù)為N，但受空氣流場作用，最終發(fā)生碰撞的數(shù)目為n，則碰撞系數(shù)η可表示為

結(jié)合地鐵的運行環(huán)境，接觸網(wǎng)覆冰主要受溫度、空氣含水量和風(fēng)速的影響。在溫度和含水量一定時，列車運行會使風(fēng)速和風(fēng)向發(fā)生明顯變化，導(dǎo)致接觸網(wǎng)上表面與垂直截面覆冰較下表面厚，且在接觸網(wǎng)分段連接部分更加嚴(yán)重，在一定程度上增加了受電弓的機械損傷風(fēng)險。

1.2 接觸網(wǎng)融冰接入方案設(shè)計

1.2.1 雙向變流裝置與整流機組環(huán)流融冰模式

如圖1所示，變電所1的24脈波整流機組向接觸網(wǎng)提供能量，變電所3的雙向變流裝置工作在逆變狀態(tài)吸收能量，從而形成整流機組-接觸網(wǎng)-雙向變流裝置-35 kV中壓環(huán)網(wǎng)的環(huán)流通路，為接觸網(wǎng)

圖1 雙向變流裝置與整流機組環(huán)流模式

1.2.2 雙向變流裝置與雙向變流裝置環(huán)流融冰模式

如圖2所示，該融冰模式是在兩個站或多個站之間，使雙向變流裝置分別工作于整流和逆變模式，形成雙向變流裝置-接觸網(wǎng)-雙向變流裝置-35 kV中壓環(huán)網(wǎng)的環(huán)流通路，為接觸網(wǎng)提供所需的融冰電流。

圖2 雙向變流裝置與雙向變流裝置環(huán)流模式

其中，變電所1～3為同一供電區(qū)段，在進行融冰作業(yè)時，采用變電所1與變電所3雙向變流裝置整流運行，變電所2雙向變流裝置逆變運行的工作模式，可使接觸網(wǎng)各段融冰電流基本保持一致。同時，在雙邊供電方式下，可使線路單位長度上的熱量分布更加均勻，從而降低融冰電流對接觸網(wǎng)造成的影響。

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2 接觸網(wǎng)融冰模型分析

2.1 臨界融冰電流計算

覆冰接觸網(wǎng)通過電流時，根據(jù)焦耳定律可知，當(dāng)接觸網(wǎng)產(chǎn)生的熱量與冰表面散失的熱量相等，且冰與接觸網(wǎng)交界面溫度等于 0 ℃時，即可維持接觸網(wǎng)臨界覆冰狀態(tài)，此時流過接觸網(wǎng)的電流即為臨界融冰電流Ic[7，8]。

若冰層表面溫度為Ti，則可得冰-接觸網(wǎng)交界面滿足：

式中：RL為接觸網(wǎng)等效電阻；Ki= 2.22 W/m2·K，為冰熱傳導(dǎo)系數(shù)；為圓柱形形狀系數(shù)，ri為覆冰后導(dǎo)線半徑，mm，rc為覆冰前導(dǎo)線半徑，mm。

同理，可得冰-空氣交界面滿足：

式中：QR為輻射散熱；QC為對流散熱；E為輻射散熱系數(shù)，取0.9；S為斯特凡-包爾茲曼數(shù)，取5.67×10-8W/m2；A為對流截面積；h為對流系數(shù)；Te為接觸網(wǎng)周圍環(huán)境溫度；Re為雷諾數(shù)；Pr為普蘭特數(shù)；ρa為空氣密度，取1.293 kg/m3；Va為風(fēng)速；ka為空氣熱傳導(dǎo)率，取0.024 4 W/(m·℃)；di為覆冰后的導(dǎo)線直徑，mm；Ca為空氣比熱容，取 1 005 J/kg·℃；μ為空氣的動黏滯系數(shù)，取 1.88×10-5kg/(m·s)；系數(shù)C和n根據(jù)雷諾數(shù)確定，當(dāng)4 000≤Re≤40 000時，系數(shù)C、n分別取0.193、0.618，當(dāng)40≤Re≤4 000時，系數(shù)C、n分別取0.683和0.466。

聯(lián)立式（5）～式（10）可得臨界融冰電流為

由式（11）可以看出，臨界融冰電流主要受冰層表面溫度Ti與環(huán)境溫度Te影響。在一特定供電區(qū)段范圍內(nèi)，可近似認(rèn)為接觸網(wǎng)-冰-空氣交界面的對流與輻射散熱系數(shù)不變，同時接觸網(wǎng)等效電阻不變，且由于覆冰表面溫度取決于接觸網(wǎng)周圍環(huán)境溫度，故融冰電流的大小主要取決于環(huán)境溫度Te。

2.2 協(xié)調(diào)控制策略分析

如圖3所示，融冰方案控制系統(tǒng)采用基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的電流控制方案，即將網(wǎng)側(cè)電流從三相對稱靜止坐標(biāo)系變換到與該交流矢量同步旋轉(zhuǎn)的d、q兩相坐標(biāo)系，實現(xiàn)有功與無功獨立解耦控制。

圖3 融冰方案系統(tǒng)控制策略

該控制策略中，d軸電流id相當(dāng)于有功分量，q軸電流iq相當(dāng)于無功分量，通過控制id的幅值可實現(xiàn)對有功功率大小的控制，通過控制iq的正負(fù)和幅值可實現(xiàn)對感性/容性無功以及無功功率大小的控制。

在不同的接入方案下，當(dāng)雙向變流裝置工作于整流模式時，通過電壓外環(huán)控制方式調(diào)節(jié)電壓指令，改變直流側(cè)輸出電壓Udc，由于系統(tǒng)容量一定，則可控制接觸網(wǎng)融冰電流的大??；當(dāng)雙向變流裝置工作于逆變模式時，通過電流內(nèi)環(huán)控制方式調(diào)節(jié)電流指令，即可控制融冰電流的大小。

3 仿真驗證

為了驗證兩種融冰接入方案及控制策略的可行性，在PSIM中搭建了如圖4所示的雙向變流裝置與整流機組、雙向變流裝置與雙向變流裝置的系統(tǒng)仿真模型，各部分參數(shù)：交流環(huán)網(wǎng)電壓 35 kV；整流變壓器變比35 kV/1 180 V，雙向變流裝置變壓器變比 35 kV/1 000 V；接觸網(wǎng)單位長度電阻0.031 Ω/km，單位長度電感0.05 mH/km；鋼軌單位長度電阻0.02 Ω/km，單位長度電感0.74 mH/km。最大站間距按2 km考慮，則接觸網(wǎng)及鋼軌等效電阻為0.102 Ω，等效電感為1.58 mH。

圖4 接觸網(wǎng)融冰系統(tǒng)仿真模型

3.1 雙向變流裝置與整流機組環(huán)流融冰模式仿真

根據(jù)地鐵實際運行工況，設(shè)風(fēng)速Va= 5 m/s，接觸網(wǎng)覆冰厚度為5 mm，環(huán)境溫度Te= -5 ℃，根據(jù)式（11）可得所需臨界融冰電流Ic≈350 A。仿真得到的融冰電流波形如圖5所示。

圖5 接觸網(wǎng)融冰電流波形（Ic = 350 A）

可以看出，臨界融冰電流Ic的大小能夠滿足該環(huán)境條件下的融冰要求，紋波電流小且響應(yīng)速度快，在0.08 s時即可達到目標(biāo)穩(wěn)態(tài)值350 A。但在線路覆冰較厚、搶險作業(yè)時間短的情況下，尤其在行車階段，由于氣象條件驟變導(dǎo)致的線路覆冰需在短時間內(nèi)清除，否則將嚴(yán)重影響列車運行安全。故此時需提供較大的電流以達到快速融冰的目的。圖6所示為接觸網(wǎng)臨界融冰電流Ic= 1 200 A時的電流波形，可以看出其輸出誤差小，在0.1 s時即可達到穩(wěn)態(tài)值，響應(yīng)速度快。

圖6 接觸網(wǎng)融冰電流波形（Ic = 1 200 A）

3.2 雙向變流裝置與雙向變流裝置環(huán)流融冰模式仿真

為對比不同的融冰接入方案，雙向變流裝置間環(huán)流方式的目標(biāo)融冰電流Ic同樣按350 A考慮，仿真得到的電流波形如圖7所示。

圖7 接觸網(wǎng)融冰電流波形（Ic = 350 A）

可以看出，該環(huán)流模式下由于雙向變流裝置系統(tǒng)響應(yīng)速度快，接觸網(wǎng)融冰電流平緩上升到了目標(biāo)值350 A，沒有出現(xiàn)電流過沖現(xiàn)象。系統(tǒng)在0.07 s時進入穩(wěn)態(tài)，響應(yīng)速度快，電流紋波小。同樣為滿足接觸網(wǎng)快速融冰需求，取融冰電流Ic= 1 200 A，得到仿真電流波形如圖8所示，系統(tǒng)在0.08 s時進入穩(wěn)態(tài)，控制精度高且響應(yīng)速度快。

圖8 接觸網(wǎng)融冰電流波形（Ic = 1 200 A）

4 結(jié)論

接觸網(wǎng)覆冰對地鐵供電系統(tǒng)的可靠運行及行車安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。本文分析了接觸網(wǎng)覆冰形成特性；以現(xiàn)有供電系統(tǒng)為基礎(chǔ)，介紹了雙向變流裝置與整流機組、雙向變流裝置與雙向變流裝置兩種環(huán)流融冰模式，并分析了臨界融冰電流與環(huán)境條件之間的關(guān)系以及融冰電流系統(tǒng)控制策略；最后通過搭建仿真模型驗證了方案的可行性。結(jié)果表明：融冰電流越大，系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)的時間越長，在臨界融冰電流為350 A時，雙向變流裝置與雙向變流裝置環(huán)流模式下系統(tǒng)響應(yīng)速度為0.07 s，較雙向變流裝置與整流機組環(huán)流模式下快0.01 s，同時在該環(huán)流模式下，融冰電流可實現(xiàn)平滑上升，不會出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，有利于系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。