ГЛАВА 1

ВВЕДЕНИЕ В КОНТАКТНЫЕ СЕТИ,

ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ И ИХ РАЗВИТИЕ

 

1.1. Понятие об энергетике и транспорте

 

Энергетика как сфера деятельности человеческого общества явля­ется глобальной системой, включающей в себя как подсистемы окру­жающую среду и различные отрасли народного хозяйства. Под энерге­тикой, или энергетической системой, следует понимать совокупность больших естественных (природных) и искусственных (созданных чело­веком) систем, предназначенных для получения, преобразования, рас­пределения и реализации энергетических ресурсов всех видов. Под энер­гетическими ресурсами понимаются материальные объекты, в которых сосредоточена энергия, возможная для использования ее человеком.

Энергетика как отрасль включает в себя энергетические ресур­сы, выработку, преобразование, передачу и использование разных видов энергии (Э). Практически энергетика является основой лю­бой материально-технической деятельности в мире (промышлен­ное производство, транспорт, использование природных ресурсов, охрана окружающей среды и т.п.). Развитие любой области циви­лизации немыслимо без потребления энергии. Без использования энергоносителей невозможны существование, деятельность чело­века и других живых существ.

Из 15 видов энергии, известных человеку, используются только де­сять, из них непосредственно – четыре: тепловая, механическая, элек­тромагнитная (световая) и электрическая. Последняя, обладая универ­сальностью, может выступать и как передаточное звено. Электроэнер­гетика – ведущая отрасль энергетики – обеспечивает электрифика­цию практически всех областей деятельности человека на основе ра­ционального производства и потребления электрической энергии (ЭЭ). Этому служат подсистемы ее устройств со следующими функциями: получение, первичное преобразование, передача, вторичное преобра­зование, распределение, потребление (рис. 1.1).

Одним из крупных потребителей энергии (в том числе электроэнер­гии) является транспорт – совокупность технических средств (подвижных единиц, коммуникаций) и технологических процессов, не­обходимая для эффективного функционирования сфер производ­ства и удовлетворения личных потребностей при перемещении (пе­ревозке) грузов и людей между континентами, странами, города­ми и селами (а в будущем и между планетами); внутри производ­ственных предприятий (промышленных, сельскохозяйственных и т.п.), непроизводственных и жилых объектов (зданий, территорий). В частности, значительную долю электроэнергии потребляет элек­трический транспорт – электрифицированные железные дороги, промышленный и городской (трамваи, троллейбусы, метро) транс­порт, монорельсовые дороги и т.д. В части влияния на окружаю­щую среду электрический транспорт является экологически чис­тым, хотя есть факторы, отчасти негативно влияющие на окружа­ющую среду и связанные с его неавтономными видами, в том чис­ле непосредственно с токоприемниками электроподвижного соста­ва (ЭПС) и контактной сетью: шум, радио- и телепомехи, засоре­ние почвы продуктами истирания контактных деталей и др.

Электротяговая сеть электрического транспорта (рельсовая и контак­тная) также оказывает влияние на различные устройства: опасные (наве­денные), мешающие (помехи), гальванические (электрокоррозия) и т.п.

 

1.2. Общие сведения об электрических сетях

 

Понятие об элементах электрических сетей. Особенностью элек­троэнергетики является неразрывная одномоментная связь производ­ства и потребления электроэнергии. Сложно вырабатывать электроэнер­гию «в запас» – она должна потребляться практически в момент ее производства (иначе необходимы специальные накопители). Поэтому производители и потребители электроэнергии объединены в энерго­системы, состоящие из электроустановок — электростанций, электри­ческих сетей и электроприемников — потребителей

 

Рис 1.1. Природные энергетические ресурсы и их использование в различных сферах деятельности человека (мех. – механическая энергия; теп. – тепловая; хим. – химическая; свет. – световая; ЭЭ – электрическая)

электроэнергии.

В общем плане электроустановками называют совокупность ма­шин, аппаратов, линий и вспомогательного оборудования (вместе с сооружениями и помещениями, в которых они установлены), пред­назначенных для производства, преобразования, передачи, распре­деления электрической энергии и преобразования ее в другой вид энергии. По условиям электробезопасности электроустановки под­разделяют на две группы: напряжением до 1 кВ и выше 1 кВ. По условиям размещения их делят на открытые (наружные) и закры­тые (внутренние). Электропомещения, где они располагаются, в свою очередь, могут быть сухими, влажными, сырыми, особо сы­рыми, жаркими, пыльными (с токопроводящей и непроводящей пы­лью), с химически активной и органической средой.

Важнейшим элементом энергетической системы являются элект­рические сети, т.е. совокупность электроустановок, служащих для пе­редачи и распределения электрической энергии и состоящих (рис. 1.2) из воздушных (ВЛ) и кабельных (КЛ) линий электропередачи (ЛЭП), токопроводов, электропроводок, трансформаторных под­станций (ТП) и распределительных устройств (РУ), расположен­ных на определенной территории.

Основные требования к электрическим сетям — передача и рас­пределение электрической энергии с надежностью, соответствую­щей категории электроприемников, при использовании сечений проводников, удовлетворяющих экономической плотности тока или технико-экономическим расчетам.

 

Рис. 1.2. Функции подсистем линий электропередачи и контактных сетей

Особую (специализированную) группу электрических сетей состав­ляют контактные сети электрического неавтономного транспорта. Они предназначены не только для передачи и распределения, но и съема электроэнергии для питания электроподвижного состава (см. рис. 1.2). Контактные сети используются в первую очередь на электрифициро­ванных железных дорогах, а также в промышленном и городском (трамвай, троллейбус, метро) транспорте. Они имеют различные схе­мы питания и секционирования, а также разнообразные конструкции многочисленных узлов для разных напряжений и родов тока. В пред­лагаемой книге изложены в основном материалы по контактным се­тям электрифицированных российских железных дорог (РЖД).

Для удобства понимания все устройства, входящие в линии элек­тропередачи и контактные сети, можно условно скомпоновать в шесть групп — подсистем. Условность такой компоновки опреде­ляется тем, что некоторые узлы могут быть отнесены сразу к не­скольким функциональным подсистемам. Это означает, что в та­ких узлах может происходить несколько электрофизических про­цессов, каждый из которых количественно оценивается соответ­ствующими характеристиками и параметрами.

Подсистемами можно назвать следующие группы: токопроводящие и контактные устройства (узлы, которые входят в подвески проводов и рельсов, кабели, токопроводы и т. п.); спорно-поддер­живающие устройства; изолирующие элементы, защитные, секци­онирующие и диагностические устройства (рис. 1.3). Каждая под­система имеет комплекс основных узлов, который дополняется по мере их совершенствования и разработки.

 

 

 

Рис. 1.3. Подсистемы контактных сетей и линий электропередачи

1.3. Общие сведения о линиях электропередачи

 

Типы линий. Линии электропередачи предназначены для передачи электроэнергии от источника к потребителю. Они могут быть магист­ральными, передающими большие потоки мощности в центры пита­ния определенного региона потребителей, и распределительными, под­водящими электроэнергию от центров питания к потребителям. Как правило, основу электрических сетей (особенно магистральных линий) составляют воздушные линии.

Воздушными ЛЭП называют устройства для передачи электроэнер­гии по неизолированным (голым) или изолированным проводам, рас­положенным на открытом воздухе и прикрепленным при помощи изо­ляторов и арматуры к опорам или кронштейнам и стойкам на инженер­ных сооружениях (мостах, путепроводах и т.п.). За начало и конец ВЛ напряжением свыше 1 кВ принимают линейные порталы или линей­ные вводы распределительных устройств подстанций, а для ответвле­ний — ответвительную опору и линейный портал или линейный ввод распределительного устройства. Ответвлениями от ВЛ напряжением до 1 кВ к вводу называют участок проводов от опоры ВЛ до ввода.

Кабельными ЛЭП называют линии для передачи электроэнер­гии или ее отдельных импульсов, состоящие из одного или несколь­ких кабелей с соединительными, стопорными и концевыми муфта­ми (заделками) и крепежными деталями, а для маслонаполненных КЛ, кроме того, с подпитывающими аппаратами и системой сиг­нализации давления масла. Конструкция кабеля обычно рассчитана на подземную или подводную прокладку и включает в себя одну или несколько токопроводящих жил, покрытых изоляцией и заключен­ных дополнительно в общую изолирующую и защитную оболочки.

Токопроводами называют устройства, предназначенные для пере­дачи и распределения электроэнергии мощностью 15—35 мВ-А, со­стоящие из неизолированных или изолированных проводников и от­носящихся к ним изоляторов, защитных оболочек, поддерживающих и опорных конструкций. Токопроводы могут быть жесткими (шинопроводы) и гибкими. Шинопроводы подразделяют на магистраль­ные, распределительные, троллейные и осветительные. Токопро­воды, выходящие за пределы одной электроустановки выше 1 кВ, называют протяженными.

Электропроводками называют совокупность проводов и кабелей с относящимися к ним узлами крепления, поддерживающими, за­щитными конструкциями и деталями, установленными в соответ­ствии с Правилами устройства электроустановок (ПУЭ). Требова­ния ПУЭ распространяются на электропроводки силовых, освети­тельных и вторичных цепей напряжением до 1 кВ постоянного и пе­ременного тока, проложенных внутри зданий и сооружений, на на­ружных их стенах, территориях предприятий, учреждений, микро­районов, дворов, приусадебных участков, на строительных площад­ках с применением изолированных установочных проводов всех се­чений, а также небронированных силовых кабелей в резиновой или пластмассовой оболочке с сечением фазных жил до 16 мм².

Все воздушные и кабельные линии электропередачи, токопроводы, электропроводки и электроприемники оказывают влияние на со­стояние человека соответственно с частотой и напряжением тока.

Этапы развития электрических линии и сетей. Начало истории создания электрических сетей и линий электропередачи относится к тому времени, когда ученые М. В. Ломоносов и Г. В. Рихман в 1753 г. электростатические и атмосферные заряды электричества подсоединяли с помощью металлической проволоки к «громовой машине», а Б. Франклин — к «электрическому змею». Термин «элек­трическая цепь» появился, когда аббат Нолле демонстрировал французскому королю прохождение тока через 180 гвардейцев, взявшихся за руки и одновременно вздрагивающих в момент за­мыкания так называемой «лейденской банки» (1747 г.). В 1807 г. русским ученым П. И. Стреховым было установлено, что электри­ческий заряд может проходить через воду и землю, что впослед­ствии позволило использовать их как обратный провод.

Практическое использование линий электропередачи в России началось в  70-х гг. XIX в., когда возникла необходимость переда­чи электроэнергии от генераторов к электрическим лампам нака­ливания А. Н. Лодыгина и «свечам Яблочкова».

Работы по военной минной электротехнике и электромагнитно­му телеграфу привели к созданию подводного и подземного кабе­лей. (П. Л. Шиллинг, 1812г.,  Э.В. Сименс, 1848 г.).

В 1873 г. в Вене состоялась международная выставка, с которой на­чинается история электропередачи. На этой выставке инженер Фонтен демонстрировал обратимость электрических машин, вклю­чив между генератором и электродвигателем барабан с кабелем дли­ной в 1 км, который имитировал ЛЭП соответствующей длины.

В России в 1874 г. Ф. А. Пироцкий провел опыт по передаче энергии на расстояние 200—1000 м на артиллерийском полигоне Волкова поля (около Петербурга), использовав в качестве гене­ратора электромашину Грамма.

В 1882 г. французский электротехник М. Депре построил линию Мисбах  –Мюнхен длиной 57 км на постоянном токе напряжением 1,5 – 2 кВ и мощностью     3 л.с. с телеграфным проводом диаметром 4,5 мм.

В 1889 г. русский инженер М. О. Доливо-Добровольский сконструи­ровал первый трехфазный асинхронный двигатель. В августе 1891 г. осуществил преобразование и передачу электроэнергии трехфазным то­ком на 170 км от места установки турбины мощностью 300 л.с. на реке Неккер (близ местечка Лауфен) до Всемирного электротехнического выставки во Франкфурте-на-Майне. Электрогенератор был выполнен на напряжение 95 В, масляные трансформаторы повышали линейное напряжение до 15 кВ и подавали его в трехпроводную линию с проле­том средней длиной 60 м. Медные провода диаметром 4 мм крепились на штыревых фарфорово-масляных изоляторах.

Первые линии электропередачи в России напряжением до 20 кВ появились в районах Баку и Донбасса, в Брянской области и ряде дру­гих промышленных районов.

В настоящее время подразделениями Департамента электроснабжения и электрификации железных дорог МПС России (сетевыми районами и районами контактной сети) обслуживается значительный объем ЛЭП: вы­соковольтных (до 35 кВ) –  около 130, низковольтных – около 60 тыс. км.

Условия работы ЛЭП. Узлы и детали подсистем ЛЭП выполняются из различных материалов: металла, железобетона, полимеров, силикатов (стекло, фарфор), волокнистых материалов (древесина и др.).

Условия работы элементов ЛЭП можно представить в виде факто­ров, влияющих на деструкцию (разрушение) материалов, объединив их в группы: климатические, биологические, атмосферные, почвен­ные, эксплуатационные (рис. 1.4). Результатами воздействия этих фак­торов являются различные виды деструкции, требующих соответству­ющих мероприятий по защите. Причинами разрушений (поврежде­ний) также могут быть чрезмерные нагрузки (монтажные, транспортные, аварийные, большие, чем расчетные по повторяемости). Кроме того, для воздушных ЛЭП устанавливаются дополнительные конст­руктивные ограничения, влияющие на режимы работы. К ним отно­сятся вертикальные и горизонтальные габариты по условиям элект­робезопасности, большие пролеты на речных и других переходах, зна­чительная разность высот точек подвеса в гористой местности и т.п.

Условия работы кабельных линий (подземных и подводных) свя­заны с меньшим числом факторов, влияющих на их деструкцию, но обременены рядом дополнительных эксплуатационных условий, свя­занных с необходимостью защиты от человека, животных и т.п. (ме­ханических воздействий) и электрического пробоя изоляции.

Основные габариты. Как уже указывалось выше, железнодорож­ные предприятия России эксплуатируют главным образом ЛЭП на­пряжением не выше 35 кВ, конструктивное исполнение и габарит­ные размеры которых определяются требованиями ПУЭ. В каче­стве примера ниже приведены основные габариты ВЛ как наибо­лее массового типа линий электропередачи МПС России. Полнос­тью все габариты ВЛ, КЛ, токопроводов и электропроводок изло­жены в соответствующих разделах ПУЭ.

Наименьшее расстояние между проводами ВЛ принимается из ус­ловия их допускаемого сближения в пролете и зависит от стрелы про­веса, материала проводов и площади их сечения. Например, для про­лета длиной 75 м в IV районе гололедности (см. гл. 2) это расстояние при штыревых изоляторах должно быть не менее 1750 мм, при под­весных – 2000 мм. Для повышения грозоустойчивости ЛЭП напря­жением до 10 кВ рекомендуется применять деревянные траверсы. Го­ризонтальное расположе-

 

 

 

 

 

Рис.1.4. Условия работы узлов ЛЭП (влияющие факторы и виды деструкции материалов и конструкций)

 

 

ние проводов (в одной плоскости) обязательно при стенке гололеда более 20 мм, в остальных случаях возможно рас­положение проводов по вершинам треугольника.

Наименьшее изоляционное расстояние по воздуху от токопроводящих до заземленных частей ВЛ по грозовым перенапряжениям для штыревых изоляторов должно быть 350, для подвесных – 450 мм, а по внутренним перенапряжениям и наибольшему рабочему напряже­нию – 300 и 100 мм соответственно. При высоте над уровнем моря выше 1000 м на каждые 100 м следует увеличивать это расстояние на 1 %.

Наименьшее расстояние от низшей точки проводов ВЛ 6 – 35 кВ до поверхности земли при нормальном режиме и максимальной температуре воздуха в населенной, ненаселенной и труднодоступ­ной местности в соответствии с ПУЭ должно быть соответственно 7; 6 и 5 м, а на ВЛ напряжением до 1 кВ – 6; 6 и 3,5 м. Минималь­ное расстояние по горизонтали от проводов ВЛ до ближайших выступающих частей зданий и сооружений должно быть для ВЛ 35 кВ – 4 м; ВЛ 6 – 20 кВ – 2 м; ВЛ до 1 кВ – 1,5 м.

 

1.4. Общие сведения о контактных сетях электрического транспорта

 

Контактные сети электрического транспорта предназначены для пи­тания ЭПС и в зависимости от типа транспортных средств могут быть выполнены в виде:

– воздушной эластичной контактной подвески с одинарным или двойным контактным проводом верхнего расположения (электрифи­цированные железные дороги, трамвай, промышленный транспорт);

– то же с двумя разнополярными контактными проводами (троллейбус);

– жесткого контактного рельса (метро, монорельсовый транспорт).

На электрифицированных железных дорогах и трамвайных линиях питание ЭПС осуществляется по контактной сети в основном с верх­ней эластичной контактной подвеской над путями (рис. 1.5). Контакт­ные подвески (провода) закрепляются на опорах, расположенных вдоль железной дороги, с помощью консолей или поперечин. В качестве обратного провода используются ходовые рельсы.

 

 

Рис. 1.5. Схема внешнего электроснабжения и питания электроподвижного соста­ва электрической железной дороги: ЭС — электрическая станция; ЛЭП — линия электропередачи; ТПС — тяговая подстанция: ПЛ — питающая линия; ОЛ — от­сасывающая линия; КС — контактная сеть; ТК — токоприемник; PC — рельсовая сеть; ЭПС — электроподвижной состав; ТС — тяговая сеть

 

Специфика троллейбусной контактной сети заключается в на­личии двух параллельных (разнополярных) гибких воздушных кон­тактных подвесок с дистанционно управляемыми из кабины води­теля воздушными стрелками. Токоприемники троллейбусов выпол­нены в виде поворотных штанг с направляющими токосъемными башмаками и ловителями, срабатывающими при сходе башмаков с контактных проводов. В местах пересечения троллейбусных про­водов с трамвайными устанавливают специальные секционные изо­ляторы, в которых токоприемники трамваев проходят под трол­лейбусными проводами по инерции (по воздуху).

В метрополитене в качестве контактного провода использует­ся третий (четвертый) рельс, а в качестве обратного провода – ходовые рельсы. В местах стрелочных переводов контактные рель­сы прерываются, превращаясь в концевые отводы, или их нижняя поверхность разворачивается в сторону оси пути (токоприемни­ка), образуя боковой отвод. Токоприемники выполняются в виде рычагов с контактными башмаками на одних концах и шарнир­ными основаниями с пружинами на других. Основания устанав­ливаются на изоляторах или деревянных брусьях, закрепленных на буксах колесных пар вагона (рис. 1.6).

 

 

Рис. 1.6. Схема расположения контактного рельса метрополитена: 1 – кон­тактный рельс; 2 – изоляторы; 3 – резиновый шнур; 4 – деревянный короб; 5 – скоба; 6 – кронштейн; 7 – контактный башмак; 8 – деревянный брус

 

Применяется токосъем с вер­хней и боковой поверхностей контактных токопроводов.

В монорельсовом транспор­те подвижной состав переме­щается по бетонной эстакаде. Контактные рельсы крепятся к вертикальным стенкам балок-эстакад. К ним прижимаются контактные башмаки токопри­емников, закрепленных на ку­зовах вагонов. Все элементы токоприемников работают в сложных аэродинамических потоках в пространстве «эки­паж – эстакада» (рис. 1.7).

В случае применения маг­нитного подвеса условия еще больше усложняются в связи с тем, что высота кузова при «всплытии» (подъеме) перио­дически изменяется относи­тельно уровня эстакады. То­коприемник должен отслежи­вать суммарные изменения вы­сотного положения рельсов и подъема (всплытия) экипажа. На стрелках эстакада поворачивается в горизонтальной плоско­сти вместе с рельсами или ее секция вместе с экипажем перемеща­ется трансбордером (рельсовой тележкой).

Известно переворачивание эстакады на стрелках на 180° отно­сительно продольной оси.

 

 

 

 

Рис. 1.7. Особенности системы то­косъема монорельсового транспор­та на магнитном подвесе: 1 –тележ­ка вагона; 2 – Т-образная эстака­да; 3 – опорные рельсы; 4 – поса­дочные упоры; 5 – элементы подрессоривания; 6 – кузов; 7 – ли­нейный двигатель; 8 – реактивная шина; 9 – феррорельс; 10 – элект­ромагниты подвеса; 11 – токопри­емник; 12 – контактный рельс с изо­лятором

 

 

1.5. Этапы развития контактных сетей

электрического транспорта

 

Почти сразу же после появления первых электродвигателей (1831 – 1832 гг.) начались попытки применить электрическую энер­гию для транспорта, вначале автономного.

В 1834 – 1835 гг. американец Девенпорт построил несколько вагонов, автономно передвигавшихся от энергии батарей гальва­нических элементов. Подобные опыты проводили Беккер и Стратинг в Германии, Ботто в Турине (Италия). В 1838 г. Р. Давидсон совершил поездку на двухосной тележке (5 т) на участке Глазго – Эдинбург. В 1845 г. профессор Паж достиг скорости 30 км/ч на участке Вашингтон – Бладенсбург.

В 1834 г. русский физик Б. С. Якоби построил электродвигатель с постоянными магнитами и установил его на лодку (бот) для вращения гребных колес. Для питания двигателя электроэнергией на лодке были размещены 320 медно-цинковых гальванических элементов (0,5 л.с.). Лодка смогла плыть по Неве против течения со скоростью более 4 км/ч.

После появления генератора электрической энергии системы Лэдда в 1867 г. и системы 3. Грамма в 1877 г. стала возможной неавто­номная электрическая тяга с контактной сетью. В 1876 г. русский военный инженер Ф. А. Пироцкий оборудовал вагон Петербургс­кой конной железной дороги двигателем с зубчатой тяговой переда­чей к колесной паре. Реборды колес были изолированы от своих цен­тров и снимали ток с ходовых рельсов. Рельсы были уложены на просмоленную парусину, используемую в качестве изоляции, и под­ключены как прямой и обратный провода к генератору мощностью 6 л.с., вращаемого паровой машиной (локомобилем). Во время ис­пытаний в Дегтярном переулке вагон успешно возил груз 7 т (40 пас­сажиров), используя для токосъема принцип контактных рельсов.

В 1879 г. на Берлинской промышленной выставке В. Сименс де­монстрировал электровоз мощностью 3 л.с., получавший питание напряжением 130 В от шины, уложенной между рельсами на изоля­торах, с помощью щетки-токоприемника. Была применена ремен­ная передача от двигателя к колесной паре. Подобную же систему испытывал Т. А.Эдисон в Менло-Парке, а в 1881 г. она начала ра­ботать на железной дороге между Берлином и Лихтерфельде длиной 2,45 км при напряжении 160 В. Так успешно утвердилась сис­тема токосъема с жестким контактным токопроводом.

В 1882 г фирмой Сименс-Гальске был построен опытный участок под Берлином с первыми верхними гибкими контактными провода­ми, выполненными в виде подвешенных к стальным тросам двух труб с прорезями в нижней части. В трубы помещались токоприемники (челноки-скользуны), от которых по двум гибким проводам напряже­ние подавалось к подвижной единице. Это был первый троллейбус.

В 1884 г. по этой системе была выполнена первая линия Франк­фурт-на-Майне – Оффенбах напряжением 300 В. Но система была сложна на воздушных стрелках и пересечениях. В 1885 г. на трам­вайной линии в Канзас-Сити (США) на воздушной контактной под­веске вместо трубок был использован круглый медный провод, к которому прижимался токосъемный ролик-«троллей», затем был применен валик и, наконец, скользящий контакт.

В России первый трамвай был пущен на Александровском спуске в Киеве в 1892 г. военным инженером А. Е. Струве. Линия была обо­рудована простой контактной подвеской. В начале XX в. трамвай с нормальной узкой колеёй распространился по России, в том числе в 32 городах были проложены узкоколейные линии. Лишь из-за войны с Германией не была достроена первая пригородная линия России – «Оранэла» – от Санкт-Петербурга до Ораниенбаума (г. Ломоносов).

Одновременно с трамваем в мире интенсивно развивались при­городные и междугородные пассажирские электрические железные дороги, но лишь в 1895 г. на линии Балтимор – Огайо был элект­рифицирован тоннель, использовавшийся для грузового движения.

Первым пригородным участком железной дороги в СССР стал Баку – Сабунчи – Сурханы протяженностью 19 км, электрифици­рованный в 1926 г. на постоянном токе 1200 В с применением цеп­ной некомпенсированной контактной подвески. В 1929 г. с приго­родного участка Москва – Мытищи протяженностью 17,7 км на­чал электрификацию железных дорог на постоянном токе 1650 В На­родный комиссариат путей сообщения СССР.

Первый в СССР участок магистральной железной дороги Хашури – Зестафони (Сурамский перевал) протяженностью 63 км был электрифицирован в 1932 г. на постоянном токе 3000 В. В разных частях участка были применены цепные некомпенсированная и по­лукомпенсированная контактные подвески.

В 1935 г. была пущена первая линия метрополитена в Москве длиной 11,6 км – тринадцать станций (от Сокольников до Парка культуры с ответвлением на Смоленскую). Токосъем обеспечивался с нижней поверхности подошвы третьего жесткого контактного рельса на постоянном токе напряжением 800 В.

Таким образом в СССР (России) в начале 30-х гг. был создан технический фундамент для расширения полигона электрифика­ции железных дорог и совершенствования контактных сетей на базе современных научных достижений.

Вклад российских (советских) ученых и инженеров в развитие кон­тактных сетей. Проектирование, строительство и эксплуатацию са­мой протяженной сети электрифицированных железных дорог в Рос­сии (СССР) обеспечил коллектив высококвалифицированных инже­неров и ученых страны. Большинство из них прошли обучение в ву­зах железнодорожного транспорта и учились по учебникам «Кон­тактная сеть», написанными в период с 1938 по 1994 гг. профессора­ми К. Г. Марквардтом и И. И. Власовым, пользовались их справоч­никами по электрификации и электроснабжению электрических же­лезных дорог, научными трудами по контактным сетям.

Константин Густавович Марквардт (1904 – 1998) – ученый в области электроснабжения электрических железных дорог, док­тор технических наук, профессор. С 1947 по 1983 гг. – заведую­щий кафедрой «Электроснабжение электрических железных до­рог» Московского института инженеров железнодорожного транспорта, руководитель большого числа аспирантов, почетный профессор Московского университета путей сообщения (МИИТ). Им написаны учебники и научные труды по электроснабжению железных дорог, организации учебного процесса и др.

Иван Иванович Власов (1900 – 1966) – ученый в области электрифи­кации железных дорог, доктор технических наук, профессор. За годы ра­боты во Всесоюзном научно-исследовательском институте железнодо­рожного транспорта (ВНИИЖТ) в качестве руководителя лаборатории контактной сети внес большой вклад в развитие теории и совершенство­вания конструкций контактной сети. Участник строительства первых электрифицированных участков железных дорог в стране. Им написаны труды по конструированию и монтажу контактной сети, токосъему. Он является автором 60 научных работ, учебников, в том числе для вузов.

Сергей Михайлович Сердинов (1909 – 1989) – инженер-электрик, с 1958 г. –

первый заместитель, а с 1959 по 1980 г. – начальник Главного управления электрификации и энергетического хозяйства МПС CCCP. Под его руководством осуществлялось выполнение Генерального плана электрификации железных дорог (1956 – 1970 гг.), в результате чего за 15 лет было электрифицировано свыше 28,5 тыс. км железных дорог и дос­тигнуты наивысшие объемы и темпы электрификации в мире. По его инициативе была разработана и внедрена система электрификации железных дорог на переменном токе 25 кВ и ее разновидность 2х25 кВ, а также различные способы усиления устройств электроснабжения, созданы новые системы телеуправ-

 

 

Иван Иванович                                          Константин Густавович  

                                           Власов                                                           Марквардт

 

 

ления и автоматики и др.

Леонид Осипович Грубер (1907 – 1995) – инженер-электрик, организатор и руководитель электромонтажных работ при осуще­ствлении Генерального плана электрификации железных дорог, главный инженер Главтрансэлектромонтажа Министерства транс­портного строительства СССР (1954 – 1980 гг.). Под его непосред­ственным руководством были электрифицированы крупнейшие сверхмагистрали СССР: Москва – Байкал, Ленинград – Ленинакан, Москва – Свердловск, Москва – Чоп и др. Автор учебников и фундаментальных трудов по электрификации железных дорог, разработчик новых методов и технологий монтажа контактной сети и тяговых подстанций, один из создателей отечественной школы электрификаторов железных дорог.

 

1.6. Контактные сети электрифицированных железных дорог

 

Общие сведения. Эксплуатационная длина электрифицированных железных дорог России составляет свыше 41 тыс. км – примерно по­ловину длины всего полигона железных дорог России (86 тыс. км). Это в два раза больше, чем в Германии – страны, имеющей наибольшую длину электрифицированных путей в мире (кроме России). Если учесть пути станций и то, что большинство электрифицированных линий Рос­сии двухпутные, то развернутая длина ее контактной сети составляет порядка 80 тыс. км. Электрифицированные железные дороги обеспе­чивают до 70 % перевозок по России. Составить общее представ­ление об устройстве контактной сети можно, рассмотрев ее основ­ные элементы (рис. 1.8).

Контактная сеть – это часть электротяговой сети, состоящая из кон­тактных подвесок с проводами или жестких рельсов вместе с располо­женными вдоль электрифицированных путей опорно-поддерживающими, изолирующими, защитными, секционирующими и диагностичес­кими устройствами (см. рис. 1.3) и служащая для подвода электричес­кой энергии к подвижному составу через непосредственные контакты с его токоприемниками. Среди элементов, образующих электрифици­рованную железную дорогу (см. рис. 1.5), на устройства контактных сетей приходится до 30 – 45 % капиталовложений. Контактные сети не имеют резерва, поэтому от них в значительной степени зависит бе­зопасность движения поездов и требуется очень высокая надежность, особенно при обеспечении международных перевозок.

 

 

Рис. 1.8. Основные элементы контактной сети и размеры, характеризующие ее разме­щение относительно других постоянных устройств магистральных железных дорог: 1 – подвеска контактной сети; 2 – опора, консоль, фиксатор: 3 –  изоляторы.

Габариты: Г — опор; Н — проводов: А — заземленных искусственных сооружений

 

Основные требования к контактным сетям – передача (канализа­ция) электроэнергии и обеспечение надежного, экономичного и эко­логически чистого токосъема в расчетных метеоусловиях при уста­новленных максимальных скоростях движения, типах токоприемников и значениях токов ЭПС. Эти положения закладываются в техни­ческих условиях для конкретных типов контактных сетей по всем их подсистемам. Так, например, для сети КС-200 устанавливается срок службы изоляторов 30 лет, для контактных проводов – по износу, для остальных устройств – 50 лет. Оговариваются типы контактных подвесок на перегонах и станциях, коэффициент неравномерности же­сткости (эластичности), конструктивная высота подвесок и т.п.

Кроме того, для облегчения корректировки документации кон­тактной сети, повышения четкости спецификации рабочих черте­жей, а также для обеспечения возможности компьютерной систе­матизации чертежей и оперативности оформления и учета поста­вок элементов и узлов техническая документация контактной сети ряда КС-200 маркируется буквами латинского алфавита (А—I) и цифрами (КС 100000000 – КС 900000000), в том числе чертежи фун­даментов и анкеров обозначаются буквой А, опор и стоек – В, по­перечных устройств контактной подвески – С, продольной контак­тной подвески – D, усиливающих и питающих линий – Е, разъеди­нителей и разрядников – F, заземлений и обратных проводов – G, монтажных агрегатов – Н, деталей разного назначения – I.

Условия работы. На условия работы контактных сетей влияют три группы факторов: климатические, конструктивные и эксплуатационные.

К основным климатическим факторам, которые необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации, относятся: темпе­ратура воздуха, скорость ветра, толщина стенки гололеда, влаж­ность воздуха (туман, дождь), интенсивность солнечной радиации, плотность абразивных (пыль, песок) и химически активных частиц в воздухе, наличие биологических организмов и насекомых, осо­бенности грунта (вечная мерзлота и т.п.). Кроме того, для клима­тических условий Байкало-Амурской (БАМ) и Амуро-Якутской (АЯМ) магистралей в дополнение к вечной мерзлоте и сверхниз­ким температурам должно учитываться критическое состояние же­лезобетонных опор, когда они с одной стороны нагреваются солн­цем, а с другой обдуваются холодным ветром.

Конструктивные факторы для контактных сетей определяются за­висимостью от рельсовой колеи и воздействием ЭПС. К ним отно­сятся: малые допуски на горизонтальные и вертикальные габариты контактных проводов, отсутствие резерва питания ЭПС, вибраци­онное воздействие ЭПС на фундаменты и изоляторы, изнашивание контактных проводов, вероятность отжига и пережога проводов при токосъеме, возникновение блуждающих токов от перемещающего­ся ЭПС, необходимость пропуска поездов при обслуживании сетей. Дополнительные конструктивные сложности возникают в тоннелях из-за ограничений вертикальных габаритов для контактной подвес­ки и необходимости размещения грузовых компенсаторов.

К факторам, облегчающим эксплуатацию контактных сетей, от­носятся: возможность монтажа, обслуживания и восстановления рель­сового пути, а также наличие протяженного заземлителя – рельсов.

Основные габариты. Все подсистемы контактных сетей должны соответствовать требованиям габаритов приближения строений и подвижного состава. В верхнем зазоре между этими габаритами Должны помещаться контактные провода и токоприемники.

Габарит приближения строений – предельное поперечное (перпен­дикулярное оси пути) очертание, внутрь которого не должны заходить никакие части сооружений и устройств, расположенных вдоль железно­дорожного пути, на самом пути или при его пересечении, а также лежа­щие вдоль пути материалы, запасные части, оборудование, в том числе и на территории станций. Для магистральных железных дорог общей сети с колеёй 1520 мм, а также для подъездных путей с такой колеёй принят габарит С (рис. 1.9). Для путей на территории промышленных предпри­ятий установлен облегченный габарит С_п. Габариты С и С_п корреспондируются с габаритом подвижного состава Т (рис. 1.10) и применяются при строительстве новых железных дорог, сооружений и устройств.

Габариты устройств контактных сетей нормируются следую­щим образом.

Минимальная высота подвешивания контактных проводов над уровнем головки рельса (УГР) должна быть на перегонах и станциях не менее 5750 мм, а на переез­дах

Рис. 1.9. Габарит С приближения строений к пути на железных дорогах общей сети

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.10. Габарит Т подвижного состава железных дорог общей сети: а — верхнее очертание; б — нижнее очертание

– не менее 6000 мм. В исключи­тельных случаях это расстояние в преде­лах искусственных сооружений, распо­ложенных на путях станций, на которых не предусматривается стоянка подвижного состава, а также на пе­регонах с разрешения МПС может быть уменьшено до 5675 мм для линий на перемен­ном токе и до 5550 мм на постоянном.

Максимальная высота подвешивания контактных проводов не должна превы­шать 6800 мм. При электри­фикации это расстояние (при беспровесном положении контактных проводов) следу­ет принимать на перегонах 6500 и станциях 6600 мм для обеспечения последующей подъемки пути.

Уклон контактного провода при переходе от одной высоты его подвешивания к другой при беспровесном положении про­вода не должен превышать: 0,01 (10 см на длине 10 м) на путях, где скорость ЭПС не превыша­ет 50 км/ч; 0,004 – до 120 км/ч и 0,002 – более 120 км/ч. При этом с обеих сторон каждого участка с основным уклоном предусматривают переходные участки длиной не менее одного пролета с уклоном 0,001.

Расстояние от нижней точки усиливающих и других проводов, волноводов, волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) и др. до поверхности земли и сооружений, а также расстояние между про­водами линий при их взаимном пересечении или сближении долж­ны быть не менее нормированных.

Расстояние от изолированных консолей, фиксаторов, нижних фиксирующих тросов и шлейфов, находящихся под напряжением, до поверхности пассажирских платформ, конструкция которых ис­ключает проезд транспортных средств, должно быть не менее 4,5 м.

В пределах искусственных сооружений расстояния от частей то­коприемника и контактной сети, находящихся под напряжением, до заземленных частей сооружений и подвижного состава должны со­ответствовать габаритам, установленным ГОСТ 9238 – 83 (рис. 1.11). Расстояние от контактных проводов до расположенных над ним заземленных частей искусственных сооружений должно быть при двух контактных проводах не менее 500 мм, при одном – не менее 650 мм. Минимально допустимые расстояния от контактных про­водов до изолированного отбойника без учета отжатия токопри­емником должны составлять: не менее 150 мм для одного контакт­ного провода и 100 мм – для двух контактных проводов при скоро­сти движения ЭПС более 120 км/ч; соответственно не менее 100 мм и 70 мм – до 120 км/ч и не менее 50 мм на станциях, деповских и других второстепенных путях – до 50 км/ч. В искусственных со­оружениях расстояние между несущим тросом и контактным про­водом в середине пролета должно быть не менее 150 мм.

 

2040/2240 (на перегонах)

2000/2240 (на станциях)

 

Рис. 1.11. Расстояние между искусственными сооружениями, устройствами кон­тактной сети, токоприемниками и подвижным составом: 1 — габарит подвижного состава; 2 — габарит искусственных сооружений; 3 — положение токоприемника с учетом его смещения

 

Расстояние от оси пути до внутреннего края фундаментов или опор на перегонах и станциях должно быть не менее 3,1 м, а в снегозаносимых выемках — 5,7 м. В особо стесненных условиях допускается расстояние 2,45 м на станциях и 2,7 м на перегонах. При скорости движения ЭПС выше 160 км/ч оно должно быть уве­личено до 3,3 м. На кривых все приведенные габаритные расстоя­ния уширяются.

 

1.7. Понятия о характеристиках материалов,

применяемых для изготовления узлов и элементов

 контактных сетей и линий электропередачи

 

Долговечность устройств контактной сети и линий электропередачи определяется стабильностью в течение эксплуатации первоначальных параметров механической и электрической прочности, а также миними­зацией электромеханического изнашивания, коррозионных и прочих де­струкции материалов, из которых указанные устройства изготовлены.

Для сооружения контактных сетей и линий электропередачи исполь­зуются, как правило, следующие группы материалов: электротехничес­кие (токопроводящие и изоляционные), конструкционные (различные стали и чугуны, алюминий и его сплавы, медь и ее сплавы, пластмас­сы, резины и т.п.), строительные (железобетон, древесина и т.п.) и др.

Проводниковые материалы применяются как в чистом виде, так и легированные различными присадками. Свойства меди улучшаются при применении различных способов изготовления проводов — хо­лодной протяжкой или прокаткой. При этом увеличиваются прочность и износостойкость (твердость), но при перегреве во время эксплуата­ции появляется опасность отжига, приводящего к потере полученного эффекта. Провода подвержены вытяжке после монтажа, циклические нагрузки на них могут привести к усталостным явлениям в материале.

Механический износ деталей уменьшается полимерными покры­тиями. Для этой же цели между контактными пластинами токоприем­ников закладывают сухую графитовую смазку, обеспечивающую так­же защиту (путем смазки) контактных проводов. Степень элект­роэрозионного изнашивания контактных материалов зависит от дугостойкости поверхностей.

Коррозионная стойкость стальных опор и деталей достигает­ся цинкованием, покраской, покрытием антикоррозионной смаз­кой. Защита арматуры нижней части опор и фундаментов от стекания токов обеспечивается антикоррозионными покрытиями.

К важнейшим характеристикам материалов проводов, нахо­дящихся под натяжением, относятся: коэффициент линейного рас­ширения, модуль упругости, плотность, временное сопротивле­ние разрыву, предел пропорциональности. Важны они и для дру­гих деталей, несущих механическую нагрузку, но при этом для них дополнительно учитываются допускаемые напряжения на растя­жение, сжатие, изгиб, срез, смятие, кручение. Нормируется также и хладноломкость материалов при низких температурах. При со­единении деталей сваркой различных видов (холодной, взрывом, термитной, газовой и т.д.) определяющим является качество по­лученных швов. Важнейшей функциональной характеристикой проводящих деталей является их электрическое сопротивление.

Необходимо также учитывать характеристики железобетонных конструкций (прочность, плотность, гигроскопичность и т.п.) и де­ревянных деталей (склонность к возгоранию, гниению и т.д.) От значений параметров и характеристик свойств материалов зави­сит надежная работа контактных сетей и ЛЭП.