钢铝复合导电轨电性能探讨

李增勤

钢铝复合导电轨电性能探讨

李增勤

以3 000 A钢铝复合接触轨为例，通过理论分析计算、试验对比，研究影响载流量、温升的主要因素，提出允许温度110℃、允许温升70℃、试验时吹风的电性能技术标准。

载流量；允许温度；允许温升；吹风；试验

0 引言

城市轨道交通是解决城市公共交通问题的重要手段，由于我国起步较晚，相关的产品标准缺失。可喜的是住房与建设部已经开始组织开展相关工作并取得了一定的进展，为引导、规范行业发展起到了积极作用。其中城市轨道交通接触网供电设备，对比电气化铁道接触网供电设备的高电压25 kV、小电流（一般交流500 A左右），其特点是低电压1.5 kV、大电流（一般直流3 000 A左右）。众所周知，电气设备的发热与其电流的平方成正比，因此研究确定城市轨道交通接触网供电设备适宜的电气参数尤为重要。作为城市轨道交通的一种主要的供电制式，钢铝复合轨以武汉地铁一号线为标志，引入国内市场已经十年多，其电压等级根据国家标准《地铁直流牵引供电系统》规定有DC 1 500 V和DC 750 V两种制式，按照载流要求有3 000、4 000、4 500 A等规格，其中以3 000 A使用范围最广。本文以3 000 A规格的钢铝复合轨为代表，着重探讨影响载流量、温升的主要因素，从而科学确定产品的相关技术条件，希望能起到抛砖引玉的作用，共同促进行业的健康发展。

1 行业内类同产品标准概述

（1）CJ/T414-2012《城市轨道交通钢铝复合导电轨技术要求》。该标准于2012年12月由住房城乡建设部批准为城镇建设行业产品标准，自2013年4月1日起实施。标准中规定“3 000 A型持续载流量环境温度40℃，4h，轨温≤85℃”。附录B2.5温升试验规定的方法为“将5 m长的钢铝复合轨及其零部件安装在支持绝缘子上，两端用电缆连接板与母线连接，在钢铝复合轨及其零部件的中间位置，在膨胀接头的钢带、铝轨腰部、铝轨底面、普通接头、电缆连接板处粘贴热电偶，通过热电偶测量温度。试验时首先记录环境温度T及各测点温度，然后施加额定电流（直流），每0.5 h测量一次温度，连续测量3次温度，3次温差不超过1℃时的平均温度值作为该点的实测稳态温度”。

（2）TB/T 3252-2010《电气化铁路接触网汇流排》。该标准第5.5.2节电气性能规定“汇流排、汇流排终端及其中间接头夹持接触线后在额定电流作用下，允许最高温度不大于120℃”。试验方法要求：“6.1.1节在没有特殊指定的情况下，试验在常温下进行；6.1.2节电气性能试验时，环境温度为20℃±5℃，空气湿度不大于80%，试验对风速无要求时，为室内静止环境，试验对风速有要求时，按照设计要求，设计要求不明确时风速为不大于0.6 m/s”。

（3）TB/T 2073-2010《电气化铁路接触网零部件技术条件》。该标准第5.5节零部件电气性能中规定“……不同材质的零件允许最高温度不得超过下列数值：铝镁硅合金为125℃，其余铝合金为90℃……”。

300～350 km/h《电气化铁路接触网装备暂行技术条件》、200～250 km/h《电气化铁路接触网装备暂行技术条件》基本上延用了TB/T 2073的相关规定。

（4）TB/T 2074-2010《电气化铁道接触网零部件试验方法》。该标准第5.12节温升试验规定“温升试验在室内无日照条件下进行，环境温度为20℃±5℃，试验对风速无要求时，为室内静止环境，对风速有要求时，按照设计要求，设计要求不明确时风速不大于0.6 m/s…零部件以各点最高温度小于或等于行业标准所规定的最高允许使用温度值且温升不超过接续线索温升为合格。”

各标准规定汇总如表1。

表1 接触网铝合金产品温升要求汇总表

表1显示，采用铝合金材料的不同制式接触网产品，在不同的标准中，其载流量相差悬殊，特别是功能与接触轨几乎完全相同的汇流排，在有效载流面积小了54%的情况下，其载流量反而增大了14%。分析原因，汇流排的孔洞型结构相比接触轨的工字型结构具有更大的比周长（即断面的周长与断面的面积之比）外，最根本的原因就是二者的允许温升（温度）有很大的差别，在试验方法上，是否允许吹风也起到了重要的作用。下面通过详细的计算分析来研究究竟那个要求更科学合理。

2 载流量和温升的设计计算原则

载流量是接触网经受热负荷必须具备的特性，这也称为耐热稳定性或热负荷容量。持续载流量是接触网重要的特征，在城市轨道交通实际应用时，运行电流随行车密度、编组大小等因素的变化而变化，在时间上是一个相对规律的变量。

2.1 适用于户内（隧道内）载流量的计算

户内（隧道内）的载流量可按下式计算：

式中，A为截面积；α为热传系数；U为断面周长；ϑlim为最高允许温度；ϑair为环境/大气温度；Pin为施加在单位长度上的外部特定热能；e20为20℃时电阻率；αR为材料的电阻温度系数。

由式（1）可知，导体的恒定电流It（即t→∞）取决于导体限定温度ϑlim。

2.2 户外载流量的计算

根据《电气化铁道接触网》，户外载流量可按下式计算：

式中，I为连续直流载流量；A为截面积；U为周长；K为综合影响常数，根据国外厂家介绍资料，其值等于k1×k2×k3×k4，其中k1为与导电率有关的因数，一般取0.96，k2为与环境温度有关的因数（表2），k3为与允许温升有关的因数（表3），k4为与环境有关的因数，用于室外安装时k4= 1.15。《电气化铁道接触网》手册中K值为k1×k2×k3× k4×k5，ki的含义不尽相同，计算结果也略有差异。

表2 k2与环境温度有关的因数值表

表3 k3与允许温升有关的因数值表

注：斜体部分为根据前面的数据拟合的结果值。

根据式（1）和式（2），影响持续载流量、温升的因素主要包括2方面：一是导线自身方面的，包括材料的导电率、电阻温度系数、载流面积、导线周长（导线断面结构）；二是外部的，包括最高允许温度、允许温升、环境/大气温度、空气流通性等。实际使用时还必须考虑行车密度、编组数量、有无日照、风雨雪，支持、悬挂等装置的热变形温度等。

以3 000 A型钢铝复合导电轨为例，经过多年的研究和实践，其材质基本确定为Al-Mg-Si系合金6101B，属于热处理可强化合金，使用状态T6，断面结构基本上工字型，导电率55%左右。下面重点讨论其它因素。

2.3 允许温升（最高允许温度）的影响因素

最高允许温度和允许温升从严格意义上讲是两个概念，前者主要是从材料本身的角度考虑，确保长期使用条件下材料的性能稳定性、结构的稳定性。例如TB/T 2073-2010《电气化铁路接触网零部件技术条件》中规定，材料的最高允许温度铜质为95℃，铝青铜合金为125℃，铜镍硅合金为150℃，铝质为80℃，铝镁硅合金为125℃，其余铝合金为90℃，钢质为125℃。超出规定温度，材料的性能可能会显著下降，产品会产生结构塑变等而导致失效。最高允许温度不会因为环境温度的变化而变化，即在任何情况下，该温度限不能突破。

个别国外厂家提到钢铝复合导电轨瞬时短路温度允许为200℃。

允许温升主要是从工作时电流的热效应产生的结果来考虑，环境温度低，允许的温升就可以大，环境温度高，允许的温升就相对小。同样一个产品，在东北地区使用和在华南地区使用，其允许的温升可能相差很大，但最高允许温度是相同的。在确定技术条件时，二者要结合考虑使用。为方便起见，以式（2）为代表，取环境温度40℃，计算不同允许温升条件下3 000 A型钢铝复合导电轨的载流量，其值见表4，其中截面积A取385 mm2，周长取470 mm。

表4 不同允许温升时3 000 A型钢铝复合导电轨的载流量及增幅增加率表

分析表4可知，在环境温度40℃时，允许温升45℃，理论载流量为4 29 1（3 882）A。如果允许温升增加5℃，则理论载流量为4 572 A，增幅为6.5%，增加10℃，则达到13.1%。如果允许温升与汇流排相同取75℃，则载流量增幅可达到39.3%。根据表1的统计结果，行业内铝镁硅合金的允许温升最小为75℃，其他铝合金也达到了65℃。这些产品使用条件与钢铝复合导电轨有的相当，有的更为恶劣，都得到了广泛应用，且均经过了长期的实践检验证明是可靠的。

工程材料手册表明，同属Al-Mg-Si系合金的6A02铝合金“加热温度≤170℃，保温10～15 h或加热温度≤180℃，保温3～5 h，不致影响力学性能”。

在温度变化不大的范围内，铝合金的电阻率随温度作线性变化，在一定温度范围内，铝合金的电阻率温度系数可以认为不变，则温度由20℃上升至120℃时，电阻率增加约4%。图1显示了6101/T6合金电阻率随温度上升的变化关系，在350℃以内，电阻率随温度的变化近乎为直线。单纯从允许温升的角度看，钢铝复合导电轨在环境温度为40℃时，允许温升可以取75℃。表5显示力学性能在温度由24℃上升至100℃时，抗拉强度Rm下降了13%，屈服强度Re下降了11%，伸长率A提高了5%。综合考虑力学性能与电气性能，建议绝对温度取不大于110℃，允许温升值不大于70℃。

图1 10±1℃/min升温过程中电阻率的变化曲线图

表5 6101/T6合金力学性能与温度关系表

2.4 热传系数的影响因素

根据式（1），在特定材料导线的断面周长（即形状）、截面积、环境温度、最高允许温度等条件确定时，其电阻率、电阻温度系数亦是固定的，则导线的允许恒定电流It与热传系数α 的平方根成正比。式（2）中，虽然没有说明数学关系，但系数k2、k4均与环境有关。因此研究讨论环境影响因素具有重要的技术、经济意义。同样为了方便起见，以式（1）为代表，重点研究探讨热传系数α 的影响因素。

热传系数表示的是流体或物体与物体之间，单位时间单位面积上的传热量，其物理意义是描述物体的热惯性，热传系数越大表示热惯性越小，物体达到与周围环境热平衡的状态越快。对于钢铝复合导电轨产品来说，不希望热量聚集，散热能力越大越好，即热传系数越大越好。由于文献中关于钢铝复合导电轨产品的研究较少，故以相关接触线的资料做参考。

研究分析表6、表7数据，可以发现：

（1）环境温度相同时，随着导线温度的升高，热传系数变大；

（2）导线温度相同时，随着环境温度的升高，热传系数变小；

（3）导线温度、环境温度确定，有无风时热传系数变化急剧。

表6 AC-120铜接触线热传系数表

表7 AC-100铜接触线热传系数表 单位：W/(℃·m2)

导线温度在前文已经讨论，环境温度在行业内也已经基本形成共识，风的影响因素较大。在表6中，微风环境时与无风环境时相比，热传系数增加量最小为37%，最大达91%；计算为载流量，则增幅最小为17%，最大增幅达38%，平均增幅为26%。表7显示了不同环境温度、不同导线温度情况下，热传系数随风速变化情况。当由无风至风速1 m/s时，热传系数增幅均在138%以上，当风速增大至8 m/s时，热传系数增幅均在665%以上。图2显示了环境温度40℃、导线温度70℃情况下热传系数与风速的关系。

图3分别显示了复合轨在无风和风速为0.6 m/s试验条件下的温升情况。从曲线变化可看出，2种情况变化趋势相同，但风速为0.6 m/s时，温度值变化明显比无风时低。以通电4 h后最高温度比较，降幅为20%。

图4显示了3 000 A型产品随着允许温升的变化载流量相应变化情况。从图4中可知，在环境温度为20℃时，载流量工作范围约为4 250～5 950 A；在环境温度为最恶劣的45℃时，载流量工作范围约为4 050～5 500 A。

图2 热传系数与风速的关系曲线图

图3 持续载流量-温度曲线图

图4 允许温升与载流量关系图

综上所述，理论研究和试验结果均表明，风对温升结果的影响至关重要。任何产品实验的目的都是为了验证，并尽可能模拟实际运行状态。钢铝复合导电轨等接触网产品在实际使用中，不可能处于静止无风的密闭环境，隧道内有活塞风及强制通风，地面及高架桥上有自然风等，因此在进行温升试验时应该有适宜的风。

3 结论

（1）理论上钢铝复合导电轨在环境温度为40℃时，允许温升可以取85℃。结合绝缘支架、防护罩热变形温度（ASTM D648）≥150℃，刚性悬挂汇流排行业标准不大于120℃；建议CJ/T414-2012《城市轨道交通钢铝复合导电轨技术要求》规定：钢铝复合导电轨产品在持续载流量作用下允许最高温度不大于110℃，在环境温度为40℃时，允许温升70℃。

（2）隧道内、隧道外载流量计算时，热传系数、综合影响常数均隐含了吹风等影响因素。因此验证载流量的温升试验时，应该包含适宜的风；试验对风速有要求时，按照设计要求，设计要求不明确时风速为0.6 m/s，匀速吹授流面。

（3）城市轨道交通接触网供电产品电气均按此原则确定技术条件，合理选用规格，可以确保使用安全，同时不会造成有色金属的浪费，为国家节约大量的资源，为建设单位节约大量的资金。载流量与截面积的平方根成正比，若截面积减小5%，相当于每米少用0.5 kg的铝，以年1 000条公里估算，每年可以节约500 t铝。

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[2] 于松伟，杨兴山，等.城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M]. 成都：西南交通大学出版社.

[3] 工程材料实用手册（第二版），第3卷[S]. 北京：中国标准出版社.

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[6] 刘振兴. 6101铝合金的时效热处理研究[D].中南大学硕士学位论文，2013.

With 3 000 A steel aluminum composite conductor rail as an example, the paper puts forward the technical standards for blowing during tests under permit temperature-rise of 110℃ and 70℃, on basis of theoretical analysis, calculation, testing comparison, researches on main factors affecting current carrying capacity and temperature-rise.

Current carrying capacity; permit temperature; permit temperature- rise; blow; test

U231

：B

：1007-936X(2015)05-0035-05

2015-02-09

李增勤.中铁电气化局集团宝鸡器材有限公司，教授级高级工程师，电话：13309177868。