電氣化鐵路接觸網(wǎng)線材選型與節(jié)能分析

花思明， 袁　遠， 李學斌， 沈　華， 路　超, 邱正曉

(中鐵建電氣化局集團康遠新材料有限公司， 江蘇靖江 214500)

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電氣化鐵路接觸網(wǎng)線材選型與節(jié)能分析

花思明， 袁遠， 李學斌， 沈華， 路超, 邱正曉

(中鐵建電氣化局集團康遠新材料有限公司， 江蘇靖江 214500)

為了探討新型電氣化鐵路接觸網(wǎng)線材節(jié)能情況，通過對比兩種工藝生產(chǎn)的接觸網(wǎng)線材的性能參數(shù)，并計算兩種線材的輸電耗能和新型接觸網(wǎng)線材的節(jié)能情況，結(jié)果表明：上引連擠工藝生產(chǎn)的接觸網(wǎng)線材比傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)線材拉斷力高，電阻低；在電氣化鐵路接觸網(wǎng)線材選型時，可以優(yōu)先考慮使用上引連擠工藝生產(chǎn)的接觸網(wǎng)線材；上引連擠工藝生產(chǎn)的接觸網(wǎng)線材的應用可以極大節(jié)約能源，降低電氣化鐵路的運營成本，新型接觸網(wǎng)線材更符合資源節(jié)約型社會的發(fā)展需求。

電氣化鐵路； 接觸網(wǎng)； 節(jié)能； 線材； 選型

近年來，高速鐵路在世界范圍內(nèi)蓬勃發(fā)展，而高速鐵路的發(fā)展需要大量高性能的接觸網(wǎng)線材。本文介紹電氣化鐵路接觸網(wǎng)用線材及其生產(chǎn)工藝，對比兩種不同生產(chǎn)工藝及其生產(chǎn)的接觸網(wǎng)線材拉斷力、直流電阻等性能參數(shù)，并進行接觸網(wǎng)線材的選型和節(jié)能分析。

1　接觸網(wǎng)線材及其生產(chǎn)工藝

1.1接觸網(wǎng)線材

接觸網(wǎng)線材是高速鐵路供電系統(tǒng)的主要組成部分，實現(xiàn)輸電功能的載體。接觸網(wǎng)線材包括接觸線和承力索：接觸線是直接與受電弓接觸，向電力機車供電的特殊形式的輸電線，接觸線必須保證不間斷地、高質(zhì)量地向電力機車供電；承力索的主要作用是通過吊弦將接觸線懸吊起來，承受接觸線的質(zhì)量，減小接觸線的弛度，提高懸掛的穩(wěn)定性，并與接觸線并聯(lián)供電。

接觸網(wǎng)線材的規(guī)格型號有很多種，TB/T 2809-2005 《電氣化鐵道用銅及銅合金接觸線》和TB/T 3111-2005 《電氣化鐵道用銅及銅合金絞線》規(guī)定了21種接觸線和13種承力索的規(guī)格、型號及其性能參數(shù)。為了滿足中國高速鐵路建設，2009年原鐵道部科技司發(fā)布了OCS-2 《200～250 km/h電氣化鐵路接觸網(wǎng)裝備暫行技術(shù)條件》和OCS-3 《300～350 km/h電氣化鐵路接觸網(wǎng)裝備暫行技術(shù)條件》。技術(shù)條件OCS-2規(guī)定的高速鐵路用接觸線和絞線有：CTS120、CTS150、JTMH95(20 ℃直流電阻不大于0.303 Ω/km)、JTMH120(20 ℃直流電阻不大于0.242 Ω/km)。技術(shù)條件OCS-3規(guī)定的高速鐵路用接觸線和絞線有：CTMH120、CTMH150；JTMH95(20 ℃直流電阻不大于0.303 Ω/km)、JTMH120(20 ℃直流電阻不大于0.242 Ω/km)。接觸線CTM、CTS、CTMH的電阻率(20 ℃)分別要求不大于0.022 40,0.0239 5,0.027 78 Ω·mm2/m。

1.2接觸網(wǎng)線材生產(chǎn)工藝

接觸線的生產(chǎn)工藝主要有：上引連鑄—連續(xù)軋制—連續(xù)拉拔生產(chǎn)工藝(工藝1)、上引連鑄連軋-連續(xù)拉拔生產(chǎn)工藝(工藝2)、上引連鑄—連續(xù)擠壓—連續(xù)軋制—連續(xù)拉拔生產(chǎn)工藝(工藝3)。采用工藝1生產(chǎn)接觸線一般是先上引連鑄一定直徑的銅合金桿，接著經(jīng)過連續(xù)冷軋和連續(xù)拉拔成截面積為150,120 mm2等的成品。但是，這種工藝存在拉拔后的成品斷面組織為晶粒粗大、未完全破碎的鑄造組織，而這種組織造成的殘余應力，使接觸線架設后沿其長度方向有許多不規(guī)則的微小波浪彎，高速電力機車通過時會產(chǎn)生連續(xù)細碎的離線火花，降低了機車的取流質(zhì)量，同時也降低了接觸線自身的壽命[1]。采用工藝2生產(chǎn)銅合金接觸線，需要頻繁拆爐、筑爐，設備能力利用率低，生產(chǎn)制造成本高。采用工藝3生產(chǎn)的銅合金接觸線，具有強度高，導電率好，改變了上引銅桿的粗大鑄造組織。

絞線的生產(chǎn)工藝主要有：上引連鑄—連續(xù)軋制—連續(xù)拉拔—絞合生產(chǎn)工藝(工藝4)和上引連鑄—連續(xù)擠壓—連續(xù)軋制—連續(xù)拉拔—絞合生產(chǎn)工藝(工藝5)。由于上引連鑄銅桿存在的鑄造組織不能通過后續(xù)的軋制、拉拔和絞合工藝消除，工藝4生產(chǎn)的絞線也存在應力集中和單絲斷線的問題。而工藝5中加入了連續(xù)擠壓工藝，很好的解決了冷加工不能消除上引銅桿鑄造組織的問題。

2　接觸網(wǎng)線材性能分析及選型

選取不同的工藝(工藝1、3、4、5)和材質(zhì)生產(chǎn)的接觸網(wǎng)線材進行性能對比分析。表1為工藝1和工藝3生產(chǎn)的接觸網(wǎng)線材性能參數(shù)，表2為工藝4和工藝5生產(chǎn)的接觸網(wǎng)線材性能參數(shù)。從表1和表2中可以發(fā)現(xiàn)，線材截面積越大，電阻越小，拉斷力越高。鐵標對接觸網(wǎng)線材的形狀、尺寸、結(jié)構(gòu)都有嚴格的要求，對比發(fā)現(xiàn)：同規(guī)格的接觸網(wǎng)線材，工藝3生產(chǎn)的接觸網(wǎng)線材CTS120和CTS150的直流電阻比工藝1生產(chǎn)的約降低5.2%，工藝3生產(chǎn)的CTMH120和CTMH150的直流電阻比工藝1生產(chǎn)的約降低9.6%，工藝5生產(chǎn)的JTMH95、JTMH120的直流電阻比工藝4生產(chǎn)的約降低15%；工藝3和工藝5生產(chǎn)的線材的拉斷力稍高于工藝1和工藝4生產(chǎn)的線材。另外，工藝3生產(chǎn)的CTM120和CTM150的拉斷力比工藝1生產(chǎn)的CTS120和CTS150的拉斷力高約5 kN，每千米電阻低約0.01 Ω，滿足OCS-2對接觸線的性能要求；工藝5生產(chǎn)的JTMH120和JTMH150的拉斷力比工藝4生產(chǎn)的JTMH120和JTMH150的拉斷力高約3 kN，每千米電阻低約0.03 Ω，滿足OCS-2對絞線的性能要求。

目前，錫錠1 t約12萬元，鎂錠1 t約0.6萬元，CTS接觸線的材質(zhì)是銅錫合金(錫含量約0.15%～0.55%)，CTM接觸線的材質(zhì)是銅鎂合金(鎂含量約0.1%～0.3%)，則1萬t的CTM接觸線需要鎂錠30 t，鎂錠的費用約18萬元；1萬t的CTS接觸線需要錫錠約55 t，錫錠的費用約660萬元。在高速鐵路接觸網(wǎng)線材選型時，要綜合考慮線材的機電性能和經(jīng)濟性，以達到既滿足使用要求又降低能源消耗的目的。因此，電氣化鐵路接觸網(wǎng)線材應優(yōu)先考慮使用工藝3和工藝5生產(chǎn)的線材。200～250 km/h電氣化鐵路接觸網(wǎng)線材選型時，應該優(yōu)先考慮采用工藝3生產(chǎn)的CTM120和CTM150來代替CTS120和CTS150。

表1　傳統(tǒng)接觸網(wǎng)線材性能參數(shù)(工藝1、工藝4)

3　接觸網(wǎng)線材節(jié)能效果分析

接觸網(wǎng)是鐵路電氣化工程的主構(gòu)架，是沿鐵路線上空架設的向電力機車供電的特殊形式的輸電線路，輸電線路損耗主要由電暈損耗和電阻損耗組成[2]。在一般的電力系統(tǒng)計算中可忽略電暈損耗[3]，輸電線路損耗主要由線材的電阻決定。電阻損耗能量計算方法見式(1)，Q為電阻損耗能量(kW·h)；I為負荷電流(A)；τ為負荷損失小時數(shù)(h)；R為線路總電阻(Ω)，考慮到交流電流通過接觸網(wǎng)線材時的趨膚效應和鄰近效應以及標稱尺寸的近似性，損耗計算時采用交流電阻。

(1)[2]

由于電氣化鐵路一般采用單相工頻交流供電，則表1和表2中直流電阻需要轉(zhuǎn)化為交流電阻才能用于電阻損耗的計算。取f為50 Hz，將傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)線材和新型的接觸網(wǎng)線材的直流電阻(見表1和表2)代入式(2)和式(3)計算得到集膚效應系數(shù)k1，并根據(jù)求得的集膚效應系數(shù)和式(4)計算得到交流電阻(見表1和表2)。依據(jù)鐵標(TB/T 2809-2005和TB/T 3111-2005)中CTS120和CTS150的電阻溫度系數(shù)0.003 65，CTMH120和CTMH150的電阻溫度系數(shù)0.001 85，JTMH95、JTMH120的電阻溫度系數(shù)0.004，將表1和表2中20 ℃時的交流電阻換算成150 ℃時的交流電阻(表1和表2最后一列)。

k1=0.996 09+0.018 578x-0.030 263x2+

(2)[4]

(3)[7]

(4)

式中k1為集膚效應系數(shù)；RDC為直流電阻；f為系統(tǒng)頻率；RAC為交流電阻。

根據(jù)接觸網(wǎng)線材穩(wěn)態(tài)運行達到允許溫升時的穩(wěn)態(tài)電流(載流量)計算式(5)：

(5)

式中WR為輻射熱損耗，W/m2；WF為對流散熱損耗W/m2;WS為太陽輻射熱，W/m2;RAC為每公里交流電阻，Ω/km。其中：

(6)

式中S為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)5.67×10-8W·m-2·K-4；D為導體直徑，絞線用外徑，接觸線用截面積相等的圓的直徑代替，m；T0為環(huán)境溫度,K;TC為導體穩(wěn)態(tài)溫度，K；ke為黑體輻射系數(shù)。

由于自然風存在，強迫對流散發(fā)出的熱損耗由式(7)計算：

(7)

式中λ為與導體相接觸的空氣膜導熱系數(shù)，認為不變并為0.025 85 W·m-1·K-1；

(8)

Re=1.644×109×v×D×[T0+0.5×

(9)

式中υ為風速，m/s。

導體吸收的太陽輻射熱由式(10)計算：

(10)

式中γ導體吸收系數(shù)；Si為日照強度，W/m2。

其中環(huán)境條件：風速v為0.5 m/s；日照強度Si為1 000 W/m2；導體表面吸收系數(shù)γ為0.9；導體輻射系數(shù)ke為0.9；環(huán)境溫度T0為40 ℃；導體工作溫度TC為150 ℃。

綜上式(6)～式(10)和表1，表2中交流電阻計算值，計算傳統(tǒng)和新型的接觸網(wǎng)線材的載流量，見表3。可以發(fā)現(xiàn)新型的接觸網(wǎng)線材的載流量較傳統(tǒng)線材有了一定的提升，其中CTM120和CTM150的載流量與傳統(tǒng)的CTS120和CTS150相比，載流量提高了約13%。

若τ取一年365天(共8 760 h)，I取表3的載流量數(shù)值，R取RAC的值，根據(jù)式(1)計算接觸網(wǎng)線材電阻引起的損耗。對比分析傳統(tǒng)和新型接觸網(wǎng)線材節(jié)能情況，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)線材相比，新型接觸網(wǎng)線材CTS120和CTS150的節(jié)能約5.2%，CTMH120和CTMH150節(jié)能約9.6%，JTMH95、JTMH120節(jié)能約15%。

4　結(jié)　論

通過以上的對比分析可以發(fā)現(xiàn)：上引連擠工藝(工藝3、工藝5)生產(chǎn)的接觸網(wǎng)線材比傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)線材拉斷力高，電阻有了一定幅度的降低；在電氣化鐵路接觸網(wǎng)線材選型時，應優(yōu)先考慮使用上引連擠工藝生產(chǎn)的接觸網(wǎng)線材；200～250 km/h電氣化鐵路接觸網(wǎng)線材選型時，可以優(yōu)先考慮采用CTM120和CTM150來代替CTS120和CTS150；上引連擠工藝生產(chǎn)的接觸網(wǎng)線材更符合資源節(jié)約型社會的發(fā)展需求，能夠更好的節(jié)約電氣化鐵路的經(jīng)濟成本。

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A New Wire of Electrified Railway Contact Net and the Energy-saving Analysis

HUA Siming, YUAN Yuan, LI Xuebin, SHEN Hua, LU Chao, QIU Zhenxiao

(China Railway Construction Electrification Bureau Group Kang Yuan New Material Co. Ltd.Jinjiang 214500 Jiangsu, China)

In order to explore the energy-saving effect of the new electric railway contact wire, the performances of two contact wires produced by different processes were compared, and the energy consumption of two wires were calculated and energy-saving quantity was also analyzed. The results show that the tensile force of new wire produced by upward continuous casting-continuous extrusion process is higher than that of traditional wire and resistance is lower. Give priority to new wire produced by upward continuous casting-continuous extrusion process when selecting electrified railway contact net wire. New contact wire produced by continuous casting-continuous extrusion can greatly save the energy, and reduce operation cost of electrified railway. New contact wire is more in line with the needs of development of resource-saving society.

electrified-railway；contact；energy-saving；wire；selection

1008-7842 (2016) 01-0052-03

??)男，工程師(

2015-09-09)

U225

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.01.13