涂振華，歐陽(yáng)虹，鄒同友，郭樂(lè)洋

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，溫室氣體的不斷排放導(dǎo)致全球氣候變暖，極端天氣席卷全球。近年來(lái)，在我國(guó)南方地區(qū)，冬季凍雨天氣頻發(fā)，加之環(huán)境溫度、濕度和風(fēng)速等因素的共同作用，處于室外高架段的城市軌道交通接觸網(wǎng)、接觸軌極易形成大面積覆冰現(xiàn)象，如2008 年春運(yùn)期間我國(guó)南方地區(qū)遭遇嚴(yán)重冰災(zāi)，多條電氣化鐵路的接觸網(wǎng)及列車(chē)受電弓發(fā)生覆冰險(xiǎn)情，導(dǎo)致受電弓不能正常取流，嚴(yán)重影響了鐵路的安全運(yùn)營(yíng)[1]。如何有效解決南方冬季凍雨天氣下磁浮交通供電系統(tǒng)的接觸軌覆冰問(wèn)題，保障凍雨天氣時(shí)磁浮列車(chē)安全運(yùn)行，已成為急需解決的問(wèn)題。本文以投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)近5 年的長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)為例，探討磁浮線(xiàn)路安全穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)中面臨的一系列問(wèn)題。

長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)大部分為室外高架段，如冬季遭遇嚴(yán)重冰凍雨雪天氣，接觸軌覆冰風(fēng)險(xiǎn)很大，若接觸軌頂面及側(cè)部受流面結(jié)冰，將直接阻礙磁浮列車(chē)受流器與接觸軌接觸，嚴(yán)重時(shí)將造成受流器與接觸軌受流面拉弧、放電等，不僅影響列車(chē)運(yùn)行時(shí)的受流質(zhì)量，而且極易造成接觸軌受流面本體、受流器損傷或破壞，甚至可能導(dǎo)致線(xiàn)路無(wú)法正常運(yùn)營(yíng)。

目前國(guó)內(nèi)外暫無(wú)磁浮接觸軌防冰、除冰的工程應(yīng)用技術(shù)和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，少數(shù)研究機(jī)構(gòu)或團(tuán)隊(duì)的接觸軌防冰、除冰方法仍處于理論或?qū)嶒?yàn)室研究和試驗(yàn)階段。經(jīng)了解，傳統(tǒng)的除冰方法有人工除冰、機(jī)械除冰、化學(xué)除冰和自然被動(dòng)除冰等[2]，這些方法雖然實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但由于城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路長(zhǎng)，除冰工作量大，在人力資源投入、人身安全、環(huán)境污染、運(yùn)營(yíng)需求和實(shí)際效果方面均存在不足。

本文在深入研究國(guó)家電網(wǎng)、鐵路接觸網(wǎng)防冰與除冰技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合中速磁浮發(fā)展需求，根據(jù)長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)接觸軌自身特點(diǎn)，以及長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)供電系統(tǒng)現(xiàn)有設(shè)備與供電條件等，提出接觸軌直流融冰法和接觸軌保線(xiàn)電流法[3]，并通過(guò)理論計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)人為制冰和除冰模擬試驗(yàn)驗(yàn)證方法的有效性。

1 長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)及供電系統(tǒng)簡(jiǎn)介

長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)作為國(guó)內(nèi)首條擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中低速磁浮線(xiàn)路，運(yùn)營(yíng)車(chē)輛采用中低速磁浮列車(chē)，常導(dǎo)電磁鐵懸浮、直線(xiàn)感應(yīng)電機(jī)牽引，運(yùn)用“同極相斥、異極相吸”電磁原理，以電磁力支撐列車(chē)并推動(dòng)前行。該線(xiàn)路全長(zhǎng)18.55 km，正線(xiàn)設(shè)有6 座牽引降壓混合變電所（額定容量均為3 200 kV·A），其供電線(xiàn)路為鋪設(shè)在線(xiàn)路兩側(cè)的C 型接觸軌，接觸軌分為正極和負(fù)極，正極側(cè)電壓為DC 1 500 V，負(fù)極側(cè)電壓為0 V。

供電接觸軌系統(tǒng)主要由鋼鋁復(fù)合接觸軌及中間接頭、膨脹接頭、電連接、中心錨結(jié)、端部彎頭、絕緣安裝支架、過(guò)渡彎頭、分段絕緣器等附件構(gòu)成。系統(tǒng)接觸軌采用HP-C100 鋼鋁復(fù)合C 型接觸軌，是由不銹鋼型鋼帶（型號(hào)為06Cr19Ni10）與鋁合金型材通過(guò)塑性加工方法復(fù)合而成的導(dǎo)電軌，其截面為100 mm2，鋼帶厚度為4.5 mm，標(biāo)準(zhǔn)軌制造長(zhǎng)度為11.7 m。接觸軌溫升曲線(xiàn)與主要技術(shù)參數(shù)分別如圖1 和表1 所示。

圖1 接觸軌溫升曲線(xiàn)

表1 接觸軌主要技術(shù)參數(shù)

2 接觸軌直流融冰法

接觸軌直流融冰法是根據(jù)接觸軌溫升特性，通過(guò)將上下行接觸軌首尾串聯(lián)，使供電系統(tǒng)與接觸軌成為一種融冰電源發(fā)熱裝置，再使用既有供電系統(tǒng)整流裝置向接觸軌兩端施加1 500 V 直流電壓[5]，利用導(dǎo)體本身的內(nèi)阻消耗電能產(chǎn)生熱能，達(dá)到接觸軌除冰的效果。接觸軌直流融冰法的供電系統(tǒng)簡(jiǎn)化等效電路如圖2 所示。圖中R線(xiàn)為接觸軌線(xiàn)路阻抗，R內(nèi)為變電所內(nèi)阻。

圖2 接觸軌直流融冰法等效電路

下文利用電流熱效應(yīng)原理，分析直流融冰法的可行性。電流熱效應(yīng)原理即利用焦耳-楞次定律以及比熱容的相關(guān)公式：

式中：C為比熱容；M為質(zhì)量；ΔT為溫升。

若將該線(xiàn)上行或下行接觸軌從0℃升溫至20 ℃，即ΔT= 20 ℃，將接觸軌主要技術(shù)參數(shù)代入式（2），得到Q鋁=C鋁·M鋁·ΔT= 404 874 377.6 J，Q鋼=C鋼·M鋼·ΔT= 1 732 570 000 J。

現(xiàn)變電所單臺(tái)整流變壓器容量為1 600 kV·A，單臺(tái)整流器額定功率P為1 500 kW，額定直流電流為1 000 A，既有供電系統(tǒng)兩套整流裝置為并聯(lián)運(yùn)行，則空載電壓U空= 1 650 V 時(shí)，單臺(tái)整流器輸出電流I=P/U空≈909 A，而整流器標(biāo)準(zhǔn)工作制等級(jí)為Ⅵ類(lèi)工作制等級(jí)[5]，即

1.0 p.u..連續(xù)；

1.5 p.u..2 h；

3.0 p.u..1 min。

將t1= 552 s 換算成分鐘，僅耗時(shí)約9 min，I短1= 2 672 A 時(shí)，單臺(tái)整流器需承受的短路電流為I短1的一半，即1 336 A，因此該融冰時(shí)長(zhǎng)與融冰電流可滿(mǎn)足整流器標(biāo)準(zhǔn)工作制等級(jí)的要求。

當(dāng)I短2= 1 423 A 時(shí)，將t2= 1 946 s 換算成分鐘，需耗時(shí)約32.5 min，以上融冰時(shí)長(zhǎng)與融冰電流同樣滿(mǎn)足整流器標(biāo)準(zhǔn)工作制等級(jí)的要求。

通過(guò)上述理論計(jì)算，在使用既有供電系統(tǒng)整流裝置，并在融冰回路中增加相應(yīng)控制導(dǎo)通裝置的情況下，應(yīng)用接觸軌直流融冰法理論上可實(shí)現(xiàn)接觸軌除冰。

3 接觸軌保線(xiàn)電流法

接觸軌保線(xiàn)電流法是指有磁浮列車(chē)運(yùn)行時(shí)，在上下行接觸軌正負(fù)極分段串接可調(diào)電阻柜作為負(fù)載接入供電分區(qū)末端，再使用既有供電系統(tǒng)整流裝置向該供電分區(qū)的接觸軌兩端施加1 500 V 直流電壓，利用磁浮列車(chē)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電流和流經(jīng)可調(diào)電阻柜及對(duì)應(yīng)供電分區(qū)接觸軌的電流，消耗電能產(chǎn)生熱能，使得接觸軌持續(xù)通流發(fā)熱，達(dá)到接觸軌除冰或防止覆冰的效果。

3.1 方法一

長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)正線(xiàn)共有6 座牽引所，保留正線(xiàn)兩端的牽引所1、牽引所6 以及牽引所5，牽引所1、5、6 采取接觸軌單邊供電，在牽引所3、牽引所5 的位置分別形成接觸軌斷點(diǎn)，以便有限調(diào)控線(xiàn)路電流；在牽引所3 的上行兩個(gè)區(qū)間、下行兩個(gè)區(qū)間分別串接1 套可調(diào)電阻柜，并在牽引所5 到牽引所6 單邊串接2 套可調(diào)電阻柜；牽引所2、牽引所3 均采取越區(qū)供電，根據(jù)長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)線(xiàn)路里程，從牽引所1 到牽引所3 的距離為7.5 km，從牽引所3 到牽引所5 的距離為7.8 km。接觸軌保線(xiàn)電流法一的供電系統(tǒng)簡(jiǎn)化等效電路如圖3 所示。

圖3 接觸軌保線(xiàn)電流法一等效電路

該方法中，采取接觸軌單邊供電模式，主要考慮因線(xiàn)路較長(zhǎng)導(dǎo)致在牽引所3 末端電壓能否滿(mǎn)足行車(chē)需要及末端短路保護(hù)等問(wèn)題；若區(qū)間內(nèi)磁浮列車(chē)用電最大值I車(chē)= 900 A，串接電阻柜阻值R串= 2 Ω，線(xiàn)路阻抗R線(xiàn)1= 0.014 62×7.8×2 = 0.228 072 Ω。

3.2 方法二

長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)正線(xiàn)共設(shè)置4 個(gè)供電區(qū)間，保留正線(xiàn)兩端的牽引所1、牽引所6 以及牽引所3，牽引所1 和6 采取接觸軌單邊供電，牽引所3 采取接觸軌雙邊供電，在牽引所2、牽引所5 的位置均形成接觸軌斷點(diǎn)，在牽引所2、牽引所5 均串接4 套可調(diào)電阻柜。牽引所2、牽引所5 均采取越區(qū)供電，從牽引所1 到牽引所2 的距離為4 km，從牽引所3到牽引所5 的距離為7.8 km。接觸軌保線(xiàn)電流法二的供電系統(tǒng)簡(jiǎn)化等效電路如圖4 所示。

圖4 接觸軌保線(xiàn)電流法二等效電路

該方法減小了區(qū)間距離，末端電壓降低較少，從牽引所3 到牽引所5 之間的距離較長(zhǎng)，為7.8 km，根據(jù)串接電阻柜阻值的不同，以及區(qū)間有無(wú)磁浮列車(chē)，有如下幾種情況：

（1）串接電阻柜阻值R串= 1.5 Ω，線(xiàn)路阻抗值R線(xiàn)1= 0.014 62×7.8×2=0.228 072 Ω。

采用該方法同樣需優(yōu)化供電系統(tǒng)保護(hù)定值。

通過(guò)上述理論計(jì)算，使用既有供電系統(tǒng)整流裝置，在正線(xiàn)上設(shè)置合理的接觸軌斷點(diǎn)，重新劃分正線(xiàn)供電區(qū)間，并在融冰回路中串接可調(diào)電阻柜，利用磁浮列車(chē)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電流與流經(jīng)可調(diào)電阻柜及對(duì)應(yīng)供電分區(qū)接觸軌的電流和，該電流和的大小滿(mǎn)足整流器標(biāo)準(zhǔn)工作制等級(jí)的要求，在保證磁浮列車(chē)正常運(yùn)行的同時(shí)，使得接觸軌持續(xù)通流發(fā)熱，達(dá)到接觸軌除冰或防止覆冰的效果。

4 結(jié)論

（1）在長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)特定的供電系統(tǒng)現(xiàn)有設(shè)備、供電方式和線(xiàn)路條件下，根據(jù)電流熱效應(yīng)原理，不論是將上行或者下行接觸軌正負(fù)極短接，還是將全線(xiàn)接觸軌串聯(lián)短接，線(xiàn)路阻抗值均能滿(mǎn)足接觸軌直流融冰法的條件，理論上可實(shí)現(xiàn)接觸軌除冰；就長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)接觸軌而言，若線(xiàn)路太短則線(xiàn)路阻抗值就小，短路電流太大，則融冰電流將不能滿(mǎn)足整流器標(biāo)準(zhǔn)工作制等級(jí)要求，即不能使用接觸軌直流融冰法；此外，通過(guò)理論計(jì)算，在滿(mǎn)足文中整流器標(biāo)準(zhǔn)工作制等級(jí)要求的情況下，若要使融冰時(shí)間短，則融冰電流將很大，融冰電流太大對(duì)供電系統(tǒng)及其設(shè)備的安全可靠性造成較大考驗(yàn)。

（2）接觸軌保線(xiàn)電流法是在接觸軌直流融冰法的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)上，根據(jù)磁浮線(xiàn)路在冰凍雨雪天氣時(shí)實(shí)際運(yùn)營(yíng)需要而研究的一種方法，其技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)在于如何合理設(shè)置接觸軌斷點(diǎn)，使重新劃分的正線(xiàn)供電分區(qū)能更有利于除冰工作的開(kāi)展，在可調(diào)電阻柜的阻值選擇和線(xiàn)路阻抗值的計(jì)算方面，應(yīng)根據(jù)供電系統(tǒng)電流保護(hù)定值等參數(shù)進(jìn)行合理選擇配置，同時(shí)，在重新劃分的同一供電分區(qū)內(nèi)對(duì)運(yùn)行的磁浮列車(chē)數(shù)量也應(yīng)進(jìn)行合理的行車(chē)調(diào)度，避免出現(xiàn)融冰電流超出供電系統(tǒng)及其設(shè)備所能承受的范圍，因此，從理論計(jì)算的結(jié)果以及所需承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)來(lái)看，應(yīng)用接觸軌保線(xiàn)電流法應(yīng)酌情減少串接可調(diào)電阻柜的投入，降低設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)，重點(diǎn)研究供電系統(tǒng)電流保護(hù)定值等參數(shù)的設(shè)置，從系統(tǒng)的角度動(dòng)態(tài)分析研判。采用接觸軌保線(xiàn)電流法時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮供電系統(tǒng)、行車(chē)組織的動(dòng)態(tài)模型變化，在保障磁浮列車(chē)安全運(yùn)行的同時(shí)，又能達(dá)到較好的接觸軌除冰或防止覆冰的效果。

（3）在長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)特定的線(xiàn)路條件和供電系統(tǒng)運(yùn)行工況下，根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，接觸軌直流融冰法和接觸軌保線(xiàn)電流法均能在接觸軌除冰和防止覆冰方面發(fā)揮作用。

（4）本文只從理論上研究了利用電流熱效應(yīng)原理對(duì)接觸軌進(jìn)行除冰和防止接觸軌覆冰，并未對(duì)接觸軌結(jié)冰的成因和過(guò)程進(jìn)行深入分析，實(shí)際接觸軌除冰和防止覆冰的效果還會(huì)受到環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速、局部氣流場(chǎng)、凍雨運(yùn)動(dòng)軌跡和接觸軌金屬表面溫度場(chǎng)等多種因素的影響[6]，因此，接觸軌實(shí)際除冰和防止覆冰的工程應(yīng)用仍需進(jìn)一步研究，且方法和措施絕不局限于本文所述。