铜铬锆接触线在俄罗斯莫喀高铁的适应性分析

刘涛　陈可

俄罗斯莫斯科至喀山高速铁路是国内外首条时速400km高速铁路项目，更高速度对负担电能传输和机械滑道的接触线提出了更高的性能要求，本文围绕莫喀高铁接触网系统接触线选型，分别从抗拉强度、导电率、耐磨性等，分析了铜铬锆接触线在时速400km高速铁路的适应性，确定了莫喀高铁接触网系统接触线类型，同时也为今后时速400km高速铁路接触线选型提供了参考。

400km/h  莫喀高铁  接触线  抗拉强度

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

俄罗斯莫斯科至喀山高速铁路西起俄罗斯首都莫斯科，向东南延伸到鞑靼共和国的喀山，中间穿过弗拉基米尔州、俄罗斯联邦州和楚瓦什自治共和国等重要城市。线路全长约770km，设计速度最高达400km/h。

接触网工程是高速铁路的重要组成部分，担负着从牵引变电所获得的电能输送给电力机车，是电气化铁路可靠运行的关键基础。而接触网用铜合金接触线更是通过与受电弓滑板接触，向机车输送电能，是电气化铁路供电系统的重要器材之一，直接影响铁路运输安全。

本文围绕莫斯科至喀山高速铁路接触系统方案中接触线选型，分别从抗拉强度、导电率、耐磨性等接觸线性能，对比分析不同类型接触线在时速400km高速铁路的适应性，为莫喀高速铁路接触线选型提供技术支持。

1 接触线研究现状

目前，我国高速铁路建设中，主要使用的接触线有铜银合金、铜镁合金、铜锡合金、高强度铜镁合金等，其中铜银合金接触线，抗拉强度规范值为370MPa、导电率为97%IACS，主要用于160km/h及以下速度等级;铜镁、铜锡合金接触线，抗拉强度规范值为380～430MPa、导电率为80%～93%IACS，主要用于200～250km/h速度等级;高强度铜镁合金接触线，抗拉强度规范值为530MPa、导电率为65%IACS，铜铬锆合金接触线，抗拉强度规范值为560MPa、导电率为75%IACS，主要用于300～350km/h速度等级。

日本和法国分别研发了铜锡合金接触线并成功应用在250～300km/h高速铁路。高强度铜锡合金接触线的抗拉强度提高到470MPa、导电率为63%IACS。铜锡合金接触线的耐磨性能十分优异，可显著延长接触线使用寿命。

德国偏重铜镁合金接触线研发应用，德国将已用于承力索的铜镁合金用来制造接触线，最终定型于欧盟标准EN50149，120 mm铜镁接触线，抗拉强度为490MPa，导电率62%IACS。镁与铜的金属性质差异显著，合金化后能明显提高抗拉强度，但铜镁合金接触线导电率偏低的问题较为突出。

2 莫喀高铁对接触线参数需求

2.1 牵引变电所最大馈线电流及导线截面

根据莫喀高铁运输组织需求，正线牵引供电系统采用AT供电方式，新建AT牵引变电所12座、AT分区所11座、AT所28座;牵引变电所平均有效电流为935A，分区所、AT所平均有效电流为372A。

最高允许工作温度95℃室外条件下，截面150mm铜镁接触线载流量为460A，截面150mm铜铬锆接触线载流量为505A，截面120mm承力索载流量为430A，结合国内时速350km高速铁路接触线截面选择经验，为满足平均有效电流935A载流能力，本项目接触线采用截面150mm铜合金接触线，承力索采用120mm铜合金绞线，且接触线导电率不应小于75%IACS。

2.2 导线张力及导线抗拉强度

为保证良好的弓网耦合关系，运行速度与波动传播速度之比β≤0.7时，才能保证受电弓与接触网之间的耦合集电特性，减少受电弓的火花次数和离线时间，使受电弓在沿接触线的高速滑行过程中处于稳定工作状态。波动传播速度的公式如下：

式中，为接触线的波动传播速度，km/h;为接触线额定张力，N;为接触线线密度，kg/m。

结合本项目设计速度目标值以及导线截面选型，经计算，本工程接触线额定张力按照36kN选取。

接触线的抗拉强度由下列公式确定：

σ=σ×0.65×K×K×K×K×K×K

式中：σ为接触线的最大允许工作应力;σ为接触线的最小抗拉强度;K为接触线的最高温度系数;K为接触线的允许磨耗系数;K为接触线的风和冰荷载系数;K为接触悬挂下锚补偿装置的精度和效率系数;K为接触线终端锚固线夹系数;K为接触线接头系数。

根据上述计算条件得出：接触线额定工作张力为36kN时，接触线最小抗拉强度σ=σ/（0.65×1×0.8×0.95×0.97×1×1）/0.98=533MPa。

根据不同类型接触线抗拉强度、导电率等相关指标，仅铜铬锆三元合金导线（CTCZ），抗拉强度560MPa满足时速400km高速铁路接触网张力系统要求。

3 铜铬锆三元合金接触线适应性分析

从接触线技术发展方向考虑，为满足高速列车高速度、大电流取流，接触线应具有高强度及高导电率，因此铜铬锆合金接触线代表了高速铁路特别是时速400km及更高速度的接触线发展方向。

目前，国内对铜镁合金接触线在强度及导电率等方面进行性能提升，并取得了一定的进展，但其性能与铜铬锆接触线性能相比较还有较大差距。从金属材料结构上无论采用什么配方及工艺，其接触线的强度与导电率均成反函数曲线关系。

结合本项目接触线张力36kN（截面150mm²），接触网系统还需通过接触线向机车提供27.5kV的交变电流，平均有效电流达935A;同时接触线因自然环境冷热交替及大气环境条件变化而产生腐蚀、烧蚀、磨损等，制造和安装弯曲误差等因素影响，其工作环境极为恶劣。故时速400km高速铁路用接触线还应具备以下技术性能指标。

高抗拉强度：高速铁路对接触线的首要要求是能承受其额定工作张力，以适应静张力和高速车辆受电弓对接触线的冲击动张力。而提高接触线的工作张力不能仅靠加大接触线截面积，增加截面积引起重量增加，将降低接触网波动传播速度，制约列车运行速度。故需提高接触线抗拉强度。

高导电率：莫喀高铁额定工作电流近1000A，若接触线导电率低，不仅不能满足列车运行需求，大量浪费电能，还会造成接触网发热而温升过高，使接触线发生软化或退火，造成蠕变断线事故，严重危害运行安全。为满足1000A的载流需求，接触线导电率应不小于75%IACS。

高抗软化能力：接触线长期大电流载流，势必产生热能损耗使接触线升温，另外，受电弓与接触线间的滑动摩擦亦会使接触线温度升高，故接触线必须具备高温下稳定的工作能力，即具备较高的抗软化能力。

高耐磨性能：接触线因受自然腐蚀、电弧烧蚀、机械磨损，制造和安装误差等因素影响，引起接触线损耗。接触线设计允许磨损面积为20%，磨耗超标将对线路受流和运行安全造成严重影响，而更换接触线的代价大，故高速铁路要求接触线应具有较高耐磨性。

结合以上性能指标需求，经试验测试，截面150mm的铜铬锆接触线抗拉强度达580MPa，拉断力87.58kN，导电率约80%IACS，300℃/2h软化抗拉强度551MPa。

銅铬锆合金具备高强度、高硬度、耐热、导电性和导热性能较好的铜合金，对比不同类型接触线性能，结合铜铬锆接触线主要性能指标，分析如下。

（1）强度高，接触网系统更加安全可靠：铜铬锆接触线抗拉强度高于铜镁合金接触线，相同张力系统下采用铜铬锆接触线安全系数较铜镁接触线高20%。

（2）抗高温软化性能优良，接触线抗电烧蚀能力强：铜银合金在300℃下软化率达90%;400℃下软化率达46%;铜铬锆接触线在同样软化条件下强度分别降低4%和10%，可有效提高接触网系统应对列车运营过程的偶发因素能力。

（3）耐磨性能优良：铜铬锆接触线主要强化方式是析出强化，合金本身的性能决定了铜铬锆合金线材内外层力学性能比较均匀，克服了其他合金材料接触线抗软化能力差和内层耐磨性能不足的问题;铜铬锆合金接触线具有较高的强度、硬度和抗高温软化性能，大大增加了接触线的耐磨能力，同时有效降低了电烧蚀对接触线的破坏，保证接触网的良好运营质量。

（4）导电性能优良，降低接触网能耗：一般材料强度和导电性能为反函数关系，即提高强度以损失电导率为代价。然而，铜铬锆接触线在抗拉强度明显高于高强镁铜接触线的情况下，导电率也显著高于高强镁铜接触线，在标准测试条件下二者绝对值高约13%，相对于铜镁接触线，铜铬锆合金接触线导电率提高约23%。

4结语

综合分析铜铬锆接触线主要技术性能，从全寿命周期理念出发，铜铬锆接触线具备高强度、高导电、高耐电烧蚀、高耐磨耗、高抗高温软化性能、低温优良性能等特性，在其全寿命周期内可降低使用成本，满足莫喀山高铁外部环境条件下机械、电气等性能要求，也可为今后其他时速400km高速铁路接触线选型提供参考。

参考文献

[1] 尹磊，陈可.俄罗斯莫喀高铁电气化初步设计分析及总结[J].一带一路报道，2018（2）：74-77.

[2] 范勇，杨广英.解读铁道行业标准《电气化铁路用铜及铜合金接触线》[J].铁道技术监督，2018，46（8）：6-10.

[3] 贾志洋.中国欧盟电气化铁路用铜及铜合金接触线准入管理比较分析[J].铁道技术监督，2019，47（5）：16-20，30.

[4] TB/T2809-2017 电气化铁路用铜及铜合金接触线[S].北京：中国铁道出版社，2018.

[5] TB/T3111-2017 电气化铁路用铜及铜合金绞线[S].北京：中国铁道出版社，2018.

[6] Santa Kumar Maharjan. 柔性中压直流电气化铁路系统杂散电流与钢轨电位研究[D].成都：西南交通大学，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.接觸导线用Cu-Cr-Zr合金的组织性能[J].特种铸造及有色合金，2021，41（9）：1124-1128.

[9] 钟传枝，许岩，陈光雄.浸金属碳滑板/铜银合金接触线载流摩擦磨损性能的试验研究[J].润滑与密封，2021，46（11）：34-39.

[10] TG/01A-2017 铁路技术管理规程[S].北京：中国铁道出版社，2017.