磁浮线路接触轨防冰冻灾害研究

涂振华，欧阳虹，邹同友，郭乐洋

0 引言

随着全球经济迅速发展，温室气体的不断排放导致全球气候变暖，极端天气席卷全球。近年来，在我国南方地区，冬季冻雨天气频发，加之环境温度、湿度和风速等因素的共同作用，处于室外高架段的城市轨道交通接触网、接触轨极易形成大面积覆冰现象，如2008 年春运期间我国南方地区遭遇严重冰灾，多条电气化铁路的接触网及列车受电弓发生覆冰险情，导致受电弓不能正常取流，严重影响了铁路的安全运营[1]。如何有效解决南方冬季冻雨天气下磁浮交通供电系统的接触轨覆冰问题，保障冻雨天气时磁浮列车安全运行，已成为急需解决的问题。本文以投入商业运营近5 年的长沙磁浮快线为例，探讨磁浮线路安全稳定运营中面临的一系列问题。

长沙磁浮快线大部分为室外高架段，如冬季遭遇严重冰冻雨雪天气，接触轨覆冰风险很大，若接触轨顶面及侧部受流面结冰，将直接阻碍磁浮列车受流器与接触轨接触，严重时将造成受流器与接触轨受流面拉弧、放电等，不仅影响列车运行时的受流质量，而且极易造成接触轨受流面本体、受流器损伤或破坏，甚至可能导致线路无法正常运营。

目前国内外暂无磁浮接触轨防冰、除冰的工程应用技术和相关经验，少数研究机构或团队的接触轨防冰、除冰方法仍处于理论或实验室研究和试验阶段。经了解，传统的除冰方法有人工除冰、机械除冰、化学除冰和自然被动除冰等[2]，这些方法虽然实现简单，但由于城市轨道交通运营线路长，除冰工作量大，在人力资源投入、人身安全、环境污染、运营需求和实际效果方面均存在不足。

本文在深入研究国家电网、铁路接触网防冰与除冰技术的基础上，结合中速磁浮发展需求，根据长沙磁浮快线接触轨自身特点，以及长沙磁浮快线供电系统现有设备与供电条件等，提出接触轨直流融冰法和接触轨保线电流法[3]，并通过理论计算及现场人为制冰和除冰模拟试验验证方法的有效性。

1 长沙磁浮快线及供电系统简介

长沙磁浮快线作为国内首条拥有完全自主知识产权的中低速磁浮线路，运营车辆采用中低速磁浮列车，常导电磁铁悬浮、直线感应电机牵引，运用“同极相斥、异极相吸”电磁原理，以电磁力支撑列车并推动前行。该线路全长18.55 km，正线设有6 座牵引降压混合变电所（额定容量均为3 200 kV·A），其供电线路为铺设在线路两侧的C 型接触轨，接触轨分为正极和负极，正极侧电压为DC 1 500 V，负极侧电压为0 V。

供电接触轨系统主要由钢铝复合接触轨及中间接头、膨胀接头、电连接、中心锚结、端部弯头、绝缘安装支架、过渡弯头、分段绝缘器等附件构成。系统接触轨采用HP-C100 钢铝复合C 型接触轨，是由不锈钢型钢带（型号为06Cr19Ni10）与铝合金型材通过塑性加工方法复合而成的导电轨，其截面为100 mm2，钢带厚度为4.5 mm，标准轨制造长度为11.7 m。接触轨温升曲线与主要技术参数分别如图1 和表1 所示。

图1 接触轨温升曲线

表1 接触轨主要技术参数

2 接触轨直流融冰法

接触轨直流融冰法是根据接触轨温升特性，通过将上下行接触轨首尾串联，使供电系统与接触轨成为一种融冰电源发热装置，再使用既有供电系统整流装置向接触轨两端施加1 500 V 直流电压[5]，利用导体本身的内阻消耗电能产生热能，达到接触轨除冰的效果。接触轨直流融冰法的供电系统简化等效电路如图2 所示。图中R线为接触轨线路阻抗，R内为变电所内阻。

图2 接触轨直流融冰法等效电路

下文利用电流热效应原理，分析直流融冰法的可行性。电流热效应原理即利用焦耳-楞次定律以及比热容的相关公式：

式中：C为比热容；M为质量；ΔT为温升。

若将该线上行或下行接触轨从0℃升温至20 ℃，即ΔT= 20 ℃，将接触轨主要技术参数代入式（2），得到Q铝=C铝·M铝·ΔT= 404 874 377.6 J，Q钢=C钢·M钢·ΔT= 1 732 570 000 J。

现变电所单台整流变压器容量为1 600 kV·A，单台整流器额定功率P为1 500 kW，额定直流电流为1 000 A，既有供电系统两套整流装置为并联运行，则空载电压U空= 1 650 V 时，单台整流器输出电流I=P/U空≈909 A，而整流器标准工作制等级为Ⅵ类工作制等级[5]，即

1.0 p.u..连续；

1.5 p.u..2 h；

3.0 p.u..1 min。

将t1= 552 s 换算成分钟，仅耗时约9 min，I短1= 2 672 A 时，单台整流器需承受的短路电流为I短1的一半，即1 336 A，因此该融冰时长与融冰电流可满足整流器标准工作制等级的要求。

当I短2= 1 423 A 时，将t2= 1 946 s 换算成分钟，需耗时约32.5 min，以上融冰时长与融冰电流同样满足整流器标准工作制等级的要求。

通过上述理论计算，在使用既有供电系统整流装置，并在融冰回路中增加相应控制导通装置的情况下，应用接触轨直流融冰法理论上可实现接触轨除冰。

3 接触轨保线电流法

接触轨保线电流法是指有磁浮列车运行时，在上下行接触轨正负极分段串接可调电阻柜作为负载接入供电分区末端，再使用既有供电系统整流装置向该供电分区的接触轨两端施加1 500 V 直流电压，利用磁浮列车运行时产生的电流和流经可调电阻柜及对应供电分区接触轨的电流，消耗电能产生热能，使得接触轨持续通流发热，达到接触轨除冰或防止覆冰的效果。

3.1 方法一

长沙磁浮快线正线共有6 座牵引所，保留正线两端的牵引所1、牵引所6 以及牵引所5，牵引所1、5、6 采取接触轨单边供电，在牵引所3、牵引所5 的位置分别形成接触轨断点，以便有限调控线路电流；在牵引所3 的上行两个区间、下行两个区间分别串接1 套可调电阻柜，并在牵引所5 到牵引所6 单边串接2 套可调电阻柜；牵引所2、牵引所3 均采取越区供电，根据长沙磁浮快线线路里程，从牵引所1 到牵引所3 的距离为7.5 km，从牵引所3 到牵引所5 的距离为7.8 km。接触轨保线电流法一的供电系统简化等效电路如图3 所示。

图3 接触轨保线电流法一等效电路

该方法中，采取接触轨单边供电模式，主要考虑因线路较长导致在牵引所3 末端电压能否满足行车需要及末端短路保护等问题；若区间内磁浮列车用电最大值I车= 900 A，串接电阻柜阻值R串= 2 Ω，线路阻抗R线1= 0.014 62×7.8×2 = 0.228 072 Ω。

3.2 方法二

长沙磁浮快线正线共设置4 个供电区间，保留正线两端的牵引所1、牵引所6 以及牵引所3，牵引所1 和6 采取接触轨单边供电，牵引所3 采取接触轨双边供电，在牵引所2、牵引所5 的位置均形成接触轨断点，在牵引所2、牵引所5 均串接4 套可调电阻柜。牵引所2、牵引所5 均采取越区供电，从牵引所1 到牵引所2 的距离为4 km，从牵引所3到牵引所5 的距离为7.8 km。接触轨保线电流法二的供电系统简化等效电路如图4 所示。

图4 接触轨保线电流法二等效电路

该方法减小了区间距离，末端电压降低较少，从牵引所3 到牵引所5 之间的距离较长，为7.8 km，根据串接电阻柜阻值的不同，以及区间有无磁浮列车，有如下几种情况：

（1）串接电阻柜阻值R串= 1.5 Ω，线路阻抗值R线1= 0.014 62×7.8×2=0.228 072 Ω。

采用该方法同样需优化供电系统保护定值。

通过上述理论计算，使用既有供电系统整流装置，在正线上设置合理的接触轨断点，重新划分正线供电区间，并在融冰回路中串接可调电阻柜，利用磁浮列车运行时产生的电流与流经可调电阻柜及对应供电分区接触轨的电流和，该电流和的大小满足整流器标准工作制等级的要求，在保证磁浮列车正常运行的同时，使得接触轨持续通流发热，达到接触轨除冰或防止覆冰的效果。

4 结论

（1）在长沙磁浮快线特定的供电系统现有设备、供电方式和线路条件下，根据电流热效应原理，不论是将上行或者下行接触轨正负极短接，还是将全线接触轨串联短接，线路阻抗值均能满足接触轨直流融冰法的条件，理论上可实现接触轨除冰；就长沙磁浮快线接触轨而言，若线路太短则线路阻抗值就小，短路电流太大，则融冰电流将不能满足整流器标准工作制等级要求，即不能使用接触轨直流融冰法；此外，通过理论计算，在满足文中整流器标准工作制等级要求的情况下，若要使融冰时间短，则融冰电流将很大，融冰电流太大对供电系统及其设备的安全可靠性造成较大考验。

（2）接触轨保线电流法是在接触轨直流融冰法的理论和实践基础上，根据磁浮线路在冰冻雨雪天气时实际运营需要而研究的一种方法，其技术关键点在于如何合理设置接触轨断点，使重新划分的正线供电分区能更有利于除冰工作的开展，在可调电阻柜的阻值选择和线路阻抗值的计算方面，应根据供电系统电流保护定值等参数进行合理选择配置，同时，在重新划分的同一供电分区内对运行的磁浮列车数量也应进行合理的行车调度，避免出现融冰电流超出供电系统及其设备所能承受的范围，因此，从理论计算的结果以及所需承担的风险来看，应用接触轨保线电流法应酌情减少串接可调电阻柜的投入，降低设备故障风险，重点研究供电系统电流保护定值等参数的设置，从系统的角度动态分析研判。采用接触轨保线电流法时，应重点考虑供电系统、行车组织的动态模型变化，在保障磁浮列车安全运行的同时，又能达到较好的接触轨除冰或防止覆冰的效果。

（3）在长沙磁浮快线特定的线路条件和供电系统运行工况下，根据理论计算结果进行分析，接触轨直流融冰法和接触轨保线电流法均能在接触轨除冰和防止覆冰方面发挥作用。

（4）本文只从理论上研究了利用电流热效应原理对接触轨进行除冰和防止接触轨覆冰，并未对接触轨结冰的成因和过程进行深入分析，实际接触轨除冰和防止覆冰的效果还会受到环境温度、湿度、风速、局部气流场、冻雨运动轨迹和接触轨金属表面温度场等多种因素的影响[6]，因此，接触轨实际除冰和防止覆冰的工程应用仍需进一步研究，且方法和措施绝不局限于本文所述。