基于接触网覆冰机理及其防冰方法研究

基于接触网覆冰机理及其防冰方法研究
作者：赵慧鹏
来源：《科技资讯》2014年第13期
摘要：接触网是电气化铁路牵引网的重要组成部分，接触网覆冰是一种严寒天气时所产生的自然现象，与气候有着密切关系。

若接触网大面积形成覆冰，直接影响电气化铁路的安全运行。

因此，探究接触网覆冰防冰方法具有重要意义。

本文首先阐述接触覆冰机理及危害，然后探讨其防冰方法。

关键词：接触网覆冰机理再线防冰
中图分类号：U22 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（a）-0123-02
近几年来，伴随着我国电气化铁路的不断发展，一些较大规模的重载铁路线路延伸到高海拔、低温及高湿度地区，例如：朔黄铁路跨越横山、云中山、沿滹沱河峡谷穿越太行山，此类区域极易发生覆冰现象，长时间导致列车无法运行、降低接触网的可靠性及安全性、影响弓网的收流质量，使得接触网在线防冰迫在眉睫。

同时，如何确保列车或货运重载车在此区域运行的安全已受到各界人士重视，引起广泛关注。

1 接触网覆冰机理及危害
通常情况，覆冰状态主要是由气候条件造成的，其中温度、空气中液态水含量及风向、风速是重要因素。

当空气中有足够的液态水时，同时受到较大风速影响，使空气中的液态水受冷，与接触网相接触，加上温度低于0℃，极易使小水滴冷固，进而在接触网上形成一层厚厚的覆冰。

从这一角度来看，接触网覆冰是一种物理现象，一方面是流体力学的过程，主要是因为捕获气体中过度冷却的水滴进而发生的现象；另一方面也是热力学的过程。

液态过冷却水滴释放热量而固化的物理现象。

其覆冰的厚度及密度与覆冰表面碰撞过程及热平衡过程有较大关系。

因此，高海拔山区接触网覆冰在很大程度上由于冬季温度低、昼夜温差大且湿度大而导致的。

最为常见的覆冰类型有雨凇、湿雪、混合淞及粒状雾凇等，其中危害最大的就是雨凇，通常由冻雨而形成，与接触网表面有着极强附着力，并不易脱落，影响时间较长。

覆冰造成危害：首先，影响列车正常通行。

如：2008年春运期间，发生的雪灾，导致多处地段发生接触网覆冰现象，使大多数列车取消车次。

其次，降低接触网的安全性。

由于在风的作用下，接触网设备在承受覆冰自身荷载的同时，还承受风面积大导致的最大风荷载，极易增加导线张力，破坏支持装置。

此外，高海拔山区多风雪天气，绝缘子表面容易出现结冰现象，导致短路，引起闪路放电及接触网跳闸现象，进而影响列车通行。

最后，降低弓网的收流质量。

接触线波动传播速度直接影响弓网运行速度，若接触网发生覆冰时，在工作张力不变的条件下，输电线路的密度得到提高，从而减少了接触线的波动传播速度，影响弓网收流质量。

2 接触网防冰方法
为了有效确保列车通行安全，使电气化铁路得到安全稳定运营，众多学者纷纷提出接触网防冰方法，主要有人工除冰、电力机车受电弓带负荷运行除冰、接触电加热、涂抹防冻剂、在线防冰法等，但没有哪一种防冰方法成为主流。

电力机车受电弓带负荷运行除冰是由内燃机牵引电力机车弓不取流，其防冰效果较一般，不提倡使用。

下面主要对后几种方法进行详细阐述：
2.1 接触电加热防冰
接触电加容防冰主要是利用电流的焦耳效应对导线进行加热，进而融化覆冰。

当前，主要分为直流融冰与交流融冰。

其中直流融冰主要是将覆冰线路作为负载，连接线路末端，并逐段施加直流电源，采用较低的直流电压提供短路电流，进而使导线加热，融化覆冰。

直流融冰需要增设融冰变压器、断路器及其整流器等。

该融冰方法仅仅需要较小电源功率，并对电力系统的影响较小。

唯一不足的是投资成本较大，需要资金支持。

交流融冰是一种将融冰线路的一端线路与地连接，并在另一端施以融冰电源，进而由较大的短路电流使导线加热，使之冰水融化。

该交流融冰方法操作较简单，且实施较方便，但会产生较大的无功功率，消耗大量电量，进而影响供电能力。

2.2 涂抹防冻剂
防冻剂技术最先是由德国发明的，事前根据天气预报得知有冻雨天气后，进而对接触线涂抹大量防冻剂，预防接触线结冰。

涂抹防冻剂设备主要由两个部件组成，其中一个部件安装在轨道车辆内部的固定框架上，而另一部件安装在附件的车顶受电弓。

车辆在行驶期间，将设备中的防冻剂由压缩空气通过组合管道系统进而进入到中空毛毡柜内，当毛毡柜滚动时能够将防冻剂涂抹在接触线上，进而防止接触网结冰。

该方法使用较方便，且拥有较低的运行使用费用，具有较高的防冰效率。

更为关键的是不受天窗的限制及中性段无电区的影响。

需要注意的是，若遇到较为严重的覆冰，其防冰效果不明显。

2.3 在线防冰法
在线防冰法是一种基于SVG（Scalable Vector Graphics）接触网的在线防冰方法，具有极强的应用前景。

当前，大多数地区还没有应用该项技术，因此，本文对其进行重点研究。

要想实现接触网在线防冰必须坚持以下几条原则：首先，确保接触网各个部分的电压在允许范围内；其次，采用在任意区间都不会结冰的电流；再次，防冰电流应保证各个部分所消耗的电能应在经济能力范围内；最后，在进行防冰时不影响列车的正常通行。

采用SVG在线防冰能够吸收感性无功及其发出感性无功特征，可实现在接触网上产生较大电流，但不影响正常供电，其在线融冰过程如下图1所示。

朔黄铁路供电系统主要由直供牵引供电加回流线（DN）及以AT牵引供电系统。

2.3.1 DN供电系统的在线防冰
直供加回流线供电方式结构比较简，这种供电方式由于在接触网同高度的外侧增设了一条回流线，回流线上的电流与接触网上的电流方向相反，这样大大减轻了接触网对邻近通信线路的干扰。

根据牵引供电原理，接触线进而构成闭合环路，调节其中一条线路进而确保线路电力超过临界防冰电流，使接触网的温度保持在0℃以上，防止结冰，也能够确保接触线处于正常的供电状态。

此外，在确保供电电压的条件下，就能对末端进行调节，确保线路上的电流控制在可取值范围内，使防冰作用发挥到最大。

2.3.2 AT牵引供电的在线防冰
AT牵引供电的在线防冰跟直供牵引供电的在线防冰相似，同样将静止无功发生装置安装在牵引变电所两相供电臂的首端及其末端，并分别记为SVG1、SVG2；SVG3、SVG4.其原理图如下图2所示。

由于AT变压器的作用，使得系统中电流分布较为复杂，因此，应根据实际情况进行对防冰电流分布进行分析，进而采取相应的方法。

3 结语
接触网覆冰现象尤其常见，尤其是高寒、潮湿地区，对机车运行造成不便。

当前，防冰方法主要由以上几种，但没有固定防冰措施，加上需要投入大量人力、物力，尽管取得一定成效，但防冰效率相对较低。

本文提出一种SVG的在线防冰方法，操作简单，投资成本显得较少，能够有效提高防冰质量，确保铁路供电线路的正常运行，具有广阔的发展前景。

参考文献
[1] 李群湛，郭蕾，舒泽亮，等.电气化铁路接触网在线防冰技术研究[J].铁道学报，2013，35（10）：46-51.
[2] 李岗，郭华.接触网交流在线防冰与离线融冰原理研究[J].电气化铁道，2012，23（6）：5-8.。