電氣化鐵路接觸網雨凇覆冰厚度預測模型

于曉英

摘要 本文主要分析了電氣化鐵路接觸網雨凇覆冰形成的基本機理，同時也融入了雨凇覆冰自然增長模型與電熱融冰熱平衡方程，并充分考慮了牽引電流大小及其持續時間對覆冰厚度的影響，建立了預測模型，為后續接觸網覆冰研究提供了一定的研究基礎。

【關鍵詞】電氣化鐵路 接觸線雨凇覆冰 厚度預測 模型 計算

本文建立了符合電氣化鐵路接觸網及雨凇覆冰特點條件的覆冰預測模型，希望借此減小傳統預測模型所產生的誤差，有效提高接觸網防冰及除冰工作效率。

1 接觸網雨凇覆冰的基本形成機理

接觸網雨凇覆冰是由O℃以下冷空氣結合雨水凍結所形成的透明冰層，它在樹枝或導線位置會結成較粗的冰筒，這就是雨凇覆冰。換言之，雨凇覆冰就是凍雨覆冰，它的密度大且附著力強，會對接觸網線本身帶來巨大危害。

影響接觸網雨凇覆冰的外界因素有很多，例如氣象條件、接觸線牽引電流、微地形、電流持續時間等等，它們都會在不同程度上影響接觸網覆冰效果。當接觸網嚴重覆冰以后，接觸網接觸線表面溫度首先就會受到負荷電流影響，進而影響到接觸線覆冰量。如果電流偏小，接觸線會產生焦耳熱，但其熱量無法保證接觸線表面溫度持續維持在O℃以上，而且由于受到電場影響，接觸線覆冰量也會不斷增加。如果接觸線負荷電流偏大，接觸線所產生的焦耳熱會使得接觸線表面溫度維持在O℃以上，此時即使冷卻水與導線碰撞，也不會產生雨凇覆冰。

另外，接觸網牽引電流也是會受到雨凇覆冰因素影響的，例如在相對運輸繁忙的區段，接觸線中持續存在較大牽引電流，此時所產生的熱量偏大，會在一定程度上阻礙雨凇覆冰形成。反之如果該區段停運，牽引電流持續時間偏短，所產生熱量偏小，形成的雨凇覆冰量就會增大。

2 電氣化鐵路接觸網覆冰厚度的預測模型建立與計算分析

電氣化鐵路牽引變電的電能通過接觸網輸送到電力機車中，為電氣化鐵路提供運輸動力。如上文所述，這種特殊的牽引供電方式也決定了接觸網中的接觸線是否會形成雨凇覆冰，以及其覆冰厚度。以下建立了接觸網雨凇覆冰的厚度基本預測模型，以尋求雨凇覆冰厚度的有效計算過程。

2.1 雨凇覆冰厚度預測模型建立基本條件

首先假設接觸網接觸線會形成雨凇覆冰，進而假設以下基本指標。

凍結系數為1，雨凇冰的密度則為0.8g-0.9g/cm3，水的密度為l.Og/cm3;

將接觸線假設為無限長圓柱體，其半徑為R;

在模型構建前忽略接觸線與周圍空氣所產生的對流交換熱量，即假設接觸線所產生的熱量均為牽引變電所產生的焦耳熱;

不考慮冰水分界面位置，假設接觸網的溫界面溫度為O℃;

假設接觸線通過電流保持發熱均勻，整個導線電阻恒定。

2.2 雨凇覆冰厚度預測模型的基本計算流程

該預測模型的重要計算指標就包括了牽引電流等效融冰厚度，牽引電流發出的焦耳熱量，它應該與所融化的冰筒融化所吸收的熱量相等，因此這里可以首先給出牽引電流焦耳熱與接觸網覆冰融冰的準熱量平衡方程表達式，如下：

基于上述接觸網雨凇覆冰等效融冰厚度的計算公式，就進一步計算它的自然覆冰增長厚度，將該計算出厚度與接觸網牽引電流等效融冰厚度相減，所得出的差就應該為接觸網接觸線雨凇覆冰的最終預測厚度，如下：

△R=△R1一△R2

2.3 接觸網雨凇覆冰厚度計算的結果分析

通過上述一系列計算流程，得出電氣化鐵路接觸網接觸線部分的雨凇覆冰預測厚度，它的整體計算流程應該如下：

參數在線監測（看是否滿足覆冰氣象條件）一一分析凍雨持續時間和相關氣象參數一一分析牽引電流焦耳熱量與電流持續時間一一構建接觸網雨凇覆冰預測模型一一計算覆冰厚度一一計算等效融冰厚度一一結合覆冰厚度與等效融冰厚度得出最終覆冰預測厚度

在最初的在線監測系統操作過程中，應該為后期的接觸網雨凇覆冰厚度計算提供足夠參數，這其中就包括了在線監測系統中所需要監測的外部氣溫、風速、降水率、冰筒表面溫度、凍雨持續時間、牽引電流及其焦耳熱量、牽引電流持續時間等等。并根據實際氣象狀況來判斷接觸網、接觸線是否已經覆冰，判斷未來能否產生覆冰，如果覆冰，則按照上述一系列模型構建過程與計算過程來預測雨凇覆冰厚度。

通過上述計算得到仿真結果，在時間0到之內t1，如果牽引電流I一直存在，那么就會產生焦耳熱，可由焦耳熱來計算出融化冰簡體積，再進一步對融化冰筒的厚度進行求解，也就是計算牽引電流的等效融冰厚度。假設接觸線從最初初始狀態到自然覆冰狀態為1h，那么接觸線的實際覆冰厚度就應該等于自然覆冰厚度與牽引電流存在時間內等效融冰厚度二者之差。當牽引電流越大時，焦耳熱量存在的持續時間越長，接觸線的實際覆冰厚度越小。反之，則接觸線的實際覆冰厚度越大。

3 總結

綜上所述，有關電氣化鐵路接觸網、接觸線的覆冰厚度預測就涉及到牽引電流、焦耳熱量以及牽引電流持續時間，基于上述指標構建接觸網雨凇覆冰厚度預測模型，就可以預測它的實際覆冰厚度，從某種程度可有效避免接觸網、接觸線雨凇覆冰現象，提前做好除冰準備工作。這對電氣化鐵路中列車的安全運行具有相當高的指導價值。

參考文獻

[1]王健，王瑋，屈志堅等，電氣化鐵路接觸網雨凇覆冰厚度預測模型研究[J].電氣化鐵道，2014 （01）：21-24.

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