一种多功能的轨道交通直流在线融冰系统

本实用新型涉及轨道交通安全控制技术领域，尤其涉及一种多功能的轨道交通直流在线融冰系统。

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。

技术实现要素：

本实用新型提出了一种多功能的轨道交通直流在线融冰系统，在不影响接触网供电的情况下，实现接触网融冰及防冰，同时具有列车再生制动能量回馈功能。

为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案。

一种多功能的轨道交通直流在线融冰系统，包括：

直流在线融冰装置，所述直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，所述直流在线融冰装置的交流输入连接三相交流电网，所述直流在线融冰装置的直流输出正极接在需要融冰线路的上行接触网的中点处，所述直流在线融冰装置的直流输出负极接在需要融冰线路的下行接触网的中点处，所述直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直流电流实现直流在线融冰。

优选地，所述直流在线融冰装置包括ac/dc双向变流器，在覆冰季节，所述ac/dc双向变流器为交流输入直流输出的可调直流电源，在非覆冰季节，所述ac/dc双向变流器作为一个能馈装置，将直流接触网上多余的再生制动能量反馈到交流电网再利用。

优选地，所述可调直流电源的直流输出端口连接融冰通路，所述可调直流电源包括隔离变压器和电流源型pwm变流器，所述可调直流电源引入的交流电流经过隔离变压器、电流源型pwm变流器后转变为可调直流电流，所述电流源型pwm变流器工作于整流模式，采用电流闭环的控制方式，通过电流指令调控输出电流的大小，以满足融冰模式和防冰模式的电流控制。

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：电流流出直流在线融冰装置后，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，流回直流在线融冰装置；所述右侧融冰通路为：电流流出直流在线融冰装置后，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，流回所述直流在线融冰装置。

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。

由上述本实用新型的实施例提供的技术方案可以看出，本实用新型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。

本实用新型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，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，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实用新型的一些实施例，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为本实用新型实施例提供的一种轨道交通直流在线融冰系统的结构图；

图2为本实用新型实施例提供的另一种轨道交通直流在线融冰系统的结构图；

图3为本实用新型实施例提供的一种轨道交通直流在线融冰方法的处理流程图；

图4为本实用新型实施例提供的另一种轨道交通直流在线融冰方法的处理流程图；

图5为本实用新型实施例提供的一种控制器的连接方式示意图。

图6为本实用新型实施例提供的一种能馈工作流程；

图7为本实用新型实施例提供的另一种能馈工作流程。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施方式，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，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

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，本实用新型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)具有与本实用新型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。

为便于对本实用新型实施例的理解，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实用新型实施例的限定。

实施例一

本实用新型提出了一种轨道交通直流在线融冰系统，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，在非覆冰季节，还可以用于回收列车再生制动能量，应用前景广阔。

本实用新型提出了一种轨道交通多功能直流在线融冰系统，通过在特定地方安装专用的直流在线融冰装置，该直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，实现直流在线融冰。

所述直流在线融冰装置本质为一个ac/dc双向变流器，该ac/dc双向变流器的功能为：在覆冰季节，作为一个交流输入直流输出的可调直流电源，为融冰提供电能。在非覆冰季节，作为一个能馈装置，将直流接触网上多余的再生制动能量反馈到交流电网再利用。

所述直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。直流在线融冰装置的交流输入连接三相交流电网，直流在线融冰装置的直流输出正极接在需要融冰线路的上行接触网的中点处，直流在线融冰装置的直流输出负极接在需要融冰线路下行接触网的中点处。此处上行接触网与下行接触网是等价的，因此，直流在线融冰装置的直流输出正极也可连接在下行接触网中点处，直流输出负极接在需要融冰线路上行接触网的中点处。

上述融冰通路包括包括左侧融冰通路和右侧融冰通路，所述左侧融冰通路为：电流流出直流在线融冰装置后，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，流回直流在线融冰装置；右侧融冰通路为：电流流出直流在线融冰装置后，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，流回所述直流在线融冰装置。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。

本实用新型实施例还提供了一种轨道交通直流在线融冰方法，包括以下步骤：

m1s1：检测需要融冰线路接触网的覆冰情况，并根据覆冰情况切换工作模式；

通过在特定地方安装专用的直流在线融冰装置，与需要融冰的线路上下行接触网一起构成融冰通路，实现直流在线融冰。

m1s2：启动所述直流在线融冰装置，由所述直流在线融冰装置提供工作电流并形成通路。

作为优选，该直流在线融冰方法还包括：

m1s3：所述直流在线融冰装置工作一段时间使所述需要融冰线路接触网的覆冰值小于覆冰警戒值时，关闭所述直流在线融冰装置。

作为优选，所述工作模式为：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，为融冰模式，此时所述直流在线融冰装置提供的工作电流为融冰电流；当所述需要融冰线路接触网的覆冰值小于覆冰警戒值时，为待机模式。

作为优选，所述工作模式还包括：根据实际需要，虽然所述需要融冰线路接触网的覆冰值小于覆冰警戒值，但由当前环境温度和风速条件等天气因素判断将要出现覆冰情况，为防冰模式，此时所述直流在线融冰装置提供的工作电流为防冰电流。所述防冰电流的值可通过计算获得，具体计算方法参见后面的方法实施例。

作为优选，所述步骤m1s2还包括，工作模式为待机模式时，不启动所述直流在线融冰装置。

作为优选，所述步骤m1s3还包括，工作模式为防冰模式时，由当前环境温度和风速条件等天气因素判断不再出现覆冰可能时，关闭所述直流在线融冰装置。

作为优选，本实用新型还提供了在非覆冰季节作为能馈装置的工作方法，包括以下步骤：

m2s1：检测接触网电压值；

m2s2：当接触网电压值大于或等于能馈启动阈值时，启动能馈功能，将线路上多余的再生制动能量反馈到交流电网再利用。

作为优选，作为能馈装置的工作方法还包括：

m2s3：所述能馈功能启动一段时间使所述接触网的电压值小于能馈启动阈值时，关闭所述能馈功能。

实施例二

图1为本实用新型实施例提供的一种轨道交通直流在线融冰系统的结构图，如图1所示，直流在线融冰装置(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)。直流在线融冰装置(1)的正极接在需要融冰线路的上行接触网(2)的中点位置，负极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：电流从直流在线融冰装置流出后分为两部分，一部分电流ia流经上行接触网左侧部分(21)、左侧牵引变电所整流机组母线(4)、下行接触网左侧部分(31)后，流回直流在线融冰装置，形成左侧融冰回路；另一部分电流ib流经上行接触网右侧部分(22)、右侧牵引变电所整流机组母线(5)、下行接触网右侧部分(32)后，流回直流在线融冰装置，形成右侧融冰回路。由于直流在线融冰装置接在需要融冰线路接触网的中点位置，使得左侧和右侧回路电阻相等，均为r1+r2，二者为并联关系，流过的电流也相等，即ia＝ib。此时，

r＝(r1+r2)/2(1)

i＝ia+ib＝2ia＝2ib(2)

其中r为融冰通路总电阻，i为直流在线融冰装置输出电流，ia、ib为流过接触网的融冰电流。

采用这样的拓扑结构，有以下几个益处：保证流过直流在线融冰装置左右两侧接触网的融冰电流大小相等；由于左侧和右侧回路为并联关系，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接入点位置的电压不会抬升太多；融冰通路与列车(5)、钢轨(6)不构成通路，可以实现直流在线融冰，对原有系统影响小，且列车通过融冰区间时也不会加重直流在线融冰装置的负担。

如图2所示，在覆冰季节，直流在线融冰装置作为一个可调直流电源，该可调直流电源的交流输入端口连接交流电网，可调直流电源的电能由降压变电所提供的35kv或者0.4kv电网引入。可调直流电源的直流输出端口连接融冰通路，可调直流电源包括隔离变压器和电流源型pwm变流器，可调直流电源引入的交流电流经过隔离变压器(11)、电流源型pwm变流器(12)后转变为可调直流电流，为融冰提供能量。此时电流源型pwm变流器工作于整流模式，采用电流闭环的控制方式，通过电流指令调控输出电流的大小，以满足融冰模式和防冰模式的电流控制。直流在线融冰装置一般还包括一个低压开关柜，该低压开关柜的正极连接断路器，负极连接隔离开关。一方面为直流在线融冰装置提供保护，另一方面便于切除直流在线融冰装置。

在非覆冰季节，该直流在线融冰装置还能用作能馈装置。当列车制动导致接触网电压上升大于或等于能馈启动阈值时，启动能馈功能，使线路上多余的再生制动能量经过电流源型pwm变流器、隔离变压器后反馈到交流电网再利用。此时电流源型pwm变流器工作于逆变模式。如图3所示为本实施例提供了一种直流在线融冰方法，包括以下步骤：

s310：检测需要融冰线路接触网的覆冰情况，并根据覆冰情况切换工作模式。工作模式包括融冰模式、防冰模式和待机模式：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，为融冰模式，此时直流在线融冰装置提供的工作电流为融冰电流i1；当需要融冰线路接触网的覆冰值小于覆冰警戒值时，为待机模式。根据实际需要，工作模式还可以包括：虽然需要融冰线路接触网的覆冰值小于覆冰警戒值，但由当前环境温度和风速条件等天气因素判断将要出现覆冰情况，为防冰模式，此时直流在线融冰装置提供的工作电流为防冰电流i2。

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。

s320：当工作模式为待机模式时，不启动直流在线融冰装置；当工作模式为融冰模式时，启动直流在线融冰装置，电流源型pwm整流器接受融冰电流指令i＝i1，提供融冰电流并形成通路；当工作模式为防冰模式时，启动直流在线融冰装置，电流源型pwm整流器接受防冰电流指令i＝i2，提供防冰电流并形成通路。

如图4所示，本直流在线融冰方法还包括步骤：

s330：工作于融冰模式下，直流在线融冰装置工作一段时间使需要融冰线路接触网的覆冰值小于覆冰警戒值时，关闭直流在线融冰装置；工作于防冰模式下，由当前环境温度和风速条件等天气因素判断不再出现覆冰可能时，关闭所述直流在线融冰装置。

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。控制器可以嵌入在直流在线融冰装置中。本实用新型实施例提供的一种控制器的连接方式如图5所示。

融冰电流的值可以通过一下公式计算得到。考虑工程应用的便捷性，一般用表格列出了各种工况下的融冰电流。

融冰电流i1的具体计算公式如下：

对雨凇：

对雾凇：

i1——融冰电流，单位为：a；

r0——气温在0℃时单位长度导线的电阻，单位为：ω/m；

tr——融冰时间，单位为：h；

δt——导体温度与外界气温之差，单位为：℃；

rto——等效冰层传导热阻，单位为：℃·cm/w；

rt1——对流及辐射等效热阻，单位为：℃·cm/w；

go——冰的密度，单位为：g/cm³，一般取0.9；

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·℃

直流在线融冰装置提供的防冰电流i2的值与环境温度和风速条件等天气因素有关，需要通过计算获得。防冰电流i2的计算公式如下：

(i2/2)²r0＝[0.143εid+0.82(vd)^0.75](t1-t2)(4)

其中r0气温在0℃时单位长度导线的电阻；v为风速；d为导线直径；εi为辐射系数；t1为保证导线不结冰的温度；t2为结冰时外界温度。

同样考虑工程应用的便捷性，可用表格列出各种工况下的防冰电流值。

直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，此时启动直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。

如图6所示，本实施例还提供了非覆冰季节时作为能馈装置的工作方法，包括以下步骤：

s610：检测直流在线融冰装置的安装线路段上接触网的电压值；

s620：当检测的接触网电压值小于能馈启动阈值时，不启动直流在线融冰装置的能馈功能；当检测的接触网电压值大于或等于能馈启动阈值时，启动直流在线融冰装置的能馈功能，将线路上多余的再生制动能量反馈到交流电网再利用。

如图7所示，作为能馈装置的工作方法还包括：

s630：直流在线融冰装置的能馈功能启动一段时间后，使接触网的电压值小于能馈启动阈值时，关闭直流在线融冰装置的能馈功能。

在非覆冰季节，当线路上有多列车运行，且列车制动产生能量大于其它列车牵引能量时，该直流在线融冰装置还能用作能馈装置，将线路上多余的再生制动能量反馈到交流电网再利用，起到良好的节能效果。

综上所述，本实用新型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。

本实用新型实施例的系统和方法兼具列车再生制动能量回收功能。

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实用新型所必须的。

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，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。