0引言

隨著城鎮(zhèn)化規(guī)模逐漸擴(kuò)大,地鐵因其自身具備快捷、方便、準(zhǔn)時(shí)的特點(diǎn),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(chē)供電唯一的輸電線(xiàn)路,近年來(lái),由于冬季極寒天氣對(duì)接觸網(wǎng)的影響,有不少地方軌道交通因接觸網(wǎng)覆冰導(dǎo)致局部或大面積停運(yùn)^[1],且災(zāi)害還有可能進(jìn)一步擴(kuò)大,嚴(yán)重影響軌道交通安全運(yùn)行。因此,研究接觸網(wǎng)覆冰除冰應(yīng)對(duì)策略,對(duì)保障城市軌道交通的正常運(yùn)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(chē)供電,要確保供電質(zhì)量,必須使列車(chē)受電弓取流良好。在列車(chē)運(yùn)行全過(guò)程中,覆冰對(duì)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(lái)簡(jiǎn)要分析弓網(wǎng)取流不暢。

由于取流是通過(guò)弓網(wǎng)之間緊密接觸實(shí)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(wú)窮小。但在列車(chē)實(shí)際運(yùn)行中,受電弓除隨列車(chē)水平運(yùn)動(dòng)外,由于列車(chē)振動(dòng)及自身結(jié)構(gòu)游動(dòng),還會(huì)做上下垂直運(yùn)動(dòng),弓網(wǎng)壓力也隨受電弓不規(guī)則運(yùn)動(dòng)而變化,變化情況由下式簡(jiǎn)單描述:

向上運(yùn)動(dòng):

F=F₀-F_m-F_a-F_k (1)

向下運(yùn)動(dòng):

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(dòng)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(dòng)能分量,由列車(chē)速度、風(fēng)、受電弓位置、列車(chē)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(dòng)力分量F_a。覆冰越厚,F_a變化越大,導(dǎo)致弓網(wǎng)壓力F也隨之明顯變化。應(yīng)用到實(shí)際場(chǎng)景中,弓網(wǎng)表現(xiàn)就是上下振動(dòng)大,匹配不好,影響取流。

當(dāng)弓網(wǎng)壓力F過(guò)小時(shí),受電弓容易發(fā)生離線(xiàn),離線(xiàn)會(huì)導(dǎo)致供電不穩(wěn)定,造成列車(chē)異常加速或減速;且離線(xiàn)瞬間會(huì)發(fā)生拉弧,電弧高溫?zé)g會(huì)導(dǎo)致弓網(wǎng)粗糙不平,加速機(jī)械磨耗;如果頻繁離線(xiàn),就會(huì)造成一路拉弧打火,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生斷線(xiàn)事故。

當(dāng)弓網(wǎng)壓力F過(guò)大時(shí),弓網(wǎng)磨耗增大,并使接觸線(xiàn)的縱向擺動(dòng)加大,也會(huì)產(chǎn)生不良后果;而且接觸網(wǎng)懸掛冰負(fù)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(shí)際城市軌道交通場(chǎng)景中,接觸網(wǎng)覆冰發(fā)生的最常見(jiàn)狀態(tài)為雨凇^[2],且濕增長(zhǎng)的覆冰并不是均勻分布,凹凸不平的形狀會(huì)使弓網(wǎng)垂直撞擊力進(jìn)一步加大,弓網(wǎng)跳動(dòng)更加頻繁。此外,覆冰還會(huì)造成接觸線(xiàn)舞動(dòng)、懸掛過(guò)負(fù)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(chē)視作負(fù)荷,當(dāng)牽引所施加電流,接觸網(wǎng)流過(guò)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(shí),接觸網(wǎng)覆冰即可融化^[4]。

焦耳熱的計(jì)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(jì)算

在惡劣天氣條件下,車(chē)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(guò)車(chē)輛段內(nèi)電客車(chē)取正線(xiàn)電流可以達(dá)到接觸網(wǎng)除霜除冰的效果。

柔性接觸網(wǎng)除冰一般針對(duì)濕增長(zhǎng)覆冰^[5],其中最?lèi)毫訚裨鲩L(zhǎng)接觸網(wǎng)覆冰的條件被認(rèn)為是在風(fēng)速15m/s、溫度-1.5℃環(huán)境下。以廣州地鐵四號(hào)線(xiàn)新造車(chē)輛段出入段線(xiàn)接觸網(wǎng)為例,采用雙承雙導(dǎo)全補(bǔ)償簡(jiǎn)單鏈形結(jié)構(gòu)。其中接觸線(xiàn)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(yàn)公式是蘇聯(lián)的布爾斯道爾夫理論^[6], 通過(guò)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(shí)長(zhǎng)為1h時(shí)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(zhǎng)度導(dǎo)線(xiàn)的電阻;R_T0為等效冰層傳導(dǎo)熱阻;R_T1為對(duì)流及輻射等效熱阻;T_r為融冰時(shí)間;Δ_t為導(dǎo)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(dǎo)線(xiàn)覆冰外徑;d為導(dǎo)線(xiàn)直徑;b為冰層厚度;λ為導(dǎo)熱系數(shù),濕增長(zhǎng)覆冰取2.27×10^-2W/(℃·cm);v為風(fēng)速。

2.1.3 電氣融冰應(yīng)用

通過(guò)查詢(xún)廣州地鐵列車(chē)技術(shù)規(guī)格書(shū)和實(shí)際測(cè)算得知,如列車(chē)升弓取流,開(kāi)啟車(chē)門(mén)和列車(chē)輔助系統(tǒng)(包括照明、廣播、空調(diào)等),此時(shí)空載情況下單列車(chē)取流達(dá)到峰值。當(dāng)然,列車(chē)峰值取流因車(chē)型不同而有所差異,以廣州地鐵四、五、六、十三號(hào)線(xiàn)為例,單列車(chē)峰值取流如圖2所示。

廣州地鐵四、五、六、十三號(hào)線(xiàn)車(chē)輛段出入段線(xiàn)均為雙承雙導(dǎo),按每條線(xiàn)平均分配,單根持續(xù)截流不超過(guò)500 A,雙承雙導(dǎo)最大為2 000 A,得出四、六號(hào)線(xiàn)車(chē)輛段出入段線(xiàn)接觸網(wǎng)載流量各滿(mǎn)足10列車(chē)同時(shí)開(kāi)啟列車(chē)輔助系統(tǒng),五號(hào)線(xiàn)出入段線(xiàn)接觸網(wǎng)載流量滿(mǎn)足9列車(chē)同時(shí)開(kāi)啟列車(chē)輔助系統(tǒng),十三號(hào)線(xiàn)車(chē)輛段出入段線(xiàn)接觸網(wǎng)載流量滿(mǎn)足6列車(chē)同時(shí)開(kāi)啟列車(chē)輔助系統(tǒng)。以融冰電流至少為1 044.3 A的場(chǎng)景為例,廣州地鐵四、五、六、十三號(hào)線(xiàn)需開(kāi)行列車(chē)數(shù)如表1所示。

因此,針對(duì)濕增長(zhǎng)覆冰,在風(fēng)速為15 m/s、溫度為-1.5℃、覆冰厚度為1 cm、融冰時(shí)長(zhǎng)為1 h的條件下,從理論上廣州地鐵四號(hào)線(xiàn)列車(chē)至少需開(kāi)啟6列列車(chē)輔助系統(tǒng)(包括照明、廣播、空調(diào)等),并開(kāi)啟車(chē)門(mén),同時(shí)安排人員觀(guān)察接觸網(wǎng)接觸線(xiàn)融冰情況,若融冰效果不佳,可逐漸開(kāi)啟剩余4列列車(chē)輔助系統(tǒng)。

為防止融冰過(guò)程中導(dǎo)流不暢燒損設(shè)備,需安排人員觀(guān)察斷路器運(yùn)行情況,發(fā)現(xiàn)異常立即上報(bào)。接觸線(xiàn)融冰后,人員、機(jī)具出清現(xiàn)場(chǎng),恢復(fù)正常供電模式,安排人員現(xiàn)場(chǎng)值守,觀(guān)察接觸網(wǎng)設(shè)備運(yùn)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(guò)使用打冰桿、接觸線(xiàn)除冰鏟等工具進(jìn)行除冰作業(yè)。

覆冰人工應(yīng)對(duì)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(bào)。

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

3)到達(dá)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)后,待清點(diǎn)人員辦理好清點(diǎn)手續(xù)后,進(jìn)入軌行區(qū)。

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

的覆冰,無(wú)明顯覆冰或輕微覆冰時(shí),由電調(diào)倒閘,使隔離開(kāi)關(guān)處于分位,驗(yàn)電接地后方準(zhǔn)作業(yè)。當(dāng)隔離開(kāi)關(guān)覆冰厚嚴(yán)重時(shí),由電調(diào)組織變電專(zhuān)業(yè)將小車(chē)?yán)羵}(cāng)外,進(jìn)行停電。接觸網(wǎng)人員對(duì)接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行驗(yàn)電,驗(yàn)明斷電后,使用打冰桿等去除開(kāi)關(guān)刀閘上的覆冰,再進(jìn)行倒閘,再次驗(yàn)電接地后方準(zhǔn)作業(yè)。

5)首先在地面使用打冰桿、接觸線(xiàn)除冰鏟進(jìn)行除冰作業(yè)。除冰時(shí)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(xiàn)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(guò)厚,無(wú)法使用打冰桿、除冰鏟除去的,使用梯車(chē)或工程車(chē),利用木棒、橡膠錘等工器具進(jìn)行高空作業(yè)除冰。

7)除冰完成后確認(rèn)接觸網(wǎng)具備送電條件,線(xiàn)路具備行車(chē)條件,撤除安全防護(hù),向電力調(diào)度匯報(bào)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(duì)接觸網(wǎng)中心錨結(jié)進(jìn)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(zhǎng)度和張力力求相等;中心錨結(jié)線(xiàn)夾處導(dǎo)線(xiàn)高度應(yīng)符合規(guī)定,中心錨結(jié)線(xiàn)夾處接觸線(xiàn)應(yīng)平順。

2)對(duì)接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置進(jìn)行檢查,a、b值符合安裝曲線(xiàn)的要求,棘輪完整無(wú)損,轉(zhuǎn)動(dòng)靈活,沒(méi)有卡滯現(xiàn)象,下錨補(bǔ)償裝置平衡輪應(yīng)水平,允許偏斜角度符合規(guī)定。

3)對(duì)接觸網(wǎng)線(xiàn)岔進(jìn)行檢查,線(xiàn)岔定位點(diǎn)拉出值應(yīng)符合規(guī)定,限制管安裝正確,接觸線(xiàn)能自由伸縮無(wú)卡滯,線(xiàn)岔兩支相距500 mm處等高或抬高符合要求。

4)對(duì)接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行檢查,上網(wǎng)電纜的長(zhǎng)度應(yīng)保證當(dāng)接觸懸掛受溫度變化偏移時(shí)有一定的活動(dòng)余量并不得侵入限界,支持絕緣子應(yīng)清潔無(wú)破損和放電痕跡,瓷釉不得剝落。

5)對(duì)接觸網(wǎng)電纜接線(xiàn)端子狀態(tài)進(jìn)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(wú)侵限妨礙受電弓運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

地鐵柔性接觸網(wǎng)覆冰不僅會(huì)降低列車(chē)的行駛速度,嚴(yán)重情況下還有可能引起接觸線(xiàn)斷裂事故,對(duì)列車(chē)的行車(chē)安全構(gòu)成威脅。無(wú)論采取電氣融冰還是人工除冰的方式,接觸網(wǎng)專(zhuān)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(shí)間內(nèi)滿(mǎn)足送電條件和運(yùn)營(yíng)條件。

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2024年第11期第4篇