电气化铁路接触网在线防冰技术方案设计

崔永强，郭 蕾，李群湛，郭积晶，胡景瑜

（西南交通大学电气工程学院，成都610031）

接触网是牵引供电系统的重要组成部分，承担对电力机车的送电任务[1]，处于低温、冻雨、湿雪、冰冻等天气下的输电线路容易出现覆冰现象。近年来，国内学者对输电线路的覆冰进行了深入研究，取得了很多重要的成果[2-4]。电气化铁路负荷重、波动大，在夜间停电综合维修时，在恶劣环境下接触网也会形成覆冰。

对于覆冰灾害最好的解决方法就是防冰，即在覆冰条件下使线路中流过足够大的电流，依靠焦耳热保证接触线温度在0℃及以上避免覆冰。在覆冰环境下，使导线不覆冰的最小电流称为导线临界防冰电流。Clem 基于强制对流换热原理提出计算防冰临界电流的方法；Personne 等基于Makkonen的导线表面覆冰热平衡方程[2]，提出了临界电流计算方法，但计算方法较为粗略；蒋兴良对导线覆冰规律及其影响因素进行了研究[3]；刘和云完善了对流换热损失与碰撞系数的计算方法，提高了临界电流计算的准确性[4]。目前各铁路局大多仍采用人工清除接触网覆冰的方法，效率低下，直流短路融冰方法又影响行车。文献[5]提出了一种利用无功电流防冰的技术；为解决电能质量问题，李群湛提出同相供电理论，可实现对无功、负序、谐波的综合治理[6-7]。

本文将依托同相供电装置，研究基于静止无功发生器（SVG）的接触网在线防冰方案，兼顾电能质量的治理电气化铁路接触网的防冰问题。

1 导线防冰电流计算

1.1 导线热平衡方程

文献[3]经过对圆柱导线覆冰过程中的主要传热过程的分析，得到导线临界防冰电流，即

式中：Rac，s为导线在表面稳态温度ts下的交流电阻，计算需考虑导线温度和集肤效应对交流电阻的影响；A 为单位长度导线表面积；h 为导线表面对流换热系数；ts、ta分别为导线表面稳态温度和环境温度；Ae为蒸发面积；LV为蒸发潜热；pa为标准大气压；ca为空气比热容；e（t）为温度t 时的饱和蒸汽压；α1、α2、α3分别为水滴与导线的碰撞系数、导线捕获水滴系数、水滴冻结系数；r 为导线半径；v为风速；w 为空气液态含水量；cw为水滴比热容；ε为黑体总辐射系数，取0.95；Stefan-Boltzman 常数σ=5.567×10-8，W/（m2·K4）。忽略接触线凹槽等结构因素的影响，式（1）作为接触线临界防冰电流的粗略计算式。

1.2 承力索对接触网防冰电流的影响

接触网由接触线、承力索、吊弦等共同组成，建立防冰电流模型可以计算出接触线的防冰电流值。防冰装置投入后，承力索会起到分流的作用，因此，计算承力索和接触线的电流分配比对于准确计算接触网的防冰电流非常重要。电流在接触网中的分配满足条件为

式中：IK、IT分别为承力索、接触线的电流；ZT、ZK、ZM分别为接触线自阻抗、承力索自阻抗和两者的互阻抗。通过Carson 公式[1]可以求得

则接触网电流为

接触线采用GLCB-85/173，承力索采用LGJ-120，接触线距轨顶高度为5 800 mm，接触线的结构高度为1300mm，承力索的最大驰度fm=500mm，钢轨型号P50，钢轨之间的距离dt=1435mm，接触网地回路之间的等值深度Dg=930 000 mm。则

故接触网防冰电流为

2 接触网在线防冰方案

2.1 基于SVG 在线防冰方案

SVG 目前广泛应用于电能质量的治理。图1是利用首末两端的SVG 发出和吸收无功来用于接触网防冰。但仍需变电所出口处的分相绝缘器，属异相供电。

图1 接触网在线防冰方案原理Fig.1 Schematic of catenary online anti-icing

由电流焦耳热效应得

通过控制SVG 中电压源型变流器交流侧电压的幅值和相位，实现交流侧电流的控制。SVG 可吸收或发出感性无功，对外表现出电感性或者电容性，如图2 所示。覆冰条件下，末端SVG 吸收感性无功电流，而首端SVG 发出感性无功电流；首端SVG 检测线路的无功和谐波电流，保证供电臂首端功率因数，而末端SVG 保证整条供电臂满足防冰电流的要求，可实现全线在线防冰要求。

图2 SVG 结构Fig.2 Structure of SVG

2.2 同相供电方案

同相供电变电所主要由平衡变压器和综合潮流控制器IPFC（integrated power flow controller）构成。平衡变压器将来自公用电网的三相对称电压变为两相对称电压，如图3 所示。

图3 同相供电装置示意Fig.3 Sketch map of co-phase supply

同相供电补偿原理概括为：负载电流iL由有功电流ip、无功电流iq和谐波电流ih组成，即

通过控制IPFC 使得端口输出电流为

由基尔霍夫定律知

次边两端口电流幅值相等，由平衡变压器的特性可知，此时变压器原边无负序电流[1]，从而实现电气化铁路无功、负序、谐波的综合治理。

2.3 同相供电条件下的防冰方案

IPFC 的拓扑结构，是一种背靠背SVG 结构，如图4 所示。当达到覆冰条件时，供电臂末端SVG投入使用，即可实现图1 中接触网防冰功能。

图4 IPFC 结构Fig.4 Structure of IPFC

由于IPFC 为有源补偿设备，因此通过DC/AC逆变环节可以发出任意指定大小无功电流。图5中供电臂末端SVG 吸收指定大小的感性无功电流，IPFC 补偿掉负载和末端SVG 的无功电流，保证功率因数，从而在保证无功、负序、谐波综合治理的优势下实现图1 中接触网防冰功能。

图5 同相供电条件下防冰方案Fig.5 Anti-icing program under co-phase state

3 Matlab/Simulink 仿真实现

气温是影响导线覆冰的重要因素，一般在温度0～-6 ℃，风速0～6 m/s，空气湿度大于85%时才容易形成覆冰[3]。

仿真条件为：风速v=5 m/s，环境温度ta=-3 ℃，相对湿度85%，液滴直径d=94.46 μm，液态含水量ω=8.45×10-3g/m3；接触线GLCB-85/173，承力索LGJ-120；IPFC 用于电能质量治理时，α 臂有功功率10 MW，感性无功功率3 Mvar，3 次谐波电流源120 A；β 臂有功功率1 MW，感性无功功率1 Mvar。

将仿真参数带入式（1）得接触线的防冰电流为215.87 A，由式（6）得到接触网的防冰电流为413.9 A。仿真波形如图6～图11 所示。

图6 未加IPFC 时变压器原边电压和电流波形Fig.6 Transformer primary voltage and current waveforms without IPFC

图7 IPFC 治理后变压器原边电压和电流波形Fig.7 Waveforms of transformer primary voltage and current with IPFC

由图6 和图8 可见，当平衡变压器次边两端口负荷不相等时，变压器原边三相电流不平衡且有谐波，二次侧电流存在谐波；由图7、图9 可以看出，经过IPFC 治理后的原边三相电压、电流对称，次边电压、电流质量提高，验证了同相供电技术在电能质量治理方面的效果。图10 表明在覆冰条件下，实际负载电流不足以满足防冰电流的要求；而图11 为启用牵引网防冰方案时接触网电流的仿真结果，表明此时牵引网流过电流达到防冰要求；且图12 中接触网末端电压大于19 kV，不影响用电机车通过，证实了防冰方案的可行性。

图8 未加IPFC 时α 臂电压和电流波形Fig.8 Voltage and current waveforms of α feeding section without IPFC

图9 IPFC 治理后α臂电压和电流波形Fig.9 Voltage and current waveforms of α feeding section with IPFC

图10 未防冰右供电臂电流有效值Fig.10 Right-powered arm rms current without anti-icing equipments

图11 防冰状态右供电臂电流有效值Fig.11 Right-powered arm rms current with anti-icing equipments

图12 防冰状态牵引网末端电压有效值Fig.12 Traction network terminal rms voltage at the state of the anti-icing

4 结论

（1）本文考虑承力索的分流影响，结合输电线路的融冰理论，通过接触网防冰状态下的热平衡方程计算得到了防冰电流大小。

（2）结合现有的同相供电技术，通过仿真阐述了一种接触网防冰方案，并且仿真实现了预设防冰电流的输出和电能质量的治理。

[1]李群湛，贺建闽.牵引供电系统分析[M].成都：西南交通大学出版社，2007.

[2]Makkonen L.Modeling of ice accretion on wires[J].Journal of Climate Applied Meteorology，1984，23（6）：929-939.

[3]蒋兴良，易辉.输电线路覆冰及防护[M].北京：中国电力出版社，2002.

[4]刘和云.架空导线覆冰防冰的理论与应用[M].北京：中国铁道出版社，2001.

[5]李群湛，易东，舒泽亮，等.一种电气化铁道接触网工频在线防冰融冰方法[P].中国 2011101419216，2011-05-29.

[6]魏光，李群湛，黄军，等（Wei Guang，Li Qunzhan，Huang Jun，et al）.新型同相牵引供电系统方案（A new cophase traction power supply system）[J].电力系统自动化（Automation of Electric Power Systems），2008，32（10）：80-83.

[7]常非，冯金博，赵丽平（Chang Fei，Feng Jinbo，Zhao Liping）. 同相贯通牵引供电系统综合潮流控制器设计（Design of comprehensive power flow controller used in co-phase continuous traction power supply system）[J]. 电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2012，24（1）：54-58.