凍雨和覆冰對高速鐵路接觸網的危害及其防護

程永勝

(中國鐵路武漢局集團有限公司 襄陽供電段，湖北 襄陽，441000)

隨著氣候環境的不斷變化，我國南方地區每年冬春季節的溫度也持續走低，凍雨、大雪等災害性天氣時有發生，使得長江中下游地區甚至珠江流域的高速鐵路接觸網頻繁遭受凍雨和覆冰災害，嚴重影響行車安全[1]。

1 凍雨、覆冰的特性及其危害

1.1 凍雨、覆冰的特性

凍雨、覆冰的產生與否，危害程度如何，主要取決于地形、溫度、風速、空氣中過冷卻水含量等。一般情況下，根據其危害程度，可以劃分為白霜、霧凇、混合凇和雨凇等四類。

接觸網的導線溫度處于0℃以下時，空氣中濕氣與之接觸，在其表面凝化形成白霜。白霜與接觸網導線的黏結力十分微弱，極易脫落，不會影響行車安全。接觸網導線上積覆的霧凇，常常是軟霧凇(密度小于0.1 g/cm3)和硬霧凇(0.1～0.5 g/cm3)共存。霧凇在導線上黏結力小，對接觸網運行危害相對較小。

混合凇表現為硬冰塊的外形特征，是空氣水滴被導線捕獲并凍結逐步積累形成，密度在0.6～0.8 g/cm3之間；雨凇的密度大于0.9 g/cm3，呈連續增長態勢，黏結力強?；旌馅?、雨凇都是凍雨覆冰危害的主要表現形式，對行車安全影響嚴重。

1.2 凍雨、覆冰的危害

某日，江漢地區普降凍雨，豫南地區暴雪來襲。地處江漢平原的漢宜線、武孝城際線、漢丹線、京九線因地理環境特殊，受凍雨影響，接觸網線索、接觸懸掛、附加懸掛、沿線樹木上均有普遍厚度2～4 mm的覆冰；接觸網硬橫梁、腕臂支撐結構、上跨橋、架構物等處所密集附掛直徑約10～15 mm、長度約200 mm左右冰凌；跨越河道、湖面，處在風口、高架橋的區段尤其嚴重。主要影響表現為：

(1)接觸導線覆冰導致動車組(機車)受電弓取流不暢，多趟動車組被迫降速到160 km/h后維持運行。接觸網硬橫梁、腕臂支撐結構，上跨橋、架構物等處所附掛冰凌掉落擊打受電弓供風管，受電弓運行途中降弓，根據冰凌程度，動車組降速到160 km/h或120 km/h或80 km/h后維持運行。

(2)覆冰引起接觸網的電壓波動，造成某CRH1型動車組主斷路器頻繁跳閘，無法運行，被迫更換另型車體。另有個別動車組(機車)受電弓覆冰嚴重，無法進行升降操作，受電弓從接觸網取不到電流，被迫更換車體。

(3)受上跨公路橋、鄰近公路撒放融雪劑影響，接觸網絕緣子受覆冰污染，電氣絕緣性能降低，放電引起變電所及分區亭中饋線斷路器跳閘。

(4)鄰近鐵路線樹木積雪倒伏，搭接接觸網帶電體，放電引起變電所及分區亭中饋線斷路器跳閘。

2 高速鐵路接觸網的防冰除冰運營策略

在冬春季節，高速鐵路接觸網運營管理部門應當及時關注天氣預報，及早做出接觸網防冰、除冰的工作預案。

2.1 盡量維持接觸網的帶電狀態

高速鐵路天窗點均在夜間，時間較長，在冰雪惡劣天氣下，這對防止接觸網覆冰是相當不利的。尤其是接觸網的絕緣器件(如絕緣子串等)積雪覆冰，天窗或長時間停電后，容易出現送電不成功，造成大面積停電。因此，一方面要取消停電天窗，盡可能減少接觸網長時間停電，另一方面，根據天氣預報和現場情況，及時報告運輸指揮部門，組織熱備動車組往返開行，預防接觸網覆冰。

2.2 加強巡視監測手段

提前在沿線重點區段、關鍵處所設置觀察哨，同時借助綜合視頻、供電6C裝置等手段，動態掌握接觸網積雪覆冰、受電弓取流、上跨橋及構架物冰凌情況，便于及時調整應對措施。

2.3 妥善組織動車組運行方案

(1)出現接觸導線覆冰，動車組(機車)受電弓取流不暢的情況，要及時降速，想盡一切辦法維持追蹤運行，一旦長時間停運，災害容易加重和蔓延。

(2)如果某區段出現多組動車組受電弓受冰凌擊打降弓現象，應果斷命令該區段限速運行。否則，一旦動車組備用受電弓也受損后，會造成動車組途中救援，擴大對運輸秩序的影響。

2.4 熱滑融冰、打冰的動車組上線作業

要及時安排開行安裝有銅基粉末冶金滑板的動車組、電力機車上線熱滑融冰、打冰，以160 km/h速度及以下，間隔60分鐘左右進行除冰作業。

3 接觸網在線防冰融冰技術探討

3.1 導線表面涂抹防覆冰涂料[2]

根據輸電線路的運行經驗，可以考慮在接觸導線上涂抹電熱型、光熱型、融冰型及憎水型等防覆冰涂料。

加入導電填料后，半導電特性的涂料內部，將有泄漏電流流過，由此產生焦耳熱、場效應熱等，使得涂層發熱并保持一定的溫度，起到防冰的效果，這就是電熱型防覆冰涂料。當周圍環境溫度很低的時候，這種涂料的作用很難體現。光熱型防覆冰涂料是在涂料中加入具有吸光性能的顏料后，最大限度提高涂料對不同光譜的吸熱率。當然，雨雪天氣時，尤其是在覆冰嚴重的晚上，很難獲取足夠的太陽能，也很難取得理想的防冰效果。也可以通過涂抹融熱傳導性和光譜吸熱性好、高憎水性的涂料降低冰的熔點使覆冰融化，這就是融冰型防覆冰涂料。但目前這一類涂料降低的結冰溫度有限。憎水型防覆冰涂料可以最大限度地降低水和冰的附著力，使其極易脫落，從而達到防冰的目的。

在接觸導線表面涂抹防覆冰涂料，還應當考慮其運行的特殊性。例如：接觸線經常與受電弓摩擦，涂層易破壞且接觸網易舞動；涂料從線路上脫落是否會對周圍的環境、土壤造成污染，以及藥劑是否會對線路絕緣產生影響等。

3.2 優先采用電流熱力在線防冰技術

與普通輸電線路相比，接觸網的結構、運行工況、受力情況等差別很大。例如：輸電線路中負荷電流是持續存在的，只有在極端天氣下才會結冰；而接觸網中的負荷電流取決于機車密度，時斷時續，間歇性存在，結冰的概率較大；輸電線路允許有少量覆冰存在，而接觸線不允許覆冰。

與普速電氣化鐵路相比，高速電氣化鐵路的特殊運營模式為防冰、融冰帶來不利因素。夜晚停電檢修，使得高速鐵路接觸網更易于結冰；采用融冰方法消除接觸網覆冰僅限于線下作業，即只能在無機車通過時完成防、融冰功能，必須使線路停運，對于行車密度越來越大、速度超過200 km/h的高速鐵路來說，可供融冰除冰作業的時間非常短，很可能不足以實現接觸網融冰。

綜上所述，高速鐵路接觸網應該優先采用在線防冰技術?；诜辣哪康?，接觸網上無論是否有電力機車行駛取流，均應保持一定數值的電流。這個電流可以由安裝在牽引變電所和分區所的靜止無功發生裝置SVG來實現。通過監控接觸網電壓和接觸網線路的溫度值，區分接觸網區段有車取流和無車取流，決定是否投入分區所的SVG，投入感性還是容性無功及其量值大小，應在滿足接觸網首端、末端電壓均在要求范圍的前提下，確保接觸網中的電流保持在導線的臨界防冰電流之上[3]。

3.3 電流熱力在線自動融冰技術

在接觸網已有覆冰的情況下，最簡捷有效的方法是通過控制線路上的電流及時間來融冰。根據融冰電流的性質，可以分為直流融冰和交流融冰兩種。

交流融冰一般以牽引變電所的牽引變壓器作為融冰的電源。在供電臂上沒有列車取流時，該供電臂的接觸網無法建立電流流通的回路，安裝在牽引變電所或者分區所的裝置，將供電臂上行與下行串聯(并聯)組建融冰回路，上下行同時融冰；或者將上行接觸線(下行接觸線)與鋼軌組建融冰回路，上行線或下行線單獨融冰。

接觸網直流融冰需要進行交直流變換，引自饋線側的交流電源通過交流斷路器接入換流變壓器，換流變壓器二次輸出交流電壓經換流閥整流后，得到線路融冰所需要的直流融冰電源，通過隔離開關連接至接觸網，再通過接觸網上下行線路連接形成融冰回路來進行直流融冰。直流融冰的融冰電流調節方便，對系統沒有沖擊，但是設備多、系統倒換投切時間長[4]。

機械除冰也是可以考慮的，可以由數據采集設備、監控裝置、地面除冰裝置等組成機械除冰裝置。需要采集的數據包括氣象數據及線路張力，監控裝置采用圖像自動識別的方式，結合采集到的數據，確定接觸線上的覆冰厚度。除冰裝置設置有單次沖擊、連續沖擊等不同工作模式，根據相應的覆冰厚度輸出一定大小的機械沖擊?？梢栽诂F場開展各種除冰實驗，統計裝置在不同工作模式下對接觸網的脫冰效果，積累除冰經驗。