復合材料在地鐵接觸網中的應用

龍赤宇

0 引言

目前國內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罩和整體絕緣支架，而在架空接觸網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合絕緣材料的先例。玻璃鋼制品首次應用于城市軌道交通牽引供電系統中還是在20世紀90年代，接觸軌的玻璃鋼防護罩在當時地鐵領域中是一項非常成功的技術革新產品，并一直沿用至今。

國外早在20世紀80年代末就已經出現玻璃鋼復合材料腕臂，該腕臂具有重量輕，強度高，美觀等優點，并在一些旅游觀光線或郊區輕軌上安裝，取得良好的景觀效果。

國內雖有生產廠家在20世紀90年代仿制國外的這種產品，但并沒有成功地付諸實施。如今隨著玻璃鋼制造技術的不斷發展，國內生產的玻璃鋼腕臂管、承力索支撐線夾、定位器等接觸網零件，不僅起到材料替換的作用，還能夠提高接觸網系統的整體絕緣水平，降低工程造價，市場推廣前景看好。下面將結合筆者在接觸網及復合材料方面的研究經驗，對接觸網采用復合材料的可行性和實施中需要注意的問題進行分析。

1 傳統接觸網的使用現狀

所謂傳統接觸網就是指以在20世紀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安裝類型。其中對于隧道內接觸網的懸掛方案，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構；廣州地鐵二號線采用剛性懸掛。在以后的地鐵建設中，剛性懸掛方式逐步占據了主導地位，如今凡在建地鐵項目，只要是隧道內采用架空接觸網都毫無例外地選擇剛性接觸網懸掛。從理論上講，相對于柔性接觸網，剛性接觸網具有凈空要求低、維護工作量小、無下錨等優勢。但是近年據運營單位反映：剛性懸掛接觸線磨耗比柔性接觸網要大很多，受電弓滑板的更換周期也縮短了，其維護工作量并不比柔性接觸網少，在實際應用中其優勢僅僅體現在無下錨方面，因此剛性懸掛除適用于長大區間隧道外，在其他方面與柔性懸掛相比并無明顯優勢。

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

圖1 隧道內柔性懸掛示意圖

此外，在接觸網零件中，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，則可以大大節約金屬特別是有色金屬的需求量，有益于保護環境資源。

除懸掛形式外，地鐵接觸網在絕緣等級、接地和防雷措施上存在以下特點。

（1）絕緣等級。目前國內已經運行的地鐵直流 1500 V系統所采用的絕緣標準都是爬電距離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驗。

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

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

2 雙重絕緣與加強絕緣對接觸網的意義

1991年德國運輸公司協會（Verband Deutscher Verkehrsunternehmen-VDV）在其相關刊物上曾經對直流1500 V系統的接地方式提出建議：當架空接觸網已經采用加強或雙重絕緣的時候，架空接觸網的支持結構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成，當基本絕緣破壞時，附加絕緣能夠正常使用；而當附加絕緣破壞時，其基本絕緣能夠正常使用。而加強絕緣則等同于雙重絕緣的效果。

事實上在現有接觸網設置架空地線的體系中，當直流絕緣子出現閃絡時，理論上是由牽引變電所內的框架保護裝置來動作的，而框架保護裝置是以電流元件作為主保護，以電壓元件作為后備保護，國內多數線路中，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），接觸網絕緣子發生閃絡時電壓與泄漏電流的關系式：

式中，A，n為電弧特性常數；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

根據污穢試驗測試結果，污穢電流最多不超過25 mA，從式（1）可以看出，因污穢產生的電壓和電流都不會造成框架保護動作，而且從近20年的地鐵運營故障統計來看，到目前為止尚未出現過因絕緣子直流污穢閃絡而跳閘的情況。

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

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

3 玻璃鋼絕緣腕臂的設計思想

目前國內玻璃鋼制品的制造經驗比較成熟，但作為機電產品還需要注意原材料的選擇，要考慮直流牽引供電接觸網的特殊性，為此玻璃鋼絕緣腕臂的設計需注意以下幾方面的問題：

（1）樹脂的選擇。基于廣泛應用于電工電子產品的材料主要有不飽和聚酯樹脂和環氧樹脂，不飽和聚酯價格低、宜固化，是目前應用最為廣泛的材料。而環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。因此結合接觸網產品的特點，選用腕臂管等材料時可以優先考慮不飽和聚酯樹脂，并優先選擇具有良好電性能的材料，如間苯材料等。而其他接觸網零件相對結構復雜，零件尺寸小，則更適宜選用環氧樹脂。

（2）玻璃纖維的選擇。玻璃纖維是玻璃鋼制品強度的制約因素，因此玻璃纖維的選擇與配料是決定玻璃鋼制品好壞的關鍵因素之一。適用于電工電子產品的玻璃纖維主要有無堿玻璃（E玻璃）和高強玻璃纖維。其中無堿玻璃應用最為廣泛，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，嚴重降低玻璃鋼的機電性能。

（3）填料的選擇。玻璃鋼制品的填料是降低成本，固化樹脂，提高機電性能的關鍵，因此在填料的選擇上需注意各種材料的配比，在防護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的特點—離子遷移老化，并做到低煙、無鹵和難燃，其氧指數宜大于45%。

（4）結構工藝。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械性能要求，并滿足現場安裝其他抱箍零件類的固定要求，因此在結構工藝的選擇上可考慮采用“拉擠纏繞復合成形”工藝，其中拉擠工藝可以獲得較高的縱向強度，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度。在采用“拉擠纏繞復合成形”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。參考英國的有關標準，建議采用玻璃鋼樹脂材料的腕臂管，按照式（2）進行選取。

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

4 環氧樹脂零件的設計理念

接觸網零件具有體積小，結構復雜的特點，因此在材料的選擇上必須考慮選用環氧樹脂，此外在零件的構造設計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，其強度將會大大降低，因此環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有的零件構造進行制造，而玻璃纖維則可以考慮長短搭配使用。

5 結束語

隨著玻璃鋼技術的不斷發展，加強絕緣和雙重絕緣的直流接觸網勢必會成為一種新興的技術策略，由于玻璃鋼具有多種顏色可選擇，可以和車站的建筑風格色調相協調，因此在城市景觀效果上也比較突出，以往接觸網景觀優化都是從接觸網支柱、開關、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用于接觸網中，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的力學性能要求，由于接觸網是戶外無備用的供電裝置，安全要求極高，因此該類產品的機電綜合要求極高。

由于直流電場的集塵效應，地鐵接觸網設備的污穢程度也遠比交流電氣化鐵路惡劣，因此在接觸網玻璃鋼制品的制造中除充分利用復合材料的憎水性以外，還需要高質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雜的復合材料，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。

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