接觸網(wǎng)臨界防覆冰電流分析

孫 軒，李茂亮，申 寧

0 引言

接觸網(wǎng)覆冰是電氣化鐵路比較常見的自然災(zāi)害，主要發(fā)生在初冬和初春季節(jié)。接觸網(wǎng)覆冰受災(zāi)面積廣、危害比較大、搶修難度大[1，2]。近年來，極端氣候頻繁出現(xiàn)，接觸網(wǎng)覆冰災(zāi)害頻現(xiàn)，電氣化鐵路如何應(yīng)對接觸網(wǎng)覆冰帶來的危害，是一個非常重要的課題。

1 接觸網(wǎng)防覆冰原理

圖1 為接觸網(wǎng)防覆冰原理圖，分別在牽引變電所供電臂的首端和末端連接動態(tài)補償裝置SVG。當(dāng)溫度低于0℃時，接觸網(wǎng)有可能覆冰，在無機車時，末端SVG2 從接觸網(wǎng)取電流 I2˙（ I2˙為感性電流），其幅值大于接觸線防覆冰所需最小電流，連接在首端SVG1 產(chǎn)生一個容性電流 I1˙（與 I2˙幅值相等）， I1˙、 I2˙在接觸線、SVG1、鋼軌和SVG2 形成的閉合回路中流通，接觸線的電阻產(chǎn)生足夠的熱使接觸線的溫度升高，防止接觸線結(jié)冰。

圖1 接觸網(wǎng)防覆冰原理示意圖

2 接觸網(wǎng)覆冰過程熱交換

式中，d 為接觸線的直徑，m；α1為碰撞系數(shù)；α2為捕獲系數(shù)，如果忽略水滴反彈的影響，可取捕獲系數(shù)α2= 1；α3為冷凍系數(shù)[3，5]；為空氣中液態(tài)水含量，kg·m-3；v 為風(fēng)速，m·s-1；h 為對流換熱系數(shù)；Lf、Le、Lm分別為水凝結(jié)過程釋放的潛熱、水蒸發(fā)

導(dǎo)線的覆冰過程是導(dǎo)線與周圍環(huán)境熱交換的過程，主要有焦耳熱，對流熱，液態(tài)水滴與空氣摩擦產(chǎn)生的熱，液態(tài)水滴與接觸線碰撞的動能損失[3，4]。其熱平衡方程可以表示為

式中，Qf為碰撞水滴凍結(jié)時釋放的潛熱；QR為傳輸電流產(chǎn)生的焦耳熱；Qk為水滴與接觸線碰撞的動能損失；Qv為空氣摩擦對冷卻水滴的加熱；Qs為導(dǎo)線吸收的太陽能；Qc為對流熱損失；Qe為冰表面蒸發(fā)或者升華熱損失；Ql為水滴從冰點溫度Ta（單位℃）加熱到Tf冰面穩(wěn)態(tài)溫度吸收的熱；Qr為接觸線輻射熱；Qw為附在導(dǎo)線上的雪融化吸收的熱量；以上單位均為J·m-2·s-1。

式（1）中各量具體可由下列各式分別計算：吸收潛熱、冰雪融化吸收的熱，J·kg·K-1；r 為接觸線電阻，Ω·m-1；ca、cw分別為空氣和水的比熱容，J·kg-1·K-1；pa為大氣壓強，Pa；α 為輻射常數(shù)；δR為波爾茲曼常數(shù)；e(Ts)、e(Ta)為飽和水壓[6]，Pa；P 為降水量，mm·h-1；ε為水汽分子重量比，取0.622；p 為太陽有效福輻射系數(shù)，晴天取0.75；αs為接觸線的吸收系數(shù)，取0.9；rq為恢復(fù)系數(shù)，圓柱取0.79；Jn為太陽常數(shù)，W·m-2；θ為太陽照射角度，rαd；I為電流，A。

3 臨界防覆冰電流的分析

導(dǎo)線臨界結(jié)冰的條件：冷卻系數(shù)為0，α3= 0設(shè)Ts= Tf= 0℃。則臨界防覆冰電流為

分析可知，影響接觸線臨界防覆冰電流的環(huán)境因素主要有風(fēng)速、環(huán)境溫度、液態(tài)水含量、降水量；此外還有接觸線的直徑與阻抗等本身的因素。

3.1 風(fēng)速與臨界防覆冰電流的關(guān)系

以鋼鋁接觸線GLCB-85/173 為例，分析各個因素對臨界防覆冰電流的影響，接觸線參數(shù)d =0.014 94 m，r = 0.000 23 Ω·m-1。陽光與降水只有單獨分析時才考慮，其他情況下，先不考慮這2 個因素的影響。

由圖2 知，風(fēng)速越大，臨界防覆冰電流就越大，風(fēng)速的影響主要有2 個方面：風(fēng)速越大，碰撞系數(shù)增加，使更多的液態(tài)水與接觸線碰撞；接觸線與空氣的熱交換越快，散熱越快。風(fēng)速越大，空氣對過冷水的加熱越快，液態(tài)水的速度增大，動能也會增加。風(fēng)速對接觸線熱交換和碰撞系數(shù)的影響是主要的，因此，臨界防覆冰電流隨著風(fēng)速增大而增大。

3.2 溫度與臨界防覆冰電流的關(guān)系

由圖3 可知，溫度越低，臨界防覆冰電流越大。溫度主要影響接觸線與空氣的熱交換。溫度越低，接觸線與周圍空氣溫差越大，接觸線散熱就越快，需要臨界防覆冰電流越大。

圖2 風(fēng)速與臨界防覆冰電流的關(guān)系示意圖

圖3 溫度與臨界防覆冰電流的關(guān)系示意圖

3.3 液態(tài)水含量與臨界防覆冰電流的關(guān)系

由圖4 可知，在其他因素相同時，空氣中液態(tài)水含量越高，附在接觸線表面的水就越多，吸收的熱就越多，臨界防覆冰電流越大。

圖4 溫度與臨界防覆冰電流的關(guān)系示意圖

3.4 降水量與臨界防覆冰電流的關(guān)系

由圖5 可知，降水增加使落在接觸線上的水越多，則液態(tài)水的吸熱增大，臨界防覆冰電流增加。此外，降水量越大，使空氣中的液態(tài)水含量增加[7]，這也會增大接觸線的臨界防覆冰電流。

圖5 降水與臨界防覆冰電流的關(guān)系示意圖

3.5 陽光與臨界防覆冰電流的關(guān)系

由圖6 可知，太陽光可以減小接觸線臨界防覆冰電流，并且風(fēng)速越小影響越顯著。在晴天由于接觸線吸收足夠的太陽光，因此，不易發(fā)生覆冰現(xiàn)象。

圖6 太陽照射角度與臨界防覆冰電流的關(guān)系示意圖

4 結(jié)論

風(fēng)速、溫度、液態(tài)水含量和降水量都會對臨界防覆冰電流產(chǎn)生影響。其中風(fēng)速和溫度主要影響接觸線與環(huán)境的熱交換，是影響臨界防覆冰電流的主要因素；液態(tài)水含量、降水量主要影響附在接觸線的水量，是對臨界防覆冰電流產(chǎn)生影響的次要因素。晴天由于太陽光照射比較強烈，很少出現(xiàn)覆冰現(xiàn)象。因此，接觸網(wǎng)覆冰多出現(xiàn)在陰雨天。

[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(xué)報，2009，8.

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

[3] Masoud Farzaneh.電網(wǎng)的大氣覆冰雪災(zāi)[M].黃新波譯.北京：中國電力出版社.

[4] 蔣興良，易輝.輸電線路覆冰及防護[M].北京：中國電力出版社.

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

[6] 王長根.幾種飽和水汽壓計算公式的比較[J].氣象科技，1974，（8）.

[7] 劉和云，周迪，付俊萍，等.導(dǎo)線雨淞覆冰預(yù)測簡單模型的研究[J].中國電機工程學(xué)報，2001，（4）.