我国电力牵引用接触线的发展与展望.pdf

2 0 0 3年第 2期 No 2 2 00 3 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e 8 L Ca b l e 2 0 0 3年 4月 Apr 2 0 03 我 国电力牵引用接触线的发展与展望 黄 崇祺 ( 上海 电缆研 究所 ， 上海 2 0 0 0 9 3 ) 摘要 ： 本 文阐述 电气化铁 路、 城 市交通、 矿 山和起 重运输用 电力牵引接 触线的生产和应 用， 回顾过去 、 着眼现在 和展 望 将 来 。 关键词 ： 电力牵引 ； 接触 线( 电车线 ) ； 接触 网； 发展 ； 展 望 中圈分类号 ： T M2 4 4 3 文献标识 码 ： A 文章编号 ： 3 1 1 3 9 2 ( 2 0 0 3 ) 0 2 0 0 0 3 0 6 De v e l o pme n t a nd f or e c a s t o f t he c on t a c t wi r e s f or e l e c t r i c a l t r a c t i o n i n Chi na HU ANG Cho ng- q i ( Sh angh a i El e c t r i c Ca bl e Re s e ar c h I ns t i t ut eSh a ngh ai 20 009 3Ch i n a) Ab s t r a c t ：The p r o duc t i on of c on t a c t wi r e s f o r e l e c t r i c t r a c t i on an d t he i r a ppl i c a t i o n i n e l e ct r i f i e d r a i l wa y，ur ba n t r af f i c，c onv ey i ng s ys t e m i n f a c t or i e s a nd mi ne s a nd hoi s t i ng s ys t e m ar e pr e s e nt e dTh e p as t i s r e v i ewe d， t h e p r e s e n t i s s t r e s s e d an d t h e f ut ur e i s pr e di c t e d Ke y wor ds：el e c t r i c t r a c t i on；c o nt a c t wi r e( t r ol l e y wi r e)；ove r h e a d c o nt a c t s ys t e m ；de v el opmen t；f or e c a s t 1 前言 2我国过去 的接触 线的生产和应用 电力牵 引用 的接 触 线 ( 电 车线 ) 在 电气 化铁 路 、 城市轨道交通 ( 地铁 、 轻轨、 无轨 电车) 、 工矿 电气化 运输和起重系统等领域有着广泛的应用。 目前我国 接 触线 的 年用量 约 为 5 0 0 0 t 。 接 触 线 生 产 的特 点 是 产 品 形状 简 单 ， 但 品种 较 多， 且要求安全可靠性又很高。根据材质的不 同， 接 触线有纯铜 、 铜合金 、 铝一 钢和铜一 钢等四类 1 。 到 目前为止 ， 生产 各类 接触线 的方 法有 ： 连铸 ( 上引或水平) 一冷轧一拉制法( 简称 ： 连铸法) 、 连铸 一 热 轧 一 拉 制 法 ( 简称 ： 连 铸 连 轧 法 ) 、 冷 压 复 合 法 ( 简称 ： 冷复合法) 、 热浸涂包覆 一轧制 一拉制法 ( 简 称 ： 浸涂法 ) 2 和“ 康仿” ( C o n f o r m) 连续挤压包覆一 拉制法 ( 简称 ： 康仿挤压法 ) 3 等五种 。 这些方法都是 在连续 大 长度 、 无接 头 的方 式下 生产 的 。因此 ， 为 了 保证产品的质量， 对生产工艺和操作稳定性 的要求 都是很高的。 随着电气化列车向高速 、 重载的发展 ， 对接触线 的材质及其 品种的性能提 出了更高的要求 ， 尤其对 抗拉强度( 拉断力 ) 有了很大的提高， 这也推动 了接 触线 的发 展 。 综 观 发展势 态 ， 目前 接 触线 向铜 合金 化 和复合金 属化发展已成 为世界接触线发展 的总趋 向 。 收稿 日期 ： 2 0 0 2 1 0 2 0 作者简 介 ： 黄崇祺 ( 1 9 3 4 一) ， 男 ， 江苏 常熟人 ， 中国工程 院院士 作者地址 ： 上海市军工路 1 0 0 0 号 2 0 0 0 9 3 - 1 我 国是一个缺铜 的国家 ， 过去在 以铝代铜方针 的指导 下 ， 我 国钢 铝复 合接 触线 获得 了很 大 的发 展 ， 并大量地使用。在上世纪 9 O年代前我国约有 7 O 的电气化铁路使用了钢铝复合接触线 ( 包括矿 山电 气 化运 输 ) ， 其 中外 露式 和 内包 式 的钢铝 接触 的 总产 量 约 2 3 万 t 。 因此 ， 可 以说 我 国是 钢铝 接触 线 用量 最 多、 使用时间最长 、 至今还在使用的国家 ( 特别是 天气 比较 干燥 的我 国 北 方地 区 ) ， 也 是 生产 、 改 革 和 产品结构型式最多的国家， 它已为我 国的建设作 出 了历 史性 的 贡献 。表 1列 出 了双沟 型 钢铝接 触线 品 种和结 构 ( 图 1 图 5 ) 。 钢铝 接 触 线 的 主 要 优点 在 于 拉 断 力 大 、 抗 事 故 能力强， 其缺点是耐腐蚀比铜和铜合金差， 而且钢与 铝易产生脱开 ， 特别是钢外露式的钢铝接触线。 为了 改进 缺 点 ， 扩 大 应 用 ， 在 下 列 方 面进 行 了 改 进 和 开 发 ： ( 1 )钢的材质。由原来用的低碳钢逐步改为低 碳 含铜钢 ( 1 0 C u ) 和低碳磷 铜稀土钢 ( 1 O P C UR E) ， 在 上 世 纪 9 O年 代 以后 开 始 使 用 高 耐 候 结 构 钢 ( 0 9 Cr PV ) 。 ( 2 )接 触 线 的结 构 。 由钢外 露式 C GL W 型 ( 图 3 ) 改 为 内包 式 C GL N 型 ( 图 2 ) ， 这 样 既 解决 了钢 铝 脱开问题 ， 又提高了耐腐蚀性能， 而且也解决 了钢外 露式接触线在仓库储存期 间和架完线通车以前， 由 于钢的腐蚀 ， 在通车后会使受电弓与接触线间产生 维普资讯 2 0 0 3年第 2期 No 2 2 00 3 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e 8 L Ca b l e 2 0 0 3年 4月 Ap r 。 2 0 0 3 铜接触线 铝合金接触线 铜合金接触线 ( 均为单一 材 质 的接触线 ) 钢铝复合接触线 ( 内包梯 型钢 ) CT CLHA CTH A CTHB1 CTHB2 CTHC 铜 6 5 1 5 O 铝镁硅稀土合金 1 3 O 2 0 0 铜银 铜锡 银 铜锡 银 铜锡 钢 一 铝 8 5 1 5 O 8 5 1 5 0 8 5 1 5 0 8 5 1 5 0 2 5 0 ( 1 2 O) 1 9 5( 8 5) 6 2 1 8 8； 5 5 1 4 0 钢 兰 竺 线 C G L W (a ) 钢 一 铝 2 1 5 ( 1 0 0 ) -6 7 1 4 8 钢 一 铝 (外 露 异 型 钢 ) CGL W ( b ) 钢 一 铝 1 7 3 ( 8 O ) 一 5 4 1 1 9 钢铝及铝 合金 复合接 触线 C GL HD( a ) 钢单线一 铝一 铝合金 ( 内包钢单线 ) 1 9 5( 8 5) 一 4 9 8 7 8 1 0 1 7 图 1 单 一材质的接触线 图 3 外 露异型钢 ， 钢铝 复合接触线 a 、 4 维普资讯 维普资讯 2 0 0 3年第 2期 No 2 2 00 3 电 线 电 缆 El e c t r i c Wi r e 8 L Ca b l e 2 0 0 3年 4月 Apr 2 00 3 合金元素银在铜 中的均匀性 ， 直接影响产 品抗 拉强度( 拉断力) 的均匀性。 银的熔点与铜 比较接近， 且熔炼时在铜 中的分散性较好 ， 因此铜银合金是 比 较容易生产的铜合金之一 ， 国内电缆工业早有丰富 的经验。对银 的加入有直接( 一次熔炼) 和中间合金 ( 二次熔炼 ) 加入法两种， 无论那种方法均应 达到成 份 均匀 、 烧损 少 的 目的 ， 如 前者 能 达此 目的当然 水平 更高， 我 国目前能做到这一点。 铜银接触线的生产方 法有连铸法和连铸连轧法两种 ， 成份 的均匀性决定 于 熔 、 铸 ， 尤其 是熔 铜 用 的炉 型起 着重要 的作用 。 目 前我国用上引连铸法制杆的炉型都属有芯工频感应 电炉， 炉子的熔沟就是次级线圈， 它对铜液起着涡流 的搅拌作用 ， 这是它固有的突出优点 ， 因此可确保成 份的均匀性 ， 而用连铸连轧法制杆的炉型一般不用 此种炉型， 所 以从保证成份的均匀性而言 ， 上引连铸 法 制杆 优于 连铸 连轧 法 制杆 。 国内外电工用铜银合金制品的含银量一般控制 在 ( O 1 0 0 2 ) 。 根据武( 昌) 一广( 州) 电气化铁路 用 的 ， 由上 引 连 铸 法 生 产 的 1 2 0 mm 铜 银 接 触 线 ， 经 1 6 3 7盘( 共计 2 5 6 7 t ) 线的验收检验( 由铁道部产 品质量监督检验 中心执行) 统计证 明 ： 含银量都 在 0 0 9 t0 1 0 ， 银 的分 布是 很 均匀 的 ， 而 相 对应 的 室温拉断力平均值为 4 5 0 k N， 最大值为 4 7 0 k N， 所以强度分布也是很均匀的。 3 2 接触 线 的平直 度 ( 小 波浪 ) 与工 厂制 线和 架线 接触线 的平直 度直 接影 响架 线通 车后 受 电 弓与 接触 线 间的离 线 ， 离 线 太大 由于 打火 花而 引起 烧蚀 。 实践 证 明 ： 平直 度 直 接 与工 厂 拉 线 成形 后 的校 直 力 度 、 工地架 线操 作 和架 线时 校直 有关 ， 与 接触 线 的制 造方 法 、 线 的晶粒度 大 小 、 变 形不 均 匀性 和 内应 力 分 布不均等无关 。 事实上冷拉成形后的双沟形接触线 ， 在整个长度的断 面上 ， 变形程度 、 硬度分布 、 晶粒大 小和分布， 以及内应力的分布都是不均匀 的， 尤其在 两个沟槽处最为剧烈。 如果 由这些因素引起 ， 乃将在 整批 、 整盘 的产 品上 和 架线 后 的整 个 线路 上 出现 不 平直 ， 但事实上并不如此。由生产实践表明 ： 只要控 制好 拉 线 成形 后 的校 直力 度 ， 在 生 产后 接触 线 的平 直度 的平均值可以控制在 0 3 mm 以内。 据 2 0 0 0年 和 2 0 0 1年实测结果： 国产的连铸法接触线 的平直度 平均值为 0 2 4 5 、 0 1 6 8 、 0 1 2 3 mm( 铜银接触线 ) 和 0 2 0 2 mm( 铜镁 接触 线 ) ， 而进 口的连铸 连 轧 法铜 银 接触 线 为 0 2 2 0 mm。( 注 ： 平直 度测 定方 法 1 2 0 mm 铜银接触 ， 自盘上取样长 6 m， 标距取 4 m， 在 1 3 k N拉力下 ， 在标距中每隔 2 0 0 mm 共标定 2 O个 点 ， 用 6 0 0 mm 的水平 尺 和 塞 尺 ， 测 定 2 0个 点 上 的 6 。 间隙， 按 2 O个点 的实测值 ， 计算平均值和确定最大 值 ) 。 3 3接触线的脆断与接触线的制造方法和内部的 缺 陷 自 1 9 9 6年以来 ， 我国使用铜银接触线在架线时 已知的脆断 ( 即在架线 时一经弯曲即断线 ) 状况是 ： 由连铸 连 轧法 生 产 的 ， 国外进 口 的铜银 接 触线 5 8 0 0 余吨共脆断 7 次 ； 由上引连铸法生产的， 某厂国产的 铜银接触线 4 0 0 0 余 吨共脆断 4次。 由此可以看 出接 触 线 的脆 断 与接 触 线 的制 造 方 法无 直 接 的 关 系 ， 即 两种制造方法均有脆断现象 。 接触线 的脆断一般 与严重 的内部缺 陷 夹 杂 、 夹灰和气孔等直接有关 ， 甚至可能与氢脆有关 。 这 些 缺陷 多数 在熔 、 铸工 序 中产 生 ， 但 如氢 脆 所致将 追 溯 到从 电解 铜开 始直 到熔 、 铸 和热 轧 的整个 过程 。 因此 ， 无 论何 种 制 造 方 法均 应 具 有稳 定 的生 产 工 艺 和 严 格 的操 作 ， 这 些 乃 是 减 少 脆 断 现 象 的关 键 ； 另 外 ， 应 对所 生产 的产品 的 内部缺 陷应 加强 检验 ， 并应 符 合 YB 7 3 2 1 9 7 1 断 口检 验方 法 的规定 L 5 。 在 生 产 工 序 上 采用 连 续 无 损探 伤 ， 以堵 截 严 重 的内部缺陷， 是防止缺陷危害的办法之一 ， 但这种探 测 方 法往 往 出现漏 检或 因仪 器太 灵 敏而难 于 正常操 作 。 如上所述， 国内外不同制造方法生产的接触线都 有 脆 断 发 生 ， 这就 足 以说 明漏 检是 难 免 的 。究 其 原 因， 这与探伤标准样品的制备有关 ； 或只用涡流探伤 ( 探 表层 缺 陷 ) 发 现不 了深 层 次 的缺 陷 ， 恐 怕 要 兼施 超 声 波探 伤才 行 。至于 探伤 在工 序上 何处 进 行为 宜 都有待于深入研究的必要 ， 以便开发出既适于在线 正常操作、 又能可靠地检测 出缺陷的仪器及其检验 方 法 。 3 4 接触线的晶粒度与接触线的制造方法 由连铸连轧法制造的接触线其晶粒度 ( 见 图 7 ) 比连铸法( 见图 8 、 9 ) 的小 ， 这是客观存在 的， 但特别 要 指 出 的是尽 管 由连铸 连轧 法制 造 的接触 线 其 晶粒 度 比较小 ， 可并不能说明它脆断的机率可 以减少了， 据上述 脆断的统计数 字就可以说 明的确不是 这样 的 ， 所 以晶粒度 的大小 既不 影响 脆 断和强 度 ， 亦不 影 响平 直度 。现 在 ， 秦 ( 皇 岛 ) 一沈 ( 阳) 客运 专线 ( 时 速 2 0 0 k m h ) 的 3 0 k m 试 验 段 ( 时 速 3 0 0 k m h ) 用 的 就 是 如图 9 所 示 的铜镁 合 金接 触线 。 总之 ， 这 些接 触 线都能达到铁道部行业标准( TB T 2 8 2 1 1 9 9 7 ， 铜 合 金 接触线 ) 和 国际通用 、 先 进标 准 的要求 。据我们 的研 究 和生 产 表 明 ， 经变 质 处 理 的和 改进 工 艺 的铜 银接触线其晶粒度可由粗变细， 有着明显的变化 。 图 8和图 9分别为 国产铜银接触线和国外进 口铜镁接 维普资讯 2 0 0 3 年第 2 期 No 2 2 0 03 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e Ca b l e 2 0 0 3年 4月 Apr 2 00 3 触 线 ， 都 用 未 经变 质 处理 的连 铸 法生 产 ， 晶粒 较 粗 ； 图 1 O和 图 1 1都 为 由连 铸 法 生 产 的 国产 铜 银 接 触 线， 但分别进行 了稀土变质处理和工艺改进 ， 所以晶 粒度 明显 变得 细或 较细 。 图 7 国外 进 口 C u A g接触 线 金相 1 0 ( 连铸连轧法生产 ， 晶粒细 ) 图 8国产 C u Ag接触 线金相 1 0 ( 连 铸法生产 ， 晶粒粗 ) 图 9 国外进 口 C u Mg接 触线 金 相 1 0 ( 连铸法生产 ， 晶粒粗 ) 图 l O 国产 C u Ag接 触 线 金 相 1 0 ( 连 铸法 生产 ， 稀土 变质处 理 ， 晶粒较 细) 图 1 1 国产 Cu Ag接 触 线 金 相 1 0 ( 连 铸 法生 产 ， 改 进 工艺 ， 晶 粒 细 ) 3 5 双 沟形 接触 线 的沟 角精度 与 线夹 双 沟形接触线 在线路上使用应与线 夹匹配吻 合 ， 但在实际中往往并非如此 。接触线在成形拉制 时 ， 特别成 品模 的精 度和光洁度都是很 高的， 我国 T B T 2 8 2 1 1 9 9 7规定 沟 角精 度 为 1 。 ， 与德 国 D I N 4 3 1 4 1相同， 而美国 AS T M一 4 7和英国 B S 2 3 ： 1 9 7 0分别规定为2 。 和4 。 ， 甚至有的国外标准对 沟角精度根本不作规定 。 与沟角相吻合的线夹 ， 其 表面光洁度和角度的精度却都是很低的。沟角规定 严 、 而线 夹 规定 松 ， 因此 接触线 沟 角 的精度 是否需 要 1 。 是值得商榷 的， 似乎是一种浪费 。 由于沟角精度 的提高， 不仅增加了用工具显微镜检测的次数 ， 而且 增加了模具消耗 ， 按 目前碳化钨模 的磨损水平约拉 2 0 t 线就需更换 1个成 品模 。 3 6 我 国铜银接触线 的性能水平与国外同类产品 的 比较 ( 见 表 2 ) 维普资讯 2 0 0 3年第 2 期 No 2 20 03 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e Ca b l e 2 0 0 3年 4月 Apr 。 2 00 3 注 ： 国产接触线拉力试验条件 ： 拉伸速度 2 0 mm mi n， 额定的拉力量程 5 0 k N。 德国标准 DI N4 3 1 4 0 。 日本国铁标准 J R S 综 上 所 述 ， 可 以看 出 ， 无 论 连 铸 法 或 连 铸 连 轧 法， 这两种生产方法在国内外都适于生产铜银接触 线 ， 而且 国产化 的铜 银 接触 线 已达 到 了国外 同类 产 品 的水 平 。 4 我 国将来 的接触 线的生产和应用 我国轮轨电气化铁路 向高速( 2 0 0 4 0 0 k m h ) 发展是必然的趋势。对高速接触线的要求是在保持 较高电导率条件下， 大幅度提高接触线的抗拉强度 ， 由此用何种接触线就成了值得研讨的问题 ， 并也应 为研究开发国产化的高速接触线早作准备。根据现 实与可能 ， 国产化的高速接触线可能是 ： 铜镁 、 铜 ( 或 铜合金) 包钢和铜锫铬等接触线 ， 以下作简要说明 ： ( 1 )铜镁接触线 。 抗拉强度和导电率分别在 5 0 0 MP a和 7 0 9 6 I AC S左 右 。镁 是 一 个 活泼 、 易烧 损 的 元素 ， 在生产 中如何控制镁 的烧损 ， 保证成份均匀是 关键所在。 看来 ， 特别在制杆上采用改型的连铸法是 可能 的和有 利 的 。 目前欧 洲 已有 炉型 不 同的上 引连 铸法生产铜镁接触线 ， 并正在高速线路上试用 。 ( 2 )铜 ( 或 铜合 金 ) 包钢 接 触线 。抗拉 强 度 和 导 电率应分别控 制在 6 5 0 4 9 0 MP a和 6 0 8 0 I AC S 。 自上世纪 8 0年代以来 ， 浸涂法和康仿挤压法 已相继 在我 国电缆 工业 中应用 。 在 此 基础 上 ， 进 一 步 开发铜包钢接触线是可能的。 据文献 2 、 3 报导 日本 已有 2 0 0 0 k m 铜 包 钢 接 触 线 在 日本 线 路 上 试 验 和 试运行 。 ( 3 )铜锆铬接触线 。抗拉强度 和导电率分别为 5 5 0 MP a和 7 8 I AC S左右 。这 是 一种 热处 理 型 的 铜 合金 ， 由此种 合 金 做 的部 件 在 国 内合金 厂 中 早 有 生产和应用 ， 但在我 国电线 电缆厂 中要实现连续大 长度 无接 头 的大 规模 生 产 ， 尚需 增 加 大 型 的热 处 理 设 备 ， 开 发连续 生 产 的加工 工艺 。 5 结束语 ( 1 )连 铸 ( 上 引或 水平 ) 一冷 轧 一拉制 法 和连 铸 一 热轧一拉制法都适于生产铜银接触线 ， 产品质量 都能符合我 国 TB T 2 8 2 1 1 9 9 7铜合金接触线L 7 和国际通用、 先进标准的要求。 ( 2 )今后轮轨高速 电气化铁路接触网用的高速 接触线可能是铜镁、 铜 ( 或铜合金) 包钢和铜锫铬接 触线 。 ( 3 )研究 、 开 发 在 生 产 上 具 有 可 操 作 性 的新 一 代接触线连续无损探伤的方法和仪器， 以满 足接触 线在 线生 产 应用 的需 要 。 ( 致谢 ： 在本 文写作时， 上海电缆厂 曾提供 了有 关的资料， 并同意发表 ， 在此深表感谢) 参考文献 ： 1 黄崇祺 轮轨高速电气化铁路接触网用接触线的研究 J 中国 铁 道科学 ， 2 0 0 1 ， ( 2 ) ： 1 5 E z 3 Na g a s a wa H e t a 1 高导 电率铜包钢 电车线的开发 J F u j i k u r a Te c hn i c a l Re v i e w ， 1 9 9 0， ( 4) ： 7 1 2 E 3 3 日本藤仓株式会社 铜包钢电车线资料E z 2 0 0 1 E 4 3 G B 1 2 9 7 1 1 9 9 1 ， 电力牵 引用接触线I S E 5 3 Y B 7 3 2 1 9 7 1 ， 铜 、 镍及合金管材和棒材断 口检验法 I S 6 上海电缆研究所 国外接触线( 电车线 ) 标准汇 编( 译文) M 上海 ： 上海电缆研究所信息 中心 ， 1 9 8 9 E 7 3 T B T 2 8 2 1 1 9 9 7 ， 铜合金接触线E s E 8 1 黄宗祺 轮轨高速电气化铁路接触网用接触线( 电车线) 技术咨 询报告E R E 海 电缆研 究所 ， 2 0 0 0 8 维普资讯