鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌電性能探討

李增勤

鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌電性能探討

李增勤

以3 000 A鋼鋁復(fù)合接觸軌為例，通過理論分析計(jì)算、試驗(yàn)對(duì)比，研究影響載流量、溫升的主要因素，提出允許溫度110℃、允許溫升70℃、試驗(yàn)時(shí)吹風(fēng)的電性能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

載流量；允許溫度；允許溫升；吹風(fēng)；試驗(yàn)

0 引言

城市軌道交通是解決城市公共交通問題的重要手段，由于我國(guó)起步較晚，相關(guān)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)缺失?？上驳氖亲》颗c建設(shè)部已經(jīng)開始組織開展相關(guān)工作并取得了一定的進(jìn)展，為引導(dǎo)、規(guī)范行業(yè)發(fā)展起到了積極作用。其中城市軌道交通接觸網(wǎng)供電設(shè)備，對(duì)比電氣化鐵道接觸網(wǎng)供電設(shè)備的高電壓25 kV、小電流（一般交流500 A左右），其特點(diǎn)是低電壓1.5 kV、大電流（一般直流3 000 A左右）。眾所周知，電氣設(shè)備的發(fā)熱與其電流的平方成正比，因此研究確定城市軌道交通接觸網(wǎng)供電設(shè)備適宜的電氣參數(shù)尤為重要。作為城市軌道交通的一種主要的供電制式，鋼鋁復(fù)合軌以武漢地鐵一號(hào)線為標(biāo)志，引入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)已經(jīng)十年多，其電壓等級(jí)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《地鐵直流牽引供電系統(tǒng)》規(guī)定有DC 1 500 V和DC 750 V兩種制式，按照載流要求有3 000、4 000、4 500 A等規(guī)格，其中以3 000 A使用范圍最廣。本文以3 000 A規(guī)格的鋼鋁復(fù)合軌為代表，著重探討影響載流量、溫升的主要因素，從而科學(xué)確定產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)條件，希望能起到拋磚引玉的作用，共同促進(jìn)行業(yè)的健康發(fā)展。

1 行業(yè)內(nèi)類同產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)概述

（1）CJ/T414-2012《城市軌道交通鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌技術(shù)要求》。該標(biāo)準(zhǔn)于2012年12月由住房城鄉(xiāng)建設(shè)部批準(zhǔn)為城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，自2013年4月1日起實(shí)施。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定“3 000 A型持續(xù)載流量環(huán)境溫度40℃，4h，軌溫≤85℃”。附錄B2.5溫升試驗(yàn)規(guī)定的方法為“將5 m長(zhǎng)的鋼鋁復(fù)合軌及其零部件安裝在支持絕緣子上，兩端用電纜連接板與母線連接，在鋼鋁復(fù)合軌及其零部件的中間位置，在膨脹接頭的鋼帶、鋁軌腰部、鋁軌底面、普通接頭、電纜連接板處粘貼熱電偶，通過熱電偶測(cè)量溫度。試驗(yàn)時(shí)首先記錄環(huán)境溫度T及各測(cè)點(diǎn)溫度，然后施加額定電流（直流），每0.5 h測(cè)量一次溫度，連續(xù)測(cè)量3次溫度，3次溫差不超過1℃時(shí)的平均溫度值作為該點(diǎn)的實(shí)測(cè)穩(wěn)態(tài)溫度”。

（2）TB/T 3252-2010《電氣化鐵路接觸網(wǎng)匯流排》。該標(biāo)準(zhǔn)第5.5.2節(jié)電氣性能規(guī)定“匯流排、匯流排終端及其中間接頭夾持接觸線后在額定電流作用下，允許最高溫度不大于120℃”。試驗(yàn)方法要求：“6.1.1節(jié)在沒有特殊指定的情況下，試驗(yàn)在常溫下進(jìn)行；6.1.2節(jié)電氣性能試驗(yàn)時(shí)，環(huán)境溫度為20℃±5℃，空氣濕度不大于80%，試驗(yàn)對(duì)風(fēng)速無要求時(shí)，為室內(nèi)靜止環(huán)境，試驗(yàn)對(duì)風(fēng)速有要求時(shí)，按照設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)要求不明確時(shí)風(fēng)速為不大于0.6 m/s”。

（3）TB/T 2073-2010《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件技術(shù)條件》。該標(biāo)準(zhǔn)第5.5節(jié)零部件電氣性能中規(guī)定“……不同材質(zhì)的零件允許最高溫度不得超過下列數(shù)值：鋁鎂硅合金為125℃，其余鋁合金為90℃……”。

300～350 km/h《電氣化鐵路接觸網(wǎng)裝備暫行技術(shù)條件》、200～250 km/h《電氣化鐵路接觸網(wǎng)裝備暫行技術(shù)條件》基本上延用了TB/T 2073的相關(guān)規(guī)定。

（4）TB/T 2074-2010《電氣化鐵道接觸網(wǎng)零部件試驗(yàn)方法》。該標(biāo)準(zhǔn)第5.12節(jié)溫升試驗(yàn)規(guī)定“溫升試驗(yàn)在室內(nèi)無日照條件下進(jìn)行，環(huán)境溫度為20℃±5℃，試驗(yàn)對(duì)風(fēng)速無要求時(shí)，為室內(nèi)靜止環(huán)境，對(duì)風(fēng)速有要求時(shí)，按照設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)要求不明確時(shí)風(fēng)速不大于0.6 m/s…零部件以各點(diǎn)最高溫度小于或等于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的最高允許使用溫度值且溫升不超過接續(xù)線索溫升為合格?！?/p>

各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定匯總?cè)绫?。

表1 接觸網(wǎng)鋁合金產(chǎn)品溫升要求匯總表

表1顯示，采用鋁合金材料的不同制式接觸網(wǎng)產(chǎn)品，在不同的標(biāo)準(zhǔn)中，其載流量相差懸殊，特別是功能與接觸軌幾乎完全相同的匯流排，在有效載流面積小了54%的情況下，其載流量反而增大了14%。分析原因，匯流排的孔洞型結(jié)構(gòu)相比接觸軌的工字型結(jié)構(gòu)具有更大的比周長(zhǎng)（即斷面的周長(zhǎng)與斷面的面積之比）外，最根本的原因就是二者的允許溫升（溫度）有很大的差別，在試驗(yàn)方法上，是否允許吹風(fēng)也起到了重要的作用。下面通過詳細(xì)的計(jì)算分析來研究究竟那個(gè)要求更科學(xué)合理。

2 載流量和溫升的設(shè)計(jì)計(jì)算原則

載流量是接觸網(wǎng)經(jīng)受熱負(fù)荷必須具備的特性，這也稱為耐熱穩(wěn)定性或熱負(fù)荷容量。持續(xù)載流量是接觸網(wǎng)重要的特征，在城市軌道交通實(shí)際應(yīng)用時(shí)，運(yùn)行電流隨行車密度、編組大小等因素的變化而變化，在時(shí)間上是一個(gè)相對(duì)規(guī)律的變量。

2.1 適用于戶內(nèi)（隧道內(nèi)）載流量的計(jì)算

戶內(nèi)（隧道內(nèi)）的載流量可按下式計(jì)算：

式中，A為截面積；α為熱傳系數(shù)；U為斷面周長(zhǎng)；?lim為最高允許溫度；?air為環(huán)境/大氣溫度；Pin為施加在單位長(zhǎng)度上的外部特定熱能；e20為20℃時(shí)電阻率；αR為材料的電阻溫度系數(shù)。

由式（1）可知，導(dǎo)體的恒定電流It（即t→∞）取決于導(dǎo)體限定溫度?lim。

2.2 戶外載流量的計(jì)算

根據(jù)《電氣化鐵道接觸網(wǎng)》，戶外載流量可按下式計(jì)算：

式中，I為連續(xù)直流載流量；A為截面積；U為周長(zhǎng)；K為綜合影響常數(shù)，根據(jù)國(guó)外廠家介紹資料，其值等于k1×k2×k3×k4，其中k1為與導(dǎo)電率有關(guān)的因數(shù)，一般取0.96，k2為與環(huán)境溫度有關(guān)的因數(shù)（表2），k3為與允許溫升有關(guān)的因數(shù)（表3），k4為與環(huán)境有關(guān)的因數(shù)，用于室外安裝時(shí)k4= 1.15。《電氣化鐵道接觸網(wǎng)》手冊(cè)中K值為k1×k2×k3× k4×k5，ki的含義不盡相同，計(jì)算結(jié)果也略有差異。

表2 k2與環(huán)境溫度有關(guān)的因數(shù)值表

表3 k3與允許溫升有關(guān)的因數(shù)值表

注：斜體部分為根據(jù)前面的數(shù)據(jù)擬合的結(jié)果值。

根據(jù)式（1）和式（2），影響持續(xù)載流量、溫升的因素主要包括2方面：一是導(dǎo)線自身方面的，包括材料的導(dǎo)電率、電阻溫度系數(shù)、載流面積、導(dǎo)線周長(zhǎng)（導(dǎo)線斷面結(jié)構(gòu)）；二是外部的，包括最高允許溫度、允許溫升、環(huán)境/大氣溫度、空氣流通性等。實(shí)際使用時(shí)還必須考慮行車密度、編組數(shù)量、有無日照、風(fēng)雨雪，支持、懸掛等裝置的熱變形溫度等。

以3 000 A型鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌為例，經(jīng)過多年的研究和實(shí)踐，其材質(zhì)基本確定為Al-Mg-Si系合金6101B，屬于熱處理可強(qiáng)化合金，使用狀態(tài)T6，斷面結(jié)構(gòu)基本上工字型，導(dǎo)電率55%左右。下面重點(diǎn)討論其它因素。

2.3 允許溫升（最高允許溫度）的影響因素

最高允許溫度和允許溫升從嚴(yán)格意義上講是兩個(gè)概念，前者主要是從材料本身的角度考慮，確保長(zhǎng)期使用條件下材料的性能穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。例如TB/T 2073-2010《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件技術(shù)條件》中規(guī)定，材料的最高允許溫度銅質(zhì)為95℃，鋁青銅合金為125℃，銅鎳硅合金為150℃，鋁質(zhì)為80℃，鋁鎂硅合金為125℃，其余鋁合金為90℃，鋼質(zhì)為125℃。超出規(guī)定溫度，材料的性能可能會(huì)顯著下降，產(chǎn)品會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)塑變等而導(dǎo)致失效。最高允許溫度不會(huì)因?yàn)榄h(huán)境溫度的變化而變化，即在任何情況下，該溫度限不能突破。

個(gè)別國(guó)外廠家提到鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌瞬時(shí)短路溫度允許為200℃。

允許溫升主要是從工作時(shí)電流的熱效應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)果來考慮，環(huán)境溫度低，允許的溫升就可以大，環(huán)境溫度高，允許的溫升就相對(duì)小。同樣一個(gè)產(chǎn)品，在東北地區(qū)使用和在華南地區(qū)使用，其允許的溫升可能相差很大，但最高允許溫度是相同的。在確定技術(shù)條件時(shí)，二者要結(jié)合考慮使用。為方便起見，以式（2）為代表，取環(huán)境溫度40℃，計(jì)算不同允許溫升條件下3 000 A型鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌的載流量，其值見表4，其中截面積A取385 mm2，周長(zhǎng)取470 mm。

表4 不同允許溫升時(shí)3 000 A型鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌的載流量及增幅增加率表

分析表4可知，在環(huán)境溫度40℃時(shí)，允許溫升45℃，理論載流量為4 29 1（3 882）A。如果允許溫升增加5℃，則理論載流量為4 572 A，增幅為6.5%，增加10℃，則達(dá)到13.1%。如果允許溫升與匯流排相同取75℃，則載流量增幅可達(dá)到39.3%。根據(jù)表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，行業(yè)內(nèi)鋁鎂硅合金的允許溫升最小為75℃，其他鋁合金也達(dá)到了65℃。這些產(chǎn)品使用條件與鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌有的相當(dāng)，有的更為惡劣，都得到了廣泛應(yīng)用，且均經(jīng)過了長(zhǎng)期的實(shí)踐檢驗(yàn)證明是可靠的。

工程材料手冊(cè)表明，同屬Al-Mg-Si系合金的6A02鋁合金“加熱溫度≤170℃，保溫10～15 h或加熱溫度≤180℃，保溫3～5 h，不致影響力學(xué)性能”。

在溫度變化不大的范圍內(nèi)，鋁合金的電阻率隨溫度作線性變化，在一定溫度范圍內(nèi)，鋁合金的電阻率溫度系數(shù)可以認(rèn)為不變，則溫度由20℃上升至120℃時(shí)，電阻率增加約4%。圖1顯示了6101/T6合金電阻率隨溫度上升的變化關(guān)系，在350℃以內(nèi)，電阻率隨溫度的變化近乎為直線。單純從允許溫升的角度看，鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌在環(huán)境溫度為40℃時(shí)，允許溫升可以取75℃。表5顯示力學(xué)性能在溫度由24℃上升至100℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度Rm下降了13%，屈服強(qiáng)度Re下降了11%，伸長(zhǎng)率A提高了5%。綜合考慮力學(xué)性能與電氣性能，建議絕對(duì)溫度取不大于110℃，允許溫升值不大于70℃。

圖1 10±1℃/min升溫過程中電阻率的變化曲線圖

表5 6101/T6合金力學(xué)性能與溫度關(guān)系表

2.4 熱傳系數(shù)的影響因素

根據(jù)式（1），在特定材料導(dǎo)線的斷面周長(zhǎng)（即形狀）、截面積、環(huán)境溫度、最高允許溫度等條件確定時(shí)，其電阻率、電阻溫度系數(shù)亦是固定的，則導(dǎo)線的允許恒定電流It與熱傳系數(shù)α 的平方根成正比。式（2）中，雖然沒有說明數(shù)學(xué)關(guān)系，但系數(shù)k2、k4均與環(huán)境有關(guān)。因此研究討論環(huán)境影響因素具有重要的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)意義。同樣為了方便起見，以式（1）為代表，重點(diǎn)研究探討熱傳系數(shù)α 的影響因素。

熱傳系數(shù)表示的是流體或物體與物體之間，單位時(shí)間單位面積上的傳熱量，其物理意義是描述物體的熱慣性，熱傳系數(shù)越大表示熱慣性越小，物體達(dá)到與周圍環(huán)境熱平衡的狀態(tài)越快。對(duì)于鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌產(chǎn)品來說，不希望熱量聚集，散熱能力越大越好，即熱傳系數(shù)越大越好。由于文獻(xiàn)中關(guān)于鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌產(chǎn)品的研究較少，故以相關(guān)接觸線的資料做參考。

研究分析表6、表7數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)：

（1）環(huán)境溫度相同時(shí)，隨著導(dǎo)線溫度的升高，熱傳系數(shù)變大；

（2）導(dǎo)線溫度相同時(shí)，隨著環(huán)境溫度的升高，熱傳系數(shù)變?。?/p>

（3）導(dǎo)線溫度、環(huán)境溫度確定，有無風(fēng)時(shí)熱傳系數(shù)變化急劇。

表6 AC-120銅接觸線熱傳系數(shù)表

表7 AC-100銅接觸線熱傳系數(shù)表 單位：W/(℃·m2)

導(dǎo)線溫度在前文已經(jīng)討論，環(huán)境溫度在行業(yè)內(nèi)也已經(jīng)基本形成共識(shí)，風(fēng)的影響因素較大。在表6中，微風(fēng)環(huán)境時(shí)與無風(fēng)環(huán)境時(shí)相比，熱傳系數(shù)增加量最小為37%，最大達(dá)91%；計(jì)算為載流量，則增幅最小為17%，最大增幅達(dá)38%，平均增幅為26%。表7顯示了不同環(huán)境溫度、不同導(dǎo)線溫度情況下，熱傳系數(shù)隨風(fēng)速變化情況。當(dāng)由無風(fēng)至風(fēng)速1 m/s時(shí)，熱傳系數(shù)增幅均在138%以上，當(dāng)風(fēng)速增大至8 m/s時(shí)，熱傳系數(shù)增幅均在665%以上。圖2顯示了環(huán)境溫度40℃、導(dǎo)線溫度70℃情況下熱傳系數(shù)與風(fēng)速的關(guān)系。

圖3分別顯示了復(fù)合軌在無風(fēng)和風(fēng)速為0.6 m/s試驗(yàn)條件下的溫升情況。從曲線變化可看出，2種情況變化趨勢(shì)相同，但風(fēng)速為0.6 m/s時(shí)，溫度值變化明顯比無風(fēng)時(shí)低。以通電4 h后最高溫度比較，降幅為20%。

圖4顯示了3 000 A型產(chǎn)品隨著允許溫升的變化載流量相應(yīng)變化情況。從圖4中可知，在環(huán)境溫度為20℃時(shí)，載流量工作范圍約為4 250～5 950 A；在環(huán)境溫度為最惡劣的45℃時(shí)，載流量工作范圍約為4 050～5 500 A。

圖2 熱傳系數(shù)與風(fēng)速的關(guān)系曲線圖

圖3 持續(xù)載流量-溫度曲線圖

圖4 允許溫升與載流量關(guān)系圖

綜上所述，理論研究和試驗(yàn)結(jié)果均表明，風(fēng)對(duì)溫升結(jié)果的影響至關(guān)重要。任何產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)的目的都是為了驗(yàn)證，并盡可能模擬實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌等接觸網(wǎng)產(chǎn)品在實(shí)際使用中，不可能處于靜止無風(fēng)的密閉環(huán)境，隧道內(nèi)有活塞風(fēng)及強(qiáng)制通風(fēng)，地面及高架橋上有自然風(fēng)等，因此在進(jìn)行溫升試驗(yàn)時(shí)應(yīng)該有適宜的風(fēng)。

3 結(jié)論

（1）理論上鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌在環(huán)境溫度為40℃時(shí)，允許溫升可以取85℃。結(jié)合絕緣支架、防護(hù)罩熱變形溫度（ASTM D648）≥150℃，剛性懸掛匯流排行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不大于120℃；建議CJ/T414-2012《城市軌道交通鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌技術(shù)要求》規(guī)定：鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌產(chǎn)品在持續(xù)載流量作用下允許最高溫度不大于110℃，在環(huán)境溫度為40℃時(shí)，允許溫升70℃。

（2）隧道內(nèi)、隧道外載流量計(jì)算時(shí)，熱傳系數(shù)、綜合影響常數(shù)均隱含了吹風(fēng)等影響因素。因此驗(yàn)證載流量的溫升試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)該包含適宜的風(fēng)；試驗(yàn)對(duì)風(fēng)速有要求時(shí)，按照設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)要求不明確時(shí)風(fēng)速為0.6 m/s，勻速吹授流面。

（3）城市軌道交通接觸網(wǎng)供電產(chǎn)品電氣均按此原則確定技術(shù)條件，合理選用規(guī)格，可以確保使用安全，同時(shí)不會(huì)造成有色金屬的浪費(fèi)，為國(guó)家節(jié)約大量的資源，為建設(shè)單位節(jié)約大量的資金。載流量與截面積的平方根成正比，若截面積減小5%，相當(dāng)于每米少用0.5 kg的鋁，以年1 000條公里估算，每年可以節(jié)約500 t鋁。

[1] Kie?ling, Puschmann, Schmieder．電氣化鐵道接觸網(wǎng)[M]．中鐵電氣化局集團(tuán)譯．北京：中國(guó)電力出版社，2004．

[2] 于松偉，楊興山，等.城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用[M]. 成都：西南交通大學(xué)出版社.

[3] 工程材料實(shí)用手冊(cè)（第二版），第3卷[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.

[4] 梁廣深，邱慶珠. 城市軌道交通供電制式分析探討[J].城市軌道交通研究，2004，（6）：10-13.

[5] 劉伊江. 地鐵隧道內(nèi)列車活塞風(fēng)的計(jì)算方法[J].都市快軌交通，2006.

[6] 劉振興. 6101鋁合金的時(shí)效熱處理研究[D].中南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013.

With 3 000 A steel aluminum composite conductor rail as an example, the paper puts forward the technical standards for blowing during tests under permit temperature-rise of 110℃ and 70℃, on basis of theoretical analysis, calculation, testing comparison, researches on main factors affecting current carrying capacity and temperature-rise.

Current carrying capacity; permit temperature; permit temperature- rise; blow; test

U231

：B

：1007-936X(2015)05-0035-05

2015-02-09

李增勤.中鐵電氣化局集團(tuán)寶雞器材有限公司，教授級(jí)高級(jí)工程師，電話：13309177868。