纳米导电精解决弓网异常磨耗在城轨交通中的应用

运营管理纳米导电精解决弓网异常磨耗在城轨交通中的应用
邓玉斌，陈立群
（长沙市轨道交通运营有限公司综合机电部，湖南长沙410000）
摘要：架空刚性悬挂已逐渐成为城市轨道交通接触网架设的主要方式。

近年在长沙地铁运营
中发现，刚性接触网弓网磨耗情况出现季节性变化，尤其冬季过于严重。

通过研究纳米导电精
的性能特性，分析碳滑板及接触线的磨耗特征，采用在碳滑板上涂抹纳米导电精的方式，可明
显改善弓网磨耗异常问题，进一步优化地铁弓网匹配关系，对降低运营成本、提高弓网取流效
果、提高地铁安全性，均具有重要意义。

关键词：城轨交通；长沙地铁；接触网；刚性悬挂；弓网磨耗；纳米导电精
中图分类号：U231 文献标识码：A 文章编号：1001-683X（2023）11-0125-06 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2023.05.26.003
1 概述
地铁系统对经济社会发展和方便民众出行发挥着重要作用。

在地铁牵引供电系统中，弓网受流匹配决定了列车的取流情况和接触悬挂受流送流正常与否［1-2］。

但是，在接触网与受电弓的接触面上，由于长期受到机械和电气作用，容易出现磨损和腐蚀，将影响地铁系统的安全性和可靠性［3］。

因此，如何减少接触网与受电弓的异常磨耗，成为弓网关系中需要重点解决的问题。

目前，长沙地铁共有6条线路运营，正线接触网悬挂方式均采用架空刚性悬挂。

2号、4号线开通至今，弓网关系表现参差不齐，接触线和受电弓碳滑板磨耗较大、磨耗速率较高，每年冬季尤为突出。

近年来，纳米导电精作为一种新型的电接触保护材料，受到关注与应用。

长沙地铁在供电系统工程安装的接触网汇流排中间接头连接处、汇流排与接触线连接处、汇流排连接线夹等电连接部位已率先使用纳
第一作者：邓玉斌（1976—），男，高级工程师。

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通信作者：陈立群（1991—），男，工程师。

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米导电精，效果良好。

其中，长沙地铁2号线首次在望城坡站开展纳米导电精替代导电膏工程试验，通过长期跟踪，对长沙地铁2号线使用纳米导电精和导电膏的汇流排与接触线连接处的接触电阻进行对比测试，结果表明：涂抹纳米导电精的接触电阻低于涂抹导电膏的接触电阻［4］。

长沙地铁3号、5号线供电系统工程安装时，在全线车站加速区段开展涂抹纳米导电精项目的应用研究，该项目验收时，与长沙地铁1号使用导电油脂的相应汇流排与接触线连接处的接触电阻进行了对比测试，结果表明：涂抹纳米导电精的接触电阻明显低于涂抹导电油脂的接触电阻，项目质量现场测试优于导电油脂降阻技术参数。

接触电阻降低可减少接触面发热耗能，进而减少弓网磨耗。

纳米导电精可以在接触面形成一层润滑、导电的保护膜，起到减少磨耗、降低接触电阻、提高传导性能等作用，从而保证接触网与受电弓的正常运行。

长沙地铁在应对弓网异常磨耗时，采用纳米导电精涂抹在碳滑板表面与接触线接触面的方法，该工艺的研究与应用，修复了弓网受流环境，降低了弓网异常磨耗。

2 弓网异常磨耗原因
弓网磨耗的原因主要是电气和机械磨耗［5］，长沙地铁2号、4号线从运营以来，磨耗基本正常，通过分析4号线燃弧情况（2号线无燃弧监测装置），在11—12月，燃弧呈下降趋势，没有一级燃弧，二级燃弧11月166处，12月降低至82处，但现场实际弓网磨耗
有明显增加，由此可以判定造成异常磨耗主要为机械磨耗。

2020—2022年的每年12月—次年2月初会发生异常磨耗，通过历年现场检查碳滑板及接触线情况发现，碳滑板表面粗糙，车顶有大量铜粉及碳粉析出，接触线上有明显的刮伤痕迹，属于典型的机械磨耗特征［5］。

2.1　接触线磨耗过大　
进入冬季后，2号、4号线接触线出现较大磨耗的锚段较多，4号线磨耗在40%及以上的共计20个锚段，其中磨耗超过50%的有2个锚段。

通过调查分析，运营公司在出现弓网磨耗异常的情况下，一般都会对接触线进行打磨抛圆，导致重点磨耗区段的接触线进一步恶化，接触线磨耗过大，导致弓网导流能力进一步降低，弓网燃弧增加，破坏弓网导流的生态体系。

可见接触线磨耗过大是弓网磨耗异常产生的因素之一。

2.2　碳滑板表面凹凸不平　
通过现场调查和统计分析发现，2号、4号线碳滑板凹凸不平异常明显，在距离线路中心±250~280 mm 处，碳滑板凹凸相差为10~20 mm，碳滑板凸出侧壁剐蹭接触线侧边，导致接触线接触面变形，接触线反作用剐蹭碳滑板［2］。

接触线异常拉丝情况见图1。

弓网正常运行状态下形成的保护膜被破坏，诱发碳滑板磨损加剧，导致接触线表面粗糙，粗糙接触线加剧碳滑板磨损，形成恶性循环，可见碳滑板表面凹凸不平是弓网磨耗异常产生的因素之一［6］。

2.3　碳滑板前后边沿锋利　
通过现场调查和统计分析发现，2号、4号线碳滑板中心±280 mm范围内其表面前后边沿异常锋利，列车运行过程中，碳滑板上表面与接触线下表面必然存在1个细微的夹角，冬季来临后隧道内湿度、温度较低，并且在电气热熔效应等各种外部条件发生变化的综合作用下，诱发碳滑板锋利的前后棱角切削接触线（见图2），碳滑板前后边沿锋利是弓网磨耗异常加剧产生的一个重要因素。

2.4　异常磨耗原因小结　
接触网与受电弓间异常状态的相互影响，进一步加剧了弓网磨耗。

当接触线磨耗深度超过6.7 mm时图1
　长沙地铁4号线接触线异常拉丝
图2　弓网运行过碳滑板与接触线接触示意图
（接触线剖面圆弧一半），碳滑板凹凸侧壁对接触线侧边进行剐蹭，破坏接触线表面，接触线反作用于碳滑板，碳滑板磨耗加剧，导致前后边沿锋利，锋利的碳滑板对接触线表面进行切削，弓网相互作用，急剧加大了弓网磨耗［7］。

3 纳米导电精的特性
纳米导电精是以全合成结构型导电高分子为导电素，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，其主要成分为导电高分子聚十五烷基邻二酚酞和聚烷基十二噻吩齐聚物。

纳米导电精具有助导、防腐、润滑、抗磨、滴点特高等优异性能。

可降低导体自身接触电阻；可有效隔绝空气和水，酸雾、碱雾、盐雾等工业气体，环境细菌，海洋大气等腐蚀性物质对金属的氧化腐蚀，尤其是电化学腐蚀，因而能有效抑制接触面接触电阻变大、有效减少发热耗能，相对节约损耗电能；可减少动接触磨耗；理化性能稳定，可在湿热的恶劣环境中长期安全运行，增强供用电系统的安全性、可靠性与稳定性。

纳米导电精应用于轨道交通供电系统时，具有以下突出特性：
（1）导电性能好。

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10 g/mm2，即接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。

其导电机理非常复杂，通常包括载流子传输电荷的量子理论效应，导电通道、分子隧道和场致发射的分子轨道理论效应4种机理。

可有效增加导体接触面积，从而减少导体接触面自身接触电阻、提高弓网接触面的导电性能。

（2）黏附性能好。

纳米导电精具有特殊的大环分子结构，其共轭大π键电子云体系，能与金属原子或石墨C原子形成很强的“化学键”吸附。

涂抹在相对运动并伴随振动的接触线与碳滑板接触面上不易脱落，同时可以填补弓网表面机械磨耗，特别是电磨耗产生的微小凹坑，起到修复碳滑板表面与接触线接触面的作用。

（3）防腐性能好。

纳米导电精具有优异的“化学
键”吸附性能，其可塑性的共轭大π键电子云能伸入金属原子晶格或石墨C原子晶格中，使导电高分子牢固地附着在金属或碳滑板表面，形成致密的保护膜层，可有效防止金属导体被氧化腐蚀。

纳米导电精为单分子导电材料，在没有电磁场作用时不会传递电荷，因而可有效防止金属导体间的电化学腐蚀，适用于铝汇流排与铜接触线等异种金属连接处，可替代铜铝过渡板。

纳米导电精的防氧化腐蚀，尤其是防电化学腐蚀性能好，可有效抑制接触电阻变大，提高弓网受流传导性能。

（4）不含金属粉末。

纳米导电精是全合成导电高分子材料，不含金属粉末，可用于动接触连接处，适用于接触线与碳滑板滑动接触面。

（5）抗磨性好。

纳米导电精大环分子结构上设计有十二烷基脂肪支链和十五烷基脂肪支链，对动接触接触面具有优异的润滑、抗磨作用，可减少弓网接触面的摩擦力和磨损率，从而延长接触线与受电弓的使用寿命。

（6）滴点特别高。

纳米导电精的大环分子结构内含有芳环、杂环、－S－、－O－键和较大共轭π电子体系，这种特殊化学结构，不仅使分子内化学键能大，分子本身骨架刚性强，而且分子间作用力大，表现出特高滴点。

其滴点>450 ℃，可用于接触线与碳滑板接触面的瞬间燃弧灼热环境。

（7）减弱燃弧发生概率。

纳米导电精是单分子导电材料，当接触面间无压力时具有导电性，其体积电阻率≥1.0×108 Ω·cm。

在弓网分离时，可减弱燃弧发生
概率［8］。

（8）使用寿命长。

纳米导电精的特殊大环分子具有稳定的化学结构，具有优良的耐高低温、耐湿热、耐气候环境变化、抗氧化安定性等理化稳定性能，适应温度为-60~400 ℃；可在湿热和污染严重的恶劣环境中长期安全运行；在500 kV高压和10 kA大电流的电路中理化性能依然保持稳定。

国家级科技成果“新型节能强电防护纳米导电精新产品新技术与应用评价报告”（中科评字2017第290号）表明，其有效使用寿命已达10年以上。

现有用户报告证明，其实际使用寿命已达15年。

因此，可用于汇流排与接触线连接处、汇流排
中间接头连接处、线夹与电缆压接处等电连接部位的防腐处理。

能应用于汇流排中间接头连接处是其独有特性，填补了汇流排中间接头连接处使用电接触防腐导电材料的空白。

（9）节能、降耗。

纳米导电精能降低接触面自身接触电阻，能抑制接触面接触电阻变大，接触电阻会消耗电能，产生热能，凡使用纳米导电精的接头，只要有电流通过，将分分秒秒都会节约损耗电能。

纳米导电精可减少接触线和碳滑板间的相互磨耗，可直接降低轨道交通企业的消耗成本。

4 解决方案
通过调查可知，市场上的导电膏、导电油脂等导电介质大多数含有金属粉末，会划伤滑动的接触线和碳滑板接触面，破坏保护层，会加快其相互磨耗；有的滴点不高，受热易熔化流失、变干，不适用于接触线与碳滑板接触面会产生瞬间燃弧的灼热环境；有的黏附性差，易脱落，不适合在接触线与碳滑板接触面使用。

通过对比分析可知，纳米导电精与一般电接触导电材料相比，性能更全面，具备助导性好、降阻性好、可抑制接触电阻变大、不含固体颗粒、润滑性好、抗磨性好、黏附性好、滴点特别高、可减弱燃弧发生概率等特性，完全能够满足用于接触线与碳滑板接触面滑动运用的技术要求。

通过现场检查发现接触线、碳滑板表面异常粗糙，弓网之间形成的保护膜被破坏，若不加以外部干扰，弓网磨耗会继续恶化［9］。

为了增加弓网之间的润滑度，提高弓网质量，选取部分电客车，将涂抹纳米导电精与不涂抹任何介质进行比较，通过监测得到以下结论：
通过每天碳滑板日均磨耗测量数据看，与未涂抹纳米导电精的碳滑板相比，涂抹纳米导电精的碳滑板在同样周期内，磨损量明显降低，使用寿命得到明显延长。

同时，燃弧现象减弱，碳滑板表面光滑（见图3）。

因此，在本次应对冬季弓网异常磨耗时，除了传统的接触线集中换线、全线打磨、受电弓动态包络线范围内的碳滑板表面打磨、前后侧边倒角等措施外，还采取了在碳滑板表面与接触线接触面涂抹纳米导电精的措施。

5 应用效果
自2023年1月30日开始实施对2号、4号线全线接触线及碳滑板倒角打磨、接触线换线（涂抹纳米导电精）工作，并且分别在1列车上开展涂抹纳米导电精与不涂抹纳米导电精的对比试验。

发现涂抹纳米导电精的碳滑板磨耗速率修复明显高于采用普通措施的碳滑板。

在2023年2月5日完成上述工作后，2月6—8日集中力量完成了全线所有电客车碳滑板表面、打磨的接触线接触面涂抹纳米导电精工作。

通过10 d的集中作业完成上述措施后，2号、4号线的受电弓碳滑板磨耗率明显下降，2号、4号线日均平均磨耗速率分别从23.98、29.32 mm/万列km下降到<1 mm/万列km以下（见表1）。

为保持修复弓网异
常磨耗的效果，每月在碳滑板表面补涂纳米导电精1次，同时在3、4、5月份进行继续监测，发现2号、4号线受电弓碳滑板磨耗率一直稳定在<1 mm/万列km
以内，比较以往正常磨耗率（1~3 mm/万列km）还下降了50%。

观测碳滑板表面明显光滑且磨耗区域非常均匀（见图
4），接触线接触面不再粗糙，燃弧明显减弱，已经远远超出初期设定目标。

图3　涂抹纳米导电精碳滑板与普通碳滑板对比
6 结束语
随着科技的进步，对于接触网与受电弓的异常磨耗问题，需要持续深入研究，不断探索更有效的解决方案。

采用纳米导电精涂抹碳滑板表面与接触线的接触面，可有效减弱燃弧现象、降低碳滑板和接触线的
磨耗，从而提高碳滑板和接触线的寿命周期。

但是，上述研究应用主要是为了快速降低异常磨耗，以保障安全运营而采取的措施，若要进一步解决弓网磨耗问题，还需在设计、施工、运营管理各阶段进行更深入的研究和探索［10］，为提高地铁牵引供电的可靠性、稳定性和安全性提供技术保障。

参考文献
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表1　长沙地铁2号、4
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责任编辑卢敏
收稿日期 2023-05-26
Application of Nano Conductive Grease to Solve Abnormal
Pantograph-catenary Wear in Urban Rail Transit
DENG Yubin, CHEN Liqun
(General Electromechanical Department, Changsha Metro Operation Co., Ltd., Changsha Hunan 410000, China) Abstract: In urban rail transit, the overhead rigid suspension has emerged as the prevailing method for installing overhead contact systems (OCSs).From the operational experience of the metro system in Changsha, it has been observed that the pantograph-catenary wear in rigid OCSs exhibits seasonal variations, with particularly severe wear occurring during winter.This study explores the characteristics of nano conductive grease and analyzes the wear patterns of carbon contact strips and contact wires. The findings reveal that applying nano conductive grease to the carbon contact strips can significantly alleviate the abnormal wear at pantograph-catenary interfaces. This method can further optimize the matching relation between pantographs and catenaries in metro systems, thereby yielding substantial benefits such as cost reduction, improved current collection efficiency, and enhanced metro safety.
Keywords: urban rail transit; Changsha Metro; OCS; rigid suspension; pantograph-catenary wear; nano conductive grease
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