高速铁路接触网防融冰技术研究

邢金慧，楚振宇，解绍锋

（1.西南交通大学电气工程学院，成都 611756；2.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055）

0 引言

我国幅员辽阔，高速铁路遍布全国，所处地区气候条件复杂，南北方均存在冰冻情况。电力列车是间歇性负荷，在列车密度低、负荷间断期间接触网容易覆冰。其危害主要包括[1]：1）覆冰超过极限时，接触网容易发生断线、支柱及支持装置断裂变形等问题；2）同一导线上覆冰和脱冰不均匀造成导线舞动，严重时导致断线或零部件失效；3）冰层融化时绝缘子表面的电导明显提高，易发生闪络事故导致线路频繁跳闸、绝缘子炭化损坏；4）接触线覆冰导致受电弓滑板与接触线中间隔有冰层，影响弓网取流且易产生电弧烧伤受电弓滑板与接触线。因此，研究接触网防融冰方法对高速铁路的安全稳定运行有积极意义。

目前国内外主要除冰方法有：机械除冰法、自然脱冰法、热力除冰法等[2-3]。其中机械除冰法和自然脱冰法容易使导线舞动疲劳造成机械损伤。热力除冰法中的直流融冰及交流短路融冰必须断开负荷，列车停运。因此迫切需要研究一种将在线防冰与高效融冰结合起来的除冰方法。近年有较多基于静止无功发生器（static var generator，SVG）的防融冰方法研究[4-6]。SVG 调节速度快，运行范围宽，可以满足不同气象条件下防冰、融冰需求，但在一些气象条件恶劣或者接触网覆冰严重的情况下，往往需要较大的融冰电流，导致融冰装置容量较大，限于目前全控型电力电子器件的电压和电流水平，大容量的SVG 难以制造，且设备投资大不够经济。

本文提出了基于SVG 的高速铁路接触网在线防冰及降压融冰方案，给出了全并联AT 供电方式下接触网在线防冰电流的决策方法，兼顾了在线防冰、高效融冰以及降低装置容量的问题。给出了防融冰装置的工作原理、结构及控制策略，并用Matlab/Simulink 仿真验证了该方案的正确性。

1 基于SVG的防冰融冰方案

当气象条件达到防冰要求时进入防冰工况，即通过气象条件判断接触网有可能覆冰时就增加接触网电流，利用焦耳热效应保证线路温度大于0 ℃。通过末端网压约束防冰电流，就能够保证牵引网压始终满足列车运行要求，实现在线防冰[7]。

高速铁路接触网防冰系统原理见图1。牵引变电所供电臂首端及末端分别设置一台静止无功发生器（SVG1和SVG2），SVG1-接触网-SVG2构成防冰回路，电流方向如图1 所示。匹配变压器MT1原边a端子接牵引母线（TB），b 端子接钢轨T。SVG1的e、f端子分别接于匹配变压器MT1次边c、d 端子。匹配变压器MT2原边g 端子接供电臂末端C2，h 端子接钢轨T。SVG2的i、j 端子分别接于匹配变压器MT2次边k、m 端子。SVG2用于发出满足线路防冰要求的无功电流，SVG1输出与线路中性质相反的无功电流，使无功电流在牵引网内循环，保证功率因数达标。

图1 高速铁路接触网防冰系统原理图Fig.1 Principle diagram of anti-icing system for highspeed railway catenary

防冰工况下，由于SVG 投入后会影响到牵引网电压，考虑到列车正常运行时网压的约束，制定如下SVG 工作方案决策：当前SVG2未投入且末端网压U2≥24 kV 时，SVG2吸收感性无功，反之吸收容性无功。若当下SVG2已投入运行，则根据SVG2发出电流在牵引网中的分布以及牵引网阻抗计算出SVG2投入前的实际末端网压。当前SVG2吸收容性无功且≥24.5 kV 时，SVG2切换到吸收感性无功状态，当前SVG2吸收感性无功且≤23.5 kV时，SVG2切换到吸收容性无功状态，反之则保持当前状态。

如果接触线覆冰超过最大容忍覆冰条件[8]，系统进入融冰工况。一方面覆冰严重影响到弓网耦合，即使低速情况下也无法通车；另一方面融冰电流较大导致SVG 容量较大，不够经济。由于装置容量S=UI，融冰电流I受气象条件约束，若想要降低装置容量S，就需要设法降低接触网电压U。

为此，本文提出一种降压融冰方案。高速铁路接触网融冰系统原理图见图2，融冰工况下为降低牵引网电压，首先将供电臂首端C1从牵引母线TB断开接至匹配变压器MT1次边c 端子，匹配变压器MT1次边d 端子接钢轨T，此时牵引网呈低压状态，列车不运行。匹配变压器MT1原边a 端子接牵引母线TB，b 端子接钢轨T，牵引母线TB 经匹配变压器降压为融冰提供电压。SVG1的e、f 端子接MT1次边c、d 端子，SVG1通过匹配变压器MT1间接从牵引母线TB 取电。负馈线首端F2接SVG1的f 端子。SVG2的i 端子接至供电臂末端C2，j 端子接至负馈线末端F2。匹配变压器MT2及自耦变压器退出运行。SVG1-接触网-SVG2构成融冰回路，电流流动方向如图2 所示。SVG1与SVG2配合保证线路中电流达到融冰要求。本融冰方案在融冰电流一定的情况下将接触网首端电压从27.5 kV 降至防融冰装置匹配变压器低压侧电压，从而有效降低防融冰装置容量。

图2 高速铁路接触网融冰系统原理图Fig.2 Principle diagram of ice-melting system for highspeed railway catenary

不防冰融冰时，SVG 进入调压工况保证牵引网电压。综上所述，防融冰设备工作方案决策流程见图3。

2 接触网防冰融冰电流决策

2.1 临界防冰融冰电流计算

通过建立接触线热平衡方程[9-10]，对各热量项进行分析得到临界防冰电流，公式为

式中：r为单位长度导线电阻率，Ω/m；Ta、Ts分别为环境温度和接触线表面温度，K；h为对流换热系数，J/（m2·K）；d为小水滴直径，m；α1、α2分别为碰撞系数与捕获系数；v为风速，m/s；w为空气中液态水含量，g/cm3；cw为水的比热容，取4.216 kJ（kg·K）；τ为相对于黑体的总辐射系数，取0.95；σ为玻尔兹曼常数，取5.76×10-8W·m-2·K-4；ε为水汽分子的比重，取0.622（干燥时）；Le为水汽化潜热，取2 260 kJ/kg（0℃）；ca为空气比热容，取1 005 J/（kg·K）；pa为大气压强，取1 013.25 hPa；e（t）为温度t时的饱和水气压，hPa。方案决策流程见图3。

图3 方案决策流程图Fig.3 Flow chart of decision making of scheme

对融冰的的主要传热过程进行分析[11]，得到了临界融冰电流以及融冰时间，公式为

式中：I为接触线电流，A；Lf为冰融化的潜热，取332 499+2 320×（T-273）J/kg；Vm为融化冰层的体积，m3；Ti为冰层外表面温度，K；λi为冰层传热系数，取2.22 W/（m·K）；Rc为导线半径，m；di为覆冰厚度，m；Ri为Rc与di之和；Vi=π（（di/2）2-Rc2）为冰层体积，m3；ρi为冰层密度，取0.9×103kg/m3；Ci为冰层的比热容，取2.1×103J/（kg·℃）。

根据临界防冰电流的计算公式（1），设定空气液态水含量为0.25 g/cm3，绘制临界防冰电流与风速和温度的关系见图4。从图4 中可以看出，温度一定的情况下，接触线临界防冰电流随风速增大而增大；风速一定时，接触线临界防冰电流随温度的降低而增大。临界融冰电流与临界防冰电流趋势类似。

图4 接触线临界防冰电流与风速、温度的关系Fig.4 Relationship between critical anti-icing current of contact wire，wind speed and temperature

2.2 全并联AT供电方式下在线防冰电流决策

以末端网压为控制目标的防冰电流决策包含以下几个方面：1）全并联复线AT 供电系统长回路与短回路电流均大于临界防冰电流Ic；2）以末端网压判断SVG2吸收电流性质，末端网压应能够保证列车正常运行[12-16]；3）接触网电流不得超过导线载流量Ia。承力索JTMH120、接触线CTMH150 的载流量推荐标准见表1[17-18]。

表1 导线载流量Table 1 Current-carrying capacity of wire

图5 为防冰系统投入后全并联AT 供电系统电流分布[19]，设接触网首端电压为U1=U1∠0°，U1为牵引母线额定电压，取U1=27.5 kV。SVG2吸收电流为I2∠θ。末端网压为U2=U2∠θ±90°（-表示SVG2吸收容性电流，+表示SVG2吸收感性电流）。列车取流为Iload=Iload∠φ。为保证防冰效果，长回路和短回路内电流均大于临界防冰电流Ic。

图5 防冰系统投入后全并联AT供电系统电流分布Fig.5 Current distribution of full parallel AT power supply system after operation of anti-icing system

（前3 式+表示SVG2吸收容性无功，-表示SVG2吸收感性无功，第4 式相反）

式中：x为列车与第1 个AT 的距离，m；D为一个AT 段的长度，m。

解不等式（4），可得SVG2吸收容性电流时I2的取值下限I2C始终为

为消去机车位置参量x，须找出机车在区间内行驶需要投入防冰电流的最大值。分析式（5），I2C的最大值出现在x=4DIctanψ/Iload，如果x=D，则I2C最大，代入到式（5）中即可得到SVG2吸收容性无功时保证全线防冰应投入的电流。

同理可得SVG2吸收感性电流时I2的取值范围，综合式（7）和式（8），取二者中最大值作为SVG2吸收感性电流时的取值下限I2L。

图3 中的线路电压方程为

即

SVG2吸收感性无功电流时

解得SVG2吸收感性无功时防冰电流I2与末端网压U2的关系为

同理可得SVG2吸收容性无功时防冰电流I2与末端网压U2的关系为

假定供电区间长度l2=20 km，机车距离牵引变电所l1=12 km，接触线及负馈线单位阻抗ZC=ZF=0.202 9+j0.873 6，接触线负馈线单位互阻抗ZCF=0.05+j0.313 7，列车电流Iload取0～800 A，cosφ=0.95。接触线和承力索分别采用CTMH150 和JTMH120，接触线的结构高度h=1 600 mm，承力索的最大驰度fm=600 mm，其中承力索为载流承力索，对接触线起分流作用，利用Carson 公式计算可得接触线与承力索电流分配比为1/0.89，根据表1，接触网电流不能超过849 A。

当SVG2吸收感性无功电流时，导线载流量Ia、末端网压U2、临界防冰电流Ic与SVG2指令电流I2取值范围关系见图6。

图6 SVG2吸收感性无功电流取值范围Fig.6 Range of inductive reactive current absorbed by SVG2

当SVG2吸收感性无功电流I2时，末端网压U2和导线载流量Ia约束I2的取值上限I2_H，临界防冰电流Ic约束I2的取值下限I2_L，三者交点下方构成三角形阴影区域内的I2可以同时保证：1）网压满足机车运行要求；2）牵引网内每段电流均大于临界防冰电流；3）接触网电流不超过导线载流量。如不能同时满足，则优先保证末端网压以及导线载流量，暂时牺牲防冰效果。U2随着I2_H的增加而降低，当U2为19 kV 时I2取最大值。I2_L随着Ic的增大而增大，其中由于I2L以机车位置为自变量求取了极值，所以在部分不同情况下I2L取值一致，图6 中机车取流为400 A、600 A 与800 A的情况重合。有车时防冰电流由SVG2电流和列车电流共同组成，空载时防冰电流则全部由SVG2提供。

2.3 防融冰装置控制策略

SVG2发出满足线路防冰、融冰及调压要求的无功电流，其控制原理见图7，防冰电流决策模块根据气象条件m、线路参数x、末端网压u2（t）及导线载流量Ia输出SVG2的无功电流指令分量iq（t）*。为稳定直流侧电压，将直流侧电压指令值Ud*与瞬时值Ud做差，经过PI 调节得到SVG1的有功电流指令分量ip（t）*。有功分量与无功分量相减得到指令电流i2（t）*，与变流器实际输出电流iL（t）送入滞环比较器比较得到SVG2的触发脉冲[20-21]。SVG1采用有功无功分离法补偿牵引网中的无功电流，与现有的无功补偿设备类似。

我国刑法第三百六十条规定，明知自己患有梅毒、淋病等严重性病卖淫、嫖娼的，处五年以下有期徒刑、拘役或管制，并处罚金。

图7 SVG2 控制策略Fig.7 Control strategy of SVG2

3 仿真分析

3.1 防冰方案仿真分析

在Matlab/Simulink 上搭建防融冰装置和全并联AT 牵引供电系统的综合仿真模型。两个AT 段上下行共有4 辆列车，列车及牵引网参数与2.2 节相同。

设定空气液态水含量0.25 g/cm3，过冷却小水滴直径为15 μm，风速为2 m/s，温度为-0.5℃，由式（1）计算可得接触线临界防冰电流为70.02 A，由接触线-承力索电流分配系数计算可得接触网电流为132.34 A，根据2.2 节内容设置SVG2指令电流为600 A，仿真参数见表2。

表2 仿真参数Table 2 Simulation parameters

负载电流、末端网压、SVG2电流及接触网电流有效值见图8。

图8 负载电流、末端网压、SVG2电流及接触网电流有效值Fig.8 Load current、voltage of the terminal point、current of SVG2 and catenary current RMS

可以看出，0.2 s 时投入防融冰装置，此时末端网压低于24 kV，且接触网最小电流为75 A，小于临界防冰电流，SVG2吸收600 A 的容性无功电流，末端网压由22.5 kV 抬升至25.5 kV，同时，接触网电流最小值提高到200 A，达到了防冰要求。0.4 s 时切除负载，负载电流变化为0，此时扣除SVG 补偿效果的末端网压高于24.5 kV，SVG2 转换为吸收感性无功电流，电流相位发生突变，暂态过程结束后网压依然为25.5 kV，接触网电流最小值仍满足防冰要求。可见SVG2可以根据末端网压在容性感性两种状态下迅速转换，并且末端网压始终满足列车运行要求，实现了在线防冰，证明了防冰方案和防冰电流决策的有效性。

SVG1的电流见图9，可以看出，SVG1始终补偿容性电流，0.2～0.4 s 时SVG1与SVG2一起补偿列车无功，0.4 s 负载切除后补偿SVG2发出的无功，使无功电流在SVG1-接触网-SVG2中循环。

牵引变电所公共接入点的功率因数见图10，投入防融冰装置前，功率因数小于0.9，未达到电能质量要求，投入防融冰装之后，功率因数接近于1，证明了SVG1控制方法的正确性。

图10 功率因数Fig.10 Power factor

3.2 融冰方案仿真分析

融冰时将接触线、负馈线从牵引变电所处断开连接至首端匹配变压器低压侧，SVG2接在末端接触线与负馈线之间，SVG2匹配变压器退出运行，SVG1-接触网-SVG2构成融冰回路，牵引网呈低压状态。

设定空气液态水含量0.5 g/cm3，过冷却小水滴直径为15 μm。风速为3m/s，温度为-2℃，接触线覆冰厚度5 mm，由式（2）接触线临界融冰电流为121.67 A，接触线融冰电流采用211.6 A，由接触线-承力索电流分配系数计算可得接触网电流为400 A。

SVG1及SVG2电流见图11，接触网电流有效值见图12。从图11 和图12 中可看出，融冰时SVG1和SVG2的电流方向相反，无功电流在SVG1-接触网-SVG2间循环，使得接触网中的电流有效值达到了融冰电流要求。融冰时，接触网首端电压降至首端匹配变压器低压侧电压10 000 V，融冰电流一定的情况下，相比于27.5 kV 的接触网电压，防融冰装置的容量可减少2.75 倍。

图11 SVG1及SVG2电流Fig.11 Current of SVG1 and SVG2

图12 接触网电流有效值Fig.12 Catenary current RMS

4 结语

本文提出一种基于SVG 的高速铁路接触网在线防冰与降压融冰相结合的方案，防冰时以末端网压判断SVG 的工作状态，防冰电流决策决定SVG输出电流大小，防冰的同时保证列车正常运行。融冰时将接触网断电连接至SVG1匹配变压器的二次侧，牵引网呈低压状态，能够有效降低装置容量，提高融冰效率。