Контактная сеть электрифицированных железных дорог. Основные сведения об устройстве, работе, расчетах

План занятий
Общие сведения об устройстве контактной сети
Работа контактной сети в реальных условиях эксплуатации
Основные сведения о расчетах при разработке и проектировании контактной сети
Нормативная база, типовые проекты и литература по контактной сети

1. Общие сведения
об устройстве контактной сети
1.1. Общая характеристика контактной (электротяговой) сети, условий и особенностей ее эксплуатации
1.2. Питание и секционирование КС
1.3. Основные габариты проводов и устройств КС
1.4. Контактные подвески. Анкерные участки. Узлы
1.5. Провода и тросы
1.6. Изоляторы
1.7. Арматура контактной сети
1.8. Опорные конструкции
1.9. Поддерживающие и фиксирующие конструкции
1.10. Заземления
1.11. Защита от перенапряжений
1.12. Рельсовая сеть

Принципиальная схема питания
электрической железной дороги и ее элементы
1.1. Общая характеристика контактной (электротяговой) сети,
условий и особенностей ее эксплуатации
КС

Питающие линии
Отсасывающая линия
Рельсовая
сеть
Контактная подвеска
Основные элементы электротяговой сети

Питающие линии.
Контактные подвески.
Усиливающие провода.
Устройства изоляции.
Опоры, фундаменты, анкеры.
Поддерживающие
и фиксирующие конструкции.
Устройства анкеровок проводов.
Контактная сеть включает в себя:
Устройства секционирования.
Коммутационные устройства.
Заземления.
Экранирующие провода (при системе электроснабжения переменного тока
с ЭУП).
Питающие провода (при системе электроснабжения 2х25 кВ).
Устройства защиты от перенапряжений.
Отсасывающие линии и элементы электротяговой рельсовой сети (например, провода обратного тока на опорах контактной сети и др.).
Провода ВЛ на опорах контактной сети (ВЛ ПЭ и ВЛ АБ, ДПР, волновод, ВОЛС и др.).
Электроснабжение нетяговых потребителей, освещение и др.
Кроме того в рамках проектов по контактной сети проектируются:

Условия эксплуатации КС
Метеорологические:
температура и ее изменения;
ветер;
гололед;
дождь, туман, роса, снег;
солнечная радиация.
Механические:
постоянные нагрузки;
временные, особые нагрузки;
вибрация, удары;
трение (изнашивание).
Электрические:
рабочее напряжение;
внутренние перенапряжения;
атмосферные перенапряжения;
протекание токов (нагрев проводов);
электрическая дуга;
наведенные напряжения.
Загрязнения, химические воздействия:
пыль, сажа;
химические активные вещества;
грунтовые воды.
Биотические, антропогенные:
птицы;
вандализм и пр.;
КС и ее элементы подвергаются различного рода воздействиям:
КС не имеет резерва.
Надежность работы ЭЖД определяется,
в основном, надежностью работы КС.

1.2. Питание и секционирование КС

Электрическая мощность
Напряжение
Ток
Большие токи (например, электровоз мощностью 6000 кВт на постоянном токе потребляет из тяговой сети 2000 А), большие сечения проводов контактной сети. Как правило, применяются двойной контактный провод, усиливающие провода. Контактная подвеска тяжелая, применяются мощные поддерживающие и опорные конструкции. Реализация скорости более чем 200–250 км/ч крайне проблематична
Существенно меньшие токи (например, электро-
воз при той же мощности 6000 кВт на переменном токе потребляет около 300 А), легкая контактная подвеска. Обычно применяется один контактный провод, усиливающих проводов, как правило, нет. Возможность реализации высоких скоростей движения (рекорд скорости TGV 574,8 км/ч на участке Париж—Страсбург, апрель 2007 г.).
КС постоянного тока напряжением 3 кВ
КС переменного тока напряжением 25 кВ

Система электроснабжения постоянного тока напряжением 3 кВ
7-30 км
Принципиальные схемы питания КС

Система электроснабжения переменного тока напряжением 25 кВ
40-60 км

Система электроснабжения 2х25 кВ
Расстояния между ТП – до 100 км
Расстояния между автотрансформаторами – 8-15 км

Схема узлового питания
Двухпутный участок:

Секционирование контактной сети

Подключение питающих линий от тяговых подстанций
Двухпутный участок, постоянный ток

Подключение питающих линий от тяговых подстанций
Двухпутный участок, переменный ток

ГАБАРИТ (франц. gabarit) — предельное внешнее геометрическое очертание предметов, сооружений, устройств.
На ж.-д. транспорте в проектировании, строительстве, эксплуатации учитывают габариты:
приближения строений;
подвижного состава;
погрузки;
воздушных линий электропередачи и связи;
искусственных сооружений (мостов, тоннелей, платформ и др.).
Габариты устанавливаются гос. стандартами и отраслевыми нормативными документами и являются обязательными для применения. Габариты строго взаимоувязаны.
Сооружения и устройства должны иметь такие габариты и располагаться на таких расстояниях от ж.-д. пути, чтобы обеспечивалось свободное и безопасное следование подвижного состава с учётом допускаемых наибольших скоростей. Установление точных, строго обязательных габаритов имеет важное значение для безопасного и беспрепятственного движения поездов, а также для жизни людей и сохранности устройств и сооружений, расположенных вдоль ж.-д. пути, на станциях.
1.3. Основные габариты проводов и устройств КС

Габариты опор не соблюдены

Габариты приближения строений и подвижного состава
Габарит приближения строений – это предельное поперечное (перпендикулярное оси пути) очертание, внутрь которого, помимо подвижного состава, не должны заходить никакие части сооружений и устройств. Исключение составляют устройства, предназначенные для непосредственного взаимодействия их с подвижным составом (контактные подвески и др.)
Габарит подвижного состава – это предельное поперечное (перпендикулярное оси пути) очертание, в котором, не выходя наружу, должен помещаться как груженый, так и порожний подвижной состав, установленный на прямом горизонтальном пути.
ГОСТ 9238-83 ГАБАРИТЫ ПРИБЛИЖЕНИЯ СТРОЕНИЙ И ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ КОЛЕИ 1520 (1524) мм

Габарит подвижного состава
Т
ГОСТ 9238-83
ГАБАРИТЫ ПРИБЛИЖЕНИЯ СТРОЕНИЙ И ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ КОЛЕИ 1520 (1524) мм

Габариты приближения строений
С (до 160 км/ч)
Сск (161-200 км/ч)
С250 (>200 км/ч)
3300
3300
3300
3300
1300

Габариты опор
Габарит опоры (Г) – это поперечное (перпендикулярное оси пути) расстояние от оси пути до ближайшей грани опоры на уровне головок рельсов.

2.2.8. Расстояние от оси крайнего пути до внутреннего края
фундаментов или опор контактной сети на перегонах
и железнодорожных станциях должно быть не менее 3,1 м,
а в снегозаносимых выемках и на выходах из них на длине 100 м не менее 5,7 м.
На участках железных дорог до обновления и реконструкции и
в особо трудных условиях, кроме снегозаносимых выемок, допускается уменьшение этого расстояния до 2,45 м на железнодорожных станциях и 2,75 м - на перегонах.
Отклонение при установке опор контактной сети от проектного
положения допускается только в сторону увеличения, но не более чем на 150 мм.
На кривых участках пути указанные расстояния увеличиваются в соответствии с габаритным уширением.
Опоры контактной сети должны устанавливаться вне пределов кюветов.
В выемках опоры контактной сети следует устанавливать за
пределами кюветов с полевой стороны.
(2450)
ПУТЭКС:

2.2.9. При новом строительстве, обновлении и реконструкции
контактной сети на участках, где предусматривается скорость
движения поездов 161-200 км/ч, расстояние от оси крайнего пути до
внутреннего края фундаментов или опор должно быть 3,3 м,
а при необходимости увеличенный габарит определяется проектом.
Отклонение от этих норм допускается только в сторону увеличения,
но не более чем на 100 мм.
V>160 км/ч
ПУТЭКС:

Увеличение габаритов опор на кривых

Расстояния между сооружениями, устройствами контактной сети, токоприемниками и подвижным составом
ПУТЭКС:

ПУТЭКС:

УГР
Но= 6,500 м
6,250 м
6,000 м
Нmin= 5,750 м = 6,000 м
(на пере-
ездах)
Нmax= 6,800 м
Н`min= 5,675 м (~)
5,550 м (=)
Вертикальный габарит контактного провода
Высота
Габарит

Минимально допускаемый габарит КП на переездах
Не менее 6м

Расстояния от проводов до земли и сооружений.
Расстояния между проводами

ПУТЭКС:

Населенная местность - городская черта с перспективой развития на 10 лет, курорты, поселки, населенные пункты, железнодорожные станции.
Ненаселенная местность - незастроенная местность, редко стоящие строения, перегоны, включая остановочные пункты.
Труднодоступные места - недоступные для транспорта и машин, откосы насыпей и выемок.
Недоступные места –
склоны гор, скал, утесов.

1.4. Контактные подвески. Анкерные участки. Узлы

Простые (трамвайные) контактные подвески
Эволюция конструкций контактных подвесок

Цепные контактные подвески

Классификация контактных подвесок

Цепные контактные подвески
С одним КП
С двумя КП
С шахматным
расположением струн
С совмещенным
расположением струн
По числу КП и способу их подвешивания:

Основные параметры контактных подвесок

Анкерный участок компенсированной контактной подвески
Вариант без средней анкеровки:
Компенсирован-ная анкеровка

Средняя анкеровка компенсированной контактной подвески

Средняя анкеровка полукомпенсированной контактной подвески
Анкерный участок полукомпенсированной контактной подвески

Изменение положения проводов полукомпенсированной контактной подвески при изменении температуры

Изменение натяжения КП полукомпенси-рованной контактной подвески при изменении температуры

Перемещение консолей и фиксаторов при изменении температуры
при компенсированной и полукомпенсированной контактной подвеске

В чем достоинства и недостатки полукомпенсированной
и компенсированной подвески?

Трехпролетное сопряжение контактных подвесок
без секционирования

Трехпролетное сопряжение контактных подвесок
с секционированием

Анкеровка компенсированной контактной подвески

Анкеровка полукомпенсированной контактной подвески
Варианты анкеровок компенсированной контактной подвески

Коэффициент передачи грузокомпенсатора

Звеньевая
Токопроводящая
Струны контактной подвески

Электрические соединители
ПСП
ПС
ПРС

ПРС

Воздушные стрелки

Контактные провода (КП)
Основные требования к КП:
1. Высокая механическая прочность.
2. Износостойкость (твердость).
3. Высокая электропроводность.
4. Термоустойчивость.
1.5. Провода и тросы

Несущие тросы, усиливающие провода, другие провода различного назначения

Грузовой трос фирмы Diepa

1.6. Изоляторы

Напряжения, воздействующие на изоляторы:
рабочее напряжение
(до 4 кВ на постоянном токе и до 29 кВ на переменном);
внутренние перенапряжения (возникают при включениях и отключениях различных элементов
контактной сети, а также при аварийных режимах). Могут достигать приблизительно 3-х кратных значений по сравнению с рабочими напряжениями
атмосферные перенапряжения. При отсутствии специальных мер защиты могут достигать миллионов вольт. Время их воздействия очень мало (10-100 мкс).
Принятый уровень изоляции должен, в соответствии с воздействующими на изоляцию напряжениями, защитными мерами и целесообразными запасами обеспечивать необходимую надежность. Такое согласование называется координацией изоляции.

2. Основные характеристики изоляторов
1. Сухоразрядное напряжение - напряжение промышленной частоты
(50 Гц), приложенное к электродам изолятора, при котором по его сухой и чистой поверхности происходит искровой разряд. (Также используют параметр выдерживаемое напряжение в сухом состоянии).
~
2. Мокроразрядное напряжение - то же при дожде (силой 3 мм/мин с удельным сопротивлением 104 ом·см), направленным под углом 45° к оси изолятора. (Также: выдерживаемое напряжение под дождем).
Uср
~
Uмр
Электрические

4. Импульсное разрядное напряжение - амплитуда стандартного грозового импульса с формой 1,2/50 мкс при котором происходит перекрытие изолятора по чистой и сухой поверхности с вероятностью 0,5.
(Также используют параметр выдерживаемое импульсное напряжение).
5. Пробивное напряжение - наименьшее напряжение промышленной частоты, при котором происходит электрический пробой через материал изолятора.
Uимп
~
Uпр

4. Длина пути тока утечки - наикратчайшее расстояние (огибающая) по контурам наружных изолирующих поверхностей между частями изолятора, находящимися под разными потенциалами.
Lут
Lут

Условия работы изоляторов
в отношении электрической прочности определяют:
при рабочем напряжении – длина пути тока утечки
(в случае загрязнения и увлажнения изолятора);
при внутренних перенапряжениях – мокроразрядное напряжение;
при атмосферных перенапряжениях – импульсное разрядное напряжение.

1. Механическая разрушающая сила при растяжении («класс изолятора»)
Механические (электромеханические)
Fр
2. Разрушающий изгибающий момент
F
Мр=F·L
L
Коэффициент запаса по механической прочности
должен быть не менее:
5,0 – при средней эксплуатационной нагрузке;
2,7 – при наибольшей рабочей нагрузке.
(п. 2.9.7 ПУТЭКС)

3. Классификация изоляторов
1. По материалу изоляционной детали
Изоляторы контактной сети
Фарфоровые
Стеклянные
Полимерные

2. По конструктивному исполнению.
Изоляторы контактной сети
Тарельчатые
Стержневые
Штырьевые

3. По геометрии изоляционной детали
Изоляторы контактной сети
Гладкостержневые
Ребристые

4. По назначению
Изоляторы контактной сети
Подвесные
Натяжные
Фиксаторные
Консольные
Штырьевые
для ВЛ и
волноводов
Опорные
для ОПН
и разъед.

4. Конструкции изоляторов. Обозначения.
1. Тарельчатые изоляторы
ПСД 70-Е
модификация;
класс изолятора (механическая разрушающая сила при растяжении, кН);
конфигурация изоляционной детали (нет буквы – обычная, Д – двухкрылая,
В – с вытянутым ребром, С – сферическая, А – антивандальная);
материал изоляционной детали (С – стекло, Ф - фарфор);
назначение изолятора (П - подвесной).
ПСД 70-Е
ПСС 120-Б
ПСВ 120-Б
ПСА 120-А
ПС 70-Е

2. Стержневые фарфоровые изоляторы
ПСФ 70-3/0,5-01
исполнение;
длина пути утечки тока, м;
номинальной напряжение, кВ;
класс изолятора (механическая разрушающая сила при растяжении, кН);
материал изоляционной части (Ф - фарфор);
конструктивное исполнение (С – стержневой);
назначение (П – подвесной, Н – натяжной, Ф – фиксаторный, К - консольный).
КСФ 100-25/0,95
ПСФ 70-3/0,5-01
ФСФ 100-3/0,6
НСФ 70-25/0,95

2. Полимерные стержневые изоляторы
«Шашлычная»
технология
Трекинг-стойкость
Качество опрессовки оконцевателей
Гидрофобность
Стойкость к воздействию солнечной радиации
Граница «стержень-защитная оболочка»

НСПКр 120-25/0,95-Б
исполнение;
длина пути утечки тока, м;
номинальной напряжение, кВ;
класс изолятора (механическая разрушающая сила при растяжении, кН);
материал и конфигурация защитной оболочки (К – гладкая из кремнийорганической резины, Кр – то же ребристая, Фт – гладкая из фторопласта);
полимерный (буква может отсутствовать)
конструктивное исполнение (С – стержневой);
назначение (П – подвесной, Н – натяжной, Ф – фиксаторный,
К - консольный).
НСПК 120-3/0,6

ПСПКр 120-25/1,1-В
ФСПКр 70-25/1,1
КСПКр 120-25/1,5

1.7. Арматура контактной сети

1.8. Опорные конструкции

Классификация

Закрепление опор в грунте

1.9. Поддерживающие
и фиксирующие конструкции

Консоли
Классификация консолей

Консоли конструкции УКС
Наклонные неизолированные
Наклонные
изолированные
Горизонтальные
изолированные

Фиксаторы
Сочлененный прямой
Сочлененный обратный

Анкерумой ветви
Гибкий

Жесткая поперечина балочного типа
с консольными стойками
Жесткие поперечины

Жесткая поперечина балочного типа с освещением
и с нижним фиксирующим тросом

Крепление ригеля к опоре
На оголовках
На столиках

Жесткая поперечина рамного типа
с нижним фиксирующим тросом

Гибкая поперечина

Подвешивание несущего троса компенсированной подвески на ролике

Кронштейны, надставки, стойки

1.10. Заземления
Индивидуальное заземление ж/б опоры
Групповое заземление

1.11. Защита от атмосферных перенапряжений

1.12. Рельсовая сеть
Упрощенная схема работы рельсовой цепи СЦБ
Как обеспечить работу рельсовой цепи СЦБ независимо
от работы электротяговой рельсовой сети?

Однониточная рельсовая цепь
Двухниточная рельсовая цепь