XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Контактная сеть – комплекс устройств для передачи электроэнергии от тяговых подстанций к электрическим подвижным составам через токоприемники. Контактная сеть является частью тяговой сети и служит для электрифицированного рельсового транспорта ее фазой при переменном токе или полюсом при постоянном токе; другой фазой или полюсом служит рельсовая сеть. Контактная сеть может быть выполнена с контактным рельсом или контактной подвеской.

Впервые ходовые рельсы были использованы в 1876 году русским инженером Ф.А. Пироцким для передачи электроэнергии движущемуся экипажу.

Основными элементами контактной сети с контактной подвеской, также называемой воздушной, являются: провода контактной сети (контактный провод, несущий трос, усиливающий провод), опоры, поддерживающие устройства. [1]

Контактную сеть с контактными подвесками классифицируют по нескольким категориям:

– по виду электрифицированного транспорта, для которого контактная сеть предназначена: магистрального, в том числе высокоскоростного, железнодорожного, трамвая и карьерного транспорта, рудничного подземного транспорта и др.;

– по роду тока и номинальному напряжению питающегося от контактной сети ЭПС;

– по размещению контактной подвески относительно оси рельсового пути: для центрального (магистральный железнодорожный транспорт) или бокового (промышленный транспорт) токосъема;

– по типам контактной подвески: контактная сеть с простой, цепной или специальной подвеской;

– по особенностям выполнения: контактная сеть перегонов, станций.

Простая (однопроводная) контактная подвеска представляет собой контактный провод, закрепленный непосредственно на поддерживающих конструкциях. Такая подвеска широко применяется на городском электрическом транспорте, например, на трамваях. На магистральных железных дорогах простую контактную подвеску допускается применять только на станционных и подъездных путях, где скорость движения поездов не превышает 50 км/ч. Качество токосъема при простой контактной подвеске во многом зависит от положения в вертикальной плоскости (стрелы провеса) контактного провода и его перегиба в опорном узле, характеризующегося углом наклона к проводу.

Уменьшить перегиб контактного провода в опорном узле, следовательно, выполнить простую подвеску с большими пролетами можно при двукратном или многократном подхвате (подвеске) контактного провода у опор, который легко выполнить с помощью отрезка продольного троса, смонтированного в виде петли. Такая подвеска называется простой петлевой контактной подвеской.

Существует несколько разновидностей простой петлевой контактной подвески: со стороной у опоры, со смещением от опоры, со смещенными от опоры двумя или четырьмя струнами; с рессорной струной; с рессорной струной и с двумя простыми струнами. Горизонтальное отклонение контактного провода от оси тока приемника в пролете под действием ветра наибольшей интенсивности с учетом порывистости и упругого прогиба опор не должно превышать 500 мм на прямых и 450 мм на кривых участках пути. В гололедных районах при выборе пролетов учитывают понижение уровня контактного провода в середине пролета, вызванное увеличением стрелы провеса при гололеде. На станционных путях контактный провод при гололеде может иметь стрелу провеса не более 0,35 м, на перегоне – не более 0,5 м.

В цепных контактных подвесках контактный провод (или контактные провода) подвешивают непосредственно с помощью звеньевых струн или через рессорную струну (или трос) к несущему тросу, закрепленному на поддерживающих устройствах.

Основными геометрическими параметрами цепных подвесок являются:

– Длина пролета – расстояние между соседними точками подвеса несущего троса к поддерживающим устройствам;

– Конструктивная высота – расстояние от контактного провода до несущего троса у точки его подвеса при беспровесном положении контактного провода в полукомпенсированной подвеске или номинальном напряжении несущего троса компенсированной подвески;

– Стрела провеса несущего троса – расстояние от низшей точки троса в пролете до прямой, проведённой через точки подвеса троса;

– Стрела провеса контактного провода – расстояние от наиболее удаленной по вертикали точки подвеса контактного провода у опор;

– Струновой пролет – расстояние между двумя соседними струнами;

– Длина струны – расстояние между точкой закрепления (подвеса) струны на несущем тросе (вспомогательном проводе, рессорной струне или каком-либо элементе, в свою очередь закрепленном на несущем тросе) до контактного провода.

Наличие несущего троса в цепной подвеске позволяет задать контактному проводу беспровесное положение в пролете подбором струн соответствующей длины или смонтировать его с небольшой стрелой провеса. В струновых пролетах стрелы провеса контактного провода незначительны, и могут быть доведены повышением натяжения контактного провода до размеров, мало влияющих на качество токосъёма, и соответствующим выбором расстояния между струнами, поэтому цепные контактные подвески позволяют осуществлять оптимальный токосъём при высоких скоростях движения и длине пролета между опорами не более 65 м. [2]

Цепные контактные подвески можно классифицировать по следующим основным признакам:

– Способ подвешивания контактных проводов к несущему тросу;

– Способ регулирования натяжения проводов;

– Взаимное расположение проводов, образующих подвеску в плане;

– Тип струн у опор.

Косая цепная подвеска на кривых участках позволяет существенно уменьшить в плане углы изменения направления контактного провода у опор в местах расположения фиксаторов (устройств, фиксирующих контактный провод в горизонтальной плоскости в необходимом положении). Это повышает эластичность контактной подвески в опорных узлах, что благоприятно влияет на токосъём, особенно в кривых малого радиуса. При определённых радиусах косая цепная подвеска может быть смонтирована без фиксаторов.

На ветровых участках применяется ромбовидная цепная подвеска, в которой контактные провода располагают в плане у опор в виде ромба с разносторонними зигзагами 300-400 мм, а в средней части пролета – параллельно оси пути на расстоянии 50-100 мм между ними. Ромбовидная подвеска более устойчива к ветру, чем подвески, в которых контактные провода, имеющие одинаковые зигзаги у опор, расположены параллельно друг другу по всему пролету.

В зависимости от расположения струн у опор и их типа цепная подвеска может быть:

– С простыми вертикальными струнами, когда струны устанавливают не далее 1-2 м от опор;

– Со смещенными простыми вертикальными струнами, когда струны удалены от опор более чем на 2 м, в одинарной подвеске опорные простые струны устанавливают обычно на расстоянии 4-5 м от опоры, в двойной подвеске – на расстоянии 5-9 м;

– Рессорной, когда струны контактного провода (или вспомогательного провода – в двойных подвесках) закреплены на рессорной струне (тросе);

– С упругими струнами, когда струны подвешивают к несущему тросу с помощью упругих элементов – гибких полимерных стержней или рычагов, которые скручивают несущий трос;

– Демпфированной, когда в струнах цепной подвески у опор установлены демпферы.

На российских электрифицированных железных дорогах смонтированы главным образом одинарная полукомпенсированная и компенсированная цепные подвески. На скоростной магистрали Москва – Санкт–Петербург, где скорость движения поездов достигает 200 км/ч, а на отдельных перегонах – до 250 км/ч, применена компенсированная рессорная подвеска с улучшенными параметрами и коэффициентом неравномерности эластичности не более 1,2. [3]

Тип контактной подвески для станций и перегонов определяется проектом, в зависимости от некоторых факторов: принятой скорости движения поездов, общей площади сечения проводов контактной сети, климатических местных условий, а также особенностей электрического подвижного состава. На главных путях, в зависимости от класса железнодорожной линии, а также на станционных путях, где скорость движения поездов не превышает 70 км/ч, должна применяться полукомпенсированная цепная подвеска со смещением от опор на расстояние от до 3 м сочлененными фиксаторами и вертикальными струнами.

Размер смещения от опор простых струн зависит от конструкции фиксаторов (простой или сочлененный) и материала (массы), из которого изготовлены дополнительные стержни сочлененных фиксаторов (сталь, алюминиевый сплав). Сочлененный фиксатор рекомендуется применять на путях, где скорости движения поездов превышает 50 км/ч.

На главных и приемоотправочных путях, по которым предусмотрен безостановочный пропуск поездов со скоростью до 120 км/ч, допускается использование полукомпенсированной рессорной подвески или компенсированной рессорной подвески. На главных путях перегонов и станций при скорости движения поездов более 120 км/ч (до 160 км/ч) применяют компенсированную рессорную подвеску с двумя или одним контактным проводом. [4]

Параметры системы «контактная подвеска – токоприемник» должны быть такими, чтобы размер отжатия контактных проводов токоприемника у опор при ветре до 5 м/с не превышал 150 мм, а при максимальной расчетной скорости ветра для рассматриваемого участка контактной сети – не более 250-300 мм.

На открытых местах, где в процессе эксплуатации скорость ветра может оказаться выше нормативной для данного района на 20% и более, применяют ромбовидные или пространственно-ромбические подвески, подвески с оттяжными проводами, либо устанавливают ограничители подъема дополнительного фиксатора, жесткие распорки на сочлененных прямых и обратных фиксаторах. В местах, подверженных автоколебаниям, на проводах контактной сети устанавливают гасители автоколебаний.

Контактные провода являются одним из основных элементов контактной сети. От правильного выбора их материалов, площади сечения и конструкции зависят технико-экономические показатели, стоимость сооружения и эксплуатация контактной сети.

Материал для контактных проводов должен обладать высокой механической прочностью, износостойкостью (твердостью), электропроводностью и теплопроводностью. Высокая механическая прочность провода позволяет натягивать их с большим натяжением, что повышает ветроустойчивость контактных подвесок, улучшает качество токосъёма, стабилизирует работу цепной подвески. Высокая электропроводность способствует снижению потерь электроэнергии в контактных подвесках. Термостойкий материал сохраняет прочность и твердость при высоких температурах нагрева. [5]

Для электрифицированных железных дорог применяют контактные провода фасонного и фасонного овального профиля с двумя продольными желобками для захвата головки провода зажима. Достоинством овальных проводов является их допустимый длительный ток, повышенный на 10% (ввиду большего периметра профиля и, как следствие, лучшего охлаждения), и меньшее аэродинамическое сопротивление.

Существуют контактные провода следующих марок: МФ – медный фасонный, МФО – медный фасонный овальный, БрФ – бронзовый фасонный, БрФО – бронзовый фасонный овальный, НлФ – низколегированный фасонный. К марке провода добавляют его номинальную площадь сечения в мм².

Бронзовые контактные провода по сравнению с медными и низколегированными имеют более высокую износостойкость, прочность и термостойкость, но меньшую проводимость, что вызывает увеличение потерь электроэнергии в контактной сети.

Важной характеристикой контактных проводов является их твердость.

Несущие тросы цепных контактных подвесок должны обладать большой механической прочностью, невысоким коэффициентом температурного линейного удлинения (чтобы исключить значительные изменения стрел провеса контактных проводов) и быть атмосферостойкими. В качестве несущих тросов применяют неизолированные многопроволочные моно- и биметаллические, а также комбинированные провода.

Монометаллические провода свивают из проволок, изготовленных из одного металла (медные, бронзовые, стальные).

Биметаллические провода свивают из биметаллических проволок, имеющих сердцевину из одного, а оболочку из другого металла (сталемедные, сталеалюминевые).

Комбинированные провода свивают из проволок, изготовленных из разных металлов, либо из биметаллических проволок, изготовленных из одного металла, например, сталеалюминевые, сталемедные.

Многопроволочные провода изготавливают из круглых проволок, причем в центре помещают одну центральную проволоку, на которую навивают один или несколько повивов (слоев) проволоки в зависимости от требуемой площади сечения провода. При одной проволоке в центре и равном диаметре всех проволок первый повив имеет шесть проволок, а каждый последующий на шесть проволок больше. Таким образом, при одном повиве провод состоит из семи, а при двух – из 19(1+6+12) проволок. Все проволоки одного повива должны иметь одинаковый диаметр, диаметры проволок отдельных повивов могут быть различными. [6]

Медные провода в качестве несущих тросов применяют на электрифицированных участках постоянного тока, т.е. там, где требуется большая электрическая проводимость несущего троса. Медные многопроволочные провода М изготавливают из медной твердотянутой проволоки с временным сопротивлением разрыву при растяжении не менее 390 МПа и относительным удлинением не менее 1 %. Минимальный срок службы медных проводов составляет 50 лет.

Основные данные проводов М-95 и М-120, применяемых в качестве несущих тросов.

Биметаллические сталемедные провода изготавливают двух марок: ПБСМ1 – провод биметаллический сталемедный первого класса проводимости и ПБСМ2 – провод биметаллический сталемедный второго класса проводимости.

Электрическая изоляция контактной сети подвергается воздействию различного рода напряжений.

Во-первых, это длительно действующее рабочее напряжение. При номинальном напряжении 25 кВ, при переменном токе и 3 кВ при постоянном, уровень напряжения на токоприемнике ЭПС должен быть не менее 21 и не более 29 кВ при переменном токе, и не менее 2,7 и не более 4 кВ при постоянном.

Во-вторых, это кратковременные внутренние перенапряжения, возникающие при включениях и отключениях различных элементов контактной сети, а также при аварийных режимах (коммутационные перенапряжения). Опасными внутренними перенапряжениями являются перенапряжения при отключении коротких замыканий (к.з.) ненагруженных участков контактной сети и трансформаторов. На участках постоянного тока наиболее опасны также перенапряжения при отключении фидерными выключателями КЗ вблизи тяговой подстанции или поста секционирования. Их максимальное значение составляет 10-11 кВ. [7]

В-третьих, грозовые (атмосферные) перенапряжения, которые повреждают изоляцию при прямых ударах молнии в опору или контактную подвеску. Время их воздействия мало (10-100 мкс), однако при отсутствии специальных мер защиты их значения могут достигать миллионов вольт. Таких высоких напряжений не может выдерживать изоляция на любое номинальное напряжение, поэтому атмосферные перенапряжения ограничивают до приемлемых значений с помощью специальных устройств (разрядников, ограничителей перенапряжений).

Уровень изоляции выбирают, исходя из расчетных кратностей внутренних перенапряжений. Основной характеристикой изоляции является выдерживаемое напряжение под дождем, значение которого для контактной сети переменного и постоянного тока.

Электрические соединители (продольные и поперечные) устанавливают на сопряжениях анкерных участков и отдельных секций на железнодорожных станциях, в местах соединения усиливающих проводов с контактной подвеской и несущих тросов с контактными проводами, а также на воздушных стрелках при подключении разъединителей и разрядников или ограничителей перенапряжений (ОПН). Они должны обеспечивать надежный электрический контакт, эластичности контактной подвески и возможность продольных температурных перемещений проводов по всей длине.

Поперечные соединители устанавливают между всеми проводами контактной сети, относящимися к одному пути или группе путей (секции) на станции (контактными, усиливающими проводами и несущими тросами). Такое соединение обеспечивает протекание тока по всем параллельно расположенным проводам.

Продольные соединители устанавливают в местах сопряжения анкерных участков, на воздушных стрелках и местах подключения усиливающих и питающих проводов к контактной подвеске. Суммарная площадь сечения продольных соединителей должна быть равна площади сечения соединяемых ими подвесок, причем для надежного контакта продольные соединители на главных путях и других ответственных местах контактной сети выполняют из двух и более параллельно расположенных проводов. В гололедных районах продольные соединители на сопряжениях анкерных участков подключают таким образом, чтобы обеспечить эквивалентную площадь сечения в пределах переходного пролета для возможности плавки гололеда на контактных проводах.

Обводные соединители монтируют в тех местах, где необходимо соединить отдельные провода, заанкерованные на опоре или искусственном сооружении с разных сторон, и восполнить в этом месте недостающую площадь сечения контактной сети. Площадь сечения обводных соединителей выбирают соответствующую общей площади сечения соединяемых подвесок.

Опорным узлом цепной контактной подвески называют часть ее пролета у опоры между первыми от опоры простыми (вертикальными) струнами (в обе стороны). От конструкции и параметров опорных узлов контактных подвесок во многом зависят размер и равномерность износа контактного провода в пролете, качество токосъема, особенно при высоких скоростях движения поездов, надежность работы подвесок при низких и высоких температурах воздуха, сильном ветре, больших гололедно-изморозевых отложениях.

Опорные узлы цепных подвесок должны отвечать следующим требованиям:

– Иметь эластичность, по возможности близкую к эластичности контактной подвески в середине пролета;

– Обеспечивать одинаковое вертикальное перемещение контактного провода во всех точках опорного узла при изменении температуры воздуха;

– Быстро гасить колебания контактного провода после прохода токоприемника;

– Обеспечивать равномерное нажатие токоприемников на контактный провод по всей длине пролета;

– Препятствовать распространению колебаний вдоль цепной подвески при автоколебаниях, не возбуждать горизонтальные колебания контактного провода.

Опорные узлы с рессорными струнами (тросами), а также со смешанными от опоры простыми струнами являются эластичными при всех возможных в эксплуатации нажатиях токоприемников, в отличие от опорного узла с простой струной, который становится эластичным только при большом его нажатии. Конструкцию опорного узла цепной подвески принимают в зависимости от скорости движения поездов, типа контактной подвески (компенсированная или полукомпенсированная) и ее расположения в плане (прямой участок пути или кривая).

Контактные подвески выполняют в виде отдельных участков длиной не более 1600м, механически независимых друг от друга. До обновления и реконструкции допускается увеличение длины анкерного участка, но не более 1800 м. На участках скоростного движения поездов (161-200 км /ч) длина анкерного участка должна быть не более 1400 м. На перегонах с кривыми участками пути длину анкерного участка уменьшают в зависимости от радиуса и расположения кривых. Такое разделение позволяет осуществить компенсированные анкеровки проводов, уменьшить зону повреждения в случае обрыва проводов контактной сети, упрощает монтаж подвески, так как ее можно сооружать отдельными участками. Опоры, воспринимающие натяжение провода, называют анкерными, а расстояние между этими опорами – длинной анкерного участка, или анкерными участком. Чтобы устранить возможные нежелательные перемещения проводов в сторону одного из компенсаторов, примерно в середине анкерного участка устраивают специальный узел контактной подвески, называемой средней анкеровкой. В полукомпенсированных подвесках среднюю анкеровку осуществляют только для контактного провода, в компенсированных – для контактного провода и несущего троса. Длину анкерного участкаопределяют исходя из условия, чтобы изменение натяжения компенсированных проводов в анкерном участке вследствие реакции консолей, струн и фиксаторов не превышало для контактных проводов ± 15% и для несущих тросов ± 10% (на скоростных участках ± 5%) номинального их натяжения, создаваемого компенсаторами. Сопряжение анкерных участков бывают не изолирующие, т.е. только с механическим разделением цепных подвесок, и изолирующие (с секционированием), в которых, кроме механического, осуществлено и электрическое разделение. Одновременное взаимодействие полоза токоприемника с контактными проводами обеих ветвей трехпролетного сопряжения в средней части должно быть при не изолирующем сопряжении на длине 8-12 м, при изолирующем 6-12 м. Не изолирующие сопряжения выполняют в трех пролетах. Двухпролетные сопряжения анкерных участков контактных подвесок сохраняются до обновления и реконструкции на путях депо и на станционных путях, на которых скорость не превышает 50 км /ч.

Нормальное взаимодействие токоприемников с контактными подвесками при ветре (особенно при порывистом ветре) может быть нарушено вследствие больших горизонтальных отклонений контактного провода от оси полоза токоприемника, длительных устойчивых вертикальных колебаний проводов цепных подвесок в пролетах, недопустимых отжатий контактных проводов токоприемниками.

Чтобы обеспечить ветроустойчивость контактной подвески, необходимо, чтобы расстояния между опорами не превышали допустимых значений. Основными ограничениями являются: отклонение контактного провода от оси токоприемника в пролете под действием максимального ветра или ветра при гололеде на проводах; обеспечение необходимых вертикальных габаритных расстояний контактных проводов при гололеде на проводах контактной подвески или большом нагреве их тяговыми токами, а в некоторых случаях – свободно подвешенных проводов на опорах контактной сети. На участках со скоростями движения более 160 км/ч длина пролета ограничивается по условию надежного токосъема как в нормальных условиях, так и при сильном ветре, гололеде, и определяется проектом. Максимальная длина пролета не должна превышать 65 м.

Метод статического расчета длины пролетов контактных подвесок имеет следующие недостатки: ветровая нагрузка принимается по времени и по длине пролета постоянной, соответствующей средней расчетной скорости ветра; не учитывается изменение натяжения проводов, образующих контактную подвеску, при воздействии на них пульсирующей ветровой нагрузки.

Метод динамического расчета ветровых отклонений проводов контактной сети и максимально допустимых длин пролетов контактных подвесок основан на решении уравнения колебаний проводов при действии случайно пространственно-временной ветровой нагрузки. При динамическом расчете ветровых отклонений учитывают: возможные пульсации скорости ветра как по времени, так и по длине пролета; изменения натяжения компенсированных контактных проводов и несущих тросов цепных контактных подвесок при воздействии на них ветровой нагрузки. Динамический расчет позволяет определять ветровые отклонения проводов контактной сети с заданной надежностью. Однако он требует применения сложных математических формул.

Список использованной литературы

1. Горошков Ю.И., Бондарев Н.А. Контактная сеть. - М. Транспорт, 2011 - 400с.

2. Воронин А.В., Электроснабжение электрифицированных железных дорог. - М.. Транспорт, 2010 - 296 с.

3. Мамошин Р.Р., Зимакова А.Н. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. Учебник для техникумов железнодорожного транспорта - М. Транспорт, 2011 - 296 с.

4. Фрайфельд А.В. Проектирование контактной сети. - М.. Транспорт, 2014 - 328 с.

5. Бондарев Н.А., Чекулаев В.Е. Контактная сеть: Учебник для студентов техникумов и колледжей ж.-д. транспорта. — М.: Маршрут, 2006. — 590 с.

6. Устройство и техническое обслуживание контактной сети. Учеб. пособие / В.Е. Чекулаев и др.; под ред. А.А. Федотова. — М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2014. — 436 с. 

7. Бондарев Н.А., Чекулаев В.Е. Контактная сеть. - М.: Маршрут, 2009. - 590 с.

Код для цитирования: Скопировать