城市轨道交通接触网融冰技术研究

城市轨道交通接触网融冰技术研究

杜雷

西安市轨道交通集团有限公司运营分公司  陕西省西安市  710016

摘要:接触网是牵引供电系统的重要组成部分。接触网通常暴露在室外，容易受到覆冰影响，而接触网的覆冰会破坏弓网关系，造成弓网虚接，从而引起导线烧断、设备损坏和列车停运等后果。基于此，本文主要就城市轨道交通接触网融冰技术进行了分析。

关键词：城市轨道交通；接触网；融冰

引言

接触网是为列车牵引提供电能的重要供电设施，当接触网表面出现覆冰时，会严重影响受电弓的正常取流，降低列车供电可靠性，从而威胁行车安全。为了更好地解决地铁接触网覆冰问题，并进一步优化地铁供电系统结构，研究同时具有牵引与回馈功能特点的供电设备将成为发展趋势。

1接触网覆冰分析

在环境温度低于0℃时，空气流场带动液态水碰撞导线，这是造成导线覆冰的主要原因。由此可知，环境温度、风速、水滴、导线面积与碰撞系数决定了接触网覆冰的严重程度，而环境温度会影响水滴冷却程度，风速与导线面积会影响碰撞系数，各因素之间存在一定的耦合关系。

空气流场主要分为层流和湍流，层流为一种理想的流体运动状态，而对于外界环境，流体运动状态通常为湍流形式，结合地铁的运行环境，接触网覆冰主要受温度、空气含水量和风速的影响。在温度和含水量一定时，列车运行会使风速和风向发生明显变化，导致接触网上表面与垂直截面覆冰较下表面厚，且在接触网分段连接部分更加严重，在一定程度上增加了受电弓的机械损伤风险。

2城市轨道交通接触网融冰技术

2.1热力除冰法

热力除冰法是目前应用最为广泛的除冰方法，即以导线为负载，通以大电流，利用焦耳热除冰。当电气化铁路供电臂上有列车通过时，此时牵引网中有电流流过具有一定的防冰效果。但此时的牵引网中电流由机车取流决定，并不一定能够完全满足防冰或融冰需要，因此需要在牵引网中加入可控的感性或容性无功源。

2.1.1交流融冰技术

交流融冰技术的融冰电源一般使用牵引变电所的变压器，电铁接触网上行接触线连接牵引变电所馈线，下行接触线连接变电所地线以形成融冰回路。同样的，融冰电流应该足够大以实现融冰，同时也应该调整线路参数来约束融冰电流，避免电流过大损毁线路与设备。交流融冰也可用固定式融冰装置和移动式。国内的输电线路以交流形式为主，其覆盖面积广，线路长，使用交流融冰技术可以就地取材，因此对于主网和固定覆冰严重区域可以使用固定式的交流融冰装置。固定式交流融冰方式融冰容量大，效果显著。其通过各开关的动作完成整个装置的工作状态转换，并在工作时提供足够的融冰电流。通常固定式的装置往往受到环境限制，并且需要周边电力的长期供应。

2.1.2直流融冰技术

接触网交流融冰装置需要直接与牵引变电所相连组成回路，因此大多受到牵引变电所地理区域限制，使用的地理范围受限，并且相关设备与系统的维护工作量大。直流融冰技术在交流融冰上需要额外整流。使用牵引变电所的牵引变压器提供融冰电力，使用配套的整流装置将电铁接触网与融冰线路连接。整流装置可以采用基于绝缘栅双极性晶体管的设备等进行配置。接触网的直流融冰不直接与牵引变电所地线相接，因此对牵引变电所的抗电磁干扰能力强，同时相对交流融冰方法机动性更强，应用的地理范围更大；装置容量比交流融冰方式小；可以使用整流设备进行融冰电流的控制，其对不同线路与融冰电源的适应性更高，融冰电流的调节能力与稳定性更好。融冰电源一般直接使用线路附近的交流电力系统，使用整流相关装置产生直流融冰电流，同时配合相关的调节期间控制直流融冰电流的大小与稳定性，经过滤波装置改善直流融冰电流的波形，消除谐波。直流电铁接触网融冰技术机动性更强。为了适应不同的融冰环境，其融冰电流的输出能力应该具有容量大、精度高和可调节性强等特点；同时应该配置更完善的保护系统，预防电压电流失稳、温度过高等现象；具有完善的监测、通信与控制功能，可以远程操作并预警。

2.1.3在线防冰

在接触网的两端安装静止无功补偿器，由终端控制器判断机车通过状态并控制首末端SVG的无功调节行为，保证铁路网的功率因数，由此控制接触网中的无功融冰电流。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可能覆冰时就增加接触网无功电流，利用焦耳热保证线路温度大于0℃使冰雪无法积覆。通过末端网压约束防冰电流，就能够保证牵引网电压始终满足列车运行要求，实现在线防冰。

防冰工况下，末端防冰设备吸收感性无功电流，使线路中的电流有效值达到防冰要求。首端防冰设备输出与线路中性质相反的无功电流，使得无功电流在牵引网内循环，保证功率因数达标。

如果接触线覆冰超过最大容忍覆冰条件，即接触线覆冰厚度超过3.2mm，系统进入融冰工况。一方面此时覆冰严重影响到弓网耦合，即使低速情况下也无法通车；另一方面由于融冰电流往往大于防冰电流，同一套装置需要实现防冰融冰功能，装置容量取决于防冰工况和融冰工况下容量需求大的一方，在防冰为主，融冰为辅的运行模式下是不经济的。装置容量S=UI，融冰电流I受气象条件约束，想要降低融冰工况下装置容量S，就需要设法降低接触网电压U。

在部分极端气象条件下，接触线需要的防冰电流大于防冰装置所能提供的电流而造成接触线覆冰，且覆冰厚度超过3.2mm时，装置进入融冰工况。不防冰融冰时，防融冰设备可用于调压及补偿无功。

2.2机械除冰法

其原理是利用各种机械动力使冰产生应力破坏从导线上脱落。目前有滑轮碾压铲刮法、电脉冲除冰法、电磁力除冰法和强力振动法等。滑轮碾压铲刮法是目前应用比较广泛的机械除冰法。除冰时，地面工作人员拉动输电线路上的滑轮使导线弯曲，从而使覆冰脱落。该方法除冰效率不高且容易受地形限制。强力振动法是在电缆上螺旋缠绕一对导线，导线一端连接在电磁脉冲发生装置上，另一端短接。导线中产生的电磁力使线路振动从而使覆冰脱落。该方法需要单独加振动源容易使线缆疲劳，不适用于工程实际。

2.3自然脱冰法

通常做法是在导线上安装阻雪环、平衡锤等装置，使导线上覆冰堆积到一定程度时，在风或其他自然力的作用下自行脱落。同时兼有简单易行和低成本的特点。但这种方法脱冰时产生的不平衡张力极易使导线舞动。

融冰过程需要消耗线路能量，并且会带来线路发热等问题，通常在线路覆冰厚度达到一定要求时才会启动融冰装置。当出现下列情况之一，应终止融冰：融冰过程中输电线路覆冰已脱落；导线某处升温异常；融冰回路中某个或多个设备温度超过允许范围；融冰装置发生过热、燃烧、放电等异常现象或出现报警。

结束语

接触网覆冰对地铁供电系统的可靠运行及行车安全构成严重威胁。本文分析了接触网覆冰形成特性，分析了接触网融冰技术。融冰电流越大，系统进入稳态的时间越长。在之后的研究中，可以通过使用不同的融冰电路，提高交直流融冰设备的融冰性能与运营稳定性；此外，还应该注重提高融冰设备在不同覆冰条件、不同自然环境下的适用性和机动性，进一步扩大融冰设备的实际应用价值。

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