溫度對(duì)接觸線特性的影響

2016-01-11 16:55:43 來源：用戶投稿作者：如圖11.37所示

11.2.1 說明

第11.1節(jié)講述了確定電流值和接觸網(wǎng)熱額定值的基本原理，本節(jié)要涉及的是限定溫度的基本原理，以及展現(xiàn)在高溫下接觸線運(yùn)行的后果，產(chǎn)生這種情況是由于增大電力消耗、短路之后、保護(hù)裝置或斷路器失效所造成的。局部溫度的升高可能是連接配件的損壞、接觸線中的空洞等引起的。

除此之外，與受電弓滑板接觸的接觸線處可能產(chǎn)生局部的短期溫升，甚至?xí)鼋佑|線材質(zhì)的熔化溫度。與此相關(guān)的接觸線抗拉強(qiáng)度的降低和受電弓滑板磨損過大限制了直流電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)的容量。目前允許流經(jīng)接觸線—受電弓滑板結(jié)合處的，經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上最大可控制電流大約是2000A。

接觸線溫度的升高會(huì)加大導(dǎo)線永久性伸長(zhǎng)并降低抗拉強(qiáng)度。此外，接觸線的機(jī)械性能改變還取決于其抗拉應(yīng)力及運(yùn)行時(shí)間。導(dǎo)線控制過程及截面 (見表2.11) 也影響溫度變化下的性能。在本章節(jié)中將討論這些參數(shù)對(duì)接觸線特性的影響，它們對(duì)評(píng)估有問題接觸線的剩余壽命時(shí)是至關(guān)重要的。

11.2.2 冶金學(xué)原理

在通常運(yùn)行條件下，接觸線耐受近似恒定的張力，可以認(rèn)為機(jī)械負(fù)荷是固定的。除了最小抗拉強(qiáng)度或標(biāo)稱抗拉強(qiáng)度外，0.2%屈服強(qiáng)度是一重要參數(shù)，它用來描述經(jīng)受固定負(fù)荷的組件之強(qiáng)度狀況。在可塑性材料中，假若超出此限度，就會(huì)產(chǎn)生主要的塑性變形。銅接觸線由相對(duì)堅(jiān)硬的材質(zhì)制成，沒有明顯的規(guī)定彈性極限。0.2%屈服強(qiáng)度是指將引起塑性變形的張拉應(yīng)力，或者是在移走負(fù)荷后將應(yīng)力設(shè)定在0.2%。圖11.28示出在進(jìn)行CuMg0.6型接觸線張拉試驗(yàn)中得出的應(yīng)力—應(yīng)變圖，圖中表示出應(yīng)力的大范圍內(nèi)應(yīng)變是與應(yīng)力成正比的。一直到大約十年前，接觸線通常是由電解銅制成的，因?yàn)樵跐崈魲l件下，它在具有低電阻率的同時(shí)還能達(dá)到良好的機(jī)械強(qiáng)度�！”�11.10列出了 [11.31] 中給出的電解銅物理性能。然而，為了達(dá)到高行駛速度、同時(shí)保證電流傳輸要求的水準(zhǔn)和接觸質(zhì)量，需要改進(jìn)架空接觸網(wǎng)性能。

圖11.28 依照EN10002標(biāo)準(zhǔn)的第1部分，CuMg0.6型接觸線的張拉試驗(yàn)

如同第9章所解釋的那樣，受電弓和受流器組件的接觸特性與接觸線的張拉應(yīng)力緊密相關(guān)，增加接觸線的張拉應(yīng)力會(huì)改善接觸特性。為此目的，當(dāng)試用含有銀、鎘、鎂、錫以及鎳和鋅的合金來顯著地增加接觸線的抗拉強(qiáng)度。在中歐，只有銀和鎂的添加物被實(shí)際應(yīng)用，鎘因其對(duì)環(huán)境的有害毒性現(xiàn)在已被法律禁用。

表11.10 依照 [11.31]，溫度20℃下的電解銅的物理性能

在工程出版物中電解銅也叫Cu-ETP(電解韌銅)。過去，帶0.1%銀的電解銅合金叫作Cu-LSTP(低銀韌銅)，現(xiàn)在全歐洲都將其命名為CuAg0.1。

在銅中的合金添加物導(dǎo)致同型晶狀體結(jié)構(gòu)的形成，它比純銅具有較高的抗拉強(qiáng)度和耐熱性。添加銀不會(huì)影響電傳導(dǎo)性，因?yàn)殂~和銀具有類似的性能。與此相反，銅鎂合金的導(dǎo)電性低于純銅，但此類合金具有較高的抗拉強(qiáng)度。

CuAC-100和CuAC-120型銅合金，接觸線是通過澆鑄—軋制過程將18～24mm直徑銅材拉制而成的，此材料連續(xù)通過數(shù)個(gè)圓形模具、接著是溝槽式模具、然后是最后的修整模具來進(jìn)行控制。將導(dǎo)線冷拔成最終的尺寸和外形，這就將幾乎是圓形的材料微結(jié)構(gòu)拉拔成長(zhǎng)形，最后排列為與導(dǎo)線拉伸方向一致的纖維狀結(jié)構(gòu)。晶狀體結(jié)構(gòu)的不均勻性增加了剪切抗力并使材料硬化。由于銅經(jīng)受了數(shù)個(gè)冷拔過程，這就增加了其變形抗力，但同時(shí)也相應(yīng)地降低了其導(dǎo)電性和可塑性。

拉制造成的截面積減少相對(duì)其原先材料截面稱之為轉(zhuǎn)換比。轉(zhuǎn)換比用百分?jǐn)?shù)表示并等于截面積減少量與其原先截面積之比值，例如用來生產(chǎn)含有約0.6%鎂的溝槽式接觸線CuMg0.6的最佳轉(zhuǎn)換比粗略地確定為75%。

11.2.3 發(fā)熱對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響

冷拔銅導(dǎo)線的長(zhǎng)期發(fā)熱造成其晶狀體結(jié)構(gòu)重新回到冷拔過程前的原先結(jié)構(gòu)狀態(tài)。轉(zhuǎn)變到穩(wěn)定的晶體狀微結(jié)構(gòu)稱之為再結(jié)晶，并伴隨著喪失冷拔接觸線的全部典型物理特性。圖11.29示出由Cu、CuAg0.1、CuMg0.4和CuMg0.6制成的接觸線的抗拉強(qiáng)度，由于再結(jié)晶是如何降低的。當(dāng)超出再結(jié)晶溫度時(shí)，微結(jié)構(gòu)開始發(fā)生變化并伴隨著抗拉強(qiáng)度的損失。在此過程中，晶體狀顆�；謴�(fù)到穩(wěn)定的圓形，由冷拔形成的微結(jié)構(gòu)幾乎全都轉(zhuǎn)化了。

可以用退火點(diǎn)的原理對(duì)抗拉強(qiáng)度的降低進(jìn)行評(píng)價(jià)。在此溫度下材料能保持1h直到其抗拉強(qiáng)度降至原先的高抗拉強(qiáng)度和最后的材料長(zhǎng)期保持在高溫下而具有的低抗拉強(qiáng)度之差的一半�？估瓘�(qiáng)度如何下降是溫度和在該溫度下保存材料的時(shí)間周期這兩者的函數(shù)。舉例說，在材料轉(zhuǎn)換比60%及暴露1h情況下，銅導(dǎo)線的退火點(diǎn)是215℃、CuAg0.1型接觸線是340℃�？梢员容^的是，假如轉(zhuǎn)換比為85%，則相應(yīng)的數(shù)值分別降至180℃和300℃。圖11.30示出確定轉(zhuǎn)換比為85%的CuMg0.6退火點(diǎn)的曲線。