冻雨和覆冰对高速铁路接触网的危害及其防护

程永胜

(中国铁路武汉局集团有限公司 襄阳供电段，湖北 襄阳，441000)

随着气候环境的不断变化，我国南方地区每年冬春季节的温度也持续走低，冻雨、大雪等灾害性天气时有发生，使得长江中下游地区甚至珠江流域的高速铁路接触网频繁遭受冻雨和覆冰灾害，严重影响行车安全[1]。

1 冻雨、覆冰的特性及其危害

1.1 冻雨、覆冰的特性

冻雨、覆冰的产生与否，危害程度如何，主要取决于地形、温度、风速、空气中过冷却水含量等。一般情况下，根据其危害程度，可以划分为白霜、雾凇、混合凇和雨凇等四类。

接触网的导线温度处于0℃以下时，空气中湿气与之接触，在其表面凝化形成白霜。白霜与接触网导线的黏结力十分微弱，极易脱落，不会影响行车安全。接触网导线上积覆的雾凇，常常是软雾凇(密度小于0.1 g/cm3)和硬雾凇(0.1～0.5 g/cm3)共存。雾凇在导线上黏结力小，对接触网运行危害相对较小。

混合凇表现为硬冰块的外形特征，是空气水滴被导线捕获并冻结逐步积累形成，密度在0.6～0.8 g/cm3之间；雨凇的密度大于0.9 g/cm3，呈连续增长态势，黏结力强。混合凇、雨凇都是冻雨覆冰危害的主要表现形式，对行车安全影响严重。

1.2 冻雨、覆冰的危害

某日，江汉地区普降冻雨，豫南地区暴雪来袭。地处江汉平原的汉宜线、武孝城际线、汉丹线、京九线因地理环境特殊，受冻雨影响，接触网线索、接触悬挂、附加悬挂、沿线树木上均有普遍厚度2～4 mm的覆冰；接触网硬横梁、腕臂支撑结构、上跨桥、架构物等处所密集附挂直径约10～15 mm、长度约200 mm左右冰凌；跨越河道、湖面，处在风口、高架桥的区段尤其严重。主要影响表现为：

(1)接触导线覆冰导致动车组(机车)受电弓取流不畅，多趟动车组被迫降速到160 km/h后维持运行。接触网硬横梁、腕臂支撑结构，上跨桥、架构物等处所附挂冰凌掉落击打受电弓供风管，受电弓运行途中降弓，根据冰凌程度，动车组降速到160 km/h或120 km/h或80 km/h后维持运行。

(2)覆冰引起接触网的电压波动，造成某CRH1型动车组主断路器频繁跳闸，无法运行，被迫更换另型车体。另有个别动车组(机车)受电弓覆冰严重，无法进行升降操作，受电弓从接触网取不到电流，被迫更换车体。

(3)受上跨公路桥、邻近公路撒放融雪剂影响，接触网绝缘子受覆冰污染，电气绝缘性能降低，放电引起变电所及分区亭中馈线断路器跳闸。

(4)邻近铁路线树木积雪倒伏，搭接接触网带电体，放电引起变电所及分区亭中馈线断路器跳闸。

2 高速铁路接触网的防冰除冰运营策略

在冬春季节，高速铁路接触网运营管理部门应当及时关注天气预报，及早做出接触网防冰、除冰的工作预案。

2.1 尽量维持接触网的带电状态

高速铁路天窗点均在夜间，时间较长，在冰雪恶劣天气下，这对防止接触网覆冰是相当不利的。尤其是接触网的绝缘器件(如绝缘子串等)积雪覆冰，天窗或长时间停电后，容易出现送电不成功，造成大面积停电。因此，一方面要取消停电天窗，尽可能减少接触网长时间停电，另一方面，根据天气预报和现场情况，及时报告运输指挥部门，组织热备动车组往返开行，预防接触网覆冰。

2.2 加强巡视监测手段

提前在沿线重点区段、关键处所设置观察哨，同时借助综合视频、供电6C装置等手段，动态掌握接触网积雪覆冰、受电弓取流、上跨桥及构架物冰凌情况，便于及时调整应对措施。

2.3 妥善组织动车组运行方案

(1)出现接触导线覆冰，动车组(机车)受电弓取流不畅的情况，要及时降速，想尽一切办法维持追踪运行，一旦长时间停运，灾害容易加重和蔓延。

(2)如果某区段出现多组动车组受电弓受冰凌击打降弓现象，应果断命令该区段限速运行。否则，一旦动车组备用受电弓也受损后，会造成动车组途中救援，扩大对运输秩序的影响。

2.4 热滑融冰、打冰的动车组上线作业

要及时安排开行安装有铜基粉末冶金滑板的动车组、电力机车上线热滑融冰、打冰，以160 km/h速度及以下，间隔60分钟左右进行除冰作业。

3 接触网在线防冰融冰技术探讨

3.1 导线表面涂抹防覆冰涂料[2]

根据输电线路的运行经验，可以考虑在接触导线上涂抹电热型、光热型、融冰型及憎水型等防覆冰涂料。

加入导电填料后，半导电特性的涂料内部，将有泄漏电流流过，由此产生焦耳热、场效应热等，使得涂层发热并保持一定的温度，起到防冰的效果，这就是电热型防覆冰涂料。当周围环境温度很低的时候，这种涂料的作用很难体现。光热型防覆冰涂料是在涂料中加入具有吸光性能的颜料后，最大限度提高涂料对不同光谱的吸热率。当然，雨雪天气时，尤其是在覆冰严重的晚上，很难获取足够的太阳能，也很难取得理想的防冰效果。也可以通过涂抹融热传导性和光谱吸热性好、高憎水性的涂料降低冰的熔点使覆冰融化，这就是融冰型防覆冰涂料。但目前这一类涂料降低的结冰温度有限。憎水型防覆冰涂料可以最大限度地降低水和冰的附着力，使其极易脱落，从而达到防冰的目的。

在接触导线表面涂抹防覆冰涂料，还应当考虑其运行的特殊性。例如：接触线经常与受电弓摩擦，涂层易破坏且接触网易舞动；涂料从线路上脱落是否会对周围的环境、土壤造成污染，以及药剂是否会对线路绝缘产生影响等。

3.2 优先采用电流热力在线防冰技术

与普通输电线路相比，接触网的结构、运行工况、受力情况等差别很大。例如：输电线路中负荷电流是持续存在的，只有在极端天气下才会结冰；而接触网中的负荷电流取决于机车密度，时断时续，间歇性存在，结冰的概率较大；输电线路允许有少量覆冰存在，而接触线不允许覆冰。

与普速电气化铁路相比，高速电气化铁路的特殊运营模式为防冰、融冰带来不利因素。夜晚停电检修，使得高速铁路接触网更易于结冰；采用融冰方法消除接触网覆冰仅限于线下作业，即只能在无机车通过时完成防、融冰功能，必须使线路停运，对于行车密度越来越大、速度超过200 km/h的高速铁路来说，可供融冰除冰作业的时间非常短，很可能不足以实现接触网融冰。

综上所述，高速铁路接触网应该优先采用在线防冰技术。基于防冰的目的，接触网上无论是否有电力机车行驶取流，均应保持一定数值的电流。这个电流可以由安装在牵引变电所和分区所的静止无功发生装置SVG来实现。通过监控接触网电压和接触网线路的温度值，区分接触网区段有车取流和无车取流，决定是否投入分区所的SVG，投入感性还是容性无功及其量值大小，应在满足接触网首端、末端电压均在要求范围的前提下，确保接触网中的电流保持在导线的临界防冰电流之上[3]。

3.3 电流热力在线自动融冰技术

在接触网已有覆冰的情况下，最简捷有效的方法是通过控制线路上的电流及时间来融冰。根据融冰电流的性质，可以分为直流融冰和交流融冰两种。

交流融冰一般以牵引变电所的牵引变压器作为融冰的电源。在供电臂上没有列车取流时，该供电臂的接触网无法建立电流流通的回路，安装在牵引变电所或者分区所的装置，将供电臂上行与下行串联(并联)组建融冰回路，上下行同时融冰；或者将上行接触线(下行接触线)与钢轨组建融冰回路，上行线或下行线单独融冰。

接触网直流融冰需要进行交直流变换，引自馈线侧的交流电源通过交流断路器接入换流变压器，换流变压器二次输出交流电压经换流阀整流后，得到线路融冰所需要的直流融冰电源，通过隔离开关连接至接触网，再通过接触网上下行线路连接形成融冰回路来进行直流融冰。直流融冰的融冰电流调节方便，对系统没有冲击，但是设备多、系统倒换投切时间长[4]。

机械除冰也是可以考虑的，可以由数据采集设备、监控装置、地面除冰装置等组成机械除冰装置。需要采集的数据包括气象数据及线路张力，监控装置采用图像自动识别的方式，结合采集到的数据，确定接触线上的覆冰厚度。除冰装置设置有单次冲击、连续冲击等不同工作模式，根据相应的覆冰厚度输出一定大小的机械冲击。可以在现场开展各种除冰实验，统计装置在不同工作模式下对接触网的脱冰效果，积累除冰经验。