郭栋

摘 要：目前我国的城市轨道交通飞速发展，常应用于轨道交通行业的电力设备接头存在发热和腐蚀的问题，不仅会严重消耗电能，还会导致接触线与受电滑板间的相互磨耗，更有甚者，直接影响着供用电系统的稳定和安全。现有解决电力设备接头发热和腐蚀的技术方法缺少或其不足，因此，解决发热和腐蚀问题成为城市轨道交通发展的关键。

关键词：纳米导电精；防腐；抗磨

中图分类号：TP303 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）05-0183-02

1 纳米导电精概述

纳米导电精是以全合成结构型导电高分子为导电素的新一类用于强弱电电接触导电与强弱电电接触保护的新型纳米节能材料。它的主要成分是合成导电高分子材料，具有特殊的化学结构，主要由防腐性能优异的导电高分子聚十五烷基鄰苯二酚钛与导电性能优良的导电高分子十二烷基噻吩齐聚物复合而成。不含金属粉末和导电石墨粉。如图1所示。

纳米导电精具有稳定的理化性能：对金属材料具有优良的防腐、抗磨作用；在金属导体电接触中，拥有优良的助导作用。表现为能有效降低导体的接触电阻，抑制接触电阻变大，增加接头的相对通电容量，减少接头发热几率、降低停电检修频率，增强供电系统的安全性。目前已经在电力行业有较多应用业绩，尤其是在高压及超高压开关刀闸处应用效果突出。

2 纳米导电精的技术原理

2.1 导电原理

纳米导电精是高分子导电材料，在金属导体电接触中，电磁场使得其紧密的导电高分子更趋于定向排列，显示出奇特的电接触导电性，当压力大于10g/mm2，即触面间纳米导电精处于单分子状态时，更拥有优良的导电性。

纳米导电精的导电原理与传统导电膏是不同的。传统导电膏主要成分为矿物类油脂，含少量银、铜、锌等导电金属。其导电机理是通过晶体内自由电子的定向移动而形成电流。而矿物油易熔化流失，使金属粉末裸露后加速氧化，导致其接触电阻不断变大造成导电膏易变干，接头易发热等缺点。

纳米导电精不同于传统导电膏的原因在于，纳米导电精中分子中不具有金属原子类的自由电子，在没有外加电势作用下，是不会传递电荷，因此，纳米导电精能够阻隔金属间的自身电化学腐蚀，这些都是传统导电膏不具备的。

2.2 防腐原理

纳米导电精的大环高分子上的纳米支链，能渗入金属晶格，与金属形成化学键结合，使整个高分子牢固地附着在金属表面，其紧密的分子排列形成了致密的保护层。隔绝了腐蚀性物质对金属的侵蚀，即防止氧化腐蚀；阻隔了不同电极电位金属间电子的自由移动，即防止金属导体的自身电化学腐蚀。

2.3 减少电接头发热或节能原理

纳米导电精能降低触面接触电阻，能抑制接触电阻变大的作用。根据热功原理：Q热量=I2电流×△R接触电阻降低值×t时间，电接头的发热将实实在在地减少，亦即减少了有功损耗，节约了损耗电能。

3 轨道交通中的技术应用

轨道交通牵引供电系统接触网刚性悬挂为满足3000A以上的载流量，主要采用铝制汇流排与铜银合金接触线的悬挂组成方式，其中铜银合金接触线通过燕尾槽嵌入汇流排的钳口。车辆受电弓通过滑动接触导线取流。汇流排与接触线为异种金属接触，若不采取措施，会不可避免的存在电化学腐蚀。目前国内外一般采用接触线涂覆导电膏/导电油脂的处理方法，也有少部分采用接触线表面镀锡的情况。

鉴于纳米导电精在防电化学腐蚀、增强导电性方面具有优异的性能，在长沙地铁2号线望城坡站上下行各选取了两个接触网锚段进行应用对比试验跟踪及测试。其中望城坡站Y003、Y004锚段涂覆的是国产常规导电膏，望城坡站Z003、Z004锚段涂覆的是纳米导电精材料。

3.1 接触过度电阻测试

在涂覆两种导电材料后，对汇流排与接触线间的过度电阻进行了测试。同时在受电试运行、试运营之后，继续进行了跟踪测试。汇流排与接触线间的过度电阻测试方案及原理如下：

使用回路电阻测试仪，采用四线测试技术，在接触网测试点两端加载100A恒定直流电流，同时在接触网1m测试段的两端测出电压值，通过已知的电压和电流便可以计算得出1m接触网的阻值。其测试的基本原理如图2所示。

具体的测试方法如图3所示。

（1）在刚性接触网锚段末端接触导线上安装电流夹1，在距离锚段末端约20～25m位置的接触网汇流排上安装电流夹2；通过回路电阻测试仪向电流夹1与电流夹2之间的接触网加载100A恒定直流电流并且持续5分钟以上。

（2）在两电流夹之间的接触网上任意选取1m长作为接触电阻测试段（但需避开汇流排中间接头位置），将回路电阻测试仪的电压夹1和电压夹2分别安装在接触导线和汇流排上，确保两电压夹间距1m。

（3）完成回路电阻测试仪的接线，打开回路电阻测试仪电源开关，并调节“电流调节”旋钮使电流控制在100A，然后按下“复位/测试”键，此时电阻表显示值为所测的回路电阻值（即该段1m接触网导线与汇流排的接触电阻值）；测量持续3分钟以后待显示阻值稳定时记录数据。

（4）移动电压夹1和电压夹2，在两电流夹（间距20～25m范围）间重新选取1m长的测试段进行测试；以此类推完成至少5个测试点的测试。

3.2 测试数据

长沙地铁2号线于2014年4月29日开通试运营。在涂覆初期、开通试运营后陆续进行了跟踪测试。测数据统计如表1、2所示。

3.3 数据分析

（1）涂覆初期，两者测试数据接近。经过一段时间带电运行后，接触网状态趋于稳定。由于人工涂覆不均匀带来的影响，以及振动脱落，受电后涂覆导电膏的锚段接触电阻经历了由小变大，变化范围较大。涂覆纳米导电精变化较小。可见纳米导电精的化学附着方式要比导电膏在金属表面的物理附着方式更稳定，不容易受到外力及环境影响的作用。

（2）开通运行后，由于接触电阻较小，在μΩ级别，不同的回路电阻测试仪，测试数据也有差别，但两者的差值及变化趋势基本是可以预见的。随着运行时间的延长，涂覆纳米导电精与涂覆导电膏的接触电阻值差值在逐渐增大。

4 纳米导电精在轨道交通的应用范围分析

对于大电流轨道交通供电系统接触网，尤其是刚性接触网，因为隧道中空气潮湿，晚间列车停运后气温下降，空气中的CO2、SO2等腐蚀性工业气体随空气的冷凝而变成H2CO3、H2SO3等腐蚀性介质渗入汇流排中间接头内，长久后形成白色的复杂铝盐粉末，影响其导流性能。汇流排中间接头是接触网的关键导流组成，如未及时紧固，逐渐失去导流作用，牵引电流逐渐分流到该接头部位的接触线上，接触线局部温度升高，严重时接触线会软化，导致接触线与受电弓之间不能平滑接触，诱发拉弧放电现象。停电冷却后可观察到接触线部分表面呈现青黑色。汇流排中间接头部位的接触线发热温升，不仅会严重消耗电能，还会加剧接触线与受电滑板间的相互磨耗，增大生产成本。

目前，市面上导电膏存在性能不稳定，易氧化变干，使用时效短，导致接触电阻变大，发热耗能增加的缺点。导电膏涂覆3～5年左右就会失去有效作用，其失效后，接触线与汇流排连接处现场不具备重新涂覆的可能；对于汇流排中间接头，其有效使用寿命远大于接触线，故国内外在汇流排中间接头均不使用导电膏。如果投运后想再改用或重新涂覆本纳米导电精，必须先拆下接触线，再拆开汇流排，卸下的接触线只能作废，得不偿失；对于接触网其他电连接部位，夜间可利用的维护时间短，而且维护难度大。因此，纳米导电精必须再新安装时就考虑使用。

根据刚性接触网的安装特点，从避免铜铝异种金属过度腐蚀的角度，同时为延长隧道污秽、持续大电流通过的工况下的汇流排中间接头使用寿命，响应国家节能建设号召，建议在刚性悬挂接触线、锚段关节电连接线夹、汇流排中间接头处涂覆纳米导电精。

综上所述，纳米导电精拥有导电膏不具备或不具有的优异性能，应用于城市轨道交通供电系统具有充分的可行性。