接触网直流电流融冰技术研究

肖经志

(中铁七局电务公司，河南郑州45000)

随着我国经济的不断发展，我国电气化铁路规模也在不断地扩大，电气化铁路在国家经济建设和国防建设中也担负着越来越重要的作用。但是，由于我国是跨越地域气候最多的国家，接触网覆冰的现象也就越显严重，随着接触网不断延伸到易覆冰区，频繁发生的覆冰事故对铁路运营的危害也逐渐凸显，接触网覆冰将对弓网接触、取电、拉弧、支吊产生重大影响。因此，研究出可靠的防冰融冰技术已经成为一项重要而紧迫的任务。

1 直流融冰的可行性

接触网的交流电流融冰技术主要包括发电机零起电流、交流短路和过负荷融冰等方法。交流电流融冰(简称交流融冰)的基本原理与直流融冰相同，但在技术的研究和应用上又有自身的特点，受交流电流自身的特性影响，由于接触网一般是低压线路，在低压接触网中一般串接线路及变电站较多，则电源较难保障，不像直流融冰一样可以用发电车来作为电源，所以选择直流融冰法作为融冰的方案。

2 直流融冰的原理

将两相或三相导线一端接入直流融冰装置，另外一端短路，通过大功率整流器将直流电流注入导线加热来达到融冰的目的。直流电流产生的热量必须大于导线散热量和融冰热量之和，覆冰才能融化。这就要求:线路所通融冰电流I 达到一定的数值;融冰电流确定以后，融冰装置的电源容量对应一定长度的线路(电阻为R)，并装置的输出电压也受到IR 的限制。

设计短路融冰方案时，接触网的融冰电流、保线电流以及最大允许电流应首先被确定。

融冰电流。融冰电流是指导线上覆冰融化电流。融冰电流在导线电阻中产生的热量一部分使冰柱的温度上升至融点，一部分使冰柱融化，一部分损失在从导线表面到冰柱表面的传递途中，还有一部分通过冰柱表面散失。

保线电流。保线电流是指保持导线温度在冰点以上，是导线覆冰所需的最小电流。保线电流通过导线产生的热量与对流，辐射散热消耗热量平衡。

导线最大允许电流。导线最大允许电流是指在融冰的短时间内(最长几小时)允许导线最高温度(90℃)所通过的电流。

在一定的环境条件下，直流融冰所需要的整流器容量取决于需要融冰线路的导线截面及导线长度。现代直流技术的应用和大电流晶闸管阀片的开发为直流融冰创造了良好的条件。直流短路融冰从技术上可适应于各级电压等级的不同导线截面的线路，实现这一方法的关键则是根据不同的应用条件，开发出不同型式、不同容量的直流融冰设备。

直流融冰时线路阻抗的感性分量不起作用，降低了融冰所需的容量，提高了融冰效率;直流融冰时直流电压连续可调，可以满足不同长度线路的融冰要求，且不需要进行阻抗匹配，也降低了融冰对电力系统运行方式的苛刻要求;安装于枢纽变电站的直流融冰装置可对全站所有进出线进行融冰，在线路大面积覆冰时，效果特别明显。

3 直流融冰设备的开发

3.1 直流融冰电源型式

直流融冰的电源可以直接取自发电机(发电车)。

发电机(发电车)提供电源。发电机(发电车)主要指大功率柴油发电机组，也可以是电网中存在的发电机。在严重冰灾时，很难从变电站获得电源，而车载式发电车能够灵活移动，移动式直流电源可以发挥重要的作用。对于发电车，为了保证其移动的灵活性，不应该带有变压器，因此只能用发电车输出电压直接作为阀侧电压。

图1 发电机提供电源的直流融冰方案(不带整流变压器)

3.2 直流融冰装置主要参数的确定

直流融冰装置的主要参数包括整流形式、直流额定电流、直流额定电压、直流功率。对于需要安装直流融冰装置的变电站，对所有需融冰线路的融冰参数进行计算，同时参照约束条件，即可确定直流融冰装置的这些参数和其他相关参数。

发电机(发电车)移动式直流融冰装置主要参数的确定。对于发电机(发电车)提供电源的移动式直流融冰装置，为确保其移动的灵活性，不宜在整流器和发电车之间加变压器，这样发电车移动式直流融冰装置只能采用6 脉动整流，直流侧的最大可能直流输出电压为540 V。为保证移动的灵活性，整流器只能采用强迫风冷，整流器的直流电流不宜超过1 000 A。为充分利用直流融冰装置的容量，整流器的直流功率不宜超过540 kW。500 kVA 左右容量的发电车也可保持引动的灵活性。

4 直流融冰装置的控制和保护

直流融冰装置的控制功能保证在电流和有功控制等调节目标下，在直流融冰过程中实现融冰装置换流器、直流隔离开关等的自动控制，使直流融冰装置各支路断路器、隔离开关、融冰线路、冷却系统、保护装置和有关系统等运行协调、安全。各交流出线可由控制装置自动切换三相线路连接到整流装置。一方面，可以保证三相线路均衡融冰，切换过程中整流装置及开关的操作都能自动进行以实现快速、安全融冰;另一方面，可以减少开关的倒闸操作。以保证系统在各种不同运行方式下，实现不同线路快速、可靠、安全的融冰。

直流融冰装置控制以融冰线路所需融冰电流为主要调节目标，直流融冰装置的有功功率和无功功率输出可作为辅助调节目标。

通常由运行人员设定希望的电流定值以及电流升降速率。控制系统控制直流融冰装置输出的直流电流为设定的电流定值，在交流和直流扰动下仍保持本融冰装置直流电流恒定。

根据融冰要求，提出对不同线路相应的直流融冰装置运行方式和模式转换方案，以保证融冰快速和安全完成。主要包含直流融冰装置启动和停运过程中的顺序操作，各种控制模式和运行方式的切换功能。

直流融冰装置中如配置进行无功补偿和谐波治理的滤波器组，在监视控制系统中可根据融冰电流的大小和触发角进行相应滤波器的组投退控制。

直流融冰装置的保护与控制系统功能相对独立;控制与保护为统一设计实现，同时直流融冰装置的保护与控制系统可采用不同的主机。

5 结语

本文阐述了直流融冰技术的可行性。除直流融冰技术外，其他防冰除冰方法在一定范围和一定程度上也可以达到防冰除冰的目的，但其安全性、经济性、有效性和易操作性等方面存在不足。为了满足更广泛设备防冰除冰的要求，提高接触网防冰除冰的效率和水平，在现有的技术基础上，依然迫切地需要完善一些未完成但有前景的防冰除冰技术，或者开发出新的技术，为铁路运输安全提供更多保障。

［1］张光普，马劲航，朱智宏. 城市轨道交通接触网的防冰害措施［J］.都市快轨交通，2007(5).

［2］洪从鲁，何忠韬. 接触网除冰装置及其安装方法的研究［R］.成都:兰州交通大学机电学院，2010.