电气化铁路接触网在线防冰电流的决策及控制

郭 蕾，李群湛，高晓杰

(西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031)

我国电气化铁路总里程快速增长，客运高速和货运重载铁路大规模建设，一些新的电气化铁路线路很可能要穿越高寒、高湿等易发生覆冰的区域，哈(尔滨)—大(连)线即是世界首条高寒地区正式运营的高速铁路。接触网覆冰灾害问题已成为各级部门广泛关注的问题。为了既能消除覆冰，同时也能保证行车所必须的电能供给，接触网在线防冰技术将成为未来电气化铁路防融冰的主要方法之一，因此，研究接触网在线防冰技术对保障电气化铁路安全运营具有重要的实际意义[1]。

在诸多应用于架空线路的除冰方法中，人工除冰简单易行，但效率低，安全性差。防覆冰涂层法通过在导线表面涂抹油脂、纳米材料等憎水性涂料，降低冰与导线间的黏着力，防止覆冰[2]。基于焦耳热的电热除冰方法得到了更多的关注，2005年采用晶闸管整流、为覆冰线路提供直流融冰电流的融冰装置在魁北克 Levis 变电站投运[3]。2008年雪灾后国家电网和南方电网加大投入，研发了直流短路融冰装备，并在湖南、贵州等省市开展了试验[4，5]。为更好地开展防融冰工作，文献[6-8]采用有限元等方法对导线融冰模型、融冰时间计算、导线表面温度分布的动态变化等进行研究。文献[9]提出一种智能电力线路(SPL)除冰系统，通过远程传感器和控制系统驱动捆绑导线束除冰。

输电线路允许一定的覆冰存在，覆冰严重、超出杆塔承重时才会造成倒杆、塌网等事故。而接触网是一种特殊的架空线路，由承力索、吊弦、接触线、电连接等部分组成，各个部分对覆冰的要求不同，承力索可以允许一定量的覆冰存在，接触线要求与受电弓有良好的电接触，对覆冰的要求很苛刻。株洲所开发了采用IGBT作为整流器件进行多重四象限整流的接触网直流融冰装置[10]。铁一院、西南交大联合研制了短路融冰装置，将电阻或电感作为负载放置在线路末端，基于焦耳热效应进行防融冰[11]。但上述既有的装置均为离线装置，未考虑防冰电流对牵引网压的影响。当环境条件较为恶劣、所需防冰电流较大或机车驶入供电区间后，负载电流与防冰电流叠加都会导致牵引网压过低不能行车，影响列车正常运行。研发在线防融冰装置已经成为一种趋势，相关研究也已陆续开展[1，11，12]。而为了不影响行车，防冰电流的确定和牵引网电压的控制是关键，急需解决。

本文提出一种基于静止无功发生器SVG的电气化铁路接触网在线防冰技术，给出了SVG在线防冰电流的确定方法，采用该方法实时、自动调节防冰电流，不仅可以保证防冰效果，同时还保障了牵引网供电电压，不影响行车，从而为接触网在线防冰方法的应用奠定基础。

1 基于SVG的接触网在线防冰方案

要实现接触网的在线防冰，其首要条件是在防冰装置投入的同时，能够保证铁路运输工作的正常开展，因此必须具备如下基本要求：

(1)产生足以保持接触网任意区间不结冰的电流；

(2)接触网各部分的电压，尤其是机车(动车组)通过部分的网压必须保证稳定在允许范围之间；

(3)防冰电流不影响对机车的供电和车内设备的正常运行；

(4)防冰电流在各个部分所消耗的电能必须在经济允许的范围之内。

接触网不产生覆冰所需的最小电流称之为临界防冰电流，该电流与环境温度、太阳辐射量、风速等多种因素密切相关，因此实现接触网在线防冰的总体思路如图1所示。所注入的防冰电流将由环境条件、供电方式、牵引网网压等众多因素决定。

图1 接触网在线防冰的总体思路

接触网在线防冰系统原理如图2所示，在牵引变电所的两相供电臂末端分别设置静止无功发生器SVG1和SVG2、电压互感器YH、接触线温度和湿度传感器、风速测量仪等共同构成的环境监测单元TC和控制单元CU；静止无功发生器的控制端、电压互感器的输出端和接触线温度传感器的输出端与控制单元相连接；同时远动装置可根据需要选择是否与控制单元相连接。当接触线温度传感器输出的温度值高于冰点或远动装置未发出防冰命令时，即在正常、无覆冰情况下，SVG对接触网进行无功补偿，工作于网压补偿工况，即吸收容性无功以保证网压。

图2 电气化铁道接触网在线防冰系统原理图

当接触线温度传感器输出的温度值低于或等于冰点或调度员根据天气预报可能结冰而经远动装置发出防冰命令时，即在易覆冰情况下，SVG进入防冰工况。防冰工况下，环境监测单元等将温度、湿度、风速等所测数据传输给控制单元，基于临界防冰电流计算模型得出该条件下保障接触线温度在冰点以上所需的电流。同时令SVG间隙性工作，在其停运期间，电压互感器实测获得牵引网末端电压。上述电压、电流数据交由防冰电流决策单元，即可计算出在保证牵引网供电电压的前提下，线路上允许的最大防冰电流，判定电流性质，并输出最终的决策结果。

在本方案中，当电压互感器测得的网压较高时，供电臂上列车负荷较轻或空载运行，SVG进入感性工况，即吸收感性工作电流，该电流流经接触网产生焦耳热进行防冰。当电压互感器测得的网压较低时，供电臂上列车负荷较重，SVG进入容性工况，即吸收容性电流。在防冰的同时，还保证了供电臂接触网上各处的电压始终大于列车工作所需电压，保证了列车的正常运行。若同时在供电臂首端也设置SVG3、SVG4，通过检测电压和电流信号，分离其有功、无功分量，还可进行补偿，保障功率因数，在线防冰的同时不会对电力系统产生任何影响，但其相应的投资也要加大。

在供电方式、接触线单位阻抗、供电区间长度等条件确定的情况下，通过实时检测牵引网末端电压，在保证供电电压的前提下，调节末端的SVG1、SVG2，可保证线路上电流在可取值范围内发挥最大限度的防冰功效。

2 接触网在线防冰电流的决策

2.1 临界防冰电流的确定

导线通电发热，最终达到一个平衡状态，这是热量传递、交换与平衡的过程，建立导线的热平衡方程是确定其临界防冰电流的基础。考虑接触线加热过程中的诸多因素，可列出其热平衡方程为

( 1 )

式中：Qc为对流热损失；Qe为接触网表面蒸发或者升华热损失；Qra为接触网导线辐射热损失；Qr为水滴从环境温度加热到接触网表面温度所需吸收的热；Qk为小水滴的动能损失转换的热量；Qv为空气摩擦对导线的加热；QS为日光辐射的热量。

上述各项表达式及计算方法可参见文献[6，8]。分析式( 1 )，其稳态解可以表示为

( 2 )

式( 2 )即为接触线临界防冰电流IC的表达式。实际运行中，防冰电流在接触线和承力索之间按照一定比例进行分配。接触线上流经临界防冰电流IC时，承力索上的电流为kIC，所以接触网的临界防冰电流ICJ=(1+k)IC，其中，k为两导线上的电流比。

( 3 )

式中：Z1、Z2、Z12分别为接触线阻抗、承力索阻抗、接触线和承力索的互阻抗。

2.2 直供单线供电系统电气参数关联

前文给出了接触网临界防冰电流ICJ的计算公式，但该电流仅能保证接触网防冰，对牵引网网压影响未知，为此必须要结合供电方式等具体条件，研究牵引网电压与防冰电流分布的关系，以及前者对后者取值上的限制。下文以直供单线供电系统为例，具体分析牵引网网压对防冰电流的限制关系。图3为该供电系统的简化电路图。

图3 直供单线供电系统单臂简化电路图

SVG2投入前后的电压回路方程分别为

( 4 )

则有

( 5 )

将式( 5 )实部虚部分别展开，当SVG2为感性负荷时，可得方程组

( 6 )

( 7 )

同样，还可推导计算得到牵引网压允许的容性防冰电流上限I2C。

( 8 )

2.3 在线防冰电流的决策流程

接触网工频在线防冰电流决策的控制目标可归纳为：①流过接触网任一段的电流均大于等于临界防冰电流；②牵引网网压在供电安全允许范围内。目标②优先满足。

图4 接触网在线防冰电流确定的流程图

图4为接触网在线防冰电流的决策流程图。由式( 1 )～式( 3 )计算出接触网临界防冰电流ICJ，由式( 7 )、式( 8 )计算出牵引网网压允许条件下的防冰电流感性上限I2L、容性上限I2C后，关键在于确保供电电压的基础上，确定末端SVG实际投入的防冰电流大小及其性质(即末端SVG工作状态是感性还是容性)。若接触网临界防冰电流ICJ在防冰电流允许范围内，则令投入的防冰电流I2=ICJ，且I2电流的性质取I2L、I2C中的较大者所对应的状态。若超出允许范围，取I2=max(I2L，I2C)，即网压允许的防冰电流的上限，I2电流性质仍取I2L、I2C中的较大者所对应的状态。此种情况下防冰效果与牵引网网压不可同时兼顾，为了不影响机车正常运行，牺牲短时防冰效果，待机车驶出该区间后，再转入防冰状态。

3 基于贵昆线数据的仿真验证

受冬季低温冻雨性气候的影响，我国南方贵州、湖南等省经常遭受雪凝天气袭击，是接触网覆冰的高发区域。下文基于贵阳西实际天气特征和牵引变电所实测负荷数据，以该区间内一段单线接触网为对象进行防冰电流计算和温度校验，为制定合理有效的接触网在线防冰方案提供支撑。

某日凌晨3：00～4：00，温度-3 ℃，湿度80%，风速3 m/s。依据记录的气温、风速等参数可计算出该时段内CTMH120型接触线所需的临界防冰电流为191 A，由牵引网阻抗计算得到接触线和承力索的电流分配系数k=1，接触网临界防冰电流ICJ=382 A。该供电臂长25 km，供电方式为直供单线，牵引网单位长度阻抗为0.16+j0.53 Ω/km。图5为该时段内负荷电流及牵引网末端电压。

图5 负载电流及牵引网末端电压

结合牵引网单位阻抗、供电区间长度及实测末端网压数据，由式( 7 )、式( 8 )计算出牵引网压允许的感性、容性防冰电流的上限，如图6所示。

图6 牵引网压允许的防冰电流取值上限

由图6可知，本算例中的末端电压所对应的感性防冰电流全程均大于容性防冰电流，故而此时末端SVG工作在感性状态，且该电流范围完全能满足临界防冰电流ICJ=382 A的要求，故而实际投入的防冰电流取值I2=ICJ。

当防冰系统投入ICJ大小的防冰电流后，接触网首端、中点的电流—时间曲线如图7、图8所示，而接触网末端电流为防冰电流，取值始终为I2。

图7 接触网首端电流

图8 接触网中点电流

图9 防冰系统投入后，接触网首、末端和中点的接触线温度

图9给出了防冰系统投入后，接触网首端、末端和中点的接触线温度，由图9可知：防冰系统投运后约15～20 min使接触线表面温度达到0 ℃，开始发挥在线防冰的作用；接触线导线温度受负荷影响，机车驶出区间后，若线路处于空载，接触线温度迅速下降，10 min 左右就下降到0 ℃，因此当机车发车密度较低时，可以认为负荷对导线温度的影响是暂时的，甚至可以忽略。由于首端承受机车负荷的时间最长，而末端承受机车负荷电流的时间最短，因此相对而言，首端的温度受负荷的影响较大，但总体而言机车密度较低时，负荷对首端和末端接触网温度或防冰效果的影响都可以忽略。在SVG容量可以满足要求的前提下，可以适当提高防冰电流，使导线的温度超过0 ℃，如设定导线温度为1 ℃，能得到更好的防冰效果。

图10 防冰系统投入前后，牵引网末端电压对比

图10所示为防冰系统投入前后牵引网末端电压对比，投入后，SVG吸收感性无功，防冰电流使网压有所降低，但降低幅度仍在允许范围内，在机车负荷和防冰电流共同的作用下，牵引网末端电压取值在安全范围内，满足供电电压要求。

综上所述，贵昆线电气化铁路投入在线防冰系统后，既可以实现在线防冰，同时可以保证供电质量，防冰系统投运到发挥效果的时间约15～20 min。

本算例中由于负荷较轻，牵引网末端电压始终在24 kV以上，SVG工作在感性状态。若负荷较重，SVG也可工作在容性状态，并且可以在几个周波内完成两种状态的切换[1]。

4 结束语

本文提出一种基于SVG的电气化铁路接触网工频在线防冰方案，通过在供电臂末端设置的SVG，控制接触网流经的电流，在不影响行车的前提下实现在线防冰。防冰电流不仅受温度、风速等环境因素影响，也要受牵引网网压限定值的约束。同时负载电流对接触网温度的抬升贡献有限，必须有持续的防冰电流，才能保证接触网温度稳定在冰点之上。

参考文献：

[1]李群湛，郭蕾，舒泽亮，等.电气化铁路接触网在线防冰技术研究[J].铁道学报,2013,35(10):46-51.

LI Qun-zhan,GUO Lei,SHU Ze-liang,et al.On-line De-icing Technology for Overhead Line along Electrified Railway[J].Journal of the China Railway Society,2013,35(10):46-51.

[2]KULINICH S A,FARZANEH M.On Ice-releasing Properties of Rough Hydrophobiccoatings[J].Cold Reg.Sci.Technol,2011,65 (1):60-64.

[3]SergeJourden.魁北克水电公司高压电网 Lévis 变电站的融冰装置[J].南方电网技术,2009,3(1):1-6.

SergeJourden.De-Icer Installation at Lévis Substation on Hydro Québec’s High Voltage System[J].Southern Power System Technology,2009,3(1):1-6.

[4]陆佳政,张允.基于12 脉动整流技术的500 kV 输电线路融冰装置实现[J].高电压技术,2012,38(11):3041-3047.

LU Jia-zheng,ZHANG Yun.Realization of De-icing Devices Based on 12-pulse Rectification for 500 kV Transmission Line[J].High Voltage Engineering,2012,38(11):3041-3047.

[5]傅闯，饶宏，黎小林，等.直流融冰装置的研制与应用[J].电力系统自动化，2009,33(11):53-56.

FU Chuang,RAO Hong,LI Xiao-lin,et al.Development and Application of DC Deicer[J].Automation of Electric Power Systems,2009,33(11):53-56.

[6]蒋兴良,范松海,胡建林，等.输电线路直流短路融冰的临界电流分析[J].中国电机工程学报,2010,30(1):111-116.

JIANG Xing-liang,FAN Song-hai,HU Jian-lin,et al.Analysis of Critical Ice-melting Current for Short-circuit DC Transmission Line[J].Proceedings of the CSEE,2010,30(1):111-116.

[7]常浩，石岩，殷威杨，等.交直流线路融冰技术研究[J].电网技术，2008，32(5):1-6.

CHANG Hao,SHI Yan,YIN Wei-yang,et al.Ice-melting Technologies for HVAC and HVDC Transmission Line[J].Power System Technology,2008,32(5):1-6.

[8]JIANG X L,FAN S H.Simulation and Experimental Investigation of DC Ice-melting Process on AnIced Conductor[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2010,25(2):919-929.

[9]COUTURE P.Smart Power Line and Photonic De-icer Concepts for Transmissionline Capacity and Reliability Improvement[J].Cold Reg.Sci.Technol,2011,65(1),13-22.

[10]敬华兵,年晓红.电气化铁路接触网直流融冰技术及装置研制[J].电工技术学报,2012,(9):277-284,

JING Hua-bing,NIAN Xiao-hong.Catenary DC Ice-Melting Technology and Device Development of Electrified Railway[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2012,(9):277-284.

[11]宫衍圣，李会杰，刘和云，等.一种电气化铁路接触网的融冰方法及其融冰系统[P].中国101640400A.2010-02-03.

[12]王卫安，谭胜武，黄燕艳，等.一种铁路牵引供电接触网在线防冰系统及方法[P].中国201110033636.2012-08-01.