抗雷击胶粘复合材料在高铁中的应用与发展

吴波

摘要：现如今，雷电造成的高铁事故不断出现，传统的避雷器有其局限性，为提高高铁抗雷效果，可将抗雷击胶粘复合材料用于高铁中。本文通过实验研究的分析方法，分析在高铁接触网中使用抗雷击胶粘复合材料的防雷效果;分析抗雷击胶粘复合材料在高铁中的发展。研究结果表明抗雷击胶粘复合材料可以有效防止雷击，且当抗雷击胶粘复合材料涂层为0.2mm时，抗雷效果最佳。

关键词：抗雷击胶粘复合材料;高铁;应用

中图分类号：TQ050.4文献标志码：A 文章编号：1001-5922（2019）05-0126-04

目前，胶粘复合材料越来越多的被用于工业、农业等多个领域，且发展较快，在研究新产品新技术还有新设备上有了较大突破与进展。生产技术和生产质量进步较大，且应用领域不断拓宽，对一些常见的胶粘材料在应用上的缺陷进行改良研究，取得较大的成功。一些接枝型、共混型、改性形、共聚型和特种胶粘材料被陆续开发应用。抗雷击胶粘复合材料的研发，因其具有良好的抗雷击性质，且重量轻、强度大，在航天航空中广泛使用。然而，在快速发展的高铁中运用较少，由于高铁在现代交通运输中起到极其重要作用，近年来雷电造成高铁事故频发，尤其是高铁接触网容易被雷击，能造成严重的经济损失和人亡损失，虽然高铁中有避雷器的使用，但是因其保护范围有限，不能每个地方都设置安装避雷器，所以将抗雷击胶粘复合材料运用于高铁中，可以很好的防止高铁中的设备被雷击，使高铁运营更安全。

1抗雷击胶粘复合材料用于高铁的分析

1.1抗雷击胶粘复合材料的介绍

有很多物质都可应用于胶粘材料，如环氧树脂胶粘剂、聚氨酷类胶粘剂、丙烯酸酷类胶粘剂、乙烯一醋酸乙烯类胶粘剂、酚醛树脂类胶粘剂等。抗雷击胶粘复合材料中含有环氧树脂，因为环氧树脂分子中包含活泼的环氧基团的树脂，该树脂具有非常好的热稳定性、优良的电绝缘性和耐化学药品性，能对雷电形成很好的抵抗作用。当然，环氧树脂还有很多缺点，譬如，容易开裂、防水差、耐冲击性差、固化产物性脆、防尘差、固化温度较高、耐高温差及造成环境问题等，为了能够更广泛的应用环氧树脂，可以对环氧树脂进行改良、改性，即将碳纤维和环氧树脂结合，加入铝提高抗雷作用，所形成的胶粘复合材料具有良好的抗雷击作用，而且材料力学性能得到较大提升，如比重小、刚性好，拉伸强度和弯曲强度变大，耐水性也增强。因抗雷击胶粘复合材料良好的内在性能，可以提高高铁的安全性，防止雷击伤害。

1.2雷电对高铁接触网的影响

高铁接触网的作用是为高铁动车组提供电能，架设在轨道的上方，对于高架桥梁三的接触网，其高度远超于其他设备和建筑物，所以，受雷击的概率比较大，急需加强高铁接触网的防雷措施。一般情况下，由于雷电在高铁接触网上产生电压，该电压危害高铁接触网的安全，从而造成高铁事故。雷电对高铁接触网的危害有以下几种情况：

1.2.1直接损坏接触网绝缘

雷电直接将避雷器击穿，将接触网绝缘材料击破，导致接触网永久性短路和停止供电，高铁动车组被迫停止，中断了高铁运输。当高铁动车组停止工作时，需要一段时间将接触网永久性短路故障进行检查排除，对于快速运输的高铁来说，无疑严重影响运输效率，造成大量列出晚点问题。

1.2.2引起接触网绝缘部件表面闪络

在雷电过程中，接触网绝缘闪络是最容易引发的，当闪络持续时间较长时，会形成工频短路电弧，会导致牵引变电所保护跳闸。当电弧熄灭后，绝缘部件有绝缘自恢复功能，通过自动重合闸装置，变电所可以发出重合闸指令，一般情况下可以成功重合闸，自动回复接触网供电。虽然不会直接对高铁造成破坏，且在这种情况下接触网停止供电的时间很短，但是为了安全起見，高速铁路运行管理规定，在接触网发生跳闸后，没有查明原因，不管是否已经通电都需要对列出进行降速处理，这种情况也会造成高铁运行秩序紊乱，从而导致列车晚点。

1.2.3损坏接触网引发弓网事故

当接触网受到雷击时，雷电所产生的强大电流可能会烧断接触网线，还有可能破坏接触网其他的结构，这种情况导致严重的弓网事故，造成更长时间的运输中断。现在，高铁建设在我国迅猛发展，雷电造成的高铁事故时有发生，已经严重影响到了高铁的正常运行与安全。

雷电对高铁接触网的危害不容小觑，且危害重大，必须对其进行防雷控制。就目前来看，我国主要是设置安装避雷器进行防雷。然而避雷器主要安装在高铁重要的一些部位中，这对避雷器附近的重点设备能起到很好的避雷防雷作用，避雷器的保护范围是有限的，当超过一定范围时就不会有防雷作用，而且一般情况下避雷器的安装间距比较远，导致大部分接触网线路置于防雷区域以外，无法受到保护。所以通过使用胶粘复合材料防雷可以避免这一限制，从而能提高高铁接触网防雷效果。下文将通过实验验证分析抗雷击胶粘复合材料对高铁接触网起到抗雷作用。

2胶粘复合材料抗雷击试验

2.1试验设置

对于外部雷电电流环境，美国机动车工程师协会将其理想化分为A、B、C、D4个电流分量，如图1所示。每种波形的强度及对结构的破坏性可由波形幅值、持续时间及公式所示的比能表示。其中，电流分量A和D是持续时间小

500us，电流分量A和D的峰值分别是200kA和100kA的双指数脉冲，且比能分别高达2×106A²s及0.25× 105A²s，本文进行的雷击测试，选择与A波或D波变化规律类似，但峰值低于100kA的双指数脉冲作为激励。

本实验建立了冲击电流测试系统。系统由以下两部分组成：

（1）冲击电流发生装置是由多组并联电容组成，它可以产生峰值高达200kA的8/20us（上升时间/半峰值时间）波形和峰值高达100kA的10/350us波形。

（2）将试验件固定的夹具架，该夹具架由卡口钳、铜探针、滑动导轨和接地铜条等构成，可以引导雷电流人并形成电回路。该夹具架最大可以测量尺寸为600mm×600mm的试验件，大于该尺寸则无法测试，而且该夹具架可以随意选择雷击附着点的位置。值得注意的是，该装置的接地铜线是在移动导轨上固定的，所以，在实验过程中，试验件和铜条接触的两个侧面是接地。

2.2试验结果及分析

为了研究在高铁接触网中使用胶粘复合材料防止雷电，通过使用高达20000帧/s的高速摄像机对雷电发展过程和电流产生过程做好记录，为了有效评估抗雷击胶粘复合材料的效果，结合实验条件，选择了与A波作用积分相同的两种10/250us波形作为激励。结合公式（1），可以计算其峰值是88.4kA。图2是实验过程中示波器收集到的电流波形，10/350us波形与8/20us波形相比，其持续时间更长，波形变化也更缓慢。

在上述的电流作用下，涂抹抗雷击胶粘复合材料试件的雷击实验结果如图3和图4所示。从图中可以看出，雷击后的涂抹胶粘复合材料试件的损伤面积是以雷击附着点为圆心向外扩展，原因在于抗雷击胶粘复合材料中铝是各向同性材料，所以电导率在各个方向都相同。而且由于胶粘复合材料中铝电导率较高，当雷电到达铝层时会将电流迅速导走，所以不会对高铁接触网产生严重影响。

图3和图4是在涂层厚度为0.1mm和0.2mm的实验结果，对比两张图可知，涂层厚度与损伤面积成正比，即当涂层厚度越大时，损伤面积范围越小，防雷效果更好。图3和图4的实验结果证明，抗雷击胶粘复合材料可以显著防止高铁接触网受雷电损伤，为了让抗雷效果更好，可以增加胶粘复合材料厚度。但是，随着涂层厚度的增加，必然会增加结构的整体质量，导致使用抗雷击胶粘复合材料的优势降低。所以，平衡涂层厚度且保证防雷效果下文将进一步研究。

2.3涂抹胶粘复合材料的雷击防护性能

由前面的实验分析可知，喷涂胶粘复合材料作为防雷涂层可以实现对高铁接触网的有效的保护。但胶粘复合材料中铝的密度为2700kg/m³，造成高铁接触网质量过重。所以，对于涂抹胶粘复合材料防雷方式来说，需要确定一个最佳的胶粘复合材料涂层厚度，使接触网质量增重少且抗雷效果好。

涂抹厚度为x的抗雷击胶粘复合材料涂层后结构增重比可表示为.

其中，分子为抗雷击胶粘复合材料的质量，分母为不涂抹胶粘复合材料试件的质量。根据材料的密度和体积可知，胶粘复合材料涂层厚度为x时接触网表层的损伤面积所占的比例可表示为：

其中，S_d表示接触网表层的损伤面积，S表示损伤所在面的表面积。

图5为涂抹不同涂层厚度下胶粘复合材料试验件在雷电流A波作用下k₁与k₂的关系，

从图5可知，胶粘复合材料涂层厚度小于0.2mm时，随着涂层厚度的增加，高铁接触网的损伤面积不断减小，当涂层厚度大于0.2mm时，这种减小程度缓慢。所以，可以确定当胶粘复合材料涂层厚度为0.2mm时，不仅可以达到较优的防雷效果，还能减小结构的增重。

2.4试验结论

通过对涂抹胶粘复合材料的高铁接触网试件进行的防雷实验结果可知，该复合材料能起到良好的防雷效果，当涂层厚度增大时，防雷效果更好。

当涂层厚度为0.2mm时，既能保证防雷效果优良，又能减少结构的增重了，使两者达到平衡，所以，涂抹0.2mm厚的胶粘复合材料是防雷最优选择。

3抗雷击胶粘复合材料在高铁中的发展

将抗雷击胶粘复合材料用于高铁接触网中可以有效抗雷击，防止接触网被雷电破坏。抗雷击胶粘复合材料的优良特性，其用途具有广泛性，我们可将其用于高铁其他部分，以便更好的提高高铁安全性。抗雷击胶粘复合材料将会更多的应用于高铁中，其发展前景较好。抗雷击胶粘复合材料在高铁中还有以下发展：

3.1胶粘复合材料在高铁信号设备的发展

高铁信号设备起到控制整个高铁运营的作用，其重要性不言而喻。高铁信号设备发生问题时，最直接的原因就是雷击作用，所以，有必要对高铁信息设备做好防雷保护工作，而且要防雷到位，不能出现任何漏洞，要保证信号设备的安全性、稳定性、和可靠性。将抗雷击胶粘复合材料运用其中，将会有效保障高铁信号设备的安全。

3.2胶粘复合材料在高铁牵引变电所的发展

牵引变电所包含着大量电器设备，极容易受到雷击，如果牵引变电所出现问题，无法输电，列车被迫停运，会造成严重经济损失。为了保证供电的稳定性，需要优化牵引变电所，加强措施，避免雷击造成的事故，要加强对直击雷的有效预防。一般情况下，防雷方法是加强避雷设备的有效运用，比如运用避雷针、避雷线等，但是，避雷器也有其局限性，为了更好的抵抗雷击，保护高铁运营通畅，可以将抗雷击胶粘复合材料用于其中，可以起到一个双层保护作用，而且，牵引变电所内部电器设备需要处理好绝缘问题，抗雷击胶粘复合材料还可以起到很好的绝缘作用。

3.3胶粘复合材料在高铁车体的发展

抗雷击胶粘复合材料目的主要是为了防雷作用，但是因其耐腐蚀性、隔热性、质量轻等优势可以用于其他部分，如高铁中的车体。车体使用的材料需要满足良好的隔热性，，目的在于发生火灾时能隔绝热量，阻止火灾蔓延;还要有良好的震动性能，防止列车碰撞时造成的后果。近些年，已经有列车生产商准备使用复合材料。抗雷击胶粘复合材料作为车体，也可以起到一定的防雷作用，而且能满足车体空气动力学的要求，成本也低廉，具有很好的灵活性。所以，将抗雷击胶粘复合材料用于车体可以作为以后研发对象。

3.4胶粘复合材料在高铁受电弓滑板的发展

在高铁中，受电弓滑板是其关键部位，它是为列车传输电的输电架，容易收到雷电袭击，一旦被雷击就会造成严重问题。用做受电弓滑板的材料必须有抗电弧冲击性，能抵抗雷击，还要有良好的导电性，表面润滑而且耐磨，。如果将抗雷击胶粘复合材料用于其中，既可以起到很好的抗雷击作用，抗雷击胶粘复合材料耐磨、强度大等特性正符合受电弓滑板的要求，将受电弓滑板表面涂抹抗雷击胶粘复合材料，可以保护受电弓滑板不受破坏或破坏程度较小。

4结论

抗雷击胶粘复合材料在高铁接触网中起到较好的防雷作用。相对于传统的避雷器，其只对附近区域有防雷作用，而抗雷击胶粘复合材料打破了这种局限性，只要是涂抹抗雷击胶粘复合材料，就可以防止雷擊。当抗雷击胶粘复合材料涂抹层为0.2mm时，抗雷效果更佳且重量小。

抗雷击胶粘复合材料不止用于接触网中，在高铁中能运用的地方较多，如牵引变电所、信号设备等容易被雷击的重要部分。即抗雷击胶粘复合材料对高铁的发展起到至关重要的作用。