高速铁路接触网直流融冰技术

2021-01-19史国强

中国铁路 2020年11期

史国强

（中国国家铁路集团有限公司运输调度指挥中心，北京100844）

1 接触网覆冰危害

覆冰是特定气象条件下产生的冰冻现象。我国是输电线路覆冰严重的国家，特别是2008年初发生的50年一遇的冰雪灾害，导致南方10多个省市部分电力供应中断，引发电气化铁路大范围停电，给铁路系统造成了巨大损失，只能临时采用内燃机车摆渡维持运行，由此对国民经济其他方面造成的损失更是难以估量［1］。

作为牵引供电系统的重要组成部分，接触网直接裸露于空气中，极易受气候、地形等外部因素影响，在高寒、高湿地区覆冰现象频发，严重影响铁路安全运行［2］。通常情况下，电气化铁路由于列车运行时接触导线中有电流通过不易结冰，所以接触网覆冰概率较小，但由于我国“八纵八横”高铁网分布于众多气候带及地质条件下，加之采用夜间天窗综合维修方式，在相当长时间内没有列车通过，当温度在0℃上下浮动、湿度较大时，接触导线极易出现覆冰现象。

1.1 对接触网导线、承力索的危害

当接触网覆冰质量超过设计最大值，迎风面面积过大，在风力作用下会发生振荡、舞动，引发线索、连接部件、绝缘子等抽拖、折断，严重时造成倒杆、断线甚至塌网事故。接触网覆冰分布不均匀时，不同部位温度不同，造成覆冰融化程度存在差异，邻近线索张力差会引发电气安全距离不足等隐患。接触网覆冰破坏弓网关系，造成弓网虚接，打坏受电弓滑板，严重时甚至会烧断导线，引发大范围设备损坏。2012年2月21日，原沈阳铁路局万家屯站7道，因电力机车停车位置处弓网均覆有冰霜，造成弓网间虚接，放电过程中将接触线烧断。2015年1月28日，原武汉铁路局汉宜客专枝江北—荆州下行区段，持续发生接触网加强线与回流线覆冰舞动现象，造成动车组列车取流不畅，拉弧严重。2019年春运期间，中国铁路武汉局集团有限公司管内京广、长荆、汉宜等线路出现接触网覆冰，多列动车组列车受电弓风管遭击打破损，对春运返程运输秩序造成较大影响。

1.2 对绝缘设备的危害

覆冰极易引发绝缘设备电气性能降低、泄漏距离缩短，造成绝缘子放电击穿，而且绝缘子击穿的故障点不易被发现，故障处理往往用时很长，大面积的绝缘子覆冰很难在短时间内消除，因此通常对运输安全影响很大。2012年2月13日，原济南铁路局京沪高铁泰安—曲阜东上行区段雪后覆冰，正馈线绝缘子击穿。2013年3月11日，原乌鲁木齐铁路局兰新线柴窝堡—达坂城上下行共计45.56 km的运营线路接触网发生大面积绝缘子覆冰，用时近13 h才处理完毕。2016年4月30日，原乌鲁木齐铁路局兰新高铁遭遇强降雪，雪淞造成F线绝缘子大范围闪络放电。

2 接触网防覆冰技术现状

多年来，关于电力输电线路和铁路接触网防覆冰技术，国内外研究成果较多。按照原理分类，主要分为热熔除冰、机械刮冰两大类，以及电子冻结、电晕放电等，其中只有7种除冰方法通过了校验，包括4种热力除冰和3种机械除冰方法。机械除冰即通过刮擦方式等刮掉表面覆冰。热熔除冰被国内外认为是最有效的防覆冰技术，采用焦耳热效应融冰原理，对电力输电线路、铁路接触网通过电流加热导线进行除冰［3］。对于电力变配电设备而言，世界首套直流融冰装置于2006年在加拿大魁北克Levis变电站正式投产［4-5］。针对铁路接触网设备，目前主要的融冰方法是交流和直流热熔除冰［6］，接触网融冰装置在俄罗斯、韩国已有实际应用。2008年后，我国京广、哈大等高速铁路也有类似装置投入试验运行。

电力输电线路融冰技术已有很多成果，铁路接触网设备融冰技术正在加紧开展，两者在设备结构、运行方式、电气特性等方面存在诸多不同，需要区别分析研究。电力输电线路负荷一般较为稳定或规律性较强，突变畸形波形不多，通过的大电流本身也具备一定热熔除冰能力，除非出现2008年那样的极端天气，一般情况下覆冰不严重。铁路接触网作为电力机车（动车组）的动力来源，列车根据运行图开行，不同线路、不同时段开行列车密度差异很大，接触网通过的负荷是间歇性的，电流时断时续、时大时小，列车运行密度低则更容易造成结冰。虽然铁路接触网允许一定覆冰存在，但容忍度较低，技术要求更加苛刻，重点是应该考虑覆冰引发弓网虚接，可能烧断导线。在隧道口、高路基、高架桥等区段，风速大、温度低，接触网更容易发生覆冰［6］。

目前，我国铁路大多采取加强管控的手段，当温度在0℃上下浮动时，取消接触网停电天窗维修作业，保证接触网上持续通过电流，融化轻微覆冰。或者将人员铺开巡查，发现覆冰隐患就及时要点处理［7］。也可采用人工除冰方法，热滑电力机车（动车组）车顶安装硬度大的不受流受电弓，在列车间歇时段不间断来回运行，刮除接触网覆冰［8］。上述方法需要投入大量人力和电力机车（动车组）资源，热滑也不能完全保障远端接触网的融冰效果［9］。因此，深入研究不影响铁路正常运行的在线融冰技术具有重要意义和工程价值。在此，提出一种直流融冰的解决方案。

3 直流融冰技术

3.1 技术原理

接触导线的融冰技术原理是采用短路法，以牵引变电所为中心，通过特定的接线方式使变电所上下行供电臂形成闭合回路，从而融化覆冰。直流融冰技术利用沿线牵引变电所内变压器输出的27.5 kV交流电源作为输入电源，基于绝缘栅双极型晶体管（IGBT），结合柔性直流输电功能的移动式直流融冰装置，经直流融冰装置转换成直流电进行接触网融冰。直流融冰技术原理见图1［7］。

图1 直流融冰技术原理

直流融冰装置具有良好的恒流特性，在负载变化时，可快速响应，确保电流稳定加热。同时，其保护系统投入运行，对接触网线路及设备进行保护。待融冰完成后，可根据一定操作规程退出接触网直流融冰装置。直流融冰具有以下优点:

（1）安全可靠。在天窗期间运行，无需考虑机车的运行状态，不影响正常行车，与地回路无关联，可减少对线路的干扰。

（2）效率高。受直流电特性作用，接触网感性分量部分能基本消耗多余电能，因此装置容量可减少到交流融冰装置的1/6左右，容量小、能耗少，融冰效率有较大提升。

（3）可用范围广。融冰装置的电源输出电压可调，无需进行阻抗匹配，有良好的恒流特性，可满足不同长度线路的融冰要求，一定程度上不受供电臂长度的限制。

（4）机动灵活。集装箱式直流融冰装置可固定使用，也可吊装，机动灵活，节省投资。

3.2 基本功能与技术指标

（1）直流融冰装置应具备的基本功能为:具有对输出功率进行连续或分级调节的功能，为接触网提供稳态电流，对接触导线进行加热；具有完备、可靠的控制保护功能，如过电流保护、过电压保护、欠电压保护、接地故障保护、负载过温保护、负载开路保护、系统超温保护等；具有当地投切、功率调整、远方监控及显示、温度在线监测、远动操作控制及通信等功能；具有接触网覆冰预警及提示装置投入初始功率、投入运行时间等功能。

（2）使用环境条件如下:工作海拔:不超过1 000 m；工作环境温度:-40～+40℃；地震烈度:不大于8度；风速:最大风速40 m/s；污秽等级:按IV级考虑。

（3）技术要求如下:额定输入电压:27.5 kV；设备最高工作电压:31.5 kV；额定频率:50 Hz；1 min工频耐受电压:不小于80 kV；雷电冲击耐受电压:不小于185 kV；过载能力:装置中所有设备均能耐受所要求的连续或短时负荷能力，在电压和电流超允许值时能进行保护，应满足1.1倍过载能连续运行，1.2倍过载运行时间不低于10 s；平均无故障时间:不小于2 000 h；输出功率:由供需双方根据牵引供电系统负载能力、当地气候条件、接触网可能的覆冰厚度、融冰期望时间等协商确定。

直流融冰装置在工作时，电流在接触线、承力索之间分配计算结果见表1（以CTMH-150型接触线、JTMH-120型承力索为例）。

表1 电流在接触线、承力索之间分配情况

4 直流融冰装置

采用沿线牵引变电所27.5 kV所用变压器供电的直流融冰装置宜采用集装箱内布置方式，安装在牵引变电所内。集装箱主要设备包括:交流开关柜、阳极电抗器、无功补偿设备（备选）、整流器、控制柜、直流刀开关等。导线及温度在线监测装置应采取可靠安装方式，任何情况下不能影响正常行车。

直流融冰的电源装置主电路为三相全控桥式整流电路，直流输出端跨接续流二极管，交流输入侧带保护装置，其原理见图2。晶闸管的导通顺序为:VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6。当调整晶闸管的触发角度时，输出直流电压相应改变，加载在阻感负载上的电流也相应改变，实现输出电流的连续可调。

直流融冰装置工作后，相关温升曲线见图3。

图2 电源装置主电路原理

图3 温升曲线

5 保护与控制系统

直流融冰装置的保护系统为三级保护（见图4）。

图4 保护与控制系统

（1）一级保护。变电所和AT分区所增加一种“直流融冰运行方式”保护形式，因直流融冰装置在本线维修天窗点进行试验运行。根据各种电流、电压的计算，进行整定保护计算，在既有变电所的综合自动化系统保护装置中增加1套适合“直流融冰运行方式”保护整定值，牵引变电所的馈线保护设置电流速断保护作馈出线至融冰装置交流进线侧的线路保护，为主保护；设置过电流保护作融冰装置保护的后备保护，以保护融冰装置和接触网的安全性。

（2）二级保护。在牵引变电所27.5 kV变压器和阳极电抗器之间装有10 kV高压开关柜，当系统出现交流过压、交流欠压、交流短路、交流过流、整流变压器出现内部故障时，发跳闸信号给该10 kV高压开关柜，同时将跳闸信号送给整流控制系统封锁脉冲以保护下级电气设备。

（3）三级保护。整流变压器的二次侧每相都装有电流互感器，同时装有三相电压互感器，电流互感器和电压互感器的输出信号送到整流控制系统，整流控制系统将实时监控变压器二次侧的电压和电流，如出现交流过压、欠压、短路、过流时，发跳闸信号给交流进线的10 kV高压开关柜，同时封锁脉冲以保护下级电气设备，并且三相电压互感器的输出信号还将作为整流器控制系统的同步信号。