接觸網(wǎng)交流在線(xiàn)防冰與離線(xiàn)融冰原理研究

李 崗，郭 華

0 引言

冬季由于氣溫、空氣濕度和風(fēng)速的共同作用，存在著由液態(tài)水形成冰的覆冰現(xiàn)象。因此，覆冰是一種特定氣象條件下產(chǎn)生的冰凍現(xiàn)象，如果在架空導(dǎo)線(xiàn)上大面積形成覆冰，會(huì)導(dǎo)致桿塔傾倒、導(dǎo)線(xiàn)覆冰舞動(dòng)或斷裂，將直接影響架空線(xiàn)路的正常安全運(yùn)行。對(duì)電氣化鐵路而言，由于接觸網(wǎng)覆冰，會(huì)導(dǎo)致受電弓無(wú)法正常取流，甚至導(dǎo)致受電弓的損害或斷裂，嚴(yán)重影響列車(chē)的安全準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)行，對(duì)于時(shí)速超過(guò)300 km的高速鐵路，該問(wèn)題更加嚴(yán)重，必須引起高度重視。世界上不少?lài)?guó)家如美國(guó)、加拿大、俄羅斯、法國(guó)、日本等都曾發(fā)生過(guò)嚴(yán)重的冰雪災(zāi)害。2008年初國(guó)內(nèi)南方部分地區(qū)也發(fā)生了罕見(jiàn)的凍雨及冰雪災(zāi)害，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1～2]。

國(guó)內(nèi)外輸電線(xiàn)路采用的除冰方法有多種，按照除冰原理可以分為熱力除冰，機(jī)械除冰、被動(dòng)除冰及電子凍結(jié)、電暈放電等[1]。機(jī)械除冰法是直接使用刮刀、滾筒、棍子等除冰，機(jī)械法除冰的效率比較低[3]。熱力除冰是世界上公認(rèn)的最有效的除冰技術(shù)，采用焦耳效應(yīng)融冰原理，利用電流加熱覆冰導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行除冰[1]。本文研究的正是效率較高的熱力除冰。當(dāng)然，由于電氣化鐵路固有的運(yùn)行特點(diǎn)，列車(chē)運(yùn)行時(shí)接觸線(xiàn)有電流通過(guò)，不易結(jié)冰。但客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)的運(yùn)行模式有別于傳統(tǒng)的電氣化鐵道，大多采用夜間停電綜合維修方式，這樣就有相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間沒(méi)有列車(chē)運(yùn)行，氣溫較低時(shí)會(huì)造成接觸線(xiàn)出現(xiàn)覆冰現(xiàn)象，天氣特別惡劣時(shí)，列車(chē)通過(guò)的間隙也能在接觸網(wǎng)形成覆冰。根據(jù)日本的接觸線(xiàn)防冰凍經(jīng)驗(yàn)，接觸線(xiàn)在同時(shí)符合氣溫0℃以下、濕度86%以上、風(fēng)速3 m/s以下等3個(gè)條件的情況時(shí)會(huì)產(chǎn)生冰凍現(xiàn)象，此時(shí)，如果接觸線(xiàn)通過(guò)250 A的電流，接觸線(xiàn)的溫度達(dá)到5 ℃時(shí)，能防止結(jié)冰，通過(guò)400 A以上的電流，能開(kāi)始融化覆冰[4]。

針對(duì)國(guó)內(nèi)客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)運(yùn)行的特點(diǎn)，本文研究了接觸網(wǎng)交流在線(xiàn)防冰與離線(xiàn)融冰原理，提出了在保證區(qū)間至少有一輛列車(chē)運(yùn)行的情況下，防止接觸網(wǎng)覆冰的交流在線(xiàn)防冰理念；如果由于天氣急劇惡化或其他因素導(dǎo)致接觸網(wǎng)已經(jīng)覆冰，必須加大接觸網(wǎng)通過(guò)電流，融化覆冰，融冰時(shí)，機(jī)車(chē)不能正常取流、通過(guò)區(qū)間，只能離線(xiàn)融冰。

1 防冰與融冰原理分析

為了節(jié)省投資，一般不增設(shè)防冰與融冰（以下簡(jiǎn)稱(chēng)防融冰）用變壓器，而是以牽引變壓器為融冰電源。當(dāng)區(qū)間沒(méi)有列車(chē)通過(guò)時(shí)，整個(gè)接觸網(wǎng)不能形成回路，接觸網(wǎng)也沒(méi)有電流通過(guò)，因此，必須搭建接觸網(wǎng)融冰回路。可以利用上行接觸線(xiàn)/下行接觸線(xiàn)與鋼軌組建融冰回路，融冰系統(tǒng)安裝在分區(qū)所，如圖1所示[5]。可以單獨(dú)對(duì)上行線(xiàn)或下行線(xiàn)進(jìn)行防冰或融冰，也可以并聯(lián)上下行線(xiàn)，同時(shí)融冰。

圖1 系統(tǒng)安裝在分區(qū)所，防冰與融冰回路示意圖

為防止融冰時(shí)燒損接觸網(wǎng)，影響供電安全，需在融冰回路接觸網(wǎng)固有阻抗基礎(chǔ)上增加限流電阻器或限流電抗器，以控制防融冰電流，考慮到接觸網(wǎng)的感性特性，一般不采用電容器限流。融冰設(shè)備阻抗的大小、線(xiàn)路長(zhǎng)度及單位阻抗、牽引變壓器容量、接觸網(wǎng)運(yùn)行方式、AT變壓器漏阻抗、運(yùn)行機(jī)車(chē)功率等諸多因素綜合在一起決定了防冰與融冰電流的大小。單線(xiàn)AT供電方式牽引供電系統(tǒng)簡(jiǎn)化電路如圖2所示[6]。

圖2 牽引網(wǎng)回路分析圖

根據(jù)圖2，可以建立方程（1）。

式中，Zs為系統(tǒng)阻抗，ZT為變壓器阻抗，Z1為等值的接觸線(xiàn)阻抗，Z2為等值鋼軌（地）回路阻抗，Z3為等值正饋線(xiàn)阻抗，D1為牽引變電所至機(jī)車(chē)距離，D2為機(jī)車(chē)距分區(qū)所的距離。取系統(tǒng)最小運(yùn)行方式正序阻抗標(biāo)幺值為0.189 1，則折算至27.5 kV側(cè)系統(tǒng)阻抗Zs為 0.189 1×(27.5×27.5/100)×2i。取變壓器容量為63 MV·A，折算至27.5 kV側(cè)變壓器阻抗ZT為(27.5×27.5)×0.105/63i。AT變壓器漏阻抗Zg為 0.45i，T線(xiàn)單位自阻抗Zt= 0.1465 +0.589i，地回路單位自阻抗Zr= 0.084 2 + 0.407i，F(xiàn)線(xiàn)單位自阻抗Zf= 0.145 2 + 0.713i，T線(xiàn)與地回路之間的單位互阻抗Ztr= 0.05 + 0.315i，T線(xiàn)與F線(xiàn)之間的單位互阻抗Ztf= 0.05 + 0.332i，F(xiàn)線(xiàn)與地回路之間的單位互阻抗Zfr= 0.05 + 0.3i，則等值接觸線(xiàn)、等值地回路、等值正饋線(xiàn)單位阻抗分別為

取接觸線(xiàn)與承力索的分流系數(shù)為0.55，供電臂長(zhǎng)度為30 km，機(jī)車(chē)功率為4.8 MW。

2 防融冰方案分析

2.1 限流器采用電阻方案

限流器采用電阻，機(jī)車(chē)運(yùn)行至區(qū)間末端時(shí)，根據(jù)式（1）與式（2），可以求出機(jī)車(chē)電壓與限流電阻值的關(guān)系（圖 3）、機(jī)車(chē)電壓與機(jī)車(chē)距變電所距離m關(guān)系（圖4）。

從圖3可以看出，當(dāng)限流電阻值為20 Ω時(shí)，機(jī)車(chē)電壓為 19.5 kV，因此，當(dāng)限流電阻值大于20 Ω時(shí)，列車(chē)可以安全通過(guò)整個(gè)區(qū)間。考慮到安全性與可靠性，取限流電阻值為 25 Ω，當(dāng)機(jī)車(chē)通過(guò)防冰區(qū)間時(shí)，機(jī)車(chē)電壓與機(jī)車(chē)距牽引變電所的距離關(guān)系如圖4所示。從圖4可以看出，當(dāng)機(jī)車(chē)運(yùn)行至接觸網(wǎng)末端時(shí)，機(jī)車(chē)電壓降到21.3 kV，不影響列車(chē)通行。

圖3 機(jī)車(chē)電壓與限流電阻值關(guān)系圖

圖4 機(jī)車(chē)電壓與機(jī)車(chē)距變電所距離關(guān)系圖

當(dāng)防融冰區(qū)間沒(méi)有列車(chē)通過(guò)時(shí)，接觸線(xiàn)防融冰電流與限流電阻的關(guān)系如圖5所示，從圖5可以看出，限流電阻值小于 30 Ω時(shí)，通過(guò)接觸線(xiàn)的電流超過(guò)250 A，能防止覆冰，當(dāng)限流電阻值小于15 Ω后，融冰電流會(huì)超過(guò)400 A，進(jìn)入融冰狀態(tài)，此時(shí)，機(jī)車(chē)電壓不足19 kV，機(jī)車(chē)不能安全通過(guò)區(qū)間，只能離線(xiàn)融冰。

無(wú)論防冰或融冰、機(jī)車(chē)在線(xiàn)或離線(xiàn)，不同情況下要求變壓器輸出的功率是不同的，所要求的視在功率不能超過(guò)變壓器容量的一半。當(dāng)區(qū)間沒(méi)有機(jī)車(chē)，不同的限流電阻與要求的變壓器輸出功率如圖6所示，要求變壓器輸出功率不超過(guò)27.5 MV·A，小于變壓器容量63 MA·V的一半。取限流電阻值為 25 Ω，機(jī)車(chē)在區(qū)間運(yùn)行，機(jī)車(chē)運(yùn)行位置與要求變壓器輸出功率如圖7所示。當(dāng)機(jī)車(chē)運(yùn)行至變電所近端時(shí)，要求變壓器輸出功率最高，但也不超過(guò)27.5 MV·A。

圖5 接觸線(xiàn)防融冰電流與限流電阻值關(guān)系圖

圖6 變壓器輸出功率與限流電阻值關(guān)系圖

圖7 變壓器輸出功率與機(jī)車(chē)距變電所距離關(guān)系圖

2.2 限流器采用電抗方案

限流器采用電抗器，機(jī)車(chē)運(yùn)行至區(qū)間末端時(shí)，根據(jù)式（1）與式（2），可以求出機(jī)車(chē)電壓與限流電抗值的關(guān)系如圖8所示，從圖8可以看出，當(dāng)電抗值大于35 Ω后，機(jī)車(chē)電壓超過(guò)19.2 kV，機(jī)車(chē)才能安全通過(guò)區(qū)間。當(dāng)區(qū)間沒(méi)有列車(chē)運(yùn)行時(shí)，防融冰電流與限流電抗值的關(guān)系如圖9所示。可以看出，當(dāng)電抗值小于8 Ω時(shí)，接觸線(xiàn)電流會(huì)超過(guò)400 A，能融化覆冰；當(dāng)電抗值大于 35 Ω后，接觸線(xiàn)電流小于180 A，不能防覆；當(dāng)電抗值達(dá)到20 Ω時(shí)，接觸線(xiàn)電流會(huì)達(dá)到256 A，可以防冰，但從圖8可知，此時(shí)接觸網(wǎng)末端的機(jī)車(chē)電壓已不足16 kV，不能在線(xiàn)防冰，只能離線(xiàn)防冰。

圖8 機(jī)車(chē)電壓與限流電抗值的關(guān)系圖

圖9 接觸線(xiàn)電流與限流電抗值的關(guān)系圖

綜上所述，無(wú)論采用限流電阻還是限流電抗，都可以通過(guò)控制限流器阻抗值的大小，促使整個(gè)防融冰回路的阻抗發(fā)生變化，進(jìn)而改變防融冰電流的大小，實(shí)現(xiàn)離線(xiàn)防冰與融冰的功能，但電阻限流方案還能夠在保證一列機(jī)車(chē)安全運(yùn)行的情況下實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)防冰功能，如果由于天氣急劇惡化或其他因素導(dǎo)致接觸網(wǎng)已經(jīng)覆冰，通過(guò)降低限流電阻器的阻值，加大接觸網(wǎng)通過(guò)電流，達(dá)到融化覆冰。融冰時(shí)，機(jī)車(chē)不能正常取流、通過(guò)區(qū)間，只能離線(xiàn)融冰。

3 結(jié)論

接觸網(wǎng)覆冰是一種自然災(zāi)害，本文通過(guò)在接觸網(wǎng)末端加限流器，依據(jù)現(xiàn)有的牽引供電系統(tǒng)組建防融冰回路，并建立牽引供電網(wǎng)絡(luò)回路簡(jiǎn)化模型，依據(jù)模型分析了接觸網(wǎng)交流“在線(xiàn)防冰、離線(xiàn)融冰”原理理論，比較研究了電阻器限流模式與電抗器限流模式防融冰方案。根據(jù)天氣惡劣狀況，通過(guò)控制限流器阻抗值的大小，促使整個(gè)防融冰回路的阻抗發(fā)生變化，進(jìn)而改變防融冰電流的大小，實(shí)現(xiàn)離線(xiàn)防冰與融冰的功能，但電阻限流方案還能夠在保證一列機(jī)車(chē)安全運(yùn)行的情況下實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)防冰功能，且電阻器限流不會(huì)降低接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)的功率因數(shù)，不會(huì)向電力系統(tǒng)注入無(wú)功功率，是一種較理想的防冰與融冰方案。

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