Тяговая сеть

Контактная сеть, рельсы, питающие и отсасывающие линии образуют тяговую сеть железных дорог.

Контактная сеть служит для непосредственного подведения электрической энергии к электроподвижному составу.

В зависимости от назначения и условий эксплуатации контактная сеть может быть выполнена в виде воздушной контактной подвески на опорах или контактного (третьего) рельса, установленного рядом с путями на кронштейнах с изоляторами. Контактные рельсы используют в СССР только на метрополитенах. На магистральных электрических дорогах нашей страны контактные рельсы не применяют из-за трудностей, связанных с обеспечением безопасности людей и животных, защиты от снежных заносов и т. д.

Контактная сеть должна обеспечивать бесперебойный токосъем при наибольших скоростях в любых атмосферных условиях. Практически это требование означает, что при значительных колебаниях температуры, образовании гололеда, сильном ветре, максимально допустимой скорости движения электроподвижного состава, установленной графиком движения, не должен нарушаться скользящий контакт между контактным проводом и токоприемником.

Воздушные контактные подвески подразделяют на простые и цепные. Простая контактная подвеска, называемая иногда трамвайной (рис. 138), состоит из контактного провода, подвешенного на опорах к консолям на изоляторах. Контактный провод может занимать почти горизонтальное положение только при какой-то одной температуре. При любой другой температуре он либо провиснет, либо натяжение его превысит допустимое. В условиях больших скоростей движения токоприемник может не успевать следовать за очертаниями контактного провода; в результате этого возможны нарушения скользящего контакта, особенно в точках подвеса контактного провода. На электрифицированных железных дорогах простая контактная подвеска применяется на второстепенных станционных путях, где не допускаются большие скорости движения.

Рис. 138. Простая (трамвайная) подвеска контактного провода

На магистральных участках железных дорог в СССР, как и за рубежом, применяют цепные подвески, которые в свою очередь подразделяют на одинарные и двойные. Цепные подвески позволяют увеличивать расстояние между опорами и обеспечивают безыскровой скользящий контакт при высоких скоростях.

В цепной одинарной подвеске (рис. 139) контактный провод с помощью часто размещенных струн подвешивают к несущему тросу, имеющему наибольший провес. Несущий трос на изоляторах крепится к консолям, расположенным на опорах. Положение цепной подвески относительно оси пути устанавливают фиксаторами, в которые врезаны фиксаторные изоляторы. При двойной цепной подвеске (рис. 140) к несущему тросу на струнах подвешивают вспомогательный провод, к которому также струнами крепят контактный провод. Двойная цепная подвеска допускает наибольшие скорости движения.

Рис. 139. Цепная одинарная подвеска

Рис. 140. Двойная цепная подвеска

Контактный провод в цепных подвесках подвешивают так, чтобы он располагался по всей длине пролета примерно на одной высоте от головки рельса. Это достигается применением струн разной длины: коротких в средней части пролета и более длинных у опор.

В плане на прямых участках пути контактные провода располагают зигзагообразно относительно оси пути. Это необходимо для обеспечения равномерного износа накладок токоприемников.

Зигзаг устанавливают в соответствии с длиной рабочей части токоприемника. На дорогах Советского Союза зигзаг составляет 0,3 м в каждую сторону. Зигзаг контактному проводу придают фиксаторами, устанавливаемыми на каждой опоре.

Несущий трос может быть расположен зигзагообразно вместе с контактным проводом (рис. 141, а), по оси пути (рис. 141, б) и с зигзагом, обратным зигзагу контактного провода (рис. 141, в). В зависимости от этого цепная подвеска называется соответственно вертикальной, полукосой и косой. Выбор типа расположения подвески в плане зависит от скорости и преимущественного направления ветра на данном участке. Косая цепная подвеска наиболее устойчива к воздействию ветра и позволяет применять большие пролеты. Однако монтаж ее значительно сложнее.

Рис. 141. Расположение цепной контактной подвески в плане

В проводах контактной подвески необходимо поддерживать определенное натяжение, чтобы обеспечить минимальные стрелы провеса контактного провода. На электрифицированных железных дорогах применяют полукомпенсированные и компенсированные контактные подвески, отличающиеся способом натяжения проводов.

В полукомпенсированной цепной подвеске с помощью грузовых компенсаторов (рис. 142) обеспечивают постоянное натяжение контактного провода независимо от его температуры. Из-за этого отдельные точки контактного провода перемещаются вдоль пути при изменениях окружающей температуры и тем больше, чем ближе точка находится к компенсатору. Так как в полукомпенсированной подвеске несущий трос закреплен на опоре жестко, при колебаниях температуры стрела его провеса изменяется (рис. 143). Вместе с несущим тросом приподнимается или опускается контактный провод. В зимнее время возникает так называемый отрицательный провес (рис. 143, в), что значительно снижает качество токосъема. Учитывая это, в полукомпенсированной подвеске натяжение контактного провода регулируют так, чтобы он располагался беспровесно при температуре не среднегодовой, а ниже ее на 10 ÷ 15°C.

Рис. 142. Полукомпенсированная цепная контактная подвеска

Рис. 143. Изменение стрелы провеса полукомпенсированной цепной подвески в зависимости от температуры: а - беспровесное положение; б - положительный провес; в - отрицательный провес (штриховыми линиями показано беспровесное положение проводов)

В компенсированной цепной подвеске в контактный провод и несущий трос включены приспособления, автоматически компенсирующие температурные изменения и поддерживающие постоянное натяжение троса и контактного провода. Довольно часто контактный провод и несущий трос крепят к общему компенсатору.

Грузовой компенсатор в полукомпенсированной и компенсированной подвесках состоит из груза и нескольких блоков, через которые его с помощью троса присоединяют к проводам.

Обычно натяжение контактного провода устанавливают равным 10000 Н (1000 кгс). Тогда вес груза при одном подвижном блоке составляет 5000 Н (500 кгс) и при двух подвижных блоках 2500 Н (250 кгс). Чтобы можно было включить грузовые компенсаторы в провод контактной подвески, последнюю разбивают на отдельные участки, механически не связанные друг с другом (рис. 144), называемые анкерными. Длина анкерного участка составляет около 1600 м на прямых отрезках пути.

Рис. 144. Анкерный участок

В полукомпенсированной или компенсированной подвеске не исключена вероятность того, что по какой-либо причине контактный провод в случае температурных изменений начнет перемещаться только в сторону одного грузового компенсатора, например, при неисправности блока компенсатора, расположении подвески на уклоне, под действием токоприемника и т. д. Во избежание этого устраивают среднюю анкеровку, т. е. жестко закрепляют контактный провод в середине анкерного участка.

В полукомпенсированной цепной подвеске средняя анкеровка представляет собой отрезок троса, прикрепленный в средней точке а к контактному проводу (рис. 145), а концами - к несущему тросу. Разность усилий в двух частях анкерного участка воспринимается одной из ветвей средней анкеровки. В случае обрыва контактного провода (предположим, в точке б) выходит из строя только половина анкерного участка. Устройство средней анкеровки компенсированной подвески сложнее, так как ее необходимо выполнить и для контактного провода и для несущего троса.

Рис. 145. Средняя анкеровка

Чтобы обеспечить плавный переход полоза токоприемника с контактного провода одного анкерного участка на смежный без нарушения скользящего контакта и снижения установленной скорости движения, устраивают так называемые сопряжения анкерных участков. Рассмотрим такое сопряжение (рис. 146). Между анкерными опорами 1 и 4 расположены две переходные опоры 2 и 3, на которых подвешены контактные подвески сопрягаемых анкерных участков I и II.

Рис 146. Сопряжение анкерных участков

В пролете между переходными опорами каждый из контактных проводов по мере приближения к переходной опоре, с которой он отходит к своей анкерной опоре, постепенно поднимается и у переходной опоры располагается на 200 мм выше рабочего контактного провода. Этого достигают, соответственно укорачивая струны. Токоприемник, проходя между опорами 2 и 3, сначала скользит по контактному проводу одного участка (например, I при движении слева направо), затем примерно в середине пролета касается проводов обоих сопрягаемых участков и далее продолжает движение, касаясь контактного провода сопрягаемого анкерного участка II.

Если контактные подвески в сопряжениях анкерных участков электрически не связаны специальными электрическими соединителями, то образуется так называемый воздушный промежуток и контактные подвески сопрягаемых анкерных участков соединяются электрически только в момент прохода токоприемника через сопряжение.

В тех случаях, когда анкерные участки даже на мгновение нельзя электрически соединять, например при сопряжении анкерных участков с различными по фазе напряжениями, применяют нейтральные вставки (рис. 147).

Рис. 147. Нейтральная вставка

Нейтральной вставкой называют участок контактной подвески, на котором в нормальных условиях нет напряжения. Нейтральные вставки на дорогах постоянного тока устраивают в тех случаях, когда габариты какого-либо искусственного сооружения не позволяют подвесить контактный провод, находящийся под напряжением, без нарушения минимального расстояния до ближайших заземленных частей.

Нейтральную вставку осуществляют, монтируя дополнительную контактную подвеску 1, которая вместе с подвесками смежных анкерных участков I и II образует два последовательно включенных воздушных промежутка. Нейтральные вставки располагают так, чтобы токоприемник локомотива, следующего через сопряжение анкерных участков, сначала переходил с контактного провода анкерного участка I (при движении слева направо) на нейтральную вставку и далее с нейтральной вставки на контактный провод анкерного участка II. Через нейтральную вставку поезд проходит без тока по инерции. Для того чтобы он не остановился в пределах нейтральной вставки, при подходе к ней машинист разгоняет поезд до соответствующей скорости. Если поезд вынужденно остановился под нейтральной вставкой, то его выводят, включив секционные разъединители 2 или 3 в зависимости от того, в какую сторону должен двигаться поезд. Чтобы машинист знал, где нужно отключить и снова включить ток, устанавливают предупредительные сигнальные знаки.

Для обеспечения нормальной работы электрифицированных железных дорог большое значение имеет выбор электрического сопротивления контактной сети. Напомним, что номинальное напряжение в контактной сети дорог переменного тока составляет 25 кВ и постоянного тока - 3 кВ. Все тяговые и другие расчеты производят исходя из этих значений. На шинах тяговых подстанций напряжение на 10% выше номинального для компенсации падения напряжения и составляет 27,5 кВ для дорог переменного тока и 3,3 кВ на дорогах постоянного тока при номинальной нагрузке.

Однако резкие изменения нагрузок в тяговой сети вызывают значительные колебания напряжения. При понижении напряжения снижается скорость движения поездов и тем самым уменьшается пропускная способность дорог. Поэтому Правилами технической эксплуатации железных дорог Союза ССР установлен уровень напряжения на токоприемнике электровозов на любом участке: не менее 21 кВ при переменном токе и 2,7 кВ при постоянном токе. Электрическое сопротивление контактной сети должно быть выбрано таким, чтобы удовлетворить эти требования. При этом учитывают также сопротивление рельсовой сети питающих и отсасывающих линий.

Контактные провода изготовляют из меди, обладающей большой проводимостью. Наибольшее распространение получили контактные провода марки МФ (медный, фасонный). Фасонными их называют из-за двух продольных пазов (рис. 148), необходимых для закрепления различных зажимов. На главных путях применяют контактные провода сечением 100 и 150 мм² (МФ-100, МФ-150), а на станционных - сечением 85 мм². Иногда используют также провода бронзовые, сталемедные.

Рис. 148. Сечение контактного провода

В качестве несущих тросов применяют медные и биметаллические (сталемедные) провода, стальные тросы. Биметаллические провода свиты из отдельных биметаллических проволочек, каждая из которых имеет стальную сердцевину, покрытую тонким слоем меди. Сечение проводов контактной сети дорог переменного тока значительно меньше, чем на дорогах постоянного тока. Это объясняется более высоким напряжением, подводимым к токоприемникам электровозов. Обычно на дорогах переменного тока вполне достаточно несущего троса и контактного провода для обеспечения необходимой проводимости контактной подвески.

На дорогах постоянного тока вынуждены подвешивать два контактных провода, располагая их рядом, кроме того, дополняют подвеску усиливающими проводами.

Рельсовая сеть служит вторым проводом тяговой сети. На железных дорогах используют рельсы типов Р50, Р65 и Р75 (цифры указывают массу в килограммах одного метра рельса).

Для уменьшения сопротивления рельсовой сети тяговому току устанавливают соединители в рельсовых стыках. Стыковые соединители представляют собой небольшие отрезки гибкого медного провода с двумя наконечниками, привариваемыми к рельсам по обе стороны стыка.

На линиях, оборудованных автоблокировкой или электрической централизацией, устраивают изолированные стыки для разделения рельсов на блок-участки. В этих случаях путь для тягового тока в обход изолированных стыков без нарушения работы устройств автоблокировки обеспечивают с помощью дроссель-трансформаторов, называемых также путевыми дросселями (рис. 149). Дроссель-трансформаторы устанавливают с обеих сторон каждого изолированного стыка. Средние точки их соединяют.

Рис. 149. Схема дроссель-трансформатора

Для срабатывания устройств автоблокировки необходимо, чтобы сигнальный ток прошел из одной рельсовой нити в другую, отделенную изолированным стыком. Обмотки дроссель-трансформаторов обладают большим индуктивным сопротивлением, что практически делает невозможным прохождение через них сигнального переменного тока. В последнее время в устройствах автоблокировки на дорогах переменного тока применяют ток частотой 25 Гц, а на дорогах постоянного тока 50 Гц, что предупреждает ложное срабатывание сигналов автоблокировки.

Переменный или постоянный тяговый ток I_Т свободно проходит через обмотки дроссель-трансформаторов в перемычку между их средними точками, так как тяговые токи в каждой половине обмотки дросселя направлены встречно, вследствие чего магнитные потоки, создаваемые ими, взаимно уничтожаются.