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摘要：信息化时代背景下，我国电气化铁路发展规模越来越大，促进了我国的经济发展。电气化铁路的供电方式对于电力系统具有较大影响，电气化铁路运行具有移动性与不稳定性的特点，会产生谐波与负序电流对电网的运行造成干扰。基于以上，本文研究了电气化铁路铜合金接触线的生产工艺，在此基础上，论述了电气化铁路铜合金接触线的发展现状，电气化铁路牵引供电系统对电力系统的影响因素，并对电气化铁路铜合金接触线对电力系统影响的补救措施进行具体分析。
关键词：铜合金线；电气化铁路；电力系统；补救措施
前言：铜合金线主要是用于电流传输的裸线线缆，通过铜合金线能够将电流输送给相关设备，从而促使设备进行运作。铜合金线具有极强的电流输送功效，在电气化铁路的应用比较广泛，并且在公交、煤矿生产、冶金等领域进行应用。随着我国电气化铁路的扩建，市场对于铜合金接触线的需求不断增大。接触线是电气化铁路的主要构成部分之一，随着高速电气化铁路的发展，对于接触线在高速度列车运行状态下的机械稳定性和热稳定性能要求提高，要求接触线具有较强的导电性、耐高温性和耐磨耗性等，而铜合金线能够满足电气化铁路的这些需求。因此，铜合金线被广泛进行应用。铜合金线在电气化铁路中对电力系统具有一定的影响，主要是由于谐波与负序电流对电网的影响，需要加强对影响因素的分析，从而采取对应的补救措施。
电气化铁路铜合金接触线的生产工艺
铜锭轧制法
电气化铁路铜合金线的生产具有形状简单、安全可靠的特点，铜锭轧制法是铜合金线生产方法之一。利用铜锭轧制法进行铜合金线生产，需要将铜合金锭进行加热，在经过热轧氧化处理形成黑铜杆，再进行酸洗通过冷拉制的方法，最终制成铜合金线。铜锭轧制法属于传统的生产方法，其在生产过程具有一定的局限性。铜锭轧制法的生产特征是设备的密闭性较差，铸锭会遭到氧化破坏严重，生产的铜合金线长度受到铸锭重量与热轧条件的影响，并且铜锭轧制法不能在低氧的条件下进行生产[1]。铜锭轧制法生成效率不高，过程比较繁琐复杂，目前极少进行应用。
浸涂法
浸涂法是电气化铁路铜合金线的生产工艺之一其主要是利用扒皮模将铜线的表面扒皮处理，之后进行预热，再将其放入到铜水中，使得铜可以附着在铜线上凝固，最后在通过轧制的方式制成铜合金线[2]。浸涂法生产铜合金线具有一定的缺点，其生产工艺比较复杂，生产成本较高，并且相关设备使用比较繁琐，增加了设备的控制难度。目前，对于铜合金线的生产，浸涂法的应用效率不高，通过浸涂法生产的铜合金线在性能上相对于其他方法生产的铜合金线较差。
连铸连轧法
连铸连轧法属于电气化铁路铜合金线的主要生产方法之一，其主要是将阴极的铜放入到塑炉中进行融化，融化之后的溶液流入扒渣箱，再通过流槽进入到连铸连轧设备的保温箱，经过设备的处理形成长度为18-26mm的杆坯。采用浓度为5%左右的酒精对杆坯进行处理，消除外表面的氧化层，并在外表涂抹蜡形成保护层，最后在利用冷拉加工技术制成铜合金线[3]。连铸连轧法的生产特点，具体包括以下几方面：（1）连铸连轧法利用铸坯工艺进行高温轧制加工，此种方法可以使得铸状晶粒细化，制成的接触线晶粒小于0.03mm，使得铜合金线的性能提升。（2）通过连铸连轧法制成的铜合金线具有含氧量高的特点，导致铜合金线易弯折，耐受性下降，不能应用于时速超过250km/h的高速动车组列车。（3）连铸连轧法的生产成本过高，相关设备投资较大，适合在大规模生成中使用。（4）连铸连轧法的流槽过程，会使得材料的外表面受到损害，导致杆坯的质量下降。
上引连铸法
上引连铸法属于电气化铁路铜合金线的生产方法之一，其生成过程是先将铜液进行融化，再将管式铜套放入到铜液中。管式铜套的上部与真空泵连接，通过真空压力的作用，使得铜液通过套管上升，最后在引升器的部位进行凝固，再通过冷轧的方式制成铜合金线。利用上引连铸法制作铜合金线的特点，主要包括以下几方面：（1）铜合金线的强度较大，具有较强的承受力，不容易弯折[4]。利用上引连铸法属于真空进行生产，生成过程相关材料不会被氧化，提高了材料的各方面性能。真空条件下，生成的杆坯含氧量小于0.001%，使得制成的铜合金线基础性能提高。（2）上引连铸通过上引熔炉存放铜液，使得铜液的表面比较平稳，提高了铜液的均匀性与稳定性。（3）上引熔炉能够对铜液进行搅拌，确保了合金的均匀性。采用上引连铸法，省去了流槽的步骤，生成的杆坯外部比较干净不会受到破坏。电气化铁路铜合金线的生产方法不同，生产出的铜合金线的基本性能不同，具体的情况如下表1所示。
表1 不同生产方法的铜合金线性能比较
二、电气化铁路铜合金接触线的发展现状
（一）铜合金接触线的性能
电气化铁路铜合金接触线长期承受较大的悬挂力，需要具有较强的耐磨擦力与强度，从而满足机车的运行需求。电气化铁路的接触线波动传播速度，对于机车的运行速度具有较大影响，接触线传播速度越大，弓网受流质量越好，机车的运行速度越快，而铜合金线能够提高波动传播速度[5]。铜合金线具有较高的强度，能够承受架设的张力，能够提高机车在加速时的稳定性。铜合金接触线具有较强的导电性能、较高的强度、耐磨性、抗高温性等，能够满足电气化铁路的需求。
电气化铁路接触线的种类
电气化铁路接触线的种类，主要包括以下几种：（1）纯铜接触线，具有较强的导电性与耐高温性，但是其机械强度较低材料的强度较弱。例如，面积为110mm2的接触线能够承受的最大拉力为27KN左右，无法满足高速度列车的运行需求。经过软化处理之后的纯铜，能够承受的最大强度为360Mpa、最大拉力为38KN。经过冷加工处理的纯铜接触线，内外的性能不同，一般情况下，外部的硬度大于内部的硬度，并且使用过程的内外部磨损程度不同[6]。（2）银铜合金接触线是在纯铜接触线的基础上进行发展，其弥补了纯铜接触线强度不高的缺点，具有较强的导电性，但是其他方面的性能有待验证，不适合在高速电气化铁路中应用。（3）镁铜合金接触线的强度较高，能够承受500Mpa的强度，能够满足高速电气化铁路的需求。但是镁铜合金线具有导电性差的缺点，导电率仅能达到62%IACS。（4）铜包钢接触线是由钢与铝两种材料合成，其中含有钢材料提高了铜包钢接触线的强度，并且具有的抗腐蚀能力[7]。但是其导电性较差，机车长距离运输过程会导致大量电能流失，严重影响经济效益。
铜合金接触线的发展趋势
接触线是电气化铁路的主要构成部分之一，接触线的发展能够促进电气化铁路的发展。新时期背景下，电气化铁路的发展迅速，列车的速度不断加快，对于接触线的使用要求提高。因此，需要高强度、导电性好、防腐性强的接触线满足电气化铁路的运行需求[8]。根据相关调查可知，钢铜接触线是目前性能最好的电气化铁路接触线，但是其生产过程比较繁琐，生产成本相对较高，国内的生产规模较小，阻碍了钢铜接触线的应用，而是采用铜合金接触线代替钢铜接触线。铜具有良好的导电性与导热性，铜与金元素进行融合之后，能够提高材料的性能，提升铜合金接触线的抗腐蚀能力。铜合金接触线能够满足高速铁路的运行需求，随着科学技术的发展，铜合金接触线会不断更新升级，未来具有较大的发展空间，具有良好的未来发展前景。
三、电气化铁路铜合金接触线对电力系统的影响因素
（一）负序电流对电力系统的影响
1.对同步发电机的影响
电气化铁路在运行时，单相牵引负荷能够引起负序电流，从而对同步发电机造成影响。负序电流对同步发电机的影响，主要包括以下几方面：（1）降低了发电机的导出力。单相牵引负荷会影响发电机的运行，导致发电机的运行不对称，容易导致不安全事故的发生。因此，为了提高同步发电机的安全性，通过的电流值需要低于额定电流值，而此种情况限制了发电机的运行。（2）附加振动的产生。负序电流经过发电机时，负序电流产生的磁场会产生同步转矩，导致发电机产生振动。（3）发电机的不均匀发热。负序电流转子会引起感应电流，使得发电机振动，导致电流在转子中损失。若是损失过大，会影响发电机的运行。因此，只能控制发电机出力在一定的范围之内。
2.对变压器与电动机的影响
负序电流对电力变压器的影响，主要是由于负序电流使得三相电流不均匀，导致电力系统的三相变压器无法充分的发挥效用。负序电流会导致三相变压器的附加损失增加，使得变压器的温度提高。负序电流通过电网时，会使得电能流失，降低了电网的电能输送能力，阻碍了电网的有效运行。负序电流对于电动机的影响，主要是负序电流通过三相电压时会使得电流的流入不均匀，导致正序的分量减少，使得电动机的机械功率不平衡，影响电动机的使用性能。若是电动机的机械功率固定，定子电流增加会导致各相电流不均匀，促使电动机的功率下降，外表面的温度上升。
3.对继电保护的影响
负序电流会对继电保护造成影响，随着负序电流的增加，继电器的自动保护装置会发出错误报警，出现启动错误警示。负序电流对于继电保护的影响，主要包括以下几方面：（1）负序电流作用时间较长，会使得继电保护进行闭锁状态，电力系统会失去保护，降低了电力系统运行的安全性。（2）解除继电保护闭锁之后，随着负序电流的增强系统会发生振动，此时，继电保护会自动切断线路。（3）负序电流对自动故障装置的影响，负序电流会引起自动故障装置的误启动，并且真正的系统故障，但是会浪费记录胶卷。
（二）负荷功率因素对电力系统的影响
1.电力牵引负荷的功率因素
通常情况下，电力牵引负荷的功率因素普遍较低，主要是由于整流型电力机车的平均功率因素范围在0.8-0.86之间，并且若是机车使用再生制动，会导致功率因素再次降低。另外，牵引网阻抗能够对负荷公路因素产生影响，牵引负荷有功与无功的比值远低于1。此时的功率因素需要在0.01-0.06的范围之内。电力牵引负荷的功率因素降低，会对电力系统造成影响，使得电力系统的相关设备能力不足，具体表现为：影响发电机的运行，使得发电机的运行功率降低，增加了发电的成本；降低了系统的输配电能力，导致系统电能输送损耗增大，变电设备的供电功能下降；提高了系统的电能损耗，导致供电不稳定，电力系统供电无法满足用户的需求。
2.电气化铁路无功补偿的问题
电气化铁路无功补偿，能够降低负荷功率因素较低导致的危害，但是，目前电气化铁路采取的无功补偿措施存在较大的问题。电气化铁路牵引变电所通常采用两组不能够进行调控的并联补偿装置，从而补偿供电臂的牵引负荷。而牵引符合属于间歇性负荷，负荷变化具有不确定性，使得电容补偿无法及时追踪，未能充分的发挥作用。电气化铁路无功补偿的问题，主要包括以下几方面：（1）电容装置的不可调控性，使得电容补偿不能结合实际需求。（2）供电臂与电容补偿不匹配。（3）电容器等设备具有一定的局限性，使得电容补偿受到限制。
四、电气化铁路对电力系统影响的补救措施
（一）限制负序电流的相关措施
限制负序电流的相关措施，具体包括以下几方面：（1）引用高度对称变压器，形成三相对称负载，从而限制负序电流的产生。（2）采用换相连接方法，在牵引变电站的高压测接入系统，从而降低负序电流。此种方法比较简单，操作方便无需接入设备，具有施工成本低、容易调控等优点。但是此种方法无法对电网中的负序电流进行限制，降低了电网运行的安全性。（3）优化列车的排列方式，确保单相负载均匀，从而降低负序电流的产生。（4）优化牵引站供电电源的布设。供电电源需要具有主用电源与备用电源，电源可以分散负序电流，降低负序电流带来的影响。对于牵引电源的布设，需要注意与牵引站的距离，容量小的发电机组无法承担过多的负序电流。（5）优化电力系统，提高电力系统的性能，从而降低负序电流的影响。
电气化铁路无功补偿的相关措施
电气化铁路无功补偿的相关措施，主要包括以下几方面：（1）采取电容分组补偿措施。将电容与电抗器分成不同的组，分别进行单元补偿，结合铁路运输的实际情况，分组投入补偿装置。电容分组补偿措施，能够使得电容补偿装置产生适量无功，此种方法能够弥补固定补偿装置的缺点，能够提高电容补偿的效率。（2）升级电容补偿设备，提高电容补偿设备的性能，从而实现电容的跟踪补偿。我国对于电容补偿设备的研究仍处于发展阶段，目前已有的静止无功补偿装置使用成本较高，需要加大力度进行研发，在已有成果的基础上进行升级。（3）注重电容器、电抗器的选择，从而降低电容、电抗的误差。（4）在机车内布设电容补偿设施。
电气化铁路对电力系统影响的优化措施
电气化铁路运行具有移动性与不稳定性的特点，会产生谐波与负序电流对电网的运行造成干扰。因此，需要采取对应的解决措施，降低负序电流对电力系统的影响，从而确保机车的运行安全。会电气化铁路对电力系统影响的优化措施，主要包括以下几方面：（1）优化电气化铁路的用电环境，使得电气化铁路的牵引属于专线用电，与铁路生产、生活用电等进行区分。（2）采用整流变压器，有效的抑制高次谐波，从而降低负序电流的影响。（3）优化电力系统的组织结构，提高电力系统的使用性能，增强其负序电流的承担能力，从而降低负序电流对电力系统的影响。
结论：本文对铜合金线在电气化铁路中对电力系统的影响进行深入研究，研究结果表明，电气化铁路对电力系统的影响因素，主要有负序电流对电力系统的影响、负荷功率因素对电力系统的影响。其中负序电流对电力系统的影响，具体包括同步发电机的影响、电力变压器与电动机的影响等。文章从限制负序电流的相关措施，电气化铁路无功补偿的相关措施，电气化铁路对电力系统影响的优化措施三方面，论述了电气化铁路对电力系统影响的补救措施，从而维护电力系统运行的安全性和稳定性。
参考文献：
[1]宋莹.高速电气化铁路对电力系统运行的影响[J].经营管理者，2016，12(34):507-508.
[2]刘世翔，翁红.浅析铜合金线在电气化铁路中对电力系统的影响[J].世界有色金属，2017，10(02):127-128.
[3]姚彦东.电气化铁路供电系统及其对电力系统的影响[J].中小企业管理与科技(中旬刊)，2017，10(04):189-190.
[4]王健.电气化铁路牵引变电所电气设备安装调试探析[J].智能城市，2017，3(03):70.
[5]谷月.电气化铁路对电力系统的影响与分析[J].科技创新与应用，2015，9(07):111.
[6]周末，王果，常文寰，等.适于电气化铁路的三相两臂混合有源补偿研究[J].电力系统保护与控制，2015，43(13):100-104.
[7]徐志.电气化铁路用户的谐波分析与治理方案[J].电子技术与软件工程，2015，11(14):111-112.
[8]李雪峰.电气化铁路对电力系统影响的分析研究[J].通信电源技术，2015，32(04):215-21
论文作者:于高荣
论文发表刊物:《电力设备》2017年第34期
论文发表时间:2018/5/14
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