基于接觸網覆冰機理及其防冰方法研究

趙慧鵬

摘 要：接觸網是電氣化鐵路牽引網的重要組成部分，接觸網覆冰是一種嚴寒天氣時所產生的自然現象，與氣候有著密切關系。若接觸網大面積形成覆冰，直接影響電氣化鐵路的安全運行。因此，探究接觸網覆冰防冰方法具有重要意義。本文首先闡述接觸覆冰機理及危害，然后探討其防冰方法。

關鍵詞：接觸網 覆冰機理 再線防冰

中圖分類號：U22 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（a）-0123-02

近幾年來，伴隨著我國電氣化鐵路的不斷發展，一些較大規模的重載鐵路線路延伸到高海拔、低溫及高濕度地區，例如：朔黃鐵路跨越橫山、云中山、沿滹沱河峽谷穿越太行山，此類區域極易發生覆冰現象，長時間導致列車無法運行、降低接觸網的可靠性及安全性、影響弓網的收流質量，使得接觸網在線防冰迫在眉睫。同時，如何確保列車或貨運重載車在此區域運行的安全已受到各界人士重視，引起廣泛關注。

1 接觸網覆冰機理及危害

通常情況，覆冰狀態主要是由氣候條件造成的，其中溫度、空氣中液態水含量及風向、風速是重要因素。當空氣中有足夠的液態水時，同時受到較大風速影響，使空氣中的液態水受冷，與接觸網相接觸，加上溫度低于0℃，極易使小水滴冷固，進而在接觸網上形成一層厚厚的覆冰。從這一角度來看，接觸網覆冰是一種物理現象，一方面是流體力學的過程，主要是因為捕獲氣體中過度冷卻的水滴進而發生的現象；另一方面也是熱力學的過程。液態過冷卻水滴釋放熱量而固化的物理現象。其覆冰的厚度及密度與覆冰表面碰撞過程及熱平衡過程有較大關系。因此，高海拔山區接觸網覆冰在很大程度上由于冬季溫度低、晝夜溫差大且濕度大而導致的。

最為常見的覆冰類型有雨凇、濕雪、混合淞及粒狀霧凇等，其中危害最大的就是雨凇，通常由凍雨而形成，與接觸網表面有著極強附著力，并不易脫落，影響時間較長。覆冰造成危害：首先，影響列車正常通行。如：2008年春運期間，發生的雪災，導致多處地段發生接觸網覆冰現象，使大多數列車取消車次。其次，降低接觸網的安全性。由于在風的作用下，接觸網設備在承受覆冰自身荷載的同時，還承受風面積大導致的最大風荷載，極易增加導線張力，破壞支持裝置。此外，高海拔山區多風雪天氣，絕緣子表面容易出現結冰現象，導致短路，引起閃路放電及接觸網跳閘現象，進而影響列車通行。最后，降低弓網的收流質量。接觸線波動傳播速度直接影響弓網運行速度，若接觸網發生覆冰時，在工作張力不變的條件下，輸電線路的密度得到提高，從而減少了接觸線的波動傳播速度，影響弓網收流質量。

2 接觸網防冰方法

為了有效確保列車通行安全，使電氣化鐵路得到安全穩定運營，眾多學者紛紛提出接觸網防冰方法，主要有人工除冰、電力機車受電弓帶負荷運行除冰、接觸電加熱、涂抹防凍劑、在線防冰法等，但沒有哪一種防冰方法成為主流。電力機車受電弓帶負荷運行除冰是由內燃機牽引電力機車弓不取流，其防冰效果較一般，不提倡使用。下面主要對后幾種方法進行詳細闡述：

2.1 接觸電加熱防冰

接觸電加容防冰主要是利用電流的焦耳效應對導線進行加熱，進而融化覆冰。當前，主要分為直流融冰與交流融冰。其中直流融冰主要是將覆冰線路作為負載，連接線路末端，并逐段施加直流電源，采用較低的直流電壓提供短路電流，進而使導線加熱，融化覆冰。直流融冰需要增設融冰變壓器、斷路器及其整流器等。該融冰方法僅僅需要較小電源功率，并對電力系統的影響較小。唯一不足的是投資成本較大，需要資金支持。交流融冰是一種將融冰線路的一端線路與地連接，并在另一端施以融冰電源，進而由較大的短路電流使導線加熱，使之冰水融化。該交流融冰方法操作較簡單，且實施較方便，但會產生較大的無功功率，消耗大量電量，進而影響供電能力。

2.2 涂抹防凍劑

防凍劑技術最先是由德國發明的，事前根據天氣預報得知有凍雨天氣后，進而對接觸線涂抹大量防凍劑，預防接觸線結冰。涂抹防凍劑設備主要由兩個部件組成，其中一個部件安裝在軌道車輛內部的固定框架上，而另一部件安裝在附件的車頂受電弓。車輛在行駛期間，將設備中的防凍劑由壓縮空氣通過組合管道系統進而進入到中空毛氈柜內，當毛氈柜滾動時能夠將防凍劑涂抹在接觸線上，進而防止接觸網結冰。該方法使用較方便，且擁有較低的運行使用費用，具有較高的防冰效率。更為關鍵的是不受天窗的限制及中性段無電區的影響。需要注意的是，若遇到較為嚴重的覆冰，其防冰效果不明顯。

2.3 在線防冰法

在線防冰法是一種基于SVG（Scalable Vector Graphics）接觸網的在線防冰方法，具有極強的應用前景。當前，大多數地區還沒有應用該項技術，因此，本文對其進行重點研究。要想實現接觸網在線防冰必須堅持以下幾條原則：首先，確保接觸網各個部分的電壓在允許范圍內；其次，采用在任意區間都不會結冰的電流；再次，防冰電流應保證各個部分所消耗的電能應在經濟能力范圍內；最后，在進行防冰時不影響列車的正常通行。采用SVG在線防冰能夠吸收感性無功及其發出感性無功特征，可實現在接觸網上產生較大電流，但不影響正常供電，其在線融冰過程如下圖1所示。朔黃鐵路供電系統主要由直供牽引供電加回流線（DN）及以AT牽引供電系統。

2.3.1 DN供電系統的在線防冰

直供加回流線供電方式結構比較簡，這種供電方式由于在接觸網同高度的外側增設了一條回流線，回流線上的電流與接觸網上的電流方向相反，這樣大大減輕了接觸網對鄰近通信線路的干擾。根據牽引供電原理，接觸線進而構成閉合環路，調節其中一條線路進而確保線路電力超過臨界防冰電流，使接觸網的溫度保持在0℃以上，防止結冰，也能夠確保接觸線處于正常的供電狀態。此外，在確保供電電壓的條件下，就能對末端進行調節，確保線路上的電流控制在可取值范圍內，使防冰作用發揮到最大。

2.3.2 AT牽引供電的在線防冰

AT牽引供電的在線防冰跟直供牽引供電的在線防冰相似，同樣將靜止無功發生裝置安裝在牽引變電所兩相供電臂的首端及其末端，并分別記為SVG1、SVG2；SVG3、SVG4.其原理圖如下圖2所示。由于AT變壓器的作用，使得系統中電流分布較為復雜，因此，應根據實際情況進行對防冰電流分布進行分析，進而采取相應的方法。

3 結語

接觸網覆冰現象尤其常見，尤其是高寒、潮濕地區，對機車運行造成不便。當前，防冰方法主要由以上幾種，但沒有固定防冰措施，加上需要投入大量人力、物力，盡管取得一定成效，但防冰效率相對較低。本文提出一種SVG的在線防冰方法，操作簡單，投資成本顯得較少，能夠有效提高防冰質量，確保鐵路供電線路的正常運行，具有廣闊的發展前景。

參考文獻

[1] 李群湛，郭蕾，舒澤亮，等.電氣化鐵路接觸網在線防冰技術研究[J].鐵道學報，2013，35（10）：46-51.

[2] 李崗，郭華.接觸網交流在線防冰與離線融冰原理研究[J].電氣化鐵道，2012，23（6）：5-8.endprint

摘 要：接觸網是電氣化鐵路牽引網的重要組成部分，接觸網覆冰是一種嚴寒天氣時所產生的自然現象，與氣候有著密切關系。若接觸網大面積形成覆冰，直接影響電氣化鐵路的安全運行。因此，探究接觸網覆冰防冰方法具有重要意義。本文首先闡述接觸覆冰機理及危害，然后探討其防冰方法。

關鍵詞：接觸網 覆冰機理 再線防冰

中圖分類號：U22 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（a）-0123-02

近幾年來，伴隨著我國電氣化鐵路的不斷發展，一些較大規模的重載鐵路線路延伸到高海拔、低溫及高濕度地區，例如：朔黃鐵路跨越橫山、云中山、沿滹沱河峽谷穿越太行山，此類區域極易發生覆冰現象，長時間導致列車無法運行、降低接觸網的可靠性及安全性、影響弓網的收流質量，使得接觸網在線防冰迫在眉睫。同時，如何確保列車或貨運重載車在此區域運行的安全已受到各界人士重視，引起廣泛關注。

1 接觸網覆冰機理及危害

通常情況，覆冰狀態主要是由氣候條件造成的，其中溫度、空氣中液態水含量及風向、風速是重要因素。當空氣中有足夠的液態水時，同時受到較大風速影響，使空氣中的液態水受冷，與接觸網相接觸，加上溫度低于0℃，極易使小水滴冷固，進而在接觸網上形成一層厚厚的覆冰。從這一角度來看，接觸網覆冰是一種物理現象，一方面是流體力學的過程，主要是因為捕獲氣體中過度冷卻的水滴進而發生的現象；另一方面也是熱力學的過程。液態過冷卻水滴釋放熱量而固化的物理現象。其覆冰的厚度及密度與覆冰表面碰撞過程及熱平衡過程有較大關系。因此，高海拔山區接觸網覆冰在很大程度上由于冬季溫度低、晝夜溫差大且濕度大而導致的。

最為常見的覆冰類型有雨凇、濕雪、混合淞及粒狀霧凇等，其中危害最大的就是雨凇，通常由凍雨而形成，與接觸網表面有著極強附著力，并不易脫落，影響時間較長。覆冰造成危害：首先，影響列車正常通行。如：2008年春運期間，發生的雪災，導致多處地段發生接觸網覆冰現象，使大多數列車取消車次。其次，降低接觸網的安全性。由于在風的作用下，接觸網設備在承受覆冰自身荷載的同時，還承受風面積大導致的最大風荷載，極易增加導線張力，破壞支持裝置。此外，高海拔山區多風雪天氣，絕緣子表面容易出現結冰現象，導致短路，引起閃路放電及接觸網跳閘現象，進而影響列車通行。最后，降低弓網的收流質量。接觸線波動傳播速度直接影響弓網運行速度，若接觸網發生覆冰時，在工作張力不變的條件下，輸電線路的密度得到提高，從而減少了接觸線的波動傳播速度，影響弓網收流質量。

2 接觸網防冰方法

為了有效確保列車通行安全，使電氣化鐵路得到安全穩定運營，眾多學者紛紛提出接觸網防冰方法，主要有人工除冰、電力機車受電弓帶負荷運行除冰、接觸電加熱、涂抹防凍劑、在線防冰法等，但沒有哪一種防冰方法成為主流。電力機車受電弓帶負荷運行除冰是由內燃機牽引電力機車弓不取流，其防冰效果較一般，不提倡使用。下面主要對后幾種方法進行詳細闡述：

2.1 接觸電加熱防冰

接觸電加容防冰主要是利用電流的焦耳效應對導線進行加熱，進而融化覆冰。當前，主要分為直流融冰與交流融冰。其中直流融冰主要是將覆冰線路作為負載，連接線路末端，并逐段施加直流電源，采用較低的直流電壓提供短路電流，進而使導線加熱，融化覆冰。直流融冰需要增設融冰變壓器、斷路器及其整流器等。該融冰方法僅僅需要較小電源功率，并對電力系統的影響較小。唯一不足的是投資成本較大，需要資金支持。交流融冰是一種將融冰線路的一端線路與地連接，并在另一端施以融冰電源，進而由較大的短路電流使導線加熱，使之冰水融化。該交流融冰方法操作較簡單，且實施較方便，但會產生較大的無功功率，消耗大量電量，進而影響供電能力。

2.2 涂抹防凍劑

防凍劑技術最先是由德國發明的，事前根據天氣預報得知有凍雨天氣后，進而對接觸線涂抹大量防凍劑，預防接觸線結冰。涂抹防凍劑設備主要由兩個部件組成，其中一個部件安裝在軌道車輛內部的固定框架上，而另一部件安裝在附件的車頂受電弓。車輛在行駛期間，將設備中的防凍劑由壓縮空氣通過組合管道系統進而進入到中空毛氈柜內，當毛氈柜滾動時能夠將防凍劑涂抹在接觸線上，進而防止接觸網結冰。該方法使用較方便，且擁有較低的運行使用費用，具有較高的防冰效率。更為關鍵的是不受天窗的限制及中性段無電區的影響。需要注意的是，若遇到較為嚴重的覆冰，其防冰效果不明顯。

2.3 在線防冰法

在線防冰法是一種基于SVG（Scalable Vector Graphics）接觸網的在線防冰方法，具有極強的應用前景。當前，大多數地區還沒有應用該項技術，因此，本文對其進行重點研究。要想實現接觸網在線防冰必須堅持以下幾條原則：首先，確保接觸網各個部分的電壓在允許范圍內；其次，采用在任意區間都不會結冰的電流；再次，防冰電流應保證各個部分所消耗的電能應在經濟能力范圍內；最后，在進行防冰時不影響列車的正常通行。采用SVG在線防冰能夠吸收感性無功及其發出感性無功特征，可實現在接觸網上產生較大電流，但不影響正常供電，其在線融冰過程如下圖1所示。朔黃鐵路供電系統主要由直供牽引供電加回流線（DN）及以AT牽引供電系統。

2.3.1 DN供電系統的在線防冰

直供加回流線供電方式結構比較簡，這種供電方式由于在接觸網同高度的外側增設了一條回流線，回流線上的電流與接觸網上的電流方向相反，這樣大大減輕了接觸網對鄰近通信線路的干擾。根據牽引供電原理，接觸線進而構成閉合環路，調節其中一條線路進而確保線路電力超過臨界防冰電流，使接觸網的溫度保持在0℃以上，防止結冰，也能夠確保接觸線處于正常的供電狀態。此外，在確保供電電壓的條件下，就能對末端進行調節，確保線路上的電流控制在可取值范圍內，使防冰作用發揮到最大。

2.3.2 AT牽引供電的在線防冰

AT牽引供電的在線防冰跟直供牽引供電的在線防冰相似，同樣將靜止無功發生裝置安裝在牽引變電所兩相供電臂的首端及其末端，并分別記為SVG1、SVG2；SVG3、SVG4.其原理圖如下圖2所示。由于AT變壓器的作用，使得系統中電流分布較為復雜，因此，應根據實際情況進行對防冰電流分布進行分析，進而采取相應的方法。

3 結語

接觸網覆冰現象尤其常見，尤其是高寒、潮濕地區，對機車運行造成不便。當前，防冰方法主要由以上幾種，但沒有固定防冰措施，加上需要投入大量人力、物力，盡管取得一定成效，但防冰效率相對較低。本文提出一種SVG的在線防冰方法，操作簡單，投資成本顯得較少，能夠有效提高防冰質量，確保鐵路供電線路的正常運行，具有廣闊的發展前景。

參考文獻

[1] 李群湛，郭蕾，舒澤亮，等.電氣化鐵路接觸網在線防冰技術研究[J].鐵道學報，2013，35（10）：46-51.

[2] 李崗，郭華.接觸網交流在線防冰與離線融冰原理研究[J].電氣化鐵道，2012，23（6）：5-8.endprint

摘 要：接觸網是電氣化鐵路牽引網的重要組成部分，接觸網覆冰是一種嚴寒天氣時所產生的自然現象，與氣候有著密切關系。若接觸網大面積形成覆冰，直接影響電氣化鐵路的安全運行。因此，探究接觸網覆冰防冰方法具有重要意義。本文首先闡述接觸覆冰機理及危害，然后探討其防冰方法。

關鍵詞：接觸網 覆冰機理 再線防冰

中圖分類號：U22 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（a）-0123-02

近幾年來，伴隨著我國電氣化鐵路的不斷發展，一些較大規模的重載鐵路線路延伸到高海拔、低溫及高濕度地區，例如：朔黃鐵路跨越橫山、云中山、沿滹沱河峽谷穿越太行山，此類區域極易發生覆冰現象，長時間導致列車無法運行、降低接觸網的可靠性及安全性、影響弓網的收流質量，使得接觸網在線防冰迫在眉睫。同時，如何確保列車或貨運重載車在此區域運行的安全已受到各界人士重視，引起廣泛關注。

1 接觸網覆冰機理及危害

通常情況，覆冰狀態主要是由氣候條件造成的，其中溫度、空氣中液態水含量及風向、風速是重要因素。當空氣中有足夠的液態水時，同時受到較大風速影響，使空氣中的液態水受冷，與接觸網相接觸，加上溫度低于0℃，極易使小水滴冷固，進而在接觸網上形成一層厚厚的覆冰。從這一角度來看，接觸網覆冰是一種物理現象，一方面是流體力學的過程，主要是因為捕獲氣體中過度冷卻的水滴進而發生的現象；另一方面也是熱力學的過程。液態過冷卻水滴釋放熱量而固化的物理現象。其覆冰的厚度及密度與覆冰表面碰撞過程及熱平衡過程有較大關系。因此，高海拔山區接觸網覆冰在很大程度上由于冬季溫度低、晝夜溫差大且濕度大而導致的。

最為常見的覆冰類型有雨凇、濕雪、混合淞及粒狀霧凇等，其中危害最大的就是雨凇，通常由凍雨而形成，與接觸網表面有著極強附著力，并不易脫落，影響時間較長。覆冰造成危害：首先，影響列車正常通行。如：2008年春運期間，發生的雪災，導致多處地段發生接觸網覆冰現象，使大多數列車取消車次。其次，降低接觸網的安全性。由于在風的作用下，接觸網設備在承受覆冰自身荷載的同時，還承受風面積大導致的最大風荷載，極易增加導線張力，破壞支持裝置。此外，高海拔山區多風雪天氣，絕緣子表面容易出現結冰現象，導致短路，引起閃路放電及接觸網跳閘現象，進而影響列車通行。最后，降低弓網的收流質量。接觸線波動傳播速度直接影響弓網運行速度，若接觸網發生覆冰時，在工作張力不變的條件下，輸電線路的密度得到提高，從而減少了接觸線的波動傳播速度，影響弓網收流質量。

2 接觸網防冰方法

為了有效確保列車通行安全，使電氣化鐵路得到安全穩定運營，眾多學者紛紛提出接觸網防冰方法，主要有人工除冰、電力機車受電弓帶負荷運行除冰、接觸電加熱、涂抹防凍劑、在線防冰法等，但沒有哪一種防冰方法成為主流。電力機車受電弓帶負荷運行除冰是由內燃機牽引電力機車弓不取流，其防冰效果較一般，不提倡使用。下面主要對后幾種方法進行詳細闡述：

2.1 接觸電加熱防冰

接觸電加容防冰主要是利用電流的焦耳效應對導線進行加熱，進而融化覆冰。當前，主要分為直流融冰與交流融冰。其中直流融冰主要是將覆冰線路作為負載，連接線路末端，并逐段施加直流電源，采用較低的直流電壓提供短路電流，進而使導線加熱，融化覆冰。直流融冰需要增設融冰變壓器、斷路器及其整流器等。該融冰方法僅僅需要較小電源功率，并對電力系統的影響較小。唯一不足的是投資成本較大，需要資金支持。交流融冰是一種將融冰線路的一端線路與地連接，并在另一端施以融冰電源，進而由較大的短路電流使導線加熱，使之冰水融化。該交流融冰方法操作較簡單，且實施較方便，但會產生較大的無功功率，消耗大量電量，進而影響供電能力。

2.2 涂抹防凍劑

防凍劑技術最先是由德國發明的，事前根據天氣預報得知有凍雨天氣后，進而對接觸線涂抹大量防凍劑，預防接觸線結冰。涂抹防凍劑設備主要由兩個部件組成，其中一個部件安裝在軌道車輛內部的固定框架上，而另一部件安裝在附件的車頂受電弓。車輛在行駛期間，將設備中的防凍劑由壓縮空氣通過組合管道系統進而進入到中空毛氈柜內，當毛氈柜滾動時能夠將防凍劑涂抹在接觸線上，進而防止接觸網結冰。該方法使用較方便，且擁有較低的運行使用費用，具有較高的防冰效率。更為關鍵的是不受天窗的限制及中性段無電區的影響。需要注意的是，若遇到較為嚴重的覆冰，其防冰效果不明顯。

2.3 在線防冰法

在線防冰法是一種基于SVG（Scalable Vector Graphics）接觸網的在線防冰方法，具有極強的應用前景。當前，大多數地區還沒有應用該項技術，因此，本文對其進行重點研究。要想實現接觸網在線防冰必須堅持以下幾條原則：首先，確保接觸網各個部分的電壓在允許范圍內；其次，采用在任意區間都不會結冰的電流；再次，防冰電流應保證各個部分所消耗的電能應在經濟能力范圍內；最后，在進行防冰時不影響列車的正常通行。采用SVG在線防冰能夠吸收感性無功及其發出感性無功特征，可實現在接觸網上產生較大電流，但不影響正常供電，其在線融冰過程如下圖1所示。朔黃鐵路供電系統主要由直供牽引供電加回流線（DN）及以AT牽引供電系統。

2.3.1 DN供電系統的在線防冰

直供加回流線供電方式結構比較簡，這種供電方式由于在接觸網同高度的外側增設了一條回流線，回流線上的電流與接觸網上的電流方向相反，這樣大大減輕了接觸網對鄰近通信線路的干擾。根據牽引供電原理，接觸線進而構成閉合環路，調節其中一條線路進而確保線路電力超過臨界防冰電流，使接觸網的溫度保持在0℃以上，防止結冰，也能夠確保接觸線處于正常的供電狀態。此外，在確保供電電壓的條件下，就能對末端進行調節，確保線路上的電流控制在可取值范圍內，使防冰作用發揮到最大。

2.3.2 AT牽引供電的在線防冰

AT牽引供電的在線防冰跟直供牽引供電的在線防冰相似，同樣將靜止無功發生裝置安裝在牽引變電所兩相供電臂的首端及其末端，并分別記為SVG1、SVG2；SVG3、SVG4.其原理圖如下圖2所示。由于AT變壓器的作用，使得系統中電流分布較為復雜，因此，應根據實際情況進行對防冰電流分布進行分析，進而采取相應的方法。

3 結語

接觸網覆冰現象尤其常見，尤其是高寒、潮濕地區，對機車運行造成不便。當前，防冰方法主要由以上幾種，但沒有固定防冰措施，加上需要投入大量人力、物力，盡管取得一定成效，但防冰效率相對較低。本文提出一種SVG的在線防冰方法，操作簡單，投資成本顯得較少，能夠有效提高防冰質量，確保鐵路供電線路的正常運行，具有廣闊的發展前景。

參考文獻

[1] 李群湛，郭蕾，舒澤亮，等.電氣化鐵路接觸網在線防冰技術研究[J].鐵道學報，2013，35（10）：46-51.

[2] 李崗，郭華.接觸網交流在線防冰與離線融冰原理研究[J].電氣化鐵道，2012，23（6）：5-8.endprint