电气化铁路隧道微波防冰研究

王永亮 钟选明 廖成 李军野 冯菊

摘 要： 对电气化铁路隧道的防冰问题进行研究，提出非接触式微波致热防冰方法。该方法通过天线发射微波加热隧道裂缝渗水处的混凝土，使得渗水处温度上升，温升超过5 ℃，促使渗水区跨越-5～0 ℃这一水凝结成冰的温度区段，防止渗水凝结成冰，实现隧道防冰目的。同时对微波频率、天线输入功率与隧道微波防冰效率的关系进行仿真研究。结果表明，将2.45 GHz，2 000 W微波馈入天线，延时4 443 s，渗水处温升达到5 ℃。天线输入功率越大，温升越快；相同条件下，5.8 GHz的防冰效率较2.45 GHz高，前者为后者的2.3倍，频率越高，温升越快。

关键词： 铁路隧道； 微波防冰； 效率温升； 电气化； 非接触式； 防冰效率

中图分类号： TN99?34； U226.8+3 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）07?0106?05

Research on microwave anti?icing for electrified railway tunnel

WANG Yongliang， ZHONG Xuanming， LIAO Cheng， LI Junye， FENG Ju

（Institute of Electromagnetic and Microwave Technology， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China）

Abstract： The anti?icing problem of electrified railway tunnel is studied， and a non?contact anti?icing method with microwave heating is proposed. In this method， the microwave emitted by antenna heats the concrete at the water seepage area rise of tunnel， which makes the temperature at the water seepage area rise. When the temperature rise is above 5 ℃， the temperature of the water seepage area will stride across the range of -5～0 ℃ to prevent water from freezing， which can realize the tunnel anti?icing. The relationship among the microwave anti?icing efficiency of tunnel， antenna input power and microwave frequency is simulated. The results show that the 2.45 GHz， 2 000 W microwave is fed into the antenna， its delay is 4 443 s， the temperature rise at the water seepage area can reach up to 5 ℃. The greater the antenna input power is， the higher the temperature rise becomes. Under the same conditions， the anti?icing efficiency of 5.8 GHz microwave is higher than that of the 2.45 GHz microwave， the former is 2.3 times of the latter， and the higher the frequency is， the faster the temperature rise becomes.

Keywords： railway tunnel； microwave anti?icing； efficiency temperature rise； electrification； non?contact； anti?icing efficiency

0 引 言

目前，我国已有铁路隧道50 000多座，随着时间的推移，大多隧道会出现细微的裂缝，形成渗水。在冬季，由于气温较低，水流至隧道顶壁时很快会凝结，形成冰柱，这种现象称为隧道挂冰。随着水珠的不断流出，挂冰越来越长，与接触网的绝缘距离越来越短，极易造成电气化铁路接触网设备高压接地短路故障，对隧道供电安全构成极大威胁，轻则使接触网线索烧伤断股，重则将导致断线塌网，中断铁路运输[1]。为了保证供电安全，牵引供电运营单位针对冬季隧道除冰采取了很多措施，但就目前来看效果不太理想，因隧道顶部结冰造成的接触网供电故障和事故时有发生。实际工作中，各供电运营单位采用最多的还是人工除冰，每年在冬季隧道除冰工作上投入很大的人力、物力，结冰严重时除冰小组每天需要除冰3次，每次路途及除冰時间约需4 h以上，又都在气温最低的时间段作业，职工的劳动强度极大，再加上铁路线车流密度大、隧道长、净空小、列车通过时粉尘污染严重，对除冰作业组成员的人身安全构成极大威胁，因打冰时避让列车不及时发生的人身事故已屡见不鲜。

近年来，铁路部门为了减少隧道冰患对列车安全运行的影响，开始尝试使用一些加热设备进行防冰，如通过在接触网上方隧道壁的裂缝渗水处加载电加热设备，实现防冰[2?3]。但铁路隧道经过多年的运行，隧道顶壁已严重风蚀，不一定能固定加热装置，如果固定不牢靠使得装置脱落，造成接触网断裂，会给电气化铁道供电带来更大的安全事故。

基于接触式防冰方式的不足，本文提出通过微波照射非接触式加热防冰方法对电气化铁路隧道微波防冰原理进行了研究。

1 微波防冰机理研究

从微观角度而言，物质的材料由极性分子和非极性分子组成。在没有附加电磁场时，极性分子呈随机分布状态；而在电磁场作用下，其随机分布状态将会转向依照电场的极性排列取向。由于微波具有高频特性，其电磁场会以每秒数十亿次的速度进行周期性变化，这些极性分子也会以同样的速度随交变电磁场的变化而不断变化，使得分子间因频繁的摩擦和碰撞产生大量的热量，此时微波能转化为物料内的热能，使得物料整体温度不断升高[4?5]。

单位体积物料内消耗的微波功率计算方程可以通过麦克斯韦方程推导得出。在区域[V]中的电磁场满足麦克斯韦方程为：

式中：[ρ]是自由电荷的体密度；[J]是电流密度。利用矢量恒等式[??（E×H）=H??×E-E??×H，]将式（1）代入，整理可得：

将式（2）两边对[V]求积分，得：

由于：

将式（4）代入式（3）中可得：

由电磁场的能量定理可知，在体积[V]中，单位时间内减少的储能等于单位时间内穿过闭合面[S]的能量加上单位时间内损耗的能量，因此右边后面三项表示的是单位时间内损耗的能量。极化损耗功率密度为：

磁化功率损耗密度为：

电导功率损耗密度为：

将混凝土看作是各项同性非线性介质，由于混凝土属于电介质材料，具有非磁性，且电导率非常小，因此不考虑磁化功率损耗和电导功率损耗。可设外场的电场强度按[E=E0cos（ωt）]的规律变化，电位移矢量[D]落后电场强度一个相位角[δ，]即[D=D0（ωt-δ）]，将[E]和[D]代入式（6）中可得：

研究时变电磁场的介质材料问题时，一般采用复数比较方便。设[E=E0eiωt，][D=][D0ei（ωt-δ），]介质相对介电常数的复数形式为[εr=ε-iε，]由关系式[D=ε0εrE]和[eiθ=][cosθ+isinθ]可以得到[ε=（D0ε0E0）×cosδ，ε=][（D0ε0E0）sinδ]。因此式（9）可以写为：

如果电磁波的辐射强度不大，在辐射的过程中，介质的材料参数没有发生变化，则[?ε?t→0，][?ε?t→0，]式（10）就变为[Pe=12ωε0εE20=πfε0εE20，]由于介质的损耗角正切[tanδ=εε，]可得单位体积物料内损耗的微波功率[6?8]为：

[Pe=πfε0εE20=πfε0εtanδE20] （11）

从式（11）中可以看出，单位体积物料内损耗的微波功率主要与微波频率、介质的介电常数和损耗角正切、微波电场强度等因素有关。

2 仿真计算与结果分析

隧道微波防冰效率由混凝土内部的生热速率和混凝土表面的散热速率共同决定。混凝土内部的生热速率和单位体积物料内损耗的微波功率相关，混凝土表面的散热速率和表面的温差相关。因此，隧道微波防冰效率主要由微波频率、天线输入功率、隧道壁材料和隧道温度等因素共同决定[9]。本文通过软件仿真，研究微波频率、天线输入功率两个主要因素与隧道微波防冰效率的关系。

微波防冰通過天线发射微波，照射隧道渗水处的混凝土，利用微波致热性质实现防结冰的目的，其原理如图1所示，安装位置如图2所示。考虑到隧道顶部弧度较小，为了便于仿真，将隧道顶端的加热部分等效为平面，如图3所示。

在电磁仿真软件中建立如图3所示的模型，其中隧道顶部混凝土模型[abcd]尺寸为（2 m×2 m×0.2 m），喇叭天线中心距混凝土模型中心3 m，喇叭天线仰角为43°，极化方式为水平极化，隧道壁材料相对介电常数[ε=14，]损耗角正切[10][tanδ]=0.12，隧道壁表面的对流换热系数[11]为4.74 [W/（m2?K）]，仿真得到混凝土模型的功率损耗密度，将功率损耗密度数据经过Matlab处理作为生热率导入温度仿真软件中。考虑到混凝土模型存在热传导，需要在[abcd]模型周围设置一定的传热区域，因此在温度仿真软件中建立[ABCD]模型（2.4 m×2.4 m×0.4 m），仿真得出混凝土模型的温度场分布。

当气温处于-5～0 ℃区段时，水会凝结成冰。考虑到气温有可能快速下降，需要提前开启微波加热装置，因此，设置仿真模型和隧道的初始温度均为2 ℃。

2.1 微波频率与微波防冰效率的关系

由式（11）可得，单位体积物料内损耗的微波功率与微波频率成正比关系。分别选取2.45 GHz与5.8 GHz两个频率的微波馈入发射天线，同时观测模型表面温度分布和模型表面中心加热点处的温度随时间的变化：

1） 2.45 GHz的喇叭天线口径面长为350 mm，宽为300 mm，其模型表面温度分布和模型表面中心加热点处的温度随时间的变化如图4a）和图5所示。

2） 5.8 GHz的喇叭天线口径面长为220 mm，宽为170 mm，其模型表面温度分布和模型表面中心加热点处的温度随时间的变化如图4b）和图5所示。

由图4可知，隧道顶端模型表面温度分布规律为中间温度高，四周温度低，这与喇叭天线的方向图一致；同时，微波致热区域面积大，有利于增大隧道裂缝渗水处的防冰区域。由图5可知，采用2.45 GHz微波，延时4 443 s，渗水处温升达到5 ℃。考虑到各种误差，延长微波加热时间，渗水区温度均能上升至8 ℃以上，温升为6 ℃，均跨越-5～0 ℃这一水凝结成冰的温度区段，因此，隧道微波防冰理论上是可行的。随着加热时间的延长，模型中心加热点处温度逐渐升高，2.45 GHz时温度从2 ℃升高到8 ℃需要时间5 900 s，5.8 GHz时需要时间2 578 s。由于微波频率增加时，微波波长变短，微波的穿透深度减小，能量更多地集中在表层区域，可以加速隧道壁表层的温度上升，提高防冰效率。因此，相同情况下，5.8 GHz的防冰效率为2.45 GHz时的2.3倍。

2.2 天线输入功率与防冰效率的关系

为了研究天线输入功率与隧道微波防冰效率的关系，分别对天线馈入2 000 W，3 000 W和4 000 W不同功率，微波频率为2.45 GHz，仿真模型和隧道的温度均为2 ℃，其余条件不变，得到仿真结果如图6～图8所示。

通过对比图4a）、图6和图7可知，当天线输入功率增大时，模型表面温度分布区域基本没有变化，保证了天线输入功率变化时微波加热区域的稳定。由图8可知，当天线输入功率为2 000 W时，模型中心加热点处温度从2 ℃升高到8 ℃需要时间5 900 s；天线输入功率增大至3 000 W时，需消耗时间3 168 s；输入功率继续增大至4 000 W时，需消耗时间2 108 s。因此，天线输入功率越大，天线辐射的能量越强，辐射区域物料处的电场强度就越大，而电场强度与微波损耗功率成正比关系，所以微波的损耗功率也会相应变大，模型升高同样温度需要的时间就越短，隧道微波防冰效率就越高。

3 结 论

针对电气化铁路隧道结冰问题，本文提出一种非接触式的微波加热防冰方法，该方法利用天线发射微波加热隧道渗水处混凝土，使得渗水处温度上升，避免渗水凝结成冰，从而防止隧道出现挂冰。利用仿真软件对微波频率、天线输入功率与隧道微波防冰效率的关系进行仿真计算，仿真结果表明：无论采用5.8 GHz还是2.45 GHz的微波频率，只要对天线馈入2 000 W的功率，隧道渗水处的温升均能超过5 ℃，使得渗水区能够跨越-5～0 ℃这一温度区段，防止渗水凝结成冰；由于微波频率增加时，微波波长变短，微波的穿透深度减小，能量更多地集中在表层区域，使得隧道壁表层温度加速上升，因此，5.8 GHz的防冰效率较2.45 GHz高，前者为后者的2.3倍；当然，天线输入功率越大，隧道微波防冰效率也越高。本文的研究成果可以直接用来指导铁路隧道微波防冰装置的设计，具有较好的现实意义。

注：本文通讯作者为钟选明。

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