城市轨道交通接触网直流融冰技术研究进展

摘要：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。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。

关键词：城市轨道交通；接触网；直流融冰技术

前言

电力线路严重覆冰时会导致大面积停电事故，必须将其予以融解。现阶段应用最为广泛的融冰方式为热力融冰法，热力融冰法分为交流融冰和直流融冰法。从系统容量、融冰效率来看，直流融冰法通过三相整流以获得直流电源，通过接入实现某两相的融冰，是最为有效和实用的方法。

一、直流融冰的可行性

接触网的交流电流融冰技术主要包括发电机零起电流、交流短路和过负荷融冰等方法。交流电流融冰（简称交流融冰）的基本原理与直流融冰相同，但在技术的研究和应用上又有自身的特点，受交流电流自身的特性影响，由于接触网一般是低压线路，在低压接触网中一般串接线路及变电站较多，则电源较难保障，不像直流融冰一样可以用发电车来作为电源，所以选择直流融冰法作为融冰的方案。

二、直流融冰的原理

将两相或三相导线一端接入直流融冰装置，另外一端短路，通过大功率整流器将直流电流注入导线加热来达到融冰的目的。直流电流产生的热量必须大于导线散热量和融冰热量之和，覆冰才能融化。这就要求：线路所通融冰电流I达到一定的数值;融冰电流确定以后，融冰装置的电源容量对应一定长度的线路（电阻为R），并装置的输出电压也受到IＲ的限制。设计短路融冰方案时，接触网的融冰电流、保线电流以及最大允许电流应首先被确定。融冰电流。融冰电流是指导线上覆冰融化电流。融冰电流在导线电阻中产生的热量一部分使冰柱的温度上升至融点，一部分使冰柱融化，一部分损失在从导线表面到冰柱表面的传递途中，还有一部分通过冰柱表面散失。保线电流。保线电流是指保持导线温度在冰点以上，是导线覆冰所需的最小电流。保线电流通过导线产生的热量与对流，辐射散热消耗热量平衡。导线最大允许电流。导线最大允许电流是指在融冰的短时间内（最长几小时）允许导线最高温度（90℃）所通过的电流。在一定的环境条件下，直流融冰所需要的整流器容量取决于需要融冰线路的导线截面及导线长度。现代直流技术的应用和大电流晶闸管阀片的开发为直流融冰创造了良好的条件。直流短路融冰从技术上可适应于各级电压等级的不同导线截面的线路，实现这一方法的关键则是根据不同的应用条件，开发出不同型式、不同容量的直流融冰设备。直流融冰时线路阻抗的感性分量不起作用，降低了融冰所需的容量，提高了融冰效率;直流融冰时直流电压连续可调，可以满足不同长度线路的融冰要求，且不需要进行阻抗匹配，也降低了融冰对电力系统运行方式的苛刻要求;安装于枢纽变电站的直流融冰装置可对全站所有进出线进行融冰，在线路大面积覆冰时，效果特别明显。

三、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27.5kV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1000m；工作环境温度：-40～+40℃；地震烈度：不大于8度；风速：最大风速40m/s；污秽等级：按IV级考虑。（3）技术要求如下：额定输入电压：27.5kV；设备最高工作电压：31.5kV；额定频率：50Hz；1min工频耐受电压：不小于80kV；雷电冲击耐受电压：不小于185kV；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10s；平均无故障时间：不小于2000h；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。

四、直流融冰装置的控制和保护

直流融冰装置的控制功能保证在电流和有功控制等调节目标下，在直流融冰过程中实现融冰装置换流器、直流隔离开关等的自动控制，使直流融冰装置各支路断路器、隔离开关、融冰线路、冷却系统、保护装置和有关系统等运行协调、安全。各交流出线可由控制装置自动切换三相线路连接到整流装置。一方面，可以保证三相线路均衡融冰，切换过程中整流装置及开关的操作都能自动进行以实现快速、安全融冰;另一方面，可以减少开关的倒闸操作。以保证系统在各种不同运行方式下，实现不同线路快速、可靠、安全的融冰。直流融冰装置控制以融冰线路所需融冰电流为主要调节目标，直流融冰装置的有功功率和无功功率输出可作为辅助调节目标。通常由运行人员设定希望的电流定值以及电流升降速率。控制系统控制直流融冰装置输出的直流电流为设定的电流定值，在交流和直流扰动下仍保持本融冰装置直流电流恒定。根据融冰要求，提出对不同线路相应的直流融冰装置运行方式和模式转换方案，以保证融冰快速和安全完成。主要包含直流融冰装置启动和停运过程中的顺序操作，各种控制模式和运行方式的切换功能。直流融冰装置中如配置进行无功补偿和谐波治理的滤波器组，在监视控制系统中可根据融冰电流的大小和触发角进行相应滤波器的组投退控制。直流融冰装置的保护与控制系统功能相对独立;控制与保护为统一设计实现，同时直流融冰装置的保护与控制系统可采用不同的主机。

结束语

融冰装置可在冬季利用铁道线路运行的间隙对覆冰接触网线路进行高效融冰，输入侧谐波能控制在标准允许范围内，对电网影响小，所输出的直流融冰电压可根据需要通过控制IGBT占空比进行灵活调节，实现对冬季线路覆冰灾害的治理。

参考文献：

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[2]赵杰，饶洪，等.电网防冰融冰技术及应用[M].北京：中国电力出版社，2010