（呼和浩特铁路局呼和浩特供电段 内蒙古呼和浩特 010070）
摘要：接触网是牵引供电系统的重要组成部分，承担对电力机车的送电任务，处于低温、冻雨、湿雪、冰冻等天气下的输电线路容易出现覆冰现象。近年来，国内学者对输电线路的覆冰进行了深入研究，取得了很多重要的成果。电气化铁路负荷重、波动大，在夜间停电综合维修时，在恶劣环境下转触网也会形成覆冰，对于覆冰灾害最好的解决方法就是防冰。
关键词：电气化铁路；接触网；防冰技术
一、国内外研究现状
覆冰是一种分布相当广泛的自然现象，输电线路覆冰导致的电路损害及其引发的安全事故，给生活和生产造成极大不便。我国是输电线路覆冰严重的国家之一，尤其是2008年南方各省遭遇了严重的冰灾，多条电气化铁路主干线运输中断。随着铁路线路延伸，要经过各种气候的区域，在高湿、高海拔等地区，更易发生覆冰，接触网防冰融冰的需求也越来越突出。可以预见，接触网防冰除冰技术将成为电气化铁路安全稳定运营的关键技术之一。对于输电线路覆冰融冰，国内外专家和学者开展了大量工作，仅除冰方法就提出了30多种，而对架空导线，短路融冰（包括直流和交流融冰）被公认为更成熟且更具可行性。2006年世界首套直流融冰装置在魁北克变电站投入运营。
输电线路短路融冰方法和装备已有部分成果，但输电线路和接触网在线路结构、运行方式、受力等各方面多有不同。首先，输电线路一般情况下均有较大电流，本身即具有一定的防冰能力，在极端天气下才会结冰；而电力机车是间歇性负荷，接触网电流时断时续，机车密度低以及负荷间断使其更容易结冰。总之，电气化铁路接触网有其特殊性，输电线路融冰的研究方法和手段不能直接应用于接触网上。
目前国内多采用人工清除接触网导线覆冰，耗时长，效率低。而输电线路广泛采用的短路融冰，必须断开负荷，列车停运，是不得已采用的解决方案。所以研究不影响列车正常运行的接触网在线防冰技术具有重要的理论意义和工程应用价值。本文提出一种基于静止无功发生器（SVG）的电气化铁路接触网在线防冰技术方案，通过调节SVG，增大接触线电流，防止接触线结冰。本文给出了该防冰系统的工作原理、结构以及控制策略，并用仿真验证了该方案的正确性和可行性。
二、电气化铁路接触网在线防冰技术
2.1导线防冰电流计算
①导线热平衡方程。经过对圆柱导线覆冰过程中主要传热过程得到导线临界防冰电流，即：
式中：s为导线在表面稳态温度ts下的交流电阻，计算需考虑导线温度和集肤效应对交流电阻的影响；A为单位长度导线表面积；h为导线表面对流换热系数；ts、ta分别为导线表面稳态温度和环境温度；Ae为蒸发面积；LV为蒸发潜热；pa为标准大气压；ca为黑体总辐射系数，取0.95；Stefan-Boltzman常数=5.567×10-8，W（/m2?K4）。忽略接触线凹槽等结构因素的影响，式作为接触线临界防冰电流的粗略计算式。
②承力索对接触网防冰电流的影响。接触网由接触线、承力索、吊弦等共同组成，建立防冰电流模型可以计算出接触线的防冰电流值。防冰装置投入后，承力索会起到分流的作用，因此，计算承力索和接触线的电流分配比对于准确计算接触网的防冰电流非常重要。接触线距轨顶高度为6450mm，接触网的结构高度为1400mm，承力索的最大驰度500mm，钢轨型号P50，钢轨之间的距离1435mm，接触网地回路之间的等值深度930000mm。
2.2接触网在线防冰方案
①基于SVG在线防冰方案。SVG目前广泛应用于电能质量的治理，图1利用首末两端的SVG发出和吸收无功来用于接触网防冰。但仍需变电所出口处的电分相，属异相供电。通过控制SVG中电压源型变流器交流侧电压的幅值和相位，实现交流侧电流的控制。SVG可吸收或发出感性无功，对外表现出电感性或者电容性。覆冰条件下，末端SVG吸收感性无功电流，而首端SVG发出感性无功电流；首端SVG检测线路的无功和谐波电流，保证供电臂首端功率因数，而末端SVG保证整条供电臂满足防冰电流的要求，可实现全线在线防冰要求。
②同相供电条件下的防冰方案。IPFC的拓扑结构，是一种背靠背SVG结构。当达到覆冰条件时，供电臂末端SVG投入使用，即可实现图1中接触网防冰功能。由于IPFC为有源补偿设备，因此通过DC/AC逆变环节可以发出任意指定大小无功电流。供电臂末端SVG吸收指定大小的感性无功电流，IPFC补偿掉负载和末端SVG的无功电流，保证功率因数，从而在保证无功、负序、谐波综合治理的优势下实现图1中接触网防冰功能。
2.3防冰电控系统主电路设计
接触网供电电路：35kV进线电源来自城市电网区域变电所或城轨主变电所，整流机组由牵引降压变电器和整流器组成，它们的直流侧并联工作，为使并联时的直流电压相等且负荷分配均衡，35kV侧采用不分段单母线，牵引变压器一般采用三绕组变压器，两个二次绕组和整流器组成多相整流，整流器输出的直流电的正极（＋）经直流高速空气开关接到直流侧的正母线上，直流电的负极（－）经开关接到负母线上，通过直流馈线将电能送到接触网，负母线通过开关、回流线与走行轨相联，这样，通过电动列车的受电器与接触网的接触滑行，就构成一个完整的直流牵引电动机受电回路，防冰电控系统电路：在变电所将防冰电源接到整流器输出的正、负极上，并在两车站之间一处将上、下行接触网馈线并联接到回流线。开始时将原电路中的正负极开关切断，接入电源，融冰电源直接对接触网进行供电，通过控制电路调节完成融冰工作。
结语
本文提出一种基于SVG的电气化铁路接触网工频在线防融冰方案，通过在变电所和分区所设置的SVG，控制接触网上的电流，在线防冰；不仅不影响列车运行，还能保证供电电压稳定；防冰电流由周围环境因素决定，因此可根据现场具体情况选择不同挡位的防冰模式；经过改造，变电所处的SVG连接成“背靠背”模式，还可实现同相供电，消除电分相。仿真验证了方案的可行性和有效性。
参考文献
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[2]郭蕾，李群湛，高晓杰.电气化铁路接触网在线防冰电流的决策及控制[J].铁道学报，2015.
[3]崔永强，郭蕾，李群湛，郭积晶，胡景瑜.电气化铁路接触网在线防冰技术方案设计[J].电力系统及其自动化学报，2014.
作者简介
菅克强（1990.7-），男，内蒙古巴彦淖尔人，西南交通大学电气工程及其自动化专业学士，助理工程师，单位：呼和浩特铁路局呼和浩特供电段，研究方向：牵引供电
论文作者:菅克强
论文发表刊物:《电力设备》2016年第23期
论文发表时间:2017/1/13
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