铝制品的高耐腐蚀性是由于铝氧化保护层的形成,然而在碱性和含盐物质的污染下,铝比铜的腐蚀快。在许多国家作为承力索和接触线的双金属的钢—铜线,其在含硫的空气中很快腐蚀。
由于事故产生的过载电流会在上述线材中产生灼热,也会在导电线夹中产生灼热。线夹灼热的根源是过渡电阻的增大,例如在接触面处有氧化层、螺栓紧固力矩减小或温度剧变时变形。如果导线最外层的线股中只有部分线股与线夹接触面相接触,那么在这些线股上将产生过负荷和灼热。电流进入到最外层的其他线股和内部的线股时将不得不克服较大的过渡电阻,从而导致迅速升温发热。电连接线的老化速度直接取决于电流负荷大小,它们在直流电气化铁道中老化更快。在接触面上涂抹电力脂或压接式的电气连接有助于抵消灼热现象。电连接线的损坏会导致那些电流负载容量不足的吊弦发生灼热现象。15~20V的电位差就可以在电气连接处造成电火花和电腐蚀。当受电弓通过时,吊弦还要承受摩擦和弯曲负载。如果吊弦柔韧性差,则其磨损将加快,例如载流吊弦截面较大和长度减小等。上述材料的使用寿命在很大程度上取决于其承受的负荷,一般为10~70年。过去使用的钢承力索6年后就得更换。40年前在俄罗斯使用的铜包钢承力索至今还没有发现因腐蚀而造成的故障。20世纪80年代末在东德铁路使用的铜外包层占总截面积30%的铜包钢线已证明不耐磨。因此已安装的那些铜包钢线在3年后就被更换。
14.4.5 接触线
一般情况下,作用于户外裸露导线上的负载,都会作用于接触线,受电弓通过和取流也会对接触线产生影响。这会导致机械磨耗并因发热和烧损而老化。这些过程已在第9.5.3.3节和第11.2节中进行叙述。
局部增加的接触线磨耗带来的影响非同寻常。接触线局部应力增大的原因通常是链形悬挂的质量集中 (硬点)。这一方面因弓网间接触压力较大而加剧磨耗,另一方面是接触压力较小或为零而产生电火花。因在接触悬挂的振动叠加也会出现类似现象。因施工缺陷或运营期间,例如货车上松动的蓬布而可能在接触线上产生波浪硬弯,受电弓通过这里时同样会加大磨耗,见图14.5a)。
最大的局部磨耗最终将决定接触线的使用寿命。如果接触线截面减小20%,那么就必须在相应位置接头或用一段新的接触线更换。德国铁路标准规定接触网一个锚段最多允许的接触线接头是: Re100为10个,Re200和Re250为4个。如在德国铁路Gbr 997.01~03标准的要求,超过上述规定数目时,整个锚段的接触线都要更换。不同的铁路机构对此有不同的规定。
在直流电气化铁道中,可以看到两根接触线的张应力不一致的情况,从而在两根接触线上交替出现局部加大磨耗。其原因是受电弓接触压力不均匀地分布在两根接触线上,受电弓滑板和两根接触线间的过渡电阻不同,导致受电弓仅从两根接触线的其中一根或在部分地段从另一根接触线上取流。
因不良的弓网关系或未及时更换滑板引起的强劲的电火花导致接触线与受电弓的接触面坑坑洼洼,见图14.5b)。要使其重新变得平滑,就只有将接触线与受电弓的截面削掉许多。
根据经验,在采用碳滑板的交流电气化铁道中,运行4 ~8万km或大约200万弓架次后,滑板和接触线达到其允许磨耗的极限。在每个受电弓取流大于2000A的负荷量很大的直流电气化铁道中,运行2 ~3万km和不到10万弓架次,受电弓滑板和接触线就达到其允许磨耗的极限。
图14.5 接触线磨耗
a) 因波状磨耗和硬弯造成的接触线截面缩小;b) 直流电气化铁道接触线和受电弓间应力所造成的接触线表面粗糙
因运行条件各异,故几乎不可能给出一个统计精确的预期绝对使用寿命。基于出版物[14.7] 和 [14.8] 中描述的试验,人们计算出了磨耗绝对值,并在图14.6中对德国和俄国25kV单相交流电气化铁道运行中的磨耗率进行了比较。针对该图给出的使用条件,可以得到下列结论:
图
14.6 在各种接触力Fc和运行速度v下,CuAg 0.1 (用S表示) 和CuMg0.5接触线 (用M表示) 的磨耗率 (单位: mm2/百万弓架次) 与电流的关系图
——试验台上的测量值;
———德国铁路的运营测量值;—俄罗斯国铁的测量值
—电工铜接触线的磨耗比铜银合金和铜锰合金的快;
—电流对磨耗率的影响最小,随着列车行驶速度的增加,电流将加大 (电流润滑系数见第9.5.3.3节);
—磨耗率随接触压力的增加而加大;
—试验条件下的总磨耗随着行驶速度的增加而减校
在20%的允许磨耗下,可以得出下列关于预期接触线使用寿命的结论:
—100mm2截面接触线的使用寿命平均值,按俄国国铁的磨耗率为100万弓架次,按列车间隔平均10min计算出的使用寿命为19年。
—高速铁路使用的铜银合金接触线,从图14.6中可以得出每百万弓架次8mm2的磨耗率。由此计算出使用寿命为300万弓架次,如列车间隔10min,则计算出的使用寿命为34年。
由于运营期间接触网设备的改变或铁道线路位置变化,接触线原来距轨面的高度和拉出值也可能改变。不利的是,在设计和施工时未对基础充分考虑而导致支柱倾斜超标。外部影响和前面已叙述过的磨损现象可能导致接触悬挂中的张力分布不均匀及线夹偏斜。德国重负载接触网的施工经验表明,可将这种影响控制在最低程度。
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