蔣汶兵，支正軒，楊代剛，趙祿山，李成龍，郭 毅，馮新偉，石 琦

0 引言

作為牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分，接觸網(wǎng)直接裸露于空氣中，極易受氣候、地形等外部因素影響。在高寒、高濕地區(qū)，接觸網(wǎng)覆冰現(xiàn)象頻發(fā)，嚴(yán)重影響鐵路安全運行。目前的接觸網(wǎng)除冰主要分為機械除冰和熱力除冰兩大類。機械除冰分為電磁脈沖除冰和人工除冰，其中電磁脈沖除冰是利用沖擊電流使導(dǎo)線震動，促使覆冰脫離，該方法與主流的熱力除冰相比，效率低、代價高，易產(chǎn)生接觸網(wǎng)震動。熱力融冰主要分為電阻絲熱力融冰、直流融冰、交流融冰。電阻絲熱力融冰采用內(nèi)置絕緣發(fā)熱電阻絲的專用接觸網(wǎng)實現(xiàn)加熱融化覆冰，為此需要特殊接觸網(wǎng)導(dǎo)線，成本高。直流融冰對覆冰電路施加較低的直流電流實現(xiàn)融冰，與交流融冰相比，只能在無機車運行的情況下進行離線融冰，影響鐵路機車的調(diào)度和運行。交流融冰通過短路或其他方式使接觸網(wǎng)流過大的交流電流進而使導(dǎo)線自身發(fā)熱實現(xiàn)融冰，相比直流融冰，交流融冰可以實現(xiàn)機車在線防冰和機車離線重載融冰，避免了機車停運[1]。

本文介紹基于交流方式對接觸網(wǎng)進行融冰的方法，通過對接觸網(wǎng)周邊與沿面氣流場的分析、覆冰來源水滴的受力分析和動量平衡分析，建立水滴運動軌跡方程，總結(jié)接觸網(wǎng)水滴局部碰撞率和總體碰撞率的規(guī)律，研究接觸網(wǎng)覆冰發(fā)展及覆冰動態(tài)熱平衡，同時提出牽引網(wǎng)防/融冰技術(shù)參數(shù)指標(biāo)要求。提出防冰過程中電流、電網(wǎng)電壓之間的關(guān)聯(lián)機制，驗證以允許覆冰強度、接觸網(wǎng)溫度為控制目標(biāo)的防融冰電流決策方法，仿真驗證系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)、可行性，并在鐵路現(xiàn)場驗證裝置的融冰效果。

1 接觸網(wǎng)覆冰熱平衡過程及基礎(chǔ)參量計算

基于流體力學(xué)，研究空氣含水引起接觸網(wǎng)覆冰的關(guān)鍵基礎(chǔ)參量，建立接觸線、承力索、整體吊弦的氣流場模型；通過受力分析、動量計算，建立氣流場中水滴的運動軌跡，研究水滴在接觸網(wǎng)各部件表面的碰撞情況，確定局部碰撞率和總體碰撞率，為覆冰發(fā)展及覆冰動態(tài)熱平衡研究提供基礎(chǔ)[2-3]。

建立覆冰熱平衡方程，通過分析局部努珊數(shù)（Nusselt number，表示對流換熱強烈程度的一個無量綱數(shù)）分布等特征，推導(dǎo)熱平衡方程主要技術(shù)參數(shù)求取方法，確定各種運行工況下接觸網(wǎng)的臨界防/融冰電流；研究接觸網(wǎng)系統(tǒng)的干增長覆冰和濕增長覆冰過程中覆冰輪廓和覆冰量的變化規(guī)律[4]。

方案設(shè)計應(yīng)使融解線路覆冰時通過的電流大于融冰電流，同時小于最大允許電流，并兼顧融冰線路串接設(shè)備的通流能力。本項目涉及型號為CTAH-120型接觸網(wǎng)（JTMH-95型承力索），考慮到試點后改變?nèi)诒攸c，涉及到的型號為CTAH-150，已知數(shù)據(jù)如下：

導(dǎo)線密度ρ0= 8 940 kg/m3；導(dǎo)線比熱C0= 400 J/(kg·℃)；線路電阻率Z0= 0.000 226 8 Ω/m；覆冰密度ρ1= 900 kg/m3；覆冰比熱C1= 2 100 J/(kg·℃)；覆冰熱值K1= 335 000 J/kg；導(dǎo)線半徑R0= 5.50 mm(6.18 mm)；覆冰厚度L1= 20 mm；初始溫度T1=-5 ℃；融冰時間t= 4 h[5-6]。

根據(jù)上述線路情況，得到承力索的最大融冰電流為

確保線路不會結(jié)冰的承力索保線電流為

牽引網(wǎng)的最大融冰電流為

該電流下確保線路不會結(jié)冰的承力索保線電流為

考慮到承力索和接觸網(wǎng)的39.5%，60.5%分流作用，防冰電流最小值為382 A，融冰電流最大值為917 A。也就是說，當(dāng)通過JTMH-95型承力索和CTAH-120型接觸網(wǎng)的電流在382 A≤I≤917 A時，可以保證牽引網(wǎng)的長期正常運行。

最終確定融冰裝置的額定電流為400 A，對應(yīng)晶閘管控制電抗器TCR和固定電容器組融冰裝置的容量為11 Mvar。

2 基于SVC的在線防融冰方案

2.1 相關(guān)參數(shù)計算

針對貴州電氣化鐵路覆冰嚴(yán)重現(xiàn)狀，結(jié)合融冰運行特點，兼顧性能與可靠性，開發(fā)接觸網(wǎng)基于SVC（靜止型動態(tài)無功補償裝置）的融冰裝置。

同一供電臂的接觸網(wǎng)并聯(lián)構(gòu)成防冰回路，接觸網(wǎng)末端并聯(lián)TCR裝置，接觸網(wǎng)首段并聯(lián)電容器補償無功功率。

如圖1所示，安裝在雙流鎮(zhèn)變電所的FC濾波器組與安裝在末端的TCR之間的信號與模擬量的交互通過5G通信實現(xiàn)，通信時長小于100 ms，完成了設(shè)備之間的聯(lián)鎖跳閘以及分合閘操作等。電容器支路安裝容量按14.4 Mvar設(shè)計，補償容量按照27.5 kV母線電壓的6.4 Mvar設(shè)計，其額定電流為318 A。末端TCR容量按照20 Mvar額定容量設(shè)計，在母線電壓為27.5 kV時，其額定電流為726 A，由于為TCR型式，因此其電流在0～726 A范圍內(nèi)可任意調(diào)節(jié)。

圖1 現(xiàn)場防融冰單線圖

牽引變電所到末端永溫站的接觸網(wǎng)距離為15 km，接觸網(wǎng)的型號為CTAH-120（JTMH-95型承力索），回流線型號為LGJ-185，對整個回路計算其等效阻抗為Z1= (0.096 162 + j0.385 278) Ω/km =0.397∠75.986° Ω/km。

雙流鎮(zhèn)牽引變電所到末端永溫站的距離為15 km，因此實驗項目的接觸網(wǎng)供電回路等效阻抗為Z2=Z1×15 km = (1.442 + j5.779) Ω。

進而得到線路的等效電阻和電感電抗分別為R2= 1.442 Ω、L2= 18.4 mH。

根據(jù)：

ITCR= 1.732Un(2π - 2α+ sin2α)/[πω(LTCR+L2)]

式中：接觸網(wǎng)電壓Un= 27.5 kV；TCR電流ITCR=726 A；角頻率ω= 314 rad/s；TCR觸發(fā)角α= 125°。代入式中可得LTCR=46.8 mH，即TCR加裝的防冰電抗器的電抗值為46.8 mH。

2.2 防融冰控制策略

融冰裝置包含5種工作模式：機車運行安全模式、防冰模式、融冰模式、熱備用模式、冷備用模式[7-8]。

當(dāng)線路沒有機車運行時，如果接觸網(wǎng)線路有結(jié)冰現(xiàn)象，鐵路現(xiàn)有的覆冰檢測裝置會通過5G通信模塊自動傳遞覆冰信號給融冰裝置，融冰裝置根據(jù)此信號判斷覆冰厚度，進而選擇采用防冰或融冰模式。在防冰模式下，TCR產(chǎn)生大于151 A的電流加熱接觸網(wǎng)進行防冰，在融冰模式下，TCR產(chǎn)生400 A的融冰電流進行融冰。同時融冰裝置監(jiān)測機車負(fù)荷電流，如果檢測到機車電流，融冰裝置立即切換到機車運行安全模式，根據(jù)接觸網(wǎng)電壓和機車電流的變化自動減小防融冰電流至安全電流范圍。

熱備用式也不需要鐵路人員參與操作，當(dāng)融冰設(shè)備判斷出無任何覆冰現(xiàn)象時，將自動進入熱備用模式，停止脈沖，減少融冰裝置的功率損耗。

冷備用模式需鐵路人員參與，當(dāng)天氣轉(zhuǎn)暖不再有覆冰現(xiàn)象發(fā)生或設(shè)備維修時，需要人工分?jǐn)嗳诒鶖嗦菲骱腿诒綦x刀，將設(shè)備轉(zhuǎn)入冷備用狀態(tài)。

綜上所述，鐵路融冰裝置實現(xiàn)了在線防冰、重載融冰、機車運行安全模式、熱備用、冷備用等功能，保證了融冰設(shè)備的可用、可靠及鐵路運輸?shù)姆€(wěn)定可靠。

2.3 仿真模型的建立

現(xiàn)場牽引變壓器為單相變壓器，110 kV/2×27.5 kV，2路輸出，1路為8.8 MV·A，另1路為6.8 MV·A，短路阻抗8.35%。

根據(jù)現(xiàn)場變壓器的容量、線路參數(shù)、并聯(lián)TCR以及FC的情況搭建PSCAD仿真模型。由于并聯(lián)電抗為TCR型，因此其感性容量可時刻調(diào)節(jié)；等效電路的仿真模型如圖2所示。圖2中標(biāo)注的感抗容量是6 Mvar，在仿真過程中均進行了調(diào)整。

圖2 接觸網(wǎng)的等效仿真模型

仿真觀察并聯(lián)電抗器/并聯(lián)電容器組所產(chǎn)生的電流、首端和末端的電壓、供電臂上產(chǎn)生的防冰電流值及分布、高壓側(cè)有功功率和無功功率；仿真觀察電容支路和電抗支路投切過程及投切時刻供電臂電流和電壓暫態(tài)過程的最大值。

110 kV側(cè)系統(tǒng)短路容量估算：變壓器容量S=8.8 MV·A×4×20 = 704 MV·A。供電電壓110 kV，系統(tǒng)短路阻抗：0.094 8 H。

將短路阻抗值輸入到發(fā)電機模型中，分別仿真3、6、9 Mvar的電抗器對應(yīng)電流和首末端電壓，如表1所示。

表1 仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可知，采用TCR+FC電容器組的交流融冰方式，可以對線路電流進行有效調(diào)節(jié)，在理論上可以達(dá)到融冰的目的，大部分的電流來自于電容和電抗自身的交換。末端裝設(shè)的TCR容量為20 Mvar，產(chǎn)生的融冰電流可以根據(jù)不同現(xiàn)場進行調(diào)整，電壓也不會抬升，融冰設(shè)備安全，對鐵路現(xiàn)有設(shè)備的絕緣也不產(chǎn)生影響。

3 現(xiàn)場防融冰試驗測試

3.1 鐵路防融冰現(xiàn)場接觸網(wǎng)溫升試驗

在雙流鎮(zhèn)牽引變電所安裝FC裝置，在永溫站安裝TCR裝置進行測試。

HMI界面如圖3所示，界面上顯示了TCR和FC的信號和模擬量值；2套設(shè)備之間通信采用5G通信。

圖3 接觸網(wǎng)防融冰HMI

融冰試驗時的背景環(huán)境溫度為-0.7 ℃，如圖4所示。圖中藍(lán)色越深溫度越低，紅色越深溫度越高。升流至400 A，70 min后導(dǎo)線溫度如圖5所示，顯示接觸網(wǎng)導(dǎo)線變?yōu)榧t色，溫度明顯升高，測量溫度為11.6 ℃。

圖4 接觸網(wǎng)未升流前的背景溫度

融冰電流在400 A穩(wěn)定后，每間隔約十幾分鐘測量1次接觸網(wǎng)導(dǎo)線溫度，根據(jù)溫度和時間進行溫升曲線繪制，如圖6所示。接觸網(wǎng)SVC交流融冰的可行性得到驗證，為鐵路防融冰提供了可行的技術(shù)方案。

圖6 現(xiàn)場測試的溫升曲線

3.2 現(xiàn)場諧波測試與分析

在現(xiàn)場進行諧波測試，牽引所110 kV側(cè)諧波電流及其限值和牽引網(wǎng)末端的諧波電壓及其限值分別見表2、表3。可以看出，加裝該防融冰裝置后諧波含量滿足要求。

表2 110 kV側(cè)諧波電流

表3 27.5 kV牽引網(wǎng)末端側(cè)諧波電壓

4 結(jié)語

本文提出了接觸網(wǎng)基于SVC的融冰裝置的計算和設(shè)計，采用電抗+電容的交流融冰方式，通過現(xiàn)場試驗進一步驗證此技術(shù)方案可以對線路進行有效融冰，引入融冰裝置的同時對電能質(zhì)量的影響及對牽引網(wǎng)沿線的諧波及電壓偏差進行研究，確保牽引供電系統(tǒng)的安全，仿真驗證了方案的可行性與有效性。

該SVC融冰裝置基于并聯(lián)設(shè)計思路，投切過程不改變牽引網(wǎng)和機車的運行狀態(tài)。成套裝置采用斷路器進行設(shè)備投切，可靠性高。同時采用全數(shù)字化控制系統(tǒng)，響應(yīng)快、控制精度高，采用多種調(diào)節(jié)控制方式，可實現(xiàn)以覆冰強度、接觸網(wǎng)溫度為控制目標(biāo)的融冰電流決策，以及電壓和無功聯(lián)合調(diào)節(jié)控制或加權(quán)聯(lián)合調(diào)節(jié)控制。該裝置采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計，支持多種通信規(guī)約，方便接入電氣化鐵路供電綜合自動化系統(tǒng)，真正實現(xiàn)無人值守或集中控制。

該融冰裝置可以有效降低牽引網(wǎng)覆冰導(dǎo)致的停運損失，減少接觸網(wǎng)導(dǎo)線磨損；同時在鐵路運維提質(zhì)增效、提高供電質(zhì)量等方面發(fā)揮較大的經(jīng)濟與社會效益。