電氣化鐵路接觸網在線防冰技術方案設計

崔永強，郭 蕾，李群湛，郭積晶，胡景瑜

（西南交通大學電氣工程學院，成都610031）

接觸網是牽引供電系統的重要組成部分，承擔對電力機車的送電任務[1]，處于低溫、凍雨、濕雪、冰凍等天氣下的輸電線路容易出現覆冰現象。近年來，國內學者對輸電線路的覆冰進行了深入研究，取得了很多重要的成果[2-4]。電氣化鐵路負荷重、波動大，在夜間停電綜合維修時，在惡劣環境下接觸網也會形成覆冰。

對于覆冰災害最好的解決方法就是防冰，即在覆冰條件下使線路中流過足夠大的電流，依靠焦耳熱保證接觸線溫度在0℃及以上避免覆冰。在覆冰環境下，使導線不覆冰的最小電流稱為導線臨界防冰電流。Clem 基于強制對流換熱原理提出計算防冰臨界電流的方法；Personne 等基于Makkonen的導線表面覆冰熱平衡方程[2]，提出了臨界電流計算方法，但計算方法較為粗略；蔣興良對導線覆冰規律及其影響因素進行了研究[3]；劉和云完善了對流換熱損失與碰撞系數的計算方法，提高了臨界電流計算的準確性[4]。目前各鐵路局大多仍采用人工清除接觸網覆冰的方法，效率低下，直流短路融冰方法又影響行車。文獻[5]提出了一種利用無功電流防冰的技術；為解決電能質量問題，李群湛提出同相供電理論，可實現對無功、負序、諧波的綜合治理[6-7]。

本文將依托同相供電裝置，研究基于靜止無功發生器（SVG）的接觸網在線防冰方案，兼顧電能質量的治理電氣化鐵路接觸網的防冰問題。

1 導線防冰電流計算

1.1 導線熱平衡方程

文獻[3]經過對圓柱導線覆冰過程中的主要傳熱過程的分析，得到導線臨界防冰電流，即

式中：Rac，s為導線在表面穩態溫度ts下的交流電阻，計算需考慮導線溫度和集膚效應對交流電阻的影響；A 為單位長度導線表面積；h 為導線表面對流換熱系數；ts、ta分別為導線表面穩態溫度和環境溫度；Ae為蒸發面積；LV為蒸發潛熱；pa為標準大氣壓；ca為空氣比熱容；e（t）為溫度t 時的飽和蒸汽壓；α1、α2、α3分別為水滴與導線的碰撞系數、導線捕獲水滴系數、水滴凍結系數；r 為導線半徑；v為風速；w 為空氣液態含水量；cw為水滴比熱容；ε為黑體總輻射系數，取0.95；Stefan-Boltzman 常數σ=5.567×10-8，W/（m2·K4）。忽略接觸線凹槽等結構因素的影響，式（1）作為接觸線臨界防冰電流的粗略計算式。

1.2 承力索對接觸網防冰電流的影響

接觸網由接觸線、承力索、吊弦等共同組成，建立防冰電流模型可以計算出接觸線的防冰電流值。防冰裝置投入后，承力索會起到分流的作用，因此，計算承力索和接觸線的電流分配比對于準確計算接觸網的防冰電流非常重要。電流在接觸網中的分配滿足條件為

式中：IK、IT分別為承力索、接觸線的電流；ZT、ZK、ZM分別為接觸線自阻抗、承力索自阻抗和兩者的互阻抗。通過Carson 公式[1]可以求得

則接觸網電流為

接觸線采用GLCB-85/173，承力索采用LGJ-120，接觸線距軌頂高度為5 800 mm，接觸線的結構高度為1300mm，承力索的最大馳度fm=500mm，鋼軌型號P50，鋼軌之間的距離dt=1435mm，接觸網地回路之間的等值深度Dg=930 000 mm。則

故接觸網防冰電流為

2 接觸網在線防冰方案

2.1 基于SVG 在線防冰方案

SVG 目前廣泛應用于電能質量的治理。圖1是利用首末兩端的SVG 發出和吸收無功來用于接觸網防冰。但仍需變電所出口處的分相絕緣器，屬異相供電。

圖1 接觸網在線防冰方案原理Fig.1 Schematic of catenary online anti-icing

由電流焦耳熱效應得

通過控制SVG 中電壓源型變流器交流側電壓的幅值和相位，實現交流側電流的控制。SVG 可吸收或發出感性無功，對外表現出電感性或者電容性，如圖2 所示。覆冰條件下，末端SVG 吸收感性無功電流，而首端SVG 發出感性無功電流；首端SVG 檢測線路的無功和諧波電流，保證供電臂首端功率因數，而末端SVG 保證整條供電臂滿足防冰電流的要求，可實現全線在線防冰要求。

圖2 SVG 結構Fig.2 Structure of SVG

2.2 同相供電方案

同相供電變電所主要由平衡變壓器和綜合潮流控制器IPFC（integrated power flow controller）構成。平衡變壓器將來自公用電網的三相對稱電壓變為兩相對稱電壓，如圖3 所示。

圖3 同相供電裝置示意Fig.3 Sketch map of co-phase supply

同相供電補償原理概括為：負載電流iL由有功電流ip、無功電流iq和諧波電流ih組成，即

通過控制IPFC 使得端口輸出電流為

由基爾霍夫定律知

次邊兩端口電流幅值相等，由平衡變壓器的特性可知，此時變壓器原邊無負序電流[1]，從而實現電氣化鐵路無功、負序、諧波的綜合治理。

2.3 同相供電條件下的防冰方案

IPFC 的拓撲結構，是一種背靠背SVG 結構，如圖4 所示。當達到覆冰條件時，供電臂末端SVG投入使用，即可實現圖1 中接觸網防冰功能。

圖4 IPFC 結構Fig.4 Structure of IPFC

由于IPFC 為有源補償設備，因此通過DC/AC逆變環節可以發出任意指定大小無功電流。圖5中供電臂末端SVG 吸收指定大小的感性無功電流，IPFC 補償掉負載和末端SVG 的無功電流，保證功率因數，從而在保證無功、負序、諧波綜合治理的優勢下實現圖1 中接觸網防冰功能。

圖5 同相供電條件下防冰方案Fig.5 Anti-icing program under co-phase state

3 Matlab/Simulink 仿真實現

氣溫是影響導線覆冰的重要因素，一般在溫度0～-6 ℃，風速0～6 m/s，空氣濕度大于85%時才容易形成覆冰[3]。

仿真條件為：風速v=5 m/s，環境溫度ta=-3 ℃，相對濕度85%，液滴直徑d=94.46 μm，液態含水量ω=8.45×10-3g/m3；接觸線GLCB-85/173，承力索LGJ-120；IPFC 用于電能質量治理時，α 臂有功功率10 MW，感性無功功率3 Mvar，3 次諧波電流源120 A；β 臂有功功率1 MW，感性無功功率1 Mvar。

將仿真參數帶入式（1）得接觸線的防冰電流為215.87 A，由式（6）得到接觸網的防冰電流為413.9 A。仿真波形如圖6～圖11 所示。

圖6 未加IPFC 時變壓器原邊電壓和電流波形Fig.6 Transformer primary voltage and current waveforms without IPFC

圖7 IPFC 治理后變壓器原邊電壓和電流波形Fig.7 Waveforms of transformer primary voltage and current with IPFC

由圖6 和圖8 可見，當平衡變壓器次邊兩端口負荷不相等時，變壓器原邊三相電流不平衡且有諧波，二次側電流存在諧波；由圖7、圖9 可以看出，經過IPFC 治理后的原邊三相電壓、電流對稱，次邊電壓、電流質量提高，驗證了同相供電技術在電能質量治理方面的效果。圖10 表明在覆冰條件下，實際負載電流不足以滿足防冰電流的要求；而圖11 為啟用牽引網防冰方案時接觸網電流的仿真結果，表明此時牽引網流過電流達到防冰要求；且圖12 中接觸網末端電壓大于19 kV，不影響用電機車通過，證實了防冰方案的可行性。

圖8 未加IPFC 時α 臂電壓和電流波形Fig.8 Voltage and current waveforms of α feeding section without IPFC

圖9 IPFC 治理后α臂電壓和電流波形Fig.9 Voltage and current waveforms of α feeding section with IPFC

圖10 未防冰右供電臂電流有效值Fig.10 Right-powered arm rms current without anti-icing equipments

圖11 防冰狀態右供電臂電流有效值Fig.11 Right-powered arm rms current with anti-icing equipments

圖12 防冰狀態牽引網末端電壓有效值Fig.12 Traction network terminal rms voltage at the state of the anti-icing

4 結論

（1）本文考慮承力索的分流影響，結合輸電線路的融冰理論，通過接觸網防冰狀態下的熱平衡方程計算得到了防冰電流大小。

（2）結合現有的同相供電技術，通過仿真闡述了一種接觸網防冰方案，并且仿真實現了預設防冰電流的輸出和電能質量的治理。

[1]李群湛，賀建閩.牽引供電系統分析[M].成都：西南交通大學出版社，2007.

[2]Makkonen L.Modeling of ice accretion on wires[J].Journal of Climate Applied Meteorology，1984，23（6）：929-939.

[3]蔣興良，易輝.輸電線路覆冰及防護[M].北京：中國電力出版社，2002.

[4]劉和云.架空導線覆冰防冰的理論與應用[M].北京：中國鐵道出版社，2001.

[5]李群湛，易東，舒澤亮，等.一種電氣化鐵道接觸網工頻在線防冰融冰方法[P].中國 2011101419216，2011-05-29.

[6]魏光，李群湛，黃軍，等（Wei Guang，Li Qunzhan，Huang Jun，et al）.新型同相牽引供電系統方案（A new cophase traction power supply system）[J].電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），2008，32（10）：80-83.

[7]常非，馮金博，趙麗平（Chang Fei，Feng Jinbo，Zhao Liping）. 同相貫通牽引供電系統綜合潮流控制器設計（Design of comprehensive power flow controller used in co-phase continuous traction power supply system）[J]. 電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2012，24（1）：54-58.