接觸網(wǎng)絕緣子覆冰閃絡(luò)分析及對策

李杰瓊

摘 要：隨著電氣化鐵道牽引方式在我國的不斷推廣應(yīng)用，其電氣化區(qū)段的接觸網(wǎng)覆冰問題也日益突出。文章簡述了覆冰危害的現(xiàn)狀，形成的原因及影響因素，并在此基礎(chǔ)上對覆冰在接觸網(wǎng)及電力機(jī)車兩方面產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，最后提出應(yīng)對措施。

關(guān)鍵詞：接觸網(wǎng)；覆冰閃絡(luò)；絕緣子

覆冰是一種分布廣泛的自然現(xiàn)象，尤其霧凇是一種美麗的自然景觀。但對于接觸網(wǎng)線路覆冰將對弓網(wǎng)接觸、取電、拉弧、支吊產(chǎn)生重大影響，甚至造成受電弓無法取流，中斷鐵路線路正常運(yùn)營，并引起嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。覆冰對于電力輸電線路的影響也很突出，尤其是2008年在南方出現(xiàn)的罕見雨凇覆冰天氣更是對輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了極大危害?；诖耍岣邔旊娋€路覆冰災(zāi)害原因及規(guī)律的認(rèn)識，進(jìn)而制定出更為合理的防止對策對輸電安全具重要意義。與此同時，隨著電氣化鐵道牽引方式在我國的不斷推廣應(yīng)用，逐漸延伸到易覆冰地區(qū)，電氣化區(qū)段的接觸網(wǎng)覆冰問題也日益突出，本文即是對該問題所導(dǎo)致的危害及對策進(jìn)行一定闡述。

1 覆冰危害及現(xiàn)狀

在初冬和初春兩個時節(jié)，接觸網(wǎng)覆冰是常發(fā)于電氣化鐵路的自然災(zāi)害，且與其他災(zāi)害比較，接觸網(wǎng)覆冰同時包括了更多頗為不利的因素，比如危害性大、受災(zāi)面積廣以及相對難于搶修等。就我過的氣候特征而言，在冬季，寒流通常可造成較大的影響，可出現(xiàn)持續(xù)時間較長的大面積的降溫和降水天氣，這就更加促使接觸網(wǎng)覆冰的形成，又由于在一個較大的區(qū)域通常具有相似的氣象條件，所以一旦有接觸網(wǎng)覆冰事件發(fā)生，其受災(zāi)面積可在整個地區(qū)蔓延開來，進(jìn)而對鐵路運(yùn)輸造成嚴(yán)重影響，甚至?xí)＿\(yùn)。而近些年來，隨著全球氣候的日益惡化，極端氣候的出現(xiàn)頻率較過去高出很多，因此接觸網(wǎng)覆冰事件的發(fā)生頻次和嚴(yán)重程度都有較大幅度提升，如何應(yīng)對接觸網(wǎng)覆冰災(zāi)害，已成為了電氣化鐵路迫切需要面對的重要課題，深入研究接觸網(wǎng)覆冰機(jī)理并同時制定出行之有效的接觸網(wǎng)防冰融冰方案是提高電氣化鐵路安全可靠性必要保障。

2 覆冰形成原因及影響因素

2.1 覆冰原因及種類

氣候條件是形成接觸網(wǎng)覆冰的主要因素，同時還受微地形、溫濕度、冷暖空氣對流環(huán)流情況以及風(fēng)等多因素影響，為一種綜合性的物理現(xiàn)象。在有凍雨或雨夾雪的天氣時均有發(fā)生接觸網(wǎng)覆冰的可能，而在空氣濕度大，溫度處于0～5℃范圍且有風(fēng)和毛毛雨的時候最易發(fā)生。就接觸網(wǎng)覆冰的種類而言，我們通常根據(jù)覆冰表面外觀特性將其分為雨凇、粒狀霧凇、晶狀霧凇、濕雪以及混合淞等5個類型。

2.2 氣象、地理條件對覆冰的影響

與絕緣子形成覆冰關(guān)系密切的氣象因素主要包括空氣溫度、風(fēng)速風(fēng)向、空氣或云層中過冷卻水滴直徑以及空氣中的液態(tài)水含量等4種，該4種因素的可通過差異性的組合而表現(xiàn)為不同類型的覆冰，而要產(chǎn)生覆冰，還必須具備三方面的條件，即氣溫和接觸網(wǎng)表面溫度保持在0℃以下、空氣濕度保持在85%以上以及風(fēng)速應(yīng)大于1m/s。在以上因素當(dāng)中，風(fēng)在覆冰的形成過程中發(fā)揮著重要作用。風(fēng)將空氣中的水滴吹送至導(dǎo)線，導(dǎo)線才能將過冷卻水滴相撞并將其捕獲，可加速接觸網(wǎng)表面覆冰的產(chǎn)生，此外風(fēng)向也是影響覆冰的重要參數(shù)，有研究指出，當(dāng)風(fēng)向與導(dǎo)線保持處置或與導(dǎo)線成大于45度且小于150度夾角時可形成比較嚴(yán)重的覆冰，而風(fēng)向與導(dǎo)線平行或與導(dǎo)線夾角小于45度或大于150度時所形成的覆冰較薄弱。另外，風(fēng)向的不同還會對覆冰的結(jié)構(gòu)形狀造成影響，當(dāng)風(fēng)向與導(dǎo)線垂直時通常會在迎風(fēng)面形成不均勻的覆冰并有幾率發(fā)生覆冰舞動的情況，而當(dāng)風(fēng)向與導(dǎo)線平行時那么產(chǎn)生的覆冰相對比較均勻。就其他地理條件對覆冰的影響而言，也多是基于從空氣中的含水量及受風(fēng)條件來進(jìn)行衡量，比如在空氣水含量比較充分的山頂、迎風(fēng)破以及云霧環(huán)繞的山腰等處，均為嚴(yán)重覆冰的多產(chǎn)地帶。

2.3 走向及懸掛高度對于覆冰的影響

一方面，覆冰與導(dǎo)線的走向存有較密切的關(guān)系。在冬季覆冰季節(jié)，多吹北風(fēng)或西北風(fēng)，因此當(dāng)線路的走向大致為南北向時，可基本與風(fēng)向平行或僅有較小的角度，那么在單位時間內(nèi)被線路捕獲的水滴與其他微粒就會更少，所以難以形成較重覆冰；但當(dāng)線路走向更接近東西走向時，風(fēng)向與線路呈90度左右夾角，線路可在較短施加內(nèi)捕獲更多的水滴和微粒，可形成更為嚴(yán)重的覆冰，而且還可同時導(dǎo)致不均勻覆冰的產(chǎn)生而誘發(fā)覆冰舞動。另一方面，就線路的懸掛高度而言，因為空氣中的液態(tài)水含量通常是隨著高度的增加而有所升高，而且高出的風(fēng)速也比較大，綜合作用下，高懸掛導(dǎo)線通常會產(chǎn)生比較嚴(yán)重的覆冰。

3 覆冰的危害

3.1 對接觸網(wǎng)設(shè)備的影響

附著于接觸線上的冰殼會對受電弓的取流形成阻礙，繼而產(chǎn)生較大的電弧甚至是程度更嚴(yán)重的燃弧，這不僅會對接觸線造成很大程度的機(jī)械磨損，同時也可伴隨嚴(yán)重的電弧燒傷的情況。有資料顯示，當(dāng)電力機(jī)車通過伴有嚴(yán)重冰凌的接觸線時所形成的電弧超過半米高，在之后的檢修中發(fā)現(xiàn)，其磨損程度幾乎等效于全線開通1年來的累計磨損的數(shù)倍[1]。同時，某些分段絕緣器相關(guān)設(shè)備包括了許多較小的零配件，比如有菱形分段銅滑板上面的銷釘?shù)龋@些零件一旦被燒傷后發(fā)生松動甚至掉落，均可能對設(shè)備的安全運(yùn)行帶來較多不安全因素。

3.2 對電力機(jī)車的影響

受電弓碳滑板通常都帶有自動降弓裝置（ADD），一旦發(fā)生有被電弧嚴(yán)重?zé)齻那闆r，該裝置即可自動降弓，并以此可發(fā)揮一定保護(hù)作用。覆冰所導(dǎo)致的電弧甚至?xí)⑻蓟瑮l燒斷或是導(dǎo)致封裝樹脂變形裂開而發(fā)生漏氣，最終可使電力機(jī)車不能正常使用[3]。另外，凍雨還會造成嚴(yán)重的弓網(wǎng)故障，當(dāng)電力機(jī)車停留在車站內(nèi)進(jìn)行升弓的時候，由于部分機(jī)械被凍結(jié)或是在碳滑板之上存有嚴(yán)重結(jié)冰的情況，可導(dǎo)致車頂支持絕緣子閃絡(luò)放電，此時的短路電流一般比較強(qiáng)，其所形成的電弧甚至可直接將接觸線燒斷。

4 覆冰的應(yīng)對措施分析

當(dāng)前對于覆冰的應(yīng)對策略主要有人工除冰、電力機(jī)車受電弓帶與不帶負(fù)荷運(yùn)行除冰、對接觸線進(jìn)行電加熱以及涂抹防凍劑等多種方法，但以上方法就目前的應(yīng)用情況來看并未有某一種表現(xiàn)為主流方式，但基于現(xiàn)在開通的高速鐵路多有設(shè)置接觸線電加熱融冰系統(tǒng)的情況，筆者認(rèn)為接觸線電加熱與涂抹防凍劑此兩種方法可能會有更大的發(fā)展前景。以下主要對此兩種方法進(jìn)行一定介紹。

4.1 接觸線電加熱融冰技術(shù)

該技術(shù)為通過利用電流的焦耳熱效應(yīng)而達(dá)到融化覆冰的目的，具體可分為直流和交流兩種融冰方案。其中直流融冰即是將覆冰線路作為負(fù)載，并在其線路末端進(jìn)行短接，同時逐段施加直流電源，這樣即可利用較低的直流電壓提供短路電流而將導(dǎo)線加熱而融化覆冰，但該方法需要增加斷路器、融冰變壓器、整流器以及其他控制設(shè)備等，因此其整體優(yōu)缺點為對電力系統(tǒng)本身影響不大，但投資成本相對會更高；交流融冰需將融冰線路的一端進(jìn)行短路接地，同時在另一端加以融冰電源，由此可產(chǎn)生較大的短路電流來對導(dǎo)線進(jìn)行加熱，進(jìn)而將覆冰融化，該方法在實施方面相對更為簡便，但較前者比較會有更多無效功率產(chǎn)生，其能量消耗更大。綜合來看，直流與交流融冰有一個共同的缺點就是不能對接觸網(wǎng)中的非導(dǎo)電回路產(chǎn)生作用，同時開展時間也容易受天窗時間、行車狀況以及運(yùn)輸情況等多方面影響，目前可能還會存在一定的局限性。

4.2 涂抹防凍劑技術(shù)

該技術(shù)最早由德國的STEMMANN TECHNIK公司開發(fā)，在通過天氣預(yù)報獲取凍雨天信息之后，采用防凍劑對接觸線進(jìn)行涂覆，以此來防止覆冰的產(chǎn)生。涂抹設(shè)備一般為2部件組成，其一固定于軌道車輛內(nèi)部的固定框架，另一部件為附加的車頂受電弓，其滑條由一個潤滑裝置所取代，而新的潤滑裝置的基本部件即是一個用甘油浸潤的中空毛氈輥，工作期間，設(shè)備帶壓縮空氣可將防凍劑壓迫導(dǎo)入至中空毛氈輥，在滾動時即可將防凍劑涂抹于接觸線上。該設(shè)備不僅使用極為簡便，而且費(fèi)用比較低，其速度可達(dá)30km/h，因此還具有較高的效率，同時其工作不會受到天窗時間和中性段無電區(qū)等情況的影響，只要在受電弓接觸到的范圍內(nèi)都可以涂抹防冰劑。但該技術(shù)的缺點就是對某些嚴(yán)重覆冰并無很明顯的效果，而且對分段絕緣器有一定選擇性。

5 結(jié)束語

線路覆冰災(zāi)害是電力技術(shù)領(lǐng)域的世界性難題，目前還未見一種運(yùn)用非常成熟的防治策略及相關(guān)理論，但電氣化鐵道牽引方式在我國的不斷推廣應(yīng)用，相關(guān)配套技術(shù)必將越來越成熟，可以預(yù)見，通過加大覆冰災(zāi)害的預(yù)防力度同時進(jìn)一步加強(qiáng)融冰技術(shù)的攻關(guān)，覆冰事故可在一定范圍內(nèi)得到較好的防治。

參考文獻(xiàn)

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[4]陳向宜，何樸，劉明忠.四川電網(wǎng)輸電線路覆冰分析及防御措施[J].四川電力技術(shù)成都，2011，34（2）：41-43.