Введение

Совокупность устройств, начиная от генераторов электростанций и кончая тяговой сетью, составляет систему электроснабжения электрифицированных железных дорог. От этой системы питаются электрической энергией, помимо собственной электрической тяги (электровозы и электропоезда), а также все не тяговые железнодорожные потребители и потребители прилегающих территорий. Поэтому электрификация ЖД решает не только транспортную проблему, но и способствует решению важнейшей народнохозяйственной проблемы-электрификации всей страны.

Главное преимущество электрической тяги перед автономной (имеющие генераторы энергии на самом локомотиве) определяется централизованным электроснабжением и сводятся к следующему:

- Производства электрической энергии на крупных электростанциях приводит, как всякое массовое производство, к уменьшению её стоимости, увеличению КПД и снижению расхода топлива.

- На электростанциях могут использоваться любые виды топлива и, в частности, малокалорийные - нетранспортабельные (затраты на транспортировку которых не оправдывается). Электростанции могут сооружаться непосредственно у места добычи топлива, в следствии чего отпадает необходимость в его транспортировки.

- Для электрической тяги может использована гидроэнергия и энергия атомных электростанций.

- При электрической тяги возможна рекуперация (возврат) энергии при электрическом торможении.

- При централизованном электроснабжении потребная для электрической тяги мощность практически не ограничена. Это даёт возможность в отдельные периоды потреблять такие мощности, которые невозможно обеспечить на автономных локомотивах, что позволяет реализовать, например, значительно большие скорости движения на тяжелых подъемах при больших весах поездов.

- Электрический локомотив (электровоз или электровагон) в отличии от автономных локомотивов не имеет собственных генераторов энергии. По этому он дешевле и надёжней автономного локомотива.

- На электрическом локомотиве нет частей, работающих при высоких температурах и с возвратно-поступательным движением (как на паровозе, тепловозе, газотурбовозе), что определяет уменьшение расходов на ремонт локомотива.

Преимущества электрической тяги, создаваемые централизованным электроснабжением, для своей реализации требуют сооружения специальной системы электроснабжения, затраты на которую, как правило, значительно превышает затраты на электроподвижной состав. Надежность работы электрифицированных дорог зависит от надежности работы системы электроснабжения. По этому вопросы надежности и экономичности работы системы электроснабжения существенно влияют на надежность и экономичность всей электрической железной дороги в целом.

Для подачи электроэнергии на подвижной состав применяются устройства контактной сети.

Контактная сеть — комплекс устройств для передачи электроэнергии от тяговых подстанций к ЭПС через токоприёмники. Контактная сеть является частью тяговой сети и для рельсового электрифицированного транспорта обычно служит её полюсом (при постоянный токе); другим полюсом служит рельсовая сеть. Контактная сеть может быть выполнена с контактным рельсом или контактной подвеской. Ходовые рельсы впервые были использованы для передачи электроэнергии движущемуся экипажу в 1876 русским инженером Ф. А. Пироцким. Первая контактная подвеска появилась в 1881 в Германии.

Основным элементами контактной сети с контактной подвеской являются провода контактной сети (контактный провод, несущий трос, усиливающий провод и пр.), опоры, поддерживающие устройства (консоли, гибкие поперечины и жёсткие поперечины) и изоляторы.

При проектировании контактной сети выбирают число и марку проводов, исходя из результатов расчетов системы тягового электроснабжения, а также тяговых расчетов; определяют тип контактной подвески в соответствии с максимальными скоростями движения электроподвижного состава и другими условиями токосъема; находят длины пролета; выбирают длину анкерных участков, типы опор и поддерживающих устройств для перегонов и станций; разрабатывают конструкции контактной сети в искусственных сооружениях; размещают опоры и составляют планы контактной сети на станциях и перегонах с согласованием зигзагов проводов и учетом выполнения воздушных стрелок и элементов секционирования контактной сети (изолирующих сопряжений анкерных участков и нейтральных вставок, секционных изоляторов и разъединителей). Основные размеры (геометрические показатели), характеризующие размещение контактной сети относительно других устройств, – высота Н подвешивания контактного провода над уровнем верха головки рельса; расстояние А от частей, находящихся под напряжением, до заземленных частей сооружений и подвижного состава; расстояние Г от оси крайнего пути до внутреннего края опор, находящегося на уровне головок рельсов, – регламентированы и в значительной мере определяют конструктивное выполнение элементов контактной сети (рис. 1.1).

В отличие от др. устройств электроснабжения контактная сеть не имеет резерва. Поэтому к надёжности контактной сети предъявляют повышенные требования, с учётом которых осуществляются проектирование, строительство и монтаж, техническое обслуживание контактной сети и ремонт контактной сети.

При проектировании контактной сети ставятся различные задачи, учитывающие конкретные условия эксплуатации электрифицируемой дороги. Однако во всех случаях проектировщики разных стран решают ряд общих задач, которые сводятся к выполнению следующих требований:

– оборудование контактной сети должно быть простым и не усложняющим строительные и монтажные работы, а также техническое обслуживание и ремонт;

– детали должны обладать продолжительным сроком службы, высокой надёжностью, технологичностью и иметь низкую себестоимость;

– возможность повреждений должна быть минимальной;

– оборудование контактной сети не должно препятствовать повышению скоростей и веса поездов;

– контактная сеть должна в минимальной степени усложнять обслуживание других железнодорожных устройств и не препятствовать движению пассажиров.

Совершенствование конструкций контактной сети направлено на повышение её надёжности при снижении стоимости строительства и эксплуатации. Железобетонные опоры контактной сети и фундаменты металлических опор выполняются с учётом электрокоррозионного воздействия на их арматуру блуждающих токов. Увеличение срока службы контактного провода достигается, как правило, применением на токоприёмниках угольных контактных вставок.

При техническом обслуживании контактной сети на отечественных железных дорогах без снятия напряжения используют изолирующие съёмные вышки, монтажные автомотрисы. Перечень работ, выполняемых под напряжением, был расширен благодаря применению двойной изоляции на гибких поперечинах, в анкерах проводов и др. элементах контактной сети. Оперативность переключений секционных разъединителей контактной сети значительно возросла благодаря применению телеуправления. Увеличивается оснащённость дистанций электроснабжения специализированным механизмами и машинами для ремонта контактной сети (например, для рытья котлованов и установки опор).

В последние годы на дорогах страны расширяется движение тяжеловесных и длинносоставных поездов, вводится в эксплуатацию новый электроподвижной состав большой мощности, повышаются скорости движения пассажирских и грузовых поездов, растет грузонапряженность. В таких условиях эксплуатации возрастают требования к надежности устройств контактной сети, что вызывает необходимость постоянно совершенствовать ее устройства, методы их расчета, монтажа, технического обслуживания и ремонта этих устройств.

В данном дипломном проекте рассматривается проектирование контактной сети постоянного тока с целью получения навыков по проектированию, выбору оборудования, разработке и обоснованию схемы питания и секционирования контактной сети станции и прилегающих перегонов, расчету стоимости сооружения контактной сети на перегоне, испытанию электрозащитных средств при выполнении работ на контактной сети.

1.1

1 Теоретический раздел

1.1 Расчет нагрузок, действующих на подвеску

Из всего многообразия сочетания метеорологических условий действующих на провода контактной сети, можно выделить три расчетных режима, при которых усилия (натяжения) в несущем тросе может оказаться наибольшим опасным для прочности троса:

- режим минимальной температуры – сжатие троса;

- режим максимального ветра – растяжение троса;

- режим гололеда – растяжение троса;

Для этих расчетных режимов и определяем нагрузки на несущий трос.

Режим минимальной температуры

Несущий трос испытывает только вертикальную нагрузку от собственного веса и нагрузку от веса контактного провода, струн и зажимов.

Вертикальная нагрузка от собственного веса 1-го погонного метра определяется по формуле:

где , – нагрузка от собственного веса одного метра несущего и

контактного проводов, даН/м;

и ;

n – число контактных проводов;

– нагрузка от собственного веса струн и зажимов, равномерно

распределяется по длине пролёта принимается равной 0,05даН/м,

для каждого контактного провода.

Для перегона, насыпи и выемки: несущий трос – М-120, контактный провод – БрФ-100:

Режим максимального ветра

В этом режиме на несущий трос действует вертикальная нагрузка от веса проводов контактной подвески и горизонтальная нагрузка от давления ветра на несущий и контактные провода (гололед отсутствует), ветер максимальной интенсивности наблюдается при t⁰c воздуха плюс 5⁰с.

Вертикальная нагрузка от веса проводов контактной подвески определена выше по формуле (1.1).

Горизонтальная ветровая нагрузка на несущий трос в даН/м определяется по формуле:

где – аэродинамический коэффициент лобового сопротивления провода

ветру; ;

– коэффициент, учитывающий влияние местных условий

расположения подвески на скорость ветра; на перегоне , для выемки = 1,15; на насыпи ;

– нормативная скорость ветра наибольшей интенсивности, м/с с повто-

ряемостью 1раз в 10 лет; на перегоне , на насыпи ; для выемки

d – диаметр несущего троса, мм, мм.

Горизонтальная ветровая нагрузка на контактный провод определяется по формуле:

где Н – высота контактного провода, H = 11,8 мм.

Расчет горизонтальной ветровой нагрузки на контактный провод и несущий трос на перегоне:

Расчет горизонтальной ветровой нагрузки на контактный провод и несущий трос в выемке глубиной до 7 м.:

Расчет горизонтальной ветровой нагрузки на контактный провод и несущий трос на насыпи высотой более 5м.:

Результирующая (суммарная) нагрузка на несущий трос в даН/м определяется по формуле:

Расчет результирующей нагрузки на несущий трос на перегоне:

Расчет результирующей нагрузки на несущий трос в выемке глубиной до 7м.:

Расчет результирующей нагрузки на несущий трос на насыпи высотой более 5м.:

При определение результирующей нагрузки на контактный провод она учитываться не будет, т.к. в основном воспринимается фиксаторами.

Режим гололеда с ветром

На провода контактной подвески в этом режиме действует вертикальная нагрузка от веса проводов контактной подвески, вес гололеда и горизонтальная нагрузка от давления ветра на провода контактной подвески, скорость ветра при гололеде минус 5⁰С, вертикальная нагрузка от собственного веса проводов контактной подвески определяется выше.

Вертикальная нагрузка от веса гололеда на несущем тросе определяется по формуле:

где n_г – коэффициент перегрузки принимаю:

n_г=1 для нормальных условий контактной сети(станция, кривая);

n_г = 1,25 для незащищенных участков контактной сети (насыпь);

b_т – толщина стенки гололеда на несущем тросе, мм;

d – диаметр несущего троса, мм;

– 3,14.

Толщина стенки гололеда на несущем тросе, мм определяется по формуле:

где b_н– нормативная толщина стенки гололеда, мм;

– коэффициент, учитывающий влияние диаметра провода на

отложения гололеда;

– коэффициент, учитывающий влияние высоты расположения

контактной подвески.

Расчет толщины стенки гололеда на несущем тросе на перегоне:

Расчет толщины стенки гололеда на несущем тросе в выемке глубиной до 7 м.:

Расчет толщины стенки гололеда на несущем тросе на насыпи высотой более 5м.:

Расчет вертикальной нагрузки от веса гололеда на несущем тросе на перегоне определяется по формуле (1.5):

Расчет вертикальной нагрузки от веса гололеда на несущем тросе в выемке глубиной до 7 м.:

Расчет вертикальной нагрузки от веса гололеда на несущем тросе на насыпи высотой более 5м.:

Вертикальная нагрузка от веса гололёда на контактном проводе в даН/м определяется по формуле:

где b_к – толщина стенки гололёда на контактном проводе, мм; на контактных

проводах толщину стенки гололёда принимают равной 50% от

толщины гололёда на несущем тросе;

d_к – средний диаметр контактного провода, мм.

Средний диаметр контактного провода определяется по формуле:

где Н и А – соответственно высота и ширина сечения контактного

провода, мм;

Расчет вертикальной нагрузки от веса гололёда на контактном проводе на перегоне определяется по формуле (1.7):

Расчет вертикальной нагрузки от веса гололёда на контактном проводе в выемке глубиной до 7 м.:

Расчет вертикальной нагрузки от веса гололёда на контактном проводе на насыпи высотой более 5м.:

Полная вертикальная нагрузка от веса гололеда на проводах контактной подвески в даН/м определяется по формуле:

где – равномерно распределённая по длине пролёта вертикальная

нагрузка от веса гололёда на струнах и зажимах при одном

контактном проводе, даН/м, которая в зависимости от толщены

стенки гололёда составляет .

Расчет полной вертикальной нагрузки от веса гололеда на проводах контактной подвески на перегоне:

Расчет полной вертикальной нагрузки от веса гололеда на проводах контактной подвески в выемке глубиной до 7м.:

Расчет полной вертикальной нагрузки от веса гололеда на проводах контактной подвески на насыпи высотой более 5м.:

Горизонтальная ветровая нагрузка на несущий трос, покрытый гололёдом в даН/м, определяется по формуле:

где – нормативная скорость ветра при гололёде, м/с;

Расчет горизонтальной ветровой нагрузки на несущем тросе, покрытый гололёдом на пергоне:

Расчет горизонтальной ветровой нагрузки на несущем тросе, покрытый гололёдом в выемке глубиной до 7м.:

Расчет горизонтальной ветровой нагрузки на несущем тросе, покрытый гололёдом на насыпи высотой более5 м.:

Горизонтальная ветровая нагрузка на контактный провод, покрытый гололёдом в даН/м, определяется по формуле:

Расчет горизонтальной ветровой нагрузки на контактный провод, покрытый гололёдом на перегоне:

Расчет горизонтальной ветровой нагрузки на контактный провод, покрытый гололёдом в выемке глубиной до 7м.:

Расчет горизонтальной ветровой нагрузки на несущем тросе, покрытый гололёдом на насыпи высотой более 5м.:

Результирующая (суммарная) нагрузка на несущий трос определяется по формуле:

Расчет результирующей (суммарной) нагрузки на несущий трос на перегоне:

Расчет результирующей (суммарной) нагрузки на несущий трос в выемке глубиной до 7м.:

Расчет результирующей (суммарной) нагрузки на несущий трос на насыпи высотой более 5м.:

Выбор исходного расчетного режима

По результатам расчета нагрузок действующих на провод контактной подвески была составлена таблица 1.1 и был выбран расчетный режим.

Сравним нагрузки: горизонтальную ветровую нагрузку на несущий трос и горизонтальную ветровую нагрузку на несущий трос, покрытый гололёдом - расчетный режим максимального ветра (P_{tv max} больше Р_тг).

Нагрузки на боковых путях меньше, чем на главных, следовательно, при расчетах длины пролетов на боковых путях учитываться не будут.

Таблица 1.1 – Результаты расчета нагрузок

Участок местности	Нагрузки, действующие на контактную подвеску, даН/м
	g0	gт	gк	gc	Ptvmax	Pkvmax	gtvmax	Pтг	Pкг	gтг	gкг	gг
Прямой участок перегона и кривые различных радиусов	2,0	1,06	0,89	0,05	2,55	2,15	3,24	2,01	1,19	1,92	0,62	2,64	5,06
Выемка глубиной до 7 м	2,0	1,06	0,89	0,05	2,55	2,15	3,24	1,64	0,99	3,44	1,09	4,63	3,85
Насыпь высотой не более 5 м	2,0	1,06	0,89	0,05	3,01	2,92	3,61	1,94	2,72	0,92	0,3	1,32	7,04

17

1.2 Расчет максимально допустимых длин пролетов

Правилами устройства и технической эксплуатации контактной сети электрифицированных железных дорог (ЦЭ-868) рекомендуется выполнять длины пролетов по условиям токосъема не более 70метров.

Длина пролета для прямого участка пути определяется по формуле:

на кривых:

где К - номинальное натяжение контактных проводов, даН;

- наибольшее допустимое горизонтальное отклонение контактных проводов; от оси токоприемника в пролете; - на прямых и - на кривых;

а – зигзаг контактного провода, - на прямых и - на кривых;

- ветровая нагрузка на контактный провод, даН/м;

- упругий прогиб опоры, м, взят из таблицы при соответствующей скорости ветра ;

R - радиус кривой, м.

Расчет длины пролета для прямого участка на перегоне:

Расчет длины пролета для прямого участка в выемке глубиной до 7 м.:

Расчет длины пролета для прямого участка на насыпи:

Расчет длины пролета для кривых при нормальных условиях:

Далее определяем среднюю длину струны по формуле:

где h - конструктивная высота подвески, м;

g₀ - нагрузка на несущий трос от веса всех проводов цепной подвески, даН/м;

Т₀ - натяжение несущего троса при беспровесном положении контактного

провода, даН.

Расчет средней длины струны для прямого участка на перегоне:

Расчет средней длины струны для прямого участка в выемке глубиной до 7м.:

Расчет средней длины струны для прямого участка на насыпи высотой более 5м.:

Расчет средней длины струны для кривой при нормальных условиях:

Удельная эквивалентная нагрузка, учитывающая взаимодействие несущего троса и контактного провода при ветровом их отклонении, даН/м, определяется по формуле:

где Т - натяжение несущего троса контактной подвески в расчетном

режиме, даН;

Р_т - ветровая нагрузка на несущий трос, даН/м;

- результирующая нагрузка на несущий трос, даН/м;

- длина подвесной гирлянды изоляторов, м;

- длина пролёта, м.

Расчет удельной эквивалентной нагрузки для прямого участка на перегоне:

Расчет удельной эквивалентной нагрузки для прямого участка в выемке глубиной до 7м.:

Расчет удельной эквивалентной нагрузки для прямого участка на насыпи высотой более 5м.:

Расчет удельной эквивалентной нагрузки для кривых:

Окончательно определяем длину пролёта с учетом удельной эквивалентной нагрузки по формулам:

На прямых

На кривых:

Расчет окончательной длины пролета, с учетом удельной эквивалентной нагрузки для прямого участка на перегоне:

Расчет окончательной длины пролета, с учетом удельной эквивалентной нагрузки для прямого участка в выемке глубиной до 7 м.:

Расчет окончательной длины пролета, с учетом удельной эквивалентной нагрузки для прямого участка на насыпи высотой более 5м.:

Расчет окончательной длины пролета, с учетом удельной эквивалентной нагрузки для кривых при нормальных условиях:

Расчёты сведём в таблицу 1.2.

Таблица 1.2 – Результаты расчетов длин пролетов

Характерный участок местности	Lmax, м	L max, м	Sср, м	L для трассировки, м
Н.у.(перегон)	60,85	60,44	1,63	60
Кривая радиусом R1 = 900м	42,62	43,79	1,92	44
Кривая радиусом R2 = 1250м	48,93	45,89	1,84	46
выемка	44,85	44,44	1,89	48
насыпь	48,48	48,29	1,84	45