浅析接触网覆冰现象的危害以及应对措施

甄 磊

0 引言

近年，电气化铁道作为高速及重载铁路的主要牵引方式在国内得到了大力推广，接触网覆冰作为一项在大部分电气化区段存在的问题逐渐突出。2008 年的南方雨雪灾，2009 年10 月及2010 年2月发生在辽宁的冻雨极大地破坏了运输秩序。这些灾害无一不是由于接触网覆冰造成的。本文对接触网覆冰现象的成因危害以及克服的办法进行浅议。

1 接触网覆冰

1.1 覆冰的起因及类型

引起接触网覆冰的主要因素是气候。覆冰发生在冻雨或者雨夹雪的天气之下。一般易出现覆冰的温度为0℃～-5℃，空气湿度较大，有风且毛毛雨。

主要影响天气因素包括空气温度、空气湿度、风速风向、过冷却水滴大小等4 个方面。

覆冰的种类主要有5 种，包括雨淞、粒状雾淞、晶状雾淞、湿雪、混合淞。

其中危害最严重的是雨淞。一般由冻雨形成，透明玻璃体、与接触线表面的附着力强，不易脱落。形成气温在0℃～-6℃之间，雨滴较小，呈毛毛细雨的情况下发生。

1.2 覆冰的危害

（1）对接触网设备的影响。接触线上面附着的冰壳会阻碍受电弓取流，产生较大的电弧，甚至燃弧。对接触线形成严重的机械磨耗以及电弧烧伤。在锦州站观测到约有1.0 m 高的蓝色火焰以及明亮电弧，伴随有四溅的火花（是电弧融化铜线溅出的金属液滴）。2010 年2 月25 日的冻雨造成新民站的接触线上形成约7～15 cm 的冰凌，电力机车通过时形成的电弧就有半米高，在该情况下检修发现接触线的磨耗加大，这一夜的磨耗几乎是全线开通一年以来所有磨耗的数倍。而且分段绝缘器等设备上面的小型零配件，如菱形分段铜滑板上面的销钉烧伤，开口销甚至烧断后掉落，给设备安全运行带来极大的隐患。

（2）对电力机车的影响。由于受电弓碳滑板一般都带ADD（自动降弓装置），在电弧严重烧伤的情况下会自动降弓，可以起到一定的保护作用。覆冰会造成碳滑条烧断裂或封装树脂变形开裂漏气，造成电力机车不能使用。此外冻雨还会引发严重的弓网故障，在车站内停留的电力机车在升弓时由于机械部分冻结或碳滑板上面严重结冰，使车顶支持绝缘子闪络放电，较大的短路电流会形成电弧烧断接触线。在2009 年10 月—2010 年1 月间3次冻雨覆冰灾害均引起高桥镇、葫芦岛站的3 起接触线断线事故。这些事故均发生在停留电力机车一弓损坏后升起另一个受电弓的时候。在2009 年10月31 日的冻雨覆冰灾害中，仅锦州机务段更换的受电弓滑板就有12 块。

（3）接触线覆冰造成覆冰舞动事故。接触线不均匀覆冰，在风的作用下产生舞动，覆冰的接触线低频高幅舞动会造成金具损坏，接触线断股。

（4）过荷载。接触悬挂的实际重量超过设计值，导致接触网机械和电气事故。

（5）绝缘子串冰闪事故。绝缘子覆冰绝缘强度下降，泄漏距离缩短，局部表面电阻增加，形成闪络，闪络过程中持续电弧烧伤绝缘子，绝缘强度降低。

（6）谐波电流对电能的质量影响。接触线覆冰造成电力机车运行时弓网拉弧严重。引起严重的谐波污染，影响电能质量，危害电力设备。2009年辽宁的几次覆冰灾害中，曾造成牵引变电所电容补偿装置多次跳闸。

2 覆冰的应对措施分析

目前覆冰应对措施主要有人工除冰、电力机车受电弓带负荷运行除冰、不带负荷运行除冰、接触线电加热、涂抹防冻剂等多种渠道，但还没有一种成为主流方法。目前已开通的高速铁路上多数都设置了接触线电加热融冰系统。

（1）人工除冰效率极其低下，每小时不过一公里且无法清除干净，完全不可取。

（2）电力机车受电弓带负荷运行的方法曾在沈阳铁路局采用过，但效果不明显，严重的冻雨覆冰几乎没有效果，且对接触线的损伤较为严重，有时可能引发弓网故障。

（3）电力机车受电弓不带负荷运行除冰是指由内燃机牵引的电力机车升弓不取流，仅作机械刮除。其效果也较为有限，但对接触线的损伤较前一种小。

（4）接触线电加热融冰技术是采用短路法，以牵引变电所为中心，通过特定的接线方式使得变电所对地短路，形成闭合的回路，利用其短路电流的热能进行融冰。

（5）涂抹防冻剂是利用机械设备向接触线涂抹防冻剂，利用其溶解于水时所散发的热量除冰。

接触线电加热和涂抹防冻剂这2 种方法笔者认为可行性较大，值得推广或借鉴。下面具体分析这2 种方法的优缺点和利用情况。

2.1 接触线电加热融冰技术

该技术的原理是利用电流的焦耳热效应加热导线，使覆冰融化。可分为直流融冰和交流融冰。

直流融冰的原理是将覆冰线路作为负载，线路末端短接，逐段施加直流电源，利用较低的直流电压提供短路电流加热导线使覆冰融化。需要增设断路器、融冰变压器、整流器及相应的控制设备。原理图见图1。该方案的特点是需要的电源功率较小，对电力系统的影响也小，但投资相对较大。

图1 直流融冰方案示意图

交流融冰的原理是将融冰线路的一端短路接地，在另一端施加融冰电源，由较大的短路电流加热导线，使之达到融冰的温度，对于电气化铁道，可以采取牵引变电所设施及接触网接线方式不变，通过分合开关实现融冰。如图2 所示，将供电臂一个馈线开关合闸，另一个馈线开关接地，分区所并联，形成短路电流进行融冰。交流融冰方案简单，实施方便，但是会产生较大的无功功率，影响电能质量，耗电量大。

图2 交流融冰方案示意图

交流融冰与直流融冰的共同缺点是对于接触网中非导电回路中的设备不起作用，如分相的中性段无电区，此外，电加热必须在天窗时间内进行，不能同时运行电力机车，使用时间受运输的影响较大，不能做到与出现冻雨的时间同步，对已发生的冻雨无法及时处理。且国内目前尚无已投入实战的电加热系统的相关案例可供参考。

2.2 涂抹防冻剂

该技术是德国STEMMANN TECHNIK 公司开发的。根据天气预报获知即将发生冻雨天气后，预先使用防冻剂涂敷接触线，以防止结冰。

涂抹设备由2 个部件组成：其中一个部件安装在轨道车辆内部的一个固定框架上。另一个部件为附加的车顶受电弓，它的滑条由一个润滑装置取代。润滑装置的基本部件是一个用甘油浸润的毛毡辊，在行驶期间，把设备中的防冻剂由压缩空气通过组合管道系统导入到中空的毛毡辊内，通过毛毡辊滚动将防冻剂涂抹在接触线上。该设备的有效期为2～3 天，运行速度30 km/h。具有使用方便，运行使用费用较低，效率很高等特点，且不受天窗时间的限制，在安装到相应的轨道车后，可以任意时间增开一列即可，而且不受中性段无电区的影响，只要在受电弓接触到的范围内都可以涂抹防冰剂。缺点是对较为严重的覆冰效果可能不明显，而且对通过的分段绝缘器有一定选择性，对德国的空气式Adtranze 分段绝缘器较为合适，而对于采用绝缘器件作为滑道的分段绝缘器会污染绝缘滑道，对未来的V 型天窗作业造成安全隐患，故不应通过带分段绝缘器的岔间渡线。

结合上述分析，笔者认为要采取兼容并包的方式，积极借鉴每种方法的核心思想。特别是在已经完成电气化改造的既有设备上，即没有条件增设电加热融冰的设备。虽然没有机械涂抹防冻剂的设备，但是可以针对个别重点处所采取人工涂抹的方式，使用绝缘杆绑扎滚刷，向接触线涂抹防冻剂，也可以起到一定的效果。比如，站场内站线，在冻雨引发的接触线断线事故中，大部分是电力机车在启动处所升弓造成的。由于受电弓滑板上面覆冰以及接触线上面覆冰形成的冰溜子，使得弓网没有接触到的时候就开始形成电弧，烧断接触线。如果在这些易发生断线的重点处所进行人工涂抹，会在一定程度上减少发生接触网断线的可能性。笔者按照该思路进行了多次模拟实验，利用喷壶在气温0℃及以下时向接触线上面喷水，接触线一侧涂抹防冻剂，在未涂抹防冻剂的接触线另一侧形成最大约1 cm 的冰碴时，而涂抹了防冻剂的一侧基本上没有结冰，实验效果尚可，因此，笔者认为该方法具有一定的可行性。

3 结束语

综上思路，在国内开通的客运专线上，可使用电加热融冰装置、人工涂抹防冻剂相结合的方法，增加除冰的效果。同时还可以使用双弓受流以减小电弧，降低对接触线的危害。在既有的电气化铁道上，可以采取对重点处所人工涂抹防冻剂，电力机车不带负荷除冰相结合的方式进行除冰。如果能有机械化的涂抹防冻剂设备作为补充，则可大大增加上述2 种方法的除冰效果。防冻剂的成分应选择既导电又溶于水，且溶于水时会释放热量的材料，宜采用纯甘油，加之以一定比例的CaCl2。笔者通过数次模拟实验说明该方法有一定效果。

接触线覆冰对运输的影响很大，对接触网设备有很大的危害。解决该问题需要供电、机务、运输等多家单位协调解决。同时渴望国内厂家能及早研发出机械化涂抹防冻剂的设备，或研发其他除冰的可行方案。望各供电运维单位共同努力，相互交流，共享经验教训，提高设备质量和运营管理水平，确保牵引供电设备的安全，保证铁路运输畅通。

[1] 蒋先国.高速铁路四电系统集成[M].成都：西南交通大学出版社，2010.

[2] 王汉东.2 种和谐型机车受电弓花在冻雨天气破损分析[J].机车电传动，2010，（4）.