交流电气化铁路接触网的覆冰预警与防冰、融冰方法与流程

1.本发明涉及一种交流电气化铁路牵引供电系统的防冰融冰应用方法技术领域，特别是一种交流电气化铁路接触网的覆冰预警与防冰、融冰方法。


背景技术：

2.电气化铁路接触网是沿铁路架设为电力机车提供电能的输电线路。当接触网出现结冰时，机械与电气性能会下降，影响电力机车受流，产生燃弧现象，烧蚀接触线与受电弓滑板。严重时，会造成接触网垮塌、受电弓滑板断裂，严重影响铁路的正常运营。因此，有必要采取一些措施预防、消除接触网的覆冰。
3.目前铁路系统中防冰、融冰的方法主要有3种：热力学融冰、机械除冰和被动化学防冰。热力学融冰是利用热能融化接触网覆冰，比如我国专利号“cn 103247991 b”、专利名称“一种电气化铁道接触网利用相间短路实现防冰、融冰的方法”，其将为上、下行接触网供电的两个不同相绕组之间短接，形成相间短路，使短路电流流过接触网实现接触网的自发热，达到融冰的目的；上述方案的短路电流只取决于供电臂的长度，不可控制（这种方式下回路电流是电路电压和接触网阻抗之比，电路电压为牵引变压器电压，接触网阻抗取决于供电臂长度，对某条线路来讲都是定值，因此存在耗能的缺点）。我国专利号“cn 102616152 b、cn 102832582 b、cn 102195260 b、cn 103326301 b”的多个专利中，其技术方案在接触网的首端与末端设置电力电子器件的感性与容性无功源，利用无功电流加热接触网实现防冰融冰的目的，并且可以通过调节容、感性无功源实现系统的动态平衡和无功补偿；上述方案虽然可实现在线的接触网加热，但存在成本较高、维护性和可靠性较差的缺点。我国专利号“cn 103490645 a、cn 102638019 a”的专利，其技术方案中利用附加的直流源为接触网提供直流电流进行融冰，上述方案需要附加一套逆变设备，因而存在成本较高的缺点。
4.目前，国外有利用附加电阻丝加热接触线的方式：日本日立公司利用内置绝缘电阻丝的接触线加热接触网，意大利铁路在接触线上附加一条额外的电阻丝加热接触线。额外的电阻丝需要在既有接触网上敷设，且还需额外的一套供电电源，方案成本高昂。此外，由于电阻丝仅加热接触线，承力索与接触线存在温差，且无法融化补偿装置覆冰，接触悬挂性能会显著下降。
5.机械除冰主要利用外力将冰从接触网上剥离。国内主要采用人工打冰，利用打冰器具或受电弓对接触网导线进行除冰，其存在效率低且人力成本高的缺点，还容易对接触网造成外部损伤。被动化学防冰是在物体表面喷涂化学药剂实现融冰和防冰冻的手段；德国、瑞士有部分铁路采用了此方式，但国内还没有将防冻药剂喷涂在接触网上运用案例；而且化学防冰有效期短，需定时补涂。此外，化学药剂对环境的影响也是值得考量的一个问题。总的来说，上述3种融冰方式存在以下诸多缺点：电气融冰方式由于接触网线索电阻率低，要为接触网通大电流才能实现接触网的自热融冰，大电流情况下可能造成局部过热，而接触网又是一个大张力系统，局部的过热会造成材料机械性能下降，影响结构安全，机械融冰方式效率低，且可能对接触网造成外力损伤，化学防冰方式时效期短，环境影响大。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术中，热力学融冰、机械除冰和被动化学防冰因技术所限存在的如背景技术所述弊端，本发明提供了一种在相关结构共同作用下，在铁路牵引变电所内设置可调电抗器，在线路沿线架设小型气象站监测沿线重点地区的微气象信息，结合在线的微气象监测信息实现接触网覆冰的预警，并在预警后综合各处监测点环境条件计算出同一供电臂上的最优防冰电流，根据防冰电流值，将可调电抗器串入牵引变电所不同相电源间，利用不同相电源的相间电压差为供电臂上防冰电流提供电源，达到防冰目的，由此实现了不影响接触网机械性能及结构安全，不会对接触网造成外力损伤，不会造成环境影响，且防冰除冰效果好的交流电气化铁路接触网的覆冰预警与防冰、融冰方法。
7.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：交流电气化铁路接触网的覆冰预警与防冰、融冰方法，其特征在于采用多个接触网沿线子站数据采集模块、电抗器、隔离开关、数据接收分析模块、控制模块作为预警的系统；所述控制模块和数据接收分析模块是安装在牵引变电所内工控机内的应用软件； 所述子站数据采集模块包括无线信号发射组件、温度传感器、湿度传感器、风速传感器、风向传感器、降雨量传感器、光照强度传感器；所述温度传感器、湿度传感器、风速传感器、风向传感器、降雨量传感器、光照强度传感器和无线信号发射组件的六路信号输入端分别电性连接；所述电抗器的电源输入端和工控机的控制电源输出端电性连接，电抗器的电源输出端和隔离开关的电源输入端电性连接，隔离开关的电源输出端和牵引变电所内、与牵引变电所相邻供电臂上下行接触网连接的输电线分别电性连接；所述数据接收分析模块能接收温度传感器、湿度传感器、风速传感器、风向传感器、降雨量传感器、光照强度传感器经无线信号发射组件，发送的温度、湿度、风速、风向、光照强度、降雨量数据；所述数据接收分析模块通过内置算法，结合子站检测上传的温度、湿度、风速、风向、光照强度、降雨量数据与公共网络气象信息，预测接触网覆冰情况，并将各数据输出到控制模块，数据接收分析模块发出覆冰预警后，能使控制模块调节电抗器出输出防冰电流；所述控制模块能基于其内部的算法功能、能计算调节电抗器需要投入的阻抗值大小，进而控制进入电抗器电源输入端的防冰电流大小，达到接触网防冰效果；所述控制模块防冰电流大小计算公式为到接触网防冰效果；所述控制模块防冰电流大小计算公式为；所述电抗器需要投入的阻抗值计算公式为。
8.进一步地，所述数据接收分析模块还能存储过往温度、湿度、风速、风向、光照强度、降雨量监控数据，可实现调用、查看功能，辅助完善预测算法。
9.进一步地，所述子站的温度传感器、湿度传感器、风速传感器、风向传感器、降雨量传感器、光照强度传感器安装在铁路线路沿线途径的风口、垭口、水源附近和山体迎风面上附近位置。
10.进一步地，所述温度传感器能采集现场的温度数据、湿度传感器能采集现场的湿度数据、风速传感器能采集现场的风速数据、风向传感器能采集现场的风向数据、降雨量传感器能采集现场的降雨量数据、光照强度传感器能采集现场的光照强度数据，上述数据经
无线信号发射组件发送。
11.本发明有益效果是：本发明在牵引变电所内设置能经控制模块智能调节的可调电抗器，在接触网沿线线架设小型气象站（具有度传感器、湿度传感器、风速传感器、风向传感器、降雨量传感器、光照强度传感器等）监测沿线重点地区的微气象信息，并结合在线的公共网络微气象监测信息实现接触网覆冰的预警，并在预警后综合各处监测点环境条件，经控制模块计算出同一供电臂上的最优防冰电流，控制模块根据需要的防冰电流值，将可调电抗器输出电流调节后串入牵引变电所不同相电源间，利用不同相电源的相间电压差为供电臂上防冰电流提供电源，达到防冰的目的。本发明以防冰代替过往方案中的融冰，所需电流小，对接触网安全影响小；利用可调电抗器限制无功电流，设备结构简单可靠，弥补了既往方案采用的电力电子设备养护频繁、费用高的缺点，针对偶发的覆冰事件更为经济；根据线路情况设置微气象监测系统，向决策系统提供环境温湿度、风速风向、降水量等参量，一方面可进行覆冰预警，另一方面可根据工况计算最优的防冰电流，既可避免接触网的局部过热、影响结构安全，又可降低能耗成本；本发明主要利用既有变电所设备，在所内仅增加1台可调电抗器及其配套隔离开关，投资少；若牵引变电所实行反向计费或配合无功补偿装置，防冰电流能耗低、费用省。基于上述，本发明具有好的应用前景。
附图说明
12.图1是本发明单线线路系统构成示意图。
13.图2 复线线路系统构成示意图。
14.图3 单线线路接线构成示意图。
15.图4 复线线路接线方式1构成示意图。
16.图5 复线线路接线方式2构成示意图。
17.图6 复线线路配置构成示意图。
18.图7 、8供电臂1出现覆冰，供电臂2未出现覆冰预警情况构成示意图。
具体实施方式
19.图1、2、3、4、5、6、7、8所示，交流电气化铁路接触网的覆冰预警与防冰、融冰方法，采用多个接触网沿线子站数据采集模块、电抗器、隔离开关、数据接收分析模块、控制模块作为预警的系统；所述控制模块和数据接收分析模块是安装在牵引变电所内工控机内的应用软件； 所述子站数据采集模块包括无线信号发射组件、温度传感器、湿度传感器、风速传感器、风向传感器、降雨量传感器、光照强度传感器；所述温度传感器、湿度传感器、风速传感器、风向传感器、降雨量传感器、光照强度传感器和无线信号发射组件的六路信号输入端分别经导线连接；所述电抗器的电源输入端和工控机的控制电源输出端经导线连接，电抗器的电源输出端和隔离开关的电源输入端经导线连接，隔离开关的电源输出端和牵引变电所内、与牵引变电所相邻供电臂上下行接触网连接的输电线分别经导线连接；所述数据接收分析模块能接收温度传感器、湿度传感器、风速传感器、风向传感器、降雨量传感器、光照强度传感器经无线信号发射组件，发送的温度、湿度、风速、风向、光照强度、降雨量数据；所述数据接收分析模块通过内置算法，结合子站检测上传的温度、湿度、风速、风向、光照强度、降雨量数据与公共网络气象信息，能对接触网覆冰情况进行预测，并将各数据输出到控
制模块，数据接收分析模块发出覆冰预警后，能使控制模块调节电抗器出输出防冰电流；所述控制模块能基于其内部的算法功能、能计算调节电抗器需要投入的阻抗值大小，进而控制进入电抗器电源输入端的防冰电流大小，达到加热接触网防冰的效果；所述控制模块防冰电流大小计算公式为冰电流大小计算公式为，式中，i
f
——防冰电流,单位a；r0——0℃是接触网电阻, 单位ω/m；tf——预计防冰时间, 单位h；δt——导体温度与外界气温之差，单位
o
c；g0——冰的相对密度（一般按照雨凇取0.9）；d——导线直径，单位cm；d——导体履冰后的外径，单位cm；rt0——等效冰层传导热阻，
o
ccm/w，，其中，——导热系数，单位是w/(cm
o
c)，对雨凇是2.27
×
10
‑2，对雾凇是0.12
×
10
‑2；rt1——对流及辐射等效热阻，对雨凇是，对雾凇是v——风速，单位m/s。其余监控点在防冰电流下的温度，可通过热力学平衡关系进行校验，满足：，式中，ws——日照加热功率；wr——辐射散热功率；wf——对流散热功率；，式中，e1——导线表面的辐射散热系数，光亮的新线为0.23~0.43；旧线或涂黑色防腐剂的线为0.90~0.95；s1——斯忒潘
‑
玻尔兹曼常数，5.67
×
10
‑
8，w/(m2k4)；tlimit——导线允许温升，单位是
o
c；ta——环境温度，单位是
o
c；流散热功率wf：，式中，——导线表面空气层的传热系数，单位是w/(m
o
c)，；re——雷诺数。（式中，v——垂直导线风速，m/s；——导线表面空气层的运动黏度，m2/s，），日照吸热功率ws：，式中，as——导线表面的吸热系数，光亮的新线为0.35~0.46；旧线或涂黑的线为0.9~0.95，试中，js——日光对导线的日照强度，w/m2；晴天、日照直射导线时，可采用1000w/m2。gb 50545
‑
2010中的计算条件90
o
c，辐射系数0.9，吸收系数0.9，日照强度0.1w/cm2。tlimit通常为70
o
c。通过上述，防冰电流满足最恶劣环境点防冰需求，同时也满足接触网各处温升不超过70
o
c要求。所述电抗器需要投入的阻抗值计算公式为式中，zd——电抗器阻抗；zx——线路阻抗。
20.图1、2、3、4、5、6、7、8所示，数据接收分析模块还能存储过往温度、湿度、风速、风
向、光照强度、降雨量监控数据，可实现调用、查看功能，辅助完善预测算法。子站的温度传感器、湿度传感器、风速传感器、风向传感器、降雨量传感器、光照强度传感器安装在铁路线路沿线途径的风口、垭口、水源附近和山体迎风面上附近位置。温度传感器能采集现场的温度数据、湿度传感器能采集现场的湿度数据、风速传感器能采集现场的风速数据、风向传感器能采集现场的风向数据、降雨量传感器能采集现场的降雨量数据、光照强度传感器能采集现场的光照强度数据，上述数据经无线信号发射组件发送。
21.图1、2、3、4、5、6、7、8所示，本发明应用于电气化铁路的单线线路时，可通过将相邻两个之间供电臂联通构建电流通路；此时，相邻牵引变电所不同相序电源电压差为本发明防冰回路进行供电。应用于电气化铁路的复线线路时，既可通过将相邻供电臂联通构建电流通路，也可在铁路沿线分区所将上下行接触联通，利用同一牵引变电所不同相电源间相电压为防冰回路供电。本发明由温度传感器、湿度传感器、风速传感器、风向传感器、降雨量传感器、光照强度传感器、无线信号发送组件等构成的小型覆冰预警气象站需设置在沿线开阔地带、桥涵处、隧道内等环境影响不同的地段，这对最优防冰电流的计算影响显著，其中风速、环境温度对防冰电流的影响最为显著，防冰时间对防冰电流的影响不显著，最优防冰电流需控制各处温升在允许范围之内，经计算，接触网通过的防冰电流在200~700a范围内最佳。本发明适用于牵引变电所不同相电源相间角为60
o
、90
o
和120
o
情况，电源相间相角取决于牵引变压器接线，电抗器电抗调整范围需根据牵引变电所实际接线情况、供电臂区间长度和防冰电流值确定，经计算，电抗器阻值建议范围为3~50ω，本方案亦可以采用更小阻值电抗器，增大接触网上的电流实现融冰功能。
22.图1、2、3、4、5、6、7、8所示，根据相关研究结果，覆冰条件为合适的温度与充足的水汽。本发明案在牵引变电所内设置能经控制模块智能调节的可调电抗器，在接触网沿线架设小型气象站（具有度传感器、湿度传感器、风速传感器、风向传感器、降雨量传感器、光照强度传感器等）监测沿线重点地区的微气象信息，并结合在线的公共网络微气象监测信息实现接触网覆冰的预警，在铁路沿线设置小型气象站监测微气象环境温度、湿度、风速、风向等参数，判断局部小环境发生接触网覆冰的概率，当判断大概率发生接触网覆冰时，本发明启动防冰功能，并在预警后综合各处监测点环境条件，经控制模块计算出同一供电臂上的最优防冰电流，控制模块根据需要的防冰电流值，将可调电抗器输出电流调节后串入牵引变电所不同相电源间，利用不同相电源的相间电压差为供电臂上防冰电流提供电源，达到加热供电臂防冰、及省电的目的。本发明中为避免接触网覆冰，通过消弱覆冰与导线表面交界处的黏着力度，或防止过冷水滴在导线表面冻结两种方式实现，在导线中通过电流，利用导线自身焦耳热，使导线表面温度提高，形成水膜，进而可以有效防止覆冰发生。本发明防冰主要依靠电抗器的无功功率，在牵引变电所内设置1台可调电抗器，限制无功电流，根据数据分析模块的覆冰预警信息，控制模块将可调电抗器串入牵引变电所不同相电源间，使接触网通入定值的防冰电流（电流回路根据线路情况由连续供电臂上或同一供电臂的上下行接触网构成，电流不流经钢轨与大地），实现好的防冰效果。本发明以防冰代替过往方案中的融冰，所需电流小，对接触网安全影响小；利用可调电抗器限制无功电流，设备结构简单可靠，弥补了既往方案采用的电力电子设备养护频繁、费用高的缺点，针对偶发的覆冰事件更为经济；根据线路情况设置微气象监测系统，向决策系统提供环境温湿度、风速风向、降水量等参量，一方面可进行覆冰预警，另一方面可根据工况计算最优的防冰电流，既
可避免接触网的局部过热、影响结构安全，又可降低能耗成本；主要利用既有变电所设备，在所内仅增加1台可调电抗器及其配套隔离开关，投资少；若牵引变电所实行反向计费或配合无功补偿装置，防冰电流能耗低、费用省。基于上述，本发明具有好的应用前景。
23.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
24.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。