接触网绝缘子覆冰闪络分析及对策

李杰琼

摘 要：随着电气化铁道牵引方式在我国的不断推广应用，其电气化区段的接触网覆冰问题也日益突出。文章简述了覆冰危害的现状，形成的原因及影响因素，并在此基础上对覆冰在接触网及电力机车两方面产生的影响进行分析，最后提出应对措施。

关键词：接触网；覆冰闪络；绝缘子

覆冰是一种分布广泛的自然现象，尤其雾凇是一种美丽的自然景观。但对于接触网线路覆冰将对弓网接触、取电、拉弧、支吊产生重大影响，甚至造成受电弓无法取流，中断铁路线路正常运营，并引起严重的经济损失。覆冰对于电力输电线路的影响也很突出，尤其是2008年在南方出现的罕见雨凇覆冰天气更是对输电线路的安全稳定运行造成了极大危害。基于此，提高对输电线路覆冰灾害原因及规律的认识，进而制定出更为合理的防止对策对输电安全具重要意义。与此同时，随着电气化铁道牵引方式在我国的不断推广应用，逐渐延伸到易覆冰地区，电气化区段的接触网覆冰问题也日益突出，本文即是对该问题所导致的危害及对策进行一定阐述。

1 覆冰危害及现状

在初冬和初春两个时节，接触网覆冰是常发于电气化铁路的自然灾害，且与其他灾害比较，接触网覆冰同时包括了更多颇为不利的因素，比如危害性大、受灾面积广以及相对难于抢修等。就我过的气候特征而言，在冬季，寒流通常可造成较大的影响，可出现持续时间较长的大面积的降温和降水天气，这就更加促使接触网覆冰的形成，又由于在一个较大的区域通常具有相似的气象条件，所以一旦有接触网覆冰事件发生，其受灾面积可在整个地区蔓延开来，进而对铁路运输造成严重影响，甚至会停运。而近些年来，随着全球气候的日益恶化，极端气候的出现频率较过去高出很多，因此接触网覆冰事件的发生频次和严重程度都有较大幅度提升，如何应对接触网覆冰灾害，已成为了电气化铁路迫切需要面对的重要课题，深入研究接触网覆冰机理并同时制定出行之有效的接触网防冰融冰方案是提高电气化铁路安全可靠性必要保障。

2 覆冰形成原因及影响因素

2.1 覆冰原因及种类

气候条件是形成接触网覆冰的主要因素，同时还受微地形、温湿度、冷暖空气对流环流情况以及风等多因素影响，为一种综合性的物理现象。在有冻雨或雨夹雪的天气时均有发生接触网覆冰的可能，而在空气湿度大，温度处于0～5℃范围且有风和毛毛雨的时候最易发生。就接触网覆冰的种类而言，我们通常根据覆冰表面外观特性将其分为雨凇、粒状雾凇、晶状雾凇、湿雪以及混合淞等5个类型。

2.2 气象、地理条件对覆冰的影响

与绝缘子形成覆冰关系密切的气象因素主要包括空气温度、风速风向、空气或云层中过冷却水滴直径以及空气中的液态水含量等4种，该4种因素的可通过差异性的组合而表现为不同类型的覆冰，而要产生覆冰，还必须具备三方面的条件，即气温和接触网表面温度保持在0℃以下、空气湿度保持在85%以上以及风速应大于1m/s。在以上因素当中，风在覆冰的形成过程中发挥着重要作用。风将空气中的水滴吹送至导线，导线才能将过冷却水滴相撞并将其捕获，可加速接触网表面覆冰的产生，此外风向也是影响覆冰的重要参数，有研究指出，当风向与导线保持处置或与导线成大于45度且小于150度夹角时可形成比较严重的覆冰，而风向与导线平行或与导线夹角小于45度或大于150度时所形成的覆冰较薄弱。另外，风向的不同还会对覆冰的结构形状造成影响，当风向与导线垂直时通常会在迎风面形成不均匀的覆冰并有几率发生覆冰舞动的情况，而当风向与导线平行时那么产生的覆冰相对比较均匀。就其他地理条件对覆冰的影响而言，也多是基于从空气中的含水量及受风条件来进行衡量，比如在空气水含量比较充分的山顶、迎风破以及云雾环绕的山腰等处，均为严重覆冰的多产地带。

2.3 走向及悬挂高度对于覆冰的影响

一方面，覆冰与导线的走向存有较密切的关系。在冬季覆冰季节，多吹北风或西北风，因此当线路的走向大致为南北向时，可基本与风向平行或仅有较小的角度，那么在单位时间内被线路捕获的水滴与其他微粒就会更少，所以难以形成较重覆冰；但当线路走向更接近东西走向时，风向与线路呈90度左右夹角，线路可在较短施加内捕获更多的水滴和微粒，可形成更为严重的覆冰，而且还可同时导致不均匀覆冰的产生而诱发覆冰舞动。另一方面，就线路的悬挂高度而言，因为空气中的液态水含量通常是随着高度的增加而有所升高，而且高出的风速也比较大，综合作用下，高悬挂导线通常会产生比较严重的覆冰。

3 覆冰的危害

3.1 对接触网设备的影响

附着于接触线上的冰壳会对受电弓的取流形成阻碍，继而产生较大的电弧甚至是程度更严重的燃弧，这不仅会对接触线造成很大程度的机械磨损，同时也可伴随严重的电弧烧伤的情况。有资料显示，当电力机车通过伴有严重冰凌的接触线时所形成的电弧超过半米高，在之后的检修中发现，其磨损程度几乎等效于全线开通1年来的累计磨损的数倍[1]。同时，某些分段绝缘器相关设备包括了许多较小的零配件，比如有菱形分段铜滑板上面的销钉等，这些零件一旦被烧伤后发生松动甚至掉落，均可能对设备的安全运行带来较多不安全因素。

3.2 对电力机车的影响

受电弓碳滑板通常都带有自动降弓装置（ADD），一旦发生有被电弧严重烧伤的情况，该装置即可自动降弓，并以此可发挥一定保护作用。覆冰所导致的电弧甚至会将碳滑条烧断或是导致封装树脂变形裂开而发生漏气，最终可使电力机车不能正常使用[3]。另外，冻雨还会造成严重的弓网故障，当电力机车停留在车站内进行升弓的时候，由于部分机械被冻结或是在碳滑板之上存有严重结冰的情况，可导致车顶支持绝缘子闪络放电，此时的短路电流一般比较强，其所形成的电弧甚至可直接将接触线烧断。

4 覆冰的应对措施分析

当前对于覆冰的应对策略主要有人工除冰、电力机车受电弓带与不带负荷运行除冰、对接触线进行电加热以及涂抹防冻剂等多种方法，但以上方法就目前的应用情况来看并未有某一种表现为主流方式，但基于现在开通的高速铁路多有设置接触线电加热融冰系统的情况，笔者认为接触线电加热与涂抹防冻剂此两种方法可能会有更大的发展前景。以下主要对此两种方法进行一定介绍。

4.1 接触线电加热融冰技术

该技术为通过利用电流的焦耳热效应而达到融化覆冰的目的，具体可分为直流和交流两种融冰方案。其中直流融冰即是将覆冰线路作为负载，并在其线路末端进行短接，同时逐段施加直流电源，这样即可利用较低的直流电压提供短路电流而将导线加热而融化覆冰，但该方法需要增加断路器、融冰变压器、整流器以及其他控制设备等，因此其整体优缺点为对电力系统本身影响不大，但投资成本相对会更高；交流融冰需将融冰线路的一端进行短路接地，同时在另一端加以融冰电源，由此可产生较大的短路电流来对导线进行加热，进而将覆冰融化，该方法在实施方面相对更为简便，但较前者比较会有更多无效功率产生，其能量消耗更大。综合来看，直流与交流融冰有一个共同的缺点就是不能对接触网中的非导电回路产生作用，同时开展时间也容易受天窗时间、行车状况以及运输情况等多方面影响，目前可能还会存在一定的局限性。

4.2 涂抹防冻剂技术

该技术最早由德国的STEMMANN TECHNIK公司开发，在通过天气预报获取冻雨天信息之后，采用防冻剂对接触线进行涂覆，以此来防止覆冰的产生。涂抹设备一般为2部件组成，其一固定于轨道车辆内部的固定框架，另一部件为附加的车顶受电弓，其滑条由一个润滑装置所取代，而新的润滑装置的基本部件即是一个用甘油浸润的中空毛毡辊，工作期间，设备带压缩空气可将防冻剂压迫导入至中空毛毡辊，在滚动时即可将防冻剂涂抹于接触线上。该设备不仅使用极为简便，而且费用比较低，其速度可达30km/h，因此还具有较高的效率，同时其工作不会受到天窗时间和中性段无电区等情况的影响，只要在受电弓接触到的范围内都可以涂抹防冰剂。但该技术的缺点就是对某些严重覆冰并无很明显的效果，而且对分段绝缘器有一定选择性。

5 结束语

线路覆冰灾害是电力技术领域的世界性难题，目前还未见一种运用非常成熟的防治策略及相关理论，但电气化铁道牵引方式在我国的不断推广应用，相关配套技术必将越来越成熟，可以预见，通过加大覆冰灾害的预防力度同时进一步加强融冰技术的攻关，覆冰事故可在一定范围内得到较好的防治。

参考文献

[1]赵芳良，马芳.输电线路覆冰原因分析及对策研究[J].电力安全技术，2010，12（6）：31-35.

[2]吴元华.输电线路覆冰的潜在危害及对策研究[J].江苏电机工程，2008，27（6）：18-21.

[3]仇昕，张永康.接触网绝缘子覆冰闪络电压探讨[J].电气化铁道，2008，2：40-42.

[4]陈向宜，何朴，刘明忠.四川电网输电线路覆冰分析及防御措施[J].四川电力技术成都，2011，34（2）：41-43.