温度对接触线特性的影响

11.2.1 说明

第11.1节讲述了确定电流值和接触网热额定值的基本原理，本节要涉及的是限定温度的基本原理，以及展现在高温下接触线运行的后果，产生这种情况是由于增大电力消耗、短路之后、保护装置或断路器失效所造成的。局部温度的升高可能是连接配件的损坏、接触线中的空洞等引起的。

除此之外，与受电弓滑板接触的接触线处可能产生局部的短期温升，甚至会超出接触线材质的熔化温度。与此相关的接触线抗拉强度的降低和受电弓滑板磨损过大限制了直流电气化铁道牵引供电系统的容量。目前允许流经接触线—受电弓滑板结合处的，经济上和技术上最大可控制电流大约是2000A。

接触线温度的升高会加大导线永久性伸长并降低抗拉强度。此外，接触线的机械性能改变还取决于其抗拉应力及运行时间。导线控制过程及截面 (见表2.11) 也影响温度变化下的性能。在本章节中将讨论这些参数对接触线特性的影响，它们对评估有问题接触线的剩余寿命时是至关重要的。

11.2.2 冶金学原理

在通常运行条件下，接触线耐受近似恒定的张力，可以认为机械负荷是固定的。除了最小抗拉强度或标称抗拉强度外，0.2%屈服强度是一重要参数，它用来描述经受固定负荷的组件之强度状况。在可塑性材料中，假若超出此限度，就会产生主要的塑性变形。铜接触线由相对坚硬的材质制成，没有明显的规定弹性极限。0.2%屈服强度是指将引起塑性变形的张拉应力，或者是在移走负荷后将应力设定在0.2%。图11.28示出在进行CuMg0.6型接触线张拉试验中得出的应力—应变图，图中表示出应力的大范围内应变是与应力成正比的。一直到大约十年前，接触线通常是由电解铜制成的，因为在洁净条件下，它在具有低电阻率的同时还能达到良好的机械强度。　表11.10列出了 [11.31] 中给出的电解铜物理性能。然而，为了达到高行驶速度、同时保证电流传输要求的水准和接触质量，需要改进架空接触网性能。

图11.28 依照EN10002标准的第1部分，CuMg0.6型接触线的张拉试验

如同第9章所解释的那样，受电弓和受流器组件的接触特性与接触线的张拉应力紧密相关，增加接触线的张拉应力会改善接触特性。为此目的，当试用含有银、镉、镁、锡以及镍和锌的合金来显著地增加接触线的抗拉强度。在中欧，只有银和镁的添加物被实际应用，镉因其对环境的有害毒性现在已被法律禁用。

表11.10 依照 [11.31]，温度20℃下的电解铜的物理性能

在工程出版物中电解铜也叫Cu-ETP(电解韧铜)。过去，带0.1%银的电解铜合金叫作Cu-LSTP(低银韧铜)，现在全欧洲都将其命名为CuAg0.1。

在铜中的合金添加物导致同型晶状体结构的形成，它比纯铜具有较高的抗拉强度和耐热性。添加银不会影响电传导性，因为铜和银具有类似的性能。与此相反，铜镁合金的导电性低于纯铜，但此类合金具有较高的抗拉强度。

CuAC-100和CuAC-120型铜合金，接触线是通过浇铸—轧制过程将18～24mm直径铜材拉制而成的，此材料连续通过数个圆形模具、接着是沟槽式模具、然后是最后的修整模具来进行控制。将导线冷拔成最终的尺寸和外形，这就将几乎是圆形的材料微结构拉拔成长形，最后排列为与导线拉伸方向一致的纤维状结构。晶状体结构的不均匀性增加了剪切抗力并使材料硬化。由于铜经受了数个冷拔过程，这就增加了其变形抗力，但同时也相应地降低了其导电性和可塑性。

拉制造成的截面积减少相对其原先材料截面称之为转换比。转换比用百分数表示并等于截面积减少量与其原先截面积之比值，例如用来生产含有约0.6%镁的沟槽式接触线CuMg0.6的最佳转换比粗略地确定为75%。

11.2.3 发热对抗拉强度的影响

冷拔铜导线的长期发热造成其晶状体结构重新回到冷拔过程前的原先结构状态。转变到稳定的晶体状微结构称之为再结晶，并伴随着丧失冷拔接触线的全部典型物理特性。图11.29示出由Cu、CuAg0.1、CuMg0.4和CuMg0.6制成的接触线的抗拉强度，由于再结晶是如何降低的。当超出再结晶温度时，微结构开始发生变化并伴随着抗拉强度的损失。在此过程中，晶体状颗粒恢复到稳定的圆形，由冷拔形成的微结构几乎全都转化了。

可以用退火点的原理对抗拉强度的降低进行评价。在此温度下材料能保持1h直到其抗拉强度降至原先的高抗拉强度和最后的材料长期保持在高温下而具有的低抗拉强度之差的一半。抗拉强度如何下降是温度和在该温度下保存材料的时间周期这两者的函数。举例说，在材料转换比60%及暴露1h情况下，铜导线的退火点是215℃、CuAg0.1型接触线是340℃。可以比较的是，假如转换比为85%，则相应的数值分别降至180℃和300℃。图11.30示出确定转换比为85%的CuMg0.6退火点的曲线。

图11.29 温度升高时各种接触线合金的抗拉强度

图11.30 确定CuMg0.6的退火点