電氣化鐵路接觸線的選用.doc

電氣化鐵路接觸線的選用 摘要：根據(jù)電氣化鐵路接觸網(wǎng)用接觸線的要求，結(jié)合各種類型接觸線的使用現(xiàn)狀。從接觸線的導(dǎo)電率、抗拉強(qiáng)度、耐磨性等技術(shù)特性對(duì)目前的接觸線進(jìn)行比較分析，從中選擇具有優(yōu)異綜合性能的接觸線。 關(guān)鍵詞：電氣化鐵路 接觸線 接觸網(wǎng)一、 引言 眾所周知，接觸線是高速列車牽引供電系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，也是我國(guó)發(fā)展高速鐵路所面臨的關(guān)鍵技術(shù)之一，其直接影響列車的運(yùn)行安全和速度。通過接觸線向高速列車輸送電能并使其得到源源不斷的能量，才有可能創(chuàng)造列車“貼地飛行”的速度。 為了確保列車高速運(yùn)行時(shí)能夠持續(xù)不斷地從牽引供電系統(tǒng)中得到電能，必須擁有良好的弓網(wǎng)配合關(guān)系，否則，接觸線將可能因?yàn)檎駝?dòng)、溫差變化、電火花燒蝕等因素而導(dǎo)致列車斷電，這成為限制高速列車速度的一個(gè)瓶頸。改善弓網(wǎng)關(guān)系的重要手段之一就是提高接觸線的張力，使接觸線振動(dòng)迅速減，從而減小振動(dòng)對(duì)受流的影響，同時(shí)，還必須兼顧接觸線的高導(dǎo)電率。二、 接觸網(wǎng)用接觸線的發(fā)展 高速電氣化列車實(shí)際的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)列車的運(yùn)行速度在波動(dòng)傳播速度的70%以下時(shí)，可以達(dá)到穩(wěn)定的受流狀態(tài)。電力機(jī)車受電弓沿接觸線高速滑動(dòng)時(shí)，引起接觸線上、下振動(dòng)的橫波，其波動(dòng)傳播速度vc與接觸線的架線張力和線密度（單位長(zhǎng)度的重量）有關(guān)：Vc=式中，Vc接觸線的波動(dòng)傳播速度；接觸線的架線張力接觸線的線密度因此速度的提高，接觸線的架線張力必須增加或者降低線密度。接觸線允許使用的架線張力與接觸線的拉斷力（抗拉強(qiáng)度面積）有關(guān)，籍增加接觸線的拉斷力，并不能降低值（行車速度與波動(dòng)傳播速度之比）。再考慮接觸線允許的磨耗和安全系數(shù)等因素，實(shí)質(zhì)是必須提高接觸線的抗拉強(qiáng)度。線密度與接觸線的比重和面積有關(guān)。同種材質(zhì)，面積增加，線密度也增加，銅、鋼和鋁的比重分別為-3、-3、-3，因此，籍不同材質(zhì)或調(diào)節(jié)不同材質(zhì)的面積比構(gòu)成復(fù)合型接觸線有望提高抗拉強(qiáng)度或降低線密度。由于由于列車速度的提高，尤其在受電弓通過定位點(diǎn)、分相、接頭及接觸線高度變化處時(shí)，易形成離線而產(chǎn)生電弧，使接觸線溫度升高、機(jī)械強(qiáng)度下降、電 燒蝕損耗和機(jī)械磨耗增加，因而要求提高接觸線的 耐高溫性能、耐磨性能和平直度。 電氣化列車要具有高速和重載的能力，接觸線必須提高載流能力。接觸線的載流量與線的導(dǎo)電率、截面積、環(huán)境條件和最高工作溫度有關(guān)。它也直接影響接觸網(wǎng)在長(zhǎng)期使用條件下接觸線的抗拉強(qiáng)度，疲勞性能和蠕變性能。提高接觸線的導(dǎo)電率和增加截面可增加載流量，但對(duì)金屬而言，銅、銅合金、鋁和鋼的導(dǎo)電率是依次下降的，而且往往導(dǎo)電率和抗拉強(qiáng)度是相互矛盾的，只有復(fù)合金屬接觸線可調(diào)整兩種金屬的面積比，并在一定范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)它的強(qiáng)度和導(dǎo)電率。接觸線截面的增加，也增加了整個(gè)接觸網(wǎng)的重量，因此在接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)中從機(jī)械和電氣角度出發(fā)，還存在著“最佳接觸線截面”的選擇問題，一旦“最佳截面”選定后，不管是否符合現(xiàn)行接觸線標(biāo)準(zhǔn)中的截面等級(jí)規(guī)范，但從制造上看是不會(huì)有太大問題的。綜上所述，根據(jù)高速電氣化列車對(duì)接觸線的要求，各國(guó)的高速電氣化鐵路綜觀。對(duì)它們?cè)u(píng)價(jià)的主要指標(biāo)體現(xiàn)在：常溫抗拉強(qiáng)度、比強(qiáng)（抗拉強(qiáng)度與線密度之比）、高溫抗拉強(qiáng)度、導(dǎo)電率、線密度、載流量和行車速度與波動(dòng)傳播速度之比（）。表1 高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)用接觸線的性能、設(shè)計(jì)參數(shù)和可能的選擇1、 抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電率往往是矛盾的，強(qiáng)度越高，導(dǎo)電率越低，接觸線也越硬，給制造和架線帶來(lái)較多的不適應(yīng)性?？估瓘?qiáng)度要在600N.mm-2以上，導(dǎo)電率又要在80%以上，如表1所示，目前現(xiàn)有的銀銅、錫銅、鎂銅、鉻鋯銅、鋁包鋼和銅包鋼接觸線均達(dá)不到上述要求，看來(lái)需進(jìn)一步研討可行的指標(biāo)。2、 接觸線的允許最高工作溫度，在高速接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)中有著重要的作用，但在要求中沒有明確的指標(biāo)，它直接關(guān)系到線的載流量、截面、經(jīng)濟(jì)電流密度、高溫抗拉強(qiáng)度、耐磨性、蠕變性能和耐疲勞性能。如果允許最高工作溫度以300衡量，那么高溫抗拉強(qiáng)度下降率，低于10%也是需要努力的。3、 一般而言，材質(zhì)抗拉強(qiáng)度（高溫抗拉強(qiáng)度）高而不脆，其耐磨性能和疲勞性能也高。如上所列，各種銅合金和復(fù)合金屬接觸線，其耐磨性能應(yīng)不低于銅接觸線。 接觸線耐腐蝕性能的好壞，與架線的環(huán)境條件密切相關(guān)。一般而言，純金屬的耐腐蝕性能要比合金和復(fù)合金屬為好，而且復(fù)合金屬還存在著兩種不同金屬相接觸的電化腐蝕問題，因此，在接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)不同的綜合條件，選用合適的接觸線，對(duì)特殊的環(huán)境，如我國(guó)大西南地區(qū)在隧道中架設(shè)的接觸線等應(yīng)作特殊的選線處理。三、接觸網(wǎng)用接觸線的選型 隨著電氣化列車速度的提高，在設(shè)計(jì)開發(fā)高速接觸網(wǎng)的同時(shí)，在銅合金和復(fù)合金屬型接觸線中不斷研究開發(fā)了新的接觸線，但對(duì)高速接觸網(wǎng)用的接觸線而言國(guó)外也尚處于試驗(yàn)和試用的階段，只是比我國(guó)先走了一步。我國(guó)應(yīng)根據(jù)國(guó)外和自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國(guó)接觸線制造廠的可能條件進(jìn)行研究開發(fā)和生產(chǎn)。中國(guó)地域廣闊、地理和氣候條件不一，看來(lái)只開發(fā)一種高速和準(zhǔn)高速用的接觸線以覆蓋全國(guó)是不太現(xiàn)實(shí)的，但開發(fā)太多，也可能會(huì)影響投資效益。（一） 銅合金型接觸線1、 純銅接觸線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)退火工業(yè)純銅的導(dǎo)電率為100%，是工業(yè)實(shí)用的導(dǎo)電性能最好的金屬材料。但其機(jī)械強(qiáng)度卻很低，約為250MPa。軟態(tài)的工業(yè)純銅經(jīng)過冷加工強(qiáng)化抗拉強(qiáng)度可強(qiáng)達(dá)到350Mpa。這就是我們通常使用的110mm2硬拉純銅接觸線其拉斷力可達(dá)到38.5KN。接觸線在正常工作時(shí)，受電弓滑板高速通過的機(jī)械摩擦生熱，機(jī)車通過受電弓滑板取流接觸電阻產(chǎn)生熱量，離線的電弧、火花以及機(jī)車啟動(dòng)、爬坡及事故大電流等因素都使接觸線的工作表面處于局部過熱狀態(tài)而產(chǎn)生軟化，造成強(qiáng)度和表面硬度下降，磨損加速等問題。出現(xiàn)這樣問題的純銅接觸線的強(qiáng)度只剩下原有強(qiáng)度的60%左右，而銅合金接觸線的強(qiáng)度則仍能保有原來(lái)強(qiáng)度的90%以上。多遍用于未改造的普速鐵路，近年已逐漸被其他類型接觸線取代。2、 銅銀合金接觸線 銀銅材質(zhì)的梯形銅排，電纜行業(yè)早有生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)現(xiàn)已生產(chǎn)和標(biāo)準(zhǔn)化（鐵道系統(tǒng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）的銀銅和錫銀銅接觸線，按其性能已和德國(guó)產(chǎn)銀銅接觸線相當(dāng)，但在接觸線的平直度上尚需稍作改進(jìn)提高，以降低受電弓和接觸線的離線率。這類線，根據(jù)德國(guó)在Rc-250型接觸網(wǎng)中使用時(shí)速可達(dá)250Km。而且該類型接觸線耐熱較高適用于絕大多數(shù)中高速鐵路以及近年來(lái)現(xiàn)有鐵路提速改造區(qū)段。3、 錫銅合金接觸線 日本早先在電氣化鐵路上也采用銀銅接觸線，后來(lái)采用含0.3%左右錫的錫銅接觸線。我國(guó)已列入行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的錫銅接觸線，抗拉強(qiáng)度接近銀銅接觸線，但導(dǎo)電率稍低（70%） ，根據(jù)工程中接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)的具體要求，也許可用于時(shí)速在200Km.h以下的接觸網(wǎng)中。且同等合金含量的銅錫合金接觸線的使用壽命是銅銀合金接觸線的1.2倍。 目前日本開發(fā)出了GT SN型接觸線，以適應(yīng)日本電氣化鐵路高速、高壽命的要求，增加了錫元素含量,因強(qiáng)度大幅提高,高溫下的抗拉強(qiáng)度與延伸率也得到改善的同時(shí),耐磨性比普通銅錫合金接觸線更加優(yōu)異,經(jīng)過使用證明,在300km/h的高速鐵路運(yùn)行中具有良好的集電性能和運(yùn)行安全性。在我國(guó)武漢合肥客運(yùn)專線中使用，其設(shè)計(jì)時(shí)速為250Km.h。 3、銅鎂合金接觸線目前的抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電率可分別達(dá)到503N.mm-2和68.1%，目前，我國(guó)時(shí)速300Km/h以上的高速鐵路都采用銅鎂合金接觸線，這種同鎂合金接觸線與德國(guó)、法國(guó)所采用的接觸線相比較，所采用的生產(chǎn)工藝不同，導(dǎo)致其在性能上更加優(yōu)越。我國(guó)在武廣高鐵、石家莊至武漢、鄭西客運(yùn)專線，京津城際鐵路廣泛使用，其設(shè)計(jì)時(shí)速均為350Km.h.4、 銅鋯合金接觸線 銅鋯鉻合金接觸線就制造工藝上講，省略了通常的高溫固溶熱處理設(shè)備及復(fù)雜工序，產(chǎn)品可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)高導(dǎo)特性，抗拉強(qiáng)度為540Mpa600Mpa，相對(duì)導(dǎo)電率為75%84%IACS，在4000C軟化退火兩小時(shí)后強(qiáng)度下降不超過10%。該高強(qiáng)高導(dǎo)接觸線在延伸率、熱軟化抗力、載流量、耐磨性能、沖擊韌性及強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕性能優(yōu)良，綜合性能已全面超過了錫銅合金接觸線和銅鎂合金接觸線，并且，在京滬高鐵導(dǎo)段，該產(chǎn)品經(jīng)受了運(yùn)營(yíng)鐵路試驗(yàn)486.1Km.h最高時(shí)速的考驗(yàn)，但對(duì)生產(chǎn)工藝要求較高，要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)難度比較大。5、 鎘銅合金接觸線 鎘銅有比較高的抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電率，但在生產(chǎn)中因鎘有毒，危害人體，因此在環(huán)保和勞保還沒有妥善解決的條件下，是難于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的。 （二）、復(fù)合金屬接觸線 1、鋁鋼復(fù)合接觸線我國(guó)通過改型生產(chǎn)的GGLN-250鋁包鋼接觸線有較多的生產(chǎn)和使用經(jīng)驗(yàn)。繼中國(guó)之后日本也研制和試用了TA-196鋁包鋼接觸線。根據(jù)高速接觸網(wǎng)用接觸線的要求，這兩種鋁包鋼接觸線，抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電率都比較低（表1） ，分別達(dá)到216 N.mm-2、350 N.mm-2和46.3%、46.5%但它們的拉斷力不低，分別為54KN和68.6KN，而且線密度也比較低。在20世紀(jì)90年代以前，由于國(guó)內(nèi)有色金屬的緊缺，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多。目前運(yùn)行速度較高的線路都不推薦使用，目前國(guó)內(nèi)在朔州-黃驊港鐵路有應(yīng)用。2、銅包鋼接觸線GT-GS-100和GT-GSD-11銅包鋼接觸線是由日本采用浸涂法研究開發(fā)的新產(chǎn)品，擬在時(shí)速300Km.h的高速接觸網(wǎng)中使用，目前已進(jìn)入試運(yùn)行階段，并達(dá)到了預(yù)期的效果。這兩種接觸線通過調(diào)整銅、鋼面積之比，以獲得不同的強(qiáng)度和導(dǎo)電率供工程設(shè)計(jì)選擇和試用。前者的抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電率分別為655 N.mm-2和 60.2%，后者則分別為493 N.mm-2和81.1%。用浸涂法制造無(wú)氧銅桿，我國(guó)有引進(jìn)設(shè)備和 正常的生產(chǎn)規(guī)范，如果生產(chǎn)允許和投資效果明顯，擴(kuò)大研究開發(fā)銅包鋼接觸線是有基礎(chǔ)的，至于用浸涂法制造銅包鋼桿和線，我國(guó)也有一定的實(shí)踐，問題是尚需針對(duì)銅包鋼接觸線進(jìn)行設(shè)備改造、工藝改進(jìn)和產(chǎn)品開發(fā)。 四、各國(guó)接觸線使用現(xiàn)況1、 純銅接觸線：目前在未改造的低速線路中，礦山，工廠使用較多。2、 銀銅合金接觸線：德國(guó)時(shí)速為250km.h區(qū)段，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有線路改提速線路（時(shí)速為160200km.h）使用。3、 錫銅合金接觸線：日本新干線中使用使用率達(dá)到80%以上，在其他各國(guó)都有使用（如：法國(guó)、澳大利亞等）4、 鎂銅合金接觸線：我國(guó)時(shí)速為300km.h以上的高速鐵路中均以使用，國(guó)外高速鐵路中使用較為廣泛。5、 銅鋯合金接觸線：目前處于試驗(yàn)階段，試驗(yàn)時(shí)速已達(dá)到486.1Km.h。是目前接觸線發(fā)展目標(biāo)之一。6、 鎘銅合金接觸線：導(dǎo)電率以及抗拉強(qiáng)度都較高，但是鎘有毒，無(wú)法廣泛使用。7、 鋁鋼接觸線：目前已經(jīng)被淘汰，在個(gè)別地區(qū)有使用。8、 銅包鋼接觸線：導(dǎo)電率和抗拉強(qiáng)度都達(dá)到理想要求，日本正處于試運(yùn)行階段。目前接觸線發(fā)展目標(biāo)之一。 五、結(jié)論以及建議1、銅合金接觸線已成為接觸網(wǎng)用接觸線的主流，純銅接觸線已經(jīng)被淘汰。2、普速鐵路以及普通客運(yùn)線路中錫銅、銀銅合金接觸線為使用的主流方向。3、高速鐵路中銅鎂合金接觸線為主流方向。4、同時(shí)我們應(yīng)大力發(fā)展銅鋯合金接觸線以及銅包鋼接觸線，以應(yīng)對(duì)今后高速鐵路的發(fā)展。六、結(jié)語(yǔ)我國(guó)地域遼闊,地理與氣候條件多樣化,隨著電氣化鐵路的不斷發(fā)展,對(duì)鐵路運(yùn)行安全性要求將進(jìn)一步提高,具有檢知接觸線異常加熱、斷線和磨耗程度的功能型接觸線也將會(huì)成為研發(fā)和使用的新趨勢(shì)。參考文獻(xiàn)1 張強(qiáng)中、高速電氣化鐵路接觸線的選擇.鐵道機(jī)車車輛,1997.42 吉鵬宵 張桂林 電氣化鐵路接觸網(wǎng)