复合材料在地铁接触网中的应用

龙赤宇

0 引言

目前国内各城市轨道交通既有和在建线路中，接触轨普遍采用了以玻璃钢制品为材料的防护罩和整体绝缘支架，而在架空接触网中除分段绝缘器等个别零部件采用了玻璃纤维棒以外，还没有在其他装配形式上采用玻璃钢制品等复合绝缘材料的先例。玻璃钢制品首次应用于城市轨道交通牵引供电系统中还是在20世纪90年代，接触轨的玻璃钢防护罩在当时地铁领域中是一项非常成功的技术革新产品，并一直沿用至今。

国外早在20世纪80年代末就已经出现玻璃钢复合材料腕臂，该腕臂具有重量轻，强度高，美观等优点，并在一些旅游观光线或郊区轻轨上安装，取得良好的景观效果。

国内虽有生产厂家在20世纪90年代仿制国外的这种产品，但并没有成功地付诸实施。如今随着玻璃钢制造技术的不断发展，国内生产的玻璃钢腕臂管、承力索支撑线夹、定位器等接触网零件，不仅起到材料替换的作用，还能够提高接触网系统的整体绝缘水平，降低工程造价，市场推广前景看好。下面将结合笔者在接触网及复合材料方面的研究经验，对接触网采用复合材料的可行性和实施中需要注意的问题进行分析。

1 传统接触网的使用现状

所谓传统接触网就是指以在20世纪90年代建成的上海地铁一号线和广州地铁一号线、二号线为模式的接触网安装类型。其中对于隧道内接触网的悬挂方案，上海地铁一号线采用弹性支撑简单悬挂；广州地铁一号线采用弓形腕臂结构；广州地铁二号线采用刚性悬挂。在以后的地铁建设中，刚性悬挂方式逐步占据了主导地位，如今凡在建地铁项目，只要是隧道内采用架空接触网都毫无例外地选择刚性接触网悬挂。从理论上讲，相对于柔性接触网，刚性接触网具有净空要求低、维护工作量小、无下锚等优势。但是近年据运营单位反映：刚性悬挂接触线磨耗比柔性接触网要大很多，受电弓滑板的更换周期也缩短了，其维护工作量并不比柔性接触网少，在实际应用中其优势仅仅体现在无下锚方面，因此刚性悬挂除适用于长大区间隧道外，在其他方面与柔性悬挂相比并无明显优势。

从图1可以看出，柔性悬挂方案中的接触网，其绝缘子对隧道壁的空气绝缘距离是接触网安装悬挂的制约因素，如采用绝缘腕臂的弓形结构，其净空要求将降到最低，甚至低于刚性接触网的净空要求。所以在非长大区间内采用弓形绝缘腕臂将改善刚性悬挂条件下的弓网关系，减少接触线磨耗，延长受电弓的使用寿命。

图1 隧道内柔性悬挂示意图

此外，在接触网零件中，零件的种类约200～300种，而且95%以上都是由金属材料制成的，金属用量极大，若采用玻璃钢等树脂材料来作为零件，则可以大大节约金属特别是有色金属的需求量，有益于保护环境资源。

除悬挂形式外，地铁接触网在绝缘等级、接地和防雷措施上存在以下特点。

（1）绝缘等级。目前国内已经运行的地铁直流 1500 V系统所采用的绝缘标准都是爬电距离250 mm，雷电冲击耐压125 kV，工频干耐60 kV，工频湿耐30 kV。该绝缘等级参考了上海地铁一号线、广州地铁一号线和国外的经验。

（2）架空地线。从上海地铁开始，国内无论是DC 1500 V的接触网还是接触轨都设有架空地线，在个别地区架空地线还兼作避雷线使用。

（3）防雷措施。现在接触网的防雷手段主要有：a.在馈线隔离开关上设避雷器，防止雷电侵袭波影响牵引变电所；b.在接触网上设线路避雷器，抑制雷电波在接触网上造成过电压；c.设地电位均衡器，也是为抑制接触网上的雷电过电压；d.设置避雷线，与架空地线共用；e.设置绝缘子避雷器，保护重要的绝缘子。

2 双重绝缘与加强绝缘对接触网的意义

1991年德国运输公司协会（Verband Deutscher Verkehrsunternehmen-VDV）在其相关刊物上曾经对直流1500 V系统的接地方式提出建议：当架空接触网已经采用加强或双重绝缘的时候，架空接触网的支持结构则不必与牵引接地相连。

其中双重绝缘的定义：双重绝缘由基本绝缘和附加绝缘构成，当基本绝缘破坏时，附加绝缘能够正常使用；而当附加绝缘破坏时，其基本绝缘能够正常使用。而加强绝缘则等同于双重绝缘的效果。

事实上在现有接触网设置架空地线的体系中，当直流绝缘子出现闪络时，理论上是由牵引变电所内的框架保护装置来动作的，而框架保护装置是以电流元件作为主保护，以电压元件作为后备保护，国内多数线路中，电流元件的整定值通常为80 A，而电压元件的整定值约为300 V。

根据德国奥本诺斯提出的绝缘子污闪的物理模型（见图2），接触网绝缘子发生闪络时电压与泄漏电流的关系式：

式中，A，n为电弧特性常数；x为电弧长度；L为绝缘子泄漏距离；Rr为污层电阻；I为流过绝缘子表面的电流；U为外施加电压。

图2 奥本诺斯模型示意图

根据污秽试验测试结果，污秽电流最多不超过25 mA，从式（1）可以看出，因污秽产生的电压和电流都不会造成框架保护动作，而且从近20年的地铁运营故障统计来看，到目前为止尚未出现过因绝缘子直流污秽闪络而跳闸的情况。

采用加强绝缘或双重绝缘对接触网而言，不仅可以减少架空地线，而且还可以提高接触网的整体绝缘能力和雷电冲击耐受能力，其节省下来的架空地线可以应用在强雷地区，直接用作避雷线，并可直接接地，使接触网的防雷手段更加实际有效。

与传统模式相比，采用加强绝缘或双重绝缘的供电方式具有可以不接架空地线；提高接触网的绝缘等级；提高接触网的雷电耐受冲击能力等优点。

3 玻璃钢绝缘腕臂的设计思想

目前国内玻璃钢制品的制造经验比较成熟，但作为机电产品还需要注意原材料的选择，要考虑直流牵引供电接触网的特殊性，为此玻璃钢绝缘腕臂的设计需注意以下几方面的问题：

（1）树脂的选择。基于广泛应用于电工电子产品的材料主要有不饱和聚酯树脂和环氧树脂，不饱和聚酯价格低、宜固化，是目前应用最为广泛的材料。而环氧树脂能够克服不饱和聚酯树脂的收缩变形大、不耐酸的缺陷，其电气性能尤佳。因此结合接触网产品的特点，选用腕臂管等材料时可以优先考虑不饱和聚酯树脂，并优先选择具有良好电性能的材料，如间苯材料等。而其他接触网零件相对结构复杂，零件尺寸小，则更适宜选用环氧树脂。

（2）玻璃纤维的选择。玻璃纤维是玻璃钢制品强度的制约因素，因此玻璃纤维的选择与配料是决定玻璃钢制品好坏的关键因素之一。适用于电工电子产品的玻璃纤维主要有无碱玻璃（E玻璃）和高强玻璃纤维。其中无碱玻璃应用最为广泛，但需要注意的是，即便采用了无碱玻璃，其碱金属离子的含量仅仅是降低，而不是不含，所以在直流恒定电场作用下的离子迁移必须重视，离子迁移会造成玻璃纤维的劣化，严重降低玻璃钢的机电性能。

（3）填料的选择。玻璃钢制品的填料是降低成本，固化树脂，提高机电性能的关键，因此在填料的选择上需注意各种材料的配比，在防护玻璃钢制品材料的水老化、光老化、热老化的同时还需要考虑到直流系统的特点—离子迁移老化，并做到低烟、无卤和难燃，其氧指数宜大于45%。

（4）结构工艺。对于腕臂管，除电气性能的要求以外，还需要满足抗拉和抗弯等机械性能要求，并满足现场安装其他抱箍零件类的固定要求，因此在结构工艺的选择上可考虑采用“拉挤缠绕复合成形”工艺，其中拉挤工艺可以获得较高的纵向强度，特别适合于抗拉材料的加工。而缠绕工艺则可以获得较好的径向强度。在采用“拉挤缠绕复合成形”工艺的同时，还需要考虑添加夹层，这样便可获得较高的径向耐挤压能力。

（5）安全系数。参考英国的有关标准，建议采用玻璃钢树脂材料的腕臂管，按照式（2）进行选取。

式中，3为极限强度的安全系数；K1为制造方法影响系数；K2为蠕变系数；K3为热变形系数；K4为负荷周期系数；K5为固化系数。

4 环氧树脂零件的设计理念

接触网零件具有体积小，结构复杂的特点，因此在材料的选择上必须考虑选用环氧树脂，此外在零件的构造设计上需要充分注意玻璃纤维的均匀分布问题，在很多沟槽边缘，由于玻璃纤维难以到达，其强度将会大大降低，因此环氧树脂零件在考虑双重绝缘的条件下并不一定完全按照现有的零件构造进行制造，而玻璃纤维则可以考虑长短搭配使用。

5 结束语

随着玻璃钢技术的不断发展，加强绝缘和双重绝缘的直流接触网势必会成为一种新兴的技术策略，由于玻璃钢具有多种颜色可选择，可以和车站的建筑风格色调相协调，因此在城市景观效果上也比较突出，以往接触网景观优化都是从接触网支柱、开关、引线等方面，但镀锌制品随着时间的推移，逐渐氧化变黑，在变黑的过程中受制品中硅含量的不均匀性而变得斑驳，而玻璃钢制品则不存在该类问题。

需注意的问题是玻璃钢制品应用于接触网中，不会是单纯的玻璃钢制品，同时也要满足直流1500 V电气性能的要求和相应的力学性能要求，由于接触网是户外无备用的供电装置，安全要求极高，因此该类产品的机电综合要求极高。

由于直流电场的集尘效应，地铁接触网设备的污秽程度也远比交流电气化铁路恶劣，因此在接触网玻璃钢制品的制造中除充分利用复合材料的憎水性以外，还需要高质量的表面光洁度和涂覆憎水材料的措施。

此外，玻璃钢制品是一种比较复杂的复合材料，在恒定电场的作用下，其晶间腐蚀、酸碱腐蚀都会加剧，因此在材料的选择与配方上需要考虑上述这些不利因素，并加以克服。

复合材料都是可燃材料，考虑到应用于地铁的特殊场合，因此在产品制造过程中需注意低烟、无卤、难燃方面的要求。