復(fù)合材料在地鐵接觸網(wǎng)中的應(yīng)用

龍赤宇

0 引言

目前國內(nèi)各城市軌道交通既有和在建線路中，接觸軌普遍采用了以玻璃鋼制品為材料的防護(hù)罩和整體絕緣支架，而在架空接觸網(wǎng)中除分段絕緣器等個別零部件采用了玻璃纖維棒以外，還沒有在其他裝配形式上采用玻璃鋼制品等復(fù)合絕緣材料的先例。玻璃鋼制品首次應(yīng)用于城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)中還是在20世紀(jì)90年代，接觸軌的玻璃鋼防護(hù)罩在當(dāng)時地鐵領(lǐng)域中是一項(xiàng)非常成功的技術(shù)革新產(chǎn)品，并一直沿用至今。

國外早在20世紀(jì)80年代末就已經(jīng)出現(xiàn)玻璃鋼復(fù)合材料腕臂，該腕臂具有重量輕，強(qiáng)度高，美觀等優(yōu)點(diǎn)，并在一些旅游觀光線或郊區(qū)輕軌上安裝，取得良好的景觀效果。

國內(nèi)雖有生產(chǎn)廠家在20世紀(jì)90年代仿制國外的這種產(chǎn)品，但并沒有成功地付諸實(shí)施。如今隨著玻璃鋼制造技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)生產(chǎn)的玻璃鋼腕臂管、承力索支撐線夾、定位器等接觸網(wǎng)零件，不僅起到材料替換的作用，還能夠提高接觸網(wǎng)系統(tǒng)的整體絕緣水平，降低工程造價，市場推廣前景看好。下面將結(jié)合筆者在接觸網(wǎng)及復(fù)合材料方面的研究經(jīng)驗(yàn)，對接觸網(wǎng)采用復(fù)合材料的可行性和實(shí)施中需要注意的問題進(jìn)行分析。

1 傳統(tǒng)接觸網(wǎng)的使用現(xiàn)狀

所謂傳統(tǒng)接觸網(wǎng)就是指以在20世紀(jì)90年代建成的上海地鐵一號線和廣州地鐵一號線、二號線為模式的接觸網(wǎng)安裝類型。其中對于隧道內(nèi)接觸網(wǎng)的懸掛方案，上海地鐵一號線采用彈性支撐簡單懸掛；廣州地鐵一號線采用弓形腕臂結(jié)構(gòu)；廣州地鐵二號線采用剛性懸掛。在以后的地鐵建設(shè)中，剛性懸掛方式逐步占據(jù)了主導(dǎo)地位，如今凡在建地鐵項(xiàng)目，只要是隧道內(nèi)采用架空接觸網(wǎng)都毫無例外地選擇剛性接觸網(wǎng)懸掛。從理論上講，相對于柔性接觸網(wǎng)，剛性接觸網(wǎng)具有凈空要求低、維護(hù)工作量小、無下錨等優(yōu)勢。但是近年據(jù)運(yùn)營單位反映：剛性懸掛接觸線磨耗比柔性接觸網(wǎng)要大很多，受電弓滑板的更換周期也縮短了，其維護(hù)工作量并不比柔性接觸網(wǎng)少，在實(shí)際應(yīng)用中其優(yōu)勢僅僅體現(xiàn)在無下錨方面，因此剛性懸掛除適用于長大區(qū)間隧道外，在其他方面與柔性懸掛相比并無明顯優(yōu)勢。

從圖1可以看出，柔性懸掛方案中的接觸網(wǎng)，其絕緣子對隧道壁的空氣絕緣距離是接觸網(wǎng)安裝懸掛的制約因素，如采用絕緣腕臂的弓形結(jié)構(gòu)，其凈空要求將降到最低，甚至低于剛性接觸網(wǎng)的凈空要求。所以在非長大區(qū)間內(nèi)采用弓形絕緣腕臂將改善剛性懸掛條件下的弓網(wǎng)關(guān)系，減少接觸線磨耗，延長受電弓的使用壽命。

圖1 隧道內(nèi)柔性懸掛示意圖

此外，在接觸網(wǎng)零件中，零件的種類約200～300種，而且95%以上都是由金屬材料制成的，金屬用量極大，若采用玻璃鋼等樹脂材料來作為零件，則可以大大節(jié)約金屬特別是有色金屬的需求量，有益于保護(hù)環(huán)境資源。

除懸掛形式外，地鐵接觸網(wǎng)在絕緣等級、接地和防雷措施上存在以下特點(diǎn)。

（1）絕緣等級。目前國內(nèi)已經(jīng)運(yùn)行的地鐵直流 1500 V系統(tǒng)所采用的絕緣標(biāo)準(zhǔn)都是爬電距離250 mm，雷電沖擊耐壓125 kV，工頻干耐60 kV，工頻濕耐30 kV。該絕緣等級參考了上海地鐵一號線、廣州地鐵一號線和國外的經(jīng)驗(yàn)。

（2）架空地線。從上海地鐵開始，國內(nèi)無論是DC 1500 V的接觸網(wǎng)還是接觸軌都設(shè)有架空地線，在個別地區(qū)架空地線還兼作避雷線使用。

（3）防雷措施。現(xiàn)在接觸網(wǎng)的防雷手段主要有：a.在饋線隔離開關(guān)上設(shè)避雷器，防止雷電侵襲波影響牽引變電所；b.在接觸網(wǎng)上設(shè)線路避雷器，抑制雷電波在接觸網(wǎng)上造成過電壓；c.設(shè)地電位均衡器，也是為抑制接觸網(wǎng)上的雷電過電壓；d.設(shè)置避雷線，與架空地線共用；e.設(shè)置絕緣子避雷器，保護(hù)重要的絕緣子。

2 雙重絕緣與加強(qiáng)絕緣對接觸網(wǎng)的意義

1991年德國運(yùn)輸公司協(xié)會（Verband Deutscher Verkehrsunternehmen-VDV）在其相關(guān)刊物上曾經(jīng)對直流1500 V系統(tǒng)的接地方式提出建議：當(dāng)架空接觸網(wǎng)已經(jīng)采用加強(qiáng)或雙重絕緣的時候，架空接觸網(wǎng)的支持結(jié)構(gòu)則不必與牽引接地相連。

其中雙重絕緣的定義：雙重絕緣由基本絕緣和附加絕緣構(gòu)成，當(dāng)基本絕緣破壞時，附加絕緣能夠正常使用；而當(dāng)附加絕緣破壞時，其基本絕緣能夠正常使用。而加強(qiáng)絕緣則等同于雙重絕緣的效果。

事實(shí)上在現(xiàn)有接觸網(wǎng)設(shè)置架空地線的體系中，當(dāng)直流絕緣子出現(xiàn)閃絡(luò)時，理論上是由牽引變電所內(nèi)的框架保護(hù)裝置來動作的，而框架保護(hù)裝置是以電流元件作為主保護(hù)，以電壓元件作為后備保護(hù)，國內(nèi)多數(shù)線路中，電流元件的整定值通常為80 A，而電壓元件的整定值約為300 V。

根據(jù)德國奧本諾斯提出的絕緣子污閃的物理模型（見圖2），接觸網(wǎng)絕緣子發(fā)生閃絡(luò)時電壓與泄漏電流的關(guān)系式：

式中，A，n為電弧特性常數(shù)；x為電弧長度；L為絕緣子泄漏距離；Rr為污層電阻；I為流過絕緣子表面的電流；U為外施加電壓。

圖2 奧本諾斯模型示意圖

根據(jù)污穢試驗(yàn)測試結(jié)果，污穢電流最多不超過25 mA，從式（1）可以看出，因污穢產(chǎn)生的電壓和電流都不會造成框架保護(hù)動作，而且從近20年的地鐵運(yùn)營故障統(tǒng)計(jì)來看，到目前為止尚未出現(xiàn)過因絕緣子直流污穢閃絡(luò)而跳閘的情況。

采用加強(qiáng)絕緣或雙重絕緣對接觸網(wǎng)而言，不僅可以減少架空地線，而且還可以提高接觸網(wǎng)的整體絕緣能力和雷電沖擊耐受能力，其節(jié)省下來的架空地線可以應(yīng)用在強(qiáng)雷地區(qū)，直接用作避雷線，并可直接接地，使接觸網(wǎng)的防雷手段更加實(shí)際有效。

與傳統(tǒng)模式相比，采用加強(qiáng)絕緣或雙重絕緣的供電方式具有可以不接架空地線；提高接觸網(wǎng)的絕緣等級；提高接觸網(wǎng)的雷電耐受沖擊能力等優(yōu)點(diǎn)。

3 玻璃鋼絕緣腕臂的設(shè)計(jì)思想

目前國內(nèi)玻璃鋼制品的制造經(jīng)驗(yàn)比較成熟，但作為機(jī)電產(chǎn)品還需要注意原材料的選擇，要考慮直流牽引供電接觸網(wǎng)的特殊性，為此玻璃鋼絕緣腕臂的設(shè)計(jì)需注意以下幾方面的問題：

（1）樹脂的選擇。基于廣泛應(yīng)用于電工電子產(chǎn)品的材料主要有不飽和聚酯樹脂和環(huán)氧樹脂，不飽和聚酯價格低、宜固化，是目前應(yīng)用最為廣泛的材料。而環(huán)氧樹脂能夠克服不飽和聚酯樹脂的收縮變形大、不耐酸的缺陷，其電氣性能尤佳。因此結(jié)合接觸網(wǎng)產(chǎn)品的特點(diǎn)，選用腕臂管等材料時可以優(yōu)先考慮不飽和聚酯樹脂，并優(yōu)先選擇具有良好電性能的材料，如間苯材料等。而其他接觸網(wǎng)零件相對結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件尺寸小，則更適宜選用環(huán)氧樹脂。

（2）玻璃纖維的選擇。玻璃纖維是玻璃鋼制品強(qiáng)度的制約因素，因此玻璃纖維的選擇與配料是決定玻璃鋼制品好壞的關(guān)鍵因素之一。適用于電工電子產(chǎn)品的玻璃纖維主要有無堿玻璃（E玻璃）和高強(qiáng)玻璃纖維。其中無堿玻璃應(yīng)用最為廣泛，但需要注意的是，即便采用了無堿玻璃，其堿金屬離子的含量僅僅是降低，而不是不含，所以在直流恒定電場作用下的離子遷移必須重視，離子遷移會造成玻璃纖維的劣化，嚴(yán)重降低玻璃鋼的機(jī)電性能。

（3）填料的選擇。玻璃鋼制品的填料是降低成本，固化樹脂，提高機(jī)電性能的關(guān)鍵，因此在填料的選擇上需注意各種材料的配比，在防護(hù)玻璃鋼制品材料的水老化、光老化、熱老化的同時還需要考慮到直流系統(tǒng)的特點(diǎn)—離子遷移老化，并做到低煙、無鹵和難燃，其氧指數(shù)宜大于45%。

（4）結(jié)構(gòu)工藝。對于腕臂管，除電氣性能的要求以外，還需要滿足抗拉和抗彎等機(jī)械性能要求，并滿足現(xiàn)場安裝其他抱箍零件類的固定要求，因此在結(jié)構(gòu)工藝的選擇上可考慮采用“拉擠纏繞復(fù)合成形”工藝，其中拉擠工藝可以獲得較高的縱向強(qiáng)度，特別適合于抗拉材料的加工。而纏繞工藝則可以獲得較好的徑向強(qiáng)度。在采用“拉擠纏繞復(fù)合成形”工藝的同時，還需要考慮添加夾層，這樣便可獲得較高的徑向耐擠壓能力。

（5）安全系數(shù)。參考英國的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，建議采用玻璃鋼樹脂材料的腕臂管，按照式（2）進(jìn)行選取。

式中，3為極限強(qiáng)度的安全系數(shù)；K1為制造方法影響系數(shù)；K2為蠕變系數(shù)；K3為熱變形系數(shù)；K4為負(fù)荷周期系數(shù)；K5為固化系數(shù)。

4 環(huán)氧樹脂零件的設(shè)計(jì)理念

接觸網(wǎng)零件具有體積小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，因此在材料的選擇上必須考慮選用環(huán)氧樹脂，此外在零件的構(gòu)造設(shè)計(jì)上需要充分注意玻璃纖維的均勻分布問題，在很多溝槽邊緣，由于玻璃纖維難以到達(dá)，其強(qiáng)度將會大大降低，因此環(huán)氧樹脂零件在考慮雙重絕緣的條件下并不一定完全按照現(xiàn)有的零件構(gòu)造進(jìn)行制造，而玻璃纖維則可以考慮長短搭配使用。

5 結(jié)束語

隨著玻璃鋼技術(shù)的不斷發(fā)展，加強(qiáng)絕緣和雙重絕緣的直流接觸網(wǎng)勢必會成為一種新興的技術(shù)策略，由于玻璃鋼具有多種顏色可選擇，可以和車站的建筑風(fēng)格色調(diào)相協(xié)調(diào)，因此在城市景觀效果上也比較突出，以往接觸網(wǎng)景觀優(yōu)化都是從接觸網(wǎng)支柱、開關(guān)、引線等方面，但鍍鋅制品隨著時間的推移，逐漸氧化變黑，在變黑的過程中受制品中硅含量的不均勻性而變得斑駁，而玻璃鋼制品則不存在該類問題。

需注意的問題是玻璃鋼制品應(yīng)用于接觸網(wǎng)中，不會是單純的玻璃鋼制品，同時也要滿足直流1500 V電氣性能的要求和相應(yīng)的力學(xué)性能要求，由于接觸網(wǎng)是戶外無備用的供電裝置，安全要求極高，因此該類產(chǎn)品的機(jī)電綜合要求極高。

由于直流電場的集塵效應(yīng)，地鐵接觸網(wǎng)設(shè)備的污穢程度也遠(yuǎn)比交流電氣化鐵路惡劣，因此在接觸網(wǎng)玻璃鋼制品的制造中除充分利用復(fù)合材料的憎水性以外，還需要高質(zhì)量的表面光潔度和涂覆憎水材料的措施。

此外，玻璃鋼制品是一種比較復(fù)雜的復(fù)合材料，在恒定電場的作用下，其晶間腐蝕、酸堿腐蝕都會加劇，因此在材料的選擇與配方上需要考慮上述這些不利因素，并加以克服。

復(fù)合材料都是可燃材料，考慮到應(yīng)用于地鐵的特殊場合，因此在產(chǎn)品制造過程中需注意低煙、無鹵、難燃方面的要求。