抗雷擊膠粘復合材料在高鐵中的應用與發展

摘要

現如今雷電造成的高鐵事故不斷出現傳統的避雷器有其局限性為提高高鐵抗雷效果可將抗雷擊膠粘復合材料用于高鐵中本文通過實驗研究的分析方法分析在高鐵接觸網中使用抗雷擊膠粘復合材料的防雷效果分析抗雷擊膠粘復合材料在高鐵中的發展研究結果表明抗雷擊膠粘復合材料可以有效防止雷擊且當抗雷擊膠粘復合材料涂層為0.2mm 時抗雷效果最佳

作者簡介吳波 （1981）男四川洪雅人本科高級工程師中鐵第一勘察設計院集團有限公司從事電氣化鐵路牽引供電系統設計研究工作

基金項目中國鐵建股份有限公司科技研發計劃項目 （2018-B12）

目前膠粘復合材料越來越多的被用于工業農業等多個領域且發展較快在研究新產品新技術還有新設備上有了較大突破與進展生產技術和生產質量進步較大且應用領域不斷拓寬對一些常見的膠粘材料在應用上的缺陷進行改良研究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開發應用[1]抗雷擊膠粘復合材料的研發因其具有良好的抗雷擊性質且重量輕強度大在航天航空中廣泛使用[2]然而在快速發展的高鐵中運用較少由于高鐵在現代交通運輸中起到極其重要作用近年來雷電造成高鐵事故頻發尤其是高鐵接觸網容易被雷擊能造成嚴重的經濟損失和人亡損失雖然高鐵中有避雷器的使用但是因其保護范圍有限不能每個地方都設置安裝避雷器所以將抗雷擊膠粘復合材料運用于高鐵中可以很好的防止高鐵中的設備被雷擊使高鐵運營更安全[3]

1 抗雷擊膠粘復合材料用于高鐵的分析

1.1抗雷擊膠粘復合材料的介紹

有很多物質都可應用于膠粘材料如環氧樹脂膠粘劑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[4]抗雷擊膠粘復合材料中含有環氧樹脂因為環氧樹脂分子中包含活潑的環氧基團的樹脂該樹脂具有非常好的熱穩定性優良的電絕緣性和耐化學藥品性能對雷電形成很好的抵抗作用當然環氧樹脂還有很多缺點譬如容易開裂防水差耐沖擊性差固化產物性脆防塵差固化溫度較高耐高溫差及造成環境問題等為了能夠更廣泛的應用環氧樹脂,可以對環氧樹脂進行改良改性即將碳纖維和環氧樹脂結合加入鋁提高抗雷作用所形成的膠粘復合材料具有良好的抗雷擊作用而且材料力學性能得到較大提升如比重小剛性好拉伸強度和彎曲強度變大耐水性也增強[5]因抗雷擊膠粘復合材料良好的內在性能可以提高高鐵的安全性防止雷擊傷害

1.2雷電對高鐵接觸網的影響

高鐵接觸網的作用是為高鐵動車組提供電能架設在軌道的上方對于高架橋梁三的接觸網其高度遠超于其他設備和建筑物所以受雷擊的概率比較大急需加強高鐵接觸網的防雷措施一般情況下由于雷電在高鐵接觸網上產生電壓該電壓危害高鐵接觸網的安全從而造成高鐵事故雷電對高鐵接觸網的危害有以下幾種情況

1.2.1 直接損壞接觸網絕緣

雷電直接將避雷器擊穿將接觸網絕緣材料擊破導致接觸網永久性短路和停止供電高鐵動車組被迫停止中斷了高鐵運輸當高鐵動車組停止工作時需要一段時間將接觸網永久性短路故障進行檢查排除對于快速運輸的高鐵來說無疑嚴重影響運輸效率造成大量列出晚點問題

1.2.2 引起接觸網絕緣部件表面閃絡

在雷電過程中接觸網絕緣閃絡是最容易引發的當閃絡持續時間較長時會形成工頻短路電弧會導致牽引變電所保護跳閘當電弧熄滅后絕緣部件有絕緣自恢復功能通過自動重合閘裝置變電所可以發出重合閘指令一般情況下可以成功重合閘自動回復接觸網供電[6] 雖然不會直接對高鐵造成破壞且在這種情況下接觸網停止供電的時間很短但是為了安全起見高速鐵路運行管理規定在接觸網發生跳閘后沒有查明原因不管是否已經通電都需要對列出進行降速處理這種情況也會造成高鐵運行秩序紊亂從而導致列車晚點

1.2.3 損壞接觸網引發弓網事故

當接觸網受到雷擊時雷電所產生的強大電流可能會燒斷接觸網線還有可能破壞接觸網其他的結構這種情況導致嚴重的弓網事故造成更長時間的運輸中斷現在高鐵建設在我國迅猛發展雷電造成的高鐵事故時有發生已經嚴重影響到了高鐵的正常運行與安全

雷電對高鐵接觸網的危害不容小覷且危害重大必須對其進行防雷控制就目前來看我國主要是設置安裝避雷器進行防雷然而避雷器主要安裝在高鐵重要的一些部位中這對避雷器附近的重點設備能起到很好的避雷防雷作用避雷器的保護范圍是有限的當超過一定范圍時就不會有防雷作用而且一般情況下避雷器的安裝間距比較遠導致大部分接觸網線路置于防雷區域以外無法受到保護所以通過使用膠粘復合材料防雷可以避免這一限制從而能提高高鐵接觸網防雷效果下文將通過實驗驗證分析抗雷擊膠粘復合材料對高鐵接觸網起到抗雷作用

在上述的電流作用下涂抹抗雷擊膠粘復合材料試件的雷擊實驗結果如圖 3 和圖 4 所示從圖中可以看出雷擊后的涂抹膠粘復合材料試件的損傷面積是以雷擊附著點為圓心向外擴展原因在于抗雷擊膠粘復合材料中鋁是各向同性材料所以電導率在各個方向都相同而且由于膠粘復合材料中鋁電導率較高當雷電到達鋁層時會將電流迅速導走所以不會對高鐵接觸網產生嚴重影響

圖3和圖4是在涂層厚度為 0.1mm 和 0.2mm 的實驗結果對比兩張圖可知涂層厚度與損傷面積成正比即當涂層厚度越大時損傷面積范圍越小防雷效果更好圖3和圖 4 的實驗結果證明抗雷擊膠粘復合材料可以顯著防止高鐵接觸網受雷電損傷為了讓抗雷效果更好可以增加膠粘復合材料厚度但是隨著涂層厚度的增加必然會增加結構的整體質量導致使用抗雷擊膠粘復合材料的優勢降低所以平衡涂層厚度且保證防雷效果下文將進一步研究

從圖5 可知膠粘復合材料涂層厚度小于0.2mm 時隨著涂層厚度的增加高鐵接觸網的損傷面積不斷減小當涂層厚度大于 0.2mm 時這種減小程度緩慢所以可以確定當膠粘復合材料涂層厚度為 0.2mm 時不僅可以達到較優的防雷效果還能減小結構的增重

2.4 試驗結論

通過對涂抹膠粘復合材料的高鐵接觸網試件進行的防雷實驗結果可知該復合材料能起到良好的防雷效果當涂層厚度增大時防雷效果更好當涂層厚度為0.2mm 時既能保證防雷效果優良又能減少結構的增重了使兩者達到平衡所以涂抹0.2mm 厚的膠粘復合材料是防雷最優選擇

3 抗雷擊膠粘復合材料在高鐵中的發展

將抗雷擊膠粘復合材料用于高鐵接觸網中可以有效抗雷擊防止接觸網被雷電破壞抗雷擊膠粘復合材料的優良特性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抗雷擊膠粘復合材料將會更多的應用于高鐵中其發展前景較好抗雷擊膠粘復合材料在高鐵中還有以下發展

3.1 膠粘復合材料在高鐵信號設備的發展

高鐵信號設備起到控制整個高鐵運營的作用其重要性不言而喻高鐵信號設備發生問題時最直接的原因就是雷擊作用所以有必要對高鐵信息設備做好防雷保護工作而且要防雷到位不能出現任何漏洞要保證信號設備的安全性穩定性和可靠性將抗雷擊膠粘復合材料運用其中將會有效保障高鐵信號設備的安全

3.2 膠粘復合材料在高鐵牽引變電所的發展

牽引變電所包含著大量電器設備極容易受到雷擊如果牽引變電所出現問題無法輸電列車被迫停運會造成嚴重經濟損失為了保證供電的穩定性需要優化牽引變電所加強措施避免雷擊造成的事故要加強對直擊雷的有效預防一般情況下防雷方法是加強避雷設備的有效運用比如運用避雷針避雷線等但是避雷器也有其局限性為了更好的抵抗雷擊保護高鐵運營通暢可以將抗雷擊膠粘復合材料用于其中可以起到一個雙層保護作用而且牽引變電所內部電器設備需要處理好絕緣問題抗雷擊膠粘復合材料還可以起到很好的絕緣作用

3.3 膠粘復合材料在高鐵車體的發展

抗雷擊膠粘復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質量輕等優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目的在于發生火災時能隔絕熱量阻止火災蔓延還要有良好的震動性能防止列車碰撞時造成的后果近些年已經有列車生產商準備使用復合材料抗雷擊膠粘復合材料作為車體也可以起到一定的防雷作用而且能滿足車體空氣動力學的要求成本也低廉具有很好的靈活性所以將抗雷擊膠粘復合材料用于車體可以作為以后研發對象

3.4 膠粘復合材料在高鐵受電弓滑板的發展

在高鐵中受電弓滑板是其關鍵部位它是為列車傳輸電的輸電架容易收到雷電襲擊一旦被雷擊就會造成嚴重問題用做受電弓滑板的材料必須有抗電弧沖擊性能抵抗雷擊還要有良好的導電性表面潤滑而且耐磨如果將抗雷擊膠粘復合材料用于其中既可以起到很好的抗雷擊作用抗雷擊膠粘復合材料耐磨強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合材料可以保護受電弓滑板不受破壞或破壞程度較小

4 結論

抗雷擊膠粘復合材料在高鐵接觸網中起到較好的防雷作用相對于傳統的避雷器其只對附近區域有防雷作用而抗雷擊膠粘復合材料打破了這種局限性只要是涂抹抗雷擊膠粘復合材料就可以防止雷擊當抗雷擊膠粘復合材料涂抹層為0.2mm 時抗雷效果更佳且重量小

抗雷擊膠粘復合材料不止用于接觸網中在高鐵中能運用的地方較多如牽引變電所信號設備等容易被雷擊的重要部分即抗雷擊膠粘復合材料對高鐵的發展起到至關重要的作用