CN102431468A - 高速铁路防冰、融冰方法及实现该方法的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速铁路防冰、融冰方法，包括：步骤一,搭建接触网防冰、融冰回路；步骤二，调整防冰、融冰回路的阻抗，控制防融冰电流，防止接触网电流过大而烧毁接触线及承力索，步骤三，实施防冰、融冰控制；本发明还包括实现上述方法的防冰、融冰系统，包括防冰、融冰回路和防冰、融冰装置（1）；本发明遵循以交流在线防冰为主、离线融冰为辅的防冰与融冰相结合的原则，在变电所或分区所加接地电阻或电感，使接触网通过一定的交流电流，通过电流产生热量防止结冰，解决机械除冰方式不再适用于高速铁路的技术问题。

Description

高速铁路防冰、融冰方法及实现该方法的系统

技术领域

本发明涉及电气化铁道领域，具体涉及一种适用于高速铁路接触网的在线或离线防融冰方法，本发明还包括实现上述方法的系统。 

  

背景技术

我国南北方的冬季，由于气温、空气湿度和风速的共同作用，存在着由液态水形成冰的覆冰现象。对电气化铁路而言，覆冰是一种自然灾害，会导致杆塔倾倒、导线覆冰舞动或断裂，同时由于接触网覆冰，会导致受电弓无法正常取流，甚至导致受电弓的损害或断裂，严重影响列车的安全准点运行，对于时速超过300km/h的高速铁路，该问题更加严重，必须引起高度重视。 

铁路接触网由两部分组成，一个是与机车直接接触的接触线，另一个是接触线的承力索。二者在电气上是直接相通的。根据有关质料，二者的通流比例几乎是一样的，融冰时必需考虑承力索的分流。防冰与融冰的基本原理是在现有的牵引供电一次电路通过一定大小和一定时间的直流或交流电流，利用接触网线路自身发热产生能量，使接触网温度超过0℃以防止结冰及融化覆冰。 

目前，接触网融冰主要采用机械除冰、涂敷防冻除冰剂、大电流热力融冰等方式。法国，在运行速度小于200km/h线路上一般采用在受电弓前端安装类似受电弓的除冰装置的机械除冰方式,运行速度200km/h及以上高速铁路采用了通过大电流热力融冰方式；德国，对城市轨道交通，使用导线上涂敷防冻除冰剂作为防覆冰措施，铁路一般采用机械除冰方式；日本，试验研究了带电热丝的接触线通过电流产生热量进行融冰的技术，因导线制造、维护困难，未广泛应用。除带电热丝的接触线融冰方式外，其余各种融冰方式均需在接触网停电状态下进行。目前国内还没有专门适用于高速铁路的防融冰系统。 

我国的高速铁路正在建设的高潮期，机车速度达到300km/h，由于速度太快，普通铁路一般采用的机械除冰方式不再适用。同时，我国的高速铁路十分繁忙，我国的传统节日春节基本上都在每年的冬天，几千年来形成的春节必须回家团聚的传统，使得我国的高速铁路更加繁忙。而冬天不期而预的冰雪，几乎能使接触网系统瘫痪，导致铁路无法运行（2008年初的南方冰灾即是如此），聚集而成的回家人群，由于得不到疏散，有可能演变成社会动荡事件，影响社会稳定。 

  

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种高速铁路的接触网在线或离线防融冰方法及其系统，遵循以交流在线防冰为主、离线融冰为辅的防冰与融冰相结合的原则，在变电所或分区所加接地电阻或电感，使接触网通过一定的交流电流，通过电流产生热量防止结冰，解决机械除冰方式不再适用于高速铁路的技术问题。 

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案： 

一种高速铁路防冰、融冰方法，包括以下步骤：

步骤一,搭建接触网防冰、融冰回路，具体地：

可以是：回路从接触网T线引出，利用上行与下行接触线组建防融冰回路，防冰、融冰装置安装于牵引变电所，此时，有牵引变电所所在的分相单独纳入防融冰回路和变电所与分区所的两个分相均纳入防融冰回路两种运行方式，后一种运行方式可减小防融冰回路的盲区。

 也可以是：回路从接触网T线引出，利用上行线或下行接触线与钢轨组建融冰回路，防冰、融冰装置安装于分区所，此时，由牵引变电所所在的分相单独纳入防融冰回路和变电所与分区所的两个分相均纳入防融冰回路两种运行方式，后一种运行方式可减小防融冰回路的盲区； 

步骤二，调整防冰、融冰回路的阻抗，控制防融冰电流，防止接触网电流过大而烧毁接触线及承力索，具体可以根据调整需要，采用调整电阻或电感或电容来限制电流，并设置多个档位控制电路，每一个档位控制电路对应一个限定电流；

步骤三，实施防冰、融冰控制，具体为：

环境条件比较恶劣，接触网已经覆冰，此时需要进行大电流离线融冰。系统根据结冰状况自动判断获取相应参数，并调整系统至预设的大电流融冰档位，使接触网获取足够的融冰电流，导致接触网上覆冰快速融化，此时牵引供电系统需要停电运行。

根据环境条件，当不需要进行大电流离线融冰时，系统可运行在接触网在线防冰状态；系统根据气候情况自动判断获取相应参数，并调整系统至预设的接触网在线防冰档位，使接触网获取需要的防冰电流，以防止接触网覆冰，此时机车需要根据预设的运行方式来限制列车数量或限制列车速度运行。 

更进一步的技术方案是： 

上述的步骤一中的防冰、融冰回路中安装有多个断路器或隔离开关，以便实现回路的开合和控制。

上述的步骤二中，使用电阻元件、电抗元件或电阻与电抗的组合元件作为调整回路阻抗、限制电流的元件。 

本发明还包括实现上述方法的防冰、融冰系统，该系统包括防冰、融冰回路和防冰、融冰装置； 

上述的防冰、融冰回路可以是：回路从接触网T线引出，防冰、融冰装置安装于牵引变电所，利用上行与下行接触线组建融冰回路；此时，有牵引变电所所在的分相单独纳入防融冰回路和变电所与分区所的两个分相均纳入防融冰回路两种运行方式，后一种运行方式可减小融冰回路的盲区。

上述的防冰、融冰回路也可以是：回路从接触网T线引出，防冰、融冰装置安装于分区所，利用上行线或下行接触线与钢轨组建融冰回路；此时，有牵引变电所所在的分相单独纳入防融冰回路和变电所与分区所的两个分相均纳入防冰、融冰回路两种运行方式，后一种运行方式可减小融冰回路的盲区。 

更进一步的是： 

上述的防冰、融冰装置包括避雷器、电压互感器、电流互感器、断路器、可调电阻或电感电路；其中所述的电压互感器或电流互感器的输入端与接触线相连，输出端与保护测控装置相连，并通过保护测控装置的输出控制端口再与断路器连接，断路器再与可调电阻或电感回路相连。

上述的可调电阻、可调电感电路包括分接开关或隔离开关。 

上述的防冰、融冰装置还包括风冷控制系统和防冰、融冰保护测控装置，以及电容器。 

上述的断路器和可调电阻电路之间还连接有电流互感器，以便于计量。 

与现有技术相比，本发明的有益效果是： 

（1）本发明无论是方法还是系统既可用于在线防冰，也可用于离线融冰，系统具有多个档位的防冰模式及多个档位的融冰模式，能够满足现场需求，根据天气恶劣情况，选择合适的防冰档位及融冰档位。

（2）系统的投退及防融冰模式的切换，全部由电调操作人员通过遥控命令完成，同时也能通过系统自动控制完成，系统运行方便灵活。 

（3）当采用电阻器限流方式运行时，不会降低接触网供电系统的功率因数，不会向电力系统注入无功，不会对电力系统产生任何影响。 

（4）系统既可安装在变电所，也可安装在分区所。安装在变电所时，能实现离线融冰功能；安装在分区所既能实现接触网离线融冰又能实现在线防冰，融冰系统投入时机根据现场灵活选择。 

（5）系统是安全可控的，能根据电压与电流的大小与变化，自动进行各种运行方式的切换，在防冰模式下列车仍可安全运行。 

（6）系统能根据设置在接触网沿线的在线监测系统及其监控中心下发的命令（或调度的确认命令），及时退出运行，确保接触网的安全。 

  

附图说明

图1为本发明实施例1的防冰、融冰装置安装于变电所并且仅包含变电所一个供电分相的回路示意图； 

图2为本发明实施例1的防冰、融冰装置安装于变电所并且回路包含变电所和分区所两个供电分相的回路示意图；

图3为本发明实施例2的防冰、融冰装置安装于分区所并且仅包含变电所一个供电分相的回路示意图；

图4为本发明实施例2的防冰、融冰装置安装于分区所并且回路包含变电所和分区所两个供电分相的回路示意图；

图5 为本发明实施例3的防冰、融冰装置安装于分区所时的防冰回路示意图；

    图6为本发明的防冰、融冰装置的内部组成示意图；

图7为可调电阻电路电阻为30欧时的电路结构示意图；

图8为可调电阻电路电阻为7.5欧时的电路结构示意图；

图9为可调电阻电路电阻为0欧时的电路结构示意图。

  

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述。 

一种高速铁路防融冰方法，包括： 

步骤一,搭建接触网防融冰回路，具体地

 可以是：回路从接触网T线引出，防冰、融冰装置1安装于牵引变电所，利用上行与下行接触线组建防融冰回路。此时，有牵引变电所所在的分相单独纳入防融冰回路和变电所与分区所的两个分相均纳入防融冰回路两种运行方式，后一种运行方式可减小融冰回路的盲区。

 也可以是：回路从接触网T线引出，防冰、融冰装置1安装于分区所，利用上行线或下行接触线与钢轨组建防融冰回路。此时，有牵引变电所所在的分相单独纳入防融冰回路和变电所与分区所的两个分相均纳入防融冰回路两种运行方式，后一种运行方式可减小融冰回路的盲区。 

防融冰回路中安装有多个断路器和/或隔离开关，以便实现回路的开合和控制，具体可以见防融冰系统的各种示意图实例。 

步骤二，调整防冰融冰回路的阻抗，控制防融冰电流，防止接触网电流过大而烧毁接触线及承力索，具体可以根据调整需要，采用调整电阻或电感或电容来限制电流，并设置多个档位控制电路，每一个档位控制电路对应一个限定电流； 

步骤三，实施防融冰控制，具体为：

环境条件比较恶劣，接触网已经覆冰，此时需要进行大电流离线融冰；系统根据结冰状况自动判断获取相应参数，并调整系统至预设的大电流融冰档位，使接触网获取足够的融冰电流，导致接触网上覆冰快速融化，此时牵引供电系统需要停电运行。

根据环境条件，当不需要进行大电流离线融冰时，系统可运行在接触网在线防冰状态。系统根据气候情况自动判断获取相应参数，并调整系统至预设的接触网在线防冰档档位，使接触网获取需要的防冰电流，以防止接触网覆冰，此时机车需要根据预设的运行方式（限制列车数量或限制列车速度）运行。 

下面再来具体描述实现上述方法的防冰、融冰系统，包括防冰、融冰回路和防冰、融冰装置1； 

实施例1：

如图1、图2所示，本实施例主要是针对融冰需要设计，防冰、融冰装置1安装于牵引变电所：

防冰、融冰装置1安装于牵引变电所，利用上行与下行接触线组建融冰回路。此时，有牵引变电所所在的分相单独纳入防融冰回路（如图1所示）和变电所与分区所的两个分相均纳入融冰回路（如图2所示）两种运行方式，后一种运行方式可减小融冰回路的盲区。

融冰回路中安装有多个断路器和/或隔离开关，以便实现回路的开合和控制，具体见防融冰系统的回路示意图。 

在本实施例中，防冰、融冰装置1主结线图如图6所示，防融冰装置包括避雷器、电压互感器、电流互感器、断路器、可调电阻或电感电路；其中电压互感器或电流互感器的输入端与接触线相连，输出端与保护测控装置相连，并通过保护测控装置的输出控制端口再与断路器连接，断路器再与可调电阻或电感回路相连。防冰、融冰装置1还包括风冷控制系统和防冰、融冰保护测控装置，以及电容器等。 

  

实施例2

如图3、图4所示，本实施例也是针对融冰需要设计，防冰、融冰装置1安装于分区所：

利用上行线/下行线与钢轨组建融冰回路。此时，有牵引变电所所在的分相单独纳入防融冰回路（如图3所示）和变电所与分区所的两个分相均纳入防融冰回路（如图4所示，）两种运行方式，后一种运行方式可减小融冰回路的盲区。

以图4为例，说明电路导通原理。如果由于天气恶劣或其它原因，接触网已结上冰，必须对接触网进行融冰，可以分别合上2QF、2QS、9QS、11QS、11QF单独对上行线融冰，或分别合上1QF、1QS、10QS、12QS、12QF单独对下行线融冰，也可把上行线与下行线并联，同时进行融冰，但由于上行线与下行线的分流，融冰电流会比变小。变电所和分区所的两个分相均纳入融冰回路，这样可以尽量减小融冰回路盲区。接触网进入融冰状态时，由于网压较低，列车不能通过区间，只能离线融冰。 

在本实施例中使用的防融冰装置与实施例1相同。 

实施例3 

如图5所示，本实施例主要是针对在线防冰进行设计，防冰、融冰装置1安装于分区所时的防冰回路：

分别合上分区所的7QF与8QF断路器，实现上行线或下行线的在线防冰。结合环境条件，当不需要进行大电流离线融冰时，可实现接触网在线防冰。根据融冰判断系统获得的参数，把防融冰装置档位调至预设的接触网在线防冰档位，使得接触网获得需要的防冰电流，以防止接触网上覆冰。此时机车需要根据预设的运行方式（限制列车数量或限制列车速度）运行。

在本实施例中使用的防冰、融冰装置1与实施例1相同。 

在上述所有的实施例中，接地电阻的大小、线路长度及单位阻抗、牵引变压器容量、接触网运行方式、AT变压器漏阻抗、运行机车容量等诸多因素综合在一起决定了防冰与融冰电流的大小，正是因为影响防冰与融冰电流的因素太多，决定了本系统是一个适应特定线路的订制产品，而不是对任何线路都一样的通用产品。本系统将根据用户提供的线路长度及单位阻抗、牵引变压器容量、接触网运行方式、AT变压器漏阻抗、运行机车容量等诸多因素，确定接地电阻的档位与阻值，从而确定防冰电流的档位与大小、融冰电流的档位与大小。又由于接地电阻是一个很昂贵的设备，我们决定对接地电阻进行分级控制与限流保护。我们以南京广线临颖到长葛区段为例，在变电所、AT所、分区所的AT变压器都投入，且只考虑区间内有一辆机车运行的情况下，说明接地电阻档位分级及阻值大小的确定方法。南京广线机车容量为7.2MVA，接触线的分流系数为0.55，牵引变压器容量为50MVA。经过仿真分析，我们选择30欧的接地电阻，作为在线防冰用；选择7.5欧的接地电阻及T线直接接地，作为离线融冰用，即考虑一个档位的防冰和两个档位的融冰。可调电阻或电感电路可以采用多种形式，只要能达到使阻抗可调，能设置多个档位即可，此处仅举一个具体实施方式以供借鉴。 

如图7、8、9所示，在防冰时可以将接地电阻控制为R=30欧，在融冰可以将接地电阻控制在R=7.5欧或R=0欧。 

而在线防冰与离线融冰控制策略如下： 

如图7所示，天气比较恶劣，需要防冰时，先合上1QS，并确认2QS处于分位，再合上断路器，系统进入防冰状态。保护控制装置实时检测流过断路器的电流，如果电流超过1000A，则跳开断路器，对电阻或电感进行限流保护。

需要退出防冰状态时，先断开断路器，再分开1QS，系统处于离线待命状态。 

如图8所示，需要进入 

级融冰状态时，先分开1QS，1QS带分位接地功能，再合上2QS，然后再合上断路器，系统进入

级融冰状态。保护控制装置实时检测流过断路器的电流，如果电流超过2000A，则跳开断路器，对电阻或电感进行限流保护。 

需要退出

级融冰状态时，先分开断路器，再分开2QS，并使之处于接地位。 

如图9所示，需要进入

级融冰状态时，先分开2QS，并使之处于接地位，然后再合上断路器，系统进入

级融冰状态。 

需要退出

级融冰状态时，分开断路器即可。 

本发明的防冰、融冰装置1还包括防冰、融冰保护测控装置（即配套的保护控制装置），安装在防冰、融冰装置1箱体内的保护监控屏内，实现对限流电阻或电感的限流保护、接地电阻的分级、风冷系统的控制功能。 

： 

防冰、融冰保护测控装置设有电流速断、过电流、非电量等保护，采集CT传过来的电流及断路器、各隔离开关的位置信息，分别完成电流速断、过电流等保护；根据接地电阻或电感及风冷系统传过来的相关信息，完成非电量保护。

: 

●1QF断路器

●1QS隔离开关

●2QS隔离开关

●3QS隔离开关

●防冰投入

●防冰退出

●I级融冰投入

●I级融冰退出

●

级融冰投入

●

级融冰退出

（1）本发明涉及的防冰、融冰方法及实现该方法的系统既可用于在线防冰，也可用于离线融冰，系统具有多个档位的防冰模式及多个档位的融冰模式，能够满足现场需求，根据天气恶劣情况，选择合适的防冰档位及融冰档位。

（2）系统功能的投退及防融冰模式的切换，全部由电调操作人员通过遥控命令完成，也可由装置根据设定自动完成，操作方便灵活。 

（3）系统投入后，由于采用电阻或电感限流，不会降低接触网供电系统的功率因数，不会向电力系统注入无功，不会对电力系统产生任何影响。 

（4）系统既可安装在变电所，也可安装在分区所。安装在变电所时，能实现离线融冰功能；安装在分区所既能实现接触网离线融冰又能实现在线防冰，防融冰系统投入时机根据现场灵活选择。 

（5）系统是安全可控的，能根据电压与电流的大小与变化，自动控制系统的投退，不影响列车的安全运行。 

（6）系统能根据设置在接触网沿线的在线监测系统及其监控中心下发的命令（或调度的确认命令），及时退出运行，确保接触网的安全。 

Claims (8)

1.一种高速铁路防冰、融冰方法，其特征在于：

所述的防冰、融冰方法包括：

步骤一,搭建接触网防冰、融冰回路，具体地：

可以是：回路从接触网T线引出，利用上行与下行接触线组建防融冰回路，防冰、融冰装置（1）安装于牵引变电所，并此时，有牵引变电所所在的分相单独纳入防融冰回路和变电所与分区所的两个分相均纳入防融冰回路两种运行方式，后一种运行方式可减小防融冰回路的盲区；

 也可以是：回路从接触网T线引出，利用上行线或下行接触线与钢轨组建融冰回路，防冰、融冰装置（1）安装于分区所，此时，由牵引变电所所在的分相单独纳入防融冰回路和变电所与分区所的两个分相均纳入防融冰回路两种运行方式，后一种运行方式可减小防融冰回路的盲区；

步骤二，调整防冰、融冰回路的阻抗，控制防融冰电流，防止接触网电流过大而烧毁接触线及承力索，具体可以根据调整需要，采用调整电阻或电感或电容来限制电流，并设置多个档位控制电路，每一个档位控制电路对应一个限定电流；

步骤三，实施防冰、融冰控制，具体为：

环境条件比较恶劣，接触网已经覆冰，此时需要进行大电流离线融冰；系统根据结冰状况自动判断获取相应参数，并调整系统至预设的大电流融冰档位，使接触网获取足够的融冰电流，导致接触网上覆冰快速融化，此时牵引供电系统需要停电运行；

根据环境条件，当不需要进行大电流离线融冰时，系统可运行在接触网在线防冰状态；系统根据气候情况自动判断获取相应参数，并调整系统至预设的接触网在线防冰档位，使接触网获取需要的防冰电流，以防止接触网覆冰，此时机车需要根据预设的运行方式来限制列车数量或限制列车速度运行。

2.根据权利要求1所述的高速铁路防冰、融冰方法，其特征在于：所述的步骤一中的防冰、融冰回路中安装有多个断路器或隔离开关，以便实现回路的开合和控制。

3.根据权利要求1所述的高速铁路防冰、融冰方法，其特征在于：所述的步骤二中，使用电阻元件、电抗元件或电阻与电抗的组合元件作为调整回路阻抗、限制电流的元件。

4.实现如权利要求1-3所述的任一种方法的防冰、融冰系统，其特征在于：包括防冰、融冰回路和防冰、融冰装置（1）；

所述的防冰、融冰回路可以是：回路从接触网T线引出，防冰、融冰装置（1）安装于牵引变电所，利用上行与下行接触线组建融冰回路；此时，有牵引变电所所在的分相单独纳入防融冰回路和变电所与分区所的两个分相均纳入防融冰回路两种运行方式，后一种运行方式可减小融冰回路的盲区；

所述的防冰、融冰回路也可以是：回路从接触网T线引出，防冰、融冰装置（1）安装于分区所，利用上行线或下行接触线与钢轨组建融冰回路；此时，有牵引变电所所在的分相单独纳入防融冰回路和变电所与分区所的两个分相均纳入防冰、融冰回路两种运行方式，后一种运行方式可减小融冰回路的盲区。

5.如权利要求4所述的防冰、融冰系统，其特征在于：所述的防冰、融冰装置（1）包括避雷器、电压互感器、电流互感器、断路器、可调电阻或电感电路；其中所述的电压互感器或电流互感器的输入端与接触线相连，输出端与保护测控装置相连，并通过保护测控装置的输出控制端口再与断路器连接，断路器再与可调电阻或电感回路相连。

6.如权利要求5所述的防冰、融冰系统，其特征在于：所述的可调电阻、可调电感电路包括分接开关或隔离开关。

7.如权利要求5所述的防冰、融冰系统，其特征在于：所述的防冰、融冰装置（1）还包括风冷控制系统和防冰、融冰保护测控装置，以及电容器。

8.如权利要求5所述的防冰、融冰系统，其特征在于：所述的断路器和可调电阻电路之间还连接有电流互感器，以便于计量。

Images