Моделирование режимов плавки гололёда на проводах контактной сети постоянного тока повышенного напряжения 6 кВ

Цель – разработка компьютерных моделей и методик, позволяющих корректно учитывать однофазную, изменяющуюся во времени тяговую нагрузку, а также особенности конструктивного исполнения токоведущих частей при моделировании режимов плавки гололеда на проводах контактной сети постоянного тока напряжением 6 кВ. Цель достигалась на основании использования мультифазного представления элементов электроэнергетических систем, которое базируется на применении моделей линий электропередачи и трансформаторов в фазных координатах. Данный подход реализован в промышленном программном комплексе Fazonord AC–DC. В результате моделирования установлено, что удаление гололедно-изморозевых образований на проводах контактных подвесок осуществляется за 13…14 мин; плавка на контактном проводе происходит на 1 мин быстрее, чем на несущем тросе. Показано, что за счет значительных токов, не превышающих допустимых значений, наблюдается значительный рост температуры проводов после расплавления гололеда; при этом для контактного провода допустимая температура нагрева (80°C) достигается на 21-й мин, а для несущего троса (100°C) – на 25-й. Следовательно, после удаления льда на 14-й мин плавка гололеда должна быть завершена. Выявлено, что за первые 15 мин температура наиболее нагретой точки понизительных трансформаторов возрастает на 20…40°C, что указывает на повышенные потери в обмотках. Далее скорость роста снижается, и указанные параметры достигают максимального значения. Предложен подход для создания компьютерных моделей, который позволяют корректно определять параметры режимов работы систем тягового электроснабжения постоянного тока при плавке гололеда на проводах контактной сети напряжением 6 кВ. Полученные результаты могут использоваться на практике для моделирования процессов удаления гололедно-изморозевых отложений и точного вычисления времени окончания плавки. Также они могут применяться при настройке устройств релейной защиты для петлевых схем присоединения контактных подвесок к выводам 6 кВ тяговых подстанций. 

1. Makkonen L. Models for the growth of rime, glaze, and wet snow on structures // Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2000. Vol. 358. Iss. 1776. P. 2913–2939. https://doi.org/10.1098/rsta.2000.0690.

2. Jiang X.-L, Fan S.-H., Hu J.-L, Zhang Zhijin, Sun C.-X. Analysis of critical ice-melting current for short-circuit DC transmission line // Zhongguo Dianji Gongcheng Xuebao: Proceedings of the Chinese Society of Electrical Engineering. 2010. Vol. 30. P. 111–116.

3. Базаров А.А., Будко С.И. Моделирование тепловых процессов при плавке гололеда на линии электропередачи // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки. 2023. Т. 31. № 4. C. 49–67. https://doi.org/10.14498/tech.2023.4.4. EDN: PNNBPB.

4. Savadjiev K., Farzaneh M. Modeling of icing and ice shedding on overhead power lines based on statistical analysis of meteorological data // IEEE Transactions on Power Delivery. 2004. Vol. 19. Iss. 2. P. 715–721. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2003.822527.

5. Jiang Xingliang, Hu Jianlin, Zhang Jiwu, Shu Daisong, Gong Xiaowei, Yi Tianzhi. Ice-melting methods and comparison with AC and DC currents // 16th International Symposium on High Voltage Engineering (Hannover, 22–26 August 2011). Hannover, 2011.

6. Lu J., Zhang Y. Realization of de-icing device based on 12-pulse rectification for 500 kV transmission line // High Voltage Engineering. 2012. Vol. 38. Iss. 11. P. 3041–3047. https://doi.org/10.3969/j.issn.1003-6520.2012.11.036.

7. Chuang Fu, Xu S., Rao H., Li X., Chen Y., Li L. Design and application of DC Deicer for AC transmission system // Gaodianya Jishu/High Voltage Engineering. 2013. Vol. 39. Iss. 3. P. 705–711. https://doi.org/10.3969/j.issn.1003-6520.2013.03.029.

8. Wang Chao, Wen Jun, Li Shuqi, Ma Xueling, Wang Jun. Design on DC de-icing schemes for high voltage transmission line // 5th International Conference on Critical Infrastructure. 2010. https://doi.org/10.1109/CRIS.2010.5617565.

9. He P., Wang Y., Li X., Wei W., Li S., Zou J., et al. Research on influences of converter transformer on DC ice-melting device // Power System Technology. 2012. Vol. 36. Iss. 5. P. 113–117.

10. Jing Н., Nian Xianbo, Fan R., Liu D. Control and switchover strategy of full-controlled ice-melting DC power for ice-covered power lines // IEEE International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis. 2012. P. 714–717.

11. Wu C., Fu C., Dong M., Wan H., He J. Overvoltage protection and insulation coordination for DC de-icer with static var compensator // High Voltage Technology. 2013. Vol. 39. Iss. 5. P. 1258–1264. https://doi.org/10.3969/j.issn.1003-6520.2013.05.035.

12. Huang Zhisong, Wang Guangzhu, Feng Jianzhou, Ou Zhujian, Zhao Ximin, Liu Danging, et al. A new DC-icemelting device based on hybrid MMC structure // IEEE Transportation Electrification Conference and Expo. AsiaPacific, 2017. https://doi.org/10.1109/ITEC-AP.2017.8081019.

13. Mei Hongming, Liu Jianzheng. A novel DC ice-melting equipment based on modular multilevel cascade converter // Automation of Electric Power Systems. 2013. Vol. 37. Iss. 16. P. 96–102. https://doi.org/10.7500/AEPS201211233.

14. Chen L., Fu C., Li X. Optimized decision-making of power grid DC de-icing plan based on tabu search algorithm // Power System Technology. 2015. Vol. 39. P. 1637–1642. https://doi.org/10.13335/j.1000-3673.pst.2015.06.027.

15. Guobang B., Xiaohong M., Yangzeyu O., Li L., Jianwen L., Binyuan W. Research on Influencing Factors of voltage control for MMC type mobile DC ice melting device // IEEE 16th Conference on Industrial Electronics and Applications. Chengdu, 2021. P. 1256–1260. https://doi.org/10.1109/ICIEA51954.2021.9516122.

16. Li B., Huang L., Xu P., Chen Q., Huai X., Deng Y. Study on DC ice-melting rate and critical anti-icing current of overhead contact line // International Conference on Smart Electrical Grid and Renewable Energy. Changsha, 2023. P. 354–359.

17. Lu Yi, Zhang Xu, Xia Jiahang, Zhao Chengyong. Research on melting scheme for overhead line of flexible DC grid without power failure // 4th IEEE Workshop on the Electronic Grid. Xiamen, 2019. https://doi.org/10.1109/eGRID48402.2019.9092728.

18. Wang Yunga, Zhang Gang, Tian Zhongbei, Qiu Ruichang, Liu Z. An online thermal deicing method for urban rail transit catenary//IEEETransactionsonTransportationElectrification.2020.Vol.7.Iss.2.P.870–882.https://doi.org/10.1109/TTE.2020.3032614.

19. Li Z., Wu G., Huang G., Guo Y., Zhu H. Study on icing prediction for high-speed railway catenary oriented to numerical model and deep learning // IEEE Transactions on Transportation Electrification. 2025. Vol. 11. Iss. 1. P. 1189–1200. https://doi.org/10.1109/TTE.2024.3401209.

20. Nilsson F., Moyassari A., Bautista Á., Castro A., Arbeloa I., Järn M., et al. Modelling anti-icing of railway overhead catenary wires by resistive heating // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2019. Vol. 143. Р. 118505. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.118505.

21. Xiao S., He Y., Zhang Y., Wu G., Cao Y., Zhang X., et al. Electrical-thermal conduction and distribution characteristics of the catenary system for electrified railway applying electrothermal ice-melting technique // Applied Thermal Engineering. 2025. Vol. 277. Р. 126809. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2025.126809.

22. Sirui Yu, Song Mengjie, Gao Runmiao, Bae Jiwoong, Zhang Xuan, Zhou Shiqiang. A review of icing prediction techniques for four typical surfaces in low-temperature natural environments // Applied Thermal Engineering. 2024. Vol. 241. Р. 122418. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2024.122418.

23. Yang Guolin, Jiang Xingliang, Liao Yi, Li Tao, Deng Ying, Wang Maozheng, et al. Research on load transfer melticing technology of transmission lines: Its critical melt-icing thickness and experimental validation // Electric Power Systems Research. 2023. Vol. 221. Р. 109409. https://doi.org/10.1016/j.epsr.2023.109409.

24. Hou Yuning, Wang Haifei, Xue Manyu, Wang Tingkang, Wang Cong, Chen Jianchun. An no power failure ice melting system based on flux controlled reactor // 22nd International Conference on Electrical Machines and Systems. Harbin, 2019. https://doi.org/10.1109/ICEMS.2019.8921434.

25. Huang G., Wu M., Liang J., Fu S., Tian F., Pei X., et al. Research on the DC ice-melting model and its influencing factors on the overhead contact systems of an electrification railway // Energies. 2025. Vol. 18. P. 1028. https://doi.org/10.3390/en18051028.

26. Ge Y., Chen J., Li Z., Hu H., He Z. Terminal series-connected catenary online anti-icing and de-icing system for double-track AC electric railways // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2026. Vol. 73. Iss. 2. P. 1943–1955. https://doi.org/10.1109/TIE.2025.3600522.

27. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Сложнонесимметричные режимы электрических систем: монография. Иркутск: Иркутский государственный университет путей сообщения, 2005. 273 с. EDN: PTVITA.

28. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Моделирование систем тягового электроснабжения постоянного тока на основе фазных координат: монография. М.: Директ-Медиа, 2023. 156 с. EDN: LIJPRI.

29. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Моделирование динамики плавки гололеда на проводах воздушных линий электропередачи и контактных подвесок тяговых сетей // System Analysis and Mathematical Modeling. 2022. Т. 4. № 1. С. 11–37. https://doi.org/10.17150/2713-1734.2022.4(1).11-37. EDN: HLXMBJ.