国产“双高”导线让中国高铁“充满动力”

随着技术的不断提高，我国铜铬锆导体的最高电导率可达83%，强度可达620 MPa。我国具有自主知识产权的高强高导接触网导线，可为新建高速铁路建设提供强有力的技术支撑。

时速350公里，营业里程3.6万公里，通达除西藏以外的30个省、自治区、直辖市.中国高铁曾多次刷新中国“高铁地图”，并以惊人的速度和广度刷新纪录。供电系统作为高速列车的“心脏”，在为列车提供持续动力的同时，也是保证列车安全、高速、可靠、稳定运行的关键。

天津中铁电气化设计研究院有限公司总工程师王团队研发的“高速铁路高强高导接触网导线关键技术及应用”，实现了我国高速接触网导线的完全国产化。在京沪、京津、京张、成渝等1.3万公里高铁线路上“挂网”运营10年，证明其业绩领跑“世界高铁”。该项目还获得了2020年国家科技进步奖二等奖。同时，该项目获得发明专利授权32项，SCI论文31篇，国家标准6项，行业标准2项。

铜导线已达到安全极限。

俗话说，火车跑得快，靠的是前带。那么“锋”的牵引力从何而来？

“人们在高铁站等车时，经常会看到输电线路架设在铁路上方。这些输电线路是高速铁路接触网，高速列车运行所需的电力通过机车上端的接触网传输。”王介绍，一旦接触网停电或列车受电弓与接触网接触不良，就会影响列车供电。

同时，制约高速列车提速的三大核心技术瓶颈之一是弓网系统的受流能力。为了保证高速运行列车的稳定受流，接触网导线必须具有高张力和载流能力，这就要求导线同时具有高强度和高导电性，同时也要保证接触网的轻量化，不能增加工程投资。

王解释说：“当列车速度超过300公里/小时时，它所受到的阻力90%以上来自风阻，风阻与速度的平方成正比，列车所需的功率与速度的三次方成正比。当功率增加时，电压不变时，电流也会相应增加。因此，悬链线必须具有高导电性。”

"在保证高导电性的同时，悬链线也需要保证高强度."王说，列车高速运行时，受电弓和导线不能分离，必须时刻保持紧密接触。只有当导线的波传播速度大于列车速度的1.4倍时，受电弓和接触网导线才能不分离。为了提高导体的波传播速度，有必要增加导体的张力。在导体重量不变的情况下，需要增加导体的强度，使导体的强度达到国家标准安全系数2.0以上。也就是说，钢丝能承受的最大拉力需要比施加的拉力大一倍以上，才能保证安全。

同时提高强度和电导率是一个很大的挑战。众所周知，在铜合金材料中，电导率与强度成反比，同时提高电导率和强度是非常困难的，因此高铁接触网导线的研发难度极大。在王团队项目实施之前，国内所有的高铁接触网导线都是进口的。

 “由于Cr-Zr合金元素的高活性和高挥发性，制备满足工程需要的零缺陷超长Cu-Cr-Zr线材成为公认的世界性难题，被誉为高铁牵引供电技术的‘皇冠上的明珠’。”王说，当时虽然日、法、德等国投入巨资进行研发，但未能实现工程应用，技术被严密封锁。

国外的技术封锁让王看清楚了，要实现中国高铁技术的突破，必须自立门户，自主创新，实现铜铬锆接触网导线国产化，做出中国自己的高强度、高导电性导线。

当时国内连铜镁导体都是进口的，技术难度高得多的铜铬锆导体很难开发。“真的是从零开始，搜索文件资料，学习的东西很少。”王回忆说，幸运的是，研究小组找到了在浙江大学研究高导电性和高强度材料的教授。在孟良教授团队的帮助下，团队用了半年时间，在实验室研制出了铜铬锆材料线材样品，样品各项参数优良，电导率达到80%以上，强度达到620 MPa。

但在兴奋结束之前，王发现，在学校实验室的材料样品研究和长导体的产业化之间，存在着10.8万英里的差距。实验室的研究工作量和难度只占整个产业化项目总工作量和难度的5%-10%，后面产业化的技术难度远远超出团队的想象。

王介绍，金属冶炼加工行业的所有工艺基本分为四个部分，第一部分是冶炼技术，第二部分是铸造技术，第三部分是硬化强化金属加工技术，第四部分是热处理技术。

“第一和第二部分是最关键也是最难实现的。当时我们跑遍了全国，找不到任何能够冶炼铸造铜铬锆线的设备。所有工装设备必须由我们自己研发。”王说：“可以说，线材产业化的研发过程，就是研发制造线材所需要的各种设备和工艺的过程。”

比如王说，比如在熔炼炉中，为了避免铬锆合金挥发，团队尝试了多种工艺路径，而关于炉壁材料的选择，团队也选择了十几种试验。

“最难的是熔炼炉结晶器的研发。当时合金坯铸出来后，表面很粗糙，有裂纹，内部有气孔，内部合金成分不合格，调整数据也没用。”王回忆说，他每天都守在1000多摄氏度的熔炼炉前，反复实验。

但王立天没有动摇，依旧每天守在冶炼炉旁，终于功夫不负有心人，一次试验中“险些造成事故的意外”，让冒着生命危险留守在冶炼现场的王立天，终于“捅破这层窗户纸”，解决了整个研发过程中难度最大的技术问题。

产品性能全世界领先

2010年12月，京沪高铁先导段进行了联调联试和综合试验，最高运行时速达到486.1公里的世界最高营运试验速度，其中，高强高导的铜铬锆导线功不可没。

“经测试，我们自主研发生产的铜铬锆导线导电率达到75%，强度也达到了560兆帕，性能可以与日本同一时期上线的同类产品‘打成平手’，而欧美此时还没有同类产品研制出来。”王立天自豪地说，而且由于我们的产品生产环节更简化，因此成本要低很多。

目前我国生产铜铬锆导线的工艺水平实现了可连续挤压、连续拉拔生产两吨铜铬锆导线，并且导线大长度连续中间没有任何缺陷。为了保证导线的安全性，导线还具有很高的耐腐蚀性、耐烧蚀性以及良好的高温特性。王立天进一步解释，由于我国的高速铁路遍布祖国各地，有些铁路地处污秽、海边等环境，因此对导线的耐腐蚀性要求非常高。同时摩擦生热，当列车高速行驶的时候，就会与接触网导线摩擦生热。一般来说，当温度到达100摄氏度时，导线强度会下降。而我们的铜铬锆导线因为材质和工艺，100摄氏度的温度反而会使导线在一定范围内强度增加。此外，高温冷却后，其他合金导线强度一般也会下降20%左右，而我们的铬锆铜导线强度只会下降5%左右，具有优异的高温特性。

随着技术的不断改进提高，如今我国的铜铬锆导线最高可以实现83%的导电率，同时强度达到620兆帕。“目前准备开始建设的重庆到成都的高铁时速可达400公里，这比现有的350公里/小时高铁对各项技术的要求提升一个级别。”王立天对此充满信心，他表示，这次我国具有自主知识产权的高强高导接触网导线完全可以为新高铁的建设提供强有力的技术支撑。