不畏严寒！高铁“抗冻”的背后有哪些科技大招？

2月伊始，中东部地区大范围的雨雪冰冻天气交织春运，给旅客出行返乡带来了不小的阻力。在紧急情况下，国铁集团启动应急预案，调遣了大批备用内燃机车开始救灾抢险，滞留的乘客逐渐疏散，网络上绿色机车牵引银白色的高铁动车的视频更是频频冲上热搜。

很多网友都在感叹：关键时刻还得看“年迈的父亲”！也有不少人好奇：为何遇见冻雨天气，普通列车还能畅行无阻？今天我们就专门科普一下上述问题，同时向读者介绍一下高铁面对冻雨等极端天气所采取的有效措施。

01 冻雨，为何让多列高铁“停摆”？

冻雨，这种像雨像雪又像冰的“地穿甲”在我国北方以外的很多地区都是稀罕物。然而近来年由于冷气候南移，冻雨在华北、华南、西南等多个省份的冬季也高频出现，给通信、电力、交通运输带来严重影响，极易造成国家经济损失。

对铁路尤其是高铁而言，冻雨的危害主要集中在以下设备上面：一是钢轨，二是道岔，三是接触网，四是动车组。钢轨覆冰会让车辆打滑，牵引力大受影响；道岔覆冰会将活动的辙叉冻结，道岔开闭受阻，带来安全隐患；动车组车身上覆冰，会增加车辆运行阻力；最严重的是接触网覆冰，会造成过荷载断线、冰闪、获取电流受阻等事故。

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当接触网的覆冰厚度超过其覆冰极限时，可能会发生断线、支柱或支持装置断裂变形等问题，从而导致大范围列车停运；

接触网覆冰时会将部分可导电颗粒冰封在绝缘子串的表面，冰层融化时绝缘子串表面的电导会明显提高，极易发生“冰闪”事故，导致线路频繁跳闸、绝缘子串炭化损坏；

接触线覆冰时会导致接触板与接触线中间隔有冰层不能直接接触，从而产生电弧烧伤受电弓滑板与接触线。

另外，冰瘤冰柱对于接触网而言是外侵异物，不仅会影响接触网的机械性能和电气性能，而且可能引发供电故障或弓网故障，造成跳闸停电。

正因如此，暴雪、大风天尚能开行的高铁动车，一旦遇到冻雨就很有可能运行受阻。不是铁路部门不想在这种天气下开高铁动车，而是一旦强行开动会带来更大的风险隐患。

02 绿皮火车“支棱”起来了：为何普速列车不怕冻雨？

高铁列车趴窝，“老祖宗”绿皮火车临危受命，甚至还拉着高铁跑。是高铁太娇气吗？非也！能够稳稳当当跑出350km/h速度的高铁列车怎么可能娇气呢？是普速列车更“皮实”吗？非也！绿皮车之所以被称作铁路部门的“应急内燃热备机车”，根本原因还是“列车速度”和“牵引方式”两个因素。

东风4型内燃机车。图库版权图片，转载使用可能引发版权纠纷

先说“牵引方式”。目前通用的铁路列车牵引方式有两种：内燃和电力，蒸汽机车早就在2005年就被全部淘汰了，不算数。烧柴油的机车就是内燃机车，用接触网供电的就是电力机车。采用内燃的普客在我国已经越来越少了，因为到2022年我们国家的铁路电气化率已经达到了73.8%，所以无论高铁还是普客，大都是采用电力牵引。

电力牵引好是好，然而遇见类似冻雨的极端天气就很容易受影响。而内燃机车虽然对环境不太友好，牵引能力也稍逊一筹，但是遇见极端恶劣天气就能大显身手。这也是本次南方冻雨天气采用内燃机车牵引高铁救援的原因之一。

另一个因素“列车速度”就很好理解了。钢轨那么滑，列车根本不敢开快，速度慢的普客反而能适应这种环境。列车速度慢，在恶劣天气中的安全系数才会更高。

03 高铁系统如何化解冻雨危机？

在雨雪常见的东北和内蒙古地区，为确保列车安全运行，铁路部门年年都要和不良雨雪天气打交道，相应的，也就形成了一套克敌制胜的“法宝”，让看起来麻烦不断的冻雨，变成铁路沿线绝美的景观。

接触网防冰、除冰——对待冻雨灾害，铁路电力接触网的应对措施有两种：一是防冰，二是除冰。防冰是防患于未然，除冰是被动应对。防冰措施可以采取在接触导线上涂抹电热型、光热型、融冰型及憎水型等防覆冰涂料，称之为“电热型防覆冰涂料”。加入导电填料后，半导电特性的涂料内部将有泄漏电流流过，由此产生焦耳热、场效应热等，使得涂层发热并保持一定的温度，起到防冰的效果。

供电段工人在天窗期对铁路接触网设备进行除冰作业。

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另一种防冰措施就是“电流热力在线防冰技术”，通俗而言就是只要有列车运行，接触网中就一定有电流存在，电流产生热能，能够避免导线结冰。但是这种方式缺点也很明显，如果开行的列车对数太少，导线里的电流时断时续，反而防冰效果不佳。

还有一种设备叫“接触网覆冰预警监测”装置，可针对我国接触网容易覆冰的地区，展开地形数据、气候数据、覆冰数据的收集工作，利用气象卫星及地面站，依托超级计算中心，在显示屏上形成基于不同分辨率精度的网格，实现网格化微地形区域接触网覆冰过程监测，自动反演受影响线路区段。也是一种主动预防手段。

至于接触网除冰，那办法就很多了，比如最直接的方法就是派人用手敲冰，先进一点的手段可以利用机器人除冰，还可以利用风能除冰，采用化学药剂融冰，利用微波、激光设备除冰等。八仙过海，各显神通。

动车组除冰——动车组属于精密设备，长期利用人工敲敲打打除冰肯定不合适，所以研制智能化除冰设备就是水到渠成之事。比如由哈尔滨局集团公司自主设计研发的HTK-CBXO型高寒高铁融冰除雪装置，仅需要2人操作，1小时就可以完成8节动车组的融冰作业。而以往同样的工作量需要16人耗时4小时，大幅度提升了动车组的融冰效率。

道岔除冰——道岔是轨道系统中的关键设备之一，承担着列车换道的功能。在北方严寒地区，我国道岔融雪除冰都是以电加热方式为主，比如RD1 型电加热道岔融雪系统就已经在铁路系统得到广泛应用。这个装置的主要工作原理就是通过电加热道岔升温进而融雪除冰。这类道岔融雪装置工作效率尚可，但却是名副其实的“电老虎”，工作期间消耗大量电能，成本居高不下，已无法适应现代铁路高速发展的需求。

列车工作人员用喷灯对道岔除冰。 图片来源：新华网

近年来，铁路科技人员研究出了一种基于气象信息与行车调度计划的智能融雪系统。可以利用气象站实现系统的自动启停，根据列车开行计划数据查询车站内各对应的道岔动作开启时序表，提前对进路上的道岔实施加热融雪，从而改变既有系统人工启动和启动后全站所有道岔都加热的控制方式，实现系统的自动启停和节能降耗。

相信随着工程材料和信息科技的不断进步，铁路部门会研制出更加高效节能的除冰装置，为高铁的安全运营保驾护航。

年关将至，希望每一位回家过年的人都能平安抵达。

作者：王麟 铁路高级工程师，中国作家协会会员，中国科普作家协会会员，天津科普作家协会理事

审核：赵红玉 中国铁路设计集团电气化专家

出品：科普中国

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