鐵路接觸網在線防融冰裝置（SVC型）的研制

蔣汶兵，支正軒，楊代剛，趙祿山，李成龍，郭 毅，馮新偉，石 琦

0 引言

作為牽引供電系統的重要組成部分，接觸網直接裸露于空氣中，極易受氣候、地形等外部因素影響。在高寒、高濕地區，接觸網覆冰現象頻發，嚴重影響鐵路安全運行。目前的接觸網除冰主要分為機械除冰和熱力除冰兩大類。機械除冰分為電磁脈沖除冰和人工除冰，其中電磁脈沖除冰是利用沖擊電流使導線震動，促使覆冰脫離，該方法與主流的熱力除冰相比，效率低、代價高，易產生接觸網震動。熱力融冰主要分為電阻絲熱力融冰、直流融冰、交流融冰。電阻絲熱力融冰采用內置絕緣發熱電阻絲的專用接觸網實現加熱融化覆冰，為此需要特殊接觸網導線，成本高。直流融冰對覆冰電路施加較低的直流電流實現融冰，與交流融冰相比，只能在無機車運行的情況下進行離線融冰，影響鐵路機車的調度和運行。交流融冰通過短路或其他方式使接觸網流過大的交流電流進而使導線自身發熱實現融冰，相比直流融冰，交流融冰可以實現機車在線防冰和機車離線重載融冰，避免了機車停運[1]。

本文介紹基于交流方式對接觸網進行融冰的方法，通過對接觸網周邊與沿面氣流場的分析、覆冰來源水滴的受力分析和動量平衡分析，建立水滴運動軌跡方程，總結接觸網水滴局部碰撞率和總體碰撞率的規律，研究接觸網覆冰發展及覆冰動態熱平衡，同時提出牽引網防/融冰技術參數指標要求。提出防冰過程中電流、電網電壓之間的關聯機制，驗證以允許覆冰強度、接觸網溫度為控制目標的防融冰電流決策方法，仿真驗證系統的相關參數、可行性，并在鐵路現場驗證裝置的融冰效果。

1 接觸網覆冰熱平衡過程及基礎參量計算

基于流體力學，研究空氣含水引起接觸網覆冰的關鍵基礎參量，建立接觸線、承力索、整體吊弦的氣流場模型；通過受力分析、動量計算，建立氣流場中水滴的運動軌跡，研究水滴在接觸網各部件表面的碰撞情況，確定局部碰撞率和總體碰撞率，為覆冰發展及覆冰動態熱平衡研究提供基礎[2-3]。

建立覆冰熱平衡方程，通過分析局部努珊數（Nusselt number，表示對流換熱強烈程度的一個無量綱數）分布等特征，推導熱平衡方程主要技術參數求取方法，確定各種運行工況下接觸網的臨界防/融冰電流；研究接觸網系統的干增長覆冰和濕增長覆冰過程中覆冰輪廓和覆冰量的變化規律[4]。

方案設計應使融解線路覆冰時通過的電流大于融冰電流，同時小于最大允許電流，并兼顧融冰線路串接設備的通流能力。本項目涉及型號為CTAH-120型接觸網（JTMH-95型承力索），考慮到試點后改變融冰地點，涉及到的型號為CTAH-150，已知數據如下：

導線密度ρ0= 8 940 kg/m3；導線比熱C0= 400 J/(kg·℃)；線路電阻率Z0= 0.000 226 8 Ω/m；覆冰密度ρ1= 900 kg/m3；覆冰比熱C1= 2 100 J/(kg·℃)；覆冰熱值K1= 335 000 J/kg；導線半徑R0= 5.50 mm(6.18 mm)；覆冰厚度L1= 20 mm；初始溫度T1=-5 ℃；融冰時間t= 4 h[5-6]。

根據上述線路情況，得到承力索的最大融冰電流為

確保線路不會結冰的承力索保線電流為

牽引網的最大融冰電流為

該電流下確保線路不會結冰的承力索保線電流為

考慮到承力索和接觸網的39.5%，60.5%分流作用，防冰電流最小值為382 A，融冰電流最大值為917 A。也就是說，當通過JTMH-95型承力索和CTAH-120型接觸網的電流在382 A≤I≤917 A時，可以保證牽引網的長期正常運行。

最終確定融冰裝置的額定電流為400 A，對應晶閘管控制電抗器TCR和固定電容器組融冰裝置的容量為11 Mvar。

2 基于SVC的在線防融冰方案

2.1 相關參數計算

針對貴州電氣化鐵路覆冰嚴重現狀，結合融冰運行特點，兼顧性能與可靠性，開發接觸網基于SVC（靜止型動態無功補償裝置）的融冰裝置。

同一供電臂的接觸網并聯構成防冰回路，接觸網末端并聯TCR裝置，接觸網首段并聯電容器補償無功功率。

如圖1所示，安裝在雙流鎮變電所的FC濾波器組與安裝在末端的TCR之間的信號與模擬量的交互通過5G通信實現，通信時長小于100 ms，完成了設備之間的聯鎖跳閘以及分合閘操作等。電容器支路安裝容量按14.4 Mvar設計，補償容量按照27.5 kV母線電壓的6.4 Mvar設計，其額定電流為318 A。末端TCR容量按照20 Mvar額定容量設計，在母線電壓為27.5 kV時，其額定電流為726 A，由于為TCR型式，因此其電流在0～726 A范圍內可任意調節。

圖1 現場防融冰單線圖

牽引變電所到末端永溫站的接觸網距離為15 km，接觸網的型號為CTAH-120（JTMH-95型承力索），回流線型號為LGJ-185，對整個回路計算其等效阻抗為Z1= (0.096 162 + j0.385 278) Ω/km =0.397∠75.986° Ω/km。

雙流鎮牽引變電所到末端永溫站的距離為15 km，因此實驗項目的接觸網供電回路等效阻抗為Z2=Z1×15 km = (1.442 + j5.779) Ω。

進而得到線路的等效電阻和電感電抗分別為R2= 1.442 Ω、L2= 18.4 mH。

根據：

ITCR= 1.732Un(2π - 2α+ sin2α)/[πω(LTCR+L2)]

式中：接觸網電壓Un= 27.5 kV；TCR電流ITCR=726 A；角頻率ω= 314 rad/s；TCR觸發角α= 125°。代入式中可得LTCR=46.8 mH，即TCR加裝的防冰電抗器的電抗值為46.8 mH。

2.2 防融冰控制策略

融冰裝置包含5種工作模式：機車運行安全模式、防冰模式、融冰模式、熱備用模式、冷備用模式[7-8]。

當線路沒有機車運行時，如果接觸網線路有結冰現象，鐵路現有的覆冰檢測裝置會通過5G通信模塊自動傳遞覆冰信號給融冰裝置，融冰裝置根據此信號判斷覆冰厚度，進而選擇采用防冰或融冰模式。在防冰模式下，TCR產生大于151 A的電流加熱接觸網進行防冰，在融冰模式下，TCR產生400 A的融冰電流進行融冰。同時融冰裝置監測機車負荷電流，如果檢測到機車電流，融冰裝置立即切換到機車運行安全模式，根據接觸網電壓和機車電流的變化自動減小防融冰電流至安全電流范圍。

熱備用式也不需要鐵路人員參與操作，當融冰設備判斷出無任何覆冰現象時，將自動進入熱備用模式，停止脈沖，減少融冰裝置的功率損耗。

冷備用模式需鐵路人員參與，當天氣轉暖不再有覆冰現象發生或設備維修時，需要人工分斷融冰斷路器和融冰隔離刀，將設備轉入冷備用狀態。

綜上所述，鐵路融冰裝置實現了在線防冰、重載融冰、機車運行安全模式、熱備用、冷備用等功能，保證了融冰設備的可用、可靠及鐵路運輸的穩定可靠。

2.3 仿真模型的建立

現場牽引變壓器為單相變壓器，110 kV/2×27.5 kV，2路輸出，1路為8.8 MV·A，另1路為6.8 MV·A，短路阻抗8.35%。

根據現場變壓器的容量、線路參數、并聯TCR以及FC的情況搭建PSCAD仿真模型。由于并聯電抗為TCR型，因此其感性容量可時刻調節；等效電路的仿真模型如圖2所示。圖2中標注的感抗容量是6 Mvar，在仿真過程中均進行了調整。

圖2 接觸網的等效仿真模型

仿真觀察并聯電抗器/并聯電容器組所產生的電流、首端和末端的電壓、供電臂上產生的防冰電流值及分布、高壓側有功功率和無功功率；仿真觀察電容支路和電抗支路投切過程及投切時刻供電臂電流和電壓暫態過程的最大值。

110 kV側系統短路容量估算：變壓器容量S=8.8 MV·A×4×20 = 704 MV·A。供電電壓110 kV，系統短路阻抗：0.094 8 H。

將短路阻抗值輸入到發電機模型中，分別仿真3、6、9 Mvar的電抗器對應電流和首末端電壓，如表1所示。

表1 仿真結果

由仿真結果可知，采用TCR+FC電容器組的交流融冰方式，可以對線路電流進行有效調節，在理論上可以達到融冰的目的，大部分的電流來自于電容和電抗自身的交換。末端裝設的TCR容量為20 Mvar，產生的融冰電流可以根據不同現場進行調整，電壓也不會抬升，融冰設備安全，對鐵路現有設備的絕緣也不產生影響。

3 現場防融冰試驗測試

3.1 鐵路防融冰現場接觸網溫升試驗

在雙流鎮牽引變電所安裝FC裝置，在永溫站安裝TCR裝置進行測試。

HMI界面如圖3所示，界面上顯示了TCR和FC的信號和模擬量值；2套設備之間通信采用5G通信。

圖3 接觸網防融冰HMI

融冰試驗時的背景環境溫度為-0.7 ℃，如圖4所示。圖中藍色越深溫度越低，紅色越深溫度越高。升流至400 A，70 min后導線溫度如圖5所示，顯示接觸網導線變為紅色，溫度明顯升高，測量溫度為11.6 ℃。

圖4 接觸網未升流前的背景溫度

融冰電流在400 A穩定后，每間隔約十幾分鐘測量1次接觸網導線溫度，根據溫度和時間進行溫升曲線繪制，如圖6所示。接觸網SVC交流融冰的可行性得到驗證，為鐵路防融冰提供了可行的技術方案。

圖6 現場測試的溫升曲線

3.2 現場諧波測試與分析

在現場進行諧波測試，牽引所110 kV側諧波電流及其限值和牽引網末端的諧波電壓及其限值分別見表2、表3?？梢钥闯?，加裝該防融冰裝置后諧波含量滿足要求。

表2 110 kV側諧波電流

表3 27.5 kV牽引網末端側諧波電壓

4 結語

本文提出了接觸網基于SVC的融冰裝置的計算和設計，采用電抗+電容的交流融冰方式，通過現場試驗進一步驗證此技術方案可以對線路進行有效融冰，引入融冰裝置的同時對電能質量的影響及對牽引網沿線的諧波及電壓偏差進行研究，確保牽引供電系統的安全，仿真驗證了方案的可行性與有效性。

該SVC融冰裝置基于并聯設計思路，投切過程不改變牽引網和機車的運行狀態。成套裝置采用斷路器進行設備投切，可靠性高。同時采用全數字化控制系統，響應快、控制精度高，采用多種調節控制方式，可實現以覆冰強度、接觸網溫度為控制目標的融冰電流決策，以及電壓和無功聯合調節控制或加權聯合調節控制。該裝置采用分層結構設計，支持多種通信規約，方便接入電氣化鐵路供電綜合自動化系統，真正實現無人值守或集中控制。

該融冰裝置可以有效降低牽引網覆冰導致的停運損失，減少接觸網導線磨損；同時在鐵路運維提質增效、提高供電質量等方面發揮較大的經濟與社會效益。