受电弓直流融冰技术研究

陈 惠，曹志华，曹楚君



受电弓直流融冰技术研究

陈 惠，曹志华，曹楚君

以HXD3C电力机车上的DSA250型受电弓为研究对象，设计了一套受电弓直流融冰技术方案，分别从受电弓（升、降）融冰点、直流电源的选取、电气布线、高低压隔离、加热设备等5个方面分析了该方案的可行性，并对受电弓直流融冰技术进行总结，提出该设计的优缺点，对受电弓的设计及运行维护具有指导意义。

受电弓；直流融冰；电力机车

0 引言

受电弓是使电力机车从接触网获取电能的重要设备，安装在电力机车车顶。受电弓在冬天的冻雨天气极易覆冰，而受电弓在覆冰状态下，可能会因升弓机构冻结而失去弹性，导致无法正常升弓。若受电弓不能正常升弓受电，势必会造成列车中断运行，列车晚点，沿线车站旅客滞留，给人们的出行带来极大的不便[1]。

1 常用除冰方法

为了克服覆冰问题，需对受电弓进行除冰。常见的除冰方法有机械除冰和热力除冰。机械除冰是由检修人员使用相应的除冰工具（如锤子、榔头等）在现场手工除冰，这是目前常用的除冰方法，也是最原始的方法。该方法可靠、经济，但操作复杂，受环境因素的影响较大。热力除冰是利用电流通过导线时会产生焦耳热的原理，焦耳热使冰融化脱落，达到融冰的效果。常见的热力除冰方法有短路交流融冰、短路直流融冰。由文献[2]可知，短路交流融冰比较适合用于输电线路上，受电弓最佳的热力融冰方法是采用短路直流融冰。该方法可靠、经济、操作简单，其原理如图1所示。

图1 直流融冰原理

2 直流融冰技术

本文以HXD3C电力机车上的DSA250型受电弓为例，设计了一套受电弓直流融冰技术方案，分别从以下5个方面分析该方案的技术可行性：（1）进行受电弓升弓机构的受力点分析，根据受电弓的结构，找出导致受电弓结冰时不能升弓的力矩点；（2）选取最经济实惠的直流电源类型；（3）根据电力机车的结构，选择最安全、可靠、经济的电气布线方式；（4）设计合适的高、低压电气隔离方案；（5）根据结冰状态，选取合适的加热设备，保证能够达到受电弓融冰的效果。

2.1 受电弓融冰位置的选取

受电弓是电力机车上直接受电的高压电气设备，对环境要求极高。由于受电弓有电流通过的热力效应现象，受电弓升弓取流时不会结冰。升弓机构是升弓的关键，本文主要讨论受电弓升弓前升弓机构的融冰问题。DSA250型受电弓通过一组四臂连杆机构底座、下臂、上臂及拉杆（上、下导杆）完成升弓，升弓的2个主要过程：（1）气囊充气推动下臂抬起；（2）通过拉杆的拉力，使上臂升起。在气囊推动下臂抬起时，阻尼器调节下臂的抬升高度，使弓头与接触网接触良好。在升弓过程中，阻尼器、下臂、上臂、上导杆、下导杆之间的连接点是力矩的传递点，也是受电弓升弓的关键部位，即受电弓直流融冰的位置，如图2所示，有8个位置，共11处融冰点。

图2 DSA250型受电弓升弓时的受力点

2.2 直流电源的选取

目前，直流融冰装置的电源有2种基本形式：固定式和移动式。移动式直流融冰装置的电源不固定在电力机车内而是移动的，能够为任一电力机车受电弓融冰，但费用较高，另外还需配置合理的接口，经济性不理想；固定式直流融冰装置的电源固定在电力机车内，即利用机车内的DC 110 V蓄电池，操作简单，且有备用的电源接口，能够直接使用，但仅供本机车使用。

结合HXD3C电力机车的总体结构布局以及蓄电池能够完全提供受电弓融冰所需的能量等因素，直流融冰的电源选用电力机车上的DC 110 V蓄电池为最佳。

2.3 电气布线

电气布线也是受电弓直流融冰技术方案中非常重要的环节，需考虑电气布线的安全性和可靠性，即需要将DC 110 V蓄电池电安全、可靠地连接于电力机车顶。通过现场调研并依据相关铁路标准选择最佳的电气布线路径：DC 110 V蓄电池备用接口®地板槽®侧墙®线槽®升弓气路板®车顶孔（需打孔2个）®车顶高压接口®隔离开关®受电弓，如图3所示。

注意事项：（1）车顶孔需密封良好，防止水气泄漏进入机车内；（2）因机车有双弓，在电气布线时需考虑前、后2路；（3）发热电阻丝与受电弓的力矩传递点要紧贴，电线与受电弓也要紧贴。

图3 直流融冰技术的电气布线

2.4 高、低压隔离方案

当融冰完成，受电弓升起取流后，直流融冰的线路是紧贴在受电弓带电体上的，如不进行安全隔离，受电弓上的25 kV高压电将沿直流融冰线路传送到DC 110 V蓄电池充电器上，将对电力机车上的设备造成损坏，严重影响电力机车的安全运行。

由于受电弓表面采用绝缘材料，且融冰升弓后，即使有电（交流），但压降很小，不会对直流线路造成很大危害。所以该系统的电气安全隔离主要是指高（交流）、低压（直流）侧之间的隔离，即直流融冰线路的隔离开关，且直流隔离开关需安装于车顶，防止25 kV高压电进入车厢造成危险。

虽然直接在车顶安装高压直流隔离开关能够达到隔离电压的效果，但所占空间太大，严重影响行车安全。在此，可借鉴汽车加油原理：（1）高压接口箱与受电弓的距离需满足安全要求；（2）当受电弓取流时，直流电缆紧绕在受电弓底座上，防止受电弓取流时直流电缆上的高压危险；（3）当受电弓需融冰时，直流电缆延伸至高压接口箱，与直流接口连接，完成直流融冰通路，如图4所示。

图4 直流融冰技术的高、低压隔离方案

2.5 加热设备的选取

加热设备主要采用耐高压的加热电阻丝，但需选用相应规格的电阻丝，即需要确定临界融冰电流的大小。

假定冰块为圆筒形状。当冰层内表面温度in= 0℃，且焦耳热与冰层外表面的热损失恰好相等时，冰层将处于融与不融的临界状态，设临界融冰电流为c，可得临界状态的热平衡方程为[9]

而圆筒形冰层的q、c可以表示为

赛里木镇5村1组核桃园，供试验嫁接核桃砧木为3年生实生核桃树，嫁接品种为温185，嫁接方法为6月25日在3年生枝条上进行方块芽接技术。

将式（2）代入式（1），得

由式（4）可以求出冰层外表面的温度为

将式（5）代入式（3）计算出融冰电流为

式（1）—式（6）中，i为冰层外表面温度；为冰层外表面与空气的热交换系数；i为覆冰厚度；i为覆冰导线的半径，m；q为圆筒形冰块半径，m；c为受电弓的半径，m；为冰层的热传导率，= 2.22 W/(m·K)；T为导线在℃时的电阻率，W/m；c为融冰电流；a为空气环境温度。

3 结论

通过对受电弓直流融冰技术进行研究，并结合HXD3C电力机车的实际情况，得出以下结论：

（1）融冰位置不是固定的，因受电弓种类不同需进行具体分析。

（2）因假定的冰块为圆筒形，加热电流的计算分析存在一定误差，但基本准确，通过适当延长加热时间即可达到融冰效果。

（4）受电弓直流融冰技术为非标技术，即未经过中国铁道科学研究院的型式试验，实践性有待进一步研究验证。

[1] 刘刚，赵学增，姜世金，等. 架空电力线路防冰除冰技术国内研究综述[J]. 电力学报，2014（4）：335-342

[2] 杨秀余. 风力发电机叶片电加热防/融冰过程和冰层脱落条件分析[D]. 重庆大学，2015.

[3] 胡琴，杨秀余，梅冰笑，等．风力发电机叶片临界防冰与融冰功率密度分析[J]．中国电机工程学报，2015，35（19）：4997-5002

[4] 吴积钦．受电弓与接触网系统[M]．成都：西南交通大学出版社，2010.

[5] 刘琨，刘念. 电力系统冬季除冰和防冰问题的研究[J].四川电力技术，2008，31（4）：39-42.

[6] 李刚，邰毅．电力系统较为常用的线路融冰方法[J]．科技与企业，2013（5）：275-275.

.[7] 申屠刚. 电力系统输电线路抗冰除冰技术研究进展综述[J]. 机电工程，2008，25（7）：72-75.

[8] 郭焕辉. 架空线路交流融冰技术的研究[D]. 华北电力大学，2015.

[9] 范松海. 输电线路短路电流融冰过程与模型研究[D]. 重庆大学，2010.

With DSA250 pantograph on HXD3C electric locomotive as the object of research, a technical scheme of ice melting by pantograph DC short circuit current is prepared, the paper analyzes feasibilities of the scheme in terms of 5 aspects of ice melting point of pantograph (raising or dropping), selection of DC power supply, electric wiring, isolation between high voltage and low voltage and heating equipment, summarizes the pantograph DC ice melting technology, lists out the advantages and disadvantages of the scheme, providing a reference for design, operation and maintenance of pantograph.

Pantograph; DC current ice melting; electric locomotive

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.05.014

U225.4

A

1007-936X(2017)05-0060-03

陈 惠.湖南高速铁路职业技术学院，副教授，研究方向为铁道供电技术；曹志华.湖南高速铁路职业技术学院，助教；曹楚君.湖南高速铁路职业技术学院，讲师。

湖南省教育厅科学研究项目（15C0318）。

2017-01-15