接触网临界防覆冰电流分析

孙 轩，李茂亮，申 宁

0 引言

接触网覆冰是电气化铁路比较常见的自然灾害，主要发生在初冬和初春季节。接触网覆冰受灾面积广、危害比较大、抢修难度大[1，2]。近年来，极端气候频繁出现，接触网覆冰灾害频现，电气化铁路如何应对接触网覆冰带来的危害，是一个非常重要的课题。

1 接触网防覆冰原理

图1 为接触网防覆冰原理图，分别在牵引变电所供电臂的首端和末端连接动态补偿装置SVG。当温度低于0℃时，接触网有可能覆冰，在无机车时，末端SVG2 从接触网取电流 I2˙（ I2˙为感性电流），其幅值大于接触线防覆冰所需最小电流，连接在首端SVG1 产生一个容性电流 I1˙（与 I2˙幅值相等）， I1˙、 I2˙在接触线、SVG1、钢轨和SVG2 形成的闭合回路中流通，接触线的电阻产生足够的热使接触线的温度升高，防止接触线结冰。

图1 接触网防覆冰原理示意图

2 接触网覆冰过程热交换

式中，d 为接触线的直径，m；α1为碰撞系数；α2为捕获系数，如果忽略水滴反弹的影响，可取捕获系数α2= 1；α3为冷冻系数[3，5]；为空气中液态水含量，kg·m-3；v 为风速，m·s-1；h 为对流换热系数；Lf、Le、Lm分别为水凝结过程释放的潜热、水蒸发

导线的覆冰过程是导线与周围环境热交换的过程，主要有焦耳热，对流热，液态水滴与空气摩擦产生的热，液态水滴与接触线碰撞的动能损失[3，4]。其热平衡方程可以表示为

式中，Qf为碰撞水滴冻结时释放的潜热；QR为传输电流产生的焦耳热；Qk为水滴与接触线碰撞的动能损失；Qv为空气摩擦对冷却水滴的加热；Qs为导线吸收的太阳能；Qc为对流热损失；Qe为冰表面蒸发或者升华热损失；Ql为水滴从冰点温度Ta（单位℃）加热到Tf冰面稳态温度吸收的热；Qr为接触线辐射热；Qw为附在导线上的雪融化吸收的热量；以上单位均为J·m-2·s-1。

式（1）中各量具体可由下列各式分别计算：吸收潜热、冰雪融化吸收的热，J·kg·K-1；r 为接触线电阻，Ω·m-1；ca、cw分别为空气和水的比热容，J·kg-1·K-1；pa为大气压强，Pa；α 为辐射常数；δR为波尔兹曼常数；e(Ts)、e(Ta)为饱和水压[6]，Pa；P 为降水量，mm·h-1；ε为水汽分子重量比，取0.622；p 为太阳有效福辐射系数，晴天取0.75；αs为接触线的吸收系数，取0.9；rq为恢复系数，圆柱取0.79；Jn为太阳常数，W·m-2；θ为太阳照射角度，rαd；I为电流，A。

3 临界防覆冰电流的分析

导线临界结冰的条件：冷却系数为0，α3= 0设Ts= Tf= 0℃。则临界防覆冰电流为

分析可知，影响接触线临界防覆冰电流的环境因素主要有风速、环境温度、液态水含量、降水量；此外还有接触线的直径与阻抗等本身的因素。

3.1 风速与临界防覆冰电流的关系

以钢铝接触线GLCB-85/173 为例，分析各个因素对临界防覆冰电流的影响，接触线参数d =0.014 94 m，r = 0.000 23 Ω·m-1。阳光与降水只有单独分析时才考虑，其他情况下，先不考虑这2 个因素的影响。

由图2 知，风速越大，临界防覆冰电流就越大，风速的影响主要有2 个方面：风速越大，碰撞系数增加，使更多的液态水与接触线碰撞；接触线与空气的热交换越快，散热越快。风速越大，空气对过冷水的加热越快，液态水的速度增大，动能也会增加。风速对接触线热交换和碰撞系数的影响是主要的，因此，临界防覆冰电流随着风速增大而增大。

3.2 温度与临界防覆冰电流的关系

由图3 可知，温度越低，临界防覆冰电流越大。温度主要影响接触线与空气的热交换。温度越低，接触线与周围空气温差越大，接触线散热就越快，需要临界防覆冰电流越大。

图2 风速与临界防覆冰电流的关系示意图

图3 温度与临界防覆冰电流的关系示意图

3.3 液态水含量与临界防覆冰电流的关系

由图4 可知，在其他因素相同时，空气中液态水含量越高，附在接触线表面的水就越多，吸收的热就越多，临界防覆冰电流越大。

图4 温度与临界防覆冰电流的关系示意图

3.4 降水量与临界防覆冰电流的关系

由图5 可知，降水增加使落在接触线上的水越多，则液态水的吸热增大，临界防覆冰电流增加。此外，降水量越大，使空气中的液态水含量增加[7]，这也会增大接触线的临界防覆冰电流。

图5 降水与临界防覆冰电流的关系示意图

3.5 阳光与临界防覆冰电流的关系

由图6 可知，太阳光可以减小接触线临界防覆冰电流，并且风速越小影响越显著。在晴天由于接触线吸收足够的太阳光，因此，不易发生覆冰现象。

图6 太阳照射角度与临界防覆冰电流的关系示意图

4 结论

风速、温度、液态水含量和降水量都会对临界防覆冰电流产生影响。其中风速和温度主要影响接触线与环境的热交换，是影响临界防覆冰电流的主要因素；液态水含量、降水量主要影响附在接触线的水量，是对临界防覆冰电流产生影响的次要因素。晴天由于太阳光照射比较强烈，很少出现覆冰现象。因此，接触网覆冰多出现在阴雨天。

[1] 王国梁.接触网融冰防冰问题的分析研究[J].铁道工程学报，2009，8.

[2] 张安洪.雪灾对接触网覆冰及其影响的探讨[J].电气化铁道，2008，（3）.

[3] Masoud Farzaneh.电网的大气覆冰雪灾[M].黄新波译.北京：中国电力出版社.

[4] 蒋兴良，易辉.输电线路覆冰及防护[M].北京：中国电力出版社.

[5] 刘和云.架空导线覆冰防冰的理论与应用[M].北京：中国铁道出版社，2001.

[6] 王长根.几种饱和水汽压计算公式的比较[J].气象科技，1974，（8）.

[7] 刘和云，周迪，付俊萍，等.导线雨淞覆冰预测简单模型的研究[J].中国电机工程学报，2001，（4）.