电气化铁路接触网雨凇覆冰厚度预测模型

于晓英

摘要 本文主要分析了电气化铁路接触网雨凇覆冰形成的基本机理，同时也融入了雨凇覆冰自然增长模型与电热融冰热平衡方程，并充分考虑了牵引电流大小及其持续时间对覆冰厚度的影响，建立了预测模型，为后续接触网覆冰研究提供了一定的研究基础。

【关键词】电气化铁路 接触线雨凇覆冰 厚度预测 模型 计算

本文建立了符合电气化铁路接触网及雨凇覆冰特点条件的覆冰预测模型，希望借此减小传统预测模型所产生的误差，有效提高接觸网防冰及除冰工作效率。

1 接触网雨凇覆冰的基本形成机理

接触网雨凇覆冰是由O℃以下冷空气结合雨水冻结所形成的透明冰层，它在树枝或导线位置会结成较粗的冰筒，这就是雨凇覆冰。换言之，雨凇覆冰就是冻雨覆冰，它的密度大且附着力强，会对接触网线本身带来巨大危害。

影响接触网雨凇覆冰的外界因素有很多，例如气象条件、接触线牵引电流、微地形、电流持续时间等等，它们都会在不同程度上影响接触网覆冰效果。当接触网严重覆冰以后，接触网接触线表面温度首先就会受到负荷电流影响，进而影响到接触线覆冰量。如果电流偏小，接触线会产生焦耳热，但其热量无法保证接触线表面温度持续维持在O℃以上，而且由于受到电场影响，接触线覆冰量也会不断增加。如果接触线负荷电流偏大，接触线所产生的焦耳热会使得接触线表面温度维持在O℃以上，此时即使冷却水与导线碰撞，也不会产生雨凇覆冰。

另外，接触网牵引电流也是会受到雨凇覆冰因素影响的，例如在相对运输繁忙的区段，接触线中持续存在较大牵引电流，此时所产生的热量偏大，会在一定程度上阻碍雨凇覆冰形成。反之如果该区段停运，牵引电流持续时间偏短，所产生热量偏小，形成的雨凇覆冰量就会增大。

2 电气化铁路接触网覆冰厚度的预测模型建立与计算分析

电气化铁路牵引变电的电能通过接触网输送到电力机车中，为电气化铁路提供运输动力。如上文所述，这种特殊的牵引供电方式也决定了接触网中的接触线是否会形成雨凇覆冰，以及其覆冰厚度。以下建立了接触网雨凇覆冰的厚度基本预测模型，以寻求雨凇覆冰厚度的有效计算过程。

2.1 雨凇覆冰厚度预测模型建立基本条件

首先假设接触网接触线会形成雨凇覆冰，进而假设以下基本指标。

冻结系数为1，雨凇冰的密度则为0.8g-0.9g/cm3，水的密度为l.Og/cm3;

将接触线假设为无限长圆柱体，其半径为R;

在模型构建前忽略接触线与周围空气所产生的对流交换热量，即假设接触线所产生的热量均为牵引变电所产生的焦耳热;

不考虑冰水分界面位置，假设接触网的温界面温度为O℃;

假设接触线通过电流保持发热均匀，整个导线电阻恒定。

2.2 雨凇覆冰厚度预测模型的基本计算流程

该预测模型的重要计算指标就包括了牵引电流等效融冰厚度，牵引电流发出的焦耳热量，它应该与所融化的冰筒融化所吸收的热量相等，因此这里可以首先给出牵引电流焦耳热与接触网覆冰融冰的准热量平衡方程表达式，如下：

基于上述接触网雨凇覆冰等效融冰厚度的计算公式，就进一步计算它的自然覆冰增长厚度，将该计算出厚度与接触网牵引电流等效融冰厚度相减，所得出的差就应该为接触网接触线雨凇覆冰的最终预测厚度，如下：

△R=△R1一△R2

2.3 接触网雨凇覆冰厚度计算的结果分析

通过上述一系列计算流程，得出电气化铁路接触网接触线部分的雨凇覆冰预测厚度，它的整体计算流程应该如下：

参数在线监测（看是否满足覆冰气象条件）一一分析冻雨持续时间和相关气象参数一一分析牵引电流焦耳热量与电流持续时间一一构建接触网雨凇覆冰预测模型一一计算覆冰厚度一一计算等效融冰厚度一一结合覆冰厚度与等效融冰厚度得出最终覆冰预测厚度

在最初的在线监测系统操作过程中，应该为后期的接触网雨凇覆冰厚度计算提供足够参数，这其中就包括了在线监测系统中所需要监测的外部气温、风速、降水率、冰筒表面温度、冻雨持续时间、牵引电流及其焦耳热量、牵引电流持续时间等等。并根据实际气象状况来判断接触网、接触线是否已经覆冰，判断未来能否产生覆冰，如果覆冰，则按照上述一系列模型构建过程与计算过程来预测雨凇覆冰厚度。

通过上述计算得到仿真结果，在时间0到之内t1，如果牵引电流I一直存在，那么就会产生焦耳热，可由焦耳热来计算出融化冰简体积，再进一步对融化冰筒的厚度进行求解，也就是计算牵引电流的等效融冰厚度。假设接触线从最初初始状态到自然覆冰状态为1h，那么接触线的实际覆冰厚度就应该等于自然覆冰厚度与牵引电流存在时间内等效融冰厚度二者之差。当牵引电流越大时，焦耳热量存在的持续时间越长，接触线的实际覆冰厚度越小。反之，则接触线的实际覆冰厚度越大。

3 总结

综上所述，有关电气化铁路接触网、接触线的覆冰厚度预测就涉及到牵引电流、焦耳热量以及牵引电流持续时间，基于上述指标构建接触网雨凇覆冰厚度预测模型，就可以预测它的实际覆冰厚度，从某种程度可有效避免接触网、接触线雨凇覆冰现象，提前做好除冰准备工作。这对电气化铁路中列车的安全运行具有相当高的指导价值。

参考文献

[1]王健，王玮，屈志坚等，电气化铁路接触网雨凇覆冰厚度预测模型研究[J].电气化铁道，2014 （01）：21-24.

[2]孙轩.电气化铁路接触网防冰融冰技术研究[D].西南交通大学，2012.