城市轨道交通接触网在线防冰技术方案研究

城市轨道交通接触网在线防冰技术方案

研究

摘要：接触网是牵引供电系统的重要组成部分。接触网裸露在外，极易遭受冰冻，冰

冻会破坏弓网之间的联系，导致弓网虚接，进而引发线路烧毁、设备损坏、列车运行中断等

问题。针对这一现状，论文重点研究了城轨接触网的防结冰技术。

关键词：城市轨道交通；接触网；防冰技术

引言：

接触网作为保障铁路运行的关键电力设备，其结冰不仅会对受电弓的正常运行造成影响，还会对铁路运行造成不利的影响。为有效解决接触网覆冰问题，对轨道交通电力系统的结构

进行优化，研究同时具有牵引和反馈双重特性的电力装置是必然的发展方向。

一、覆冰的形成条件

导线覆冰的形成条件包含：一是具有冰封水滴的外部及电线表面的温度，通常低于0摄

氏度。二是具备较高的空气相对湿度，通常在85%以上，作为导线覆冰的水来源。三是有足

够的速度，一般为1—100米/秒，这样就能捕捉到空气中的水分和雾气，从而在电线上凝结

成冰。

二、接触网覆冰分析

在零下的环境中，由于气流的作用，液态水与导线发生接触，导致导线上的结冰。由此

可知接触网覆冰的严重性取决于环境温度、风速、水滴、导线面积和撞击因子，其中，温度

对水滴的降温有影响，风速和导线面积对撞击因子有影响，它们在某种程度上是相互耦合的。

大气流场可划分为层流与紊流，其中层流是一种理想的流动形态，而在外部环境下，其

流动形态多以紊流形态出现，并与轨道交通运营条件相联系，分析了温度、空气含水率、风

速等因素对接触网覆冰的影响。当气温、湿度不变时，列车行驶引起的风速、风向等显著改变，使得接触网上表面结冰比下表面结冰更厚，且在接触网分段连接部分更加严重，在一定

程度上增加了受电弓的机械损伤风险。

三、接触网覆冰监测（预警）系统

接触网覆冰监测（预警）系统主要包含监控层、网络层、数据库及客户端。它能实时监

控接触网导线的温度和工作环境；采用智能视频识别算法，建立覆冰计算模型，实现接触网

覆冰状态的在线自动监测和预警；采用了多个界面，并与其它线路监控系统进行了集成，基

于现场监测的环境指标，建立一个数据库，用于预测接触网上的结冰情况；当接触网覆冰被

确定后，根据监测到的环境参数、覆冰厚度等信息，由运行和维修部门对接触网融冰投切方

案进行辅助。

四、城市轨道交通接触网融冰技术

4.1热力除冰法

热能除冰法是一种常用的除冰法，它是将金属丝作为负荷，通过大电流，采用焦耳热进

行除冰。在电气化铁道的供电支路上，在电力系统中流动的电流对防止结冰起到了一定的作用。然而，目前牵引电网中的电流主要是通过列车取流来确定的，其抗、融冰能力还不能充

分保证，这就要求在电网中增设一种可控制的感性、电容型无功电源。

4.1.1交流融冰技术

目前，交流融冰技术中采用的是牵引变电所中的变压器，其上侧接有牵引变电所的供电

线路，下侧接有变电所的接地线路构成融冰回路。因此，在保证融冰电流满足要求的前提下，必须对融冰电流进行合理调节，防止融冰电流超过临界值对线路和设备造成破坏。交流融冰

设备亦有固定或移动两种形式。我国目前主要采用的是交流方式，该方式具有覆盖范围大、

线路长度大等特点，而采用交流融冰技术能够在当地获得材料，所以在主电网和固定覆冰较

多的地区，可以采用固定式交流融冰设备。该方法具有体积大、效率高等优点。该系统利用

各个开关的作用，实现了设备运行状态的切换，为设备运行提供了充分的融冰电流。一般情

况下，固定的设备都会受到周围环境的制约，而且还会对周围的电源进行长期的供电。

4.1.2直流融冰技术

接触网融冰器一般都是与牵引变电站直接连接构成回路，其在实际应用中主要受牵引变

电站地域的制约，其应用的地域有限，且相应的设备和系统维修工作量较大。直流融冰技术

在交流融冰上需要额外整流融冰电源采用牵引变电站的牵引变电所供电，并采用与之相匹配

的整流器将电磁体接触网与融冰线相连接。该整流器可以使用基于绝缘栅极双极晶体管为基

础的装置或类似装置来配置。由于接触网的直流融冰并不与牵引变电所的地线直接相连，所

以它对牵引变电所具有较强的抗电干扰能力。设备的容量小于交流解冰法；利用换流器实现

融冰电流的控制，其对不同线路与融冰电源的适应性更高，融冰电流的调节能力与稳定性更好。通常情况下，融冰电源会直接利用到线路附近的交流电力系统中，通过与整流有关的设

备来产生直流融冰电流，与此同时，还需要与相应的调节时间相结合，对直流融冰电流的大

小和稳定性进行控制，通过滤波装置来对直流融冰电流的波形进行改进，从而将谐波去除。

采用直流电接触网解冰工艺，具有较高的可操作性。为满足各种融冰条件，要求其具有大容量、高精度、高可调性等特性；此外，还应设置更加完备的保护体系，防止出现电压、电流

不稳定、温度过高等问题；监控、通讯和控制功能完善，可实现遥控和报警。

4.1.3在线防冰

在接触网两端设置静态无功补偿装置，利用终端控制器对列车运行状况进行判断，对首

尾端 SVG进行无功调整，从而实现对接触网无功消融电流的控制，以确保铁路网络的功率因子。在天气状况满足防结冰要求的时候，就会进入防结冰状态，也就是在天气状况下，根据

天气状况判定有可能发生结冰的情况下，增大接触网的无功电流，利用焦耳热保证线路温度

大于0℃使冰雪无法积覆。利用终端电网压力对防冰电流进行限制，可确保电网电压在一定

时间内满足列车的运行需求，从而达到实时防冰的目的。在防冰态运行时，末端防冰设备吸

收感性无功电流，从而使得线路上的有效电流满足防冰态的要求。前端防冰装置输出的无功

电流与线路中的反向特性，实现了无功电流在牵引网络中的循环，确保了功率因数达标。

当接触面上的冰层超出了最大容许覆盖范围，也就是接触面上的冰层厚度大于3.2毫米时，则系统就进入了融冰工作状态。一方面，由于冰层的存在，对弓网的耦合有很大的影响，即便是以较慢的速度行驶，也不能开通；另一方面，因融冰电流通常比防冰电流大，因此，

同一设备要同时具备防冰和融冰两种性能，其发电能力主要依赖于防冰和融冰条件下的发电

能力，在以防冰为主、以融冰为辅的运行方式下，发电能力并不理想。融冰电流I受气象条

件约束，想要降低融冰工况下装置容量S，就需要设法降低接触网电压U。在某些极端天气

情况下，接触线需要的防冰电流大于防冰装置所能提供的电流而造成接触线覆冰，且结冰层

厚度超过3.2 mm，从而导致接触点结冰。在没有结冰的情况下，可以使用结冰装置进行电压

调节和无功补偿。

4.2机械除冰法

其基本原理是通过不同的力学作用，将冰块从电线上剥离下来，从而引起应力的破坏。

现有的除冰法有：滑轮刮法、电脉冲除冰法、磁力除冰法、强振动除冰法。滑轮碾铲是当前

最常用的一种机械除冰方法。在除冰过程中，地面工人通过拖动电线上的滑轮，将电线上覆

盖的冰层取下。但这种方式的除冰效果较差，而且会受到地形的影响。强力振动法是在电缆

上螺旋缠绕一对导线，导线一端连接在电磁脉冲发生装置上，另一端短接。由于在电线中所