地鐵柔性接觸網(wǎng)覆冰影響分析及應(yīng)對策略研究

0引言

隨著城鎮(zhèn)化規(guī)模逐漸擴大,地鐵因其自身具備快捷、方便、準時的特點,已成為人們首選的交通工具。接觸網(wǎng)是電力牽引供電系統(tǒng)給地鐵列車供電唯一的輸電線路,近年來,由于冬季極寒天氣對接觸網(wǎng)的影響,有不少地方軌道交通因接觸網(wǎng)覆冰導致局部或大面積停運^[1],且災(zāi)害還有可能進一步擴大,嚴重影響軌道交通安全運行。因此,研究接觸網(wǎng)覆冰除冰應(yīng)對策略,對保障城市軌道交通的正常運行具有重大意義。

1 柔性接觸網(wǎng)覆冰影響分析

柔性接觸網(wǎng)功能是持續(xù)給列車供電,要確保供電質(zhì)量,必須使列車受電弓取流良好。在列車運行全過程中,覆冰對柔性接觸網(wǎng)主要影響為弓網(wǎng)取流不暢。以下從覆冰影響受電弓接觸壓力角度來簡要分析弓網(wǎng)取流不暢。

由于取流是通過弓網(wǎng)之間緊密接觸實現(xiàn)的,弓網(wǎng)間要保持一定的接觸力,要想弓網(wǎng)匹配良好,理想狀態(tài)下,接觸力變化應(yīng)該不變或無窮小。但在列車實際運行中,受電弓除隨列車水平運動外,由于列車振動及自身結(jié)構(gòu)游動,還會做上下垂直運動,弓網(wǎng)壓力也隨受電弓不規(guī)則運動而變化,變化情況由下式簡單描述:

向上運動:

F=F₀-F_m-F_a-F_k (1)

向下運動:

F=F₀+F_m+F_a+F_k (2)

式中:F為弓網(wǎng)接觸壓力;F₀為抬升力;Fm為鉸接處摩擦力;F_a為動力分量,由受電弓質(zhì)量m及垂直加速度a決定,其值F_a=ma;F_k為空氣動能分量,由列車速度、風、受電弓位置、列車形狀等決定。

由公式(1)(2)可知,覆冰的存在,直接影響受電弓的動力分量F_a。覆冰越厚,F_a變化越大,導致弓網(wǎng)壓力F也隨之明顯變化。應(yīng)用到實際場景中,弓網(wǎng)表現(xiàn)就是上下振動大,匹配不好,影響取流。

當弓網(wǎng)壓力F過小時,受電弓容易發(fā)生離線,離線會導致供電不穩(wěn)定,造成列車異常加速或減速;且離線瞬間會發(fā)生拉弧,電弧高溫燒蝕會導致弓網(wǎng)粗糙不平,加速機械磨耗;如果頻繁離線,就會造成一路拉弧打火,嚴重時甚至會發(fā)生斷線事故。

當弓網(wǎng)壓力F過大時,弓網(wǎng)磨耗增大,并使接觸線的縱向擺動加大,也會產(chǎn)生不良后果;而且接觸網(wǎng)懸掛冰負載在跨中位置最大,該位置在相互力的作用下,極容易發(fā)生斷弓事故。

在實際城市軌道交通場景中,接觸網(wǎng)覆冰發(fā)生的最常見狀態(tài)為雨凇^[2],且濕增長的覆冰并不是均勻分布,凹凸不平的形狀會使弓網(wǎng)垂直撞擊力進一步加大,弓網(wǎng)跳動更加頻繁。此外,覆冰還會造成接觸線舞動、懸掛過負載、絕緣子閃絡(luò)等不良影響^[3]。

2 柔性接觸網(wǎng)除冰方式

2.1電氣融冰

2.1.1電氣融冰原理

現(xiàn)階段,軌道交通常用的接觸網(wǎng)電氣融冰方法是“短路電熱法”。如圖1所示,接觸網(wǎng)融冰基本原理是將覆冰接觸網(wǎng)和列車視作負荷,當牽引所施加電流,接觸網(wǎng)流過電流產(chǎn)生的焦耳熱量大于融冰耗熱量和接觸網(wǎng)散熱量總和時,接觸網(wǎng)覆冰即可融化^[4]。

焦耳熱的計算公式為:

Q=I²R(3)

式中:Q為熱量;I為接觸網(wǎng)電流;R為接觸網(wǎng)電阻。

2.1.2融冰電流計算

在惡劣天氣條件下,車輛段接觸網(wǎng)已出現(xiàn)結(jié)霜結(jié)冰的情況但能正常送電,通過車輛段內(nèi)電客車取正線電流可以達到接觸網(wǎng)除霜除冰的效果。

柔性接觸網(wǎng)除冰一般針對濕增長覆冰^[5],其中最惡劣濕增長接觸網(wǎng)覆冰的條件被認為是在風速15m/s、溫度-1.5℃環(huán)境下。以廣州地鐵四號線新造車輛段出入段線接觸網(wǎng)為例,采用雙承雙導全補償簡單鏈形結(jié)構(gòu)。其中接觸線CTHA截面積為120 mm2,直徑為13.2 mm,單位電阻為0.15 Ω/km;承力索JT截面積為150mm²,直徑為15.8 mm,單位電阻為0.12 Ω/km。融 冰電流常用的經(jīng)驗公式是蘇聯(lián)的布爾斯道爾夫理論^[6], 通過聯(lián)立公式(4)(5)(6),代入?yún)?shù)得出該環(huán)境下,覆冰厚度為1cm、融冰時長為1h時的融冰電流為1044.3 A。

式中:I_r為融冰電流;R₀為0℃下單位長度導線的電阻;R_T0為等效冰層傳導熱阻;R_T1為對流及輻射等效熱阻;T_r為融冰時間;Δ_t為導體溫度與外界氣溫之差;g₀為覆冰密度,常取0.9 g/cm³;D為導線覆冰外徑;d為導線直徑;b為冰層厚度;λ為導熱系數(shù),濕增長覆冰取2.27×10^-2W/(℃·cm);v為風速。

2.1.3 電氣融冰應(yīng)用

通過查詢廣州地鐵列車技術(shù)規(guī)格書和實際測算得知,如列車升弓取流,開啟車門和列車輔助系統(tǒng)(包括照明、廣播、空調(diào)等),此時空載情況下單列車取流達到峰值。當然,列車峰值取流因車型不同而有所差異,以廣州地鐵四、五、六、十三號線為例,單列車峰值取流如圖2所示。

廣州地鐵四、五、六、十三號線車輛段出入段線均為雙承雙導,按每條線平均分配,單根持續(xù)截流不超過500 A,雙承雙導最大為2 000 A,得出四、六號線車輛段出入段線接觸網(wǎng)載流量各滿足10列車同時開啟列車輔助系統(tǒng),五號線出入段線接觸網(wǎng)載流量滿足9列車同時開啟列車輔助系統(tǒng),十三號線車輛段出入段線接觸網(wǎng)載流量滿足6列車同時開啟列車輔助系統(tǒng)。以融冰電流至少為1 044.3 A的場景為例,廣州地鐵四、五、六、十三號線需開行列車數(shù)如表1所示。

因此,針對濕增長覆冰,在風速為15 m/s、溫度為-1.5℃、覆冰厚度為1 cm、融冰時長為1 h的條件下,從理論上廣州地鐵四號線列車至少需開啟6列列車輔助系統(tǒng)(包括照明、廣播、空調(diào)等),并開啟車門,同時安排人員觀察接觸網(wǎng)接觸線融冰情況,若融冰效果不佳,可逐漸開啟剩余4列列車輔助系統(tǒng)。

為防止融冰過程中導流不暢燒損設(shè)備,需安排人員觀察斷路器運行情況,發(fā)現(xiàn)異常立即上報。接觸線融冰后,人員、機具出清現(xiàn)場,恢復(fù)正常供電模式,安排人員現(xiàn)場值守,觀察接觸網(wǎng)設(shè)備運行狀態(tài)。

2.2 人工除冰

除了電氣融冰方式,接觸網(wǎng)除冰還可以選擇人工除冰方式,通過使用打冰桿、接觸線除冰鏟等工具進行除冰作業(yè)。

覆冰人工應(yīng)對措施如下:

1)巡視人員發(fā)現(xiàn)接觸網(wǎng)已結(jié)冰或存在結(jié)冰跡象應(yīng)立即向電力調(diào)度匯報。

2)除冰成員立即穿戴好防護用品,攜帶通信工具、除冰工器具和絕緣工器具趕赴現(xiàn)場,同時檢查絕緣工器具狀態(tài),保證絕緣工器具干燥、無破損。

3)到達作業(yè)現(xiàn)場后,待清點人員辦理好清點手續(xù)后,進入軌行區(qū)。

4)申請接觸網(wǎng)停電前,應(yīng)首先檢查隔離開關(guān)上

的覆冰,無明顯覆冰或輕微覆冰時,由電調(diào)倒閘,使隔離開關(guān)處于分位,驗電接地后方準作業(yè)。當隔離開關(guān)覆冰厚嚴重時,由電調(diào)組織變電專業(yè)將小車拉至倉外,進行停電。接觸網(wǎng)人員對接觸網(wǎng)隔離開關(guān)進行驗電,驗明斷電后,使用打冰桿等去除開關(guān)刀閘上的覆冰,再進行倒閘,再次驗電接地后方準作業(yè)。

5)首先在地面使用打冰桿、接觸線除冰鏟進行除冰作業(yè)。除冰時須穿絕緣靴,戴絕緣手套,利用打冰桿或除冰鏟敲擊和鏟削接觸線等結(jié)冰的設(shè)備,將接觸網(wǎng)上的覆冰去除。

6)如發(fā)現(xiàn)接觸網(wǎng)上覆冰過厚,無法使用打冰桿、除冰鏟除去的,使用梯車或工程車,利用木棒、橡膠錘等工器具進行高空作業(yè)除冰。

7)除冰完成后確認接觸網(wǎng)具備送電條件,線路具備行車條件,撤除安全防護,向電力調(diào)度匯報接觸網(wǎng)可以恢復(fù)供電。

3 柔性接觸網(wǎng)除冰后檢查措施

1)對接觸網(wǎng)中心錨結(jié)進行檢查,兩端中錨輔助繩受力均勻,不得出現(xiàn)弛度,兩邊的長度和張力力求相等;中心錨結(jié)線夾處導線高度應(yīng)符合規(guī)定,中心錨結(jié)線夾處接觸線應(yīng)平順。

2)對接觸網(wǎng)補償裝置進行檢查,a、b值符合安裝曲線的要求,棘輪完整無損,轉(zhuǎn)動靈活,沒有卡滯現(xiàn)象,下錨補償裝置平衡輪應(yīng)水平,允許偏斜角度符合規(guī)定。

3)對接觸網(wǎng)線岔進行檢查,線岔定位點拉出值應(yīng)符合規(guī)定,限制管安裝正確,接觸線能自由伸縮無卡滯,線岔兩支相距500 mm處等高或抬高符合要求。

4)對接觸網(wǎng)隔離開關(guān)進行檢查,上網(wǎng)電纜的長度應(yīng)保證當接觸懸掛受溫度變化偏移時有一定的活動余量并不得侵入限界,支持絕緣子應(yīng)清潔無破損和放電痕跡,瓷釉不得剝落。

5)對接觸網(wǎng)電纜接線端子狀態(tài)進行檢查,防止出現(xiàn)受力拉裂的異常情況,安裝緊固情況良好,弛度符合要求,無侵限妨礙受電弓運行。

4 結(jié)束語

地鐵柔性接觸網(wǎng)覆冰不僅會降低列車的行駛速度,嚴重情況下還有可能引起接觸線斷裂事故,對列車的行車安全構(gòu)成威脅。無論采取電氣融冰還是人工除冰的方式,接觸網(wǎng)專業(yè)都要以最快速度恢復(fù)接觸網(wǎng)正常供電,保證在最短時間內(nèi)滿足送電條件和運營條件。

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2024年第11期第4篇