涂振華，歐陽虹，鄒同友，郭樂洋

0 引言

隨著全球經濟迅速發(fā)展，溫室氣體的不斷排放導致全球氣候變暖，極端天氣席卷全球。近年來，在我國南方地區(qū)，冬季凍雨天氣頻發(fā)，加之環(huán)境溫度、濕度和風速等因素的共同作用，處于室外高架段的城市軌道交通接觸網、接觸軌極易形成大面積覆冰現象，如2008 年春運期間我國南方地區(qū)遭遇嚴重冰災，多條電氣化鐵路的接觸網及列車受電弓發(fā)生覆冰險情，導致受電弓不能正常取流，嚴重影響了鐵路的安全運營[1]。如何有效解決南方冬季凍雨天氣下磁浮交通供電系統(tǒng)的接觸軌覆冰問題，保障凍雨天氣時磁浮列車安全運行，已成為急需解決的問題。本文以投入商業(yè)運營近5 年的長沙磁浮快線為例，探討磁浮線路安全穩(wěn)定運營中面臨的一系列問題。

長沙磁浮快線大部分為室外高架段，如冬季遭遇嚴重冰凍雨雪天氣，接觸軌覆冰風險很大，若接觸軌頂面及側部受流面結冰，將直接阻礙磁浮列車受流器與接觸軌接觸，嚴重時將造成受流器與接觸軌受流面拉弧、放電等，不僅影響列車運行時的受流質量，而且極易造成接觸軌受流面本體、受流器損傷或破壞，甚至可能導致線路無法正常運營。

目前國內外暫無磁浮接觸軌防冰、除冰的工程應用技術和相關經驗，少數研究機構或團隊的接觸軌防冰、除冰方法仍處于理論或實驗室研究和試驗階段。經了解，傳統(tǒng)的除冰方法有人工除冰、機械除冰、化學除冰和自然被動除冰等[2]，這些方法雖然實現簡單，但由于城市軌道交通運營線路長，除冰工作量大，在人力資源投入、人身安全、環(huán)境污染、運營需求和實際效果方面均存在不足。

本文在深入研究國家電網、鐵路接觸網防冰與除冰技術的基礎上，結合中速磁浮發(fā)展需求，根據長沙磁浮快線接觸軌自身特點，以及長沙磁浮快線供電系統(tǒng)現有設備與供電條件等，提出接觸軌直流融冰法和接觸軌保線電流法[3]，并通過理論計算及現場人為制冰和除冰模擬試驗驗證方法的有效性。

1 長沙磁浮快線及供電系統(tǒng)簡介

長沙磁浮快線作為國內首條擁有完全自主知識產權的中低速磁浮線路，運營車輛采用中低速磁浮列車，常導電磁鐵懸浮、直線感應電機牽引，運用“同極相斥、異極相吸”電磁原理，以電磁力支撐列車并推動前行。該線路全長18.55 km，正線設有6 座牽引降壓混合變電所（額定容量均為3 200 kV·A），其供電線路為鋪設在線路兩側的C 型接觸軌，接觸軌分為正極和負極，正極側電壓為DC 1 500 V，負極側電壓為0 V。

供電接觸軌系統(tǒng)主要由鋼鋁復合接觸軌及中間接頭、膨脹接頭、電連接、中心錨結、端部彎頭、絕緣安裝支架、過渡彎頭、分段絕緣器等附件構成。系統(tǒng)接觸軌采用HP-C100 鋼鋁復合C 型接觸軌，是由不銹鋼型鋼帶（型號為06Cr19Ni10）與鋁合金型材通過塑性加工方法復合而成的導電軌，其截面為100 mm2，鋼帶厚度為4.5 mm，標準軌制造長度為11.7 m。接觸軌溫升曲線與主要技術參數分別如圖1 和表1 所示。

圖1 接觸軌溫升曲線

表1 接觸軌主要技術參數

2 接觸軌直流融冰法

接觸軌直流融冰法是根據接觸軌溫升特性，通過將上下行接觸軌首尾串聯，使供電系統(tǒng)與接觸軌成為一種融冰電源發(fā)熱裝置，再使用既有供電系統(tǒng)整流裝置向接觸軌兩端施加1 500 V 直流電壓[5]，利用導體本身的內阻消耗電能產生熱能，達到接觸軌除冰的效果。接觸軌直流融冰法的供電系統(tǒng)簡化等效電路如圖2 所示。圖中R線為接觸軌線路阻抗，R內為變電所內阻。

圖2 接觸軌直流融冰法等效電路

下文利用電流熱效應原理，分析直流融冰法的可行性。電流熱效應原理即利用焦耳-楞次定律以及比熱容的相關公式：

式中：C為比熱容；M為質量；ΔT為溫升。

若將該線上行或下行接觸軌從0℃升溫至20 ℃，即ΔT= 20 ℃，將接觸軌主要技術參數代入式（2），得到Q鋁=C鋁·M鋁·ΔT= 404 874 377.6 J，Q鋼=C鋼·M鋼·ΔT= 1 732 570 000 J。

現變電所單臺整流變壓器容量為1 600 kV·A，單臺整流器額定功率P為1 500 kW，額定直流電流為1 000 A，既有供電系統(tǒng)兩套整流裝置為并聯運行，則空載電壓U空= 1 650 V 時，單臺整流器輸出電流I=P/U空≈909 A，而整流器標準工作制等級為Ⅵ類工作制等級[5]，即

1.0 p.u..連續(xù)；

1.5 p.u..2 h；

3.0 p.u..1 min。

將t1= 552 s 換算成分鐘，僅耗時約9 min，I短1= 2 672 A 時，單臺整流器需承受的短路電流為I短1的一半，即1 336 A，因此該融冰時長與融冰電流可滿足整流器標準工作制等級的要求。

當I短2= 1 423 A 時，將t2= 1 946 s 換算成分鐘，需耗時約32.5 min，以上融冰時長與融冰電流同樣滿足整流器標準工作制等級的要求。

通過上述理論計算，在使用既有供電系統(tǒng)整流裝置，并在融冰回路中增加相應控制導通裝置的情況下，應用接觸軌直流融冰法理論上可實現接觸軌除冰。

3 接觸軌保線電流法

接觸軌保線電流法是指有磁浮列車運行時，在上下行接觸軌正負極分段串接可調電阻柜作為負載接入供電分區(qū)末端，再使用既有供電系統(tǒng)整流裝置向該供電分區(qū)的接觸軌兩端施加1 500 V 直流電壓，利用磁浮列車運行時產生的電流和流經可調電阻柜及對應供電分區(qū)接觸軌的電流，消耗電能產生熱能，使得接觸軌持續(xù)通流發(fā)熱，達到接觸軌除冰或防止覆冰的效果。

3.1 方法一

長沙磁浮快線正線共有6 座牽引所，保留正線兩端的牽引所1、牽引所6 以及牽引所5，牽引所1、5、6 采取接觸軌單邊供電，在牽引所3、牽引所5 的位置分別形成接觸軌斷點，以便有限調控線路電流；在牽引所3 的上行兩個區(qū)間、下行兩個區(qū)間分別串接1 套可調電阻柜，并在牽引所5 到牽引所6 單邊串接2 套可調電阻柜；牽引所2、牽引所3 均采取越區(qū)供電，根據長沙磁浮快線線路里程，從牽引所1 到牽引所3 的距離為7.5 km，從牽引所3 到牽引所5 的距離為7.8 km。接觸軌保線電流法一的供電系統(tǒng)簡化等效電路如圖3 所示。

圖3 接觸軌保線電流法一等效電路

該方法中，采取接觸軌單邊供電模式，主要考慮因線路較長導致在牽引所3 末端電壓能否滿足行車需要及末端短路保護等問題；若區(qū)間內磁浮列車用電最大值I車= 900 A，串接電阻柜阻值R串= 2 Ω，線路阻抗R線1= 0.014 62×7.8×2 = 0.228 072 Ω。

3.2 方法二

長沙磁浮快線正線共設置4 個供電區(qū)間，保留正線兩端的牽引所1、牽引所6 以及牽引所3，牽引所1 和6 采取接觸軌單邊供電，牽引所3 采取接觸軌雙邊供電，在牽引所2、牽引所5 的位置均形成接觸軌斷點，在牽引所2、牽引所5 均串接4 套可調電阻柜。牽引所2、牽引所5 均采取越區(qū)供電，從牽引所1 到牽引所2 的距離為4 km，從牽引所3到牽引所5 的距離為7.8 km。接觸軌保線電流法二的供電系統(tǒng)簡化等效電路如圖4 所示。

圖4 接觸軌保線電流法二等效電路

該方法減小了區(qū)間距離，末端電壓降低較少，從牽引所3 到牽引所5 之間的距離較長，為7.8 km，根據串接電阻柜阻值的不同，以及區(qū)間有無磁浮列車，有如下幾種情況：

（1）串接電阻柜阻值R串= 1.5 Ω，線路阻抗值R線1= 0.014 62×7.8×2=0.228 072 Ω。

采用該方法同樣需優(yōu)化供電系統(tǒng)保護定值。

通過上述理論計算，使用既有供電系統(tǒng)整流裝置，在正線上設置合理的接觸軌斷點，重新劃分正線供電區(qū)間，并在融冰回路中串接可調電阻柜，利用磁浮列車運行時產生的電流與流經可調電阻柜及對應供電分區(qū)接觸軌的電流和，該電流和的大小滿足整流器標準工作制等級的要求，在保證磁浮列車正常運行的同時，使得接觸軌持續(xù)通流發(fā)熱，達到接觸軌除冰或防止覆冰的效果。

4 結論

（1）在長沙磁浮快線特定的供電系統(tǒng)現有設備、供電方式和線路條件下，根據電流熱效應原理，不論是將上行或者下行接觸軌正負極短接，還是將全線接觸軌串聯短接，線路阻抗值均能滿足接觸軌直流融冰法的條件，理論上可實現接觸軌除冰；就長沙磁浮快線接觸軌而言，若線路太短則線路阻抗值就小，短路電流太大，則融冰電流將不能滿足整流器標準工作制等級要求，即不能使用接觸軌直流融冰法；此外，通過理論計算，在滿足文中整流器標準工作制等級要求的情況下，若要使融冰時間短，則融冰電流將很大，融冰電流太大對供電系統(tǒng)及其設備的安全可靠性造成較大考驗。

（2）接觸軌保線電流法是在接觸軌直流融冰法的理論和實踐基礎上，根據磁浮線路在冰凍雨雪天氣時實際運營需要而研究的一種方法，其技術關鍵點在于如何合理設置接觸軌斷點，使重新劃分的正線供電分區(qū)能更有利于除冰工作的開展，在可調電阻柜的阻值選擇和線路阻抗值的計算方面，應根據供電系統(tǒng)電流保護定值等參數進行合理選擇配置，同時，在重新劃分的同一供電分區(qū)內對運行的磁浮列車數量也應進行合理的行車調度，避免出現融冰電流超出供電系統(tǒng)及其設備所能承受的范圍，因此，從理論計算的結果以及所需承擔的風險來看，應用接觸軌保線電流法應酌情減少串接可調電阻柜的投入，降低設備故障風險，重點研究供電系統(tǒng)電流保護定值等參數的設置，從系統(tǒng)的角度動態(tài)分析研判。采用接觸軌保線電流法時，應重點考慮供電系統(tǒng)、行車組織的動態(tài)模型變化，在保障磁浮列車安全運行的同時，又能達到較好的接觸軌除冰或防止覆冰的效果。

（3）在長沙磁浮快線特定的線路條件和供電系統(tǒng)運行工況下，根據理論計算結果進行分析，接觸軌直流融冰法和接觸軌保線電流法均能在接觸軌除冰和防止覆冰方面發(fā)揮作用。

（4）本文只從理論上研究了利用電流熱效應原理對接觸軌進行除冰和防止接觸軌覆冰，并未對接觸軌結冰的成因和過程進行深入分析，實際接觸軌除冰和防止覆冰的效果還會受到環(huán)境溫度、濕度、風速、局部氣流場、凍雨運動軌跡和接觸軌金屬表面溫度場等多種因素的影響[6]，因此，接觸軌實際除冰和防止覆冰的工程應用仍需進一步研究，且方法和措施絕不局限于本文所述。