銅鉻鋯接觸線在俄羅斯莫喀高鐵的適應性分析

劉濤　陳可

俄羅斯莫斯科至喀山高速鐵路是國內外首條時速400km高速鐵路項目，更高速度對負擔電能傳輸和機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系統接觸線選型，分別從抗拉強度、導電率、耐磨性等，分析了銅鉻鋯接觸線在時速400km高速鐵路的適應性，確定了莫喀高鐵接觸網系統接觸線類型，同時也為今后時速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、俄羅斯聯邦州和楚瓦什自治共和國等重要城市。線路全長約770km，設計速度最高達400km/h。

接觸網工程是高速鐵路的重要組成部分，擔負著從牽引變電所獲得的電能輸送給電力機車，是電氣化鐵路可靠運行的關鍵基礎。而接觸網用銅合金接觸線更是通過與受電弓滑板接觸，向機車輸送電能，是電氣化鐵路供電系統的重要器材之一，直接影響鐵路運輸安全。

本文圍繞莫斯科至喀山高速鐵路接觸系統方案中接觸線選型，分別從抗拉強度、導電率、耐磨性等接觸線性能，對比分析不同類型接觸線在時速400km高速鐵路的適應性，為莫喀高速鐵路接觸線選型提供技術支持。

1 接觸線研究現狀

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

日本和法國分別研發了銅錫合金接觸線并成功應用在250～300km/h高速鐵路。高強度銅錫合金接觸線的抗拉強度提高到470MPa、導電率為63%IACS。銅錫合金接觸線的耐磨性能十分優異，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應用，德國將已用于承力索的銅鎂合金用來制造接觸線，最終定型于歐盟標準EN50149，120 mm銅鎂接觸線，抗拉強度為490MPa，導電率62%IACS。鎂與銅的金屬性質差異顯著，合金化后能明顯提高抗拉強度，但銅鎂合金接觸線導電率偏低的問題較為突出。

2 莫喀高鐵對接觸線參數需求

2.1 牽引變電所最大饋線電流及導線截面

根據莫喀高鐵運輸組織需求，正線牽引供電系統采用AT供電方式，新建AT牽引變電所12座、AT分區所11座、AT所28座;牽引變電所平均有效電流為935A，分區所、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，結合國內時速350km高速鐵路接觸線截面選擇經驗，為滿足平均有效電流935A載流能力，本項目接觸線采用截面150mm銅合金接觸線，承力索采用120mm銅合金絞線，且接觸線導電率不應小于75%IACS。

2.2 導線張力及導線抗拉強度

為保證良好的弓網耦合關系，運行速度與波動傳播速度之比β≤0.7時，才能保證受電弓與接觸網之間的耦合集電特性，減少受電弓的火花次數和離線時間，使受電弓在沿接觸線的高速滑行過程中處于穩定工作狀態。波動傳播速度的公式如下：

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

結合本項目設計速度目標值以及導線截面選型，經計算，本工程接觸線額定張力按照36kN選取。

接觸線的抗拉強度由下列公式確定：

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力;σ為接觸線的最小抗拉強度;K為接觸線的最高溫度系數;K為接觸線的允許磨耗系數;K為接觸線的風和冰荷載系數;K為接觸懸掛下錨補償裝置的精度和效率系數;K為接觸線終端錨固線夾系數;K為接觸線接頭系數。

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

根據不同類型接觸線抗拉強度、導電率等相關指標，僅銅鉻鋯三元合金導線（CTCZ），抗拉強度560MPa滿足時速400km高速鐵路接觸網張力系統要求。

3 銅鉻鋯三元合金接觸線適應性分析

從接觸線技術發展方向考慮，為滿足高速列車高速度、大電流取流，接觸線應具有高強度及高導電率，因此銅鉻鋯合金接觸線代表了高速鐵路特別是時速400km及更高速度的接觸線發展方向。

目前，國內對銅鎂合金接觸線在強度及導電率等方面進行性能提升，并取得了一定的進展，但其性能與銅鉻鋯接觸線性能相比較還有較大差距。從金屬材料結構上無論采用什么配方及工藝，其接觸線的強度與導電率均成反函數曲線關系。

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

高抗拉強度：高速鐵路對接觸線的首要要求是能承受其額定工作張力，以適應靜張力和高速車輛受電弓對接觸線的沖擊動張力。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，將降低接觸網波動傳播速度，制約列車運行速度。故需提高接觸線抗拉強度。

高導電率：莫喀高鐵額定工作電流近1000A，若接觸線導電率低，不僅不能滿足列車運行需求，大量浪費電能，還會造成接觸網發熱而溫升過高，使接觸線發生軟化或退火，造成蠕變斷線事故，嚴重危害運行安全。為滿足1000A的載流需求，接觸線導電率應不小于75%IACS。

高抗軟化能力：接觸線長期大電流載流，勢必產生熱能損耗使接觸線升溫，另外，受電弓與接觸線間的滑動摩擦亦會使接觸線溫度升高，故接觸線必須具備高溫下穩定的工作能力，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。接觸線設計允許磨損面積為20%，磨耗超標將對線路受流和運行安全造成嚴重影響，而更換接觸線的代價大，故高速鐵路要求接觸線應具有較高耐磨性。

結合以上性能指標需求，經試驗測試，截面150mm的銅鉻鋯接觸線抗拉強度達580MPa，拉斷力87.58kN，導電率約80%IACS，300℃/2h軟化抗拉強度551MPa。

銅鉻鋯合金具備高強度、高硬度、耐熱、導電性和導熱性能較好的銅合金，對比不同類型接觸線性能，結合銅鉻鋯接觸線主要性能指標，分析如下。

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

（2）抗高溫軟化性能優良，接觸線抗電燒蝕能力強：銅銀合金在300℃下軟化率達90%;400℃下軟化率達46%;銅鉻鋯接觸線在同樣軟化條件下強度分別降低4%和10%，可有效提高接觸網系統應對列車運營過程的偶發因素能力。

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

（4）導電性能優良，降低接觸網能耗：一般材料強度和導電性能為反函數關系，即提高強度以損失電導率為代價。然而，銅鉻鋯接觸線在抗拉強度明顯高于高強鎂銅接觸線的情況下，導電率也顯著高于高強鎂銅接觸線，在標準測試條件下二者絕對值高約13%，相對于銅鎂接觸線，銅鉻鋯合金接觸線導電率提高約23%。

4結語

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

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