中低速磁浮C型接触轨绝缘支撑性能分析与应用

王铁环

(中铁建电气化局集团科技有限公司 河北高碑店 074000)

1 前言

中低速磁浮作为一种新型、建设周期短、建设速度快的轨道交通，不仅可满足城市居民出行需求，也可促进旅游业发展，给乘客提供舒适便捷的出行体验[1]。中低速磁浮机车依靠电磁力实现悬浮、驱动，见图1。车辆电磁铁的两极与F型轨道相互吸引，车辆与F轨间隙维持在8～10 mm。车辆转向架模块下方的直线电机定子与轨道上表面的铝感应板组成直线电机，牵引机车[2]。

图1 中低速磁浮列车悬浮及导向原理

中低速磁浮机车具有以下优点:(1)噪声低、振动小。机车与轨道非接触的运行特点，不存在传统机车车轮与轨道接触产生振动和噪声。(2)爬坡能力强、转弯半径小。(3)快启快停。短定子同步非黏着牵引－制动，具有较大的加速度。(4)运输力强。可高密度发车，灵活编组。(5)性价比高。运维便捷，机车与轨道无接触无磨损。大修周期长，全寿命周期技术经济性好[3－4]。

国内株洲磁浮试验线、长沙磁浮快线、北京S1线列车均采用DC1500V接触轨侧部受流的供电方式，具有使用寿命长、维护量小、电能损耗低、运营安全可靠性高、外形美观等优点[5]。接触轨沿轨道梁侧壁设置，与轨道线路平行，一侧设置正极轨，另一侧设置负极轨。中低速磁浮接触轨主要有C型和工字型接触轨。在侧向受流中，C型接触轨系统具有安装便捷、定位准确、安装精度高等优点[6]。

2 磁浮C型接触轨绝缘支撑装置组成

如图2所示，磁浮接触轨绝缘支撑装置由底座、中间腔体、复合绝缘子、卡块、尼龙垫块等组成。绝缘支撑可实现y方向的伸缩调节，同时可以实现yoz平面内的角度调节。

图2 磁浮接触轨绝缘支撑装置构造

(1)底座、中间腔体和卡块通过挤压成型，材质为6061-T6铝合金材料，具有良好的力学性能。

底座通过螺栓固定于土建预留的槽道。中间腔体采用Ⅱ型结构，Ⅱ型中间腔体与底座形成镶嵌式装配。中间腔体在y轴方向伸缩调节时，其他参数保持不变。相较于“矩形”结构的中间腔体，可明显改善作用在底座上的力的分布。中间腔体将所受的外力分布于底座支撑托臂，有利于绝缘支撑整体的稳定性。

(2)硅橡胶复合绝缘子由端部金具、芯棒以及伞裙护套等构成。金具起传递机械应力与连接固定的作用；芯棒承担机械负荷和起内部绝缘的作用；伞裙护套承担电气负荷。芯棒端部与金具通过径向压力产生的弹性形变将两者连接成一体[7]。金具由6061-T6铝合金锻压成型，具有优异的机械性能；芯棒材质为玻璃纤维增强环氧树脂，抗弯强度高、抗断裂能力强；伞裙材质为硅橡胶，具有优异的绝缘和耐污性能[8－9]。复合绝缘子的伞裙护套和芯棒的界面贯穿了复合绝缘子带电区域与不带电区域，界面处的电场强度最高，易发生内部击穿放电[10]。在不增加金具的间距条件下优化制造工艺，增大芯棒表面的粗糙度以提高硅橡胶－芯棒界面的结合性能，提升复合绝缘子的内部绝缘性能。

(3)卡块支撑固定C型接触轨，卡块与绝缘子形成镶嵌装配。卡块在x方向滑动，y方向不能发生位移，z方向通过调节螺栓调整。调节螺栓为M10-M8型锥型螺栓，绝缘子金具有M10内螺纹。通过控制紧固力矩的大小来调节卡块与C型接触轨之间的作用力，保证接触轨固定的稳定性。

(4)垫块采用碳纤维增强尼龙材质。碳纤维增强尼龙提高了材料的拉伸强度和表面硬度，降低与铝合金之间的摩擦系数。碳纤维增强尼龙具有导电性，C型接触轨与复合绝缘子上端金具等电位同时满足静电耗散和静电放电保护的要求，在维护过程中能保证作业人员的安全。

如图3所示，绝缘支撑装置的尼龙垫块与接触轨接触面相接触的三个面均为圆弧面。C型接触轨因温度变化发生热胀冷缩，接触轨与绝缘支撑易相对滑动，避免了因卡顿引起的绝缘支撑在顺线路方向的切应力。在工程应用中，曾出现过因接触轨与绝缘支撑装置因卡塞导致局部应力超过绝缘装置材料的屈服强度而造成绝缘支撑装置发生塑性变形和断裂的事故。

图3 垫块

3 绝缘支撑装置力学及电气性能

(1)力学性能

国家铁路产品质量监督检验中心对绝缘支撑装置的力学性能进行检测，检测项目为接触轨绝缘支撑3个方向，即顺线路垂直方向、顺线路水平方向、顺线路竖直方向。检测结果见表1。

表1 绝缘支撑力学性能检测结果

(2)电气性能

检验中心对接触轨绝缘支撑电气性能进行检测，检测项目包括爬电距离、工频干耐受电压、工频湿耐受电压、人工污耐受电压、全波雷电冲击闪络电压。检测结果见表2。

表2 绝缘支撑电气性能检测结果

4 绝缘支撑装置安装及调整

磁浮列车受流器在接触轨受流面滑动，为列车传输电能[11]。磁浮列车受流的工作状态，直接影响到列车的动力供应、运行速度与效率以及行车运行安全。接触轨不平顺、接触轨高度异常等，可导致受流器与接触轨发生瞬间脱离产生燃弧；也易造成受流器与接触轨发生刚性冲击，产生噪声以及比较严重的机械磨损[12－14]。为达到良好的受流工作状态，减少电气磨损和机械磨损，需保证接触轨安装的精度、线路的平顺性以及稳定性。

绝缘支撑装置通过预留槽道的T型螺栓固定在梁体上，再将C型轨挂在绝缘支撑上，将卡块从一侧推进C型轨内腔至两平面重合。C型轨的重心位于绝缘支撑的支撑面内，处于稳定的状态。由于热胀冷缩作用，接触轨与绝缘支撑装置需能够发生相对滑动；在固定接触轨时，不能将其完全锁死；在侧部受流的工程应用中，工字型接触轨的重心不在支撑装置的接触面内，在重力作用下接触轨发生偏转，交变载荷作用下，引起接触轨振动。

通过调节中间腔体在长孔101的位置，绝缘支撑装置在受流面法线方向可实现伸缩调节，其幅度为±15 mm；通过调节连接螺杆上的螺母，绝缘子以螺杆为中心转动，实现垂直于线路的平面内可进行角度调节，调节幅度为±6°。角度调节采用螺母在螺杆上上下移动，可实现角度的平滑调节及高精度控制。

5 绝缘支撑装置安全可靠性分析

(1)绝缘支撑装置一方面承载接触轨的固定载荷，另一方面磁浮列车受流器与在接触轨受流面的高速相对滑动，绝缘支撑装置受到周期性变化的载荷。每个绝缘支撑承受接触轨重力约为500 N，受流器施加在接触轨的正压力为80～150 N。绝缘支撑在外力作用下，以弹性应变为主，其疲劳寿命长，属于高周疲劳。绝缘支撑连接螺栓均采用防松螺母，在交变载荷及振动作用下，保证产品的稳定性与安全性。

(2)绝缘支撑装置优异的耐污闪性能是中低速磁浮安全可靠运行的前提。绝缘支撑装置污闪是影响供电系统安全运行的重要问题。绝缘支撑装置的复合绝缘子经一段时间运行，伞裙表面会累积一污层，在潮湿、大雾、阴雨或者结露环境下，伞裙上表面附着的水滴在足够大的电场力作用下，相邻水滴在沿电场方向易形成细长水带。水带的形成进一步增强了沿电场方向的相邻水带间的电场，使相邻水带的端部发生放电。污层的憎水性因火花放电而部分丧失，这使得污层在水带的溶解程度增大，从而导致水带电导率增大。当电压值达到临界时，某处的电弧迅速形成越过各水带表面，连接各个局部电弧，形成闪络现象。

硅橡胶具有良好的憎水性和独特的憎水迁移性，可显著提高绝缘部件的耐污闪性能。硅橡胶具有良好的憎水性使得附着在硅橡胶伞裙表面水分以不连续的孤立小水珠的形式存在，不易形成连续水带。硅橡胶伞裙竖直方向放置，形成的水珠到达一定尺寸，在重力及外界扰动的作用下，水珠沿伞裙表面滚落，也有利于清理沉积于伞裙表面的污秽。

6 工程应用

2019年5月和10月产品分别应用在唐山中车和铁建重工试验线上，安装调试过程精度高，伸缩调节精度在0.5 mm，角度调节精度为0.2°。线路投入使用以来，绝缘支撑装置机械性能、电气性能均达到设计要求。图4为安装在铁建重工试验线线路上的绝缘支撑装置。

图4 安装在试验线路固定接触轨的绝缘支撑装置

7 结束语

(1)本文介绍了一种中低速磁浮交通供电系统中一个关键装置——绝缘支撑装置。绝缘支撑作为固定支撑接触轨装置，其安装及调节精度高保证了线路的平顺性，其与接触轨稳定的支撑方式保证了线路的稳定性与可靠性。

(2)该绝缘支撑装置的材料选择满足机械力学及电气性能要求。其中底座及中间腔体采用6061B-T6挤压铝合金，可承受沿线路方向及垂直线路方向的较大载荷；复合绝缘子由6061B-T6挤压铝合金与玻璃钢芯棒压接而成，具有绝缘性能好、尺寸精度高、表面光洁度好、耐污性能好等优点；绝缘支撑装置的碳纤维增强尼龙垫块与接触轨接触面相接触的三个面均为圆弧面，有效避免接触轨与绝缘支撑装置相对滑动时产生的卡塞现象，保证了滑动顺畅，克服了同类产品轨体热胀冷缩过程中易卡死的现象；在检查维修时，碳纤维增强尼龙垫块可及时将聚集绝缘支撑装置的静电释放，保证了作业人员的安全。

(3)该绝缘支撑装置的机械力学及电气性能满足产品技术要求，经中铁检验认证中心检测，其静态载荷、极限破坏载荷、爬电距离、工频电压干湿耐受试验、雷电全波冲击电压耐受试验及工频人工污耐受电压试验等性能均合格，满足设计规范的要求。

(4)产品应用于唐山中车中低速磁浮试验线和铁建重工中低速磁浮线，对绝缘支撑装置在线运行情况及相关性能进行检测，产品各项性能稳定，与接触轨配合良好，未出现变形、断裂及电气烧蚀等不良现象。

该绝缘支撑装置已在中低速磁浮试验线安装应用，运行至今未发现异常现象。其机械性能、电气性能均满足工程要求。绝缘支撑结构简洁、安装调节方便，可大幅度提升安装施工的作业效率。