JP2018095912A

JP2018095912A - トロリ線及び架線

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Publication number: JP2018095912A
Application number: JP2016240902A
Authority: JP
Inventors: 蛭田　浩義; Hiroyoshi Hiruta; 浩義蛭田; 田村　和彦; Kazuhiko Tamura; 和彦田村
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2016-12-13
Filing date: 2016-12-13
Publication date: 2018-06-21

Abstract

【課題】サイズダウン化や架線のシンプル化に好適なトロリ線、およびそのトロリ線を有する架線を提供する。【解決手段】本発明の一態様において、錫が０．１５質量％以上０．２質量％以下、酸素が０．０３質量％以上０．０５質量％以下で含まれており、残部が銅および不可避不純物からなる銅合金線で構成され、公称断面積が１１０ｍｍ2以上１５０ｍｍ2以下のときの導電率が８５％ＩＡＣＳ以上、かつ引張強さが４２０ＭＰａ以上である、トロリ線を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、錫が含有された銅合金線からなるトロリ線及び該トロリ線を備えた架線に関する。

従来、錫が含有された銅合金線からなるトロリ線（以下、錫入りトロリ線ともいう）では、高い引張強さを有するものの、錫を添加することによって導電率が低下してしまうことがあった。このため、錫が含有された銅合金線からなるトロリ線では、導電率の要求仕様の下限値を７０％ＩＡＣＳとすることが一般的であった。

このような錫入りトロリ線は、高い強度と高い耐摩耗性を有することから、大都市圏などの運転密度が高い鉄道線路（以下、線路ともいう）に使用されており、また高い耐摩耗性を有することから、トロリ線自体の寿命が長く、トロリ線の張替周期を長くすることができる。さらに、錫入りトロリ線は、高い強度を有することから、新幹線などの高速鉄道車両が走行する架線張力が高い線路でも使用されている。

特開平６−８７５９号公報

最近では、運転密度が高い線路や新幹線などの高速鉄道車両が走行する架線張力が高い線路において、架線方式の簡素化やメンテナンス効率の向上のために、使用されるトロリ線のサイズダウン化（例えば、公称断面積が１７０ｍｍ²よりも小さいトロリ線を使用すること）、き電線のサイズダウン化、さらには新幹線などの高速鉄道車両が走行する線路でのヘビーコンパウンドからヘビーシンプル化への移行も検討されている。

しかしながら、従来から使用されている錫入りトロリ線では、強度や耐摩耗性が高いものの、これらの特性に相反して導電率が低いため、上述したサイズダウン化やシンプル化への移行を行う際に許容できる電流容量が小さいことが制約事項となり得る。そのため、錫入りトロリ線では、更なる改善が求められている。

したがって、本発明の目的は、サイズダウン化や架線のシンプル化に好適なトロリ線、およびそのトロリ線を備えた架線を提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記［１］〜［２］のトロリ線、および下記［３］の架線を提供する。

［１］錫が０．１５質量％以上０．２質量％以下、酸素が０．０３質量％以上０．０５質量％以下で含まれており、残部が銅および不可避不純物からなる銅合金線で構成され、前記銅合金線の公称断面積が１１０ｍｍ²以上１５０ｍｍ²以下のときの導電率が８５％ＩＡＣＳ以上、かつ引張強さが４２０ＭＰａ以上である、トロリ線。

［２］公称断面積が１１０ｍｍ²以上１５０ｍｍ²以下のときの導電率が９０％ＩＡＣＳ以上、かつ引張強さが４２０ＭＰａ以上である、上記［１］に記載のトロリ線。

［３］錫が０．１５質量％以上０．２質量％以下、酸素が０．０３質量％以上０．０５質量％以下で含まれており、残部が銅および不可避不純物からなる銅合金線で構成され、前記銅合金線の公称断面積が１１０ｍｍ²以上１５０ｍｍ²以下のときの導電率が８５％ＩＡＣＳ以上、かつ引張強さが４２０ＭＰａ以上であるトロリ線と、前記トロリ線を支持する吊架線と、を備えた、架線。

本発明によれば、サイズダウン化や架線のシンプル化に好適なトロリ線、およびそのトロリ線を備えた架線を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係るトロリ線の径方向の断面図である。図２（ａ）はヘビーコンパウンド架線の概略図であり、図２（ｂ）はシンプル架線の概略図である。

〔実施の形態〕
（トロリ線の構造及び特性）
図１は、本発明の実施の形態に係るトロリ線１０の径方向の断面図である。トロリ線１０は、電車等の鉄道車両用の架線に用いられる異形丸形のトロリ線であって、特に、新幹線等の高速度で運転される高速鉄道車両用の架線にも好適なトロリ線である。また、トロリ線１０の形状は、ＪＩＳＥ２１０１に規定されたみぞ付硬銅トロリ線に該当する。

トロリ線１０は、上部の小弧面１１、下部の大弧面１２、両側部の小弧面１１と大弧面１２の間のＶ字状のイヤー溝１３と、を有する。イヤー溝１３は、イヤー金具をトロリ線１０に接続するための溝であり、トロリ線１０の両側のイヤー溝１３間の小弧面１１を有する部分をイヤー金具で挟み込むことにより、トロリ線１０をハンガーに固定する。電車等の鉄道車両が走行する際、パンタグラフが大弧面１２の表面に接触しながら摺動する。

トロリ線１０は、Ｃｕ−Ｓｎ系合金からなる。より具体的な例としては、錫（Ｓｎ）が０．１５質量％以上０．２質量％以下、酸素（Ｏ）が０．０３質量％以上０．０５質量％以下で含有されており、残部がＣｕと不可避不純物からなる銅合金線で構成される。このような特定の割合で錫と酸素とが含有されていることにより、運転密度が高い線路や新幹線などの高速鉄道車両が走行する架線張力が高い線路に適用される公称断面積が１７０ｍｍ²のトロリ線よりも公称断面積が小さい公称断面積が１１０ｍｍ²以上１５０ｍｍ²以下のトロリ線において、高い導電率を効果的に得ることができる。

トロリ線１０は、公称断面積が１１０ｍｍ²以上１５０ｍｍ²以下のときの導電率が８５％ＩＡＣＳ以上、かつ引張強さが４２０ＭＰａ以上である。好ましくは、導電率が９０％ＩＡＣＳ以上、かつ引張強さが４２０ＭＰａ以上５００ＭＰａ以下、より好ましくは引張強さが４４０ＭＰａ以上４６０ＭＰａ以下である。

トロリ線１０は、公称断面積が１１０ｍｍ²以上１５０ｍｍ²以下のときの引張強さが４２０ＭＰａ以上であることにより、従来のトロリ線（例えば断面積１７０ｍｍ²で引張強さが４００ＭＰａ程度のトロリ線）よりも小さい公称断面積で従来のトロリ線と同等の耐摩耗性を有することができる。特に、トロリ線１０の引張強さが５００ＭＰａ以下であることにより、ドラムに巻かれたトロリ線１０を延線する際に曲げ癖が残りにくく、施工性が良い。なお、トロリ線１０の引張強さは、ＪＩＳＣ３００２に準拠する試験方法によって求められる。

ヘビーシンプル架線に用いられる場合、トロリ線１０には、２．５トンの張力が加わることが想定される。この場合、トロリ線１０の引張強さは、４３０ＭＰａ以上であることが好ましい。また、摩耗しろを大きくするためには、トロリ線１０の引張強さがより大きいことが好ましい。

トロリ線１０の材料として錫と酸素とが上述した特定の割合で含有されているＣｕ−Ｓｎ系合金を用いることにより、従来のトロリ線よりも公称断面積が小さい公称断面積が１１０ｍｍ²以上１５０ｍｍ²以下のトロリ線においても引張強さを４２０ＭＰａ以上、導電率を８５％ＩＡＣＳ以上とすることができる。

トロリ線１０は、公称断面積１１０ｍｍ²以上１５０ｍｍ²以下のときの導電率が８５％ＩＡＣＳ（International Annealed Copper Standard）以上であることが好ましく、より好ましくは、９０％ＩＡＣＳ以上である。トロリ線１０は、このような高い導電率を有することにより、高い強度や耐摩耗性を維持しながら許容し得る電流容量を大きくすることができるため、トロリ線のサイズダウン化や架線のシンプル化への移行を行う際の制約事項等を軽減することができる。その結果、運転密度が高い線路や新幹線などの高速鉄道車両が走行する架線張力が高い線路において、架線方式の簡素化やメンテナンス効率の向上が図れるようになる。

例えば、大電流容量の観点から、架線をコンパウンド架線からシンプル架線に切り替える場合、線条が３本から２本になることでトロリ線１０に流れる電流比率も高くなる。このことから、シンプル架線に使用されるトロリ線１０では、公称断面積が１５０ｍｍ²以下で導電率が８５％ＩＡＣＳ以上であることが好ましく、公称断面積が１５０ｍｍ²以下で導電率が９０％ＩＡＣＳ以上であることがより好ましい。

図１の距離Ｌは、トロリ線１０の上端（小弧面１１の頂部）から下端（大弧面１２の頂部）までの距離であり、Ｌ₁はトロリ線１０の下端から摩耗限度位置１４までの距離であり、Ｌ₂は、トロリ線１０の上端から摩耗限度位置１４までの距離である。例えば公称断面積が１５０ｍｍ²のトロリ線１０の距離Ｌは、およそ１４．４ｍｍである。

（変形例）
トロリ線１０は、トロリ線１０の下端から摩耗限度位置１４までの領域にトロリ線１０の摩耗限界を検知するための検知線が配置されていてもよい。この場合、検知線を配置させるための溝をトロリ線１０の下端から摩耗限度位置１４までの領域に設け、その溝内に検知線が配置されることが好ましい。検知線は、導体と、導体の周囲を被覆する絶縁体とを有する絶縁電線、又は光ファイバから構成される。

トロリ線１０を介して電車に給電が行われる際には、トロリ線１０の大弧面１２の底部が、パンタグラフ等の電車の集電装置に接触する。このため、集電装置が大弧面１２に接触して摺動することにより、トロリ線１０は大弧面１２の底部から摩耗する。摩耗が進むと、設定された摩耗限度位置１４に達する前に検知線が断線等することにより、トロリ線１０が摩耗限界に近いところまで摩耗していることが検知される。

（トロリ線の製造工程）
以下に、トロリ線の製造工程の一例を示す。

本実施の形態に係るトロリ線１０の製造工程は、銅母材にＳｎを添加して溶解し、銅合金溶湯を形成する溶解工程と、その銅合金溶湯を鋳造して鋳造材を形成する鋳造工程と、その鋳造材に複数段（多段）の熱間圧延加工を施して圧延材を形成する熱間圧延工程と、その圧延材を洗浄し、巻取ってトロリ線１０を得る洗浄・巻取り工程と、を含む。以下、各工程について詳細に説明する。

＜溶解工程＞
先ず、酸素を０．０３〜０．０５質量％（３００〜５００質量ｐｐｍ）含む銅母材に、全体の割合が０．１５質量％以上、０．２質量％以下となる量のＳｎを添加して溶解を行うことで、銅合金溶湯を形成する。

＜鋳造工程＞
次に、前工程で得られた銅合金溶湯は、ＳＣＲ方式の連続鋳造圧延に供される。具体的には、ＳＣＲ連続鋳造において、通常の溶融温度よりも５０℃低い溶融温度（９００℃以下）からなる銅合金溶湯で鋳造を行うと共に、鋳型（銅鋳型）を強制水冷し、銅合金溶湯の凝固温度より少なくとも１５℃以上低い温度（例えば、８００℃〜８５０℃程度の温度）に急速冷却して鋳造材を形成する。

＜熱間圧延工程＞
次に、連続鋳造圧延における通常の熱間圧延温度よりも５０〜１００℃低い温度、すなわち鋳造材の温度を６００℃未満、好ましくは５５０℃以下に調整した状態で、鋳造材に、多段の熱間圧延加工を施す。最終圧延時において、５００℃以上６００℃未満の圧延温度で熱間圧延加工を施し、圧延材を形成する。本工程における圧延温度を従来の温度よりも低くすることにより、トロリ線１０の強度を高めることができる。

＜洗浄・巻取り工程＞
次に、圧延材を洗浄し、巻取りを行い、トロリ線１０を得るための線材（ワイヤロッド）を得る。

線材のサイズ（外径）としては、２０ｍｍ以上であることが好ましく、２０ｍｍ以上２３ｍｍ以下であることがより好ましい。線材の外径が２０ｍｍ未満の場合では、公称断面積が１１０ｍｍ²以上１５０ｍｍ²以下で４２０ＭＰａ以上の引張強さを有するトロリ線が得られないためである。線材の外径が２３ｍｍを超えると後述する伸線加工工程における伸線加工の回数が増加してしまい、コストが増加するおそれがある。

以上に説明した各工程は、既存又は慣用の連続鋳造圧延設備（ＳＣＲ連続鋳造機）を用いて実施することができる。

＜伸線加工工程＞
以上に説明した工程のあと、得られた線材を伸線加工することにより、小弧面１１と大弧面１２とイヤー溝１３とを有する公称断面積が１１０ｍｍ²以上１５０ｍｍ²以下のトロリ線１０を得る。なお、検知線を配置させる場合は、線材を伸線加工する工程において、トロリ線１０を伸線加工しながら検知線用溝の内部に検知線が挿入される。

（架線の構造）
図２（ａ）は、ヘビーコンパウンド架線２０の概略図である。ヘビーコンパウンド架線２０（ヘビーコンパウンドカテナリ方式架線ともいう）においては、補助吊架線２２がドロッパー２４により吊架線２１から吊り下げられ、トロリ線２３がハンガー２５により補助吊架線２２から吊り下げられ、吊架線２１、補助吊架線２２、トロリ線２３が並列に配線される。すなわち、トロリ線２３は、ハンガー２５、補助吊架線２２、ドロッパー２４を介して吊架線２１に支持されている。

また、他の架線として、図２（ａ）に示すヘビーコンパウンド架線２０における補助吊架線２２を省き、吊架線とトロリ線の２本で構成されるシンプル架線（シンプルカテナリ方式架線ともいう）がある。図２（ｂ）は、シンプル架線３０の概略図である。シンプル架線３０においては、トロリ線３２がハンガー３３により吊架線３１から吊り下げられ、吊架線３１、トロリ線３２が並列に配線される。すなわち、トロリ線３２は、ハンガー３３を介して吊架線３１に支持されている。

このようなヘビーコンパウンド架線２０、あるいはシンプル架線３０などの架線に使用されるトロリ線２３、３２として、上述した本発明の実施の形態に係るトロリ線１０が適用される。

（実施の形態の効果）
上記実施の形態によれば、サイズダウン化や架線のシンプル化に好適なトロリ線、およびそのトロリ線を備えた架線を提供することができる。具体的には、従来の錫入りトロリ線では、導電率が７０％ＩＡＣＳ以上８０％ＩＡＣＳ以下の仕様で架線構造物の設計を実施してきており、許容電流の関係から公称断面積が１５０ｍｍ²を超えるトロリ線を適用する設計となることが多い状況であった。このため、運転密度が高い路線や新幹線などの架線張力が高い路線において、架線方式の簡素化やメンテナンス効率の向上のために、使用されるトロリ線自体のサイズダウン化や架線のシンプル化が進まない状況であった。これに対して、本発明の実施の形態に係るトロリ線によれば、高い強度や耐摩耗性を維持しながら許容し得る電流容量を大きくすることができるため、トロリ線のサイズダウン化や架線のシンプル化への移行を行う際の制約事項等を軽減することができる。その結果、運転密度が高い線路や新幹線などの高速鉄道車両が走行する架線張力が高い線路において、架線方式の簡素化やメンテナンス効率の向上が図れるようになるとともに、架線にかかるコストの縮小化も図れるようになる。

トロリ線の構成と特性の関係について評価を行った。以下の表１では、トロリ線を製造する際に使用する線材（ワイヤロッド；ＷＲ）の外径（直径）、トロリ線に含まれる錫および酸素の含有量、トロリ線の公称断面積、導電率、および引張強さを示す。

表１に示す試料１〜７では、溶解工程、鋳造工程、熱間圧延工程、洗浄・巻取り工程を含む連続鋳造圧延設備により、表１に示す外径からなるワイヤロッドを製造し、次いで製造したワイヤロッドに伸線加工を施すことにより、表１に示す公称断面積からなるトロリ線を製造した。

表１において、導電率は、ＪＩＳＣ３００２に準拠する方法により測定した。また、引張強さは、トロリ線の破断荷重をＪＩＳＣ３００２に準拠する方法によって測定し、「破断荷重／公称断面積」に基づいて算出した。

表１に示すように、試料２〜５のトロリ線では、トロリ線の公称断面積が１１０ｍｍ²以上１５０ｍｍ²以下であるときに、導電率が８５％ＩＡＣＳ以上であり、かつ引張強さが４２０ＭＰａ以上である。すなわち、試料２〜５のトロリ線では、公称断面積が１７０ｍｍ²よりも小さい１１０ｍｍ²以上１５０ｍｍ²以下でありながら、高導電率、かつ高引張強さを備える。これにより、試料２〜５のトロリ線では、高い強度や耐摩耗性を維持しながら許容し得る電流容量を大きくすることができるため、トロリ線のサイズダウン化や架線のシンプル化への移行を行う際の制約事項等を軽減することができ、架線方式の簡素化やメンテナンス効率の向上を図る場合に好適である。

これに対して、試料１、６のトロリ線では、公称断面積が１７０ｍｍ²よりも小さい１１０ｍｍ²以上１５０ｍｍ²以下の場合に高導電率であるものの、引張強さが低く、強度や耐摩耗性に劣る。また、試料７のトロリ線では、引張強さが高いものの、公称断面積が１７０ｍｍ²と大きく、かつ導電率も低いため、トロリ線のサイズダウン化や架線のシンプル化を図る場合に適用することが難しい。

以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、本発明は、上記実施の形態及び実施例に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。

また、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１０トロリ線
１１小弧面
１２大弧面
１３イヤー溝

Claims

錫が０．１５質量％以上０．２質量％以下、酸素が０．０３質量％以上０．０５質量％以下で含まれており、残部が銅および不可避不純物からなる銅合金線で構成され、公称断面積が１１０ｍｍ²以上１５０ｍｍ²以下のときの導電率が８５％ＩＡＣＳ以上、かつ引張強さが４２０ＭＰａ以上である、トロリ線。
公称断面積が１１０ｍｍ²以上１５０ｍｍ²以下のときの導電率が９０％ＩＡＣＳ以上、かつ引張強さが４２０ＭＰａ以上５００ＭＰａ以下である、請求項１に記載のトロリ線。
錫が０．１５質量％以上０．２質量％以下、酸素が０．０３質量％以上０．０５質量％以下で含まれており、残部が銅および不可避不純物からなる銅合金線で構成され、公称断面積が１１０ｍｍ²以上１５０ｍｍ²以下のときの導電率が８５％ＩＡＣＳ以上、かつ引張強さが４２０ＭＰａ以上であるトロリ線と、
前記トロリ線を支持する吊架線と、
を備えた、架線。