接触网除冰方法的探讨

邵全东 上海铁路局合肥供电段

覆冰覆雪是一种严寒天气时产生的自然现象，如果在接触网上大面积形成覆冰，将直接影响电气化铁路的正常安全运行。世界上不少国家如美国、加拿大、俄罗斯、法国、日本等都曾发生过严重的冰雪灾害。2008年初我国南方部分地区也发生了罕见的冻雨及冰雪灾害，给铁路网造成了重大影响。

1 接触网覆冰产生的危害

1.1 列车无法正常取流运行

较长时间没有列车运行时，接触线会完全被覆冰包围，使受电弓无法取流。例如在2004年2月20日至22日，哈大线遭遇了自开通以来强度最大、范围最广的降水，气温骤降和雨雪交加致使接触网及受电弓多处结冰，发生了多起因受电弓不能正常取流的事故。2008年春运期间，在贵阳供电段、长沙供电段均发生多起接触线被覆冰包裹的事件，使列车无法取流运行。

1.2 降低接触网的安全可靠性

(1)在风的作用下，接触网设备不仅承受了覆冰自身的荷载，而且也承受了因受风面积增大而增大的风荷载。如果覆冰值超过设计值，可能会使导线张力增大(严重时断线)、支持装置破环。(2)覆冰使接触线与受电弓接触受流(特别是高速受流时)时导电性能降低，并产生电弧而烧伤受电弓和导线。(3)绝缘子冰闪。在冬季雾雪天气时，绝缘子表面会出现结冰现象，主要集中在绝缘子的迎风面上，厚度一般在5-10 mm。冰体内的污染介质形成导电体，可能造成短路，引起闪络放电、接触网跳闸、损坏电气设备，影响正常运输。

1.3 影响弓网受流质量

接触线波动传播速度是接触网设计的主要参数，直接关系到了弓网运行速度目标值能否实现。接触线波动传播速度的平方与其工作张力成正比，与其线密度成反比。当接触线覆冰时，其线密度提高而工作张力不变，因此减小了接触线波动传播速度，进而影响了弓网受流质量。其次由于接触网特别是接触线覆冰的不均匀性，在覆冰处，相当于接触线增加了集中荷载，甚至会产生硬点，严重时会发生打弓事故。在速度越高时，覆冰对弓网受流质量影响越大。

输电线路除冰和融冰方法有几十种，大致可分为4类：热融冰方法、机械除冰方法、被动除冰方法、混合除冰方法。目前，国内外相对成熟且可大规模应用于输电线路覆冰除冰和融冰方法却十分有限。

2 基于输电线路导线力学效应的机械除冰方法

指用物理器械通过人工敲击，受迫震动，刮除，扭转等方式，直接将外力作用于电力网外冰层，使得冰层变形脱落，这类方法又可分为"ad hoc"除冰法、滑轮铲刮法、强力震动法等。

3 基于输电线路导线电流焦尔电热效应的热融冰方法

这种方法主要是在输电线路导线中接通电流，利用导线的焦尔效应产生的热量对导线表面的覆冰进行热融化除冰。这类方法又可分为直流电流方法和交流电流方法。由于接触网自身条件的优势使得电热融冰方法是一种相对快捷、方便的除冰方式。不同电流、温度、风速条件下融冰时间的数学模型表示式为：

Ec--加热导线所需的能量；

Eo--加热冰所需的能量；

Efg--冰融化所需的能量；

R--导线电阻；

I-一导线中的电流；

Ps--吸收的太阳能；

Pr--热辐射损失；

Pc--热对流损失。

3.1 交流短路融冰法

交流短路融冰是利用输电线路短路时，线路电流大大增加实现短路电流融冰：将覆冰接触网断电，牵引所供电线隔离开关打开，在上下行接触线间接上交流电源，用较低电压提供较大短路电流加热导线使导线覆冰融化。这种融冰方法比较简单(见图1）。

图1 接触线的交流短路融冰示意图

(1)确定短路点。考虑到需要短接线路既要尽可能的方便操作又要在除冰完成后的迅速复原，短路点一般选择在分区所。

(2)短路接触网的阻抗计算。根据线路参数，计算出短路段电网的阻抗。假如一个供电臂的长度是L=25 km，x=0.4 Ω/km，R=2Lx=20 Ω。

(3)确认融冰电压。设冰层情况，导线覆冰每边冰厚5 mm，气象条件分别为气温-3℃、风速3 m/s，假定导线最大融冰电流为 500 A，则冰层吸收的热功率为 P=I×I×R=500×500×20=5×106J，融冰电压为 U=I×R=10 kV。

(4)每隔10 s后观察融冰情况，直至冰层已除，恢复接触网供电。

3.2 直流短路融冰

与交流短路法类似，直流法的关键是融冰电源。主要是y要具有较高的稳定性并且易于控制。根据直流融冰的原理可知，融冰时线路将通过极大的电流。这将极大的超过单整流装置的极限。因而最好采用整流桥并联的形式，确保装置的安全。晶闸管整流器并联形式，目前主要有三种形式：12脉冲电路、双12脉冲电路和双6脉冲电路。目前，直流电流可由发电机及励磁设备采用零起升流办法提供，也可以由系统电源经可控硅整流后提供。一种利用可控硅整流的方案如图2所示。直流融冰的特点是不受线路长远的限制，直流电源容量也容易满足，还可利用可控硅整流与SVC技术相结合以提高经济效率，节约成本。直流电源接入接触网接线方式见图2。

4 高频高压激励融冰法

覆冰导线上加高频激励，能使冰成为有损的电介质而直接发热，也能引起导线的集肤效应，使电流只在导体表面流

图2 可控硅整流提供直流方案

通，造成更大的等效电阻损耗发热。高频高压激励融冰法就是利用二者共同产生的热量除冰。在需要除冰的线路上选定位置安装高频高压激励装置，线路的两端安装吸收器，以控制作用的范围（见图3）。随着激励频率的增加，冰的介质损耗增加，推荐激励频率范围为20 kHz～150 kHz；25 kV、100 kHz的电压可为100 km的线路有效融冰。

图3 高频高压激励融冰

5 电脉冲除冰方法

电脉冲除冰 (简称EIDI)原理是采用电容器组向线圈放电，由线圈产生强磁场，在置于线圈附近的接触线上产生一个幅值高、持续时间短的机械力，从而使冰破裂而脱落。

5.1 电脉冲除冰原理

电脉冲除冰的原理是基于这样一个定律，即变化的电场产生磁场，而磁场将会对导线产生电磁力，而若该电磁力为脉动电磁力，便会如同上文所述的机械除冰法中，电磁力代替机械力使得电网导线震动，击落冰层达到除冰效果，基本原理电路如图4。

图4 电脉冲除冰原理图

工作过程：电源电压经升压电路升压，给电容器充电，充电到需要电压值后断开电源，触发可控硅整流器(SCR)使电容器向线圈放电，线圈中流过强大的瞬时脉冲电流产生的磁场，作用在电线上，使之产生变化磁场，使线圈与导线之间产生作用时间为ms级、大小为几百至上万N的排斥力。

5.2 电脉冲除冰的仿真研究

根据经验设定电容端充电电压U=1 000 V，R=0.1 Ω，L=10 μH，C=400 μF。步骤一在 MATlab 中绘制出电路图

设定电容端充电电压 U=1 000 V，R=0.1 Ω，L=10 μH，C=400 μF。

开关元件使用IGBT，控制元件为脉冲信号源（见图5）。

图5 电路图

设置算法ode45，仿真时间为0.5 s开始仿真，可得出示波器中电流波形（见图6）。

图6 电流波形

由波形可以看出，电路中电流使重复出现的尖峰脉冲，这样的脉冲产生的脉动电磁力，可有效震落冰层。

6 结论

频繁发生的覆冰事故对发展迅速的电气化铁路接触网的影响日益凸显，特别是目前高速铁路网的不断延伸，夜间没有列车运行，接触网就更容易形成覆冰。接触网机械除冰方法比较耗费人力、效率低，且对接触网线路可能造成机械损伤。大电流融冰法效率较高，但耗能巨大，操作复杂。交流、直流短路融冰都必须在接触网断电的情况下实施，此方法在实际运用的中比较常见，但是融冰时间控制不好可能会对线路造成电气损伤。高频激励融冰会产生高频电磁波干扰通信，电脉冲除冰可在不断电的情况实施，前景较好。针对铁路供电系统的重要性，基于大电流热力融冰的方法值得深化研究。