论文部分内容阅读
摘要：京广高铁武广段电连接发现多处断股隐患，严重影响高铁供电安全，在对断裂电连接进行排查，诊断分析断裂原因后，确定断裂原因为设备长期运行发生金属疲劳，后期将对全部电连接进行更换，且对于其他线路电连接进行排查，摸索高铁运行规律。
关键词：电连接；断裂；金属疲劳；更换
1 引言
接触网电连接的作用：将接触悬挂各分段供电间的电路连接起来，保证电路的畅通，通过电连接可实现并联供电，减少电能损耗，提高供电质量。在电气设备与接触网之间，用电连接线进行可靠的连接，使设备充分发挥作用，避免出现烧损事故，完成各种供电方式和检修的需要。
根据铁道部电气化铁路接触网零件标准（TB/T 2075.11-2010），电连接装置用于电气化铁路接触网系统中承力索与接触线之间、股道间、锚段关节处、道岔处。其主要构成为：接触线电连接线夹、承力索电连接线夹及电连接绞线。标准要求承力索电连接线夹的本体及压线板采用牌号为 T2 的纯铜，C 型承力索电连接线夹采用挤压工艺加工制造。C 型承力索电连接线夹与电连接线及承力索之间的连接采用专用工具压接，压接力不小于 240KN。适用的电连接线为 TJR-95和 TJR-120 型号的软铜绞线。
软铜绞线是电气装备及电子电器或元件接线用的软连接线，在铁路接触网工程中作为电连接线使用常用的型号有 TJR-95 和 TJR-120 两种规格。GB/T12970-2009 规定了软铜绞线的型号规格和技术要求。要求软铜绞线应采用优质高纯度无氧铜杆，含铜量 99.95%以上原料制造，加工过程中须经退火处理。
2 京广高铁电连接现状
京广高铁武广段自2009年12月26日开通至今，设备运行七年有余，2017年3月5日前未发生因电连接断裂导致的弓网故障。2017年3月5日乌龙泉东站至咸宁北站区间887#-889#锚段关节闭口侧单组设计电连接承力索线夹侧发生断裂，断裂电连接被动车组受电弓支撑架击打后缠在支撑架上，风管被打破，受电弓降弓。
故障发生之后供电车间对武广段武汉站至赤壁北站区间所有电连接进行排查，从已排查完毕的891处电连接中统计发现有38处问题。其中，断股6处，占比15.7%；断丝4处，占比10%；轻微烧伤13处，占比34.2%；轻微散股3处，占比7.8%；安装工艺不标准12处，占比31.5%。
3 电连接断裂原因分析：
本次排查共发现6处电连接断股，分别为乌龙泉东站至咸宁北站区间4处：206#、848#、1473#、1479#；咸寧北站至赤壁北站区间1处：303#；武汉站至乌龙泉东站区间1处：1120#。6处断股电连接有一些共性原因，分析如下：
（1）从电连接断裂位置分析
所有断股电连接均集中在线夹处断裂，说明在动车组受电弓通过时的接触悬挂抬升振动对该处的影响最大，线夹处存在的应力也最集中，长期震荡造成电连接线夹处线索疲劳断丝进而断股，最终会造成电连接整体断裂；
（2）从电连接分布位置分析
6处断股电连接中有3根为锚段关节处闭口侧单根电连接，1根为锚段关节开口侧双组电连接中的1根，1根为接触网承力索至接触线间的横向电连接，1组为接触网上网点处的纵向电连接。说明断裂原因与电连接的分布位置没有明显的关联特性；
（3）从电连接运行周期分析
武广高铁于2009年12月开通，距今已运行7年多，通过这次武广高铁线电连接排查情况分析，电连接出现了不同程度的损伤，并呈现了一种倾向性，推测是受到高密度运行的动车组受电弓震荡及大电流的冲击，加速了电连接材质的疲劳老化和电腐蚀，导致短期内批量出现电连接断股现象；
（4）从检修时间分析
断股电连接主要集中在乌龙泉东站至咸宁北站区间，该区间在2015年5月由供电设备管理单位进行过全面检查，2016年未纳入检修计划（按照铁总要求高铁设备三年为一次全面检修周期，2016年未计划对乌龙泉东站至咸宁北站区间设备进行检修）。咸-赤区间及武-乌区间因2016年均进行了检修，断股处所相对较少，咸-赤303#及武-乌1120#末次检修距今分别有11个月及7个月的时间。此问题反映出在设备管理上存在两个方面的问题，一是可能存在检修不精细的问题，二是主导电回路等关键设备的检修周期需重新制定。
（5）从电连接设计安装情况分析
在对电连接排查过程中发现，存在相当一部分电连接在线路建设时，电化工程局对电连接安装未严格按标准要求安装。铁标对电连接安装要求：根据承力索、接触线间的距离合理选用电联结线在承力索、接触线间的安装形状。承力索、接触线间的距离小于等于1000mm时采用“C”型连接的方式；大于1000mm时采用“S”型连接。其裕度满足接触线、承力索因温度变化伸缩的要求。而现场存在多处驰度不能满足温度变化收缩的电连接，在低温及受电弓通过抬升接触网，接触网震荡时，驰度较小的电连接线夹口处电连接受应力偏大，易发生金属疲劳继而断裂
（5）从电连接材质、成份分析
选取电连接样品至实验室分析，在对电连接进行宏观检验，低倍检验、金相检验、扫描电镜观察得出以下结论：
① 按照 GB/T12970-2009 对软铜绞线化学成分的规定，铜绞线中铜的含量要达到 99.90%以上，但绞线的实测值铜含量较低，分析认为这与绞线在大气中使用表面发生氧化腐蚀有关，而经电镜的能谱分析证实绞线的材质确为纯铜。经金相观察发现 943#绞线的氧化腐蚀程度较 903#绞线更为严重，与成分分析结果吻合。
② 通过金相组织观察发现两根实验电连接绞线的组织都存在不均匀现象，晶粒大小差异较大，粗晶粒铜丝所占比例分别为 17%和 14%，推测绞线的拉拔退火工艺可能存在问题。此外，两根绞线表面都存在不同程度的氧化腐蚀，在绞线受到循环应力的作用下萌生的裂纹的可能性非常大。
③低倍检验中发现多根铜丝断面上出现“年轮”状条纹，电镜观察也显示明显的疲劳辉纹，这是典型的疲劳断裂形貌特征。结合电连接绞线的使用环境可知，当电力机车通过时接触网会剧烈震动，电连接绞线也会随之上下颤动，其与承力索連接处即线夹接口处为应力集中的位置。此外，电连接绞线本身自重较大，长时间悬挂本身就会使接头部位承受较大的应力，接头上部受拉应力而下部受压应力，同时在大气环境中发生表面腐蚀，以及较粗大的晶粒使材料具备了应力腐蚀的所有条件。分析认为机车通过时产生的循环应力及其自身所受的拉应力是导致绞线疲劳断裂的主要原因，而材料本身的组织不均匀性及显微裂纹的出现则大大加剧了疲劳断裂的速度。
4 结论
通过对京广高铁武广线武汉站至赤壁北站区间电连接排查及对电连接断裂的原因由浅及深，由外及内的分析。得出结论：武广线电连接断裂是一起典型的设备长期负荷运行后疲劳老化导致的设备问题，是必然的，也是可以避免的，针对目前武广线电连接老化的现状，采取的是对全线长期运行的电连接进行彻底更换的方案，在完成全部更换之前，按要求定期进行监控巡视。由于武广线是最早一批开通运营的高铁线路，因此武广高铁设备规律对于其他高速铁路线路设备管理维护具有一定的指导性，可在其他后期开通运营的高铁线路开展一次大规模的电连接线状态排查，做好统计记录，增加样本基数，获得更为准确的电连接运行规律，进而为探索高铁设备运行规律尽一份力。
关键词：电连接；断裂；金属疲劳；更换
1 引言
接触网电连接的作用：将接触悬挂各分段供电间的电路连接起来，保证电路的畅通，通过电连接可实现并联供电，减少电能损耗，提高供电质量。在电气设备与接触网之间，用电连接线进行可靠的连接，使设备充分发挥作用，避免出现烧损事故，完成各种供电方式和检修的需要。
根据铁道部电气化铁路接触网零件标准（TB/T 2075.11-2010），电连接装置用于电气化铁路接触网系统中承力索与接触线之间、股道间、锚段关节处、道岔处。其主要构成为：接触线电连接线夹、承力索电连接线夹及电连接绞线。标准要求承力索电连接线夹的本体及压线板采用牌号为 T2 的纯铜，C 型承力索电连接线夹采用挤压工艺加工制造。C 型承力索电连接线夹与电连接线及承力索之间的连接采用专用工具压接，压接力不小于 240KN。适用的电连接线为 TJR-95和 TJR-120 型号的软铜绞线。
软铜绞线是电气装备及电子电器或元件接线用的软连接线，在铁路接触网工程中作为电连接线使用常用的型号有 TJR-95 和 TJR-120 两种规格。GB/T12970-2009 规定了软铜绞线的型号规格和技术要求。要求软铜绞线应采用优质高纯度无氧铜杆，含铜量 99.95%以上原料制造，加工过程中须经退火处理。
2 京广高铁电连接现状
京广高铁武广段自2009年12月26日开通至今，设备运行七年有余，2017年3月5日前未发生因电连接断裂导致的弓网故障。2017年3月5日乌龙泉东站至咸宁北站区间887#-889#锚段关节闭口侧单组设计电连接承力索线夹侧发生断裂，断裂电连接被动车组受电弓支撑架击打后缠在支撑架上，风管被打破，受电弓降弓。
故障发生之后供电车间对武广段武汉站至赤壁北站区间所有电连接进行排查，从已排查完毕的891处电连接中统计发现有38处问题。其中，断股6处，占比15.7%；断丝4处，占比10%；轻微烧伤13处，占比34.2%；轻微散股3处，占比7.8%；安装工艺不标准12处，占比31.5%。
3 电连接断裂原因分析：
本次排查共发现6处电连接断股，分别为乌龙泉东站至咸宁北站区间4处：206#、848#、1473#、1479#；咸寧北站至赤壁北站区间1处：303#；武汉站至乌龙泉东站区间1处：1120#。6处断股电连接有一些共性原因，分析如下：
（1）从电连接断裂位置分析
所有断股电连接均集中在线夹处断裂，说明在动车组受电弓通过时的接触悬挂抬升振动对该处的影响最大，线夹处存在的应力也最集中，长期震荡造成电连接线夹处线索疲劳断丝进而断股，最终会造成电连接整体断裂；
（2）从电连接分布位置分析
6处断股电连接中有3根为锚段关节处闭口侧单根电连接，1根为锚段关节开口侧双组电连接中的1根，1根为接触网承力索至接触线间的横向电连接，1组为接触网上网点处的纵向电连接。说明断裂原因与电连接的分布位置没有明显的关联特性；
（3）从电连接运行周期分析
武广高铁于2009年12月开通，距今已运行7年多，通过这次武广高铁线电连接排查情况分析，电连接出现了不同程度的损伤，并呈现了一种倾向性，推测是受到高密度运行的动车组受电弓震荡及大电流的冲击，加速了电连接材质的疲劳老化和电腐蚀，导致短期内批量出现电连接断股现象；
（4）从检修时间分析
断股电连接主要集中在乌龙泉东站至咸宁北站区间，该区间在2015年5月由供电设备管理单位进行过全面检查，2016年未纳入检修计划（按照铁总要求高铁设备三年为一次全面检修周期，2016年未计划对乌龙泉东站至咸宁北站区间设备进行检修）。咸-赤区间及武-乌区间因2016年均进行了检修，断股处所相对较少，咸-赤303#及武-乌1120#末次检修距今分别有11个月及7个月的时间。此问题反映出在设备管理上存在两个方面的问题，一是可能存在检修不精细的问题，二是主导电回路等关键设备的检修周期需重新制定。
（5）从电连接设计安装情况分析
在对电连接排查过程中发现，存在相当一部分电连接在线路建设时，电化工程局对电连接安装未严格按标准要求安装。铁标对电连接安装要求：根据承力索、接触线间的距离合理选用电联结线在承力索、接触线间的安装形状。承力索、接触线间的距离小于等于1000mm时采用“C”型连接的方式；大于1000mm时采用“S”型连接。其裕度满足接触线、承力索因温度变化伸缩的要求。而现场存在多处驰度不能满足温度变化收缩的电连接，在低温及受电弓通过抬升接触网，接触网震荡时，驰度较小的电连接线夹口处电连接受应力偏大，易发生金属疲劳继而断裂
（5）从电连接材质、成份分析
选取电连接样品至实验室分析，在对电连接进行宏观检验，低倍检验、金相检验、扫描电镜观察得出以下结论：
① 按照 GB/T12970-2009 对软铜绞线化学成分的规定，铜绞线中铜的含量要达到 99.90%以上，但绞线的实测值铜含量较低，分析认为这与绞线在大气中使用表面发生氧化腐蚀有关，而经电镜的能谱分析证实绞线的材质确为纯铜。经金相观察发现 943#绞线的氧化腐蚀程度较 903#绞线更为严重，与成分分析结果吻合。
② 通过金相组织观察发现两根实验电连接绞线的组织都存在不均匀现象，晶粒大小差异较大，粗晶粒铜丝所占比例分别为 17%和 14%，推测绞线的拉拔退火工艺可能存在问题。此外，两根绞线表面都存在不同程度的氧化腐蚀，在绞线受到循环应力的作用下萌生的裂纹的可能性非常大。
③低倍检验中发现多根铜丝断面上出现“年轮”状条纹，电镜观察也显示明显的疲劳辉纹，这是典型的疲劳断裂形貌特征。结合电连接绞线的使用环境可知，当电力机车通过时接触网会剧烈震动，电连接绞线也会随之上下颤动，其与承力索連接处即线夹接口处为应力集中的位置。此外，电连接绞线本身自重较大，长时间悬挂本身就会使接头部位承受较大的应力，接头上部受拉应力而下部受压应力，同时在大气环境中发生表面腐蚀，以及较粗大的晶粒使材料具备了应力腐蚀的所有条件。分析认为机车通过时产生的循环应力及其自身所受的拉应力是导致绞线疲劳断裂的主要原因，而材料本身的组织不均匀性及显微裂纹的出现则大大加剧了疲劳断裂的速度。
4 结论
通过对京广高铁武广线武汉站至赤壁北站区间电连接排查及对电连接断裂的原因由浅及深，由外及内的分析。得出结论：武广线电连接断裂是一起典型的设备长期负荷运行后疲劳老化导致的设备问题，是必然的，也是可以避免的，针对目前武广线电连接老化的现状，采取的是对全线长期运行的电连接进行彻底更换的方案，在完成全部更换之前，按要求定期进行监控巡视。由于武广线是最早一批开通运营的高铁线路，因此武广高铁设备规律对于其他高速铁路线路设备管理维护具有一定的指导性，可在其他后期开通运营的高铁线路开展一次大规模的电连接线状态排查，做好统计记录，增加样本基数，获得更为准确的电连接运行规律，进而为探索高铁设备运行规律尽一份力。