地鐵柔性接觸網覆冰影響分析及應對策略研究

摘要：地鐵柔性接觸網受溫度、濕度、環(huán)流、風和冷暖空氣對流等因素影響，會產生覆冰這一綜合物理現(xiàn)象，一般來說，凍雨或雨夾雪的天氣條件容易導致接觸網覆冰。鑒于此，通過分析接觸網覆冰形成特性及其對設備的影響，研究了城市軌道交通常見的除冰方式，提出電氣融冰及人工除冰等應對策略，確保在極寒惡劣天氣能在最短時間內完成處置和恢復供電，并在除冰后落實關鍵設備檢查措施，保障接觸網正常運行。

關鍵詞：接觸網;覆冰;電氣融冰;人工除冰

中圖分類號：U226.8? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）11-0014-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.11.004

0? ? 引言

隨著城鎮(zhèn)化規(guī)模逐漸擴大，地鐵因其自身具備快捷、方便、準時的特點，已成為人們首選的交通工具。接觸網是電力牽引供電系統(tǒng)給地鐵列車供電唯一的輸電線路，近年來，由于冬季極寒天氣對接觸網的影響，有不少地方軌道交通因接觸網覆冰導致局部或大面積停運[1]，且災害還有可能進一步擴大，嚴重影響軌道交通安全運行。因此，研究接觸網覆冰除冰應對策略，對保障城市軌道交通的正常運行具有重大意義。

1? ? 柔性接觸網覆冰影響分析

柔性接觸網功能是持續(xù)給列車供電，要確保供電質量，必須使列車受電弓取流良好。在列車運行全過程中，覆冰對柔性接觸網主要影響為弓網取流不暢。以下從覆冰影響受電弓接觸壓力角度來簡要分析弓網取流不暢。

由于取流是通過弓網之間緊密接觸實現(xiàn)的，弓網間要保持一定的接觸力，要想弓網匹配良好，理想狀態(tài)下，接觸力變化應該不變或無窮小。但在列車實際運行中，受電弓除隨列車水平運動外，由于列車振動及自身結構游動，還會做上下垂直運動，弓網壓力也隨受電弓不規(guī)則運動而變化，變化情況由下式簡單描述：

向上運動：

F=F0-Fm-Fa-FK（1）

向下運動：

F=F0+Fm+Fa+FK（2）

式中：F為弓網接觸壓力;F0為抬升力;Fm為鉸接處摩擦力;Fa為動力分量，由受電弓質量m及垂直加速度a決定，其值Fa=ma;FK為空氣動能分量，由列車速度、風、受電弓位置、列車形狀等決定。

由公式（1）（2）可知，覆冰的存在，直接影響受電弓的動力分量Fa。覆冰越厚，F(xiàn)a變化越大，導致弓網壓力F也隨之明顯變化。應用到實際場景中，弓網表現(xiàn)就是上下振動大，匹配不好，影響取流。

當弓網壓力F過小時，受電弓容易發(fā)生離線，離線會導致供電不穩(wěn)定，造成列車異常加速或減速;且離線瞬間會發(fā)生拉弧，電弧高溫燒蝕會導致弓網粗糙不平，加速機械磨耗;如果頻繁離線，就會造成一路拉弧打火，嚴重時甚至會發(fā)生斷線事故。

當弓網壓力F過大時，弓網磨耗增大，并使接觸線的縱向擺動加大，也會產生不良后果;而且接觸網懸掛冰負載在跨中位置最大，該位置在相互力的作用下，極容易發(fā)生斷弓事故。

在實際城市軌道交通場景中，接觸網覆冰發(fā)生的最常見狀態(tài)為雨凇[2]，且濕增長的覆冰并不是均勻分布，凹凸不平的形狀會使弓網垂直撞擊力進一步加大，弓網跳動更加頻繁。此外，覆冰還會造成接觸線舞動、懸掛過負載、絕緣子閃絡等不良影響[3]。

2? ? 柔性接觸網除冰方式

2.1? ? 電氣融冰

2.1.1? ? 電氣融冰原理

現(xiàn)階段，軌道交通常用的接觸網電氣融冰方法是“短路電熱法”。如圖1所示，接觸網融冰基本原理是將覆冰接觸網和列車視作負荷，當牽引所施加電流，接觸網流過電流產生的焦耳熱量大于融冰耗熱量和接觸網散熱量總和時，接觸網覆冰即可融化[4]。

焦耳熱的計算公式為：

Q=I2R（3）

式中：Q為熱量;I為接觸網電流;R為接觸網電阻。

2.1.2? ? 融冰電流計算

在惡劣天氣條件下，車輛段接觸網已出現(xiàn)結霜結冰的情況但能正常送電，通過車輛段內電客車取正線電流可以達到接觸網除霜除冰的效果。

柔性接觸網除冰一般針對濕增長覆冰[5]，其中最惡劣濕增長接觸網覆冰的條件被認為是在風速15 m/s、溫度-1.5 ℃環(huán)境下。以廣州地鐵四號線新造車輛段出入段線接觸網為例，采用雙承雙導全補償簡單鏈形結構。其中接觸線CTHA截面積為120 mm2，直徑為13.2 mm，單位電阻為0.15 Ω/km;承力索JT截面積為150 mm2，直徑為15.8 mm，單位電阻為0.12 Ω/km。融冰電流常用的經驗公式是蘇聯(lián)的布爾斯道爾夫理論[6]，通過聯(lián)立公式（4）（5）（6），代入?yún)?shù)得出該環(huán)境下，覆冰厚度為1 cm、融冰時長為1 h時的融冰電流為1 044.3 A。

Ir 2=+（4）

RT0=（5）

RT1=（6）

式中：Ir為融冰電流;R0為0 ℃下單位長度導線的電阻;RT0為等效冰層傳導熱阻;RT1為對流及輻射等效熱阻;Tr為融冰時間;Δt為導體溫度與外界氣溫之差;g0為覆冰密度，常取0.9 g/cm3;D為導線覆冰外徑;d為導線直徑;b為冰層厚度;λ為導熱系數(shù)，濕增長覆冰取2.27×10-2 W/（℃·cm）;v為風速。

2.1.3? ? 電氣融冰應用

通過查詢廣州地鐵列車技術規(guī)格書和實際測算得知，如列車升弓取流，開啟車門和列車輔助系統(tǒng)（包括照明、廣播、空調等），此時空載情況下單列車取流達到峰值。當然，列車峰值取流因車型不同而有所差異，以廣州地鐵四、五、六、十三號線為例，單列車峰值取流如圖2所示。

廣州地鐵四、五、六、十三號線車輛段出入段線均為雙承雙導，按每條線平均分配，單根持續(xù)截流不超過500 A，雙承雙導最大為2 000 A，得出四、六號線車輛段出入段線接觸網載流量各滿足10列車同時開啟列車輔助系統(tǒng)，五號線出入段線接觸網載流量滿足9列車同時開啟列車輔助系統(tǒng)，十三號線車輛段出入段線接觸網載流量滿足6列車同時開啟列車輔助系統(tǒng)。以融冰電流至少為1 044.3 A的場景為例，廣州地鐵四、五、六、十三號線需開行列車數(shù)如表1所示。

因此，針對濕增長覆冰，在風速為15 m/s、溫度為-1.5 ℃、覆冰厚度為1 cm、融冰時長為1 h的條件下，從理論上廣州地鐵四號線列車至少需開啟6列列車輔助系統(tǒng)（包括照明、廣播、空調等），并開啟車門，同時安排人員觀察接觸網接觸線融冰情況，若融冰效果不佳，可逐漸開啟剩余4列列車輔助系統(tǒng)。

為防止融冰過程中導流不暢燒損設備，需安排人員觀察斷路器運行情況，發(fā)現(xiàn)異常立即上報。接觸線融冰后，人員、機具出清現(xiàn)場，恢復正常供電模式，安排人員現(xiàn)場值守，觀察接觸網設備運行狀態(tài)。

2.2? ? 人工除冰

除了電氣融冰方式，接觸網除冰還可以選擇人工除冰方式，通過使用打冰桿、接觸線除冰鏟等工具進行除冰作業(yè)。

覆冰人工應對措施如下：

1）巡視人員發(fā)現(xiàn)接觸網已結冰或存在結冰跡象應立即向電力調度匯報。

2）除冰成員立即穿戴好防護用品，攜帶通信工具、除冰工器具和絕緣工器具趕赴現(xiàn)場，同時檢查絕緣工器具狀態(tài)，保證絕緣工器具干燥、無破損。

3）到達作業(yè)現(xiàn)場后，待清點人員辦理好清點手續(xù)后，進入軌行區(qū)。

4）申請接觸網停電前，應首先檢查隔離開關上的覆冰，無明顯覆冰或輕微覆冰時，由電調倒閘，使隔離開關處于分位，驗電接地后方準作業(yè)。當隔離開關覆冰厚嚴重時，由電調組織變電專業(yè)將小車拉至倉外，進行停電。接觸網人員對接觸網隔離開關進行驗電，驗明斷電后，使用打冰桿等去除開關刀閘上的覆冰，再進行倒閘，再次驗電接地后方準作業(yè)。

5）首先在地面使用打冰桿、接觸線除冰鏟進行除冰作業(yè)。除冰時須穿絕緣靴，戴絕緣手套，利用打冰桿或除冰鏟敲擊和鏟削接觸線等結冰的設備，將接觸網上的覆冰去除。

6）如發(fā)現(xiàn)接觸網上覆冰過厚，無法使用打冰桿、除冰鏟除去的，使用梯車或工程車，利用木棒、橡膠錘等工器具進行高空作業(yè)除冰。

7）除冰完成后確認接觸網具備送電條件，線路具備行車條件，撤除安全防護，向電力調度匯報接觸網可以恢復供電。

3? ? 柔性接觸網除冰后檢查措施

1）對接觸網中心錨結進行檢查，兩端中錨輔助繩受力均勻，不得出現(xiàn)弛度，兩邊的長度和張力力求相等;中心錨結線夾處導線高度應符合規(guī)定，中心錨結線夾處接觸線應平順。

2）對接觸網補償裝置進行檢查，a、b值符合安裝曲線的要求，棘輪完整無損，轉動靈活，沒有卡滯現(xiàn)象，下錨補償裝置平衡輪應水平，允許偏斜角度符合規(guī)定。

3）對接觸網線岔進行檢查，線岔定位點拉出值應符合規(guī)定，限制管安裝正確，接觸線能自由伸縮無卡滯，線岔兩支相距500 mm處等高或抬高符合要求。

4）對接觸網隔離開關進行檢查，上網電纜的長度應保證當接觸懸掛受溫度變化偏移時有一定的活動余量并不得侵入限界，支持絕緣子應清潔無破損和放電痕跡，瓷釉不得剝落。

5）對接觸網電纜接線端子狀態(tài)進行檢查，防止出現(xiàn)受力拉裂的異常情況，安裝緊固情況良好，弛度符合要求，無侵限妨礙受電弓運行。

4? ? 結束語

地鐵柔性接觸網覆冰不僅會降低列車的行駛速度，嚴重情況下還有可能引起接觸線斷裂事故，對列車的行車安全構成威脅。無論采取電氣融冰還是人工除冰的方式，接觸網專業(yè)都要以最快速度恢復接觸網正常供電，保證在最短時間內滿足送電條件和運營條件。

[參考文獻]

[1] 史國強.高速鐵路接觸網直流融冰技術[J].中國鐵路，2020（11）：122-127.

[2] 劉若飛，肖梓林，黃文勛，等.城市軌道交通接觸網在線防融冰技術研究[J].科學技術創(chuàng)新，2022（11）：149-152.

[3] 甄磊.淺析接觸網覆冰現(xiàn)象的危害以及應對措施[J].電氣化鐵道，2011，22（3）：30-32.

[4] 苗艷軍.鐵路接觸網組合式在線防冰降壓融冰技術[J].科學技術創(chuàng)新，2023（8）：80-83.

[5] 馬曉紅，穆青青，曾華榮，等.不同影響因素下的導線與絕緣子覆冰特性[J].高電壓技術，2019，45（9）：2904-2910.

[6] 伏松平，黃國勝，喬楨，等.鐵路接觸網覆冰預測及治理方案研究[J].鐵道建筑技術，2023（11）：31-34.

收稿日期：2024-02-04

作者簡介：莫鑒然（1990—），男，廣東人，助理工程師，研究方向：城市軌道交通供電接觸網。