抗雷擊膠粘復(fù)合材料在高鐵中的應(yīng)用與發(fā)展

吳波

摘要：現(xiàn)如今，雷電造成的高鐵事故不斷出現(xiàn)，傳統(tǒng)的避雷器有其局限性，為提高高鐵抗雷效果，可將抗雷擊膠粘復(fù)合材料用于高鐵中。本文通過實(shí)驗(yàn)研究的分析方法，分析在高鐵接觸網(wǎng)中使用抗雷擊膠粘復(fù)合材料的防雷效果;分析抗雷擊膠粘復(fù)合材料在高鐵中的發(fā)展。研究結(jié)果表明抗雷擊膠粘復(fù)合材料可以有效防止雷擊，且當(dāng)抗雷擊膠粘復(fù)合材料涂層為0.2mm時(shí)，抗雷效果最佳。

關(guān)鍵詞：抗雷擊膠粘復(fù)合材料;高鐵;應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TQ050.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）05-0126-04

目前，膠粘復(fù)合材料越來越多的被用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域，且發(fā)展較快，在研究新產(chǎn)品新技術(shù)還有新設(shè)備上有了較大突破與進(jìn)展。生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)質(zhì)量進(jìn)步較大，且應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，對(duì)一些常見的膠粘材料在應(yīng)用上的缺陷進(jìn)行改良研究，取得較大的成功。一些接枝型、共混型、改性形、共聚型和特種膠粘材料被陸續(xù)開發(fā)應(yīng)用。抗雷擊膠粘復(fù)合材料的研發(fā)，因其具有良好的抗雷擊性質(zhì)，且重量輕、強(qiáng)度大，在航天航空中廣泛使用。然而，在快速發(fā)展的高鐵中運(yùn)用較少，由于高鐵在現(xiàn)代交通運(yùn)輸中起到極其重要作用，近年來雷電造成高鐵事故頻發(fā)，尤其是高鐵接觸網(wǎng)容易被雷擊，能造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人亡損失，雖然高鐵中有避雷器的使用，但是因其保護(hù)范圍有限，不能每個(gè)地方都設(shè)置安裝避雷器，所以將抗雷擊膠粘復(fù)合材料運(yùn)用于高鐵中，可以很好的防止高鐵中的設(shè)備被雷擊，使高鐵運(yùn)營更安全。

1抗雷擊膠粘復(fù)合材料用于高鐵的分析

1.1抗雷擊膠粘復(fù)合材料的介紹

有很多物質(zhì)都可應(yīng)用于膠粘材料，如環(huán)氧樹脂膠粘劑、聚氨酷類膠粘劑、丙烯酸酷類膠粘劑、乙烯一醋酸乙烯類膠粘劑、酚醛樹脂類膠粘劑等。抗雷擊膠粘復(fù)合材料中含有環(huán)氧樹脂，因?yàn)榄h(huán)氧樹脂分子中包含活潑的環(huán)氧基團(tuán)的樹脂，該樹脂具有非常好的熱穩(wěn)定性、優(yōu)良的電絕緣性和耐化學(xué)藥品性，能對(duì)雷電形成很好的抵抗作用。當(dāng)然，環(huán)氧樹脂還有很多缺點(diǎn)，譬如，容易開裂、防水差、耐沖擊性差、固化產(chǎn)物性脆、防塵差、固化溫度較高、耐高溫差及造成環(huán)境問題等，為了能夠更廣泛的應(yīng)用環(huán)氧樹脂，可以對(duì)環(huán)氧樹脂進(jìn)行改良、改性，即將碳纖維和環(huán)氧樹脂結(jié)合，加入鋁提高抗雷作用，所形成的膠粘復(fù)合材料具有良好的抗雷擊作用，而且材料力學(xué)性能得到較大提升，如比重小、剛性好，拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度變大，耐水性也增強(qiáng)。因抗雷擊膠粘復(fù)合材料良好的內(nèi)在性能，可以提高高鐵的安全性，防止雷擊傷害。

1.2雷電對(duì)高鐵接觸網(wǎng)的影響

高鐵接觸網(wǎng)的作用是為高鐵動(dòng)車組提供電能，架設(shè)在軌道的上方，對(duì)于高架橋梁三的接觸網(wǎng)，其高度遠(yuǎn)超于其他設(shè)備和建筑物，所以，受雷擊的概率比較大，急需加強(qiáng)高鐵接觸網(wǎng)的防雷措施。一般情況下，由于雷電在高鐵接觸網(wǎng)上產(chǎn)生電壓，該電壓危害高鐵接觸網(wǎng)的安全，從而造成高鐵事故。雷電對(duì)高鐵接觸網(wǎng)的危害有以下幾種情況：

1.2.1直接損壞接觸網(wǎng)絕緣

雷電直接將避雷器擊穿，將接觸網(wǎng)絕緣材料擊破，導(dǎo)致接觸網(wǎng)永久性短路和停止供電，高鐵動(dòng)車組被迫停止，中斷了高鐵運(yùn)輸。當(dāng)高鐵動(dòng)車組停止工作時(shí)，需要一段時(shí)間將接觸網(wǎng)永久性短路故障進(jìn)行檢查排除，對(duì)于快速運(yùn)輸?shù)母哞F來說，無疑嚴(yán)重影響運(yùn)輸效率，造成大量列出晚點(diǎn)問題。

1.2.2引起接觸網(wǎng)絕緣部件表面閃絡(luò)

在雷電過程中，接觸網(wǎng)絕緣閃絡(luò)是最容易引發(fā)的，當(dāng)閃絡(luò)持續(xù)時(shí)間較長時(shí)，會(huì)形成工頻短路電弧，會(huì)導(dǎo)致牽引變電所保護(hù)跳閘。當(dāng)電弧熄滅后，絕緣部件有絕緣自恢復(fù)功能，通過自動(dòng)重合閘裝置，變電所可以發(fā)出重合閘指令，一般情況下可以成功重合閘，自動(dòng)回復(fù)接觸網(wǎng)供電。雖然不會(huì)直接對(duì)高鐵造成破壞，且在這種情況下接觸網(wǎng)停止供電的時(shí)間很短，但是為了安全起見，高速鐵路運(yùn)行管理規(guī)定，在接觸網(wǎng)發(fā)生跳閘后，沒有查明原因，不管是否已經(jīng)通電都需要對(duì)列出進(jìn)行降速處理，這種情況也會(huì)造成高鐵運(yùn)行秩序紊亂，從而導(dǎo)致列車晚點(diǎn)。

1.2.3損壞接觸網(wǎng)引發(fā)弓網(wǎng)事故

當(dāng)接觸網(wǎng)受到雷擊時(shí)，雷電所產(chǎn)生的強(qiáng)大電流可能會(huì)燒斷接觸網(wǎng)線，還有可能破壞接觸網(wǎng)其他的結(jié)構(gòu)，這種情況導(dǎo)致嚴(yán)重的弓網(wǎng)事故，造成更長時(shí)間的運(yùn)輸中斷。現(xiàn)在，高鐵建設(shè)在我國迅猛發(fā)展，雷電造成的高鐵事故時(shí)有發(fā)生，已經(jīng)嚴(yán)重影響到了高鐵的正常運(yùn)行與安全。

雷電對(duì)高鐵接觸網(wǎng)的危害不容小覷，且危害重大，必須對(duì)其進(jìn)行防雷控制。就目前來看，我國主要是設(shè)置安裝避雷器進(jìn)行防雷。然而避雷器主要安裝在高鐵重要的一些部位中，這對(duì)避雷器附近的重點(diǎn)設(shè)備能起到很好的避雷防雷作用，避雷器的保護(hù)范圍是有限的，當(dāng)超過一定范圍時(shí)就不會(huì)有防雷作用，而且一般情況下避雷器的安裝間距比較遠(yuǎn)，導(dǎo)致大部分接觸網(wǎng)線路置于防雷區(qū)域以外，無法受到保護(hù)。所以通過使用膠粘復(fù)合材料防雷可以避免這一限制，從而能提高高鐵接觸網(wǎng)防雷效果。下文將通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析抗雷擊膠粘復(fù)合材料對(duì)高鐵接觸網(wǎng)起到抗雷作用。

2膠粘復(fù)合材料抗雷擊試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)設(shè)置

對(duì)于外部雷電電流環(huán)境，美國機(jī)動(dòng)車工程師協(xié)會(huì)將其理想化分為A、B、C、D4個(gè)電流分量，如圖1所示。每種波形的強(qiáng)度及對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞性可由波形幅值、持續(xù)時(shí)間及公式所示的比能表示。其中，電流分量A和D是持續(xù)時(shí)間小

500us，電流分量A和D的峰值分別是200kA和100kA的雙指數(shù)脈沖，且比能分別高達(dá)2×106A²s及0.25× 105A²s，本文進(jìn)行的雷擊測試，選擇與A波或D波變化規(guī)律類似，但峰值低于100kA的雙指數(shù)脈沖作為激勵(lì)。

本實(shí)驗(yàn)建立了沖擊電流測試系統(tǒng)。系統(tǒng)由以下兩部分組成：

（1）沖擊電流發(fā)生裝置是由多組并聯(lián)電容組成，它可以產(chǎn)生峰值高達(dá)200kA的8/20us（上升時(shí)間/半峰值時(shí)間）波形和峰值高達(dá)100kA的10/350us波形。

（2）將試驗(yàn)件固定的夾具架，該夾具架由卡口鉗、銅探針、滑動(dòng)導(dǎo)軌和接地銅條等構(gòu)成，可以引導(dǎo)雷電流人并形成電回路。該夾具架最大可以測量尺寸為600mm×600mm的試驗(yàn)件，大于該尺寸則無法測試，而且該夾具架可以隨意選擇雷擊附著點(diǎn)的位置。值得注意的是，該裝置的接地銅線是在移動(dòng)導(dǎo)軌上固定的，所以，在實(shí)驗(yàn)過程中，試驗(yàn)件和銅條接觸的兩個(gè)側(cè)面是接地。

2.2試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了研究在高鐵接觸網(wǎng)中使用膠粘復(fù)合材料防止雷電，通過使用高達(dá)20000幀/s的高速攝像機(jī)對(duì)雷電發(fā)展過程和電流產(chǎn)生過程做好記錄，為了有效評(píng)估抗雷擊膠粘復(fù)合材料的效果，結(jié)合實(shí)驗(yàn)條件，選擇了與A波作用積分相同的兩種10/250us波形作為激勵(lì)。結(jié)合公式（1），可以計(jì)算其峰值是88.4kA。圖2是實(shí)驗(yàn)過程中示波器收集到的電流波形，10/350us波形與8/20us波形相比，其持續(xù)時(shí)間更長，波形變化也更緩慢。

在上述的電流作用下，涂抹抗雷擊膠粘復(fù)合材料試件的雷擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示。從圖中可以看出，雷擊后的涂抹膠粘復(fù)合材料試件的損傷面積是以雷擊附著點(diǎn)為圓心向外擴(kuò)展，原因在于抗雷擊膠粘復(fù)合材料中鋁是各向同性材料，所以電導(dǎo)率在各個(gè)方向都相同。而且由于膠粘復(fù)合材料中鋁電導(dǎo)率較高，當(dāng)雷電到達(dá)鋁層時(shí)會(huì)將電流迅速導(dǎo)走，所以不會(huì)對(duì)高鐵接觸網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

圖3和圖4是在涂層厚度為0.1mm和0.2mm的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比兩張圖可知，涂層厚度與損傷面積成正比，即當(dāng)涂層厚度越大時(shí)，損傷面積范圍越小，防雷效果更好。圖3和圖4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，抗雷擊膠粘復(fù)合材料可以顯著防止高鐵接觸網(wǎng)受雷電損傷，為了讓抗雷效果更好，可以增加膠粘復(fù)合材料厚度。但是，隨著涂層厚度的增加，必然會(huì)增加結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量，導(dǎo)致使用抗雷擊膠粘復(fù)合材料的優(yōu)勢降低。所以，平衡涂層厚度且保證防雷效果下文將進(jìn)一步研究。

2.3涂抹膠粘復(fù)合材料的雷擊防護(hù)性能

由前面的實(shí)驗(yàn)分析可知，噴涂膠粘復(fù)合材料作為防雷涂層可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高鐵接觸網(wǎng)的有效的保護(hù)。但膠粘復(fù)合材料中鋁的密度為2700kg/m³，造成高鐵接觸網(wǎng)質(zhì)量過重。所以，對(duì)于涂抹膠粘復(fù)合材料防雷方式來說，需要確定一個(gè)最佳的膠粘復(fù)合材料涂層厚度，使接觸網(wǎng)質(zhì)量增重少且抗雷效果好。

涂抹厚度為x的抗雷擊膠粘復(fù)合材料涂層后結(jié)構(gòu)增重比可表示為.

其中，分子為抗雷擊膠粘復(fù)合材料的質(zhì)量，分母為不涂抹膠粘復(fù)合材料試件的質(zhì)量。根據(jù)材料的密度和體積可知，膠粘復(fù)合材料涂層厚度為x時(shí)接觸網(wǎng)表層的損傷面積所占的比例可表示為：

其中，S_d表示接觸網(wǎng)表層的損傷面積，S表示損傷所在面的表面積。

圖5為涂抹不同涂層厚度下膠粘復(fù)合材料試驗(yàn)件在雷電流A波作用下k₁與k₂的關(guān)系，

從圖5可知，膠粘復(fù)合材料涂層厚度小于0.2mm時(shí)，隨著涂層厚度的增加，高鐵接觸網(wǎng)的損傷面積不斷減小，當(dāng)涂層厚度大于0.2mm時(shí)，這種減小程度緩慢。所以，可以確定當(dāng)膠粘復(fù)合材料涂層厚度為0.2mm時(shí)，不僅可以達(dá)到較優(yōu)的防雷效果，還能減小結(jié)構(gòu)的增重。

2.4試驗(yàn)結(jié)論

通過對(duì)涂抹膠粘復(fù)合材料的高鐵接觸網(wǎng)試件進(jìn)行的防雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該復(fù)合材料能起到良好的防雷效果，當(dāng)涂層厚度增大時(shí)，防雷效果更好。

當(dāng)涂層厚度為0.2mm時(shí)，既能保證防雷效果優(yōu)良，又能減少結(jié)構(gòu)的增重了，使兩者達(dá)到平衡，所以，涂抹0.2mm厚的膠粘復(fù)合材料是防雷最優(yōu)選擇。

3抗雷擊膠粘復(fù)合材料在高鐵中的發(fā)展

將抗雷擊膠粘復(fù)合材料用于高鐵接觸網(wǎng)中可以有效抗雷擊，防止接觸網(wǎng)被雷電破壞。抗雷擊膠粘復(fù)合材料的優(yōu)良特性，其用途具有廣泛性，我們可將其用于高鐵其他部分，以便更好的提高高鐵安全性。抗雷擊膠粘復(fù)合材料將會(huì)更多的應(yīng)用于高鐵中，其發(fā)展前景較好。抗雷擊膠粘復(fù)合材料在高鐵中還有以下發(fā)展：

3.1膠粘復(fù)合材料在高鐵信號(hào)設(shè)備的發(fā)展

高鐵信號(hào)設(shè)備起到控制整個(gè)高鐵運(yùn)營的作用，其重要性不言而喻。高鐵信號(hào)設(shè)備發(fā)生問題時(shí)，最直接的原因就是雷擊作用，所以，有必要對(duì)高鐵信息設(shè)備做好防雷保護(hù)工作，而且要防雷到位，不能出現(xiàn)任何漏洞，要保證信號(hào)設(shè)備的安全性、穩(wěn)定性、和可靠性。將抗雷擊膠粘復(fù)合材料運(yùn)用其中，將會(huì)有效保障高鐵信號(hào)設(shè)備的安全。

3.2膠粘復(fù)合材料在高鐵牽引變電所的發(fā)展

牽引變電所包含著大量電器設(shè)備，極容易受到雷擊，如果牽引變電所出現(xiàn)問題，無法輸電，列車被迫停運(yùn)，會(huì)造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。為了保證供電的穩(wěn)定性，需要優(yōu)化牽引變電所，加強(qiáng)措施，避免雷擊造成的事故，要加強(qiáng)對(duì)直擊雷的有效預(yù)防。一般情況下，防雷方法是加強(qiáng)避雷設(shè)備的有效運(yùn)用，比如運(yùn)用避雷針、避雷線等，但是，避雷器也有其局限性，為了更好的抵抗雷擊，保護(hù)高鐵運(yùn)營通暢，可以將抗雷擊膠粘復(fù)合材料用于其中，可以起到一個(gè)雙層保護(hù)作用，而且，牽引變電所內(nèi)部電器設(shè)備需要處理好絕緣問題，抗雷擊膠粘復(fù)合材料還可以起到很好的絕緣作用。

3.3膠粘復(fù)合材料在高鐵車體的發(fā)展

抗雷擊膠粘復(fù)合材料目的主要是為了防雷作用，但是因其耐腐蝕性、隔熱性、質(zhì)量輕等優(yōu)勢可以用于其他部分，如高鐵中的車體。車體使用的材料需要滿足良好的隔熱性，，目的在于發(fā)生火災(zāi)時(shí)能隔絕熱量，阻止火災(zāi)蔓延;還要有良好的震動(dòng)性能，防止列車碰撞時(shí)造成的后果。近些年，已經(jīng)有列車生產(chǎn)商準(zhǔn)備使用復(fù)合材料。抗雷擊膠粘復(fù)合材料作為車體，也可以起到一定的防雷作用，而且能滿足車體空氣動(dòng)力學(xué)的要求，成本也低廉，具有很好的靈活性。所以，將抗雷擊膠粘復(fù)合材料用于車體可以作為以后研發(fā)對(duì)象。

3.4膠粘復(fù)合材料在高鐵受電弓滑板的發(fā)展

在高鐵中，受電弓滑板是其關(guān)鍵部位，它是為列車傳輸電的輸電架，容易收到雷電襲擊，一旦被雷擊就會(huì)造成嚴(yán)重問題。用做受電弓滑板的材料必須有抗電弧沖擊性，能抵抗雷擊，還要有良好的導(dǎo)電性，表面潤滑而且耐磨，。如果將抗雷擊膠粘復(fù)合材料用于其中，既可以起到很好的抗雷擊作用，抗雷擊膠粘復(fù)合材料耐磨、強(qiáng)度大等特性正符合受電弓滑板的要求，將受電弓滑板表面涂抹抗雷擊膠粘復(fù)合材料，可以保護(hù)受電弓滑板不受破壞或破壞程度較小。

4結(jié)論

抗雷擊膠粘復(fù)合材料在高鐵接觸網(wǎng)中起到較好的防雷作用。相對(duì)于傳統(tǒng)的避雷器，其只對(duì)附近區(qū)域有防雷作用，而抗雷擊膠粘復(fù)合材料打破了這種局限性，只要是涂抹抗雷擊膠粘復(fù)合材料，就可以防止雷擊。當(dāng)抗雷擊膠粘復(fù)合材料涂抹層為0.2mm時(shí)，抗雷效果更佳且重量小。

抗雷擊膠粘復(fù)合材料不止用于接觸網(wǎng)中，在高鐵中能運(yùn)用的地方較多，如牽引變電所、信號(hào)設(shè)備等容易被雷擊的重要部分。即抗雷擊膠粘復(fù)合材料對(duì)高鐵的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。