AT供電系統接觸網在線防冰電流的決策與控制

郭 蕾， 高曉杰， 李群湛

（西南交通大學電氣工程學院，四川成都610031）

AT供電系統接觸網在線防冰電流的決策與控制

郭 蕾， 高曉杰， 李群湛

（西南交通大學電氣工程學院，四川成都610031）

為了保障行車安全，消除接觸網覆冰，針對電氣化鐵路AT（autotransformer）供電系統特殊的長回路和短回路結構，建立防冰系統投入后AT供電系統的電路模型.用該模型分析各AT段內防冰電流和負載電流的分布，得到保障全線防冰所需電流值；根據防冰電流與供電臂末端電壓的關系，得出了牽引網壓允許的防冰電流值；在此基礎上，制定了以溫度為目標的在線防冰電流決策流程.以某AT供電區段為例，結合實測負荷數據進行了仿真，結果表明：投入的防冰電流值至少為接觸網臨界防冰電流值的2倍，才能使接觸線表面溫度維持在0℃以上.

接觸網；在線防冰；AT供電；電流決策；電壓電流特性

接觸網覆冰是影響行車安全的重要因素之一，接觸線與受電弓的接觸面產生覆冰，將劃傷受電弓滑板［1-2］；覆冰也會影響承力索的靜態力學性能，使其彎曲程度發生變化，進而發生接觸線各處導高值嚴重不等的現象；同時，覆冰還使接觸網系統波動特性發生變化［3］，從而導致弓網頻繁離線，引起接觸網打弓，加劇弓網電弧.我國電氣化鐵路的很大部分都處于覆冰區，尤其是在長大隧道處，覆冰危害非常突出，各鐵路局都高度重視除冰工作［4］.目前主要采用的除冰方式有：人工除冰法、接觸網熱滑方法、阻性絲加熱法等［5］.基于焦耳熱交流短路融冰裝置已經開展了現場試驗［6-7］，并試制了基于IGBT（insulated gate bipolar transistor）的直流融冰裝置樣機［8-9］.

采用上述幾種融冰方法的基本條件是列車不能駛入融冰區段.為了保障行車不間斷，文獻［10］提出了接觸網在線防融冰的總體技術思路，研究了基于靜止無功發生器SVG（static var generator）的在線防融冰方案，并分析了防冰系統運行后接觸網系統的溫度場分布［11］.

我國高速鐵路大部分都采用了AT供電方式.AT牽引供電系統沿線存在著AT變壓器，供電系統結構較為復雜［12］.在進行防融冰時，不僅要考慮牽引變壓器的容量，同時也要考慮沿線AT變的容量.由于牽引負荷動態變化幅度大［13］，各區段電流的分配一直處于不均勻狀態，需要研究如何確定AT供電系統最優防冰電流.

本文提出了一種適用于AT供電方式的接觸網在線防冰電流的確定方法，根據所監測的環境參量（溫度、空氣中液態含水量、風速）、區間行車狀況和接觸網末端電壓限制，決策最佳動態防冰電流值，實時并自動地調節防冰電流，以同時滿足供電質量和防冰需求，從而為接觸網在線防冰方法的應用奠定基礎.

1 AT供電接觸網在線防冰方案

導線不產生覆冰所需的最小電流稱為臨界防冰電流，要實現接觸網的在線防冰，其關鍵條件是在設置防冰裝置的同時保證鐵路運輸工作的正常進行，因此，需要同時滿足接觸網任意區間的電流不小于臨界防冰電流，且保證接觸網各部分的電壓穩定在允許范圍之內.AT供電系統的接觸網在線防冰電路原理如圖1所示.

圖1中：US為接觸網首端電壓；F為饋線.將SVG接入供電區間末端的接觸網C與軌道T間，基于SVG能夠吸收感性無功和發出感性無功的特征，通過合理布局、接線和控制，可實現在接觸網上產生大電流，保障接觸線溫度高于0℃，實現防融冰功能，同時維持線路電壓穩定.

對于簡單的直供單線供電系統，只要滿足末端SVG 2的工作電流大于接觸網臨界防冰電流就能保證全線防冰；而AT供電系統中，由于AT變壓器的影響，電流分布十分復雜.首先要分析AT系統中長回路和短回路的電流分布，由此計算出保證全線防冰所需的電流.然后，由牽引網網壓限值與防冰電流的關系式，計算出網壓允許的防冰電流上限，從而得到滿足防冰并保障電壓的電流限值，最后，確定實際投入的防冰電流值及其性質.

圖1 AT供電系統接觸網在線防冰方案原理圖Fig.1 On-line anti-icing schematic for catenary of AT power supply system

若同時在供電區間首端設置SVG 1，還可進行無功補償，保障功率因數，但相應投資也要加倍.

2 AT供電系統的電氣參數關聯分析

2.1 接觸網臨界防冰電流的確定

考慮接觸線上電流生熱過程中的諸多因素，可列出其熱平衡方程，并求出電流穩態解［14-15］：

式中：Qc為對流熱損失；

Qe為接觸網表面蒸發或者升華熱損失；

Qra為接觸網導線輻射熱損失；

Qr為水滴從環境溫度加熱到接觸網表面溫度所需吸收的熱；

Qsun為日光輻射的熱量；

Qk為小水滴的動能損失轉換的熱量；

Qv為空氣摩擦對導線的加熱；

Rr為接觸線的等效電阻.

設承力索和接觸線的電流分配比為k，則接觸網的臨界防冰電流為

2.2 AT供電系統的全線防冰電流

圖2為防冰系統投入后AT單線供電系統的簡化電路圖.圖2中，x為機車到前一個AT所的距離；D為AT區間長度；l1為機車到變電所的距離；l2為供電區間長度；Iload為負載電流；I2為供電臂末端SVG 2的工作電流.

根據假設，忽略AT漏抗，并設鋼軌對地漏導為零.防冰系統投入后，機車處于不同AT區段對長回路的電流有直接影響，對兩種情況分別進行計算，如圖2（a）和圖2（b）所示.

要保證全線防冰，接觸網上的三段電流必須均大于等于接觸網臨界防冰電流ICJ.

式中：φ為負載電流的功率因數角.

將式（3）整理為未知數I2的3個方程式，考慮x取值范圍0≤x≤D，得到機車在整個區間內行駛時式（3）的解：

式中：I′中“－”對應末端SVG工作在容性狀態，“＋”對應其工作在感性狀態；I″中則相反.

末端SVG 2工作在感性狀態時，防冰電流I2f為

圖2 在線防冰系統投入后，單線AT供電系統簡化電路圖Fig.2 Simplified circuit for one power supply arm in AT power supply system with on-line anti-icing system

分析式（5），I2f－L（x）的最大值出現在xm＝2DICJ（tan φ）／Iload.如果xm≥D，則I2f-L（D）最大；反之，則I2f-L（xm）最大.保障全線防冰的感性防冰電流為

同理，保障全線防冰的容性防冰電流I2f-C為

綜合式（6）和（7），取二者中較大值作為保障全線防冰的防冰電流I2f.

2.3 AT供電系統網壓允許的防冰電流

圖2的電壓回路方程可統一表示為

式中：

ZAA＝（ZC＋ZF－2ZCF）／4＝ZAA∠θAA，θAA為ZAA相角；

US為首端電壓，一般取US＝27.5 kV∠0°；

I2為供電臂末端的SVG 2工作電流，I2＝I2∠θ，θ為相角；

U2為供電臂末端電壓，

U2＝U2∠θ±90°.

式（8）分實部、虛部展開并求解，即可得到牽引網壓允許的接觸網感性防冰電流上限IL2和容性防冰電流上限IC2：

式中：θl為接觸網阻抗角；Umin、Umax分別為牽引網供電安全范圍內允許的接觸網長時間最低電壓和最高電壓.

由式（9）可見，在保證牽引網電壓的條件下，對于單線AT供電系統，接觸網允許的感性防冰電流上限IL2和容性防冰電流上限IC2與牽引網網壓之間的關系與所處AT區段無關.

2.4 在線防冰電流的決策

本系統中以接觸網溫度為控制目標決策防冰電流值.在決策防冰電流時，以導線表面溫度達到或超過0℃為控制目標.投入在線防冰系統后，在上述防冰過程中需要考慮電氣參量的關聯性校驗，即防冰電流作用下接觸網電壓是否符合要求.當電壓不能滿足要求時，以確保供電電壓為主，可犧牲短時防冰效果.

綜上所述，接觸網在線防冰電流的決策控制流程歸納如下：

（1）由式（1）～（2）計算出接觸網臨界防冰電流ICJ.

（2）基于牽引網電壓的限制作用，由式（9）算出允許的感性防冰電流上限I2L和容性防冰電流上限I2C，牽引網電壓允許的防冰電流上限I2＝max（I2L，I2C），I2電流性質為max（I2L，I2C）所對應的狀態.

（3）為了保障全線防冰，接觸網上任一段電流應不小于接觸網臨界防冰電流ICJ，由式（6）和式（7），計算出滿足全線路防冰所需的感性防冰電流I2f-L和容性防冰電流I2f-C.

（4）若I2為感性，則滿足全線路防冰所需電流為

I2為容性時則為

（5）比較并做出判斷.將保障全線防冰所需的電流I2f與牽引網電壓允許的防冰電流上限I2比較，若前者較小，則SVG的工作電流為I2f；若前者較大，則犧牲短時防冰效果，優先保障牽引網電壓，取SVG的工作電流為I2.

3 驗證及分析

設環境條件在短時間內不變，環境溫度為－3℃，風速為3 m／s，濕度為85%，風垂直吹向導線即風向角度因子為1.

CTMH-120型接觸線的等面半徑為6.45 mm，比熱容為386 J／（kg·K），20℃時直流電阻為0.231 5 Ω／km，日光吸收系數為1，輻射系數為0.7.根據式（1）進行計算，臨界防冰電流為

已知承力索（CTMH-120）與接觸線（JTMH-95）的電流分配比k＝0.934，則由式（2）可得出接觸網的臨界防冰電流為

3.1 基于設定數據的仿真

如圖2所示電路，某牽引變電所進線電壓為110 kV，容量為50 MVA，表征機車位置的參量l1為變量（l1取值范圍為0≤l1≤l2），供電區間長度為l2＝30 km，每個AT區段長度為D＝15 km.接觸網等值自阻抗、正饋線自阻抗、接觸網和正饋線的互阻抗分別為

ZC＝0.138＋j0.595 Ω／km，

ZF＝0.142＋j0.725 Ω／km，

ZCF＝0.05＋j0.327 Ω／km.

設定條件下的接觸網臨界防冰電流ICJ＝370 A，負載電流Iload從100 A變化到800 A，其功率因數cos φ分別取0.80和0.95.

由式（6）和（7），計算出保障全線防冰所需投入的I2f-L和I2f-C，取值如表1所示.

由表1可見，對AT單線供電系統，保障全線防冰所需的電流要高于2倍的接觸網臨界防冰電流.負載一定時，全線防冰所需的感性防冰電流I2f-L更小些；負載功率因數越高，全線防冰所需防冰電流越小；負載電流變化對I2f-C、I2f-L的取值影響不大，尤其是在功率因數較高時.

表1 不同負載下、保障全線防冰所需的I2fTab.1 Anti-icing current for whole line under various loadsA

機車行駛中，表征其位置的參數l1為變量.由式（9）可計算出，隨著l1變化，牽引網壓允許的感性防冰電流上限I2L和容性防冰電流上限I2C.本算例的結果如圖3所示.

圖3 防冰電流I2與機車位置l1的對應關系Fig.3 Correspondence between the anti-icing current I2and the locomotive location parameter l1

由圖3可見，由于機車負載本身呈感性，當負載一定時，機車到變電所距離越遠，網壓允許的感性防冰電流值越小，而容性防冰電流值則越大；負載電流越大、功率因數越低，該趨勢越明顯.大多數情況下，網壓允許的感性防冰電流取值范圍更大，只有在負載呈強感性、且距變電所距離足夠遠時，網壓允許的容性防冰電流值才大于感性防冰電流值.

全線防冰電流的取值必須在機車的行駛范圍內均能保證牽引網網壓，所以取圖3中的最小值（表2）.

表2 不同負載下網壓允許的全線防冰電流Tab.2 Allowable catenary anti-icing current under various loadsA

綜合表1和表2，可以得出同時滿足防冰需求和牽引網供電需求的防冰電流，如表3所示.

表3 防冰電流的決策值Tab.3 The decision valueof the anti-icing currentA

3.2 基于實測數據的驗證

實測某線路負載電流及功率因數如圖4所示.由記錄數據可見該時段為機車在供電區間行駛的全過程.

按照2.4節所述流程，得出保障全線防冰所需的電流，為考察負載功率因數的影響，計算了功率因數提高到0.95時保障全線防冰所需的電流.將上述兩電流與ICJ進行比較，結果如圖5所示.可見，保障全線防冰所需的電流要高于2倍的ICJ，但隨著負載電流功率因數提高，其值明顯降低.

圖4 負載電流及功率因數Fig.4 Load current and power factor

圖5 防冰電流I2f與接觸網臨界防冰電流ICJ比值Fig.5 Ratio of anti-icing current I2fto catenary critical anti-icing current ICJ

圖6為防冰系統投入前后牽引網末端電壓曲線.由圖6可見，在防冰電流和機車負荷的共同作用下，接觸網末端電壓降幅較大，但仍滿足范圍20～29 kV的要求.

圖6 防冰系統投入前后的牽引網末端電壓Fig.6 Terminal voltage of the traction electric network before and after operation of anti-icing system

圖7給出了防冰系統投入前后的牽引網首端接觸線溫度.由圖7可見，投入防冰系統且使防冰電流達到決策值，與負載電流共同作用，使接觸線溫度從環境溫度迅速上升，之后接觸線表面溫度基本能夠始終保持在0℃以上.

圖7 防冰電流投入后的牽引網首端的接觸線溫度Fig.7 Temperature of contact wire at the initial point of the power supply arm after operation of anti-icing system

4 結 論

本文提出了一種基于SVG的AT供電系統的接觸網在線防融冰方案.防冰電流不僅受環境因素影響，也受牽引網網壓限值的限制.

（1）機車到變電所距離越遠，網壓允許的感性防冰電流I2L取值越小，而容性防冰電流I2C取值則越大；負載電流越大、功率因數越低，該趨勢越明顯；大多數情況下，I2L的取值范圍更大.

（2）負載功率因數越高，保障全線防冰所需電流I2f-C或I2f-L越小，越接近2倍ICJ；負載電流的變化對I2f-C、I2f-L的取值影響不大，尤其是在功率因數較高時.

（3）防冰系統投入后，在防冰電流和負載電流共同作用下，接觸線溫度上升明顯，但隨著機車駛出該區間，其溫度也隨之下降，之后在防冰電流作用下，接觸線表面溫度維持在0℃以上.

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（中文編輯：秦萍玲 英文編輯：蘭俊思）

Decision and Control of Catenary On-Line Anti-icing Current in Autotransformer Power Supply System

GUO Lei， GAO Xiaojie， LI Qunzhan
（Department of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

In order to prevent icing on catenaries and ensure trains'normal operation on electrified railways，a circuit model for the autotransformer（AT）power supply system during anti-icing period was built according to the special structure of long and short loops of the AT power supply system.This model was then used to deduce the comprehensive distribution of the anti-icing current and load current in each AT section，and the current that can prevent icing on the whole line was calculated.After analyzing the relationship between the catenary anti-icing current and the terminal voltage of the power supply arm，the anti-icing current value allowed by the voltage of traction electric network was obtained.On this basis，the decision flow of the on-line anti-icing current was proposed，aiming at maintaining the temperature of contact wire.In addition，simulations were carried out for an AT section，and the simulation results were compared with the measured load data.The results show that the anti-icing current of catenary should be 2 times the critical anti-icing current at least，such that the temperature of contact wire can maintain above 0°C with anti-icing current.

catenary；on-line anti-icing；AT power supply；current decision；current-voltage characteristic

U225.1

：A

0258-2724（2014）06-1045-07

10.3969／j.issn.0258-2724.2014.06.016

2014-03-04

國家自然科學基金資助項目（51307142）；中央高校基本科研業務費專項基金資助項目（SWJTU2682014CX020）

郭蕾（1981－），女，講師，研究方向為牽引供電系統仿真、接觸網防融冰等，E-mail：guolei_mail＠swjtu.cn

郭蕾，高曉杰，李群湛.AT供電系統接觸網在線防冰電流的決策與控制［J］.西南交通大學學報，2014，49（6）：1045-1051.