劉若飛 肖梓林 黃文勛 魏 光

（中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安 710043）

接觸網(wǎng)為電力機車輸送電能，是城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)的關(guān)鍵組成設(shè)備。由于露天、沿軌道線路架設(shè)且無備用的特點，接觸網(wǎng)工作性能易受外部條件的影響，尤其是冬季低溫、雨雪等天氣條件下，高架、場段區(qū)間接觸網(wǎng)容易造成大面積覆冰問題，導(dǎo)致電力機車取流受限，甚至引起導(dǎo)線舞動斷裂，嚴重影響城市軌道交通的安全運行[1-3]。

針對接觸網(wǎng)覆冰問題，常用的除冰技術(shù)主要有機械破冰、化學(xué)藥劑、熱力除冰等[4-5]。但上述接觸網(wǎng)融冰方式無法良好地兼顧持續(xù)有效、經(jīng)濟易實施及減少對接觸網(wǎng)性能影響。因此，利用大電流熱力融冰方式，結(jié)合城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成，本文提出一種基于中壓回饋裝置的接觸網(wǎng)在線防（融）冰技術(shù)方案，其利用中壓回饋裝置的可控輸出特性、雙向能量流動的優(yōu)勢，使防（融）冰電流在接觸網(wǎng)和中壓環(huán)網(wǎng)間形成回路流動產(chǎn)生焦耳熱，進而達到接觸網(wǎng)在線防冰的目的。

基于上述方案，文中首先分析了接觸網(wǎng)的覆冰特性及防（融）冰機理，然后給出了接觸網(wǎng)防（融）冰電流計算公式，接著提出了接觸網(wǎng)防（融）冰技術(shù)方案，最后建立了接觸網(wǎng)覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 接觸網(wǎng)覆冰特性及防（融）冰機理分析

1.1 導(dǎo)線覆冰分類與性質(zhì)

導(dǎo)線覆冰按照密度分類有雨凇、霧凇、混合淞及雪幾種；按照覆冰增長過程分類有干增長和濕增長。

1.2 導(dǎo)線覆冰條件分析

1.2.1 導(dǎo)線覆冰的影響因素

導(dǎo)線覆冰主要受地理分布、氣象條件、海拔高度及導(dǎo)線自身等因素影響。

1.2.2 覆冰的形成條件

導(dǎo)線覆冰的形成條件包含：

a.具備凍結(jié)水滴的外界溫度和導(dǎo)線表面溫度，一般在0℃以下。

b.具備較高的空氣相對濕度，通常在85%以上，作為導(dǎo)線覆冰的水來源。

c.具備相應(yīng)的風(fēng)速，通常在1～l0m/s，使空氣中的過冷卻水滴或云霧與導(dǎo)線碰撞被捕獲，進而形成覆冰。

1.3 接觸網(wǎng)覆冰過程及模型

接觸網(wǎng)覆冰是空氣中過冷卻水滴與接觸導(dǎo)線碰撞而出現(xiàn)的物理現(xiàn)象[6]。即，受0℃以下環(huán)境溫度與風(fēng)力共同作用，空氣中大量的過冷卻水滴或云霧碰撞接觸導(dǎo)線并被捕獲，最終經(jīng)熱傳導(dǎo)散熱在導(dǎo)線表面形成覆冰。

圖1 過冷卻水滴碰撞圓柱形導(dǎo)線示意圖

1.4 臨界融冰電流

結(jié)合導(dǎo)線覆冰時的熱平衡方程，可以構(gòu)建導(dǎo)線防（融）冰的物理數(shù)學(xué)模型[7]。接觸網(wǎng)導(dǎo)線流經(jīng)電流產(chǎn)生焦耳熱，熱量傳遞至冰層，冰層表面受熱輻射和對流與外界環(huán)境發(fā)生熱傳遞。其中，導(dǎo)線表面溫度最高，沿著冰層溫度逐步下降，離冰層表面足夠遠處為環(huán)境溫度。融冰的臨界狀態(tài)溫度場圖如圖2 所示。

圖2 融冰的臨界狀態(tài)溫度場圖

由上圖可知，導(dǎo)線融冰包含導(dǎo)線與冰層、冰表面與空氣兩個熱交換過程。當(dāng)兩個熱交換過程達到平衡時，焦耳熱產(chǎn)生的熱量剛好處于臨界融冰狀態(tài)，該時刻的融冰電流定義為接觸導(dǎo)線融冰的臨界電流。因此，依據(jù)融冰臨界電流的定義可知，可以使通過接觸網(wǎng)導(dǎo)線電流大于融冰臨界電流來實現(xiàn)防（融）冰的目的。

2 接觸網(wǎng)防（融）冰電流計算

接觸網(wǎng)大電流防（融）冰基本原理是將覆冰接觸網(wǎng)視作負荷，施加電源，當(dāng)接觸網(wǎng)流過電流產(chǎn)生的焦耳熱多于融冰耗熱量和散熱量總和時，接觸網(wǎng)覆冰融化。因此，接觸網(wǎng)融冰電流的選擇應(yīng)該介于最小融冰電流和最大融冰電流之間，同時充分考慮融冰電流與時間的關(guān)系特性、融冰電源容量等因素，選擇合理大小的融冰電流，實現(xiàn)融化覆冰且減少融冰時間和能耗。

2.1 防結(jié)冰電流計算

防結(jié)冰電流定義為相應(yīng)外界條件下滿足導(dǎo)線不覆冰所需的最小電流，計算如下：

式中：Ib- 防結(jié)冰電流；R0-0℃時導(dǎo)線單位長度電阻，Ω/m；v- 風(fēng)速，m/s；d- 導(dǎo)線直徑，cm；εi- 輻射系數(shù)；t1-導(dǎo)線溫度；t2- 外界溫度。

2.2 最小融冰電流計算

最小融冰電流定義為相應(yīng)外界條件下滿足導(dǎo)線覆冰融化所需的最小電流。該電流下融冰所需時間最長，計算如下：

式中：Imin- 最小導(dǎo)線融冰電流，A；Δt- 導(dǎo)線與外界環(huán)境的溫差，℃；RTO- 冰層等效傳導(dǎo)熱阻，℃·cm/W；RT1-輻射、對流等效熱阻，℃·cm/W；D- 覆冰后導(dǎo)線外徑，cm；λ- 導(dǎo)熱系數(shù)，W/cm·℃；霧凇取0.12×10-2，雨凇取2.27×10-2。

2.3 最大融冰電流計算

最大融冰電流定義為相應(yīng)外界條件下融冰過程中短時達到導(dǎo)線允許溫度所需的最大電流，計算如下：

式中：Imax- 最大融冰電流，A；R90- 導(dǎo)線溫度為90℃時的單位長度電阻，Ω/m。

2.4 融冰電流計算

融冰電流定義為相應(yīng)外界條件下使覆冰導(dǎo)線融化所需的電流，計算如下：

式中：Ir- 融冰電流，A；Tr- 融冰時間，h；go- 覆冰相對密度，g/cm3，一般取0.9；b- 覆冰厚度，cm。

3 接觸網(wǎng)防（融）冰方案設(shè)計

利用大電流熱力融冰方式，結(jié)合城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成，本文提出一種基于中壓回饋裝置的接觸網(wǎng)在線防（融）冰技術(shù)方案，該方案充分利用中壓回饋裝置的可控輸出特性、雙向能量流通的優(yōu)勢[8]，采用整流機組和中壓回饋裝置之間的不同組合，在中壓環(huán)網(wǎng)與接觸網(wǎng)之間形成不同的能量循環(huán)回路，在接觸網(wǎng)導(dǎo)線產(chǎn)生焦耳熱來融化覆冰。根據(jù)實際情況，本節(jié)劃分了如下四種能量循環(huán)回路。

3.1 整流機組與中壓回饋裝置間能量循環(huán)

該方式下能量循環(huán)回路示意如圖3 所示。牽引所1的整理機組運行于整流模式為接觸網(wǎng)提供直流電源，牽引所2 的中壓回饋裝置運行于逆變模式將電流回饋至中壓環(huán)網(wǎng)形成回路。其中，牽引所1 與牽引所2 之間即為接觸網(wǎng)防（融）冰區(qū)段。

圖3 整流機組與中壓回饋裝置間能量循環(huán)回路示意圖

由于目前大部分運行的中壓能饋裝置僅工作于逆變回饋功能，因此上述方式適用于現(xiàn)階段的防冰系統(tǒng)。

3.2 中壓回饋裝置之間能量循環(huán)

該方式下能量循環(huán)回路示意如圖4 所示。牽引所1中壓回饋裝置運行于整流模式為接觸網(wǎng)提供直流電源，牽引所2 中壓回饋裝置運行于逆變模式將電流回饋至中壓環(huán)網(wǎng)形成回路。其中，牽引所1 與牽引所2 之間即為接觸網(wǎng)防（融）冰區(qū)段。

圖4 中壓回饋裝置之間能量循環(huán)回路示意圖

中壓回饋裝置由于其可控輸出特性、雙向能量流通特性逐漸成為城軌牽引供電系統(tǒng)的發(fā)展方向，因此上述方式適用于可實現(xiàn)雙向變流的中壓回饋裝置的防冰系統(tǒng)。

3.3 三個牽引所雙邊能量循環(huán)

該方式下能量循環(huán)回路示意如圖5 所示。當(dāng)接觸網(wǎng)防（融）冰區(qū)間較長時，接觸網(wǎng)上防（融）冰電流通過會出現(xiàn)較大電壓降落，影響中壓回饋裝置穩(wěn)定運行。因此，提出三個牽引所雙邊能量循環(huán)方案，牽引所2 整流機組運行于整流模式為接觸網(wǎng)提供直流電源，牽引所1 和牽引所3 中壓回饋裝置均運行于逆變模式將電流回饋至中壓環(huán)網(wǎng)形成回路。其中，牽引所1 與牽引所3 之間即為接觸網(wǎng)防（融）冰區(qū)段。

圖5 三個牽引所雙邊能量循環(huán)回路示意圖

3.4 三牽引所單邊能量循環(huán)

該方式下能量循環(huán)回路示意如圖6 所示。在困難條件下，牽引所的中壓回饋裝置由于容量有限不能適應(yīng)接觸網(wǎng)的防（融）冰電流的需要，可采取多個牽引所的協(xié)同工作來實現(xiàn)接觸網(wǎng)防（融）冰電流的需要。以三個牽引所為例分析，牽引所1 整流機組運行于整流模式為接觸網(wǎng)提供直流電源，牽引所2 和牽引所3 中壓回饋裝置運行于逆變模式將電流回饋至中壓環(huán)網(wǎng)形成回路。其中，牽引所1 與牽引所3 之間即為接觸網(wǎng)防（融）冰區(qū)段。

圖6 三牽引所單邊能量循環(huán)回路示意圖

4 接觸網(wǎng)覆冰監(jiān)測（預(yù)警）系統(tǒng)

接觸網(wǎng)覆冰監(jiān)測（預(yù)警）系統(tǒng)如圖7 所示，主要包含監(jiān)控層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)庫及客戶端。其可以對接觸網(wǎng)導(dǎo)線溫度、運行環(huán)境進行實時監(jiān)測；利用智能化視頻識別算法、覆冰計算模型，在線自動監(jiān)測、預(yù)警接觸網(wǎng)覆冰情況；采取多種接口方式，與路內(nèi)其他監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)融合。

圖7 接觸網(wǎng)覆冰監(jiān)測（預(yù)警）系統(tǒng)示意圖

其中，數(shù)據(jù)庫專家系統(tǒng)依據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測環(huán)境參數(shù)對接觸網(wǎng)覆冰進行預(yù)判；在確認接觸網(wǎng)覆冰后，專家系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測環(huán)境參數(shù)、覆冰厚度等參數(shù)，為運營維護單位提供輔助的接觸網(wǎng)防（融）冰投切預(yù)案。

5 結(jié)論

針對城市軌道交通接觸網(wǎng)覆冰問題，本文分析了接觸網(wǎng)的覆冰特性及防（融）冰機理，給出了接觸網(wǎng)防（融）冰電流的計算公式，并結(jié)合城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成，提出了一種基于中壓回饋裝置的在線防（融）冰技術(shù)方案，該方案無需額外新增設(shè)備，且提高了中壓回饋裝置利用率，具有控制靈活，可靠性高的優(yōu)點，最后構(gòu)建了接觸網(wǎng)覆冰監(jiān)測（預(yù)警）系統(tǒng)，實現(xiàn)在線自動監(jiān)測和預(yù)警功能。