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營商開始著手研究極端天氣對軌道交通特定設(shè)備造成的影響以及相應(yīng)的應(yīng)對措施。

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,針對低溫對接觸網(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)對抗覆冰的能力,但從全國層面來看,這類裝置使用機(jī)會相對較少,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,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)險和困擾。

1接觸網(wǎng)熱平衡狀態(tài)計算條件及參數(shù)取值

考慮到目前城市軌道交通運輸業(yè)界對接觸網(wǎng)覆冰臨界條件尚未進(jìn)行專項研究,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,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)境中相對高溫的物體,必然對周邊環(huán)境產(chǎn)生輻射散熱,同時由于空氣流動,還會以對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為對流散熱,計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(其中不計入日照輻射的情形是為了模擬分析夜間時段接觸網(wǎng)動態(tài)熱平衡情況)。

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

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

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℃時取值0.℃637×℃0-30/m。

日照輻射吸熱計算公式為:

式中:ka為吸熱系數(shù),對于銅質(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,在IET=R6℃597附錄A的計算示例中,該變量取值900w/m2,故本文計入日照輻射時同樣暫取值為900w/m2。

(導(dǎo)體)輻射散熱計算公式為:

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,故本文計算時也與式(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。

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

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℃時的值,為0.0243w/(K·m):(T-Tam)為導(dǎo)體與外界的溫差:Nu參數(shù)計算方式較為復(fù)雜,其與風(fēng)速、不同溫度時的空氣密度及動力粘度有關(guān),參照IET=R6℃597的計算方式[3],本參數(shù)在4種計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)在對應(yīng)邊界條件下維持表面溫度零度的熱平衡計算

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

根據(jù)式(3),NsJka·D·NshJ0.5×(℃2.5/℃000)×900,而不計入日照輻射時,該變量直接取0,故日照輻射吸熱Ns綜合計算結(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時分別取268K和263K,則計算結(jié)果如表3所示。

對流散熱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)計算條件分別取5c或℃0℃,計算結(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,其不同情況下的計算結(jié)果如表5所示。

可以發(fā)現(xiàn),在無風(fēng)、計入日照輻射時NJ計算值為負(fù),這意味著此條件下接觸網(wǎng)無電流時熱平衡已經(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。又因為NJ=RT'·I2,則I=√NJ/RT',可計算出與NJ對應(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中計算結(jié)果,各計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,且受晝夜時間段和風(fēng)速的影響相對較大,例如在有日照、無風(fēng)的時段,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覆冰,但在無日照的有風(fēng)時段,則最大時需要接近300A的電流。

以某型號的城軌用DC1500V制式6節(jié)編組(4動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之前時,其牽引電流基本呈直線上升,達(dá)到恒功率點時,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的速度運行,就可達(dá)到300A的牽引電流。另一方面,在夜間非行車時段,列車靜止?fàn)顟B(tài)下僅可啟動非牽引負(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。

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)運營數(shù)據(jù)及供應(yīng)商各類條件下計算仿真結(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)合上文計算結(jié)果,單列車非牽引負(fù)載電流理論上預(yù)計不能滿足相應(yīng)的電流需求,這時則需要現(xiàn)場根據(jù)實際情況合理調(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),不會帶來低溫。因此,在預(yù)計將要發(fā)生臨近歷史極端低溫時,可在日夜間均按照-5℃、有軟風(fēng)(1m/s)的條件進(jìn)行應(yīng)對,在對應(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行。

4結(jié)語

本文以華南地區(qū)氣象條件為基礎(chǔ),對可能出現(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算方法,并進(jìn)行了估算。同時,通過對計算結(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行或多列車同時開啟非牽引負(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)措施的及時性、有效性和經(jīng)濟(jì)性。