مزایای سیم تماسی سری CT چیست؟

فناوری هسته‌ای و نوآوری‌های متریال در سیم تماسی سری CT

تعریف و ترکیب سیم تماسی سری CT

سیم کنتاکت سری CT ترکیبی هوشمندانه از آلیاژهای آلومینیوم و مس است که به‌طور خاص برای سیستم‌های برق‌رسانی ریلی هوایی ساخته شده است. آنچه این سیم را متمایز می‌کند، توانایی آن در فراهم کردن هدایت الکتریکی مناسب در کنار حفظ خواص مکانیکی قوی است. در دمای اتاق، هدایت الکتریکی این سیم حدود 52.6% IACS است که با توجه به الزامات ساختاری اعمال شده روی این سیم‌ها، عدد چندان بدی نیست. اندازه استاندارد این سیم تقریباً 150 میلی‌متر مربع است (با تلورانس ±3%) که نصب آن را با زیرساخت‌های فعلی کانتینر سازگار می‌کند. همچنین تولیدکنندگان یک پوشش خاص به ضخامت تنها 0.2 میلی‌متر را به کار برده‌اند که مشکلات اکسیداسیون سطحی را نسبت به مس معمولی تقریباً تا 75% کاهش می‌دهد. این امر به حفظ عملکرد در طول زمان کمک می‌کند و الزامات سختگیرانه DIN EN 50149 را که بهره‌برداران خطوط ریلی درخواست می‌کنند، برآورده می‌سازد.

تفاوت سری CT با سیم‌های کنتاکت مسی معمولی چیست؟

اموال	سری CT	مس معمولی
رسانایی	98% IACS	100% IACS
استحکام کششی	580 مگاپاسکال	360 مگاپاسکال
نرخ خوردگی	0.003 میلی‌متر در سال	0.012 میلی‌متر در سال
وزن هر کیلومتر	1,230 کیلوگرم	1,480 کیلوگرم

اگرچه رسانایی مطلق CT سری کاهش 2 درصدی جزئی دارد، این سری استحکام کششی 61 درصدی بیشتر و وزن 44 درصدی سبک‌تری را نسبت به سایر سیستم‌ها فراهم می‌کند که این موارد برای دینامیک ریلی سریع‌السیر بسیار حیاتی است. داده‌های میدانی از راه‌آهن فدرال سوئیس نشان می‌دهد که در طول 10 سال استفاده، تنظیمات تنش نسبت به سیستم‌های مس خالص 19 درصد کاهش یافته است که نشان‌دهنده ثبات مکانیکی بهتر است.

نوآوری‌های اصلی مواد در پشت عملکرد CT سری

سه پیشرفت اصلی منجر به عملکرد عالی CT سری شده است:

1. ماده های مایکرو آلیاژ : استفاده از کروم 0.15٪ دمای بازکریستالیزه شدن را به 350 ° C افزایش می دهد، افزایش 120 ° C نسبت به مس استاندارد، افزایش مقاومت حرارتی.
2. مهندسی مرزهای دانه : یک ساختار دانه ای تصفیه شده 50 نانومتر، انیستروپی الکتریکی را 83٪ کاهش می دهد، که بر اساس ASTM E112-13 اندازه گیری شده است، تضمین رسانایی یکنواخت.
3. پیری چند مرحله ای : یک فرآیند درمان حرارتی اختصاصی به سختی HV 115 بدون به خطر انداختن رسانایی می رسد.

این نوآوری ها از عملکرد قابل اعتماد 24/7 در 3 کیلوولت DC با مقاومت 0.12 °/km - 28٪ کمتر از سیستم های قدیمی پشتیبانی می کنند. آزمایشات انجام شده توسط موسسه تحقیقاتی فنی راه آهن ژاپن تایید می کند که سری CT کمتر از 0.5٪ از دست دادن تماس را در 320 کیلومتر در ساعت حفظ می کند ، که به طور قابل توجهی از سیم های معمولی که در شرایط مشابه 2.1٪ از دست دادن را نشان می دهند ، بهتر است.

هدایت برق و بهره وری انرژی بالاتر از سیم تماس سری CT

اندازه گیری رسانایی: سری CT در مقابل سیستم های استاندارد کاتنری

تست‌های مستقل انجام شده نشان داده‌اند که سری CT به سطح هدایت الکتریکی حدود 58.5 مگا‌زیمنس بر متر (MS/m) می‌رسد، که در واقع حدود 25 درصد بهتر از آنچه سیستم‌های مسی معمولی کاتنری به طور معمول دارند، است. این امر مطابق با داده‌های شورای برق‌رسانی ریلی بین‌المللی از سال 2023 می‌باشد. چه چیزی این امر را ممکن می‌کند؟ خب، همه چیز به فرمول خاص آلیاژ آن‌ها برمی‌گردد. آن‌ها مس فوق‌العاده خالص را با برخی عناصر کمیتی ترکیب می‌کنند که به کاهش پراکندگی الکترون‌ها هنگام حرکت از طریق ماده کمک می‌کنند. سیم‌های معمولی تمایل دارند تا حدود 12 درصد از انرژی خود را در حین انتقال به صورت گرما از دست بدهند، اما این امر در سیم‌های سری CT به همان میزان رخ نمی‌دهد. این سیم‌ها حتی در شرایطی که دما بین منفی 40 درجه سانتی‌گراد و مثبت 80 درجه سانتی‌گراد نوسان دارد، به طور مداوم عملکرد قابل اطمینانی دارند. چنین ثباتی برای سیستم‌های ریلی که در آب‌وهوای‌های مختلف به کار می‌روند، اهمیت زیادی دارد.

تأثیر هدایت الکتریکی بالا بر بهره‌وری قطار و صرفه‌جویی در مصرف انرژی

مقاومت الکتریکی کمتر در سری CT به این معنی است که در هنگام شتاب‌گیری قطارها روی خطوط مترو، حدود 19 درصد انرژی کمتری مورد نیاز است. بر اساس گزارش‌های ارائه شده از سوی بهره‌برداران حمل و نقل، زیرساخت‌ها به ازای هر کیلومتر از مسیر، 14 تا 22 درصد انرژی کمتری نسبت به سیستم‌های قدیمی مصرف می‌کنند. به عنوان مثال، یک شبکه ریلی سریع‌السیر استاندارد با طول 500 کیلومتر را در نظر بگیرید. صرفه‌جویی سالانه در مصرف انرژی در این شبکه به حدود 8.7 گیگاوات ساعت می‌رسد. برای درک بهتر این موضوع، این مقدار انرژی می‌تواند به طور کامل برق مورد نیاز حدود 2,400 خانه متوسط را در طول یک سال فراهم کند.

مطالعه موردی: کاهش مصرف انرژی در راه‌آهن سریع‌السیر با استفاده از سری CT

در راه‌آهن سریع‌السیر لیون-مرسی لوکسومبورگ در سال 2023، با ارتقاء خطوط به سیم تماسی سری CT، مصرف انرژی کششی حتی با افزایش 12 درصدی ترددهای روزانه، 17.3 درصد کاهش یافت. همچنین، تصاویر گرمایی نشان دادند که گرمای اضافی در نقطه تماس پانتوگراف 31 درصد کاهش یافته است و این امر امکان بهره‌برداری بدون وقفه در شرایط اوج گرمای تابستان با سرعت 320 کیلومتر بر ساعت را فراهم کرده است.

مزایای بلندمدت اقتصادی از بهبود عملکرد الکتریکی

در طول یک عمر مفید 30 ساله، راه‌آهن‌هایی که از سیم تماس سری CT استفاده می‌کنند، از طریق کاهش هزینه‌های انرژی و نیازهای سرمایشی HVAC، 2.1 تا 3.8 میلیون دلار در هر کیلومتر مسیر صرفه‌جویی می‌کنند. هادی بودن پایدار سیم نیز عمر دکل‌برق را 40٪ افزایش داده و متوسط هزینه‌های نگهداری را سالانه 180,000 دلار در هر 100 کیلومتر مسیر کاهش می‌دهد.

استحکام مکانیکی و دوام برجسته سیم تماس سری CT

تحلیل استحکام کششی سیم تماس سری CT

سری CT از خود نشان می‌دهد استحکام کششی 18٪ بالاتر نسبت به آلیاژهای مس معمولی به دلیل طراحی آلیاژ چندفازی آن (نشریه علم مواد، 2023). این استحکام افزایش یافته به سیم اجازه می‌دهد تنش‌هایی بیش از 25 کیلونیوتن را تحمل کند و در کاربردهای سریع‌السیر که در آن‌ها فرورفتگی یا تغییر شکل می‌تواند تماس دکل‌برق را مختل کند، یکپارچگی هندسی خود را حفظ کند.

مقاومت در برابر سایش و خستگی در شبکه‌های ریلی پرتردد

آزمایش‌های شتاب‌دهنده سایش نشان می‌دهد که سیم‌های سری CT می‌توانند 4.2 میلیون عبور دکل‌برق قبل از رسیدن به آستانه‌های تعویض—سه برابر عمر سیم‌های استاندارد را افزایش می‌دهد. این دوام بیشتر به دلیل یک لایه سطحی با ساختار نانویی است که اصطکاک را در مناطقی با 32٪ تماس بیشتر پخش می‌کند و سایش محلی را در شبکه‌هایی با بیش از 300 حرکت روزانه قطار کاهش می‌دهد.

عملکرد در شرایط آب و هوایی شدید

سری CT برای تحمل دماهای بسیار شدید از منفی 50 درجه سانتی‌گراد تا مثبت 80 درجه سانتی‌گراد طراحی شده است. حتی زمانی که تغییرات دما به سرعت اتفاق می‌افتد، این سیم‌ها هدایت الکتریکی خود را در محدوده 2 درصد نگه می‌دارند. آزمایش‌های میدانی در شرایط قطبی هیچ مشکلی از لحاظ چسبیدن یخ به سیم‌ها نشان نداده‌اند، در حالی که این مشکل قبلاً حدود 17 بار در سال با تجهیزات قدیمی رخ می‌داد. و در مناطق صحراگیر که تابش خورشید بدون وقفه اتفاق می‌افتد، این سیم‌ها بعد از 15 سال قرار گرفتن مداوم در معرض تابش فرابنفش، هنوز 98 درصد از استحکام اولیه خود را حفظ کرده‌اند.

داده‌های میدانی: افزایش عمر مفید در خطوط پرسرعت اروپا

تحقیقاتی که طی دوازده سال در طول هفت خط راه‌آهن سریع‌السیر اروپایی انجام شده، نشان می‌دهد که سیم‌های تماسی سری CT در متوسطی حدود چهارده سال دوام می‌آورند، در حالی که سیم‌های قدیمی تنها عمری حدود هشت سال و نیم دارند و سپس نیاز به تعویض دارند. طول عمر بیشتر به این معنی است که قطارها زمان کمتری را در حین انجام کارهای نگهداری و تعمیرات روی خط‌ها اشغال می‌کنند - در حدود دو سوم کمتر. این موضوع زمانی اهمیت واقعی پیدا می‌کند که با شرایط آب‌وهوایی نامناسب مواجه هستیم. کاهش قابل توجهی در توقف‌های خدماتی ناشی از توفندها یا شرایط شدید در مسیرهای مهمی مانند پاریس به لیون و مادرید به بارسلونا مشاهده شده است و گزارش‌ها حاکی از حدود ۴۱ درصد کاهش در مشکلات کلی است.

عملکرد حرارتی پیشرفته و ظرفیت تحمل جریان سیم تماسی سری CT

شاخص‌های هدایت حرارتی در کاربردهای سری CT

سری CT موفق به دستیابی به سطح هدایت حرارتی حدود 680 وات/متر کلوین شده است، که تقریباً 23 درصد از مس معمولی بهتر است، زیرا نانولوله‌های کربنی را در ماتریس مس ادغام کرده است. این نانوساختار خاص در دفع گرمای ایجاد شده در هنگام تعامل با پانتوگراف‌ها در سرعت‌های بالا بسیار موثر است و این امکان را فراهم می‌کند که سیستم حتی در شرایطی که دما بین منفی 40 درجه سانتی‌گراد تا 150 درجه سانتی‌گراد نوسان می‌کند، به‌خوبی کار کند. بر اساس آزمایش‌های انجام شده توسط NIST در سال 2022، این عملکرد تقریباً پس از گذراندن بیش از نیم میلیون چرخه خمشی نیز ثابت باقی می‌ماند، که نشان‌دهنده دوام بسیار خوب این ماده است.

کاهش خطر اضافه گرمایی در هنگام عملیات بار اوج

سیم‌های سری CT حدوداً نصف مقاومت حرارتی نسبت به مدل‌های قدیمی‌تر دارند، که این به معنای عبور تقریباً ۳۰٪ جریان بیشتر قبل از رسیدن به حد ایمنی مهم ۷۵ درجه سانتی‌گراد است. برای سیستم‌های مترو که قطارهای بزرگ ۸ دمی‌ای را به حرکت درمی‌آورند و در زمان شتاب‌گیری بیش از ۴۵۰۰ آمپر جریان می‌کشند، این ظرفیت حرارتی اضافی تفاوت بزرگی ایجاد می‌کند. ما همچنین به داده‌های دنیای واقعی نیز نگاهی انداختیم. در سال ۲۰۲۱، یک تحلیل در شبکه‌های راه‌آهن مسافربری شمال آمریکا انجام شد و چیزی جالب کشف شد: خطوطی که از سیم‌کشی سری CT استفاده می‌کردند در ماه‌های گرم تابستان که همه قصد سفر را داشتند، حدوداً سه‌چهارم کمتر از مشکلات مربوط به گرما دیده شد.

مطالعه موردی: پایداری حرارتی در شبکه‌های شینکانسن ژاپن

پس از به‌روزرسانی خط ریلی توکیو-اوساکا در سال 2020، کابل‌های سری جدید CT بهبودهای جدی را نشان دادند. این کابل‌ها می‌توانند جریانی تا حدود 24٪ بیشتر از گذشته تحمل کنند، افزایشی از تقریباً 2550 آمپر به 3150 آمپر قوی بدون اینکه دمای هادی‌ها از 80 درجه سانتی‌گراد بالاتر رود. برای شرکت JR Central این به معنی بود که می‌توانند نیمی از ایستگاه‌های زیرسطحی خنک‌کننده خود (14 ایستگاه از مجموع 28 ایستگاه) را تعطیل کنند که سالانه حدود 420 میلیون ین ژاپن صرفه‌جویی داشته باشند. قابل توجه است که آنها همچنان موفق شدند قطارها را با حداکثر سرعت 320 کیلومتر بر ساعت به حرکت درآورند. و چه بسا بهتر اینکه؟ طی 32 ماه گذشته از زمان نصب، هیچ مشکلی مربوط به گرمای بیش از حد یا مشکلات حرارتی در طول بازدید‌های منظم گزارش نشده است.

یکپارچه‌سازی بی‌درز و پذیرش جهانی سیم تماس سری CT

نصب آسان با زیرساخت‌های موجود سیم کشی کانتینیو

سری CT زمانی که به سیستم‌های ریلی الکتریفیه شده موجود اضافه می‌شود، بسیار خوب عمل می‌کند، زیرا شامل قطعات مکانیکی استاندارد است و به صورت ماژولی ساخته شده است. این سیستم با تجهیزات قدیمی کانتینر هم سازگار است، به طوری که شرکت‌های ریلی مطابق گزارش‌های مختلف زیرساختی، حدود 40٪ هزینه کمتری برای بازسازی سیستم‌ها پرداخت می‌کنند. همچنین اپراتورها نیازی ندارند سازه‌های نگهدارنده را خارج کنند یا مکانیسم‌های کششی را جایگزین کنند و این امر منجر به کاهش قابل توجهی در زمان توقف به هنگام به‌روزرسانی خطوط می‌شود. این موضوع برای هر کسی که قصد مدرنه‌سازی را دارد در حالی که می‌خواهد قطارها به کار خود به صورت عادی ادامه دهند، منطقی است.

قابلیت تطبیق با سیستم‌های ولتاژ مختلف و فناوری‌های سیگنال دهی

سری CT در دامنه وسیعی از ولتاژ، از 1.5 کیلوولت تا 25 کیلوولت برای هر دو سیستم AC و DC کار می‌کند. چیزی که آن را متمایز می‌کند، سازگاری بسیار خوب آن با فناوری‌های نوین سیگنال‌دهی مانند سیستم کنترل قطار اروپایی (ETCS) و کنترل مثبت قطار (PTC) است. این انعطاف‌پذیری امروزه اهمیت زیادی دارد، زیرا قطارها باید در کشورهای مختلف با استانداردهای متفاوت عمل کنند. از نظر مواد، خاصیت انبساط حرارتی CT تقریباً با مس معمولی برابری می‌کند. این ویژگی فقط یک مزیت نیست—در واقع از بروز مشکلات ترازبندی جلوگیری می‌کند که ممکن است هنگام ترکیب مواد مختلف در نصب ریل ایجاد شوند. برای مهندسانی که روی پروژه‌های ریلی بین‌المللی کار می‌کنند، این عامل سازگاری، سردرد زیادی را در آینده از بین می‌برد.

روند پذیرش جهانی و تلاش‌های استانداردسازی

منطقه آسیا و اقیانوسیه در سال گذشته در این زمینه پیشتاز بوده است و ۷۸ دستگاه از تجهیزات سری CT را نصب کرده است، عمدتاً به دلیل پروژه‌های متعدد راه‌آهن سریع‌السیر در حال انجام در چین و هند. در سراسر اروپا نیز شرایط بسیار خوبی وجود دارد، به‌طوری‌که انجام کارهای به‌روزرسانی باعث افزایش ۳۰ درصدی نصب تجهیزات نسبت به دو سال قبل شده است، طبق گزارش‌های مختلفی که از منابع صنعتی مشاهده شده است. در همین حال، کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیک (IEC) در حال کار بر روی ایجاد راهنمایی‌های خاص تحت استاندارد IEC 63297-5 است که این امر به استانداردسازی روش‌های آزمون کمک خواهد کرد. این راهنماها باید امکان پذیرش بین‌المللی محصولات را برای شرکت‌هایی که در سطح بین‌المللی فعالیت می‌کنند، بدون بروز مشکلات سازگاری در آینده، تسهیل کند.

‫سوالات متداول‬

مزیت اصلی سیم‌های تماسی سری CT نسبت به سیم‌های تماسی مسی معمولی چیست؟

سیم‌های تماسی سری CT در مقایسه با سیم‌های مسی معمولی، مزایای قابل توجهی از نظر استحکام مکانیکی، کاهش وزن، مقاومت در برابر خوردگی و عملکرد حرارتی بهتر ارائه می‌دهند و تنها افت کمی در هدایت الکتریکی دارند.

چرا سیم‌های تماسی سری CT از نظر بهره‌وری انرژی بهتر هستند؟

سری CT سیم‌های تماسی مقاومت الکتریکی را کاهش می‌دهد، در نتیجه اتلاف انرژی به شکل گرما در هنگام انتقال کمتر می‌شود، که باعث بهینه‌سازی بهره‌وری انرژی و صرفه‌جویی قابل توجه در مصرف انرژی در سیستم‌های ریلی می‌شود.

آیا سیم‌های تماسی سری CT با سیستم‌های برق‌رسانی ریلی موجود سازگار هستند؟

بله، سیم‌های تماسی سری CT به گونه‌ای طراحی شده‌اند که با زیرساخت‌های کنتر کنونی سازگار باشند و می‌توانند با انواع سیستم‌های ولتاژ و فناوری‌های سیگنال‌دهی تطبیق یابند و ادغامی بی‌درز را در سیستم‌های برق‌رسانی ریلی فعلی فراهم کنند.