CN103247991A - 一种电气化铁道接触网利用相间短路实现防冰融冰方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电气化铁道接触网利用相间短路实现防冰融冰方法，该方法包括有以下步骤：防冰融冰系统供电计算；既有牵引供电系统为满足防冰融冰需求的倒闸作业。当接触网需要既进行防冰冻又要保证运输时，将机车运行的用电需求与接触网防冰冻的电流需求兼顾考虑，计算出相应接触网短路回路的长度。本发明效果是用该方法实现防冰融冰结构简单，接入系统方便，运行方式灵活，防冰融冰电流不通过大地和钢轨回流，安全可靠性高。在AT供电方式下可通过提高相间电压方法满足长距离接触网线路防冰融冰的需求，以牵引变电所为单元，一次性完成供电区域内防冰融冰作业，系统倒闸作业量小。在防冰冻状态下运行时，可兼顾电力机车运行，使接触网在特殊灾害条件下对运输影响降到最低。

Description

一种电气化铁道接触网利用相间短路实现防冰融冰方法

技术领域

本发明涉及一种电气化铁道接触网利用相间短路实现防冰融冰方法。

背景技术

电气化铁路接触网无备用系统，机车运行是靠受电弓与接触网紧密接触取得牵引电流，当接触网出现结冰时，牵引网受流将受到影响，严重的会出现拉弧、打弓等现象。出现这些问题，会严重影响牵引供电设备及行车的安全，特别是高速运行的列车。

目前接触网除冰实际运行中采用的是人工除冰或专用机车低速的机械除冰，这些方法对接触网损害比较大，效率低下，效果差，特别是高速铁路对接触网的平顺度、良好受流等性能要求非常高，原有除冰方法已很难适用。

国内目前对接触网融冰方法的研究主要分直流短路法和交流短路法两类。直流融冰方法主要是利用SVG技术，将交流牵引供电系统通过变流，向接触网输出直流电流进行融冰。交流融冰方法通常采用交流单相接地回路，由牵引供电系统直接输出交流短路电流进行接触网融冰。

随着人们对铁路服务高质量的要求，为了保证机车运输安全、可靠地运行，接触网应对结冰自然现象急需切实、可行的工程化解决措施，对接线简单、运行方便、利用率高的接触网防冰、融冰技术需求更为迫切。

发明内容

本发明目的就是提供一种电气化铁道接触网利用相间短路实现防冰融冰方法，该方法接线简单、倒闸作业方便、可适用于电气化铁路各种供电方式采用三相牵引变压器条件下的防冰、融冰需求以及兼顾在防冰状态下满足机车运行的需要。

为实现上述目的，本发明所采用技术方案是提供一种电气化铁道接触网利用相间短路实现防冰融冰方法，该方法运行在既有牵引供电系统结构中，牵引供电系统是由牵引变电所、供电范围内两侧上、下行接触网和包括钢轨、大地、回流线或正馈线的回流回路组成的电力牵引机车供电系统，该方法利用牵引变电所内原有的主变压器，使其为接触网供电的两个不同相绕组之间发生相间短路，形成短路电流流过接触网实现防冰融冰，通过既有牵引供电系统结构中的温度传感器、风速传感器及接触网视频识别设备实现防冰融冰环境信息输入，该方法包括有以下步骤：

（1）防冰融冰系统供电计算

根据传感器采集到的风速、温度气象信息以及视频识别中得到的接触网敷冰厚度数据，计算接触网防冰融冰所需的电流，得出相对应的接触网短路网孔的长度；

（2）既有牵引供电系统为满足防冰融冰需求的倒闸作业

将牵引变电所内主变压器的供电臂A、供电臂C和供电臂B、供电臂D末端并联，闭合供电臂C和供电臂D之间分相处的隔离开关；此时供电臂A、供电臂C和供电臂B、供电臂D四个供电臂串联构成一个闭合的接触网短路回路，牵引变电所为供电臂C和供电臂D供电的开关分开，为供电臂A和供电臂B供电的开关闭合；

当需要既进行防冰融冰又要保证运输时，将一列机车运行的用电需求与接触网防冰融冰的电流需求兼顾考虑，纳入步骤（1）计算得出相应接触网短路回路的长度。

本发明有益效果是采用该方法实现防冰融冰结构简单，接入系统方便，运行方式灵活，防融冰电流不通过大地和钢轨回流，安全可靠性高。在AT供电方式下可通过提高相间电压方法满足长距离接触网线路防冰融冰的需求，以牵引变电所为单元，一次性完成供电区域内防冰融冰作业，系统倒闸作业量小。在防冰运行方式下兼顾满足电力机车运行，使接触网在特殊灾害气象条件下对运输影响降到最低。

附图说明

图1本发明在带回流线直接供电方式下的实施结构示意图；

图2本发明在AT供电方式下的实施结构示意图；

图3-1、3-2均为相间电压向量图；

图4本发明防融冰系统数据采集处理远程控制示意图。

具体实施方式

结合附图对本发明的一种电气化铁道接触网利用相间短路实现防冰融冰方法加以说明。

本发明的一种电气化铁道接触网利用相间短路实现防冰融冰方法，该方法运行在既有牵引供电系统结构中，牵引供电系统是由牵引变电所、供电范围内两侧上、下行接触网和包括钢轨、大地、回流线或正馈线的回流回路组成的电力牵引机车供电系统，该方法利用牵引变电所内原有的主变压器，使其为接触网供电的两个不同相绕组之间发生相间短路，形成短路电流流过接触网实现防冰融冰，通过既有牵引供电系统结构中的温度传感器、风速传感器及接触网视频识别设备实现防冰融冰环境信息输入，该方法包括有以下步骤：

（1）防冰融冰系统供电计算

根据传感器采集到的风速、温度气象信息以及视频识别中得到的接触网敷冰厚度数据，计算接触网防冰融冰所需的电流，得出相对应的接触网短路网孔的长度。

（2）既有牵引供电系统为满足防冰融冰需求的倒闸作业

将牵引变电所内主变压器的供电臂A、供电臂C和供电臂B、供电臂D末端并联，闭合供电臂C和供电臂D之间分相处的隔离开关；此时供电臂A、供电臂C和供电臂B、供电臂D四个供电臂串联构成一个闭合的接触网短路回路，牵引变电所为供电臂C和供电臂D供电的开关分开，为供电臂A和供电臂B供电的开关闭合。

当需要既进行防冰融冰又要保证运输时，将一列机车运行的用电需求与接触网防冰融冰的电流需求兼顾考虑，纳入步骤（1）计算得出相应接触网短路回路的长度。

所述牵引变电所内牵引变压器及供电范围内两侧上、下行四段接触网串联构成一个闭合回路，使电气分相的接触网运行在相间短路状态下作为防冰融冰运行方式。

所述牵引变电所内牵引变压器是在AT供电方式下，采用V接线的牵引变压器，通过接引一相绕组的T端和另一相绕组的F端，输出电压为×

以满足牵引变电所提供防融冰电流的需要。

所述防冰融冰的电流不流经钢轨和大地，只在架空接触网上流过。

本发明的一种电气化铁道接触网利用相间短路实现防冰融冰方法工作原理：

在正常情况下供电臂A、供电臂C和供电臂B、供电臂D四个供电臂由两相牵引母线各出两回馈线供电，并在供电臂末端实现并联，为供电臂A、供电臂C和供电臂B、供电臂D供电的变压器两个绕组构成60度角，电压差为27.5kV。

在融冰状态下，闭合供电臂C和供电臂D之间分相处的隔离开关，此时供电臂A、供电臂B、供电臂C、供电臂D四个供电臂串联构成一个闭合回路。供电臂C、供电臂D供电臂供电的馈线退出，只投入为供电臂A、供电臂B供电的馈线。牵引变压器两相绕组a1x1和x2a2运行在相间短路状态下，为接触网输出两相短路电流实现防冰、融冰效果。

在接触网运行在相间短路方式下，上行供电臂A、供电臂B和下行供电臂C、供电臂D方向各有一列机车降速通过时，接触网电压水平及载流能力均满足要求，最低电流满足接触网防冰冻的要求。

为满足牵引变电所在供电臂较长情况下，提供防冰融冰电流的需要，一种做法提高牵引变压器相间短路出口电压值，在AT供电方式下可通过牵引变压器t1f1绕组的“t1”端和t2f2绕组的“f2”端构成相间短路，两端相角为120度，输出电压为

为解决严酷气象条件下防冰融冰电流的需要，另外一种做法是不改变相间电压差，通过缩小供电臂环路长度，降低短路环路的阻抗值，达到提高短路电流功能。牵引网防冰融冰回路可分成供电臂A、供电臂B、供电臂C、供电臂D； $\mathrm{AC}\left(\frac{1}{2}B\frac{1}{2}D\right);$ $\mathrm{BD}\left(\frac{1}{2}A\frac{1}{2}C\right);$ $\left(\frac{1}{2}B\frac{1}{2}D\right);$ $\left(\frac{1}{2}A\frac{1}{2}C\right)$ 五种情况提供不同的短路电流值。

如图1、图2所示，本发明的一种电气化铁路接触网利用相间短路实现防冰融冰方法，其具体做法是：

（1）根据采集到的风速、温度等气象信息以及视频识别技术中得到的接触网敷冰厚度数据，计算接触网防冰融冰所需的电流，得出相对应的接触网短路网孔的长度。

（2）AT供电方式防冰融冰时AT所或AT分区所的AT变压器退出运行。

（3）将供电臂A、供电臂C和供电臂B、供电臂D末端并联，闭合供电臂C和供电臂D之间分相处的隔离开关，此时供电臂A、供电臂C和供电臂B、供电臂D四个供电臂串联构成一个闭合回路。退出为供电臂C和供电臂D供电的馈线，投入为供电臂A和供电臂B供电的馈线。

当需要既进行防冰又要保证运输时，根据计算结果并结合满足一列车运行的负荷需求，选择相应接触网短路回路。

将供电臂A、供电臂C和供电臂B、供电臂D末端并联，退出AT所和AT分区所自耦变压器，闭合供电臂C和供电臂D之间分相处的K3、K4开关，打开供电臂A、供电臂B之间分相处的K1、K2开关；此时供电臂A、供电臂B、供电臂C、供电臂D四个供电臂串联构成一个闭合回路。

断开为供电臂C、供电臂D供电的馈线，分开馈线开关KSC、KSD，投入为供电臂A、供电臂B供电的馈线，闭合馈线开关KSA、KSB。使牵引变压器，接触网运行在相间短路方式下，牵引供电系统输出两相短路电流流过接触网线路产生焦耳热进行防冰融冰。

如图1所示，在带回流线直接供电方式下牵引变压器“a1”端和“x2”端出口电压为27.5kV；如图2所示，在AT供电方式下通过牵引变压器t1f1绕组的“t1”端和t2f2绕组的“f2”端构成相间短路，牵引变压器出口电压为

为解决严酷气象条件下防冰和融冰电流的需要，如图2所示，通过闭合K5、K6开关选择调整供电臂环路长度，降低融冰线路阻抗值，达到提高短路电流功能。

在形成供电臂A、供电臂B、供电臂C、供电臂D环路相间短路情况下，上行的供电臂A、供电臂B供电臂和下行的供电臂C、供电臂D供电臂方向各有一列机车降速通过时，接触网电压水平及载流能力均满足要求，最低电流满足接触网防冰冻的要求。

如图3-1所示，为相间短路电压差为27.5kV相量变化图，变压器原边A、B、C三相构成120度角，经过变压器变换后，次边a1x1为BC相，U_a1x1=27.5kV，a2x2为-CA相，U_a2x2=27.5kV，两相间构成60度角，a1x1与a2x2间电压差U_a1x1-Ua_2x2也为27.5kV。

如图3-2所示，为相间短路电压差为

相量变化图，变压器原边A、B、C三相构成120度角，经过变压器变换后，次边t1x1为CA相，U_t1x1=27.5kV,次边f2x2为BC相，U_f2x2=27.5kV，两相间构成120度角，t1x1与t2x2间电压差U_t1x1-U_f2x2=

如图4所示，牵引变电所设置的防融冰模块根据传感器采集到的风速、温度等气象信息监测值，以及视频识别技术中得到的接触网敷冰厚度数据，上传至路局调度所，路局调度所下达指令给防融冰模块，该模块计算接触网防冰融冰所需的电流，得出相对应的接触网短路网孔的长度，并通过防融冰启动模块启动防融冰程序，融冰通过下面计算公式，可得出所需电流和接触网短路网孔的长度。

融冰电流计算公式：

$I_{\mathrm{\τ}}=\sqrt{\frac{1}{R_0{t}_{\mathrm{\τ}}}(\frac{\mathrm{\ΔT}}{R_{T0}+R_{T1}}{t}_{\mathrm{\τ}}+10g_0\mathrm{db}+\frac{0.045g_0{D}^2}{R_{T0}+R_{T1}}(R_{T1}+0.22\frac{R_{T0}}{\ln \frac{D}{d}})\mathrm{\ΔT})}$

防冰电流计算公式：

$I_p=\sqrt{\frac{D}{\mathrm{\μ}}((T_s-T)(\mathrm{\πh}+\mathrm{\π\σ\ϵ}{T}^3+2\mathrm{Evw}{c}_w)+2\mathrm{Ev}{w}_e{l}_v-\frac{\mathrm{\πhr}{v}^2}{2c_p})}$

相间短路网孔长度计算公式：

$L=\frac{U}{I_{\mathrm{\τ}}Z}-\frac{2(X_T+2X_S)}{Z}$

对于高速铁路牵引供电系统，该方法可同时满足一座牵引变电所全部供电范围内接触网线路的融冰要求，例如，牵引变电所供电范围为60km时，经计算，融冰电流为1.26kA，如果在接触网覆冰10mm，风速6m/s，环境温度-4℃条件下，实现融冰时间仅需11min。

该方法可在接触网防冰冻状态下允许列车正常运行，例如，牵引变电所供电范围为60km时，接触网上流过电流有效值为1kA,最小电流值为561A，接触网最低电压值为20.8kV。

Claims (4)

1.一种电气化铁道接触网利用相间短路实现防冰融冰方法，该方法运行在既有牵引供电系统结构中，牵引供电系统是由牵引变电所、供电范围内两侧上、下行接触网和包括钢轨、大地、回流线或正馈线的回流回路组成的电力牵引机车供电系统，该方法利用牵引变电所内原有的主变压器，使其为接触网供电的两个不同相绕组之间发生相间短路，形成短路电流流过接触网实现防冰融冰，通过既有牵引供电系统结构中的温度传感器、风速传感器及接触网视频识别设备实现防冰融冰环境信息输入，该方法包括有以下步骤：

（1）防冰融冰系统供电计算

根据传感器采集到的风速、温度气象信息以及视频识别中得到的接触网敷冰厚度数据，计算接触网防冰融冰所需的电流，得出相对应的接触网短路网孔的长度；

（2）既有牵引供电系统为满足防冰融冰需求的倒闸作业

将牵引变电所内主变压器的供电臂（A）、供电臂（C）和供电臂（B）、供电臂（D）末端并联，闭合供电臂（C）和供电臂（D）之间分相处的隔离开关；此时供电臂（A）、供电臂（C）和供电臂（B）、供电臂（D）四个供电臂串联构成一个闭合的接触网短路回路，牵引变电所为供电臂（C）和供电臂（D）供电的开关分开，为供电臂（A）和供电臂（B）供电的开关闭合；

当需要既进行防冰融冰又要保证运输时，将机车运行的用电需求与接触网防冰融冰的电流需求兼顾考虑，纳入步骤（1）计算得出相应接触网短路回路的长度。

2.根据权利要求1所述的一种电气化铁道接触网利用相间短路实现防冰融冰方法，其特征是：所述牵引变电所内牵引变压器及供电范围内两侧上、下行四段接触网串联构成一个闭合回路，使电气分相的接触网运行在相间短路状态下作为防冰融冰运行方式。

3.根据权利1所述的一种电气化铁道接触网利用相间短路实现防冰融冰方法，其特征是：所述牵引变电所内牵引变压器是在AT供电方式下，采用V接线的牵引变压器，通过接引一相绕组的（T）端和另一相绕组的（F）端，输出电压为

以满足牵引变电所为长距离供电臂提供防冰融冰电流的需要。

4.根据权利1所述的一种电气化铁道接触网利用相间短路实现防冰融冰方法，其特征是：所述防冰融冰的电流不流经钢轨和大地，只在架空接触网上流过。

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