城市轨道交通接触网融冰技术研究

廖 洪，田 昊，郑月宾，杨建军，孟向军

0 引言

接触网是为列车牵引提供电能的重要供电设施，当接触网表面出现覆冰时，会严重影响受电弓的正常取流，降低列车供电可靠性，从而威胁行车安全[1]。目前，国内外学者已对接触网融冰技术进行了大量研究，工程中主要通过增加融冰装置、调节SVG或采用SVG与TSC相结合等方式实现融冰，但以上几种方式投资成本高、系统结构复杂、长期推广应用难度大[2]。为了更好地解决地铁接触网覆冰问题，并进一步优化地铁供电系统结构，研究同时具有牵引与回馈功能特点的供电设备将成为发展趋势。

双向变流装置采用全控型器件IGBT，具有能量双向流动、效率高、输出灵活可控等优势，可与整流机组以及双向变流装置形成环路，通过控制流经接触网电流的大小提供所需的融冰热量，从而实现融冰目的[3，4]。本文根据直流牵引供电系统及双向变流装置运行特点，对接触网直流融冰技术进行研究和分析。

1 基于能量循环的融冰方案设计

1.1 接触网覆冰分析

在环境温度低于 0 ℃时，空气流场带动液态水碰撞导线，这是造成导线覆冰的主要原因[5]。由此可知，环境温度、风速、水滴、导线面积与碰撞系数决定了接触网覆冰的严重程度，而环境温度会影响水滴冷却程度，风速与导线面积会影响碰撞系数，各因素之间存在一定的耦合关系。

空气流场主要分为层流和湍流，层流为一种理想的流体运动状态，而对于外界环境，流体运动状态通常为湍流形式，其瞬态动量守恒方程和连续方程如下[6]：

在水滴下落过程中，若落在接触网上的总水滴数为N，但受空气流场作用，最终发生碰撞的数目为n，则碰撞系数η可表示为

结合地铁的运行环境，接触网覆冰主要受温度、空气含水量和风速的影响。在温度和含水量一定时，列车运行会使风速和风向发生明显变化，导致接触网上表面与垂直截面覆冰较下表面厚，且在接触网分段连接部分更加严重，在一定程度上增加了受电弓的机械损伤风险。

1.2 接触网融冰接入方案设计

1.2.1 双向变流装置与整流机组环流融冰模式

如图1所示，变电所1的24脉波整流机组向接触网提供能量，变电所3的双向变流装置工作在逆变状态吸收能量，从而形成整流机组-接触网-双向变流装置-35 kV中压环网的环流通路，为接触网

图1 双向变流装置与整流机组环流模式

1.2.2 双向变流装置与双向变流装置环流融冰模式

如图2所示，该融冰模式是在两个站或多个站之间，使双向变流装置分别工作于整流和逆变模式，形成双向变流装置-接触网-双向变流装置-35 kV中压环网的环流通路，为接触网提供所需的融冰电流。

图2 双向变流装置与双向变流装置环流模式

其中，变电所1～3为同一供电区段，在进行融冰作业时，采用变电所1与变电所3双向变流装置整流运行，变电所2双向变流装置逆变运行的工作模式，可使接触网各段融冰电流基本保持一致。同时，在双边供电方式下，可使线路单位长度上的热量分布更加均匀，从而降低融冰电流对接触网造成的影响。

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2 接触网融冰模型分析

2.1 临界融冰电流计算

覆冰接触网通过电流时，根据焦耳定律可知，当接触网产生的热量与冰表面散失的热量相等，且冰与接触网交界面温度等于 0 ℃时，即可维持接触网临界覆冰状态，此时流过接触网的电流即为临界融冰电流Ic[7，8]。

若冰层表面温度为Ti，则可得冰-接触网交界面满足：

式中：RL为接触网等效电阻；Ki= 2.22 W/m2·K，为冰热传导系数；为圆柱形形状系数，ri为覆冰后导线半径，mm，rc为覆冰前导线半径，mm。

同理，可得冰-空气交界面满足：

式中：QR为辐射散热；QC为对流散热；E为辐射散热系数，取0.9；S为斯特凡-包尔兹曼数，取5.67×10-8W/m2；A为对流截面积；h为对流系数；Te为接触网周围环境温度；Re为雷诺数；Pr为普兰特数；ρa为空气密度，取1.293 kg/m3；Va为风速；ka为空气热传导率，取0.024 4 W/(m·℃)；di为覆冰后的导线直径，mm；Ca为空气比热容，取 1 005 J/kg·℃；μ为空气的动黏滞系数，取 1.88×10-5kg/(m·s)；系数C和n根据雷诺数确定，当4 000≤Re≤40 000时，系数C、n分别取0.193、0.618，当40≤Re≤4 000时，系数C、n分别取0.683和0.466。

联立式（5）～式（10）可得临界融冰电流为

由式（11）可以看出，临界融冰电流主要受冰层表面温度Ti与环境温度Te影响。在一特定供电区段范围内，可近似认为接触网-冰-空气交界面的对流与辐射散热系数不变，同时接触网等效电阻不变，且由于覆冰表面温度取决于接触网周围环境温度，故融冰电流的大小主要取决于环境温度Te。

2.2 协调控制策略分析

如图3所示，融冰方案控制系统采用基于同步旋转坐标系的电流控制方案，即将网侧电流从三相对称静止坐标系变换到与该交流矢量同步旋转的d、q两相坐标系，实现有功与无功独立解耦控制。

图3 融冰方案系统控制策略

该控制策略中，d轴电流id相当于有功分量，q轴电流iq相当于无功分量，通过控制id的幅值可实现对有功功率大小的控制，通过控制iq的正负和幅值可实现对感性/容性无功以及无功功率大小的控制。

在不同的接入方案下，当双向变流装置工作于整流模式时，通过电压外环控制方式调节电压指令，改变直流侧输出电压Udc，由于系统容量一定，则可控制接触网融冰电流的大小；当双向变流装置工作于逆变模式时，通过电流内环控制方式调节电流指令，即可控制融冰电流的大小。

3 仿真验证

为了验证两种融冰接入方案及控制策略的可行性，在PSIM中搭建了如图4所示的双向变流装置与整流机组、双向变流装置与双向变流装置的系统仿真模型，各部分参数：交流环网电压 35 kV；整流变压器变比35 kV/1 180 V，双向变流装置变压器变比 35 kV/1 000 V；接触网单位长度电阻0.031 Ω/km，单位长度电感0.05 mH/km；钢轨单位长度电阻0.02 Ω/km，单位长度电感0.74 mH/km。最大站间距按2 km考虑，则接触网及钢轨等效电阻为0.102 Ω，等效电感为1.58 mH。

图4 接触网融冰系统仿真模型

3.1 双向变流装置与整流机组环流融冰模式仿真

根据地铁实际运行工况，设风速Va= 5 m/s，接触网覆冰厚度为5 mm，环境温度Te= -5 ℃，根据式（11）可得所需临界融冰电流Ic≈350 A。仿真得到的融冰电流波形如图5所示。

图5 接触网融冰电流波形（Ic = 350 A）

可以看出，临界融冰电流Ic的大小能够满足该环境条件下的融冰要求，纹波电流小且响应速度快，在0.08 s时即可达到目标稳态值350 A。但在线路覆冰较厚、抢险作业时间短的情况下，尤其在行车阶段，由于气象条件骤变导致的线路覆冰需在短时间内清除，否则将严重影响列车运行安全。故此时需提供较大的电流以达到快速融冰的目的。图6所示为接触网临界融冰电流Ic= 1 200 A时的电流波形，可以看出其输出误差小，在0.1 s时即可达到稳态值，响应速度快。

图6 接触网融冰电流波形（Ic = 1 200 A）

3.2 双向变流装置与双向变流装置环流融冰模式仿真

为对比不同的融冰接入方案，双向变流装置间环流方式的目标融冰电流Ic同样按350 A考虑，仿真得到的电流波形如图7所示。

图7 接触网融冰电流波形（Ic = 350 A）

可以看出，该环流模式下由于双向变流装置系统响应速度快，接触网融冰电流平缓上升到了目标值350 A，没有出现电流过冲现象。系统在0.07 s时进入稳态，响应速度快，电流纹波小。同样为满足接触网快速融冰需求，取融冰电流Ic= 1 200 A，得到仿真电流波形如图8所示，系统在0.08 s时进入稳态，控制精度高且响应速度快。

图8 接触网融冰电流波形（Ic = 1 200 A）

4 结论

接触网覆冰对地铁供电系统的可靠运行及行车安全构成严重威胁。本文分析了接触网覆冰形成特性；以现有供电系统为基础，介绍了双向变流装置与整流机组、双向变流装置与双向变流装置两种环流融冰模式，并分析了临界融冰电流与环境条件之间的关系以及融冰电流系统控制策略；最后通过搭建仿真模型验证了方案的可行性。结果表明：融冰电流越大，系统进入稳态的时间越长，在临界融冰电流为350 A时，双向变流装置与双向变流装置环流模式下系统响应速度为0.07 s，较双向变流装置与整流机组环流模式下快0.01 s，同时在该环流模式下，融冰电流可实现平滑上升，不会出现过冲现象，有利于系统安全稳定运行。