Электроснабжение электрифицированных железных дорог - Провода и изоляторы контактной сети

Контактный провод должен обладать высокой механической прочностью, электропроводностью, быть износоустойчивым и не подвергаться коррозии.
В соответствии с требованиями ГОСТ 2584—75 контактные провода изготовляют следующих марок: МФ — медный фасонный, МФО — медный фасонный овальный. НЛФ — низколегированный фасонный, НЛФО — низколегированный фасонный овальный, БрФ — бронзовый фасонный, БрФО — бронзовый фасонный овальный.

Ряс. 73. Профили сечения контактных проводов: а — фасонный: б — фасонный овальный.
Фасонными эти провода (рис. 73, а) называют из-за наличия двух продольных канавок для захвата провода зажимами. Основные данные контактных проводов МФ и БрФ приведены в таблице.
В контактных проводах НЛФ и НЛФО в качестве легирующих компонентов применяют олово, магний, цирконий, кремний, титан.
Бронзовые провода изготовляют из меди с легирующими присадками (1% кадмия или 0,2% магния), они обладают повышенной прочностью по сравнению с медными и меньшей электропроводностью. Применение присадок повышает их срок службы ввиду меньшего износа при эксплуатации.

Бронзовые провода имеют  отличительную продольную канавку в верхней части провода (на головке), низколегированные — две канавки.
Провода с площадью сечения 100 и 150 мм2 подвешивают на перегонных и главных путях станций, а 85 мм2 — на станционных путях. С целью уменьшения ветрового отклонения контактных проводов в пролете были выпущены овальные провода сечением 100, 120 и 150 мм2 (рис. 73, б).
Несущий трос цепной подвески выполняют из медных, бронзовых и биметаллических многопроволочных проводов. На дорогах постоянного тока применяют медные тросы марки М сечением 95 и 120 мм2, а на дорогах переменного тока — биметаллические сталемедные несущие тросы марки ПБСМ сечением 70 и 95 мм2. Они свиты из отдельных биметаллических проволок, стальная сердцевина которых покрыта тонким слоем меди. Толщина медной оболочки составляет 10% радиуса проволоки. Биметаллические провода имеют высокую механическую прочность (ов=0,75 ГПа) и не подвержены коррозии на воздухе. Эксплуатируются также бронзовые (Бр) и биметаллические сталеалюминиевые (ПБСА) тросы.
Усиливающие, питающие и отсасывающие провода выполняют алюминиевыми сечением 150 и 185 мм2. Проводимость алюминия в 1,65 раза меньше, чем меди, но алюминий легче меди примерно в 3 раза, поэтому при площади сечения алюминиевого провода, эквивалентной площади сечения меди, его требуется примерно в 2 раза меньше (по массе), чем медного. Нагрузки на опорные и поддерживающие конструкции при этом уменьшаются.
Для электрического соединения отдельных проводов контактной подвески и присоединения к ним секционных разъединителей и разрядников применяют многожильные гибкие медные провода МГГ сечением 50, 70, 95 и 120 мм2. Струны выполняют из провода МГГ-10;
звеньевые выполняют из сталемедной проволоки БСМ диаметром 4 мм. Рессорные струны изготовляют из троса ПБСМ-25 или из проволоки БСМ диаметром 6 мм.
Изоляторы на контактной сети предназначены дли изоляции проводов, находящихся под напряжением, от заземленных частей и электрического отделении одной секции контактной сети от другой. Изоляторы изготовляют из фарфора и закаленного стекла. Они испытывают большие механические нагрузки и должны обладать высокими диэлектрическими свойствами. Электрическую прочность изоляторов характеризуют сухоразрядным, мокроразрядным и пробивным напряжением.
Сухоразрядным называют напряжение, при котором происходит поверхностное перекрытие изолятора при сухой и чистой его поверхности, а мокроразрядным — напряжение перекрытия при дожде. Пробивным называют напряжение, при котором происходит пробой изолятора: пробивное напряжение должно быть в 1,5 раза выше сухоразрядного. Для постоянного тока напряжением 3 кВ изоляторы должны иметь сухоразрядное напряжение не менее 75 кВ и мокроразрядное — не менее 50 кВ, а для переменного тока напряжением 25 кВ — соответственно 135 и 100 кВ.
В устройствах контактной сети устанавливают изоляторы подвесные тарельчатого типа, стержневые, седлообразные и изолирующие вставки из полимерных материалов. Подвесные изоляторы ПФ6-А с серьгой (рис. 74, а) состоят из фарфоровой тарелки 1 и головки, к которой цементным раствором крепят шапку 2 из ковкого чугуна. Внутри головки цементным раствором крепят металлический стержень 4, заканчивающийся внизу серьгой или пестиком. Изолятор выдерживает механическую нагрузку 44 кН.
На контактной сети постоянного тока изоляторы ПФ6-А соединяют в гирлянды по два, на линиях переменного тока — по три-четыре. Помимо этих изоляторов используют изоляторы стержневого типа (рис. 74,6).

Рис. 74. Изоляторы контактной сети: а — подвесной ПФ6-А; 6 — стержневой для напряжения 27.5 кВ; в — седлообразный РС-10
Они состоят из фарфорового стержни / с двумя головками из ковкого чугуна 2 и 3, которые крепят к стержню цементным раствором. На дорогах переменного тока их используют в качестве фиксаторных ФСФ-27,5, секционных ССФ-27,5 и консольных ИКСУ-27,5, включаемых в подкосы поворотных консолей. Изоляторы для дорог постоянного тока имеют четыре ребра и отключаются от приведенных размерами и характеристиками. По ГОСТ 12670—77 с начала 1980 г. введены следующие обозначении изоляторов: ПТФ70, ФТФ40, ФСФ70, ССФ70 и КСФ70. Буквы показывают назначение: П — подвесной, Ф — фиксаторный, С — секционный, К — консольный, Т — тарельчатый, вторая С — стержневой, Ф — фарфоровый; цифры — нормативную разрушающую механическую нагрузку при растяжении, кН.
На дорогах постоянного тока в качестве секционных изоляторов применяют седлообразные РС-10 (рис. 74, в), соединяемые по два последовательно. В новых типах секционных изоляторов на дорогах постоянного и переменного тока установлены изолирующие вставки из стеклотекстолита. Они склеены из слоев стеклоткани длиной 1000 м.

1. Взаимодействие контактной подвески и токоприемника

Токосъем должен быть безыскровым при наибольших скоростях движения и любых климатических условиях. Это зависит от свойств токоприемника и контактной сети. При движении токоприемника по контактному проводу простой или цепной подвески изменяется положение его полоза по высоте в зависимости от эластичности подвески, расположения контактных проводов по высоте и характеристик токоприемника.
Если скорость движения невелика, то изменение высоты подъема токоприемника незначительно влияет на нажатие в контакте. При высоких скоростях увеличивается воздействие воздушного потока, а вследствие изменения высоты токоприемника возникают инерционные силы и нажатие в контакте между полозом токоприемника и контактным проводом мениетси. Наличие сосредоточенных масс на контактной сети в виде зажимов, деталей и фиксаторов также приводит к изменению нажатия в месте контакта. Нажатие в контакте должно изменяться незначительно и не выходить за пределы значений, установленных для применяемых токоприемников. Если нажатие уменьшается, происходят отрывы токоприемника от провода, появляется электрическая дуга, вызывающая износ контактного провода и накладок полоза и ухудшение работы машин электроподвижного состава. Увеличение нажатия вызывает повышенное отжатие контактных проводов, что может привести к повреждению контактной сети и срывам полоза токоприемника.

Сила трения в шарнирах Р7 всегда направлена против движения и противодействует ему.
Нажатие без учета динамической и аэродинамической составляющих при медленных перемещениях токоприемника вниз и вверх называют статическим, а изменение его в зависимости от высоты подъема — статической характеристикой токоприемника. Разница в пассивном Р1=Ро+Рт (при движении полоза вниз) и активном Р2=Ро—Рт (при движении полоза вверх) статических нажатиях должна быть наименьшей. Наибольшее пассивное нажатие для легких и тяжелых токоприемников составляет соответственно 90 и 130 Н, а наименьшее активное — 60 и 100 Н. Отклонение от допустимых значений может привести к ухудшению токосъема и повышенному износу контактирующих элементов.
Важным показателем качества конструкции токоприемника является инерция его массы, т. е. динамическая составляющая давления Ра=М*а (здесь М — приведенная масса токоприемника; а — ускорение этой массы в вертикальной плоскости).
Приведенной массой называется масса, которая, будучи сосредоточенной в точке соприкосновения с контактным проводом, оказывает такое же воздействие на подвеску, как и действительный токоприемник. Изменение приведенной массы токоприемника в зависимости от высоты его подъема называют динамической характеристикой. Чем больше приведенная масса, тем больше инерция токоприемника и тем хуже условия токосъема.
Приведенную массу определяют аналитически или экспериментально по числу колебаний токоприемника, подвешивая его на пружине с известной характеристикой, или по приведенному весу токоприемника с помощью динамометра, подключаемого к средней точке полоза (в обоих случаях при отсоединенных пружинах токоприемника). Среднее значение приведенной массы для отечественных токоприемников находится в пределах 24,5—46 кг.
Аэродинамическая составляющая Ра зависит от скорости движения поезда, скорости и направления ветра, конструкции токоприемника, лобовой поверхности электровоза, расположения и формы крышевого оборудования и может быть определена лишь экспериментальным путем. При увеличении скоростей движения возрастают аэродинамические усилия, в результате чего на отдельных участках контактной сети нажатие токоприемника резко возрастает, становясь в 2—2,5 раза больше статического, а па других участках уменьшается до нуля, вследствие чего происходит отрыв токоприемника от контактного провода.
Лобовое сопротивление полоза токоприемника воздушному потоку должно быть наименьшим. Полоз токоприемника с приподнятой передней гранью вызывает увеличение нажатия на провод, а с опущенной передней гранью стремится оторвать токоприемник от контактного провода.
Для скорости движения 160 км/ч на участках с полукомпенсированной подвеской и одним контактным проводом контактное нажатие полоза токоприемника П-1 составляет 240—260 Н, а в случае применения токоприемника 13РР и компенсированной подвески с двумя контактными проводами достигает 260 Н. Высокие нажатия чередуются с полными отрывами токоприемника от контактного провода, что приводит к увеличению износа провода и накладок полоза. Подъем контактного провода зависит от нажатия токоприемника, натяжения проводов и массы контактного провода.
Эластичностью контактной подвески называют подъем Дh контактного провода под действием нажатия Р токоприемника в рассматриваемой точке и измеряют в метрах на ньютон (м/Н). Эластичность характеризует качество подвески. При неравномерной эластичности подвески в пролете контактный провод поднимается неодинаково, условия токосъема оказываются неудовлетворительными, а при равномерной — траектория движения токоприемника приближается к прямолинейной и качество токосъема хорошее. В применимых подвесках эластичность изменяется по длине пролета в значительных пределах.
Эластичность подвески должна быть равномерной и возможно меньшей. При большой эластичности и значительных подъемах контактного провода в условиях высоких скоростей движения нажатие токоприемника вызывает волновые колебания подвески, затрудняющие токосъем.

Рис. 75. К определению реакций в точках подвеса при действии силы на провод
Подвески дорог постоянного тока обладают значительной массой (тяжелые), а следовательно, малой эластичностью; поэтому эти подвески менее подвержены колебаниям и обеспечивают лучший токосъем, чем легкие контактные подвески дорог переменного тока с большей эластичностью.

При расчете эластичности полагают, что сила нажатия токоприемника Р невелика по сравнению с равномерно распределенной нагрузкой на подвеску, натяжение проводов подвески неизменно; жесткость проводов не учитывают.