接触网交流在线防冰与离线融冰原理研究

李 岗，郭 华

0 引言

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。因此，覆冰是一种特定气象条件下产生的冰冻现象，如果在架空导线上大面积形成覆冰，会导致杆塔倾倒、导线覆冰舞动或断裂，将直接影响架空线路的正常安全运行。对电气化铁路而言，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。世界上不少国家如美国、加拿大、俄罗斯、法国、日本等都曾发生过严重的冰雪灾害。2008年初国内南方部分地区也发生了罕见的冻雨及冰雪灾害，造成了巨大的经济损失[1～2]。

国内外输电线路采用的除冰方法有多种，按照除冰原理可以分为热力除冰，机械除冰、被动除冰及电子冻结、电晕放电等[1]。机械除冰法是直接使用刮刀、滚筒、棍子等除冰，机械法除冰的效率比较低[3]。热力除冰是世界上公认的最有效的除冰技术，采用焦耳效应融冰原理，利用电流加热覆冰导线进行除冰[1]。本文研究的正是效率较高的热力除冰。当然，由于电气化铁路固有的运行特点，列车运行时接触线有电流通过，不易结冰。但客运专线的运行模式有别于传统的电气化铁道，大多采用夜间停电综合维修方式，这样就有相当长的时间没有列车运行，气温较低时会造成接触线出现覆冰现象，天气特别恶劣时，列车通过的间隙也能在接触网形成覆冰。根据日本的接触线防冰冻经验，接触线在同时符合气温0℃以下、湿度86%以上、风速3 m/s以下等3个条件的情况时会产生冰冻现象，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[4]。

针对国内客运专线运行的特点，本文研究了接触网交流在线防冰与离线融冰原理，提出了在保证区间至少有一辆列车运行的情况下，防止接触网覆冰的交流在线防冰理念；如果由于天气急剧恶化或其他因素导致接触网已经覆冰，必须加大接触网通过电流，融化覆冰，融冰时，机车不能正常取流、通过区间，只能离线融冰。

1 防冰与融冰原理分析

为了节省投资，一般不增设防冰与融冰（以下简称防融冰）用变压器，而是以牵引变压器为融冰电源。当区间没有列车通过时，整个接触网不能形成回路，接触网也没有电流通过，因此，必须搭建接触网融冰回路。可以利用上行接触线/下行接触线与钢轨组建融冰回路，融冰系统安装在分区所，如图1所示[5]。可以单独对上行线或下行线进行防冰或融冰，也可以并联上下行线，同时融冰。

图1 系统安装在分区所，防冰与融冰回路示意图

为防止融冰时烧损接触网，影响供电安全，需在融冰回路接触网固有阻抗基础上增加限流电阻器或限流电抗器，以控制防融冰电流，考虑到接触网的感性特性，一般不采用电容器限流。融冰设备阻抗的大小、线路长度及单位阻抗、牵引变压器容量、接触网运行方式、AT变压器漏阻抗、运行机车功率等诸多因素综合在一起决定了防冰与融冰电流的大小。单线AT供电方式牵引供电系统简化电路如图2所示[6]。

图2 牵引网回路分析图

根据图2，可以建立方程（1）。

式中，Zs为系统阻抗，ZT为变压器阻抗，Z1为等值的接触线阻抗，Z2为等值钢轨（地）回路阻抗，Z3为等值正馈线阻抗，D1为牵引变电所至机车距离，D2为机车距分区所的距离。取系统最小运行方式正序阻抗标幺值为0.189 1，则折算至27.5 kV侧系统阻抗Zs为 0.189 1×(27.5×27.5/100)×2i。取变压器容量为63 MV·A，折算至27.5 kV侧变压器阻抗ZT为(27.5×27.5)×0.105/63i。AT变压器漏阻抗Zg为 0.45i，T线单位自阻抗Zt= 0.1465 +0.589i，地回路单位自阻抗Zr= 0.084 2 + 0.407i，F线单位自阻抗Zf= 0.145 2 + 0.713i，T线与地回路之间的单位互阻抗Ztr= 0.05 + 0.315i，T线与F线之间的单位互阻抗Ztf= 0.05 + 0.332i，F线与地回路之间的单位互阻抗Zfr= 0.05 + 0.3i，则等值接触线、等值地回路、等值正馈线单位阻抗分别为

取接触线与承力索的分流系数为0.55，供电臂长度为30 km，机车功率为4.8 MW。

2 防融冰方案分析

2.1 限流器采用电阻方案

限流器采用电阻，机车运行至区间末端时，根据式（1）与式（2），可以求出机车电压与限流电阻值的关系（图 3）、机车电压与机车距变电所距离m关系（图4）。

从图3可以看出，当限流电阻值为20 Ω时，机车电压为 19.5 kV，因此，当限流电阻值大于20 Ω时，列车可以安全通过整个区间。考虑到安全性与可靠性，取限流电阻值为 25 Ω，当机车通过防冰区间时，机车电压与机车距牵引变电所的距离关系如图4所示。从图4可以看出，当机车运行至接触网末端时，机车电压降到21.3 kV，不影响列车通行。

图3 机车电压与限流电阻值关系图

图4 机车电压与机车距变电所距离关系图

当防融冰区间没有列车通过时，接触线防融冰电流与限流电阻的关系如图5所示，从图5可以看出，限流电阻值小于 30 Ω时，通过接触线的电流超过250 A，能防止覆冰，当限流电阻值小于15 Ω后，融冰电流会超过400 A，进入融冰状态，此时，机车电压不足19 kV，机车不能安全通过区间，只能离线融冰。

无论防冰或融冰、机车在线或离线，不同情况下要求变压器输出的功率是不同的，所要求的视在功率不能超过变压器容量的一半。当区间没有机车，不同的限流电阻与要求的变压器输出功率如图6所示，要求变压器输出功率不超过27.5 MV·A，小于变压器容量63 MA·V的一半。取限流电阻值为 25 Ω，机车在区间运行，机车运行位置与要求变压器输出功率如图7所示。当机车运行至变电所近端时，要求变压器输出功率最高，但也不超过27.5 MV·A。

图5 接触线防融冰电流与限流电阻值关系图

图6 变压器输出功率与限流电阻值关系图

图7 变压器输出功率与机车距变电所距离关系图

2.2 限流器采用电抗方案

限流器采用电抗器，机车运行至区间末端时，根据式（1）与式（2），可以求出机车电压与限流电抗值的关系如图8所示，从图8可以看出，当电抗值大于35 Ω后，机车电压超过19.2 kV，机车才能安全通过区间。当区间没有列车运行时，防融冰电流与限流电抗值的关系如图9所示。可以看出，当电抗值小于8 Ω时，接触线电流会超过400 A，能融化覆冰；当电抗值大于 35 Ω后，接触线电流小于180 A，不能防覆；当电抗值达到20 Ω时，接触线电流会达到256 A，可以防冰，但从图8可知，此时接触网末端的机车电压已不足16 kV，不能在线防冰，只能离线防冰。

图8 机车电压与限流电抗值的关系图

图9 接触线电流与限流电抗值的关系图

综上所述，无论采用限流电阻还是限流电抗，都可以通过控制限流器阻抗值的大小，促使整个防融冰回路的阻抗发生变化，进而改变防融冰电流的大小，实现离线防冰与融冰的功能，但电阻限流方案还能够在保证一列机车安全运行的情况下实现在线防冰功能，如果由于天气急剧恶化或其他因素导致接触网已经覆冰，通过降低限流电阻器的阻值，加大接触网通过电流，达到融化覆冰。融冰时，机车不能正常取流、通过区间，只能离线融冰。

3 结论

接触网覆冰是一种自然灾害，本文通过在接触网末端加限流器，依据现有的牵引供电系统组建防融冰回路，并建立牵引供电网络回路简化模型，依据模型分析了接触网交流“在线防冰、离线融冰”原理理论，比较研究了电阻器限流模式与电抗器限流模式防融冰方案。根据天气恶劣状况，通过控制限流器阻抗值的大小，促使整个防融冰回路的阻抗发生变化，进而改变防融冰电流的大小，实现离线防冰与融冰的功能，但电阻限流方案还能够在保证一列机车安全运行的情况下实现在线防冰功能，且电阻器限流不会降低接触网供电系统的功率因数，不会向电力系统注入无功功率，是一种较理想的防冰与融冰方案。

[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]山霞，舒乃秋.关于架空输电线除冰措施的研究[J].高电压技术，2006，32（4）：25-27.

[4]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.

[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]辛成山.AT供电系统等值电路推导方法[J].电气化铁道，1999，（1）：17-20.