甄 磊

0 引言

近年，電氣化鐵道作為高速及重載鐵路的主要牽引方式在國(guó)內(nèi)得到了大力推廣，接觸網(wǎng)覆冰作為一項(xiàng)在大部分電氣化區(qū)段存在的問題逐漸突出。2008 年的南方雨雪災(zāi)，2009 年10 月及2010 年2月發(fā)生在遼寧的凍雨極大地破壞了運(yùn)輸秩序。這些災(zāi)害無一不是由于接觸網(wǎng)覆冰造成的。本文對(duì)接觸網(wǎng)覆冰現(xiàn)象的成因危害以及克服的辦法進(jìn)行淺議。

1 接觸網(wǎng)覆冰

1.1 覆冰的起因及類型

引起接觸網(wǎng)覆冰的主要因素是氣候。覆冰發(fā)生在凍雨或者雨夾雪的天氣之下。一般易出現(xiàn)覆冰的溫度為0℃～-5℃，空氣濕度較大，有風(fēng)且毛毛雨。

主要影響天氣因素包括空氣溫度、空氣濕度、風(fēng)速風(fēng)向、過冷卻水滴大小等4 個(gè)方面。

覆冰的種類主要有5 種，包括雨淞、粒狀霧淞、晶狀霧淞、濕雪、混合淞。

其中危害最嚴(yán)重的是雨淞。一般由凍雨形成，透明玻璃體、與接觸線表面的附著力強(qiáng)，不易脫落。形成氣溫在0℃～-6℃之間，雨滴較小，呈毛毛細(xì)雨的情況下發(fā)生。

1.2 覆冰的危害

（1）對(duì)接觸網(wǎng)設(shè)備的影響。接觸線上面附著的冰殼會(huì)阻礙受電弓取流，產(chǎn)生較大的電弧，甚至燃弧。對(duì)接觸線形成嚴(yán)重的機(jī)械磨耗以及電弧燒傷。在錦州站觀測(cè)到約有1.0 m 高的藍(lán)色火焰以及明亮電弧，伴隨有四濺的火花（是電弧融化銅線濺出的金屬液滴）。2010 年2 月25 日的凍雨造成新民站的接觸線上形成約7～15 cm 的冰凌，電力機(jī)車通過時(shí)形成的電弧就有半米高，在該情況下檢修發(fā)現(xiàn)接觸線的磨耗加大，這一夜的磨耗幾乎是全線開通一年以來所有磨耗的數(shù)倍。而且分段絕緣器等設(shè)備上面的小型零配件，如菱形分段銅滑板上面的銷釘燒傷，開口銷甚至燒斷后掉落，給設(shè)備安全運(yùn)行帶來極大的隱患。

（2）對(duì)電力機(jī)車的影響。由于受電弓碳滑板一般都帶ADD（自動(dòng)降弓裝置），在電弧嚴(yán)重?zé)齻那闆r下會(huì)自動(dòng)降弓，可以起到一定的保護(hù)作用。覆冰會(huì)造成碳滑條燒斷裂或封裝樹脂變形開裂漏氣，造成電力機(jī)車不能使用。此外凍雨還會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的弓網(wǎng)故障，在車站內(nèi)停留的電力機(jī)車在升弓時(shí)由于機(jī)械部分凍結(jié)或碳滑板上面嚴(yán)重結(jié)冰，使車頂支持絕緣子閃絡(luò)放電，較大的短路電流會(huì)形成電弧燒斷接觸線。在2009 年10 月—2010 年1 月間3次凍雨覆冰災(zāi)害均引起高橋鎮(zhèn)、葫蘆島站的3 起接觸線斷線事故。這些事故均發(fā)生在停留電力機(jī)車一弓損壞后升起另一個(gè)受電弓的時(shí)候。在2009 年10月31 日的凍雨覆冰災(zāi)害中，僅錦州機(jī)務(wù)段更換的受電弓滑板就有12 塊。

（3）接觸線覆冰造成覆冰舞動(dòng)事故。接觸線不均勻覆冰，在風(fēng)的作用下產(chǎn)生舞動(dòng)，覆冰的接觸線低頻高幅舞動(dòng)會(huì)造成金具損壞，接觸線斷股。

（4）過荷載。接觸懸掛的實(shí)際重量超過設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致接觸網(wǎng)機(jī)械和電氣事故。

（5）絕緣子串冰閃事故。絕緣子覆冰絕緣強(qiáng)度下降，泄漏距離縮短，局部表面電阻增加，形成閃絡(luò)，閃絡(luò)過程中持續(xù)電弧燒傷絕緣子，絕緣強(qiáng)度降低。

（6）諧波電流對(duì)電能的質(zhì)量影響。接觸線覆冰造成電力機(jī)車運(yùn)行時(shí)弓網(wǎng)拉弧嚴(yán)重。引起嚴(yán)重的諧波污染，影響電能質(zhì)量，危害電力設(shè)備。2009年遼寧的幾次覆冰災(zāi)害中，曾造成牽引變電所電容補(bǔ)償裝置多次跳閘。

2 覆冰的應(yīng)對(duì)措施分析

目前覆冰應(yīng)對(duì)措施主要有人工除冰、電力機(jī)車受電弓帶負(fù)荷運(yùn)行除冰、不帶負(fù)荷運(yùn)行除冰、接觸線電加熱、涂抹防凍劑等多種渠道，但還沒有一種成為主流方法。目前已開通的高速鐵路上多數(shù)都設(shè)置了接觸線電加熱融冰系統(tǒng)。

（1）人工除冰效率極其低下，每小時(shí)不過一公里且無法清除干凈，完全不可取。

（2）電力機(jī)車受電弓帶負(fù)荷運(yùn)行的方法曾在沈陽鐵路局采用過，但效果不明顯，嚴(yán)重的凍雨覆冰幾乎沒有效果，且對(duì)接觸線的損傷較為嚴(yán)重，有時(shí)可能引發(fā)弓網(wǎng)故障。

（3）電力機(jī)車受電弓不帶負(fù)荷運(yùn)行除冰是指由內(nèi)燃機(jī)牽引的電力機(jī)車升弓不取流，僅作機(jī)械刮除。其效果也較為有限，但對(duì)接觸線的損傷較前一種小。

（4）接觸線電加熱融冰技術(shù)是采用短路法，以牽引變電所為中心，通過特定的接線方式使得變電所對(duì)地短路，形成閉合的回路，利用其短路電流的熱能進(jìn)行融冰。

（5）涂抹防凍劑是利用機(jī)械設(shè)備向接觸線涂抹防凍劑，利用其溶解于水時(shí)所散發(fā)的熱量除冰。

接觸線電加熱和涂抹防凍劑這2 種方法筆者認(rèn)為可行性較大，值得推廣或借鑒。下面具體分析這2 種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和利用情況。

2.1 接觸線電加熱融冰技術(shù)

該技術(shù)的原理是利用電流的焦耳熱效應(yīng)加熱導(dǎo)線，使覆冰融化。可分為直流融冰和交流融冰。

直流融冰的原理是將覆冰線路作為負(fù)載，線路末端短接，逐段施加直流電源，利用較低的直流電壓提供短路電流加熱導(dǎo)線使覆冰融化。需要增設(shè)斷路器、融冰變壓器、整流器及相應(yīng)的控制設(shè)備。原理圖見圖1。該方案的特點(diǎn)是需要的電源功率較小，對(duì)電力系統(tǒng)的影響也小，但投資相對(duì)較大。

圖1 直流融冰方案示意圖

交流融冰的原理是將融冰線路的一端短路接地，在另一端施加融冰電源，由較大的短路電流加熱導(dǎo)線，使之達(dá)到融冰的溫度，對(duì)于電氣化鐵道，可以采取牽引變電所設(shè)施及接觸網(wǎng)接線方式不變，通過分合開關(guān)實(shí)現(xiàn)融冰。如圖2 所示，將供電臂一個(gè)饋線開關(guān)合閘，另一個(gè)饋線開關(guān)接地，分區(qū)所并聯(lián)，形成短路電流進(jìn)行融冰。交流融冰方案簡(jiǎn)單，實(shí)施方便，但是會(huì)產(chǎn)生較大的無功功率，影響電能質(zhì)量，耗電量大。

圖2 交流融冰方案示意圖

交流融冰與直流融冰的共同缺點(diǎn)是對(duì)于接觸網(wǎng)中非導(dǎo)電回路中的設(shè)備不起作用，如分相的中性段無電區(qū)，此外，電加熱必須在天窗時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，不能同時(shí)運(yùn)行電力機(jī)車，使用時(shí)間受運(yùn)輸?shù)挠绊戄^大，不能做到與出現(xiàn)凍雨的時(shí)間同步，對(duì)已發(fā)生的凍雨無法及時(shí)處理。且國(guó)內(nèi)目前尚無已投入實(shí)戰(zhàn)的電加熱系統(tǒng)的相關(guān)案例可供參考。

2.2 涂抹防凍劑

該技術(shù)是德國(guó)STEMMANN TECHNIK 公司開發(fā)的。根據(jù)天氣預(yù)報(bào)獲知即將發(fā)生凍雨天氣后，預(yù)先使用防凍劑涂敷接觸線，以防止結(jié)冰。

涂抹設(shè)備由2 個(gè)部件組成：其中一個(gè)部件安裝在軌道車輛內(nèi)部的一個(gè)固定框架上。另一個(gè)部件為附加的車頂受電弓，它的滑條由一個(gè)潤(rùn)滑裝置取代。潤(rùn)滑裝置的基本部件是一個(gè)用甘油浸潤(rùn)的毛氈輥，在行駛期間，把設(shè)備中的防凍劑由壓縮空氣通過組合管道系統(tǒng)導(dǎo)入到中空的毛氈輥內(nèi)，通過毛氈輥滾動(dòng)將防凍劑涂抹在接觸線上。該設(shè)備的有效期為2～3 天，運(yùn)行速度30 km/h。具有使用方便，運(yùn)行使用費(fèi)用較低，效率很高等特點(diǎn)，且不受天窗時(shí)間的限制，在安裝到相應(yīng)的軌道車后，可以任意時(shí)間增開一列即可，而且不受中性段無電區(qū)的影響，只要在受電弓接觸到的范圍內(nèi)都可以涂抹防冰劑。缺點(diǎn)是對(duì)較為嚴(yán)重的覆冰效果可能不明顯，而且對(duì)通過的分段絕緣器有一定選擇性，對(duì)德國(guó)的空氣式Adtranze 分段絕緣器較為合適，而對(duì)于采用絕緣器件作為滑道的分段絕緣器會(huì)污染絕緣滑道，對(duì)未來的V 型天窗作業(yè)造成安全隱患，故不應(yīng)通過帶分段絕緣器的岔間渡線。

結(jié)合上述分析，筆者認(rèn)為要采取兼容并包的方式，積極借鑒每種方法的核心思想。特別是在已經(jīng)完成電氣化改造的既有設(shè)備上，即沒有條件增設(shè)電加熱融冰的設(shè)備。雖然沒有機(jī)械涂抹防凍劑的設(shè)備，但是可以針對(duì)個(gè)別重點(diǎn)處所采取人工涂抹的方式，使用絕緣桿綁扎滾刷，向接觸線涂抹防凍劑，也可以起到一定的效果。比如，站場(chǎng)內(nèi)站線，在凍雨引發(fā)的接觸線斷線事故中，大部分是電力機(jī)車在啟動(dòng)處所升弓造成的。由于受電弓滑板上面覆冰以及接觸線上面覆冰形成的冰溜子，使得弓網(wǎng)沒有接觸到的時(shí)候就開始形成電弧，燒斷接觸線。如果在這些易發(fā)生斷線的重點(diǎn)處所進(jìn)行人工涂抹，會(huì)在一定程度上減少發(fā)生接觸網(wǎng)斷線的可能性。筆者按照該思路進(jìn)行了多次模擬實(shí)驗(yàn)，利用噴壺在氣溫0℃及以下時(shí)向接觸線上面噴水，接觸線一側(cè)涂抹防凍劑，在未涂抹防凍劑的接觸線另一側(cè)形成最大約1 cm 的冰碴時(shí)，而涂抹了防凍劑的一側(cè)基本上沒有結(jié)冰，實(shí)驗(yàn)效果尚可，因此，筆者認(rèn)為該方法具有一定的可行性。

3 結(jié)束語

綜上思路，在國(guó)內(nèi)開通的客運(yùn)專線上，可使用電加熱融冰裝置、人工涂抹防凍劑相結(jié)合的方法，增加除冰的效果。同時(shí)還可以使用雙弓受流以減小電弧，降低對(duì)接觸線的危害。在既有的電氣化鐵道上，可以采取對(duì)重點(diǎn)處所人工涂抹防凍劑，電力機(jī)車不帶負(fù)荷除冰相結(jié)合的方式進(jìn)行除冰。如果能有機(jī)械化的涂抹防凍劑設(shè)備作為補(bǔ)充，則可大大增加上述2 種方法的除冰效果。防凍劑的成分應(yīng)選擇既導(dǎo)電又溶于水，且溶于水時(shí)會(huì)釋放熱量的材料，宜采用純甘油，加之以一定比例的CaCl2。筆者通過數(shù)次模擬實(shí)驗(yàn)說明該方法有一定效果。

接觸線覆冰對(duì)運(yùn)輸?shù)挠绊懞艽?，?duì)接觸網(wǎng)設(shè)備有很大的危害。解決該問題需要供電、機(jī)務(wù)、運(yùn)輸?shù)榷嗉覇挝粎f(xié)調(diào)解決。同時(shí)渴望國(guó)內(nèi)廠家能及早研發(fā)出機(jī)械化涂抹防凍劑的設(shè)備，或研發(fā)其他除冰的可行方案。望各供電運(yùn)維單位共同努力，相互交流，共享經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，提高設(shè)備質(zhì)量和運(yùn)營(yíng)管理水平，確保牽引供電設(shè)備的安全，保證鐵路運(yùn)輸暢通。

[1] 蔣先國(guó).高速鐵路四電系統(tǒng)集成[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2010.

[2] 王漢東.2 種和諧型機(jī)車受電弓花在凍雨天氣破損分析[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2010，（4）.