張娓娓 陳樂瑞

（1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河南 南陽 473000；2.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河南 鄭州 450001）

電氣化鐵道接觸網(wǎng)除冰技術(shù)研究

張娓娓1陳樂瑞2

（1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河南 南陽 473000；2.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河南 鄭州 450001）

伴隨我國電氣化鐵路的快速發(fā)展，接觸網(wǎng)的覆冰問題日益威脅我國鐵路運(yùn)行安全，因此如何對接觸網(wǎng)進(jìn)行除冰以降低覆冰對線路和鐵路運(yùn)行帶來的損失具有重大意義。本文介紹了接觸網(wǎng)覆冰的危害，國內(nèi)外接觸網(wǎng)除冰技術(shù)現(xiàn)狀，并總結(jié)了常用的除冰技術(shù)方案，為未來接觸網(wǎng)除冰技術(shù)的發(fā)展指明的了方向。

電氣化鐵道；接觸網(wǎng)；除冰

和傳統(tǒng)蒸汽機(jī)車不同，電氣化機(jī)車是從接觸網(wǎng)中獲得電能牽引列車運(yùn)行[1]。如果接觸網(wǎng)長時間處于低溫，高風(fēng)速等氣候條件下就會產(chǎn)生覆冰現(xiàn)象，從而導(dǎo)致桿塔傾斜，導(dǎo)線斷裂，同時接觸網(wǎng)覆冰的產(chǎn)生會使得受電弓無法正常取流，影響列車安全性運(yùn)行，特別是對高速鐵路的運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響[2]。2008年，我國廣東，廣西，云南等省份遭受歷史罕見的冰災(zāi)，多條電氣化鐵路主干道運(yùn)輸中斷，致使大片旅客滯留，受災(zāi)人口超1億，直接損失達(dá)1 100億元，給國家造成了巨大損失。隨著我國鐵路事業(yè)不斷發(fā)展壯大，鐵路在國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防建設(shè)中承擔(dān)著越來越重要的角色，這對接觸網(wǎng)供電穩(wěn)定性能也提出了較高的要求，因此，在嚴(yán)寒地區(qū)和極端天氣條件下為保證接觸網(wǎng)良好使用和列車安全運(yùn)行，本文對電氣化鐵道接觸網(wǎng)除冰技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 接觸網(wǎng)覆冰的原因和類型

1.1 接觸網(wǎng)覆冰的原因。我國冬季，在空氣濕度，氣溫和風(fēng)速等氣候條件的共同作用下在接觸網(wǎng)表面上發(fā)生有液態(tài)水向固態(tài)冰轉(zhuǎn)化過程，再加上我國東北嚴(yán)寒地區(qū)的客運(yùn)專線和高速鐵路專線，由于采用夜間停電綜合檢修方式，就有相當(dāng)長一段時間沒有列車運(yùn)行，接觸網(wǎng)在自然狀態(tài)下很容易受外界低溫影響產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象[3]。

1.2 接觸網(wǎng)覆冰的類型。根據(jù)覆冰的來源不同，接觸網(wǎng)上的覆冰主要有雪的凝結(jié)和水霧凍結(jié)兩種類型。其中凍結(jié)主要包括霧凇，雨凇以及兩者混合凍結(jié)三種狀態(tài)。首先，雪附著在接觸網(wǎng)上形成半圓柱形覆雪在低溫條件下積雪成冰；其次，霧凇包圍接觸網(wǎng)結(jié)冰，這種覆冰附著力小易脫落；另外雨凇，這是覆冰產(chǎn)生的主要原因，大氣中的雨水和凍雨滴落在接觸上很短時間內(nèi)形成透明的光滑的冰柱，這種大密度冰柱完全裹住并牢牢附著在接觸網(wǎng)上不宜脫落，這種危害性最大；最后，雨，霧，淞混合產(chǎn)生冰凍，它是接觸網(wǎng)覆冰最常見的類型，破壞力僅次于雨凇。鑒于覆冰的類型不同，因此，在除冰過程要采用適當(dāng)?shù)姆绞健?/p>

2 接觸網(wǎng)覆冰的危害

2.1 受電弓無法正常取流。如果較長時間沒有列車運(yùn)行時，接觸網(wǎng)在低溫嚴(yán)寒條件下會完全被覆冰包圍，那么受電弓接觸的是覆冰而不是接觸網(wǎng)，自然就無法取得電流供列車運(yùn)行。

2.2 接觸網(wǎng)安全可靠性降低。首先，在覆冰的情況下，接觸網(wǎng)設(shè)備不僅要承擔(dān)導(dǎo)線的重力和張力，而且還要承擔(dān)覆冰的重力和因受風(fēng)面積增大產(chǎn)生的額外風(fēng)負(fù)載，嚴(yán)重時會使得導(dǎo)線斷裂和受力塔的倒塌；其次，覆冰的情況下會使得導(dǎo)電性能下降，產(chǎn)生電弧燒傷受電弓；另外，有可能造成絕緣子冰閃現(xiàn)象，如果帶有雜質(zhì)的覆冰覆蓋在絕緣子上就有可能造成線路短路，引起放電，電氣設(shè)備跳閘影響列車正常運(yùn)行。

2.3 弓網(wǎng)受流質(zhì)量下降。在設(shè)計(jì)接觸網(wǎng)性能時候接觸網(wǎng)波動傳播速度是一個重要參數(shù)，它關(guān)系到弓網(wǎng)運(yùn)行速度目標(biāo)值能否實(shí)現(xiàn)，當(dāng)接觸網(wǎng)覆冰情況下會減小導(dǎo)線的波動傳播速度，從而影響了弓網(wǎng)受流質(zhì)量。另外覆冰的存在相當(dāng)于接觸線增加了集中負(fù)荷，對于高速運(yùn)行的列車來說嚴(yán)重時會造成打弓事故。

3 接觸網(wǎng)除冰方案與原理

到目前為止，國內(nèi)外對接觸網(wǎng)覆冰的處理方法大致有兩種：覆冰預(yù)警和覆冰去除。

3.1 覆冰預(yù)警。將覆冰報(bào)警感應(yīng)裝置安裝在接觸網(wǎng)的同一高度（保證在導(dǎo)線的電氣安全距離），傳感器能夠現(xiàn)場采集導(dǎo)線的重量，風(fēng)速，溫度，濕度，降水率，液態(tài)水含量等數(shù)據(jù)，定時將這些數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測終端，經(jīng)過分析比對，預(yù)測是否會發(fā)生覆冰現(xiàn)象。如果覆冰條件達(dá)到預(yù)先設(shè)置的條件，即可發(fā)布除冰信息，做好除冰準(zhǔn)備，從而避免和降低了冰災(zāi)事故的發(fā)生。

3.2 覆冰去除。根據(jù)除冰的方式不同，除冰大致包括熱除冰，機(jī)械除冰，電泳除冰和化學(xué)除冰四種。

3.2.1 熱除冰。當(dāng)接觸網(wǎng)上出現(xiàn)覆冰以后，采取各種加熱措施，使覆冰融化脫落的方法稱之為熱除冰。特別是自2008年我國出現(xiàn)冰凍災(zāi)害之后，國內(nèi)對接觸網(wǎng)除冰的熱點(diǎn)轉(zhuǎn)向熱除冰[4][5]。所謂的熱除冰是在覆冰導(dǎo)線上嵌入發(fā)熱電阻絲，利用電阻絲發(fā)出的熱源使導(dǎo)線上的覆冰融化脫落，根據(jù)電阻絲通電種類不同大致分為交流短路電流融冰和直流短路電流融冰。

前者是使用技術(shù)最成熟，運(yùn)用最廣泛的融冰方式，但是此方法需要多條線路停運(yùn)，增加了電網(wǎng)運(yùn)行難度，其方案如圖1所示。

圖1 接觸網(wǎng)交流短路除冰示意圖

圖2 接觸網(wǎng)直流短路除冰示意圖

后者是利用現(xiàn)有的交流電源進(jìn)行整流轉(zhuǎn)化為直流電，這樣免去了線路感抗吸收無功功率，其方案如圖2所示。

3.2.2 機(jī)械除冰。接觸網(wǎng)覆冰之后，借助人工或者機(jī)械等外力的方式強(qiáng)制將其除去的方法稱之為機(jī)械除冰。如果覆冰線路比較長，覆冰厚度較大，僅僅依靠外力進(jìn)行除冰，消耗的人力，物力是很大的，因此機(jī)械除冰對覆冰的去除效果不明顯。

3.2.3 電泳除冰。當(dāng)電容向線圈放電時，會產(chǎn)生一個變化的電場，繼而產(chǎn)生磁場，那么處于磁場中的接觸線會產(chǎn)生電磁力，如果該電磁力為脈動電磁力，那么電磁力就會代替人工機(jī)械力使接觸網(wǎng)晃動，據(jù)資料表明產(chǎn)生力可能達(dá)到幾百N甚至上萬N，從而會迫使覆冰脫落?；驹韴D如圖3所示。

圖3 電泳除冰示意圖

3.2.4 化學(xué)除冰。利用化學(xué)藥品與覆冰接觸融化的方法稱為化學(xué)除冰，常用的化學(xué)除冰藥劑為氯化鈣，由于覆冰的接觸面有限，所以除冰效果也不是很明顯，同時化學(xué)藥劑的噴灑對周圍環(huán)境也是一種污染，這也是值得考慮的。

綜上所述，隨著我國鐵路網(wǎng)絡(luò)的不斷延伸，接觸網(wǎng)頻發(fā)的覆冰事故影響電氣化鐵路快速發(fā)展，特別是對最近幾年來快速發(fā)展的高速鐵路的安全運(yùn)行是一大威脅?？v觀這幾類除冰方法不難發(fā)現(xiàn)接觸網(wǎng)的機(jī)械除冰方法比較耗時，耗力，效率低下，只適用于局部和小部分線路段除冰；同樣化學(xué)除冰運(yùn)用范圍有限，所以，這兩種除冰方法在電氣化鐵道除冰方面沒有大規(guī)模推廣。因此，目前常見的方法是直流短路融冰和交流短路融冰這兩種熱除冰方法，這種電流熱除冰方法在除冰效率和效果方面相比之下有了很好改觀，但是，由于在操作過程中要對接觸網(wǎng)進(jìn)行斷電，同時對通電的時間要求比較高，如果控制不好會對接觸網(wǎng)線路造成電氣損傷。鑒于這種缺陷，在國外出現(xiàn)了電脈沖除冰方法，如文獻(xiàn)[6][7][8]，這種方法可在不斷電的情況下進(jìn)行除冰，發(fā)展前景比較好，是未來研究的一個重要方向。

[1]曹建猷.電氣化鐵道供電系統(tǒng)[M].北京：中國鐵道出版社，1983.

[2]李崗，郭華.接觸網(wǎng)交流在線防冰與離線融冰原理研究[J].電氣化鐵道，2012（6）.

[3]王國梁.接觸網(wǎng)融冰防冰問題的分析研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2009，20（8）93-95.

[4]蔣興良，易輝.輸電線路覆冰及防護(hù)[M].北京：中國電力出版社，2002.

[5]敬華兵，年曉紅.電氣化鐵路接觸網(wǎng)直流融冰技術(shù)及裝置研制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27（9）；277-284.

[6]李清英，白天，朱春玲.電脈沖除冰系統(tǒng)除冰激勵的仿真研究[J].系統(tǒng)仿真，2011，23（12）：2799-2804.

[7]姚遠(yuǎn)，林貴平.電脈沖除冰系統(tǒng)的建模與計(jì)算分析[J].飛機(jī)設(shè)計(jì)，2008，28（1）：64-75.

[8]董健年，吳應(yīng)，桂應(yīng)春，等.電磁彈射裝置中線圈受力與電流相位的關(guān)系[J].高電壓技術(shù)，2006，32（7）：79-80.

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張娓娓（1985.1-），女，本科，助教，研究方向：電氣自動化。