納米導(dǎo)電精在城市軌道交通的應(yīng)用

郭棟

摘 要：目前我國(guó)的城市軌道交通飛速發(fā)展，常應(yīng)用于軌道交通行業(yè)的電力設(shè)備接頭存在發(fā)熱和腐蝕的問(wèn)題，不僅會(huì)嚴(yán)重消耗電能，還會(huì)導(dǎo)致接觸線與受電滑板間的相互磨耗，更有甚者，直接影響著供用電系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全。現(xiàn)有解決電力設(shè)備接頭發(fā)熱和腐蝕的技術(shù)方法缺少或其不足，因此，解決發(fā)熱和腐蝕問(wèn)題成為城市軌道交通發(fā)展的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：納米導(dǎo)電精；防腐；抗磨

中圖分類號(hào)：TP303 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）05-0183-02

1 納米導(dǎo)電精概述

納米導(dǎo)電精是以全合成結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子為導(dǎo)電素的新一類用于強(qiáng)弱電電接觸導(dǎo)電與強(qiáng)弱電電接觸保護(hù)的新型納米節(jié)能材料。它的主要成分是合成導(dǎo)電高分子材料，具有特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)，主要由防腐性能優(yōu)異的導(dǎo)電高分子聚十五烷基鄰苯二酚鈦與導(dǎo)電性能優(yōu)良的導(dǎo)電高分子十二烷基噻吩齊聚物復(fù)合而成。不含金屬粉末和導(dǎo)電石墨粉。如圖1所示。

納米導(dǎo)電精具有穩(wěn)定的理化性能：對(duì)金屬材料具有優(yōu)良的防腐、抗磨作用；在金屬導(dǎo)體電接觸中，擁有優(yōu)良的助導(dǎo)作用。表現(xiàn)為能有效降低導(dǎo)體的接觸電阻，抑制接觸電阻變大，增加接頭的相對(duì)通電容量，減少接頭發(fā)熱幾率、降低停電檢修頻率，增強(qiáng)供電系統(tǒng)的安全性。目前已經(jīng)在電力行業(yè)有較多應(yīng)用業(yè)績(jī)，尤其是在高壓及超高壓開(kāi)關(guān)刀閘處應(yīng)用效果突出。

2 納米導(dǎo)電精的技術(shù)原理

2.1 導(dǎo)電原理

納米導(dǎo)電精是高分子導(dǎo)電材料，在金屬導(dǎo)體電接觸中，電磁場(chǎng)使得其緊密的導(dǎo)電高分子更趨于定向排列，顯示出奇特的電接觸導(dǎo)電性，當(dāng)壓力大于10g/mm2，即觸面間納米導(dǎo)電精處于單分子狀態(tài)時(shí)，更擁有優(yōu)良的導(dǎo)電性。

納米導(dǎo)電精的導(dǎo)電原理與傳統(tǒng)導(dǎo)電膏是不同的。傳統(tǒng)導(dǎo)電膏主要成分為礦物類油脂，含少量銀、銅、鋅等導(dǎo)電金屬。其導(dǎo)電機(jī)理是通過(guò)晶體內(nèi)自由電子的定向移動(dòng)而形成電流。而礦物油易熔化流失，使金屬粉末裸露后加速氧化，導(dǎo)致其接觸電阻不斷變大造成導(dǎo)電膏易變干，接頭易發(fā)熱等缺點(diǎn)。

納米導(dǎo)電精不同于傳統(tǒng)導(dǎo)電膏的原因在于，納米導(dǎo)電精中分子中不具有金屬原子類的自由電子，在沒(méi)有外加電勢(shì)作用下，是不會(huì)傳遞電荷，因此，納米導(dǎo)電精能夠阻隔金屬間的自身電化學(xué)腐蝕，這些都是傳統(tǒng)導(dǎo)電膏不具備的。

2.2 防腐原理

納米導(dǎo)電精的大環(huán)高分子上的納米支鏈，能滲入金屬晶格，與金屬形成化學(xué)鍵結(jié)合，使整個(gè)高分子牢固地附著在金屬表面，其緊密的分子排列形成了致密的保護(hù)層。隔絕了腐蝕性物質(zhì)對(duì)金屬的侵蝕，即防止氧化腐蝕；阻隔了不同電極電位金屬間電子的自由移動(dòng)，即防止金屬導(dǎo)體的自身電化學(xué)腐蝕。

2.3 減少電接頭發(fā)熱或節(jié)能原理

納米導(dǎo)電精能降低觸面接觸電阻，能抑制接觸電阻變大的作用。根據(jù)熱功原理：Q熱量=I2電流×△R接觸電阻降低值×t時(shí)間，電接頭的發(fā)熱將實(shí)實(shí)在在地減少，亦即減少了有功損耗，節(jié)約了損耗電能。

3 軌道交通中的技術(shù)應(yīng)用

軌道交通牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)剛性懸掛為滿足3000A以上的載流量，主要采用鋁制匯流排與銅銀合金接觸線的懸掛組成方式，其中銅銀合金接觸線通過(guò)燕尾槽嵌入?yún)R流排的鉗口。車輛受電弓通過(guò)滑動(dòng)接觸導(dǎo)線取流。匯流排與接觸線為異種金屬接觸，若不采取措施，會(huì)不可避免的存在電化學(xué)腐蝕。目前國(guó)內(nèi)外一般采用接觸線涂覆導(dǎo)電膏/導(dǎo)電油脂的處理方法，也有少部分采用接觸線表面鍍錫的情況。

鑒于納米導(dǎo)電精在防電化學(xué)腐蝕、增強(qiáng)導(dǎo)電性方面具有優(yōu)異的性能，在長(zhǎng)沙地鐵2號(hào)線望城坡站上下行各選取了兩個(gè)接觸網(wǎng)錨段進(jìn)行應(yīng)用對(duì)比試驗(yàn)跟蹤及測(cè)試。其中望城坡站Y003、Y004錨段涂覆的是國(guó)產(chǎn)常規(guī)導(dǎo)電膏，望城坡站Z003、Z004錨段涂覆的是納米導(dǎo)電精材料。

3.1 接觸過(guò)度電阻測(cè)試

在涂覆兩種導(dǎo)電材料后，對(duì)匯流排與接觸線間的過(guò)度電阻進(jìn)行了測(cè)試。同時(shí)在受電試運(yùn)行、試運(yùn)營(yíng)之后，繼續(xù)進(jìn)行了跟蹤測(cè)試。匯流排與接觸線間的過(guò)度電阻測(cè)試方案及原理如下：

使用回路電阻測(cè)試儀，采用四線測(cè)試技術(shù)，在接觸網(wǎng)測(cè)試點(diǎn)兩端加載100A恒定直流電流，同時(shí)在接觸網(wǎng)1m測(cè)試段的兩端測(cè)出電壓值，通過(guò)已知的電壓和電流便可以計(jì)算得出1m接觸網(wǎng)的阻值。其測(cè)試的基本原理如圖2所示。

具體的測(cè)試方法如圖3所示。

（1）在剛性接觸網(wǎng)錨段末端接觸導(dǎo)線上安裝電流夾1，在距離錨段末端約20～25m位置的接觸網(wǎng)匯流排上安裝電流夾2；通過(guò)回路電阻測(cè)試儀向電流夾1與電流夾2之間的接觸網(wǎng)加載100A恒定直流電流并且持續(xù)5分鐘以上。

（2）在兩電流夾之間的接觸網(wǎng)上任意選取1m長(zhǎng)作為接觸電阻測(cè)試段（但需避開(kāi)匯流排中間接頭位置），將回路電阻測(cè)試儀的電壓夾1和電壓夾2分別安裝在接觸導(dǎo)線和匯流排上，確保兩電壓夾間距1m。

（3）完成回路電阻測(cè)試儀的接線，打開(kāi)回路電阻測(cè)試儀電源開(kāi)關(guān)，并調(diào)節(jié)“電流調(diào)節(jié)”旋鈕使電流控制在100A，然后按下“復(fù)位/測(cè)試”鍵，此時(shí)電阻表顯示值為所測(cè)的回路電阻值（即該段1m接觸網(wǎng)導(dǎo)線與匯流排的接觸電阻值）；測(cè)量持續(xù)3分鐘以后待顯示阻值穩(wěn)定時(shí)記錄數(shù)據(jù)。

（4）移動(dòng)電壓夾1和電壓夾2，在兩電流夾（間距20～25m范圍）間重新選取1m長(zhǎng)的測(cè)試段進(jìn)行測(cè)試；以此類推完成至少5個(gè)測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試。

3.2 測(cè)試數(shù)據(jù)

長(zhǎng)沙地鐵2號(hào)線于2014年4月29日開(kāi)通試運(yùn)營(yíng)。在涂覆初期、開(kāi)通試運(yùn)營(yíng)后陸續(xù)進(jìn)行了跟蹤測(cè)試。測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1、2所示。

3.3 數(shù)據(jù)分析

（1）涂覆初期，兩者測(cè)試數(shù)據(jù)接近。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間帶電運(yùn)行后，接觸網(wǎng)狀態(tài)趨于穩(wěn)定。由于人工涂覆不均勻帶來(lái)的影響，以及振動(dòng)脫落，受電后涂覆導(dǎo)電膏的錨段接觸電阻經(jīng)歷了由小變大，變化范圍較大。涂覆納米導(dǎo)電精變化較小。可見(jiàn)納米導(dǎo)電精的化學(xué)附著方式要比導(dǎo)電膏在金屬表面的物理附著方式更穩(wěn)定，不容易受到外力及環(huán)境影響的作用。

（2）開(kāi)通運(yùn)行后，由于接觸電阻較小，在μΩ級(jí)別，不同的回路電阻測(cè)試儀，測(cè)試數(shù)據(jù)也有差別，但兩者的差值及變化趨勢(shì)基本是可以預(yù)見(jiàn)的。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，涂覆納米導(dǎo)電精與涂覆導(dǎo)電膏的接觸電阻值差值在逐漸增大。

4 納米導(dǎo)電精在軌道交通的應(yīng)用范圍分析

對(duì)于大電流軌道交通供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)，尤其是剛性接觸網(wǎng)，因?yàn)樗淼乐锌諝獬睗?，晚間列車停運(yùn)后氣溫下降，空氣中的CO2、SO2等腐蝕性工業(yè)氣體隨空氣的冷凝而變成H2CO3、H2SO3等腐蝕性介質(zhì)滲入?yún)R流排中間接頭內(nèi)，長(zhǎng)久后形成白色的復(fù)雜鋁鹽粉末，影響其導(dǎo)流性能。匯流排中間接頭是接觸網(wǎng)的關(guān)鍵導(dǎo)流組成，如未及時(shí)緊固，逐漸失去導(dǎo)流作用，牽引電流逐漸分流到該接頭部位的接觸線上，接觸線局部溫度升高，嚴(yán)重時(shí)接觸線會(huì)軟化，導(dǎo)致接觸線與受電弓之間不能平滑接觸，誘發(fā)拉弧放電現(xiàn)象。停電冷卻后可觀察到接觸線部分表面呈現(xiàn)青黑色。匯流排中間接頭部位的接觸線發(fā)熱溫升，不僅會(huì)嚴(yán)重消耗電能，還會(huì)加劇接觸線與受電滑板間的相互磨耗，增大生產(chǎn)成本。

目前，市面上導(dǎo)電膏存在性能不穩(wěn)定，易氧化變干，使用時(shí)效短，導(dǎo)致接觸電阻變大，發(fā)熱耗能增加的缺點(diǎn)。導(dǎo)電膏涂覆3～5年左右就會(huì)失去有效作用，其失效后，接觸線與匯流排連接處現(xiàn)場(chǎng)不具備重新涂覆的可能；對(duì)于匯流排中間接頭，其有效使用壽命遠(yuǎn)大于接觸線，故國(guó)內(nèi)外在匯流排中間接頭均不使用導(dǎo)電膏。如果投運(yùn)后想再改用或重新涂覆本納米導(dǎo)電精，必須先拆下接觸線，再拆開(kāi)匯流排，卸下的接觸線只能作廢，得不償失；對(duì)于接觸網(wǎng)其他電連接部位，夜間可利用的維護(hù)時(shí)間短，而且維護(hù)難度大。因此，納米導(dǎo)電精必須再新安裝時(shí)就考慮使用。

根據(jù)剛性接觸網(wǎng)的安裝特點(diǎn)，從避免銅鋁異種金屬過(guò)度腐蝕的角度，同時(shí)為延長(zhǎng)隧道污穢、持續(xù)大電流通過(guò)的工況下的匯流排中間接頭使用壽命，響應(yīng)國(guó)家節(jié)能建設(shè)號(hào)召，建議在剛性懸掛接觸線、錨段關(guān)節(jié)電連接線夾、匯流排中間接頭處涂覆納米導(dǎo)電精。

綜上所述，納米導(dǎo)電精擁有導(dǎo)電膏不具備或不具有的優(yōu)異性能，應(yīng)用于城市軌道交通供電系統(tǒng)具有充分的可行性。