Контактная сеть железной дороги: как устроена, напряжение, виды подвески

Как устроена контактная сеть

Электровоз получает энергию сверху: к проводу прижимается полоза токоприёмника (пантографа), ток идёт на тяговые двигатели, а возвращается к подстанции по рельсам. Поэтому тяговая сеть состоит из двух цепей: контактной подвески над путём и обратной рельсовой цепи под колёсами.

Подвеска подвешена к опорам через консоли и изоляторы. Сами опоры стоят вдоль пути на фундаментах и держат вес проводов, ветровую и гололёдную нагрузку. Если смотреть на всю систему целиком, в неё входят: тяговая подстанция, питающие линии (фидеры), контактная подвеска, опорные конструкции, арматура, разъединители и устройства защиты и заземления.

Из каких элементов состоит контактная подвеска

Для контактного провода используют фасонный медный провод, например марки МФ-100 с сечением около 100 кв. мм, у которого есть канавки для зажимов. Несущий трос делают из сталебронзового, биметаллического или медного многопроволочного провода сечением порядка 95 кв. мм. Точные марки определены типовыми проектами и зависят от скорости и тока на участке.

Виды подвески

Подвеска бывает простой и цепной. Простая - это один контактный провод, подвешенный между опорами. Её применяют на путях с малой скоростью: в депо, на станционных и малодеятельных путях, в трамвайной и троллейбусной сети. Провод провисает, поэтому по нему нельзя ехать быстро: токоприёмник на скорости начнёт отрываться и искрить.

На главных путях применяют цепную подвеску: провод подвешен на тросе через струны и держится почти горизонтально. Она бывает одинарной (один трос и один контактный провод) и двойной (контактный провод подвешен на двух параллельных проводах). По способу поддержания натяжения подвески делят на три группы:

• некомпенсированная - натяжение провода зависит от температуры и меняется в течение года;
• полукомпенсированная - натяжение контактного провода регулируется компенсатором, а несущий трос закреплён жёстко;
• компенсированная - стабильное натяжение держат компенсаторы и на тросе, и на проводе, поэтому провисание почти не меняется. Именно её ставят на линиях со скоростным движением.

Провод не натягивают строго над осью пути: его фиксаторами отводят влево и вправо поочерёдно (зигзаг, обычно около 300 мм от оси). Тогда полоза токоприёмника изнашивается по всей ширине, а не протирается в одном месте.

Напряжение в контактной сети: 3 кВ и 25 кВ

В России на железных дорогах применяют две системы электрической тяги: постоянный ток напряжением 3 кВ и однофазный переменный ток напряжением 25 кВ частотой 50 Гц. Выбор влияет и на конструкцию сети, и на расстояние между подстанциями.

Причина понятна из формулы мощности: P = U x I. При одной и той же мощности чем выше напряжение, тем меньше ток. Пример: электровоз потребляет 6 МВт. На переменном токе 25 кВ ток составит 6 000 000 / 25 000 = 240 А. На постоянном 3 кВ тот же электровоз берёт 6 000 000 / 3 000 = 2000 А. Это без учёта потерь и КПД, но разница в восемь с лишним раз показывает, почему на постоянном токе нужны более толстые провода и более частые подстанции.

Фактическое напряжение на токоприёмнике колеблется. Для обеих систем нормы допускают отклонения вверх и вниз от номинала: для 3 кВ примерно от 2,7 до 4 кВ, для 25 кВ примерно от 21 до 29 кВ. Конкретные значения сверяйте с правилами технической эксплуатации и инструкцией по контактной сети.

Высота и габариты

Контактный провод должен висеть так, чтобы под ним проходили любые разрешённые негабаритные грузы и при этом токоприёмник мог его достать. Для магистральных линий высоту считают от уровня головки рельса: по нормам она находится в диапазоне примерно от 5750 до 6800 мм, а на железнодорожных переездах не ниже 6000 мм. При приближении к искусственным сооружениям (мостам, тоннелям) подвеска снижается, и высота там нормируется отдельно.

Расстояние от опоры до оси пути тоже выдерживается жёстко: опоры не должны выходить в габарит приближения строений. Если на путь поставили негабаритный груз, перед пропуском проверяют зазоры до проводов.

Секционирование, воздушные стрелки, сопряжения

Чтобы при аварии отключить небольшой участок, а не всю линию, сеть делят на секции. Границы между ними - изолирующие сопряжения анкерных участков и секционные изоляторы. Подстанции питают секции через разъединители, а на станциях выключатели позволяют снять напряжение с одних путей, оставив его на других.

Над стрелочными переводами контактные провода двух направлений пересекаются в воздушных стрелках. Токоприёмник проходит такую точку без разрыва, поэтому важно ровное положение провода и правильное его закрепление. С конструкцией самих путей знакомит материал про стрелочные переводы. На переменном токе между зонами разных фаз ставят нейтральные вставки: электровоз проходит их по инерции с выключенным током.

Заземление и защита от повреждений

Опоры контактной сети заземляют на рельсы, чтобы при пробое изолятора ток ушёл в землю и сработала защита фидера. Сопротивление заземления проверяют по графику измерений. Устройства защиты на подстанции отключают фидер при коротком замыкании, обрыве или перегрузке. Основы расчёта таких настроек показаны на примере расчёта уставок релейных защит фидера контактной сети.

Типичные повреждения: обрыв провода, схлёстывание, повреждение изоляторов, сход токоприёмника, наезд транспорта на опору, обледенение. После отключения напряжения восстановительная бригада перед работой ограждает место, заземляет провода и только после этого начинает ремонт.

Как безопасно работать рядом с контактной сетью

1. Считайте любой провод под напряжением, пока диспетчер энергоучастка не подтвердил его отключение и не заземлил.
2. Не приближайтесь к проводам и частям, находящимся под напряжением, ближе 2 м без отключения и заземления. Это касается человека и любого предмета: инструмента, лестницы, груза.
3. Не забирайтесь на вагоны, крыши цистерн и платформы без допуска, пока не выдан наряд и не снято напряжение.
4. Оборванный провод, лежащий на земле, обходят большим радиусом и сообщают дежурному: на земле возможно шаговое напряжение.
5. Не тушите пожар у контактной сети водой без разрешения энергодиспетчера.

Профессия электромонтёра контактной сети связана с работой на высоте и под нагрузкой. Он осматривает сеть, измеряет износ контактного провода, регулирует положение подвески, меняет изоляторы и арматуру во время окон в графике движения. Требования к самой подвеске разобраны в примере основных требований к контактной подвеске.

Что ещё питается от контактной сети

Контактная сеть есть не только на железной дороге. Трамвай и троллейбус получают питание от воздушных проводов постоянного тока с номинальным напряжением порядка 600 В, а метрополитен питается от контактного рельса, где напряжение ниже, чем в железнодорожной сети. Принцип тот же: ток подаётся сверху или сбоку, возвращается через рельсы или второй провод.