1. 引言
触网绝缘子水冲洗车是用来解决铁路接触网绝缘子污闪事故发生的有效装备[1]，由于其可带电作业特点，相比于传统机器人、机械臂及人工的静态作业具有较大的优势，是目前为止国内最为高效的防止污闪事故发生的装备[2]。
由于水冲洗车作业完毕后需要将水冲洗系统管路中的余水及时排尽[3]，否则时间久会出现管路浮锈、水质变化等情况，影响带电水冲洗作业；冬季严寒时也会造成管路系统结冰结冻，影响下次快速出车作业，严重时会造成系统设备的损坏，管路涨裂，从而无法再正常使用。
秋、冬季是污闪事件发生的高峰期，经统计有92%的污闪事故发生在秋季的后期和冬季[4]，因此秋季和冬季是绝缘子水冲洗作业的频繁期。然而大多时候水冲洗车作业后便停放在露天线路上，冬季得不到入库保温条件。由于目前水冲洗系统的排水是靠人工打开排水阀门，其系统内部闭塞，排水靠水自身重力实现，水流的流动性差，使得排水时间长达30多分钟；再者各个排水阀门分布较散，时常会出现人为忘记个别阀门未开。因此冬季水冲洗车排水会显得更加困难，特别在严寒时会出现排水过程中排水口迅速结冰现象，导致整个系统都无法排水。
因此水冲洗车在冬季严寒条件下的局限性日益显露，排水不畅导致的系统结冻或损坏故障，使得冬季发生污闪时无法及时快速出车抢险作业，这种情况便是目前水冲洗车的一大安全隐患。
由于触网绝缘子水冲洗车在我国发展历程较短，行业社会面较窄，针对水冲洗车冲洗系统的防寒保温，目前研究甚少。但在建筑给排水领域的冬季管道保温已有较成熟的方案和研究[5]-[8]，目前大致可分为管内介质流动和不流动两种情况在研究，主要以生活给水管道和消防给水管道为例。值得借鉴。在研究管道快速排水方面，赵雪华[9]通过数值模拟的方法研究了管道中瞬态变化时的影响，通过建立模型对比阐述了管道快速排水过程中水流参数的影响。
2. 水冲洗车防寒措施
综上所述，为使水冲洗车更加高效的使用，冬季依然发挥其性能作用，借鉴建筑和消防给排水管道的冬季保温措施，提出在系统管道上增加电伴热加外层保温的防寒措施，来解决水冲洗系统在冬季正常使用的问题。进而在排水过程中采用高压气流引入水冲洗系统管道，辅助快速排水的措施，来进一步解决水冲洗车冬季排水困难的问题。
2.1. 伴热保温措施
常见的伴热按介质分有四种：蒸汽伴热、热水伴热、导热油伴热、电伴热。从文献[5]-[8]中总结，电伴热无论从节能效果还是伴热损耗方面都是最佳选择。由于电伴热保温操作施工安装简单方便，温度控制容易。在实际应用中，电伴热不需要直接提升介质流体温度，主要应用于防冻、防凝和管道保温。
电伴热带是一种由两根平行铜导线、外覆高分子PTC材料和单层阻燃护套或金属网和氟材料护套所组成的加热电缆。通过使发热电缆通电将电能转化为热能，传递给金属管道表面，并通过外层隔热材料的保护，以达到系统需要的供暖、保温效果。
由于作业时管道内水流速度快，电伴热产生温度基本都通过钢管导热被水流带走，外保温层与空气环境之间的热量损失可忽略不计。电伴热带功率可根据管道散热量公式(1)计算，根据《工业设备及管道绝热工程设计规范》(GB50264)中延迟管道内介质冻结、凝固、结晶的保温层厚度计算[10]，使保温棉外径符合公式(2)的要求。
(1)
(2)
式中：Q——管道散热量(W)；
∆T——加热温差(℃)；
λ——管道或保温层导热系数(W/m·K)；
A——管道散热表面积(m2)；
D0——管道或设备外径(m)；
D1——保温层外径(m)；
Kr——管道支架处热损失附加系数；
Tfr——介质凝固点(℃)；
Ta——环境温度(℃)；
tfr——介质在管道内不出现冻结的停留时间(h)；
αs——冬季最多风向平均风速下绝热层外表面与周围空气的换热系数；
V，Vp——分别为介质单位长度体积和管壁单位长度体积(m³, m)；
Ρ，ρp——分别为介质单位密度和管壁密度(kg, m3)；
C，Cp——分别为介质热容和管壁热容[J/(kg·K)]。
2.2. 快速排水措施
由于水冲洗系统在打开排水阀后，系统前端处于封闭状态，排水阀口径较小，水流靠自身重力和外界空气压力的双重作用下，导致排水困难。当水流沿管壁流出，空气不断从排水管进入后打破内外气压差，排水速度才会加快。因此，快速排水方案思路是在水冲洗系统进水主管道开关阀门后端，通过三通引入高压空气流，使水冲洗系统管道内部产生正压力，增加内外压差，从而达到快速排水的目的。而且高压气流还可以将部分U型管道低位余水强力排出；高速的气流也可以快速使管道内部干燥。
方案中所有排水阀和系统进水主管道阀门都采用电动阀门，通过逻辑控制，其控制流程如图1所示，采用“一键排水”的方式，打开所有排水阀和系统水炮控制电磁同轴阀，同时关闭系统进水主管道阀门。打开风吹管路阀门，启动高压风机。系统管路余水可快速从排水阀和水炮口吹出。
Figure 1. “One click drainage” logic control flowchart
图1. “一键排水”逻辑控制流程图
为了可直观反映高压气流对管道排水的效果，同时在系统管道最低水平点安装液体检测传感器，系统通过“一键排水”后，当管道最低点水位液面低于探测点时，传感器反馈信号，表示排水完成。此时便可直接关机断电。断电后所有电动阀处于排水时状态，待下次开机后进行“作业复位”。“作业复位”时，首先会关闭风机管道阀门，然后所有排水阀关闭，系统进水主管道阀门打开，系统管道充满水准备作业。其控制流程如图2所示。
Figure 2. Logic control flowchart for “homework reset” during secondary homework
图2. 二次作业时“作业复位”逻辑控制流程图
3. 方案设计与参数
3.1. 伴热保温方案设计
电伴热保温系统主要是选用自控温伴热带按工艺要求缠绕或贴覆在管道和阀门部件表面，外覆保温棉要求BI级阻燃橡塑保温棉，并在保温棉上裹覆铝箔。由于铝箔较薄，容易破损，一般需在外表再裹覆一层薄钢板，外覆薄钢板选用0.3 mm左右易卷曲操作的不锈钢板或镀锌板，再用铁丝或抱箍捆扎。其操作工艺如图3所示。
Figure 3. Tracing and holding operation process diagram
图3. 伴热保温操作工艺示意图
电伴热系统工作原理：管道保温防冻的目的就是补充由于管道外壳内外温差引起的热散失。要达到管道防冻保温的目的，只需要提供给管路损失的热量，保持管道内流体的热量平衡，就可维持其温度基本不变。水冲洗系统的保温管道以DN65通径的不锈钢管每米覆设相同长度的电伴热带，加热维持钢管温度1~2℃来计算电伴热功率，其他大于DN65通径尺寸的管道只需根据其尺寸增加缠绕系数进行加密缠绕即可，以提供平衡热量。按照公式(1)计算选用伴热带功率为25 W/m。
管道电伴热系统由发热电缆、供电电源系统、管道保温层和防护层组成。温控器根据事先设定好的温度，与温度传感器测出的温度比较，通过伴热电缆控制箱内的空气开关与交流电流超限报警隔离变速器，及时切断与接通电源，以达到加热防冻目的。伴热保温系统部件参数见表1。
Table 1. Parameter table for component selection of electric heat tracing system
表1. 电伴热系统部件选用参数表
序号 |
项目内容 |
规格/参数 |
备注 |
1 |
伴热带功率 |
25 W/m |
10℃时输出功率 |
2 |
工作电压 |
220 V |
|
3 |
保温棉 |
20 mm厚BI级阻燃橡塑 |
外覆自粘铝箔 |
3.2. 快速排水方案设计
高压气流辅助快速排水方案是在水冲洗车原有系统管道上增加高压风机、电动球阀、液体检测传感器、风吹管路等部件组成，主要通过水冲洗控制核心PLC上开发并增加控制逻辑功能而实现。高压风机提供高压快速气流，电动球阀实现顺序逻辑自动化，液体检测传感器反馈信号，实现监测判断功能。高压气流辅助排水系统部件参数见表2。
Table 2. High pressure airflow assisted rapid drainage system component parameter table
表2. 高压气流辅助快速排水系统部件参数表
序号 |
项目内容 |
规格/参数 |
备注 |
1 |
风机功率 |
3 kW |
|
2 |
风机风压 |
260 mbar |
|
3 |
风机流量 |
320 - 380 m3/h |
|
4 |
风机阀口径 |
DN50 |
|
5 |
排水阀口径 |
DN15 |
6个 |
6 |
液体检测传感器 |
0 - 24 V |
|
Figure 4. Drainage monitoring schematic diagram
图4. 排水监测原理图
风机特点：风压高、流量大。风机选用高压风机主要用来抵消水冲洗系统管道内的风压损失，避免排水口口径小而吹排无力；大流量是为了气流充满整个水冲洗系统管道，从多个排水口同时排出，避免远端排水口排水困难。管道排水水位监测及监测原理图如图4所示。
4. 快速排水试验
试验采用现有成熟的KJ-C型水冲洗设备，在进水主管道采用三通增加高压风吹系统。试验原理及试验过程与装备如图5和图6所示。
Figure 5. Experimental schematic diagram
图5. 试验原理图
Figure 6. Photos of equipment at the test site
图6. 试验现场装备照片
4.1. 试验方法与过程
1) 常规排水试验
冲洗装备正常打水后，停止水泵，打开电动排水阀，同时关闭主水阀，等主水电动阀关闭完全后，开始计时；等到最后一个排水阀处于滴水状态时结束计时。
2) 风吹排水试验
冲洗装备正常打水后，停止水泵，打开电动排水阀，同时关闭主水阀，等主水电动阀关闭完全后，打开风机阀，启动风机并开始计时，等到液体检测传感器反馈信号报警时计时结束。
启动风机时，通过变频器调整频率来调节风机转速，从而产生不同风压，通过风机不同风压下来测试系统管道的排水时间。传感器安装位置如图7所示。
Figure 7. Detection sensor installation position diagram
图7. 检测传感器安装位置图
4.2. 试验结果
通过常规排水操作，测得系统排水时间约35分钟左右，并在刚开始排水约20秒后会出现8~10秒左右的断流现象。在之后的排水过程中还有1~2秒的时断时续的现象出现。
通过将风机频率从20 Hz到50 Hz，每隔5 Hz测定一次管道风压与排水时间，排水时间以安装的液体检测传感器反馈信号报警为准，测试风机参数见表2。测试结果见表3。
Table 3. The drainage schedule of the system pipeline is measured under different wind pressure
表3. 不同风压下测得系统管道排水时间表
序号 |
风机频率 |
管道风压 |
排水时间 |
1 |
20 Hz |
7.22 KPa |
13 min |
2 |
25 Hz |
8.05 KPa |
12 min |
3 |
30 Hz |
9.13 KPa |
10 min |
4 |
35 Hz |
10.32 KPa |
9 min |
5 |
40 Hz |
12.15 KPa |
7 min |
6 |
45 Hz |
14.33 KPa |
6 min |
7 |
50 Hz |
16.87 KPa |
5 min |
常规排水状态 风吹排水状态
Figure 8. Comparison of drainage status of drainage valves
图8. 排水阀排水状态对比
试验结果说明：
1) 测得常规排水时间为35分钟，50 Hz风吹排水最短时间为5分钟。
2) 在水冲洗系统中增加气压，并随着气压增大，排水时间越短，越有利于系统排水。
3) 在50 Hz下风吹排水在约2分钟后已无明显水流，表现为高速的水气混合状态，4分钟后液体检测传感器开始间断地反馈报警提示信号，5分钟后为连续报警提示音，表示排水完成。
4) 由于高压风机为涡旋风机，高速运行时产生的气流温度高达64℃，这更有利于冬季时的系统排水，防止严寒天气排水过程中的结冻风险。
通过排水阀水流状态可直观看出，风吹排水的效率很高，其排水状态对比如图8所示。
5. 结论
经过多年的水冲洗车使用经验，分析了目前水冲洗车在冬季使用的重要性和局限性，并提出设计了一套合理的解决其冬季水冲洗系统防寒措施与排水困难问题的解决方案。
通过试验验证，采用高压气流辅助快速排水的方案可以有效实现快速排水的目的，可将原来常规的排水时间从35分钟加快到5分钟左右，缩短7倍以上，且高压风机产生的热风能够进一步防止排水过程中的结冻问题。
NOTES
*通讯作者。