寒さなんて怖くない！高速鉄道の「凍結防止」機能の背後には、どのような技術的なトリックがあるのか​​？

2月初旬、中部および東部地域では広範囲にわたる雨、雪、氷点下の天候が春節の旅行ラッシュと重なり、帰省する乗客に大きな障害を引き起こします。緊急事態に際し、中国鉄道総公司は緊急計画を発動し、大量の予備ディーゼル機関車を派遣して災害救援・救助活動を開始した。取り残された乗客は徐々に避難し、緑色の機関車が銀白色の高速列車を牽引する動画がインターネット上で頻繁に検索されるようになった。

多くのネットユーザーは「いざという時には、やはり『年老いた父親』に頼らなければならない」と嘆いた。多くの人が疑問に思っているのは、なぜ普通の電車は凍雨の中でもスムーズに走行できるのかということです。本日は、上記の問題点について具体的に解説するとともに、凍結雨などの異常気象に対して高速鉄道が講じている効果的な対策について読者に紹介します。

01 凍結した雨により多くの高速列車が運行を停止したのはなぜですか?

凍雨、つまり雨、雪、氷のように見える「地面を突き刺す」雨は、我が国の北部以外の多くの地域では珍しいものです。しかし、近年、寒冷な気候の南下により、華北、華南、西南など多くの省で冬季に凍結雨が頻発し、通信、電力、交通に深刻な影響を及ぼし、国家経済の損失を引き起こしやすくなっています。

鉄道、特に高速鉄道の場合、凍結雨の危険は主に以下の設備に集中しています。1つ目はレール、2つ目は分岐器、3つ目は連絡網、4つ目は電車です。レールに氷が張ると、車両が滑り、牽引力に大きな影響を与えます。分岐器を覆う氷により可動式分岐器が凍結し、分岐器の開閉が妨げられ、安全上の危険が生じる。電車の車体を覆う氷により、車両の走行抵抗が増加します。最も深刻なのは、連絡網が氷で覆われ、過負荷破損、氷の飛散、電流捕捉の妨害などの事故を引き起こすことです。

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架空電車線網の氷の厚さが氷の被覆限界を超えると、断線、柱や支持装置の破損・変形などの問題が発生し、大規模な列車運休につながる可能性があります。

架空線が氷で覆われると、一部の導電性粒子が絶縁体ストリングの表面に凍結します。氷が溶けると、碍子列の表面の導電性が大幅に増加し、「氷閃」事故が発生する可能性が高くなり、頻繁に線路がトリップしたり、碍子列が炭化して損傷したりします。

トロリ線が氷で覆われると、接触板とトロリ線の間に氷の層ができ、直接接触できなくなり、アークが発生してパンタグラフ板とトロリ線が焼損します。

さらに、氷結塊やつららは接触ネットワークに対する異物であり、接触ネットワークの機械的および電気的特性に影響を与えるだけでなく、電源障害やボウネット障害を引き起こし、トリップや停電につながる可能性があります。

このため、大雪や強風でも運行可能な高速列車も、凍結雨に遭遇すると運行に支障が出る可能性がある。鉄道当局はこのような天候で高速列車を運行したくないわけではないが、運行を余儀なくされれば、より大きなリスクを伴うことになる。

02 緑の電車は「立ち上がる」：普通の電車はなぜ凍雨を恐れないのか？

高速列車が故障し、「先祖」の緑色の列車がその役割を引き継ぎ、高速列車を牽引した。高速鉄道は繊細すぎるのでしょうか？いいえ！時速350kmで安定して走行できる高速列車が、どうしてこんなに繊細なのでしょうか？従来の列車はより耐久性がありますか?いいえ！緑色の外装の列車が鉄道部門の「緊急ディーゼルホットスタンバイ機関車」と呼ばれる根本的な理由は、「列車の速度」と「牽引方式」という2つの要素にあります。

東風4号ディーゼル機関車。ギャラリー内の画像は著作権で保護されています。転載して使用すると著作権侵害の恐れがあります。

まずは「牽引法」についてお話しましょう。現在、鉄道列車の牽引方式にはディーゼルと電気の 2 つが一般的です。蒸気機関車は2005年にすべて廃止されたため、カウントされません。ディーゼルで動く機関車はディーゼル機関車、連絡網で動く機関車は電気機関車です。我が国では、2022年までに鉄道電化率が73.8％に達し、高速鉄道も普通客車もほとんどが電気牽引であるため、内燃機関を使用する普通客車はますます少なくなっています。

電気牽引は優れていますが、凍結雨などの極端な天候の影響を受けやすいです。ディーゼル機関車は環境にあまり優しくなく、牽引力も若干劣りますが、極端に悪天候に遭遇したときには非常に役立ちます。これは、南部の凍雨の際にディーゼル機関車が高速鉄道の救助活動に使用された理由の 1 つでもあります。

もう一つの要素である「列車の速度」は理解しやすいです。線路が滑りやすいので、列車はスピードを出して走ることができません。逆に、速度が遅い普通の旅客列車であれば、このような環境に適応することができます。列車の速度が遅いほど、悪天候時の安全率は高くなります。

03高速鉄道は凍結雨危機をどのように解決するのか？

雨や雪が降ることが多い中国東北部や内モンゴルでは、鉄道部門は列車の安全な運行を確保するために毎年、悪天候の雨や雪に対処しなければなりません。そこで、敵を倒すための「魔法の武器」を一式揃え、一見厄介な凍雨を沿線の美しい風景に変えました。

連絡網の防氷と除氷- 鉄道電力連絡網の凍結雨災害への対策には、防氷と除氷の 2 つがあります。防氷は予防措置ですが、除氷は受動的な対応です。トロリ線に電熱式、光熱式、氷融解式、疎水性の防氷コーティングを施すことで氷結防止対策を講じることができ、これを「電熱式防氷コーティング」と呼びます。導電性フィラーを添加すると、半導体コーティング内に漏れ電流が流れ、ジュール熱、電界効果熱などが発生し、コーティングが加熱されて一定の温度を維持し、防氷効果が得られます。

電力供給部門の作業員は、ウィンドウ期間中に鉄道連絡ネットワーク機器の除氷作業を実施しました。

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もう一つの防氷対策は「現在の熱オンライン防氷技術」です。簡単に言えば、列車が走っている限り、連絡網には電流が流れます。電流によって熱エネルギーが発生し、電線の凍結を防ぐことができます。しかし、この方法には明らかな欠点もあります。走行する列車の数が少なすぎると、電線に流れる電流が断続的になり、氷結防止効果が低下します。

また、「連絡網結氷早期警報監視」装置という装置もあり、我が国の連絡網が結氷しやすい地域の地形データ、気候データ、結氷データを収集することができます。気象衛星と地上局を利用し、スーパーコンピューティングセンターを活用して、ディスプレイ画面上にさまざまな解像度の精度に基づいてグリッドを形成し、グリッドベースの微地形エリア接触ネットワークの着氷プロセス監視を実現し、影響を受ける線区を自動的に反転します。これは積極的な予防策でもあります。

連絡網の除氷に関しては、さまざまな方法があります。たとえば、最も直接的な方法は、人を派遣して氷を手で叩き落とすことです。より高度な方法としては、ロボットを使った除氷、風力を使った除氷、化学薬品を使った氷の融解、マイクロ波、レーザー装置などを使う方法があります。八仙人は海を渡り、それぞれが魔法の力を発揮しました。

EMU の除氷- EMU は精密機器であり、長時間にわたって手動で叩いたり叩いたりして除氷することは絶対に適切ではないため、インテリジェントな除氷装置の開発は当然のことです。例えば、ハルビン鉄道局集団有限公司が独自に設計開発したHTK-CBXO高冷高速鉄道融氷・除雪装置は、操作に必要なのはわずか2人で、1時間で8両の電車の融氷作業を完了することができます。従来、同じ量の作業には16人が4時間かかっていたが、EMUの氷融解効率は大幅に向上した。

分岐器の除氷- 分岐器は線路システムの重要な設備の 1 つであり、列車の線路変更を担っています。極寒の北部地域では、我が国の放水路の融雪と除氷は主に電気加熱によって行われています。例えば、RD1 電気加熱分岐器融雪システムは鉄道システムで広く使用されています。この装置の主な動作原理は、電気加熱によって分岐器の温度を上昇させ、雪を溶かして氷を取り除くことです。このタイプの分岐器式融雪装置は、作業効率は良好ですが、動作中に大量の電力を消費する、まさに「電力を大量に消費する」装置です。そのコストは依然として高く、もはや現代の鉄道の高速発展のニーズを満たすことができません。

列車の乗務員は分岐器の氷を溶かすためにバーナーを使用します。画像出典：新華網

近年、鉄道の科学技術者は気象情報と列車運行計画に基づいたインテリジェントな融雪システムを開発しました。気象ステーションを使用すると、システムの自動起動と停止を実現できます。列車運行計画データに基づいて、駅内の対応する分岐器動作起動シーケンステーブルを照会し、進入経路上の分岐器を事前に加熱して融雪することができます。これにより、既存のシステムの手動起動と起動後に駅内のすべての分岐器を加熱する制御モードが変更され、システムの自動起動と停止、省エネと消費量の削減が実現されます。

工学材料と情報技術の継続的な進歩により、鉄道部門はより効率的で省エネな除氷装置を開発し、高速鉄道の安全な運行を確保できると信じています。

年の瀬も近づいてまいりましたが、年末年始に帰省される皆様が無事に到着されますようお祈り申し上げます。

著者: 王林、上級鉄道技師、中国作家協会会員、中国科学作家協会会員、天津科学作家協会理事

レビュアー: 中国鉄道設計グループの電化専門家、趙紅宇

制作：中国科学普及協会

制作：中国科学技術出版社、中国科学技術出版社（北京）デジタルメディア株式会社