铁路接触网在线防融冰装置（SVC型）的研制

蒋汶兵，支正轩，杨代刚，赵禄山，李成龙，郭 毅，冯新伟，石 琦

0 引言

作为牵引供电系统的重要组成部分，接触网直接裸露于空气中，极易受气候、地形等外部因素影响。在高寒、高湿地区，接触网覆冰现象频发，严重影响铁路安全运行。目前的接触网除冰主要分为机械除冰和热力除冰两大类。机械除冰分为电磁脉冲除冰和人工除冰，其中电磁脉冲除冰是利用冲击电流使导线震动，促使覆冰脱离，该方法与主流的热力除冰相比，效率低、代价高，易产生接触网震动。热力融冰主要分为电阻丝热力融冰、直流融冰、交流融冰。电阻丝热力融冰采用内置绝缘发热电阻丝的专用接触网实现加热融化覆冰，为此需要特殊接触网导线，成本高。直流融冰对覆冰电路施加较低的直流电流实现融冰，与交流融冰相比，只能在无机车运行的情况下进行离线融冰，影响铁路机车的调度和运行。交流融冰通过短路或其他方式使接触网流过大的交流电流进而使导线自身发热实现融冰，相比直流融冰，交流融冰可以实现机车在线防冰和机车离线重载融冰，避免了机车停运[1]。

本文介绍基于交流方式对接触网进行融冰的方法，通过对接触网周边与沿面气流场的分析、覆冰来源水滴的受力分析和动量平衡分析，建立水滴运动轨迹方程，总结接触网水滴局部碰撞率和总体碰撞率的规律，研究接触网覆冰发展及覆冰动态热平衡，同时提出牵引网防/融冰技术参数指标要求。提出防冰过程中电流、电网电压之间的关联机制，验证以允许覆冰强度、接触网温度为控制目标的防融冰电流决策方法，仿真验证系统的相关参数、可行性，并在铁路现场验证装置的融冰效果。

1 接触网覆冰热平衡过程及基础参量计算

基于流体力学，研究空气含水引起接触网覆冰的关键基础参量，建立接触线、承力索、整体吊弦的气流场模型；通过受力分析、动量计算，建立气流场中水滴的运动轨迹，研究水滴在接触网各部件表面的碰撞情况，确定局部碰撞率和总体碰撞率，为覆冰发展及覆冰动态热平衡研究提供基础[2-3]。

建立覆冰热平衡方程，通过分析局部努珊数（Nusselt number，表示对流换热强烈程度的一个无量纲数）分布等特征，推导热平衡方程主要技术参数求取方法，确定各种运行工况下接触网的临界防/融冰电流；研究接触网系统的干增长覆冰和湿增长覆冰过程中覆冰轮廓和覆冰量的变化规律[4]。

方案设计应使融解线路覆冰时通过的电流大于融冰电流，同时小于最大允许电流，并兼顾融冰线路串接设备的通流能力。本项目涉及型号为CTAH-120型接触网（JTMH-95型承力索），考虑到试点后改变融冰地点，涉及到的型号为CTAH-150，已知数据如下：

导线密度ρ0= 8 940 kg/m3；导线比热C0= 400 J/(kg·℃)；线路电阻率Z0= 0.000 226 8 Ω/m；覆冰密度ρ1= 900 kg/m3；覆冰比热C1= 2 100 J/(kg·℃)；覆冰热值K1= 335 000 J/kg；导线半径R0= 5.50 mm(6.18 mm)；覆冰厚度L1= 20 mm；初始温度T1=-5 ℃；融冰时间t= 4 h[5-6]。

根据上述线路情况，得到承力索的最大融冰电流为

确保线路不会结冰的承力索保线电流为

牵引网的最大融冰电流为

该电流下确保线路不会结冰的承力索保线电流为

考虑到承力索和接触网的39.5%，60.5%分流作用，防冰电流最小值为382 A，融冰电流最大值为917 A。也就是说，当通过JTMH-95型承力索和CTAH-120型接触网的电流在382 A≤I≤917 A时，可以保证牵引网的长期正常运行。

最终确定融冰装置的额定电流为400 A，对应晶闸管控制电抗器TCR和固定电容器组融冰装置的容量为11 Mvar。

2 基于SVC的在线防融冰方案

2.1 相关参数计算

针对贵州电气化铁路覆冰严重现状，结合融冰运行特点，兼顾性能与可靠性，开发接触网基于SVC（静止型动态无功补偿装置）的融冰装置。

同一供电臂的接触网并联构成防冰回路，接触网末端并联TCR装置，接触网首段并联电容器补偿无功功率。

如图1所示，安装在双流镇变电所的FC滤波器组与安装在末端的TCR之间的信号与模拟量的交互通过5G通信实现，通信时长小于100 ms，完成了设备之间的联锁跳闸以及分合闸操作等。电容器支路安装容量按14.4 Mvar设计，补偿容量按照27.5 kV母线电压的6.4 Mvar设计，其额定电流为318 A。末端TCR容量按照20 Mvar额定容量设计，在母线电压为27.5 kV时，其额定电流为726 A，由于为TCR型式，因此其电流在0～726 A范围内可任意调节。

图1 现场防融冰单线图

牵引变电所到末端永温站的接触网距离为15 km，接触网的型号为CTAH-120（JTMH-95型承力索），回流线型号为LGJ-185，对整个回路计算其等效阻抗为Z1= (0.096 162 + j0.385 278) Ω/km =0.397∠75.986° Ω/km。

双流镇牵引变电所到末端永温站的距离为15 km，因此实验项目的接触网供电回路等效阻抗为Z2=Z1×15 km = (1.442 + j5.779) Ω。

进而得到线路的等效电阻和电感电抗分别为R2= 1.442 Ω、L2= 18.4 mH。

根据：

ITCR= 1.732Un(2π - 2α+ sin2α)/[πω(LTCR+L2)]

式中：接触网电压Un= 27.5 kV；TCR电流ITCR=726 A；角频率ω= 314 rad/s；TCR触发角α= 125°。代入式中可得LTCR=46.8 mH，即TCR加装的防冰电抗器的电抗值为46.8 mH。

2.2 防融冰控制策略

融冰装置包含5种工作模式：机车运行安全模式、防冰模式、融冰模式、热备用模式、冷备用模式[7-8]。

当线路没有机车运行时，如果接触网线路有结冰现象，铁路现有的覆冰检测装置会通过5G通信模块自动传递覆冰信号给融冰装置，融冰装置根据此信号判断覆冰厚度，进而选择采用防冰或融冰模式。在防冰模式下，TCR产生大于151 A的电流加热接触网进行防冰，在融冰模式下，TCR产生400 A的融冰电流进行融冰。同时融冰装置监测机车负荷电流，如果检测到机车电流，融冰装置立即切换到机车运行安全模式，根据接触网电压和机车电流的变化自动减小防融冰电流至安全电流范围。

热备用式也不需要铁路人员参与操作，当融冰设备判断出无任何覆冰现象时，将自动进入热备用模式，停止脉冲，减少融冰装置的功率损耗。

冷备用模式需铁路人员参与，当天气转暖不再有覆冰现象发生或设备维修时，需要人工分断融冰断路器和融冰隔离刀，将设备转入冷备用状态。

综上所述，铁路融冰装置实现了在线防冰、重载融冰、机车运行安全模式、热备用、冷备用等功能，保证了融冰设备的可用、可靠及铁路运输的稳定可靠。

2.3 仿真模型的建立

现场牵引变压器为单相变压器，110 kV/2×27.5 kV，2路输出，1路为8.8 MV·A，另1路为6.8 MV·A，短路阻抗8.35%。

根据现场变压器的容量、线路参数、并联TCR以及FC的情况搭建PSCAD仿真模型。由于并联电抗为TCR型，因此其感性容量可时刻调节；等效电路的仿真模型如图2所示。图2中标注的感抗容量是6 Mvar，在仿真过程中均进行了调整。

图2 接触网的等效仿真模型

仿真观察并联电抗器/并联电容器组所产生的电流、首端和末端的电压、供电臂上产生的防冰电流值及分布、高压侧有功功率和无功功率；仿真观察电容支路和电抗支路投切过程及投切时刻供电臂电流和电压暂态过程的最大值。

110 kV侧系统短路容量估算：变压器容量S=8.8 MV·A×4×20 = 704 MV·A。供电电压110 kV，系统短路阻抗：0.094 8 H。

将短路阻抗值输入到发电机模型中，分别仿真3、6、9 Mvar的电抗器对应电流和首末端电压，如表1所示。

表1 仿真结果

由仿真结果可知，采用TCR+FC电容器组的交流融冰方式，可以对线路电流进行有效调节，在理论上可以达到融冰的目的，大部分的电流来自于电容和电抗自身的交换。末端装设的TCR容量为20 Mvar，产生的融冰电流可以根据不同现场进行调整，电压也不会抬升，融冰设备安全，对铁路现有设备的绝缘也不产生影响。

3 现场防融冰试验测试

3.1 铁路防融冰现场接触网温升试验

在双流镇牵引变电所安装FC装置，在永温站安装TCR装置进行测试。

HMI界面如图3所示，界面上显示了TCR和FC的信号和模拟量值；2套设备之间通信采用5G通信。

图3 接触网防融冰HMI

融冰试验时的背景环境温度为-0.7 ℃，如图4所示。图中蓝色越深温度越低，红色越深温度越高。升流至400 A，70 min后导线温度如图5所示，显示接触网导线变为红色，温度明显升高，测量温度为11.6 ℃。

图4 接触网未升流前的背景温度

融冰电流在400 A稳定后，每间隔约十几分钟测量1次接触网导线温度，根据温度和时间进行温升曲线绘制，如图6所示。接触网SVC交流融冰的可行性得到验证，为铁路防融冰提供了可行的技术方案。

图6 现场测试的温升曲线

3.2 现场谐波测试与分析

在现场进行谐波测试，牵引所110 kV侧谐波电流及其限值和牵引网末端的谐波电压及其限值分别见表2、表3。可以看出，加装该防融冰装置后谐波含量满足要求。

表2 110 kV侧谐波电流

表3 27.5 kV牵引网末端侧谐波电压

4 结语

本文提出了接触网基于SVC的融冰装置的计算和设计，采用电抗+电容的交流融冰方式，通过现场试验进一步验证此技术方案可以对线路进行有效融冰，引入融冰装置的同时对电能质量的影响及对牵引网沿线的谐波及电压偏差进行研究，确保牵引供电系统的安全，仿真验证了方案的可行性与有效性。

该SVC融冰装置基于并联设计思路，投切过程不改变牵引网和机车的运行状态。成套装置采用断路器进行设备投切，可靠性高。同时采用全数字化控制系统，响应快、控制精度高，采用多种调节控制方式，可实现以覆冰强度、接触网温度为控制目标的融冰电流决策，以及电压和无功联合调节控制或加权联合调节控制。该装置采用分层结构设计，支持多种通信规约，方便接入电气化铁路供电综合自动化系统，真正实现无人值守或集中控制。

该融冰装置可以有效降低牵引网覆冰导致的停运损失，减少接触网导线磨损；同时在铁路运维提质增效、提高供电质量等方面发挥较大的经济与社会效益。