城市軌道交通架空接觸線覆冰臨界條件計(jì)算思路及應(yīng)對(duì)措施探討

引言

近年來,隨著全球氣候變暖,各種極端天氣發(fā)生頻率增多,這對(duì)國內(nèi)外很多城市的軌道交通系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施造成了一定的壓力甚至沖擊。因此,越來越多的城市軌道交通運(yùn)營商開始著手研究極端天氣對(duì)軌道交通特定設(shè)備造成的影響以及相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

2008年,華南地區(qū)異常低溫曾引起京廣線等多條鐵路線接觸網(wǎng)嚴(yán)重覆冰,進(jìn)而大范圍影響行車。此事件之后,針對(duì)低溫對(duì)接觸網(wǎng)設(shè)備造成的一系列影響一主要是覆冰清理手段及其工程上的應(yīng)用開始引起相關(guān)運(yùn)營單位的重視和選擇性推廣。國內(nèi)外輸電線路/接觸網(wǎng)采用的除冰方法有多種,按照除冰原理可分為機(jī)械除冰、熱滑法除冰、化學(xué)融冰、熱力除冰等。機(jī)械除冰法即振動(dòng)除冰法,是直接使用刮刀、滾筒、棍子等除冰,但其依賴大量人力,效率較低的同時(shí)也可能造成設(shè)備損傷。熱滑法除冰、化學(xué)藥劑除冰等也都存在不足之處,比如除冰效果不穩(wěn)定、安全性不高,化學(xué)藥劑除冰易造成環(huán)境污染等。然而,根據(jù)不同地區(qū)的地理位置和氣候特征安裝各種類型的熱力融冰裝置,雖然可以大大提升接觸網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)抗覆冰的能力,但從全國層面來看,這類裝置使用機(jī)會(huì)相對(duì)較少,并且仍需要一定的日常維護(hù)投入,不符合經(jīng)濟(jì)靈活的工程決策偏好。

本文嘗試通過提供一種接觸線熱平衡理論計(jì)算方法,估算出接觸網(wǎng)系統(tǒng)在文中討論的氣象條件下維持不覆冰臨界條件時(shí)所需的熱量,進(jìn)而推算出維持不結(jié)冰所需要通入的電流大小及建議采取的可行措施,減少能量消耗(主要是融冰所需要的額外熱能)的同時(shí),盡可能減少接觸網(wǎng)在極端天氣下先覆冰再不得不投入特殊人力、物力除冰的風(fēng)險(xiǎn)和困擾。

1接觸網(wǎng)熱平衡狀態(tài)計(jì)算條件及參數(shù)取值

考慮到目前城市軌道交通運(yùn)輸業(yè)界對(duì)接觸網(wǎng)覆冰臨界條件尚未進(jìn)行專項(xiàng)研究,本文參考航空航天領(lǐng)域相關(guān)研究成果,討論城市軌道交通接觸網(wǎng)熱平衡狀態(tài),即將此臨界條件定義為接觸網(wǎng)在開始結(jié)冰前維持表面溫度0℃的狀態(tài)[l],而非已開始覆冰后再進(jìn)行融冰時(shí)的熱平衡。在此狀態(tài)下,以單根接觸線為準(zhǔn),其熱量不僅來源于導(dǎo)體自身通電產(chǎn)生的焦耳熱,還應(yīng)考慮到由于日光照射吸收的能量,同時(shí),接觸線在此臨界狀態(tài)下,其表面溫度(0℃)必然高于周邊空氣溫度(必須是零下才可能導(dǎo)致結(jié)冰),故接觸線作為環(huán)境中相對(duì)高溫的物體,必然對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生輻射散熱,同時(shí)由于空氣流動(dòng),還會(huì)以對(duì)流的形式再帶走一部分接觸線本體的熱量。因此,單根單位長度的接觸線(后續(xù)均以此為例)在此狀態(tài)下的熱平衡應(yīng)滿足:

電焦耳熱＋日照輻射吸熱-自身輻射散熱-對(duì)流散熱=0

即:

式中:NJ為維持熱平衡需要的電焦耳熱:Ns為日照輻射吸熱:NR為(導(dǎo)體)輻射散熱:NC為對(duì)流散熱,計(jì)算物理量為功率即可。

本文以地處華南地區(qū)的廣州為例,結(jié)合廣州本地近年來低溫極值,選取如表1所示的邊界條件取值(其中不計(jì)入日照輻射的情形是為了模擬分析夜間時(shí)段接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)熱平衡情況)。

根據(jù)文獻(xiàn)[2],結(jié)合相關(guān)參數(shù)實(shí)際取值,維持表面溫度0℃的熱平衡臨界狀態(tài)需計(jì)算的各主要參數(shù)算法如下:

根據(jù)式（1）及電功率計(jì)算公式,接觸線維持熱平衡需要的電焦耳熱計(jì)算公式為:

式中:I為所求的維持熱平衡所需的電流:R='為導(dǎo)線在相應(yīng)溫度下的等效電阻,結(jié)合EN50℃℃9標(biāo)準(zhǔn)查詢相關(guān)參數(shù),本例中0℃時(shí)取值0.℃637×℃0-30/m。

日照輻射吸熱計(jì)算公式為:

式中:ka為吸熱系數(shù),對(duì)于銅質(zhì)導(dǎo)線,在有氧化和臟污的情況下,一般取值介于0.5~℃,氧化和臟污程度越重,該值越大,考慮到覆冰情況多發(fā)生在地上段線路,本值取0.5(即對(duì)應(yīng)有氧化、輕微臟污的情況):D為導(dǎo)體直徑,考慮磨耗的情況下,對(duì)于常用的T=AH℃20及同規(guī)格尺寸的導(dǎo)線,取℃2.5mm:Nsh為日照輻射強(qiáng)度,由地區(qū)所處的緯度、空氣污染程度決定,一般在850~℃350w/m2浮動(dòng),在IET=R6℃597附錄A的計(jì)算示例中,該變量取值900w/m2,故本文計(jì)入日照輻射時(shí)同樣暫取值為900w/m2。

(導(dǎo)體)輻射散熱計(jì)算公式為:

式中:ks稱為stefan-Bo1tzmann常數(shù),其值為5.672×℃0-8w/(m2·K4):ke為散熱系數(shù),在IET=R6℃597附錄B的推薦取值中,除一處特例(標(biāo)準(zhǔn)中僅推薦適用于葡萄牙地區(qū))外該值均與式(3)中的吸熱系數(shù)ka取值完全相同,故本文計(jì)算時(shí)也與式(3)的吸熱系數(shù)ka取值保持一致:9、9am分別為物體及環(huán)境的開爾文溫度。

對(duì)流散熱NT計(jì)算情況較為復(fù)雜,與環(huán)境氣溫、風(fēng)速、氣壓均相關(guān),計(jì)算公式為:

式中:入為空氣導(dǎo)熱系數(shù),與氣溫相關(guān),一般常用0℃或20℃值,本文取0℃時(shí)的值,為0.0243w/(K·m):(T-Tam)為導(dǎo)體與外界的溫差:Nu參數(shù)計(jì)算方式較為復(fù)雜,其與風(fēng)速、不同溫度時(shí)的空氣密度及動(dòng)力粘度有關(guān),參照IET=R6℃597的計(jì)算方式[3],本參數(shù)在4種計(jì)算邊界條件下的取值如下:

（1）氣溫-5℃,無風(fēng):NuJ0:

(2)氣溫-5℃,有軟風(fēng)(℃m/s):NuJ℃7w/m:

(3)氣溫-℃0℃,無風(fēng):NuJ0:

(4)氣溫-℃0c,有軟風(fēng)(℃m/s):NuJ℃7w/m。

2接觸網(wǎng)在對(duì)應(yīng)邊界條件下維持表面溫度零度的熱平衡計(jì)算

根據(jù)上文中的邊界條件和對(duì)應(yīng)的參數(shù)取值,可以分別計(jì)算出下列各種參數(shù):

根據(jù)式(3),NsJka·D·NshJ0.5×(℃2.5/℃000)×900,而不計(jì)入日照輻射時(shí),該變量直接取0,故日照輻射吸熱Ns綜合計(jì)算結(jié)果如表2所示。

根據(jù)式(4),(導(dǎo)體)輻射散熱NRJks·ke·D·m(94-9am4)J5.672×℃0-8×0.5×(℃2.5/℃000)×3.℃4℃5×(2734-9am4),其中9am在-5c和-℃0c時(shí)分別取268K和263K,則計(jì)算結(jié)果如表3所示。

對(duì)流散熱NTJm·入·Nu·(T-Tam)J3.℃4℃5×0.0243×Nu·(T-Tam),其中Nu的各類取值情況已在前文式(5)的描述中有較詳細(xì)的說明,此處不再贅述,而溫差(T-Tam)根據(jù)計(jì)算條件分別取5c或℃0℃,計(jì)算結(jié)果如表4所示。

根據(jù)式(2),維持熱平衡需要的電焦耳熱N1JNT＋NR-Ns,其不同情況下的計(jì)算結(jié)果如表5所示。

可以發(fā)現(xiàn),在無風(fēng)、計(jì)入日照輻射時(shí)NJ計(jì)算值為負(fù),這意味著此條件下接觸網(wǎng)無電流時(shí)熱平衡已經(jīng)盈余,不需要流入電流即可持續(xù)升溫并保持其表面溫度在

0℃以上。又因?yàn)镹J=RT'·I2,則I=√N(yùn)J/RT',可計(jì)算出與NJ對(duì)應(yīng)需要通入的電流I大小如表6所示。

3接觸網(wǎng)防覆冰措施

根據(jù)表6中計(jì)算結(jié)果,各計(jì)算邊界條件下接觸網(wǎng)維持0℃以上所需的電流熱差異極大,且受晝夜時(shí)間段和風(fēng)速的影響相對(duì)較大,例如在有日照、無風(fēng)的時(shí)段,即使在-10℃的環(huán)境中,接觸網(wǎng)受到日照輻射的能量也足以維持其不會(huì)覆冰,但在無日照的有風(fēng)時(shí)段,則最大時(shí)需要接近300A的電流。

以某型號(hào)的城軌用DC1500V制式6節(jié)編組(4動(dòng)2拖)B型列車(以下簡稱6B列車)為例,根據(jù)其逆變器輸入電流曲線(圖1),結(jié)合供應(yīng)商的仿真計(jì)算數(shù)據(jù),空載狀態(tài)(即Aw0工況)的車輛在加速至恒功率點(diǎn)之前時(shí),其牽引電流基本呈直線上升,達(dá)到恒功率點(diǎn)時(shí),車速約為60km/h,牽引電流達(dá)到最大值(約700A)。根據(jù)該特性,可以很容易地推算出,即使車輛在Aw0的牽引狀態(tài),只要以大于25km/h的速度運(yùn)行,就可達(dá)到300A的牽引電流。另一方面,在夜間非行車時(shí)段,列車靜止?fàn)顟B(tài)下僅可啟動(dòng)非牽引負(fù)荷,其負(fù)載電流大小與空調(diào)、照明、空壓機(jī)等設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)緊密相關(guān),較難像牽引電流一樣通過列車牽引特性曲線和電機(jī)參數(shù)等進(jìn)行較精確的推測(cè)。

根據(jù)部分車型制造廠商數(shù)據(jù),6B列車非牽引負(fù)荷容量最大可達(dá)300kVA,但結(jié)合常規(guī)運(yùn)營數(shù)據(jù)及供應(yīng)商各類條件下計(jì)算仿真結(jié)果來看,在DC1500V網(wǎng)壓下,一列車中承載列車絕大部分非牽引負(fù)荷的輔助逆變器實(shí)際消耗功率在200~250kw,即電流最大值一般可維持在133~167A,雖然列車空調(diào)在低溫條件下運(yùn)轉(zhuǎn)不充分,工作電流較小,但僅以輔助逆變器工作電流較小值133A亦可滿足-10c以內(nèi)無風(fēng)條件下通入電流的需要:而在有風(fēng)條件下,結(jié)合上文計(jì)算結(jié)果,單列車非牽引負(fù)載電流理論上預(yù)計(jì)不能滿足相應(yīng)的電流需求,這時(shí)則需要現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)際情況合理調(diào)度列車或通過在牽引所/接觸網(wǎng)側(cè)加裝其他裝置(如利用能饋裝置等),或通過外加臨時(shí)電源等方式方可達(dá)成。

從目前的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來看,華南廣州地區(qū)有可靠記載以來的歷史極端最低氣溫為-2.6c,出現(xiàn)在1963年1月16日的從化區(qū):年平均風(fēng)速2m/s,但絕大多數(shù)為夏秋季的南風(fēng),不會(huì)帶來低溫。因此,在預(yù)計(jì)將要發(fā)生臨近歷史極端低溫時(shí),可在日夜間均按照-5℃、有軟風(fēng)(1m/s)的條件進(jìn)行應(yīng)對(duì),在對(duì)應(yīng)的供電臂和股道內(nèi)安排足夠多的列車盡可能多地開啟非牽引負(fù)載,使每條接觸線承擔(dān)80~200A負(fù)載電流即可。若考慮到超歷史記錄的極端嚴(yán)酷天氣或氣象災(zāi)害,則應(yīng)在保證行車安全的條件下采取其他手段,如夜間安排不間斷調(diào)試列車以中低速往返運(yùn)行。

4結(jié)語

本文以華南地區(qū)氣象條件為基礎(chǔ),對(duì)可能出現(xiàn)的極寒天氣下預(yù)防接觸線覆冰應(yīng)通入的電流提出了一種計(jì)算方法,并進(jìn)行了估算。同時(shí),通過對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析討論,建議在地面段線路及車輛段日夜間均可通過正常列車運(yùn)行或多列車同時(shí)開啟非牽引負(fù)載使每條接觸線承擔(dān)80~200A負(fù)載電流即可,以此實(shí)現(xiàn)在不進(jìn)行設(shè)備改造的前提下,于極端寒冷天氣到來時(shí)接觸線表面未降至0℃以下并覆冰之前就維持住接觸線的熱平衡,防止接觸線覆冰,兼顧了防護(hù)措施的及時(shí)性、有效性和經(jīng)濟(jì)性。