受電弓融冰技術的研究方法綜述

陳 惠 曹志華（湖南高速鐵路職業技術學院，湖南 衡陽 410002）

受電弓融冰技術的研究方法綜述

陳 惠 曹志華
（湖南高速鐵路職業技術學院，湖南 衡陽 410002）

文章歸納了電力機車上受電弓的覆冰類型及其形成條件，針對受電弓覆冰問題，總結和歸納了受電弓的除冰方法。其次從經濟投入、可靠性（對系統的影響）及操作難易度三個指標分析了各種除冰方法的優缺點。最后對各種除冰方法進行了總結，對以后受電弓的設計及運行維護都有重要的指導意義。

受電弓；除冰；鐵路供電

受電弓是電力機車上的重要設備，是電力機車獲取電能的直接設備，南方冬天的凍雨天氣，極易使受電弓覆冰。當受電弓在覆冰狀態升弓時，很可能會因為升弓機構凍結后失去彈性，無法正常升弓。若受電弓不能正常升弓受電，這勢必會造成列車晚點，沿線車站旅客滯留，給人們的出行帶來極大的不便[1]。

為了緩和上述問題，本文歸納了兩大類 5種受電弓的除冰方法原理：（1）機械人工除冰方法；（2）機械外部振動法；（3）熱力直流融冰方法；（4）熱力交流融冰方法；（5）熱力激光融冰方法。分析比較了各種方法的優缺點，本文從經濟性、可靠性（對系統的影響）及操作難易程度出發，從而選出最適合受電弓除冰的最佳方法。

1 受電弓覆冰分析

受電弓是電力機車上直接受電的高壓電氣設備，對環境要求極高。在受電弓取流的時候，由于受電弓有電流通過的熱力效應現象，此時受電弓是不會結冰的，但若在無電通過時，受電弓在冬天的凍雨天氣，極易使受電弓覆冰[2]。經過現場調研發現，當天氣發生變化，氣溫在0℃以下的天氣，電力機車上的受電弓100%會覆冰，2℃～3℃的陰雨天氣時，30%～50%的受電弓會覆冰，主要影響受電弓升降的機構是鉸鏈機構和升弓裝置結冰，導致受電弓無法正常升、降弓。覆冰的結構主要有三以下種形式[2]：

（1）密度為600～900kg/m2的堅硬透明或半透明的覆冰；

（2）密度為600～900kg/m2的薄層結晶的白霜；

（3）密度為600～900kg/m2的冰霜混合物。

2 機械除冰方法

這種方法都是借助外力作用于受電弓的覆冰部位，通過破壞受電弓上覆冰的受力平衡狀態使其脫落，達到除冰的目的[3]。

2.1 機械人工除冰

該方法是由檢修操作者采用相應的除冰工具（如錘子、榔頭等）在現場手工除冰，這是目前采用的除冰方法，也是最原始的方法。該方法除冰的特點是：

（1）經濟性高。經濟投入低，耗能小，僅需購置一些低值耐用的除冰工具（如榔頭、錘子等），經濟性指標評為“高”；

（2）可靠性高。因沒有附加的設備和操作，不會影響到受電弓系統的安全性，可靠性指標評為“高”；

（3）操作難。操作困難，既不安全，效率也低下，有時需要大量人力，嚴重影響受電弓的安全運行，操作性指標評為“難”。

2.2 機械外部振動除冰

該方法類似于機械人工除冰，外部振動法借助振動器使覆冰部件振動來達到除冰的目的[3]。該方法除冰的特點是：

（1）經濟性中等。經濟投入一般，耗能一般，購置專用的振動設備，需要投入一定的費用，經濟性指標評為“中等”；

（2）可靠性低。對系統的影響較大，外部振蕩器在對受電弓覆冰處進行振動時，會嚴重影響受電弓裝置系統的緊固性，會嚴重影響到受電弓系統的安全性，可靠性指標評為“低”；

（3）操作難。由于靈敏系數高，操作困難，設備攜帶不便，既不安全，效率也低下，嚴重時會影響受電弓的安全運行，操作性指標評為“難”。

3 熱力融冰方法

縱觀多年來各國專家學者的研究成果，可以說熱力融冰是目前最主要和最有效的抗冰除冰方法。熱力融冰利用的是電流通過導線時會產生焦耳熱的原理，利用各種技術，以增加輸電線路中的電流密度或者其他方式，使導線自身產生足夠多的熱量，以避免冰雪的覆積或使已有的覆冰融化脫落。熱力融冰時，位于導線上方的冰最先融化。當融化到一定程度后，借助自身所受重力的作用，覆冰成塊脫落，達到融冰的目的。所以在相同氣候條件下，重載時受電弓覆冰較輕或不覆冰，輕載時受電弓覆冰較重。

3.1 交流融冰方法

交流融冰技術是以交流電作為融冰電源，通過流過線路的交流電產生焦耳熱來加熱導線時覆冰融化脫落[5]。交流電流法是最早使用的熱力融冰技術。根據受電弓的具體結構，受電弓適合采用系統停電狀態的交流融冰法，即短路融冰法。其基本思路是在受電弓停運時，將覆冰系統的一端兩相或三相短接或者與架空地線短接構成回路，在另一端注入融冰所需的交流電流來進行線路融冰。這種方法也是需采用另外的一套交流供電裝置，需要高額附加費用。該方法除冰的特點是：

（1）經濟性低。經濟投入較高，根據負荷的情況，需投入一筆采購交流融冰電源裝置的費用，且該電源裝置的容量與負荷要保持一致，經濟性指標評為“低”；

（2）可靠性高。該交流融冰裝置對受電弓裝置的影響較小，且融冰安全有效，不會影響到受電弓系統的安全性，可靠性指標評為“高”；

（3）操作易。由于該方法的操作都是自動化的，操作容易，安全系數高，不會影響受電弓的安全運行。操作性指標評為“易”。

3.2 直流融冰方法

直流融冰法使用直流電進行受電弓的融冰。相比于交流除冰法，直流融冰最大的特點是融化期間僅覆冰受電弓的直流電阻起作用，線路的感抗不會消耗功率。因此，在相同的融冰條件下可大大減輕對于融冰電源容量的限制。此外，直流電流是利用交流電通過整流裝置得到，由于采用了大功率的電力電子裝置，可以靈活的調節敲冰電壓和電流，因此適應性更強。根據受電弓的實際情況，可以充分利用電力機車上的110V直流蓄電池作為電源裝置。該方法除冰的特點是：

（1）經濟性高。經濟投入較低，可以充分利用電力機車上的110V直流蓄電池作為直流電源。僅根據實際情況添加一些傳輸導線。經濟性指標評為“高”；

（2）可靠性高。該交流融冰裝置對受電弓裝置的影響較小，且融冰安全有效，電壓等級低、安全，不會影響到受電弓系統的安全性，可靠性評為“高”；

（3）操作易。由于該方法的操作都是自動化的，操作容易，安全系數高，不會影響受電弓的安全運行。操作性指標評為“易”。

3.3 激光融冰方法

激光融冰方法是依據激光具有高能量、功率的特點，當激光作用在冰層時，激光相當于熱源，使冰塊慢慢融合，達到融冰的目的[6]。但不同波長的激光功率不一樣，激光效果也不一樣。激光功率與融穿效果成雙曲線圖形，如圖1所示。

圖1 不同激光功率的融穿時間曲線

該方法除冰的特點是：

（1）經濟性低。經濟投入高，由于激光融冰裝置是新型設備，價值高，未大范圍使用。經濟性指標評為“高”；

（2）可靠性中等。由于激光技術是門新技術，且技術可靠性有待驗證；其次該電氣設備容易損壞，影響受電弓系統的安全性；最后，該方法的功率受限，通過上圖可以看出當激光功率大于70的時候，融穿的時間并未增加，達到一定的極限。這項可靠性評為“中等”；

（3）操作難。由于靈敏系數高，操作困難；其次激光攜帶高熱量、高功率，如發生偏差極易損壞受電弓的其它設備。嚴重影響受電弓的安全運行，這項評為“難”。

4 結論

通過對上述五種受電弓的融冰方法分析得出融冰效果表，如表1所示。

表1 五種受電弓融冰方法的效果對比表

根據采用經濟性高、可靠性高、操作難度易的優先原則，不難發現直流融冰技術是最適合受電弓融冰的方法，其次是機械人工除冰。機械外部振動除冰和激光除冰對受電弓覆冰不太適合。本文通過對受電弓融冰方法的研究發現，技術先進不一定是最好的，要結合具體的融冰對象去分析。

[1] 劉剛,趙學增,姜世金,等.架空電力線路防冰除冰技術國內研究綜述[J].電力學報,2014(4):335-342.

[2] 吳積欽.受電弓與接觸網系統[M].成都:西南交通大學出版社,2010.

[3] 劉琨,劉念.電力系統冬季除冰和防冰問題的研究[J].四川電力技術,2008,31(4):39-42.

[4] 李剛,邰毅.電力系統較為常用的線路融冰方法[J].科技專論,2013(5):275.

[5] 申屠剛.電力系統輸電線路抗冰除冰技術研究進展綜述[J].機電工程,2008,25(7):72-75.

[6] 郭煥輝.架空線路交流誠冰技術的研究[D].保定:華北電力大學,2015.

[7] 薛亮,黃茜.激光技術在電力工程中的應用[J].上海電力學院學報,2014,30(4):383-387.

A review of research methods on pantograph ice–melting technology

The types and forming conditions of icing on the pantograph of electric locomotive are summarized in this paper, in view of the pantograph icing problem, the deicing methods are summarized. Secondly, the advantages and disadvantages of various deicing method were analyzed from economic input, (effect) on the system reliability and the operation difficulty level three indicators, finally, the ice removal methods are summarized, design of pantograph and operation maintenance has important guiding significance in the future.

pantograph; deicing; railway power supply

U264

A

1008-1151(2016)11-0034-02

2016-10-10

湖南省教育廳科學研究項目（15C0318）。

陳惠（1969－），女，湖南衡陽人，湖南高速鐵路職業技術學院副教授，碩士，研究方向為鐵道供電技術。

曹志華（1988－），男，湖南高速鐵路職業技術學院助教，研究方向為鐵道供電技術。