Комплекс устройств для передачи электроэнергии от тяговых подстанций к ЭПС через токоприёмники. Контактная сеть является частью тяговой сети и для рельсового электрифицированного транспорта обычно служит её фазой (при переменном токе) или полюсом (при постоянный токе); другой фазой (или полюсом) служит рельсовая сеть.
Контактная сеть может быть выполнена с контактным рельсом или контактной подвеской. Ходовые рельсы впервые были использованы для передачи электроэнергии движущемуся экипажу в 1876 русским инженером Ф. А. Пироцким. Первая контактная подвеска появилась в 1881 в Германии.
Основным элементами контактной сети с контактной подвеской (часто наз. воздушной) являются провода контактной сети (контактный провод, несущий трос, усиливающий провод и пр.), опоры, поддерживающие устройства (консоли, гибкие поперечины и жёсткие поперечины) и изоляторы. Контактные сети с контактными подвесками классифицируют: по виду электрифицированного транспорта, для которого контактная сеть предназначена,- магистрального, в т. ч. высокоскоростного, ж.-д., трамвая и карьерного транспорта, рудничного подземного транспорта и др.; по роду тока и номинальном напряжению питающегося от контактной сети ЭПС; по размещению контактной подвески относительно оси рельсового пути-для центрального (магистральный железнодорожный транспорт) или бокового (промышленный транспорт) токосъёма; по типам контактной подвески - контактные сети с простой, цепной или специальной подвеской; по особенностям выполнения - контактные сети перегонов, станций, для искусств, сооружений.
В отличие от др. устройств электроснабжения контактная сеть не имеет резерва. Поэтому к надёжности контактной сети предъявляют повышенные требования, с учётом которых осуществляются проектирование, строительство и монтаж, техническое обслуживание контактной сети и ремонт контактной сети.
Выбор общей площади сечения проводов контактная сеть обычно осуществляется при проектировании системы тягового электроснабжения. Все остальные вопросы решаются с помощью теории контактная сеть- самостоятельной научной дисциплины, становлению которой во многом способствовали работы сов. учёного И. И. Власова. Основан вопросами проектирования контактная сеть являются: выбор числа и марок её проводов в соответствии с результатами расчётов системы тягового электроснабжения, а также тяговых расчётов, выбор типа контактной подвески в соответствии с макс, скоростями движения ЭПС и др. условиями токосъёма; определение длины пролёта (главным образом по условию обеспечения её ветроустойчивости); выбор типов опор и поддерживающих устройств для перегонов и станций; разработка конструкций контактная сеть в искусств, сооружениях; размещение опор и составление планов контактная сеть станций и перегонов с согласованием зигзагов проводов и с учётом выполнения воздушных стрелок и элементов секционирования контактной сети (изолирующих сопряжений анкерных участков, секционных изоляторов и разъединителей). При выборе методов строительства и монтажа контактная сеть в ходе электрификации железных дорог стремятся, чтобы они в возможно меньшей степени отражались на перевозочном процессе при безусловном обеспечении высокого качества работ.
Основным производств, предприятия по сооружению контактной сети- строительно-монтажные поезда и электромонтажные поезда. Организация и методы технического обслуживания и ремонта контактной сети выбираются из условий обеспечения заданного высокого уровня надёжности контактной сети при наименьших трудовых и материальных затратах, безопасности труда работников районов контактной сети, возможно меньшего влияния на организацию движения поездов. Производств, приятием по эксплуатации контактной сети является дистанция электроснабжения.
Основные размеры (см. рис.), характеризующие размещение контактной сети относительно других пост, устройств ж. д.,- высота Н подвешивания контактного провода над уровнем верха головки рельса;



Основные элементы контактной сети и размеры, характеризующие её размещение относительно других постоянных устройств магистральных железных дорог: Пкс - провода контактной сети; О - опора контактной сети; И - изоляторы.
расстояние А от частей, находящихся под напряжением, до заземлённых частей сооружений и подвижного состава; расстояние Г от оси крайнего пути до внутреннего края опор контактной сети на уровне головок рельсов.
Совершенствование конструкций контактной сети направлено на повышение её надёжности при снижении стоимости строительства и эксплуатации. Ж.-б. опоры контактной сети и фундаменты металлической опор выполняются с учётом электрокоррозионного воздействия на их арматуру блуждающих токов. Увеличение срока службы контактного провода достигается, как правило, применением на токоприёмниках угольных контактных вставок.
При техническом обслуживании контактной сети на отечественных ж. д. без снятия напряжения используют изолирующие съёмные вышки, монтажные автомотрисы. Перечень работ, выполняемых под напряжением, был расширен благодаря применению двойной изоляции на гибких поперечинах, в анкерах проводов и др. элементах контактной сети Многие контрольные операции осуществляются средствами ихнего диагностирования, которыми оснащены вагоны-лаборатории. Оперативность переключений секционных разъединителей контактной сети значительно возросла благодаря применению телеуправления. Увеличивается оснащённость дистанций электроснабжения специализированным механизмами и машинами для ремонта контактной сети (например, для рытья котлованов и установки опор).
Повышению надёжности контактных сетей способствуют использование разработанных в нашей стране методов плавки гололёда, в т. ч. без перерыва движения поездов, электрорепеллентной защиты, ветроустойчивой ромбовидной контактной подвески и др. Для определения числа районов контактных сетей и границ участков обслуживания пользуются понятиями эксплуатационной длины и развёрнутой длины электрифицированных путей, равной сумме длин всех анкерных участков контактных сетей в заданных пределах. На отечественных железных дорог развёрнутая длина электрифицированных путей является учётным показателем для районов К. е., дистанций электроснабжения, отделений дорог, и более чем в 2,5 раза превышает эксплуатационных длину. Определение потребности в материалах на ремонтно-эксплуатационные нужды контактных сетей производится по её развёрнутой длине.

Контактной сетью называется специальная линия электропередачи, служащая для подвода электрической энергии к электроподвижному составу. Специфической ее особенностью является то, что она должна обеспечивать токосъем движущимся электровозам. Второй специфической особенностью контактной сети является то, что она, не может иметь резерва. Это обуславливает повышенные требования к надежности ее работы.
Контактная сеть состоит из контактной подвески пути, опор контактной сети, поддерживающих и фиксирующих в пространстве проводов контактной сети устройств. В свою очередь, контактная подвеска образуется системой проводов – несущего троса и контактных проводов. Для системы тяги постоянного тока имеется, как правило, два контактных провода в подвеске и один для системы тяги переменного тока. На рис. 6 приведен общий вид контактной сети.

Тяговая подстанция снабжает электроэнергией электроподвижной состав через контактную сеть. В зависимости от соединения контактной сети с тяговыми подстанциями и между контактными подвесками других путей многопутного участка в границах отдельной межподстанционной зоны различают следующие схемы: а) раз дельную двустороннюю;

Рис. 1. Общий вид контактной сети

б) узловую; в) параллельную.



а)

в)
Рис. 2. Основные схемы питания контактных подвесок путей а) – раздельная; б) – узловая; в) – параллельная. ППС- пункты параллельного соединения контактных подвесок различных путей; ПС – пост секционирования; ТП – тяговая подстанция

Раздельная двусторонняя схема – схема питания контактных подвесок, при которой энергия в контактную сеть поступает с двух сторон, (смежные тяговые подстанции работают параллельно на тяговую сеть), однако между собой контактные подвески электрически не соединяются в границах межподстанционной зоны. Область применения такой схемы – питание участков электрической железной дороги с непротяженными межподстанционными зонами и сравнительно равномерным электропотреблением по направлениям.
Узловая схема – схема, отличающаяся от предыдущей наличием электрической связи между подвесками путей. Такая связь осуществляется при помощи так называемых постов секционирования контактной сети. Техническое оснащение постов секционирования контактной сети позволяет в случае необходимости устранять не только поперечную связь между подвесками путей, но и продольную, разбивая контактную сеть в границах межподстанционной зоны на отдельные электрически не связанные между собой секции. Это существенно повышает надежность работы системы тягового электроснабжения. С другой стороны наличие узла в нормальных режимах позволяет более эффективно использовать контактные сети путей для передачи электрической энергии к электроподвижному составу, что дает существенную экономию энергии при неравномерном электропотреблении по направлениям. Следовательно, область применения такой подвески – участки электрической железной дороги с протяженными межподстанционными зонами и значительной неравномерностью электропотребления по направлениям.
Параллельная схема – схема, отличающаяся от узловой схемы большим числом электрических узлов между контактными подвесками путей. Применяется при еще большей неравномерности потребления электроэнергии по путям. Такая схема особенно эффективна при вождении тяжелых поездов.

Системы тока и напряжение в контактной сети

Первой в мире в 1895 году была электрифицирована железная дорога Балти­мор – Огайо (США) протяженностью 115 км. На ней электрическая энергия постоянного тока передавалась на электровоз не по контактному проводу, который появился значительно позднее, а по третьему рельсу, расположенному между двумя ходовыми рельсами. Напряжение постоянного тока в третьем рельсе было такое же, как и на тяговых двигателях – 650 В. Двигатели были тихоходными, громоздкими, имели низкий коэффициент полезного действия.

Еще в середине прошлого века русский физик Д. А. Лачинов установил, что чем выше напряжение в электрической цепи, тем меньше потери энергии при передаче ее на расстояние. Поэтому стремятся иметь в контактной сети возможно более высокое напряжение, изыскивая экономичные способы преобразо­вания его до значения, подходящего для питания тяговых двигателей.

Дальнейшее развитие электрификации на постоянном токе шло по пути повышения напряжения в контактной сети. Во Фран­ции и Англии в 20-х годах ХХ столетия железные дороги электрифицировали на постоянном токе напряжением 1200 и 1500 В. Впоследствии на французских дорогах перешли в основ­ном на напряжение 3000 В. Однако такое напряжение не являет­ся оптимальным ни для тяговых двигателей, ни для системы электроснабжения. Для двигателей оно велико, так как приемле­мые масса, габаритные размеры и наименьшая стоимость полу­чаются при напряжении порядка 900 В. Для системы электро­снабжения напряжение 3000 В мало, так как при этом требуется располагать тяговые подстанции относительно часто – на рас­стоянии 20–25 км друг от друга. Тем не менее, это напряжение применяется на дорогах постоянного тока при питании тяговых двигателей непосредственно от контактной сети.

Указанные недостатки определили высокую стоимость системы электроснабжения на постоянном токе.

Между тем переменный ток в отличие от постоян­ного обладает следующим важным свойством: его напряжение можно изменять достаточно просто. Для этого необходим трансформа­тор, т. е. устройство, не имеющее подвижных частей и содержа­щее две обмотки – первичную и вторичную с заранее рассчитан­ными числами витков. На первичную обмотку подается имею­щееся напряжение, с вторичной обмотки снимается требуемое.

Возможность использования высокого напряжения в контакт­ной сети дорог переменного тока, что ведет к уменьшению потерь энергии в процессе передачи ее на электроподвижной состав, и последующего понижения его до значения, приемле­мого для тяговых двигателей, позволяет существенно снизить стоимость электрификации железных дорог. Однако при этом усложняется устройство электроподвижного состава (ЭПС), так как приходится иметь на нем регулируемый преобразователь переменного тока в постоянный, поскольку до сих пор не создан надежный и экономичный тяговый двигатель переменного тока.

Конструкция токоприемников и ЭПС в целом была очень громоздкой. Опыт эксплуатации выявил сущест­венные недостатки принятой системы тока, которые заключались в трудности регулирования частоты вращения асинхронных двигателей ЭПС, а в области электроснабжения – в обеспе­чении надежной работы трехфазной контактной сети, особенно на воздушных стрелках, представляющих собой изолированные пе­ресечения контактных проводов разных фаз. Поэтому, несмотря на простоту трехфазных трансформаторных тяговых подстанций и надежность работы бесколлекторных асинхронных двигателей на электровозах, система трехфазного тока для тяги распрост­ранения не получила. На дорогах Италии она заменена системой 3000 В постоянного тока.

Система тяги на однофазном токе с применением тяговых коллекторных двигателей на электрическом подвижном составе возникла в начале XX в. При этом в первое время применяли пониженную, а в дальнейшем промышленную (нормальную) частоту питающего тока. На ряде участков электрифицирован­ных железных дорог Франции, Турции и Конго эксплуатируются коллекторные двигатели переменного тока, работающие на частоте 50 Гц. Однако они являются более дорогими и менее надежными, чем двигатели постоянного тока, вследствие чего такие двигатели применяют преимущественно на пассажирском электроподвижном составе. Использование пониженной частоты было вызвано необ­ходимостью обеспечить удовлетворительную работу коллекторных двигателей.

Однако в этом случае требуется сооружение специальных электрических станций для питания ЭПС или дорогостоящих преобразовательных подстанций. В первом случае тяговые под­станции представляют собой простейшие трансформаторные уста­новки. По этому пути развивалась электрификация железных дорог в Германии, Австрии, Швейцарии и Норвегии, где железные дороги имеют собственные электрические станции, вырабатывающие электрическую энергию при частоте 16 2 / 3 Гц, и в США, где используется электроэнергия частоты 25 Гц. Питание электрических дорог от общих трехфазных систем через специаль­ные тяговые подстанции, преобразующие трехфазный ток нор­мальной частоты в однофазный ток пониженной частоты, приме­нено в Швеции.

Электрификация железных дорог СССР начиналась на посто­янном токе с напряжением в контактной сети 1,2 – 1,5 кВ на пригородных участках и 3 кВ на магистральных. В последние десятилетия развитие электрификации в основном осуществляет­ся на однофазном переменном токе с напряжением в контакт­ной сети 25 кВ, а теперь еще и по системе 2х25 кВ. Линии постоянного тока, работавшие при более низком напряжении, переведены на 3 кВ, за исключением узкоколейного участка от Боржоми до Бакуриани (42 км), где используются импорт­ные электровозы, рассчитанные на питание от сети напряжением 1,5 кВ.

В бывшем СССР осуществлялась комплексная электрификация, т. е. электрификация не только железных дорог, но и прилегающих районов. Поэтому сооружать специальные электрические станции или преобразовательные подстанции для получения тока понижен­ной частоты экономически нецелесообразно.

При тяге на однофазном токе промышленной частоты на сооружение устройств электроснабжения железных дорог тре­буются наименьшие капиталовложения по сравнению с другими системами тока, но возникают трудности с созданием простых и надежно работающих электровозов. Преодоление этих труднос­тей, заключающихся в большой сложности устройств преобразо­вания энергии на ЭПС для питания тяговых двигателей, шло по пути разработок электровозов однофазного тока со статическими преобразователями.

Технико-экономический анализ и опыт эксплуатации элек­тровозов однофазного тока различных типов показали, что наиболее экономичным и надежным является электровоз со статическими преобразователями переменного тока в постоянный (пульсирующий) для питания тяговых двигателей. Поэтому та­кую систему тяги называют также системой однофазно-постоян­ного (пульсирующего) тока, подчеркивая условия работы тяговых двигателей.

Статические ртутные преобразователи использовались на ЭПС примерно до середины ХХ столетия. Затем они усту­пили место силовым кремниевым полупроводниковым преобразо­вателям.

Термин полупроводники – исторически сложившаяся условность и никак не отражает свойств этих элементов. Дело в том, что долгое время материа­лы делили на две группы – проводники электрического тока и диэлектрики, т. е. непроводники, изоляторы. Сравнительно недавно (в первой половине ХХ столетия) было установлено, что такие элементы, как германий, кремний и т. п., обладают удивительным свойством – пропускают переменный ток в одном направлении и не пропускают его в направлении, противополож­ном (обратном) из-за ничтожной проводимости. Их-то и назвали полупровод­никами с тем, чтобы не менять уже сложившееся деление материалов на группы проводников и диэлектриков.

Установки, собранные из полупроводниковых элементов, часто называют из-за их односторонней проводимости выпрямительными, хотя в действитель­ности они никакого «выпрямления» переменного напряжения и тока не производят.

Полупроводники, обладая свойством односторонней проводимости, способство­вали бурному развитию преобразовательной техники, открыли совершенно новые возможности использования электрической энергии вообще и в системах электрической тяги в частности.

На базе второго поколения полупроводников – управляемых силовых кремниевых элементов, называемых тиристорами, были созданы импульсные системы управления режимами работы ЭПС. В таких системах электрическая энергия поступает к тяговым двигателям не непрерывно, а отдельными быстро сле­дующими друг за другом короткими порциями – импульсами, что существенно расширяет регулировочные возможности ЭПС.

Наиболее совершенные из этих систем построены на базе микропроцессорной техники, т. е. программно-управляющих уст­ройств, содержащих требуемый набор микрокоманд, которые определяют заданную последовательность выполнения элементар­ных операций. Эти устройства позволяют значительно повысить тягово-энергетические показатели ЭПС и электрической тяги в целом.

Электрификация железных дорог, являясь составной частью электрифи-

кации всего народного хозяйства, увеличивает пропуск­ную и провозную способность железнодорожных линий, улучшает топливно-энергетический баланс страны, повышает производительность труда и общую культуру работы железнодорожников. Особенно ярко достоинства электрической тяги проявляются при её реализации на большом протяжении.

В странах СНГ протяжен­ность железных дорог, электрифи­цированных по обеим системам то­ка, превышает 53 тыс. км. Уста­новлен номинальный уровень напря­жения на токоприемниках ЭПС: 3 кВ при постоянном и 25 кВ при переменном токе.

Основными параметрами системы электроснабжения электрифициро­ванных железных дорог являются мощности тяговых подстанций, рас­стояние между ними и площадь сечения контактной подвески. На­грузочная способность важнейших элементов электроснабжения (тран­сформаторов, выпрямителей, кон­тактной сети) зависит от допускае­мой температуры их нагрева, опре­деляемой значением и длитель­ностью протекающего тока.

Тяговые подстанции на электри­фицированных дорогах постоянного тока выполняют две основные функ­ции: понижают напряжение подво­димого трехфазного тока и преобра­зуют его в постоянный ток. Для этой цели используют трансформа­торы, выпрямители и другое обору­дование. Широко применяют полу­проводниковые выпрямители, кото­рые обладают высокой надежностью, простотой устройства, обслуживания и управления, компактностью. Все оборудование переменного тока раз­мещают на открытых площадках тяговых подстанций, а выпрями­тели и вспомогательные агрегаты – в закрытых помещениях. От тяговых подстанций электроэнергию по питающим линиям подают в контакт­ную сеть. Относительно низкое на­пряжение (3 кВ) является основ­ным недостатком системы постоян­ного тока, вследствие чего по кон­тактной сети к электроподвижному составу подводится мощность (равна произведению напряжения на ток) с большим тяговым током. Для поддержания нужного уровня напря­жения на токоприемниках локомоти­вов тяговые подстанции размещают близко друг от друга (10–20 км), а для передачи больших токов при­ходится увеличивать площадь сече­ния проводов контактной подвески.

При росте грузооборота строят дополнительные тяговые подстанции, увеличивают площадь сечения кон­тактной сети (подвешивают усили­вающие провода и др.), чтобы повы­шение числа и массы поездов не вызывало резкого падения напря­жения и, следовательно, скоростей движения поездов. Радикальным способом устранения недостатков электроснабжения постоянного тока является создание системы регули­рования напряжения в контактной сети.

Увеличение мощности в контакт­ной сети за счет значительного повышения напряжения постоянного тока требует изготовления и эксплуа­тации тяговых двигателей, рассчи­танных на более высокое напряже­ние, что связано с большими трудностями (сильно усложняется изо­ляция электрического оборудования, возникает опасность пробоя ионизи­рованного слоя воздуха и др.).

Система однофазного тока напря­жением 25–28 кВ широко приме­няется для тяги поездов на желез­ных дорогах стран СНГ. Переменный ток дает возможность значительно повы­сить технико-экономические показа­тели электрической тяги благодаря тому, что по контактной сети пере­дается мощность при меньших токах по сравнению с системой постоян­ного тока, и обеспечивает движение тяжеловесных поездов с установлен­ными скоростями при высокой грузо­напряженности линий. Тяговые под­станции в этом случае размещают на расстоянии 40–60 км друг от друга. Они являются по существу трансформаторными подстанциями, понижающими напряжение с 110– 220 до 25 кВ. Поскольку на этих подстанциях переменный ток не пре­образуют в постоянный, то они не имеют выпрямительных агрегатов и связанного с ними вспомогательного оборудования. Их устройство и обслуживание значительно проще и де­шевле тяговых подстанций постоян­ного тока. Все оборудование таких подстанций размещают на открытых площадках, но электроподвижной состав переменного тока слож­нее.

Повышение напряжения позво­лило бы уменьшить потери напря­жения и электроэнергии и увеличить расстояние между тяговыми подстан­циями, однако, это свя­зано с большими затратами на уси­ление изоляции, замену электро­подвижного состава и др. Для улуч­шения показателей электрификации на переменном токе разработана система 2х25 кВ с промежуточ­ными автотрансформаторами, раз­мещаемыми на расстоянии 8–15 км друг от друга. От тяговых под­станций к автотрансформаторам электроэнергия напря­жением 50 кВ подводится по контактной под­веске и дополнительному питаю­щему проводу. Далее от автотрансформаторов к электроподвижному составу энергия подается с напря­жением 25 кВ.

Применение системы электро­снабжения 2х25 кВ не вызывает изменений в электроподвижном сос­таве, но ее недостатком является необходимость подвески специаль­ного питающего провода.

На участках переменного тока работают локомотивы со статичес­кими преобразователями и двигате­лями пульсирующего тока. Созданы опытные образцы мощных электро­возов с бесколлекторными двига­телями – асинхронными и вентиль­ными.

Важным преимуществом подвиж­ного состава переменного тока является возможность его совер­шенствования за счет применения тиристорных преобразователей, электронных систем управления и др.

Переменный ток оказывает элект­ромагнитное влияние на металличес­кие сооружения и коммуникации, расположенные вдоль железнодо­рожных путей. В результате на них наводится опасное напряже­ние, а в линиях связи и автоматики возникают помехи. Поэтому приме­няют особые меры защиты сооруже­ний, а воздушные линии связи заме­няют на кабельные или радиорелейные и реконструируют автомати­ку. На это расходуется около 20–25 % общей стоимости электри­фикации. Неотъемлемой частью устройств электроснабжения элект­рифицированных железных дорог яв­ляются средства автоматики и теле­механики.

Стыкование линий, электрифи­цированных на постоянном и пере­менном токе, осуществляют по кон­тактной сети на специально оборудованных железнодорожных стан­циях стыкования или используют электровозы двойного питания, ко­торые работают и на постоянном и на переменном токе.

Тяговые подстанции. В систему тягового электро­снабжения входят многочисленные и разнообразные установки – тяговые подстанции, посты секционирования, пункты параллель­ного соединения контактных сетей двух путей, установки для компенсации реактивной мощности при переменном токе, устрой­ства для повышения напряжения при постоянном токе и др. Наиболее сложными из них являются тяговые подстанции. В со­ответствии с родом тока, подаваемого в контактную сеть, разли­чают подстанции постоянного и переменного тока. Иногда в местах стыкования участков, электрифицированных на различных систе­мах тока, располагают подстанции постоянно-переменного тока – стыковые подстанции.

Тяговые подстанции подключают к ЛЭП системы внешнего электроснабжения, имеющим различное напряжение (от 6 до 220 кВ). Они могут быть опорными, промежуточными (транзит­ными и отпаечными) и тупиковыми. Иногда тя­говые подстанции совмещают с подстанциями внешней энергоси­стемы, в некоторых случаях – с дежурными пунктами контактной сети. Как правило, тяговые подстанции строят стационарными с открытыми и закрытыми распределительными устройствами (РУ), однако бывают и передвижные подстанции, которые можно перемещать с одного места работы на другое.

На первых тяговых подстанциях постоянного тока в Закав­казье и на Урале устанавливали вращающиеся преобразовате­ли переменного тока в постоянный (мотор-генераторы). Впослед­ствии их повсеместно вытеснили статические преобразователи – ртутные выпрямители. Бурное развитие полупроводниковой тех­ники не обошло и электрические железные дороги. Начиная с 1964 г. громоздкие и недостаточно надежные ртутные выпрями­тели начали заменять на полупроводниковые; последний ртутный выпрямитель был демонтирован в 1972 г.

Тяговые подстанции имеют довольно сложные электрические цепи. Главные из них рассмотрим применительно к тяговой под­станции переменного тока 25 кВ (опорной) и тяговой подстанции постоянного тока 3 кВ (транзитной). Стыковые тяговые под­станции отдельно рассматривать не будем, так как их электричес­кие цепи включают в себя цепи подстанций постоянного и пере­менного тока.

Тяговая сеть

Впервые передача электрической энергии движущемуся вагону была осуществлена в 1876 г. русским инже­нером Ф. А. Пироцким. Для этого использовались ходовые рельсы, изолированные друг от друга. Одному из них была придана поло­жительная полярность, другому – отрицательная. Чтобы рельсы не замыкались через оси вагона, его колеса были деревянными, а токосъем производился металлическими щетками, скользив­шими по рельсам. Позднее для подвода питания к вагону стали устанавливать третий рельс, получивший название контактного. Сначала этот рельс располагали на изоляторах между ходовыми рельсами, а затем сбоку от них.

В 1881 г. появилась первая воздушная контактная подвеска, предложенная немецкой фирмой «Сименс». Токосъем с висящего провода осуществлялся с помощью ролика, установленного на токоприемнике вагона. В первых таких конструкциях ролик пере­мещался по верхней части провода, в последующих – по нижней. Затем на токоприемниках на смену деталям, катящимся по про­воду, пришли элементы, скользящие по нему.

Основные способы токосъема, предложенные еще в прошлом веке, сохранились до наших дней. До сих пор элементы контакт­ной сети, имеющие непосредственный контакт с токоприемниками, выполняют в виде контактных рельсов и воздушных контакт­ных подвесок.

Но конструкция их, конечно, существенно изме­нилась. На рисунке 2.84 приведена схема токосъема на отечественных метрополитенах: контактный рельс 4 устанавливают сбоку от ходового рельса 2; на кpoнштейне 3 его крепят к шпале 1 . Токоприемник 5 касается контактного рельса снизу. Этот рельс закрывают деревянным коробом 7 с изоляцией 6.

Тяговая сеть состоит из контакт­ной и рельсовой сетей, питающих и отсасывающих линий. Контакт­ная сеть представляет собой сово­купность проводов, конструкций и обору-дования, обеспечивающих пе­ре-дачу электрической энергии от

тяговых подстанций к токоприем-

­никам электроподвижного состава. Она устроена таким обра-

зом, что обеспечивает бесперебойный то­косъем локомотивами при наиболь­ших скоростях движения в любых атмосферных условиях.

Контактную сеть выполняют в ви­де воздушных подвесок. При движе­нии локомотива токоприемник не должен отрываться от контакт­ного провода, иначе нарушается токосъем и возможен пережог про­вода. Надежная работа контактной сети в значительной мере зависит от стрел провеса провода и нажатия токоприемника на провод.

Воздушные контактные подвески. Их делят на простые и цеп­ные. Простая контактная подвеска (рисунок 2.85) представляет собой провод, свободно висящий между точками подвеса, распо­ложенными на опорах. Расстояние между осями опор называют длиной пролета l п, или просто пролетом. Этот провод непосред­ственно вступает в контакт с токоприемниками ЭПС, и поэтому его называют контактным.

Качество токосъема во многом зависит от стрелы провеса контактного провода. Стрела провеса – это расстояние, изме­ряемое в плоскости расположения провода между точкой его подвеса и точкой наибольшего провисания. Стрела провеса тем больше, чем больше нагрузка на провод, и тем меньше, чем силь­нее натянут провод. От длины пролета стре-

ла провеса провода находится в квадратичной зависимости: например, при уменьше­нии пролета в 2 раза стрела провеса уменьшится в 4 раза.

Если не принять специальных мер для поддержания натя­жения провода на определенном уровне, его натяжение и стрела провеса будут изменяться при колебаниях температуры и нагруз­ки. При увеличении температуры длина провода возрастает, а значит, увеличивается его стрела провеса и снижается натя­жение. При понижении температуры длина провода уменьшается, что вызывает уменьшение стрелы провеса и увеличение натяже­ния.

Стрела провеса провода будет меняться и при изменениях нагрузки на него. Например, в случае образования на проводе гололедных отложений нагрузка увеличится, и стрела провеса станет больше. Иногда во время сильных гололедов она даже больше, чем при максимальной температуре воздуха. Под давле­нием ветра нагрузка, действующая на провод, также увеличива­ется, и провод отклоняется в сторону от вертикального положения. Это отклонение и стрела провеса провода (в плоскости его откло­нения) будут тем больше, чем сильнее ветер.

Чтобы обеспечить лучшее качество токосъема, стремятся иметь небольшие стрелы провеса контактного провода, так как при этом токоприемник меньше перемещается по вертикали и ему легче следовать за изменениями

высоты контактного провода.

Уменьшения стрелы провеса контактного провода можно до­стичь, снижая нагрузку на провод, уменьшая длину пролета и увеличивая натяжение. Лучше всего было бы уменьшить длину пролета, но это нежелательно, так как возрастет число опор и, следовательно, увеличится стоимость контактной сети. Из­менить нагрузку на провод, за исключением удаления гололедных образований, нельзя – она определяется весом самого провода. Повысить натяжение провода можно, но только до предела, определяемого максимальным допускаемым в условиях эксплуа­тации значением – оно ограничено прочностью провода. Поэтому, если необходимо существенно уменьшить стрелу провеса кон­тактного провода, приходится усложнять контактную подвеску.

Большое значение для достижения бесперебойного токосъема имеет также равномерность эластичности контактной подвески вдоль пролета. Эластичность подвески характеризует ее способ­ность подниматься под воздействием токоприемника. Чем меньше разница в высоте подъема контактного провода в разных местах пролета, тем более плавно движется токоприемник и надежнее его контакт с проводом.

Эластичность измеряют отношением высоты, на которую под­нялся контактный провод, к силе нажатия токоприемника, выз­вавшей этот подъем. Величину, обратную эластичности контактной подвески, называют ее жесткостью. Жесткость подвески пока­зывает, какую силу нужно приложить к данной точке, чтобы поднять подвеску на 1 м. Эластичность простой контактной под­вески вдоль пролета резко неравномерна – наибольшая в сере­дине пролета, наименьшая – в точках подвеса.

Осложняет токосъем наличие на контактной подвеске жест­ких точек. Жесткой называют такую точку на подвеске, в ко­торой эластичность значительно меньше, чем в середине про­лета. При простой контактной подвеске каждая точка подвеса является жесткой. Следовательно, нежелательно уменьшать длину пролета как по экономическим соображениям, так и потому, что растет число жестких точек.

Простые контактные подвески обеспечи­вают удовлетворительный токосъем при сравнительно неболь­ших скоростях движения. Их в основном применяют для трамваев и троллейбусов. Поэтому простую подвеску называют иногда трам­вайной.

Цепные контактные подвески (рисунок 2.86) применяют на магистраль­ных и пригородных электрифицированных участках во всех стра­нах. В та

Кой подвеске контактный провод в пролете между опо­рами висит не свободно, а на часто расположенных проволо­ках – так называемых струнах, которые прикреплены к другому, расположенному выше проводу, называемому несущим тросом . Для того чтобы контактный провод занимал опреде­ленное положение относительно оси токоприемника и не откло­нялся от нее под действием ветра на недопустимое расстояние, на опорах устанавливают

специальные устройства – фиксаторы.

Преимущества цепной подвески по сравнению с простой заключается в следующем . В цепной подвеске при определенных температуре и нагрузке благодаря наличию несущего троса можно задать любую стрелу про-

веса контактного провода, подобрав соответствующие длины струн в пролете. Можно достигнуть и так называемого беспровесного положения контактного провода, при котором нижние концы всех струн находятся на одном и том же расстоянии от головок ходовых рельсов. В этом случае счи­тают, что контактный провод располагается по прямой линии и его стрела провеса равна нулю. Для того чтобы при простой подвеске получить такие же стрелы провеса контактного провода, как между струнами цепной подвески, надо при прочих одинако­вых условиях уменьшить длину пролета между опорами до рас­стояния между струнами, что совершенно неприемлемо. Малые стрелы провеса контактного провода позволяют при цепной под­веске смягчить, уменьшить жесткость точек вблизи опор, т. е. улуч­шить качество токосъема. Эластичность цепной подвески можно выровнять не только увеличением ее у опор, но и снижением в средней части пролета.

Изменения стрел провеса контактного провода при цепной подвеске в основном зависят от изменений стрел провеса несущего троса, а не от их абсолютных размеров. Если устранить изменения стрелы провеса несущего троса, то можно считать, что стрела провеса контактного провода будет неизменной.

Стрелы провеса контактного провода между струнами можно довести до чрезвычайно малых, практически не ощутимых для токоприемника значений, поддерживая определенное натяжение контактного провода и уменьшая расстояние между струнами.

Высота подвески контактного провода над уровнем верха головки рель-

са должна быть на перегонах и станциях не ниже 5750 мм и не должна превышать 6800 мм. В гори­зонтальной плоскости контактный провод закреплен фиксаторами так, что относительно оси пути он подве­шен зигзагообразно с отклонением у каждой опоры на ±300 мм. Благодаря этому контактный провод достаточно устойчив против ветра и не перетирает контактные пластины токоприемников.

При цепных подвесках, как видим, значительно улучшается качество токосъема. Кроме того, удается выполнять довольно большие пролеты между опорами (примерно вдвое большие, чем при простых подвесках) и обеспечивать движение поездов с очень высокими скоростями (300 км/ч и более).

Наибольшее распространение получили мед­ные фасонные (МФ) контактные провода из твердотянутой электро­литической меди сечением 85, 100 и 150 мм 2 (рисунок 2.87). Их заменяют через 6–7 лет и более. Износ контактных проводов снижает сухая графитовая смазка полозов токо­приемников, применение угольных полозов и износостойких медно-кадмиевых и медно-магниевых кон­тактных проводов.

Опоры применяют железобетон­ные (рисунок 2.88)

и металлические (рисунок 2.89). Расстояние от оси

Крайнего пути до внутреннего края опор контактной сети на перего­нах и станциях должно быть не менее 3100 мм. На сущест-

вующих электрифицированных линиях, а так­же в особо трудных условиях на вновь электрифицированных линиях расстояние от оси пути до внутрен­него края опор допускается не менее 2450 мм на станциях и 2750 мм на перегонах.

Биметаллические несущие тросы имеют сечение до 95 мм 2 , а медные – до 120 мм 2 . С помощью изоляторов их подвешивают к консолям, укрепленным на опорах, или к жест­ким и гибким поперечинам, пере­крывающим железнодорожные пути. Струны из сталемедной проволоки выполнены так, что они не мешают подъему контактного провода токо­приемниками. Фиксаторы делают легкими и подвижными, чтобы при прохождении токоприемника воз­никали удары.

На крупных станциях контактные провода подвешены только на путях, предназначенных для приема и отправления поездов на перегоны с электротягой, а также на путях электровозных и мотор-вагонных де­по. На промежуточных станциях, где маневры выполняются электро­возами, контактной сетью оборудо­ваны осе пути. Над стрелочными переводами контактная сеть

имеет воздушные стрелки, образуемые пе­ресечением двух контактных под­весок.

Устройство контактной сети на раздельных пунктах приведено на рисунке 2.90.

Рисунок 2.90 – Устройство контактной сети на раздельном пункте: поперечный несушнй трос 2, верхний 4 и нижний 7 фиксирующий тросы крепят к металлическим опорам /; тросы друг с другом соединяют электрическими оединителями 3; в нижнем тросе устраивают нейтральные участки 5 и

устанавливают секционирующие изоляторы 6

Для надежной работы и удоб­ства обслуживания контактную сеть делят на отдельные участки (сек­ции) с помощью воздушных про­межутков и нейтральных вставок (изолирующих сопряжений), а также секционных и врезных изоляторов. При проходе токоприемника элект­роподвижного состава по воздуш­ному промежутку он кратковремен­но электрически соединяет обе сек­ции контактной сети. Если по усло­виям питания секций это недопусти­мо, то их разделяют нейтральной вставкой, состоящей из нескольких последовательно включенных воз­душных промежутков. Применение таких вставок обязательно на участ­ках переменного тока, когда смеж­ные секции питаются от разных фаз трехфазного тока. Длина нейтраль­ной вставки устанавливается с таким расчетом, чтобы при любых комбинациях поднятых токоприем­ников подвижного состава пол­ностью исключалось одновременное замыкание контактных проводов нейтральной вставки с проводами при­легающих к ней секций контактной сети. В отдельные секции выделяют перегоны и промежуточные станции, а на крупных станциях – отдель­ные группы электрифицированных путей. Соединяют или разъединяют секции секционными разъединителя­ми, установленными на опорах контактной сети. Между соседними тяговыми подстанциями размещают посты секционирования, оборудо­ванные автоматическими выключа­телями для защиты контактной сети от коротких замыканий.

С целью безопасности обслужи­вающего персонала и других лиц, а также для улучшения защиты от токов короткого замыкания зазем­ляют или оборудуют устройствами защитного отключения металличес­кие опоры и элементы, к которым подвешена контактная сеть, а также все металлические конструкции, рас­положенные ближе 5 м от частей контактной сети, находящихся под напряжением.

Для снабжения электроэнергией линейных железнодорожных и район­ных потребителей на опорах кон­тактной сети дорог постоянного тока подвешивают специальную трехфаз­ную линию электропередачи на­пряжением 10 кВ. Кроме того, в необходимых случаях на этих опорах размещают провода теле­управления тяговыми подстанциями и постами секционирования, низко­вольтных осветительных и силовых линий и др.

Безопасность обслуживающего персонала и других лиц и увели­чение надежности защиты контакт­ной сети от токов короткого замы­кания обеспечиваются заземлением устройств, которые могут оказаться под напряжением вследствие нарушения изоляции или соприкоснове­ния их с оборванными проводами. Заземляют все металлические опоры и конструкции, расположенные на расстоянии не менее 5 м от контакт­ной сети. В зоне влияния контактной сети переменного тока зазем­ляют также все металлические соору­жения, на которых могут возник­нуть опасные наведенные напря­жения.

На электрифицированных доро­гах рельсы используют для пропуска тяговых токов, поэтому верхнее строение пути на таких дорогах имеет следующие особенности:

· к головкам рельсов с наружной стороны колеи прикреплены (приваре­-

ны) стыковые соединители из мед­ного троса, вследствие чего умень­шается электрическое сопротивление рельсовых стыков;

· применяют щебеночный балласт, обладающий хорошими диэлектри­ческими свойствами. Зазор между подошвой рельса и балластом делают не менее 3 см;

· деревянные шпалы пропитывают креозотом, а железобетонные надеж­но изолируют от рельсов резино­выми прокладками;

· рельсовые нити через определен­ные расстояния электрически соеди­няют между собой, что позволяет уменьшить сопротивление току;

· линии, оборудованные автоблоки­ровкой и электрической централиза­цией, имеют изолирующие стыки, с помощью которых образованы от­дельные блок-участки. Чтобы про­пустить тяговые токи в обход изо­лирующих стыков, устанавливают дроссель-трансформаторы или час­тотные фильтры.

Питающие и отсасывающие ли­нии (сети) выполняют воздушными или кабельными. Для предохранения подземных металлических сооруже­ний от повреждения блуждающими токами уменьшают сопротивление рельсовых цепей, улучшают их изоляцию от земли, а также устраи­вают специальную защиту.

Контактная сеть электрифицированных железных дорог работает в тяжелых условиях: резкие изменения температуры воздуха, ветер, дождь, гололед, нагрев проводов тяговыми токами. В то же время контактная сеть не имеет резерва, поэтому к ее надежности предъявляются особые требования. По конструкции контактные сети постоянного тока 3 кВ и переменного тока 25 кВ имеют много общего и отличаются главным образом уровнем изоляции. На участках переменного тока площадь поперечного сечения проводов КС меньше, а изоляция выше вследствие более высокого напряжения в сети.

Контактная сеть железных дорог состоит из контактной подвески и опорных (поддерживающих) конструкций, а также из вспомогательных узлов и устройств (усиливающих и экранирующих проводов, секционных изоляторов, воздушных стрелок и др.).

На электрифицированных дорогах применяют простые и цепные контактные подвески. Простая подвеска состоит из одного провода, подвешенного на конструкциях или на опорах, расположенных на расстоянии 30-40 м друг от друга. Ее используют в искуственных сооружениях (тоннелях) железных дорог, где скорость движения не превышает 35-40 км/ч, а также в трамвайных и троллейбусных сетях.

Для обеспечения хорошего токосъема токоприемник ЭПС при движении по контактному проводу в пролете между опорами должен сохранять неизменное по высоте положение и постоянное нажатие на провод. Для выполнения этого требования служит цепная подвеска, один пролет которой (системы постоянного тока) показан на рисунке:

Несущий трех; (НТ) подвески крепится через гирлянду изоляторов (ГИ) к консоли (К), закрепленной на опоре (О). Контактный провод (КП) с помощью струнок (С) подвешивается к НТ. Конструкция струнок вместе с другими устройствами должна обеспечить беспровесное положение КП. С помощью фиксаторов (Ф) контактный провод фиксируется на консолях опор.

На опорах контактной сети постоянного тока подвешивают также провода ВЛ ПЭ 10 кВ с полевой стороны железной дороги на деревянных кронштейнах, к которым их крепят с помощью штыревых изоляторов. К этим линиям присоединяют электроприемники железнодорожных нетяговых потребителей, расположенных вдоль железной дороги.

Для защиты контактной сети от токов короткого замыкания и обеспечения безопасности людей при их прикосновении к металлическим частям, которые могут оказаться под напряжением вследствие нарушения изоляции, опоры заземляют на рельс. Стальной заземляющий провод (ЗП) диаметром 10-12 мм прокладьюается вдоль опоры и соединяет все металлические части и конструкции, расположенные ближе 5 м от проводов контактной сети, с тяговым рельсом.

Для людей опасность представляет также движущийся подвижной состав, поэтому при работах, связанных с перемещением вдоль железнодорожных путей, необходимо находиться от крайнего рельса на расстоянии не менее 2 м.

Пересечения линий электропередачи и контактной сети осуществляется в середине пролета. При этом расстояние между несущим тросом и проводами ЛЭП должно составлять 2-5 м в зависимости от напряжения.

Наибольшее распространение получила полукосая подвеска, у которой КП расположен зигзагообразно относительно оси пути, а НТ - над осью пути. Нормальный зигзаг на прямых участках пути составляет 300 мм. Зигзаги, направленные от опор, называются плюсовыми, а к опорам - минусовыми. Полукосая подвеска обеспечивает равномерный износ пластин токоприемника ЭПС благодаря поперечному смещению КП относительно средней точки токоприемника в процессе движения ЭПС.

Подвеску разбивают на отдельные анкерные участки длиной 1200-1600 м, контактные провода которых механически не связаны между собой. Контактный провод в конце каждого участка закрепляют (анкеруют) на анкерных опорах, несущие тросы могут анкероваться через 7 км. При некоторой средней температуре КП располагается беспровесно и обеспечивает хороший токосъем. При изменении температуры меняется длина НТ и КП, их натяжение и стрелы провесы; условия токосъема при этом ухудшаются. Для сохранения нормального токосъема применяют несколько способов анкеровки КП и НТ на анкерных опорах.

Подвеска, у которой НТ и КП крепятся к анкерной опоре жестко, называется некомпенсированной и допускает скорости движения до 60 км/ч.

В полукомпенсированной цепной подвеске несущий трос анкеруется на анкерной опоре жестко, а контактный провод - через грузовые компенсаторы.

Для предотвращения угона или перетягивания КП под действием разности масс грузов компенсаторов на разных анкерных опорах в середине анкерного участка его жестко фиксируют на несущем тросе отрезком вспомогательного троса длиной 15-20 м, называемым средней анкеровкой.

Средняя анкеровка позволяет уменьшить зону разрушения контактной сети при обрыве КП в любой части анкерного участка.

Благодаря наличию средней анкеровки и компенсаторов при изменении температуры контактный провод получает возможность продольного перемещения вдоль пути от средней анкеровки. Несущий же трос так перемещаться не может, поэтому возникает перекос струн. Для уменьшения влияния перекоса струн и улучшения токосъема устанавливают вместо коротких струн в последних от средней анкеровки пролетах скользящие струны, перемещающиеся вдоль НТ вместе с КП.

Полукомпенсированная цепная подвеска с простыми опорными струнами применяется на железных дорогах, так как она проста по конструкции и обеспечивает бесперебойный токосъем при скоростях до 70 км/ч.

Улучшить работу подвески можно путем замены обычных струн у опор (см. рис. 2.9) на рессорные (PC). При этом струны вверху крепят не к НТ, а к отрезку вспомогательного троса (ВТ) длиной 12-14 м, закрепленному на несущем тросе на расстоянии 6-7 м с каждой стороны опоры, и располагают их с обеих сторон консоли симметрично.

Полукомпенсированная подвеска с рессорными струнами, допускающая скорость до 120 км/ч, широко распространена на железных дорогах.

Компенсированной цепной подвеской называют такую, в которой и НТ и КП имеют компенсаторы; может быть отдельный компенсатор на каждый провод (рис. 2.13) или один компенсатор для обоих проводов. Струны такой подвески при изменении температуры сохраняют вертикальное положение, смещаясь вправо или влево вместе с контактным проводом и несущим тросом.

Величину натяжения КП и НТ регулируют изменением плеч на коромысле и количеством грузов ГК.
Блок компенсатора (БК) состоит из ролика (Р), укрепленного на вилке (В) и вращающегося в шариковых подшипниках (ШП). Смазка к подшипникам поступает через масленку (М), установленную на конце вала ролика. Трехблочные компенсаторы позволяют иметь вес груза, составляющий 25 % от натяжения, которое нужно создать в анкеруемых проводах. Грузы набирают из отдельных железобетонных элементов массой 25 кг каждый. Максимальные перемещения грузов при температурных изменениях не должны превышать расстояний а (между грузом и роликом) и в (между грузом и землей), величина которых определяется по специальным таблицам. Минимальная величина а и в обставляет 200 мм.

Чтобы обеспечить продольное перемещение проводов компенсированной подвески при изменениях температуры, несущий трос подвешивают на поворотных консолях. Для устройства средней анкеровки одну консоль в середине анкерного участка выполняют неповоротной и закрепляют жестко двумя оттяжками за соседние опоры. Таким образом создается средняя анкеровка компенсированной подвески, которая допускает скорость движения поездов до 140 км/ч.

Двойная цепная подвеска отличается от одинарной наличием вспомогательного провода, расположенного между несущим тросом и контактным проводом. Его подвешивают к несущему тросу на струнах нормальной длины, а контактный провод к вспомогательному тросу - на коротких струнах.

Двойная цепная рессорная подвеска с пружинно-масляными амортизаторами между несущим тросом и вспомогательным проводом дает возможность получить удовлетворительный токосъем при скоростях 200 км/ч и выше.

Современные российские скоростные подвески допускают скорости 160 и 200 км/ч. Они используются на Московском железнодорожном узле (КС-160) и на Октябрьской железной дороге между Москвой и Санкт-Петербургом (КС-200). Эти подвески вертикальные, компенсированные, с раздельной анкеровкой несущего троса и двойного контактного провода, с удлиненными до 20 м рессорными вспомогательными тросами и мерными струнами, поддерживающими контактные провода. Они подвешиваются на изолированных горизонтальных консолях с подкосами и с закреплением несущего троса над консолью. Усиливающий провод размещается на кронштейнах со стороны пути. Натяжение НТ марки М-120 составляет 18 кН, одного КП марки МФ-120 (сечением 120 мм2) - 12 кН. Укороченные анкерные участки имеют длину до 1400 м.

Общественный транспорт на электрической тяге появился более 130 лет назад, сегодня на фоне экологических проблем он получил максимальное распространение. Трамваи, троллейбусы, пригородные поезда и железнодорожные локомотивы комплектуются сегодня мощными электродвигателями. Электроэнергия для их питания подается с тяговых подстанций по контактной сети. Ее основой являются провода, осуществляющие контакт с токоприемником в процессе токосъема. Сегодня существуют провода контактной сети , состоящие из одного или двух проводов. Двойные провода используют для улучшения качества токосъема при силе тока более 1000А.

Особенности провода контактной сети

К проводам, используемых при создании контактных сетей, предъявляется ряд требований. Основными среди них являются:

• высокая износоустойчивость;
• прочность;
• высокое качество токосъема;
• гладка поверхность контакта;
• небольшая парусность.

Всем этим требованиям отвечает , аббревиатура которого расшифровывается как «медный фасонный». Свое название он получил из-за оригинальной формы сечения, напоминающей восьмерку. Образовалась она путем появления в медном проводе двух желобов, используемых для надежной фиксации подвесной арматуры. Получают такие провода контактной сети путем холодного проката медной проволоки. Там, где предъявляют особые требования к износоустойчивости провода, используют биметаллический провод. Он имеет высокопрочный стальной сердечник, покрытый медным слоем. Для снижения парусности контактной сети используют провод с овальным сечением, обеспечивающий хорошее качество токосъема.

Контактные провода на железной дороге

Железная дорога сегодня является основным потребителем контактного провода. Наиболее часто применяется провод с сечением в 100, 120 и 150 кв.мм, его используют на перегонах и главных путях железнодорожных станций. На линиях, электрифицированных постоянных током, применяется провод марки и . На линиях переменного тока используют биметаллические тросы, свитые из биметаллических проволок. Их преимуществом является высокая прочность, износоустойчивость, устойчивость к коррозии. Применяют контактный провод на железной дороге и с сечением в 70 кв.мм, им комплектуют пути, на которых работают маневровые локомотивы. За рубежом разнообразие провода контактных сетей железных дорог еще шире, сечение используемого провода варьируется от 65 до 194 кв.мм.

Материалом для контактного провода является электролитическая медь, в ряде стран используют бронзу. Бронзовый сплав с добавлением кадмия усиливает качество токосъема, позволяет использовать более высокие напряжения. Его износоустойчивость в два раза выше, чем у медного провода, но высокая стоимость ограничивает сферу применения такого контактного провода.

Троллейбусные контактные провода

Контактная сеть троллейбуса является наиболее сложной, ее особенностью является наличие двух проводов. Каждый контактный полюс троллейбуса имеет свою полярность, поэтому их тщательно защищают от возможного сближения. Кроме этого контактная сеть комплектуется стрелками, системами пересечения разных троллейбусных линий. Провод имеет классическую фасонную форму и производится из твердотянутой медной проволоки. На основных магистралях используется провод с сечением 85 кв.мм, для редко используемых и запасных путей применяется провод сечением в 65 кв.мм. Допускается применение биметаллического провода, имеющего стальную рабочую поверхность.

В опрос:
Почему какие-то электропоезда (электрички, трамваи и пр) работают на постоянном токе, а какие-то на переменном?

Ответ:

Использование двух родов тока в системе тягового электроснабжения железных дорог сложилось исторически. Все дело в том, что на заре электрификации на ЭПС использовались тяговые электродвигатели (ТЭД) исключительно постоянного тока. Это связано с их конструктивными особенностями, возможностью достаточно простыми средствами регулировать скорость и вращающий момент в широких пределах, возможностью работать с перегрузкой и т.д. Говоря техническим языком, электромеханические характеристики двигателей постоянного тока идеально подходят для целей тяги.

Двигатели же переменного тока (асинхронные, синхронные) имеют такие характеристики, что без специальных средств регулирования их применение для электротяги становится невозможным. Таких средств регулирования на начальном этапе электрификации еще небыло и поэтому, естественно, в системах тягового электроснабжения применялся постоянный ток при напряжении сначала 1500, а затем 3000 В, или как принято говорить у электриков, 1,5 или 3 кВ. Строились тяговые подстанции, назначением которых является понижение переменного напряжения питающей сети до необходимого значения, и его выпрямление, т.е. преобразование в постоянное.

Но шли годы, объемы перевозок на железной дороге увеличивались, соответственно росла нагрузка тяговых сетей. Мощность равна произведению тока на напряжение. Росли нагрузки, росли и потери в тяговой сети. Ведь потери пропорциональны квадрату тока, или. А это приводило к необходимости усиления тяговой сети, т.е. строились дополнительные тяговые подстанции, увеличивалось сечение проводов. Но все это радикально не решало проблемы. Выход был один — это уменьшить величину тока, но при той же мощности нагрузки это можно сделать только поднимая величину напряжения. А тут возникла серьезная проблема: для двигателей постоянного тока напряжение 3 кВ оказалось практически предельным. Это связано с его конструкцией, наличием коллектора и щеток, вращающейся обмотки якоря. При повышении напряжения, надежность работы этих узлов значительно снизилась. Двигатели же переменного тока для тяги в то время были совершенно непригодны.

Таким образом, возникло противоречие — для системы электроснабжения напряжение 3 кВ оказалось мало, а для ТЭД повышать его было невозможно. Но выход был найден с помощью перехода на переменный ток! В системе переменного тока на ЭПС стали устанавливать трансформаторы, которые позволяют, как известно, достаточно просто изменять величину напряжения, являются простыми и надежными. После трансформатора устанавливается выпрямитель, а дальше — ТЭД постоянного тока. При этом напряжение на ТЭД можно значительно понизить, тем самым повысив их надежность, а напряжение тяговой сети повысить, уменьшив потери в ней.

Так было и сделано. Напряжение тяговой сети переменного тока повысили до 25 кВ, на шинах тяговой подстанции 27,5 кВ. При этом увеличилось расстояние между тяговыми подстанциями, уменьшилось сечение проводов тяговой сети, а следовательно, и стоимость системы электроснабжения. На начальном этапе внедрения переменного тока снова возникли проблемы. Дело в том, что выпрямительная техника того времени была несовершенна. Для выпрямления переменного тока использовались ртутные выпрямители. А это достаточно сложные, дорогие и капризные агрегаты даже при работе в стационарных условиях, не говоря уже об их установке на ЭПС. Это еще несколько задержало внедрение переменного тока.

С появлением полупроводниковых выпрямителей эта проблема тоже решилась. Пока шло становление системы переменного тока, система постоянного тока бурно внедрялась на сети железных дорог. Когда все проблемы по переменному току удалось решить, значительная часть дорог оказалась уже электрифицирована на постоянном токе. Таким образом, система электрификации переменного тока является более совершенной и в настоящее время принята основной. По нормам проектирования постоянный ток должен применяться для завершения электрификации направлений, ранее электрифицированных на этом токе и для электрификации участков, примыкающих к таким направлениям. Кроме того, в настоящее время разработана система тягового электроснабжения переменного тока 2×25 кВ. При этом напряжение питающей сети увеличено до 50 кВ, а напряжение в контактной сети сохранилось прежним 25 кВ. По этой системе электрифицирована Байкало-Амурская магистраль и ряд участков в центре России. В местах стыкования систем постоянного и переменного тока устраиваются станции стыкования, где происходит смена локомотивов переменного и постоянного тока. Кроме того, существуют электровозы двойного питания, на переменный и постоянный ток, но в нашей стране они имеют ограниченное применение. Развитие полупроводниковой и микропроцессорной техники позволило снять ограничения на применение на ЭПС двигателей переменного тока. Эти двигатели, особенно асинхронные, являются простыми и надежными.

В настоящее время выпущены электровозы и электропоезда с двигателями переменного тока, ведутся дальнейшие исследования в этом направлении. А как переходы с одного на другой ток на граничных участках работают? посредством тепловозов? Нет. Контактная сеть на станции стыкования может переключаться на любой род тока — полностью или по частям. При этом электровоз, например, постоянного тока подходит к станции, ему подают в КС постоянный ток, он притаскивает состав на заданный путь (если пассажирский — то к платформе), отцепляется, уходит на свою стоянку (где только постоянный ток), после этого ток в КС переключается на переменный, со своего места вылезает электровоз-переменник и прицепляется к оставленному составу. Ещё существуют двухсистемные электровозы, которым всё равно под каким родом тока ехать. Но они довольно дорогие и их мало — грузовые (а фактически грузопассажирские) ВЛ82 и ВЛ82М в Выборге и Минеральных Водах и пассажирский ЭП10 (пока в единственном экземпляре) в Москве-Курской (работает с поездом 061/062 «Буревестник» Москва — Нижний Новгород, но периодически уезжает на очередные испытания). Особенная конструкция в Минеральных Водах — хотя там от линии переменного тока отходит ветка, электрифицированная постоянным током, на станции нет переключаемых секций КС. Главные пути электрифицированы на переменном токе, а поезда на Кисловодск уходят со своих путей, где только постоянный ток. Сквозные поезда с главного хода в Кисловодск (их немного) ходят только под двухсистемными электровозами; электровозов постоянного тока в МинВодах нет.

Преимущества переменной электротяги:
Уменьшение силы тока в КС за счет применения высокого напряжения 25кВ. Следствие — более длинные интервалы между тяговыми подстанциями и уменьшение количества самих подстанций. Любое необходимое напряжение на электровозе и электропоезде можно получить за счет трансформатора, который имеет кпд, близкий к 100% и очень высокую надежность. (при постоянном токе для этих целей используются электромашинные преобразователи (мотор-генераторы) или электронные статические преобразователи, которые имеют высокую стоимость и ненадежны. На переменном токе на электровоз можно передавать гораздо большую мощность, чем на постоянном. Отсюда и ограничение 200км/ч для скоростных поездов на постоянном токе. КС переменного тока можно использовать, как резервное питание для устройств СЦБ. На постоянном токе кроме основной ВСЛСЦБ на опоры КС еще вешают ВЛПЭ. На переменном токе проще погасить электрическую дугу, которая возникает при проходе секционных изоляторов, при пробое воздушных промежутков (молниезащита), при переключениях мачтовых разъединителей, поскольку дуга может сама погаснуть при переходе фазы через нулевое значение, причем вне зависимости от наличия в цепи реактивных сопротивлений. (На постоянном токе наличие реактивных сопротивлений только усугубляет ситуацию с дугогашением). Проще конструкция тяговых подстанций. Нетрудно догадаться, что один мощный выпрямитель гораздо ненадежнее, чем выпрямитель на порядок меньшей мощности на каждом электровозе/мотор-вагоне. Есть еще ряд мелких преимуществ...