銅鉻鋯接觸線在俄羅斯莫喀高鐵的適應(yīng)性分析

劉濤　陳可

俄羅斯莫斯科至喀山高速鐵路是國內(nèi)外首條時(shí)速400km高速鐵路項(xiàng)目，更高速度對(duì)負(fù)擔(dān)電能傳輸和機(jī)械滑道的接觸線提出了更高的性能要求，本文圍繞莫喀高鐵接觸網(wǎng)系統(tǒng)接觸線選型，分別從抗拉強(qiáng)度、導(dǎo)電率、耐磨性等，分析了銅鉻鋯接觸線在時(shí)速400km高速鐵路的適應(yīng)性，確定了莫喀高鐵接觸網(wǎng)系統(tǒng)接觸線類型，同時(shí)也為今后時(shí)速400km高速鐵路接觸線選型提供了參考。

400km/h? 莫喀高鐵? 接觸線? 抗拉強(qiáng)度

LIU Tao ?CHEN Ke

（China Railway ErYuan Engineering Group Co.， Ltd.， Chengdu， Sichuan Province， 610031 China）

：Moscow to Kazan electrified railway is the first 400 km/h high-speed railway projects in the world， higher speeds put higher demands on contact wires for power transmission and mechanical slideway. In this paper， the adaptability of CTCZ contact wire in 400km/h high-speed railway is analysed from tensile strength， conductivity， wear resistance and other contact wire properties， and the contact wire type of Moscow to Kazan high-speed railway contact wire determined， which also provides reference for the selection of contact wire of 400km/h high-speed railway in the future.

： 400km/h; Moscow to Kazan high-speed railway; Contact wire;Tensile strength

俄羅斯莫斯科至喀山高速鐵路西起俄羅斯首都莫斯科，向東南延伸到韃靼共和國的喀山，中間穿過弗拉基米爾州、俄羅斯聯(lián)邦州和楚瓦什自治共和國等重要城市。線路全長約770km，設(shè)計(jì)速度最高達(dá)400km/h。

接觸網(wǎng)工程是高速鐵路的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著從牽引變電所獲得的電能輸送給電力機(jī)車，是電氣化鐵路可靠運(yùn)行的關(guān)鍵基礎(chǔ)。而接觸網(wǎng)用銅合金接觸線更是通過與受電弓滑板接觸，向機(jī)車輸送電能，是電氣化鐵路供電系統(tǒng)的重要器材之一，直接影響鐵路運(yùn)輸安全。

本文圍繞莫斯科至喀山高速鐵路接觸系統(tǒng)方案中接觸線選型，分別從抗拉強(qiáng)度、導(dǎo)電率、耐磨性等接觸線性能，對(duì)比分析不同類型接觸線在時(shí)速400km高速鐵路的適應(yīng)性，為莫喀高速鐵路接觸線選型提供技術(shù)支持。

1 接觸線研究現(xiàn)狀

目前，我國高速鐵路建設(shè)中，主要使用的接觸線有銅銀合金、銅鎂合金、銅錫合金、高強(qiáng)度銅鎂合金等，其中銅銀合金接觸線，抗拉強(qiáng)度規(guī)范值為370MPa、導(dǎo)電率為97%IACS，主要用于160km/h及以下速度等級(jí);銅鎂、銅錫合金接觸線，抗拉強(qiáng)度規(guī)范值為380～430MPa、導(dǎo)電率為80%～93%IACS，主要用于200～250km/h速度等級(jí);高強(qiáng)度銅鎂合金接觸線，抗拉強(qiáng)度規(guī)范值為530MPa、導(dǎo)電率為65%IACS，銅鉻鋯合金接觸線，抗拉強(qiáng)度規(guī)范值為560MPa、導(dǎo)電率為75%IACS，主要用于300～350km/h速度等級(jí)。

日本和法國分別研發(fā)了銅錫合金接觸線并成功應(yīng)用在250～300km/h高速鐵路。高強(qiáng)度銅錫合金接觸線的抗拉強(qiáng)度提高到470MPa、導(dǎo)電率為63%IACS。銅錫合金接觸線的耐磨性能十分優(yōu)異，可顯著延長接觸線使用壽命。

德國偏重銅鎂合金接觸線研發(fā)應(yīng)用，德國將已用于承力索的銅鎂合金用來制造接觸線，最終定型于歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN50149，120 mm銅鎂接觸線，抗拉強(qiáng)度為490MPa，導(dǎo)電率62%IACS。鎂與銅的金屬性質(zhì)差異顯著，合金化后能明顯提高抗拉強(qiáng)度，但銅鎂合金接觸線導(dǎo)電率偏低的問題較為突出。

2 莫喀高鐵對(duì)接觸線參數(shù)需求

2.1 牽引變電所最大饋線電流及導(dǎo)線截面

根據(jù)莫喀高鐵運(yùn)輸組織需求，正線牽引供電系統(tǒng)采用AT供電方式，新建AT牽引變電所12座、AT分區(qū)所11座、AT所28座;牽引變電所平均有效電流為935A，分區(qū)所、AT所平均有效電流為372A。

最高允許工作溫度95℃室外條件下，截面150mm銅鎂接觸線載流量為460A，截面150mm銅鉻鋯接觸線載流量為505A，截面120mm承力索載流量為430A，結(jié)合國內(nèi)時(shí)速350km高速鐵路接觸線截面選擇經(jīng)驗(yàn)，為滿足平均有效電流935A載流能力，本項(xiàng)目接觸線采用截面150mm銅合金接觸線，承力索采用120mm銅合金絞線，且接觸線導(dǎo)電率不應(yīng)小于75%IACS。

2.2 導(dǎo)線張力及導(dǎo)線抗拉強(qiáng)度

為保證良好的弓網(wǎng)耦合關(guān)系，運(yùn)行速度與波動(dòng)傳播速度之比β≤0.7時(shí)，才能保證受電弓與接觸網(wǎng)之間的耦合集電特性，減少受電弓的火花次數(shù)和離線時(shí)間，使受電弓在沿接觸線的高速滑行過程中處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。波動(dòng)傳播速度的公式如下：

式中，為接觸線的波動(dòng)傳播速度，km/h;為接觸線額定張力，N;為接觸線線密度，kg/m。

結(jié)合本項(xiàng)目設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值以及導(dǎo)線截面選型，經(jīng)計(jì)算，本工程接觸線額定張力按照36kN選取。

接觸線的抗拉強(qiáng)度由下列公式確定：

σ=σ×0.65×K×K×K×K×K×K

式中：σ為接觸線的最大允許工作應(yīng)力;σ為接觸線的最小抗拉強(qiáng)度;K為接觸線的最高溫度系數(shù);K為接觸線的允許磨耗系數(shù);K為接觸線的風(fēng)和冰荷載系數(shù);K為接觸懸掛下錨補(bǔ)償裝置的精度和效率系數(shù);K為接觸線終端錨固線夾系數(shù);K為接觸線接頭系數(shù)。

根據(jù)上述計(jì)算條件得出：接觸線額定工作張力為36kN時(shí)，接觸線最小抗拉強(qiáng)度σ=σ/（0.65×1×0.8×0.95×0.97×1×1）/0.98=533MPa。

根據(jù)不同類型接觸線抗拉強(qiáng)度、導(dǎo)電率等相關(guān)指標(biāo)，僅銅鉻鋯三元合金導(dǎo)線（CTCZ），抗拉強(qiáng)度560MPa滿足時(shí)速400km高速鐵路接觸網(wǎng)張力系統(tǒng)要求。

3 銅鉻鋯三元合金接觸線適應(yīng)性分析

從接觸線技術(shù)發(fā)展方向考慮，為滿足高速列車高速度、大電流取流，接觸線應(yīng)具有高強(qiáng)度及高導(dǎo)電率，因此銅鉻鋯合金接觸線代表了高速鐵路特別是時(shí)速400km及更高速度的接觸線發(fā)展方向。

目前，國內(nèi)對(duì)銅鎂合金接觸線在強(qiáng)度及導(dǎo)電率等方面進(jìn)行性能提升，并取得了一定的進(jìn)展，但其性能與銅鉻鋯接觸線性能相比較還有較大差距。從金屬材料結(jié)構(gòu)上無論采用什么配方及工藝，其接觸線的強(qiáng)度與導(dǎo)電率均成反函數(shù)曲線關(guān)系。

結(jié)合本項(xiàng)目接觸線張力36kN（截面150mm2），接觸網(wǎng)系統(tǒng)還需通過接觸線向機(jī)車提供27.5kV的交變電流，平均有效電流達(dá)935A;同時(shí)接觸線因自然環(huán)境冷熱交替及大氣環(huán)境條件變化而產(chǎn)生腐蝕、燒蝕、磨損等，制造和安裝彎曲誤差等因素影響，其工作環(huán)境極為惡劣。故時(shí)速400km高速鐵路用接觸線還應(yīng)具備以下技術(shù)性能指標(biāo)。

高抗拉強(qiáng)度：高速鐵路對(duì)接觸線的首要要求是能承受其額定工作張力，以適應(yīng)靜張力和高速車輛受電弓對(duì)接觸線的沖擊動(dòng)張力。而提高接觸線的工作張力不能僅靠加大接觸線截面積，增加截面積引起重量增加，將降低接觸網(wǎng)波動(dòng)傳播速度，制約列車運(yùn)行速度。故需提高接觸線抗拉強(qiáng)度。

高導(dǎo)電率：莫喀高鐵額定工作電流近1000A，若接觸線導(dǎo)電率低，不僅不能滿足列車運(yùn)行需求，大量浪費(fèi)電能，還會(huì)造成接觸網(wǎng)發(fā)熱而溫升過高，使接觸線發(fā)生軟化或退火，造成蠕變斷線事故，嚴(yán)重危害運(yùn)行安全。為滿足1000A的載流需求，接觸線導(dǎo)電率應(yīng)不小于75%IACS。

高抗軟化能力：接觸線長期大電流載流，勢(shì)必產(chǎn)生熱能損耗使接觸線升溫，另外，受電弓與接觸線間的滑動(dòng)摩擦亦會(huì)使接觸線溫度升高，故接觸線必須具備高溫下穩(wěn)定的工作能力，即具備較高的抗軟化能力。

高耐磨性能：接觸線因受自然腐蝕、電弧燒蝕、機(jī)械磨損，制造和安裝誤差等因素影響，引起接觸線損耗。接觸線設(shè)計(jì)允許磨損面積為20%，磨耗超標(biāo)將對(duì)線路受流和運(yùn)行安全造成嚴(yán)重影響，而更換接觸線的代價(jià)大，故高速鐵路要求接觸線應(yīng)具有較高耐磨性。

結(jié)合以上性能指標(biāo)需求，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，截面150mm的銅鉻鋯接觸線抗拉強(qiáng)度達(dá)580MPa，拉斷力87.58kN，導(dǎo)電率約80%IACS，300℃/2h軟化抗拉強(qiáng)度551MPa。

銅鉻鋯合金具備高強(qiáng)度、高硬度、耐熱、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能較好的銅合金，對(duì)比不同類型接觸線性能，結(jié)合銅鉻鋯接觸線主要性能指標(biāo)，分析如下。

（1）強(qiáng)度高，接觸網(wǎng)系統(tǒng)更加安全可靠：銅鉻鋯接觸線抗拉強(qiáng)度高于銅鎂合金接觸線，相同張力系統(tǒng)下采用銅鉻鋯接觸線安全系數(shù)較銅鎂接觸線高20%。

（2）抗高溫軟化性能優(yōu)良，接觸線抗電燒蝕能力強(qiáng)：銅銀合金在300℃下軟化率達(dá)90%;400℃下軟化率達(dá)46%;銅鉻鋯接觸線在同樣軟化條件下強(qiáng)度分別降低4%和10%，可有效提高接觸網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)列車運(yùn)營過程的偶發(fā)因素能力。

（3）耐磨性能優(yōu)良：銅鉻鋯接觸線主要強(qiáng)化方式是析出強(qiáng)化，合金本身的性能決定了銅鉻鋯合金線材內(nèi)外層力學(xué)性能比較均勻，克服了其他合金材料接觸線抗軟化能力差和內(nèi)層耐磨性能不足的問題;銅鉻鋯合金接觸線具有較高的強(qiáng)度、硬度和抗高溫軟化性能，大大增加了接觸線的耐磨能力，同時(shí)有效降低了電燒蝕對(duì)接觸線的破壞，保證接觸網(wǎng)的良好運(yùn)營質(zhì)量。

（4）導(dǎo)電性能優(yōu)良，降低接觸網(wǎng)能耗：一般材料強(qiáng)度和導(dǎo)電性能為反函數(shù)關(guān)系，即提高強(qiáng)度以損失電導(dǎo)率為代價(jià)。然而，銅鉻鋯接觸線在抗拉強(qiáng)度明顯高于高強(qiáng)鎂銅接觸線的情況下，導(dǎo)電率也顯著高于高強(qiáng)鎂銅接觸線，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下二者絕對(duì)值高約13%，相對(duì)于銅鎂接觸線，銅鉻鋯合金接觸線導(dǎo)電率提高約23%。

4結(jié)語

綜合分析銅鉻鋯接觸線主要技術(shù)性能，從全壽命周期理念出發(fā)，銅鉻鋯接觸線具備高強(qiáng)度、高導(dǎo)電、高耐電燒蝕、高耐磨耗、高抗高溫軟化性能、低溫優(yōu)良性能等特性，在其全壽命周期內(nèi)可降低使用成本，滿足莫喀山高鐵外部環(huán)境條件下機(jī)械、電氣等性能要求，也可為今后其他時(shí)速400km高速鐵路接觸線選型提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 尹磊，陳可.俄羅斯莫喀高鐵電氣化初步設(shè)計(jì)分析及總結(jié)[J].一帶一路報(bào)道，2018（2）：74-77.

[2] 范勇，楊廣英.解讀鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電氣化鐵路用銅及銅合金接觸線》[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督，2018，46（8）：6-10.

[3] 賈志洋.中國歐盟電氣化鐵路用銅及銅合金接觸線準(zhǔn)入管理比較分析[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督，2019，47（5）：16-20，30.

[4] TB/T2809-2017 電氣化鐵路用銅及銅合金接觸線[S].北京：中國鐵道出版社，2018.

[5] TB/T3111-2017 電氣化鐵路用銅及銅合金絞線[S].北京：中國鐵道出版社，2018.

[6] Santa Kumar Maharjan. 柔性中壓直流電氣化鐵路系統(tǒng)雜散電流與鋼軌電位研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2019.

[7] QINGZHONG M.， YUSHENG Z.， YAZHOU G.， et al.Enhanced Electrical Conductivity and Mechanical Properties in Thermally Stable Fine-Grained Copper Wire[J].IOP Conference Series： Materials Science and Engineering，2019，672：012055-012055.

[8] 牛美英，渠基磊，曾毅，等.接觸導(dǎo)線用Cu-Cr-Zr合金的組織性能[J].特種鑄造及有色合金，2021，41（9）：1124-1128.

[9] 鐘傳枝，許巖，陳光雄.浸金屬碳滑板/銅銀合金接觸線載流摩擦磨損性能的試驗(yàn)研究[J].潤滑與密封，2021，46（11）：34-39.

[10] TG/01A-2017 鐵路技術(shù)管理規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社，2017.