Author: Михеев В.П.
Tags: электротехника железнодорожный транспорт электроника электрические сети энергетика электрооборудование электроснабжение издательство москва учебное пособие для студентов контактные сети
ISBN: 5-89035-086-2
Year: 2003
Text
В.П. МИХЕЕВ
КОНТАКТНЫЕ СЕТИ
И ЛИНИИ
ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
Утверждено
Департал /енп юл / кадров
и учебных заведении МПС России
в качестве учебника для студентов вузов
железнодорожного транспорта
МОСКВА
2003
БИБЛИОТЕК';
Смоленск о г о
филиала
РГОТУПС . J
УДК 621.332.3(075)
ББК 39.217 31.279
М695
М695 Михеев В.П. Контактные сети и линии электропередачи:
Учебник для вузов ж.-д. транспорта. — М.: Маршрут, 2003.— 416 с.
ISBN 5-89035-086-2
Дано описание конструкций, теории и методов расчета устройств контакт-
ных сетей и линий электропередачи, применяемых на железных дорогах. Рас-
смотрены токоприемники элекзроподвижного состава и принципы их взаимо-
действия с современными контактными подвесками. Изложены методы обес-
печения надежного, экономичного и экологичного токосъема при внедрении
скоростных перевозок и расширении евроазиатского транзита.
Предназначен для студентов вузов железнодорожного транспорта по специ-
альности 101800 Электроснабжение железных дорог, может быть полезен
также инженерно-техническим работникам при проектировании, соору-
жении. монтаже и эксплуатации электрифицированных железных дорог.
УДК 621.332.3(075)
ББК 39.217 31.279
Глава 5 написана автором совместно с доцентом В.В. Свешнико-
вым, глава 12 —с доцентом В.М. Павловым.
Ре ц е н з е н т ы: В.Е. Чекулаев—-энергодиспетчер Диспетчерского цен-
тра Управления перевозками МПС России; А.Т. Бурков— д-р техн, наук,
проф., зав. кафедрой «Электроснабжение железных дорог» ПГУПСа;
А.П. Гукун— зам. начальника службы электроснабжения Западно-Сибирс-
кой железной дороги; НА. Бондарев — преподаватель Московского кол-
леджа железнодорожного транспорта.
Учебник одобрен Департаментом электрификации и электроснабжения
МПС России.
ISBN 5-89035-086-2
© В.П.Михеев. 2003
© Издательство «Маршрут», 2003
От автора
При создании данного учебника для вузов, а ему предшествовали че-
тыре издания книги «Контактные сети», написанные К. Г. Марквардтом
и И. И. Власовым (1938—1994 гг.), ставилась задача сохранить классичес-
кую основу дисциплины и одновременно внести изменения, произошед-
шие в последнее время.
Формальное изменение произошло в соответствии с ГОС специаль-
ности 101800 в названии дисциплины «Контактные сети и ЛЭП». Но
добавление ЛЭП рассматривалось, как это было принято, для контакт-
ных сетей в 1938 г., т.е. их электрические расчеты выносились в отдель-
ную дисциплину — «Электроснабжение электрических железных дорог».
В содержании книги учтен ряд изменений в конструкциях контакт-
ных сетей и токоприемников, связанных с увеличением скоростей дви-
жения пассажирских поездов до 220—350 км/ч, ужесточением требо-
ваний по надежности токосъема в связи с развитием международных
контейнерных перевозок, в частности, евроазиатского транзита.
Необходимость экспериментальной проверки новых внедряемых кон-
струкций контактных сетей и токоприемников привела к изложению прин-
ципов их стендовых и линейных (полигонных) испытаний.
Также введены материалы по токосъемным устройствам транспор-
та монорельсового и на магнитном подвесе.
Порядок изложения материала в учебнике несколько модернизирован:
после метеоусловий последовательно рассмотрены конструкции, процес-
сы и основы расчетов и экспериментов для узлов шести функциональных
подсистем, на которые условно можно подразделить контактные сети и
ЛЭП. После этого изложены вопросы, связанные с совместной работой
нескольких подсистем, токосъема и изнашивания материалов.
Линии электропередачи рассматривались преимущественно те, которые
обслуживаются предприятиями железных дорог. Процессы, реализуемые
в узлах их подсистем, в основном работающих без токосъема, базируются
на теориях, аналогичных с разработанными для воздушных и кабельных
линий различного назначения.
Автор выражает искреннюю признательность всем, оказавшим по-
мощь при создании учебника, в частности, сотрудникам Департамента
электрификации и электроснабжения МПС России и кафедры элек тро-
снабжения ПГУПСа, а также научному редактору Ф.А. Магидину.
3
ГЛАВА 1
ВВЕДЕНИЕ В КОНТАКТНЫЕ СЕТИ,
ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ И ИХ РАЗВИТИЕ
1.1. Понятие об энергетике и транспорте
Энергетика как сфера деятельности человеческого общества явля-
ется глобальной системой, включающей в себя как подсистемы окру-
жающую среду и различные отрасли народного хозяйства. Под энерге-
тикой, или энергетической системой, следует понимать совокупность
больших естественных (природных) и искусственных (созданных чело-
веком) систем, предназначенных для получения, преобразования, рас-
пределения и реализации энергетических ресурсов всех видов. Под энер-
гетическими ресурсами понимаются материальные объекты, в которых
сосредоточена энергия, возможная для использования ее человеком.
Энергетика как отрасль включает в себя энергетические ресур-
сы, выработку, преобразование, передачу и использование разных
видов энергии (Э). Практически энергетика является основой лю-
бой материально-технической деятельности в мире (промышлен-
ное производство, транспорт, использование природных ресурсов,
охрана окружающей среды и т.п.). Развитие любой области циви-
лизации немыслимо без потребления энергии. Без использования
энергоносителей невозможны существование, деятельность чело-
века и других живых существ.
Из 15 видов энергии, известных человеку, используются только де-
сять, из них непосредственно — четыре: тепловая, механическая, элек-
тромагнитная (световая) и электрическая. Последняя, обладая универ-
сальностью, может выступать и как передаточное звено. Электроэнер-
гетика — ведущая отрасль энергетики — обеспечивает электрифика-
цию практически всех областей деятельности человека на основе ра-
ционального производства и потребления электрической энергии (ЭЭ).
Этому служат подсистемы ее устройств со следующими функциями:
получение, первичное преобразование, передача, вторичное преобра-
зование, распределение, потребление (рис. 1.1).
Одним из крупных потребителей энергии (в том числе электроэнер-
гии) является транспорт — совокупность технических средств (под-
4
Рис. 1.1. Природные энергетические ресурсы и их использование в различных сфе-
рах деятельности человека (мех. — механическая энергия; теп. — тепловая;
хим. — химическая: свет. — световая; ЭЭ — электрическая)
5
ГЛАВА 1
ВВЕДЕНИЕ В КОНТАКТНЫЕ СЕТИ,
ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ И ИХ РАЗВИТИЕ
1.1. Понятие об энергетике и транспорте
Энергетика как сфера деятельности человеческого общества явля-
ется глобальной системой, включающей в себя как подсистемы окру-
жающую среду и различные отрасли народного хозяйства. Под энерге-
тикой, или энергетической системой, следует понимать совокупность
больших естественных (природных) и искусственных (созданных чело-
веком) систем, предназначенных для получения, преобразования, рас-
пределения и реализации энергетических ресурсов всех видов. Под энер-
гетическими ресурсами понимаются материальные объекты, в которых
сосредоточена энергия, возможная для использования ее человеком.
Энергетика как отрасль включает в себя энергетические ресур-
сы, выработку, преобразование, передачу и использование разных
видов энергии (Э). Практически энергетика является основой лю-
бой материально-технической деятельности в мире (промышлен-
ное производство, транспорт, использование природных ресурсов,
охрана окружающей среды и т.п.). Развитие любой области циви-
лизации немыслимо без потребления энергии. Без использования
энергоносителей невозможны существование, деятельность чело-
века и других живых существ.
Из 15 видов энергии, известных человеку, используются только де-
сять, из них непосредственно — четыре: тепловая, механическая, элек-
тромагнитная (световая) и электрическая. Последняя, обладая универ-
сальностью, может выступать и как передаточное звено. Электроэнер-
гетика — ведущая отрасль энергетики — обеспечивает электрифика-
цию практически всех областей деятельности человека на основе ра-
ционального производства и потребления электрической энергии (ЭЭ).
Этому служат подсистемы ее устройств со следующими функциями:
получение, первичное преобразование, передача, вторичное преобра-
зование, распределение, потребление (рис. 1.1).
Одним из крупных потребителей энергии (в том числе электроэнер-
гии) является транспорт — совокупность технических средств (под-
4
I’nc. 1.1. Природные энергетические ресурсы и их использование в различных сфе-
рах деятельности человека (мех. — механическая энергия; теп. — тепловая;
хим. — химическая; свет. — световая; ЭЭ — электрическая)
5
вижных единиц, коммуникаций) и технологических процессов, не-
обходимая для эффективного функционирования сфер производ-
ства и удовлетворения личных потребностей при перемещении (пе-
ревозке) грузов и людей между континентами, странами, города-
ми и селами (а в будущем и между планетами); внутри производ-
ственных предприятий (промышленных, сельскохозяйственных и
т.п.), непроизводственных и жилых объектов (зданий, территорий).
В частности, значительную долю электроэнергии потребляет элек-
трический транспорт — электрифицированные железные дороги,
промышленный и городской (трамваи, троллейбусы, метро) транс-
порт, монорельсовые дороги и т.д. В части влияния на окружаю-
щую среду электрический транспорт является экологически чис-
тым, хотя есть факторы, отчасти негативно влияющие на окружа-
ющую среду и связанные с его неавтономными видами, в том чис-
ле непосредственно с токоприемниками электроподвижного соста-
ва (ЭПС) и контактной сетью: шум, радио- и телепомехи, засоре-
ние почвы продуктами истирания контактных деталей и др.
Электротяговая сеть электрического транспорта (рельсовая и контак-
тная) также оказывает влияние на различные устройства: опасные (наве-
денные), мешающие (помехи), гальванические (электрокоррозия) и т.п.
1.2. Общие сведения об электрических сетях
Понятие об элементах электрических сетей. Особенностью элек-
троэнергетики является неразрывная одномомсн i пая связь производ-
ства и потребления электроэнергии. Сложно вырабатывать электроэнер-
гию «в запас» |— она должна потребляться практически в момент ее
производства (иначе необходимы специальные накопители). Поэтому
производители и потребители электроэнергии объединены в энерго-
системы, состоящие из электроустановок — электростанций, электри-
ческих сетей и электроприемников — потребителей электроэнергии.
В общем плане электроустановками называют совокупность ма-
шин, аппаратов, линий и вспомогательного оборудования (вместе
с сооружениями и помещениями, в которых они установлены), пред-
назначенных для производства, преобразования.передачи,распре-
деления электрической энергии и преобразования ее в другой вид
энергии. По условиям электробезопасности электроустановки под-
6
разделяют на две группы: напряжением до 1 кВ и выше 1 кВ. По
условиям размещения их делят на открытые (наружные) и закры-
тые (внутренние). Электропомещения, где они располагаются, в
свою очередь, могут быть сухими, влажными, сырыми, особо сы-
рыми, жаркими, пыльными (с токопроводящей и непроводящей пы-
лью), с химически активной и органической средой.
Важнейшим элементом энергетической системы являются элект-
рические сети, т.е. совокупность электроустановок, служащих для пе-
редачи и распределения электрической энергии и состоящих (рис. 1.2)
из воздушных (ВЛ) и кабельных (КЛ) линий электропередачи
(ЛЭП), токопроводов, электропроводок, трансформаторных под-
станций (ТП) и распределительных устройств (РУ), расположен-
ных на определенной территории.
Основные требования к электрическим сетям — передача и рас-
пределение электрической энергии с надежностью, соответствую-
щей категории электроприемников, при использовании сечений
проводников, удовлетворяющих экономической плотности тока
или технико-экономическим расчетам.
Рпс. 1.2. Функции подсистем линий электропередачи и контактных сетей
7
Особую (специализированную) группу электрических сетей состав-
ляют 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 электрифициро-
ванных железных дорогах, а также в промышленном и городском
(трамвай, троллейбус, метро) транспорте. Они имеют различные схе-
мы питания и секционирования, а также разнообразные конструкции
многочисленных узлов для разных напряжений и родов тока. В пред-
лагаемой книге изложены в основном материалы по контактным се-
тям электрифицированных российских железных дорог (РЖД).
Для удобства понимания все устройства, входящие в линии элек-
тропередачи и контактные сети, можно условно скомпоновать в
шесть групп — подсистем. Условность такой компоновки опреде-
ляется тем, что некоторые узлы могут быть отнесены сразу к не-
скольким функциональным подсистемам. Это означает, что в та-
ких узлах может происходить несколько электрофизических про-
цессов, каждый из которых количественно оценивается соответ-
ствующими характеристиками и параметрами.
Подсистемами можно назвать следующие группы: токопрово-
дящие и контактные устройства (узлы, которые входят в подвески
проводов и рельсов, кабели, токопроводы и т. п.); опорно-поддер-
живающие устройства; изолирующие элементы, защитные, секци-
онирующие и диагностические устройства (рис. 1.3). Каждая под-
система имеет комплекс основных узлов, который дополняется по
мере их совершенствования и разработки.
Контактные сети и лин и и электропередачи ксл
Токопроводящие и контактные устройства ПКУ
Опорно-поддерживаюшие устройства ОПУ
Изол и рующие элемен i ы ИЗ
Защитные устройства ЗУ
Секционирующие устройства СУ
Диагностические устройства ДУ
Рис. 1.3. Подсистемы контактных сетей плиний электропередачи
8
1.3. Общие сведения о линиях электропередачи
Типы линий. Линии электропередачи предназначены для передачи
электроэнергии от источника к потребителю. Они могут быть магист-
ральными, передающими большие потоки мощности в центры пита-
ния определенного региона потребителей, и распределительными, под-
водящими электроэнергию от центров питания к потребителям. Как
правило, основу электрических сетей (особенно магистральных линий)
составляют воздушные линии.
Воздушными ЛЭП называют устройства для передачи электроэнер-
гии по неизолированным (голым) или изолированным проводам, рас-
положенным на открытом воздухе и прикрепленным при помощи изо-
ляторов и арматуры к опорам пли кронштейнам и стойкам на инженер-
ных сооружениях (мостах, путепроводах и т.п.). За начало и конец ВЛ
напряжением свыше 1 кВ принимают линейные порталы или линей-
ные вводы распределительных устройств подстанций, а для ответвле-
ний - 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 электроэнер-
гии или ее отдельных импульсов, состоящие из одного или несколь-
ких кабелей с соединительными, стопорными и концевыми муфта-
ми (заделками) и крепежными деталями, а для маслонаполненных
КЛ, кроме того, с подпитывающими аппаратами и системой сиг-
нализации давления масла. Конструкция кабеля обычно рассчитана
на подземную или подводную прокладку и включает в себя одну или
несколько токопроводящих жил, покрытых изоляцией и заключен-
ных дополнительно в общую изолирующую и защитную оболочки.
Токопроводами называют устройства, предназначенные для пере-
дачи и распределения электроэнергии мощностью 15—35 мВ-A. со-
стоящие из неизолированных или изолированных проводников и от-
носящихся к ним изоляторов, защитных оболочек, поддерживающих
и опорных конструкций. Токопроводы могут быть жесткими (шиноп-
роводы) и гибкими. Шинопроводы подразделяют на магистраль-
ные. распределительные, троллейные и осветительные. Токоиро-
ноды. выходящие за пределы одной электроустановки выше 1 кВ,
называют протяженными.
9
Электропроводками называют совокупность проводов и кабелей
с относящимися к ним узлами крепления, поддерживающими, за-
щитными конструкциями и деталями, установленными в соответ-
ствии с Правилами устройства электроустановок (ПУЭ). Требова-
ния ПУЭ распространяются на электропроводки силовых, освети-
тельных и вторичных цепей напряжением до 1 кВ постоянного и пе-
ременного тока, проложенных внутри зданий и сооружений, на на-
ружных их стенах, территориях предприятий, учреждений, микро-
районов, дворов, приусадебных участков, на строительных площад-
ках с применением изолированных установочных проводов всех се-
чений, а также небронированных силовых кабелей в резиновой или
пластмассовой оболочке с сечением фазных жил до 16 мм2.
Все воздушные и кабельные линии электропередачи, токопрово-
ды, электропроводки и электроприемники оказывают влияние на со-
стояние человека соответственно с частотой и напряжением тока.
Этапы развития электрических линий 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 «элек-
трическая цепь» появился, когда аббат Нолле демонстрировал
французскому королю прохождение тока через 180 гвардейцев,
взявшихся за руки и одновременно вздрагивающих в момент за-
мыкания так называемой «лейденской банки» (1747 г.). В 1807 г.
русским ученым П. И. Стреховым было установлено, ч то электри-
ческий заряд может проходить через воду и землю, что впослед-
ствии позволило использовать их как обратный провод.
Практическое использование линий электропередачи в России
началось в 70-х гг. XIX в., когда возникла необходимость переда-
чи электроэнергии от генераторов к электрическим лампам нака-
ливания А. Н. Лодыгина и «свечам Яблочкова».
Работы по военной минной электротехнике и электромагнитно-
му телеграфу привели к созданию подводного и подземного кабе-
лей. (П. Л. Шиллинг, 1812 г., Э.В. Сименс, 1848 г.).
В 1873 г. в Вене состоялась международная выставка, с которой на-
чинается история электропередачи. На этой выставке инженер
10
Фонтен демонстрировал обратимость электрических машин, вклю-
чив между генератором и электродвигателем барабан с кабелем дли-
ной в 1 км, который имитировал ЛЭН соответствующей длины.
В России в 1874 г. Ф. Л. Пироикий провел опыт по передаче
энергии на расстояние 200—1000 м на артиллерийском полигоне
Волкова поля (около Петербурга), использовав в качестве гене-
ратора 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-Добро Вольский сконсгруи-
ровал первый трехфазный асинхронный двигатель. В августе 1891 г.
осуществил преобразование и передачу электроэнергии трехфазным то-
ком 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 проле-
том 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 дру-
гих промышленных районов.
В настоящее время подразделениями Департамента электроснабжения
и электрификации железных дорог МПС России (сетевыми районами и
районами контактной сети) обслуживается значительный объем ЛЭП: вы-
соковольтных (до35 кВ) -около 130, низковольтных—около 60тыс. км.
Условия работы ЛЭП. Узлы и детали подсистем ЛЭП выполняются
из различных материалов: металла, железобетона, полимеров, силикатов
(пекло, фарфор), волокнистых материалов (древесина и др.).
Условия работы элементов ЛЭП можно представить в виде факто-
ров. влияющих на деструкцию (разрушение) материалов, объединив
их в группы: климатические, биологические, атмосферные, почвен-
ные. эксплуатационные (рис. 1.4). Результатами воздействия этих фак-
юров являются различные виды деструкций, требующих соответству-
ющих мероприятий по защите. Причинами разрушений (поврежде-
ний) также могут быть чрезмерные нагрузки (монтажные, транспорт-
11
Вандализм
Токи коротких замыканий
Блуждающие токи
I {сисправленные юкоприемники
Выхлоп тепловозов -
Поломки, возгорания
Тсрмитодеструкция
Солевая дестркуция
Возгорания, пожары
Перекрытия изоляции
"*—{ Грибки
Коррозия
Темпера гура
Образование трещин
Давление
Гололед
Птицы
Фрикционные
изнашивания
Абразивная
дест р> кция
Вибрационные
разрушения
Лихенодеструкция
(плесень)_______
Микродеструкция
(грибки)________
Электрическая
эрозия________
—[растеттия-наразиты
—{Бактерии__________
Запыленность
Химическая
агрессивность
Химическая
агрессивность
Сыпх чне пески
Вибрации от поездов)—
—{Термиты
Влажность
Поломки. отжиги.
пережоги проведав
12
ные. аварийные, большие, чем расчетные по повторяемости). Кроме
того, для воздушных ЛЭП устанавливаются дополнительные конст-
руктивные ограничения, влияющие на режимы работы. К ним отно-
сятся вертикальные и горизонтальные габариты по условиям элект-
робезопасности, большие пролеты на речных и других переходах, зна-
чительная разность высот точек подвеса в гористой местности и т.п.
Условия работы кабельных линий (подземных и подводных) свя-
заны с меньшим числом факторов, влияющих на их деструкцию, но
обременены рядом дополнительных эксплуатационных условий, свя-
занных с необходимостью защиты от человека, животных и т.п. (ме-
ханических воздействий) и электрического пробоя изоляции.
Основные габариты. Как уже указывалось выше, железнодорож-
ные предприятия России эксплуатируют главным образом ЛЭП на-
пряжением не выше 35 кВ, конструктивное исполнение и габарит-
ные размеры которых определяются требованиями ПУЭ. В каче-
стве примера ниже приведены основные габариты ВЛ как наибо-
лее массового типа линий электропередачи МПС России. Полнос-
тью все габариты ВЛ, КЛ, токопроводов и электропроводок изло-
жены в соответствующих разделах ПУЭ.
Наименьшее расстояние между проводами ВЛ принимается из ус-
ловия их допускаемого сближения в пролете и зависит отстрелы про-
веса, материала проводов и площади их сечения. Например, для про-
лета длиной 75 м в IV районе гололедности (см. гл. 2) это расстояние
при штыревых изоляторах должно быть не менее 1750 мм, при под-
весных — 2000 мм. Для повышения грозоустойчивости ЛЭП напря-
жением до 10 кВ рекомендуется применять деревянные траверсы. Го-
ризонтальное расположение проводов (в одной плоскости) обязательно
при стенке гололеда более 20 мм, в остальных случаях возможно рас-
положение проводов по вершинам треугольника.
Наименьшее изоляционное расстояние по воздуху от токопроводя-
щих до заземленных частей ВЛ по грозовым перенапряжениям для
штыревых изоляторов должно быть 350, для подвесных — 450 мм, а
по внутренним перенапряжениям и наибольшему рабочему напряже-
нию — 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
13
температуре воздуха в населенной, ненаселенной и труднодоступ-
ной 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. Минималь-
ное 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 I кВ — 1,5 м.
1.4. Общие сведения о контактных сетях
электрического транспорта
Контактные сети электрического транспорта предназначены для пи-
тания 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 (электрифи-
цированные 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 верх-
ней эластичной контактной подвеской над путями (рис. 1.5). Контакт-
ные подвески (провода) закрепляются на опорах, расположенных вдоль
Рис. 1.5. Схема внешнего электроснабжения и питания электроиодвижного соста-
ва электрической железной дороги: ЭС—электрическая станция: ЛЭП—линия
электропередачи; ТПС—тяговая подстанция: ПЛ — питающая линия; ОЛ - от-
сасывающая линия; КС—контактная сегь; ТК—токоприемник; PC — рельсовая
сеть; ЭПС — электроподвижной состав; ТС — тяговая сеть
14
железной дороги, с помощью консолей или поперечин. В качестве
обратного провода используются ходовые рельсы.
Специфика троллейбусной контактной сети заключается в на-
личии двух параллельных (разнополярных) гибких воздушных кон-
тактных подвесок с дистанционно управляемыми из кабины води-
теля воздушными стрелками. Токоприемники троллейбусов выпол-
нены в виде поворотных штанг с направляющими токосъемными
башмаками и ловителями, срабатывающими при сходе башмаков
с контактных проводов. В местах пересечения троллейбусных про-
водов с трамвайными устанавливают специальные секционные изо-
ляторы, в которых токоприемники трамваев проходят под трол-
лейбусными проводами по инерции (по воздуху).
В метрополитене в качестве контактного провода использует-
ся третий (четвертый) рельс, а в качестве обратного провода —
ходовые рельсы. В местах стрелочных переводов контактные рель-
сы прерываются, превращаясь в концевые отводы, или их нижняя
поверхность разворачивается в сторону оси пути (токоприемни-
ка), образуя боковой отвод. Токоприемники выполняются в виде
рычагов с контактными башмаками на одних концах и шарнир-
ными основаниями с пружинами на других. Основания устанав-
ливаются на изоляторах или деревянных брусьях, закрепленных
на буксах колесных пар вагона (рис. 1.6).
Рис. 1.6. Схема расположения контактного рельса метрополитена: I — кон-
тактный рельс; 2 — изоляторы; 3 — резиновый шнур; 4 — деревянный короб;
5 — скоба; 6 — кронштейн: 7 — контактный башмак; 8 — деревянный брус
15
Рис. 1.7. Особенности системы то-
косъема монорельсового транспор-
та на магнитном подвесе: 1 — тележ-
ка вагона; 2 — Т образная эстака-
да; 3 — опорные рельсы; 4 — поса-
дочные упоры; 5 — элементы под-
рессоривания; 6 — кузов; 7 — ли-
нейный двигатель: 8 реактивная
шина; 9 — феррорельс; К) — элект-
ромагниты подвеса; 11 — токопри-
емник; 12 — контактный рельс с изо-
лятором
Применяется токосъем с вер-
хней и боковой поверхностей
контактных токопроводов.
В монорельсовом транспор-
те подвижной состав переме-
щается по бетонной эстакаде.
Контактные рельсы крепятся к
вертикальным стенкам балок-
эстакад. К ним прижимаются
контактные башмаки токопри-
емников, закрепленных на ку-
зовах вагонов. Все элементы
токоприемников работают в
сложных аэродинамических
потоках в пространстве «эки-
паж—эстакада» (рис. 1.7).
В случае применения маг-
нитного подвеса условия еще
больше усложняются в связи с
тем, что высота кузова при
«всплытии» (подъеме) перио-
дически изменяется относи-
тельно уровня эстакады. То-
коприемник должен отслежи-
вать суммарные изменения вы-
сотного положения рельсов и
подъема (всплытия) экипажа.
На стрелках эстакада поворачивается в горизонтальной плоско-
сти вместе с рельсами или ее секция вместе с экипажем перемеща-
ется трансбордером (рельсовой тележкой).
Известно переворачивание эстакады на стрелках на 180° отно-
сительно продольной оси.
16
1.5. Этапы развития контактных сетей
электрического транспорта
Почти сразу же после появления первых электродвигателей
(1831—1832 гг.) начались попытки применить электрическую энер-
гию для транспорта, вначале автономного.
В 1834—1835 гг. американец Девенпорт построил несколько
вагонов, автономно передвигавшихся от энергии батарей гальва-
нических элементов. Подобные опыты проводили Беккер и Стра-
тинг 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.).
Г>Додка смогла плыть по Неве против течения со скоростью более 4 км/ч.
После появления генератора элек трической энергии системы Лэд-
у^ца в 1867 г. и системы 3. Грамма в 1877 г. стала возможной неавто-
। номная электрическая тяга с контактной сетью. В 1876 г. русский
военный инженер Ф. А. Пироцкий оборудовал вагон Петербургс-
кой конной железной дороги двигателем с зубчатой тяговой переда-
чей к колесной паре. Реборды колес были изолированы от своих цен-
тров и снимали ток с ходовых рельсов. Рельсы были уложены на
просмоленную парусину, используемую в качестве изоляции, и под-
ключены как прямой и обратный провода к генератору мощностью
6 л.с., вращаемого паровой машиной (локомобилем). Во время ис-
пытаний в Дегтярном переулке вагон успешно возил груз 7 т (40 пас-
сажиров), используя для токосьема принцип контактных рельсов.
В 1879 г. на Берлинской промышленной выставке В. Сименс де-
монстрировал электровоз мощностью 3 л.с., получавший питание
напряжением 130 В от шины, уложенной между рельсами на изоля-
торах, с помощью щетки-токоприемника. Была применена ремен-
ная передача от двигателя к колесной паре. Подобную же систему
испытывал Т. А.Эдисон в Менло-Парке, а в 1881 г. она начала ра-
ботать на железной дороге между гБ^улш OKL ыЖирtfГЙ^кзе дли-
Кон1ак1ные сети
Смоленского
филиала
РГОТУПС-.
17
ной 2,45 км при напряжении 160 В. Так успешно утвердилась сис-
тема токосъема с жестким контактным токопроводом.
В 1882 г фирмой Сименс-Гальске был построен опытный участок
под Берлином с первыми верхними гибкими контактными провода-
ми, 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 напряже-
ние подавалось к подвижной единице. Это был первый троллейбус.
В 1884 г. по этой системе была выполнена первая линия Франк-
фурт-на-Майне— Оффенбах напряжением 300 В. Но система была
сложна на воздушных стрелках и пересечениях. В 1885 г. на трам-
вайной линии в Канзас-Сити (США) на воздушной контактной под-
веске 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 обо-
рудована простой контактной подвеской. В начале XX в. трамвай с
нормальной узкой колеей 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 Санкг-Петсрбурга до Ораниенбаума (г. Ломоносов).
Одновременно с трамваем в мире интенсивно развивались при-
городные и междугородные пассажирские электрические железные
дороги, но лишь в 1895 г. на линии Балтимор - Огайо был элект-
рифицирован тоннель, использовавшийся для грузового движения.
Первым пригородным участком железной дороги в СССР стал
Баку — Сабунчи — Сурханы протяженностью 19 км, электрифици-
рованный в 1926 г. на постоянном токе 1200 В с применением цеп-
ной некомпенсированной контактной подвески. В 1929 г. с приго-
родного участка Москва — Мытищи протяженностью 17,7 км на-
чал электрификацию железных дорог на постоянном токе 1650 В На-
родный комиссариат путей сообщения СССР.
Первый в СССР участок магистральной железной дороги Хашу-
ри — 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 по-
лукомпенсированная контактные подвески.
18
R 193> г. была чу?ц:.«?а пиния метрополитена в Москве
д тиной 1 1,& км - тринадцл и t станций (от Сокольников до Парка
/лътуры с ответвлением на Смоле некую). Токосъем обеспечивался
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
•олнетг-’-'.на фундамент ivis расширения полигона электрифика-
ции железных дороэ я сплетшейся вования контактных сетей на базе
•«прг-менш (л научных д-эстигкений.
Йклад ;; глкетгих) ученых и инженеров в развитие кон-
такт ных сетей. Проектирование, строительство и эксплуатацию са-
мой протяженной сети электрифицированных железных дорог в Рос-
сии (СССТ| обеспечил коллектив высококвалифицированных инже-
неров и уючы?. страны, Большинство из них прошли обучение в ву-
зах железнодорожною транспорта и учились по учебникам «Кон-
тактная написанными в периоде 1938 по 1994 гг. профессора-
ми К. Г. Марквардтом и И. И. Власовым, пользовались их справоч-
никами по элег лрь'.’-.иь.шин и электроснабжению электрических жс-
лезны? таучиыын трупами по контактным сетям.
Коне, нынв Гу к;-г ,ь t Марквардт (1904 —1998) —ученый в
области лекзрск ,«;жечня электрических железных дорог, док-
тор Tcv'HHs.OKiV' наук •.трофсссор. С 1947 по 1983 гг. — заведую-
щий кафедрой • .h« t. «снабжение электрических железных до-
рог» Московскою ин титута инженеров железнодорожного
грннспорга, руководитель большого числа аспирантов, почетный
профессор •'.•оаекнго университета путей сообщения (МИИТ).
Им написаны учебники в научные труды по электроснабжению
железны:’ дорог, организации учебного процесса и др.
Иван Иванович аспн(гХХ)- 1966) — ученый в области электрифи-
кации железных , доктор технических наук, профессор. За годы ра-
боты! в*. Во-юючэ научно-исследовательском институте железнодо-
•х'жно- о эр it* дор.' • {лНИ21ЖТ) в качестве руководителя лаборатории
контактной сет и «ь ;< -юлыпец вклад в развитие теории и совершенство-
вав ия кэ'>сгр\-кд.ч<5 т-'-чглкпюй сети. Участник строительства первых
элекфифни.'цчианны.' участков железных дорог в стране. Им написаны
руды по хцнегууи' (1 монтажу контактной сети, токосъему. Он
лтляетея <иг" f/i нлуюыс работ, учебников, в том числе для вузов.
19
Константин Густавович
Марквардт
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 СССР.
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 дос-
тигнуты наивысшие объемы и темпы электрификации в мире. По его
инициативе была разработана и внедрена система электрификации же-
лезных дорог на переменном токе 25 кВ и ее разновидность 2x25 кВ, а
также различные способы усиления устройств электроснабжения, созда-
ны новые системы телеуправления и автоматики и др.
Леонид Осипович Грубер (1907—1995) — инженер-электрик,
организатор и руководитель электромонтажных работ при осуще-
ствлении Генерального плана электрификации железных дорог,
главный инженер Главтрансэлектромонтажа Министерства транс-
портного строительства СССР (1954—1980 гг.). Под его непосред-
ственным руководством были электрифицированы крупнейшие
20
сверхмагистрали СССР: Москва — Байкал, Ленинград — Ленина-
кан, 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 по-
ловину длины всего полигона железных дорог России (86 тыс. км). Это
вдва раза больше, чем в Германии — страны, имеющей наибольшую
длину элек грифицированных путей в мире (кроме России). Еслиучесть
пути станций и то, что большинство электрифицированных линий Рос-
сии двухпутные, то развернутая длина ее контактной сети составляет
порядка 80 тыс. км. Электрифицированные железные дороги обеспе-
чивают до 70% перевозок по России. Составить общее представ-
ление об устройстве контактной сети можно, рассмотрев ее основ-
ные элементы (рис. 1.8).
Контактная сеть—это часть электротяговой сети, состоящая из кон-
тактных подвесок с проводами или жестких рельсов вместе с располо-
женными вдоль электрифицированных путей опорно-поддерживающи-
ми, изолирующими, защитными, секционирующими и диагностичес-
кими устройствами (см. рис. 1.3) и служащая для подвода электричес-
кой энергии к подвижному составу через непосредственные контакты
сего токоприемниками. Среди элементов, образующих электрифици-
рованную 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 бе-
зопасность движения поездов и требуется очень высокая надежность,
особенно при обеспечении международных перевозок.
Основные требования к контактным сетям — передача (канализа-
ция) электроэнергии и обеспечение надежного, экономичного и эко-
логически чистого токосъема в расчетных метеоусловиях при уста-
новленных максимальных скоростях движения, типах токопрпемни-
21
Рис. 1.8. Основные элементы контактной сет и и размер!a rut ктс[ м г ту»оп inc ее разме-
щение относительно других постоянных устройств м;н ik трачьн.тх железных порог
/—подвеска контактной сети;2— опора, консоль.фнкса юр: J — изоляторы
Габарит ы: Г — опор; Н — проводов; Л — заземленных исгтсспкннь с сооружений
ков и значениях токов ЭПС. Эти положения так тадыьаюген в зехни-
ческих условиях для конкретных типов контактны.-; сетей но всего их
подсистемам. Так, например, для сети К'С-200 угцощлщвастся срок
службы изоляторов 30 лет. для контактных проке ton по износу,
для остальных устройств - 50 лет. Оговариваются типы контактны/
подвесок на перегонах и станциях, коэффициент нз'разьомерности же
сткости (эластичности), конструктивная высота п- лвес зк и т и
Кроме того, для облегчения корректировки долумснгации кон
тактной сети, повышения четкости спецификации рабочих черте
жен, а также для обеспечения возможности г н/ со терний сиси’
матизацип чертежей и оперативности оформле ». > -т? ноегя
вок элементов и узлов техническая дот умен пщ» ' ,'к,цтн ест
ряда КС-200 маркируется буквами латинского алфвн.ла (А и
22
цифрами (КС 100000000— КС 900000000), в том числе чертежи фун-
даментов и анкеров обозначаются буквой А, опор и стоек — В, по-
перечных устройств контактной подвески — С, продольной контак-
тной подвески — D. усиливающих и питающих линий — Е, разъеди-
нителей 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: темпе-
ратура воздуха, скорость ветра, толщина стенки гололеда, влаж-
ность воздуха (туман, дождь), интенсивность солнечной радиации,
плотность абразивных (пыль, песок) и химически активных частиц
в воздухе, наличие биологических организмов и насекомых, осо-
бенности грунта (вечная мерзлота и т.п.). Кроме того, для клима-
тических условной Байкало-Амурской (БАМ) и Амуро-Якутской
(АЯМ) магистралей в дополнение к вечной мерзлоте и сверхниз-
ким температурам должно учитываться критическое состояние же-
лезобетонных опор, когда они с одной стороны нагреваются солн-
цем, а с другой обдуваются холодным ветром.
Конструктивные факторы для контактных сетей определяются за-
висимостью от рельсовой колеи и воздействием ЭПС. К ним отно-
сятся: малые допуски на горизонтальные и вертикальные габариты
контактных проводов, отсутствие резерва питания ЭПС, вибраци-
онное воздействие ЭПС на фундаменты и изоляторы, изнашивание
контактных проводов, вероятность отжига и пережога проводов при
токосъеме, возникновение блуждающих токов от перемещающего-
ся ЭПС, необходимость пропуска поездов при обслуживании сетей.
Дополнительные конструктивные сложности возникают в тоннелях
из-за ограничений вертикальных габаритов для контактной подвес-
ки и необходимости размещения грузовых компенсаторов.
К факторам, облегчающим эксплуатацию контактных сетей, от-
носятся: возможность монтажа, обслуживания и восстановления рель-
сового 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.
23
Габарит приближения строений — предельное поперечное (перпен-
дикулярное оси пути) очертание, внутрь которого не должны заходить
никакие части сооружений и устройств, расположенных вдоль железно-
дорожного пути, на самом пути или при его пересечении, а также лежа-
щие вдоль пуги материалы, запасные части, оборудование, в том числе и
на территории станций. Для магистральных железных дорог общей сети
с колеей 1520 мм, а также для подъездных путей с такой колеей принят
габарит С (рис. 1.9). Для путей на территории промышленных предпри-
ятий установлен облегченный габарит Сп. Габариты С и Сп корреспон-
дируются с габаритом подвижного состава Т (рис. 1.10) и применяются
при строительстве новых железных дорог, сооружений и устройств.
Габариты устройств контактных сетей нормируются следую-
щим образом.
Минимальная высота подвешивания контактных проводов над
На станциях
На перегонах
1000/1100
трубопроводов
и станционных путях
Рис. 1.9. Габарит С приближения строений к пути на
железных дорогах общей сети
уровнем головки
рельса (УГР) должна
быть на перегонах и
станциях не менее
5750 мм, а на переез-
дах — не менее
6000 мм. В исключи-
тельных случаях это
расстояние в преде-
лах искусственных
сооружений, распо-
ложенных на путях
станций, на которых
не предусматриваегся
стоянка подвижного
состава, а также на пе-
регонах с разрешения
МПС может быть
уменьшено до 5675 мм
для линий на перемен-
ном токе и до 5550 мм
на постоянном.
24
Максимальная высота
подвешивания контактных
проводов не должна превы-
шать 6800 мм. При электри-
фикации это расстояние (при
беспровесном положении
контактных проводов) следу-
ет 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 про-
вода не должен превышать: 0,01
(10 см на длине 10 м) на путях,
где скорость ЭПС не превыша-
ет 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
Рис. 1.10. Габарит Т подвижного состава
железных дорог общей сети: а — верхнее
очертание; б — нижнее очертание
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 про-
водами линий при их взаимном пересечении или сближении долж-
ны быть не менее нормированных.
Расстояние от изолированных консолей, фиксаторов, нижних
фиксирующих тросов и шлейфов, находящихся под напряжением,
до поверхности пассажирских платформ, конструкция которых ис-
ключает проезд транспортных средств, должно быть нс менее 4,5 м.
В пределах искусственных сооружений расстояния от частей то-
коприемника и контактной сети, находящихся под напряжением, до
заземленных частей сооружений и подвижного состава должны со-
ответствовать габаритам, установленным ГОСТ 9238—83 (рис. 1.11).
25
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 про-
водов до изолированного отбойника без учета отжатия токопри-
емником должны составлять: не менее 150 мм для одного контакт-
ного провода и 100 мм — для двух контактных проводов при скоро-
сти движения ЭПС более 120 км/ч; соот ветственно 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 со-
оружениях расстояние между несущим тросом и контактным про-
водом в середине пролета должно быть не менее 150 мм.
Рис. 1.11. Расстояние между искусственными сооружениями, уст ройствами кон-
тактной сети, токоприемниками и подвижным составом: / габарит подвижного
состава: 2—габарит искусственных сооружений; 3—положение токоприемника
с учетом его смещения
26
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 уве-
личено до 3,3 м. На кривых все приведенные габаритные расстоя-
ние уширяются.
1.7. Поняшя 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
парапет ров механической и электрической прочности, а также миними-
зацией элсктромеханического изнашивания, коррозионных и прочих де-
струкций материалов, из которых указанные уст рейс гва изготовлены.
Для сооружения контактных сетей плиний электропередачи исполь-
зуются, как правило, следующие группы материалов: электротехничес-
кие (токопроводящие и изоляционные), конструкционные (различные
стали и чугуны, алюминий и его сплавы, медь и ее сплавы, пластмас-
сы, 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 — хо-
лодной протяжкой или прока i кой. При этом увеличиваются прочность
и и шосостойкость (твердое i ь), но при перегреве во время эксплуата-
ции появляется опасностьотжш а, приводящего к потере полученного
эффекта. 11ровода подвержены вытяжке после монтажа, циклические
нагрузки на них могут прпвест и к усталостным явлениям в материале.
'Механический износ де i алей уменьшается полимерными покры-
т иями. Для »। ой же пели между кош ак i ними пластинами токоирием-
ннков закладываю । сухую i рифтовую смазку, обеспечивающую так-
же тащиы («улем сматкп) кон I акт пых приводов. Степень элскт-
роэр'.ггиашкло изнашивания ьошакншх мшериалов зависит от
дуто- ioi'ii oc।» новер.-.ностей.
27
Коррозионная стойкость стальных опор и деталей достигает-
ся цинкованием, покраской, покрытием антикоррозионной смаз-
кой. Защита арматуры нижней части опор и фундаментов от сте-
кания токов обеспечивается антикоррозионными покрытиями.
К важнейшим характеристикам материалов проводов, нахо-
дящихся под натяжением, относятся: коэффициент линейного рас-
ширения, модуль упругости, плотность, временное сопротивле-
ние разрыву, предел пропорциональности. Важны они и для дру-
гих деталей, несущих механическую нагрузку, но при этом для них
дополнительно учитываются допускаемые напряжения на растя-
жение, сжатие, изгиб, срез, смятие, кручение. Нормируется также
и хладноломкость материалов при низких температурах. При со-
единении деталей сваркой различных видов (холодной, взрывом,
термитной, газовой и т.д.) определяющим является качество по-
лученных швов. Важнейшей функциональной характеристикой
проводящих деталей является их электрическое сопротивление.
Необходимо также учитывать характеристики железобетонных
конструкций (прочность, плотность, гигроскопичность и т.п.) и де-
ревянных деталей (склонность к возгоранию, гниению и т.д.) От
значений параметров и характеристик свойств материалов зави-
сит надежная работа контактных сетей и ЛЭП.
ГЛАВА 2
КЛИМАТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ
И РАСЧЕТНЫЕ НАГРУЗКИ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ
НА ЭЛЕМЕНТЫ КОНТАКТНЫХ СЕТЕЙ
И ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
2.1. Общие положения
Климатические факторы — основа исходных данных технических
условий проектирования, расчетов, а также эксплуатации любых ЛЭП
и контактных сетей, относящихся к устройствам наружной установки.
От температуры окружающего воздуха зависят усилия (натяжения)
проводов, действующие на опорноподдерживающие устройства, а
также требования, предъявляемые к материалам по хладоломкости. Воз-
действия ветра и гололеда определяют расчетные горизонтальные и
вертикальные нагрузки на подвешенные провода и элементы других
подсистем контактных сетей и ВЛ. От нагрузок и собственного веса
проводов, распределенных в пролете, также зависит их натяжение. ВЛ
должны работать при любых атмосферных условиях, поэтому при рас-
четах необходимо учитывать наиболее опасные сочетания нагрузок и
климатических факторов, установленные действующими нормами и
правилами. Любые отступления от правил должны быть обоснованы.
Нагрузки, действующие на провода и конструкции, подразде-
ляют на постоянные, временные и особые. К постоянным нагруз-
кам относят вес всех элементов и усилия в устройствах, вызывае-
мые натяжением проводов. К временным нагрузкам относят голо-
ледные и снежные образования на проводах и конструкциях, дав-
ление ветра на них и нагрузки (изменение нагрузок), которые по-
являются при изменениях натяжений проводов, а также вес элект-
ромонтера с инструментом и нагрузки, возникающие при монта-
же конструкций. Временные (добавочные) нагрузки необходимо
учитывать при расчете, т.к. большинство разрушений воздушных
линии происходит при гололеде и ветре. При расчетах проводов
добавочные нагрузки принимают равномерно распределенными
и равными среднему значению. Особые нагрузки на конструкции
создаются при обрыве проводов.
28
29
Если принять за расчетное наиболее небла! оприлI ное со».»-
нис наибольших нагрузок и экстремальных темпера гур то гоо
изойдет значительное удорожание проектируемого соор* жени -
Поэтому в расчетах учитывают только нагрузки, называемые нор-
мативными. и те их сочетания, которые имеют определенную по-
вторяемость не реже чем через нормируемое число лез. Слипает-
ся, что устранение возможных редко встречающихся поврежд..ний
некоторых сооружений выгоднее, чем установление излишни х за-
пасов прочности этих сооружений, вызывающих большие доз.;
нительные денежные и материальные затраты.
В зависимости от действующих нагрузок и их повторяемости выби-
рают также принцип построения расчета. Расчеты па прочное ть раз
личных сооружений в течение длительного времени выполнялись по
ме тоду допустимых напряжений, при котором эксплуатационное нл.г.ге-
жение в элементах не должно было превышать допустимое, определи-
емое как частное от деления предельного напряжения (для стали
предела текучести) на выбранный коэффициент запаса прочности, (не
менее 4). В качестве предельного принималось временное сопри ив
ление разрыву по диаграмме растяжения.
Метод расчета по предельным состояниям заключается в том " а
расчет ведется не по эксплуатационному, а предельному состоянию,
при достижении которого уже невозможна эксплуатация сооружение
Особенностью этого метода являе тся введение взамен одного общего
коэффициента запаса нескольких, учитывающих перегрузят,
неоднородности материала и условия работы сооружения, Эти коэф-
фициенты определяются статистическими методами поданным эк; -
периментов с натурными изделиями. Если такие коэффициен ты нем »-
вестны, то расчет ведут по допустимым напряжениям. I 1оэтому прею >
да, изоляторы, а также арматуру контактных сетей и В.П рассчн тыванм
по допустимым напряжениям, а опорные, поддерживающие и друз ие
строительные конструкции — по предельным состояниям.
Наибольшие нормативные значения скорости ветра и товщпвы< н. а-
ки гололеда в соответствии с ПУЭ определяют из их повторяемости I
раз в 10 лет (для В.П 500 кВ — 1 раз в 15лет).
30
2.2. Нагрузка от веса провода
Вес провода является вертикальной и постоянно действующей на-
грузкой. Интенсивность этой нагрузки определяется линейной плот-
ностью провода, которая представляет собой массу провода, распреде-
ленную на длине 1 м. Вес единицы длины провода в контактных сетях
называют погонной нагрузкой (кН/м). Для ЛЭП принимают другую—
удельную нагрузку, отнесенную к площади сечения провода (кН/мм2).
Таким образом, погонная нагрузка отвеса провода g, кН/м,
g = =9,81-10’3р/, (2.1)
megH— ускорение свободного падения, м/с2; р/— линейная плот-
ность провода, кг/м.
Для однопроволочных проводов погонная нагрузка отвеса прово-
да, кН/м,
g =9,81-10"9 Sp, (2.2)
где S' — расчетная площадь сечения провода, мм2; р — плотность
материала провода, кг/м .
Для провода диаметром <7, мм,
g = 9.81 • 1 <ГЧ л<72/4р = 7,7-10 4 d'-p. (2.3)
У многопроволочных проводов длина проволок превышает длину
самого провода, поэтому его погонная нагрузка примерно на 2,5 %
больше, чем у однопроволочного с такой же площадью сечения, т.е.
g =10,06-1O’Q Sp. (2.4)
У комбинированного провода ( например, сталеалюминиевого)
g = 10,05-10-9(Sapa+ScpJ (2.5)
где pa,pt,Sa,Sc-- плотности и площади сечений соответственно
алюминиевой и стальной частей провода.
Струновые зажимы и детали различного назначения учитывают в
виде дополнительной равномерно распределенной по пролету (погон-
ной) нагрузки.
31
2.3. Гололед и гололедные нагрузки
Определение исходных данных по гололеду. Причина появления
гололеда — конденсация имеющихся в воздухе паров на охлажденных
поверхностях элементов сооружений. На проводах и конструкциях кон-
тактной сети отложение гололедных образований наблюдается обычно
при неустойчивой погоде, когда оттепель сменяется похолоданием, в
туманную погоду или при выпадении переохлажденного дождя. Разли-
чают три основных вида гололедных образований: гололед, представ-
ляющий собой плотное твердое прозрачное или полупрозрачное веще-
ство плотностью 600—900 кг/м3; изморозь — кристаллический налет
плотностью 20—100 кг/м3 и смесь, образующуюся при наслоениях го-
лоледа и изморози, плотностью 200—600 кг/м3.
Гололед, изморозь и смесь, как правило, образуются при ветре со скоро-
стью до 10—15,реже20—25 м/с и температуре-5 °C. Форма сечения голо-
ледных образований на проводах разнообразна. Чаще всего встречается эл-
липтическая форма, когда гололедные образован! ы находятся в основном с
одной стороны провода. Плотность гололеда—случайная величина.
Данные о гололеде собирают и обрабатывают на метео и гололед-
ных станциях. В прошлом станции открывали для обеспечения судо-
ходства вблизи морей и при строительстве железных дорог, что позво-
ляло получать данные многолетних наблюдений. Измерения гололеда
в настоящее время производят на отрезке провода длиной 1 м диамет-
ром 5 мм, расположенном на высоте 2 м от земли. Значение плотности
образований определяют как среднее по всем случаям наблюдений.
При форме гололеда, отличной от окружности, измеряются полуоси эл-
липса сечения и затем рассчитывается средний диаметр с учетом при-
ведения полученной плотности к плотности 900 кг/м3. Затем вычисля-
ется толщина сте> ikh гололеда.
Для расчета нагрузок необходимы данные об интенсивности (толщи-
не стенки или корки) отложения на проводе, мм, и их плотности, кг/м3.
Одновременно следует учитывать температуру воздуха и скорость ветра
при гололеде. При отсутствии метеостанций и климатологических спра-
вочников данные определяются по специальным картам, на которых тер-
ритория СНГ разделена на пять районов по толщине стенки намерзшего
льда (рис 2.1), причем самым гололедным районом СНГ является Дон-
басс. На картах районирования различные виды и формы гололедных
32
Рис. 2.1. Карта районирования территории СНГ по толщине стенки гололеда
3 Ксыактные сети
33
образований приведены к цилиндрической плотностью 900 кг/м3, т.е. к
плотности льда. Для повторяемости 1 раз в 10 лет толщина стенки голо-
леда (рис. 2.2) на высоте 10 м принята следующей:
номер района по интенсивности гололеда ....I II III IV У(особый)
толщина стенки гололеда /?, мм....... 5 10 15 20 25 и более
Толщину стенки льда рекомендуется уточнять во время обсле-
дований и наблюдений в горной и пересеченной местностях, т.к.
должно быть учтено влияние рельефа на интенсивность гололед-
ных отложений. Толщину льда в V районе следует принимать по
фактическим наблюдениям с точностью до 1 мм.
Интенсивность гололеда зависит от диаметра провода. Для опре-
деления ее на проводах разных диаметров, необходимо нормативную
толщину стенки льда умножать на поправочный коэффициент Ад:
диаметр провода г/, мм
коэффициент А' ...
5 10 20 30
1,1 1,0 0,9 0,8
При расположении ВЛ на насыпи толщину стенки льда на про-
воде для соответствующего района необходимо умножить на
коэффициент Ав:
высота, м ......... 5 10 15 20 25 30 и более
коэффициент А'в.... 1,10 1,30 1,35 1,45 1,55 1,60
Рис. 2.2. Форма гололеда на
проводе, принимаемая при
расчёте: d— диаметр прово-
да; D — наружный диаметр
1 ололеда; h — толщина стен-
ки гололеда
При незащищенной от ветра от-
крытой ровной поверхности
Ав = 1,1, а при защищенной (лес, зда-
ния, постройки высотой, большей
высоты подвеса провода) Ав = 0,8.
Расчет гололедной нагрузки. На-
грузка от гололеда действует как
сила тяжести, вертикальная по
направлению, кратковременная —
по сроку действия.
Интенсивность гололедной на-
грузки на провод, кН/м, (см. рис. 2.2)
определяется по формуле
gr = 10‘9 л[£>2-г/2]/4 prgH , (2.6)
D = d + 2b. (2.7)
gr = 0,25 КГ9 л[(г/ + 2b)2 - d2] pr gH , (2.8)
где d— диаметр провода, мм; D — то же с гололедом; b — толщина
стенки льда, мм; рг-плотность гололедного отложения, кг/м3.
После подстановки значений я, gH и преобразований получим:
g, =30.8- 10-9/7(г/ + /7)рг. (2.9)
Таким образом, нормативная гололедная нагрузка на провод,
приведенная к плотности льда рг = 900 кг/м3, составит:
gr = 27.7 10-6/7'(г/ + /7'), (2.10)
где Ь' = Ькакв — толщина корки льда с учетом диаметра провода и
высоты ст о расположения, мм.
Учитывая систематический проход под подвеской токоприемников
и меры, принимаемые к устранению гололеда, толщину стенки гололе-
да для контактного провода принимают в 2 раза меньшей, чем для не-
сущего троса. При расчете гололедной нагрузки диаметр контактного
провода определяют как среднее между его высотой и шириной.
2.4. Вегер и ветровые нагрузки
Определение исходных данных ио ветру. Причиной ветра яляет-
ся перемещение воздушных масс из мест с большим давлением в
места с уменьшенным. Эго связано с нагревом земной поверхно-
сти солнечным излучением.
История измерений параметров ветра на метеостанциях насчитыва-
ет несколько веков. Долгое время проводилось визуальное бесприбор-
ное измерение скорости по 12-балльной шкале Бофорта (1 балл — ти-
хое дуновение... 7 баллов — двигаются стволы деревьев и т.д.). Зачем в
качестве приборов стали применяться флюгеры Бильдта, анемометры и
анемотрафы. Для определения направления ветра в метеорологии ис-
пользуется система румбов на компасе (16 угловых единиц по различ-
ным направлениям сторон света), при этом главные румбы соответст ву-
ют сторонам света: С, Ю, В, 3 или N, S, О, W. По результатам этих изме-
рений определяется также векторная диаграмма — роза ветров, нагляд-
но изображающая распределение ветров того или иного направления в
определенном пункте в течение года (или другого отрезка времени).
34
35
В современных условиях определяются как абсолютная макси-
мальная скорость ветра, так и его скорость при минимальной тем-
пературе и гололеде, данные о которых необходимы для расчетов
ветровых нагрузок.
Получить данные при отсутствии метеостанций можно по кар-
там СНИПов, на которых нанесены зоны для районов страны с
разными скоростями ветра.
Структура воздушных течений зависит от их скорости. Парал-
лельными эти течения бывают только при малых скоростях. При
увеличении скоростей возникают сложные вихревые движения,
которые определяются неровностями земной поверхности и раз-
личием температуры соседних масс воздуха. По этой причине ско-
рость ветра не может быть постоянной, он дует порывами. Толчки
ветра по времени непродолжительны — обычно 0,5—2,0 с, причем
они изменяются по скорости и направлению. Следовательно, ког-
да на основании каких-либо источников получена средняя скорость
ветра, то нужно иметь в виду, что скорость потока в отдельные
моменты времени может ее превышать. Колебания скорости ветра
характеризует коэффициент порывистости А'пор, равный отноше-
нию наибольшей скорости при порывах к средней за некоторый
промежуток времени. Наблюдения показывают, что А- уменьша-
ется с увеличением средней скорости ветра (рис. 2.3). Пульсации
ветра вызывают дополнительную динамическую нагрузку на про-
вода и опорные конструкции. Ранее контактные сети рассчи тывали
по средней скорости ветра без учета пульсации. Научно-исследо-
вательским институтом транспортного строительства (ЦНИИСом)
проведены исследования влияния пульсации ветра и созданы ме-
тоды определения нагрузок с их учетом.
Скорости ветра являются случайными величинами и могут
характеризоваться кривыми распределения. Для расчета устройств
Рис. 2.3. Зависимость коэффициента порывистост и АПОр от средней скорости ветра г
контактной сети принимают скорост ь ветра с повторяемостью 1
раз в 10 лет. Значения скоростей ветра также уточняют с учетом
условий расположения ВЛ на конкретной территории в защищен-
ных и незащищенных местах, кроме того, корректируют ветровой
напор с учетом порывистости. Рельеф местности определяет рас-
положение ВЛ в так называемых ветровых трубах (с увеличенной
скоростью ветра) или в аэродинамической тени (с уменьшенной
скоростью ветра). Обычно ветер наибольшей интенсивности на-
блюдается при температуре +5 °C.
Нормативную ветровую нагрузку принято представлять в виде
суммы двух составляющих: статической рс и динамической рд. Ис-
ходным понятием при определении статической составляющей вет-
ровой нагрузки является равномерное постоянное перемещение
воздушной массы и, как следствие, постоянное скорост ное давле-
ние (напор). При отсутствии данных местных метеостанций скоро-
стной напор и скорость ветра определяются по каргам райониро-
вания территории СНГ по нормативным скоростным давлениям
(скоростным напорам) или скоростям ветра (рис. 2.4, табл. 2.1).
Таблица 2.1.
Нормативное скоростное давление и скорость ветра
на высоте 10 м от земли (повторяемость 1 раз в 10 лет)
Показатель Ветровой район
I II III IV V VI VII
Скоростное давление ветра (/у. Па 304 393 500 618 785 950 1120
Скорость ветра г . м/с 22 25 29 32 36 39 43
При пользовании картами районирования для полосы шири-
ной 100 км, прилегающей к границе районов, следует принимать
большие значения скоростей или давлений.
Расчет ветровой нагрузки. Нагрузка от ветрового воздействия,
воспринимаемая поверхностью, перпендикулярной направлению
ветра, является горизонтальной и определяется по формуле, кН,
/?вт — (х (/0
36
37
Рис. 2.4. Карта районирования территории СНГ по скоростным давлениям (напорам) ветра
Для круглого провода
/?вт сх^'нор /16-
(2.11)
Скоростной напор ветра </0, Па, соответствует энергии 1 м3 возду-
ха, движущегося со скоростью у , т.е.
</0 = 0,5 р гнор2,
(2.12)
где р—плотность воздуха, кг/м3; г — нормативная скорость ветра, м/с.
При температуре 15 °C и атмосферном давлении 760 мм ртут-
ного столба плотность воздуха 1,23 кг/м3. Тогда скоростной на-
пор ветра:
<у0 = 0,615 гнор2. (2.13)
Таким образом, в общем виде
рвт = 0,615 10~3 г2 cY S, (2.14)
где 1’ — скорость ветра, м/с; су — аэродинамический коэффици-
ент лобового сопротивления, зависящий от формы и положения
объекта; S — площадь поверхности, на которую действует воз-
душный поток [для круглого провода — диаметральное (миделе-
во) сечение], м2.
При определении ветровой нагрузки на опору коэффициент cY
принимают равным 0,7 для цилиндрических и 1,4 — для плоских
опор. Ветровую нагрузку на решетчатые опоры определяют для
площади элементов передней фермы и умножают на 1,5 для учета
воздействия ветра на заднюю ферму.
При определении погонной ветровой нагрузки на провод выра-
жение (2.14) принимает вид
рвт - 0,615 - 10 6 г2 су г/, (2.15)
где d — диаметр круглого или высота контактного провода, мм.
39
Аэродинамический коэффициент лобового сопротивления с
определяют экспериментально и при расчетах принимают:
одинарный провод без гололеда диаметром
20 мм и более...................................1,10
то же менее 20 мм ...............................1,20
одинарный провод любого диаметра,
покрытый гололедом..............................1,20
то же с учетом зажимов и струн..................1.25
Контактный провод с учетом зажимов и струн марки:
МФ-85, МФ-100...................................1,25
МФ-120, МФ-150..................................1.30
Двойной контактный провод марки 2МФ-100:
в выемках, на нулевых местах и насыпях высотой до 5 м при
расстоянии между проводами:
40 мм...........................................1,55
100 мм..........................................1,85
более 100 мм....................................2,50
на насыпях высотой более 5 м при расстоянии между проводами:
40 мм...........................................1,85
100 мм..........................................2,15
более 100 мм................................... 2,50
Скорость ветра v в выражениях (2.14) и (2.15) зависит от
характера местности, ее защищенности, поперечного профиля и
т. п. и определяется по формуле
’’ гнор ’ (2.16)
где гн — нормативная скорость; /с — повышающий коэффи-
циент: Ам — коэффициент характера местности.
Повышающий коэффициент /<_, вводят при высоких насыпях,
где скорость ветра возрастает:
высота насыпи, м... 0—5 6—10 II—20 21—30 31—40
коэффициент А'_.... 1,00 1,04 1,12 1,20 1,25
Характер местности оценивается коэффициентом А'м. Для учас-
тков с ясно выраженным усилением ветра по сравнению с окружа-
ющей местностью увеличивают скорость ветра на 12 % (скорост-
ное давление — на 25%), а для защищенных мест уменьшают на
5 % (скоростное давление — на 10 %).
40
В документах, основанных на новых исследованиях, исходят
из более сложной зависимости г от гнор. В этом случае вместо двух
коэффициентов к. и км вводят один коэффициент kv и тогда выра-
жение (2.16) получит вид
v ~ ’'нор^г •
Коэффициент ку = 0,238In —,
(2.17)
(2-18)
где s — высота над поверхностью земли, м (рис. 2.5); z0 — параметр
шероховатости, учитывающий характер подстилающей поверхности,
т.е. поверхности земли, определяемый по табл. 2.2.
Ветровая погонная нагрузка на провод, покрытый гололедом,
кН/м, определяется
рг = 0,615 • 10’6 vr2cv (d + 2b), (2.19)
где тг — скорость ветра при гололеде, м/с; d — диаметр провода;
b—толщина стенки гололеда, мм.
Для расчета конструкций контактной сети по предельным состоя-
ниям тг принимают равной 0,5 нормативной скорости данного райо-
на: гг = 0,5 i’Hop. Для расчета длин пролетов, проводов и конструкций
по допустимым напряжениям скорость ветра при гололеде для рас-
сматриваемого района гг = 0,6 гнор , но не менее 20 м/с для III, IV
и V районов по гололеду.
Рис. 2.5. Схемы расположения контактных проводов над подстилающей поверх-
ностью: : — высота подвеса провода над поверхностью земли
41
Таблица 2.2
Параметры шероховатости подстилающей поверхности__________
№ пп Поверхность Параметр, м
1 Места с резким усилением скорости ветра в результате искусственного формирования направленного потока (вдоль русла реки с высокими берегами, вдоль ущелья и т.п. ) 0,01
2 Открытая ровная поверхность без растительности; поверхность озер, водоемов и морей; поймы крупных рек 0,05
3 Степь, равнина, луг 0,10
4 Открытая холмистая местность или равнинная поверхность с редким лесом, садами, парками 0,20
5 Участки, защищенные лесозащитными насаждениями, не подлежащими вырубке; территории станций в пределах станционных построек 0,50
6 Густой лес, не подлежащий вырубке, с высотой деревьев не менее Юм; город со зданиями высотой более Юм 1,00
Нормативные скорости ветра при гололеде в зависимости от
района по толщине стенки гололеда приведены ниже:
номер района по интенсивности гололеда... I II III IV V
скорость ветра, м/с............... 13 14 15 18 19
Влияние условий местности учитывают при этом так же, как и в
расчете статической ветровой нагрузки без гололеда.
При расчете динамической составляющей ветровой нагрузки рд
учитывается порывистый характер ветра. Это создает повышенную
нагрузку на провода и поддерживающие их конструкции. Однако та-
ким воздействиям противостоит масса проводов и самих конструк-
ций, тем самым ограничивая возможные отклонения и деформации.
При определении допускаемой длины пролета динамическую
составляющую ветровой нагрузки р можно выразить через ста-
тическую составляющуюрс, равную в зависимости от рассматривае-
мого режима рвт [см. (2.15)] или рг [см. (2.19)]:
Р3 = (2-20)
42
где уп — коэффициент, учитывающий пульсации ветра вдоль про-
лета; 1пг —коэффициент пульсации;^ —коэффициент динамич-
ности, определяемый по зависимости Jjn = /(р)(при гололеде —
вместе с весом льда).
Суммарное давление ветра
Р = РС + Л1 (2-21)
или
Р~ Рс ^П’
где
Л„=1 + 2уп,иЛп- (2.22)
Динамические усилия вследствие пульсации ветра оценить труд-
но и поэтому распространен упрощенный метод расчета, в кото-
ром нормативная скорост ь ветра умножается на эмпирический ко-
эффициент Ап: для незащищенных от ветра мест Ап = 1,15; на насы-
пях высотой более 5 м. в поймах рек и оврагах, где возможны силь-
ные ветры, АГ1 = 1,25; для участков контактной сети на высоких на-
сыпях, эстакадах и местах высотой более 25 м над окружающей ме-
стностью Ап = 1,35.
На ветровые нагрузки должны рассчитываться нс только прово-
да, но и опоры, ригели жестких поперечин, консоли, фиксаторы, сек-
ционные и прочие изоляторы, элементы воздушных стрелок и т.п.
2.5. Температура окружающей среды и ее
расчетные значения
Определение исходных данных по температуре воздуха. К метео-
данным о температуре, необходимым для расчетов, относятся максималь-
ные и минимальные ее значения, измеренные при максимальном гололе-
де и ветре в градусах Цельсия, либо Кельвина, Реомюра, Фаренгейта.
Температура окружающего воздуха зависит от инсоляции (нагрев
земной поверхности солнечным излучением). Изменения температу-
ры в течение года и суток определяются наклоном земной оси (зима,
лето) и вращением земного шара (ночь, день) — так называемый годо-
43
вой и суточный ход температуры. Минимальные температуры года
наблюдают в январе, суток — в 6 часов утра. Максимальный ход
(амплитуда) температуры достигает 100 градусов в районе БАМа
и АЯМа, где она опускается до минус 60 С.
Измерения температуры на метеостанциях осуществляют на вы-
соте 2 м от земли с помощью максимальных и минимальных тер-
мометров (в последнем используется эффект поверхностного натя-
жения) и термографов с суточным и недельным заводом. Они по-
мещаются в психрометрической будке, защищенной от прямых сол-
нечных лучей.
При отсутствии данных местных метеостанций и климатологи-
ческих справочников температурные характеристики регионов оп-
ределяют по климатическим картам СНИП, на которых вся тер-
ритория СНГ в зависимости от температуры окружающей среды
разделена на климатические зоны (рис. 2.6): холодную I, умерен-
ную И, теплую влажную III и жаркую IV. Зоны делятся на районы:
холодная — на очень холодный I а и холодный I б; умеренная — на
умеренно холодный II а и умеренно теплый II б районы и т.д. Рай-
оны разделены на подрайоны, различающиеся по влажности воз-
духа. В стандарте также приведены средние и экстремальные тем-
пературы для каждого района. Последние соответствуют наибо-
лее жестким условиям в пределах района. Для каждого района оп-
ределен представительный географический пункт с характерными
средними для района статистическими параметрами температуры,
а также пункт с экстремальными температурными параметрами.
Таблица 2.3
Годовые минимумы и максимумы температуры окружающей среды
различной обеспеченности
Климат»- ческий район Минимум, °C Максимум, °C
0,05 0.1 0.25 0,5 0.05 0,1 0,25 0,5
Умеренно холодный -44 -40 - 38 - 35 - 32 +37 +36 +35 +34 +32
Умеренно теплый -30 -26 - 24 - 21 - 18 +38 +37 +36 +35 +34
44
Рис. 2.6. Районирование территории СНГ по воздействию климата на технические изделия и материалы:
0— представительный географический пункт; пункт с экстремальными параметрами
45
Годовые минимумы и максимумы температуры климатических райо-
нов, зафиксированные наблюдениями за 60 -S0 лет , приведены в табл. 2.3.
Значения годовых минимумов (равных и ниже) и годовых мак-
симумов (равных и выше) возможны в среднем 1 раз соответствен-
но в 20 и 10 лет. Для расчет а контактной сети необходимо прини-
мать низшую и высшую температуры окружающей среды по за-
данной в нормах повторяемости I раз в 10 лет (табл. 2.4),
Таблица 2.4
Годовая температура повторяемостью 1 раз в 10 лет
Климатический район Температура воздуха, °C Абсолют- нып максимум температу- ры поверх- ности почвы, °C
абсолют- ный ми- нимум низшая (1 раз в 10 лет) абсолют- ный мак- симум высшая (1 раз в 10 лет)
Очень холодный I а — 64(—71 > 60 ( 67) +381+33) +36(+33) + 58 (+50)
Холодный 1 б - 52(-54) - 47 (- 46) +40 (+27) +38(+24) +60(+34)
Умеренно холодный II а 44 -38 +37 + 35 + 57
Умеренно холодный влажный II ав -31 - 28 + 37 +34 + 56
Умеренно теплый II б - 30 -24 + 38 + 36 +69
Умеренно теплый влажный II бв - 35 -28 + 36 +32 +56
Теплый влажный III - 15(—8) - Ю(-5) +39(+40) +37(+33) +64(+64)
Жаркий сухой IV а 30(—26) -25 (-22) +45(+46) +434+45) + 72(+76)
Жаркий умеренно влажный IV ав - 13 - 8 + 36 +33 + 70
Очень жаркий сухой -26(-25) -20(-21) +47(+50) +46(+49) +79(+79)
11римечание. В скобках даны значения температур в пунктах с экстремальны-
ми параметрами.
46
2.6. Расчетные режимы и результирующие нагрузки
При расчетах нагрузок большое значение оказывает совпаде-
ние таких факторов, как температура воздуха, толщина гололед-
ных образований и скорость ветра. В результате обработки дли-
тельных наблюдений установлено наиболее вероятное сочетание
температуры образования и интенсивности гололедных отложений
с наибольшей скоростью ветра при этом (см. п. 2.3), а также соче-
тание температуры окружающей среды и ветра наибольшей интен-
сивности (см. п. 2.4). Наблюдениями установлено, что вероятность
появления ветра и гололеда с ветром при других температурах воз-
духа исключительно мала. Поэтому в нормах расчета контактной
сети и воздушных линий принято, что для всех возможных расчет-
. ных режимов при проектировании контактной сети и воздушной ли-
* нии необходимо учитывать только три сочетания вертикальных и
горизонтальных нагрузок: вес провода и ветер: вес провода, покры-
того гололедом, и ветер; вес провода. Расчет провода выполняют по
, результирующей нагрузке, равной геометрической сумме вертикаль-
; ной и горизонтальной составляющих. Так как направления нагру-
зок оз веса провода g и действия ветра /?вт на него при отсутствии
гололеда составляют прямой угол (рис. 2.7, «), можно найти резуль-
тирующую нагрузку q на
провод при ветре, кН/м
9ВТ = Jgo+PL- <223>
Угол между результиру-
ющей и вертикальной на-
грузками
Фвт = arctg
g
При давлении ветра на
провод, покрытый гололе-
дом (рис. 2.7, б), результиру-
ющая нагрузка, кН/м,
Рис. 2.7. Результирующие нагрузки на провод
при ветре (я) и гололеде с ветром (б)
47
= J(g +gr)2+Pr2- (2-24)
Угол между результирующей и вертикальной нагрузками при
гололеде с ветром
Фг = arctg - Рг-
g + g,
(2-25)
Если добавочные нагрузки (гололед с ветром и ветер наибольшей
интенсивности) отсутст вуют, то на провод действует только нагрузка
от силы тяжести провода, в этом случае q-g.
ГЛАВА 3
ТОКОПРОВОДЯЩИЕ И КОНТАКТНЫЕ
УСТРОЙСТВА КОНТАКТНЫХ СЕТЕЙ И ЛЭП
3.1. Общие положения
Одной из основных подсистем контактных сетей и линий элект-
ропередачи являются токопроводящие (провода, токопроводы, элек-
тропроводки, кабели) и контактные (провода и рельсы) устройства
(контактные подвески). Их можно классифицировать (рис. 3.1, а) по
механическим состояниям: напряженные (например, натянутые про-
вода) и ненапряженные (контактные рельсы, полужесткие разбор-
ные контактные токопроводы, свободнолежащие кабели) и по сте-
пени изоляции: неизолированные (голые), например провода ВЛ, и
: изолированные (провода, токопроводы скрученные, изолированные
। провода СИП — тросарды, кабели). Все типы и варианты токопро-
водящих и контактных устройств имеют соответствующий набор
«узлов (рис. 3.1,6), монтируемых по определенным схемам.
Кроме того, на опорах контактных сетей размещаются и спе-
дциальные подвески: заземляющие тросы, предназначенные для про-
впуска токов короткого замыкания при пробое изоляции, а также
«волноводы и кабели волоконно оптической связи для уменьшения
ипомех поездной радиосвязи и пропуска заданного объема сигна-
лов. Опоры ВЛ 35 кВ и выше снабжают одним или двумя грозоза-
щитными тросами, которые размещают над проводами и заземля-
нют. На них частично может быть распространена классификация
ии изложенные ниже методы расчетов. Схемы подвесок контакт-
ных сетей и ВЛ определяют их конструкции в соответствии с тех-
.«ическими требованиями, их классификация ведется по основным
^признакам: контактные и неконтактные, жесткие, полужесткие,
гибкие. Одновременно гибкие могут быть простыми и цепными:
«плоскими одинарными, двойными и объемными. Цепные подвес-
«ки состоят из расположенных вдоль пролетов несущих тросов, к
жоторым снизу подвешены вспомогательные и контактные прово-
да. Ниже в тексте по отдельности классифицируется каждая груп-
па контактных подвесок и описываются узлы, входящие в рассмат-
риваемую подсистему (рис. 3.2).
48
Л Кожакгные сети'
49
6 Токопроводящие и контактные устройства
Провода ВЛ, грозозащитные тросы Питающие соединения Воздушные стрелки
Узлы средних анкеровок Гасители колебаний
Контактные провода гибких подвесок, несущие -
и вспомогательные тросы Компенсаторы Контактные
удлинении рельсы жестких подвесок
Струны, ограничительные кольца - Арматура подвесок _ Самонесущие ~| токопроводы _ Силовые кабели
- Фиксаторы - Электропроводки
Рис. 3.1. Классификация видов контактных сетей и ЛЭП по функциональным, ме-
ханическим и диэлектрическим признакам («) и узлам токопроводящих и контак-
тных устройств (о)
50
a
51
Рис.3.2. Классификация схем простых («), плоских одинарных (о) и двойных
(в), а также объемных (г) цепных контактных подвесок-
52
3.2. Контактные подвески и провода
Монтажные схемы подвесок проводов. Схемы подвески прово-
дов на ВЛ определяются ее номинальным напряжением, которое
зависит от передаваемой мощности и расстояния, и родом тока
(постоянный, переменный). На опорах ВЛ переменного тока вы-
сокого напряжения обычно подвешивают три фазных провода и
грозозащитный трос, расположенный выше.
На ВЛ до 1 кВ закрепляют также четвертый — нулевой провод.
Для выравнивания емкостных сопротивлений фаз при длине ВЛ
высокого напряжения более 100 км применяют транспозицию про-
водов. Провода ВЛ крепятся к опорам с помощью подвесных изо-
ляторов: на анкерных — натяжными гирляндами, которые явля-
ются как бы продолжением провода, а на промежуточных — под-
держивающими гирляндами. Провода ВЛ напряжением до 20 кВ
крепятся на опорах, как правило, с помощью штыревых изолято-
ров. На ВЛ постоянного тока обычно подвешивают два провода.
ВЛ могут быть одноцепными и двухцепными. Каждая фаза мо-
жет состоять из одного или нескольких проводов ( расщепленные
фазы). Конструктивное выполнение ВЛ зависит от климатических
условий, рельефа и других местных особенностей. ВЛ разного на-
пряжения отличаются расстояниями между проводами и от ниж-
них проводов до поверхности земли, а также до опорноподдер-
живающих устройств и пересекаемых объектов (сооружений). Ос-
новные параметры воздушных ЛЭП завися! от напряжения.
Схемы контактных подвесок в системах электротранспорта гораз-
до разнообразнее, чем на ВЛ.
Простые контактные подвески состоят из одного или двух кон-
тактных проводов, закрепленных непосредственно на поддерживаю-
щих устройствах. Их можно классифицировать следующим образом
* (рис. 3.2,«), рассмотрев основные схемы конструкций (рис. 3.3).
Если на заданную длину проводов приходится одна точка подвеса к
поддерживающему устройству, то подвеску называют однократной (см.
рис. 3.3, а). Между точками подвеса образуется свободный участок ра-
стянутой «гибкой нити». Для уменьшения стрелы провеса необходимо
длину свободных участков сократить, т.е. обеспечить многократный
подхват (см. рис. 3.3, б, в). Если подвески разделены на отдельные ан-
53
звено с роликом; 6
тХеМЫ ПРОСТЫХ Конта™х подвесок: трамвайная („): института
манииТ) ТиТ (О): ВеТР°Ва <в,: °МГУПС Ф'*РМЫ AEG (<)); Гер-
провод 7 - по адат J’P0Ba ПаР;’ллелогР«ммная (з); / - контактный
’ 3 ~ СК0ЛЬЗУн; 4 — упругий элемент; 5 — наклонное
турникет; 7 — фиксатор; 8 — ось пути; 9 — опора
54
керные участки, то их называют разрезанными. Простые контактные
подвески классифицируют по степени компенсации температурных
удлинений проводов: на некомпенсированные, компенсированные (с
грузами), самокомпенсированные (со специальными элементами), с се-
зонной регулировкой (муфтами). Их различают по типу звена подвеса
к поддерживающему устройству (см. рис. 3.3, д—з): беззвеньевые, с вер-
тикальными или наклонными звеньями — струнами (см. рис. 3.3, з),
оттяжками (см. рис. 3.3, д). турникетами (см. рис. 3.3, е) и т.д. — сколь-
зящими (см. рис. 3.3, г), роликовыми (см. рис. 3.3, ж).
Применяются полигонные подвески, подвешиваемые к ради-
ально расположенным растяжкам на вертикальных струнах (на-
пример, на трамвайных путевых кольцах).
Простые контактные подвески дешевле, чем цепные, но ограничи-
вают скорости движения и требуют большего количества опор, что
влияет на общую стоимость контактной сети.
Простые подвески обычно применяют на городском (трамвай и
троллейбус со скоростями движения до 70 км/ч), горном и промыш-
ленном (шахтные и карьерные электровозы, троллейвозы) транс-
порте. На магистральных железных дорогах простые подвески при-
менялись раньше для трехфазных контактных сетей (например, в
Италии), но были заменены цепными. В 70-е гг. стремление удеше-
вить электрификацию привело к появлению (например, в Англии)
ряда улучшенных простых подвесок для скорости до 140 км/ч.
В России улучшенная простая компенсированная контактная
подвеска, разработанная институтом Трансэлектропроект, пред-
назначена для применения на боковых и второстепенных железно-
дорожных путях (см. рис. 3.3, б). В сответствии с облегченными
требованиями она рекомендована для малодеятельных участков.
Разновидности простых подвесок применяются в тоннелях: под-
веска на сплошном основании, ромбовидная (см. рис. 3.3, ж) и т.д.
Анализируя известные простые подвески, можно отметить, что
некоторые из них позволяют увеличить пролет до 65 м при сохра-
нении ветроустойчивости и скорости движения ЭПС до 70—80 км/ч.
К наиболее интересным из них относятся: простая трамвайная с
зигзагом и сезонной регулировкой (см. рис. 3.3, а); компенсиро-
ванная подвеска института Трансэлектропроект (см. рис. 3.3, б);
подвеска Н. И. Ветрова (см. рис. 3.3, в); косая самокомпенсиро-
55
ванная троллейбусная (см. рис. 3.3, з); подвеска Германии компенси-
рованная с продольным балансиром (см. рис. 3.3, е); пространствен-
ная ромбическая В. А. Тихомирова (см. рис. 3.3, ж).
Одинарные плоские ценные подвески состоят из несущих тросов и кон-
тактных проводов, расположенных практически в одной плоскости
(вспомогательные тросы отсутствую! ). Они могут быть подразделены
по способу натяжения проводов (см. рис. 3.2, б); на некомпенсирован-
ные (рис. 3.4,«), когда все провода анкеруются жестко; полукомпснси-
рованные (рис. 3.4, б), в которых только контактные провода снабже-
ны автоматическими компенсаторами; компенсированные (рис. 3.4, в),
когда и провода и тросы снабжены компенсаторами; с сезонным регу-
лированием, когда цепная подвеска имеет стяжные муфты; самоком-
пенсированныс (рис. 3.4, г), когда конструкция подвески обеспечивает
заданные характеристики без специальных компенсаторов (например,
с транспозицией двух проводов, поочередно подвешиваемых на опо-
рах и служащих на одной части пролета контактным проводом, а на
другой — несущим тросом). Могут применяться также частично ком-
пенсированные цепные подвески, где компенсаторы работаю! не все-
гда: при определенной температуре или значительном гололеде ком-
пенсатор стопорится и тем самым предотвращаются недопуст имые стре-
лы провеса контактных проводов. Идентичность характеристик всех про-
летов анкерного участка можег достигаться распределенной установкой
компенсирующих элементов вместо двух компенсаторов по концам.
В зависимости от взаимного расположения проводов между собой
и относительно оси пути в плане различают вертикальные (рис. 3.4, е),
полукосые (рис. 3.4, з) и хордовые (рис. 3.4, ж) подвески. В верти-
кальной цепной подвеске все ее элементы располагаются в каждом
пролете в одной вертикальной плоскости. Несущий трос полуко-
сой цепной подвески расположен по оси пути, а контактные про-
вода поочередно незначительно смещаются то в одну, то в другую
сторону от оси пути (зигзагом) в целях более равномерного износа
контактных пластин токоприемника.
На кривых участках пути вертикальная цепная подвеска распола-
гается в плане в виде хорд (рис. 3.4, ж). Контактный провод хордовой
подвески в местах крепления на опорах смещается в наружную сторо-
ну кривой; несущий трос располагается над ним. На кривых больших
радиусов в середине пролета провод располагают по оси токоприем-
ника, а на кривых малых радиусов смещают внутрь кривой.
56
Рис.3.4. Схемы одинарных плоских цепных подвесок: некомпенсированные (а), по-
лукомпенсированные(о), полностью компенсированные («), самокомпенсированные
(г), с распределенной компенсацией (<)). вертикальная (е). хордовая (ж), полукосая
(з), с простой подопорной струной (и), со смещенной струной (к), то же с рессорной
(.?), с удлиненной рессорной (.»/). с пружинными струнами (//); / — несущий трос;
2 — контактный провод; 3 — компенсатор; 4—компенсирующий элемент подвески
с распределенной системой компенсации; 5—ось пути; 6 — опорная струна; 7—
рессорный трос; 8— упругая струна
57
В зависимости от способа крепления струн, расположенных вбли-
зи опор, цепные подвески могут быть: с простыми подопорными
струнами (рис. 3.4, и), со смещенными струнами (рис. 3.4, к), с пру-
жинами под опорой, с рессорными опорными струнами (рис. 3.4, .7).
Если в одном анкерном участке смонтированы разные типы подо-
порных узлов (на прямой — с рессорным тросом, на кривой менее
800 м — с подопорной простой струной), то подвеску следует рас-
считывать, учитывая длины частей, занимаемых каждым типом.
Из-за увеличения жесткости, стрел провеса и повышенного ме-
стного износа в точке крепления простой подопорной струны она
в настоящее время практически не применяется и рекомендуется
только для мест, подверженных автоколебаниям.
В подвеске с опорными смещенными струнами на 2 и более м
(см. рис. 3.4, к) достигается уменьшение жесткости, более плавное
изменение высотного положения. Такая подвеска может применять-
ся для скорости движения ЭПС до 75 км/ч.
В рессорной подвеске (см. рис. 3.4, .7, .и) к несущему тросу на учас-
тках, прилегающих к опорам, крепятся отрезки дополнительного тро-
са или провода длиной от 12 до 20 м, к которым на двух (или четырех,
как в КС-200)струнах подвешивают контактные провода. Использова-
ние рессорных струн в полукомпенсированных подвесках обеспечива-
ет скорости ЭПС до 120 км/ч.
В компенсированной цепной подвеске института Трансэлект-
ропроект стрела провеса остается постоянной, обеспечивающей
скорости ЭПС до 160 км/ч, независимо от температурных коле-
баний. Рессорный трос служит лишь для выравнивания жесткос-
ти в середине пролета, под первой нерессорной струной и под
опорой. Для этой же цели служат пружинные элементы, устанав-
ливаемые в подопорном узле (рис. 3.4, н). Их конструктивное ис-
полнение определяется требуемой характеристикой жесткости.
Целесообразна также установка упругих элементов в струнах (см.
рис. 3.4. и) и в пролетах, например, по предложению И. А. Беля-
ева. Компенсированная «интегрированная» подвеска с медны-
ми несущими тросами сечением 336 мм2 применена в Японии.
Следует отметить, что варианты одинарных цепных подвесок
являются основными для скоростей до 350 км/ч в Германии, Фран-
ции, Испании, Италии.
58
Двойные контактные подвески (рис. 3.5) имеют между несущими
тросами и контактными проводами закрепленный на струнах вспо-
могательный провод. Они позволяют повысить: равномерность же-
сткости в пролете (обеспечивая токосъем при повышенных скоро-
стях). электропроводность (снижая потери электроэнергии) и ста-
бильность к воздействию ветра (уменьшая вероятность автоколе-
баний). К недостатками двойных подвесок относятся: сложность
конструкции, повышенная стоимость и увеличенный расход меди.
Классифицируют двойные плоские подвески (см. рис. 3.2, в), подразде-
ляя их: на полукомиенсированные. самокомпенспрованные. полностью
компенсированные с простыми и пружинными демпферными струнами.
Двойные контактные подвески с различными комбинациями
компенсированных контактных проводов, вспомогательных и не-
сущих тросов применялись в Италии и Англии. Позднее на скоро-
стных участках в Японии внедрили улучшенный вариант этой под-
вески с пружинными демпферами в струнах (см. рис. 3.5, г).
В России в 60-х гг. в Трансэлектропроекте был разработан типовой
проект двойной подвески с простой подопорной струной (рис. 3.5, а),
по которому была смонтирована контактная сеть на участке Навля—
Алтухово. Ранее считалось целесообразным переоборудование одинар-
ной подвески с изношенными контактными проводами в двойную с
целью увеличения ее сечения по предложению инженера А. С. Ивлева.
Двойной самокомпенсированной подвеской можно считать и верт и-
кальную с распорками вантовую подвеску Н. В. Бокового. Она состоит из
одинаково натянутых несущего троса и вспомогательного провода, со-
единенных обычными струнами всредией част и пролета и жесткими сгру-
нами-распорками под опорами. Провода, тросы и струны образуют гори-
зонтальный вант (см. рис. 3.5, Э). к которому обычными струнами подве-
шивают контактные провода. При этом обеспечивается такая же высокая
стабильность характеристик, как и у подвески на сплошном основании.
Объемные контактные подвески отличаются от плоских тем, что
тросы и контактные провода (обычно три элемента) разнесены в про-
странстве в разных точках пролета (рис. 3.6). Они позволяют улуч-
шить: ветроустойчивость (увеличивая длину пролета и уменьшая ко-
личество опор), устойчивость к автоколебаниям (предотвращая пляс-
ку проводов), равномерность жесткости в пролете (уменьшая износ,
обеспечивая увеличение скорости движения ЭПС), самокомпенса-
цию температурных удлинений.
59
Рис.3.5. Двойные плоские цепные подвески: с простой опорной струной инсти-
тута Трансэлектропроект («), со сдвинутыми опорными струнами (о). с рессор-
ными опорными струнамп(в). демпфированная (г), вантовая Н.В. Бокового (<)):
1 — несущий трос; 2 — вспомогательный трос; 3 — петлевая струна: 4 — кон-
тактный провод; 5 — упругие струны; 6 — жесткая распорка
60
Общим недостатком объемных подвесок являются некоторые
сложности их расчета, монтажа и эксплуатации. Классифицируют
объемные подвески: на самокомпенсированные, полукомпенсиро-
ванные и полностью компенсированные; с зигзагообразным, ром-
бовидным, синусоидальным, хордовым и серповидным расположе-
нием контактных проводов в плане; фиксаторные и бесфиксатор-
ные; с простыми, рессорными и пружинными струнами под опора-
• ми в пролете (см. рис. 3.2, г). По количеству проводов они могут
| быть двух-, трех- и четырехпроводные.
Двухпроводными объемными (пространственными) подвесками
являются косая (см. рис. 3.6, а) на прямых участках пути и наклонная
бесфиксаторная (см. рис. 3.6, б) на кривых. Три провода (два троса с
распоркой-консолью в виде ванта и контактный провод) имеет само-
компенсированная косая подвеска И. А. Беляева и Ю. Е. Березина (см.
рис. 3.6, е). Подвески с промежуточными опорами и с оттяжными тро-
сами (рис. 3.6, в, г) являются также трехпроводными зигзагообразны-
ми. Бесфиксаторная треугольная шведская подвеска (см. рис. 3.6, д) и
подвеска А. С. Альханова (см. рис. 3.6. н) также имеют три провода и
синусоидальное расположение контактных проводов.
К трехпроводным можно отнести и подвеску И. И. Власова с
одним ромбом контактных проводов в плане (см. рис. 3.6, э/с).
Четырехпроводными многоромбовыми являются пространственные
подвески А. Т. Демченко (см. рис. 3.6, з), обеспечивающие эффект рав-
номерной жесткости за счет подсоединения контактных проводов к
тросам в середине пролета, что смягчает подопорную зону и способ-
ствует самокомпенсации удлинений.
Конструкции и характеристики проводов. Контактные провода
(рис. 3.7) должны иметь высокую электропроводность, прочность и кор-
розионную стойкость, а также повышенную износостойкость, дугос-
тойкость, модуль упругости, минимальный коэффициенттемператур-
! него удлинения и свободную поверхность для контакта с токоприемни-
ками. Контактные провода выполняют однопроволочными. Они
имеют фасонный профиль поперечного сечения (Ф) с двумя про-
дольными канавками для захвата провода зажимами (см. рис. 3.7 и
табл. 3.1), изготавливаются из одного (монометаллические) или
двух (биметаллические, комбинированные) материалов. Раньше
контактные провода назывались троллейными (ТФ).
61
Рис.3.6. Схемы объемных контактных подвесок: косая («). наклонная (б). с фикси-
рующей опорой (в), с оттяжным тросом (г), треугольная (С), вантовая (с). ромби-
ческая (ж), ромбовидная (т). синусоидальная (и): 1 — контактный провод: 2 —
ось пути; 3 несущий трос: 4 — распорка: 5— фиксирующая опора; 6— оттяж-
ной трос: 7— оттяжка; 8— фиксатор
62
Монометаллические фасонные-контактные провода изготавлива-
ют следующих марок: МФ — медные, БрФ — бронзовые, МФО —
овальные, НЛФ — медные низколегированные. Кроме букв в мар-
ку провода входят цифры, указывающие номинальную площадь
его сечения в мм-, например МФ 100.
Таблица 3.1
Основные параметры медных контактных проводов
Номи- нальная площадь сечения, о ММ- Размеры, мм Временное сопротивле- ние разрыву, ГПа. не менее Линейная плот- ность, кг/м Нагрузка от веса, кН/м
А Н С R
85 11,76 10.8 1,3 6,0 0,368 0,76 7.40-10--’
100 12.81 11.8 1,8 6,5 0.370 0.89 8.73-10'3
120 12,90 13.9 3,2 7,8 0,365 1.07 10.70-1О'3
Овальные фасонные провода имеют увеличенную поверхность
касания с пластинами токоприемника (рис. 3.7, в). В низколеги-
рованные медные провода добавлены различные небольшие при-
садки (магний, цирконий, олово и титан), составляющие сотые
доли процента.
Бронзовые провода имеют значительные присадки, например
0,2 % циркония, кадмия, магния и др. В качестве присадок сейчас
успешно применяют серебро. ЗАО «Транскат» выпустило низко-
легированные оловом медные провода марки НЛОл 0.4Ф 100.
На железных дорогах в основном применяют медные контактные
провода марок МФ-85, МФ-100, МФ-120 (рис.3.7, а), причем пер-
вый — преимущественно на станционных путях. Бронзовые кон-
тактные провода имеют повышенное по сравнению с медными
временное сопротивление разрыву (не менее 0,42 ГПа), но мень-
шую электрическую проводимость. Они меньше изнашиваются,
менее чувствительны к перегревам при эксплуатации, имеют по-
вышенный срок службы. Бронзовые провода в верхней части сече-
ния снабжены дополнительной канавкой (рис. 3.7, б).
63
Рис.3.7. Провода контактные фасонные: медные («); бронзовые (<>): овальные («);
сталемедные (г); сталеалюминиевые (<)); сталеалюминиевые со стальной шиной (е)
Попытки заменить медь другими, менее дефицитными матери-
алами, привели к появлению в России комбинированных сталемед-
ных, сталеалюмпниевых (рис. 3.7, <)), а также монометаллических
стальных контактных проводов. Из-за ряда недостатков при эксп-
луатации и монтаже (температурные расслоения, коррозирование.
поперечная жесткость) они не получили распространения на рос-
сийских железных дорогах.
В Японии для уменьшения износа провода, особенно в связи с по-
вышением скоростей движения поездов, предложены сталеалюминие-
вые провода с вертикальной стальной шиной в сечении (рис. 3.7, е).
После стирания нижнего слоя алюминиевого сплава дальнейшее из-
нашивание определяется сталью. В разных странах разработаны так-
же конструкции сталемедных контактных проводов (рис. 3.7, г).
Mt югопроволочные провода (рис. 3.8) применяют в качестве то-
копроводящих (на ЛЭП). питающих (в том числе по системе ДПР).
64
в г
усиливающих, экранирующих и несущих (тросов) на контактной
сети. Они могут быть: медными, алюминиевыми, стальными, би-
металлическими и комбинированными. Выбор материала прово-
да определяется конструкцией ВЛ или контактной подвески, необ-
ходимой его площадью сечения, месторасположением электрифи-
цированной линии и другими условиями.
Конструктивно многопроволочные провода состоят из цент-
ральной проволоки или стренги, вокруг которой по спирали
расположены один или несколько (см. рис. 3.8.) слоев проволок.
Каждый ряд проволок навивают в обратном направлении по от-
ношению к предыдущему, наружный повив должен быть правым.
Медный многожильный провод (рис. 3.8, а и табл. 3.2) обладает
высокой электропроводностью, долговечен и надежен в эксплуатации
благодаря хорошей сопротивляемости коррозии. К недостаткам мед-
ного провода, используемого в качестве несущего э роса, относятся боль-
шие изменения стрел провеса полукомпенсированной цепной подвес-
ки при колебаниях темпера-
туры, чем у биметаллическо-
го или стального. Медный
неизолированный провод с
номинальной площадью се-
чения 120 мм- обозначается
М-120. На главных путях
железных дорог, электри-
фицированных на постоян-
ном токе, несущие тросы
выполнены из проводов
марок М-95 и М-120.
Когда большая электро-
проводность несущего
троса нс нужна (например,
на всех путях при тяге на
переменном токе и на стан-
ционных путях при посто-
янном токе), в качестве
троса применяют биме-
таллические провода.
Рис.3.8. Провода многопроволочные: мономе-
таллические (а); биметаллические (б); комби-
нированные АС (в); комбинированные АПБ-
СА (г); / — медь; 2 — сталь; 3 — алюминий
гт Контактные сети
65
Параметры неизолированных проводов
Таблица 3.2
Марка про- вода Площадь сечения, мм- Число Про- волок в про- воде Диа- метр про- волок, мм Диа- метр про- вода, .мм Разрыв- ное усилие. кН. не менее Линей- ная плот- ность, кг/м Нагрузка от силы тяжести, кН/м
номи- наль- ная расчет- ная
м 120 117,0 19 2,80 14.0 43.6 1,06 10,40-10
ПБСМ 70 72.2 19 2,20 11,0 47,7 0,60 5,90-10'3
ПБСМ 95 93,3 19 2,50 12.5 61,8 0,77 7,55-10’3
А 185 183,0 19 3.50 17.5 28.2 0,50 4,91-10'3
АС 50/8,0 48,2/8,0 6/1 2.20 9.6 16.0 0,20 1,9610 3
Неизолированные биметаллические провода марок ПБСМ1 и
ПБСМ2 (рис. 3.8, б и табл. 3.2) свиты из проволок, имеющих сталь-
ную сердцевину и медную оболочку (покрытие). Наименьшая тол-
щина медной оболочки проволоки провода ПБСМ1 составляет
10 % радиуса, а ПБСМ2 — около 7 %. Обозначается такой провод
сечением 70 мм- — ПБСМ 1-70. Для несущих тросов используют
провода марок ПБСМ-70 и ПБСМ-95.
Биметаллические оцинкованные провода применяют также в ка-
честве поперечных несущих и фиксирующих тросов гибких и жест-
ких поперечин. В местностях, расположенных вблизи моря, про-
мышленных предприятий, на линиях со смешанной тягой цинко-
вое покрытие проволок не предотвращает коррозию. Для усиле-
ния защитных антикоррозионных свойств СП «Уралтранс» разра-
ботана конструкция биметаллических многожильных проводов с
никелевым покрытием для несущих тросов и одножильных прово-
лок диаметром 4 и 6 мм.
В качестве усиливающих, питающих и отсасывающих прово-
дов контактной сети применяют многопроволочные провода мар-
ки А, изготовленные из алюминиевых сплавов. Чаще всего приме-
няют провода марок А-150 и А-185 сечением 150 и 185 мм2 соот-
ветственно. По сравнению с медными алюминиевые провода от-
личаются меньшей плотностью и электропроводностью, при этом
эквивалентная проводимость получается в случае, когда площадь
сечения алюминиевого провода примерно в 1.75 раза больше мед-
ного, хотя его масса при этом в 2 раза меньше. На открытом возду-
хе алюминий покрывается защитным антикоррозионным слоем
окиси, однако он подвержен элекзролитическому разложению при
соприкосновении с другими металлами.
На ВЛ применяют сталеалюминиевые провода (рис. 3.8, в),
I состоящие из стальных оцинкованных и алюминиевых прово-
I лок. Стальные расположены в центре сечения провода. Услов-
1 ное обозначение сталеалюминпевого провода с номинальными
площадями сечений алюминиевой части 50 и стального сердеч-
Иника 8 мм2 — АС-50/8,0.
К Многопроволочные провода изготавливают протяжкой в хо-
лодном состоянии, что приводит к увеличению временного сопро-
тивления разрыву и уменьшению пластичности.
V Контактные провода приобретают при волочении (протяжке)
«кроме повышенной прочности увеличение твердости, т.е. износос-
Итойкости. Поэтому выпускались опытные партии проводов с по-
вышенным обжатием. Внедряются провода МФ-120, изготовляе-
Вмые методом холодной прокатки, которые, по данным В. Я. Бе-
У>ента, обладают более высокими техническими показателями (из-
Вносостойкость в 1,1 раза, прочность до 38,5 кг/мм2).
В Однако при нагревании провод теряет эти качества и тем в боль-
В шей степени, чем выше температура и время ее воздействия. По-
В этому в соответствии с нормами температура проводов контакт-
В ной сети в самых неблагоприятных условиях не должна превышать
В 100 °C для медных, 90 С для алюминиевых и 120 С для биметалли-
В ческих проводов. По этой причине нельзя применять методы свар-
ки. при которых температура провода превысит указанную.
" В контактных сетях используюз также многопроволочные сталь-
( ные тросы (канаты) для компенсаторов, биметаллическую прово-
локу БСМ диаметром 4 и 6 мм для изготовления струн, стальную
оцинкованную проволоку.
67
Физико-механические характеристики проводов. Провода ВЛ
рассчитывают на прочность по допустимому напряжению, а прово-
да контактной сети — по допустимому натяжению провода Ядп, кН:
^дп ~ 72раз *з
или
Ядп = аовр5/А'з ’
где Я— разрывное усилие провода, кН;А^ — номинальный
коэффициент запаса прочности; а — коэффициент, учитывающий
разброс механических характеристик и условия скрутки прово-
лок (для проводов с числом проволок в проводе менее 37, приме-
няемых в контактных сетях, а = 0,95); — временное сопротив-
ление разрыву материала проволоки, ГПа: S — расчетная пло-
щадь сечения провода, мм2.
Номинальным коэффициентом запаса прочности к3 называют
отношение разрывного усилия провода к допустимому натяжению.
В контактной сети для медных, бронзовых и алюминиевых много-
проволочных проводов, используемых в качестве продольных, не-
сущих, фиксирующих тросов, а также вспомогательных, усиливаю-
щих, питающих и других проводов к.} г 2; для сталемедных продоль-
ных, несущих тросов к3 г 2,5; для сталеалюминиевых, стальных про-
дольных несущих и фиксирующих тросов, сталемедных поперечных
несущих тросов к3 а 3; для стальных поперечных тросов к.} г 4.
Отклонение натяжения компенсированного несущего троса от
заданного значения не должно превышать ±10%. Поэтому номи-
нальное натяжение компенсированного несущего троса (и вспомо-
гательного провода)
Т'ном550’977^’ <3-2)
где Гдп — допустимое натяжение несущего троса, кН.
Натяжение контактного провода А' устанавливают по напряже-
нию для оставшейся после износа площади сечения. Номинальное на-
пряжение медного контактного провода 0,098 ГПа, а бронзового —
0,128 ГПа. Номинальное натяжение контактного провода. кН,
68
где oHOM— номинальное напряжение, ГПа; SKn— площадь сече-
ния провода, мм-; п — число контактных проводов.
Изменение натяжения компенсированного контактного прово-
да не должно превышать ±15% номинального значения. Допусти-
мое напряжение для медного контактного провода 0,118 ГПа, а
бронзового — 0,147 ГПа. Допустимое натяжение может быть оп-
ределено по выражению (3.3), в котором вместо номинального не-
обходимо принять допустимое напряжение. Натяжения основных
? проводов регламентированы (табл. 3.4).
Таблица 3.4
Натяжение проводов контактных сетей
Марка провода Натяжение, кН
допустимое (7дп* '‘дп’ номинальное / ТГ Г-' 11 1 ' 1 НОМ' 11 ном'
Несущий трос
М 120 19.6 17.6
ПБСМ-95 19,6 17,6
ПБСМ 70 15.7 14,2
Контактный провод
МФ 100 11.8 9.8
МФ-85 10.0 8.3
БрФ-100 14.7 12,8
Усиливающие и питающие провода
Л-185 9.5 -
Липпи продольного электроснабжения
АС-70/11 5.5 -
Допустимое напряжение провода ВЛ
°дп=аовр/А'з <3-4>
Коэффициент запаса прочности проводов ВЛ принимают рав-
ным 2 или 2,5 в зависимости от трассы линии, конструкции и площа-
69
ди сечения провода. При расчете проводов контактной сети и ВЛ
следует руководствоваться их физико-механическими характерис-
тиками (табл. 3.5), которые взяты из нормативных документов, и
номинальными натяжениями, принимаемыми для проводов с авто-
матически поддерживаемым постоянным натяжением (см. табл. 3.4).
Таб лица 3.5
Физико-механические характеристики проводов
Провода Плот- ность материала, кг/м3 Темпера- турный коэффициент линейного расширения, Х10 6 °C-1 Модуль упруго- сти, ГПа Временное сопротивле- ние разрыву проволоки, ГПа, не менее
Многопроволочные провода
Медные М 8900 17,0 127,5 0.39
Алюминиевые А 2750 23,0 61,8 0,16
Биметаллические ПБСМ 8230 13,3 171.7 0.74
Стальные (канаты) 8000 12,0 196,2 1,18
Стал еалюмин! ten ые АС с площадью сечения, мм-: 16-95 120 и более 3470 3560 19,2 18,9 80,9 83,0
Однопроволочные провода
Стальные ПСО 7850 12,0 196,2 0,54
Биметаллические БСМ 8230 13,3 171,7 0,64
Контактные: медные МФ и бронзовые БрФ 8900 17,0 127,5 См. табл. 3.1
При исследовании механических характеристик проводов контакт-
ной сети во Всероссийском научно-исследовательском институте транс-
70
портного строительства (ЦНИИС) была установлена зависимость ве-
личины разрушающего натяжения от температуры провода (табл. 3.6).
Таблица 3.6
Средняя разрушающая нагрузка (разрывное усилие в кН)
проводов контактной сети и ВЛ
Марка провода Температура при испытании, °C
минус ПЛЮС
60 40 20 20 60 100
ПБСМ-70 51,80 50,76 49,80 49,07 47,07 46.17
ПБСА-120 93,43 95,30 90.25 91.11 86,87 90,03
ПБСА-50/70 66,34 66,10 65.63 63,91 - 60.92
М-120 46,85 46,13 45,50 44,57 43,93 42.62
А-185 89,63 29,20 28,62 28.40 27,31 25.98
АС-70/11 25,11 24.70 24,60 24,31 23,56 22.94
Во время эксплуатации провода контактной сети подвергаются
колебаниям, в результате которых их натяжение может изменяться
на 10—17 %, что может привести к усталостным повреждениям. Од-
нако проведенные исследования показали, что провода контактной
сети обладают высокой усталостной прочностью, что исключает
необходимость проведения соответствующих расчетов. В табл. 3.7
приведены пределы упругости проводов различных типов.
Таблица 3.7
Значения среднего предела упругости
Марка провода Средний предел упругости, кН
ПБСМ-70 27,77
ПБСМ-95 35,99
ПБСА-120 41,20
М-120 28,34
А-185 16,87
71
По результатам исследований проводов контактной сети с боль-
шим периодом эксплуатации установлено, что прочность тросов
с течением времени снижается, одновременно на 10—15 % увели-
чивается их относительное удлинение.
3.3. Узлы и элементы конструкции контактных подвесок и ЛЭП
Струны—легкие элементы контактных подвесок, с помощью кото-
рых контактные провода подвешиваются к несущему, вспомогатель-
ному тросам или другим узлам (рис. 3.9) В основном струны предназ-
начены для передачи сил от контактных проводов к несущим тросам и
классифицируются по конструкции (звеньевые, гибкие, петлевые, уп-
ругие, жесткие). проводимости (проводящие, частично проводящие, изо-
лирующие), по количеству соединяемых проводов (совмещенные, раз-
дельные), возможности смещения по проводам (скользящие, закреплен-
ные), положению относительно вертикали (вертикальные, наклонные).
Звеньевые струны имеют несколько (не менее двух) звеньев
(рис. 3.9, а—г), что позволяет уменьшить жесткость струн и способ-
ствует подъему контактных проводов при проходе по ним токоприем-
ников. Как правило, они изготавливаются из отрезков биметаллической
сталемедной проволоки диаметром 4 мм, соединяемых петлями между
собой и струновыми зажимами с тросами и контактными проводами.
Гибкие струны (рис. 3.9, з, и) выполняют из гибкого медного прово-
да сечением 16 мм2 и крепят к струновым зажимам медным коушем и
трубчатым соединителем (овальной медной трубкой). Такие струны
применяют для электрического соединения контактных проводов и
несущих тросов, поэтому их закрепляют специальными зажимами, обес-
печивающими не только механическую связь, но и электрический кон-
такт. В современных контактных подвесках применяют мерные стру-
ны, иногда с возможностью регулировки (см. рис. 3.9, и), которые по-
ставляются с завода или изготавливаются в мастерских комплектно
для каждого пролета. Для безошибочной установки на струнах выпол-
нена маркировка, указывающая место их крепления на проводах.
Петлевые струны (рис. 3.9, ж) устанавливают в двойных под-
весках между контактным проводом и вспомогательным тросом.
Они выполнены в виде петли и обеспечивают беспрепятственный
подъем контактного провода, а также его продольное перемеще-
ние относительно вспомогательного провода.
72
Рис.3.9.Варианты струн цепных контактных подвесок: звеньевые (а—г); гибкие
(<), з, и); упругие (<), с. к. л. о): изолированные (б. в, г, б); скользящие (ж. л/, и); 1 —
изолятор: 2 — изолирующий коуш; 3 — изолирующее звено: 4—регулятор дли-
ны: 5— упругий элемент; б —рычаг: 7—скользун
73
Упругие струны (рис. 3.9, Э, е, к, л) включают в себя какой-либо
пружинящий элемент. Как правило, их устанавливают в опор-
ной зоне пролета для снижения жесткости подвески. Существуют
различные варианты упругих элементов (рычаги, пружины). Уп-
ругими можно назвать и струны из полимерных материалов (кап-
ронового троса), которые не проводят электрический ток и пото-
му не подвержены электрокоррозии. Вместе с тем они обеспечи-
вают свободный подъем контактного провода и возможность ре-
гулировки (см. рис. 3.9, д). К недостаткам таких струн можно от-
нести вытягивание их с течением времени и слабую стойкость к
выхлопным газам тепловозов и воздействию электрической дуги.
Жесткие струны в виде распорок между проводами применяются
только в особых случаях (например, воздушные стрелки).
Наиболее распространенные в России звеньевые струны не приспо-
соблены для протекания тока. В результате электрического воздействия
разрушаются петли в местах соединения. Чтобы продлить срок службы
струн, на ряде участков применяют звенья с двойными петлями. Пре-
дохранение звеньевых струн от подгорания, вызываемого проходящи-
ми через них током, может быть достигнуто применением изоляторов I
(см. рис. 3.9, 6) или изолирующих коушей (см. рис. 3.9, в). При приме-
нении изолированных капроновых или комбинированных (см. рис. 3.9, г)
струн требуется частая установка поперечныхсоединителей для сниже-
ния общего электрического сопротивления цепи.
При двойном контактном проводе обычно применяют совмещен-
ные струны с двумя нижними звеньями для закрепления на каждом
из контактных проводов (см. рис. 3.9, а), или гибкие струны со ско-
бой для двух проводов (см. рис. 3.9, з). В компенсированных подвес-
ках иногда применяют так называемое шахматное расположение
струн, когда их поочередно крепят то к одному, то к другому кон-
тактному проводу, надеясь улучшить условия токосъема.
В тех случаях, когда угол наклона обычных струн к вертикали (в
плоскост подвески) по какой-либо причине больше 30 градусов, уста-
навливают скользящие струны (рис. 3.9, м. н). На пересечениях, а также
в некоторых видах подвесок (косые) применяют наклонные струны с
большим наклоном в поперечной плоскости (наклонные). При этом,
чтобы предотвратить выворачивание контактного провода, применя-
ют струновые зажимы специальной формы (рычаг косой струны).
74
Струны присоединяют к проводам цепной подвески струновы-
ми зажимами с болтовым или безболтовым (обжимным, клиновым
и пр.) креплением. При одном контактном проводе струны распо-
лагают в пролете на расстоянии до 10—12 м одна от другой, а при
двойном проводе на главных путях и при компенсированной под-
веске — 8 м, при полукомпенсированной — 10- 12 м.
При проходе искусственных сооружений иногда необходимо
снизить конструктивную высоту подвески и ограничить подъем
контактных проводов при проходе токоприемников. Для этой цели
служат ограничительные кольца (см. рис. 3.9, о), изготовленные из
провода таким образом, чтобы обеспечить в месте установки нуж-
ную жесткость. Иногда устанавливают несколько ограничитель-
ных колец разного диаметра на разном расстоянии от сооружения.
Электрические соединения и шлейфы рассматриваются в подси-
стеме подвесок, т.к. создают дополнительные массы, участвующие
в процессе токосъема, учитываемые в расчетных схемах (хотя не-
сут функции распределения электрической энергии и секциониро-
вания). Различают поперечные, продольные, обводные питающие
соединения и шлейфы.
Поперечные соединения (рис. 3.10, а) устанавливают между контак-
тными проводами и несущими тросами при отсутствии токопроводя-
щих струн. Изготавливают их из медного гибкого провода и питающих
зажимов. Описаны питающие соединения (В. А. Савченко), изготов-
ленные из алюминиевого провода с приваренными для повыше-
ния надежности оконцевателями из плакированного медью алю-
миния. Продольные питающие соединения (рис. 3.10, б) применяют
на неизолированных сопряжениях анкерных участков, изготавли-
вают их аналогично поперечным.
Обводные соединения применяют в случае необходимости обхо-
да какого-либо сооружения (опора, мостик и т.п. ). Они обычно
имеют дополнительные изоляторы (рис. 3.10, в). Шлейфы служат
для подключения проводов подвески к секционным разъедините-
лям и разрядникам. К питающим и усиливающим проводам (фиде-
рам) ток подводится аналогичными питающими соединениями.
Средние анкеровки предназначены для локализации места повреж-
дения — обрыва контактного провода на анкерном участке и препят-
ствования перемещению контактных проводов токоприемниками.
75
Рис. 3.10. Электрические соединители: поперечные («): продольные (о) и об-
водные (в); / — соединитель с зажимами: 2 — изолятор; 3 — опора; 4 — несу-
щий трос; 5 — контактный провод; 6— анкеруемый фидер
Устанавливают их в средней части анкерного участка, классифи-
цируют по типу подвески и числу контактных проводов. В полуком-
пенсированной цепной подвеске с двумя контактными проводами
среднюю анкеровку выполняют специальным тросом средней анке-
ровки / из сталемедного или стального провода сечением 50 -70 мм2,
концы которого крепят к несущему тросу 5 зажимами 2 (рис. 3.11, а).
К контактному проводу 4 его крепят специальным зажимом 5, назы-
ваемым зажимом средней анкеровки. Крепление троса осуществляют
следующим образом: после спуска с несущего троса его закрепляют
сначала на одном контактном проводе, потом на другом, а затем сно-
ва поднимают на несущий трос и закрепляют на нем.
При двойной подвеске трос средней анкеровки после закрепления
его конца на несущем тросе крепят к вспомогательному тросу, затем к
контактному проводу и снова поднимают его к вспомогательному и
несущему тросам. Все крепления осуществляют с помощью зажимов.
76
В компенсированной цепной подвеске среднюю анкеровку вы-
полняют в двух пролетах (см. рис. 3.11, б. в). Контактный провод 4
крепят к несущему тросу между первой и второй нерессорными
струнами в обоих пролетах наклонными перемычками 7 из стале-
мсдного троса сечением 50 мм2, чтобы исключить повреждение под-
держивающих струн. Среднюю анкеровку несущего троса 3 произ-
водят на опоры с оттяжками вспомогательным тросом (сталемед-
ный трос сечением 70 мм2). При этом несущий и вспомогательный
тросы фиксируют на средней опоре в общем седле на консоли 9.
Компенсаторы удлинений проводов являются одним из ответ-
ственных элементов контактной сети, от конструктивного выпол-
нения и технического уровня которых во многом зависит обеспе-
чение заданных натяжений проводов контактных подвесок и, в
Конечном счете, стрел провеса, т.е. качество токосъема.
Рис. 3.11. Средняя анкеровка полукомпенснрованной («) и компенсированной
(б, в) подвесок; / — трос средней анкеровки; 2 — соединительный зажим; 3 —
несущий трос; 4 — контактный провод; 5 — зажим средний; 6 — вспомогатель-
ный трос средней анкеровки; 7— наклонная перемычка;#—анкерная опора; 9—
фиксированная консоль; К)— оттяжной трос
77
Наибольшее распространение получили блочные грузовые ком-
пенса ирры (рис. 3.12), которые отличаются один от другого в ос-
новном количеством блоков, что определяет передаточные отно-
шения, и конструкцией натяжного элемента, огибающего блоки.
Обычно компенсаторы имеют два или три (рис. 3.12, а, г) блока и
обеспечивают передаточные отношения 1:2, 1:4. Иногда применя-
ют пятиблочные (рис.3.12, д) компенсаторы новой конструкции. В
качестве натужного элемента применяются стальные оцинкован-
ные тросы, изредка — стилоновые канаты и сварные цепи.
Опыт эксплуатации блочных компенсаторов показал, что нередко
происходит перетирание проволок троса и его обрыв. Чтобы такие ава-
рии не приводили к серьезной разрегулировке контактных подвесок, в
ФРГ в конструкцию компенсаторов добавляют страховочный трос, ко-
торым соединяют корпус подвижного блока с опорой. Длину троса
выбирают из такого расчета, чтобы он нс препятствовал перемещению
подвижного блока в положение, соответствующее минимальной для
данного района температуре окружающего воздуха, после чего в слу-
чае обрыва компенсаторного троса вся нагрузка от анкеруемых прово-
дов контактной подвески переводится на страховочный трос.
Рассмотренным конструкциям присущ общий недостаток: в слу-
чае обрыва провода контактной подвески подвижные блоки сме-
щаются по опоре до тех пор, пока грузы не займут своего крайнего
нижнего положения или (при анкеровке на компенсатор несколь-
ких проводов) пока создаваемое компенсатором натяжение не бу-
дет полностью передано на необорванный провод. Такая ситуация
приводит к значительному продольному перемещению оставшей-
ся части оборванного провода или к перегрузке, а в некоторых слу-
чаях к обрыву другого провода, т.е. к расширению объема повреж-
дения и к усложнению восстановительных работ. Указанного не-
достатка лишены барабанные компенсаторы с храповым колесом,
которые применялись в системе контактной подвески КС-200
(рис. 3.12, в). Храповое колесо компенсатора закреплено на рыча-
гах, работающих на растяжение, что дает возможность принять
длину рычагов крепления оси колес больше, чем радиус храпового
колеса; при таких размерах рычагов их легко объединить общей
распоркой, что повышает надежность работы компенсатора. Рас-
пределение нагрузки и расположение деталей компенсатора подо-
78
Рис. 3.12. Компенсаторы удлинений проводов контактных подвесок: блочный (а);
рычажный (б); барабанный (я); трехроликовый (г); пятнроликовый (б); пру-
жинный (я); гидравлический (ж): газогидравлический (з); тоннельно-кулис-
ный (и); 1 — блок; 2 — груз; 3 — рычаг; 4 — барабан; 5 — стопор; 6 — опора;
7 — ограничитель раскачивания грузов; 8 — пружина; 9 — жидкость; 10 — газ;
11 — цилиндр с поршнем; 12 — кулиса для грузов; 13 — трос компенсатора
брано таким образом, что при обрыве компенсируемого провода
барабан надежно стопорится фиксатором и дальнейшего разруше-
ния подвески не происходит. Для той же цели служит узел страхов-
ки УКС, устанавливаемый между анкерной и переходной опорой.
79
Общим недостатком различных блочных грузовых компенсато-
ров является необходимость в значительном пространстве для гру-
зов, что определяет, в частности, серьезные затруднения в размеще-
нии их в малогабаритных тоннелях. Такого недостатка лишен газо-
гидравлический компенсатор ( рис. 3.12, ;). разработанный в Анг-
лии. Компенсатор состоит из газогидравлического цилиндра, трех
коромысел и четырех тяг.
Типовой компенсатор при закачке газа под максимальным давлени-
ем 1,4-10 4 Па создает натяжение 22,2 кН.
Газогидравлический компенсатор обладает рядом преимуществ пе-
ред грузовым блочным, основными из которых являются: меньшее тре-
ние подвижной системы; более надежная работа при гололеде; полная
сохранность при обрыве провода, заанкерованного на компенсатор. Ohi i
нашли применение в интегрированной контактной сети Японии.
Арматура контактных сетей и ЛЭП представляет собой комплекс
узлов и деталей, предназначенных для крепления конструкций, фикса-
ции проводов и тросов, сборки гирлянд изоляторов и т.д. Главное тре-
бование скоростного токосъема к отдельным деталям арматуры — их
минимальная масса. Арматура должна обладать необходимой меха-
нической прочностью, хорошо сопрягаться, быть достаточно надеж
ной и иметь высокую коррозионную стойкость. Все детали контакт-
ных сетей и ЛЭП условно могут быть поделены на две основные груп -
пы: механические, рассчитанные на чисто механические нагрузки, и
токопроводящие, рассчитанные на механические и электрические на-
грузки. Обе группы деталей должны обеспечивать высокую механи-
ческую прочность, а детали второй группы, кроме того, — плотный и
надежный статический контакт и достаточную электропроводность.
Это определяет номенклатуру материалов для их изготовления.
К первой группе (рис. 3.13) относятся: клиновой, цанговый
трехдужечный зажимы для несущего троса, седла, коуши вилоч-
ные, ушки разрезные и неразрезные, зажимы несущих тросов.
Ко второй группе (рис. 3.14) относятся цанговые стыковые за-
жимы для несущего троса, овальные соединители, стыковые зажи-
мы для контактного провода и струновые зажимы. К этой же труп
пе относятся соединительные и переходные зажимы.
Для арматуры обеих групп нормируются допускаемые нагруз-
ки и схемы их приложения. Для второй группы нормируются так
же значения допустимых длительных токов.
80
Рис. 3.13. Детали, несущие механическую на1 рузку: коуш вилочный под пес-
тик («). тоже для медных проводов (о), седло одинарное под серыу («)• зажим
клиновой (г): держатель с ушком (<)). то же концевой цанговый (е), то же сты-
ковой для стальных проводов (ж). то же струновой КС-330 (з). то же умень-
шенный (и). то же неразъемный (к), то же для рессорного троса (.7); / — трос;
2 — цанга; 3 — фиксирующий болт; 4 ушко; 5 — палец
€ Контактные сети
81
a
Рис. 3.14. Токопроводящие детали, несущие механическую и электрическую нагрузку:
зажим болтовой ПАМ (л); то же стыковой цанговый (о); то же стыковой для контакт-
ного провода восьмиболтовой (в); то же четырехболтовый (г): овальный трубчатый
соединитель (<)); 1 — плашка; 2 — болт; 3 — ушко; 4—трос; 5 — контактный провод
По материалу изготовления детали арматуры делятся на чугун-
ные (изготовленные из ковкого или серого чугуна), стальные и из
цветных металлов и их сплавов (бронза, алюминий, медь, латунь).
В настоящее время прослеживается тенденция к замене чугунных и
стальных деталей более легкими из сплавов алюминия.
Изделия арматуры из чугуна имеют защитное антикоррозийное
покрытие — горячее цинкование, а из стали — электролитическое
цинкование с последующим хроматированием или фосфатирова-
нием, или лакокрасочное покрытие. Вид покрытия и способ его
нанесения указывается в нормативно-технической документации.
Крепежные изделия, применяемые в изделиях арматуры, изготав-
ливаются из углеродистой стали с защитным металлическим покры-
тием. По заказу потребителя крепежные изделия для арматуры из
цветных металлов могут изготавливаться из нержавеющей стали.
82
Фиксаторы (рис. 3.15) — узлы, предназначенные для обеспече-
ния заданного расположения контактных проводов в плане относи-
тельно оси пути, восприятия горизонтальных усилий. При токосъе-
ме они влияют на массу и жесткость подвески. Классифицируют фик-
саторы по роду тока, типу консоли, наличию изоляции, материалу,
сечению, варианту конструкции, а также по применению: по знаку
зигзага - на прямых участках; по радиусу — на кривых; по габари-
ту; виду опоры: ветви сопрягаемой подвески на сопряжениях.
Один конец фиксаторов крепят на кронштейнах, смонтирован-
ных на опорах; на подкосах консолей; на фиксаторных стойках: на
фиксирующих тросах гибких и жестких поперечин. Второй конец
фиксатора всегда удерживает контактный провод. Фиксаторные
кронштейны изготавливают из стального швеллера или уголка.
Применяют фиксаторы в виде обычных (одинарных) и сочлененных,
состоящих из двух частей: основной и облег-ченной — дополнительной.
Последнюю устанавливают при скорости выше 70 км/ч. При маркиров-
ке сочлененного фиксатора указывают его конструкцию, напряжение,
для которого он предназначен, и тип (геометрические размеры). Напри-
мер, ФП-3-1 — фиксатор прямой на 3 кВ, тип 1, ФО-25-4 — фиксатор
обратный на 25 кВ, тип 4; ФГ-3 — фиксатор гибкий на 3 кВ. Фиксаторы
ФТ (тросовые) и ФА устанавливают на тросах и контактных проводах
анкеруемых ветвей цепных подвесок на сопряжениях анкерных участ-
ков. Если фиксаторы предназначены для установки на изолированных
консолях, то в их обозначение добавляется буква И, для ромбовидных
подвесок -—буква Р и для воздушных стрелок — буква С.
Сочлененный прямой фиксатор ФП-3 (рис. 3.15, г) состоит из основ-
ного и дополнительного. Дополнительный фиксатор крепят к основ-
ному с помощью стойки и соединяют с неспециальным ушком таким
образом, чтобы обеспечивалось его перемещение относительно ос-
новного как вдоль пути, так и в вертикальной плоскости. При ком-
пенсированных подвесках с одним контактным проводом МФ-100,
а в местах с сильными ветрами и при двух контактных проводах (или
одном МФ-150) могут быть применены ограничительные струны
(рис. 3.15, ж), для чего у прямых фиксаторов удлиняют основной
стержень. Основной фиксатор одним концом крепят к изолятору или
подкосу консоли, а второй его конец двумя струнами подвешивают к
несущему тросу цепной подвески и закрепляют на нем зажимами на
расстоянии 1500—2000 мм с обеих сторон точки подвеса фиксатора.
83
Cl
*’l,c- 3.15. Фиксаторы контактных проводов: жесткий («); на тросах поперечин
(°-«); сочлененный прямой (г); обратный (<)); гибкий (с); на опоре КС-200 (.ж), схе-
ма сил, способствующих раскрытию фиксатора (з); / — изолятор; 2—основной
Ф|,кса юр; 3—дополнительный фиксатор: 4 — ось пути; 5 — профиль стержня;
б —струна; 7— контактный провод
84
Таким образом, вес основного фиксатора передается с контактного про-
вода на несущий трос. В местах с повышенным ветровым напором, а
также в местах, где возможны автоколебания проводов, на прямых уча-
стках пути и в кривых радиусом более 500 м в подвесках с одним и
двумя контактными проводами для предотвращения потери устойчи-
вости фиксаторов их крепят к несущему тросу не струнами, а жесткими
распорками. В остальных случаях при одном контактном проводе при-
меняют ограничительные упоры на стойках: при двух контактных про-
водах такие упоры ставят только в незащищенных от ветра местах.
На внешней стороне кривых с малыми радиусами устанавливают
гибкие фиксаторы марки ФГ (рис. 3.15, е). Гибкие фиксаторы могут
быть применены только в тех случаях, когда на каждый из них дей-
ствует растягивающая сила не менее 200 Н (20 кг). Поэтому на кривой
большого радиуса, где усилие, действующее на фиксатор от перегиба
провода, может быть меньше, чем нагрузка на провод при ветре, на-
правленном к опоре, гибкие фиксаторы применять нельзя.
На ряде зарубежных и отечественных подвесок (Re-200, 300, 350,
КС-200) применяют сочлененные фиксаторы с основным стержнем
из тонкостенной стальной трубы, при этом дополнительный фик-
сатор выполняют из дюралюминиевого швеллера (рис. 3.15, ж).
Для защиты от раскрытия под действием ветра предусмотрена спе-
циальная струна, закрепляющая подвижный конец дополнитель-
ного фиксатора на основном стержне. Стойка фиксатора имеет
ограничитель отжатия дополнительного стержня.
На гибких и жестких поперечинах кроме полосовых фиксато-
ров применяют фиксаторы из труб (рис. 3.15. б). На фиксирующем
тросе гибкой, жесткой или фиксирующей поперечины их устанав-
ливают непосредственно на трос с помощью зажима с ушком при
небольших (до 400 Н) усилиях, воспринимаемых фиксатором. Если
усилие превышает 400 Н, фиксатор крепят на специальной детали
(рис. 3.15, в). Фиксирующие поперечины образуют из одного или
двух тросов, расположенных поперек перекрываемых путей и зак-
репленных на специальных фиксирующих опорах.
Воздушные стрелки (рис. 3.16) предназначены для обеспечения
перехода токоприемника с контактного провода одного пути на кон-
тактный провод другого пути при движении поезда по стрелочному
переводу и образуются на пересечении двух контактных подвесок.
85
Для надежного скоростного токосъема необходимо обеспечить
равноподъемность пересекающихся подвесок в зоне подхвата, ми-
нимальное увеличение жесткости и массы в пролете со стрелкой.
Классифицируют воздушные стрелки по наличию фиксации, типу и
углу стрелочного перевода, типам пересекающихся подвесок и составу
их проводов, наличию дефлекторных и автоуправляющих устройств. Ва-
рианты условий работы стрелок обусловливаются величиной взаимных
перемещений подвесок (в зависимости от расстояний до компенсаторов).
Пересечение контактных проводов осуществляется путем на-
ложения одного провода на другой. При этом необходимо обеспе-
чить одновременный подъем обоих проводов при подходе токоп-
риемника к воздушной стрелке с любой стороны. Для того чтобы
подъем обоих проводов происходил и при проходе токоприемни-
ка к стрелке по верхнему и по нижнему, на нижнем проводе укреп-
ляют трубку, называемую ограничительной (см. рис. 3.16, в). Меж-
ду этой трубкой и нижним проводом пропускают верхний. При
проходе токоприемника к воздушной стрелке по верхнему контак-
тному проводу последний нажимает на ограничительную трубку и
ею поднимает нижний провод. На верхний контактный провод це-
лесообразно устанавливать медную полугильзу. Ограничительную
трубку выбирают такой длины, чтобы она не препятствовала переме-
щению компенсированных контактных проводов в разные стороны.
Концы трубки сминают так, чтобы обеспечить свободное вращение
фиксирующих зажимов. При пересечении контактных проводов в
месте, удаленном от точек подвеса несущих тросов, последние скреп-
ляют друг с другом соединительным зажимом. Струны, которые рас-
положены вблизи мест подхвата контактных проводов, делают двой-
ными, что повышает надежность работы воздушной стрелки. Для со-
здания надежного контакта между контактными подвесками, образу-
ющими стрелку, на расстоянии 2 —2,5 м от места пересечения в сторо-
ну остряка устанавливают продольные электрические соединители.
На главном пути воздушную стрелку выполняют так, чтоб кон-
тактный провод этого пути находился внизу и токоприемник при
движении поезда по главному пути не переходил на другой кон-
тактный провод. На путях с определенным преимущественным на-
правлением движения поездов воздушные стрелки располагают
таким образом, чтобы нормально токоприемник подходил к стрел-
86
a
Рис. 3.16. Воздушные стрелки контактных сетей: путевая стрелка (а), план фикси-
рованной стрелки (б). ограничительная трубка (в), стрелка конструкции Сверд-
ловской ж.д. (г); зона подхвата и перекрестные струны (б); / — ось пути; 2 —
контактный провод; 3—несущий трос; 4 — фиксирующая опора; 5 — ограничи-
тельная трубка; 6 — дефлектор; 7 — пересечение контактных проводов, А' —
центр перевода: 9— полоз токоприемников
87
ке по нижнему контактному проводу. На одиночных стрелочных
переводах (рис. 3.16, б) наилучшим условием прохода токоприем-
ника по воздушной стрелке во всех направлениях будет такое по-
ложение фиксирующих устройств, когда они устанавливаются на
расстоянии 1—2 м от точки пересечения контактных проводов в
сторону остряков стрелки. Наиболее благоприятное расположение
контактных проводов, образующих воздушную стрелку, получается
в том случае, когда точка пересечения находится между осями прямо-
го и открытого путей и отстоит от каждого из них на 360—400 мм.
Эта точка находится там, где расстояние между внутренними гра-
нями головок соединительных рельсов крестовины равно 730—
800 мм. На перекрестных стрелочных переводах и при глухих пе-
ресечениях точка пересечения контактных проводов должна нахо-
диться над центром стрелочного перевода или пересечения.
Для обеспечения одновременного подъема обоих проводов, об-
разующих воздушную стрелку, и смягчения ее характеристик жестко-
сти и массы (увеличивающихся вдвое) при полукомпенсированных
цепных подвесках иногда применяют специальные дефлекторные ус-
тройства. например грузовые конструкции Свердловской железной
дороги (рис. 3.16, г). Большой интерес представляют пружинные деф-
лекторы, разработанные в ОмГУПС. Они имеют меньшую инерци-
онность но сравнению с грузовыми, необходимую при повышенных
скоростях. Известны автоуиравляемые воздушные стрелки И.А. Бе-
ляева, в которых взаимное расположение проводов контактной сети
меняется автоматически при переводе стрелки.
При компенсированной подвеске на главном пути вторую подвес-
ку, образующую воздушную стрелку, также выполняют компенсиро-
ванной. Если воздушная стрелка расположена на второстепенных пу-
тях, то одна из подвесок может быть и полукомпенсированной. В тех
случаях, когда контактные провода на воздушных стрелках или в дру-
гих местах, где они изменяют свое направление, должны быть зафик-
сированы. а поддерживающие опоры отсутствуют, устанавливают
фиксирующие опоры (см. рис. 3.16, б). Иногда фиксирующие оттяж-
ки для фиксации проводов на кривых участках пути устанавливают
без опор, закрепляя их на анкеруемых ветвях цепных подвесок или на
специальных тросах, натягиваемых между опорами вдоль пути.
Гасители колебаний предназначены для борьбы с вибрацией авто-
колебаниями проводов, вызываемой ветровой нагрузкой и волнами
88
от токоприемников, движущихся по контактным проводам при ско-
ростях, близких к критическим. Классифицируют гасители по месту
применения (ВЛ, контактные сети) и конструктивному исполнению.
На ВЛ применяют виброгасители, выполненные в виде двух гру-
зов, подвешенных на стальном тросе (рис. 3.17, а). Виброгасители дол-
жны быть установлены на определенном расстоянии от анкерных на-
тяжных зажимов в зависимости от типа и усилий натяжения провода.
На контактной сети в качестве гасителей колебаний применя-
ют ограничительные струны в компенсированных рессорных под-
весках (рис. 3.17. б). Разновидность такой струны — поводок до-
полнительного фикса-
тора подвески КС-200.
Фрикционный га-
ситель (рис. 3.17, я) мо-
жет быть установлен
как в компенсирован-
ных, так и в полуком-
пенсированных оди-
нарных подвесках.
Стержень гасителя,
жестко связанный с ци-
линдрическим корпу-
сом, перемещается
внутри подвижной
втулки с закрепленны-
ми на ней рессорными
пластинами. Для урав-
новешивания статичес-
кой нагрузки от кон-
тактного провода ниже
подвижной втулки по-
Рис. 3.17. Гасители колебаний проводов: грузовой
(«); струновой (б); фрикционный (в); динамический
(г): аэродинамический (3): / ограничительная
струна; 2 - - груз; 3 — стальной трос; 4 — несущий
трос или провод ВЛ; 5 — контактный провод; 6—
корпус; 7 — экран
ставлена пружина.
Известны также ди-
намические японские
(рис. 3.17, г) и аэродина-
мические (рис. 3.17, д)
гасители колебаний.
89
3.4. Расчет натяжений и высотных положений проводов простых
контактных подвесок и воздушных ЛЭП
Точное уравнение провисания гибкой нити. В литературе, посвя-
щенной расчетам воздушных линий, можно встретить изложение
выводов и расчетных формул в двух формах. В первой из них. по-
лучившей распространение при расчетах контактной сети, фигу-
рируют полные значения натяжений и нагрузок, приходящихся на
данный провод. Во второй форме натяжения и нагрузки относят к
единице поперечного сечения. В этом случае натяжение заменяет-
ся напряжением в проводе, а полная нагрузка — удельной нагруз-
кой. Эта форма получила исключительное распространение при
расчетах ЛЭП. Ниже все выводы будут даны применительно к пер-
вой форме, а расчетные формулы будут даваться в обеих формах.
При изучении работы любой подвески все провода рассматриваются
как гибкие нити. Если абсолютно гибкая однородная нить постоянного
поперечного сечения подвешена между двумя точками, то под действи-
ем собственного веса в нити возникают растягивающие напряжения.
Для исследования кривой провисания нити в ее плоскости проведем
оси координат Ох и Оу (рис. 3.18). Выделим элемент нити dL. на который
действуют на тяжения Т и Т\. заменяющие действие отброшенных частей
нити и направленные по касательной к нити. Нагрузку dQ, действующую
на этот элемент, можно принять пропорциональной его длине:
dQ—qdL,
где q — нагрузка на 1 пог. м нити.
Из условия, что сумма горизонталь-
v , ных проекций всех сил на ось .v равна
/ Т
/^\ 1 н\лю, получим
1<< + </«
ц ! // COS а = ^]СО5(« + г/d) = Н,
| * I где г/о— приращение на длине dx угла
т । । а, образованного касательной с осью л;
() ,у । dx I л Н горизонтальная составляющая на-
тяжения нити, равная натяжению нити
в самой низшей ее точке.
Рис. 3.18. Элемент сво-
бодно подвешенной нити
90
Из этого уравнения видно, что горизонтальная составляющая на-
тяжения Н по всей длине нити — величина постоянная и, следова-
тельно, изменение натяжения по длине нити может иметь место лишь
за счет вертикальной составляющей.
Из условия, что сумма проекций всех сил на ось j равна нулю,
получим
Н ( г' + dy') - Ну' - qdL = О,
где г' = tga; dy' — приращение углового коэффициента касательной
(величины tga). Из этого уравнения имеем:
Hdy' = qdL,
так как
dL = Jdy2 + dx2 = -Jl + y’2dx, (3.5)
то
Hdy'= qyj] + y'2dx
Разделив переменные, находим
dy' dx
+ y'2 m (36)
где
H
m = ~. (3.7)
Интегрируя уравнение, получим:
. , A +Ci
arc shy =-----
m
откуда
, л + С.
sh- '=y'_ (3.8)
m
Разделив переменные, будем иметь
. -v + С,
sh------dx = dy
in
91
Интегрируя еще раз, получим уравнение искомой кривой
„ , л + с.
у + С-, = msh---1. (3.9)
т
Поместив начало координат в точку ( Ср С2), заменим при-
веденное уравнение более простым
у = meh— .
т
(3.10)
Кривая, соответствующая полученному уравнению, называет-
ся цепной линией.
В выбранной новой системе координат ось ординат является
осью симметрии кривой, так как положительные и отрицательные
значения х при равной их абсолютной величине дают одно и то же
значение г. Заменив в уравнении (3.10) х — 0, получим г = т, т.е.
равен отрезку на оси г между началом координат и наинизшей точ-
кой нити (рис. 3.19).
Во многих случаях удобнее располагать начало координат в
точке наибольшего провеса нити О. При этом будем иметь при
х = 0; г = 0 и г' = 0 (рис. 3.20 ).
Подставляя х = 0 в выражения (3.8) и (3.9), найдем
С]=0 и С?=/н, после чего из (3.9) получим
у = /н| ch----------1
I т
(3.11)
При составлении дальнейших расчетных формул, учитывающих
Рис. 3.19. Кривая провисания свобод-
но подвешенной нити
изменение натяжения и стре-
лы провеса нити при измене-
нии температуры или на-
грузки, приходится опериро-
вать с длиной нити. Длину
нити между точкой начала
координат О (см. рис. 3.20)
и точкой D (х, г) можно
найти, проинтегрировав
уравнение (3.5). Тогда
92
Lx = Г-Jl + у'2,dx = fl + sh2—dx = fch—dx = msh— .
J m J m m
(3.12)
Длину между точками подвеса можно получить, заменив л один
раз расстоянием от точки наибольшего провеса (вершины цепной
линии) до одной точки подвеса и второй раз — до другой, а затем
сложить эти длины. Длина нити на этих участках (см. рис. 3.20)
будет равна
L = m(sh — + sh —) . (3.13)
т т
Если точки подвеса лежат на одной высоте и. следовательно,
a-h=H2, где / — расстояние между точками подвеса нити (длина
пролета), то длина нити равна
L = 2msh--
2т
(3.14)
Упрощенное уравнение провисания гибкой нити. В случае располо-
жения точек подвеса проводов на одной высоте выведенные уравнения
провисания нити для практически встречающихся в контактной сети
условий можно заменить уравнением параболы. Это значительно уп-
ростит определение г по заданному л или наоборот. При учете же из-
менения Н или у в зависимости от изменения температуры и нагрузки,
О чем будет сказано ниже, та-
кая замена становится необхо-
димой. Это объясняется тем,
что составление точных рас-
четных формул в этом случае
встречает большие математи-
ческие трудности.
Раскладывая правую
часть уравнения (3.11) в ряд
Маклорена, получим
Рис. 3.20. Кривая провисания свободно
подвешенной инти с началом координат в
точке наибольшего провисания
93
4!/?z3 6! m4
(3-15)
Разложив также правую часть уравнения (3.14) в ряд Маклоре-
на, будем иметь
L = 2т
— + — —
2т 3! у 2т )
+ 5!\2/и J
(3-16)
Для встречающихся в практике условий, т. е. когда пролет I во
много раз больше стрелы провеса /, подсчет стрел провеса и дли-
ны проводов можно производить приближенно, оставляя в урав-
нении (3.15) первый член и в уравнении (3.16) первые два члена.
Эти упрощения дают возможность представить уравнение кривой
провисания нити в виде параболы. Подставив значение т в фор-
мулу (3.15), получим
д*2
2Н
(3.17)
Разделив числитель и знаменатель этого выражения на S, где
<7
.8 — площадь поперечного сечения нити, и заменив — = У, где у —
'У
удельная нагрузка на провод, кг/м мм-, и напряжение в прово-
де, кг/мм2, получим эту же формулу, выраженную через удель-
ные значения:
2
(3.18)
Если точки опоры (точки подвеса нити) расположены на од-
ном уровне, то значение стрелы провеса в точке О (рис. 3.21) мо-
жет быть получено из уравнения (3.17) подстановкой л=//2:
8Н ’
(3.19)
94
или через удельные значения
у/2
/=—- (3.20)
8о
Воспользовавшись формулой
(3.19), представим г в виде
Рис. 3.21. Кривая провисания
свободно подвешенной нити
со стрелой провеса
У = 4}TX'
(3.21)
Длина нити после подстановки значения т в уравнение (3.16)
будет равна
L = l +
<TJL
24Н2 ’
(3.22)
или после преобразования при помощи уравнения (3.19) получим
L
(3.23)
Если перенести начало координат в точку подвеса нити (рис. 3.22),
/
2
заменив г на/ г и л на
- х, что в некоторых случаях более удоб-
но, то уравнение кривой провисания нити получит вид
(3.24)
Максимальное усилие в нити
в общем случае будет иметь мес-
то в точке подвеса у той опоры,
где имеется наибольшая верти-
кальная составляющая опорной
реакции 7?^ или где RA = qa
и R В = qb (см. рис. 3.20 и 3.19).
Если принять, что вес отрезка
провода приближенно равен весу
провода, имеющего длину, рав-
Рис. 3.22. Кривая провисания нити
с расположением начала координат
в точке подвеса
95
ную длине горизонтальной проекции рассматриваемого отрезка,
то при расположении точек подвеса нити на одном уровне:
Ra=Rb=ql/2
и
(3.25)
Дифференцируя уравнение (3.17), можно получить формулу для
тангенса угла наклона касательной к оси л\ который в значитель-
ной степени определяет условия прохода токоприемником точек
подвеса:
Для точки опоры, т. е. при д =1/2 , получим
С/Х
,ет.-
<7
или, выразив — при помощи геометрических размеров
Н
(3.27|
из фор-
мулы (3.19) получим
Упрощенные формулы (3.17), (3.19), (3.22) могут быть также по
лучены непосредственно из рассмотрения условий равновесия при
принятом допущении, что сила тяжести пропорциональна не дли
не элемента, а его проекции на горизонтальную ось. Рассмотрим
исходя из этого допущения, отрезок OD нити (см. рис. 3.20). В этом
случае, взяв относительно точки D сумму моментов всех сил, при
ложенных к отрезку OD (рис. 3.23). получим
Ну-с/х| = 0
96
и отсюда уравнение (3.17)
y-q—
2Н
Длина нити L в этом случае может быть
определена из уравнения
Рис. 3.23. Кривая прови-
сания отрезка нити
(3.29)
Воспользовавшись тем, что величина q.xlH значительно меньше
единицы, можно без большой погрешности представить подкорен-
ное выражение в виде
) 2\Н I
как бы произвольно добавить к правой части малую величину
<72/3
24//?
(3.30)
£/dr\4
4\Н J
Используя это приближение и произведя интегрирование, по-
лучим приведенную уже ранее формулу (3.22).
При замене в этом уравнении Н на его значение из уравнения
(3.19) получим также формулу (3.23).
Ситуация, когда точки подвеса расположены па разной высоте, мо-
жет представить интерес при расчетах контактных сетей только в слу-
чае небольшой по сравнению с длиной пролета разности высот точек
। юдвеса, так как они ограничены допускаемым уклоном железнодорож-
ного пути. Это позволяет для проводов контактной сети во всех случа-
ях ввести в расчет те же упрощения, что и выше, т.е. считать нагрузку
равномерно распределенной не по длине нити, а по длине ее проекции.
11риводимые ниже формулы могут использоваться и для расчетов лю-
бых воздушных линий с небольшой разностью высот точек подвеса.
7 Контактные сети
97
Обозначим через а и b расстояния по горизонтали от точек под-
веса до вершины кривой О (рис. 3.24). Принимая, как и выше, вес
нити пропорциональным длине ее проекции, найдем, что вес час-
тей АО и ОВ нити соответственно будет равен qa и qh. Обозначив
через проекции частей Л О и ОВ нити на вертикаль, получим следу-
ющее уравнение моментов сил относительно точки В:
/-
Hh + qal - q— = 0 .
(3.31)
Откуда
1 ин
г, (3.32)
2 ql
, 1 hH
b = - + ~7- (3.33)
2 ql
Из уравнений (3.32) и (3.33) видно, что а и b положительны и
что точка наибольшего провеса находится между точками подве-
са. Это соответствует случаю, при котором растягивающее усилие
так велико, что вершина параболической кривой провисания нити
находится слева от опоры А (см. рис. 3.24 штриховую линию).
Если в уравнение (3.17) подставить один раз х=а и в другой раз
х=Ь. то получим соответственно ;’=/й и y=fh.
Таким образом.
qcr t„ ~ и 277 f clb fb 2H
Заменив а и b их значениями из формул (3.32) и (3.33), получим
_ g / / hH \ _ q / I liH \
"277^2 И fb~2H\2+ Vj
(3.34)
Эти формулы устанавливаю! связь между стрелами провеса и на-
тяжением подобно тому, как это установлено формулой (3.19) для
98
случая расположения точек
подвеса на одном уровне.
Для определения натяже-
ния и стрел провеса можно
случаи с разной высотой то-
чек подвеса привести к слу-
чаю с расположением точек
подвеса на одном уровне. р11С. 3.24. Расчетная схема провисания нити
Продолжим кривую нити с точками подвеса иа различной высоте
АОВ до пересечения в точке
By с горизонтальной прямой,
проведенной из высшей точки подвеса В (рис. 3.25). тогда
Qli
8Н
Qll
8Н
Из сопоставления рис. 3.19 и 3.20 можно видеть, что /2=2« и
1у-2Ь, следовательно, согласно формулам (3.22) и (3.23) имеем
Ql
, . 2hH
Ql
(3.35)
(3.36)
Длины пролетов, определяемые формулами (3.35) и (3.36), называ-
ются фиктивными пролетами. Фиктивный пролет дает возможность
привести случай расположения точек подвеса нити на разной высоте к
случаю расположения точек под-
веса на одном уровне. Вводимая в
рассмотрение фиктивная нить
ВОВу (см. рис. 3.25) имеет кри-
вую провисания, совпадающую
с кривой действительной нити
АОВ, а следовательно, натяже-
ние (при одинаковых атмосфер-
ных условиях) будет равно натя-
жению действительной нити.
Рис. 3.25. Кривая провисания
нити с точками подвеса на раз-
личной высоте
99
Однако введение фиктивного пролета для пересчетов при из-
меняющихся атмосферных условиях дает некоторую неточность,
тем большую, чем больше отношение разности высот точек под-
h
веса нити к действительной длине пролета /. При у = 0,10—0.15
указанная ошибка равна 3—4%. Эта неточность объясняется тем,
что при изменении натяжения провода вследствие изменения ре-
жима температуры и нагрузки фиктивный пролет также будет из-
меняться.
Длина нити для рассматриваемого случая может быть определена
таким же образом, как и для случая расположения точек подвеса на
одной высоте, т.е. по уравнениям (3.29) и (3.30) с соответствую-
щим изменением пределов интегрирования.
Таким образом
Интегрируя в указанных пределах, получим
L = l +
д'?
24Н2
21
(3.37)
При Л = 0 уравнение (3.37) обращается в уравнение (3.22). Оче-
видно, что уравнения (3.32) (3.37) могут быть выражены и через
удельные значения. Для этой цели везде надлежит заменить отно-
д У
шение — отношением —.
Н о
Натяжение и стрела провеса провода при изменении атмосфер-
ных условий (уравнение состояния провода). При изменении тем-
пературы, а также нагрузки на провод изменяется его длина и, как
следствие этого, изменяются его стрела провеса и натяжение. Зная
стрелы провеса и натяжение, соответствующие одному режиму тем-
пературы и нагрузки, необходимо иметь возможность определять
стрелы провеса и натяжение, соответствующие другому режиму.
100
Обозначим: /1 — начальная температура, соответствующая пер-
вому режиму, °C;
<7l — нагрузка, приходящаяся на единицу длины провода при
начальной температуре, кг/м;
— натяжение провода при начальной температуре, кг;
Z-1 —длина провода, м;
Fj — стрела провеса, м;
t с/х, Нх, Lx и fx — те же величины, соответствующие какому-то
другому режиму;
а — коэффициент линейного удлинения материала провода. 1/ С:
Е — модуль упругости провода, кг/мм2;
5 — площадь поперечного сечения провода, мм2.
При температуре /у длина провода, если считать, что натяже-
ние осталось неизменным, будет равна
Однако изменение длины провода поведет к изменению стрелы
провеса, а следовательно, и к изменению натяжения; изменение на-
грузки, приходящейся на единицу длины, в свою очередь, вызовет
изменение натяжения в проводе и тем самым изменение стрелы
провеса. Изменение натяжения изменит начальную длину Lx со-
гласно закону Гука до величины
Следовательно, одновременное изменение температуры и на-
грузки вызовет такое изменение длины провода, что окончатель-
но длина его будет равна
£Л = Lt [1 + a(f t - £ )] [ 1 + Н' Н'
у ES
Раскрыв квадратные скобки, получим
£Л. = L] + L]O.(tx -t^+Ly -- — + £]а(/л- - )(1 + А— -
ES I ES
101
Пренебрегая последним членом как малой величиной второго
порядка (произведение двух малых величин) и вычитая из обеих
частей уравнения начальную длину получим приращение дли-
ны провода
= Lx ~L\= - Л )+Л ~f'H'
ES
Учитывая, что длина провода L для обычных соотношений не-
значительно отличается от длины пролета /. примем для опреде-
ления приращения Lj-l. Тогда
EL = I сх(/ - и)+ / ———
ES ’
(3.38)
С другой стороны, приращение длины может быть представлено
как разность между начальной и конечной длиной (3.22)
„2/3 / 2,3 \ 2,3 2,3 л г г СК‘ , <7i ' 1 qj qj EL = l+ " <- /+ 1 , = , - ,• (3.39) 24Н2 1 24Н2 1 24/7; 24Н2
Приравняв уравнения (3.39) и (3.38) и разделив обе части на /.
получим q2!2 q2!2 , \ Н-Н, _ - , 1 , = ct(t. -t.)+ - -Л —. (3.40) 24/7; 24//; ES
Умножив обе части уравнения на ES, будем иметь
q2l2ES
24Н2
qrl-ES .
- - = o.ES(/
24//,-
(3.41)
Уравнение (3.41) симметрично. Это ясно видно, если в крайнем
члене правой части открыть скобки и перенести aEStx. влево.
В таком виде этим уравнением можно пользоваться, полагая ве-
личины для режима с индексом «1» известными и определяя вели-
чины для режима с индексом «л», или наоборот. Однако наиболь-
шее распространение уравнение (3.41) получило в том виде, как оно
написано. При проведении расчета для ряда режимов удобно заме-
нять индекс «д-» последовательно индексами «2», «3», «4» и т. д. Урав-
нение (3.41) по подстановке известных величин получает вид:
102
где
я,-^ = в
(3.42)
= q;l2ES и в = н _ aES^ _ )
24 24Hf
Стрела провеса провода/ определяется по формуле (3.19)
<7./2
8Н ‘
Это же уравнение, выраженное через удельные значения нагру-
зок и натяжений, имеет вид
(3.43)
24о[
Стрела провеса может быть определена по формуле (3.41). В том
случае, когда нагрузка cj представляет собой геометрическую сумму
вертикальных и горизонтальных нагрузок, плоскость расположения
провода будет наклонена к вертикали на не-
который угол р. Этот же угол (’> будет состав-
лять равнодействующая нагрузка qx с верти-
калью. Если требуется установить для этого ре-
жима высоту провода от земли, то нужно оп-
ределить вертикальную проекцию сгрелы про-
веса провода /, (рис. 3.26):
24<г
g.
9л
(3.44)
Рис. 3.26. Расчетная схе-
ма определения верти-
кальной составляющей
стрелы провеса нити
Решение кубического уравнения (3.42)
можно произвести графическим способом,
придав ему вид НХ=АХ1НХ +ВХ и находя точ-
ку пересечения прямой у = Н и кривой
103
Hx=AxJH2 +Bx. Однако на практике уравнение (3.42) обычно ре-
шают подбором, на что требуется несколько минут, причем мо-
жет быть достигнута любая степень точности.
Расчет стрел провеса провода при различных режимах. Если в
уравнении (3.41) заменить Н его значением из уравнения (3.19), то
после несложных преобразований получим
2 3 r/v/4 2 3 г/]/4 3 2 ( \
.--------------= f\--------‘-----+ — l<i.\t -t,). (3 45)
64 ESfx 1 64 ESfi 8 ' 17
Решение этого уравнения может быть произведено тем же пу-
тем, что и уравнение (3.41). После подстановки всех известных ве-
личин в уравнение оно получит вид
f; - Л' = В
(3.46)
где
64 ES
64 £.8/, 8
В уравнении (3.45) также можно заменить отношение qIS вели-
чиной у, т.е. перейти к удельным нагрузкам.
Уравнения (3.41) и (3.45) дают возможность по известной величине
стрелы провеса или натяжения для какого-либо режима температуры и
нагрузки определить эти величины для любого другого режт !ма, характе-
ризуемого заданной нагрузкой и температурой. Таким образом, чтобы
приступить к расчету, необходимо i тредварительно задаться какой-л11бо
одной величиной (натяжением или стрелой провеса) для какого-либо
режима. Это даст возможность перейти к любому другому режиму.
Прежде чем говорить о выборе этой исходной величины, нужно
ясно представить сущность механического расчета подвески. Под-
вешивая провод, можно получать различные стрелы провеса, за-
даваясь различной величиной натяжения. Если основная задача
подвески — подвод энергии к поездам при помощи перемещаю-
щихся токоприемников, то, как будет показано ниже, для улучше-
ния процесса токоснимания нужно обеспечить возможно большее
натяжение провода.
104
I Даже в том случае, когда подвешиваемый провод не служит для
( снятия тока (например, питающий провод, или провод ВЛ), часто
‘ целесообразно давать ему большее натяжение с целью уменьшения
высоты опор, что во многих случаях снижает стоимость подвески. В
некоторых случаях, когда указанные условия не играют роли (на-
пример, если высота опор определяется другими факторами пли ис-
« пользуют готовые опоры, имеющие достаточный запас высоты), а
также, когда нагрузка опор уменьшается при снижении натяжения,
задаются максимально допускаемой стрелой провеса провода.
Независимо от того, какие условия будут положены в основу
расчета, его производят не только для режимов, дающих наиболь-
шее натяжение или наибольшие стрелы провеса, но и для ряда дру-
гих режимов. Так, для определения отклонений подвески под дей-
ствием ветра устанавливают величину натяжения в проводе при
этом режиме. Учитывая, что монтаж подвески может происходить
при различных температурах, производят расчеты для ряда режи-
мов, обычно отличающихся один от другого температурой 5-10°С.
Получив ряд значений для натяжений и стрел провеса, сводят
эти данные в таблицу или представляют их в виде кривых зависи-
мости натяжения и стрел провеса от температуры. При монтаже
подвески монтер или бригадир, производящий работу, для каж-
дой температуры выбирает соответствующее натяжение. Назначе-
ние этих кривых и таблиц определило их название — монтажные
кривые и монтажные таблицы.
Выяснив, что для большинства случаев желательно иметь в проводе
возможно большее натяжение, нужно определить, при каком из режи-
мов натяжение достигает наибольшей величины. Как указывалось, уве-
личение натяжения провода может возникнуть вследствие понижения
температуры и повышения нагрузки (вес гололеда, давление ветра).
Если изучение метеорологических условий района приведет к вы-
I воду, что при каком-либо режиме возможно совпадение всех указан-
' ных выше явлений, то, несомненно, что наибольшее натяжение в про-
воде будет иметь место именно при этом режиме. Однако результаты
наблюдений метеорологических станций в течение ряда лет свидетель-
ствуют о том, что при наименьшей температуре воздуха обычно не
бывает добавочной нагрузки. Это обстоятельство вносит в расчет не-
которую неопределенность, так как заранее не представляется воз-
105
можным указать, какой из режимов (режим наименьшей температу-
ры или режим наибольшей добавочной нагрузки) нужно считать при
расчете исходным, т.е. дающим в проводе наибольшее натяжение.
Предположив произвольно, что какой-либо из этих режимов даст
наибольшее натяжение в проводе, можно принять его за исходный,
т.е., допустив, что //] -#тах (#тах — наибольшее натяжение, до-
пускаемое по прочности провода), пользуясь формулой (3.41), мож-
но найти Hv где Нх и будет относиться ко второму тяжелому режи-
му. Возможно, что во втором режиме даст НХ>Н\ и, следовательно,
больше допускаемого. В этом случае необходимо произвести весь
расчет сначала, взяв за исходный второй режим и предположив, что
именно при этом режиме Н\ =Е/тах, после чего определять по тем
же формулам натяжения и стрелы провеса для других режимов.
Этой неопределенности можно избежать, сравнивая длину за-
данного пролета с «критическим», определение которого будет рас-
смотрено ниже.
Влияние длины пролета на изменение натяжения провода. Крити-
ческий пролет и критическая нагрузка Если при каком-либо режиме
провод имеет некоторое натяжение, то, как ясно из изложенного ранее,
при изменении температуры и нагрузки величина натяжения изменяется.
При этом расчеты и практика показывают, что соотношение натяже-
ния в проводе при различных условиях температуры и нагрузки в боль-
шей степени зависит от величины пролета.
С практической точки зрения особый интерес представляет харак-
тер зависимости величины изменения натяжения от длины пролета для
случаев понижения температуры и увеличения нагрузки. Очевидно, что
натяжение провода при понижении температуры и неизмененной на-
грузке, так же как и при увеличении нагрузки, но неизменной темпера-
туре, будез увеличиваться.
В первом случае при жестком закреплении провода в точках под-
веса длина его в пролете будет уменьшаться за счет температурных
изменений, что равносильно подтягиванию провода. Во втором слу-
чае при неизменной температуре и увеличении нагрузки провод по-
лучит удлинение, которому по закону упругости будет соответство-
вать приращение величины натяжения. Чтобы определить влияние
длины пролета на величину изменения натяжения при понижении тем-
пературы или увеличении нагрузки, представим уравнение (3.41) в виде
106
2
9rmin
H~ H2
"г min
l2ES ( 2
~ t min ~ CtES{tx - /nljn )+ ™
(3.47)
где Hr qr, tr — соответственно натяжение, нагрузка и температу-
ра при режиме наибольшей добавочной нагрузки; Ht niin, сц in,
Zmi . — те же величины при минимальной температуре. Покажем
прежде всего, что входящая в выражение (3.5) разность
<7Г 9г min
''г ''rmin
всегда положительна. Для этого предположим вначале, что _ zmin
При этом Нг будет, конечно, больше 77mjn так как при неизмен-
ной температуре натяжение с увеличением нагрузки растет. Сле-
2 -
qr 4t min
довательно, в этом случае разность „2 2 должна быть по-
ложительна, так как только тогда Нг будет больше Ht min в соот-
ветствии с выражением (3.47).
Если же tr > zmin, что имеет место в действительности, то натяже-
ние Нг будет меньше, чем при первом предположении (когда Z,. _ Zmin).
п ~ - 7,2
В этом случае первый член рассматриваемой разности 2 возраста-
ет. а сама эта разность не изменит знака.
Из выражения (3.47) можно сделать заключение, что натяже-
ние Нг при
( 2 )
l' Ч( min / \
24 и? “ и2 п /min > <Х(1Г 'min/ (3 48)
при наибольшей добавочной нагрузке будет выше, чем натяжение
//, min при минимальной температуре.
107
Соотношение (3.48), очевидно, возможно только при достаточ-
но больших значениях пролета I. Наоборот, уменьшая величину
пролета, можно получить неравенство
24 н
2 2
<7Г 9/min
г
г "/min
(t — t )
•V г * пип Л
(3.49)
при котором натяжение Нг будет меньше натяжения Нтт.
Таким образом, при малых пролетах натяжение провода при мини-
мальной температуре будет выше, чем при режиме наибольшей доба-
вочной нагрузки.
При некоторой величине пролета / может иметь место равенство
24 Н
2 2 \
Qy (hm\n
2 7
Г /min J
В этом случае натяжение Нг и Ht mj|1 будут равны между собой
по выражению (3.47), и оба равны некоторому //, а / будет функ-
цией этою натяжения Н.
Положив Я, = Wtmin =Ятах и обозначив соответствующее зна-
чение / через I/., получим
/212 2
‘г \9г ~ 97min
24// 2
max
= «('г
откуда
Н max
24ct(fr - /min J
2 2
9 г ~ 9/min
(3.50)
Пролет I/. называется критическим.
1
= и
108
Разделив числитель и знаменатель уравнения (3.50) на 5, выра-
зим величину критического пролета через удельные значения:
I к ~ ° max
24а(/у rmjn)
2 2
Y у Yz min
где
^max . , ?zmin qy
max ~ ’ Yzmin — , 11 Yy -
о
(3.51)
Итак, критическим пролетом будем называть такой, при кото-
ом натяжения при минимальной температуре и режиме максималь-
ой нагрузки одинаковы и равны максимально допустимому натя-
:ению. При критическом пролете за исходный, наиболее тяжелый
жим можно взять как режим минимальной температуры, так и
жим наибольшей добавочной нагрузки. Если расчетный пролет
шьше критического, то за исходный (более тяжелый) режим надо
>ать режим наибольшей добавочной нагрузки. Наоборот, при рас-
тном пролете меньше критического за исходный режим следует
ять режим минимальной температуры.
Иногда при расчетах проводов воздушных линий для выбора исход-
но режима пользуются вместо величины критического пролета вели-
1ной критической нагрузки.
Для определения критической нагрузки следует в выражениях (3.48)
in (3.49) заменитьна г/д, затем НГ и Hmil) - на Ятач и приравнять
вую часть выражения правой.
Тогда получим
Як Я(т\п /
-----2-----= (Х
747/ 2
—' max
^min
куда
|24//maxa(/r , „2
Як = J' i +
(3.52)
109
По аналогии с уравнением (3.50) можно и величину критичес-
кой нагрузки выразить через удельные значения:
У к =
а0у ^min ) , 2
2--------- + Y/min-
(3.53)
Расчет провода в анкерном участке. Выше при рассмотрении расчета
провода предполагалось, что имеется один пролет. Если пролеты между
всеми опорами в анкерном участке одинаковы, то все сказанное выше
для одного пролета полност ью сохраняет свое значение и для этого слу-
чая. Таким образом, расчет провода такого анкерного участка нужно
вести, как для одного пролета между смежными опорами. Если же рас-
стояния между смежными опорами различны, то расчет провода несколь-
ко изменится, так как при изменениях температуры и нагрузок в смеж-
ных пролетах возникнут различные изменения натяжения, и, следова-
тельно, к точке подвеса (если она неподвижна) будут приложены с двух
сторон различные натяжения. Разность этих натяжений стреми тся смес-
тить точку подвеса в сторону большей сшпы. Изменение натяжения про-
вода в случае изменения атмосферных условий при неподвижных точ-
ках подвеса будет отличаться от варианта с подвижными. В первом слу-
чае длина пролета будет неизменна, во втором же за счет смещения точ-
ки подвеса будет несколько изменяться. Вследствие этого и изменение
натяжения в проводах будет происходить по различным законам.
Разберем сначала случай жесткого закрепления точек подвеса. Преж-
де всего рассмотрим, как влияет длина пролета на изменение натяже-
ния в проводе при изменении температуры и нагрузки. Для этого пред-
положим, что при некоторой температуре монтажа t и нагрузке^ про-
воду во всех пролетах дано натяжение И. Тогда при режиме, который
характеризуется температурой t и нагрузкой </[ натяжение Hi може1
быть найдено из уравнения (3.41), которое запишем в следующем виде
-Н - aES{t (3 54)
\ 1
Чтобы оценить влияние длины пролета на изменение натяже-
ния, когда нагрузка изменяется при изменении температуры, при-
110
мем вначале, что меняется только нагрузка, температура остается
постоянной, т.е. */] > g и t = /р Тогда получим
'Л
l-ES f д; д^ '
24 Н.2 Н2
1 /
(3.55)
= н +
Как было доказано ранее, второй член этого уравнения всегда
положителен. Следовательно, уравнение (3.55) показывает, что при
увеличении нагрузки натяжение провода будет интенсивнее воз-
растать в больших пролетах.
Если теперь принять, что температура понижается, а нагрузка
остается неизменной, т.е. считать </| = g и / < /(, то получим
и и \ 1 1
И. = Н-aESlt -1.)+
24 \ H r Н
(3.56)
Так как Н\>Н (температура понижается), то последний член от-
рицателен. Следовательно, из выражения (3.56) можно заключить,
что за счет изменения температуры натяжение будет интенсивнее
изменяться в пролетах меныпей длины.
Перейдем теперь к установлению расчетного пролета при жестком
Закреплении провода на опорах. Рассмотрим три возможных случая:
Все пролеты меньше критического; все пролеты больше критического;
Величина критического пролета заключена между значениями наи-
большего и наименьшего пролетов.
Если все пролеты меньше критического, то исходным будет ре-
жим минимальной температуры. При этом расчет надо вести по
наименьшему пролету, так как, дав при монтаже для всех проле-
тов равное натяжение, получим при минимальной температуре наи-
Iбольшее натяжение в наименьшем пролете.
I Если все пролеты больше критического, то за исходный режим надо
I взять режим гололеда. Выбор расчетного пролета будет зависеть от
I температуры, при которой производится монтаж. Действительно, если
| монтаж ведется при относительно высоких температурах, то при пе-
= реходе к режиму гололеда натяжение растет вследствие увеличения
нагрузки и понижения температуры. При этом за счет первой причи-
III
ны больше возрастает натяжение в больших пролетах, а за счет вто-
рой —в меньших. Из этого следует, что при некоторой достаточно
высокой температуре монтажа можно получить при гололеде равные
натяжения в максимальном и минимальном пролетах, а при дальней
шем повышении темперазуры монтажа натяжение при гололеде в мп
нимальном пролете станет более высоким, чем в максимальном.
Нетрудно показать, что натяжение при гололеде будез одина
ковым во всех пролез ах, если температура монтажа равна крити
ческой земпературе. Дейсзвизельно, при критической температу-
ре для любого пролеза
qX gX~
8НГ 8На ’
где Нг— натяжение провода при гололеде; /7д. — натяжение про-
вода при критической земперазуре.
Из последнего равенства найдем
Н.=^Нк
gii
Следовазельно, если при кризической земпературе tK создать во
всех пролетах одинаковое натяжение то при режиме гололеда на-
тяжение закже будез одинаковым для всех пролетов. Эзо видно из
зого, чзо в последнее выражение не входиз длина пролеза.
Изменения натяжения в зависимости оз температуры для мини-
мального и максимального пролезов удобно рассматривать в виде
графиков (рис. 3.27). Таким образом, если все пролеты выше крити-
ческого, то, приняв за исходный режим гололеда, надо исходить из
максимального пролеза. а для более высоких темперазур — исхо-
дить из минимального.
В третьем случае, когда наибольший пролез больше критического,
а наименьший — меньше, необходимо вести расчез (для темпера-
тур, меньших криз ической) как для того, так и для другого пролета п
при сосз авлении монтажных з аблиц выбрать для одной и той же тем-
пературы наименьшее из полученных значений. При темперазурах
выше криз ической надо з акже рассчиз аз ь натяжения для пролез а, пре-
вышающего критический на наименьшую величину.
112
Рис. 3.27. Кривые изменения
натяжения провода при изме-
нении температуры для раз-
ных длин пролетов
Для случая, когда точки подвеса про-
вода имею! возможность перемещаться,
применяется другой метод расчета, л ак как
натяжение по всей длине анкерного участ-
ка будет одинаковым (для каждого режи-
ма), Изменение натяжения будет в общем
случае отлично от того, как оно менялось
бы в каждом пролете при закрепленных
точках подвеса. Нетрудно доказать, что
для каждого анкерного участка с любым
сочетанием расстояний между точками
подвеса можно подобрать такой пролет,
при котором изменение натяжения будет происходить таким же обра-
зом, как и в этом анкерном участке. Введение в расчет такого пролета
позволяет вместо анкерного участка, в котором имеются различные
расстояния между точками подвеса провода, рассматривать один «эк-
вивалентный пролет» и тем самым значительно упростить задачу.
Обозначим /р I-,. .... 1п — длины пролетов анкерного участка
(рис. 3.28) и /э величину эквивалентного пролета. Воспользовав-
шись уравнением (3.22) можно представить длину провода анкер-
ного участка при первоначальном режиме с нагрузкой c/t, темпе-
ратурой /] и натяжением //, в следующем виде:
/.+/,+/,+.... + /„ + +1} + А' +... + )= У 4 + УI'
1 - 3 " 24/7, 23 Й 24^Й‘-
Точно так же для режима «х» длина провода может быть пред-
ставлена выражением
Приращение длины провода в
анкерном участке при переходе от
первоначального режима к режиму
«х», таким образом, может быть
представлено в виде:
Рис. 3.28. Анкерный участок прово-
да с различными длинами пролетов
8 Контактные сет к
113
2 n 2 It
-q< V/3_____Як-У/3
24Я; ‘ 24/7“ £ ‘
С другой стороны, как и при выводе уравнения состояния для
одного пролета, это удлинение можно представить как сумму удли-
нений, в результате изменений температуры и натяжения, т.е. в виде
Приравняв одно выражение другому, получим
/7,-/7,
+ —=----L
ES
Упростив это уравнение и разделив обе его части на , получим
(3.57)
Отнеся уравнение (3.40) к эквивалентному пролету /?, будем иметь
24/7 f
а(/Л -/,)+
/7,-/7,
ES
(3.58)
Сравнивая уравнения (3.57) и (3.58), можно заметить, что при
равных натяжениях, нагрузках и температурах, входящих в фор-
мулы для анкерного участка и эквивалентного пролета с одинако-
выми индексами, должно иметь место равенство
114
Заменив этой величиной различные пролеты одного и того же ан-
керного участка, можно вести расчет по эквивалентному пролету, зная,
что в дальнейшем натяжения в различных пролетах будут равны на-
тяжению, полученному в расчете для эквивалентного пролета.
Что касается стрел провеса, то они, конечно, будут в разных
пролетах различны. Стрелы провеса могут быть определены для
каждого пролета в отдельности по формуле (3.19).
Последовательность расчета свободно подвешенного провода.
Основные задачи расчета подвески были изложены выше. Там же
были выведены основные формулы для расчета подвески. Расчет
подвески следует начинать с определения нагрузок, действующих
на провод при всех заданных для расчета режимах.
После расчета нагрузок определяют максимально допустимое
для провода натяжение. Оно равно:
max = одоп^’ (3.60)
где ст доп — допускаемое напряжение в проводе.
Допускаемое напряжение ст доп находят путем деления временного
сопротивления на запас прочности. При этом надо учитывать, что для
многопроволочных проводов временное сопротивление снижается на
10% по сравнению с однопроволочными.
По рассчитанным нагрузкам и натяжению Нтах, по формуле
(3.50) находят критический пролет /^..
Если подвеска выполнена на подвесных изоляторах, то далее
расчет ведут в следующем порядке. По плану трассировки линии
J находят действительные пролеты в анкерном участке и по ним оп-
ределяют эквивалентный пролет по формуле (3.59). Затем, сравни-
вая эквивалентный пролет с критическим, находят наиболее тяже-
лый режим и принимают его за исходный. Приписывая нагрузке,
натяжению и температуре при этом режиме индекс «1», определя-
115
ют по уравнению (3.41) натяжения при других заданных режимах.
Натяжение Н। при выбранном исходном режиме приравнивают к
максимальному, т.е. полагают Н\ =Ята .
В случае, когда такой расчет по уравнению (3.41) даег натяжение Н
выше Н। =Ятах, при расчете критического пролета допущена ошибка.
Затем по уравнению (3.41) находят натяжение при других рас-
четных режимах. Обычно рассчитывают еще только один режим —
при ветре максимальной интенсивности.
Кроме этого необходимо произвести расчеты для построения мон-
тажных кривых и составления монтажной таблицы. Эти расчеты так-
же производят по уравнению (3.41). При этом считают, что при мон-
таже провода дополнительных нагрузок от ветра и гололеда не будет.
Пользуясь уравнением (3.41), можно, задаваясь различными тем-
пературами, определять соответствующие им натяжения провода.
Однако при этом придется каждый раз решать это уравнение под-
бором. Можно, наоборот, задаваться натяжениями и определять,
каким температурам они соответствуют. При этом упомянутое
уравнение (3.41) лучше переписать в следующем виде:
f g<> Ч\ t
24а Я; Я2 J uES
(3.61)
В этом уравнении принято г/х=,?0’ где g0 — масса 1 м провода.
После преобразования уравнения (3.61) через удельную нагрузку
/2 f। О|~°'
24а I о2 о2 I а£
(3.62)
будет легко найти искомые температуры.
Расчет комбинированных проводов. Методы расчета комбини-
рованных проводов могут быть даны в общем виде, т.е. для любо-
го сочетания металлов. Однако в России наибольшее применение
получили сталеалюминиевые провода.
Отличия поведения сталеалюминиевого провода от однородно-
го провода заключаются в следующем:
1) возникающее при подвеске провода напряжение в стали не
равно напряжению в алюминии, тогда как в однородном проводе
все нити имеют одинаковое напряжение;
116
2) изменение температуры вызывает перераспределение усилий
между стальной и алюминиевой частями, тогда как в однородном
проводе все нити всегда нагружены равномерно;
3) допускаемое напряжение, а следовательно, и допускаемое уси-
лие на провод в целом зависит от температуры провода, тогда как у
однородного провода допускаемое напряжение пли усилие не за-
висит от температуры.
Рассмотрим причины, вызывающие эти особенности. Очевидно, что
если комбинированный провод нагрузить растягивающим усилием, то
удлинения стальной и алюминиевой частей будут одинаковыми. Воз-
никающие напряжения согласно закону Гука равны произведению из
относительного удлинения е на модуль упругости Е, т. е.
о=е Е. (3.63)
Другими словами, отношение напряжений в стали ос и алюми-
нии оа будут равны отношению их модулей упругости Ес и Еа, т. е.
°с Ес
(364)
иа
Если умножить числители на площадь сечения стальной части
Sc, а знаменатели — на площадь сечения алюминиевой части Sa и
заменить произведение <т 5С через Нс (усилие в стальной части), а
о • к^а чеРез (усилие в алюминиевой части), то получим
Н F V
= (3.65)
//.. EaS..
cl d Cl
Для того чтобы понять, как влияет изменение температуры на на-
пряжения в комбинированном проводе, представим себе, что провод,
изготовленный при температуре Iq. не имеет никаких напряжений ни в
стальной, ни в алюминиевой части. Если теперь подвергнуть такой про-
вод воздействию температуры, например нагреванию, то провод удли-
нится. Если стальная и алюминиевая части провода могли бы удли-
няться независимо одна от другой, то они получили бы различное уд-
линение, так как коэффициент линейного удлинения алюминия аа боль-
ше, чем коэффициент линейного удлинения стали ас, и поэтому алю-
миниевая часть удлинилась бы на большую величину, чем стальная.
117
Но металлы механически между собой связаны и могут иметь
только одинаковое удлинение. Следовательно, при повышении тем-
пературы стальная часть будет задерживать удлинение алюминие-
вой, т.е. вызывать в ней усилие сжатия и одновременно сама сталь-
ная часть получит такое же по величине растягивающее усилие.
Если провод предварительно был растянут (например, подвешен-
ный), то повышение температуры кроме обычного своего влияния, ока-
зываемого на подвешенный провод (увеличение стрелы провеса и умень-
шение общего натяжения), приведет к некоторому увеличению натя-
жения в стальной части и дополнительному уменьшению натяжения в
алюминиевой. Наоборот, при понижении температуры будет допол-
нительно сжиматься стальная часть и растягиваться алюминиевая. Дру-
гими словами, при любом изменении температуры напряжение в сталь-
ной части будет изменяться медленнее, чем в алюминиевой!.
Из сказанного ясно, что отношение напряжений в стальной и
алюминиевой частях комбинированного провода при всех прочих
равных условиях будет зависеть от температуры провода.
Вместе с тем в пределах расчетного диапазона изменений темпера-
тур напряжение в стали и алюминии не должно выходить за допускае-
мые пределы. Следовательно, и общее усилие натяжения будет за-
висеть от температуры провода.
Определение стрелы провеса комбинированного провода по задан-
ному натяжению Н можно вести по той же формуле (3.19), что и для
однородного провода. При изменении температуры приходится учиты-
вать. что комбинированный провод будет вести себя так, как не-
который эквивалентный однородный провод с модулем упругос-
ти Ео и коэффициентом линейного удлинения Uq. лежащими в пре-
делах Ес> Eq> Е.й и бс <а0 <«а Если определить величину Ео, то
расчет изменения натяжений и стрел провеса комбинированного
провода можно вести по формулам (3.41), (3.42), (3.45) , выведен-
ным для однородного провода.
Общее натяжение комбинированного провода Hq может быть
представлено в виде суммы натяжений Е1С и Н.А
HG=HC+H.d (3.66)
или в виде произведения соответствующих напряжений на площадь
поперечного сечения
118
°0(\+5а)=ос^с+оа\’
(3.67)
где о0 — так называемое фиктивное напряжение, т.е. условное на-
пряжение, взятое по суммарному сечению эквивалентного одно-
родного провода. Воспользовавшись формулой (3.63), выразим на-
пряжение через модули упругости и удлинение е, одинаковое для
всего провода:
Ел£ (S+S )=Е eSс+ЕeS
U ' С а' С С а а
Отсюда
EcSc+EaS.
° 5с + Sa
(3.68)
(3.69)
Эквивалентный коэффициент линейного расширения можно вы-
вести следующим образом.
При переходе от температуры изготовления провода z0 обычно при-
нимаемой равной 15 °C, к некоторой другой температуре t стальная и
алюминиевая части, если бы они не были между собой связаны, полу-
чили бы относительное удлинение, соответственно равное
Ес=ас(Г-/0) (3.70)
и
еа=аа(Г~Го)- (3-71)
Фактическое удлинение комбинированного провода равное уд-
линению некоторого эквивалентного провода с коэффициентом линей-
ного удлинения а0. можно рассчитать по формуле
еО=ы()(^_,о)- (3.72)
Следовательно, под действием возникших сил стальная часть по-
лучит дополнительное удлинение, равное
е0 ~ ес= (ы0 ” ас )('-'())’ (3-73)
алюминиевая часть получит сокращение длины:
Еа - е0= (аа - а0 ) (/ - /0). (3.74)
119
Усилие растяжения в стальной части, вызванное температур-
ным удлинением, будет равно
АЯс=асЛс.
Так как
<эс = ( е0-ес)Ес,
то, использовав выражение (3.73), получим:
А//С=(ао - ас ) (/ - /0) Ес Sc . (3.75)
По аналогии усилие сжатия в алюминиевой части будет равно
&Н-а~(аа — ао " Iq) £а Аа, (3.76)
но так как ЕНС =ЕНа то, приравняв выражения (3.75) и (3.76) и
упростив полученное уравнение, найдем
acEcSc + a..E..S.,
г. с с с add
Ct и "-----------------------
ECSC + E.AS.A
с v d d
(3.77)
Таким образом, по заданным параметрам комбинированного
провода 5С, Ес, «с. 5а, Е.л и аа можно найти по формуле (3.69) общий
для всего провода модуль упругости Ео, а по формуле (3.77) — ко-
эффициент линейного удлинения «0 и рассчитать комбинирован-
ный провод, как однородный. При этом под поперечным сечени-
ем провода надо понимать суммарное сечение стали и алюминия,
а под натяжением —суммарное натяжение провода.
Если расчет ведется не по общему натяжению провода [формулы (3.19).
(3.41), (3.45)], а по удельным нагрузкам [формулы (3.19), (3.42)]. то под
напряжением оу следует понимать фиктивное напряжение о0 где
7 Г _ 77
12 сх 24 ах
5с+5а
(3.78)
Допускаемое усилие на комбинированный провод, как уже было
показано выше, зависит от температуры провода. В той же степе-
ни оно зависит от отношения допустимых напряжений и модулей
упругости стали и алюминия. Отношение временных сопротивле-
ний или допускаемых напряжений для стали и алюминия равно при-
120
мерно 7—8. Отношение же модулей упругости этих материалов рав-
но примерно 3. Следовательно, если провод от механической на-
грузки нагружается до предела по алюминию, то его стальная часть
всегда будет недогружена. Кроме того, как было показано выше,
понижение температуры (ниже /()) приводит к дополнительной на-
грузке алюминия и некоторой разгрузке стали. Поэтому максималь-
но допускаемое усилие на провод в целом следует определять ис-
ходя из допускаемого усилия на его алюминиевую часть.
До1 (ускаемое усилие на алюминиевую часть комбинированного про-
вода при температуре /</0 равно разности между абсолютным значе-
нием максимального усилия, равного <т.( тах • S.(, и усилием растяже-
ния, возникшим от воздействия температуры на комбинированный
провод. Последнее может быть определено из выражения (3.76). Тогда
^ашах = оатаА — (аа —°о)(Д| ~ ^)^а^а’ (3.79)
Зная усилие в алюминиевой части, вызываемое нагрузкой, мож-
но найти усилие в стальной части, вызываемое этой же нагрузкой.
Воспользовавшись уравнением (3.65).
Тогда усилие в стальной части, соответствующее Ня тах будет равно
ECSC
^amax ~ атах „ (3.80)
<ста
Общее усилие в комбинированном проводе при допускаемом
усилии в алюминиевой части будет равно
77 — 77 1 II
max ° a max Г1с max
или, после подстановки значений и упрощений:
^max = [аатах — (аа — а0 )0о ~ О^а ] , • (3.81)
Еа
Если расчет ведется не по усилиям в проводе и полным нагрузкам,
а по напряжениям и удельным нагрузкам, то надлежит обе части урав-
нения (3.81) разделить на общее сечение провода 50. В этом случае:
(3.82)
121
где о1Пах называют фиктивным максимальным напряжением ком-
бинированного провода по допускаемому напряжению в алюминии.
Изложенный метод расчета получил наибольшее распространение в
практике. Однако, хотя в нем исходят из предположения равномерного
распределения усилий по алюминиевой и стальной частям, в действи-
тельности в комбинированном проводе усилия между алюминиевой и
стальной частями перераспределяются таким образом, что внутренние слои
алюминия воспринимают большую часть нагрузки от воздействия темпе-
ратуры, а наружные — меньшую. При этом некоторые слои могут рабо-
тать за пределами текучести, но, поскольку стальная часть остается силь-
но недогруженной, это не должно приводить к опасным последствиям.
3.5. Расчет цепных контактных подвесок
Расчет натяжений и стрел провеса несущего троса. Особеннос-
тью механического расчета несущего троса цепной подвески явля-
ется то, что кроме нагрузок от собственного веса и временных на-
грузок на него от гололеда и ветра он воспринимает также допол-
нительные нагрузки от веса контактных и вспомогательных про-
водов, а также от действия гололеда и ветра на эти провода. Вели-
чина этих дополнительных нагрузок колеблется в зависимости от
изменения стрел провеса и натяжения контактных проводов, и толь-
ко при беспровесном положении контактных проводов она равна
сумме внешних нагрузок на отдельные провода подвески.
В различных системах цепной подвески натяжения несущего троса из-
меняются по различным законам в зависимости от характера изменений
стрел провеса контактных проводов той или иной системной подвески.
При выводе уравнения состояния цепных подвесок принимается, что
нагрузки от контактного и вспомогательного проводов, а также от струн
и деталей подвески распределяют ся равномерно по длине несущего троса;
при этом концы контактных проводов жестко закреплены. Это дает воз-
можность получить уравнение в общем виде, откуда потом легко могут
быть получены расчетные формулы для любого типа цепной подвески.
Для вывода уравнения состояния цепной подвески принимаются
следующие обозначения;
/ - длина пролета, м;
g - нагрузка от веса проводов цепной подвески, кг/пог, м;
122
q - результирующая нагрузка несущего троса, кг/пог. м;
Т— горизонтальная составляющая натяжения несущего троса, кг;
К- сумма натяжений контактных проводов (в двойной цепной под-
веске также и вспомогательного провода), кг;
F- стрела провеса несущего троса, м;
/к-стрела провеса контактных проводов, м;
Е - модуль упругости несущего троса, кг/мм2;
S - сечение несущего троса, мм2;
сх — температурный коэффициент линейного расширения материа-
ла несущего троса;
/ температура окружающего воздуха, °C.
Вел/ шины T,K,F,qHtc индексом «1» относятся к исходному режиму, с
индексом «V» — к определяемому режиму и с индексом «О»—к режиму
беспровесного положения контактного провода.
Рассмотрим условия равновесия половины пролета цепной под-
вески (рис. 3.29). Пусть несущий трос имеет произвол/,ную стрелу
провеса F, не равную стреле провеса троса Fq при беспровесном по-
ложении контактного провода. Контактный провод получит при
Этом стрелу провеса fK. Обозначим отношение /к /(F- F{)) через <р и
назовем его конструктивным коэффициентом цепной подвески, тогда
/к=ф(Г-Г0). (3.83)
Приравнивая к нулю сумму моментов всех сил относительно
точки А, получаем
да несущий трос можно рас-
несущего троса цепной подвески
123
сматривать как свободно подвешенный провод, находящийся под
действием нагрузки g от собственной массы проводов цепной под-
вески, то значение Fq можем определить по формуле
F^~- (3.85)
О1
Подставив это значение F() в уравнение (3.84), получим:
7 7
(т + cpK)F =
8 8 Го
откуда
(7 + Sy-jr’
Обозначим
п/ Чк
И =<7 + g т н г=Т + ц>К. (3.87)
1 о
Тогда выражение стрелы провеса несущего троса примет вид
(3.89)
F .
8Z
Величину имеющую размерность кг/пог. м, будем называть
приведенной нагрузкой цепной подвески, величину Z - соответ-
ственно приведенным натяжением (при <р = 1 величина Z равна
сумме натяжений всех проводов цепной подвески).
Введение этих подстановок позволяет значительно упростить рас-
четные формулы цепной подвески и привести их к виду, подобному
расчегным формулам простой подвески.
Для вывода 'зависимости натяжения несущего троса от температуры
и нагрузки определим значения удлинений несущего гроса при переходе
от одного режима температуры и нагрузки к другому. Пусть известно,
что при температуре/| и нагрузке c/t несущий трос имеет натяжение и
стрелу провеса . Обозначим через Тх и F Y натяжение и стрелу провеса
несущего троса при изменившихся температуре tx и нагрузке q
124
При изменении стрелы провеса троса от значения F[ до значе-
ния Е\. величину полного удлинения троса в пролете / можем опре-
делить согласно (3.23) через
3/ 3Z
(3.90)
Так как полное удлинение троса составляется из упругого и тем-
:ратурного удлинений, можем приравнять выражение (3.90) сум-
е этих удлинений и получить уравнение
8F2 _ 8F,2
3/ 3/
ES
Заменив в этом уравнении Fv и F( их значениями из выражения
|.89) и разделив обе части уравнения на /, находим
VV2/2
24Z;
И7,2/2
24Z2
7, -Г,
ES
+ «(F~'i).
(3.91)
Левая часть этого уравнения представляет собой полное отно-
пельное удлинение несущего троса при переходе от одного ре-
има температуры и нагрузки к другому, правая — сумму соот-
лствующих упругого и температурного относительных удлине-
ий. Величины И7 и Z в этом уравнении имеют следующие значе-
ия:
г,=7|+фА7; IV, = ql + g^ ;
Л»
Zv = Т\ + cpKv;
7 о
В случае полукомпенспрованной цепной подвески К — const,
следствие чего Г, - Т. = ZY Z, и уравнение (3.91) принимает вид.
Полностью подобный уравнению для расчета простой подвески.
125
Для решения уравнения (3.91) приведем его к виду
W2l2 W2l2 Т-Т.
t = —j—------1— _ _д--L +1
24aZ; 24aZ2 aES
Выделив в квадратные скобки члены, имеющие постоянное
значение, получим
W~l2 7] W2l2 Тх
tx ~ 24aZ2 + aES + 24aZ; ~ aES ’ (3 92)
Величина коэффициента <p, входящего в выражения W и Z. оп-
ределяется конструкцией и размещением струн вблизи опорного
узла цепной подвески рассматриваемого типа цепной подвески.
В применявшейся до последнего времени методике расчета цепных
подвесок значение конструктивного коэффициента цепной подвески ф
принималось постоянным и равным
(/-2с)2
<Р= -/2 1 , (3.93)
где с — расстояние от опор до ближайших к ним простых (нерессор-
ных) струн.
В действительности, как показал Ю. В. Флинк, значение конструк-
тивного коэффициента ф непостоянно и изменяется в определенных
пределах в зависимости от изменения натяжений несущего троса и
контактного провода.
При расположении простых струн на расстоянии с от опор положе-
ние контактного провода в пролете может быть представлено схе-
мой (рис. 3.30). Рассматривая отдельно среднюю часть пролета дли-
ной / — 2с, ограниченную струнами СЕ и DF.it учитывая, что при
имеющемся расположении струн в этой части пролета ф = 1, ви-
дим, что стрелу провеса контактного провода можно определить
выражением
126
(<7л +Л'7^|(/-2с)2
\/______________
8(Г,-Кх)
g(/-2c)?
8Г0
Подставляя найденное значение/ в выражение (3.83) и опре-
деляя согласно (3.85) и (3.86) значения Fx и Fo, получим
[я.
\______А) )
S(Tx-Kx)
Ч\КХ
Т, gf
87» ' 8(г,.+<р,К,) 8Г„
откуда после преобразований
Фа- =
Рис. 3.30. Схема расположения проводов цепной подвески при смещенных отно-
сительно опор струнах
127
Из выражения (3.94), полученного А. В. Фрайфельдом, видно,
что величина срд. зависит не только от конструктивных парамет-
ров цепной подвески, но и также от значений натяжения несущего
троса и контактного провода.
Сравнительные расчеты, однако, показывают, что введение пе-
ременного значения <ру. значительно усложняющее расчет натя-
жений и стрел провеса несущего троса, не вносит существенных
коррективов в их значения. Поэтому при расчетах натяжений и
стрел провеса несущего троса можно без существенных погреш-
ностей принимать ср постоянным — соответствующим среднему
Кх
значению . При этом для полукомпенсированной цепной под-
вески К = const и среднее значение Тх можно принимать равным
Тх= 0,7Ттах, для компенсированной цепной подвески К = const и
Т= const, поэтому ср постоянно и зависит только от конструктив-
ных параметров цепной подвески.
При значениях ср < 0.2 расчет натяжений и стрел провеса несу-
щего троса без большой погрешности можно проводить по фор-
мулам простой подвески, рассматривая трос как гибкую нить, на-
груженную весом проводов цепной подвески и дополнительными
внешними нагрузками на эти провода.
Для расчета полукомпенсированной цепной подвески, где К = const
и Тх-Т| =ZY-Z[, уравнение (3.91) может быть приведено к виду
w2i2 w.T- Z-Z. /
—;—т-------Т = ---L + «V , -
24aZ; 24aZf ES 1
или
w,2i2 z, 1 w2i2 zx
24aZ,2 cx.ES 24aZ2 ct.ES
(3.95)
(3.96)
Для расчета некомпенсированных цепных подвесок, где
Ту. = Zy-cpK"Y и Г| =Z1-cpA'1, уравнение (3.91) приводится к виду
W-Г- Zx W-l2 Z,-q(K,-Kx)
24aZ; aES 24aZf aES 1 ’
Для решения этого уравнения и построения кривой Тх — f(lx)
необходимо предварительно определить зависимость Кх -J(tx).
Натяжения контактного провода можно определить по форму-
лам простой подвески, полагая I равным среднему расстоянию меж-
ду струнами. Так как это расстояние невелико, можно для упроще-
ния расчета принять, что провод подвешен на бесконечно боль-
шом числе струн, пренебрегая, таким образом, влиянием стрел про-
веса контактного провода на величину его натяжения.
Если контактный провод имеет по концам постоянное закреп-
ление (не компенсирован), то можно считать, что длина его оста-
ется неизменной, т.е. сумма температурных и упругих удлинений
контактного провода равна нулю. Отсюда легко могут быть най-
дены величины натяжений контактного провода К при некомпен-
сированной подвеске. Для этого обозначим:
Ек — модуль упругости контактного провода, кг/мм2;
ак—температурный коэффициент линейного расширения матери-
ала контактного провода;
5К—сечение контактного провода, мм2.
Тогда
AL = ак/(п- -/] )+ I ——— = 0,
К \ Л 1/ Z7C
^-к^к
откуда
Кх =К1-акЕк5к(/х-Г1) (3.98)
Полагая что /. и г_.-п и К, =Ктях., получим
1 IT1111 1 IlldA’ J
Кх ~ шах ~ Vx ~ ^min )•
В случае применения сезонного регулирования натяжения кон-
тактных проводов формула (3.98) дает значения натяжений лишь
128
9 Контактные сети
129
для зимнего периода. В летний период величина натяжения прово-
да будет определяться по этой же формуле, но /min — температура,
при которой для летнего периода регулировки контактному про-
воду дается наибольшее допускаемое натяжение.
При полукомпенсированной цепной подвеске К = const.
При двойной цепной подвеске величины Кх и представляю!
собой значения суммы натяжений вспомогательного и контактных
проводов при соответствующих режимах. Для определения этих
значений необходимо произвести также механический расчет вспо-
могательного провода. При компенсированных вспомогательном
и контактных проводах значение К остается постоянным.
Во все написанные выше виды уравнений для определения на-
тяжений несущего троса входят приведенные нагрузки W и приве-
денные натяжения Z, значения которых определяются входящей в
них величиной Tq — натяжения несущего троса при режиме бес-
провесного положения контактных проводов.
Величину Tq можно определить из уравнения (3.91). Для этого
величины с индексом «1» в уравнении (3.91) следует отнести к ис-
ходному режиму, при котором = Ттах (наибольшему допускае-
мому натяжению), а величины с индексом «л» - к режиму беспровес-
ного положения контактного провода, т. е. принять /у = /0 и Tv= Tq.
Величины Z и W получат при этом следующие значения:
Z0=7J)+<pK0; Z^T.+tpK,;
и/ Ф^о и/
; %=<7(> + g—=<7, +g~<
'о
Если значение определено заранее (в случае некомпенсиро-
ванной цепной подвески), то после указанных подстановок в урав-
1 нении окажется только одно неизвестное — Tq.
I ' После соответствующих преобразований уравнение приводится
i I К виду
I'1 То’ + АТ02+В70 + С=0, (3.99)
Ч
I 1
|1
J 130
где
А = aES(tQ - /| ) +
qb2ES
24(Tmax + cpG,)2
т
1 max ’
12(Tmax+(fX1)2’
g2l2ES <р2Х,2
24 t/nax + )~
Проще определить значение Го непосредственно из уравнения
(3.92). Для этого, заменив в уравнении величины Z и Wуказанными
выше значениями и приняв Г] = ?тах и Тх = То, подставим в правой
части уравнения вместо Т() произвольную величину, близкую к ожи-
даемому при этом режиме значению натяжения троса, после чего
определим соответствующее значение /у, которое получится в об-
щем случае неравным принятому значению /0. Подставив затем дру-
гое значение То и определив соответствующее значение гх. можно
вычислить действительное значение То интерполяцией. Значения То
при подстановке нужно выбирать таким образом, чтобы tx получа-
лось в одном случае больше, а в другом случае меньше г0.
После того как определены все величины, входящие в выраже-
ния Z и можно определить зависимость
тх = /(/),
пользуясь уравнением (3.92), после чего по формуле (3.89) могут быть
найдены соответствующие значения стрел провеса несущего троса.
Так как в уравнения (3.91) и (3.92) входят значения температуры
Г] и результирующей нагрузки q^, при которых натяжение несуще-
го троса Г] = ТП1ах, то для решения этих уравнений и определения
величины Tq необходимо предварительно оценить, какой из рас-
четных режимов — режим наинизшей температуры или гололед-
ный — надо принять за исходный.
131
Критическая нагрузка и эквивалентный пролет цепной подвес-
ки. Исходным расчетным режимом для цепной подвески, т. е. тем
режимом, при котором натяжение в несущем тросе получается наи-
большим, может быть или режим наинизшей температуры, или ре-
жим наибольшей дополнительной нагрузки. Установить, какой из
двух режимов следует принять за исходный, можно посредством
определения критической нагрузки, которой называют такую ре-
зультирующую нагрузку, когда натяжение несущего троса равно
наибольшему допустимому его значению и при минимальной тем-
пературе, и при наибольшей дополнительной нафузке. Если зна-
чение результирующей нагрузки при наибольшей дополнительной
нагрузке от гололеда и ветра больше критической нагрузки, то ис-
ходным будет режим наибольшей дополнительной нагрузки (го-
лоледный режим), в противном случае исходным будет режим наи-
низшей температуры.
Значение критической нагрузки qK для расчетного пролета I оп-
ределяется из уравнения (3.91), если данные с индексом «л» отнес-
ти к гололедному режиму, а с индексом «1» - к режиму наинизшей
температуры.
Так как в данном случае согласно определению понятия «крити-
ческая нагрузка» ТГ = Tmin = Tmax, то уравнение (3.91) примет вид:
W2!2 W/min/2
24Z.2 24Z2min
а(^г ^min )•
(3.100)
где
Wr = Qr + g~~~;
1 о
W/min S 1+ у.
Zr ^rnax +(Р^г’
^/min T'max + 4^4 min
132
Определив из этого уравнения значение критической нагрузки
получим
2
+ ^/min- (3.101)
<рКА- Z
Qx = -g~^— + —
*0 -^7 min
Для полукомпенсированной цепной подвески при К = const:
Z = 7 = Z
t nun ^max ’
поэтому выражение (3.101) принимает вид
+ 24aZ^m(t -«„in) + (3 ,02)
При определении значения gK по формуле (3.102) можно принять
Tq — п Ттак.
Для длин пролетов, применяемых в контактных сетях железных
дорог, с достаточной степенью точности можно считать:
- при медном несущем тросе Т()=0,75Ттах;
- при стальном и биметаллическом сталемедном несущем тро-
се Т() = 0,8 Тплах.
При этом ошибка в определении значения критической нагруз-
ки g не превосходит ± 2%, что вполне достаточно для практичес-
ких расчетов.
Для определения величины эквивалентного пролета некомпен-
сированной или полукомпенсированной цепной подвески приме-
нимы те же рассуждения, которые были приведены для простой
подвески.
Удлинение несущего троса в пролете длиной при переходе от ре-
жима с индексом «1» к режиму с индексом «л» согласно выражениям
(3.89) и (3.90) получится равным
А , < w;l-
AL = ---—V
24Z; 24Zf
w; w~ l/2
24Z2 24Z,2 '
133
Принимая, что конструктивный коэффициент цепной подвес-
ки <р, а следовательно, и значения приведенной нагрузки и И7]
остаются одними и теми же во всех пролетах анкерного участка, и
суммируя удлинения AL во всех пролетах, получим уравнение
SAA =
Жд- W,
24Z2 24Z2
S/3
Разделив это выражение на 2 , найдем относительное удлине-
ние несущего троса в данном анкерном участке:
W2 Wr Zlf
24Z~ 24Z2 Zi, ‘
Приравнивая это относительное удлинение к сумме упругого и
температурного относительных удлинений несущего троса, будем
иметь
W'j W2 ]17,3 Тх -7] 7 х
24Z; 24Z,2 2/, ES + (3.103)
Так как в эквивалентном пролете согласно его определению зна-
чения натяжений несущего троса должны изменяться по тому же
закону, что и на рассматриваемом анкерном участке, то для экви-
валентного пролета 1} может быть написано следующее уравнение:
W;l2
24Z;
Ю2,
24Z,2
тх-т{
ES
+ а(гд.
(3.104)
Приравнивая левые части выражений (3.103) и (3.104), получим
Ид’ _ Ль.. 1 2/'3 = [
24Z; 24Z,2 Zl, 24Z; 24Z2 ’
134
откуда:
g
(3.105)
Таким образом, для цепной подвески, имеющей однотипную
конструкцию во всех пролетах анкерного участка, величина экви-
валентного пролета определяется той же формулой, что и для сво-
бодно подвешенного провода.
В тех случаях, когда величины пролетов анкерного участка не-
значительно отличаются друг от друга, эквивалентный пролет,
определяемый по формуле (3.105), получается близким к средне-
му арифметическому значению пролета для данного анкерного
участка и без ущерба для точности расчета может быть заменен
этим значением.
Расчет натяжения несущего ненагруженного троса. Кроме зна-
чений натяжения несущего троса цепной подвески в нагруженном его
состоянии иногда бывает необходимо знать также величины натяже-
ний ненагруженного несущего троса, т. е. значения тех натяжений, ко-
торые должен иметь несущий трос при его монтаже до подвески на
нем контактных проводов.
На I яжение ненагруженного несущего троса можно определить по
формуле простой подвески, приняв в качестве исходного режима ре-
жим загрузки несущего троса контактными проводами при температу-
ре /() и беспровесном их положении. Для этого обозначим:
То — натяжение нагруженного несущего троса при температуре t()
беспровесного положения контактных проводов, м;
Нх — определяемое натяжение ненагруженного троса при темпе-
ратуре tx;
gQ — нагрузка от собственного веса цепной подвески;
gT — нагрузка от собственного веса несущего троса.
После подстановки этих значений получим
gp/2 То g2l2 Нх
t = t------У—- + _+ —I—-------------(з ] 06)
24а702 aES 24аН2 aES
135
Подставляя в полученное уравнение различные значения Н
взятые через произвольные интервалы, определяем соответствую-
щие значения tx и строим кривую Нх = f(tx).
Соответствующие величины огрел провеса вычисляют по формуле
f 8rl'
Jx 8НХ. (3.107)
Если при монтаже цепной подвески подвешивают только один
контактный провод, но в дальнейшем предусматривается возмож-
ность подвески второго, то сначала определяют натяжение несу-
щего троса с двумя контактными проводами по формуле (3.106), а
затем рассчитывают его натяжение при одном контактном прово-
де в режиме беспровесного положения контактных проводов.
Обозначим:
7()1 — натяжение несущего троса при одном контактном проводе
при температуре беспровесного положения контактного провода;
Т02 — натяжение несущего троса, нагруженного двумя контак-
тными проводами, при температуре беспровесного положения кон-
тактных проводов;
gj — нагрузка от собственного веса цепной подвески при одном
контактном проводе.
g7 — нагрузка от собственного веса цепной подвески при двух
контактных проводах;
Тогда, применяя формулу простой подвески (3.41), можно написать
Т ^pES т SWES
01 247'02 02 247;,; ' (3.108)
Определив из полученного выражения Г0|, можно найти зависи-
мость Тх — f(tx) для подвески с одним контактным проводом,
пользуясь формулой (3.92) и принимая в качестве исходного ре-
жим беспровесного положения контактного провода.
После введения принятых обозначений уравнение (3.92) получи! вид:
W2/2 7ш vv2/2 Т.
____У*____ । ___м1_|_ 31_। _
Л ° 24aZ2 aES 24ciZ2 aES ’
136
Подставив вместо JFqi и Z01 их значения
^1=g1+g1veL = 7L(7’o,+V^oi)
*01 '(И
11 ^01~Л)1+Ф^01
и сократив числитель и знаменатель второго члена в квадратных
скобках на Т01+фК01, получим
gji2 „ + Ли + .
24<хТ0?| aES 24aZ2t aES
(3.109)
После определения значений Гу1 величины стрел провеса не-
сущего троса с одним контактным проводом могут быть опреде-
лены по формуле
W I2
F,. =^~. (3.110)
8ZV1
Расчет стрел провеса и изменений высоты контактных проводов
* и определение длин струн пенной подвески. Стрелы провеса fx кон-
|тактных проводов цепной подвески определяются по формуле
,/Л. = ФЛ.(Г¥ Fo), (3.111)
где F и Fq — стрелы провеса несущего троса в рассматриваемом
пролете при расчетном режиме и при температуре расчетного бес-
провесного положения контактных проводов;
сру — конструктивный коэффициент цепной подвески, опреде-
ляемый по формуле (3.94).
Изменения высот ы контактных проводов одинарной цепной подвес-
ки в середине рассматриваемого пролета рассчитывают по формуле
Aft = Fv-F0, (3.112)
а под ближайшей от опоры простой (нерессорной) струной — из
выражения
(3.113)
Определение длин струн производим для общего случая, когда
- высота цепной подвески у опор, ограничивающих данный пролез ,
различны (рис. 3.31).
Рассмотрим цепную подвеску при режиме беспровесного поло-
жения контактных проводов. Принимая, что несущий трос распола-
137
Рис. 3.31. Схема для расчета длины
струны цепной подвески
В определяем из условия,
гается по параболе, ось абсцисс
совпадает с контактным прово-
дом, а ось ординат — с осью
левой опоры, получим уравне-
ние несущего троса в виде
У^~~ + Ах + В, (3.114)
zr0
где у - h — высота искомой
струны.
Значение свободного члена
О г
что при д- =
= Л|. Тогда
/, =^2+д.о+в,
27;,
следовательно
В = Л, .
Значение коэффициента А можно определить из условия, что
при д — /, г = h-,. Тогда
Л, = g,’/- + Al + h.
' 2Т„
откуда
А = Л- ~/1’ - Sl>/
/ 2Т(,
и уравнение (3.114) примет вид:
go*2 +рь-Л,
27О /
27;,
х + Л,
(3.115)
При Л|- h2 уравнение получит вид
y = A- 6li Т
2Т0
(3.16)
138
В этом случае пролет получается симметричным относительно
его середины, и струны, находящиеся на одинаковых расстояниях
от опор, получаются равными.
Для определения минимальной длины нескользящей струны
длиной С. находящейся на расстоянии L от средней анкеровки, угол
наклона к вертикали определяется из выражения
Д£
smm =----
С ’
где ДА — продольное смещение нижнего конца струны от средне-
го положения.
Нескользящие струны могут применяться при угле наклона ср не
более 30°, в этом случае sin <р=0,5 и выражение примет вид
^min ~ 2(ДА )тах,
где Cinin — минимальная длина нескользящей струны; (Д£)П1ах —
наибольшая величина температурного смещения контактного про-
вода в точке, расположенной на расстоянии L от средней анкеров-
ки. Величина (Д/_)тах может быть определена приблизительно (без
учета влияния изменений упругих деформаций контактного про-
вода и перемещений, вызываемых изменениями стрел его провеса)
из выражения
(АМп1ах — ^aA^z)max’
где(Дг)тах— наибольшая величина изменения температуры, (сред-
него ее значения);
ак — коэффициент температурного расширения материала кон-
тактного провода.
Подставляя значение (AL)max в выражение для Стаг получим
^min-2^«|<(Д/)тах.
Расчет рессорной цепной подвески. Определение натяжений и стрел
провеса несущего троса рессорной цепной подвески производится
по общим формулам (3.91) и (3.92). Определение изменений высоты
контактных проводов в середине пролета и у ближайших от опор
нерессорных струн производится по формулам (3.112) и (3.113).
139
Таким образом, при расчете рессорной цепной подвески не-
обходимо дополнительно выяснить лишь изменения, происхо-
дящие в опорном узле цепной подвески, которые определяются
принятыми параметрами рессорного провода.
Рассмотрим опорный узел рессорной цепной подвески(рис. 3.32),
где сплошными линиями показано положение проводов при тем-
пературе и штриховыми — при температуре t
Стрела провеса несущего троса в точке крепления к нему рес-
сорного провода при температуре г0 определяется выражением:
V()
Для расчета стрелы провеса рессорного провода при темпера-
туре /() примем длину вертикальной части рессорной струны С не
менее принятой минимальной длины струны Cmin. Отсюда получим
(см. рис. 3.32)
ц/0= Ло- Cmjn- , или Vo — /г0 cmin
g^-a)
2TQ
(3.117)
Расстояние bG от точки крепления несущего троса у опоры до
нижней точки рессорного провода определяется из выражения
Л0= A)+Vo-
При изменении температуры величины у(), и bQ изменяются и
получают при температуре tx значения ух, и Ьх.
Рис. 3.32. Схема изменения положения проводов
в подопорном узле рессорной цепной подвески:
1 — несущий трос; 2 — рессорный трос; 3 —
рессорная струна; 4 — контакный провод
Величина ух оп-
ределяется на осно-
вании результатов
расчета натяжения
несущего троса по
формуле
-(3J18)
140
Значения \gY определяются отдельным расчетом, учитывая из-
менения длины ветвей рессорного провода, вызванные изменени-
ем температуры. При этом для упрощения расчета упругими изме-
нениями длины рессорного провода пренебрегаем вследствие ма-
лого его натяжения и, кроме того, полагаем, что точки А и Л' на-
ходятся на одной вертикали.
Длину ветви АВ рессорного провода при температуре нахо-
дим из треугольника АВС:
АВ = -^а2 +Vo •
При изменении температуры на величину (tx -tG) ветвь А В зай-
мет положение А'В", причем длина ее будет равна
А’ В'= [1 + «Ол - 'о )]•
Зная величину А'В', определим из треугольника А'В'С величину \|/д.
откуда, принимая
[1 + “Ол - 'о )Г = 1 + 2a(G ~ ’
после преобразования получим
= 7vo + 2a(G-Zo)(a2 + Vo) - <3-119)
Зная ух и у*, можем определить изменения высоты контакт-
ных проводов под опорой по формуле
АЛвл =ьх ~ьо = Ул + Va -Уо~Уо • (3.120)
Как видно из полученных формул (3.118) — (3.120), для опре-
деления значений ух, и Ьх необходимо предварительно опре-
делить параметры рессорной струны: 1|/() — стрелу провеса рес-
сорного провода при температуре /() и а — расстояние от опоры
до точки закрепления рессорного провода на несущем тросе.
141
Величина у0 ограничивается габаритными условиями цепной
подвески и рассчитывается по формуле (3.117). Значения а и <р мо-
гут быть определены путем ряда пробных подсчетов при условии,
что изменения высоты контактного провода под опорой при край-
них температурных режимах должны получаться примерно такими
же, как под ближайшими от опор простыми струнами, и что значе-
ния эластичности контактной подвески под опорами и под ближай-
шими от них простыми струнами будут примерно одинаковыми.
Расчет двойной цепной подвески. Натяжения и стрелы провеса
несущего троса двойной цепной подвески определяются по урав-
нению (3.92), причем величина К в выражениях Z и W, входящих в
это уравнение, принимается равной сумме натяжений вспомога-
тельного и контактных проводов при соответствующих значени-
ях температуры.
При определении значения коэффициента <р для схемы двойной
подвески (рис. 3.33) величина с берется равной а.
В том случае, если вспомогательный провод не компенсирован,
величины его натяжений и стрел провеса в зависимости от темпе-
ратуры определяются предварительно отдельным расчетом.
Вспомогательный провод рассчитывается как гибкая нить, подвер-
женная действию двух равных сосредоточенных нагрузок (рис. 3.34),
значения которых определяются выражениями:
„ „ 3
при двух контактных проводах г = 2g ка + — gua + gc
Рис. 3.33. Схема двойной цепной подвес-
ки: 1— вспомогательный трос; 2— кон-
тактный провод; 3 — струна; 4 — несу-
щий трос
Рис. 3.34. Схема для расчета вспомо-
гательного провода двойной цепной
подвески
142
где — масса 1 пог. м контактного провода;
gu — масса 1 пог. м вспомогательного провода;
gc—масса струны между вспомогательным и контакшым проводами;
а — расстояние между струнами контактных проводов.
Обозначим:
U х и — натяжение вспомогательного провода при опреде-
ляемом и исходном режимах;
V|/x и V] — стрелы провеса вспомогательного провода при оп-
ределяемом и исходном режимах;
tx и /]— температура определяемого и исходного режимов;
аи, Еи, Su — температурный коэффициент линейного расшире-
ния, модуль упругости и сечение вспомогательного провода.
Величина удлинения AL вспомогательного провода в пролете
длиной 1=2а при изменении натяжения провода на (Ux- Щ) и тем-
пературы на (tx-t\) определяется по выражению:
U -U, , х
Л^ = 2а F —- + 2аыа(/А-/]). (3.121)
То же удлинение вспомогательного провода можно определить
из геометрических соотношений в зависимости от изменения стре-
лы провеса цт
Полная длина провода при стреле провеса определяется
(см. рис. 3.34) по выражению
Lx
2
+ Vx
(3.122)
Приравнивая нулю сумму моментов сил, приложенных влево от
точки А (точки приложения сосредоточенной силы Рх), получим
откуда
Vx
2п7‘
(3.123)
143
Подставляя полученное значение фЛ. в выражение (3.122), получим
£,. =а + 2 —+
V 4
откуда
4(7;
I
Ly = a 1 +
Заменяя корень в выражении (3.124) его приближенным
(3.124)
значением
получим
(1 Р~ \ р~
2 + или =2« + —-у. (3.125)
и х / 2с/ “
Таким же образом получим значение длины провода £] при
стреле провеса ф] и натяжении :
, о Р'а
L'=2a + ^' (3126)
2с/1
Удлинение провода Д£ определится разностью выражении
(3.125) и (3.126):
м -1 I _ Р>а Р\~а
‘ <3,27>
Приравнивая правые части выражений (3.121) и (3.127) и со-
кращая на 2а, получим
Р; Рс и -ut f ч
4(7; 4(7; EUSU "V1 |Л
Это уравнение может быть приведено к виду
4а„(7; <>.ES.
t
4a„t/,- a„£„S,
Отсюда, задаваясь значением (7| — натяжением вспомогатель-
ного провода при исходном режиме /р можем определить зависи-
мость (/у=/(/у).
Значения стрел провеса фу вспомогательного провода опре-
деляются из выражения (3.123).
Изменения высоты контактных проводов в середине пролета при
двойной цепной подвеске находят по формуле
ЛЛл = Fv _ F() +фл-ф0, (3.129)
I а изменения под ближайшей от опоры струной цепной подвески —
I по формуле
I ДЛдд. =(1-<рЛ-)(£х-£())+vA.-v0, (3.130)
где F и F() — стрелы провеса несущего троса;
ф и ф0 — стрелы провеса вспомогательного провода при оп-
ределяемом режиме и при режиме расчетного беспровесного по-
ложения контактных проводов;
Фх. — конструктивный коэффициент цепной подвески, опре-
деляемый по формуле (3.94).
Изменения высоты контактных проводов под опорой EhBx мо-
> гут быть приняты равными Eh 4v
В том случае, если вспомогательный провод компенсирован,
.. следовательно
(7=const, фч=Фо,
«< выражения (3.129) и (3.130) принимают вид
I ^х=рх Ъ
Eh4x=(\ ФЛ.)(£Л-Fo).
| В заключение следует отметить, что методы расчетов цепных
<подвесок (натяжений, стрел провеса) продолжают совершенство-
ваться как в России, так и за рубежом. Расчеты для полностью
компенсированных подвесок значи тельно упрощаются. Конечное
.. число струн (между первыми нерессорными) учитывается в методиках
| Уральского государственного университета путей сообщения (А.В. Ефи-
мов, А.Г. Галкин). Широко используются возможности расчета на ЭВМ.
10 Конгакгные сети
145
144
3.6. Жесткие и полужесткие контактные токопроводы
Кроме гибких подвесок к контактным токопроводам относятся так-
же любые ненапряженные самонесущие токопроводящие и контакт-
ные устройства (контактные рельсы, желобчатые токопроводы и др.).
Они могут обладать такими же динамическими характеристиками, как
и гибкие подвески, а также удовлетворять требованиям, которые им
недоступны: малогабаритность, лсгкоразборность, наличие аварийно-
го резерва. Конструкции самонесущих контактных токоироводов раз-
личаются схемами и габаритами несущих балок, устройством токосъ-
емных элементов, разборных модулей, их сечением, стыковыми и кон-
цевыми узлами, подвесами к поддерживающим кронштейнам и т.п.
Определение парамегров и характеристик токопроводов осно-
вывается на статическом и динамическом расчетах упругих не-
разрезных балок, подвешенных более чем на двух опорах. Однако
кроме прочностных показателей они должны выдерживать опре-
деленные значения температурных удлинений (зазоры в стыках),
стрел провеса, ординат высотного положения концевых отводов
(воздушные стрелки) и т.д.
Использование того или иного типа токопровода определяет-
ся видом электроподвижного состава и местом их монтажа.
На магистральных железных дорогах контактный токопровод с
верхним подвесом применяется на станциях с дебаркадерами (Да-
ния), в депо для электропоездов (Германия), тоннелях (Япония). Тре-
тий контактный рельс для от крытых участков применяется для элек-
тровозов и электропоездов в Англии.
В метрополитенах разных стран используются расположенные
рядом с ходовым рельсом третий (четвертый) специальный кон-
тактный рельс с токосъемом с нижней (Россия) или верхней (Шве-
ция) его поверхноеги, а также токопроводы, подвешенные наверху
под сводом тоннеля.
В трамвайных сетях (Франция, г. Бордо) начали внедрять наполь-
ный контактный токопровод в виде изолированной с трех сторон
шины, располагаемой на уровне земли по оси пути. При этом на-
пряжение на него подается только при наезде трамвая по сигналу
электронного датчика; ток снимается токоприемниками, находя-
щимися под кузовом вагона (рис. 3.35).
146
Рис. 3.35. Схема наземного контактного tokoiгровода с автоматическим подключени-
ем для электроснабжения трамвая во Франции: / — сигнальная линия сдатчиками
ЭПС; 2—секциятокопроводящсй пишы; 3 токоприемник; 4—ЭПС (трамвай)
На монорельсовых видах транспорч а с пневматическим или маг-
нитным подвесом используют жесткие токопроводы, количество
которых соответствует числу питающих ЭПС фаз плюс заземле-
ние. Могут применя ться контак тные рельсы метрополитена или спе-
циальные желобчатые токопроводы, как на московской монорель-
совой линии «Тимирязевская» — «Ботанический сад».
Контактные рельсы образуют жесткую контактную подвеску
(сеть), у которой при проходе токоприемника не изменяется пер-
воначальная ордината точек рабочей поверхности. Рельсы имеют
специальный профиль и изготавливаются из стали с пониженным
электрическим сопротивлением. Применяются также комбиниро-
ванные рельсы — сталеалюминиевые. При токосъеме с нижней по-
верхности рельс закрывают с трех сторон коробом (деревянным
или пластмассовым) для защиты от возникновения гололедных об-
разований на контактных рельсах наземных участков и парковых
путей электродепо, а т акже для защит ы персонала от случайных
прикосновений к контактному рельсу, находящемуся под напря-
жением. На стрелках используются концевые и боковые отводы
(рис. 3.36), обеспечивающие проход токоприемников по воздуху.
Существуют также конструкции (Германия, г. Эрфурт) верхних
жестких токопроводов, изготовленных в виде алюминиевой короб-
чатой шины, к нижней части которой крепят медный контактный
провод (рис. 3.37).
147
Рис. 3.36. Схема расположения контактного рельса и концевого отвода на стрелоч-
ном переводе (</). вид сбоку концевого отвода метрополитена (б): 1 — контактный
рельс; 2— концевой отвод; 3— ходовой рельс
Полужесткие токопроводы (модули) выполняют из труб с при-
крепленными к ним контактными проводами. Концы таких элас-
тичных балок стыкуются на упругом подвесе поддерживающего
устройства, что обеспечивает рав-
Рнс. 3.37. Сечение жесткого ком-
бинированного токопровода воз-
душной контактной подвески
(Германия); / — контактный про-
вод; 2 — алюминиевый профиль
неэластичность в пролете.
В заключение необходимо от-
метить, что зарубежными и отече-
ственными специалистами, в том
числе Омского государственного
университета путей сообщения
(ОмГУПС), все больше внимания
уделяется совершенствованию су-
ществующих и разработке новых
конструкции контактных токоп-
роводов, которые получают ши-
рокое распространение в системах
электроснабжения метрополите-
на, железных дорог и новых видов
транспорта.
148
3.7. Силовые кабели
Кабельные линии электрических сетей прокладывают в земле, под
водой и на воздухе. Условия их работы и применение в хозяйстве элек-
троснабжения были рассмотрены выше. Хотя кабельные линии значи-
тельно дороже воздушных и эксплуатация их сложнее, однако в отдель-
ных случаях применение кабелей является единственно возможным спо-
собом передачи электроэнергии потребителям, расположенным, напри-
мер, на территории плотной застройки (города, поселки, промышлен-
ные предприятия). Пересечения ЛЭП с железнодорожными путями и
водоемами также удобнее осуществлять кабельными линиями.
По числу токопроводящих жил различают одно- , двух- , трех- и
четырехжпльные кабели. Одножильные кабели применяют главным об-
разом в линиях переменного и постоянного тока напряжением 110 кВ и
выше. Их используют также в качестве отсасывающих линий рельсо-
вых цепей электрических железных дорог постоянного тока. Двухжиль-
ные кабели применяют в линиях по-
стоянного тока. Область применения
трехжильных кабелей значительно
шире. Их используют в кабельных ли-
ниях трехфазного тока всех напряже-
ний до 35 кВ включительно. Наконец,
четырехжильные кабели прокладыва-
ют в четырехпроводных сетях трех-
фазного тока напряжением до 1 кВ.
Трехжильный кабель на напря-
жение до 10 кВ (рис. 3.38) в общем
виде состоит из сегментообразных
токопроводящих жил, свитых из от-
дельных проволок или целиковых.
Жилы кабеля имеют фазную изоля-
цию, поверх которой наложена об-
щая поясная изоляция. Свободное
пространство между жилами запол-
няют специальными наполнителя-
ми во избежание образования газо-
вых включений. Свинцовая, алюми-
Рис. 3.38. Трехжильный бронирован-
ный кабель («) н его сечение (б):
/— токопроводящие жилы; 2— фаз-
ная изоляция: 3— заполнитель; 4—
поясная изоляция; 5 - оболочка;
6— подушка; 7— стальная броня;
8— наружный защитный покров
149
ниевая или пластмассовая оболочка герметизирует кабель, пре-
дотвращает высыхание его изоляции и всасывание влаги внутрь
кабеля. Для защиты от действия кислот и щелочей, содержащихся
в грунте, оболочку покрывают несколькими слоями кабельной
бумаги или пластмассовых лент, так называемой «подушкой». От
возможных механических повреждений кабель защищают броней
из стальной ленты, поверх которой накладывают наружные защит-
ные покровы разной конструкции для предохранения от химичес-
кой коррозии. При прокладке кабеля в помещениях, каналах и тон-
нелях джутовые наружные покровы во избежание распростране-
ния огня при возможном пожаре снимают.
Фазную и поясную изоляцию кабелей выполняют из электро-
изоляционных материалов: пластмассы, пропитанной кабельной
бумаги, жидкого масла (маслонаполненные кабели), газа (газона-
полненные кабели) и т.д. Особенно широкое распространение по-
лучила пластмассовая изоляция, которую применяю! практически
для кабелей всех напряжений (вплоть до 500 кВ). Кабели напряже-
нием до 1 кВ, как правило, имеют экструдированную пластмассо-
вую изоляцию из полиэтилена или поливинилхлорида, кабели на-
пряжением 6 10 кВ —- бумажную или пластмассовую изоляцию.
Трехфазные кабели напряжением 20 35 кВ изготавливают с металли-
ческими экранами для каждой жилы в отдельности. Такая конструкция
кабеля создает радиальное электрическое поле с равномерным распреде-
лением напряженности но поверхности жил и в слоях изоляции, что повы-
шает элеклрическую прочность кабеля и препязствуег переходу однофаз-
ных замыканий на землю в многофазные короткие замыкания.
Кабели на напряжения 110 кВ и выше изготавливают одножильны-
ми с покрытием стальной броней или в трубе (газо- пли маслонапол-
ненные) с пластмассовой, масляно-бумажной и масляной изоляцией.
Маслонаполненные кабели могут работать при низком (до 105 Па),
среднем (2+4105 Па) пли высоком (10 15-105 Па) давлении. Наиболее
распространенными в настоящее время являются маслонаполненные
кабели среднего давления и кабели с пластмассовой изоляцией.
Обозначения марок кабелей соответствуют их конструкции.
Например, кабели с бумажной изоляцией и алюминиевыми жи-
лами имеют марки ДАТ, АСБГ. ААБ и АСГ. Первая буква обо-
значает материал жил (А алюминий), вторая — материал обо-
150
ломки (А — алюминий, С — свинец), буква Г — отсутствие за-
щитных покровов. Кабели, бронированные стальными лентами,
имеют в марке букву Б (броня). В марках кабелей с медными жи-
лами буквы, обозначающие название материала жил, не ставят.
При пересечении трассы электрической железной дороги посто-
янного тока для предохранения от коррозии блуждающими тока-
ми кабель заключают в асбестоцементные трубы, пропитанные гуд-
роном или битумом. Если число кабелей велико, их прокладывают
в каналах или тоннелях. Из- за повышенной опасности пожаров в
тоннелях часто прокладывают кабели на открытых эстакадах.
Соединять кабели друг с другом и присоединять их к аппаратам
необходимо так, чтобы гарантировалась надежная работа всей ка-
бельной линии. Для предотвращения попадания в кабель влаги, кис-
лот и других реагентов, ухудшающих изоляцию, соединяемые концы
кабеля герметически заделывают с помощью специальных кабельных
соединительных муфт. Дтя соединения кабелей напряжением до 1 кВ
применяют чугунные соединительные муфты, в сетях 6 и 10 кВ—свин-
цовые. Специальные конструкции соединяемых и концевых муфт из
термоусажи вающихся элсктроизоляп и-
онных материалов разработаны для ка-
белей низкого и высокого напряжения с
пластмассовой и бумажной изоляцией.
Если кабель необходимо соедишпь с
воздушной линией, применяют специаль-
ную концевую муфту (рис. 3.39). Конец ка-
беля предварительно разделывают и зак-
лючаю! в разъемный корпус муфты. То-
коведущие жилы кабеля соединяю!' с на-
ружными медными штырями, проходящи-
ми через сгержневые изоляторы. По окон-
чании монтажа муфту закрывают крыш-
кой и заливают кабельной массой. С по-
мощью скоб муфту укрепляют на стене,
опоре ВЛ или металлической конструкции.
Внутри помещений для оконцева-
ния кабелей до 10 кВ применяют кон-
цевые заделки различной конструкции.
Рис. 3.39. Концевая муфта
трехжильного кабеля на на-
пряжение до 10 кВ: /— кор-
пус; 2 — токопроводящие
жилы: 3 — изоляторы; 4 —
медный стержень; 5 — ско-
бы для крепления
151
ГЛАВА 4
ОПОРНО-ПОДДЕРЖИВАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
КОНТАКТНЫХ СЕТЕЙ И ЛЭП
4.1. Общие положения
Опорпо-иоддерживающие устройства предназначены для зак-
репления на них токопроводящих и контактных элементов с по-
мощью изолирующих деталей. К ним относятся опоры с фунда-
ментами, консоли, кронштейны, жесткие и гибкие поперечины в
т.п., характеристики которых рассчитываются методами строи-
тельной механики.
К вертикальным нагрузкам в расчетах относят и равномерно
распределенные по длине устройств их собственный вес Go. вес
гололеда Gr , а также сосредоточенные нагрузки: вес цепной под-
вески. поддерживающих изоляторов и фиксаторов (последние учи-
тывают целиком или частично) Qu и вес гололеда на проводах Qr.
К горизонтальным нагрузкам относят: силу давления ветра на
провода подвески Рв: усилия, возникающие от изменения направ-
ления проводов на кривой Рг а также при отводах на анкеровки,
зигзагах, стрелках, пересечениях и т. п.
Найдем величину горизонтальной составляющей натяжения
Рис. 4.1. Расчетная схема для
определения составляющей на-
тяжения провода на кривой
провода на кривой В в точке А
(рис. 4.1). На опору, расположен-
ную на кривой, действует составля-
ющая натяжения контактного про-
вода PkR- Ее можно определить из
рассмотрения подобных треуголь-
ников A CD (силовой) и А ВО:
ADIDC=ABIOB.
Заменим AD - PkR, кН; АС = К
(натяжение контактного провода),
кН; АВ - / (длина пролета), м; О В = R
(радиус кривой), м, тогда
PkR=KUR. (4.1)
152
Заменив в этом выражении натяжение контактного провода К
на натяжение несущего троса Г, получим выражение для опреде-
ления горизонтального усилия от изменения направления несуще-
го троса на кривой радиусом R:
PtH=TI/R. (4.2)
По схеме на рис. 4.2 можно определить горизонтальное усилие
Рк_ от натяжения контактного провода при его отводе:
Р,., = К sin а ~ Kz /1,
z. 7
где z — отклонение провода на длине пролета, м;
а — угол отклонения провода.
Горизонтальное усилие оз' натяжения несущего троса
PTZ = 7z//,
(4.3)
(4.4)
Аналогично вместо ~ можно подставить значение зигзага, а за-
тем просуммировать все усилия.
Действие на опоры показанных выше усилий создает разные эпю-
ры изгибающих моментов, исчисляемых, например, для консольных
опор относительно условного обреза фундамента, представляющего
собой линию, проходящую на 0,5 м ниже уровня головки рельса (УГР).
На рис. 4.3. а приведена эпюра опоры с консолью для простой
подвески, где Q — вертикальная сила; Р — горизонтальная сила
(давление ветра на подвеску и неуравновешенные составляющие
натяжения проводов); — равномерно распределенная верти-
кальная нагрузка (заштрихованная
часть на кронштейне); Р^ — давление
ветра на опору.
Эпюра на рис. 4.3, б относится к
опорам с цепной подвеской на пря-
мой и внешней стороне кривой. Здесь
Рт — давление ветра на несущий трос
при подвеске на кривой; Рк — гори-
Рис. 4.2. Расчетная схема для
определения поперечной со-
ставляющей натяжения прово-
да при его отводе от оси пути
зонтальная сила от контактного про-
вода. Эпюра отличается изломом на
уровне силы Рк .
153
Рис. 4.3. Схемы нагрузки
н эпюры изгибающих моментов консольных опор
Эпюра на рис. 4.3. в относится к опорам, установленным с внут-
ренней стороны кривой и на прямой при действии ветра по направ
ленито от пути к опоре. Здесь направление сил Р и Рк обратное по
сравнению с предыдущими. Силы Р и Рк представляют сумму уси-
лий от кривой и ве тра. Направление ветровых усилий выбираю т та-
ким, чтобы получить наибольшие значения изгибающих моментов.
4.2. Консоли, кронштейны и траверсы контактных сетей и ЛЭП
Консоли. Для поддержания проводов (с изоляторами) на заданном
уровне от головки рельсов к опорам, стойкам жестких поперечин, сво-
дам тоннелей крепятся различные консоли, кронштейны, траверсы. Ис-
ходя из функционального назначения и обеспечения прочности, в об-
щем плане консоли классифицируют (рис. 4.4) но числу перекрываемых
путей; конст руктивной схеме; ио конфигурации несущего элемента н обес-
печению его несущей способности; наличию дополнительных узлов
стоек; изоляции: способу закрепления на опоре; материалу, из которого
они изготовлены; форме сечений, а также по габаритам и мощност и.
В зависимости от числа перекрываемых путей консоли деля!
на однопутные, двухпутные и многопутные. Чаще всего применя-
ют однопутные консоли, так как при двухпутных и многопутных
появляется механическая связь между контактными подвесками
различных путей, что нежелательно.
Однопутные неизолированные консоли бывают наклонные, изог-
нутые (рис. 4.5. а) и горизонтальные. Они состоят из кронштейна (на-
клонную часть которого называют стрелой, а горизонтальную - хо-
ботом) и тяги. Кронштейны наклонных консолей изготавливают из двух
швеллеров номер5 или 6,5. скрепленных вместе соединительными план-
154
Рис. 4.4. Классификация консолей (кронштейнов)
ками пли из оцинкованных труб диаметром 60 мм. В зависимости от
направления горизонтальных усилии в тягах наклонных консолей мо-
гут возникать растягивающие или сжимающие усилия. В первом слу-
чае тяги выполняют из круглой стали диаметром 16 мм, а во втором —
из труб. Изогнутые консоли состоят из фигурного кронштейна, также
выполненного из двух швеллеров, и растянутой тяги из круглой стали.
Длина горизонтальной части изогнутой консоли обеспечивае т возмож-
" ность сдвига точки крепления гирлянд подвесных изоляторов на пря-
мых участках переменного тока на 800 мм от оси пути.
Двухпутные (рис. 4.5, б. в) и многопутные консоли кроме неже-
лательной связи между путями, снижающей надежность пропуска
поездов, требуют более мощных опор и фундаментов, поэтому их
используют в случае особой необходимости.
155
Рис. 4.5. Схемы консолей: однопутной изогнутой неизолированной («); двух
путной изогнутой неизолированной с прямой и обратными фиксаторными стой-
ками (б); двухпутной горизонтальной с двумя фиксаторными стойками (в); од-
нопутной изолированной прямой с подкосом и распоркой (г); однопутной изо-
лированной наклонной с тягой (г)); /— консоль: 2 — опора: 3 — тяга: 4 — стой-
ка; 5 — распорка; 6 — изолятор; 7 — подкос
Изолированные консоли применяют в виде прямых и наклон-
ных (рис. 4.5, г). В отличие от неизолированных изолированные
консоли прикрепляют к опорным конструкциям через стержневые
изоляторы, рассчитанные на полную механическую нагрузку кон-
солей. Так же, как и неизолированные, они могут иметь растяну-
тые и сжатые тяги, а также предохраняющие изоляторы распорки.
Кронштейны и тяги изолированных консолей выполняют из тех
же труб и швеллеров, из которых изготавливают неизолированные
наклонные консоли, кроме консолей с распорками для контактной
сети систем КС-160-3 и КС-200 (рис. 4.6). выполняемых полностью
трубчатыми.
Кронштейны, устанавливаемые на опорах контактной сети, име-
ют разнообразные конструкции и предназначены для подвески пи-
тающих и усиливающих проводов, волноводов, линий автоблоки-
ровки 6—10 кВ, ДПР и низковольтных сетей. Схемы кронштейнов
показаны на рис. 4.7, а—е)
156
Фидерные кронштейны (рис. 4.7. ж. з, и) рассчитаны на питаю-
щие и усиливающие провода. Они могут быть обычными и удли-
ненными и состоят: из горизонтальной балки, изготовленной из
двух швеллеров; подкоса из двух уголков и вертикального свеса из
швеллера, на конце которого подвешена серьга для крепления гир-
лянды изоляторов. Удлиненные фидерные кронштейны устанавли-
вают на анкерных опорах с секционными разъединителями и в дру-
гих случаях, когда надо отдалить провода от стойки опоры.
Кронштейны КФД (рис. 4.7, к) рассчитаны на подвеску двух про-
водов ДПР и обычно устанавливаются с наклоном. Горизонталь-
ное расположение кронштейна, показанное на рис. 4.7, б тонкими
линиями, применяют лишь при достаточной высоте опор, при этом
тяга кронштейна всегда растянута и выполняется из круглой ста-
ли. При наклонном положении тяга может быть как сжатой, так и
растянутой; кронштейн в этом случае обозначают маркой КФДС.
В местах с повышенными ветровыми воздействиями устанавлива-
ют накладку, препятствующую развороту кронштейна вдоль пути.
Для проводов линий электропередачи 6—10 кВ, располагаемых
на опорах контактной сети, применяют деревянные (рис. 4.7,.?) или
металлические (рис. 4.7. п) кронштейны, которые, так же, как и фи-
дерные, делятся на обычные и удлиненные. Кроме того, на опорах
контактной сети могут быть установлены надставки и волноводы.
Рис. 4.6. Изолированные консоли: КС-160-3 («); КС-200(о); / — изолятор; 2 —
консоль; 3 — тяга; 4 — распорка; .5 — подкос
157
1250
Рис. 4.7. Кронштейны, устанавливаемые на опорах контактной сети: фидерные
(«Дж); ДПР (о): ВЛ-10 кВ («,<); ВЛ до 1 кВ (г). Кронштейны (<).е.ж) предназначе-
ны дня КС - 200; («) для комплекта ВЛ-10 кВ с фидерной надставкой и волноводом
158
1 Провода низковольтных сетей подвешивают на деревянных
Кронштейнах с подкосами, рассчитанных на установку 2—5 шты-
ревых изоляторов (рис. 4.7, //).
Для контактной сети КС-200 применяют только трубчатые
Кронштейны (см. рис. 4.7, з, и, .и).
Сигнальные и высоковольтные провода линий СЦБ напряжением
[6—10 кВ крепят на прямоугольных деревянных траверсах сечением
100x80 мм, пропитанных антисептиком.
Расчет элементов консолей и кронштейнов производят, исполь-
руя методы теоретической и прикладной механики. К таким элемен-
там относятся балки и стержни, работающие на растяжение, сжатие,
изгиб и устойчивость; валики в отверстиях, проверяемые на срез, смя-
гтие и т.п. Кроме того, в расчетах используют данные для стандартных
профилей (сечений) и материалов элементов (круг, труба, уголок, дву-
[Гавр. швеллер).
: Для расчета конструкции конкретной опоры контакт ной сети состав-
ляют геометрическую схему с размерами, определяют действующие
силы и моменты, рассчитывают напряжения в сечениях элементов при-
нятого варианта конструкции и сравнивают их с допускаемыми. Под-
робно методики и примеры расчетов изложены в пособиях по проекти-
рованию контактных сетей. Разработаны также программы для ЭВМ.
I Практически выбор типов консолей (без их прочностного расче-
та), рекомендованных техническими условиями, иронзводят по таб-
лицам справочной литературы, в которых учитываются геометричес-
кие схемы и действующие нагрузки. При использовании таблиц надо
знать: тип опоры (промежуточная или переходная), место ее установ-
ки (на прямой, с внутренней или внешней стороны кривых радиуса-
ми 600—1000 м), рабочая или анкеруемая ветвь подвески, габарит опор
(3,1 —5,5 м). Определенные типы консолей следует выбирать и для
опор средней анкеровки компенсированной подвески.
4.3. Опоры контактных сетей и ЛЭП
Опоры контактных сетей и ЛЭП предназначены для поддержания
на заданной высоте консолей, поперечин, проводов и т.п. Они класси-
фицируются по материалу, конструкции поддерживающих устройств,
назначению и условиям нагрузки (рис. 4.8). Опоры изготавливают из
железобетона, стали, дюралюминия, круглой и клееной древесины.
159
В зависимости от конструкции размещенных на них поддерживаю-
щих устройств опоры контактной сети подразделяют на консольные,
анкерные, фиксирующие, опоры гибких и жестких поперечин. По на-
значению опоры могут быть промежуточными, угловыми, анкерными
и переходными. В зависимости от направленности нагрузок применя-
ются опоры без подкосов и оттяжек (самонесущие) и с оттяжками.
По конструкции опоры ВЛ могут быть одностоечными. А-, П.
АП-образными, а также трехногими. Если надземная и подземная
части опоры представляют собой единое целое, то их называют не-
раздельными. а если эти части изготавливают и устанавливают от-
дельно — раздельными (разъемными). Опоры могут быть рассчи-
таны на направленные нагрузки или равнопрочные (всесторонние).
Рис. 4.8. Классификация опор контактных сетей п фидерных ВЛ
160
Железобетонные опоры начали широко применять в СССР после
1956 г. Как известно, бетон допускает небольшие растягивающие усилия
и большие усилия на сжатие, поэтому практически нельзя выполнить
опоры, работающие на изгиб из одного бетона. Приходится усиливать
его арматурой и применять ненапряженные и предварительно напряжен-
ные железобетонные конструкции, арматура которых на специальных
станках предварительно (до закладки бетона) растягивается. После за-
ливки, уплотнения и схватывания бетона в форме растягивающее усилие
с арматуры снимают, и она, стремясь сократить свою длину, сжимает
бетон. Армированные опоры контактной сети (рис. 4.9. а, б) с предвари-
тельным натяжением высокопрочной проволоки называют струнобетон-
ными типа С (рис. 4.9,в), со стержневой арматурой — СО и со смешан-
ным армированием, т. е. со струнами и стержнями — СС (рис. 4.9, г).
Последние созданы под руководством профессора В.П. Подольского.
По способу уплотнения бетона при изготовлении опоры могут
быть вибрпрованными и центрифугированными. Наибольшее при-
менение получил второй способ, по которому изготавливают прак-
тически все конические опоры контактной сети. Для улучшения
качества бетона используется пропарка.
Большую часть железобетонных опор контактной сети изготав-
ливают нераздельными, устанавливают их главным образом на пе-
регонах, а также на станциях, где прочность и электропроводность
грунтов позволяет это сделать. При этом сравнительный анализ
нераздельных и раздельных опор показал, что во втором случае
значительно увеличивается расход бетона и стали, производство
работ в две стадии затрудняет и удорожает строительство, услож-
няются работы по обеспечению монолитности стыка и т.д.
Металлические опоры могут быть сквозными и сплошными
(рис. 4.10. а). Первые представляют собой одну или несколько
ферм, создающих сложную пространственную конструкцию, и
имеют малую массу; вторые являются сплошным телом, более
тяжелые, но проще в изготовлении.
Сквозные опоры классифицируют по форме поперечного сечения,
типу соединительной решетки и форме на пирамидальные (сужающие-
ся кверху) и призматические (одинаковый размер сечения по всей вы-
соте). Пирамидальные опоры более сложны в изготовлении, чем при-
зматические. К сплошным относят опоры, изготовленные из широко-
11 Контактные сети
161
Рис. 4.9. Железобетонные опоры контактных сетей: центрифугированные стойки
тпповС.СС. СО длиной 15,6 м («): то же 13,6п 10.8 м(«); армированные стойки
типа С (л); то же СС и СО (г); 1 — заглушка верхняя; 2 — отверстия для уста-
новки деталей крепления контактной сети; 3 — то же для вентиляции; 4 —
заглушка нижняя; 5 — спираль; 6 — струны из высокопрочной проволоки; 7-
стержневая арматура; 8— монтажное кольцо
162
полочного двутавра и груб. Они могут быть выполнены из труб одина-
кового или разного (телескопические) диаметра (см. рис. 4.10, а).
Металлические опоры небольшой высоты и малой массы вы-
полняют, как правило, цельными (неразъемными). Высокие опо-
ры, как, например, для гибких поперечин (рис. 4.10, б), обычно
выполняют раздельными (разъемными). В этом случае в бетонный
фундамент закладывают анкерные болты и на них устанавливают
опору. Нераздельные опоры проще по конструкции и обычно име-
ют меньшую массу; раздельные опоры проще в установке.
Оцинкование металлических опор обеспечивает антикоррозий-
ную защиту поверхности, более долговечную, чем покраска. Для
контактной подвески системы КС-200 применяют стальные опоры
из гнутого швеллера с планками (рис. 4.10, в). обработанного го-
рячим цинкованием с последующей окраской. Такой способ защи-
ты широко применяется за рубежом.
Дюралюминиевые опоры обладают высокой антикоррозийной
стойкостью. Кроме того, низкий вес опор облегчает их установку
при электрификации участка, а также восстановление при возмож-
ных повреждениях. К недостаткам этих опор можно отнести опре-
деленный дефицит алюминия и его сравнительно высокую стоимость.
Деревянные опоры (рис. 4.11) применяют в сетях ВЛ 110 кВ в
двух исполнениях: с деревянными и железобетонными пасынками
(приставками). Деревянные элементы опор выполняют из лесома-
териалов и пропитывают антисептиком. Пасынки изготавливают
из вибрированного железобетона. Для деревянных опор применя-
ют лесоматериалы не ниже третьего сорта.
Опоры из клееной древесины распространены в электросетевом
строительстве США, Канады, ФРГ и других стран. Деревянные кле-
еные конструкции, изготовленные из отходов натуральной древеси-
ны, обработанные современными химическими защитными препа-
ратами, скрепленные эффективными клеевыми составами, одновре-
менно защищающие ее от биоразрушений и возгораний могут слу-
жить в открытых сооружениях до 90 лет. Деревянные опоры из кле-
еной древесины имеют меньшую стоимость, чем железобетонные
стойки, и, кроме того, более чем в 4 раза меньшую массу. По дан-
ным В.Н. Яковлева, к достоинствам клееной древесины относятся:
большая сопротивляемость химически агрессивным средам; пони-
163
Рис. 4.10. Металлические опоры контактных сетей: конструктивные формы (а);
решетчатая опора для гибких поперечин (б); опора КС-200 из гнутых швеллеров с
планками, па клиновидном фундаменте (в); I — решетчатая; 2 — швеллерная с
планками; 3 — швеллерная с раскосами; 4 — двутавровая с отверстиями; 5 —
двутавровая; 6—трубчатая; 7—телескопическая сварная; 8—телескопическая
литая; 9—треугольная. 1—4- сквозные, 5— 9-сплошные
164
Рис. 4.11. Схемы деревянных опор для линий ВСЛ СЦБ: одностоечная—проме-
жуточная для установки в болотистых грунтах (а); А-образная—силовая с транс-
форматором типа ОМ (б); АП-образная—концевая кабе.) 1ьная (в); П-образная—
мачтовая подстанция (г); трехногая—угловая для перехода через железнодорож-
ные пути (д)
женная электропроводность; повышенная стойкость к воздействию
высокого напряжения; отсутствие проблем утилизации; простота
транспортировки; возможность создания деревянной конструкции
различной длины и сечения; сравнительно небольшая масса.
Расчет элементов опор производят, основываясь на законах тео-
ретической и прикладной механики, используя методы расчетов для
балок (стоек или ферм), заделанных одним концом, имеющих круг-
лые, кольцевые и двутавровые сечения. Наиболее сложен расчет же-
лезобетонных опор, опор с оттяжками и подкосами, поясов и раско-
сов решетчатых опор. При расчете конкретной опоры составляют гео-
метрическую схему с размерами, определяют действующие нагрузки,
принимают вариант конструктивного исполнения опоры (на основа-
нии технических условий). Подробные методики с примерами расче-
тов изложены в пособиях по проектированию контактных сетей.
Выбор опор (без прочностных расчетов) производят по таблицам
их применения с учетом характеристик грунта, очертаний пути и т.п.
4.4. Жесткие поперечины
Жесткие поперечины представляют собой металлические фер-
мы, закрепленные на опорах с оттяжками, подкосами или без них,
и предназначены для поддержания более чем трех продольных под-
весок контактной сети. Классификация жестких поперечин вклю-
165
чает в себя арочные, шпренгельные и оттяжечные конструкции, а
также фермы, образующие с опорами рамные, шарнирные и шар-
нирно-рамные конструкции (рис. 4.12).
Балочные раскосные фермы с прямолинейными поясами и простой
решеткой применяемых на РЖД шарнирных поперечин состоят из не-
скольких коротких пространственных блоков (от 2 до 4), выполненных
с параллельными поясами и раскосной решеткой из стальных уголков
и соединенных между собой. Как правило, в России сооружают жест-
кие поперечины из ригелей длиной от 17 до 44 м, устанавливаемых на
железобетонные стойки (рис. 4.13, а, б). По сравнению с конструкцией
гибкой поперечины жесткие поперечины имеют ряд преимуществ: мень-
ший расход стали (при пролетах до 34 м — в 1,5—2 раза); меньшую
стоимость (при пролете до 44 м — в 1,2 раза); возможность установки
аппаратуры для освещения станций; снижение трудоемкости сооруже-
ния (при свайных фундаментах — в 2—3 раза) и стоимости (при проле-
тах до 44 м — до 20 %). При прочих равных условиях и наличии надеж-
ной защиты от коррозии наиболее целесообразно примененять жест кие
поперечины при пролетах до 34 м, т.е. при перекрытии не более 6 путей.
С 1957 г. широкое распространение получили жесткие поперечины
балочного типа с расходом металла на ригель от 30 до 70 кг/м. Однако,
более экономичной ио расходу стали (на 20—30 %) является жесткая по-
перечина рамного типа, представляющая собой портал из жестко соеди-
ненных между собой железобетонных стоек и ригеля (рис. 4.13, в). При
этом конст рукция узла соединения ригеля со стойкой требует увеличе-
ния высоты надземной част и опор по сравнению с балочными конструк-
циями. что вызывает необходимость уменьшения глубины заделки в грунт
стоек длиной 13,6 м. Применение поперечин рамного типа при элект-
рификации участка Вязьма —Орша обеспечило снижение стоимости стро-
ительных конструкций на 10 %, экономию металла на поперечины — на
30'%) и бетона — на 3 "/». Жесткие поперечины рамной конструкции ши-
роко применяют также в Англии, во Франции и в Японии.
| Жесткие поперечины]
|Шариир|1ыё| |Рамные|
Рис. 4.12. Классификация жестких поперечин
166
Увеличение надежности и повышение срока службы жестких
поперечин может быть достигнуто выполнением их конструкций
из атмосферостойкой стали 14ХГНДЦ (разработка ЦНИИС). Эта
сталь, имея расчетное сопротивление на 40 % больше, чем у СтЗ,
обеспечивает уменьшение веса на 10 % и увеличивает ожидаемый
срок службы до 70 лет.
Следующим шагом по пути совершенствования жесткой по-
перечины является создание конструкции рамного типа с трех-
гранным ригелем (см. рис. 4.13, в). Новая форма ригеля позво-
ляет снизить расход металла на 7—10 % по сравнению с четы-
рехгранным, уменьшить ветровые нагрузки на 10 %, улучшив
аэродинамические характеристики, в 1,5—2 раза увеличить ко-
эффициент использования подвижного состава при транспорти-
ровке ригелей, создать лучшие условия для борьбы с гнездова-
нием птиц. Разработан проект жесткой поперечины рамного типа
с трехгранным ригелем, создана компьютерная программа для
выбора типа ригеля, стоек и заделки их в грунт. За рубежом (на-
пример, в Словакии) применяются облегченные поперечины с
тягами (рис. 4.13, г), в Швеции — шпренгелн — конструкции,
состоящие из верхнего сжатого пояса из прокатного профиля и
нижнего растянутого в виде троса или прутка, периодически со-
единяемых жесткими вертикальными стойками.
Расчет жестких поперечин ферм (ригелей) и порталов в сборе с
фиксирующим тросом или фиксаторными стойками производят так
же, как металлических и железобетонных опор. Методики расче-
тов с примерами, разработанные под руководством профессоров
В.П. Шурыгина и А.А.Кудрявцева, изложены в пособии по проек-
тированию контактной сети.
Выбрать тип ригеля поперечин, применяемых на РЖД, можно
и без прочностных расчетов по таблицам, зная требующуюся дли-
ну и несущую способность. Так. например, поперечины марок
П(ПС)15-16,3 и П(ПС)13 имеют несущую способность 147 и
127 кН/м соответственно и основные (и возможные расчетные дли-
ны) в мм: 16 115 (15 315. 14 515, 13 715, 12 915). В скобках приведе-
ны возможные расчетные длины поперечин, которые могут быть
уменьшены на величину до 0,8 м или до 1,25 м для поперечин с
основной длиной до и более 29,1 м соответственно (за счет изме-
нения мест опирания в пределах крайних усиленных панелей).
Марка самых больших поперечин П(ПС)43~44,2.
167
Ji Рис. 4.13. Схемы жестких поперечин: шарнирной с фиксирующим тросом (о):
I фиксаторными стойками на кривой (б); рамной с трехраскосными фермами (в);
J с тягами (г); / — опора; 2 — жесткая поперечина; 3 — фиксирующий трос; 4 —
। ,1| фиксатор; 5 — треугольный подвес; 6 — наклонный подвес; 7 — тяга; Но —
j высота контактного провода; УГР—уровень головки рельса; В — размер меж-
J дупутия; Г — габарит опоры; а — зигзаг
168
4.5. Гибкие поперечины
Конструкции. Гибкие поперечины предназначены для перекрытия
значительного числа путей с использованием всего двух опор. В конст-
рукцию гибкой поперечины входят поперечно-несущий и фиксирующие
тросы, изолирующие устройства и продольные контактные подвески.
Классифицируют поперечины по степени изоляции и типу кон-
струкций — для трамвайных, троллейбусных, карьерных и магист-
ральных железнодорожных контактных сетей.
Применяемые в России гибкие поперечины с двойной разнесенной
изоляцией (рис. 4.14, а) позволяют выполнять работы без снятия
напряжения с контактной сети как на контактных подвесках в ее зоне
и на тросах поперечины вблизи подвесок (при постановке под на-
пряжение нейтральной части поперечины шунтированием одного
из изоляторов), так и на опорах и тросах вблизи опор (при заземле-
нии нейтральной части шунтированием одного из изоляторов).
Поскольку изолированная гибкая поперечина исключает необхо-
димость снятия напряжения с контактной сети для ее технического
обслуживания, она нашла самое широкое распространение.
Гибкие поперечины также могут быть изолированными (с 6 изо-
ляторами), но без секционирования станции (рис. 4.14, б), а также
заземленными с фиксаторными стойками (число изоляторов 8) и
полным секционированием, но с близостью к проводам заземлен-
ных частей (рис. 4.14, в).
Поперечные несущие и фиксирующие тросы выполняют из биме-
таллических или стальных проводов, причем для увеличения надеж-
ности каждый поперечный несущий трос имеет не менее чем два про-
вода сечением 70 мм2, чтобы при обрыве одного из них оставшиеся
могли выдержать всю нафузку с достаточным запасом прочности.
Сечение проводов для фиксирующих тросов — не менее 50 мм2.
В компенсированной подвеске продольные перемещения несу-
щего троса при изменениях его температуры в трех точках крепле-
ния контактного провода, ближайших к средней анкеровке, ока-
зываются настолько малыми, что в этих точках на гибких попере-
чинах никаких специальных мер, обеспечивающих перемещение
троса, не принимают. На следующих трех опорных точках приме-
няют удлиненную до 180 мм серьгу, включаемую между изолято-
169
ром и седлом несущего троса. Это обеспечивает максимальные пе-
ремещения троса при небольшом наклоне подвесного изолятора.
На всех остальных опорных точках, вплоть до компенсатора, к изо-
лятору вместо серьги подвешивают ролик, в желоб которого вкла-
дывают отрезок троса (шунт) длиной 4.5 м, прикрепленный парал-
лельно несущему тросу. Несущий трос при этом оказывается здесь
полностью разгружен. Монтажное расстояние между контактным
проводом и нижним фиксирующим тросом при скоростях движе-
ния до 75 км/ч принимают равным 250 мм, при более высоких ско-
ростях — 400 мм. Эти расстояния в зонах расположения контакт-
ных проводов увеличиваются примерно на 50 мм подтягиванием
нижнего фиксирующего троса струнами, соединяющими этот трос
с точками подвеса несущих тросов контактных подвесок.
Рис. 4.14. Схемы гибких поперечин: с изолированными тросами (б); заземлен-
ными тросами (в); двойной изоляцией (о); / — поперечный несущий трос; 2 и
5 — верхний и нижний фиксирующие тросы: 3 — электрический соединитель;
4 — изолятор; 6 — секционный изолятор: 7 — струна; 8— струна фиксатора:
9 — фиксатор; /0 — стопка
170
Провода поперечного несущего троса на железнодорожных до-
рогах России соединяю! между собой, устанавливая зажимы двой-
ного троса, к которым подвешивают вертикальные струны. Одна-
ко на железных дорогах ряда стран, например Германии, четыре
поперечных провода несущего троса между собой в точках подве-
са не соединяют: часть контактных подвесок подвешивают к од-
ной паре поперечных проводов, часть — к другой.
Пружинный компенсатор, включенный в верхний фиксирующий трос
для компенсации его температурных деформаций, в последнее время не
устанавливают как излишний при малых значениях этих деформаций.
Расчеты. Гибкая поперечина представляет собой систему тросов,
связанных между собой в нескольких точках. Можно подобрать та-
кой начальный провес поперечного троса, что его температурное
изменение будет незначительным и им можно будет пренебречь. В
этих условиях удобно вести расчеты поперечного несущего троса и
расчеты фиксирующих тросов независимо один от другого Можно
считать, что поперечный несущий трос воспринимает и передает на
опоры все вертикальные силы, действующие на гибкую поперечную
конструкцию, а фиксирующие тросы — на горизонтальные силы.
Расчет поперечного несущего троса. На рис. 4.15 обозначим:
(?!• бу 64- • Qi — сосредоточенные нагрузки, учи-
тывающие силу тяжести подвесок, изоляторов, фиксирующих тро-
сов и фиксаторов, воспринимаемую в этих точках поперечным не-
сущим тросом. кН;
1’. Гэ.... Г;— ординаты поперечного несущего троса в точ
ках приложения нагрузок, м;
— горизонтальная состав-
ляющая натяжения поперечного
несущего троса. кН:
7?^, Ry —- вертикальная со-
ставляющая натяжения попереч-
ного несущего троса соответ-
ственно у опор А и В, кН;
7^ и Тв — натяжение попе-
речного несущего троса, кН;
/ — длина поперечного
пролез а, м.
Рис. 4.15. Схема распределения на-
грузки поперечного несущего троса
171
Определение вертикальных составляющих опорных реакций
сходно с расчетом для балки, свободно лежащей на двух опорах.
Вертикальную составляющую натяжения RB поперечного несуще-
го троса у опоры В определяют из условия равенства нулю суммы
моментов всех сил, взятых относительно точки А, и при располо-
жении точек А и В на одном уровне:
(4.5)
где gn — равномерно распределенная вертикальная нагрузка на
поперечный трос (собственный вес и гололед), кН/м.
Та же составляющая для опоры А\
(4.6)
Рассматривая условия равновесия выделенной части попереч-
ного троса при замене действия отброшенных частей соответству-
ющими силами, можно написать уравнение моментов относитель-
но точки С (рис. 4.16).
НПУ, = -Q2x2 -g„x2/2.
Отсюда
=(^-QiXi ~Q2x2 -0,5gnx2)/y,. (4.7)
Рис. 4.16. Расчетная схема попе-
речного несущего троса
Выражение в числителе форму-
лы (4.7) представляет собой сумму
моментов вертикальных сил Л/п,
действующих слева от рассматри-
ваемого сечения, а в знаменателе —
ординату поперечного несущего
троса в этом же сечении.
Расчет ведут таким образом.
Сначала определяют вертикаль-
ные составляющие опорных реак-
ций. Затем так же, как и для балки
со свободными опорами на обоих
172
концах, находят наибольший момент (который, как известно, име-
ет место в точке, где эпюра перерезывающих сил проходит через
нуль). Разделив наибольший момент Л/п на наибольшую ордина-
ту, т.е. допустимую стрелу провеса поперечного несущего троса/п,
получим горизонтальную составляющую натяжения троса:
Н„=МП//П.
(4.8)
Эта составляющая, как ясно из условия равенства нулю суммы
проекций всех сил на ось .г, остается постоянной по всей длине
троса. Для случая, представленного ранее на рис. 4.15, примем ус-
ловно, что наибольший момент совпадает с точкой приложения
нагрузки Qy Тогда
= М3 = RAl3 - Q} (/3 - /,)- е2 Оз - 12 )- •
В соответствии с принятым условием будем иметь fn = у3. Тогда
горизонтальная составляющая натяжения поперечного несущею троса:
Л/п Л/3 RAl3-<21(/з-/^-«ЭзОз-l2)~^Snl3
н =----------= —_— ----------— -----------------(4 9)
/п УЗ Тз
Затем определяют ординаты троса в точках приложения нагру-
зок Для этого необходимо найти моменты, действующие в этих
точках, и разделить их на горизонтальную составляющую натяжения:
(4.10)
Найдем ординаты для случая, приведенного на рис. 4.15:
У,
Mi
-Q.-Ah-h-i)-—-
173
Натяжение поперечного несущего троса в точках А и В соот-
ветственно:
Тл=7^+Йп2; (4.11)
Тв=у1к2в+Н2п. (4.12)
По большему значению находят необходимую площадь сече-
ния поперечного несущего троса или напряжение в нем, если пло-
щадь сечения задана.
Из выражений (4.8), (4.11) и (4.12) видно, что натяжение в попереч-
ном тросе непосредственно связано с выбором стрелы провеса. Если
увеличивается стрела провеса, то уменьшается натяжение в тросе,
но одновременно увеличивается высота опоры. При этом как при
очень малой, так и при большой стреле провеса масса опоры бу-
дет велика. Поэтому можно определить стрелу провеса, при кото-
рой будет наименьшая масса опоры или наименьший объем фун-
дамента, или наконец, найти вариант, при котором стоимость опо-
ры и фундамента будет наименьшей. Причем объем и стоимость
фундамента находятся в прямой зависимости от действующего на
него момента.
Гибкую поперечину рассчитывают по наиболее тяжелому режиму
(гололедному), которому и соответствует наибольшая стрела про-
веса троса. Поперечный и фиксирующий трос рассчитывают раз-
дельно без учета взаимного влияния их натяжения.
Расчет фиксирующих тросов. В большинстве случаев при больших
продольных пролетах, особенно в районах с интенсивным гололедом,
наиболее тяжелым режимом для опор является гололедный. Для фик-
сирующего троса при малых расстояниях между струнами гибкой по-
перечины наиболее тяжелым оказывается режим при низшей температу-
ре. Поэтому усилия в таком тросе должны определяться для двух ре-
жимов: при низшей темперазуре и при наибольшей вертикальной на-
грузке (при гололеде). Это необходимо потому, что при расчете фикси-
рующего троса требуется определить, во-первых, натяжения, вос-
принимаемые опорами при наиболее тяжелом для них режиме (для
проверки опор на прочность), во-вторых, наибольшие натяжения
фиксирующего троса для проверки его прочности.
174
Фиксирующие тросы воспринимают следующие нагрузки: не-
уравновешенные составляющие натяжений продольных проводов
(на стрелках, отводах, кривых и т.д.); усилия от ветровых нагрузок
на продольные провода; натяжение самого фиксирующего троса
при различных режимах. Если в фиксирующий трос включена пру-
жина, то должно быть учтено и ее влияние, а если ее нет, то в от-
дельных случаях необходимо учитывать изменение прогиба опор.
При имеющихся малых поперечных пролетах изменение натя-
жения в тросе можно определить с достаточной точностью, пре-
небрегая влиянием его силы тяжести, т.е. приняв </,- = = 0. Тогда
провод рассчитывают как жесткий стержень и натяжение при тем-
пературе 6(- составит
Я,. = Я, -ESa^f (4.13)
где Н1 — натяжение при исходном режиме, кН;
Е — модуль упругости, ГПа;
5 — площадь поперечного сечения троса, мм2;
а — температурный коэффициент линейного расширения °С~ ,
f) [ — температура исходного режима, °C.
При выводе формул для расчета фиксирующих тросов приня-
ты обозначения на рис. 4.17:
Рц. — усилия, действующие на фиксирующий трос на к-м про-
лете при исходном режиме;
Pjk — то же при искомом (расчетном) режиме;
ак — длина соответствующего пролета между точками прило-
жения отдельных горизонтальных нагрузок, м;
у = у/ + уЛ = /п — сум-
ма прогибов обеих опор на
уровне крепления фикси-
рующего троса, вызванных
изменением натяжения в
поперечных фиксирующих
тросах. Кроме того, при
выводе формулы использу-
ют следующие величины:
Рис. 4.17. Расчетная схема фиксирую-
щих тросов
175
ну — натяжение в ослабленном крайнем пролете троса, пере-
даваемое на левую опору, с учетом действия внешних нагрузок
при исходном режиме, кН;
Н- — то же, при расчетном режиме;
Н" — натяжение в другом крайнем пролете троса, передавае-
мое на другую опору, с учетом действия внешних нагрузок при
том же расчетном режиме, кН;
5—характеристика эластичности пружины (величина, обратная жес-
ткости), включенной в ослабленное звено фиксирующего троса, м/кН.
Расчет сводится к тому, чтобы, зная натяжение Н{ троса, выбран-
ное для исходного режима, определить натяжения Н- и Н ’ при
расчетном режиме. При этом влияние продольных сил при опре-
делении результирующих усилий Н- и Н" для упрощения учиты-
вают как для жесткого стержня.
Фиксирующему тросу обычно задают напряжение 10—20 МПа
при высшей температуре, что в пролете длиной 5 м дает стрелу
провеса 20—30 мм. При всех же других температурах трос получа-
ет большее напряжение, но все же меньше допустимого.
Задачу решают как для всякой статически неопределимой систе-
мы — введением в расчет деформаций троса. Сумма деформаций (уд-
линений) троса от изменения температуры и внешних сил при пе-
реходе от исходного режима к расчетному:
Хе +^-р +^-8 +\ (4.14)
где Хд — изменение длины эроса, вызванное изменением темпера туры;
Хр — изменение длины т роса, вызванное изменением продоль-
ных сил, направленных вдоль фиксирующего троса;
kg - изменение длины пружины за счет изменения усилий в ней:
Ху—изменение деформаций опор за счет изменения усилий в попе-
речном и фиксирующем тросах.
Изменение длины троса, вызванное изменением температуры:
Изменение длины троса, вызванное изменением продольных сил.
направленных вдоль фиксирующего троса:
176
Л=1
(Hik-Htk)ak
ES
(4.15)
где Н& и — натяжение в к-м пролете при расчетном и исход-
ном режимах.
Изменение деформации опор за счет изменения усилий в попереч-
ном и фиксирующем тросах: А.у =у( ~Yi •
Значения и Hjk зависят от нагрузок, действующих вдоль
фиксирующего троса:
^1к ~ ^1 + ’
Х=1
(4-16)
Л=1
(4.17)
где х — номер пролета фиксирующего троса, подвешенного от
первого до к-го пролета.
Подставим выражения (4.16) и (4.17) в уравнение (4.15):
ES
/7, -Я,
п+1 п+1 i-1
*=1 *=1 Х=1
Подставим значения ХеАрД6 и Ху в выражение (4.14) и после
преобразования получим
я/ = н'
lnaES(^ -0,) + -^) + (Y,- -Yi)£5
_______________Л=1 х=1___________________
/П+5Е5
(4-18)
Зная значение Н{, можно найти наибольшее натяжение
(4.19)
12 Контактные сети
177
1
Если включена пружина, то учет прогиба опор ух. — У] дает
очень малое уточнение, поэтому им можно пренебречь. Если, на-
оборот, пружина отсутствует, то учет прогиба опор может вне-
сти заметное уточнение. При отсутствии пружины в отдельных
случаях проводимый расчет может дать отрицательные значения
Н-. В действительности этого быть нс может, и объясняется это
тем, что расчет ведется как бы для жесткого стержня. В эт ом слу-
чае следует считать, что натяжение Ht- = 0 и, следовательно,
Hi =%pik.
k=l
Когда все расстояния между точками подвеса фиксирующего тро-
са равны, т.е. at = а2 = ак =... = д„+1 = /п /(п +1), и все силы, направлен-
ные вдоль фиксирующего троса, тоже равны, т.е. Р] ] = Р]2 = ... —
= Р\п - Pi и соответственно Рц = Pj2 =... = Pik - Pin - Р,, второй член
числителя выражения (4.18) заметно упростится. Тогда
*=1 л-1 2
и окончательно формула (4.18) примет вид
, , /паЕ5(е,.-«1)+^(Р,-Р1) + (у1-у1)Е5
/7 —и_____________________2___________ 1Л ->(\\
Зная Н-, найдем
н'' = Н(+пРк. (4.21)
Если пружина в фиксирующем тросе отсутствует, а это бывает
в подавляющем числе случаев, то в формуле (4.20) следует при-
нять 5=0.
178
В большинстве случаев, в том числе и в случае, когда силы,
направленные вдоль фиксирующих тросов, неодинаковы, можно
ввести средние значения этих сил:
1 "
р^-тл-.
I п
р^-ъл-
Тогдас достаточнойточностью можно пользоваться выражением (4.20).
4.6. Основания и поддерживающие элементы опор
Фундаменты служат для закрепления опор в грунте и должны обес-
печивать их устойчивое положение при любых неблагоприятных соче-
таниях нагрузок. Классификация фундаментов (рис. 4.18) опреде-
ляется схемой прилагаемых к ним сил (одиночные и групповые),
способом установки (закапываемые, заливаемые, забиваемые),
формой сечения (прямоугольные, круглые, двутавровые, трехлу-
чевые), способом скрепления с опорой (заливаемые, болтовые, ста-
канные, надеваемые на сваю, устанавливаемые в короб), конструк-
цией (призматические, конические, свайные с ростверком).
При применении одиночных фундаментов (рис. 4.19) момент
внешних (выворачивающих сил) уравновешивается моментов' ре-
активных сил в грунте. Фундаменты опор с конструкциями, на-
пример, с оттяжками (рис. 4.20, а, б), препятствующими выдерги-
ванию или погружению опор в грунт, называют раздельными.
Стрелки М на рис. 4.19 и 4.20 показывают направление момента
М, действующего на фундамент, а стрелки в грунте — примерный
характер реакций, вызываемых в нем.
При электрификации железных дорог около 70 % опор закреп-
ляют непосредственно в грунте (нераздельные опоры) и примерно
30 % устанавливают в стаканные фундаменты (раздельные). Уста-
новленная в стакан опора закрепляется омоноличиванием полос-
ти между внутренними стенками стакана и наружной поверхнос-
тью опоры цементным раствором. Широкое применение нашли
клиновидные фундаменты конструкции В.И. Подольского для раз-
дельного крепления опор контактной сети системы КС-200 и др.
(рис. 4.20, в). Для закрепления в грунте раздельных центрифугиро-
179
Рис. 4.18. Классификация фундаментов опор контактных сетей
ванных железобетонных опор (типа С и СО) и стоек жестких попе-
речин взамен ранее использовавшихся стаканных фундаментов и
анкеров двутаврового сечения широко применяют трехлучевые же-
лезобетонные фундаменты стаканного типа, а для крепления от-
тяжек — трехлучевые анкеры, позволяющие уменьшить высокое
сопротивление грунта при их вибропогружении.
Обозначают фундаменты буквами и цифрами: Т — трехлуче-
вой, С — стаканного типа, А — анкер; первое число в обозначе-
нии — несущая способность фундамента, тс-м, второе число —
длина фундамента, м. например, ТС-6,0-3.5.
Оттяжки изготавливают из круглой стали диаметром 16 мм и ис-
пользуют для увеличения несущей способности опор. Обычно к верх-
ней части опор крепят хомутами две оттяжки (на уровне несущего
троса и контактных проводов), сходящиеся внизу на проушине анке-
ра. Оттяжки могут быть неизолированными и изолированными. Пос-
180
Рис. 4.19. Схемы закрепления опор на выворачиваемых фундаментах: бесфун-
даментное крепление (</): с лежнями (о); призматическое (в); ступенчатое (г);
двутавровое (Э)
ледш ie применяют для предотвращен! !я стекания через оттяжку блуж-
дающих токов в случае высокой электропроводности грунта.
Подкосы применяют как элемент увеличения несущей способ-
ности опор при невозможности использования оттяжек. Выполня-
ют подкосы в виде протяженной, работающей на сжатие фермы,
например решетчатой, уголковой (рис. 4.20, в). Нижним концом
ферма опирается на анкер.
Анкеры предназначены для крепления оттяжек шт подкосов и клас-
сифицируются по форме сечения: призматические, двутавровые,
трехлучевые. Обозначение последнего — ТА.
Лежни и опорные шиты применяют для улучшения закрепления без
фундаментных опор в грунте. Их изготавливают трех типоразмеров и
обозначают: лежни—Л-I, Л-П, Л-Ill, а опорные плиты — ОП-1, ОП-П
и ОП-1П. Первые две плиты выполняются в виде кругов, третья —
прямоугольной формы (600 х 800 мм, толщиной 50 мм).
Все фундаменты, анкеры, лежни и опорные плиты изготавлива-
ют из ненапряженного железобетона.
Для закрепления железобетонных опор в районах вечной мерз-
лоты и глубокого сезонного промерзания грунта применяют спе-
циальные конструкции: сваи длиной 8 и 10 м; анкеры стоечного типа
длиной 4,5 м с опорной плитой в основании; свайные забиваемые
анкеры длиной 10 м, а также теплоизоляцию фундаментной части,
препятствующую оттаиванию грунта. Для закрепления в грунте ме-
181
Рис. 4.20. Схемы закрепления опор на различных выдергиваемых фундаментах:
с анкером и подопорной плитой («); ступенчатый фундамент с анкером (о, «);
раздельный (г); свайный с ростверком (<)); 1 — анкер; 2 — подопорная плита; 3 —
опора; 4 — оттяжка; 5 — ступени; 6 — подкос; 7 — свая; 8 — ростверк; 9 —
раздельные фундаменты
таллическпх опор гибких поперечин применяют железобетонные
свайные, а также раздельные (рис. 4.20. г) фундаменты, состоящие
из двух блоков с анкерными болтами для крепления. Обозначают
блочные фундаменты буквами и цифрами: Р — раздельный, Ф —
фундамент, первая цифра — тип блока по опалубочным размерам,
вторая — тип армирования. Перспективные фундаменты опор гиб-
ких поперечин (рис. 4.20, д) состоят из железобетонной плиты-ро-
стверка, сквозь отверстия в которой забивают сваи. Сваи и ростверк
соединяют между собой сваркой с помощью специальных металли-
ческих анкеров, заделанных в бетон, и съемных накладок, а затем
омоноличивают бетонными оголовками. Для облегчения конструк-
ции ростверка в нем устраиваются «окна», заполняемые грунтом.
4.7. Расчет закрепления опорных конструкций в грунте
Нагрузки, приложенные к опоре, передаются на грунт. При этом
они не должны приводить к его разрушению, так как опора можег
потерять устойчивость и эксплуатация линий, расположенных на этих
опорах, станет невозможной. Конструкции закрепления опор зави-
сят от вида и значения нагрузок, качества грунта, профиля местности
и т. д. Методы расчета закрепления опор будут рассмот рены ниже.
182
Характеристики грунта и расчетные эпюры давлений. «Пассив-
ное давление грунта»—термин, в котором грунт рассматривают как
сыпучее тело, т.е. совокупность мелких твердых однородных час-
тиц, не имеющих связи друг с другом (лишенных силы сцепления).
Основными характеристиками грунта в этом случае являются угол
естественного откоса <р и угол внутреннего трения гр.
Силу тяжести G отсеченной части объема сыпучего тела (рис. 4.21, а)
можно разложить на две составляющие N и Т. Сила N уравновеши-
вается нормальной реакцией остальной части грунта, а сила Т —
силой трения в плоскости С—С. При некотором (предельном) угле
наклона плоскости С—С сила трения окажется недостаточной и
грунт начнет сползать вниз. Это может случиться, если а > гр (здесь
tg гр равен коэффициенту трения / или тангенсу угла трения между
। частицами тела; а — угол наклона плоскости С—С к горизонту).
J Частицы грунта будут сползать до тех пор, пока не установится рав-
новесие между составляющей силой тяжести и силой трения. Угол
наклона плоскост и С—С. соответствующий такому положению, на-
зывают углом естественного откоса сыпучего тела гр (рис. 4.21, б).
При изучении вопросов, связанных с условиями равновесия не-
которого объема грунта, приходится учитывать силы трения од-
ной части грунта о другую. Коэффициент трения в этом случае для
внутренних слоев будет больше, чем для верхних слоев. Однако в
i расчетах принимают ср=гр.
Для определения наибольшего допустимого нажатия на груш
рассматривают подпорную стенку Л В (рис. 4.21, в) и предполагают,
что выше точки А грунт имеется только справа и ограничивается
плоскостью ВС. Стенка удерживает в равновесии некоторый объем
грунта, который ст ремится сползти в ее сторону. Если давление со-
• здается стенкой (например, сила Р стремится переместить стенку
Рис. 4.21. Расчетные схемы определения пассивного давления грунта
183
параллельно самой себе вправо), то в грунте будет развиваться ре-
активная сила, и при увеличении силы Р наступит момент, когда стен-
ка придет в движение, а часть грунта будет выпираться стенкой вверх
и вправо по линии АС (плоскость выпирания). Силу, вызывающую
такое выпирание, называют пассивной силой, а давление — пассив-
ным давлением опасс (штриховая линия).
Рассмотрим эпюру напряжений в грунте у передней и задней сте-
нок фундамента. Подобно другим телам грунт в известных преде-
лах нагрузки обладает упругостью, т.е. между напряжением о'
на глубине v и деформацией Х.(„ вызванной этим напряжением, су-
ществует зависимость:
о',. = С,.\. (4.22)
Коэффициент С,.зависит от уплотненности грунта. Обычно прини-
мают, что он пропорционален глубине. Если обозначить через СЛ ко-
эффициент для глубины Л, то коэффициент для глубины г равен
Cr=Chy/h. (4.23)
Как только внешние силы повернут фундамент на некоторый
угол а относительно точки, лежащей на глубине т0 (рис. 4.22, а), в
грунте возникнут реактивные давления, которые уравновесят оп-
рокидывающий момент и внешние силы. При этом центр враще-
ния фундамента должен лежать на глубине, меньшей глубины его
заложения. Если бы центр вращения лежал ниже основания фун-
дамента, то, очевидно, фундамент смещался бы в одну сторону.
Рис. 4.22. Расчетная схема для определения эпюры напряжений в грунте
184
Следовательно, в грунте не могли бы развиваться реакции различ-
ного знака, которые необходимы для создания пары сил, уравно-
вешивающей опрокидывающий момент. Для определении закона
распределения усилий в грунте возле фундамента исходят из пред-
положения абсолютной жесткости фундамента или заложенной в
грунт части опоры. Тогда
\.=О’о-3’)1ёа-
(4.24)
Подставим в выражение (4.22) значения С и X. из выражений
(4.23) и (4.24)
h
(4.25)
Если у = Л, то ст'г = а'Л = С/;(у0 - 6)tga.
Подставив из последнего выражения значение Q,tga в уравне-
ние (4.25), получим
, Р/,(Уо~У)У
°’" (у0-Л)й ’
(4.26)
Таким образом, напряжение в грунте изменяется по высоте фун-
дамента по закону параболы. Уравнение (4.25) показывает, что при
у < _г0 o’ )• положительно, при у = у0 равно нулю и при у > у0 отрица-
тельно (рис. 4.22, б).
Большинство применяющихся методов расчета фундаментов
основывается на рассмотренной эпюре напряжений в грунте. В неко-
торых методах исходят из условия, что <э'/; =amax (рис. 4.22, в), т.е.
наибольшее напряжение в грунте (у нижней точки фундамента) при-
равнивают к пассивному давлению в этой точке и получают напря-
жения в верхней части эпюры, выходящие за линию пассивных давле-
ний (заштрихованная площадь). Методы расчета, основанные на ис-
пользовании таких эпюр, не дают представления о запасе устойчиво-
сти опоры и, естественно, не могут указать, допустимо ли достижение
напряжений в грунте, равных пассивным давлениям, и если допусти-
| мо, то на какой части фундамента. Поэтому единственно правиль-
’ ным является расчет по предельному состоянию фундамента.
185
Предельное сопротивление грунта. Многочисленные эксперименты
показали, что потеря фундаментом устойчивости не сопровождается опи-
санным ранее выпиранием призмы грунта. Следовательно, предельное
сопротивление грунта наступает раньше, чем начнется выпирание грун-
та. Деформация грунта зависит не только от нагрузки, но и изменяется
во времени. При этом в каждом случае имеется некоторая статическая
сила Р характеризующая предел устойчивости. При действии на опо-
ру сил, меньших этого значения (Р < F ), деформации грунта, а следова-
тельно, и перемещения 6 фундамента с течением времени затухают и за-
тем остаются постоянными (рис. 4.23, а). Если же Р > Р , то дефор-
мация грунта и перемещения фундамента не затухают и продолжают
увеличиваться, пока действует' нагрузка. Скорость г этих перемещений
после приложения нафузки быстро уменьшается и в течение некоторого
времени практически постоянна, но будет тем больше, чем больше при-
ложенная к опоре нагрузка Р (рис. 4.23, о). В конце процесса роста де-
Рлс. 4.23. Перемещение 6 (а) и скорость пе-
ремещения г (о) фундамента в зависимости
от времени для различных значений силы Р
формаций скорость резко
увеличивается и фундамент
«опрокидывается». В зависи-
мости от нагрузки время до
этого момента может изме-
ряться от нескольких десят-
ков лет (при нагрузках, не-
значительно превышающих
РПр) до нескольких дней, ча-
сов и даже минут (значитель-
но превышающих Р^).
При расчете поворота
фундамента учитывают
действие постоянных на-
грузок и изменение направ-
лений временной (ветро-
вой) нагрузки. Кратковре-
менные нагрузки, даже зна-
чительно превышающие
расчетные предельные, не
вызывают существенных
перемещений и не являют-
186
ся опасными. Не представляют опасности и гололедные нагрузки, так-
как они обычно действуют в условиях промерзшего грунта, что зна-
чительно увеличивает предельный момент.
В рассматриваемом методе расчета предельное давление, ока-
зываемое вертикальной стенкой грунта на фундамент, определя-
ется по формулам
0r-kmQ( 1 +db)y при/?а0,3 м (4.27)
и
0}=кто( 1+с/0,3)г при Z><0,3 м, (4.28)
где к — коэффициент возможных отклонений грунта от норматив-
ных; т — допускаемое напряжение грунта на глубине 1 м; с — тол-
щина и b - ширина фундамента.
Значение пропорционально глубине г и зависит от ширины фун-
дамента h. При бесконечно длинной стене, т.е. в условиях плоской
задачи, когда взаимодействие разрушаемой и неразрушаемой части
грунта отсутствует, коэффициент 1 +с/Ь обращается в единицу.
Следовательно, в условиях плоской задачи коэффициент /п0 можно
рассматривать как характеристику грунта, равную предельному на-
пряжению о на глубине у = 1. Коэффициент с зависит от рода и со-
стояния грунта. Коэффициент однородности к, учитывающий возмож-
ное отличие фактических характеристик груша от их нормативных
значений, принимают равным 0,7. В таблице приведены нормативные
значения л/0 и с, а также предельное давление ип фундамента на грунт.
Таблица
Характеристики грунтов
Г рунт "'О’, кН/м3 С, м оп, кПа
Пески крупные и средней крупности, глины, суглинки и супеси твердые 140 0.35 400
Пески мелкие, глины, суглинки и супеси гугопластпчные 105 0,30 300
Пески пылеватые, глины и супеси мягко-пластичные 80 0,25 200
Песчаные и глинистые почвы с примесью растительных остатков; заторфованные почвы, слежавшиеся в основании земляного полотна 50 0,20 100
187
Рассмотрим эпюру напряжений в грунте по передней и задней стен-
кам фундамента в предельном состоянии. Если нагрузка, вызвавшая
давление (см. рис. 4.22,б), продолжает увеличиваться, то эпюра снача-
ла примел вид, представленный на рис. 4.24, а и затем на рис. 4.24, б.
Отличие этой эпюры от более удобной для расчета (рис. 4.24, в) невели-
ко и объясняется тем, что реактивный момент увеличивается незначи-
тельно (заштрихованная часть на рис. 4.24, б). В этом случае наиболь-
ший реактивный момент определяется как сумма моментов грузовых
плошадей F] и F7, умноженных на расстояния от их центров тяжести до
центра вращения О. Глубина центра вращения у0 определяется из усло-
вия равенства нулю суммы всех горизонтальных сил: Fj - F-, - Р = 0.
Временное сопротивление определяют по выражениям (4.27) и (4.28).
Рассмотрим эпюры напряжений в грунте у подошвы фундамен-
та в предельном состоянии. Опрокидывающий момент М. вызы-
вающий напряжения у подошвы фундамента, может быть создан
как горизонтальной силой Р, так и вертикальной силой при ее
эксцентричном положении относительно оси фундамента. В за-
висимости от опрокидывающего момента эпюра напряжений у
подошвы фундамента, уравновешивающая силу N (где W — рав-
нодействующая сил реакции грунта) будет принимать тот или
иной вид. Так, при наличии одной силы N приложенной в цент-
ре фундамента, напряжение грунта о0 = N^/db и ему соответству-
ет деформация Эпюры напряжений и деформации будут иметь
вид прямоугольника (рис. 4.25, а}. При появлении опрокидываю-
щего момента М. вызванного эксцентричным приложением силы
Д'р или введением новой силы Р. фундамент получит некоторый на-
клон. Эпюры напряжений и деформаций получат вид, приведенный
Рис. 4.24. Расчетная схема для выбора расчетной эпюры по передней и задней
стенкам фундамента в предельном состоянии
188
Рис. 4.25. Эпюры давлений у по-
дошвы фундамента в пределах уп-
ругого сжатия грунта
на рис. 4.25, б где силы и N
создают пару, уравновешиваю-
щую опрокидывающий момент
М. Когда увеличивается момент
М, возрастает наклон фунда-
мента и, следовательно, должен
увеличиться момент пары сил.
| Сила (сумма всех вертикаль-
ных сил, действующих на соору-
жение, включая силу тяжести
фундамента) может быть по-
стоянной только при увеличе-
нии плеча пары N и N , т.е. по-
степенного удаления силы N от
силы Np и приближения ее к краю фундамента. Для некоторого опро-
кидывающего момента эпюра напряжений в грунте примет вид, пока-
занный на рис. 4.25, в. Давление под ребром В равно 2 о0, а эксцентри-
ситет е - а/6 и уравновешивающий момент М = Np(a/6).
При дальнейшем увеличении опрокидывающего момента эпюра
примет вид, представленный на рис. 4.25, г. Так как грунт не может
работать на растяжение, то у точки А подошва отрывается от него и
происходит так называемое «раскрытие шва». Реактивный момент бу-
дет тем большим, чем на большей длине это произойдет. Площадь эпю-
ры давлений все время остается постоянной, равной сумме вертикальных
сил, а поэтому е увеличивается при возрастании напряжения под реб-
ром В. При достижении определенного предела сжатия грунта оно уже
не будет упругим и нарастание напряжения под ребром В (рис. 4.26, а)
будет происходить медленнее, чем увеличение угла поворота (до этого
предела указанные величины находятся в линейной зависимости). Точ-
кой D отмечено значение, какого бы достигло напряжение, если бы грунт
при всех значениях ст отвечал закону упругости. Если после некоторого
напряжения ап сопротивление грунта почти не увеличивается, то, оче-
видно. эпюра получит вид, представленный на рис. 4.26, б. Без ощути-
мой погрешности можно для определения предельного момента (ь
запас прочности) принять взамен эпюры на рис. 4.26, а фиктивную
эпюру давлений, показанную на рис. 4.26, в, так как изменение
эксцентриситета, очевидно, будет незначительным.
189
Рис. 4.26. Эпюры давлений у подошвы фундамента за пределами упругого
сжатия грунта
Некоторое уменьшение эксцентриситета из-за потери площади
MGD компенсируется увеличением его от потери площади KER.
Эту эпюру, очевидно, и можно принять для расчета.
При использовании методов расчета, основанных на распре-
делении усилий в грунте при эксплуатации, наибольшую труд-
ность представляет разделение усилий между подошвой и стенка-
ми фундамента. Обычно сначала определяют допустимый момент,
действующий на подошву фундамента, а затем, взяв остаток меж-
ду расчетным моментом и моментом, воспринимаемым подошвой,
проверяют напряжение у боковых стенок; полагая тем самым, что
деформации грунта у подошвы не связаны с деформациями грун-
та у боковых стенок, что, конечно, неверно. Также неверным яв-
ляется расчет, основанный на каком-либо другом распределении
эпюр в состоянии устойчивости. Пока не имеется данных, кото-
рые могли бы связать деформации грунта у подошвы и боковых
стенок между собой.
Наиболее удобным, видимо, будет расчет без учета распреде-
ления опрокидывающего момента между подошвой и боковыми
стенками. Этого можно достигнуть, определяя наибольший оп-
рокидывающий момент (предельный) как сумму наибольших мо-
ментов для боковых стенок и подошвы. Такой подход будет вер-
ным, так как опора вывернется только после того, как момент
внешних сил превысит этот суммарный наибольший момент сил
реакций боковых стенок и подошвы.
При определении предельного опрокидывающего момента
проверку на деформации (наклон фундамента) можно не нрово-
190
дить, так как характеристики грунта в нормативах заданы, исхо-
дя из условий допустимости соответствующих перемещении фун-
даментов опор при эксплуатации.
Предельный опрокидывающий момент для призматического
фундамента. Расчетная эпюра активных и реактивных сил, дей-
ствующих на фундамент в предельном состоянии, представлена
на рис. 4.27. В предельном состоянии на фундамент действую!
горизонтальная Р() и вертикальная (сила тяжести) Л?() силы.
Если на опору в одной вертикальной плоскости действует не-
сколько горизонтальных сил Р} , Р->,..., Рц с плечами /7], //2, •••’ Н
и моментов А/|, Л/э,..., Л//г то для расчета удобно найти суммарный
момент относительно поверхности земли:
п т
(4.29)
Частное отделения Мо на Д, = V равно эквивалентному пле-
чу этой силы H-MQIPO.
Для определения суммар-
ного реактивного момента
составим два уравнения рав-
новесия. Первое из них мо-
жет быть представлено в виде
2л = мо+/н-л| +
+ д2=о, <4-30>
где R\ и Лт — равнодей-
ствующие сил реакций грун-
та на боковые стенки.
Второе условие равно-
весия — сумма моментов от-
носительно точки О:
Рис. 4.27. Расчетная схема нагрузки при-
зматического фундамента в предельном
состоянии
хм = мо + Л/Л1 - л/л2 -
- Npe = 0.
191
В этих уравнениях
R - ту° v •
к\ - 2 у°’
R,.
- 2 2 J
Соответственно
2
М R\ = ~Уо!
2 2
а/«2=№+«2)-л-/?1-у0,
(4.31)
(4.32)
где »п’о и mh — предельные давления на боковые стенки соответ-
ственно на глубине г0 и Л.
Значения величин из выражений (4.31) подставим в уравнение (4.30):
Мо
—— + т
(А2 2
у-З'о
(4.33)
Подставляя выражения (4.31) в (4.32) и полученный результат
в (4.7.9), получим
М,
-Npe~Q.
3 3
\ /
Из уравнения (4.33) можно определить
(4.34)
о
УО
(4.35)
Исследования показывают, что значение у() для опор контакт-
ной сети изменяется в очень небольших пределах, оставаясь всегда
близким к ^Л2/2 . Это соответствует случаю, когда на опору дей-
ствует только опрокидывающий момент, а горизонтальная и вер-
тикальные силы равны нулю. Другими словами, второй член под-
192
коренного выражения (4.35) всегда значительно меньше первого.
Такое соотношение позволяет упростить выражение (4.35). Выне-
сем h2/2 за знак радикала и используем известное положение тео-
д--- 1 а
рии приближенных вычислении (V > + « = J + ~
при п«1), тогда
1гтН
(4.36)
Найдем значение г03. После возведения в степень множителя
в скобках отбросим два члена уравнения из-за их малого значе-
ния. Тогда
з /г3 / ЗЛ/О \
Vo = 77T 1+7^7 ’ (437)
£ 2у12\ h тИ)
I Величину г 3 из выражения (4.37) подставим в формулу (4.34)
I и после преобразований получим
1 ( . \ Л3 2 Л3 / ЗЛ/О \
j \Л7О-Npe)- — - _ /уН+ 7 ]• (4.38)
ш 3 3 2V2 \ h mH)
Решим уравнение (4.38) относительно Л/о:
0,1м//’ + N пе
д/ =----------
о — I
. 15,1
V2H
J Если на опору и фундамент действует только опрокидывающий
t момент, то
<•
F p() = i/;=o и н=л/0/р0 = оо.
Предположим, что в формуле (4.39) Н = оо, тогда
+N с.
о р
К1 Кон 1 актные сети
(4.40)
193
В выражениях (4.39) и (4.40) не известно значение е. Оно
d а
может быть найдено из условия, что е = ~2~~2 ^см' Р,1С‘ 4-27). Так-
как а = 2V / (/соп/7), то
е~ d/2 - N K2konb), (4.41)
где к = 0,7 — коэффициент однородности; оп — предельное давле-
ние грунта на подошву фундамента (см. таблицу); b и d— ширина
и толщина фундамента. Значение е примерно равно 0,4г/.
Определение допустимой нагрузки для фундамента. Приведен-
ные выше выводы и расчетные формулы для определения предель-
ной горизонтальной силы и предельного момента даны для неко-
торых обезличенных условий. Согласно принятой терминологии
условным назван фундамент призматической формы прямо-
угольного поперечного сечения (без лежней пли с лежнями), зако-
панный на горизонтальной площадке при отсутствии в непосред-
ственной близости железнодорожного пути и при нагрузке, в ко-
торой доля постоянной составляет 35 %. Всякий фундамент, усло-
вия работы которого будут отличаться от приведенных, называю!
заданным. Предельную нагрузку для заданного фундамента опре-
деляют, умножая предельную нагрузку условного фундамента на
коэффициенты условий работы, значения которых установлены
опытным путем. В соответствии с этим предельную нагрузку для
призматического фундамента другой формы и в других условиях
работы определяют по выражению
Л/ = Л/0/»ф/пот»?вб/пу7пп/пнг. (4.42)
где in — коэффициенты, учитывающие: — форму поперечного
сечения; тт — очертание поверхности грунта в месте расположе-
ния фундамента; ш()й — вибрации (колебания) грунта около
фундамента от проходящих поездов: ш — повышенное уплотне-
ние грунта при забивке фундамента; шнг — долю постоянной на-
грузки в суммарной.
Коэффициент и»ф для фундамента без лежней прямоугольного
сечения рекомендуется принимать равным единице, круглого — 0,9
и двутаврового — 1.1 (при действии усилия вдоль его стенки, т.е.
194
перпендикулярно полке). Коэффициент »?от при нагрузке, действу-
ющей в плоскости, перпендикулярной бровке земляного полотна,
определяют по рис. 4.28 в зависимости от очертания поверхности
грунта в месте установки фундамента и направления горизонталь-
ной нагрузки. Если нагрузка действует в плоскости, параллельной
бровке земляного полотна, шот принимают равным единице.
При вибрации (колебании) грунта около фундамента от прохо-
дящих поездов, т.е. для опор, устанавливаемых в теле земляного
полотна главных путей, коэффициент швб = 0,9, а при отсутствии
колебаний швб = I. Коэффициент /и принимают равным единице
для закапываемых фундаментов, т. е. устанавливаемых в котлова-
не. вырытых вручную или буровой машиной; 1,2 — для свайных
фундаментов сплошных сечений и пустотелых, забитых с закры-
тым концом; 1,1 —для свайных пустотелых фундаментов, забитых
с открытым концом, двутавровых и трехлучевых. Коэффициент
/пп—I при расположении фундамента за кюветом или при расстоя-
нии от оси пути до ближайшей грани фундамента более 4 м, или
0 0.1 0.2 0.4 0.6 О.8 >1.(
0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
0.1 0.9 0.9 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
0.2 0.8 0.8 о.о 1.0 1.0 1.0 1.0
0.3 0.7 0.7 0.8 0.9 1.0 1.0 1.0
0.4 0.6 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.0
0.5 0.5 1».5: 1.6 0.7 08 О.У 1.0
>0.7 0.4: 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
\т. h h'l\ 0 0.2 o.3 0.5 >03
0 1.0 1.0 l,o 1.0 1.0
0.2 0.9 1.0 1.0 1.0 1.0
0.4 0.8 0.9 1.0 1.0 1.0
0.6 0.7 o.s 0.9 1.0 1.0
>0.7 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
/< Л’ 0 >0.3
0 1.0 1.0
0.1 0.9 1.0
0.2 0.8 0.9
0.3 0.7 0.8
0.4 0.6 0.7
0.5 0.5 0.6
>0.7 0.45 0.5
Рис. 4.28. Таблицы и схемы для определения коэффициента /»от, учитывающего
влияние очертания поверхности грунта
li 0 0.15 >OJ
0 1.0 1.1 1.2
0.2 0.9 1.0 1.1
0.4 0.8 0.9 1.0
0.6 0.7 0.8 0.9
>0.7 0.6 0.7 0.8
195
при моменте, действующем в плоскости, параллельной оси пути;
шп=1,2 — при моменте, действующем в сторону пути при рас-
стоянии от оси ближайшего пути до передней грани фундамента
менее 3,2 м (при расстоянии от 3,2 до 4 м шп=1,1) и шп=1,1 при
моменте, действующем в сторону поля, и расстоянии от оси бли-
жайшего пути до ближайшей грани фундамента до 4 м.
Перемещение фундамента связано со временем действия силы,
поэтому временные нагрузки оказывают меньшее влияние, чем
постоянные, поэтому коэффициент /и определяется по формуле
шнг = 1/(0,5 + 1,431;). (4.43)
где — коэффициент, характеризующий долю постоянной нагруз-
ки в суммарной.
Если = 0,35, то - 1 (для условного фундамента все коэф-
фициенты равны 1,0, а - 0,35). При расчетных моментах Л/рп (от
постоянной нагрузки) и Л/рв (от временной нагрузки), дейст-
вующих в одном направлении,
§ = Л/рп/(Л/рп+Л1рв). (4.44)
Выражение (4.44) верно при H»h, т.е. практически всегда при
расчете фундаментов опор контактной сети, так как высота опоры
И всегда > глубины заделки грунта Л. Если действует только по-
стоянная нагрузка (§ = 1), то шН| = 0,5 (почти двойной коэффици-
ент запаса). Если действует только временная нагрузка (5 = 0), то
шнг - 2, т.е. допускается вдвое большая нагрузка, чем предельная.
При действии моментов Л/рп и Л7рв в противоположных направле-
ниях, когда Л/рп<Л/рп, /??иг = 2,0. Если Л/рп > Л/ то расчет вы-
полняют только на действие момента Л/ при /пнг = 0,52.
Определим допустимое давление на подошву фундамента, учи-
тывая, что при расчетах фундамента всегда необходимо проверять
его также на действие только вертикальной нагрузки. Вертикаль-
ному перемещению фундамента препятствуют возникающие реак-
ции грунта на подошву и сила трения между боковыми стенками
фундамента и грунта. Это перемещение несколько увеличивается,
если возникает вибрация грунта от проходящих поездов. В соот-
ветствии с этим допустимая вертикальная нагрузка
Wp = 0,7(швб1/Лт + onFn), (4.45)
[96
где и — периметр попе-
речного сечения фунда-
мента (для фундамен-
тов таврового, двутав-
рового сечения пери-
а
метр определяют по
контурам, показанным Рис. 4.29. Расчетная схема для определения
на рис 4 29);/? глуби- расчегного периметра таврового (а), двутав-
. ’ рового (б) и трехлучевого (в) сечений
на фундамента; т -— пре-
дельное удельное сопро-
тивление трения грунта по вертикальной поверхности фундамента
(для закопанных фундаментов независимо от категории грунта ре-
комендуется принимать 9.81 кПа); оп — предельное давление грунта
на подошву фундамента (см. таблицу); Fn — площадь подошвы за-
капываемого фундамента или плиты, на которую он опирается.
Свайные фундаменты, как правило, на вертикальную нагрузку
не проверяют.
Для закрепления поддерживающих и опорных конструкций в
грунте разработаны типовые способы и конструкции подземной
части, включая и непосредственную заделку железобетонных опор.
При выборе стремятся использовать типовые решения. Способ зак-
репления опор в грунте выбирают по нормативному изгибающему
моменту опоры. При этом учитывают все условия, определяемые
местом установки опоры: габарит относительно оси пути, направ-
ление действия опрокидывающего момента, характеристики грун-
та, поперечный профиль (площадка, насыпь или выемка).
197
ГЛАВА 5
ИЗОЛИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
В КОНТАКТНЫХ СЕТЯХ И ЛЭП
5.1. Основные параметры
Изолирующие элементы входят во все подсистемы контактной сети
и ЛЭП. осуществляющих электроснабжение железнодорожного транс-
порта, и обеспечивают механическое крепление токопроводящих элек-
т ропотенциальных частей, а также изоляцию их между собой и отно-
сительно заземленных конструкций. Все изолирующие элементы из-
готавливают из диэлектрических материалов электропроводностью
менее 10 7 — 10 х Ом/м, которые могут быть использованы для этих
целей только при напряжениях, не превышающих предельных значе-
ний, характерных для них в определенных условиях. Если напряже-
ние будет выше указанных предельных значений, то наступает про-
бой — полная потеря изоляционных (диэлектрических) свойств.
Электрическая изоляция контактной сети подвергается воздей-
ствию нескольких видов напряжений. Во-первых, это длительно
действующие рабочие напряжения, достигающие на линиях посто-
янного тока 4 кВ и переменного 29 кВ. Во-вторых, на контактную
сеть воздействуют кратковременные внутренние перенапряжения,
возникающие при включениях и отключениях различных элемен-
тов контактной сети, а также при аварийных режимах. Опасными
внутренними перенапряжениями являются перенапряжения при от-
ключении коротких замыканий ненагруженных участков контакт-
ной сети и трансформаторов. На участках постоянного тока наи-
более опасны перенапряжения при отключении фидерными вык-
лючателями коротких замыканий вблизи тяговой подстанции или
поста секционирования. Такие перенапряжения достигают значе-
ний 10— 11 кВ с длительностью 10—15 мс.
На участках переменного тока перенапряжения при отключении
ненагруженных трансформаторов могут дост игать более чем трехкрат-
ного значения максимального рабочего напряжения в контактной сети
При отключении контактной сети без нагрузки напряжение нс
превышает 2,5Цпах. Перенапряжения до (1,5-5-2,0) t/niax имеют дли-
тельность 0,4 0,6 с, а более 2(7n,„Y — 50—70 мс.
198
К третьему виду напряжений относятся грозовые, или атмос-
ферные, перенапряжения, которые повреждают изоляцию при пря-
мых ударах молнии в опору или контактную подвеску. Время их
воздействия очень мало — 10—100 мс, однако максимальные зна-
чения их могут достигать миллионов вольт (при отсутствии специ-
альных мер защиты). Таких высоких напряжений не выдерживает
никакая изоляция. Поэтому атмосферные перенапряжения стара-
ются ограничить до приемлемых значений с помощью специаль-
ных устройств (разрядников).
Проектируемый уровень изоляции должен соответствовать воздсГici ву-
ющпм на изоляцию напряжениям, принятым защитным мерам и целесо-
образному запасу электрической прочности, обеспечивающему необходи-
мую надежное! ь. Такоесогласованис называется координацией изоляции.
Уровень изоляции выбирают, исходя из расчетных кратностей
внутренних перенапряжений. Основной характеристикой изоляции
является мокроразрядное напряжение, значение которого для кон-
тактной сети переменного и постоянного тока
ЧФ= *вНЦ|шЛ90.
где А|(Н расчетная кратность внутренних перенапряжений;
Цпах— максимальное рабочее напряжение в контактной сети, кВ.
Коэффициент 0,9 в формуле учитываст разницу между напря-
жением в эксплуа танин и разрядным напряжением, полученным при
испытаниях, а поправочный коэффициент [> — условия эксплуата-
ции изолятора; его принимают равным 0,94.
В контактной сети переменного тока расчетная кратность внутрен-
них перенапряжений может быть принята равной 3. Тогда мокрораз-
рядное напряжение изоляции должно быть не менее
Г = 3-29/0.9-0,94 = 100 кВ.
Уровень изоляции в анкеровках проводов контактной сети дол-
жен быть на 25—30 % выше уровня изоляции для других узлов и
составлять 125 130 кВ.
Расчетная кратность внутренних перенапряжений в контактной
сети постоянного тока также не превышает трех, поэтому мокро-
разрядное напряжение изоляции должно быть не менее
I/' = 3-4/0.9-0.94 = 15 кВ.
199
Пробивное же напряжение роговых разрядников на участках по-
стоянного тока принимают 32—34 кВ, т.е. на 15—20 % ниже разряд-
ного напряжения защищаемой изоляции. С учетом этого изоляция
контактной сети постоянного тока должна выдерживать мокрораз-
рядное напряжение не менее 34-1,2=40 кВ, а анкерная изоляция, как
и при переменном токе, на 25—30 % выше, т.е. не менее 50 кВ.
Мокроразрядные напряжения гирлянд тарельчатых изоляторов
<7МГ прямо пропорциональны числу изоляторов в гирлянде п:
L/r = EriH,
где Ем — среднее значение мокроразрядного градиента, кВ/мм (для
фарфоровых тарельчатых изоляторов Еы - 0,21 кВ/мм, для стек-
лянных Ем = 0,26 кВ/мм);
Н— конструктивная высота одного изолятора, мм.
Классифицируют изолирующие элементы по материалу, конструктив-
ному исполнению и области применения (рис. 5.1). Они могут быть изго-
товлены из твердых, пластичных, иногда из газообразных и жидких диэ-
лектрических материалов. По конструктивному исполнению различают:
прост ые изолирующие элементы—покрытия, краски, напыления, втул-
ки (рис. 5.2, о), прокладки (рис. 5.2, 6), шайбы (рис. 5.2, в), колпачки
(рис. 5.2, г); без специальных узлов присоединения—бруски (рис. 5.2, <)),
стержни; сузлами присоединения—подвесные и стержневые изоляторы,
штанги соконцевателями; комбинированные—стеклопластиковые стерж-
ни сзащитной кремнийоргагшческой смазкой и фторопластовыми чехлами
(рис. 5.2, е), скользуны (рис. 5.2, ж) и т. д. По применению изолирующие
элементы подразделяют в зависимости от типа линии: для высоковольтных
и низковольтных ВЛ; для контактной сети, для кабельных линий.
Наиболее многочисленным классом среди изолирующих элементов
являются изоляторы, к которым относятся т акже изолирующие элемен-
ты секционных изоляторов (СИ) контакт ной сети и опорные элементы
разрядников и разъединителей. Их классифицируют: по конструкции —
тарельчатые (рис. 5.3, а, б, в), стержневые (рис. 5.3, г, д, ё), вставки, втул-
ки, скользуны, опорные, штыревые, орешковые (рис. 5.3, о), седлооб-
разные; по направлению приложения нагрузок и месту установки —
подвесные, натяжные, фиксаторные (рис. 5.3, ж, з, и), консольные
(рис. 5.3, к, л), штыревые (рис. 5.3, м, /г); по материалу — стеклянные,
фарфоровые, полимерные, из дельта-древесины (один из видов дре-
200
веснослоистых пластиков; изготавливается путем прессования или
склеивания березового шпона, пропитанного феноло- или крезо-
ло-формальдегидной смолой); по напряжению — 1, 3, 10, 20, 25 и
35 кВ и т.д. Кроме того, их классифицируют: по группам; услови-
ям работы; номинальному напряжению; механической прочности;
номинальному току (только проходные). Совокупность всех этих
признаков определяет тип изолятора, поэтому при выборе необхо-
димо знать его основные электромеханические характеристики.
Изолирующие элемент ы контактных сетей и ЛЭ11
1 1 |
Материал Конструктивное исполнение Узлы подсистем, в которых могут быть применены элементы
Фарфор Изоляторы Гарел истые Гирлянды
Стекло Стержневые Анкеровки
Древесина Штыревые Фиксаторы
Консоли
Стеклопластик
Фторопласт Орешковые и седлообразные Секционные изоляторы
Секционные разъединители
Резина кремнийорга- пическая
Опорные ОПН, разрядники
Капрон Натяжные элементы Сопряжения
Масло Вставка Струнки
Лак Скользуны Закладные детали
Компаунд Прокладки Хомуты
Бетон Втулки Заземленные проводники
Слюда Шайбы Анкерные болты
Краска Трубка эластичная Анкерные оттяжки
Полимеры прессование Двутавр Волноводы
Швеллер Кронштейны
Труба Траверсы
Покрытия Фундаменты
Колпачки Поперечина
Бруски Искровые промежутки
Шнур Муфты кабельные
Рис. 5.1. Классификация изолирующих элементов контактных сетей и линий элек-
тропередачи по материалам, конструкциям и области применения
201
Рис 5.2. Конструкции изолирующих элементов: для консолей и кронштей-
нов — втулки («); хомутов — прокладки (о): основании опоры — шайбы (в);
полиэтиленовые колпачки (г); прессованные бруски (<)); полимерные стерж-
ни (е); скользуны (ж)
11 202
I; ________________________________________
127/146
3 ФСФ70-25/0.95
203
Рис. 5.3. Конструкции серийных изоляторов: стеклянные подвесные—тарельча-
тые под пестик («), грязестопкпе (б), с увеличенными ребрами (в); фарфоровые
стержневые — подвесные на 3 кВ (г), натяжные на 3 (б) и 25 кВ (с); фиксаторные
тарельчатые (и) и стержневые на 3 (ж) и 25 кВ (з); консольные стержневые на 3
(к) и 25 кВ (л): штыревые 10 (.и) и 0.4 кВ («): орешковые 0,4 кВ (о)
204
wnffiTfll
К основным характеристикам для всех изолирующих элементов
контактной сети и ЛЭП (в том числе изоляторов) относятся: геомет-
рические параметры, сухоразрядное, мокроразрядное и импульсное
разрядное напряжения, механическая прочность при различных ус-
ловиях приложения нагрузки. Характеризующими параметрами изо-
ляторов являются: строительная высота А, наибольший диаметр d,
длина пути утечки тока по поверхности /1(, кратчайшее расстояние
между электродами /с (от которого в основном зависит сухоразряд-
ное напряжение) и мокроразрядное расстояние /м.
Сухоразрядным называют напряжение промышленной частоты,
приложенное к электродам изолятора, при котором по его сухой и чис-
той поверхности происходит искровой разряд, а мокроразрядным —
такое же напряжение при воздействии равномерных водяных струй,
падающих под углом 45° на поверхность изолятора. Мокроразрядное
напряжение всегда меньше сухоразрядного. Пробивным называют наи-
меньшее напряжение промышленной частоты, при котором происхо-
дит электрический пробой через материал изолятора; его путь пред-
ставляет сквозной канал, способный пропускать электрический ток.
Основную механическую характеристику изолятора—гаранп 1рован-
ную механическую прочность на изгиб или растяжею ie—определяют при
плавном увеличении нагрузки до величины, при которой происходитего
видимое разрушение. Для подвесного изолятора дополнительно указывают
электромеханическую прочность, определяемую при одновременном при-
ложении к нему механической нагрузкии напряжения, равного 75—80%
сухоразрядного. Подвесные изоляторы должны выдерживать в течение I ч
нагрузку, равную0,75 электромеханической прочности при одновремен-
ном приложении указанного напряжения. Для подвесных изоляторов кон-
тактной сети, испытывающих значительные динамические воздействия от
ЭПС, максимально допустимые эксплуатационные усилия ограничивают-
ся половиной часовой испытательной нагрузки.
Коэффиш 1ент запаса механической прочности изоляторов по отноше-
нию к их нормированной разрушающей силе должен быть не менее 5,0
при средней эксплуатационной нагрузке и 2,7 при наибольшей. При сум-
марных нагрузках, превышающих 14 кН (1400 кге), в натяжных изоляци-
онных узлах устанавливают изоляторы класса 120 либо две параллельно
соединенные гирлянды изоляторов класса 70. Отклонение гирлянды под-
весных изоляторов от вертикали вдоль пути не должно превышать 15°.
205
Благодаря более рациональной форме тарельчатые подвесные стек-
лянные изоляторы при меньших габаритах, чем аналогичные фар-
форовые, имеют одинаковые с ними сухоразрядное и мокроразряд-
ное напряжения. Выдерживая гораздо большую электромеханическую
нагрузку, они оказываются экономичнее фарфоровых, особенно в се-
тях переменного тока. Кроме того, преимуществом стеклянных изо-
ляторов перед фарфоровыми является их способность к самодефек-
тировке, так как при пробое стекло осыпается и повреждение изоля-
тора может бы ть выявлено визуально. Полимерные изоляторы проч-
нее, надежнее и легче фарфоровых и стеклянных, но значительно до-
роже и требуют специальных мер зашиты. Кремнийорганические изо-
ляторы защищены от вандализма за счет гибкости материала.
Электрическим испытаниям, измерениям сопротивления изоля-
ции и маркировке не подвергаются стеклянные, полимерные и стер-
жневые фарфоровые изоляторы.
5.2. Конструкция простых изоляторов
Штыревые изоляторы предназначены для ВЛ напряжением 0.4; 10
и 20 кВ, расположенных как на опорах контактной сети, так и на само-
стоятельных опорах. Для их крепления на кронштейны или траверсы опор
устанавливают специальные штыри (в деревянные опоры ввинчивают-
ся крючья), на которые надевают изоляторы с помощью напрессованных
полиэтиленовых колпачков (см. рис. 5.2, г). Фарфоровые штыревые изо-
ляторы выпускают серийно на напряжения 1. 10 и 20 кВ. в том числе
марок ШФ10-Г, ШФ20-Г, что означает; Ш — штыревой (способ крепле-
ния); Ф— фарфоровый (материал); 1,10или20 —класс изолятора (но-
минальное напряжение, кВ); Г — конструктивное исполнение). Приме-
няют также стеклянные штыревые изоляторы на напряжение 10 кВ ма-
рок ШС10-В, ШС10-Г, ШС10-А (см. рис. 5.3, .и) и др.
Фарфоровые изоляторы марки ТФ на напряжение 1 кВ выпол-
нены в виде цилиндра, имеющего снизу так называемые «юбки», а
наверху шейку и углубление для укладки провода и закрепления
вязальной проволоки (см. рис. 5.3, и). Они воспринимают боковую
и вертикальную нагрузки.
Орешковые изоляторы (см. рис. 5.3. о) предназначены для установ-
ки в струнках контактной подвески, волноводах, оттяжках мачт,
206
антенн и рассчитаны на незначительные электрические напряже-
’ ния. Конструктивно изолятор представляет объемный эллипс с дву-
мя перпендикулярно расположенными сквозными отверстиями для
прохода изолируемых проводов. Таким образом, фарфор ореш-
ковых изоляторов работает на сжатие.
Седлообразные изоляторы предназначены для работы на растя-
жение при напряжениях более высоких, чем у орешковых, напри-
мер, в двухпроводных п трехпроводных секционных изоляторах.
Конструктивно седлообразные изоляторы аналогичны Орешко-
вым, но дополнены фарфоровыми «юбками», обеспечивающими
увеличение диэлектрической прочности.
Изолирующие втулки (см. рис. 5.2, а. в) устанавливают на опо-
рах контактной сети в качестве изолирующих элементов между
опорой и закладными деталями с закрепленными на них консо-
j лями, металлическими кронштейнами и другими устройствами
контактной сети, а также между анкерными болтами фундамен-
тов и фланцами стоек опор. Изолирующие втулки изготавлива-
ют из прессматсриала АГ-4С. а также из полиэтилена 271.
Изолирующие прокладки и пластины (см. рис. 5.2. б) предназна-
J чены для изоляции хомутов крепления металлических консолей и
кронштейнов от поверхности железобетонной стойки опоры. Они
изготавливаются из фибры или полиэтилена 271 (273).
Изолирующие колпачки применяются в узлах изоляции фунда-
ментов от опор в системе контактной сети КС-200.
Изолирующие шайбы предназначены для тех же целей, что и изо-
лирующие колпачки. Изготавливают их из стеклотекстолита тол-
щиной 3 мм или полиэтилена 271 (273).
К простым изоляторам относят также изоляторы для крепления кон-
тактного рельса.
’ 5.3. Конструкция сложных и комбинированных изоляторов
Тарельчатые изоляторы (см. рис. 5.3. а. б, в) имеют изолирующий
элемент в виде «тарелки» с несколькими нижними «юбками». Пере-
дача механической нагрузки обеспечивается закрепленной на «тарел-
ке» сверху чугунной «шапкой» с узлом крепления под пестик или под
трубную резьбу (у фиксаторных изоляторов) и стержнем, заделанным
207
в «тарелку» специальным цементом. При этом нижний конец стерж-
ня оканчивается в виде серьги или пестика для крепления арматуры.
Тарельчатые подвесные изоляторы — фарфоровые и стеклянные —
соединяют в поддерживающие или натяжные гирлянды: по 2 на ли-
ниях контактной сети постоянного тока и по 3—5 (в зависимости от
условий загрязнения воздуха) — переменного. Количество изолято-
ров в гирляндах ВЛ зависит от напряжения линии.
Натяжные гирлянды изоляторов устанавливают в узлах анке-
ровки контактных проводов, проводов ВЛ, в несущих тросах кон-
тактной сети над секционными изоляторами, в фиксирующих тро-
сах гибких и жестких поперечин (секционирующие).
Фиксаторные тарельчатые изоляторы (см. рис. 5.3, и) отлича-
ются, как уже указывалось, от других внутренней резьбой для
ввертывания конца трубы в чугунную «шапку».
На сети электрифицированных железных дорог эксплуатиру-
ются тарельчатые подвесные стеклянные изоляторы нормального
исполнения (ПС70-Е, ПСВ120-Б) и грязестойкие (ПСД70-Е,
ПСВ120-Б), а также изоляторы марок ПСС70-А, ПСС70-Б, ПС70-
Д, Г1Ф70-А. ПФ70-Д. ПФ70-Ж. ПТФ70. ПТФ70-3.3/5. СФ70-А.
ПФС70-А, ПСС120-Б. ПСА120-А, ССА120-А.
Первая буква условного обозначения тарельчатого изолятора оп-
ределяет его назначение: П — подвесной; вторая буква — материал
изоляционной детали («тарелки»), С — стекло. Ф — фарфор; третья
буква — конфигурацию «тарелки»: В — с вытянутым ребром, Д —
двукрылая. С — сферическая, А — антивандальная; цифры пока-
зывают класс изолятора (механическую разрушающую силу при
растяжении, кН); буква после цифры — модификация изолятора
Часть подвесных тарельчатых изоляторов имеет обозначение е
первой буквой С. означающей вид соединения типа «серьга»
(СФ70-А, ССА120-А). Пример условного обозначения изолятора
подвесного тарельчатого стеклянного с вытянутым ребром клас-
са 120 кН, модификации Б: ПСВ120-Б.
Стержневые изоляторы представляют собой протяженные конеч
рукции. оконцованные с обеих сторон металлическими шапками; сред-
няя часть (изолирующая деталь) изолятора выполнена в виде ребрис-
того цилиндра из диэлектрика (фарфор, стеклопластик). Они приме-
няются в качестве: натяжных (секционирующих) с двумя серьгами
(см. рис. 5.3. д). фиксаторных — с серьгой и внутренней трубной
208
резьбой 1" (см. рис. 5.3, з); консольных—с серьгой с одной стороны и
втулкой с отверстием под трубу диаме тром 2" ( см. рис. 5.3, к).
В контактной подвеске переменного тока консольные фарфоровые
и полимерные стержневые изоляторы устанавливают в подкосах изо-
лированных консолей (см. рис. 5.3, л). Они имеют повышенную меха-
ническую прочность, так как они работают на изгиб. В тягах изолиро-
ванных консолей используются фарфоровые стержневые изоляторы.
Их также применяют в устройствах изоляции роговых разрядников.
В эксплуатации на контактной сети находятся стержневые фарт)ю-
ровые изоляторы подвесного (ПСФ) (см. рис. 5.3, г), натяжного (НСФ)
(см. рис. 5.3, д, е), консольного (КСФ) (см. рис. 5.3, к, л) и фиксаторного
(ФСФ) (см. рпс.5.3, ж, з) исполнения. Первая буква их условных обо-
значений показывает назначение изолятора: П — подвесной, Н — на-
тяжной, Ф — фиксаторный, К — консольный; вторая буква — конст-
руктивное исполнение: С — стержневой; третья буква — материал изо-
ляционной детали: Ф - - фарфор; первое число — класс изолятора (нор-
мированная разрушающая сила при растяжении, кН); второе — номи-
нальное напряжение, кВ; третье —длину пути тока утечки, м.
Условное обозначение фиксаторного стержневого фарфорово-
го изолятора класса 70 кН на номинальное напряжение 25 кВ с
длиной пути тока утечки 0,95 м: ФСФ70-25/0,95.
Полимерные изоляторы эксплуатируются в контактных сетях пере-
менного тока 25 кВ и постоянного тока 3 кВ. Основными элементами
таких изоляторов являются стержень из однонаправленного стекло-
пластика, защитная полимерная оболочка и металлические оконце-
ватели. По назначению изоляторы подразделяются на подвесные, на-
тяжные (рис. 5.4. а д, з, и), консольные (рис. 5.4, ж) и фиксаторные
(рис. 5.4, с). Все приведенные старые обозначения изоляторов суще-
ствовали до введения в действие ГОСТ Р-51204 и поэтому их услов-
ные обозначения несколько отличаются от его требований.
Для врезки в провода контактной подвески разработаны раз-
личные полимерные стержневые изоляторы, например, натяжные
секционирующие (см. рис. 5.4, и), имеющие изолирующую часть дли-
ной 1200 мм. Опп могут быть установлены в тягах изолированных
консолей, а также в тросах гибких поперечин.
Полимерные стержневые изоляторы с сердечниками из стекло-
пластика и ребрами из кремнийорганического эластомера приме-
няют в качестве антпвандальных, подвесных, секционирующих и
фиксаторных изоляторов.
14 Контактные сеш
209
Серийно выпускаются изоляторы: НСК 120-3/0,6 (см. рис. 5.4, а),
НСК 120-25/1,2 (см. рис. 5.4, б), НСКр 120-3/0,6 (см. рис. 5.4, в),
НСФт 120-3/0,6 (см. рис. 5.4, г), НСФт 120-3/0,8, ФСК 120-3/0,6
(см. рис. 5.4. е), КСК 120-6-3/0,6 (см. рис. 5.4, ж), ЭСФт 70-3/0,6
(см. рис. 5.4, з), ЭСФт 70-25/1,0 (см. рис. 5.4,//). Первая буква условного
обозначения изолятора определяет его назначение: Н — натяжной, Ф —
фиксаторный, К—консольный, Э—элемент изолирующий; вторая бук-
ва — конструктивное исполнение: С—стержневой; третья буква (пли
сочетание прописной и строчной буквы)—материал и конфигурация за-
щитной оболочки: К—гладкая из кремнийорганической резины, Кр—
ребристая из кремнийорганической резины, Фт — гладкая из фтороплас-
та; первая цифра — класс изолятора (нормативная разрушающая сила
при растяжении, кН); вторая цифра — номинальное напряжение кон-
тактной сети, кВ (для натяжных и фиксаторных изоляторов) или нор-
мированная разрушающая сила при изгибе, кН (для консольного изо-
лятора); третья цифра — длина пути утечки тока, м (для натяжных и
фиксаторных изоляторов) или номинальное напряжение, кВ (для кон-
сольного изолятора); четвертая цифра (для консольного изолятора) —
длина пути утечки тока, м.
Пример условного обозначения полимерного натяжного стержневого
изолятора с гладкой оболочкой из фторопласта класса 120 кН. на номиналь-
ное напряжение25 кВ с длиной пути тока утечки 1.2 м: НСФг 120-25/1,2.
Изолирующие вставки в основном используют в конструкциях сек-
ционных изоляторов постоянного и переменного тока (в этом случае
некоторые вставки-скользуны при соответствующем покрытии допус-
кают скольжение по ним токоприемников), а также в качестве анти-
вандальных в местах крепления проводов контактной сети к искусст-
венным сооружениям.
В секционных изоляторах на линиях постоянного тока применя-
ют полимерные изолирующие элементы в виде прямоугольных брус-
ков (см. рис. 5.2, <)) из прессованного стеклопластика ЛГ- 4С, а на
линиях переменного тока — в виде цилиндрических стеклопласти-
ковых стержней, на которые надеты электрозащитные чехлы из фто-
ропластовых труб (см. рис. 5.2, о, ж). Для таких изоляторов разра-
ботана также комбинированная полимерная вставка, состоящая из
сердечника (АГ-4С), воспринимающего механическую нагрузку, и
электрозащитного облицовочного слоя из стеклоткани СТК-9, про-
питанной кремнийорганическим лаком КМ-9.
210
211
Скользуны. В секционном изоляторе скользуны выполнены из
нресс-материала АГ-4С, а в других вариантах таких же изолято-
ров применен раздвоенный фигурный скользун (см. гл. 6.) Снару-
жи замкнутого контура, образованного двумя изолирующими эле-
ментами, установлены два боковых скользуна. Натяжение контак-
тного провода передается непосредственно на изолирующие эле-
менты через стыковые зажимы. Контактные элементы скользунов
соединены с поддерживающими их элементами регулировочными
стержнями, что позволяет производить регулировку скользунов
по высоте и углу подхвата.
Скользун английской фирмы BICC позволяет полозу токоприемни-
ка проходить непосредственно по его поверхности. Он состоит из вы-
сокопрочного стекловолокнистого однонаправленного полиэфирного
стержня диаметром 9,5 мм и длиной 1400 мм. От образования токоп-
роводящих дорожек и истирания полозом токоприемника его поверх-
ность защищена водонепроницаемым чехлом из набора цилиндричес-
ких втулок и фигурных фторопластовых шайб.
Опорные изоляторы предназначены для изоляции токопроводящих
элементов (токопроводов, шин, ножей разъединителей, губок и пр.) и
восприятия воздейст вующих на них вертикальных и боковых сил. Ра-
стягивающие усилия у них не нормируются. Металлические шапки изо-
ляторов имеют отверстия для болтового крепления. Конструкция изо-
ляторов определяется уровнем напряжения. Так изоляторы ОНС-35 рас-
считаны на напряжение 35 кВ, а И ШД-10—на 10 кВ. Конструктивно
оба типа имеют аналогичные изолирующие элементы разной высоты с
ребрами различных диаметров.
212
ГЛАВА 6
УСТРОЙСТВА СЕКЦИОНИРОВАНИЯ
КОНТАКТНОЙ СЕТИ И ЛЭП
Для обеспечения надежной работы и удобства обслуживания
электрические сети секционируют, т.е. разделяют на участки (сек-
ции), которые могут быть электрически изолированы один от дру-
гого. Такое деление контактных сетей обеспечивает: локализацию
места повреждения без нарушения движения поездов на осталь-
ных участках; выведение в ремонт отдельных секций с пропуском
поездов по другим; минимальные потери напряжения, влияющего
на скорость движения ЭПС, и мощности (энергосбережение).
Для секционирования контактной сети используют изолирую-
щие сопряжения анкерных участков, нейтральные вставки и сек-
ционные изоляторы. Секции подключают и отключают секцион-
ными разъединителями и переключателями секций станций сты-
кования. Деление контактной сети на секции, расположение тяго-
вых подстанций, постов секционирования и питающих линий, раз-
мещение и присоединение секционных разъединителей показыва-
ют на схемах питания и секционирования электрифицированных
участков, используя принятые условные обозначения (рис. 6.1).
Оптимальные варианты схем секционирования должны содер-
жать минимальное количество оборудования, максимально удов-
летворять всем требованиям при низких приведенных затратах.
6.1. Схемы секционирования контактных сетей станций и
перегонов
Для электрифицированных однопутных и двухпутных участков
железных дорог приняты принципиальные схемы питания контактных
сетей от тяговых подстанций, обеспечивающие минимальные потери,
селективную работу защит при повреждениях и подачу разных напря-
жений на переключаемые секции станций стыкования (рис. 6.2).
Секционирование станций зависит от наличия на них тяговых подстан-
ций, количества путей, парков, депо, погрузочно-разгрузочных путей и т. и.
В местах примыкания перегонов к станциям с обеих сторон контак-
тную сеть делят на секции (продольное секционирование). При этом
213
Рис. 6.1. Фрагмент схемы питания и секционирования контактных сетей
ГВ — пассажирское здание:
ИСК [—пост секционирования:
сопряжение изолирующее:
Условные обозначения к рис. 6.1
А...Ф
— вид разъединителя;
— пост централизации;
ппс — пункт параллельного соединения;
— разъединитель заземляющий с ручным
приводом нормально отключенный;
— то же. нормально включенный;
—светофор четный;
—
—мост железнодорожный;
----- подвеска контактная;
WL — линия электропередачи;
ПЭ — линия продольного
электроснабжения;
— труба водоводная путевая;
— переезд путевой;
изолятор секционный;
— разъедпнптельтель телеуправляемый
нормально отключенный;
— то же, нормально включенный;
---------путь неэлектрифицпрованный;
— • • • — линия питающая;
ГК — пикетная привязка.
контактные сети каждого перегона и каждой станции выделяют в от-
дельную секцию. Исключение составляют перегоны с крупными искус-
ственными сооружениями, контактные сети которых (сооружений)
выделяют в особую секцию. На двухпутных и многопутных участках
контактные сети каждого главного пути также выделяют в отдельную
секцию (поперечное секционирование).
Рис. 6.2. Основные принципиальные схемы питания контактных сетей на одно-
путных и двухпутных участках: одностороннего (а.б); двустороннего (л.г); с по-
стом секционирования (Ас); пунктами параллельного соединения (ж.з): и на
станции стыкования (и); ЭЧЭ — тяговая подстанция; ПС — пост секциониро-
вания; ППС — пункт параллельного соединения; ПГ - пункт группировки
216
Рис. 6.3. Схемы питания и секционирования контактных сетей станций с тяговы-
ми подстанциями на однопутной линии переменного («) и постоянного (б) и двух-
путной линии переменного (в) и постоянного (г) тока и станций без тяговых под-
станций на двухпутной (<)). однопутной (с) линиях, продольном расположении
путей (.»<'). шунтирующей линии (зД посте секционирования (и) и депо (к).
В местах сопряжения продольных секций устанавливают про-
дольные разъединители (рис. 6.3, аз), обозначаемые первыми бук-
вами русского алфавита А, Б, В, Г и т.д. (кроме П).
Поперечное соединение секций осуществляют поперечными разъе-
динителями, обозначаемые буквой П с цифрами. Для принятой схемы
питания участка на ней указывают нормальное положение каждого
разъединителя (включенное или отключенное).
217
Схема питания и секционирования, как правило, должна пре-
дусматривать параллельную работу смежных тяговых подстанций.
Исключение составляют схемы питания на участках, которые рас-
положены за концевыми подстанциями или являются ответвлени-
ями небольшой протяженности от магистрали. Поэтому продоль-
ные разъединители на станциях, где отсутствует тяговая подстан-
ция, должны быть нормально замкнуты (см. рис. 6.3, д-з).
При расположении тяговой подстанции на станции контактные
сети главных путей присоединяют к ней отдельными питающими
линиями, или, иначе, сетевыми фидерами, по которым электричес-
кая энергия передается на устройства распределения энергии (в
конкретном случае иа контактную и рельсовую сети). Фидеры, при-
соединенные к контактным и другим проводам, называют питаю-
щими, а присоединенные к рельсам — отсасывающими.
Схема присоединения зависит от числа путей на перегоне и стан-
ции. На двухпутных линиях постоянного тока на станциях с чис-
лом электрифицированных путей пять и более (кроме главных) пи-
тающие сетевые фидеры соединяют с подвесками каждого главно-
го пути на перегонах через линейные разъединители Фл1, Фл->, Фл4,
Фл5 (см. рис. 6.3, г). Еще одну линию подключают к контактной
сети станции через разъединители Ф3. Ф3( и Ф32- Эта линия, нор-
мально питающая все подвески станции, является в то же время
резервной для перегонных фидеров на случай отключения одного
из них. При такой схеме питание может быть осуществлено через
станционную линию как всей станции, так и перегонов. Однако
применение такой схемы питания требует подвески питающих ли-
ний вдоль всей станции. Площадь сечения проводов каждой из них
должна быть равна площади сечения контактных подвесок на глав-
ных путях перегонов (в медном эквиваленте). На главных путях
станции подвески используют в этом случае только для питания
ЭПС, находящегося на этих путях.
Сетевые фидеры присоединяют к контактной подвеске через сек-
ционные разъединители, которые устанавливаются на станции. При
воздушных фидерах секционные разъединители устанавливают так-
же и у подстанции. Это позволяет отключать питающую линию со
стороны контактной сети и со стороны тяговой подстанции для ее
осмотра и ремонта.
218
Линейные разъединители, удаленные от подстанции, обозна-
чают буквами Фл с соответствующим цифровым индексом. При
длине фидера L < 150 м эти разъединители устанавливают с руч-
ными приводами Фл), Фл?, при L > 750 м — с электрическими при-
водами Фл4, Фл5 (см. рис. 6.3, г)
На двухпутных линиях однофазного переменного тока (см. рис. 6.3, в)
отдельные участки контактной сети питаются от разных фаз
трехфазной сети, что уменьшает неравномерность ес нагрузки.
В месте раздела питания для устранения замыкания полозом то-
коприемника проводов различных фаз устраивают изолирующее
сопряжение с нейтральной вставкой. При пяти и более электри-
фицированных путях (кроме главных) на станции применяют
схему питания и секционирования, показанную на рис. 6.3, в, а
при меньшем числе путей — на рис. 6.3, д. Сетевые фидеры со-
единяют с контактной сетью через линейные разъединители Ф(,
Ф2, Ф4, Ф5, установленные вблизи места подключения. Попе-
речные разъединители П с электрическим приводом, Пр П2 по-
зволяют резервировать каждый из двух фидеров, подключенных
к одноименной фазе. Нормально отключенные разъединители
А и Б с ручным приводом предназначены для подачи напряже-
ния на нейтральную вставку в случае остановки под нею ЭПС.
Места расположения вставок выбирают с учетом профиля ли-
нии на основании тяговых расчетов.
На однопутной линии постоянного и переменного тока сете-
вые фидеры подключают только к контактной сети перегонов
(см. рис. 6.3, а, б). Станцию секционируют с учетом изложенных
выше требований. На станциях с развитой сетью электрифициро-
ванных путей при секционировании допускается присоединять к
контактной подвеске каждого главного пути подвески двух—трех
смежных станционный путей. Поэтому на станциях однопутных ли-
ний с числом электрифицированных путей более четырех и на стан-
циях двухпутных дорог более восьми предусматривают попереч-
ное секционирование (см. рис. 6.3, а).
При секционировании контактной сети станций стыкования пре-
дусматривают секции постоянного и переменного тока, а также пе-
реключаемые. В переключаемую секцию может быть подано на-
пряжение постоянного или переменного тока (рис. 6.2, и). Такие
219
станции секционируют по тем же принципам, что и обычные. Для
обеспечения поездной и маневровой работы число переключаемых
секций должно быть как можно меньшим.
Напряжение любого тока подается на переключаемые секции кон-
тактной сети через специальные переключатели, электрический при-
вод которых блокируют с устройствами управления стрелками и сиг-
налами станции. Управление этими переключателями вводят в сис-
тему маршрутно-релейной централизации станции. При задании
какого-либо маршрута одновременно с установкой стрелок и сиг-
налов в требуемое положение включаются также соответствующие
переключатели, подавая в секции контактной сети сигнал о роде тока
проходящего электровоза. Если на переключаемую секцию вошел
электровоз переменного тока, то подать другое напряжение, пере-
вести стрелки и открыть соответствующие сигналы для входа на дан-
ную секцию электровоза постоянного тока невозможно. После от-
цепки электровоза от состава и выхода его с переключаемой секции
напряжение в последней можег быть переключено на другое, не-
смотря на то, что путь остается занятый составом.
Переключатели и секционные разъединители объединяют в
пункты группировки, которые по их защищенности от влияния кли-
матических факторов разделяют на открытые и закрытые. К каж-
дому пункту подводят по два сетевых фидера: один — переменно-
го, а другой — постоянного тока.
На станциях, имеющих парки или отдельные группы электрифи-
цированных путей,секционирование должно быть выполнено так,
чтобы при отключении одной из секций сохранилась возможность
приема и отправления поездов на остальные секции станции. Для
этого иногда применяют схему с выделением горловины станции в
отдельную секцию. При такой схеме можно отключить любой парк
станции, не снимая напряжения с контактной сети остальных. Под-
вески таких парков питают, как правило, отдельными сетевыми
фидерами от тяговой подстанции.
Независимо от числа электрифицированных путей в самостоя-
тельные секции выделяют контактную сеть путей, на которых вы-
полняют погрузочно-разгрузочные работы, пути осмотра крыше-
вого оборудования и отстоя ЭПС, а также пути экипировки элект-
ровозов. Присоединение контактной подвески этих путей выпол-
220
няют секционными разъединителями с заземляющим ножом, при
отключении которых одновременно заземляется отключенный уча-
сток контактной сети. Это делают для безопасности обслуживаю-
щего персонала при попадании напряжения на подвеску, вблизи
которой выполняется работа.
Питание контактной сети депо на тех станциях, где расположе-
на тяговая подстанция, как правило, предусматривают от специ-
ального фидера. Внутри депо каждую подвеску секционируют от-
дельно и снабжают секционным разъединителем Д с заземляющим
ножом (рис. 6.3, к). Для обеспечения безопасности работ по осмот-
ру и ремонту подвижного состава эти разъединители связаны со
световыми указателями внутри и снаружи депо над воротами со-
ответствующего пути.
Для надежной защиты контактной сети от токов короткого за-
мыкания при параллельной работе подстанций в сеть включают изо-
лирующее сопряжение, которое размещают примерно в середине уча-
стка между двумя смежными тяговыми подстанциями и устраива-
ют в этом месте пост секционирования ПС (см. рис. 6.2, г), с, з), на
котором устанавливают автоматические выключатели. На двух-
путных и многопутных линиях параллельное включение контакт-
ных подвесок главных путей, кроме постов секционирования, мо-
жет обеспечиваться пунктами параллельного соединения, распо-
лагаемыми между постами секционирования и подстанциями.
6.2. Сопряжения контактных сетей и ней тральные вставки
Сопряжением анкерных участков называют соединение двух смеж-
ных участков контактной подвески, обеспечивающее беспрепятст венный
переход токоприемников ЭПС с одного из них на другой. Разделение на
анкерные учаегки и их сопряжение необходимы для: компенсации тем-
пературных и упругих удлинений проводов, улучшающей токосъем; ло-
кализации мест повреждений на перегоне; секционирования (при их со-
впадении по схеме). Они одновременно являются уст ройствами подсис-
темы «Токопроводящие и контактные устройства» и должны рассчиты-
ваться на динамическое взаимодействие с токоприемниками.
Сопряжения можно классифицировать по ряду признаков (рис. 6.4).
Для разных типов подвесок и родов тока, для прямых участков пути п
ЭЭ1
кривых различают неизолирующие (без секционирования контакт-
ной сети — рис. 6.5, а, б, в) и изолирующие (с секционированием кон-
тактной сети) сопряжения анкерных участков без нейтральных вста-
вок (рис. 6.5, г, д'), или с нейтральными вставками (рис. 6.5, е, ж).
Неизолирующие сопряжения выполняют во всех случаях, когда
требуется включить в провода контактной подвески компенсато-
ры. При этом достигается механическая независимость анкерных
участков. Такие сопряжения анкерных участков монтируют в трех,
реже в двух пролетах.
При двухпролетном (простом) сопряжении анкерных участков
пересечение контактных проводов разных анкерных участков об-
разует «жесткую точку», что ухудшает качество токосъема. Наи-
более распространены трехпролетные сопряжения анкерных участ-
Рис. 6.4. Классификация сопряжений анкерных участков контактных сетей
222
1 ков, которые называются также эластичными. Иногда применя-
ются и пятипролетные сопряжения, например на высокоскорост-
ных линиях в Германии. На сопряжениях устанавливают продоль-
ные электрические соединения, площадь сечения которых долж-
на быть равна площади проводов подвесок.
При движении ЭПС по сопряжениям анкерных участков полоза
токоприемников сначала скользят по контактным проводам одно-
го анкерного участка, затем (между переходными опорами) касают-
ся проводов обоих участков. Условия токосъема в переходных про-
летах ухудшены, так как имеет место концентрация приведенной
массы и жесткости контактных подвесок из-за крепления на прово-
дах в переходных пролетах экранирующих полос, защищающая воз-
душные промежутки от пережогов. С целью их улучшения применя-
ют полимерные изоляторы, уменьшающие уклон проводов, обсспе-
< чивают поочередной подхват проводов токоприемниками.
( Для обеспечения электрической независимости сопрягаемых участ-
ков (кроме механической), питаемых разными фазами, сопряжения ан-
кернььх участков выполняют (см. рис. 6.5, е, ж) с нейтральными встав-
ками (участками контактной подвески, на которых нормальное напря-
жение отсутствует) или без них. В последнем случае (см. рис. 6.5, г, Э)
обычно применяют трехпролетныс сопряжения, располагая контак-
тные провода сопрягаемых участков в середине пролета на расстоя-
нии 550 мм один от другого. При этом образуется воздушный про-
межуток, который совместно с изоляторами, включенными в при-
поднятые контактные подвески у переходных опор, обеспечивает
электрическую независимость анкерных участков. Переход полоза
токоприемника с контактного провода одного анкерного участка
на другой происходит так же, как и при неизолирующем сопряже-
нии. Однако при нахождении токоприемника в среднем пролете элек-
трическая независимость анкерных участков нарушается.
Нейтральные вставки применяют при питании контактной сети со-
прягаемых анкерных участков от разных фаз энергосистемы на линиях
’ переменного тока (шли если они принадлежат к разным системам элект-
» роснабжения). При изолирующем сопряжении анкерных участков с ней-
тральной вставкой полоз токоприемника сначала переходит с контакт-
ной подвески одного ан керного участка на контактный провод нейтраль-
ной вставки, а затем на контактный провод другого анкерного участка.
223
Ю
Ю
15 KoHiakiные cein
///500
1,-0.751 11емепсе45м /„=//'’
Э() м
Ось
токоприемника
Сигнал
“От ключии, юк"
"Втсиочить юк"
1„-=0.751
Сигнал
//„+500
Ось
токоприемника
I Управление движения
I
50 м
50 м
Сигнал
“Отключить ток’
Сигнал
“Включить ток
м па эле кт ровозе"
lie менее 140 м
200-15 м
//,,-500
Рис. 6.5. Схемы сопряжения анкерных участков: двухпролетных («): трехпролетных неизолирующих на прямой (о) и
кривой (и); изолирующих на прямой (с) и кривой (И); с нейтральной вставкой для электровозной (е): моторвагонной
тяги (ж); I — длина пролета: а — зигзаг; //(! — высота подвеса проводов; / — опора; 2 — консоль: 3 — питающее
соединение; 4 — анкеровка; 5 — изоляторы
Длину нейтральной вставки выбирают так, чтобы при несколь-
ких поднятых токоприемниках одного поезда было исключено од-
новременное перекрытие обоих анкерных участков, что привело
бы к короткому замыканию проводов, питающихся от разных фаз
или находящихся под различными напряжениями. При электро-
возной тяге сопряжение анкерных участков с нейтральной встав-
кой при двойной (тройной) тяге занимает 5-6 пролетов, а при мо-
торвагонной — 7-8. Новый 12-вагонный электропоезд «Сокол»
работает на двух токоприемниках, значительно удаленных друг
от друга (в голове и хвосте).
Сопряжениеанкерных участков с нейтральной вставкой во избежа-
ние пережога контактного провода ЭПС проходит на выбеге с отклю-
ченным токоприемником. Для этого за 50 м до начала вставки уста-
навливают знак «Отключить ток», а после конца вставки при электро-
возной тяге — через 50 м, а при моторвагонной через 200 м — знак
«Включить ток». Чтобы вывести поезд из-под нейтральной вставки
при его вынужденной остановке под нею временно подают напряже-
ние с той стороны, в которую будет следовать поезд, включая один из
предусмотренных для этой цели секционных разъединителей.
Иногда применяют нейтральные вставки без изолирующего сопря-
жения анкерных участков, устанавливая в контактной подвеске
последовательно два секционных изолятора (Болгария) или вре-
зая в провода подвески полимерные элементы, допускающие сколь-
жение по ним полозов токоприемников (Япония).
6.3. Секционные изоляторы
Секционные изоляторы предназначены для продольного секциони-
рования, электрического разделения секций на кон так тных сетях по-
стоянного и переменного тока, разделения фаз и создания нейтраль-
ных вставок и должны обеспечивать надежный и экономичный то-
косъем при проходе по ним токоприемников ЭПС.
Классифицируют секционные изоляторы (рис. 6.6) по уровню на-
пряжения (роду тока), скорости движения поездов. По конструктив-
ному исполнению они могут быть двух- и трехпроводными, а также
малогабаритными. Последние могут быть замкнутые (3), полузамк-
нутые с изолирующими консольными скользунами (П) и разомкну-
226
Рис. 6.6. Классификация основных типов секционных изоляторов кош актых се гей
тые (Р). В новой системе обозначений, принятой ЦЭ МПС РФ, пос-
ле букв ИС (изолятор секционный) помещается значение уровня
напряжения изолятора, затем буквы 3, II или Р. Изолирующий эле-
мент обозначается вторыми и третьими буквами: полимерный глад-
костержневой, не являющийся скользуном — ПГ; полимерный сколь-
зун — ПС; полимерный! ребристый — ПР; фарфоровый — Ф. Пос-
ледние цифры обозначают скорость движения ЭПС. Секционные изо-
ляторы могут иметь или не иметь дугогасящие рога и подвешивать-
ся к несущему тросу обычными, скользящими или упругими струна-
ми. Пример записи условного обозначения: И-27,5-2РПГ-120 — изо-
лятор секционный 27,5 кВ для разделения секций на станциях вто-
рой модели разомкнутого типа с полимерным гладкостержневым
227
элементом, допускаемая скорость ЭПС — 120 км/ч. Продолжают
использовать и старые обозначения, например, СИ-8-2 (на 3,3 кВ и
80 км/ч), СИ-9Н (с нейтральной вставкой на 27,5 кВ и 140 км/ч).
Московский энергомехапический завод выпускает изоляторы, обо-
значаемые как ИС-2-80-3, ИС-1-80-25 и ИС-0-80-25/3 (последний на
80 км/ч и напряжения 25/3 кВ).
Секционные изоляторы непосредственно участвуют в процессе
токосъема, поэтому их следует рассматривать как устройства под-
системы «Токопроводящие и контактные устройства» и рассчиты-
вать на динамическое взаимодействие с токоприемниками. В рас-
четах учитываются концентрации приведенных масс и жесткостей
контактных подвесок в пролетах, где они установлены. Это вызы-
вает переходные процессы при токосъеме.
Технические требования определяют, что секционные изоляторы
должны обеспечивать:
- надежную электрическую изоляцию между секциями контакт-
ной сети при любых атмосферных условиях и смешанной тяге;
- плавный проход полозов любого количества поднятых токоп-
риемников с установленной на данном участке максимальной ско-
ростью движения (без ударов, отрывов, снижения контактного на-
жатия ниже 40 Н и нарушений работы тяговых двигателей; с допу-
стимым износом контактных пластин-вставок);
- эффективное гашение электрической дуги при заезде ЭПС с
включенными двигателями на отключенный или заземленный уча-
сток либо нейт ральную вставку, а также при большой разности по-
тенциалов между секционируемыми участками контактной сет и без
повреждения дугой несущего троса;
- возможность применения прост ых по конструкции, но трекинго- и
дугостойких изолирующих элементов или изолирующихскользунов;
- простоту изготовления изолятора, удобство его транспортирова-
ния и монтажа;
- срок службы не менее 10 лет, а изолирующих скользунов по изно-
су их покрытия — не менее 5 лет.
Эффективность гашения электрической дуги секционными изо-
ляторами во многом определяется конструкцией дугогасительных
устройств. Воздушные зазоры в секционных изоляторах должны
быть по возможности минимальными: 100 120 мм при напряже-
нии 3 кВ; 140 160 мм при 15 кВ; 180—200 мм при 25 кВ. От разме-
228
ра воздушного зазора в устье дугогасительных рогов изоляторов
зависит эффективность гашения дуги роговым разрядником: чем
меньше этот зазор, тем эффективнее гасится электрическая дуга.
Разрушающая нормированная механическая сила при растяже-
нии должна быть для изолирующих элементов и скользунов не ме-
нее 50 кН. изоляторов несущих тросов 70 кН. Выдерживаемое на-
пряжение в сухом состоянии не менее 70 (145) кВ, под дождем —
65 (120) кВ для постоянного (переменного) тока.
Для секционных изоляторов с изолирующими скользунами и
изолирующими элементами в России разработаны новые схемы ду-
гогасительных устройств, в которых использованы одинарные и
двойные роговые разрядники. Такими дугогасительными устрой-
ствами снабжены разработанные Ю.Н. Горошковым секционные
изоляторы ВНИИЖТ — 1.2, 6, 9. 12.
В мировой практике конетруирования секционных изоляторов име-
ется несколько направлений. В основном они различаются по тину
применяемых в секционных изоляторах изолирующих элементов. Так,
например, английская фирма BICC разрабатывает секционные изо-
ляторы и нейтральные вставки только с изолирующими скользуна-
ми. Итальянская фирма Rebosio применяет в секционных изоляторах
изолирующие элементы с ребристым чехлом из фторопласта, а фран-
цузская фирма LERK — изолирующие элементы с ребристым чехлом
из кремнпйорганической резины. В Германии разработаны секцион-
ные изоляторы, в которых роль изолирующих элементов выполняют
полимерные брусковые вставки из стеклопластика.
Идеальный секционный изолятор должен иметь непрерывные
прямые пли почти прямые линии скольжения полозов токоприем-
ника но секционному изолятору; обеспечивать эффективное гаше-
ние электрической дуги и принудительное ее зажигание и горение
только на дугогасительных устройствах; это изолятор, при монта-
же которого максимально используются рабочие контактные про-
вода и который рассчитан на применение в подвеске как с одним,
так и с двумя контактными проводами; это ремонте- и контролеп-
ригодный изолятор, рассчитанный на длительный срок службы при
минимальных трудозатратах на его техническое обслуживание.
Классификация секционных изоляторов показывает, что они
имеют большее число разновидностей по сравнению с другими эле-
ментами контактной сети. Различными фирмами уже запатенто-
229
вано более ста конструкций секционных изоляторов, каждая из ко-
торых характеризуется комплексом следующих параметров:
- номинальное напряжение в контактной сети и род тока;
- максимальная допускаемая скорость прохода токоприемника
по секционному изолятору;
- наличие в секционном изоляторе дугогасительных устройств
и их эффективность;
- конфигурация и расположение в плане относительно продоль-
ной оси секционного изолятора линий скольжения полозов токоп-
риемников по изолятору;
- тип изолирующих элементов, их количество и расположение в
горизонтальной плоскости относительно продольной оси изолятора;
- расположение изолирующих элементов в вертикальной плос-
кости по отношению к оси рабочего контактного провода;
- наличие вспомогательных изолированных консольных скользунов;
- наличие и количество изоляторов-распорок или изолирую-
щих распорок, установленных поперек продольной оси изолято-
ра между разнопотенциальными его элементами;
- наличие экрана в зоне дугогасительных устройств изолятора для за-
щиты его изолирующих элементов от повреждения электрической дугой;
- возможность установки в контактную подвеску, расположен-
ную на кривом участке пути с возвышением наружного рельса над
внутренним на 40 мм и более;
- возможность использования рабочего контактного провода в
качестве скользунов секционного изолятора;
- наличие жестких связей между секционным изолятором и не-
сущим тросом контактной подвески;
- необходимость применения полимерных изолирующих струн шли по-
лимерных изоляторов в металлических струнах при монтаже изолятора;
- использование несущего троса контактной подвески для раз-
мещения элементов дугогасительного устройства изолятора;
- способ соединения секционного изолятора с рабочим контак-
тным проводом.
Для основных типов секционных изоляторов РЖД (рис. 6.7) при-
нята своя система обозначений частей изоляторов, врезаемых в кон-
тактные провода: длина — а, ширина — Ь, высота — С; воздушный
зазор между разнопотенциальными частями — d, между дугогаси-
тельными рогами — е; величина перекрытия встречных скользу-
нов —/; длина пути тока утечки — L.
230
231
г
232
Рис. 6.7. Секционные изоляторы: принципиальная схема (а) и их серийные кон-
струкции для участков переменного тока. ИС-27,5/27,5 - ЗПС-200 (б); ИС-27,5
РПГМ-160(в); ИС 27.5-ЗПС-1бО(г); ИС-27,5/3,3-Ф 50 (<)) и постоянного тока:
ИС-3,3 РПГ-140 («); ИС-3,3 РПГМ 120 (ж); ИС-3,3 — ЗПГМ-70 (з);
ИС -3,3 — 2.3Г1Г 70 М
233
6.4. Секционные разъединители и групповые переключатели
контактных сетей и их приводы
Разъединители контактных сетей участков постоянного тока
3,3 кВ электрифицированных железных дорог предназначены для
включения и отключения находящихся по напряжением ненагружен-
ных участков, разъединители с заземляющим ножом предназначены
также для заземления отключенных участков.
Основной задачей разъединителей и переключателей секций явля-
ется обеспечение надежной работы электрического статического раз-
мыкаемого (вставляемого или втычного) контакта. Процесс определя-
ется нагревом элементов до допустимой температуры при заданных
токах, что зависит главным образом от сопротивления их контактов.
Для обеспечения приемлемых значений сопротивления при проекти-
ровании учитывают площадь, давление, чистоту поверхностей и чис-
ло контактных элементов.
Для токов выше 1000 А обычно применяют разъединители ру-
бящего типа. Их кинематическая схема содержит (рис. 6.8, а) ос-
нование с вертикальными изоляторами, один из которых прикреп-
лен неподвижно, а другой — шарнирно и имеет кривошип с тягой,
идущей к приводу. Верхние шапки изоляторов имеют губки и нож,
дугогасящие рога и шлейфы, идущие к секциям контактной сети.
При повороте изолятор вытягивает нож из губок, таким образом и
происходит отключение линии.
Технические данные разъединителей РКЖ завода ЭЛВО (г. Ве-
ликие Луки) и PC, РКС Симферопольского электротехнического за-
вода следующие. Номинальные токи и напряжения указываются в
обозначении, например: 3,3 кВ/ 3000 А. Наибольшее рабочее напря-
жение 4 кВ. Предельные установившиеся токи короткого замыка-
ния для РКЖ-3,3/1250; РКСЗ-3,3/3000 и РС-3000/3,3-П— 25 кА, а для
РКЖ-, РКСЗ- 3/3000; РКС-3,3/4000; РС-3000/3,3-1 — 50 кА. Время про-
текания тока Зев главной цепи и 1 с в цепи заземления. Максималь-
ный ток, отключаемый разъединителем с моторным приводом при ин-
дуктивности сети 300 мГн; типа РКЖ — 10 А, РКС — 30 А; при индук-
тивности 35 мГн: типа РКЖ—500 А, РКС — 2000 А. Этот же ток в ава-
рийном режиме при индуктивности 35 мГн — 2000 А. Разъединители
РКЖ 3,3/1250, РКСЗ-3,3/3000 и РС-3000/3,3-П имеют заземляющие ножи.
234
Рис. 6.8. Схемы и конструкции разъединителей постоянного тока рубящего типа
(а, г) и переменного тока поворотного типа (б, д) переключателей секций стан-
ций стыкования (в, е); 1 — опора; 2 — основание; 3 — изолятор; 4 - нож; 5 —
губки; б — шлейф; 7 — тяга с кривошипом; 8 — дугогасящие рога; 9 — тяга
антипараллелограмма; 10 — кулисный механизм
Разъединители повышенной надежности РС-4000/3.3 (рис. 6.8, г)
и поворотного типа РЛНДЗ-1а-35 (рис. 6.8, б,д) состоят из подвиж-
ной и неподвижной частей, установленных на опорных изоляторах
типа ОМВП-35/1000 и закрепленных на основании. Разъединители
рассчитаны на работу в интервале температур окружающего возду-
ха от минус 40 до плюс 40 °C и допускают механическую нагрузку
200 Н на изоляторы в горизонтальной плоскости в направлении про-
дольной оси разъединителя. Ножи главной токопроводящей части
разъединителя выполнены из медной шины сечением 8x100 мм.
235
Расстояние между подвижными и неподвижными ножами в отклю-
ченном положении разъединителя должно быть нс менее 100 мм. Кон-
такт ножей осущсствляегся восемью парами ламелей, выполненных из
медной шины сечением 3x20 мм на разъединителе типа РКС-3.3/4000 и
шестью парами ламелей на разъединителях типа РКС-3.3/3000 и
РКСЗ-З.З/ЗООО. Зазоры регулируют изменением длины болтового
соединения, перемещающего в хвостовую часть ламели.
Плотность контакта определяется усилием нажатия, которое обеспе-
чивается и регулируется пружинами. Контактное нажатие проверяют
шаблоном, перемещая его вдоль оси ламелей. При этом плотность кон-
такта каждой ламели должна быть такой, чтобы при усшши 70 - 90 Н
шаблон из медной шины сечением 8x20 мм для разъединителя РКС-3,3/
4000 и 6x20 мм для РКС-3,3/3000 и РКСЗ-3,3/3000, вставленный в покры-
тый смазкой разъемный контакт, плавно выходил из него.
Дугогасительные рога разъединителей выполняют из контактного
провода. Конструкция разъединителей рассчитана на присоедине-
ние медных и алюминиевых (через переходные зажимы) проводов
сечением 95-120 мм2 до 8 штук с каждой стороны. Крутящий мо-
мент при затяжке болтов должен быть в пределах 90-100 Н-м.
Разъединители контактных сетей и ВЛ переменного тока на-
ружной установки на напряжение 10—35 кВ предназначены для
включения и отключения под напряжением обесточенных участ-
ков электрических цепей высокого напряжения, а также заземле-
ния отключенных участков при помощи заземляющих ножей.
Разъединители завода ЭЛВО (г. Великие Луки) серий РД, РНД,
РНДЗ, РЛНД имеют кинематическую схему (рис. 6.8, б), содержащую
основание с двумя втулками, в которые вставлены два вертикаль-
ных вала с установленными на них изоляторами. На верхних шап-
ках изоляторов закреплены на одном нож, на другом губки и гиб-
кие шлейфы, идущие к секциям контактных сетей, ДПР или ВЛ.
У нижних шапок имеются крЪвошипы с тягой антипараллелограм-
ма, обеспечивающие синхронный поворот подвижных изоляторов
при вращении одного из них тягой, соединенной с приводом.
Технические данные разъединителей частично приводятся в их
обозначениях. Так, буква Н обозначает разъединитель для наруж-
ной установки, Д — двухколонковый, 3 — с заземляющим ножом.
Номинальное напряжение 35 кВ, ток 1000 А. Наибольшее рабочее
236
напряжение разъединителя типа РД и РНД335 — 40,5 кВ , РЛНД
10 — 12 кВ. Для этих же серий (ио напряжению) предельный сквоз-
ной ток 63 и 25 кА, ток термической стойкости 25 и 10 кА. Расчет-
ное время протекания тока термической стойкости по главным
ножам 4 с (3 с у РД) и 1 с по заземляющим ножам.
Примеры обозначений разъединителей: однополюсных с зазем-
ляющим ножом для контактной сети — РНДЗ-16-35/1 000; двухпо-
люсных для ДПР — анало! ичное; трехполюсных без заземляющих
ножей — РНД-35/1000; трехполюсных с одним заземляющим но-
жом на 10 кВ и 400 А — РЛНД-1-10Б-400Н.
Переключатели секций станций стыкования (ПСС) предназначе-
ны для переключения рода тока в переключаемых секциях контакт-
ной сети постоянного и переменного тока без нагрузки. Кинемати-
ческая схема переключателя (см. рис. 6.8, е) выполнена в виде соеди-
ненного с фидером переключаемой секции горизонтального стерж-
ня-ножа, перемещаемого в направляющих до вхождения в левые или
правые губки, подключенные к шлейфам подстанций постоянного
или переменного тока. Перемещение осущсствляегся кулисой, тяга
которой соединена с кривошипом электродвигателя привода.
Приводы для переключения разъединителей (рис. 6.9, а) под-
разделяются на ручные и телеуправляемые. Последние могут быть
грузовыми, моторными (с асинхронным или коллекторным дви-
гателем), содержащими червячную или винтовую передачу, а так-
же редукторы с зубчатыми колесами. Приводы предназначены для
ручного или дистанционного управления разъединителями.
Для дистанционного управления применяют грузовые приво-
ды (рис. 6.9, б), кинематическая схема которых содержит барабан
с храповым колесом. Чтобы запасти энергию, необходимо вруч-
ную вращать барабан, наматывая трос, к которому подвешены
грузы. Разматыванию троса препятствует так называемый«лома-
югцийся» рычаг, упирающийся в храповое колесо. Рычаг «лома-
ется» при подаче напряжения на соленоид и колесо делает пол-
оборота, включая или выключая разъединитель.
Моторные приводы типа УМП и ПДЖ предназначены для опери-
рования разъединителями контактных сетей постоянного тока 3,3 кВ
и переменного тока 27.5 кВ, а также ВЛ. Их кинематические схемы
содержат (рис. 6.9, «, а) коллекторный электродвигатель, враща-
237
ющий червячное колесо с кривошипом и тягой, идущей к разъедините-
лю, или асинхронный двигатель с конденсатором, вращающий зубча-
тую передачу с кривошипом и тягой. Конструктивно эти узлы и конце-
вые выключатели помещены в закрывающийся корпус (рис. 6.9, д, е, ж).
Моторные приводы подключаются к специальным пультам уп-
равления АУП-4м. Приводы должны обеспечивать угол поворо-
та 90—105° с крутящим моментом 265-390 Н м и иметь время вы-
полнения операций «Вкл.» и «Выкл.» не более 2,5 с. Мощность
асинхронного двигателя 250 Вт 3000 об/мин (ПДЖ-01. ПДЖ-02,
ПДЖ-32), коллекторного 180 Вт, 8500 об/мин (УМП-П, УМПЗ-П).
Приводы УМП и ПДЖ (см. рис. 6.9, д, е) и ПДЖ(см. рис. 6.9, ж)
разработаны на Симферопольском электротехническом заводе и
имеют червячную передачу и цилиндрический редуктор. Выпускает
приводы также завод в Великих Луках. Каждый привод предназна-
чен для конкретных разъединителей, например привод ПДЖ-01 —
для PC-3000/3,3; РКС-3,3/3000 и 4000; РКЖ-3,3/3000 и 1250. Привод
ПДЖ-02 — для РНД-35/1000; РД-35/1000(одно- и двухполюсные);
РЛНД-10/630 (трехполюсные). Привод ПДЖ-32 для разъедините-
лей с заземляющими ножами РНД-3-16-35/1000: РДЗ-1-35/1000
(одно- и двухполюсные): а также для РЛНД-1-10/400 и 630 (трех-
полюсные). Привод УМП-П для РС-300/3,3; РКС-3000/3,3 и 4000;
РНД-10/400 и 35/1000; РКЖ-3,3/3000, а также для разъединителей
с заземляющими ножами РНДЗ-16-35/1000 (на контактной сети);
РНД-10/400(на ВЛ); РКСЗ-3,3/3000: РКЖ-3,3/1250.
Приводы ПДЖ 32 и УМП-П имеют валы для управления зазем-
ляющими ножами вручную. Hti приводах ПДЖ при горизонталь-
ном расположении главного вала (ПДЖ-0Г) на его конце устанав-
ливается двуплечий рычаг, а при вертикальном расположении глав-
ного и заземляющего валов — полумуфта (ПДЖ-02, ПДЖ-32).
Приводы ручные типа ПР и ПРЖ предназначены для оперирова-
ния разъединителями контактной сети постоянного тока напряжени-
ем 3,3 кВ типа PC, РКС, РКЖ с поворотом ручки на 180° (из верхнего
в нижнее положение). Приводы ПРИЗ и ПР-09 — для оперирования
главными и заземляющими ножами разъединителей наружной уста-
новки переменного тока с поворотом на 90 и 105° соответственно.
Разъединитель типа РКСЗ-3.3/3000 рассчитан на управление
двумя ручными приводами с механической блокировкой. Анало-
гично устроены приводы разъединителей линий автоблокировки.
238
При воды разъел! |нителей
Рис. 6.9. Классификация приводов разъединителей контактных сетей (</); их схе-
мы (г7. в. г) н конструкции (<>. е. ж): I — тяга с кривошипом. 2— грузы, 3 —
храповик. 4 — «ломающийся» рычаг. 5 — соленоид. 6 — электродвигатель.
7— редуктор. 8 — конденсатор
239
Конструктивно механизм помещен в корпус из трех проходных
изоляторов (см. рис.6.8, е). Так, переключатель ПСС-1У2 смонти-
рован на сварной раме из стальных швеллеров и уголков, на кото-
рой установлен вертикальный пустотелый цилиндрический изоля-
тор с закрепленными на нем двумя такими же горизонтально рас-
положенными изоляторами с втычными контактами на торцах.
Внутри горизонтальных изоляторов размещен подвижный нож,
который перемещается вправо и влево электроприводом, тем са-
мым выполняя переключение секций контактной сети на другой
род тока.
Переключатель ПСС-2У2 -- это модернизированный вариант
переключателя ПСС-1У2, в котором применен стрелочный привод
типа СП-6 (СП-3) с электродвигателем МСТ-0.3/190 переменного
тока. Переключатель оснащен прибором регистрации токов корот-
ких замыканий в переключаемых секциях контактной сети. Для этих
целей на стенке каркаса переключателя под средним неподвижным
изолятором установлена панель с двумя последовательно соеди-
ненными герконами, контакты которых выведены на разъемы пе-
реключателя. Герконы срабатывают при величине постоянного
тока большем, чем расчетный минимальный ток короткого замы-
кания. Регистрирует срабатывание герконов сигнальное реле (блин-
кер), установленное на посту ЭЦ или пункте группировки.
240
ГЛАВА 7
ЗАЩИТНЫЕ УСТРОЙСТВА КОНТАКТНЫХ
СЕТЕЙ И ЛЭП
К данной подсистеме (см. рис. 1.3) можно отнести устройства для за-
щиты: изоляции от атмосферных и коммутационных перенапряжений;
узлов и подземных сооружений от атмосферной, почвенной и электри-
ческой коррозии; людей от поражения током (электробезопасность); изо-
ляторов от перекрытий из-за гнездования птиц; контактных проводов
от пережогов токоприемниками на изолирующих сопряжениях, транс-
порта от выезда за конец контактной подвески или от наезда на опорные
конструкции и др. К защищающим элементам можно отнести также из-
носостойкие покрытия, антикоррозионные краски и обмазки устройств
контактных сетей, различные щиты, ограждения, надписи и т.п.
Для каждого из перечисленных устройств существует порог сра-
батывания при появлении недопустимого значения фактора, от
которого необходима защита, например, недопустимой величины
напряжения, расстояния и т.п.
Функции защитных устройств иногда выполняют элементы других
подсистем контактных сетей и ЛЭП (например, полимерные покры-
тия седел для защиты от износа сталеалюминиевого несущего троса).
Защитные устройства не только проверяют и сигнализируют о появле-
нии недопустимого параметра у конкретного узла (подобно диагностичес-
ким устройствам), но и сами принимают меры: оперативные (например,
отключение) и предупредительные (например, ограждающие щиты).
7.1. Защита изоляции от перенапряжений
Для снижения уровня возникающих в ЛЭП и контактной сети пе-
ренапряжений и, как следствие, обеспечения сохранности изоляции и
надежного срабатывания защиты устанавливают специальные устрой-
ства-разрядники, при электрическом пробое которых провода ЛЭП
или контактной сети кратковременно замыкаются на заземляющие
устройства или рельсы и ток разряда уходит в землю или на тяговую
подстанцию, после чего изоляция ЛЭП или контактной сети восста-
навливается. Различают роговые и трубчатые разрядники, а также по-
лупроводниковые нелинейные ограничители перенапряжений.
16 Контакгные ceiw
241
Роговые разрядники (рис. 7.1, а, б) имеют воздушные промежут-
ки, образуемые дугогасящими рогами из стального прутка диамет-
ром 12 мм. Один рог устанавливают на изоляторе и медным про-
водником сечением не менее 25 мм2 соединяют с контактной сетью
(проводом ВЛ), другой — заземляющим проводником — с рельса-
ми. Для исключения ложного срабатывания при случайном замы-
кании промежутка, например птицами, разрядники выполняют с
двумя последовательно расположенными искровыми промежутка-
ми по 5 мм при постоянном токе и 45 мм при переменном. При
пробое промежутков и срабатывании разрядника возникшая элек-
трическая дуга растягивается по наклонным рогам и гасится.
Роговые разрядники размещают, как правило, на вершинах опор
перпендикулярно или под углом 45° к оси пути (для улучшения ос-
мотра с поезда). В зоне срабатывания разрядника и над ним на рас-
стоянии до 3 м располагать какие-либо провода не разрешается.
На линиях постоянного тока роговые разрядники располагают обыч-
но на переходных опорах. На изолирующих сопряжениях при нормаль-
но отключенных продольных разъединителях разрядники устанавли-
вают на o6ei ix ветвях, а при нормально замкнутых—на одной.
Мастерские Московской железной дороги изготавливают ро-
говые разрядники постоянного тока для неагрессивной среды на
двух изоляторах ОНС-10-500 и для агрессивной на ОНС-35-500. Для
переменного тока такие же с двумя искровыми промежутками, но
с зазорами 45, а не 5 мм.
Трубчатые разрядники, дополненные внешним искровым проме-
жутком 40 мм для предотвращения токов утечки по поверхности, при-
меняют на линиях переменного тока и ДПР (рис. 7.1, в, г). Трубчатый
разрядник, например РТ-35, состоит из бакелитовой трубки с внут-
ренним диаметром 10 мм и двумя металлическими наконечниками.
Внутри бакелитовой находится фибровая трубка со стержневым элек-
тродом. Между этим электродом и одним из металлических наконеч-
ников бакелитовой трубки имеется зазор, который образует внутрен-
ний искровой промежуток. При перенапряжении внутренний искро-
вой промежуток пробивается, фибровая трубка выделяет газы, кото-
рые, вырываясь из трубки, обеспечивают гашение дуги. Внешний ис-
кровой промежуток, образованный рогами из стального прутка диа-
метром 10 мм, предохраняет изоляцию от разрушения токами утеч-
ки. Для предотвращения скопления влаги во внутренней полости раз-
242
Рис. 7.1. Разрядники роговые постоянного («) и переменного (6) тока; конструкция
трубчатого разрядника (в) и схема укрепления его на опоре (г); 1 — опора; 2 —
консоль; 3 — разрядник; 4—электрический соединитель; 5 — изолятор; 6— несу-
щий трос; 7—заземленная на рельс или контур заземления конструкция
рядника его устанавливают открытым концом под углом не менее 15°,
а в местах усиленного загрязнения — до 45° к горизонтали.
Электрод внешнего искрового промежутка, закрепленный на стер-
жневом изоляторе, соединяют с подвеской медным проводом сече-
нием не менее 16 мм~. Заземляющий провод подключают к тяговому
рельсу или к специальному заземлению, расположенному от ближне-
го рельса на расстоянии не менее 3 м и имеющему сопротивление не более
150 Ом. Пределы отключаемого тока трубчатого разрядника 0,8—5 кА.
Трубчатые разрядники типа РТФ-10 и РТФ-35 предназначены для
защиты от грозовых перенапряжений изоляции линий электропере-
дачи 10 и 35 кВ и частотой 50 Гц. По техническим данным их наи-
большее допустимое напряжение (действующее значение) составля-
ет 12 и 40,5 кВ, а токи отключения (действующее значение) находят-
ся в пределах 0,5—5,0 и 1,0 5,0 кА соответственно. Размеры искро-
вых промежутков: внешних 25 и 130 мм, внутренних 150 и 200 мм.
Выпускаются Белореченским электротехническим заводом.
243
Ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН) предназначе-
ны для зашиты изоляции контактных сетей постоянного и пере-
менного тока напряжением 3,3 и 27,5 кВ от грозовых и коммута-
ционных перенапряжений. Они исключают короткие замыкания
на контактных сетях, возникающие при срабатывании роговых и
трубчатых разрядников при атмосферных перенапряжениях.
ОПН с высоконелинейными резисторами (варисторами) на ос-
нове окиси цинка (ВНИИЖТ, 1996—1997 гг.) изменяют внутрен-
нее сопротивление в зависимости от величины напряжения с мак-
симального при номинальном напряжении до минимального при
перенапряжении. По сравнению с вентильными разрядниками ОПН
обладает неоспоримыми преимуществами: низким защитным уров-
нем для всех перенапряжений, отсутствием сопровождающего тока
после импульса, высокой удельной энергоемкостью, отсутствием
необходимости регулировки. Кроме того, искровые промежутки,
имеющиеся у вентильных разрядников, воздействуют на защищае-
мое оборудование импульсами с большой скоростью изменения
напряжения (рис. 7.2, «), что приводит к развитию местных дефек-
тов изоляции (частичных разрядов), чего нет у ОПН (рис. 7.2, б).
В контактных сетях, несмотря на высокий уровень испытатель-
ного напряжения изоляторов, в грозовые сезоны повреждаемость
повышается в 1,5—2 раза. ОПН позволяет снизить уровень грозо-
вых перенапряжений для постоянного тока с 35—40 до 17 кВ. Что-
бы исключить заземление контактных сетей через повреждаемый
при прямом ударе молнии ОПН, его подключают через роговый
разрядник с промежутком, замкнутым медной проволокой диамет-
ром 1,4 мм. Разработаны также конструкции ограничителей типа
ОПНК-3,3; ОПНК-27,5 (ВНИИЖТ совместно с ЭЛВО, НИИЭК,
ФЕНИКС). Выпускают ОПН и для ЛЭП 0,38; 6; 10 и 35 кВ.
Технические данные ограничителей перенапряжений Великолук-
ского завода высоковольтной аппаратуры следующие. Класс на-
пряжения и наибольшее рабочее напряжение составляют 3 и 4 кВ
для ОПНК-П 1-3,3 и ОПН-3,3 КС и 25 и 30 кВ для ОПНК-П 1-27,5;
ОПН-27,5 КС. Номинальный разрядный ток для всех типов 10 кА.
На опорах с оттяжками устанавливать разрядники и ограничи-
тели напряжения запрещается.
245
244
7.2. Защита устройств контактных сетей от коррозии.
Заземление, обеспечение электробезоиасности
Заземления (рис. 7.3) предназначены для соединения металличес-
ких конструкций, не находящихся нормально под напряжением (огюр-
но-поддерживающих деталей, оснований разъединителей и разряд-
ников и т.п.) на контактных сетях с тяговыми рельсами или с землей
(на ЛЭП). Заземления повышают надежность срабатывания защит за
счет снижения сопротивления и увеличения тока короткого замыка-
ния и тем самым обеспечивают электробезопасность заземленных элек-
троустановок. Их подразделяют на глухие (рис.7.3, «, в), с искровыми
промежутками (рис. 7.3, б), изолированные (рис. 7.3, д, е) от конструк-
ций (для защиты от электрокоррозии), комбинированные (рис. 7.3, г),
индивидуальные и групповые, с короткозамыкателями и заземлите-
лями, наружные и внутренние.
Индивидуальные заземления выполняют стальным прутком диа-
метром не менее 12 мм при постоянном токе и не менее 10 мм при пере-
менном. К заземляющему проводнику (спуску) плашечными зажима-
ми присоединяют все конструкции, подлежащие заземлению. По же-
лезобетонной опоре наружный заземляющий спуск прокладывают с
полевой стороны. На линиях переменного тока, где электрокоррози-
онное воздействие тока на арматуру менее значительно, заземляющий
спуск размещают внутри опоры при ее изготовлении, а заземляющие
проводники от конструкций присоединяют к выводам спуска, распо-
ложенным вверху опоры. На металлических опорах соединительные
заземляющие проводники крепят к элементам опор. По поверхности
земли заземляющий проводник прокладывают к рельсу на полушпал-
ках с двукратным покрытием кузбасским лаком для изоляции от зем-
ли, иногда — в изолирующем шланге (Чехословакия). Проводник к
рельсу крепят башмаком — крюковым болтом (рис. 7.3, ж}, на желе-
зобетонных шпалах могут быть использованы их крепежные болты.
Для опор и искусственных сооружений применяют специальные спо-
собы заземления с нейтральными вставками (см. рис. 7.3, е, д). Сопро-
тивления стекания тока с рельсов (рис. 7.4, а, б) и потенциальные диаг-
раммы (рис. 7.4, в) определяют электроэрозию опор.
Трос группового заземления, соединяющий ряд стоящих опор, при-
меняют для опор контактной сети, установленных в выемках за кюве-
246
контактной сети, 7 — защитное устройство, 8 — крюковой болт, 9 — заземляющий провод. 10 — контактная
подвеска, 11 — искровой промежуток
тами и на пассажирских платформах, и выполняю! из проводов сече-
нием не менее 70 мм2. Трос закрепляют на опорах с помощью хомутов
на высоте 5—6 м с натяжением 3,5 4 кН и присоединяют в одном месте
двойным заземляющим спуском к средней точке дроссель-трансфор-
матора или непосредственно к рельсу. Длина участка постоянного тока
с групповым заземлением металлических опор не должна превышать
1200 м, а железобетонных — 600 м. Для опор с групповым заземлением
возникают две электроэрозионные опасности: прохождение тока в зем-
лю через опоры с малым сопротивлением при срабатывании порого-
вого устройства и переток между опорами, объединенными тросом,
из-за разности потенциалов точек земли, разнесенных вдоль рельсо-
вых нитей. Для расчета перетоков целесообразно использовать мето-
дику Петербургского государственного университета путей сообщения
(ПГУПС), учитывающую схемы питания систем электроснабжения.
При переменном токе из-за наведенного напряжения длину тро-
са ограничивают до 400 м и заземляют его так, чтобы от заземле-
ния до крайней опоры было не более 200 м.
Искровые промежутки (рис. 7.4, г, д) предназначены для защиты
арматуры фундаментов и опор контактных сетей от протекания по ним
блуждающих токов, а также пропуска тока в рельсовую цепь при про-
бое изоляции контактных сетей или ВЛ продольного электроснабже-
ния, проходящей по опорам. Они служат для защиты подземных со-
оружений от электрокоррозии токами, стекающими с рельсов через
заземляющие проводники и арматуру фундаментов в грунт в соответ-
ствии с потенциалами рельс — земля и сопротивлениями, которые за-
висят в основном от тягового тока и имеют различные зоны вдоль пути
(с катодной зоной вблизи подстанции). Величина тока, стекающего с
опоры, зависит от сопротивления рельс земля.
Искровые промежутки (ИИ) в нормальных условиях врезают
в заземляющий проводник, изолируя опоры от рельсов. Когда на
опору попадает высокое напряжение (800 В), происходит пробой
искрового промежутка и наступает глухое заземление на рельс.
Конструктивно искровые промежутки могут быть однократного
и многократного действия. Искровой промежуток типа ИПМ-62М
(см. рис. 7.4, г) состоит из корпуса с крышкой, внутри которого
находится съемная вставка с двумя контактными шайбами и слю-
дяными прокладками между ними. Для предотвращения привари-
248
вания съемной вставки к крышке при пробое промежутка предус-
мотрен экран в виде карболитового кольца. Пробивное напряже-
ние такого искрового промежутка составляет 800—1200 В. На опо-
рах с роговыми разрядниками устанавливают по два искровых про-
межутка, если провод заземленного рога не изолирован от опоры.
Искровой промежуток ИП-3 Воскресенского электромеханическо-
го завода имеет изоляцию между выводами при снятой вставке 10 МОм
и обеспечивает пропуск ударного тока при одностороннем питании с
импульсом 7—9 кА и временем протекания 0,04—0,06 с; при двусто-
роннем питании — с таким же импульсом и последующим протекани-
ем в течение 0,3 с, а также однократное АПВ с интервалом 6—10 с.
Искровой промежуток типа ИПВ-ЦНИИ-62 снабжен варисто-
ром (см. рис. 7.4, О) вследствие чего его импульсные характеристи-
ки аналогичны характеристикам ОПН.
Диодные заземлите in предназначены для тех же целей, что и ис-
кровые промежутки, но обеспечивают большее число срабатываний,
что особенно важно для групповых заземлений. Они выполняются в
двух вариантах: ЗД-1 на трех вентилях ВЛ-200 и ЗД-2 на одном табле-
точном вентиле Д133 на 1000 А не ниже 16-го класса.
ЗД-1 состоит из трех параллельно соединенных вентилей ВЛ200 не
ниже 8-го класса (рис. 7.4, е, ж). Его устанавливают на высоте не менее
1,7 м от уровня земли. От троса до диодного заземлителя прокладыва-
ют один провод, а заземляющий спуск от него к рельсу выполняют двой-
ным стальным прутком диаметром 12 мм и присоединяют либо к сред-
ней точке дросселя-трансформатора, либо двумя зажимами непосред-
ственно к рельсу через два параллельных ИПМ-62 (рис. 7.4, з), но не
ближе 200 м от сигнальной точки (дроссельного стыка) и 100 м от места
присоединения к рельсам заземляющего спуска рогового разрядника.
Для предотвращения перетекания тока на железобетонных опо-
рах корпус диодного заземлителя и его спуски изолируют от опо-
ры. На корпусе заземлителя наносят знак высокого напряжения в
виде красной стрелы, направленной острием вниз.
Подключают диодный заземлитель к тросу группового заземления
по Т- или Г-образной схеме, а секционирующие изоляторы для исклю-
чения шунтировки рельсовых цепей размещают напротив дросселя-
трансформатора и в других местах.
Диодные заземлители Московского энергомеханического за-
вода имеют сопротивление изоляционных втулок не менее 10 МОм.
249
Рис. 7.4. Схемы стекания тока с рельсов в землю через металлические (а) и железобе-
тонные (б) опоры в соответствии с потенциальной диаграммой (в) и средства защиты от
коррозии: искровые промежу1ЪтШМП-62М(г):ИПВ-ЦНИИ-62(Э); установка диодно-
го заземлителя (г); диоды (ж); схема подключения диодов к групповому тросу (з);
1— групповые электроды; 2 — поджигающий электрод; 3 — слюдяная про-
кладка; 4 — варистор СН2-2А; 5 — пружинная шайба; 6 — кольцевые магни-
ты; 7 — токопроводы; 8 — крышки; 9 — уплотнительное кольцо; 10 — дугос-
тойкая втулка; // — миканитовая прокладка; 12 — рельсы; 13 - диодный за-
землитель; 14 — трос; 15— изолятор; 16 — дроссель-трансформатор
250
Без разрыва цепи ЗД-2 обеспечивает такой же уровень парамет-
ров, как и искровой промежуток ИП-3.
Короткозамыкатели с групповыми заземлениями, применяемые на
Западно-Сибирской, Свердловской и других железных дорогах, обес-
печивают полную изоляцию опор от рельсов, высокую надежность,
возможность большого количества срабатываний, уменьшение рас-
хода проводов, а также защиту от хищений цветных металлов и ван-
дализма. Это достигается (рис. 7.5) соединением через искровые про-
межутки всех опор (узлов) секции заземления изолированным от опор
дополнительным проводом (БСМ-4, БСА-51, АС-35) и подключе-
нием его на концах защищаемой зоны через входные устройства к
дуговым короткозамыкателям типа БКЗ-3,3. При этом один сило-
вой контакт короткозамыкателя соединяется с контактной подвес-
кой, а другой — со средней точкой дроссель-трансформатора (рель-
сами). При повреждении изоляции на любой опоре пробивается
установленный на ней искровой промежуток и на дополнительный
провод подается напряжение контактной сети, вызывая срабаты-
вание короткозамыкателя, который замыкает контактную подвес-
ку на дроссель-трансформатор (рельс). Ток короткого замыкания
мгновенно отключается реагирующими на него быстродействую-
щими выключателями тяговых подстанций, постов секционирова-
ния или пунктов параллельного соединения, таким образом, место
повреждения отключается и локализуется.
ВУ — ЗУ
К средней точке
дроссель-трансформатора
Рис. 7.5. Групповое заземление опор контактных сетей с короткозамыкателем: 1 —
контактная подвеска; 2 — дополнительный провод; 3 — искровой промежу-
ток; 4 — опора; 5 — изолятор; 6 — входное устройство; 7 — запальные устрой-
ства; 8 — контакты электрозамыкателя
251
Конструктивно короткозамыкатель состоит из двух стальных пус-
тотелых цилиндрических электродов, внутри которых размещены ка-
тушки для создания радиального магнитного поля. В нижний элект-
род вмонтировано запальное устройство с подвижными сердечника-
ми — контактами катушек. При подаче напряжения на входное уст-
ройство катушки контакты размыкаются, возникает электрическая
дуга, которая ионизирует пространство между основными электро-
дами и вызывает пробой с током короткого замыкания до 3,5 кА.
После срабатывания быстродействующих выключателей входное ус-
тройство приходит в исходное положение, срабатывает счетчик, ис-
кровые промежутки опор восстанавливаются.
7.3. Обеспечение надежной работы защит. Минимизации потерь
тягового тока и напряжения в рельсовой сети
Рельсовая сеть. На электрифицированных участках дорог рель-
сы используют в качестве второго провода для тяговых токов, а так-
же для цепей автоблокировки и электрической централизации. На
линиях переменного тока для питания рельсовых цепей автоблоки-
ровки применяют переменный ток частотой 25 Гц, т.е. отличной от
частоты тока в контактной сети, а на линиях постоянного тока —
частотой 25, 50 Гц. Сопротивление рельсовой цепи складывается из
сопротивлений рельсов и переходных сопротивлений стыков, зна-
чительно повышающих сопротивление рельсовой цепи тяговым то-
кам, что приводит к увеличению падения напряжения в рельсах и
токов в земле. Для уменьшения сопротивления рельсовой цепи кон-
цы звеньев рельсов соединяю! между собой стыковыми соедините-
лями, а на участках, не оборудованных автоблокировкой, обе нити
рельсов соединяют между собой через каждые 300 м междурельсо-
выми соединителями. На двух- и трехпутных участках через каждые
600 м дополнительно устанавливают междупутные соединители.
При однониточных рельсовых цепях (рис. 7.6, а) для прохожде-
ния тягового тока используют только одну рельсовую нить. В этих
случаях соединяют между собой противоположные тяговые нити
рельсового пути. Междупутные соединители располагают на рас-
стоянии 400 м один от другого, а также в горловинах станций у
входных сигналов.
252
— дроссель-трансформатор: 8 — рельс: 9 — двухголовая накладка; J0 — болт с шайбой и гайкой; 1 и II — пути
253
На участках, оборудованных двухниточной автоблокировкой
(рис. 7.6, б), для сохранения непрерывности цепи тягового постоян-
ного тока с каждой стороны изолирующего стыка (необходимого
для выделения блок-участка автоблокировки) устанавливают дрос-
сель-трансформаторы, концы обмоток которых присоединяют к
обеим рельсовым нитям. Для прохождения тягового тока в обход
изолирующего стыка средние точки обмоток дроссель-трансформа-
тора соединяют между собой. Междупутные соединения устраива-
ют, соединяя между собой средние точки обмоток дроссель-транс-
форматоров соседних изолирующих стыков. Чтобы предупредить
нарушения нормальной работы автоблокировки, междупутные со-
единители устанавливают через два изолирующих стыка.
Отсасывающие линии на участке, не оборудованном автобло-
кировкой, присоединяют к рельсовым нитям всех электрифициро-
ванных путей. На станциях с однониточными рельсовыми цепями
отсасывающие провода присоединяют ко всем электротяговым
рельсовым нитям. При двухниточных рельсовых цепях отсасыва-
ющие провода присоединяют к средним точкам обмоток дроссель-
трансформаторов. При наличии соседних путей в месте присоеди-
нения отсасывающего провода между рельсами путей устанавли-
вают междупутный соединитель.
Стыковые соединители (рис. 7.6, в) на участках постоянного тока
выполняют из медного гибкого провода сечением 70 мм2 и площадью
контакта в месте приварки не менее 250 мм2, а на участках переменно-
го тока — сечением 50 мм2 и такой же площадью контакта. При этом
во время работ по смене рельсов и накладок, а также при разгоне зазо-
ров и движении путейской тележки соединители или отрываются, или
их приходиться отрывать, а затем вновь приваривать.
Для увеличения электропроводности предлагается в рельсовых
стыках взамен приварных соединителей применить мазь из чер-
ного порошкового графита и универсальной тугоплавкой водо-
стойкой смазки, смешиваемых в равных частях. В последнее вре-
мя в рельсовых стыках начали применять пружинные шайбы, ста-
билизирующие сопротивление, методы расчета которых разрабо-
таны В.Л. Григорьевым.
254
7.4. Репеллентная защита от перекрытия изоляции птицами
Защита изоляции от перекрытий из-за их загрязнения материа-
лами птичьих гнезд или защита от гнездования может быть выпол-
нена несколькими способами, основанными на отпугивании — ре-
пеллентности; в том числе подражанием крикам хищных птиц с
помощью магнитофона, а также электропотенциальная (электро-
репеллентная) защита, которая оказалась наиболее эффективной.
Разработанная И. А. Беляевым электрорепеллентная защита для уча-
стков постоянного и переменного тока исключает трудозатраты на раз-
рушение гнезд в ригелях жестких поперечин, используя эффект воз-
действия на птицу небольшого, неопасного для ее жизни тока. Основ-
ным элементом защиты является репеллентный (отпугивающий) неизо-
лированный провод, натянутый внутри ригеля на высоте 150—200 мм
над нижним поясом. Провод изолирован от ригеля натяжными и опор-
ными изоляторами, рассчитанными на напряжение не менее 5 кВ.
На линиях переменного тока (рис. 7.7. а) репеллентный провод элек-
трическим соединителем подключается к антенне, подвешенной на изо-
ляторах к нескольким ригелям параллельно контактным подвескам. Дли-
на антенны и расстояние между нею и ближайшей контактной подвес-
кой принимается по инструкции М ПС России по проведению работ на
контактной сети переменного тока, оборудованной электро репеллент-
ной защитой. В антенне наводится высокое напряжение, которое пода-
ется в репеллентный провод.
На линиях постоянного тока напряжение на репеллентный провод
подается не от антенны, а от осветительной сети через малогабарит-
ный трансформатор мощностью около 100 Вт. установленный на риге-
ле и повышающий напряжение до 5 кВ.
Действует защита следующим образом. Приступая к постройке гнез-
да, птица, пытаясь отодвинуть мешающий ее репеллентный провод, зах-
ватывает его клювом. Поскольку она находится на заземленном ригеле,
то в этот момент через нее пройдет не смертельный, но создающий дос-
таточный отпугивающий эффект ток 6 10 мА, после разряда кото-
рого птица улетает (для создания такого разрядного тока длина
антенны должна равняться 160—190 м).
Конструкция репеллентной защиты разработана также фирмой «Си-
менс» (рис. 7.7, б, в). Однако при ее применении птицы погибают, в
связи с чем в России применяется схема И.А. Беляева как наиболее
полно отвечающая требованиям экологии.
255
яипзш
7.5. Защита проводов воздушных промежутков контактной сети
от пережогов токоприемниками
Пережоги контактных проводов в местах секционирования контак-
тной сети на изолирующих сопряжениях происходят обычно при пере-
крытии полозами токоприемников проводов с разными потенциала-
ми: проводов, находящихся под рабочим напряжением, и проводов,
имеющих пониженный потенциал или обесточенных. Возникает элек-
трическая дуга, ток которой в большинстве случаев недостаточен для
срабатывания защиты на тяговых подстанциях или постах секциони-
рования, вследствие чего и происходя! пережоги сходящих ветвей кон-
тактных проводов в зоне отрыва от него полозов токоприемников.
Такие пережоги возможны и в случае перекрытия полозом токопри-
емника проводов изолирующего сопряжения, один из которых находит-
ся под рабочим напряжением, а второй по каким-либо причинам зазем-
лен, а также при проходах токоприемника через секционные изоляторы.
При недостаточном быстродействии защиты от коротких замыканий в
этих случаях происходит пережог контактного провода. Пережог может
быть и при коротком замыкании на крыше ЭПС, который не может от-
ключить быстродействующий или главный выключатели. Этому способ-
ствуют также контактные элементы tokoi ipi юмника с повышенны м пе-
реходным сопротивлением (например, угольные) и недопустимо боль-
шая уставка защиты питающего фидера на тяговой подстанции.
Для защиты от пережогов применяют следующие устройства: экра-
нирующие полосы или уголки, дугогасящие рога, изоляцию несущего
троса, изоляционные втулки на контактных проводах, шунтирующие
воздушный промежуток быст родействующие выключатели (ВАБ).
Экранирующие полосы устанавливают на нормально открытых изо-
лирующих сопряжениях. Они охватывают провода сходящей ветви в
зоне отрыва от нее полозов токоприемников (рис. 7.8). Конструкции по-
лос отличаются для двойных и одинарных контактных i щоводов. В под-
дсрживающиеструны в месте установки стальных полос включают ореш-
ковые изоляторы и одновременно увеличивают расстояние между ветвя-
ми изолирующего сопряжения до 550— 600 мм. Полосы длиной от 0,6 до
1 м каждая устанавливают на протяжении 6 м с обеих сторон контактно-
го провода и соединяют болтами. Для обеспечения одновременной ра-
боты двойных контактных проводов в зоне отрыва полоза токоприем-
ника планки через каждые 3 м соединяют специальными скобами.
256
17 Контактные сети
257
Рис. 7.8. Устройство защиты проводов от пережога на изолирующем сопряжении уча-
стков постоянного («) и переменного (б) тока; полосы-экраны на одном (л) и двух
проводах (г) в пролете (б); 1 — изоляция несущего троса: 2 — изоляция контакт-
ного провода; 3 — экран; 4 — хвостовик; 5 — узел вертикальной фиксации; 6 —
полоса; 7 — провод; 8 — скоба; 9 — болт с шайбой и гайкой
258
Полосы, выпускаемые мастерскими Западно-Сибирской желез-
ной дороги, рекомендуется устанавливать на отходящую ветвь по
ходу движения, начиная от середины шестиметровой зоны подхва-
та обеих ветвей. Общая длина полос 9 м (по контактным прово-
дам). Изоляция на несущем тросе длиной 10—15 м устанавливает-
ся с начала зоны подхвата.
Защитные полосы предохраняют контактный провод от воздей-
ствия дуги с боков выше нижнего края паза провода, оставляя ниж-
нюю рабочую часть его свободной для скольжения токоприемни-
ка. Даже в случае пережога контактного провода полосы прини-
мают на себя натяжение, предупреждая падение провода. Нали-
чие защитных полос с болтами несколько увеличивает приведен-
ную массу контактной подвески в месте ее концентрации в пере-
ходном пролете, отрицательно влияя на токосъем.
Дугогасящие рога, устанавливаемые в месте отрыва полоза то-
коприемника от контактного провода, уходящего на анкеровку,
применяют на линиях постоянного и переменного тока. В каче-
стве изоляции на контактном проводе и на несущем тросе перед
рогом для защиты от дугового воздействия применяли светостой-
кие полиэтиленовые трубки.
Автоматические сигнальные указатели (сигнализаторы) при-
меняют на линиях постоянного тока перед изолирующими сопря-
жениями анкерных участков с нормально-отключенными про-
дольными разъединителями. Они являются встроенными диагно-
стическими устройствами.
В случае снятия напряжения с контактной сети, примыкающей
к сопряжению, происходит автоматическое включение мигающих
огней сигнального указателя «Опустить токоприемник», представ-
ляющего собой щиты с горизонтально расположенными линзами
белого цвета. При этом машинист обязан опустить токоприемник
и так проследовать изолирующее сопряжение до сигнального ука-
зателя «Поднять токоприемник». Остановка с поднятым токопри-
емником в местах секционирования недопустима, так как это при-
водит к пережогу проводов из-за того, что при наличии двух вет-
вей провода на различной высоте площадь контакта полоза с про-
водами недостаточна.
259
Схемы с мгновенным повторным включением сработавших на ко-
роткое замыкание быстродействующих выключателей, установлен-
ных на постах секционирования и на тяговых подстанциях, приме-
няют на линиях постоянного тока. Это во многих случаях может
предотвратить возникновение электрической дуги (или погасить
ее) при замыкании полозом токоприемника секций контактной сети
с разными потенциалами. Кроме рассмотренных защитных уст-
ройств есть много других.
В искусственных сооружениях малой и большой длины имеют-
ся защитные сооружения, связанные с контактными сетями. На пе-
шеходных мостиках и путепроводах это щиты ограждения, а под
ними отбойники несущих тросов и контактных проводов, изоли-
рованные вставки с обводами, дополнительные несущие тросы, ог-
раничители подъема контактных проводов, промежуточные точ-
ки подвеса при анкеровке несущих тросов на сооружение и др.
На сооружениях большой длины — мостах с ездой понизу — это
отбойники и фиксаторы; в тоннелях горизонтальные гирлянды изоля-
торов, колпаки над изоляторами, защищающие их от воды, капающей
со свода и др.
260
ГЛАВА 8
ВСТРОЕННЫЕ ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ
УСТРОЙСТВА КОНТАКТНЫХ СЕТЕЙ И ЛЭП
К устройствам встроенной диагностики можно отнести оборудова-
ние, позволяющее кон тролирова ть техническое состояние элементов кон-
тактных сетей и линий электропередачи. Они должны быть смонтирова-
ны на этих элементах или их ими заторах, расположенных рядом; изме-
рять текущие значения принятых диагностических параметров и при
превышении допускаемых значений либо выдавать сигнал визуально на
месте либо обеспечивать его дистанционную передачу персоналу.
Эти устройства пока являются наименее разработанными, но их пер-
спективность для железных дорог раст ет по мере увеличения скоростей
движения, расширения международных перевозок (для России—евроа-
зиатского транзита). Они являются необходимым дополнением к созда-
нию долговечных и малообслужпвасмых конструкций контактных сетей.
Создание сист емы встроенной диагностики включает в себя уста-
новление определяющих параметров, разработку математической мо-
дели их проверки и конструкций технических средств (устройств). В
частности, устройства, находящиеся под высоким напряжением, мо-
гут иметь: датчик параметра, изолирующие элементы, анализатор зна-
чения (величины) параметра, аппаратуру индикации и регистрации
параметра, канал связи. У более сложных устройств количество функ-
циональных элементов возрастает (рис. 8.1). При установке устройств
вне высокого напряжения количество элементов уменьшается.
Элементы встроенной диагностики контактных сетей и ЛЭП сле-
дует предусматривать при конструировании узлов всех их подсистем.
При этом необходимо иметь в виду, что частичной базой для нее явля-
ются релейная защита и телесигнализация.
Встроенные устройства диагностики контактных сетей должны да-
вать возможность оперативно предотвращать повреждения и задерж-
ки поездов, накапливать данные для определения параметров надеж-
ности. а также прогнозировать сроки службы элементов при обслужи-
вании «по состоянию». Экономический эффект внедрения диагности-
ки может быть достигнут предотвращением ущерба от повреждений и
снижением эксплуатационных расходов (трудозатрат).
261
Рис. 8.1. Элементы устройств встроенной диагностики контактных сетей
Целесообразность внедрения веч роенных устройст в диагности-
ки определяется также невозможностью или сложностью оператив-
ной проверки некоторых параметров внешними средствами с по-
мощью инспекционных вагонов (ВИКС), дрезин (ДИКС), автома-
шин-лабораторий, невозможностью операт ивного получения инфор-
мации о них из-за редкого объезда контактной сет и. При разработ-
ке средств диагностики должно учитываться оптимальное соотно-
шение «затраты — эффект».
Выдаваемая встроенной диагностикой информация о параметрах
должна фиксироваться обслуживающим персоналом или регистриру-
ющими приборами. В первом случае могут использоваться данные, по-
лученные визуально с земли или с изолированной вышки при обходе
контактной сети; во втором — данные должны передаваться в район
контактной сети, на тяговую подст анцию или энергодиспетчеру через
каналы телеуправления или по специальным линиям.
К подсистеме «встроенные диагностические устройства» мож-
но отнест и следующее известное в настоящее время оборудование
для визуального, ручного и автоматического контроля парамет-
262
ров (рис. 8.2): сигнализаторы нагрева токопроводящих зажимов,
состояния изоляции и обрыва, критического износа контактных
проводов, а также появления гололеда на них; датчики температу-
ры контактных проводов и места их короткого замыкания и др.
Кроме того, для диагностики величины сопротивления опор кон-
тактной сети используют выводы заземляющих спусков, а для кон-
троля уровня головки рельса (высоты подвеа проводов) и привяз-
ки аппаратуры ВИКС — реперы на опорах контактных сетей.
Рис. 8.2. Классификация аппаратуры встроенной диагностики контактных сетей и ЛЭП
263
Сигнализаторы нагрева токопроводящих зажимов контактной
сети и ЛЭП необходимы, чтобы предотвратить разрушение зажи-
мов, разрыв и падение шлейфов, возникновение коротких замы-
каний. Сигнализаторы выдают видимый сигнал о превышении по-
роговых значений температуры нагрева зажимов током с учетом
температуры окружающего воздуха. Они выполняются в виде
флажков, прикрепленных к зажимам легкоплавким сплавом, от-
падающих при превышении заданной величины температуры, и
специальных термокрасок, наносимых на зажимы, цвет которых
изменяется при превышении температурной нормы.
Датчики нагрева контактных проводов позволяют предотвратить
отжиг, приводящий к снижению прочности (с возможностью обрыва)
и уменьшению твердости (повышению износа) проводов. Датчики ус-
танавливают на проводах в местах наибольших токов, т. е. вблизи мест
подключения к ним питающих фидеров.
В предложенной научными сотрудниками Уральского государствен-
ного университета путей сообщения Ю.П. Неугодниковым и др. кон-
струкции тепловой защиты нагрев фиксируется косвенным путем. Ана-
логовые данные датчика тока (из фидерной ячейки) и датчика темпера-
туры окружающей среды переводят в цифровую форму и путем реше-
ния дифференциального уравнения теплового состояния твердого тела
определяют температуру контактных проводов. Однако реальный из-
нос проводов, от которого зависит плотность тока отжига, может сни-
жать точность контроля этого параметра.
По предложению научных сотрудников Самарского институ-
та инженеров железнодорожного транспорта В.Л. Григорьева и
др.в СамГАПСе контроль температуры проводов проводится на-
прямую — путем установки на них датчиков температуры. Данные
измерения передаются на подстанцию по радиоканалу или проводам
после прохождения изолирующего устройства (потенциальной раз-
вязки). В этом случае величина износа проводов значения не имеет.
Степень нагрева проводов можно определить визуально по пере-
мещению грузов компенсаторов при проходе ЭПС. Для этого рядом
с компенсатором устанавливают рейку с делениями, на которой на-
несены положения грузов, соответствующие температурам окружаю-
щего воздуха. По превышению этих значений можно судить о допол-
нительном нагреве или перегреве проводов токами нагрузки.
264
Сигнализаторы о гололеде на проводах контактных сетей и ЛЭП
позволяют своевременно принять предупреждающие меры (организо-
вать профилактический подогрев, плавку и очистку от гололеда) во
избежание повреждения контактной сети и задержки поездов. Учиты-
вая, что обледенение проводов и его интенсивность значительно меня-
ются на расстоянии нескольких километров, персоналу необходимо
заранее иметь конкретную информацию о времени и месте появления
гололеда от автоматических устройств, установленных вблизи райо-
нов контактной сети и тяговых подстанций. При этом в условиях рабо-
ты тяговых сетей желательно иметь сигнализаторы гололеда со свето-
вым, акустическим или иным выходом, которые реагировали бы ис-
ключительно на его появление и не выдавали бы сигнала при образо-
вании на проводах изморози или инея, имеющих общую структуру с
гололедом, но не представляющих опасности для контактных сетей из-
за малой нагрузки и лег кости удаления ветром, токоприемниками и т.п.
На ЛЭП применяют различные дистанционные методы конт-
роля гололедных нагрузок и передачи сигналов на контрольные
пункты по радио, специальным проводным линиям или высокоча-
стотными сигналами по своим проводам. Известны конструкции
датчиков, которые срабатывают при появлении гололеда на спе-
циальном стержне, шаре, сферической сетке, контрольном прово-
де, подвешенном параллельно или на самом проводе ВЛ.
В конструкции сигнализатора Всероссийского научно-исследователь-
ского института железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ) величина
гололедообразования на линии со стальными проводами измеряется по
ее индуктивности, которая регистрируется датчиком. Катушка датчика
крепится на кронштейне опоры, а сердечник соединяется с проводом
ВЛ. Стрела провеса провода зависит от толщины стенки гололеда, воз-
действует на положение сердечника и индуктивность датчика.
В Уральском отделении ВНИИЖТ разработана конструкция датчи-
ка гололеда для контактных проводов на емкостном принципе. За ру-
бежом в датчиках гололеда используют динамометры с контактами и
передачу данных по телеканалу, тензодатчики с передачей сигналов по
радио, а также затухание высокочастотных сигналом (при наличии
высокочастотной защиты) и др.
Сигнализаторы об обрыве контактных проводов могут реаги-
ровать на падение (опускание) грузов компенсаторов ниже поро-
265
говых значений, использовать устройства торможения компенса-
торов при обрыве контактных проводов, а также датчики усилий,
установленные после изоляторов в страховочные тросы и т.д.
Сигнализаторы о состоянии изоляции необходимы для восста-
новления движения после пробоя, а также для предотвращения
электрокоррозии. Существует несколько видов таких сигнализа-
торов для контактных сетей и ЛЭП. Одним из самых простых сиг-
нализаторов являются изоляторы из щелочного стекла, у которых
при пробое рассыпаются тарелки. Более сложным сигнализатором
является контрольная гирлянда изоляторов, смонтированная на
анкерном участке контактной сети.
В МИИТе было разработано устройство для контроля изоляции ВЛ,
фиксирующее ток утечки, предшествующий перекрытию по загрязне-
нию поверхности изолятора. Оно состоит из герметизированного маг-
нитоуправляемого контакта, катушки с токовой обмоткой и постоянно-
го магнита, используемого в качестве порогового элемента. Устройство
заливается компаундом и монтируется последовательно с изолятором
со стороны опоры. Ток утечки протекает через кал ушку, наводит маг-
нитный поток, который суммируется с магнитным полем постоянного
магнита и при достижении критического значения вызывает замыкание
контактов, сигнализирующих о недопустимом состоянии изолятора.
Определение мест коротких замыканий контактных сетей и ЛЭП
осуществляют аппаратурой, устанавливаемой на подстанциях или
различными линейными датчиками.
Аппаратура для определения расстояния до места повреждения кон-
тактной сети переменного тока использует метод измерения полного
сопротивления тяговой сети петли короткого замыкания. На каждой
подстанции устанавливается передающий полукомплект поискового
устройст ва, связанный с комплектом телесигнализации системы теле-
управления. На диспетчерском пункте имеется общий приемный по-
лукомплект с цифровым индикатором расст ояния. Измерение расстоя-
ния производится в момент бестоковой паузы ЭПС. На расстоянии до
45 км место определялось с точностью до 0,3—0,7 км.
Разработаны специальные линейные датчики д ля контактной сети,
которые являются элементами встроенной диагностики. Они вы-
являют пробитые изоляторы, а также любое соединение оборудо-
вания контактной подвески с рельсами.
266
Например, С.Е. Стерлиным в МИИТе было предложено вклю-
чать в цепь заземляющего спуска каждой опоры простейшее реле-
блинкер, флажок которого отпадает при пробое, что можно увидеть
из проходящего поезда. К недостаткам этого способа надо отнести
необходимость ручного включения реле после срабатывания.
Датчики, использующие свойства ферромагнетиков, запоминаю-
щие направление тока в момент короткого замыкания, предложены в
МИИТе В.Н. Пупыниным. Сопоставление направлений позволяет ука-
зать место короткого замыкания. Их следует устанавливать на участке
между подстанциями через 100—200 м и затем считывать направления
(])азоопределителем. Необходимо указывать место установки.
В последнее время применяются групповые заземления с ко-
роткозамыкателями. В этом случае сигнализатором является сам
короткозамыкатель, срабатывание которого свидетельствует о
пробое изолятора и указывает место короткого замыкания.
Счетчики проходов по контактным проводам токоприемников с
различной нагрузкой позволяют получить объективные данные о сред-
нем удельном износе проводов, что необходимо д ля оценки работы пер-
сонала, обслуживающего контактную сеть; состояния токоприемника,
а также характеристик контактных материалов полозов (уголь, метал-
локерамика и т. д.). Для этого I геобходимо знать площадь износа и чис-
ло проходов токоприемников.
В ОмГУПСе разработана конструкция датчика, использующего им-
пульсы тока в струне, возникающие при проходе токоприемников, и
фиксирующего их электромеханическим счетчиком. Для учета величи-
ны снимаемого тока в конструкции установлены не один, а три счетчи-
ка сразным током срабатывания. Последнее достигается включением
дополнительных сопротивлений разной величины. Для определения
числа ЭПС, прошедшего с заданными величинами тока, необходимо
провести вычитание из показаний первого счетчика суммы показаний
двух других, из показаний второго счегчика—показаний третьего счет-
чика. Считывание данных следует' производить с изолированных вы-
шек. На участках постоянного тока счетчик можно дополнять автома-
тическим устройством распознавания типа токоприемника (ЭПС).
Сигнализаторы критического износа контактных проводов. Кри-
тический износ провода соответствует его максимально допустимо-
му значению, на которое может в соответствии с действующими
правилами уменьшаться первоначальное сечение. Превышение из-
267
носа может привести к обрыву проводов с задержкой поездов, тяже-
лыми последствиями и значительным экономическим ущербом.
Измерение износа можно производить ручными средствами — с
вышек (с большой трудоемкостью) и автоматически — с вагонов- и
дрезин-лабораторий (с большой! периодичностью и ограниченной
точностью). Интервал измерений вагонами на российских дорогах
принят раз в квартал, в Японии на линии «Токайдо» — 10 суток.
Для увеличения точности измерения (надежности) в Японии раз-
работана конструкция сигнализатора критического износа, осно-
ванная на использовании двух сигнальных проводников диамет-
ром 0,8 мм, покрытых поливинилхлоридной изоляцией и располо-
женных внутри контактного провода диаметром 15 мм параллель-
но друг другу на определенной высоте относительно его нижней
рабочей поверхности. Сущность работы сигнализатора состоит в
том, что измерением сопротивления изоляции между металлом кон-
тактного провода и сигнальных проводников можно определить,
не достиг ли износ первого такой степени, что последние вышли
на его рабочую поверхность. С этой целью на одном конце секции
контактной подвески концы сигнальных проводников коротко зам-
кнуты, а на другом — подключены к измерительному устройству.
Один раз в сутки устройство автоматически измеряет сопрот ивле-
ние изоляции и сравнивает его с данными предыдущего измере-
ния, а также выполняет самотестирование. Для этого измеритель-
ное устройство оснащено таймером и микропроцессором. Для пи-
тания служит литиевая аккумуляторная батарея, емкости которой
достаточно для работы в течение трех лет. Однако наведенный ток
в сигнальных проводниках, индуктированный тяговым током ЭПС,
отрицательно влияет на точность измерений. Поэтому измерения
проводятся при отключенном питании, что также определяется с по-
мощью встроенного датчика напряженности электрического поля.
Сигнализатор с габаритами 380x390x300 мм и массой 38 кг ус-
танавливают на консоль контактной сети на опорном изоляторе,
т.е. под ее потенциал. Для защиты от внешних воздействий его
снабжают двухслойной обшивкой из нержавеющей стали.
Протяженность одной зоны измерений составляет 4—5 км. Поэто-
му к одному индикаторному устройству обычно подключают сигналь-
ные проводники от нескольких секций контактной подвески, для
чего используют специальные соединительные кабели.
268
Индикация осуществляется следующим образом. На индикатор-
ной панели смонтировано множество дисков диаметром около 20 мм,
окрашенных с одной стороны в черный, а с другой — в желтый цвет,
причем их положение зависит от срабатывания специальных магни-
тов. В исходном положении диски повернуты черной стороной на-
ружу, а в случае обнаружения изменений состояния контактного про-
вода. выходящих за пределы допустимого, поворачиваются желтой
стороной наружу и фиксируются в этом положении.
Сигнализатор наличия напряжения на сопряжении. Аппаратура сиг-
нального указателя «Опустить токоприемник» устанавливается на воз-
душном промежутке, включается автоматически при исчезновении на-
пряжения на секции перед ЭПС. Содержит шкаф РКН с добавочными
сопротивлениями и реле минимального напряжения, разрядник кон-
денсатора, резисторы, реле мигания, сигнальные лампы. Аппаратура
является элементом встроенной диагностики, параметром которой яв-
ляется отсутствие напряжения на контактной сети, т.е. она подает сиг-
нал при отключении пли заземлении секции. Токоприемник ЭПС, за-
езжающего на такую секцию с рабочей!, подает на нее напряжение, со-
здавая короткое замыкание на воздушном промежутке (пережог) и сни-
жая элсктробезопасность. Визуальное воздействие на машиниста ока-
зывает мигающий 40-50 раз в минуту сигнальный указатель.
Сигнализатор о коротком замыкании на землю секции контакт-
ной подвески станции стыкования состоит из трансформаторов т ока,
сигнальных проводов и блинкеров. При коротком замыкании это
встроенное диагностическое устройство определяет место повреж-
дения, сокращая время за счет исключения времени поиска.
Сигнализатор состояния изоляции элементов устройст в контак-
тных сетей при постепенном загрязнении свидетельствует' о при-
ближении к состоянию пробоя.
Блинкер сигнальной точки свидетельствует о наличии на ней на-
пряжения, т.е. ее исправности. Его можно заметить из кабины ЭПС.
вагона-лаборатории или дрезины.
Индикатор надежного прохода токоприемника по воздушной
стрелке выполнен в виде пары горизонтальных проволочных щу-
пов, закрепленных на проводах сходящихся подвесок.
Индикатор прохода по сопряжению представляет собой! верти-
кальный конус из пластичного материала, устанавливаемый на про-
водах отходящей ветви.
269
ГЛАВА 9
РАСЧЕТЫ УСИЛИЙ В ОПОРАХ
ПРИ ОБРЫВЕ ПРОВОДОВ
Статистика повреждений контактной сети показывает, что обрыв
проводов контактной сети занимает в ней заметное место, каждый
раз приводя к большим сбоям в графике движения поездов. Для того
чтобы последствия при этом были как можно меньшими, необходи-
мо, чтобы обрыв проводов не приводил к разрушению поддержива-
ющих и опорных конструкций. А для этого следует режим обрыва
проводов рассматривать как один из расчетных (особых) режимов при
выборе параметров поддерживающих опорных конструкций. Поэто-
му необходимо рассмотреть процессы, возникающие при обрыве про-
водов, а также усилия, передающиеся на опорные конструкции. Как
показывает статиегика, случаев одновременного обрыва двух или
более проводов контактной сети не более 5%. Причем такие ситуации
возникают обычно при повреждении и поломке опоры от других при-
чин. Поэтому в расчетах предусматривается обрыв одного из прово-
дов контактной сети. Наибольшее место в статистическом ряду зани-
мают обрывы несущего троса или контактного провода, их обрыв
приводит к наиболее тяжелым последст виям, хотя на опорах контак-
тной сети располагается ряд линий различного назначения.
Обрывы несущего троса вызываются в основном их механически-
ми повреждениями и пережогом в месте короткого замыкания: при
пробое изоляторов, при задевании случайно выходящими за габари-
ты подвижного состава грузами или поврежденными частями ЭПС и
др. Эти же причины могут вызвать и обрывы контактных проводов,
однако чаще всего контактный провод обрывается из-за пережога.
Обрыв провода предст авляет собой сложный динамический про-
цесс, развивающийся во времени, начинаясь от одного установив-
шегося состояния при неповрежденной подвеске и заканчиваясь дру-
гим, также установившимся состоянием уже поврежденной подвес-
ки (хотя и продолжающийся доли секунды). Сложность процесса и
большое число влияющих факторов и определили то, что рекомен-
дации для расчетов основываются на экспериментальных данных.
В большой мере влияние обрыва проводов на несущие конст-
рукции зависит от возможности продольного перемещения точек
270
подвеса провода вдоль пути при обрыве проводов. В этом смысле
условия получаются различными для подвесок на консолях опор,
на гибких и жестких поперечинах.
При обрыве провода силы его натяжения по обе стороны от точки
подвеса становятся разными. В точке подвеса несущий трос уложен с
некоторым перегибом в специальное седло и, кроме того, зажимается в
седле специальной плашкой, что препятствует его продольному пере-
мещению относительно седла. Однако при возрастании упомянутой
разности натяжений до определенного значения трос проскальзывает
в седле. При этом разность натяжений падает и проскальзывание пре-
кращается. Кроме того, изоляторное звено само поворачивается в сто-
рону от обрыва, что дает тот же эффект, что и проскальзывание. На
консольных опорах также поворачиваются консоли, а на гибких попе-
речинах отклоняются поперечные тросы, чего нет на жестких попере-
чинах. Контактные провода подвешены на достаточно длинных стру-
нах и их перемещение менее стеснено, чем несущих тросов.
Рассмотрим влияние проскальзывания провода относительно точки
подвеса, а также влияние продольного смещения самой точки подвеса
(например, при отклонении изоляторного звена или при повороте кон-
соли) на натяжение провода подвески, состоящей из одного пролета.
В обоих вариантах (рис. 9.1, а и б) провод подвешен в точках А и В
при расстоянии между ними (пролете), равном /, м, и натяжении НВ
первом случае вследствие проскальзывания провода на длину;’ его дли-
на увеличилась и, следовательно,
натяжение упало до значения Н2.
Длина пролета / сохранилась. Во
втором случае за счет смещения
точки подвеса при перекосе изо-
ляторного звена или повороте
консоли опора В сместилась.
Длина пролета уменьшилась до
/2, а натяжение упало до Н2. На
практике можно принимать
Н2 = Н2, т.е. проскальзывание
провода в зажиме (седле) или от-
клонение точки подвеса на одно
и то же значение дает одинаковое
изменение натяжения в проводе.
Рис. 9.1. Изменение натяжения в про-
воде при проскальзывании и уменьше-
нии длины пролёта
271
По выражениям (3.22) и (3.23) (при L = Ln, / - /], q = g, И =
и/=/]) длина провода
=/i+ij7T = /|+А/|, (9.1)
Z4/7]
или
о г 2
Л =А+-^- = /1+д/1, (9.2)
где Д/] — 11ревышение длины провода по сравнению с длиной пролета;
д/| ДХ
24//2 3/, •
(9.3)
Значение Д/( при применяемых натяжениях и стрелах провеса со-
ставляет ничтожную долю относительно длины пролета /].
Рассмотрим, как влияет проскальзывание провода через седло в
точке подвеса (см. рис. 9.1, а). Сначала определим начальную (без на-
тяжения) длину провода /(| в пролете. Для этого из длины L । в выраже-
нии (9.1) вычтем упругое удлинение:
^i±
24ES'
где Е и S — соответственно модуль упругости материала провода и
площадь поперечного сечения.
Во втором члене этого выражения заменим L| на /], т.е. опустим
малую величину второго порядка. Подставим значение Lj из выраже-
ния (9.1), тогда
/0 - /| +
(9.4)
ES ’
24 И (
Если провод проскользнул в седле на у , то его начальная длина
теперь будет /0 + у. При этом натяжение уменьшится до /Л,. Тогда
, I
/o+Y = /i +--г—~
24Н; ES
(9.5)
272
Сравним выражения (9.4) и (9.5). Отсюда
24Н^Н2 es
(9.6)
В выражении (9.6) заменим /Л> на кН} (коэффициент к покажет,
какую часть //2 составит от Ну):
г = (,.7)
24Н । ES
Задавшись значением А", получим соответствующее значение у.
Расчет примера показывает, что при меньшей длине пролета и при
большем натяжении получается меньшее проскальзывание.
Если рассматривать линию с несколькими равными ио длине про-
летами, то проскальзывание в точках подвеса убывает по мере удале-
ния от места обрыва. Под у в этом случае надо понимать разность про-
скальзывания у опор, ограничивающих рассматриваемый пролез. Опыт
показывает (см. рис. 9.5), что такие проскальзывания, как и разность
проскальзываний, превышают значения, приведенные в примере.
Во втором случае (см. рис. 9.1, б), т. е. когда после обрыва точка В
сместилась влево на значение у (за счет отклонения изоляторного зве-
на или поворота консоли), а проскальзывания не было, выражение (9.5)
заменится выражением
/0 =/, — у +
g2(zi -y)3
24//f
^2 С, - у)
ES
(9.8)
Соответственно вместо выражения (9.7) будем иметь:
(9.9)
Так как у « то на точность расчета практически не повлия-
ет. если мы примем у//] =0, и тогда выражения (9.7) и (9.9) будут
18 Контакгные сети
273
одинаковыми. Отсюда можно сделать вывод, что проскальзывание
провода на длину у или отклонение точки подвеса на такое же зна-
чение практически приводит к одинаковому снижению натяжения.
Рассмотрим, как протекает процесс перемещения контактного
провода цепной подвески при его обрыве в какой-то точке анкер-
ного участка. Начнем с некомпенсированной подвески. С одной
стороны провод жестко (неподвижно) закреплен на анкерной опо-
ре, а с другой стороны - с помощью средней анкеровки. Незначи-
тельным се перемещением при обрыве провода будем пренебре-
гать. Пусть после обрыва провода слева от него останется И| не-
поврежденных пролетов общей длиной L], а справа от него — п2
пролетов общей длиной L2 (рис. 9.2). Все точки провода у опор А.,
А2, Ап1 сместятся влево за счет уменьшения натяжения прово-
да. Оно, собственно, не упадет до нуля только вследствие появления
в натяжении струн при их перекосе горизонтальной (вдоль провода)
составляющей. Аналогичное положение будет и в правой части ан-
керного участка на длине L2. Наибольшее перемещение получат точ-
ки Ап1 и Вп2 провода, расположенные ближе к месту обрыва. По
мере удаления от места обрыва эти перемещения уменьшаются.
Так как стрелы провеса провода между струнами очень незначи-
тельны, то для получения общего представления о характере явле-
ния заменим провод упругим растянутым стержнем (рис. 9.3). Про-
цесс исчезновения растягивающей силы Hq можно представить себе
как приложение в точке обрыва новой силы Н\, равной по величине
силе Но, но противоположной ей по направлению. В итоге в точке
А„\ растягивающая сила обратится в нуль. Исходя из принципа не-
зависимости действия сил, можно считать, что на упругие удлине-
Рис. 9.2. Схема пояснения процессов, происходящих при обрыве контактного провода
274
ния, вызванные силой /70, наложатся упругие сокращения, вызван-
ные силой /7]. Стержень переходит от состояния растяжения силой
/7П к нейтральному состоянию (при - 7/()) не мгновенно. Переход
представляет собой процесс, развивающийся во времени. Мгновен-
ное изменение натяжения по всей длине провода от Н() до нуля было
бы возможным только при массе стержня, равной нулю.
Если представить себе, что упругий стержень состоит как бы из
нескольких последовательно соединенных стержней с массой mt,
т7, w р то приложение силы /7] вызвало бы смещение всех то-
чек А ], ..., Яир убывающее от Aflj к точке О. Соответственно раз-
личными получатся ускорения этих точек при их смещении влево,
а следовательно, и разная реакция масс пц, т2, тп\, т.е. убыва-
ние силы от значения 7/0 на длине от Ап\ до нуля будет неодинако-
вым, и наибольшим это убывание будет в точке Л/;1. Вместе с тем
по истечении небольшого промежутка времени (времени перехода
от одного устойчивого состояния к другому) натяжение Н по всей
длине стержня упадет до нуля. Следовательно, при обрыве прово-
да сила Н изменяется неодинаково по всей длине стержня, а рас-
пространяется волной от точки А/г1 к точке О. Поскольку в этом
процессе участвуют силы инерции масс, то возникают затухающие
продольные колебания сложного характера. Здесь важно то, что в
этом процессе силы, действующие на поддерживающие конструк-
ции (при контактном проводе — это струны), получают значения
большие, чем по окончании переходного процесса.
Аналогично протекает процесс обрыва и компенсированного про-
вода с той лишь разницей, что в нем участвует и масса компенсирую-
щего груза. В какой-то момент времени в процессе обрыва провода
натяжение струн достигает значения, при котором наиболее корот-
кие струны (в середине пролета) срываются с контактного провода,
что и было отмечено в специально поставленном эксперименте.
"1
"о
Рис. 9.3. Растянутый стержень
275
Обрыв провода увеличивает натяжение несущего троса за счет
наклона струн и перекоса фиксаторов (см. гл. 3). При установив-
шемся режиме сумма этих дополнительных натяжений троса урав-
новешивает силу тяжести компенсирующего груза, если в результа-
те обрыва провода он не опустился на землю. В последнем случае
уравновешивает остаточное в месте анкеровки натяжение в контак-
тном проводе, оборванный же провод провисает до земли.
Проведенными опытами показано, что поддерживающие и опор-
ные конструкции получают значительно большие нагрузки при об-
рыве несущего троса.
Рассмотрим установившееся положение подвески после обрыва
троса на одном анкерном участке (рис. 9.4), полученное при проведе-
нии упомянутого ранее эксперимента в режиме без добавочных (ими-
тирующих гололедные) нагрузок.
Анкерный участок нолукомпенсированной подвески марки
ПБСМ-95 + 2МФ-100 состоит из 17 пролетов, каждый длиной 75 м
В десятом пролете расположена средняя анкеровка. Обрыв про-
изошел (был сымитирован) в четвертом пролете между опорами 3
и 4. Начальное натяжение в несущем тросе 21 кН, а установившее-
ся после обрыва у анкерной опоры в разных опытах от 9 до 11 кН.
Оборванные концы несущего троса опустились на землю. На опо-
рах 3 и 2 консоли повернулись в сторону от точки обрыва соответ-
ственно на 45 и 10° и вправо от обрыва на 55, 10 и 7°. При обрыве
трос, закрепленный в седле с плашками (см. рис. 13.7), переместил-
ся в сторону от обрыва: влево на опорах 3, 2 и / (см. рис. 9.5) соот-
ветственно на длину 1,05; 0,75 и 0,30 м; справа на опорах 4, 5 и 6
соответственно на длину 1,3; 0.85 и 0,72 м. При проведении опытов
было измерено, что продольные силы реакции, противодействую-
щие проскальзыванию i роса, равны примерно 3,0—3,5 кН при зак-
реплении троса в седле с помощью плашки и 1,5—1,75 кН для не-
закрепленного троса. В пролетах 7-5-10 перемещения малы.
Вследствие смещения частей несущего троса влево и вправо отточ-
ки обрыва струны левой и правой частей получат наклоны в противо-
положные стороны. Средние струны в «пролете обрыва» оборвались.
В смежных пролетах струны сохранились, но часть из них ослабла, и
контактный провод повис как свободно подвешенный, т.е. его стрела
провеса определялась силой тяжести и его натяжением.
Рис. 9.4. Обрыв несущего троса в эксперименте
277
276
Расположение проводов в пролетах слева и справа от обрыва
различно. До обрыва длина несущего троса в каждом пролете была
больше длины пролета на А/ [см. выражения (9.1) и (9.2)]. Общее
удлинение несущего троса от анкерной опоры до средней анке-
ровки (от первого до середины десятого пролета) 9,5 А/. Слева до
середины четвертого пролета упругое удлинение троса 3,5Д/, а
справа 6,0А/. После обрыва трос как растянутая пружина будет
стремиться сократить свою длину, при этом справа на большую
длину, чем слева. В результате этого сокращения консоль у смеж-
ной правой опоры 4 повернется на 55°, а у левой опоры 3 — на 45°
и в другую сторону. Положение элементов контактной сети после
обрыва троса в системах с поворотными и полузащемленными кон-
солями примерно одинаковое. Гирлянды подвесных изоляторов
сохранят почти везде вертикальное положение, что говорит о не-
большой разнице в натяжении троса по обе стороны от точки его
подвеса. Эта разница в натяжениях уравновешивается силой тре-
ния троса в седле, не допускающей дальнейшего его проскальзы-
вания, и силой зрения в шарнирах консоли, препятствующей даль-
нейшему ее повороту относительно опоры. Разность этих сил не-
велика, и это видно из того, что консоли под их действием пово-
рачивались не полностью, и не только разность сил, но и сами силы
получают небольшие значения.
Это объясняется тем, что очень незначительное увеличение длины
провода, подвешенного с малой стрелой провеса, приводит к резкому
снижению его натяжения. Это може т произойти в неизменном по дли-
не пролете вследствие проскальзывания провода в точке подвеса или
при уменьшении длины пролета за счет отклонения изоляторов или
поворота консоли, или от того и другого вместе.
В результате этих продольных перемещений несущего троса при
его обрыве натяжение в нем растет по мере удаления от места обрыва
у каждой опоры и над каждой струной. Проведенные эксперименты
показали, что продольная нагрузка на опоры при установившемся ре-
жиме после обрыва оказалась незначительной. Однако записи усилий
в переходном режиме, выполненные с помощью осциллографа, пока-
зали, что именно в этом режиме возникают максимальные нагрузки на
консоли и опоры. После обрыва троса ближайшие к месту обрыва стру-
ны так перекашиваются, что почти продолжают линию троса, переда-
278
вая остающееся в нем натяжение на контактный провод. При этом
контактный провод в месте разрыва троса получает повышенное
натяжение. Под влиянием возникшего натяжения наиболее корот-
кие, т.е. наиболее перекошенные струны рвутся.
В описываемых исследованиях испытывали подвеску с рессор-
ным тросом. В момент после обрыва несущего троса изолятор-
ное звено получило некоторый наклон (рис. 9.5), консоль же, об-
ладающая большей массой, почти не сдвинулась с места. Гори-
зонтальная составляющая натяжения троса Г2 (слева) стала боль-
ше, чем горизонтальная составляющая '1\ (справа). При этом рес-
сорный трос С£>££занял положение, показанное на рисунке. Эле-
мент рессорного троса EF ослабился, а элементы CD и DE натя-
нулись, передавая большую часть натяжения несущего троса в
> элементе RC через подрессорные струны DM и EN на контакт-
j ный провод К. Опыты проводили на подвеске с нескользящими
подрессорными струнами.
I Горизонтальная составляющая натяжения Г2 будет уравно-
вешиваться горизонтальной составляющей остаточного натяже-
ния Г] и силой инерции масс консоли и изоляторного звена. Вер-
• тикальные составляющие усилий Т2 и передадутся на консоль,
> вызвав дополнительное сжатие ее стрелы (кронштейна) и растя-
жение тяги. С поворотом консоли сначала упадет натяжение Т2,
а затем вертикальная нагрузка на точку О. При установившемся
режиме она будет иметь небольшое значение. При скользящих
подрессорных струнах остаточное натяжение в несущем тросе
будет передаваться на контактный провод за счет перекоса про-
летных струн, и можно ду-
мать. что вертикальная
нагрузка на консоль и
опору в переходном про-
цессе будет ниже.
Расчет консоли и опоры
на динамическое воздей-
ствие сил при обрыве несу-
щего троса сложен, и поэто-
му его заменяют статичес-
ким расчетом, но с увели-
Рис. 9.5. Расположение проводов под-
вески у опоры в пролете обрыва
279
ценной нагрузкой. В данном случае для получения расчетной дина-
мической нагрузки предлагается нагрузку Q от силы тяжести прово-
дов подвески умножить на динамический коэффициент kR, т.е.
QA=QkA- (9.10)
Нагрузку Q принимают для наиболее тяжелого, гололедного ре-
жима. Толщину стенки гололеда на проводах рекомендуют прини-
мать равной 0,5 расчетной, а динамический коэффициент kR = 1,9.
В этом случае получатся вывод, сходный с ситуацией в системах,
рассматриваемых в сопротивлении материалов, при внезапном дей-
ствии нагрузки, когда возникающие напряжения вдвое больше, чем
при ее статическом действии.
При опорах с жесткой поперечиной условия по сравнению с под-
веской на консольных опорах существенно изменяются, так как из
продольного смещения точки подвеса исчезает поворот консоли.
Однако в начальный момент, когда консоль еще не успела повер-
нуться, складываются сходные условия. При установившемся ре-
жиме после обрыва несущего троса на жесткую поперечину будет
действовать продольная (вдоль пути) сила, Рож, кН,
Рож = 0|/1+Рв, (9.11)
где Q — сила тяжести подвески, кН; v|/j — коэффициент сопротив-
ления перемещению троса в седле; Рв — сопротивление выдерги-
ванию зажатого троса, кН.
Для применяемых конструкций седла (см. рис. 13.7) сопротив-
ление Рв рекомендуется принимать равным 1,5 кН при тросе
ПБСМ-95 и проводе М-120; 2,10 кН — для стальных тросов;
2,90 кН — для сталеалюминиевых тросов АС-185.
Коэффициент \|/ [ рекомендуется принимать равным 0,75 для троса
ПБСМ-95; 0,7—для троса М-120; 0,5 — для сталеалюминиевого тро-
са АС-185; 0,2—для стального троса С-70.
По результатам эксперимента сделан вывод, что максимальная
вертикальная нагрузка Qg [см. выражение (9.11)] по времени не со-
впадает с продольной нагрузкой в момент проскальзывания троса
в седле. Поэтому при расчете жесткой поперечины на продольную
(вдоль пути) нагрузку динамический коэффициент не вводят.
280
Необходимо отметить, что при проверке несущей способности
опор эксплуатационным персоналом нужно пользоваться упрощен-
ной методикой расчета Всероссийского научно-исследовательско-
го института транспортного строительства (ЦНИИС) и ВНИИЖТ.
При проектировании контактной сети на кривых участках пути,
а также при замене опор на действующих участках необходимо так-
же выполнять расчет опор на особую нагрузку от падения сосед-
ней опоры. При этом учитываются параметры не только контакт-
ной подвески, но и нагрузки от других проводов, подвешенных на
опоре, а также давление ветра.
281
ГЛАВА 10
ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ
КОНТАКТНЫХ СЕТЕЙ И ЛЭП
Токи, протекающие по проводам, вызывают выделение в них
тепла, а следовательно, потерю электроэнергии и превышение их
температуры относительно температуры окружающей среды. Это
приводит к двум последствиям:
- изменяются натяжения и ординаты кривых провисания сво-
бодно подвешенных проводов контактной сети и некомпен-
сированных проводов цепных подвесок. Кроме того, в последних
возникает перекос струн, фиксаторов и консолей;
- ускоряется старение проводов, что выражается в понижении пре-
дела упругости (пропорциональности) и разрушающего натяжения
и, следовательно, в уменьшении запаса прочности сооружения.
В сложившейся практике рассматривается только влияние из-
менения температуры окружающей среды на натяжение и рас-
положение проводов контактной сети в перспективе без учета
влияния нагрузочных токов на температуру проводов. Вместе с
тем положение проводов контактной подвески имеет значение
тогда, когда по этой подвеске перемещается токоприемник, т.е.
тогда, когда провода нагреваются протекающим током. Поло-
жение проводов контактной подвески в отсутствие поездов мо-
жет представлять интерес только для проведения различных кон-
трольных измерений.
В проводах контактной сети величина токов зависит от распо-
ложения поездов на определенном участке линии, потребляемых
ими токов; от схем питания рассматриваемого участка и т.д.
Вопросы учета влияния нагревания проводов цепных подве-
сок протекающими по ним токами на выбор конструкций и пара-
метров цепных подвесок реализованы недостаточно. При выборе
длин анкерных участков, мест размещения скользящих струн, кон-
структивной высоты подвески и учете влияния перекоса фиксато-
ров обычно не принимают во внимание и не учитывают в расче-
тах нагревание проводов протекающими токами. Практически нет
необходимых экспериментальных данных о старении проводов в
зависимости от величины их температуры и времени ее действия.
282
Приведенные в этой главе методы расчета дают возможность
решения рассматриваемой задачи в порядке поверочного расчета
применительно к действующим нормам допускаемых температуры
проводов и нагрузок на них.
10.1. Распределение токов между проводами контактной сети
Цепная контактная подвеска состоит из нескольких проводов.
Кроме того, для уменьшения сопротивления, что, как правило,
необходимо на участках постоянного тока с относительно невысо-
ким напряжением порядка 3 кВ, на опорах контактной сети подве-
шивают еще и усиливающие провода, соединенные в некоторых
точках с проводами контактной подвески. Ток в тяговой сети или
в фидере подстанции определяется для всех проводов, соединен-
ных параллельно между собой. Для того чтобы судить о темпе-
ратуре данного провода, например несущего троса, необходимо
знать ток, протекающий по нему. При постоянном токе ток на-
грузки распределяется между параллельно соединенными прово-
дами пропорционально их проводимости или обратно пропорци-
онально их сопротивлениям. Пользуясь значениями сопротивлений
и проводимостей проводов контактной сети можно определить ток
в интересующем нас проводе с номером к
1—1
(101>
А=1
где g/ — проводимость провода с номером к; п — число парал-
лельно соединенных проводов.
Следовало бы взять проводимости при той температуре, кото-
рая установится после распределения тока. П хотя эти проводи-
мости зависят от искомой температуры, в учете этого нет необхо-
димости, так как уточнение при этом будет ничтожно.
Действительно, если некоторый ток / делится между двумя провода-
ми с сопротивлением R । и R^, то соответствующие им токи будут равны
/,/Л = /?,//?,. (10.2)
283
Известно, что
Rt = Rw (1 + а,Ай), a R2 = Rw (1 + а2Ай),
где R ю и Т?2о — табличные значения сопротивлений, приведенные
для температуры й - 20 °C; сс ] и ос2 — температурные коэффициен-
ты изменения сопротивления для материала первого и второго про-
водов; А© — превышение температуры свыше 20 °C.
Тогда выражение преобразуется к виду:
— ^02 0 + ^2^^)
I2 ^(1 + а^й)
(Ю.З)
Если й| и а2 близки по значению, то ошибка ничтожна.
Представим, что
— = -^-(1 + а2А$Х1 - а, Ай)= [1 + (сс2 - at )ай - «2а! Ай2
l2 Я01
Последний член выражения представляет собой малую величину
второго порядка, так как для медных проводов ам = 0,0038, а для
алюминиевых аа = 0,0039, поэтому его можно отбросить.
Тогда
(1 + 0,0001Ай)
^2 ^01
(Ю-4)
Превышение температуры Ай всегда меньше 100 °C и так как
1+0,0001-100 = 1,01, то ошибка всегда меньше 1%. Это говорит о
том, что в расчетах ток между проводами можно распределить в
соответствии с номинальными (при температуре 20 °C) сопротив-
лением или проводимостью.
При переменном токе задача несколько усложнится, так как
распределение токов между параллельно соединенными провода-
ми зависит еще и от ЭДС взаимоиндукции между контурами, со-
ставленными из отдельных проводов. К.Г. Марквардтом в 1982 г.
приведены соответствующие формулы для определения тока в каж-
дом проводе при заданном суммарном токе контактной сети /кс.
284
Так, для цепной подвески, состоящей из одного несущего тро-
са и одного контактного провода, токи в несущем тросе и контак-
тном проводе соответственно
т т -
—Т1—^кс; (10.5)
^т.к ^к.т
т _ ____^т.к __ , (10.6)
1 К ~ 1 КС •
^т.к ’"^к.т
Здесь
.. f щ-4, 1,28JTK
Zt.k = rK + J^f 1° ln----(10.7)
—.4 1,28JT K
^т.к — гт *" ’10 In —-— , (10.8)
где rK и rT — активное сопротивление контактного провода и несу-
щего троса соответственно; f — частота переменного тока; J —
расстояние между осью контактного провода и несущего троса;
RK и /?т — диаметры контактного провода и несущего троса
соответственно.
Расстояние dK и диаметры /?к, RT должны быть в одних и тех
же единицах измерения.
10.2. Расчет температуры провода для тока,
не изменяющегося по времени
Уравнение теплового баланса
/2/?о(1 + )dt = Cd®, + k$,dt - (10.9)
где I — ток в проводе, A; Rq — сопротивление при начальной тем-
пературе ©Q (по норме О0 = 20 °C), Ом/м; а — температурный ко-
эффициент сопротивления (принимают независимо от температу-
285
ры), °C !; I — текущее время, с; С — теплоемкость провода (при-
Вт-с
нимают независимо от температуры), ; к — теплоотдача со
С • м
всей поверхности провода (принимают независимо от температу-
ры), Вт/см; — температура перегрева провода, превышающая
температуру окружающей среды в момент времени I, °C.
Отнесем это уравнение к длине провода, равной 1 м.
Теплоемкость провода С = ст, где с — удельная теплоемкость
тела, Дж/(кг-К); т — масса тела, кг/м.
Первый член в уравнении (10.9) представляет собой количество
выделенного в проводе тепла за время dt, второй — количество
накопленного в проводе тепла и третий — количество тепла,
отданного в окружающую среду.
Для решения дифференциального уравнения (10.9) разделим пере-
менные. Для этого преобразуем это уравнение и приведем его к виду:
[/1 27?о О + «Д,)~k&t]dt = Cd$t.
Преобразуем это уравнение
dt _ dQt
С + {l RqCL — f
(10.10)
Проинтегрируем левую и правую части уравнения (10.10). Мож-
но взять неопределенные интегралы и тогда к решению добавить
постоянный член, определить который можно из начальных усло-
вий. Можно принять, что в момент времени t = 0 перегрев провода
относительно температуры окружающей среды был равен /)(). Про-
ще всего взять определенный интеграл от левой и правой частей при
изменении t от 0 до t и соответственно температуры — от йд до О, .
Тогда
dbr
(/2/?оос —
1 t Ф
-2----
о оо I Rq +
(10.11)
286
Второй интеграл можно взять методом подстановки или заме-
ни гь dfit на
d[/2/?() + 27?qCX — к jjf)z /{/2Rqu — к j.
Тогда выражение (10.1 1) преобразуется к виду:
t 1
- =----------- /
С 72/?0ос- к о0
+ (/27?0сс-А:)]о/
Z 2/?0 + (/ 2 RqCL - kpt
(10.12)
Известно, что
г ал:
J — = 1пл'+А. Тогда выражение (10.12) можно
представить в виде:
/
С ’
х
= ----1прл„ +(/2R0a-A)]e,g;]= !—-
f2RQa-k ° l^R^a-k
{ln[/2Z?0 + (/2/?р(Х — A: — ln[/ /?q + {
x
Заменим в этом выражении разность логарифмов логарифмом
дроби
/ 1 [ I2Rq Ту /?()СС — k\&t
I 2 RqCL — к I 2 Rq + (а 2 RqCL. — к jfjg
(10.13)
и после преобразования получим
€(//c)(/2/?oa-A
)_ I2Rq + у2 Roa- kpt
I2 Rq + (/ 7?qC(. — к
287
Откуда
-I2R0 + (t-/2/?0a)o, = [-/2/?0 + (k-I2K0cx)o() ]xH'/c)(a-/2/?o«)
и
(t -12/?(la)a, = / 2fi( Jl - е~(' /СЖ -/ + (t
/ 2/?(la)o0 ‘«<>a)
(n
к - I R ci
Эту формулу использовали и ранее. В частности, она точно со-
впадает с приводимой А.В. Ворониным в 1971 г.
Если в расчете не учитывать увеличение сопротивления с уве-
личением температуры провода, то для этого случая можно полу-
чить выражение ОД/) из уравнения (10.14), приняв в нем а = 0:
О, [|-е-"<с'‘)]+вое-"(С'<). (10.15)
При t - х
а 'Ч
Оу = —°. (10.16)
к
Это значение принято называть установившимся. Зависимость
ОД/) имеет экспоненциальный характер
0, =6А, -(©у -Оо)е-'/(с/Ч (Ю-17)
Здесь 0у = , т.е. количество теплоты, отводимой во вне-
шнюю среду, равно количеству теплоты, выделяемой в проводе
при его неизменном сопротивлении. Это положение и определяет
понятие постоянной времени нагревания тела.
288
Аналогичный характер имеет кривая ОД/), т.е. изменение 0; по вре-
мени и для случая, когда учитывается, что сопротивление провода
зависит от его температуры [см. формулу (10.14)]. Предположим, что
в выражении (10.14) / = 0 (начальный момент времени), тогда О; - 0().
С ростом / растет О,, а кривая ОД/) теперь уже зависит от значения а,
различного для разных материалов проводов (рис. 10.1). При а = 0,
т.е. без учета влияния температуры на значения сопротивлений про-
вода, кривая имеет вид / (см. рис. 10.1). С ростом а до значений сх-> и
а3 растут значения О, и Оуй (кривые 2 и 3, см. рис. К). 1).
Если последовательно рассматривать варианты, отличающие-
ся друг от друга токами, то для одного и того же начального со-
противления Rq и а будем получать аналогичные семейства кри-
вых. Каждому току нагрузки /н будет соответствовать некоторая
установившаяся температура 0г (рис. 10.2).
Предположим, что в уравнении (10.14) / = ос, тогда установив-
шееся значение
k-IzRoa
(10.18)
Так будет продолжаться до тех пор, пока с ростом тока нагруз-
ки знаменатель уравнения (10.14) не приблизится к нулю при
/2/?оа = Л. (10.19)
о t
Рис. 10.1. Кривые нагревания про-
водов при различных коэффициен-
тах изменения сопротивления
Рис. 10.2. Кривые нагревания про-
водов при различных токах
19 Конгакгные сети
289
В этом случае стремится к бесконечно большому значению
Другими словами, установившегося значения здесь нет, что услов
но показано на рис. 10.2 (ток /н4) и на рис. 10.3 (ток /н). Из выраже-
ния (10.18) следует, что установившееся значение достигает беско-
нечно большого значения при
(10.20)
Это значение обычно превышает реальные нагрузки на провод.
При этом установившееся значение будет нарастать по гипербо-
ле, например, для провода марки МФ-100 с - 0,39 Дж7(кг-К); при
С = gyp = 100-8,91 0.39 = 350 Вт-с/(°См); а = 0.004 1/°С, температу-
ра перегрева определяется:
1,5-103
0,18
0,004
и будет изменяться следующим образом:
/, А .............. 200 400 800 1200 1400
О, °C............... 5 25 118 530
Рис. 10.3. Зависимость установив-
шейся температуры от г ока
Кривая б>,(г), построенная
по уравнению (10.14), имеет
экспоненциальный характер
(рис. 10.4). Определим на эк-
споненте длину подкаса-
тельной ВС, т. е. длину гори-
зонтальной проекции каса-
тельной на участке кривой
от точки касания до пере-
сечения с асимптотой О, = О
в точке С.
290
I Приа>0
вс = лв(г/о,/л), (Ю.21)
где ав = ov - a,.
Используя выражения (10.14) и (10.18), будем иметь
1 _ с-‘(к-Г~^)/С
к
AB = Oy-f)y
-Оое
/(Л-/2Яоа
-(»у -е0)е'(‘-"^“»'с
(10.22)
к -1"Rqu
(10.23)
Подставив выражения (10.22) и (10.23) в уравнение (10.21), получим
ВС=
к -1 ~R^n
(10.24)
т.е. длина по касательной ВС не зависит от момента времени / и
остается постоянной за вес
время роста температуры.
Ее называют постоянной
времени нагревания и обо-
значают т
к -I2Roa
(10.25)
Когда не учитывают вли-
яние изменения температу-
ры провода на его сопротив-
ление и принимают а = 0,
Рис. 10.4. Зависимость температуры от
времени
1
291
постоянная времени будет выглядеть следующим образом:
(10.26)
Тогда выражение (10.15) с учетом уравнения (10.16) примет вид:
О,=Оу(1-е-'/т)+а0е-'/т,
(10.27)
или
(), = О() + (t)у - О0 )(1 - е 1 /т )
(10.28)
В выражении (10.27) значение О, представлено двумя слагаемыми:
первое слагаемое представляет собой температуру провода в момент вре-
мени I при начальной температуре, равной 0 (рис. 10.5, кривая 2). Второе
слагаемое учитывает начальную температуру а кривая 3 падение
этой слагаемой во времени. Сумма этих кривых и даст кривую J сум-
марной температуры Подобно этому можно представить и процесс
нагревания провода с учетом 'зависимости его сопротивления от тем-
пературы. Но здесь вопрос несколько сложнее. Первый член выражения
(10.14) характеризует рост температуры при отсчете от начальной тем-
пературы. равной нулю. Пока к > l2R()a, все протекает аналогично
случаю, когда а = 0. Со вторым членом уравнения (10.14) дело обстоит
иначе. Как и в выражении (10.15). он здесь характеризует постепенное
понижение слагающей начальной температуры О(). В то же время про-
вод обтекается током / и, следовательно, его сопротивление превыша-
ет сопротивление не только за счет тока /, но и за счет слагающей от
начальной температуры 0(). По-
этому понижение & за счет со-
ставляющей от менее интен-
сивно. На рис. 10.6 кривые 6.4 и 3
повторяют кривые, приведенные
на рис. 10.5, а кривые 5,2 и 1 заме-
няют их соответственно при Rt >
Rq. Первый и второй члены вы-
ражения (10.14) относятся к слу-
чаю. когда по проводу протекает
ток / на > 0. Рассмотрим, что по-
Рпс. 10.5. Кривые определения значений
членов выражения для нагревания проводов
292
лучится, ecni i ток будет отключен
и охлаждение начнется с темпе-
ратуры 0(). Подставим в выраже-
ние (10.14) / = 0:
О, =а()е-'/(с/А) = 0пс-'/т".( 10.29)
Ток здесь не протекает и зна-
чение сопротивления не влияет
ни на что. Если ток нагрузки в
момент времени /0 резко умень-
шился бы до нуля (рис. 10.7, «),
то процесс охлаждения (кривая
Рис. 10.6. Кривые определения значении
членов формулы для нагревания прово-
да при различных сопротивлениях
АВ на рис. 10.7, о) будет описываться выражением (10.29), где вместо
0() следует принять 0()].
Если ток нагрузки изменяется от /| до Л (рис. 10.8, а), то при нагре-
вании (кривая АВ. рис. 10.8, б) в выражении (10.14) ток / = /| и устанав-
ливается значение О()] в начале второго режима. Процесс охлаждения
будет описываться также выражением (10.14) (кривая ВС. рис. 10.8. и).
но здесь ток будет равен /->.
Таким образом, если из- а
мснениетока в проводе пред-
ставить ступенчатой линией
(рис. 10.9), то на каждом уча-
стке кривая температуры бу-
’ дет строиться по выражению
(10.14) и через оба члена бу-
дет проходить один и тот же -
I ток Ij, соответствующий уча-
стку кривой тока. Здесь же
будет определена начальная
температура О();; /-го участка
кривой тока. Температура О0/
будет зависеть от тока । на
/1-м участке. Кривая темпе-
ратуры на i-м участке будет
зависеть от этой температу-
ры и от тока на этом участке.
Рис. 10.7. Зависимость тока от времени («)
и кривая охлаждения провода при отклю-
чении тока (6)
293
Рис. 10.8. Зависимость тока от времени
(а) и кривая нагревания провода при
уменьшении тока (б)
Рис. 10.9. Зависимость тока от времени (а)
и кривая негреванпя провода при изменяю-
щемся токе(б)
Ранее были рассмотрены
процессы нагревания прово
дов током, изменяющимся сту-
пенчато. В действительности
же ток в проводе контактной
сети непрерывно изменяется.
Поэтому при расчетах по вы-
веденным формулам под то-
ком следует понимать некото-
рое постоянное значение, экви-
валентное по своему воздей-
ствию на старение провода.
Однако отсутствие матема-
тических зависимостей меха-
нических характеристик от
температуры и времени ее
действия не позволяет опреде-
лить токи эквивалентного зна-
чения. Поэтому приходится
мириться с более грубыми
допущениями. Далее под зна-
чениями токов будем пони-
мать их эквивалентное значе-
ние по количеству выделяемо-
го тепла (не по старению), т.е.
так называемое «эффектив-
ное» значение (среднее квад-
ратичное), взятое за время,
соответствующее поставлен-
ной задаче. Если нагрузочные
токи поездов в фидерной зоне
не претерпевают резких и ча-
стых изменений, то под экви-
валентным значением можно
понимать их среднее значение
за время хода поданной зоне.
294
10.3. Выбор расположения поперечных соединителей подвески
Как было приведено ранее, поперечные соединители предна-
значены для распределения тока контактной сети между отдель-
ными ее проводами (несущий трос, контактные, вспомогательные
и усиливающие провода). Варианты их расположения пред-
ставляют интерес с точки зрения нагревания проводов контакт-
। ной сети, особенно на участках постоянного тока и в первую оче-
| редь контактного провода. При этом следует рассматривать та-
| кое расположение поездов, при котором ток в контактной сети
| достигает максимального значения.
| Между смежными поездами одного направления всегда распола-
I гается несколько анкерных участков и, конечно, на одном и том же
анкерном участке уж никак не может быть больше одного поезда.
Наибольшим в контактной сети будет ток на участке, примыкающем
к подстанции, и особенно в том случае, если все поезда в фидерной зоне
размешены как можно ближе к этой подстанции. На рис. 10.10 первый
поезд расположен около подстанции ЭЧЭ1, а следующий на мини-
мально допустимом расстоянии от него. В этом случае ток фидера /ф
подстанции ЭЧЭ1. а следовательно, и ток в контактной сети /к получают
наибольшие значения. На схеме контактная сеть представлена двумя про-
водами с сопротивления-
ми гк и г , Ом/км. Сопро-
тивление г.. относится к
контактному проводу
I (одинарному или двойно-
I му), а сопротивление гт
f представляет собой экви-
валентное сопротивление
несущего троса и парал-
лельно присоединенных к
нему усиливающих прово-
дов (эквивалентного про-
вода). Контактный и экви-
валентный провода на
всем протяжении соедине-
ны поперечными соедине-
Рис. 10.10. Расчетная схема распределения
тока в проводах
295
ниями С с расстоянием 1п между ними, обычно равным 150—350 м, а
иногда и меньше. При параллельной работе подстанций ток фидера
подстанции (например, подстанции ЭЧЭ1) определяют делением тока
каждого поезда, находящегося в фидерной зоне, на части, обратно
пропорциональные их расстояниям от подстанции, и сложением соот-
ветствующих частей; при этом предполагается, что все провода контакт-
ной сети соединены параллельно. Это предположение соответствует и
конечному числу поперечных соединений. На рис. 10.10, а показано
расположение одного поезда в фидерной зоне в точке А между попе-
речными соединениями Сп и С/;+). Токи поездов принимают равными
их средним значениям в фидерной зоне за время хода по зоне. Ток фи-
дера /ф и, следовательно, токи /т и /к слева от Сп зависят только от
расстояния /| (координаты нагрузки) и не зависят от координат (распо-
ложения) поперечных соединителей. Не нарушая токораспределенпя
между подстанциями, ток /] можно разложить на две составляющие
между узловыми точками Су и С//+1 обратно пропорционально рассто-
яниям от этих сост авляющих до элект ровоза (точка А):
I - 1 ~А • li \ - 1 —
J in ' i , * i i(«+i)— । > •
‘п hi
В свою очередь, токи /)н и ) распределяются между подстанциями
обратно пропорционально расстояниям до них. Следовательно, состав-
ляющая нагрузки фидера подстанции ЭЧЭ1 /ф от тока /, будет равна
'ф = '1л ,----+ '1(л + 1)-----, -
'О '()
Подставим значения /)и, /](„+]) в это выражение и примем во вни-
мание, что /1н + /ц„+1) ~ Л’ тогДа Ab = h (4)~ • Полученный ре-
зультат говорит о том, что распределение тока поезда между подстан-
циями не зависит от числа и расположения поперечных соединений.
При наличии двух поездов ток фидера подстанции ЭЧЭ1 Ар
будет равен (используя метод суперпозиции)
+I2-, (Ю.ЗО)
'о 'о
где /2 — расстояние второго поезда от подстанции ЭЧЭ1.
296
Ток на участке от подстанции до Сп распределяется между про-
водами обратно пропорционально их сопротивлениям гк и гт.
Если принять, что сопротивление поперечного соединения рав-
но нулю, то через все поперечные соединения, расположенные сле-
ва от С/р ток не протекает, и поэтому их число и расположение не
оказывают влияния на распределение тока между проводами. Во
всех случаях ток протекает только через ближайшие к нагрузке
поперечные соединения и не протекает через все остальные.
Наибольшая нагрузка ложится на контактный провод участка
I . на котором расположен электровоз. Следовательно, здесь и бу-
дет наиболее высокая температура провода.
В связи с этим следует подробнее рассмотреть нагрузку прово-
да между теми поперечными соединениями, где расположен поезд.
Ток в контактном проводе на участке между подстанцией и попе-
речным соединителем С;/
Ток в контактном проводе на участке Сц А
1к=^+1^- <10-32)
Первое слагаемое определяется током, уходящим за пределы
точки С/(+1, равным /ф /|. Согласно выражению (10.31)
'т + С
(10.33)
Второе слагаемое /к) связано со значениями тока /(. Рассмот-
рим две параллельные цепи, соединяющие точку Сп с точкой А:
первая цепь с сопротивлением гкл и вторая с сопротивлением
гт^11+гк^/Гх^ ^тоРая составляющая тока в контактном проводе на
участке СпА с учетом сопротивления обеих цепей будет равна
г -1 __!Л+ГЛ1"-ХУ
к2 ‘ V +[/,/„+с (/,,-х)]
297
или после упрощения
(10.34)
Подставим в выражение (10.32) значения составляющих из фор-
мул (10.33) и (10.34). Тогда ток 1кСп на участке СпА
I кСн
1
гк + гт
(10.35)
При изменении х от 0 до 1п изменяются составляющие всех на-
грузок фидерной зоны и, в частности, составляющие тока /р при-
ходящиеся на подстанцию ЭЧЭ1. Так как 1п во много раз меньше,
чем /(). можно считать, что эти составляющие постоянные. Тог-
да ток 1кСп в контактном проводе на участке С^А представляет-
ся зависимостью ZKf ц (/,) (рис. 10.10, б).
В частном случае при /]= /Сн или иначе при х = 0
<0 +/|'к]. (10.36)
При х = выражение (10.35) обращается в формулу (10.31) и
ток на отрезке С'пА (см. рис. 10.10, а) получает то же значение, что
и на участке отЭЧЭ! до Сп. Пока ток /[, протекая от ЭЧЭ1 к ЭЧЭ2.
располагается левее точки //р справа от нее ток в проводе равен /к1,
что определяется по выражению (10.33). Как только поезд минует
точку С1Г ток в контактном проводе увеличится скачкообразно на
значение этого тока, т.е. на /], достигнет значения / () и теперь уже
будет определяться по выражению (10.36). На отрезке СЦА ток из-
меняется в зависимости от х, как это видно из выражения (10.35),
по закону прямой линии (см. рис. 10.10, б). Прямая BD показывает,
как изменяется ток в контактном проводе на участке С'пА при дви-
жении электровоза по участку 1Ц. т.е. при изменении х от 0 до I .
При постоянной скорости поезда расстояние х в соответствую-
щем масштабе показывает время. В точке С/; эффективная нагрузка
298
контактного провода будет наибольшей. Определим ее за время хода
электровоза tn по участку СцСн+1. При расположении поезда на рас-
стоянии л от Сп [см. выражение (10.35)] ток /к в этой точке будет:
За время хода электровоза по участку С„С;/+1, т.е. за время
при постоянной скорости
(10.37)
При этом значения токов фидера /ф и Ц принимаются постоян-
ными, не зависящими от л.
Для интегрирования используем способ подстановки. Выраже-
ние в квадратных скобках заменим на у. Тогда
dv = -^-dx,
откуда
Одновременно заменим пределы интегрирования: нижний —
при л = 0; у = /ф7\ +/р'к, а верхний — при л = 1Н; у = f^rr Получен-
ные значения подставим в выражение (10.37)
э 1 2
^к0э=—7 " v $ '
Vk +'т) гк
После интегрирования и преобразования получим
2 + -^фЛ'п'к + Л ГК 710 Т5П
/ кОэ =-----— -—- . ( • и.Лб)
299
Это выражение позволяет определить квадрат эффективного тока
в точке контактного провода около поперечного соединения за вре-
мя хода поезда с током /| между двумя поперечными соединителями.
Если ток поезда принимается неизменным вдоль всей фидер-
ной зоны, то наиболее нагруженной оказывается точка контакт-
ного провода около ближайшего к подстанции поперечного со-
единения. Это точка Сп при lt-x-0 (см. рис. 10.10, а). В этом слу-
чае нагрузка /| расположена между ближайшими к подстанции
поперечными соединениями.
Если же ток поезда претерпевает значительные изменения и дос-
тигает максимального значения где-то в средней части фидерной зоны,
то и наиболее нагруженная точка контактного провода может ока-
заться в этой зоне. В этом случае ток контактной сети при распо-
ложении в фидерной зоне нескольких поездов (рис. 10.11, а), как изве-
стно, может быть представлен диаграммой (рис. 10.11, б) при парал-
лельной работе подстанций и диаграммой (рис. 10.11, в) при отклю-
чении тяговой подстанции ЭЧЭ В. Если наибольший ток (средний на
участке между смежными поперечными соединениями) равен /| и про-
текает между поперечными соединениями С;|1 и C/f2, то в выражении
(10.38) вместо /ф следует подставить ток /с в контактной сети перед
ближайшими к /| поперечными соединениями. Его определяют, вы-
читая из тока фидера (см. рис. 10.11) сумму токов между тяговой
подстанцией ЭЧЭ А и поперечным соединением С |.
Под /] следует понимать наибольший ток поезда. Это особенно важ-
но, если по участку пропускаются тяжеловесные и соединенные поезда.
Наибольших значе-
Рис. 10.11. Диаграмма тока в сети
ний в контактном про-
воде ток достигает в точ-
ках, расположенных
между поперечными со-
единениями, где нахо-
дится поезд. Чем больше
расстояние между ними,
тем дольше держится в
контактном проводе по-
вышенная нагрузка. Те-
оретически это сказыва-
300
стся па потерях напряжения и мощности, но так как //; много меньше
эта неравномерность распределения тока не учитывается, т.е. эти вели-
чины рассчитываютдля случая полного параллельного соединения про-
водов контактной сети. Но на нагревание проводов расстояние между
поперечными соединениями может оказать существенное влияние.
По нормам допустимые токовые нагрузки или температуры про-
водов устанавливают для интервалов длительностью 1, 3 и 20 мин.
Строго говоря, следовало бы определять степень потери прочнос-
ти проводов за заданный срок в зависимости от изменения их
температуры. Однако такой метод расчета пока не разработан и в
первую очередь из-за отсутствия необходимых зависимостей ста-
рения проводов от температуры и времени ее действия.
По выражению (10.38) определяют эффективный ток в точке С t
(см. рис. 10.10, а) за время хода поезда по участку Сп — С(/+|. ^1О
время хода всегда значительно меньше нормированных значе-
ний. Поэтому возникает вопрос о необходимости определения эф-
фективных токов в точке С за эти промежутки времени.
При движении поезда и соответственно точки токовой нагруз-
ки /| от точки С к С,/+|, т.е. вправо, ток в точке Сп изменяется так,
как показано на рис. 10.10, б. Он растет скачкообразно до значе-
ния /kq, а затем постепенно уменьшается до /'к. Как показывают
расчеты, наибольшая температура в точке С (или Сл+|) достига-
ется в том случае, если ток изменяется от меньшего к большему, а
не наоборот, т.е. если бы ток рос от точки D к точке В — поезд
шел справа налево (от точки Сп+| к С„).
Ток / , который протекает справа от точки С/|+] и определяется
по выражению (10.33), больше, чем ток, протекающий слева от точ-
ки Сп, определяемый по выражению (10.31). В связи с этим на рис.
10.12 как бы изменено направление движения, что для гока в точке
С +1 соответствует прежнему направлению движения. Время ZH рав-
но времени, установленному по действующим нормам. На этом ри-
сунке представлено изменение тока в точке Сп (см. рис. 10.10) контакт-
ного провода, точнее справа от нее, когда по рассматриваемому отрез-
ку следует наиболее тяжелый поезд. Сначала целесообразнее всего оп-
ределить эффективный ток в этой точке /к()э за время /н = 0. По выраже-
нию (10.18) можно найти установившуюся температуру 0vI. Она не дол-
жна быть выше нормируемой температуры за время П1ах = 20 мин.
301
За время /н, соответственно равное 1 или 3 мин, эффективный
ток в точке Сп
кнэ ЕкОэО; + ^к0э(^1
— t
н ‘п
(10.39)
'н
где /кОэ, /кнэ — соответственно эффективный ток за время 1И и /н,
соответствующее требованию норм.
Так как рассматривается параллельный график движения, то при
однотипных поездах достаточно пост роить графики тока в проводе
в точке Сп за время, равное минимальному интервалу времени меж-
ду поездами. Затем график движения поездов повторяется. Если часть
поездов тяжеловесные и пропуск их следом один за другим не до-
пускается, то точнее будет рассматривать отрезки времени, равные
двум или трем интервалам, где в одном из них намечен проход тяже-
ловесного поезда. В нормальных условиях ток через поперечные со-
единители будет протекать только при расположении поезда между
выбранными и двумя смежными с ними поперечными соедините-
лями, т.е. в течение небольшого отрезка времени 2/и за каждый ин-
тервал времени 0 (см. рис. 10.12).
Во всех приведенных расчетах предполагается, что сопротивление
поперечного соединения, включающее в себя сопротивление самого
провода соединителя и переходного сопротивления зажимов, равно
нулю. При эксплуатации сопротивление отдельных соединителей, осо-
бенно контактов соединительных зажимов, может значительно вы-
расти. что приведет к иному перераспределению тока и большему
нагреву проводов. Поэтому необходимо иметь достаточный резерв
при выборе расстояния между поперечными соединениями. Видимо,
при расчете тока в контактном проводе правильнее допустить, что
выбранное поперечное
соединение не работает и
его функции выполняют
смежные поперечные соеди-
нения. В расчете вместо I и
tn следует принимать их
двойные значения, т. е. 2/н и
2tlt соответственно.
Рис. 10.12. Зависимость тока в точке Сп
от времени
302
Из всего изложенного следует, что в первую очередь должны
ьиь определены точки контактного провода, в которых предпо-
игается наибольшее значение эффективного тока за преду-
иотренное нормами время: 1, 3, 20 мин. При относительно равно-
ерпом потреблении поездами тока в данной фидерной зоне таки-
I точками являются точки подключения контактной сети к фиде-
у подстанции. Если потребление тока по длине фидерной зоны
сравномерное, то такая точка лежит около одного из поперечных
эединений. Нагрузку контактного провода следует определять при
асиоложении поезда с наибольшим током между поперечными
уединениями. Ток /~п, определяемый по выражению (10.39), со-
оставляют с нормами или (и это более правильно) на основе его
нределяют температуру провода по формуле (10.14), которую так-
:с сравнивают с нормами. Расчет имеет характер поверочного, т.е.
начала задают значения / и г„ а затем рассчитывают или О..Т1,
а то или иное время.
Теоретически расстояние между поперечными соединениями
Могло бы увеличиваться при удалении от подстанции.
Однако, исходя из возможности работы при разных схемах пита-
ния и конструктивных соображений, расстояния между попереч-
ными соединениями делают одинаковыми. Нормами рекоменду-
ется их располагать на линиях постоянного тока в зависимости от
соотношения сопротивлений гк и /т: если площадь сечения (в мед-
ном эквиваленте) контактных проводов более 50% общий — на рас-
стоянии 200—250 м; если менее 50%— на расстоянии 150—200 м;
если менее 25% — на расстоянии 60—150 м. На линиях переменного
тока в первом и втором случаях выбирают расстояние 250—350 и
150—200 м соответственно. В этом случае для точного расчета токо-
распределения следует учесть индуктивное сопротивление проводов.
Здесь этот вопрос не рассматривается. Можно пользоваться теми
же расчетами, что и для постоянного тока, заменив гк и г их полны-
ми сопротивлениями zK и гт [см. (10.5) — (10.8)].
303
ГЛАВА 11
РАСЧЕТ КОНТАКТНЫХ ПОДВЕСОК,
ЛЭП И ОПОР НА АВТОКОЛЕБАНИЯ,
ВИБРАЦИИ И ВЕТРОУСТОЙЧИВОСТЬ
11.1. Автоколебания и вибрации проводов контактных
подвесок и ЛЭП
В различных системах при определенных условиях возникают ко-
лебательные процессы — колебательные движения всех элементов
около некоторого начального, исходного положения.
Колебательные движения могут различаться механизмом их возбуж-
дения. Так называемые собственные колебания и свободные колеба-
ния возникают в системе в результате однократного принудительного
отклонения системы от состояния ее устойчивого равновесия. В боль-
шинстве случаев колебател ьные движения возникают вследствие внеш-
него воздействия. Если воздействие имеет периодический характер,
то возникают вынужденные колебания. Если же при этом часть воз-
действия приближается к собственной частоте колебаний системы, то
резко возрастает амплитуда вынужденных колебаний системы и на-
ступает резонанс. Если внешнее воздействие прекращается, то колеба-
ния постепенно затухают, что вызывается в основном трением и воз-
буждением в окружающей среде упругих волн (продольных волн раз-
ряжения и сжатия). Сложные колебательные движения вызываются в
контактной подвеске в результате воздействия на нее токоприемника.
Рассмотренные виды колебаний всегда связаны с периодически дей-
ствующей силой или с однократным ее приложением для выведения сис-
темы из равновесия. Кроме того, существуют так называемые автоко-
лебания — незатухающие колебания, которые возникают при отсут-
ствии переменного внешнего воздействия на систему. При этом их ам-
плитуда и период определяются свойством самой системы, которую
называю! автоколебательной. Любые подвешенные провода (в том чис-
ле и контактная подвеска) проявляю! себя как автоколебательные сис-
темы. Энергия, необходимая для поддержания в них колебаний, полу-
чается извне от постоянного (а не переменного) потока, причем ее по-
ступление в систему регулирует сама система. В этом случае колеба-
304
тельное движение сопровождается не только рассеянием полученной
извне энергии, но и ее получением и преобразованием. Последнее зак-
лючается в том, что от постоянного (нсколебательного) потока энергии
система вследствие своих свойств (нелинейности) отбирает энергию раз-
деленными по времени порциями (при определенном положении прово-
да), тем самым поддерживая собственные колебания. При этом ампли-
туда автоколебаний не зависит от начальных условий и определяется
только параметрами системы и отбираемыми порциями энергии. Для
подвешенных на открытом воздухе проводов таким источником энер-
гии оказывается ветер и, что очень важно, при его скорости, близкой к
постоянной, т.е. оказывающей не переменное, а постоянное воздействие,
необходимое для возбуждения устойчивых колебаний.
Различают два вида автоколебаний свободно подвешенных про-
водов: «пляска» проводов и вибрация. Первый вид характеризуется
большими амплитудами, достигающими нескольких метров, с часто-
той, близкой к частоте собственных колебаний системы: второй —
небольшими амплитудами, равными диаметру провода, с частотой
10—100 Гц при длине несколько метров. Те и другие колебания обра-
зуются в виде стоячих волн (т.е. волн, не бегущих вдоль провода).
Наибольшие неприятности доставляет «пляска» проводов, тем бо-
лее что от вибрации существует достаточно эффективная защита с по-
мощью гасителей колебаний. Поэтому когда говорят об автоколеба-
ниях, имею! в виду именно «пляску» проводов при свободно подве-
шенном проводе и в какой-то мере у несущего троса цепной подвески.
При анализе степени влияния факторов, определяющих возникнове-
ние автоколебаний, необходимо принять во внимание, что отрезки про-
вода, лежащего на разном расстоянии от точек подвеса, находятся в раз-
ном положении с точки зрения возможности возникновения колебаний.
Это видно из сопоставления горизонтальной и вертикальной состав-
ляющих натяжения провода. Первая во много раз превышает вторую,
потому обычно, говоря о натяжении, имеют в виду горизонтальную
составляющую. Однако в разбираемом вопросе именно вертикальная
составляющая многое поясняет. Если первая остается постоянной по
длине участка, то вторая в точке максимального провеса провода рав-
на нулю и растет (по закону прямой) до значения, равного половине
силы тяжести провода в одном пролете: при этом нижняя точка прово-
да получается как бы невесомой. Поэтому считается, что эта точка кри-
20 Кожишные се «и
305
вой провисания провода является изначальной при возникновении про
цесса «пляски» проводов. В процессе возникновения колебания, кота
нижняя точка поднимается выше, провод в этой точке начинает воспри
нимать силу тяжести смежных участков проводов. Это замедляет л
подъем, что и создает условия для возникновения колебаний провода.
Автоколебания контактной подвески происходят при воздейст вии
на нее ветра, в большинстве случаев имеющего сравнительно неболь
шую скорость (6 — К) м/с) и направленного под углом, близким к
прямому по отношению к проводам. Автоколебания наблюдают пре
имущественно на участках, расположенных в равнинных, безлесных,
незастроенных местностях. В основном автоколебаниям подвергают ся
провода, имеющие отложения гололеда или изморози, которые нару-
шают форму сечения провода. Частота колебаний проводов близка г
частоте собственных колебаний контактной подвески (0,65 — 1,00 Гц).
Наряду с основной частотой (рис. 11.1, а) происходят колебания со
второй и третьей частотами (рис. 11.1, б и в), а также в отдельных
межструновых пролетах с частотой 2.5 —4,0 Гц. Колебания контакт-
ной подвески нередко достигают очень больших амплитуд, они име-
ют устойчивый и длительный характер и прекращаются только при
изменении климатических условий (прекращение или изменение на-
правления ветра, таяние пли удаление гололеда и т.п.). При прохож-
дении поезда они временно прекращаются, а затем вновь возникают
с той же частотой и интенсивностью. Протяженность участков, под-
вергающихся автоколебаниям, изменяется в широких пределах и мо-
Рис. 11.1. Виды автоколебаний цепной
подвески в пролете: полпериод (д),полпе-
риод (б): I— несущий трос, 2 — контакт-
ные провода
жет достигать десятков кило-
метров. Их продолжитель-
ность может быть более суток.
Автоколебания проводов при-
водят к серьезным нарушени-
ям работы электрифицирован-
ного участка. При сильных ав-
токолебаниях становится не-
возможным токосъем, так как
провод отрывает ся от т окопри-
емника. Кроме того, они вызы-
вают повреждения проводов и
поддерживающих устройств.
306
Автоколебания вызываются аэродинамическими силами, возни-
нющими при обтекании воздушным потоком проводов, получивших
результате гололедных отложений пли износа неправильную фор-
у сечения. Закон изменения аэродинамических сил в зависимости оз
гла атаки ветрового потока имеет сложный характер, особенно в
•учаях, когда сечение провода значительно отличается оз круглой
ормы (рис. 11.2.). В нижней части сечения воздушный поток тесно
рилсгает к поверхности провода и скорость потока под проводом
всличена, что приводит к снижению давления в этой зоне. К верхней
теги сечения провода прилегает вихревая зона, давление в которой
Приближается к атмосферному. В результате такого распределения
давлений по поверхности провода возникает вертикальная составля-
ющая равнодейст вующей этих давлений, направленная сверху вниз.
Направление воздушного потока, оставаясь перпендикулярным к
вертикальной плоскости, в которой лежит провод, может составлять
одновременно с его диаметральной (горизонтальной) плоскостью не-
который угол, получивший название «угол атаки» а (рис. 11.2,«). Если
изменяется угол атаки, изменяется и подъемная сила Р. С изменением
знака угла а изменяется и направление подъемной силы. При этом
если по какой-либо причине провод перемещается в вертикальной
плоскости, оставаясь параллельным самому себе, то сгущение струй
воздуха под проводом уменьшается и, наоборот, несколько увеличи-
вается сверху. Такой же эффект получается и при неподвижном про-
воде, если уменьшить угол атаки.
Таким образом, перемещение провода в вертикальной плоско-
сти с точки зрения воздействия ветра на провод аналогично изме-
Рис. 11.2. Схемы обтекания воздушным потоком провода с гололедом некруглой
формы («) и вихревая дорожка воздушного потока (б) за цилиндрическим
проводом (без гололеда)
307
нению угла атаки. Следовательно, если провод с гололедом дви-
жется кверху, то с точки зрения аэродинамических сил это равно-
сильно уменьшению угла а, который определяется как
a = arctg(v,,/i),
где v;i — скорость перемещения провода в направлении, перпен-
дикулярном направлению воздушного потока; v — скорость гори-
зонтального воздушного потока.
Так как скорость гп изменяется по модулю и направлению, а ско-
рость v примерно постоянна, то утлы атаки непрерывно изменяются.
При движении провода вниз углы атаки положительны и, наоборот,
при движении провода вверх — отрицательны. В первом приближе-
нии считают приращение подъемной силы пропорциональным прира-
щению угла атаки. Если поперечным колебаниям провода вследствие
его асимметрии сопутствуют и крутильные колебания, то при несим-
метричном (с гололедом) проводе изменяется и угол атаки, что в свою
очередь оказывает влияние на автоколебания — «пляску» проводов.
При почти гармонических колебаниях провода (каковыми они явля-
ются) углы атаки изменяются также по почти гармоническому закону.
Наибольшие абсолютные значения утла атаки имеют место в моменты
прохождения проводом положения равновесия. При крайних амплитуд-
ных значениях отклонений провода, когда г = 0, угол атаки а = 0.
В настоящее время теория «пляски» проводов как воздушных ли-
ний, так и цепной подвески разработана недостаточно. Поэтому
большое значение приобретают результаты наблюдений при эксп-
луатации, которые затем используются при проектировании контак-
тной сети. Например, при одинаковых по длине прилегающих про-
летах фиксаторы практически не перемещаются, т.е. узлы волн со-
средоточиваются у опор. В то же время при различных по длине
пролетах перемещение фиксаторов достигает 10—15 см, а переме-
щение грузов компенсаторов 15—20 см, что связано с передачей энер-
гии колебаний из одного пролета в другой и с усилением тем самым
ее рассеяния. Это наблюдение и привело к рекомендации для борь-
бы с «пляской» проводов в особо опасных районах: при сооруже-
нии контактной сети располагать рядом пролеты различной длины.
В отдельных случаях при автоколебаниях проводов могут возни-
кать аэродинамические крутящие моменты, вызывающие периодичес-
308
кие закручивания провода относительно его оси. Эти моменты на-
правлены так. что при закручивании провода уменьшаются утлы ата-
ки его воздушным потоком, что вызывает увеличение амплитуд авто-
колебаний провода. Периодические изменения аэродинамических сил
лобового сопротивления могут привести к горизонтальным колеба-
ниям провода, в результате чего возникают сложные колебания, ког-
да траектория провода приобретает эллиптическую или другую фор-
му. Такие колебания провода могут сочетаться также с периодичес-
кими закручиваниями провода вокруг оси. Начальный толчок, необ-
ходимый для возникновения автоколебаний, может появиться из-за
горизонтальных смешений провода при изменениях скорости ветра и
вертикальных перемещений провода в средней части пролета.
Иной характер имеют колебания проводов воздушных линий, изве-
стные под названием вибраций. Вибрации имеют большую частоту (око-
ло 100 Гц), небольшие амплитуды колебаний и обычно наблюдаются
при скорости ветра 2—5 м/с. направленного под углом 60 -90° к ли-
нии. Причиной вибраций является периодическое возникновение вих-
рей различного направления при обтекании воздушным потоком прово-
да (рис. 11.2, б). Вихри отрываются от поверхности провода в правильной
последовательности: одни — по часовой стрелке, другие — против нее,
что и вызывает возникновение поперечных сил переменного направления.
11.2. Ветроустойчивость устройств контактных сетей и ЛЭП
Определение длин пролетов является одним из основных вопросов
проектирования воздушных линий, в том числе и контактных подвесок.
Длина пролета должна определяться с учетом как экономичес-
ких, так и технических факторов и в первую очередь с учетом огра-
ничений, накладываемых на длину пролета условиями обеспече-
ния надежной эксплуатации воздушной линии.
В устройствах контактной сети «экономические» длины пролетов
обычно намного превышают длины пролетов, определяемые услови-
ями обеспечения надежного токосъема при допустимых скоростях дви-
жения и возможных ветровых воздействиях на контактную подвеску.
Ограничения по условиям токосъема определяются описанным
выше динамическим расчетом контактной подвески при воздей-
ствии на нее токоприемника с наибольшими допустимыми скорос-
тями движения. Очень важными являются также ограничения, на-
309
кладываемые условиями обеспечения надежного токосъема при воз-
действиях на контактную подвеску ветра: отклонение контактного
провода от оси пути при ветре не должно превышать установлен-
ной наибольшей допускаемой величины отклонения провода для
принятого на данном участке типа токоприемника.
Эта величина определяется шириной рабочей части токоприем-
ника с учетом возможных в эксплуатации отклонений токоприем-
ника от нормального его положения вследствие перекосов пути и
подвижного состава, неправильного расположения, перекосов и
поперечных колебаний токоприемника, неточности в расположении
проводов контактной подвески по отношению к осн пути и пр. Для
токоприемников Л и Т при ширине рабочей части полоза 1300 мм
величина наибольшего допустимого отклонения провода от оси то-
коприемника при учете влияния отклонений несущего троса и про-
гибов опор под действием ветровой нагрузки принимается равной
500 мм. В подвесках с двойным контактным проводом эта величина
относится к осевой линии между контактными проводами.
Кроме того, еще одним ограничением длины пролета цепной кон-
тактной подвески является требование по сохранению установленных
вертикальных габаритов контактных проводов при воздействии на кон-
тактную подвеску сил, зависящих от изменения внешней температуры
с учетом гололедных нагрузок и нагрева проводов токами нагрузки.
11.3. Ветровые отклонения проводов и допустимые длины
пролетов простых контактных подвесок и ЛЭП
Величина горизонтального отклонения провода при простой
подвеске легко может быть определена на основании ранее выве-
денных соотношений.
При действии на провод вертикальной g и горизонтальной рк на-
грузок, провод расположится в наклонной плоскости, как показано на
рис. 11.3, где дан поперечный разрез провода в пролете.
Обозначив через/>к величину горизонтального отклонения провода в
данной точке и через г провес провода в этой точке в направлении ре-
зультирующей силы q, из подобия треугольников получим
310
Величина провеса провода в любой точке
пролета согласно (3,24) может быть опреде-
лена выражением
J 2К
Подставив это значение г в выражение
(11.1), получим:
(11.2)
Для средней точки пролета, где стреле про-
веса провода f будет соответствовать наи-
большее горизонтальное отклонение прово-
да ’ из выражения (11.2) получим
Рис. 11.3. Схема располо-
жения провода при откло-
нении его ветром
8К
(П.З)
При зигзагообразном расположении контактного провода откло-
нение его от оси пути будет определяться суммой отклонений Г] и ,г->
(рис. 11.4), величины которых могут быть найдены из выражений
2К
и У2
где а — величина зигзага провода.
Рис. 11.4. Схема расположения отклоненного ветром провода на прямой при
равных зигзагах: 1 — ось пути и токоприемника; 2. 3 — неотклоненное и
отклоненное положение контактного провода; 4 — опора
311
Отсюда получим значение отклонения провода Ь/: от оси пути в
любой точке пролета, расположенной на расстоянии _т от опоры:
b , «(/-2л)
к 2К I
(П.4)
Приравнивая к нулю первую производную bh. и определяя из получен-
ного уравнения значение т, находим расстояние от опоры, при кото-
ром отклонение контактного провода от оси пути будет наибольшим:
_ pj ркх 2а
dx ~ 2К ~ К ~ I
откуда
I 2аК
Х‘2~Р,Г
После подстановки этого значения л в выражение (11.3) получим
Ьк..
PJ2 + 2а2 К
8* Pj2 ’
(П.5)
В гом случае, если провод имеет различные зигзаги и величи-
на наибольшего его отклонения определится следующим образом.
Обозначим через а среднюю величину зигзага контактного провода:
а. + п,
а = —-----
2
тогда согласно рис. 11.5 получим:
Величина наибольшего отклонения провода в пролете может быть
определена при этом согласно (11.5) и (11.6) из выражения
ркГ~ {ру+а^К at-a7
=----+ -----— +-------- (117)
8К 2р Г' 2 ’ и ’
312
Рис. 11.5. Схема расположения отклоненного ветром провода на прямой при
неравных зигзагах; / — ось пути и токоприемника; 2 — неотклоненный про-
вод; 3 — отклоненный ветром провод; 4 — опора
Если в выражении (11.5) положить ^ктах = ^ктоп и решить это
уравнение относительно /. то получим выражение для определе-
ния наибольшего пролета провода на прямых участках при дан-
ных />к, а. К и Ьк доп
(П.8)
На кривых участках вынос контактного провода выполняется
в одну и ту же сторону от осп пути на обеих опорах, ограничива-
ющих участок кривой. При отклонении провода ветром на кри-
вой он занимает положение, показанное на рис. 11.6.
Рис. 11.6. Схема расположения отклоненного ветром провода на кривой: / —
ось пути и токоприемника; 2 - неотклоненный провод; 3 — отклоненный вет-
ром провод; 4 — опора; 5— хорда кривой пути
313
Величина стрелки кривой оси пути гу может быть определена
из схемы, представленной на рис. 11.7.
Из прямоугольного треугольника АВС имеем:
откуда получим:
г-
8В '
Величина отклонения провода от оси пути г7 при отсутствии вет-
ра определится как (см. рис. 11.6)
Г~
У1 = У>-а= — ~а (Н-9)
О А
11ри действии ветра на провод величину наибольшего отклонения про-
вода от оси пути можем определить согласно рис. 11.6 из выражения
Ьк
рХ~
8К
Рис. 11.7. Схема для опреде-
ления стрелки кривой пути
где знак плюс соответствует направле-
нию ветра внутрь кривой, а знак ми-
нус — на внешнюю сторону кривой.
Наибольшее отклонение провода от
оси токоприемника получается в этом
случае при ветре, направленном внутрь
кривой, и оно равно
рк12 2а2К
и'+г
откуда после подстановки значения г2 из
выражения (11.9) получим
(11.10)
314
Значения наибольших допускаемых пролетов на кривых участ-
ках пути получим, приняв в выражении (11.10) ^ктах =^кдоп и ре-
шив его относительно 1тах.
После несложных преобразований получим:
^тах
= 2
(11-11)
На кривых больших радиусов значения / по формуле (11.11)
при нормальных выносах провода у опор получаются больше про-
лета /тах, определенного по формуле (11.8) для прямых участков.
Однако в практике проектирования ограничивают длину проле-
тов на таких кривых наибольшей длиной пролета, установленной
для прямых участков, исходя из которой определены габаритные
размеры опор и размещение на них поддерживающих устройств.
Величину выносов провода у опор в таких случаях определяют
из условия, чтобы провод в середине пролета располагался по оси
токоприемника. Как видно из рис. 11.6, это будет тогда, когда
у, =----а =0.
- 8R 1
Решая это уравнение относительно получим
(11.12)
/-
и, = —
8R
Все приведенные выше выражения были выведены без учета сме-
щений точек крепления провода на опорах при ветре (вследствие про-
гиба опор и пр.). Но если обозначить величину этих смещений через у,
приведенные выше формулы примут вид:
- для прямых участков при расположении контактного провода с
зигзагом п
клшх
рк/2 2а2 К
----+ —+ у;
8К „ /2
(11.13)
315
(11.14)
- для кривых участков
^inax
(11.15)
(11.16)
ьк
11.4. Ветровые отклонения проводов и допустимые длины
пролетов цепных контактных подвесок
В цепной подвеске отклонение контактных проводов определя-
ется с учетом влияния несущего троса, на который действует нагруз-
ка />т . При различных отклонениях несущего троса и контактного
провода струны принимают наклонное положение в перпендикуляр-
ной оси пути плоскости и передают часть ветровой нагрузки с троса
на контактный провод или обратно (в зависимости от того, какой
из этих проводов имеет большее горизонтальное отклонение).
Точный учет взаимодействия несущего троса и контактного
провода при ветровом отклонении представляет значительные
трудности. Ниже приводится вывод приближенных формул для
ветрового расчета цепной подвески, основанных на сравнительно
простых допущениях и дающих в то же время вполне достаточную
для практических целей степень точности.
В качестве основного допущения принимается, что контактный про-
вод и несущий трос взаимодействуют между собой (в отношении пере-
распределения между ними ветровой нагрузки) лишь в средней части
пролета, равной половине общей его длины. Нагрузка, передающаяся с
контактного провода на несущий трос (или обратно), принимается на
этом участке пролета равномерно распределенной.
316
Если принять длину струн в этой части пролета постоянной и рав-
ной среднему ее значению, то принятое допущение является равносиль-
ным тому, что все струны в средней части пролета имеют при ветре
одинаковый угол наклона (в направлении поперек пути) и разность
ветровых отклонений контактного провода и несущего троса остается
в этой части пролета неизменной. Тогда дтя какого-либо поперечного
сечения подвески в средней части пролета (рис. 11.8) можно написать:
р' е р'с'
ТГ?’откуда -
где е — разность отклонений контактного провода и несущего троса в
средней части пролета;р ’— равномерно распределенная нагрузка в сред-
ней части пролета, передающаяся с контактного провода на несущий
трос (или обратно); gK — нагрузка от веса контактного провода; с’ —
расстояние по вертикали от контактного провода до несущего троса.
В дальнейшем ввиду относительно малых значений угла накло-
на струн к вертикали принимаем <_ 'равным средней длине струны
С, т.е. полагаем, что
Среднюю длину струны в
средней части пролета, равной
половине общей его длины, оп-
ределим из выражения
С = С"' + 12’ (1118)
где Ст — длина струны в сере-
дине выбранного пролета; —
стрела провеса несущего троса
при беспровесном положении
контактного провода.
В зависимости от конструк-
тивной высоты цепной подвес-
ки Л величина С определяется
выражением
Рис. 11.8. Схема приложения на-
грузок к проводам цепной подвес-
ки. отклоненной ветром
317
— ^- = //-0,115 —.
12 8Г0 То
(11.19)
Величину горизонтального отклонения несущего троса пол
действием равномерно распределенной нагрузки р', приложенной
на среднем участке пролета длиной 1/2 (рис. 11.9), определим из
выражения
ь -р{2 _ Зр/2
т 8Т 32Т 32Т ’
(11.20)
Обозначим через рэ величину эквивалентной удельной нагруз-
ки, передающейся с контактного провода на несущий трос, рас-
пределенной равномерно по длине всего пролета I и вызывающей
ту же стрелу провеса b't
Тогда
b" = p^2 - Рз‘2 = 3p l2
т ST ВТ 32Г ’
откуда
р, = 0,75р'.
(11.21)
Значения полного горизонтального отклонения несущего тро-
са /?'т и контактного провода Ьк в середине пролета могут быть
определены при этом по формулам
Рис. 11.9. Расчетная схема расположения нагрузок при ветровом расчете цепной
подвески
318
(рт+р3)12
ST
b" = О’к + /л>)/2
к 8T
(11.22)
(11.23)
Направление нагрузки рэ принято здесь таким же, как это пока-
зано рис. 11.8 для р'. В тех случаях, когда несущий трос получает
большие смещения, чем контактный провод, нагрузка рэ будет
иметь отрицательное значение.
Величина полного ветрового отклонения несущего троса в середи-
не пролета (рис. 11.10) исчисляется как сумма горизонтальной стрелы
провеса hT. полученной тросом под действием ветра, ветрового откло-
нения подвесных гирлянд [3 и прогиба опор ут (на уровне крепления
гирлянд) под действием ветровой нагрузки на провода и тросы.
Величина полного ветрового отклонения контактного прово-
да рассчитывается как сумма горизонтальной стрелы провеса кон-
тактного провода Л и прогиба опоры ук на уровне контактного
провода под действием ветровой
нагрузки на провода и тросы.
Для схемы, представленной на
рис. 11.10, можно написать
+Yk ~Ьт-P-Yt = е- (1L24)
Подставим в полученное уравнение
вместо величин /)' , и е их зна-
чения из выражений (11.23), (11.22),
(11.17)и заменим величину (3 ее зна-
чением по формуле
Рис. 11.10. Схема расположения
проводов цепной подвески при
отклонении ее ветром
кр.
Яг
(11.25)
где к — длина подвесной гирлянды;
</т — результирующая нагрузка несу-
щего троса, определяемая по формуле
319
Qt ~ y(.g T+ к ) *" Pt ’
где g T+ gK — вертикальная нагрузка от веса проводов цепной под
вески.
При определении значений с/1 и р по формуле (11.25) для уп
решения расчета не учитываются изменения нагрузки вследствие
перераспределения нагрузок между несущим тросом и контактным
проводом. Как показали сравнительные расчеты, такое допуще-
ние не отражается сколько-нибудь существенно на точности полу
чаемых результатов при определении значения рэ.
После подстановки в уравнение (11.24) указанных значений и замены
// в выражении (11.17) его значением из выражения (11.21) получим
(Рк-Рэ)/2 (Рт-Рэ)/2 *Рт 7 , 4рэС
-у- I f'b ' •
8Л" 8К qr 3gK
8КТ
Умножив обе части уравнения на 2
и перенеся члены, со
держащие рэ, в правую часть уравнения, получим
_ „ 8КТ RpT
ркТ-ртК----— ----+ ут -ук
I- I 7т
/
= рэ Т + К +
10,6САТ
8к'2
откуда
Рэ =
W,6CKT
gj2
(11.26)
После того как найдено значениерэ, легко может быть определе-
на величина полного ветрового отклонения контактного провода.
При вертикальной цепной подвеске с расположением контактного
провода по оси пути наибольшее отклонение провода в середине
пролета определяется по формуле
320
l,K
max
(Рк -Рз)[2
SK
+ kK.
При расположении контактной подвески с зигзагом а (на прямом
участке) наибольшее отклонение контактного провода от оси пути
определяется по формуле
Km“ 8К
2а2 К х
(Рк-Рэ)/2
(11.27)
Это отклонение имеет место в точке, отстоящей от середины
пролета на расстоянии
2аК
Ki\-p.Y
Величину наибольшего допускаемого пролета можно получить из
формулы
^тах
-Yk +
(11.28)
Соответствующие формулы для кривых участков получат вид:
I2 Рк ~ Рэ , 1
8 К R
-« + YK>
(11.29)
^max
2К (,
-----------------\ЬК
' .’ЮП
Рк - Рэ + -
-Yk +«
(11.30)
При желании учесть в расчете лишь часть действующих факторов
и пренебречь влиянием остальных соответствующие формулы для оп-
ределения значений рэ и Ьк легко могут быть получены из выражений
(11.26) и (11.27), если принять в них величины ук, К а равными нулю.
21 Контактные сети
321
Так как в выражение (11.27) для определения значения рэ входиi
величина /, при решении уравнений (11.28) и (11.30) приходится при-
бегать к методу последовательных приближений. Для этого, задав
шись значением /, найденным, например, по формулам (11.28) или
(11.30) для случая, когда р3 = 0, определяют для этого значения / вели-
чину рэ по формуле (11.26). Подставив найденную величину р} в вы-
ражение (11.28) или (11.30), находят новые значения /, для которых
вновь могуз быть определены соответствующие им значения рэ.
Можно также, задаваясь величиной / и определяя соответству-
ющие значения р3. находить по формулам (11.27) и (11.29) значе-
ния ^к.(О11 ’ которые должны получаться равными 0,5 м или незна-
чительно отличаться в меньшую сторону.
Значение натяжения несущего троса Тв выражении (11.26) следует брать
npi । температуре и нагрузке для режима наибольшей ветровой нагрузки.
Если определение допустимых длин пролетов производится до выпол-
нения механических расчетов цепной г юдвески, величину Тв выражениг i
(11.26) можно принимать равной 0,65 Тm для медного несущего троса и
0,75 Гтах—для стального или биметаллического (сталемедного).
Величину Го, входящую в формулу (11.19) для определения сред-
ней длины струны, принимают при медном несущем тросе равной
0,75 Гтах, при стальном или биметаллическом (сталемедном) 0,8 Г х.
Зигзаг контактных проводов на прямых участках принимается рав-
ным ± 0,3 м, наибольший вынос у опор на кривых участках 0,4 м.
Длину подвесной гирлянды К можно принимать для контактной
подвески постоянного тока равной 0,5 м при двух изоляторах в гир-
лянде, а для переменного тока 0,7 м при трех изоляторах в гирлянде и
0,85 м при четырех. В случае применения малогабаритных подвесных
изоляторов эти данные соответственно уменьшаются.
Величины дополнительного прогиба опор под действием вет-
ровой нагрузки ут и ук должны определяться с учетом давления
ветра как на провода цепной подвески, так и на усиливающие и
другие провода, подвешенные на данных опорах.
При наличии только проводов контактной цепной подвески величи-
ны ук и ут, для однопутных консольных современных железобетон-
ных опор можно принимать для скорости ветра 30 м/сек равными
у,. = 0.015 и ут = 0,022 м.
• К 1 1
322
ГЛАВА 12
ТОКОПРИЕМНИКИ
12.1. Общие сведения и определения
Токоприемники (энергополучатели) — аппараты ЭПС, предназна-
ченные для приема электроэнергии от контактных проводов (токопро-
водов). Они могут был ь контакт ными, квазиконт акт ними, бесконт акт-
ными. Конструкция токоприемников и их характеристики определяют-
ся мощност ью и скоростью ЭПС, габаритами подвижного состава и
приближения строении, расположением контактных проводов в плане
и по высоте. Токоприемники должны обеспечивать надежный (без по-
вреждений). экономичный (сминимальным износом контактирующих
элементов) и экологичный токосъем. По величине токовой нагрузки их
делят на два типа: тяжелый (Т) и легкий (Л). Комплексы конструктив-
ных элементов, входящих в состав контактных токоприемников, под-
разделяют на базовые, альтернативные и дополнительные (рис. 12.1).
В базовый комплекс входят элементы, необходимые для участков,
электрифицированных как на постоянном, так и на переменном токе:
система подвижных рам; подъемно-опускаюшпй механизм (привод);
основание и управляющие системы.
К альтернативным относят специфические элементы для постоян-
ного или переменного тока, а также для электровозов или электропо-
ездов: каретки; полозы; конзактирующие, токопроводящие и изолиру-
ющие элементы. Комплексы базовых и альтернативных элементов со-
держат все токоприемники отечественного ЭПС.
Дополнительные элементы используют для повышения эксплуата-
ционных свойств токоприемников: скорости, надежности, экономич-
ности и экологичности.
На российских железных дорогах применяют токоприемники тя-
желого и легкого типа магистрального ЭПС (рис. 12.2, а, б): а —
пантограф (токоприемник тяжелого типа Т-5); б — симметричный
полупантограф (токоприемник легкого типа Л-1 ЗУ, Л-14М). Для по-
вышенных скоростей движения используют специальные токопри-
емники: токоприемник ВНИИЖТ Сп-бМ пантографного типа с па-
раллелограмм ным подвижным основанием (рис. 12.2, в); штанговый
токоприемник Ом ГУ ПС с резинокордным упругим элементом в
подъемно-опускающем механизме (рис. 12.2, г); асимметричный по-
323
Рис. 12.1. Классификация элементов токоприемников
324
Рис. 12.2. Схемы токоприемников ЭПС: магистральных (а. о); высокоскорост-
ных специальных (в. г, д)\ 1 — контактные элементы; 2 несущие конструкции
полозов: 3 — каретки полозов; 4 — системы подвижных рам; 5 — подъемные
упругие элементы; 6 — демпфирующее устройство; 7 — пневматический ци-
линдр с опускающей пружиной и рукавом; 8— основание с изоляторами; 9 —
управляющие элементы; К) — аэродинамическое устройство; 11 — нижняя си-
стема рам; 12 — авторегулятор высоты нижней системы рам
325
лупантограф ВЭлНИИ и фирмы «Дорнье» DSA-350 с аналогичным
приводом (рис. 12.2, д). К основным узлам токоприемников отно-
сятся: контактные элементы (медные, металлокерамические, уголь-
ные); несущие конструкции полозов (рамные или сплошные) с рога-
ми; каретки полозов; системы подвижных рам; подъемные упругие
элементы; демпфирующее устройство; пневматический цилиндр с
опускающей пружиной и рукавом; основание с изоляторами; управ-
ляющие элементы (клапаны); аэродинамическое устройство; ниж-
няя система рам и авторегулятор ее высоты (см. рис. 12.2).
В настоящей главе рассматриваются характеристики узлов токо-
приемников, влияющие на результаты расчетов их взаимодействия с
контактными подвесками в установившемся и переходных режимах.
12.2. Приведенные массы системы подвижных рам
и полозов токоприемников
Система подвижных рам предназначена для обеспечения надеж-
ного контакта полозов (лыж) токоприемника с контактными про-
водами при изменении высоты последних в заданных пределах. Для
магистральных железных дорог эта высота составляет 5550
6900 мм. Диапазон рабочих высот токоприемника (400 - 1900 мм)
определяет размеры его конструкции.
Основные схемы систем подвижных рам токоприемников могут
быть классифицированы следующим образом: пантографы; полу-
пантографы симметричные; полупантографы асимметричные; штан-
говые токоприемники и токоприемники с подвижным основанием.
В России наиболее распространены и длительное время эксп-
луатируются ромбические пантографы типа ДЖ-5. П-I, П-3, Т-5.
10РР. 17РР, 2SLS-1 и др. (рис. 12.3. а, б). В Японии для экономии
места на крыше ЭПС применяют Х-образные (рис. 12.3, в) пантог-
рафы. Главные валы пантографа соединяют между собой тягой
антипараллелограмма, обеспечивающей их синхронный поворот,
и как следствие, вертикальное перемещение верхних шарниров.
Конструкция симметричных полупантографов (рис. 12.3, г) дает воз-
можность уменьшить габариты основания токоприемника и его метал-
лоемкость. Однако при этом появляется повышенная нагрузка на под-
шипники средних шарниров. К таким полупантографам относятся
токоприемники типа П-7, Л-13У, JT-14M и др.
326
в
б
Рис. 12.3. Основные схемы систем подвижных рам токоприемников: ромбические
(«. (5) и Х-образные (в) пантографы; симметричные (г) и асимметричные (г>) полу-
пантографы; с подвижным основанием (е) и штанговые с тросовой пли цепной
передачей (ж)
Асимметричные полупантографы нашли широкое применение за ру-
I бежом. По сравнению с симметричными, они обладают меньшей мас-
сой и габаритами. Такие токоприемники активно внедряет французс-
I кая фирма «Faiveley». В России разработаны токоприемники такого
I типа ПН-2 для электровоза ВЛ-41, Тас-11 для ЭП-200, ТП-250 для поез-
I да «Сокол» и СВАРЗ — для трамвая (рис. 12.3, д). Они эффективны в
! случае применения высокопрочных материалов и точной технологии.
| Штанговые рамы токоприемников применяют для троллейбу-
сов, трамваев, метрополитена. Они вновь привлекли к себе вни-
мание в связи со стремлением снизить приведенную массу токоп-
риемника, сделать его малошумным, а рамы — статически опре-
327
делимыми. К недостаткам трамвайной штанги (бугеля) относится
поворот контактной вставки вокруг своей оси при изменении вы-
соты подъема. Более рациональным является варианте цепной или
тросовой передачей (рис. 12.3, ж), применяемый для штанговых
токоприемников, разработанных в ОмГУПСе (ТС-ЗМ, 5М70). Они
представляют собой статически определимую конструкцию, не бо-
ящуюся перекосов, с минимальными трением и массой.
Токоприемники с подвижным основанием (рис. 12.3, е) возникли
в связи со стремлением снизить приведенную массу так, чтобы обес-
печить работу при скоростях свыше 55 м/с (200 км/ч). Высота под-
вижного основания поддерживается специальным авторегулирую-
щим устройством, срабатывающим, например, перед входом в тон-
нель со сниженными контактными проводами.
Параметры системы подвижных рам входят переменными состав-
ляющими (зависящими от высоты подъема рам) в целый ряд характе-
ристик токоприемника, регламентируемых стандартом и техгшческим
условиями. К ним относятся: приведенная масса токоприемника, ха-
рактеристики опускающей и удерживающей сил. аэродинамическая
подъемная сила, частотная характеристика токоприемника, а также
весовая характеристика и характеристика весового момента, необхо-
димые для расчета токоприемника. Конструкция системы подвижных
рам полностью определяет поперечную жесткость токоприемника.
Под приведенной массой токоприемника принято понимать вооб-
ражаемую массу, движущуюся вертикально со скоростью точки при-
ведения (точки контакта) и обладающую такой же кинетической энер-
гией, как и весь токоприемник. Это понятие применимо без оговорок
только к токоприемникам с одной степенью свободы. Во всех осталь-
ных случаях каретки, или другие рессорные элементы, должны быть
условно заклинены.
От приведенной массы токоприемника зависит качество токосъема
при высоких скоростях движения и износ контактирующих элементов.
Она определяется как сумма масс полозов т . деталей верхнего узла с
каретками тк и приведенной массы системы подвижных рам тр:
тТ = тл + п1к + тр. (12.1)
При этом массы тк и тп — величины постоянные, не зависящие от
высоты подъема токоприемника.
328
В соответствии с требованиями ГОСТ масса токоприемника
должна быть не более 45 кг для конструкций типа Т и 33 кг — типа Л.
У токоприемников, предназначенных для работы на ЭПС с мак-
симальными скоростями до 120 км/ч, допускается увеличение при-
веденной массы до 55 кг.
Экспериментально приведенная масса может быть определена по пе-
риоду малых свободных колебаний. Для этого систему подвижных рам
подве! пивают за верхний шарнир к неподв! 1жному элементу посредством
пружины с известной жесткостью ж (рис. 12.4. а). Подъемный и опуска-
ющий механизмы при этом должны быть отключены, а каретки заклине-
ны. Приведенную массу рассчитывают по известной из механики фор-
муле, предварительно измерив период свободных колебаний Т:
Т2
=—у ле. (12.2)
4л
Массу полоза, а следовательно, и динамические свойства токоп-
риемников, определяют, в основном, контактирующие элементы
(вставки или накладки). Для оценки их динамических свойств фир-
ма Morganite использует величину погонной массы (кг/м) неизно-
шенной вставки. Этот показатель позволяет оценить только дина-
мические свойства контактных материалов и никак не связан с их
нагрузочной способностью.
Материал вставки должен обеспечивать надежный съем максималь-
ного тока при минимальной собственной массе с достаточно высоким
динамическим коэффициентом использования K|f, представляющим
частное от деления длительного тока, снимаемого одной вставкой, на
ее погонную массу. В настоящее время, не имея данныходинамических
коэффициентах материалов вставок, конструкторы токоприемников раз-
рабатывают полозы без необходимых расчетов, используя данные фирм
их изготовляющих, которые иногда носят рекламный характер.
Так как масса кареток незначительна, а масса полозов определяет-
ся, в основном, массой контактных накладок, количество которых за-
висит от снимаемых токов, то уменьшения массы полозов можно до-
биться только за счет облегчения каркаса полоза и рогов. Поэтому для
улучшения динамических качеств токоприемника необходимо умень-
шать приведенную массу системы подвижных рам.
329
Весовая характеристика токоприемника представляет собой
зависимость сил тяжести (веса) его подвижных частей, приведен-
ных к верхнему шарниру, от высоты его подъема. Она определяет-
ся как сумма сил тяжести полозов Gn, деталей верхнего узла с ка-
ретками GK и системы подвижных рам Ср:
GT = Gn + ^K + S- (,23)
От высоты подъема зависит только приведенная сила тяжести
системы подвижных рам токоприемника <7р.
Весовая характеристика токоприемника необходима при рас-
чете опускающей и удерживающей характеристик, а также для оп-
ределения весового момента, используемого при расчете характе-
ристики статического нажатия. Кроме того, она позволяет при-
ближенно определять приведенную массу токоприемника.
Экспериментальное определение весовой характеристики
производится динамометром (рис. 12.4, б) при снятых подъем-
ных пружинах и отключенном приводе путем медленного пе-
ремещения токоприемника вверх 6т|у 11 вниз Ст2у в диапазоне
рабочих высот. Тогда Gy = (бТ|^ + Ст2у )/2. Таким образом
исключается сила трения в шарнирах.
а
Рис. 12.4. Кинематические схемы для определения приведенной массы («) и весовой
характеристики токоприемника (о); / — лебедка; 2 — самописец; 3 — динамометр
330
Поперечная жесткость токоприемника представляет собой от-
ношение горизонтальной силы Р, приложенной к верхнему шарниру
в направлении, перпендикулярном оси пути, к вызванному этой си-
лой перемещению верхнего шарнира Л/ в направлении действия силы:
(’2-4)
Согласно требованиям ГОСТ 12058—72 поперечная жесткость токоп-
риемника должна быть не менее 17 Н/мм. Экспериментально попереч-
ную жесткость токоприемника определяют в его верхнем рабочем поло-
жении путем приложения к верхнему шарниру системы подвижных рам
боковой горизонтальной силы равной 500 Н. Горизонтальное смещение
верхнего шарнира под дейст вием этой силы определяется с помощью
отвеса и линейки, закрепленной на основании токоприемника.
Поперечная жесткость токоприемника является характеристикой, га-
рантирующей надежный токосъем при прохождении воздушных стре-
лок. при сходе провода на рог полоза, а также при поперечных колеба-
ниях подвижного состава, т.е. в тех случаях, когда на токоприемник дей-
ствуют силы, направленные в плоскости, перпендикулярной оси пути.
Частотная характеристика представляет собой зависимость
длительности нарушения контакта между полозом и колеблющим-
ся в вертикальной плоскости контактным проводом или имитиру-
ющим его устройством от частоты гармонических колебаний пос-
леднего при определенной амплитуде. Эта проверка предназначе-
на для комплексной оценки состояния узлов токоприемника (ка-
реток, системы подвижных рам, демпферов и т.д.). Она произво-
дится опытным путем для всего токоприемника в целом.
Динамические качества токоприемника считаются удовлетворитель-
ными, если отсутствуют отрывы полоза от контактного провода, ко-
леблющегося с амплитудой 40±2 мм и частотой 0,8 Гц.
12.3. Силы нажатий и сухого трения системы подвижных рам
токоприемников
Безаварийная работа ЭПС и контактной сети в значительной степе-
ни зависит от характеристик, определяемых конструкцией подъемно-
опускающего механизма (npi 1вода) токоприемника. Привод должен обес-
331
печиваты необходимую величину опускающей силы, требующейся для
надежного опускания токоприемника (при необходимости) с заданной
скорост ью за определенное время; определенную величину удерживаю
щей силы, предотвращающей самопроизвольный подъем токоприемни-
ка при высоких скоросгях движения; заданное статическое нажатие на
контактный провод с возможностью его регулирования как вручную,
так и автоматически; достаточно малое время подъема и опускания то-
коприемника без повреждения его элементов и контактной сети при за-
данных эксплуатационных скорост ях движения подвижного состава. Кро-
ме того, привод токоприемника должен управляться дистанционно.
По виду используемой энергии все приводы токоприемников раз
деляют на пневматические, электрические и гидравлические (рис. 12.5).
Заслуживает внимания также конструкция под ьемно опускающих ме-
ханизмов с резинокордными упругими элементами (РКЭ), впервые пред-
ложенными в ОмГУПСе. Они позволяют значительно снизить металло-
емкость привода за счет исключения пневмоцилиндров, подъемных и
опускающих пружин, уменьшить трудозатраты на эксплуатацию токо-
приемника. Кроме этого, применение РКЭ в приводах позволяет регули-
ровать статическое нажатие токоприемника на контактный провод как
по команде машиниста, так и автоматически, в зависимости от скорост и
движения локомотива, наличия гололеда, ветра и других факторов, что
достигается простым изменением давления сжатого воздуха в РКЭ.
Конструкция подъемно-опускающего механизма определяет харак-
теристику статического нажатия рам, время подъема и опускания то-
коприемника, а также опускающую и удерживающую характеристики
Характеристика статического нажатия рам токоприемника 11ред-
ставляет собой зависимость вертикальной силы, с которой полоз да-
вит на контактный провод, от высоты подъема токоприемника Рр (н ).
При этом стандартом регламентируется как значение силы нажатия в
диапазоне рабочих высот токоприемника и разница между наиболь-
шим и наименьшим нажатиями, так и двойная величина сухого тре-
ния в шарнирах. Сила сухого трения в механизме токоприемника, при-
веденная к верхнему шарниру, определяется как полуразность пас-
сивного нажатия Лр (измеренного при движении токоприемника
вниз) и активного Ptp (измеренного при движении вверх)
332
Рис. 12.5. Классификация полъе.мно-опускаюших механизмов токоприемников
333
Значение этой силы должно быть минимальным для получения
лучших динамических свойств токоприемника.
Статическое нажатие является одной из составляющих контак
тного нажатия токоприемника на контактный провод Ркт, кото
рое, в свою очередь, определяет износ контактирующих элемен-
тов. Поэтому характеристика статического нажатия должна бы и.
постоянной во всем диапазоне рабочих высот токоприемника. По
ГОСТ 12058—72 статическое нажатие токоприемника на контакт
ный провод в диапазоне рабочих высот должно быть: активное
для аппаратов типа Т не менее 100 и типа Л 60 Н; пассивное — 130
и 90 Н соответственно. Конструкция токоприемника типа Л долж-
на обеспечивать возможность увеличения нажатия на 30 %. Разни
ца между наибольшим и наименьшим нажатиями при односторон-
нем движении АРр должна быть не более 10 Н для токоприемников
типа Л и 15 Н для Т. Двойная величина трения в шарнирах, приве-
денная к контактной поверхности полоза 2 W , не может превышать
20 для легких и 25 Н для тяжелых токоприемников.
Определение характеристики статического нажатия производится
экспериментально (рис. 12.6,«), для чего в цилиндр привода подается
воздух (или опускающая пружина выводится из работы другим спосо-
бом). При этом показания динамометра снимаются (при плавном дви-
жении вверх и вниз) устройствами, автоматически опускающими п
поднимающими токоприемник.
Опускающая характеристика представляет собой зависимость
силы, действующей на опускание системы подвижных рам токопри-
емника, от его высоты Роп (//). Аналогично, удерживающая харак-
теристика — это зависимость силы, противодействующей подъе-
му системы подвижных рам токоприемника, от его высоты Руд(/7).
Они необходимы для работы в переходных режимах.
Согласно требованиям ГОСТ 12058—72 опускающая сила в ди-
апазоне рабочих высот должна быть не менее 200 Н у токоприем-
ников типа Т и 120 Н у типа Л. Неработающий токоприемник дол-
жен надежно удерживаться в опушенном положении при движе-
нии ЭПС со скоростью 160 км/ч (скорость обдува 44,5 м/с).
334
Рис. 12.6. Кинематические схемы для определения характеристики статического
нажатия («); характеристик опускающей и удерживающих сил (о); I —лебедка:
2 — динамометр
Экспериментальное определение удерживающей и опускающей
характеристик производят следующим образом (рис. 12.6, б). При
выпущенном из цилиндра привода воздухе токоприемник следует
медленно поднимать вверх (за динамомет р), снимая показания удер-
живающей силы. Опускающая сила определяется подобным обра-
зом при движении вниз.
12.4. Силы нажатий кареток токоприемников
Каретка (см. рис. 12.2, п, б, в. д) — элемент конструкции токоп-
риемника, обеспечивающий упругое перемещение полоза относи-
тельно верхнего шарнира системы подвижных рам. Каретка пред-
назначена для уменьшения влияния инерции рам (в процессе взаи-
модействия с контактной сетью) путем упругого расчленения масс
токоприемника. Она позволяет безотрывно проходить небольшие
неровности на контактных проводах, а при определенных парамет-
рах выбирать и стрелы провеса контактной подвески.
Многообразие конструкций кареток позволяет их классифици-
ровать (рис. 12.7) по способу установки упругих элементов между
полозами и верхним шарниром системы подвижных рам токопри-
емника: плунжерные вертикальные; плунжерные наклоняемые;
плунжерно-рычажные; плунжерные с демпфированием; рычажные;
рычажно-пружинные; пружинные; с кулисой (направляющей).
335
Рис. 12.7. Классификация кареток токоприемников
По типу и качеству применяемых упругих элементов каретки
бывают: с цилиндрическими пружинами, работающими на ежа
тие, растяжение, закручивание; плоскими пружинами; резиновы-
ми упругими элементами; пневматическими упругими элемента
ми; со стержнями, работающими на изгиб и скручивание, а также
листовыми пружинами, снабженными резиновыми прокладками.
336
По связи кареток, расположенных с разных концов полоза: син-
хронизированные; несинхронизированные.
По связи кареток, несущих разные полозы: связанные; несвязанные.
По наличию встроенного предохранительного устройства, позво-
ляющего полозам упруго отклоняться назад при продольном ударе: с
предохранительным устройством и без него.
По конструкции соединения с системой подвижных рам: с осью
верхнего шарнира; с верхними рычагами.
К основным характеристикам кареток следует отнести жесткость, сво-
бодный ход (прогиб) и предварительный натяг. ГОСТ регламентируется
также статическая характеристика верхнего узла (так называемая сум-
марная характеристика кареток), которая представляет собой зависимость
перемещения полоза (относительно верхнего шарнира системы подвиж-
ных рам) от приложенной к середине полоза силы, направленной вниз.
При приложении силы, равной пассивному статическому нажатию, ход
полоза должен составлять 20—40 % полного хода, а угол его поворота
5—7° в каждую сторону относительно среднего положения.
В качестве критерия для определения жесткости кареток использу-
ют расчетное значение первой резонансной критической скорости. При
этом накладываемые ограничения в расчете связаны с наличием или
отсутствием синхронизации кареток, которая, в свою очередь, влияет
на их свободный ход и геометрию полоза и зависит от парамет ров кон-
тактной подвески. При невозможности решения дифференциальных
уравнений взаимодействия токоприемника с контактной подвеской
суммарную жесткость кареток выбирают, исходя из массы полоза, на-
личия дополнительного обрессоривания контактных элементов, ста-
тического нажатия токоприемника, жесткости контактной подвески и
эксплуатационной скорости ЭПС. Кромеtoi о, дополнительно прове-
ряют полученные значения жест кости кареток на статическую и дина-
мическую устойчивость полоза.
Величина свободного хода синхронизированных кареток зависит
от стрелы провеса контактного провода. При увеличении их сво-
бодного хода более 100—150 мм необходимо выполнить демпфи-
рование системы подвижных рам токоприемника. Для несинхро-
низированных кареток увеличение свободного хода свыше 100 мм
требует применения полозов с положительной кривизной контак-
тирующей поверхности и измененной геометрией рогов.
22 Контактные сети
337
Предварительный натяг применяется при наличии дополнитель-
ного обрессоривания контактных элементов, чрезмерной массе
полозов и в принципе не является обязательным, так как жесткость
кареток может быть нелинейной.
Функции нажатия кареток = РК(НЛ - Нр) определяют экспе-
риментально следующим образом. Каждую из двух кареток зак-
репляют неподвижно. К верхнему валику каретки крепят тягу, име-
ющую внизу площадку для гирь, а сбоку устанавливают измери-
тельную шкалу. Характеристика снимается при снятых полозах для
каждой каретки отдельно. Для определения функции нажатия ка-
реток с полозами результаты значений сил на каждой высоте
\НЯ ~НГ) суммируют у двух кареток и из этой суммы вычитают
силу тяжести полозов.
12.5. Аэродинамические устройства
Аэродинамические устройства предназначены для улучшения аэро-
динамических свойств токоприемников, зависящих от воздействий
воздушного потока, скорость которого определяется как сумма ско-
рости движения поезда гт и скорости встречного гвх и бокового v
ветра. В результате воздействия воздушного потока возникают до-
полнительная аэродинамическая составляющая контактного нажатия
/>вт и лобовое сопротивление токоприемника Рв. . Это ухудшает ка-
чество токосъема и увеличивает сопротивление движению поезда.
Аэродинамические устройства можно подразделить на три группы:
уменьшающие лобовое сопротивление токоприемника, что достигается
применением более обтекаемых форм его элементов и узлов; экраниру-
ющие — отводящие потоки воздуха из рабочей зоны токоприемника (эк-
раны, устанавливаемые на крыше ЭПС) и компенсирующие аэродина-
мическую подъемную силу (управляемые или неуправляемые крылья или
экраны, устанавливаемые непосредственно на токоприемнике).
Аэродинамическими устройствами оборудованы все скорост-
ные токоприемники за рубежом. В России такое нерегулируемое
устройство для токоприемника Сп-бМ. установленного на элект-
ровозе ЧС200, выполнено в виде двух экранов, закрепленных на
верхней части системы подвижных рам. Экраны работают пооче-
редно, в зависимости от направления движения ЭПС.
338
Аэродинамическая характеристика (подъемная сила) представ-
ляет собой зависимость аэродинамической составляющей контак-
тного нажатия от скорости и угла атаки воздушного потока и от
высоты подъема токоприемника.
В соответствии с требованиями стандарта аэродинамическое
воздействие на рабочий (для электровоза задний по ходу) токоп-
риемник ЭПС не должно вызывать увеличения нажатия по сравне-
нию со средним статическим более чем в 1,8 раза при скорости об-
дува 44,5 м/с для токоприемников типа Л и 33,3 м/с типа Т.
Неработающий токоприемник должен надежно удерживать-
ся в опущенном положении при движении ЭПС со скоростью
160 км/ч (скорость обдува 44,5 м/с); кроме этого должна быть
обеспечена возможность подъема и опускания токоприемника
при движении ЭПС со скоростью 120 км/ч и встречном или бо-
ковом ветре до 10 м/с.
Аэродинамическую характеристику определяют при продув-
ках в аэродинамической трубе, располагая полоз на высоте, со-
ответствующей середине рабочего диапазона токоприемника,
при углах атаки 1° и 3° в диапазоне скоростей обдува от 11,1 до
44,5 м/с (40—160 км/ч) через каждые 5,5 м/с. Построение харак-
теристики для больших расчетных скоростей воздушного пото-
ка осуществляют графическим методом.
Допускается замена испытаний в аэродинамической трубе ли-
нейными испытаниями, для чего токоприемник устанавливают
на вагон-лабораторию, приводимую в движение автономным ло-
комотивом (например, тепловозом). При линейных испытаниях
проверяют подъем и опускание токоприемника во всем диапа-
зоне скоростей до 120 км/ч (через каждые 5,5 м/с), встречном
ветре до 10 м/с и высоте контактного провода 6250—6500 мм.
Провести точный расчет аэродинамических характеристик то-
коприемника как плохообтекаемой конструкции достаточно слож-
но из-за турбулентности потоков воздуха, их неоднородности и сры-
вов вихрей. Приближенные расчеты основаны на определении сил
Pj. действующих на отдельные элементы токоприемника:
Pi = CjSjV^ 116; PBTvi = Pj cosa; FBT, = Pj sin a, (12.6)
339
где Cj, Sj — коэффициенты сопротивлений и миделевые сечения /-х
элементов токоприемника, а а — угол атаки. Тогда лобовое со-
противление и аэродинамическая подъемная токоприемника, со-
стоящего из к элементов:
к к
^bt.v = X ki c°scc, ^вт = since. (12.7)
1=1 1=1
12.6. Коэффициенты вязкого трения систем подвижных рам
токоприемников
Демпфирующие устройства применяют для отбора энергии от
колеблющейся системы «токоприемник — контактная подвеска»,
снижения амплитуд перемещений и уменьшения колебаний контак-
тных нажатий до допустимых пределов.
Преимущества демпфирования колебаний токоприемника, а не кон-
тактной подвески следующие: 1) требуется значительно меньшее коли-
чество амортизаторов, причем нужны они только на скоростном ЭПС;
2) текущее содержание становится элементом обычных периодических
работ, выполняемых в депо; 3) влияние температуры окружающего воз-
духа на характеристики амортизаторов уменьшается, поскольку в сис-
теме токоприемника они работают, нагреваясь при этом почти непре-
рывно (на контактной сета они работают только время от времени).
Демпфирующие устройст ва устанавливают либо в верхнем узле
токоприемника, либо в системе подвижных рам (рис. 12.8).
Г идравлическими амортизаторами, демпфирующими колебания
системы подвижных рам, оборудованы все скоростные токопри-
емники во Франции, Германии, Италии и Японии. В России демп-
фирующие устройства также применяются на токоприемниках ско-
ростного ЭПС (ЭР200, ЧС200).
Экспериментальное определение сил и коэффициентов вязкого тре-
ния систем подвижных рам токоприемника необходимо для улучшения
токосъема и может быть достигнуто только при конкретных оптималь-
ных значениях коэффициента вязкого з рения рам / р и приведенной к вер-
хнему шарниру демпфирующей силы рам Р Универсальный метод рас-
чета характеристики демпфирующего устройства (независимо от типа
демпфера) включает в себя методику академика А. Н. Крылова, несколь-
ко усовершенствованную для учета несимметричности демпфирования.
340
Рис. 12.8. Классификация демпфирующих узлов токоприемников
Допустим, что известна виброграмма колебаний массы на пру-
жине с известной жесткостью. Затухание размахов колебаний Ас
массы т на измерительной пружине с жесткостью ж происходит
одновременно от действия сил сухого трения W и вязкого сопро-
тивления г, пропорциональных любым степеням скорости пере-
мещения. Тогда уменьшение амплитуды за полупериод (для учета
несимметричности демпфирования) будет равно
(12.8)
341
где 2 W/ж — уменьшение амплитуды за счет действия силы сухого
трения;
-— уменьшение амплитуды за счет силы вязкого сопротив-
ления, пропорциональной скорости перемещения в степени &
В общем виде для любой степени скорости перемещения
Дг5 =
га/2)
(12.9)
где оз = у/ж/т — круговая частота собственных колебаний;
Лр = (zi + ^г)/2 — средняя амплитуда половины периода;
rs — параметр демпфирования;
Г($72) — Эйлеров интеграл второго рода;
У — показатель степени скорости перемещения.
Уменьшение амплитуды Az необходимо записывать как систе-
му уравнений относительно набора неизвестных параметров и
W, которая решается обычными методами.
Так, например, по виброграммам колебаний токоприемника
ТЛ-14М, оборудованного в ОмГУПСе демпферами типа ВАЗ, при
движении вверх получено И/р= 1,4Н; Рар = -1,64Яр + 1,0677р.
Стандарт не регламентирует характеристики демпфирующих
устройств, поэтому их расчет необходимо проводить для каждо-
го вновь разрабатываемого токоприемника с учетом его парамет-
ров и эксплуатационных скоростей.
342
ГЛАВА 13
ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНТАКТНЫХ ПОДВЕСОК,
ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ТОКОПРИЕМНИКАМИ
ПРИ ТОКОСЪЕМЕ
13.1. Общие сведения и определения
Токосъем (или токоснимание)—процесс передачи электрической
энергии от канализирующих ток устройств (коммуникаций) энергополу-
чателям (токоприемникам), электрооборудованию ЭПС. Эго поиятиерас-
просграняется на любой вид неавтономного электротранспортаслюбым
способом токосъема (контактного, бесконтактного, квазиконтактного).
Надежность токосъема определяется отсутствием повреждений,
связанных с задержками поездов, предотвращением ущерба от них,
т.е. с обеспечением безопасности движения. К экономичности токосъ-
ема относится минимальный износ контактирующих элементов (про-
водов и пластин токоприемников, электродов и т.п.), т.е. ресурсосбере-
жение дефицитных материалов (меди и т.п.). Энергосбережение при
токосъеме—экономия электроэнергии на тягу поездов — осуществ-
ляется за счет снижения лобового сопротивления токоприемников.
Экологичным токосъем может быть только без больших радио- и теле-
помех, шумовых воздейсгвий и засорения почвы.
Способы токосъема. При контактном способе токосъема
(рис. 13.1) tokoi 1роводы могут иметь как жесткую (или полужесткую),
так и гибкую конструкцию, а также специфические токосъемные или
токоприемные локальные узлы (точки).
Жесткие контактные токопроводы укладывают между рельсами или
подвешивают либо к своду тоннеля, либо внизу на ст ойках сбоку от
ходовых рельсов (с верхней, нижней, боковой контактными поверхно-
стями), а также монтируют в подземной траншее под путями или про-
кладывают в полимерной эластичной трубе. Токоприемники жестких
контактных токопроводов имеют плоские скользящие контакты.
Полужесткие контактные токопроводы представляют собой ненап-
ряженные балки-модули, имеющие незначительную гибкость и упру-
гие подвесы в опорных точках. Некоторые из модулей (например, труб-
чатые или штампованные профили) в нижней части имеют контакт-
ные шины или провода. В качестве токоприемников для них использу-
ют цилиндры-челноки, плоские скользящие контакты или катящиеся
ролики (троллеи), валики, вращающиеся щетки.
343
Рис. 13.1. Способы контактного токосъема: контактные токопроводы и элементы токоприемников ЭПС
344
Гибкие токопроводы с воздушными проводами включают в себя
или трубы с разрезом в нижней части, подвешенные к несущему
тросу, или провода круглого, восьмерочного и грушевидного про-
филя сечения с продольными крепежными канавками. Профили-
рованные контактные провода с канавками могут быть мономе-
таллическими, биметаллическими, комбинированными из различ-
ных металлов. Их используют в различных типах простых и цеп-
ных (плоских и объемных) контактных подвесок.
К специфическим способам контактного токосъема можно от-
нести смонтированные между ходовыми рельсами токоприемника
точки с верхними контактными поверхностями, получающими пи-
тание от кабеля при срабатывании путевых педалей, а также уста-
новленные на прямых консолях токосъемные точки с нижними кон-
тактными поверхностями, питающимися от трехфазной ЛЭП, смон-
тированной на опорах контактной сети. В этих случаях токопри-
емники выполняются в виде длинных лыж, подвешенных вдоль
подвижного состава на подвижных рамах токоприемников.
Использование контактных систем при увеличенных скоростях дви-
жения до 200 350 км/ч требуют создания и применения новых специ-
альных контактных материалов, имеющих минимальную массу и спо-
собных снимать ток большой плотности, не отжигая при этом провода.
Бесконтактные способы токосъема (рис. 13.2) основаны на емко-
стном, волновом или индуктивном принципах передачи электроэнер-
гии. Однако они требуют больших капиталовложений для создания
питающей сети, источников и преобразователей энергии. Кроме того,
сам процесс передачи энергии сопровождается значительными по-
терями. Наиболее целесообразным оказалось внедрение бесконтак-
тного токосъема во взрывоопасных шахтах на высокочастотном
транспорте, невзирая на низкий КПД. Возможно использование пе-
Рис. 13.2. С?пособы бесконтактного токосъема
345
редачи электроэнергии с помощью лазеров. В этом случае кроме
низкого КПД, добавляются сложности, связанные с поворотами пря-
молинейного луча на кривых участках пути. Индуктивный токосъ-
ем может применяться для обеспечения электромагнитного подвеса
движущегося экипажа в случае использования синхронного линей-
ного двигателя, обмотка которого расположена на эстакаде.
Квазиконтактные способы токосъема (жидкостной и электроду-
говой) (рис. 13.3) позволяют использовать существующую систему
тягового электроснабжения без ее коренного переустройства и об-
ладают более высоким КПД токопередачи по сравнению с бескон-
тактными. При жидкостном способе необходимо располагать элек-
тропроводящей жидкостью с заданными свойствами и устройства-
ми для образования струй и их сбора. Для электродугового способа
необходимы поджигающие дуги плазматроны и авторегулирующие
устройства, перемещающие дугу по электродам со скоростью, пре-
дотвращающие их износ. Переход на электродуговой токосъем це-
лесообразен после достижения ЭПС определенной скорости. Но при
этом на ст олб дуги начинает воздействовать воздушный поток, а
также изменение тягового тока и расстояния между электродами.
Перспективность применения способа определяется теоретической
возможностью замены медного провода стальным и исключением
необходимости стабилизации нажатия токоприемника на токопро-
вод (достаточно стабилизации величины зазора).
Рис. 13.3. Способы квазиконтактного токосъема
346
13.2. Критерии качества токосъема
Актуальность проблемы токосъема на электрифицированном желез-
нодорожном транспорте определяется следующими обстоятельствами:
1) реализацией скоростей до 220 км/ч на скоростных и 350 км/ч
на высокоскоростных магистралях в пассажирском движении и для
перевозки контейнеров при 160 км/ч, значительно ухудшающей ди-
намические условия процесса взаимодействия токопровода и то-
коприемника. Кинетическая энергия, выделяющаяся на неровнос-
тях (спецчастях) контактной подвески зависит от квадрата скорос-
ти движения. По условию критических скоростей электропоезд
после 220 км/ч должен работать не более, чем на двух токоприем-
никах, после 300 км/ч — на одном. Это предопределяет использо-
вание электрической тяги с переменным повышенным напряжени-
ем 15—27 кВ и уменьшенным током;
2) повышением мощностей электровозов и электропоездов, а
также централизованным электроснабжением пассажирских ваго-
нов, что приводит к увеличению силы тока, проходящего через
один токоприемник. Особенно это свойственно для трехсекцион-
ных грузовых и двухсекционных пассажирских электровозов по-
стоянного тока, работающих на двух поднятых токоприемниках.
Пассажирские электропоезда для реализации высоких скоростей
должны иметь повышенную мощность, т.е. должны также снимать
увеличенный ток при уменьшении числа токоприемников;
3) ужесточением экологических норм на радиопомехи, шум и
продукты токосъема;
4) ужесточением требований к надежности перевозок в связи с
перспективами увеличения международного евроазиатского тран-
зита, в том числе к надежности токосъема.
Проведенными анализами последствий ухудшенного токосьема ус-
тановлено, что наиболее рациональным путем решения проблемы уве-
личения скорости ЭПС до 220 км/ч надо считать усовершенствование
токоприемников, а также углубленные исследования процессов токосъ-
ема в установившемся и переходном режимах. При скоростях выше
220 км/ч необходимо принимать меры и по усовершенствованию кон-
тактной сети. В пользу этого утверждения говорит рассмотрение
технических и социологических аспектов.
347
В установившемся режиме неудовлетворительный токосъем мо-
жет привести:
а) к катастрофическ! i нарастающему износу koi iтактиру ющих элемен-
тов (при этом движение поездов может продолжаться некоторое время);
б) повреждениям с задержкой поездов; отрывам, ведущим к отжигу
и пережогу провод а; к круговому огню по коллекторам тяговых двига-
телей и перенапряжениям и разборке схем ЭПС; к недопустимому уве-
личению радио- и телепомех; а также к отрывам, сопровождаемым уда-
рами, вызывающими раскрепление деталей; к периодическим увели-
чениям контактного нажатия, ведущим к поджатиям фиксаторов, и т.д.
Таким образом, в установившемся режиме решающим факто-
ром становится экономичный (с малым износом) и надежный (без
повреждений) токосъем. Проблемы токосъема в этом случае реша-
ются улучшением характеристик контактных подвесок и усовер-
шенствованием токоприемников. Каждый путь включает в себя
улучшение антифрикционных свойств контактных материалов.
В переходных режимах неудовлетворительный токосъем ведет не
только к пережогам проводов, но и поломкам элементов токопри-
емников и контактных подвесок из-за кратковременного появления
вертикальных и горизонтальных продольных и поперечных сил, к
недопустимому изменению характеристик и параметров узлов во
время эксплуатации и т.д. Причинами таких повреждений могут быть
поперечные и вертикальные колебания кузова, горизонтальные силы
от контактного провода, удары при подъеме и опускании токопри-
емника, удары о препятствия на контактном проводе, недостаточ-
ные время опускания токоприемника и прочность узлов, боковой
ветер, отсутствие должного контроля в эксплуатации. Путь обеспе-
чения надежного токоснимания в переходных режимах один — усо-
вершенствование элементов токоприемников.
К основным критериям процесса токосъема относятся: величи-
ны износа контактной пары, отрывы токоприемников от проводов, раз-
мах колебаний полоза и контактного нажатия, коэффициенты надеж-
ности работы контакта и экономичности токосъема, а также минимум
годовых эксплуатационных расходов.
Величина износа контактных динамических пар в эксплуатации яв-
ляется наиболее объективным критерием оценки их работы. Износ мо-
жет использоваться как сравнительный показатель для материалов кон-
348
тактной пары и величины тока. Он характеризует работу динамичес-
кой системы. Однако процесс износа конт актного провода протекает
медленно, несколько лет, в течение которых будут’ неоднократно изме-
няться метеоусловия, а также типы ЭПС и токоприемников с разными
характеристиками, токами, скоростями движения. Будут также влиять
и другие факторы, например, высота получившегося износа сечений
проводов. Поэтому результаты анализа износов контактного провода
можно получить только по истечении значительного отрезка времени.
Изнашивание пластин токоприемника проходит значительно
быстрее. Срок их службы - это пробег до замены. Но конкрет-
ный токоприемник будет изнашиваться при езде по тяговому пле-
чу (или плечам) с конкретными профилями при меняющихся за
несколько суток метеоусловиями, при разных манерах ведения
поездов машинистами и поездных ситуациях (ток, скорость), ис-
тощением смазок и т.д. Тем не менее важнейшими для эксплуата-
ции являются статистические данные по среднему удельному из-
носу проводов и расходу пластин, соотнесенные к пробегу ЭПС.
Отрывы токоприемников от проводов являются критерием, ко-
торый можно использовать во время инспекционных и опытных
поездок. Они дают мгновенную оценку надежности токосъема,
хотя и не учитывают возможность поджатия проводов. При визу-
альной оценке (по вольтметру) учитывается количество отрывов,
при их регистрации осциллографом или другими приборами —
их продолжительность. Вариантом такой оценки является коэф-
фициент отрывов Котр, представляющий процентное отношение
суммы времени отрывов к периоду наблюдения Т (рис. 13.4, а):
^=^-•100%. (13.1)
Размах колебаний полоза (рис. 13.4, б) относительно уровня го-
ловки рельса (или отжатия проводов токоприемником) определя-
ются динамической составляющей контактного нажатия токопри-
емника и рассчитываются по формуле
= max ~^лтт‘ (13.2)
Наиболее объективным критерием токосъема является контак-
тное нажатие, которое также характеризуется размахом его ко-
лебаний в пролете (рис. 13.4, в):
349
Рис. 13.4. К определению критериев токосъема: коэффициента отрывов («). ко-
лебаний полоза (о), контактного нажатия, коэффициента ненадежности (в), уп-
рощенного коэффициента экономичности (г): (7КС— напряжение сети: Н—
траектория полоза: / — длина пролета: л — координата пути; Р— контакт-
ное нажатие; /— износ проводов и вставок
350
7ЛР = Р - Р
~LAI кт 1 кт max г кт min •
(13.3)
Малый размах колебаний означает, что динамическая составляю-
щая контактного нажатия оказывает незначительное влияние на нажа-
тие. Однако для измерения контактного нажатия необходима специ-
альная аппаратура и, кроме того, при автоматическом сканировании
кривой нажатия могут быть пропущены экстремальные значения.
Коэффициент ненадежности работы контакта характеризует его
склонность к возникновению повреждений (поджатий или пережо-
гов). Для его определения необходимо установить значения допус-
каемых минимальных и максимальных нажатий. Сумма числа слу-
чаев выхода контактного нажатия в пролете за допускаемые зна-
чения дает коэффициент ненадежности:
^•н ~ /гтах + ,?min • (13.4)
Превышение допустимых значений Ркт тах и FKT min может быть
учтено коэффициентом опасности к , определяемым по нелиней-
ной зависимости от нажатия или по формуле
~ п max^on + я minion- (13.5)
Экономичность токосъема — обеспечение минимальной вели-
чины износа проводов и пластин токоприемников. Для ее оценки
необходимо располагать С-образной зависимостью износа взаи-
модействующей пары от контактного нажатия и тока.
Упрощенный коэффициент экономичности можно найти, если ис-
пользовать одну точку С-образной кривой — оптимальное нажатие,
при котором будет минимальный износ. Можно допустить, что это на-
жатие равно статическому нажатию, принятому для данного типа то-
коприемника. Коэффициент можно найти, анализируя отклонения зна-
чен! из максимального и минимального нажатий в пролете от оптималь-
ного (рис. 13.4. г):
(13.6)
Это среднее в пролете отклонение пропорционально превыше-
нию износа над оптимальным, если принять, что С-образная кри-
351
вая имеет две прямые, расположенные под углом 45° к оси орди-
нат. Потеря меди в пролете будет пропорциональна сумме опти-
мального износа с его превышением.
Коэффициент экономичности, учитывающий гистограмму на-
жатий в пролете и конфигурации реальных ^/-образных кривых,
будет рассмотрен ниже.
В качестве обобщающего критерия для оптимизации характе-
ристик и параметров контактных подвесок и токоприемников мож-
но применять принцип минимума годовых приведенных расходов:
Э = —— + С 4- С 4—— 4- С 4- С , /1 т Т)
лр СИ СИ лп 1*1 1И 1 J. I J
1 с 1 т
где С Сти—эксплуатационные расходы, связанные с износом кон-
тактных проводов и пластин токоприемников соответственно; СТ|1,
Ссп — эксплуатационные расходы, определяемые ущербом от по-
вреждений токоприемников и контактной сел и соответственно; Кт
Кс — капитальные затраты на токоприемники и контактную сеть с
учетом устройств диагностики и ремонтного оборудования соответ-
ственно; Т Тс— нормативные сроки окупаемости соответственно.
Минимизацию этих расходов можно производить по критери-
ям экономичности и ненадежности, выраженными коэффициента-
ми Кэ и Кн. Определение последних связано с необходимостью
имс ! ь кривые контактного нажатия, которые являются универсаль-
ными и объективными оценками процесса токосъема.
Весовой коэффициент экономичности Ку характеризующий по-
терю контактирующих материалов, приведенную к 1 км подвески
и пробегу 1000 токоприемников, км,
1000
п
(13.8)
где п — количество рассматриваемых интервалов определенного на-
жатия в контакте; j(- (Ркг, /э) — интенсивность износа (в функции на-
жатия и тока) на i-м интервале; /г- — количество случаев данного на-
жатия на /-м интервале; v — количество рассматриваемых разрядов
контактного нажатия. Умножение Кэ на специальный коэффициент
К позволяет учесть дополнительные эксплуатационные факторы.
352
Критерий ненадежности Кн базируется на определении допус-
каемых минимальных и максимальных нажатий, случаи выхода за
которые условно считаются отказами. Величина выхода за допус-
каемые значения (серьезность отказа) задается шкалой опасности
с коэффициентами Vmax i и ^min г
Тогда
V , V ,,
X П} ф max / + X И j ф mjn i
is — »'=T__________»'=1_______ (13.9)
n
Определение оптимального значения какой-либо одной характе-
ристики токоприемника или подвески для установившегося режима
при неизменности всех остальных сводится к нахождению дополни-
тельных капиталовложений и величины снижения эксплуатацион-
ных расходов от износа контактирующих элементов (с помощью ко-
эффициента экономичности). Анализ следует проводить для задан-
ных скоростей движения, длин пролетов и стрел провеса на тяговых
плечах. Параметры токоприемников и контактных подвесок пока
принимаются детерминированными, т.е. не учитываются возмож-
ные допуски, получающиеся при изготовлении и монтаже, а также
условия эксплуатации (скорости и нагрузочные токи поездов).
13.3. Обобщенные расчетные схемы токоприемников
и контакт ных подвесок
Теоретическое определение траекторий элементов токоприемника и
контактного нажатия связано с решением задач динамики (теории коле-
баний) о движении тел i временной массы под действием разного рода
сил. В связи с этим первым этапом расчетов является определение в рас-
сматриваемой системе «токоприемник—контактная подвеска» масс,
жесткостей, сил сухого и вязкого грения, моментов инерции и установле-
ние числа степеней свободы и обоснованный выбор координат.
Обобщенные расчетные схемы токоприемников и контактных
подвесок, максимально полно отражающие процесс токосъема и
позволяющие получить уравнения, результаты решения которых
будут совпадать с результатами экспериментов, составлены на
23 Конгакгные сети
353
основании рассмотрения конструкции всех узлов современных то-
коприемников и контактных подвесок как механических систем.
Обобщенная расчетная схема токоприемника была составлена в
ОмГУПСе в связи с тем, что известные упрощенные схемы были при-
годны для конструкций, созданных в первые годы электрификации.
На обобщенной схеме (рис. 13.5) представлен токоприемник с двух-
каркасным (двойным) полозом положительной кривизны с вторич-
ным подрессориванием, рамного типа, а также с рогами, установлен-
ными на раме, несинхронизированными каретками рычажного типа
с нелинейной характеристикой и элементами с сухим и вязким трени-
ем, препятствующими повороту полоза вокруг продольной оси. Сис-
Рис. 13.5. Обобщенная расчетная схема токоприемника: / — контактный про-
вод; 2 — подрессоренный контактный элемент; 3— полоз с рогами и каретками;
4—авторегулятор основания; 5—авторегулятор высоты подвижного основания;
6 — подвижное основание; 7 — основание на ЭПС; 8 — неровности пути
354
тема подвижных рам токоприемника, имеющая силы сухого трения,
установлена на авторегулируемом основании и снабжена гидравли-
ческим демпфером (амортизатором). Статическое нажатие рам зави-
сит от высоты. Крыша кузова совершает вертикальные перемещения.
Учтены силы воздействия воздушных потоков на различные элемен-
ты токоприемника и силы трения о контактные провода.
Для проведения расчетов вводятся следующие обозначения:
Нпоа, Нкас — высот а подвеса контактных проводов при отсутствии
токоприемника, отсчитываемая от верхней поверхности полозов опу-
щенного токоприемника соответственно под опорой и в любой точке
пролета;
Нс, Н3. Нп, —высота соответственно контактных проводов, вер-
хней поверхности контактных элементов, каркасов полозов, верхнего
шарнира системы подвижных рам токоприемника (высоту отсчитыва-
ют от верхней поверхности полозов опущенного токоприемника);
Нкуз0, Нкуз — высота верхней поверхности полоза опущенного то-
коприемника над уровнем головок рельсов соответственно на стоянке
(т.е. при отсутствии колебаний кузова) и при движении;
Hq — расстояние от верхней поверхности полозов авторегулируе-
мого токоприемника при опущенной верхней системе рам (в любом
положении подвижного основания) до этой поверхности при полнос-
тью сложенном токоприемнике;
тт т3 пр — масса одного контактного элемента соответственно пол-
ная и приведенная;
—сила сухого трения кареток вторичного подрессоривания;
гэ, Ркэ — соответственно коэффициент и сила вязкого трения ка-
реток вторичного подрессоривания;
жэ, Ркз — соответственно жесткость и функция нажатия вторич-
ного подрессоривания:
Р— вертикальная сила от воздушного потока, действующая на
один токосъемный элемент;
/пп, тп пр—полная и приведенная массы полозов;
Р— аэродинамическая подъемная сила полозов;
s'— приращение высоты полоза (элемента) за счет кривизны;
шкп, m— массы частей кареток, скрепленных соответствен-
но с полозом и рамой;
эюк, Рк — жесткость пружин и функция нажатия кареток;
355
гк, Рак — коэффициент и сила вязкого трения кареток;
И к — сила сухого трения кареток;
гпо’” по — соответственно коэффициент вязкого трения и сила су-
хого трения при повороте полоза вокруг поперечной оси;
т — приведенная масса рам токоприемника;
Жр — приведенная к верхнему шарниру жесткость подъемных пру-
жин токоприемника;
Рр — статическое нажатие рам токоприемника с учетом весовой
характеристики;
Гр, РДр—коэффициент и сила вязкого трения подвижных рам;
И р — сила сухого трения в шарнирах рам;
Р) р — аэродинамическая подъемная сила рам;
ш() — приведенная масса подвижного основания;
ИЛ() — приведенная сила сухого трения в механизме подвижного
основания;
г(), Рд0— приведенный коэффициент и сила вязкого трения в
системе подвижного основания;
,и<0, Tq — приведенная жесткость возвратной пружины и опу-
скающая сила основания;
Pvq—аэродинамическая подъемная сила основания;
Ркэ, Ркт — контактное нажатие соответственно в отдельных точках
контакта полозов токоприемника с контактным проводом и полное.
Обобщенная расчетная схема контактной подвески (рис. 13.6)
учитывает в общем виде взаимодействие рассмотренных выше эле-
ментов для совершенствования существующих методов расчета с
целью повышения достоверности их результатов. На схеме пред-
ставлена распределенными параметрами цепная контактная под-
веска, состоящая из несущего троса и контактных проводов, име-
ющих массы, собственные жесткости и внутреннее вязкое трение.
Струны приняты нелинейно-эластичными как под опорой, так и в
средней части пролета с элементами, создающими силы сухого и
вязкого трения (демпферами). Подопорный узел (крепление несу-
щего троса к поддерживающему устройству) принят пружинным.
Учтены сосредоточенные массы на проводе под опорой. Подвеска
объемная, расположение ее контактных проводов в плане задается
около опор фиксирующими устройствами. Для проведения расче-
тов вводятся следующие обозначения;
356
/о<
'Е J
НГНТ
•Жсг2..
и;
к
<7кп
EKnJ,
/кп.
и
I Е J
I L КП J КЛ
Якп
т
Ж
2
ж^2
Рис. 13.6. Обобщенная расчетная схема контактной подвески: I — консоль; 2 —
фиксатор; 3 — ось пути; I — длина пролета; а — зигзаг; /— стрела провеса про-
вода; Т — натяжение троса; К — натяжение контактного провода
К — натяжение контактного провода;
<7КП — погонная масса контактного провода;
J — момент инерции сечения контактного провода;
Екп — модуль упругости контактного провода;
г— коэффициент внутреннего вязкого трения контактного провода;
г/нт — погонная масса несущего троса;
Т — натяжение несущего троса;
JHT — момент инерции сечения несущего троса;
Ент—модуль упругости несущего троса;
г — коэффициент внутреннего вязкого трения несущего троса;
э/сст, Р — жесткость и функция нажатия струны;
' ст’ ^дст— соответственно коэффициент и сила вязкого трения в
демпферах струн;
И/ст — сила сухого трения в демпферах струн;
IKinr, — сосредоточенная масса и сила сухого трения под-
опорного узла;
жпод’ Люд — жесткость и функция нажатия подопорного узла;
жк уД — ударная жесткость контактного провода;
гпод, Рд под — коэффициент и сила вязкого трения подопорно-
го узла;
357
F — стрела провеса несущего троса;
f— стрела провеса контактного провода;
а — зигзаг контактного провода.
Основные методы, которые можно рекомендовать для применения
при расчетах взаимодействия, должны быть точными, с использовани-
ем ЭВМ. Приближенные расчеты по упрощенным методам можно про-
водить лишь для анализа рабо ты или усовершенствования конструк-
ций в условиях депо или участков энергоснабжения.
Методы расчетов можно классифицировать по числу степеней сво-
боды у токоприемника и способу представления контактной подвески (с
сосредоточенными или распределенными параметрами).
13.4. Сосредоточенные параметры контактных
подвесок и их определение
Сосредоточенные параметры включают в себя следующие характе-
ристики контактных подвесок в пролетах, входящие в расчетные схе-
мы (И.И. Власов, А.В. Фрайфельд): 1) высотное положение при отсут-
ствии токоприемника; 2) жесткость (эластичность); 3) приведенная
масса; 4) сила сухого трения; 5) коэффициент вязкого трения.
Перечисленные параметры используются в качестве исходного мас-
сива дан! 1ых по контактной подвеске для расчета по описываемой ниже
методике. От тщательности расчета или экспериментального опреде-
ления параметров зависит достоверность получаемых траекторий по-
лоза, рам токоприемника, а также контактного нажатия.
Высотное положение проводов простых и цепных подвесок. Эпюра
высотного положения проводов определяется экспериментально путем
прямых измерений с изолированной съемной вышки (лейтера) относи-
тельно уровня головки рельсов в различных точках пролета (под струна-
ми и в середине между ними), начиная от опоры. Эта же эпюра может
быть определена расчетно относительно горизонтальной оси на уровне
головки рельсов. Формулы для расчета были приведены в гл.З. Для слу-
чая упрощенного определения стрелы провеса простой контактной под-
вески (когда пересечение осей координат взято относительно опоры):
тт гг qx(l-x)
^ПОДХ^^ПОД > (13.10)
ZA
где Нпод — высота провода под опорой.
358
Для цепной контактной подвески высотное положение определя-
ется аналогичным способом, но с учетом стрел провеса несущего тро-
са. Для полукомпенсированной подвески с простыми подопорными
струнами высотное положение изменяется в течение года. При этом
кривая зависимости высотного положения от температуры выглядит
как парабола выгнутая вниз при положительных температурах и вверх
при отрицательных, а при температуре беспровесного положения —
в виде прямой линии. Для полукомпенсированной подвески с рессор-
ными струнами на эпюре от опоры до первой нерессорной струны
появляются горизонтальные площадки. Влияние температуры анало-
гично рассмотренному выше. Для полностью компенсированной под-
вески высотное положение постоянно.
Для типовой компенсированной подвески стрела провеса задается
равной 60 мм, соответственно выглядит и эпюра. Для современных
скоростных подвесок провод регулируется на стрелу провеса, равную
нулю, например, в контактной подвеске КС-200. Точные расчеты вы-
сотных положений проводов подвески следует проводить на ЭВМ (на-
пример, с учетом конечного числа струн).
Жесткость подвески представляет собой отношение силы, подни-
мающей провода, к величине эгого подъема. Обратная величина жест-
кости —эластичность подвески—величина подъема провода под дей-
ствием единичной силы, направленной снизу вверх и действующей в
данной точке. Экспериментальное определение жесткости производят
со съемной вышки (лейтера) или площадки дрезины. Возможна запись
аппара турой вагона-лаборатории сначала высотного положения про-
водов, а затем траектории полоза при заданном нажатии токоприемни-
ка и движении поезда с малой скоростью. Частное отделения нажатия
на разность траектории и высотного положения дает эпюру жест кости.
Более точные результаты измерения получаются вручную установ-
ленной на лейтере простой стойкой с блоком, тарированными грузами
и линейкой. При этом функция нажатия подвески имитируется груза-
ми и измеряется по линейке. Кроме того, может быть установлена ли-
нейность характеристики, а также определена величина силы сухого
трения как разность ординат измеренной кривой при нагруженном со-
стоянии и без нагрузки. Под опорой функция нажатия измеряется при
действии силы, направленной сверху вниз для оценки способности под-
вески гасить колебания после прохода токоприемника (ЭПС).
359
При проектировании новых контактных подвесок целесооб-
разно коэффициент неравномерности представлять как отноше-
ние максимальной жесткости в пролете к минимальной. В расче-
тах можно использовать параметры эластичности, затем брать об-
ратные ей величины жесткости.
В следующих разделах приведены выводы формул и уравнений
для расчетов простой подвески, подвески на сплошном основании,
для цепной (в средней части пролета, подопорной зоне, межструно-
вом пролете и с учетом разгрузки струн). Выводы выполнены мето-
дом И.И. Власова как наиболее простым и логичным. При необходи-
мости получения более точных результатов можно использовать урав-
нения К.Г. Марквардта, а также методы расчетов, разработанные в
УрГУПСе (А.В. Ефимов и др.) и ОмГУПСе (В.П. Себелев и др.). Пос-
ледние учитывают максимальное число факторов, но очень трудо-
емки при обязательном расчете по программам на ЭВМ.
Расчет жесткости (эластичности) простых и цепных подвесок.
Точный расчет эластичности представляет значительные трудности,
приближенные же ее значения могут быть легко найдены, если при-
нять ряд допущений, позволяющих применить упрощенные методы
расчета. В первом приближении при статическом приложении сил мож-
но принять, что натяжение проводов остается неизменным, и не учи-
тывать жесткости проводов. Постоянное натяжение проводов вполне
допустимо для компенсированных контактных проводов, а также и
некомпенсированных несущих тросов при подвесных изоляторах и
поворотных или полуповоротных консолях. Примем также, что сила
нажатия Р токоприемника невелика по сравнению с основной нагруз-
кой, равномерг ю распределенной на контактную подвеску.
Рассмотрим случай простой контактной подвески с жесткими опор-
ными точками (рис. 13.7). Действие вертикальной силы Р, прило-
женной на расстоянии х от левой опоры, вызывает подъем кон-
тактного провода на высоту Д/г и разгрузку опор. Так как после
приложения силы Р часть пролета, представленная на рисунке, ос-
тается в равновесии, сумма моментов действующих сил относи-
тельно точки приложения силы Р должна равняться нулю:
КЫг-Р{1 Х^=0,
I
(13.11)
360
P(l-x)
где —— --- представляет
уменьшение левой опор-
ной реакции, вызванное
приложением силы Р.
Решая уравнение (13.11)
относительно Д/г, получим
Рис. 13.7. Схема для определения отжатия
провода простой контактной подвески
ы = Рх<Рх1
1К
(13.12)
Значение эластичности контактной подвески Г] в точке,
расположенной на расстоянии х от левой опоры, определим по
формуле
Д/г
П = ~
x(l - х)
1К
При расположении силы Р в середине пролета (при х — — )
получим
Отсюда график эластичности простой контактной подвески при
жестких опорах выражается параболой, имеющей ординату
1
Лш ~ т-”- в середине пролета и нулевые ординаты под опорами.
4 К
Если контактный провод подвешен на часто расположенных
гибких струнах к какой-либо неэластичной конструкции, как по-
казано на рис. 13.8, то подъем контактного провода в точке при-
ложения силы Р может быть представлен выражением
Д/г =
8 Д'
361
Рис. 13.8. Схема для определения отжа-
тия контактного провода, подвешенно-
го на струнах к жесткой конструкции
и сила Р уравновешива-
ется весом поднятого на
длине с контактного
провода. Подставляя
Р -gKc в это выражение,
получим
р-
ЛЛ =----- (1313)
8g кК~
При цепной контактной подвеске сила Р, приложенная в сред-
ней части пролета, вызывает подъем как контактного провода, так
и несущего троса.
Рассматривая часть пролета цепной подвески с простыми опор-
ными струнами (рис. 13.9), где конструктивный коэффициент цеп-
ной подвески <р=1,и приравнивая к нулю сумму моментов всех сил
относительно точки А, получим уравнение
yb ( ) (1314)
2 I 2 v
решая которое относительно у, установим, что
Рис. 13.9. Схема для определения от-
жатия контактного провода цепной
подвески
где г0 — ордината несущего троса
в рассматриваемой точке проле-
та при беспровесном положении
контактного провода.
При отсутствии силы Рордина-
та Г] несущего троса определит-
ся выражением
------ + КУп
2___________(13.16)
Т + К
362
Вычитая выражение (13.15) из (13.Тб), находим АЛ — отжатие
цепной подвески под действием силы Р:
(13.17)
Разделив АЛ на Р. получим значение эластичности цепной под-
вески в данной точке пролета:
АЛ л (/ - л )
Р ~ i(t + k\
(13.18)
I
Для точки, расположенной в середине пролета (при х~~).
'1- = 47Ь)' (1319)
В рессорных цепных подвесках вследствие вызываемых рессор-
ной струной изменений высоты контактного провода под опорой
момент пары сил К в выражении (13.14) вместо К (у —г0) будет
равен'<ср (г—Уо^-
Выражения (13.18)и(13.19) получат при этом вид
л (/ - л )
(13‘20)
и
03211
При расположении силы Р между струнами к значению элас-
тичности, определяемому выражением (13.20), необходимо доба-
вить эластичность контактного провода в междуструновом проле-
те, которая определяется в зависимости от расстояния между стру-
нами и от положения силы Р по формуле
п _ х(»-х)
Чкп ’
363
где а — расстояние между струнами; / — расстояние от левой струны.
Формулы (13.17) — (13.20) справедливы для случая, когда воз-
действие силы Р на цепную подвеску не вызывает разгрузки струн,
т.е. пока Р < Астр, где Астр — реакция струны, которая при рассто-
янии между струнами а может быть определена из выражения
«стр « (13.22)
При Р > А произойдет дополнительный подъем контактно-
го провода, который согласно (13.13) можно приближенно опреде-
лить из выражения, которое получено из условия, что вес поднятого
контактного проводаgKc равен силе (Р Астр), вызвавшей этот подъем:
В частях пролета, прилегающих к опорам, эластичность контакт-
ной подвески может изменяться в широких пределах в зависимос-
ти от конструкции опорного узла. В цепных подвесках с просты-
ми опорными струнами подъем контактного провода под действи-
ем силы Р вызывает лишь разгрузку опорных струн и происходит
в значительной своей части независимо от несущего троса.
Разберем сначала случай, когда фиксатор отсутствует, а кон-
тактный провод направлен по оси прямого пути и располагается
в пролете беспровесно (/к = 0). Рассмотрим отрезок АВ контакт-
ного провода (рис. 13.10), составляющий два междуструновых
пролета и подвешенный на трех гибких струнах. Средняя струна
крепится к седлу несущего троса и, следовательно, не обладает
эластичностью: крайние струны крепятся к несущему тросу на
расстоянии с от опоры. Приложение силы Р в точке С вызывает
разгрузку средней струны и подъем этой точки на Д//, относитель-
но уровня расположения точек подвеса контактного провода на
смежных струнах. Величину подъема Д/z, определим по формуле,
выведенной для свободно подвешенного провода, точки крепле-
ния которого расположены на различной высоте, откуда для при-
нятых (рис. 13.10 и 13.11) обозначений получим
364
, с 2М1.К
Ь — — +---!—
2 SKC
Так как P=2g b, то из пре-
дыдущего выражения имеем
Рис. 13.10. Схема изменении положения
проводов цепной подвески при отжатии кон-
тактного провода силой,приложенной под
опорной струной
2MitK
ни-
Назовем через /?стр
чальную реакцию струны
(до приложения силы Р) и
через Ps = Р - Я — избыточную силу, вызывающую подъем
контактного провода под опорной струной.
Так как в данном случае Ястр = gKc, то
Ps =Р-8кС =-—
откуда
Рис. 13.11. Схема для расчета подъема кон-
тактного провода под действием силы, при-
ложенной под опорной струной
дл, = .
2К
Подъем контактного провода под опорной струной (см. рис. 13.10)
вызывает также разгрузку не-
сущего троса в пролете и, сле-
довательно. некоторый допол-
нительный подъем как несуще-
го троса, так и рассматривае-
мого отрезка АВ контактного
провода. Можно принять, что
разгрузка цепной подвески в
прилегающих к рассматривае-
мой опоре пролетах происхо-
дит под действием сосредото-
365
ченных сил, приложенных в точках А и В, где расположены первые
пролетные -струны. Тогда подъем проводов цепной подвески каж-
ps p-gS
дои из этих точек под действием разгружающих сил — = ——
можем определить по общей формуле для цепной подвески (13.17) как
(f 'г.ь.с1 с(/ s)=
21{т+к) 2i(t + к)
Общий подъем контактного провода под действием силы Р,
приложенной под опорной струной (см. рис. 13.11), определится
выражением
да = да, + да, = -£-кС)
2К
= Рас
21(Т + КУ 2 К
21(Т + К)’
+
которое после преобразований примет вид
.. Р.с 1(Т + 2К)-сК
2
(13.23)
Рассмотрим теперь общий случай, когда имеется фиксатор,
подвешенный на опорной струне к седлу несущего троса, и кон-
такт-ный провод располагается в смежных пролетах со стрелой
провеса/к. При отсутствии силы Р (рис. 13.12) реакция опорной
струны определяется выражением
(13.24)
Рис. 13.12. Схема разложения сил в точке креп-
ления фиксатора к контактному проводу
где (Уф—передающаяся на
опорную струну часть веса
фиксатора; /7ф—горизон-
тальная составляющая ре-
акции фиксатора; d — рас-
стояние по горизонтали от
фиксирующего зажима до
шарнира фиксатора; А —
расстояние по вертикали
от шарнира фиксатора до
366
уровня контактного провода в месте крепления к нему фиксатора;
QK — передающаяся на опорную струну часть веса контактного
провода, определяемая в соответствии с (13.22) выражением
8ДК
с; при /к = 0 QK = gKc.
Верхние знаки в формуле (13.24). как и в формулах, следующих
ниже, относятся к растянутым фиксаторам, нижние — к сжатым.
Если правая часть уравнения (13.24) обращается в нуль, то силы,
приложенные в опорном узле контактного провода, взаимно урав-
новешиваются и реакция опорной струны становится равной нулю.
Если правая часть уравнения (13.24) получит отрицательное зна-
чение, что может произойти при растянутом фиксаторе и больших
отрицательных стрелах провеса контактного провода, то равнове-
сие нарушится и точка крепления контактного провода у фиксато-
ра поднимется на величину Л//к (рис. 13.13), в результате чего вновь
будет достигнуто равновесие. При этом вертикальная составляю-
щая реакции фиксатора примет новое значение
Л-АЛК
и
возникнет вертикально направленная вниз сила Q=PS, величину
которой можно определить, пользуясь выражением (13.23):
_2A/zK 1(Т + К)К
с 1(Т + 2К)-сК’
(13.25)
которое может
Рис. 13.13. Схема разложения сил в точке крепле-
ния фиксатора к контактному проводу при разгруз-
ке струны и подъеме контактного провода
§~1
/(г + к)
367
Уравнение (13.14) примет при этом следующий вид:
вф + <2К +
2^Л
±"ф
А —АЛК
d
= 0
5
откуда
А/;к
±-/Л-е>-а
± »ф
с d
(13.26)
Если к контактному проводу в месте крепления к нему фикса-
тора будет приложена вертикально направленная вверх сила Р, то
возможны два случая.
1. Пр11Р < Rcrp произойдет частичная или полная разгрузка опор-
ной струны и подъема провода не будет (АЛ = 0). Новая реакция стру-
ны R'crp определится в этом случае из выражения
, h
^=еф+ек±Нф--р.
(13.27)
2. При Р > R^ (рис. 13.14) произойдет полная разгрузка стру-
ны и подъем контактного провода на высоту АЛ, которая, подоб-
но предыдущему, может быть найдена из уравнения
Л Л „ 2£Д1гК , гт h-bh
Qt^ + QK-P+-^-±нф——
c d
= 0,
получаемого из условия равновесия сил, приложенных в опор-
ной точке контактного провода. Решая это уравнение относитель-
но АЛ, получим
ЛЛ =
P±^h-Q^-Qi
d______
2^±НФ
с d
(13.28)
368
Ввиду наличия
неэластичной опор-
ной струны А/z не
может иметь отри-
цательных значе-
ний. Поэтому, если
правая часть урав-
Рис. 13.14. Схема разложения сил в точке креп-
ления фиксатора к контактному проводу при от-
жатии фиксатора силой Р
нения (13.28) полу-
чится отрицатель-
ной, это покажет,
что опорная струна
при воздействии силы Р не разгружается и подъема контактного
провода не происходит. Реакцию опорной струны можно в этом
случае определить из уравнения (13.27).
Эластичность контактной подвески под опорой определяется
выражением
В этом случае эластичность не остается постоянной и незави-
симой от Р, как это имеет место в пролете. При Р < Q. + QK ± Н. —
Л
эластичность г] = О, при Р > Q. + QK ± /У. эластичность возра-
" ' d
стает с увеличением Р. Если до приложения силы Р контактный
провод под опорой был уже приподнят на ЛЛ;. под действием сил
Л
QK и лф — ъ эластичность надо определить по формуле
ДЛ-ДЛК
Т) =-------
где АЛ — общий подъем контактного провода под опорой при
воздействии па провод силы Р, определяемый по формуле (13.28);
АЛК — подъем контактного провода под опорой при отсутствии
силы Р, определяемый по формуле (13.26). Вычитая выражение
(13.26) из выражения (13.28), получим
24 Кон । акз ные сеги
369
откуда
All - Ahk
P
2^±^’
c d
Ah -Ali^ _ 1
P ~ ± Яф
c d
В том случае, если фиксатор не подвешивается на струне и
ближайшие струны располагаются на расстоянии с с обеих сто-
рон от него, к контактному проводу в точке крепления фиксато-
ра будут приложены вертикальные силы Qs = gKc, (7ф
И Л
" *7
(рис. 13.15). Если эти силы взаимно не уравновешиваются, то про-
исходит поворот фиксатора и подъем или опускание контактно-
го провода на высоту Д/?к, вследствие чего появляется уравнове-
шивающая сила Qs, величина которой в соответствии с форму-
лой (13.25) может быть определена из выражения
Q _2ДЛкК 1(Т + уК)
с
1(Т + <рК)+(/ -с)к'
Рис. 13.15. Схема разложения сил в точке крепления фиксатора к контактному
проводу и изменения положения фиксатора при отсутствии опорной струны
370
которое может быть приведено к виду
где
0,-2^к,
с
^1=1| (1-с)К •
1 /(г + фК)
(13.29)
(13.30)
Высота подъема A/?K может быть определена по формуле
±-/h-Q„-QK
ЛЛК=—--------77--•
± Н*
с d
В отличие от предыдущего величина АЛК в зависимости от со-
отношения сил может получать как положительные, так и отри-
цательные значения. В последнем случае контактный провод на
участке между ближайшими от фиксатора струнами будет полу-
чать прогиб вниз и нагрузка, создаваемая фиксатором, будет пе-
редаваться на эти струны. При положительных значениях АЛК кон-
тактный провод на этом участке будет иметь выгиб вверх, благо-
даря чему смежные с опорой струны будут частично, а в некото-
рых случаях и полностью разгружаться. Эластичность контакт-
ной подвески в точке крепления фиксатора может быть определе-
на в этом случае по формуле
1
с d
В рессорных цепных подвесках эластичность опорных точек в
значительной степени определяется пружинящим действием рессор-
ного троса. Рассмотрим, как изменяется в этом случае положение
опорной точки контактного провода под действием приложенной к
371
ней и направленной снизу вверх вертикальной силы Р. Как и ранее,
будем предполагать, что приложение силы Р не вызывает измене-
ния натяжения несущего троса на данном анкерном участке.
Рассмотрим (рис. 13.16) схему опорного узла рессорной цепной
подвески с действующими в нем силами. Делая сечения по EF и
MN и приравнивая к нулю суммы моментов относительно точки А
сил, приложенных к отсеченным частям, получим
Qa
Scosa = —
2\у
(13.31)
и
(r-5)cosp= + (13.32)
2у
Ввиду малости углов а и Р можно принять
cosa = cosp = 1.
Тогда, складывая выражения (13.31) и (13.32), получим
Qa
2
Ga
'Ту-
Рис. 13.16. Схема для определения натяжении проводов в опорном узле рессорной
цепной подвески
372
Полагая, что
гр = Ajt» и у = к2Ь,
(13.33)
получим выражение
2Tb _ /J_ + J_\ + G = Q(kx + k2)+Gkx
ci I к') I к'у ^1^2
Так как А | + А2 ~ К выражение (13.34) приводится к виду
(C + GAi )а
2кхкгТ
(13.34)
(13.35)
Без существенного ущерба для точности расчета можно принять,
что значения кх и А2 остаются без изменений при различных значе-
ниях Ь. Тогда в выражении (13.35) величина b будет определяться
лишь изменениями силы Q.
Для различных значений силы Qx и Q2 можно написать
(Q + Gkx)a JQ + Gkx)a
Di — ---------- ll O') — ,
2ktk2T 2A]A2T
откуда
А| ~t>2 —
2кхк2Т
или
Д<?«
АЛ =
2kxk2T
где Д(? — изменение вертикальной силы Q, вызванное воздействи-
ем силы Р и определяемое выражением
^Q = P±H^--QS.
(13.37)
Здесь второй член
ЛЛ
±н* d
представляет реакцию фиксато-
ра, вызванную подъемом его на высоту ДА, а третий член Qs—
373
реакцию, вызванную подъемом контактного провода под рес-
сорной струной относительно уровня крепления контактного
провода на ближайших от опоры простых струнах. Так как
подъем несущего троса в точках А и С (рис. 13.17) вызывает близ-
кие по величине подъемы троса в точках Е и F, можно прибли-
женно принять, что подъем контактного провода, вызывающий
появление реакции Qx, определяется лишь изменением стрелы
провеса вспомогательного провода гр.
Полагая A/q и Л//э пропорциональными значениям гр и у, а
следовательно, и значениям Ку и /с2, получим для реакции Qs со-
гласно (13.29) и (13.30) следующее выражение:
где
2^,к ДИК
/(Т + грК)
(13.38)
с — расстояние от опоры до ближайшей простой струны.
Тогда выражение (13.36) после подстановки в него значений
(13.37) и (13.38) получит вид
Рис. 13.17. Схема для определения отжатия контактного провода в опорном узле
рессорной цепной подвески
374
АЛ =
АА
Р±НФ~Г~'---------
4 d с
2кук2Т
a
Решая уравнение (13.39) относительно АА, получим
ы-----------г_________
2*,*гГ 2^К
a d с
откуда:
_ АА ________1_______
n~P~2ktk-»T Яф 2^к}К ’
d с
(13.39)
(13.40)
а
Это выражение дает возможность определить эластичность кон-
тактной подвески под рессорной струной в зависимости от приня-
тых параметров цепной подвески и рессорной струны.
Приведенная масса подвесок. Масса контактной подвески распре-
делена вдоль линии и в уравнениях, в которых подвеска рассматри-
вается в виде системы с распределенными параметрами, учитывает-
ся общей плотностью проводов, составляющих цепную подвеску.
Рассматривая контактную подвеску в виде дискретной систе-
мы для заданного интервала отсчета, вводят понятие приведен-
ной массы подвески тк. Так как это понятие является условным,
важно правильно представлять физический смысл приведенной
массы в соответствии с принятой расчетной схемой. Кроме того,
точность результатов теоретических исследований может зависеть
от значения и характера изменения этой массы вдоль пролетов,
подвески. Если рассматривать условную массу подвески при сво-
бодных колебаниях, то закон ее изменения вдоль пролета харак-
теризуется кривой; максимальное значение массы имеет место у
опор. Если же считать, что условная масса подвески имеет в точке
контакта с токоприемником такую же скорость, что и контактный
провод, и запас кинетической энергии, равный запасу энергии ре-
375
альной контактной подвески во всем пролете, то максимальное
значение массы будет в середине пролета. При этом в первом слу-
чае масса у опор будет в несколько раз больше, чем в середине
пролета, а во втором случае — на 10—20% меньше. Результаты
расчетов по формулам, основанным на различной физической сущ-
ности условной массы, определяют ее значение, отличающееся в
отдельных случаях для одних и тех же условий в несколько раз.
Из экспериментальных данных следует, что значения условных
масс мало изменяются вдоль пролетов и немного возрастают с
увеличением скоростей движения и числа контактных проводов.
Расчеты, проведенные на ЭВМ, показали, что нет необходимости
при теоретических исследованиях учитывать изменение массы тк.
Оказалось, что при принятых схемах замещения допустимо при-
нимать усредненные значения тк неизменными вдоль пролета и
равными 30 кг для одинарных контактных подвесок с одним кон-
тактным проводом и 40 кг с двумя контактными проводами. Спра-
ведливость этого вывода подтверждена сходимостью расчетов,
выполняемых для указанных значений тк, с опытными данными.
Наиболее достоверный результат для незначительных скоростей
движения может быть получен по рекомендации И.И. Власова. Сред-
нее значение расчетной массы контактной подвески тс за период
которое определяется при подъеме контактного провода по выра-
жению для пассивного нажатия рам токоприемника, будет равно
Р2
тс
1--—
u___3_
9,81
(13.41)
где п — коэффициент скорости, который может быть принят рав-
ным нулю, при ее малых значениях.
Коэффициент вязкого и сила сухого трения. Демпфирующая ха-
рактеристика контактной подвески может в значительной мере по-
влиять на качество токосъема, а также на колебания подвески под
действием ветровой нагрузки в таком сложном режиме, каким яв-
ляются автоколебания. Разрабатывая новые контактные подвес-
ки и сравнивая их с известными конструкциями, обычно пользу-
ются логарифмическим декрементом колебаний подвесок:
5 = 1пДк /Ак.+1 (13.42)
где ; 11 ^к,+| — два последовательных максимальных отклоне-
ния системы.
Этот показатель является полезным лишь для качественной оцен-
ки сравниваемых конструкций, причем в таких режимах их рабо-
ты, как затухание колебаний подвески до и после прохода токоп-
риемников или при автоколебаниях. Подробные исследования ха-
рактеристик рассеивания энергии (диссипативных) отечественных
контактных подвесок показали, что скорость и характер процесса
затухания колебаний подвесок около положения статического рав-
новесия зависят от вида упругой характеристики подвески, началь-
ной амплитуды колебаний проводов и зоны пролета.
На процесс колебаний около положения статического равнове-
сия контактного провода, особенно в зоне опорного узла, оказыва-
ют влияние рессорные и простые струны, ограничивающие верти-
кальные перемещения провода. Исследованиями установлено, что с
увеличением нелинейности упругой характеристики контактной
подвески при повышении жесткости в зоне отрицательных переме-
щений контактного провода поглощение энергии возрастает.
При различных амплитудах колебания контактного провода пре-
валирующими можно считать различные виды трения: диссипация
при . > 0,15 - 0,20 м вызывается главным образом силами турбу-
лентного трения; при . = 0,03 -г- 0,15 м — силами вязкого трения, а
при . < 0,03 м — силами сухого трения. Известно также, что наи-
большая диссипация энергии происходит в опорной зоне, наимень-
шая — в середине пролета. Уменьшение жесткости жс около опор
при использовании рессорных проводов, пружин и других устройств,
как правило, приводит к ухудшению демпфирующих характеристик
подвесок. Поэтому, добиваясь уменьшения жесткости подвесок око-
ло опор, необходимо принять эффективные меры по увеличению дис-
сипации энергии в этой зоне (в частности, этого можно добиться
установкой дополнительных струн, ограничивающих перемещение
провода ниже положения равновесия).
377
13.5. Определение распределенных параметров
контактных подвесок
Применение сосредоточенных параметров не отражает действитель-
ных процессов, имеющих место при токосъеме, так как не принимают-
ся во внимание волновые процессы в проводах при вертикальных ко-
лебаниях и двух токоприемниках. С увеличением скоростей движения
свыше 200 км/ч использование сосредоточенных параметров нецелесо-
образно, т.е. необходимо применение подвески с распределенными па-
раметрами по обобщенной расчетной схеме (см. рис. 13.6).
В связи с этим ряд ученых пытались использовать для учета контак-
тной подвески волновые уравнения — дифференциальные уравнения в
частных производных. Решение этих уравнений как аналитически, так
и численными методами представляет значительные трудности. В це-
лях упрощения решений и повышения достоверности результатов рас-
четов токосъема предлагается ввести минимальное количество наибо-
лее безобидных допущений, учитывающих только наиболее простые
характеристики токосъемных устройств, для которых имеются экспе-
риментальные данные: свободных колебаний проводов 7/с(/), траекто-
рий контактных нажатий PKT( v), массы н?под. жесткости жпод. ко-
эффициента вязкого трения /кп и силы сухого трения ^под подопор-
ных пружинных узлов. При этом для проведения расчетов использова-
ны обозначения, принятые в п. 13.3 настоящей главы.
Волновые уравнения взаимодействия нескольких токоприемников
и контактной подвески. Как указывалось выше, в расчетную схему,
используемую для составления уравнений, вводятся некоторые до-
пущения. Так, силы вязкого трения в подвеске принимаются про-
порциональными Жесткость подопорного узла, его масса и
т.д. резко возрастают под опорой, поэтому силы, действующие на
провода от подопорных узлов и токоприемников, считаются сосре-
доточенными в точках. Для формализации этого используется фун-
кция Дирака 6(.v), равная 0 при л'*0 и ос при л=0. Причем
X
р(л)(/л = 1 . (13.43)
— X
Функция Дирака употребляется для описания плотности еди-
ничной массы, силы и т.д., находящейся в точке л*=0. Например,
плотность силы, вызываемой подопорной жесткостью, есть
378
(a I \ 00
Нс~нсв~^г~ ^(x-nl\
ЖПОД )„ = -oo
(13.44)
где Нсв — высота точки подвеса при полностью разгруженном по-
допорным узле (в предположении полной линейности его функ-
ции нажатия); / — длина пролета; п — номер опоры.
Плотность массы от токоприемника, взаимодействующего с кон-
тактной подвеской при движении и нахождении его в начальный
момент времени t=0 в точке л=лу, равна /»т 5(.v-vT • t- лу).
Нажатие рам и вязкое трение в них вводятся в уравнение по-
добным же образом.
Уравнение движения элементов рассматриваемой системы с не-
сколькими токоприемниками под проводом имеет следующий вид:
- 2
r-vT/-x ) д Н^- +
// у dt
(13.45)
v ) • дНс д^Н Л2//
+ 1 - V - Jsign—— + EKUJ кп ——- - К-------+
у с" dt дг
жпод (Нс - Исв )s 6 U - «0 =
п
= S (^ру + ^вру + ^влу (' ~ ГТГ — Ху )— <7кп >
Y
где i’T — скорость движения токоприемника; х — координата у-
го токоприемника при /=0; ЕКПУКП — собственная жесткость про-
водов; /7?Ту, wpy, гру, Рру, Рвру, Рвпу— масса, сила сухого и коэффи-
циент вязкого трения рам, их нажатие и аэродинамические вер-
тикальные силы соответственно для у-го токоприемника.
379
Используя эти волновые уравнения, можно найти кривые сво-
бодных колебаний проводов подвески, отыскать траектории по-
лозов и контактные нажатия для одного и нескольких токоприем-
ников (при любом расстоянии между ними).
Уравнение движения элементов рассматриваемой системы выводит-
ся из уравнения колебаний струны, которое в общем случае имеет вид
- 2 - 2
р(*)—У = Г0 - -у + Р (А •'Л (13.46)
а/ дх
где р(х) — линейная плотность струны; Tq — сила натяжения, дей-
ствующая на струну; и — вертикальное перемещение точек струны в
момент времени / от положения равновесия;р(х, t) — внешняя сила,
действующая на струну.
Уравнение (13.46) имеет бесчисленное множество частных ре-
шений. Поэтому одного уравнения недостаточно для полного оп-
ределения движения струны; нужны еще некоторые дополнитель-
ные условия. Так, в начальный момент времени /=0 нужно задать
положение и скорость всех точек струны:
wLo=<Po(x)>
- = <pl(x). U3.47)
М ,=о
Условия (13.47) называют начальными условиями.
Так как струна ограничена и закреплена, то на ее концах должно быть
и| =0,
н| = 0
(13.48)
при всяком />0. Условия (13.48) называют краевыми или гранич-
ными условиями. Возможны и другие граничные условия.
Итак, физическая задача о колебании струны свелась к мате-
матической задаче, где необходимо найти решение уравнения
(13.46), удовлетворяющее начальным (13.47) и граничным усло-
виям (13.48).
380
Определение собственной жесткости различных проводов. Соб-
ственная жесткость проводов и тросов, входящая в волновые урав-
нения. учитывается произведением £КПУКП. которое следует рас-
считывать или находить экспериментально. Значения модуля уп-
ругости £кп приводятся в справочниках только для монометалли-
ческих проводов, поэтому для сталемедных и сталеалюминиевых
проводов вопрос осложняется. Для расчета £экв комбинирован-
ного провода используется следующие выражение:
£экв
^а(м)^а(м) +
saM+sc
(13.49)
где £;1(М) и £с — модуль упругости алюминия (меди) и стали соот-
ветственно; и £с — площадь сечения алюминиевой (медной)
части и стальной соответственно.
Моменты инерции сложных сечений контактных проводов опреде-
ляются по формуле
<п =5^4+7,, (13.50)
где Fj — площадь /-го элемента сечения провода; - • координа-
та центра тяжести f-го элемента сечения провода;
Jj — собственный момент инерции z-го элемента сечения провода.
При этом координаты центра тяжести провода определяются по
формуле
z = -
(13.51)
Так как контактный провод имеет неправильную форму в сече-
нии, то для расчета момента инерции контактного провода и оп-
ределения его координаты центра тяжести необходимо сечение
провода разбить на ряд более простых сечений. Тогда площадь
сечения сегмента и момент инерции определяется ио формулам
£, = (2а, - sin 2а,),
где Rj — радиус дуги сегмента;
(13.52)
381
О ла,- а, = — 180° (13.53)
F:R[ ( 4 cos а,-sin3 а,-' Jxi = 1 + , 4 2а,--sin2а,- (13.54)
где Fj— площадь сечения сегмента.
Выражение для расчета площади сечения трапеции имеет вид:
(13.55)
где bj,b\ — размеры верхнего и нижнего основания соответственно;
hj—высота трапеции;
j hi46bi +6fe,fe0 + ь(>) " 36(2^+^) (13.56)
где Ьо = /?! - bj.
Несущий трос, как правило, состоит из нескольких проводов,
поэтому для расчета его момента инерции применима формула
(13.50), где собственный момент инерции JY/ определяется по вы-
ражению
J " 16 ’ (13.57)
где d — диаметр провода; F— площадь сечения провода, для круг-
лого провода
_ nd~ г = . 4 (13.58)
Собственную жесткость различных проводов можно определить
экспериментально, нагружая закрепленный одним концом отрезок про-
вода длиной /горизонтальной силой и измеряя его прогиб (рис. 13.18, а).
В этом случае собственная жесткость провода будет равна
Pl3 F I = - -- ЗА (13.59)
382
неподвижный зажим: 2 — провод; 3 — блок; 4 — самопишущий прибор
где Р — сила, действующая на конце провода; / — длина провода;
Л — прогиб провода.
Коэффициент эквивалентного вязкого трения провода экспери-
ментально определяют по следующей методике (рис. 13.18. б). Один
конец отрезка провода закрепляют неподвижно, а другой соединя-
ют с самопишущим прибором, имеющим достаточно высокий класс
точности но развертке. Затем, задав начальное отклонение, произ-
водят запись виброграммы. Полученную кривую следует обрабаты-
вать одним из методов определения коэффициентов вязкого трения
в зависимости от того, какой характер носит демпфирующая сила
(линейный или нелинейный). Взяв с виброграммы период амплиту-
ды колебаний и подставив погонный вес провода, найдем
4<7|п 4+Ач.
g7’ д+| + д+2 ’
(13.60)
где q — погонный вес провода;
Т и Aj — период и амплитуда колебаний соответственно.
!
13.6. Косвенные параметры контактных подвесок, i
взаимодействующих с токоприемниками
К группе косвенных параметров можно отнести характеристи-
ки, которые могут помочь оценить работу токосъемных устройств
без сложных расчетов их взаимодействия на ЭВМ.
К ним относятся: 1) время затухания колебаний подвески zc затуХ;
2) декремент затухания колебаний подвески £>с; 3) критические скорос-
ти подвесок Кс кр; 4) коэффициент Доплера подвески «с; 5) линии вли-
яния отжатия (Л ВО) и эластичности (Л ВЭ) подвесок; 6) статические 1 ра-
ектории токоприемника Н (х). Ниже рассмотрены только косвенные
параметры критических скоростей и линий влияния отжатия. Осталь-
ные параметры достаточно известны из теоретической механики.
Критические скорости. Скорость распространения волны по подвеске,
которая должна бьпъ меньше скоросш ЭПС, определяется по формуле
384
где ср — скорость распространения волны; 77() — натяжение про-
вода; т — погонная масса провода.
Коэффициент отражения
1
(ZZf'»f)
1 +
(13.62)
где НF, т'р, Нр, т' р— натяжение и масса контактных проводов
и несущего троса соответственно. Скорость движения:
(1-г) К-СР (1 + г)‘ (13 63)
Коэффициент Доплера
Iе Р “ *')
(СР +»’) (13.64)
Коэффициент усиления
/ Yv = ~ • а. (13.65)
Собственные частоты цепных контактных подвесок
с У (m'F + т'г)
21~ 2J
(13.66)
(HF + HT)
V F У(т'г+тт)
2 (2/ + /Д (2/ + /,)
(13.67)
где с — средняя скорость распространения волны цепной под-
вески; /— длина пролета; // — расстояние до первой нерессор-
ной струны
25 Кон1амные cein
385
Оптимальными должны быть приняты параметры, которые
обеспечивают наиболее близкий к единице коэффициент неравно-
мерности при нормируемой средней жесткости и скорости волны,
меньшей, чем скорость ЭПС.
При анализе КС-200 из условия динамики с параметрами, удов-
летворяющими условиям статики, должны анализироваться кри-
вые контактного нажатия в пролете. Среднее его значение должно
быть близким к оптимальному из рассмотренной кривой износа.
Колебания нажатия не должны быть максимальными, вызываю-
щие подъемы фиксаторов до 200 мм, и минимальными до 20 Н,
вызывающими пережоги.
Критические скоростидля контактной подвески КС-200 с задан-
ными параметрами оказались для всех трех элементов выше, чем ско-
рость движения предполагаемого ЭПС, — 97 м/с (350 км/ч).
Дополнительную проверку на критические скорости высших гар-
моник проводят по формуле
к., г 5:
+ (13.68)
V
где к---номер гармоники; Т— натяжение в несущем тросе; ж( —
средняя жесткость подвески в пролет; / — длина пролета.
Линии влияния эластичности контактной подвески показывают
закон изменения подъема контактного провода в рассматриваемой
точке при перемещении токоприемника вдоль пролета. Их строят
для нажатия токоприемника Р = 1. Кроме того, по этим линиям
определяют статический подъем контактных проводов в данной
точке при нахождении в пролете двух и более токоприемников.
Линии влияния эластичности контактной подвески в средних ча-
стях пролета строят так же, как и линии влияния изгибающего мо-
мента простой балки на двух опорах, с той лишь разницей, что ор-
динаты линии влияния делят, кроме того, на величину приведенно-
го натяжения цепной подвески Т+срК и измеряют их поэтому в м/кг.
Так как приведенное натяжение цепной подвески изменяется в зави-
симости от температуры, то и линии влияния при таком построении
будут получаться различными при разных температурах.
386
В цепных подвесках с про-
стыми опорными струнами
линия влияния имеет треу-
гольную форму с нулевыми
ординатами под опорами и с
переломом в точке, для кото-
рой определяют значения
подъема контактных прово-
дов(рис. 13.19,п). Для цепных
подвесок, в которых опорные
струны находятся на расстоя-
нии с с каждой стороны от оси
опоры, принимают, что при
перемещении силы Р = 1 под
опорой на участке провода
между двумя ближайшими от
опоры струнами передавае-
мые на эти струны усилия из-
меняются по закону прямой.
Линия влияния получает при
этом вид (рис. 13.19, б) с пе-
Рис. 13.19. Линии влияния эластичности в
пролете цепной подвески с простыми опор-
ными струнами (а) и струнами, смещенны-
ми относительно опор (о)
реломами под ближайшими от опоры струнами и проходит через
нуль в точках расположения таких струн в смежных пролетах.
13.7. Расчет токосъема для токоприемников
с двумя степенями свободы, с учетом контактных подвесок
с сосредоточенными параметрами
Предлагаемый метод расчета разработан в МИИТе А.В. Фрайфель-
дом (с элементами метода И.И. Власова) и базируется на решении систе-
мы двух дифференциальных неоднородных линейных уравнений с коэф-
фициентами, значение которых неодинаково в разных точках пролез а.
К основным допущениям метода относятся следующие:
- контактная подвеска является системой с сосредоточенными
параметрами;
- нелинейность (от высоты, скорости) характеристики токоп-
риемника, эффекты приведения (к месту в пролете) и инерцион-
ные эффекты не принимаются во внимание;
387
- контактное нажатие определяется без учета отрывов и рас-
пределения по пластинам (вставкам);
- сосредоточенные параметры, входящие в расчетную схему подвес-
ки (рис. 13.20, а): высотного положения /7кас(л), жесткости жс(.х), массы
/»с(л), силы сухого трения W (х) и коэффициента вязкого трения /с(л)
меняют свои размеры в разных точках пролета. Эти зависимости опре-
деляют экспериментально или расчетом с использованием точных или
приближенных (парабола, синусоида и т. д.) уравнений. В программу
расчетов на ЭВМ они вводятся таблицей по шагам или уравнениями.
Значения сил сухого трения могут считаться не зависящими от ско-
рости движения элементов, но их знаки меняются каждый раз при из-
менении направления движения. Силы трения направлены навстречу
движению. Это следует учитывать в уравнениях специальными функ-
циями с символами sign, которые, будучи записаны после какой-либо
величины, дают ей знак другой величины, записанной после этого сим-
вола. Так, для силы трения И7 учитывается знак скорости движения
(зависящей от направления движения), т.е. И7 sign Н. Силы трения
являются нелинейными элементами в системе.
Силы вязкого трения в системе «токоприемник — подвеска» в
рассматриваемом методе упрощенно принимают линейными,
пропорциональными первой степени скорости движения, и могут
быть найдены через коэффициенты вязкого трения (/с, гк, г ) как г Н.
Силы, создаваемые упругими элементами (обладающими жестко-
стью или эластичностью), принимаются линейными, т. е. прямо про-
порциональными их напряжению сжатия (для кареток) или отжатия
(для проводов). Тогда с учетом жесткости (жс, жк, жр) можно запи-
сать жс (Н(- /7кас); жк (Нп - Нр - Ако) и т.д. В последнем выражении
Лко представляет собой расстояние от верхней поверхности полоза до
середины верхнего шарнира токоприемника (при освобожденных пру-
жинах). Следует отметить, что нажатие рам (статическая характерис-
тика) принимается постоянным, не зависящим от высоты, что допус-
тимо для средней части рабочего диапазона высоты.
Составление уравнений при наличии расчетной схемы следует
начинать с выявления масс, которые могут находиться в независи-
мом вертикальном движении, т.е. с установления числа степеней
свободы (подвижностей), определяющих число дифференциальных
уравнений, из которых должна состоять система, и число неизвест-
ных, которые должны быть определены.
388
При составлении уравнений направление снизу вверх прини-
мают положительным для сил Р, скоростей Н и ускорений Н.
Из расчетной схемы видно, что в рассматриваемой системе име-
ются две степени свободы: положения масс сети тс и полоза inn оп-
ределяются высотой Н положения массы рам — координатой Н .
Уравнение движения масс тс и /пп можно составить (рис. 13.20,6),
найдя сумму сил. По второму закону Ньютона масса (массы), на
которую действует сила (силы), должна двигаться с ускорением,
пропорциональным этой силе. Составим уравнение этого движе-
ния, учитывая направление сил (рис. 13.20, г):
(/лс + )^п 'с^с ?Л-с(^п+^кас) гке^п
-.жк(//п - Нр-hKO)-WK sign(/7n - //р)+Руп.
Рис. 13.20. Схемы к составлению уравнений движения для токоприемников с дву-
мя степенями свободы при сосредоточенных параметрах контактной подвески
389
Знак «минус» перед упругой силой кареток объясняется тем, что
выражение в скобках отрицательно.
Уравнение движения массы /пр составим, учитывая направле-
ние сил (рис. 13.21, б, в, г):
/ир//р = гк (/7П — Нр)+ жк {ни — Нр — Лко)+ IVK sign(/7n — Нр )—
~ ~ Wp + + ^уп•
Знак «плюс» перед силами кареток вместо «минус» в соответствии
с направлением сил объясняется отрицательными значениями в
скобках, если принять Нп = 0.
Эти уравнения можно решать численным методом на ЭВМ. Для
этого надо разделить пролет на интервалы (шаги для ЭВМ). Уравне-
ние составлено по времени, поэтому место в пролете для каждого
значения полученных траекторий можно найти, умножая его на
скорость поезда.
Уравнения контактного нажатия можно получить двумя
способами: заменив реакцией действие проводов подвески на по-
лоз (рис. 13.21, а. б) или действие полоза на подвеску (рис. 13.21, в, г).
Рис. 13.21. Схемы к определению контактного нажатия для токоприемников с дву-
мя степенями свободы при сосредоточенных параметрах контактной подвески
390
В первом случае получим
,ип^п ^кт гк(^Л| ^р) ^р ^ко) М'к sigll(/7n ~ Йр)+ Руп.
Сила жесткости каретки учтена с обратным знаком, так как
скобка за ней отрицательна. В этом уравнении все величины полу-
чены ранее при решении основного уравнения движения; неизве-
стным является только Ркт, которое определяют из формулы
Во втором случае контактное нажатие будет равно:
Ркт = тсНп + гсНс + жс(Нс - Нкас)+ Иф signHc.
13.8. Методы испытаний контактных подвесок
в лабораторных условиях и на полигонах
Экспе/ншентальныс исследования взаимодействия токоприемника
с контактной подвеской целесообразно производить в лабораторных
условиях на стендах. При этом можно решать минимум две задачи:
1) варьируя различными характеристиками и конструкциями узлов
натурных токоприемников, выявлять их оптимальные варианты или
проверять их соответствие техническим заданиям;
2) проверять влияние допущений в используемых методах расчета
контактных подвесок и программах для ЭВМ, сопоставляя для
этого результаты расчетов и экспериментов на стендах с натур-
ными токоприемниками.
Для исследования параметров токоприемников, влияющих на его
вертикальную динамику, можно использовать колебательный стенд,
задавая стрелу провеса (амплитуду колебаний) и скорость поезда (час-
тоту колебаний) и принимая подвеску как жесткую с высотным поло-
жением в виде синусоиды.
Для исследования параметров и конструкций верхних узлов поло-
зов и кареток в зависимости от вертикальных колебаний проводов
и их расположения в плане следует использовать стенд с вращаю-
щимся кольцом из проводов.
391
При испытаниях контактной подвески на полигоне прежде всего раз-
рабатывают программу испытаний в соответствии с поставленными це-
лями, после чего на месте определяют испытательный анкерный участок
подвески, измерительные пролегы и опоры для установки датчиков, ви-
деокамер и измерительных шкал, а также уточняют перечень необходи-
мого оборудования и материалов для полевых пунктов. Одновременно
согласовывают предоставление «окон» в графике движения для прове-
дения испытаний, а также локомотива с бригадой и испытательных ва-
гонов контактной сети. Для увеличения количества поездок в течение
каждого «окна» возможно принятое «челночного» способа движения ис-
пытательного поезда по перегону с возвращением на станцию.
Испытательный поезд для исследования контактной подвески
формируется из электровоза с требуемой конструктивной скорос-
тью и вагона-лаборатории. Для комплексных автоматизирован-
ных измерений параметров контактной сети и некоторых парамет-
ров рельсового пути, влияющих на оценку состояния контактной
сети, используют вагон-лабораторию контактной сети (ВИКС).
Измерительные пролеты полевого пункта оснащают устрой-
ствами для измерения отжатий проводов с изолированного лейте-
ра, пунктами видеосъемок и датчиками экстремальных отжатий в
соответствии с описанными выше методиками.
На испытательном поезде определяют статические и динамичес-
кие характеристик! i всех токоприемников электровоза и измеритель-
ных токоприемников ВИКС.
Проведение статических и динамических испытаний подвески
осуществляется согласно программе. Для проведения испытаний
задействуют бригады испытателей на электровозе, вагонах-лабо-
раториях и полевых пунктах.
13.9. Порядок динамического расчета
компенсированных контактных подвесок
скоростных и высокоскоростных магистралей
Расчеты компенсированной подвески 11рсдлагается проводить в сле-
дующей последовательности (рис. 13.22):
1) особенности конструкции варианта, задаваемые параметры, зна-
чения скорости движения поезда и токовых нагрузок;
392
2) определение погонных нагрузок проводов подвески с учетом
заданных метеоданных;
3) определение стрел провеса несущих тросов и контактных про-
водов для заданных натяжений в нормальном режиме;
4) определение стрел провеса несущих т росов и контактных прово-
дов для заданных натяжений при гололеде;
5) определение длин пролегных струн заданных параметров подвески;
6) определение предварительных провесов рессорных струн при
заданных параметрах подвески;
7) определение допустимости ветровых отклонений контактной
подвески при заданных параметрах и изменениях натяжений прово-
дов (или допусков);
8) определение жесткости подвески в пролете для заданных пара-
метров подвески;
9) оценка влияния изменений параметров жесткости подвески
на критерии ее оптимальности для различных вариантов;
10) проверка вариантов подвески по критическим скоростям и ко-
эффициентам надежности и экономичности;
11) оценка влияния на критерии оптимальности жесткости подвес-
ки количества и расположения струн;
12) проверка вариантов количества и расположения струн на кри-
тические скорости и коэффициенты надежности и экономичности;
13) выявление оптимального варианта подвески с определен-
ными параметрами;
14) определение для оптимального варианта подвески:
а) стрел провеса несущего троса;
б) длин струн и вспомогательных тросов рессорных струн;
в) коэффициента экономичности;
г) ветровых отклонений;
15) проверка необходимости мероприятий по предотвращению
автоколебаний оптимального варианта подвески.
Предлагаемый порядок работ по созданию подвесок контактной
сети для скоростей 250—300 км/ч связан с выбором конструктивных
решений и расчетами рациональных статических и динамических ха-
рактеристик из условий надежного и экономичного взаимодействия
с токоприемниками (рис. 13.23). Вариант ы последовательного выпол-
нения условий подобных методов были разработаны и применены в
ОмГУПС при расчете скоростной ПКС постоянного тока КС-200.
393
Рис. 13.22. Порядок расчета оптимальных параметров и характеристик скорост-
ной компенсированной цепной контактной подвески
394
Предлагаемая последовательность расчетов является разделом
рассмотренного порядка создания ПКС и базируется на том, что
характеристики и параметры современных скоростных ПКС ап-
риорно нормированы. К примеру, длина пролета 65 м; рессорный
трос от 16 до 22 м; число струн в пролете от 6 до 14 шт.; натяжения
проводов и тросов порядка 10—27 кН.
Расчегы компенсированной ПКС предлагается проводить с опреде-
лением коэффициентов экономичности и надежности; проверок на вет-
роустойчивость и гололед, с учетом параметров токоприемника и т.д.
Рис. 13.23. Последовательность работ по созданию контактной подвески для
повышенных скоростей движения
395
ГЛАВА 14
ИЗНАШИВАНИЕ КОНТАКТНЫХ ПРОВОДОВ,
ТОКОПРОВОДОВ, ПЛАСТИН
ТОКОПРИЕМНИКОВ И ДРУГИХ УЗЛОВ
КОНТАКТНЫХ СЕТЕЙ
14.1. Виды изнашивания
Под изнашиванием подразумевается iipouecc разрушения и отделе-
ния материала с поверхности твердого тела и (или) накопления его ос-
таточной деформации при трении, проявляющегося в постепенном изме-
нении размеров и (или) формы тела. Износ является результатом изна-
шивания, определяемого в установленных единицах. В соответствии с
ГОСТ 23.002—78 различают следующие виды изнашивания (рис. 14.1):
1) механическое—происходит в результате мехаш меских воздействий;
2) коррозионно-механическое — механические воздействия, со-
провождаемые химическим взаимодействием материала со средой;
3) абразивное — механические воздействия твердых частиц, нахо-
дящихся в свободном или закрепленном состоянии режущего или ца-
рапающего характера;
4) эрозионное — механические воздействия потока жидкости и
(или) газа;
5) гидроэрозионное (газоэрозионное) — эрозионные воздей-
ствия потока жидкости(газа);
6) гидроабразивное (абразивное) — эрозионные воздействия по-
тока жидкости и абразивных частиц;
7) усталостное — механическое изнашивание в результате уста-
лостных разрушений при повторных деформациях микрообъемов
материала поверхностного слоя;
8) кавитационное — гидроэрозионное изнашивание при дви-
жении твердого тела относительно жидкости, при котором пузырь-
ки газа захлопываются вблизи поверхности тела, что создает по-
вышение давления или температуры;
9) npj I заедании—изнаши вание в резуз i ьтате схватывания, глубинно-
го вырывания материала, переноса его с одной поверх! юсти на другую и
воздейст вия возникших неровностей на сопряженную поверхность;
396
мгатпн
’!• WIllJ
•i Т
Рис. 14.1. Основные виды изнашивания контактных проводов при взаимодей-
ствии с токоприемниками
10) окислительное — коррозионно-механическое изнашивание
вследствие химической реакции материала с кислородом или
окисляющей окружающей средой;
11) изнашивание при фретинге — механическое изнашивание
соприкасающихся тел при малых колебательных и относительных
перемещениях;
12) изнашивание при фретинг-коррозии;
13) электроэрозионное — эрозионные воздействия разрядов на
поверхность тела при прохождении электрического тока.
Основные виды изнашивания контактных проводов при взаи-
модействии с токоприемниками приведены на рис. 14.1 с детали-
зацией электроэрозионных процессов.
14.2 Требования к контактным материалам. Динамический
коэффициент использования вставок
К контактным материалам, используемым при токосъеме на
электрическом транспорте, следует отнести комплекс; контактные
провода, контактные пластины (вставки) и смазки для проводов и
полозов токоприемников. Требования к конструкции контактных
проводов были рассмотрены в третьей главе.
397
Контактные вставки (пластины) токоприемников — изнаши-
вающиеся элементы токоприемников, непосредственно прижима-
ющиеся к контактным проводам (рельсам) при токосъеме. Кон-
тактные вставки разделяют (рис. 14.2): на монолитные самонесу-
щие (например, на некоторых токоприемниках трамваев), в том
числе неразборные с несущим элементом, и наборные из отдель-
ных вставок и пластин. Вставки крепят к коробам и рогам поло-
зов токоприемников болтами, планками, проводящим клеем, пай-
кой, обжатием.
Рис. 14.2. Классификация вставок (пластин) токоприемников
398
Вставки могут быть самосмазывающимися или требующими
внешней смазки (несамосмазывающимися). Изготавливают их из
меди и ее сплавов, алюминиевых сплавов, стали низкоуглеродис-
той, графитизированной, порошковых материалов на железной и
медной основах, из углеродных (угольных) и металлоуглеродных
композиций. От материалов вставок требуется сочетание высоких
механических и антифрикционных свойств, низкое удельное и пе-
реходное сопротивление, высокая теплопроводность. Наименьшее
электросопротивление имеют вставки из металлов, связанных фор-
мальальдегидной смолой и обожженых при 1000 С, наибольшую
износостойкое! ь — угольные из порошков на базе кокса (А) и гра-
фита (Б) и улучшенные (С).
Наиболее приемлемыми вставками являются: угольные электрогра-
фитизированные (с добавкой меди), металлокерамические на медной
(МКм) и железной (МКж) основах с добавлением графита и особенно
металлоуглеродные(ВЖЗП). При изготовлении последних формирует-
ся графитовый корпус с пористостью 20 %, который пропитывается ме-
таллом, обеспечивающим высокую электропроводность (5 Ом-мм 2 /м).
Контактные смазки применяют при скольжении медных пластин по
медным проводам, которое часто приводит к схватыванию, т. е. катастро-
фическому износу, а также при токосъеме алюминиевыми вставками
трамвая по стальной или медной поверхности контактного провода.
Жирно-графитовая смазка (солидол с порошком графита) дает оп-
ределенный эффект. Однако при движении по удлиненным тяговым
плечам смазка истощается, что приводит к сухому трению и усиленно-
му износу контактных проводов.
Сухую графитовую смазку (СГС-О), представляющую собой смесь
графита и кумароновой смолы,наносят в горячем состоянии на
полоз, заполняя пространство между контактными пластинами,
где она застывает. Растворенная на дихлорэтане (СГС-Д), она ис-
пользуется для подмазки выкрошившихся участков. При движе-
нии по проводу происходит графитация его контактной поверх-
ности и уменьшение коэффициента трения, что приводит к умень-
шению изнашивания. При вымывании графитации в дождливое
время провода подмазывают.
Технические характеристики контактных материалов должны
обеспечивать надежный, экономичный и экологичный токосъем в лю-
399
бых реальных условиях эксплуатации. К ним относят: электропро-
водность, прочност ь, коэффициент температурного удлинения, мо-
дуль упругости, пластичность, коррозионную стойкость, способность
генерирования шума, а также радио- и телепомех. Такими же важны-
ми свойствами являются дугостойкость, твердость, коэффициент тре-
ния, износост ойкостъ. Для вставок (пластин) токоприемников важны
еще их масса и способность нагрева контактных проводов.
Большинст во параметров, характеризующих свойства контактных
материалов, могут быть получены при испытании каждого из них по
отдельности, а некоторых — только вместе, только для конкретных
контактных пар, например, коэффициент трения для пар: медь/медь,
медь/утоль, медь/металлокерамика, сталь/алюминий. Часть свойств та-
ких материалов нельзя определить в линейных условиях и лишь в лабо-
ратории можно поставить «чистый» эксперимент, исключив ряд эксплу-
атационных факторов, которые однако могул исказить результаты. Од-
ной из важнейших задач таких исследований является получение зависи-
мости износа материалов от нажатия и величины тока — С-образную
Рис. 14.3. Схема стенда для испытания контак-
тных вставок: I — контактная вставка; 2—кон-
тактный проводстермопарой; 3—источник по-
стоянного тока; 4 — нагружающее устройство;
5 — прибор, регистрирующий ток; 6 — прибор,
регистрирующий температуру
кривую, необходимую для
анализа коэффициента
экономичности.
Стенд (рис. 14.3) для
испытаний содержит:
контактную вставку, кон-
тактный провод с термо-
парой, источник постоян-
ного тока, нагружающее
устройство, приборы, ре-
гистрирующие ток и тем-
пературу, часы для изме-
рения времени, за кото-
рое нагревается провод
под нагрузкой. Нажатие
одной вставки должно
быть равно статическому
нажатию рам токоприем-
ника, поделенному на
число вставок полоза.
400
При проведении испытаний нагрузочный ток постепенно уве-
личивают до установившейся температуры вставки. При темпера-
туре 200 °C фиксируют максимальный длительно допускаемый ток
испытуемой вставки. По данным В. Я. Берента, в этом случае рек-
ристаллизации медных проводов не будет.
Динамический коэффициент использования контактных материалов
токоприемника. Обеспечение скоростей движения до 300—350 км/ч по-
требовало введения новых качественных характеристик контакт-
ных материалов. Это связано с тем, что для обеспечения надежно-
го токосъема при таких скоростях необходим токоприемник с ми-
нимальной массой полоза, которая определяется массами контак-
тных вставок и каркаса полоза.
Для оценки и снижения массы полоза в ОмГУПСе был предложен
новый качественный параметр—динамический коэффициент исполь-
зования вставок, представляющий отношение длительного тока, сни-
маемого ей при движении, к погонной массе неизношенной вставки.
Применение этого коэффициента позволило оценить и по возможно-
сти снизить полную массу полоза, однако дальнейшее уменьшение
его массы стало возможно только за счет’ увеличения тока и уменьше-
ния массы вставок. Для наиболее тяжелого режима, дающего наимень-
ший допустимый ток вставки, необходимо учитывать, что величина
тока при движении, по которой следует проводить испытания конк-
ретного типа вставки, в семь раз больше силы тока на стоянке и что
кроме тока тяговых двигателей надо иметь в виду токи, идущие на
собственные нужды и отопление пассажирских вагонов.
14.3. Изнашивание при передаче электрической энергии
через статический, разрывной и скользящий контакт
«провод — токоприемник»
Процесс перехода электрического тока из одного проводящего
твердого тела в другое представляет собой сложное физико-химичес-
кое явление. Его можно последовательно рассматривать для разных
видов контакта: статического, разрывного и наиболее сложного —
скользящего с отрывами, где элекзроискровые и элекгродуговые про-
цессы совмещаются с процессами внешнего трения. При этом в каж-
дый момент времени действует сочетание большого количества пере-
менных параметров. Особенно сложен процесс «токоприемник —
провода контактной подвески».
401
26 Контактные сети
Статический электрический контакт используется в токопро-
водящих деталях и узлах контактных сетей и ЛЭП. Статические
контакты могут быть: безарматурными, соединяемыми холодной
или аргоновой сваркой, а также сваркой взрывом; неразборными,
соединяемыми обжимом или опрессовкой овальных соединителей;
разборными — болтовыми, клиновыми, цанговыми.
Качество статического контакта зависит от чистоты соединяемых
поверхностей, достаточности площади и давления при соединении
деталей. При снижении давления может возникнуть электровзрывная
эрозия. Считается, что в каждый момент времени касание поверхнос-
тей в статическом контакте может быть не более, чем в трех точках.
Разрывной электрический контакт может быть искровым или ду-
говым в зависимости от потенциальных условий, которые, в свою оче-
редь, влияют на последствия разрывов — радио- и телепомехи или
отжиг (пережог) проводов.
Разрывной контакт характеризуется сухо- и мокроразрядным
или пробивным напряжением, а также градиентом напряжения в
воздушном промежутке между контактами токосъемных устройств,
зависящим от величины зазора, который, в свою очередь, опреде-
ляется динамикой взаимодействия, вибрациями контактной пары
или наличием гололеда. Величина разрываемого тока определяет-
ся мощностью ЭПС с учетом индуктивностей в схеме ЭПС и вре-
менем (продолжительност ями отрывов). Процесс изнашивания кон-
тактов при разрывах электрического тока аналогичен электроиск-
ровой или анодно-механической обработке металлов.
Скользящий контакт при токосъеме «токопровод—токоприемник»
определяется как механическими воздействиями, так и процессами,
связанными с прохождением тока.
Процесс токосъема осуществляется при одновременном перемеще-
нии токоприемников, оборудованных, как правило, угольными или
(реже) металлокерамическими вставками, работающими с использо-
ванием сухой графитовой смазки. При таком механизме токосъема об-
разуется высокое переходное сопротивление, что определяет повышен-
ный уровень нагрева поверхностей проводов, иногда приводящий к
рекрист аллизации меди. Изнашивание в этом случае сопровождается
более интенсивным отделением частиц металла за счет взаимодействия
одной из поверхностей с расплавленными микроучастками другой.
402
Процесс, происходящий в скользящем контакте между кон-
тактным проводом и токоприемником, весьма сложен, причем его
физические параметры (площадь, давление, ток и пр.) меняются в
значительных пределах и зависят от многих факторов.
Теория износа проводов и вставок при взаимодействии токоприем-
ников с контактными i юдвесками включает в себя как анализ специфи-
ки токосъема с гибких контактных подвесок токоприемниками с раз-
личными контактными материалами при заданных скоростях движе-
ния, так и определи те одного из критериев токосъема—коэффициен-
та экономичности. Для понимания возможност ей его использования
целесообразно иметь представление о виде сбоку и расположении в
плане контактного провода анализируемого пролета (рис. 14.4, а, б) и
виде спереди полоза токоприемника (рис. 14.4, в).
Определение коэффициента экономичности для пролета компенси-
рованной подвески (с неизменными в течение года стрелами провеса)
возможно, если имеются в качестве исходных данных нанесенные на
схему (рис. 14.4, г): 1) зависимост ь интенсивности износа от величин
нажатия и тока j (РЭ,1Э) для рассматриваемой скользящей контактной
пары ((7-образная кривая); 2) кривые контактного нажатия в рассмат-
риваемом пролете (при заданных скорост и движения, длине пролета,
высотном положении, жесткости, сухом и вязком трении, массе контак-
тной подвески) для обеих пласт ин Р'^ и Р"к. По этим кривым, получен-
ным теоретическим или экспериментальным путем, следует рассчи-
тать две гистограммы и'(^к), п"(Р"^, показывающие количество слу-
чаев для каждого интервала нажатия, имеющего конкретную величину
износа. Износ в пролете получится как сумма при перемножении коли-
чества случаев на значения износов.
Это можно сделать графически, разделив пролет с контактными на-
жатиями вертикальными линиями на множество интервалов, в каждом
из которых среднее значение кривой заменив прямой. Нажатие конк-
ретного интервала следует горизонтальной линией снести влево до пе-
ресечения с (/-образной кривой износа. Полученное значение износа
снести вниз до оси абсцисс и затем циркулем перенести его на верти-
кальную ось шкалы износа в пролете и далее до конкретного интерва-
ла. Полученный ограниченный интервалом прямоугольник пропорци-
онален прогнозируемой площади износа в данном месте пролета и
полоза токоприемника (в соответствии с твердостями их материалов).
403
Рис. 14.4. К определению коэффициента экономичности при токосъеме: вид про-
стой контактной подвески сбоку (а), сверху (б), полоз токоприемника (в), определе-
ние износа (г): I—длина пролета; х — координата пути; b — зигзаг; ОП — ось
пути; Ркт — контактное нажатие; j — износ в точке; Sx — износ в интервале
пролета или полоза
404
Износ в пролете получается как сумма площадей износа для всех
интервалов. Поделив эту сумму на длину пролета, определяют сред-
ний износ, поделив его на токоприемнико-проходы — коэффици-
ент экономичности (ориентировочно — удельный износ).
Коэффициент экономичное™ может быть получен в весовом (на-
туральном) и денежном выражении. Весовой коэффициент эконо-
мичное™ кэ приближенно характеризует размер потерь площади се-
чения (массы, объема) 1 км контактного провода при проходе под
ним токоприемника и потери площади сечения (объема, массы) кон-
тактными пластинами токоприемника при его движении по прово-
ду такой же длины. Обычно берутся потери, вызываемые 1000 про-
ходами токоприемников, а сам коэффициент измеряется в кг/1000
токоприемникокм (под токоприемникокм подразумевается число
проходов единицы ЭПС по участку длиной 1 км).
Можно определить потери массы провода и пластан для участ-
ка сети, равного длине пролета (так как именно для него имеются
кривые контактного нажатия). Количество рассматриваемых в про-
лете интервалов (число случаев выборки) л=Хл/-. Участок пролета,
на котором будет действовать нажатие с разрядным числом PKj,
I
получим как л, — .
п
Тогда потеря П массы провода или пластин в пролете при про-
ходе одного токоприемника
п
(МЛ)
Весовой коэффициент экономичности Кэ, характеризующий по-
терю массы на участке 1 км при проходе 1000 токоприемников (при
износе j в кг/км) равен
, 1000 v-' .
к,=—
п
(14.2)
405
14.4. Общий и местный износ контактных проводов
и вставок токоприемников
Срок службы контактных проводов мог быть больше, если бы
они изнашивались равномерно во всех пролетах всех анкерных уча-
стков. В действительности приходится заменят!, контактные про-
вода, когда общий износ еще не достиг максимально допустимого,
а местный уже превысил нормы. Так же происходит при эксплуа-
тации контактных вставок токоприемников. Местный износ не
только снижает экономичность токосъема, но и ухудшает его эко-
логичность и надежность, особенно на участках железных дорог,
электрифицированных на постоянном токе.
Причины появления местного износа кроются как в конструк-
ции подвесок (например, переменный угол износа проводов), так
и тщательности их монтажа и эксплуатации (например, постоян-
ный угол износа).
Переменный угол износа возникает вблизи фиксаторного держа-
теля в случае применения рессорной струны в полукомпенсирован-
ной подвеске. При изменении температуры у контактных прово-
дов под опорой меняется высота подвеса. Это вызывает периоди-
ческий разворот проводов фиксатором.
Постоянный угол износа вносит погрешность в измерения изно-
са, создает опасность задевания за зажим токоприемником и появ-
ляется там, где провода повернуты при монтаже (постоянно).
Расположение контактных проводов подвески в плане (тип
подвески), сказывается на форме и интенсивности износа вста-
вок (пластин) токоприемника. Согласно методике определения
влияния типа подвески, предложенной Э. Швайгером, критери-
ем износа является тангенс угла т между проводом и осью пути.
Равномерный износ накладок связан с постоянным перемеще-
нием провода по полозу поперек пути. Время, на которое про-
вод задерживается в каждой точке, должно быть одинаково.
Должна быть постоянной и поперечная составляющая скорос-
ти, которая зависит от угла г между проводом и осью пути. По-
этому tgx можно принять за критерий износа. Провод с любой
кривизной можно представить в виде значительного количества
интервалов простых зигзагообразных участков, к каждому из
406
Рис. 14.5 Темпы местного износа пластин токоприемников при разном зигзаге
проводов вертикальных (а) и полукосых (б) подвесок, полученные графическим
дифференцированием (в); у—зигзаг; х—расстояние от середины пролета; b—
расположение провода в плане; j — износ пластин
которых можно провести касательные, т.е. выполнить графичес-
кое дифференцирование.
С помощью описанной методики проанализирован износ плас-
тин токоприемников (рис. 14.5, а, б) при вертикальных (КС-200) и
полукосых (ТЭЛПа) подвесках с разными зигзагами. На рисунке
представлены контактные провода с различными зигзагами и на-
несены значения износа для соответствующих частей полоза то-
коприемника. Между величиной зигзага и tgx (износом вставки)
установлена обратно пропорциональная зависимость. Если при-
нять износ вставок, получающийся при нормальном зигзаге вели-
чиной 0,3 м, за единицу и выразить через него износы при других
зигзагах, то оказывается, что вставки при зигзаге в 0,1 и износятся
в три раза скорее, чем при нормальном зигзаге.
407
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Беляев И.А. Машинисту о контактной сети и токосъеме. —
М.: Транспорт, 1986. — 128 с.
2. Беляев И.А. Устройства контактной сети на зарубежных до-
рогах. — М.: Транспорт, 1991. — 192 с.
3. Беляев И.А., Бологим В.А. Взаимодействие токоприемника и
контактной сети. — М.: Транспорт, 1983. — 191 с.
4. Беляев И.А., Михеев В. П., ШиянВ.А. Токосъем и токоприем-
ники электроподвижного состава. / Под ред. И.А. Беляева. Изд.
2-е, перераб. и доп.— М.: Транспорт, 1976. — 184 с.
5. Беляев И. А. Устройство и обслуживание контактной сети при
высокоскоростном движении. — М.: Транспорт, 1989. — 144 с.
6. Берент В.Я., Буте Н.А., Сегал И.Я. Классификация дефектов и
повреждений контактных проводов электрифицированных ж.д. —
М.: Транспорт, 1974 — 74 с.
7. Берент В.Я., Круминя М.Ю., Сегал И.Я. Новый токосъемный
материал для скользящего электрического транспорта. — М.: Ве-
стник машиностроения, 1981, № 12. — С.21—24.
8. Берент В.Я.. Чекулаев В.Е. Металлоуглеродные вставки и
унифицированный полоз для них // Железные дороги мира, 2001,
№ 8. — С. 45—48.
9. Богородицкий Н.П. и др. Электротехнические материалы. —
Л.: Энергоатомиздат, 1985.—304 с.
10. БорцЮ.А.. Чекулаев В.Е. Контактная сеть: Иллюстрированное
пособие. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Транспорт, 1981.—223 с.
11. Буте Н.А. Трение, износ и усталость в машинах (Транспорт-
ная техника) : Учебник для вузов. — М.: Транспорт, 1987.—223 с.
12. Власов И. И. Механические расчеты вертикальных цепных кон-
тактных подвесок // Выпуск 138. — М.: Трансжелдориздат, 1957.— 223 с.
13. Власов И.И., Марквардт КГ. Контактная сеть. Изд. 2-е, пе-
рераб. и доп. М.: Трансжелдориздат, 1961.—332 с.
14. Герасимов В.П. Экспериментальные исследования оставше-
гося ресурса прочности проводов и тросов контактной сети / Тр.
ВНИИЖТ, 1989, вып. 624.-72 с.
15. Горешков К).И. Полимеры в контактной сети. — М.: Транс-
порт, 1966.— 132 с.
16. Горошков Ю.И., Бондарев Н.А.. Контактная сеть. — М.: Транс-
порт, 1981. — 400 с.
408
17. Григорьев B.J1. Рельсовая сеть в системе электроснабжения
электрических желешых дорог. — М., 1988. — 132 с.
18. Демченко АГ. Пространственные контактные подвески. —
М.: Транспорт, 1991. 175 с.
19. Ефимов А.В.. Галкин А.Г. Надежность и диагностика систем
электроснабжения железных дорог: Учебник для вузов ж/д транс-
порта. - М.: УМ К МПС России, 2000. — 512 с.
20. Инструкция по защите железнодорожных подземных соору-
жений от коррозии блуждающими токами. — М.: Трансиздат. 1999.
21. Исследование конструкций контактной сети. Раздел IX //Тр.
ЦНИИС, 1961, вы п. 43, 176 с.
22. Исследование эффективности упругих элементов кареток токоп-
риемников, модернизированных для повышения скоростей движения /
В.П. Михеев, ОII. Поздняков. В.М. Павлов, Э.Р. Абдулин II Исследова-
ние процессов взаимодействия объектов железнодорожного транспор-
та с окружающей средой // Сб. статей по результатам выполнения про-
граммы фундаментальных и поисковых науч.-иссл. работ за 1999 г. /
Омск, Омский гос. ун-т путей сообщения, 1999. — С. 85—91.
23. Каталог изоляторов для контактной сети и ВЛ электрифи-
цированных железных дорог. Департамент электрификации и элек-
троснабжения Министерства путей сообщения Российской Феде-
рации. М.: Трансиздат, 2000 — 112 с.
24. Каталог оборудования контактной сети и ВЛ. Департамент
электрификации и электроснабжения Министерства путей сооб-
щения Российской Федерации. — М.: Трансиздат, 1999. — 96 с.
25. Котельников А.В. Блуждающие токи электрифицированно-
го транспорта. — М.: Транспор, 1986. — 279 с.
26. Кудрявцев А.А. Несущая способность опорных конструкций
контактной сети. М.: Транспорт, 1988. — 160 с.
27. Купцов Ю.Е. Увеличение срока службы контактного про-
вода. — М.: Транспорт. 1972 . — 128 с.
28. Купцов Ю.Е. Электрические контакты. — М.: Наука, 1975. —
С. 100—114.
29. Макаров О.Н., Мориц Э.Я. Технология монтажа контактной
сети, устройств автоматики и связи // Библиотека транспортного
строительства. Электрификация железных дорог № 3. 1992. — 180 с.
30. Марквардт К.Г. Контактная сеть, 4-е изд. перераб. и доп.
Учеб, для вузов ж.-д. трансп. М.: Транспорт, 1994.— 335 с.
409
31. Михеев В.П. Токосъемные устройства для высокоскоростных
поездов И Железнодорожный транспорт, 1997. — № 6. — С. 46—48.
32. Михеев В.П., Агеева И.А., Сдвижков Н.С. Уменьшение из-
носа контактных проводов. — М.: Транспорт, 1964. — 91 с.
33. Михеев В.В., Брюханов А. С., Свешников В. В. Система диагности-
ки параметров контактной сети // Ж.-д. транспорт. Сер. Электроснаб-
жение железных дорог. ЭИ / ЦНИИТЭИ МПС, 1990. Вып 2. С. 25—34.
34. Михеев В.П.. Дроботенко А.Ф., Павлов В.М. Определение оп-
тимальных коэффициентов сопротивления рам токоприемников И
Энергоснабжение электрических железных дорог: Науч. тр. / Омск:
Омский ин-т инж. ж.-д. трансп., 1976. Т. 169. — С.13—17.
35. Мозгалевский А.В., Гаскаров Д.В. Техническая диагностика
(непрерывные объекты). — М.: Высшая школа, 1975. — 207 с.
36. Нормы по производству и приемке строительных и монтаж-
ных работ при электрификации железных дорог (устройства кон-
тактной сети). СТН ЦЭ 12-00. — М.: 2000.
37. Нормы проектирования конструкций контактной сети
ВСН 141-84. — М.: Транспорт, 1985. — 113 с.
38. Нэллин, Богатырев Н.Я., Ложкин Д.В. и др. Механика сколь-
зящего контакта. — М. Транспорт, 1966. — 255 с.
39. Пархоменко П.П., Сагомонян Е С. Основы технической диагнос-
тики. Кн 2. Оптимизация алгоритмов диагностирования, аппаратурные
средства / Под ред. П.П. Пархоменко. — М.: Энергия, 1981. — 320 с.
40. Полимерные материалы в устройствах контактной сети / В. Д. По-
тапов, Ю.И. Горошков, А.М. Лукьянов. — М.: Транспорт, 1988. — 224 с.
41. Правила устройства и технической эксплуатации контакт-
ной сети электрифицированных железных дорог. ЦЭ.— 197. — М.:
Транспорт, 1994. — С. 119.
42. Применение полимерных изоляторов в контактной сети элек-
трифицированных железных дорог. — М.: Транспорт, 1987.
43. Сборник технических указаний, информационных материа-
лов и руководящих документов по хозяйству электроснабжения же-
лезных дорог, разработанных в 2000 году. Департамент электрифи-
кации и электроснабжения Министерства путей сообщения Россий-
ской Федерации. — М.: Трансиздат, 2001. — 56 с.
44. Сборник технических указаний и информационных матери-
алов по хозяйству электроснабжения И Управление электрифика-
410
ции и электроснабжения Министерства путей сообщения Российс-
кой Федерации. — М.: РИПИ, 1996.
45. Сердинов С. М. Повышение надежности устройств электро-
снабжения электрифицированных железных дорог. — М.: Транс-
порт, 1985. — 301 с.
46. Скороспешкин А.И., Костылев В.II., Бекишев Р.Ф. Элект-
рические свойства скользящего контакта. Изв. Томского поли-
тех. ин-та, 1968, т. 190. —С. 176—185.
47. Тихомиров В.А. Пространственно-ромбическая контактная
подвеска. — М.: Траснсжелдориздат, 1962. — 107 с.
48. Узлы и устройства контактной сети повышенной надежнос-
ти. — М.: Транспорт. 1993. — 37 с.
49. Указания по техническому обслуживанию и ремонту опор-
ных конструкций контактной сети. — М.: 1996. — 120 с.
50. Устройства электрификации и продольного электроснаб-
жения: Справ.-метод, пособие / ВНИИ трансп. стр-ва; Под. ред.
Д.И. Федорова — М.: Транспорт, 1982. — С. 263.
51. Фрайфельд А.В. Железнодорожная энциклопедия.
52. Фрайфельд А.В. Проектирование контактной сети. — М..
Транспорт, 1984. — 327 с.
53. Фрайфельд А.В. и др. Устройство, сооружение и эксплуатация
контактной сети и воздушных линий. — М.: Транспорт, 1980.— 422 с.
54. Чекулаев В.Е. Аппаратура диагностики устройств электро-
снабжения электрифицированных железных дорог//Ж.-д. транспорт.
Сер. Электроснабжение железных дорог. ЭИ / ЦНИИ ТЭП МПС,
1990. Вып 2. С. 1—25.
55. Чекулаев В.Е., Зайцев А.И. Восстановление контактной сети
и воздушных линий. — М.: Транспорт, 1992. — 128 с.
56. Чекулаев В.Е., Зайцев А. И. Повышение надежности работы кон-
тактной сети и воздушных линий. — М.: Транспорт, 1992. — 111с.
57. Чекулаев В.Е. . Шкурит Ф. Г Техническое обслуживание и ре-
монт устройств электроснабжения станций стыкования электрической
тяги переменного и постоянного тока. — М.: Транспорт, 1992. — 46 с.
58. Чичинадзе А.В., Ромадин К.П., Маханько А.М. Испытание мате-
риалов на трение и износ на стенде РСП с прохождением электрического
тока через скользящий контакт: Тр. МИИТ, 1973, вып. 422., с. 100—105.
59. Яковлев В.Н., Варфоломеев Ю.А. Защита деревянных опор
воздушных линий. Ташкент: Фан, 1992. — 208 с.
411
Содержание
От автора........................................... 3
ГЛАВА 1
ВВЕДЕНИЕ В КОНТАКТНЫЕ СЕТИ,
ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ И ИХ РАЗВИТИЕ......................4
1.1. Понятие об энергетике и транспорте...............4
1.2. Общие сведения об электрических сетях................6
1.3. Общие сведения о линиях электропередачи..........9
1.4. Общие сведения о контактных сетях электрического транспорта... 14
1.5. Этапы развития контактных сетей
электрического транспорта....................................17
1.6. Контактные сети электрифицированных железных дорог...21
1.7. Понятия о характеристиках материалов,
применяемых для изготовления узлов и элементов
контактных сетей и линий электропередачи.............27
ГЛАВА 2
КЛИМАТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ И РАСЧЕТНЫЕ НАГРУЗКИ,
ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ЭЛЕМЕНТЫ КОНТАКТНЫХ СЕТЕЙ И
ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ...................................29
2.1. Общие положения.................................29
2.2. Нагрузка от веса провода........................31
2.3. Гололед и гололедные нагрузки...................32
2.4. Ветер и ветровые нагрузки.......................35
2.5. Температура окружающей среды и ее расчетные значения.43
2.6. Расчетные режимы и результирующие нагрузки......47
ГЛАВА 3
ТОКОПРОВОДЯЩИЕ И КОНТАКТНЫЕ
УСТРОЙСТВА КОНТАКТНЫХ СЕТЕЙ И ЛЭП....................49
3.1. Общие положения.................................49
3.2. Контактные подвески и провода...................53
3.3. Узлы и элементы конструкций контактных
подвесок и ЛЭП..........................................72
3.4. Расчет натяжений и высотных положений
проводов простых контактных подвесок и воздушных ЛЭП....90
3.5. Расчет цепных контактных подвесок..............122
3.6. Жесткие и полужесткие контактные токопроводы...146
3.7. Силовые кабели.................................149
412
ГЛАВА 4
ОПОРНО-ПОДДЕРЖИВАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
КОНТАКТНЫХ СЕТЕЙ И ЛЭП..................................152
4.1. Общие положения..................................152
4.2. Консоли, кронштейны и траверсы контактных
сетей и ЛЭП.............................................154
4.3. Опоры контактных сетей и ЛЭП.....................159
4.4. Жесткие поперечины...............................165
4.5. Гибкие поперечины................................169
4.6. Основания и поддерживающие элементы опор........ 179
4.7. Расчет закрепления опорных конструкций в грунте. 182
ГЛАВА 5
ИЗОЛИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В КОНТАКТНЫХ
СЕТЯХ И ЛЭП.............................................198
5.1. Основные параметры.............................. 198
5.2. Конструкция простых изоляторов..........206
5.3. Конструкция сложных и комбинированных изоляторов.207
ГЛАВА 6
УСТРОЙСТВА СЕКЦИОНИРОВАНИЯ КОНТАКТНОЙ
СЕТИ И ЛЭП..............................................213
6.1. Схемы секционирования контактных сетей станций и перегонов ... 213
6.2. Сопряжения контактных сетей и нейтральные вставки..221
6.3. Секционные изоляторы...............................226
6.4. Секционные разъединители и групповые переключатели
контактных сетей и их приводы ............................234
ГЛАВА 7
ЗАЩИТНЫЕ УСТРОЙСТВА КОНТАКТНЫХ
СЕТЕЙ И ЛЭП.............................................241
7.1. Защита изоляции от перенапряжений................241
7.2. Защита устройств контактных сетей от коррозии,
заземление, обеспечение электробезопасности.............246
7.3. Обеспечение надежной работы защит и минимизации
потерь тягового тока и напряжения в рельсовой сети .....252
7.4. Репеллентная защита от перекрытия изоляции птицами.255
7.5. Защита проводов воздушных промежутков
контактной сети от пережогов токоприемниками............257
ГЛАВА 8
ВСТРОЕННЫЕ ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА
КОНТАКТНЫХ СЕТЕЙ И ЛЭП..................................261
413
ГЛАВА 9
РАСЧЕТЫ УСИЛИЙ В ОПОРАХ
ПРИ ОБРЫВЕ ПРОВОДОВ..........................................270
ГЛАВА 10
ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ
КОНТАКТНЫХ СЕТЕЙ И ЛЭП.......................................282
10.1. Распределение токов между проводами контактной сети .283
10.2. Расчет температуры провода для тока,
не изменяющегося по времени..................................285
10.3. Выбор расположения поперечных соединителей подвески.295
ГЛАВА 11
РАСЧЕТЫ КОНТАКТНЫХ ПОДВЕСОК,
ЛЭП И ОПОР НА АВТОКОЛЕБАНИЯ,
ВИБРАЦИИ И ВЕТРОУСТОЙЧИВОСТЬ.................................304
11.1. Автоколебания и вибрации проводов контактных
подвесок и ЛЭП ..............................................304
11.2. Ветроустойчивость устройств контактных сетей и ЛЭП.309
11.3. Ветровые отклонения проводов и допустимые длины пролетов
простых контактных подвесок и ЛЭП............................310
11.4. Ветровые отклонения проводов и допустимые длины пролетов
цепных контактных подвесок...................................316
ГЛАВА 12
ТОКОПРИЕМНИКИ.............................................323
12.1. Общие сведения и определения........................323
12.2. Приведенные массы системы подвижных рам и полозов
токоприемников...............................................326
12.3. Силы нажатий и сухого трения системы подвижных рам
токоприемников...............................................331
12.4. Силы нажатий кареток токоприемников.................335
12.5. Аэродинамические устройства..........................338
12.6. Коэффициенты вязкого трения систем подвижных рам
токоприемников...............................................340
ГЛАВА 13
ХАРАКГЕРИСТИКИ КОНТАКТНЫХ ПОДВЕСОК,
ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ТОКОПРИЕМНИКАМИ
ПРИ ТОКОСЪЕМЕ................................................343
13.1. Общие сведения и определения ........................343
13.3. Обобщенные расчетные схемы токоприемников
и контактных подвесок........................................353
414
13.4. Сосредоточенные параметры контактных
подвесок и их определение..............................358
13.5. Определение распределенных параметров
контактных подвесок.....................................378
13.6. Косвенные параметры контактных подвесок,
взаимодействующих с токоприемниками.....................384
13.7. Расчет токосъема для токоприемников
с двумя степенями свободы, с учетом контактных подвесок
с сосредоточенными параметрами.........................387
13.8. Методы испытании контактных подвесок
в лабораторных условиях и на полигонах..................391
13.9. Порядок динамического расчета
компенсированных контактных подвесок
скоростных и высокоскоростных магистралей..............392
ГЛАВА 14
ИЗНАШИВАНИЕ КОНТАКТНЫХ ПРОВОДОВ,
ТОКОПРОВОДОВ, ПЛАСТИН ТОКОПРИЕМНИКОВ
И ДРУГИХ УЗЛОВ КОНТАКТНЫХ СЕТЕЙ........................396
14.1. Виды изнашивания..............................396
14.2 Требования к контактным материалам. Динамический
коэффициент использования вставок .....................397
14.3. Изнашивание при передаче электрической энергии
через статический, разрывной и скользящий контакт
«провод — токоприемник»................................401
14.4. Общий и местный износ контактных проводов
и вставок токоприемников...............................406
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................408
415
Учебное издание
Виктор Петрович Михеев
КОНТАКТНЫЕ СЕТИ И ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
Учебник для вузов железнодорожного транспорта
Редактор Ф.А. Магидин
Корректор Е. В. Кудряшова
Компьютерная верстка И.Ф. Русак, А.Н. Рудикова
Изд.лиц. ИД № 04598 от 24.04.2001 г. Подписано в печать 19.05.03.
Формат 60x88/16. Усл.печ. л. 26.0. Тираж 8000 экз. Заказ № 2322.
Издательство «Маршрут», 107078, Москва, Басманный пер., 6.
Отпечатано в соответствии с предоставленными диапозитивами
на ордена Трудового Красного Знамени ГУП Чеховский полиграфический
комбинат Мннитерства Российской Федерации ио делам печати,
телерадиовещания и средств массовых коммуникаций
142300, г. Чехов Московской области.
Тел. (272) 71-336. Факс (272) 62-536
ISBN 5-89035-086-2
91785890 350862