适用于接触网和承力索覆冰的非分相区分段可调直流融冰系统

适用于接触网和承力索覆冰的非分相区分段可调直流融冰系统
1.技术邻域
2.本发明属于电气化轨道交通技术领域，更为具体地讲，涉及一种适用于接触网和承力索覆冰的非分相区分段可调直流融冰系统。


背景技术：

3.近年来随着我国电气化铁路的快速发展，大量的高速铁路投入运行，其安全、高效、便捷和环保等优势，极大地推动了整个国家的经济发展。但是一些新的电气化铁路会穿越一些低温度、高湿度和高海拔高风速的地区，当处于运输线路的空窗期的时候，由于接触网上没有电流流过和行驶中列车的受电弓滑过，所以在不同的自然条件下容易产生不同类型的覆冰，而承力索和接触网上的覆冰如果不及时清理可能会导致线路被过大质量的覆冰压塌，严重时可能会导致整个运输网的瘫痪。而接触网上的覆冰也会在列车经过时对受电弓的取电动作产生不良影响，严重时可能会由于受电弓与接触网的接触不良而导致列车保护的误操作，最终影响整条线路的运输能力。
4.根据覆冰形成的机理及形成过程，覆冰的增长过程可分为干增长和湿增长，由于湿增长覆冰的密度较大，其对输电线路的危害也较大。目前，国际上主要从气象学、流体力学、热力学的角度研究输电线路和绝缘子的覆冰机理，其核心是输电线路气流场过程、水滴俘获过程和热平衡过程，气流场过程决定水滴轨迹以及水滴与导线的碰撞率，水滴俘获过程决定参与水与冰转化的水滴的量，热平衡过程决定水与冰的转化率，因此其不但是覆冰的基础，同时也是融冰的基础。
5.热力学除冰是通过在输电线路施加大电流使其产生热量，从而达到预防和使覆冰融化的方法。对地方电力行业来说，因其线路长、结构简单、环境单一等特点，热力学除冰是其最有效且应用效果较好的一种除冰方案。该方法可以实现远距离、自动、可控地在线除冰，大大提高除冰效率。热力学除冰法主要有直流短路除冰、高频激励除冰以及交流短路除冰三种。高频激励除冰法是在输电线路上施加高频交流电源产生阻波，利用线路高趋肤效应和电介质损耗原理达到除冰的效果。该方法相对较复杂，设备投入成本比较高，所以相关的研究较少。交流短路除冰也是将输电线路作为负载，通过短接不同相序线路形成较大的短路电流，对输电线路进行加热从而达到除冰效果的方法。优点是无需接入新的电源，减少设备投入，但是缺点是交流电如果考虑到电感等情况，容易造成不必要的传输损耗。直流短路除冰法是将变电所母线提供的交流电源通过整流装置转化为直流电，以覆冰线路作为负载，对其进行加热从而达到除冰效果的方法。
6.在当今的直流融冰技术中，大多数融冰技术泛化能力较差，在我国多变且复杂的自然环境下难以实施；同时，现有直流融冰技术往往是大范围不分小区段地进行整体融冰，但是这种融冰方法会加剧接触网和承力索的老化程度，增加设备维护的成本费用，此外，针对不同类型的覆冰采用相同的融冰电流对电能资源也将是一种极大的浪费。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于接触网和承力索覆冰的非分相区分段可调直流融冰系统，以加强融冰技术的泛化能力，并减少接触网和承力索的老化以及融冰的电力消耗成本，提升了铁路运输的安全性和可靠性。
8.为实现上述发明目的，本发明适用于接触网和承力索覆冰的非分相区分段可调直流融冰系统，其特征在于，包括：
9.两个由风速测量传感器、温度、湿度传感器组成的环境监测模块，分别设置在分相区两侧，用于检测分相区两侧不同的非分相区分段上的实时环境风速、温度和湿度，其中，一侧非分相区分段称为区段1，另一侧非分相区分段称为区段2；
10.区段1控制中心以及区段2控制中心，监测区段1实时环境风速、温度和湿度的环境监测模块向区段1控制中心传输当前环境风速、温度和湿度，监测区段2实时环境风速、温度和湿度的环境监测模块向区段2控制中心传输当前环境风速、温度和湿度；区段1控制中心以及区段2控制中心均由环境信号接收器以及区段plc(可编程逻辑控制器，programmable logic controller)控制系统构成，其中，环境信号接收器用于接收环境风速、温度和湿度，然后发送给区段plc控制系统进行判断，当环境温度低于0℃、空气湿度超过85％、风速大于1m/s这个覆冰阈值时，同时，区段plc控制系统接收到空窗期信号f0后，区段plc控制系统发出区段融冰使能信号，对于区段1控制中心发出的区段融冰使能信号记为f1，区段2控制中心发出的区段融冰使能信号记为f2；
11.牵引变电站内的总plc控制系统；
12.区段1融冰电流通断控制模块、区段1总开关控制电路、区段1融冰电流回流开关电路，牵引变电站内的总plc控制系统根据区段融冰使能信号f1控制区段1融冰电流通断控制模块控制区段1总开关控制电路以及区段1融冰电流回流开关电路导通；
13.区段1三相变压器、区段1降压变压器、区段1整流电路、区段1滤波电路以及区段1逆变电路，在区段1总开关控制电路导通后，区段1三相变压器输出的交流电通过区段1总开关控制电路输送到区段1降压变压器进行降压，然后通过区段1整流电路整流、区段1滤波电路滤波，再经过区段1逆变电路逆变后成为区段1接触网和区段1承力索承受范围以内的融冰电流；
14.区段1融冰电流控制模块以及区段1接触网电流可调电路、区段1承力索电流可调电路，区段1环境监测模块监测环境风速、温度和湿度，并发送区段1控制中心，区段1控制中心的区段plc控制系统判别覆冰类型后，将覆冰类型输送至牵引变电站内的总plc控制系统，总plc控制系统根据覆冰类型通过实时环境数据计算出此时合适的融冰电流，并发送到区段1融冰电流控制模块，并在其中经过数模转换电路进行d/a转换后发送融冰电流模拟控制信号到驱动电路，将模拟控制信号放大至满足区段1接触网电流可调电路、区段1承力索电流可调电路所需值，区段1逆变电路输出的融冰电流经过区段1接触网电流可调电路、区段1承力索电流可调电路根据所需值进行调节，得到区段1接触网融冰电流和承力索融冰电流，并分别加载到区段1接触网、区段1承力索上；
15.区段1承力索融冰电流回流开关以及区段1、区段2之间的承力索双向导通控制开关，总plc控制系统根据区段融冰使能信号f1控制区段1融冰电流通断控制模块控制区段1承力索融冰电流回流开关导通，同时关断区段1、区段2之间的承力索双向导通控制开关，这
样在区段1内形成“降压变压器-接触网-降压变压器”和“降压变压器-承力索-承力索融冰电流回流电路-降压变压器”的融冰电流回路；其中，承力索双向导通控制开关的作用为在非空窗期时为承力索上的电流提供通路；
16.区段1融冰情况判别模块，在融冰过程中，通过区段1的承力索张力、角度传感器、接触网张力、角度传感器向区段1融冰情况判别模块发送接触网和承力索的张力和角度变化信息，经过其中的张力角度接收器和plc控制系统的接收处理之后判断此时区段1是否融冰结束，如果结束则向牵引变电站内的总plc控制系统发送区段1融冰结束信号，总plc控制系统控制区段1融冰电流通断控制模块控制区段1总开关控制电路、区段1融冰电流回流开关电路以及区段1承力索融冰电流回流开关断开；
17.区段2融冰电流通断控制模块、区段2总开关控制电路、区段2融冰电流回流开关电路，牵引变电站内的总plc控制系统根据区段融冰使能信号f2控制区段2融冰电流通断控制模块控制区段2总开关控制电路以及区段2融冰电流回流开关电路导通；
18.区段2三相变压器、区段2降压变压器、区段2整流电路、区段2滤波电路以及区段2逆变电路，在区段2总开关控制电路导通后，区段2三相变压器输出的交流电通过区段2总开关控制电路输送到区段2降压变压器进行降压，然后通过区段2整流电路整流、区段2滤波电路滤波，再经过区段2逆变电路逆变后成为区段2接触网和区段2承力索承受范围以内的融冰电流；
19.区段2融冰电流控制模块以及区段2接触网电流可调电路、区段2承力索电流可调电路，区段2环境监测模块监测环境风速、温度和湿度，并发送区段2控制中心，区段2控制中心的区段plc控制系统判别覆冰类型后，将覆冰类型输送至牵引变电站内的总plc控制系统，总plc控制系统根据覆冰类型通过实时环境数据计算出此时合适的融冰电流，并发送到区段2融冰电流控制模块，并在其中经过数模转换电路进行d/a转换后发送融冰电流模拟控制信号到驱动电路，将模拟控制信号放大至满足区段2接触网电流可调电路、区段2承力索电流可调电路所需值，区段2逆变电路输出的融冰电流经过区段2接触网电流可调电路、区段2承力索电流可调电路根据所需值进行调节，得到区段2接触网融冰电流和承力索融冰电流，并分别加载到区段2接触网、区段2承力索上。
20.区段2承力索融冰电流回流开关，总plc控制系统根据区段融冰使能信号f2控制区段2融冰电流通断控制模块控制区段2承力索融冰电流回流开关导通，同时关断区段1、区段2之间的承力索双向导通控制开关，这样在区段2内形成“降压变压器-接触网-降压变压器”和“降压变压器-承力索-承力索融冰电流回流电路-降压变压器”的融冰电流回路；
21.区段2融冰情况判别模块，在融冰过程中，通过区段2的承力索张力、角度传感器、接触网张力、角度传感器向区段2融冰情况判别模块发送接触网和承力索的张力和角度变化信息，经过其中的张力角度接收器和plc控制系统的接收处理之后判断此时区段是否融冰结束，如果结束则向牵引变电站内的总plc控制系统发送区段2融冰结束信号，总plc控制系统控制区段1融冰电流通断控制模块控制区段2总开关控制电路、区段2融冰电流回流开关电路以及区段2承力索融冰电流回流开关断开；
22.总plc控制系统接收到区段1融冰结束信号以及区段2融冰结束信号后，导通承力索双向导通控制开关，为空窗期结束做准备，此时融冰结束，恢复正常。
23.本发明的发明目的是这样实现的：
24.本发明适用于接触网和承力索覆冰的非分相区分段可调直流融冰系统，通过分相区两侧不同的非分相区分段进行分段融冰，并结合自然环境检测和环境条件反馈控制，针对不同类型的覆冰采用不同的融冰电流，使融冰技术的泛化能力得到加强，并减少了接触网和承力索的老化以及融冰的电力消耗成本，提升了铁路运输的安全性和可靠性。
25.本发明具有以下有益效果：
26.1、本发明针对高铁线路经过低温度、湿度变化大和高海拔高风速的地区且处于运输线路的空窗期的时候，由于接触网上没有电流流通与受电弓滑动，所以在特殊自然条件下容易产生不同类型的覆冰，而承力索和接触网上的覆冰如果过多可能会导致线路被过大质量的覆冰压塌，严重时可能会导致整个运输网的瘫痪的现象。以往的融冰技术往往是大范围不分小区段地进行整体融冰，但是这种融冰方法会加剧接触网和承力索的老化程度，增加设备维护的成本费用。本发明根据不同区段的环境条件选择导通不同区段的融冰回路，在提升了融冰的针对性和灵活性的同时降低了无差别长距离融冰带来的过度的电能损耗，节约了能源，同时减少了接触网和承力索本身的电阻长期发热融冰对其使用寿命造成负面影响，因此减少对未覆冰区段的融冰电流流通能够延长接触网的使用寿命，减少设备维护的成本费用。
27.2、本发明的非分相区分段直流融冰技术，采用了能适用于不同覆冰类型的覆冰电流的方式。不同环境条件下形成的覆冰类型不同，采用相同类型的融冰电流，会造成电能的浪费且对接触网和承力索造成不必要的损耗，所以根据不同的覆冰类型计算出该区段适当的融冰电流能够在减少电能浪费的同时增强融冰系统的泛化能力，使其能够应对更多种类的自然环境。
附图说明
28.图1是铁路牵引供电局部结构示意图；
29.图2是接触网、承力索覆冰截面示意图；
30.图3是本发明适用于接触网和承力索覆冰的非分相区分段可调直流融冰系统一种具体实施方式电路原理示意图；
31.图4是图3所示适用于接触网和承力索覆冰的非分相区分段可调直流融冰系统控制过程示意图；
32.图5是图3所示适用于接触网和承力索覆冰的非分相区分段可调直流融冰系统融冰流程图。
33.附图释义：1-立杆2-悬臂支撑3-绝缘装置4-承力索5-吊弦6-受电弓7-接触网8-分相区间9-a相电10-b相电11-覆冰12-覆冰下横截面13-导线14-区段1三相变压器15-区段1总开关控制电路16-区段1变压器17-区段1整流电路18-区段1滤波电路19-区段1逆变电路20-区段1接触网电流可调电路21-区段1承力索电流可调电路，22-区段1融冰电流回流开关电路、23-区段1环境检测模块24-总plc控制系统25-区段1承力索融冰电流回流开关26-区段2承力索融冰电流回流开关27-承力索双向导通控制开关28-区段1控制中心29-区段1融冰电流通断控制模块30-区段1融冰电流控制模块31-区段1融冰情况判别模块32-承力索张力、角度传感器33-接触网张力、角度传感器34-接触网融冰电流35-承力索融冰电流
具体实施方式
34.下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
35.列车行驶时的运行工况即铁路牵引供电局部结构如图1所示，列车行驶线路上众多的立杆1起到支撑整个牵引供电系统的作用，而悬臂支撑2则与立杆1和绝缘装置3相连，绝缘装置3的作用是保持立杆1与供电线路的电气绝缘。绝缘装置3连接着承力索4，承力索4是承担着输电和悬挂机车滑道线即接触网7双重作用的重要导线。吊弦5的作用是将接触网7悬挂到承力索4上。而接触网7的作用是将牵引变电所输出的电能通过列车上的受电弓6摩擦取电供给列车行驶。
36.在低温度、高海拔高风速和湿度变化大的地区容易产生接触网和承力索覆冰现象，接触网、承力索覆冰截面示意图如图2所示，此时为还未融冰时导线被覆冰包裹的横截面图，此时可见覆冰下横截面12中覆冰11包裹在导线13四周，随着融冰的继续导线13上方的覆冰11的融解较下方的融解要快，所以容易出现承力索4覆冰砸落到接触网7的情况。
37.图3是本发明适用于接触网和承力索覆冰的非分相区分段可调直流融冰系统一种具体实施方式电路原理示意图。
38.在本实施例中，如图3所示，本发明适用于接触网和承力索覆冰的非分相区分段可调直流融冰系统中，两个由风速测量传感器、温度、湿度传感器组成的环境监测模块，分别设置在分相区两侧，用于检测分相区两侧不同的非分相区分段上的实时环境风速、温度和湿度，其中，一侧非分相区分段称为区段1，另一侧非分相区分段称为区段2。在本实施例中，为了简洁，区段1的组成模块进行了完整标记，区段2的组成模块与区段1的组成模块相同，区段2的部分组成模块未进行标记，在图3中，区段1环境检测模块标记为23。
39.如图4所示，监测区段1实时环境风速、温度和湿度的环境监测模块23向区段1控制中心28传输当前环境风速、温度和湿度，监测区段2实时环境风速、温度和湿度的环境监测模块向区段2控制中心传输当前环境风速、温度和湿度。如图4所示，区段1控制中心28以及区段2控制中心均由环境信号接收器以及区段plc控制系统构成，其中，环境信号接收器用于接收环境风速、温度和湿度，然后发送给区段plc控制系统进行判断，当环境温度低于0℃、空气湿度超过85％、风速大于1m/s这个覆冰阈值时，同时，区段plc控制系统接收到空窗期信号f0后，区段plc控制系统发出区段融冰使能信号，对于区段1控制中心发出的区段融冰使能信号记为f1，区段2控制中心发出的区段融冰使能信号记为f2。
40.如图4，牵引变电站内的总plc控制系统24根据区段融冰使能信号f1控制区段1融冰电流通断控制模块29控制区段1总开关控制电路15以及区段1融冰电流回流开关电路22导通。
41.在区段1总开关控制电路15导通后，区段1三相变压器14输出的交流电通过区段1总开关控制电路15输送到区段1降压变压器16进行降压，然后通过区段1整流电路17整流、区段1滤波电路18滤波，再经过区段1逆变电路19逆变后成为区段1接触网7和区段1承力索4承受范围以内的融冰电流。
42.总plc控制系统24根据区段融冰使能信号f1控制区段1融冰电流通断控制模块29控制区段1承力索融冰电流回流开关25导通，区段1承力索融冰电流回流开关25的作用是将
1区段的承力索融冰电流(38)输送回降压变压器二次侧，形成融冰短路回路。同时关断区段1、区段2之间的承力索双向导通控制开关27，这样在区段1内形成“降压变压器-接触网-降压变压器”和“降压变压器-承力索-承力索融冰电流回流电路-降压变压器”的融冰电流回路；其中，承力索双向导通控制开关27的作用为在非空窗期时为承力索上的电流提供通路。
43.区段1环境监测模块监测环境风速、温度和湿度，并发送区段1控制中心28，区段1控制中心28的区段plc控制系统判别覆冰类型后，将覆冰类型输送至牵引变电站内的总plc控制系统24，总plc控制系统24根据覆冰类型通过实时数据计算出此时合适的融冰电流，并发送到区段1融冰电流控制模块30，并在其中经过dac0832数模转换电路进行d/a转换后发送融冰电流模拟控制信号到驱动电路，将模拟控制信号放大至满足区段1接触网电流可调电路20、区段1承力索电流可调电路21所需值，区段1逆变电路输出的融冰电流经过区段1接触网电流可调电路、区段1承力索电流可调电路根据所需值进行调节，得到区段1接触网融冰电流和承力索融冰电流，并分别加载到区段1接触网、区段1承力索上，这样来控制区段1接触网融冰电流i1 34和承力索融冰电流i2 35的大小。在本实施例中，通过控制系统判断覆冰类型，在温度-16～-10℃，风速在1～3m/s，湿度较小的时侯容易产生雾凇，在温度-8～-3℃，风速2～8m/s时，湿度适中，容易产生混合凇。具体的判断标准需要根据具体的区段所在地区进行确定。如在海拔低、温度低、湿度高的地区，易发生雾凇；海拔越高的地区越易覆冰，且覆冰越厚；靠近水源更易覆冰；迎风坡易覆冰；城市郊区易覆冰等情况。根据覆冰类型来调整如导热系数λ等参数，从而得到当前情况下的适当的除冰电流。
44.在本实施例中，在判断好覆冰类型之后，根据0℃时接触网、承力索导线电阻r0、除冰时间tr、导体温度与外界气温之差δt、覆冰的相对密度g0、导线直径d、冰层厚度b、导体覆冰后的外径d和等效冰层传导热阻r
t0
，计算出相应自然环境下(如雨凇时g0取0.9，导热系数λ在雨凇时取2.27
×
10^-2，雾凇时取0.12
×
10^-2)的融冰电流的大小。具体而言，导线电阻r0、导热系数λ、等效冰层传导热阻r
t0
越大，除冰电流越小，除冰时间tr、导体温度与外界气温之差δt、覆冰的相对密度g0、导线直径d、冰层厚度b、导体覆冰后的外径d越大，融冰电流越大。
45.在融冰过程中，通过区段1的承力索张力、角度传感器32、接触网张力、角度传感器33向区段1融冰情况判别模块31发送接触网和承力索的张力和角度变化信息，经过其中的张力角度接收器和plc控制系统的接收处理之后判断此时区段1是否融冰结束，如果结束则向牵引变电站内的总plc控制系统发送区段1融冰结束信号，总plc控制系统24控制区段1融冰电流通断控制模块29控制区段1总开关控制电路15、区段1融冰电流回流开关电路22以及区段1承力索融冰电流回流开关断开25。
46.区段2的融冰控制与区段1的融冰控制相同，在此不再赘述。
47.总plc控制系统24接收到区段1融冰结束信号以及区段2融冰结束信号后，导通承力索双向导通控制开关27，为空窗期结束做准备，此时融冰结束，恢复正常。
48.图5是图3所示适用于接触网和承力索覆冰的非分相区分段可调直流融冰系统融冰流程图。
49.在本实施例中，本发明中，区段1的融冰流程包括：
50.步骤s1：接收空窗期信号f0；
51.步骤s2：区段1控制中心判断覆冰阈值，如果区段1环境温度、空气温度和风速满足
覆冰阈值，发出区段融冰使能信号f1；
52.步骤s3：牵引变电站内的总plc控制系统判断是否接收到区段融冰使能信号f1；接收到，则进入步骤s4；
53.步骤s4：通过区段1融冰电流通断控制模块导通区段1融冰回路；
54.步骤s5：根据接收到的环境数据判断覆冰类型；
55.步骤s6：根据覆冰类型计算相应的融冰电流；
56.步骤s7：结合计算的融冰电流，承力索电流可调电路向承力索输出较小电流，接触网电流可调电路向接触网输出较大电流；
57.步骤s8：判断接触网、承力索的张力和角度变化值是否大于融冰结束的设定阈值？如果满足，则进入步骤s9，如果不满足，则继续等待，直到满足为止；
58.步骤s9：融冰结束，断开相应开关，导通承力索双向导通控制开关，并体制输出融冰电流。
59.由于如果接触网上方的承力索融冰电流过大，可能导致覆冰受热不均匀从而使承力索上的覆冰砸落到接触网上，对接触网造成接卸损伤，产生高昂的设备维护成本，严重时还会对整条线路的正常运营造成影响。因此，本实施例中，根据计算的融冰电流，适当地减小输出到承力索的电流，即减少承力索上的融冰电流使承力索上的覆冰受热更加均匀，避免覆冰砸落到接触网的现象，提升融冰系统的安全性和稳定性，同时，适当地增加输出到接触网的电流，即增加接触网上的融冰电流使接触网上的覆冰尽快融化，避免空窗期信号f0结束，接触网上的覆冰还没有完全融化，使非空窗期列车在通过时出现的安全风险。
60.在本实施例中，通过检测融冰过程中接触网、承力索上的张力和角度变化值是否大于融冰结束阈值，如果是，则判断融冰结束，其中阈值的设定是为了防止由于刮风和下雨等自然条件导致的系统误判，从而降低融冰不彻底使非空窗期列车在通过时出现的安全风险。
61.尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术邻域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术邻域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。