地铁柔性接触网覆冰影响分析及应对策略研究

0引言

随着城镇化规模逐渐扩大,地铁因其自身具备快捷、方便、准时的特点,已成为人们首选的交通工具。接触网是电力牵引供电系统给地铁列车供电唯一的输电线路,近年来,由于冬季极寒天气对接触网的影响,有不少地方轨道交通因接触网覆冰导致局部或大面积停运^[1],且灾害还有可能进一步扩大,严重影响轨道交通安全运行。因此,研究接触网覆冰除冰应对策略,对保障城市轨道交通的正常运行具有重大意义。

1 柔性接触网覆冰影响分析

柔性接触网功能是持续给列车供电,要确保供电质量,必须使列车受电弓取流良好。在列车运行全过程中,覆冰对柔性接触网主要影响为弓网取流不畅。以下从覆冰影响受电弓接触压力角度来简要分析弓网取流不畅。

由于取流是通过弓网之间紧密接触实现的,弓网间要保持一定的接触力,要想弓网匹配良好,理想状态下,接触力变化应该不变或无穷小。但在列车实际运行中,受电弓除随列车水平运动外,由于列车振动及自身结构游动,还会做上下垂直运动,弓网压力也随受电弓不规则运动而变化,变化情况由下式简单描述:

向上运动:

F=F₀-F_m-F_a-F_k (1)

向下运动:

F=F₀+F_m+F_a+F_k (2)

式中:F为弓网接触压力;F₀为抬升力;Fm为铰接处摩擦力;F_a为动力分量,由受电弓质量m及垂直加速度a决定,其值F_a=ma;F_k为空气动能分量,由列车速度、风、受电弓位置、列车形状等决定。

由公式(1)(2)可知,覆冰的存在,直接影响受电弓的动力分量F_a。覆冰越厚,F_a变化越大,导致弓网压力F也随之明显变化。应用到实际场景中,弓网表现就是上下振动大,匹配不好,影响取流。

当弓网压力F过小时,受电弓容易发生离线,离线会导致供电不稳定,造成列车异常加速或减速;且离线瞬间会发生拉弧,电弧高温烧蚀会导致弓网粗糙不平,加速机械磨耗;如果频繁离线,就会造成一路拉弧打火,严重时甚至会发生断线事故。

当弓网压力F过大时,弓网磨耗增大,并使接触线的纵向摆动加大,也会产生不良后果;而且接触网悬挂冰负载在跨中位置最大,该位置在相互力的作用下,极容易发生断弓事故。

在实际城市轨道交通场景中,接触网覆冰发生的最常见状态为雨凇^[2],且湿增长的覆冰并不是均匀分布,凹凸不平的形状会使弓网垂直撞击力进一步加大,弓网跳动更加频繁。此外,覆冰还会造成接触线舞动、悬挂过负载、绝缘子闪络等不良影响^[3]。

2 柔性接触网除冰方式

2.1电气融冰

2.1.1电气融冰原理

现阶段,轨道交通常用的接触网电气融冰方法是“短路电热法”。如图1所示,接触网融冰基本原理是将覆冰接触网和列车视作负荷,当牵引所施加电流,接触网流过电流产生的焦耳热量大于融冰耗热量和接触网散热量总和时,接触网覆冰即可融化^[4]。

焦耳热的计算公式为:

Q=I²R(3)

式中:Q为热量;I为接触网电流;R为接触网电阻。

2.1.2融冰电流计算

在恶劣天气条件下,车辆段接触网已出现结霜结冰的情况但能正常送电,通过车辆段内电客车取正线电流可以达到接触网除霜除冰的效果。

柔性接触网除冰一般针对湿增长覆冰^[5],其中最恶劣湿增长接触网覆冰的条件被认为是在风速15m/s、温度-1.5℃环境下。以广州地铁四号线新造车辆段出入段线接触网为例,采用双承双导全补偿简单链形结构。其中接触线CTHA截面积为120 mm2,直径为13.2 mm,单位电阻为0.15 Ω/km;承力索JT截面积为150mm²,直径为15.8 mm,单位电阻为0.12 Ω/km。融 冰电流常用的经验公式是苏联的布尔斯道尔夫理论^[6], 通过联立公式(4)(5)(6),代入参数得出该环境下,覆冰厚度为1cm、融冰时长为1h时的融冰电流为1044.3 A。

式中:I_r为融冰电流;R₀为0℃下单位长度导线的电阻;R_T0为等效冰层传导热阻;R_T1为对流及辐射等效热阻;T_r为融冰时间;Δ_t为导体温度与外界气温之差;g₀为覆冰密度,常取0.9 g/cm³;D为导线覆冰外径;d为导线直径;b为冰层厚度;λ为导热系数,湿增长覆冰取2.27×10^-2W/(℃·cm);v为风速。

2.1.3 电气融冰应用

通过查询广州地铁列车技术规格书和实际测算得知,如列车升弓取流,开启车门和列车辅助系统(包括照明、广播、空调等),此时空载情况下单列车取流达到峰值。当然,列车峰值取流因车型不同而有所差异,以广州地铁四、五、六、十三号线为例,单列车峰值取流如图2所示。

广州地铁四、五、六、十三号线车辆段出入段线均为双承双导,按每条线平均分配,单根持续截流不超过500 A,双承双导最大为2 000 A,得出四、六号线车辆段出入段线接触网载流量各满足10列车同时开启列车辅助系统,五号线出入段线接触网载流量满足9列车同时开启列车辅助系统,十三号线车辆段出入段线接触网载流量满足6列车同时开启列车辅助系统。以融冰电流至少为1 044.3 A的场景为例,广州地铁四、五、六、十三号线需开行列车数如表1所示。

因此,针对湿增长覆冰,在风速为15 m/s、温度为-1.5℃、覆冰厚度为1 cm、融冰时长为1 h的条件下,从理论上广州地铁四号线列车至少需开启6列列车辅助系统(包括照明、广播、空调等),并开启车门,同时安排人员观察接触网接触线融冰情况,若融冰效果不佳,可逐渐开启剩余4列列车辅助系统。

为防止融冰过程中导流不畅烧损设备,需安排人员观察断路器运行情况,发现异常立即上报。接触线融冰后,人员、机具出清现场,恢复正常供电模式,安排人员现场值守,观察接触网设备运行状态。

2.2 人工除冰

除了电气融冰方式,接触网除冰还可以选择人工除冰方式,通过使用打冰杆、接触线除冰铲等工具进行除冰作业。

覆冰人工应对措施如下:

1)巡视人员发现接触网已结冰或存在结冰迹象应立即向电力调度汇报。

2)除冰成员立即穿戴好防护用品,携带通信工具、除冰工器具和绝缘工器具赶赴现场,同时检查绝缘工器具状态,保证绝缘工器具干燥、无破损。

3)到达作业现场后,待清点人员办理好清点手续后,进入轨行区。

4)申请接触网停电前,应首先检查隔离开关上

的覆冰,无明显覆冰或轻微覆冰时,由电调倒闸,使隔离开关处于分位,验电接地后方准作业。当隔离开关覆冰厚严重时,由电调组织变电专业将小车拉至仓外,进行停电。接触网人员对接触网隔离开关进行验电,验明断电后,使用打冰杆等去除开关刀闸上的覆冰,再进行倒闸,再次验电接地后方准作业。

5)首先在地面使用打冰杆、接触线除冰铲进行除冰作业。除冰时须穿绝缘靴,戴绝缘手套,利用打冰杆或除冰铲敲击和铲削接触线等结冰的设备,将接触网上的覆冰去除。

6)如发现接触网上覆冰过厚,无法使用打冰杆、除冰铲除去的,使用梯车或工程车,利用木棒、橡胶锤等工器具进行高空作业除冰。

7)除冰完成后确认接触网具备送电条件,线路具备行车条件,撤除安全防护,向电力调度汇报接触网可以恢复供电。

3 柔性接触网除冰后检查措施

1)对接触网中心锚结进行检查,两端中锚辅助绳受力均匀,不得出现弛度,两边的长度和张力力求相等;中心锚结线夹处导线高度应符合规定,中心锚结线夹处接触线应平顺。

2)对接触网补偿装置进行检查,a、b值符合安装曲线的要求,棘轮完整无损,转动灵活,没有卡滞现象,下锚补偿装置平衡轮应水平,允许偏斜角度符合规定。

3)对接触网线岔进行检查,线岔定位点拉出值应符合规定,限制管安装正确,接触线能自由伸缩无卡滞,线岔两支相距500 mm处等高或抬高符合要求。

4)对接触网隔离开关进行检查,上网电缆的长度应保证当接触悬挂受温度变化偏移时有一定的活动余量并不得侵入限界,支持绝缘子应清洁无破损和放电痕迹,瓷釉不得剥落。

5)对接触网电缆接线端子状态进行检查,防止出现受力拉裂的异常情况,安装紧固情况良好,弛度符合要求,无侵限妨碍受电弓运行。

4 结束语

地铁柔性接触网覆冰不仅会降低列车的行驶速度,严重情况下还有可能引起接触线断裂事故,对列车的行车安全构成威胁。无论采取电气融冰还是人工除冰的方式,接触网专业都要以最快速度恢复接触网正常供电,保证在最短时间内满足送电条件和运营条件。

[参考文献]

[1] 史国强.高速铁路接触网直流融冰技术[J].中国铁路,

2020(11):122—127.

[2]刘若飞,肖梓林,黄文勋,等.城市轨道交通接触网在线防融冰技术研究[J].科学技术创新,2022(11):149—152.

[3]甄磊.浅析接触网覆冰现象的危害以及应对措施[J].电气化铁道,2011,22(3):30—32.

[4]苗艳军.铁路接触网组合式在线防冰降压融冰技术[J].科学技术创新,2023(8):80—83.

[5]马晓红,穆青青,曾华荣,等.不同影响因素下的导线与绝缘子覆冰特性[J].高电压技术,2019,45(9):2904—2910.

[6]伏松平,黄国胜,乔桢,等.铁路接触网覆冰预测及治理方案研究[J].铁道建筑技术,2023(11):31—34.

2024年第11期第4篇