轨道交通交流在线融冰系统及方法

摘要

本发明提供了一种轨道交通交流在线融冰系统及方法。该系统包括交流在线融冰装置，该装置安装在需要融冰线路的中间位置车站，中间位置车站包括降压变电所，需要融冰线路首末站为牵引变电所，交流在线融冰装置的交流输入连接三相交流电网，交流在线融冰装置的输出的一端接在需要融冰线路上行接触网的中点处，另一端接在需要融冰线路下行接触网的中点处，交流在线融冰装置与需要融冰的线路的上下行接触网一起构成融冰通路。当需要融冰时，交流在线融冰装置提供的电压为融冰电压并形成通路，融冰电流流过融冰通路，实现交流在线融冰。本发明在不影响接触网供电的情况下实现接触网融冰，避免了传统融冰方法所需的复杂倒闸操作；能够预防接触网覆冰。

说明书

技术领域

本发明涉及轨道交通安全控制技术领域，尤其涉及一种轨道交通交流在线融冰系统及方法。

背景技术

城市轨道交通作为关系国计民生的重要基础设施，建设在地面上和车辆段内的线路在低温、冻雨、湿雪、冰冻等气候条件下，容易发生接触网覆冰现象。接触网覆冰时接触线与受电弓之间会产生拉弧现象，导致列车无法正常取流、网压不稳，甚至会造成断线、打弓等重大事故，影响列车运营，可能带来严重的经济损失和社会影响。

目前，现有技术中应对接触网覆冰最普遍采用的措施是热力融冰。所谓热力融冰就是通过给覆冰区段接触网施加融冰电流，利用电流通过接触网导线电阻产生的焦耳热量融化覆冰。现有的融冰方案都需要在接触网停电条件下进行，需要复杂的倒闸操作，且接触网停电后会造成列车停运，影响人们出行，导致交通拥堵。

发明内容

本发明提出了一种轨道交通交流交流在线融冰系统及方法，在不影响接触网供电的情况下，实现接触网融冰及防冰功能。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

根据本发明的一个方面，提供了一种轨道交通交流在线融冰系统，包括：

交流在线融冰装置，所述交流在线融冰装置安装在需要融冰线路的中间位置车站，所述中间位置车站包括降压变电所，所述需要融冰线路首末站为牵引变电所，所述交流在线融冰装置的交流输入连接三相交流电网，所述交流在线融冰装置的输出的一端接在所述需要融冰线路上行接触网的中点处，另一端接在所述需要融冰线路下行接触网的中点处，所述交流在线融冰装置与需要融冰的线路的上下行接触网一起构成融冰通路，通过所述融冰通路上流过的交流电流实现交流在线融冰。

优选地，所述交流在线融冰装置包括依次串连连接的隔离变压器、AC/DC变换器和DC/AC变换器，所述隔离变压器的交流输入端口连接交流电网，所述隔离变压器的交流输出端口连接AC/DC变换器、DC/AC变换器，外界输入的三相交流电经过隔离变压器后由前级AC/DC变换器变换为直流电，再由后级DC/AC变换器再将直流电逆变为电压、频率符合融冰要求的单相交流电。

优选地，所述交流在线融冰装置还包括低压开关柜，该低压开关柜的正极连接断路器，负极连接隔离开关。

优选地，所述融冰通路包括左侧融冰通路和右侧融冰通路，所述左侧融冰通路为：电流流出交流在线融冰装置后，电流流经所述上行接触网左侧部分、左侧牵引变电所整流机组母线、下行接触网左侧部分后，流回交流在线融冰装置；所述右侧融冰通路为：电流流出交流在线融冰装置后，电流流经所述上行接触网右侧部分、右侧牵引变电所整流机组母线、所述下行接触网右侧部分后，流回所述交流在线融冰装置。

优选地，所述左侧融冰通路和所述右侧融冰通路为并联关系，所述左侧融冰通路和所述右侧融冰通路的电阻相等，流过所述左侧融冰通路和所述右侧融冰通路的电流相等。

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于所述的轨道交通交流在线融冰系统的轨道交通交流在线融冰方法，包括：

检测需要融冰线路接触网的覆冰情况，当所述需要融冰线路接触网的覆冰值大于或等于覆冰警戒值时；

启动所述交流在线融冰装置的融冰模式，所述交流在线融冰装置提供的电压为融冰电压并形成通路，接触网融冰需要的电流为融冰电流，所述融冰电流流过融冰通路，实现交流在线融冰。

优选地，所述交流在线融冰装置安装在需要融冰线路的中间位置车站，所述中间位置车站包括降压变电所，需要融冰线路的首末站为牵引变电所，所述交流在线融冰装置的输出的一端接在需要融冰线路的上行接触网的中点位置，另一端接在需要融冰线路的下行接触网的中点位置；

交流电流从交流在线融冰装置流出后分为两部分，一部分电流I

所述左侧融冰回路的电阻为R

R＝(R

I＝I

其中R为融冰通路总电阻，I为交流在线融冰装置输出电流，I

优选地，所述的方法还包括：

检测需要融冰线路接触网的覆冰情况，设定交流在线融冰装置的工作模式包括融冰模式、防冰模式；

检测需要融冰线路接触网的覆冰情况，并根据覆冰情况设定工作电压，工作电压包括：当需要融冰线路接触网的覆冰值大于或等于覆冰警戒值时，所述交流在线融冰装置工作于融冰模式，提供的电压为融冰电压V

当所述交流在线融冰装置工作一段时间后，当所述需要融冰线路接触网的覆冰值小于覆冰警戒值时，所述交流在线融冰装置切换为防冰模式，所述交流在线融冰装置提供的电压为防冰电压V

交流在线融冰装置的工作电压的计算公式如下：

V

V

优选地，所述的方法还包括：

融冰电流I

对雨凇：

对雾凇：

I

R

T

Δt——导体温度与外界气温之差，单位为：℃；

R

R

g

b——冰层厚度，即覆冰每边冰厚，单位为：cm；

d——导线直径，单位为：cm；

D——导线覆冰后的外径，单位为：cm；

v——风速，单位为：m/s；

λ——导热系数，单位为：W/cm·℃。

优选地，所述的方法还包括：

防冰电流I

(I

其中ε

式中，V

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例在不影响接触网供电的情况下实现接触网融冰，避免了对列车运营的影响；避免了传统融冰方式所需的复杂倒闸操作和风险；融冰通路简单，与列车、钢轨不构成回路，不会导致钢轨电位抬升和迷流增大的问题；提供了防冰模式，能够预防接触网覆冰，避免接触网融冰后短时间内又再次覆冰的情况出现；兼具列车再生制动能量回收功能。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种轨道交通交流在线融冰系统的结构图；

图2为本发明实施例提供的另一种轨道交通交流在线融冰系统的结构图；

图3为本发明实施例提供的一种交流在线融冰装置的结构图；

图4为本发明实施例提供的一种交流在线融冰方法的处理流程图；

图5为本发明实施例提供的另一种交流在线融冰方法的处理流程图；

图6为本发明实施例提供的一种控制器的连接方式示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

本发明提出了一种轨道交通交流在线融冰系统及方法，在不影响轨道交通接触网供电的情况下，实现轨道交通的接触网防冰和融冰。相对于传统融冰方式，无需接触网停电倒闸操作，不影响线路列车运营。该方法利用高频交流电源的肌肤效应，增大线路阻抗，减小融冰电流值。

本发明提出了一种轨道交通多功能交流在线融冰系统，通过在特定地方安装专用的交流在线融冰装置，该交流在线融冰装置与需要融冰的线路上下行接触网一起构成融冰通路，实现交流在线融冰。

所述交流在线融冰装置本质为一个专用的高频交流电源变流器，该高频交流电源变流器的功能为：将三相交流电网输入的交流电转换为符合融冰要求的单相高频交流电。高频交流电源变流器的拓扑结构可以包括：AC-DC、DC-AC两级变换器。

所述交流在线融冰装置安装在需要融冰线路的中间位置车站，所述中间位置车站为降压变电所。需要融冰的线路首末站为牵引变电所。交流在线融冰装置的交流输入连接三相交流电网，交流在线融冰装置的输出的一端接在所述需要融冰线路上行接触网的中点处，另一端接在所述需要融冰线路下行接触网的中点处。

上述融冰通路包括左侧融冰通路和右侧融冰通路，所述左侧融冰通路为：电流流出交流在线融冰装置后，电流流经所述上行接触网左侧部分、左侧牵引变电所整流机组母线、下行接触网左侧部分后，流回交流在线融冰装置；右侧融冰通路为：电流流出交流在线融冰装置后，电流流经所述上行接触网右侧部分、右侧牵引变电所整流机组母线、所述下行接触网右侧部分后，流回所述交流在线融冰装置。上述左侧融冰通路和右侧融冰通路为并联关系。

所述上行接触网与下行接触网仅为区分标记，二者完全等价，连接顺序可以调换。

集肤效应又叫趋肤效应，指当交流电流通过导体时，电流将集中在导体表面流过，而非平均分布于整个导体的截面积中，相当于减小了电流传输的截面积，增大了线路的传输电阻。

实施例二

图1为本发明实施例提供的一种轨道交通交流在线融冰系统的结构图，如图1所示，交流在线融冰装置(1)安装在需要融冰线路的中间位置车站，且这个车站包括降压变电所(8)，而需要融冰线路的首末站应为牵引变电所(7)。这是为了避免上下行接触网在中间位置车站形成通路导致融冰装置短路。

交流在线交流融冰装置(1)提供高频交流电流，加载到融冰通路中，产生集肤效应，实现电热融冰。交流在线交流融冰装置(1)的输出的一端接在需要融冰线路的上行接触网(2)的中点位置，另一端接在需要融冰线路的下行接触网(3)的中点位置，构成融冰通路。这个融冰通路具体为：电流从交流在线融冰装置流出后分为两部分，一部分电流I

R＝(R

I＝I

其中R为融冰通路总电阻，I为交流在线融冰装置输出电流，I

采用这样的融冰系统和方法，有以下几个益处：融冰通路左侧和右侧回路为并联关系，保证了流过融冰装置左右两侧接触网的融冰电流大小相等；减小了融冰通路的总电阻，使得融冰电流大小满足融冰要求的同时引入的交流融冰电压幅值不会太大；采用交流融冰的方式，相当于在接触网直流电压上加了一个交流融冰电压分量，接触网直流电压的平均值不发生变化，造成的直流网压波动也会被列车牵引系统虑去，不会影响列车运行；基于集肤效应，相比于直流融冰所需的融冰电流有效值更小。

上述交流在线融冰装置设计了防冰模式，能够有效避由于恶劣天气因素造成接触网融冰后短时间再次覆冰的情况发生。

图2为本发明实施例提供的另一种轨道交通交流在线融冰系统的结构图，如图2所示，交流在线融冰装置作为一个专用融冰电源，主要包括依次串连连接的一个隔离变压器(11)、一个AC/DC变换器(12)和一个DC/AC变换器(13)。输入到交流在线融冰装置的三相交流电由降压变电所35kV或者0.4kV电网引入，输入的三相交流电经过隔离变压器后由前级AC/DC变换器变换为直流电，再由后级DC/AC变换器再将直流电逆变为电压、频率符合融冰要求的单相交流电，为融冰提供能量。图3为本发明实施例提供的一种交流在线融冰装置的结构图，如图3所示，交流在线融冰装置包括一个低压开关柜，一个正极为断路器，以及一个负极隔离开关(14)，一方面为融冰装置提供保护，另一方面便于切除融冰装置。

图4为本发明实施例提供的一种交流在线融冰方法的处理流程图，包括以下步骤：

S410：设定交流在线融冰装置的工作模式包括融冰模式、防冰模式。

检测需要融冰线路接触网的覆冰情况，并根据覆冰情况设定工作电压。工作电压包括：当需要融冰线路接触网的覆冰值大于或等于覆冰警戒值时，此时所述交流在线融冰装置工作于融冰模式，提供的电压为融冰电压V

上述融冰线路融冰值的获取方法可以为通过人工观测或者通过在融冰线路安装监控摄像头拍摄图片，结合智能算法识别覆冰值等。

S420：当工作于融冰模式时，操作启动交流在线融冰装置，交流在线融冰装置提供融冰电压V

如图5所示，本在线融冰方法还包括步骤：

S430：融冰模式时，当所述交流在线融冰装置工作一段时间后，当所述需要融冰线路接触网的覆冰值小于覆冰警戒值时，所述交流在线融冰装置切换为防冰模式，所述交流在线融冰装置提供的电压为防冰电压V

上述在线融冰装置的工作模式可以手动切换，也可由控制器根据覆冰值控制切换。图6为本发明实施例提供的一种控制器的连接方式示意图，控制器可以嵌入在交流在线融冰装置中。

交流在线融冰装置的工作电压的计算公式如下：

V

V

融冰电流I

对雨凇：

对雾凇：

I

R

T

Δt——导体温度与外界气温之差，单位为：℃；

R

R

g

b——冰层厚度，即覆冰每边冰厚，单位为：cm；

d——导线直径，单位为：cm；

D——导线覆冰后的外径，单位为：cm；

v——风速，单位为：m/s；

λ——导热系数，单位为：W/cm·℃。

防冰电流I

其中ε

式中，V

采用这样的融冰系统和方法，有以下几个益处：融冰通路左侧和右侧回路为并联关系，保证了流过融冰装置左右两侧接触网的融冰电流大小相等；减小了融冰通路的总电阻，使得融冰电流大小满足融冰要求的同时引入的交流融冰电压幅值不会太大；采用交流融冰的方式，相当于在接触网直流电压上加了一个交流融冰电压分量，接触网直流电压的平均值不发生变化，造成的直流网压波动也会被列车牵引系统虑去，不会影响列车运行；基于集肤效应，相比于直流融冰所需的融冰电流更小。

交流在线融冰装置完成对接触网的融冰后，由于恶劣天气因素可能造成接触网再次覆冰，此时启动交流在线融冰装置的防冰模式能够有效避免接触网出现反复覆冰的情况。

综上所述，本发明在不影响接触网供电的情况下实现接触网融冰，避免了对列车运营的影响；采用交流融冰的方式，接触网电压平均值不变，避免了融冰电压对接触网的影响；基于集肤效应，减小了的融冰电流的大小；接触网融冰过程无需停电，避免了对列车运营的影响；避免了传统融冰方式所需的复杂倒闸操作和风险；提供了防冰模式，能够预防接触网覆冰，避免接触网融冰后短时间内又再次覆冰的情况出现。

在需要融冰线路区段安装专用的融冰装置，并通过融冰通路向接触网传递高频融冰电流，利用集肤效应实现热力融冰及防冰，避免了传统融冰方法所需的复杂倒闸操作，不影响接触网正常供电及线路列车运营，结构简单，易于实现。此外，相比于直流融冰方案，采用高频交流融冰，融冰电流小，不会改变接触网电压的平均值，高频谐波可以很容易被车载滤波器滤掉，不会对列车运行造成影响。

融冰通路左侧和右侧回路为并联关系，保证了流过融冰装置左右两侧接触网的融冰电流大小相等；减小了融冰通路的总电阻，使得融冰电流大小满足融冰要求的同时引入的交流融冰电压幅值不会太大；采用交流融冰的方式，相当于在接触网直流电压上加了一个交流融冰电压分量，接触网直流电压的平均值不发生变化，造成的直流网压波动也会被列车牵引系统虑去，不会影响列车运行；基于集肤效应，相比于直流融冰所需的融冰电流更小。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。