客专铁路接触网交流融冰方案研究及工程验证

郭 华，范红疆，董晓冬，葛海波

客专铁路接触网交流融冰方案研究及工程验证

郭 华，范红疆，董晓冬，葛海波

建立了牵引供电系统的融冰回路的简化结构，并对该结构进行了分析和仿真计算，探讨了交流融冰方案。该方案在工程中得到了实际应用，并取得了现场试验数据。

牵引供电系统；接触网；交流融冰

0 引言

我国南北方的冬季，由于气温、空气湿度和风速的共同作用，存在着由液态水形成冰的覆冰现象。对电气化铁路而言，覆冰是一种自然灾害，会导致杆塔倾倒、导线覆冰舞动或断裂，同时由于接触网覆冰，会导致受电弓无法正常取流，甚至导致受电弓的损害或断裂，严重影响列车的安全准点运行，对于时速超过300 km的高速铁路，该问题更加严重，必须引起高度重视。

目前，国内外电力系统除冰方法主要有大电流热力融冰、机械除冰等方法。国内接触网除冰通常采用人工打冰或用铜基粉末冶金滑板受电弓破冰方式，在速度、效率越来越快的今天，特别是繁忙的客运专线，人力除冰方式越来越不可行了，从2008年开始，直流大电流热力融冰方法在国内电力系统220 kV及以上输电线路中广泛使用。根据日本的接触线防冻冰经验，接触线在同时符合气温0℃一下、湿度86%以上、风速3 m/s以下等3个条件的情况会产生冰冻现象，此时，如果接触线通过250 A的电流，接触线的温度达到5℃时，能防止结冰，通过400 A以上的电流能开始融化覆冰[3]。

1 融冰电流理论

使用大电流融冰时，为确保不使导线过热损坏线路，需要对融冰电流的大小和融冰时间进行计算。导线不覆冰时流过的最小电流称为防止导线覆冰的临界电流Ic，其计算公式为

式中，D为导线直径；ρ为导线电阻率；ts为导线表面温度；h为对流换热系数；σ为 Stefan-Boltcomann常数；ε为导线黑度；E为导线对空气中过冷却水滴的捕获系数；V、W和t分别为湿空气或过冷却水滴的移动均匀速度、含湿量和温度；CW为水的比定压热容；WE为在导线表面蒸发的液体份额；LV为水的汽化潜热[4]。

线路融冰与环境温度、湿度、风速等条件都有密切的关系，环境温度越低，临界融冰电流越大，融冰电流相同时，融冰需要的时间越长。风速越大，临界融冰电流越大，融冰电流相同时，融冰所需要的时间也越长。

2 交流防融冰仿真计算

为直观的分析融冰状态下的融冰参数，运用MATLAB/SIMULINK建立了融冰状态下牵引供电系统模型进行仿真计算。根据 MATLAB/ SIMULINK模型能够比较容易的考虑不同的运行工况下（比如泄漏电阻参数、上下行是否并联等）牵引供电系统的参数。下文以某接触网为例，对牵引网特性进行计算。

图1是融冰回路结构示意图。融冰回路阻抗计算如下：

（1）接触线自阻抗：

式中，rj为单位有效电阻；，取Dg= 93×103cm；f为电流频率，Hz；σ为大地电导率，取；Rεj为导线计算半径。

对于CTS150+JTMH120构成的接触网，其参数为有效电阻rj= 0.239 5 (Ω/km)，当量半径Rεj= 5.62 mm。

由式（2）得：

（2）承力索自阻抗：

式中，rc为单位有效电阻；Dg= 930×103mm；Rεc为导线计算半径。

rc= 0.242 Ω/km，Rεc= 5.31 mm

可得：Zc= 0.242 + j 0.760 4 Ω/km

（3）接触线、承力索的互阻抗：

式中，Djc为接触线和承力索的间距，Djc= 1 300 mm。

（4）上行（或下行）接触网自阻抗：

将式（2）—式（4）代入计算得：

Z1=Z2=0.120 4 + j0.586 3 Ω/km

（5）上行与下行的互阻抗：

式中，Dg为上行和下行接触网的互几何均距，此时 Dg= 5 100 mm；D为等值计算半径，且

均为上下行各导线的间距。

取Dj1j2= Dc1c2= 5 000 mm，

Dj1c2= Dc1j2= 5 200 mm。

可得：Z12= 0.327 8 Ω/km

（6）融冰回路等值阻抗：

根据融冰电流的流向，可以得到：

式中，Z1= Z2，I2= −I1。

因此，在计算融冰线路阻抗时，假设复线线路长25 km，则在变电所处的测量阻抗为

图1 融冰回路示意图

表 1的仿真参数反映了该接触网在不同限流电抗器的情况下，接触网上的电流和消耗功率的情况，仿真条件：接触网臂长25 km，变电所AT变退出运行。

表1 接触网融冰电流参数表

3 交流融冰方案分析

在交流融冰方案中，为了节省投资，不额外增加变压器而借用牵引变电所现有的牵引变压器作为融冰电源，利用上行与下行接触线串联组建融冰回路。融冰回路组建完成后，需调整融冰回路的阻抗，限制融冰电流，防止接触网电流过大而烧毁接触线及承力索，引发安全事故。根据阻抗调整的需要，可以增加回路的电阻或电抗，限制回路电流。本系统在工程试验中将融冰系统安装在分区所，利用上行线/下行线与钢轨组建融冰回路，如图 2所示。如果由于天气恶劣或其他原因，接触网上已结冰，必须对接触网进行融冰，可以分别合上2QF、2QS、9QS、11QS、11QF单独对上行线融冰，或分别合上1QF、1QS、10QS、12QS、12QF单独对下行线融冰，也可把上行线与下行线并联，同时进行融冰，但由于上行线与下行线的分流，融冰电流会变小。为满足接触网运行状态下的防冰，在防冰状态下，允许接触网正常带电，一旦机车进入防冰区间，系统将自动退出运行，不影响机车正常通过区间。

图2 融冰系统安装于分区所融冰回路示意图

4 工程试验情况

针对某接触网线路进行3次试验，第1，第2次试验的外部环境情况：温度 6℃左右，湿度80%RH，风速0.6～1.0 m/s，第3次试验的外部环境情况：温度0℃左右，湿度80%RH，风速0.5～1.1 m/s，试验中分别在接触线上施加了 360、500和690 A交流电流，接触网的温升曲线见图3—图5。由试验数据可看出，电流越大温升越明显，在电流小的情况下，温度升高到一定值后就不再上升，线路产生热量与外部环境保持平衡。通过试验可以得知：实际使用中可通过较小电流进行接触网在线防冰，让线路产生一定的热量，防止接触网覆冰，通过较大电流直接进行接触网融冰。

图3 试验1的温升图

图4 试验2的温升图

图5 试验3的温升图

5 结论

接触网覆冰是电气化铁道比较常见的自然灾害，有效的融冰手段可以更好地保障铁路牵引供电系统的安全运行。本文阐述了交流融冰系统方案并进行了实际现场试验，试验结果表明在保证接触网安全的情况下，可通过限流电抗器调节接触网上的防融冰电流，实现接触网在线防冰、离线融冰。

[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）：93-95.

[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）：32-33.

[3] 李汉卿.一种针对客运专线的接触线防冰冻实施方案[J].电气化铁道，2010，（4）：7-9.

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

[5] 李群湛.牵引电力系统分析[M].成都：西南交通大学出版社，2007.

[6] 李岗，郭华.接触网交流在线防冰与离线融冰原理研究[J].电气化铁道，2012，（6）：5-8.

Established the simplified structure of de-icing circuit for traction power supply system, and analyzes and calculates in simulation of the structure, discusses AC de-icing scheme. The scheme has been applied in the actual engineering, and obtained the site test data.

Traction power supply system; overhead contact system; AC de-icing

U226.8

：B

：1007-936X(2015)03-0027-04

2014-09-11

郭 华.成都交大许继电气有限公司，工程师，电话：13882255167；

范红疆.成都交大许继电气有限公司，高级工程师；

董晓冬，葛海波.成都交大许继电气有限公司，工程师。