Пространственно-ромбовидная автокомпенсированная контактная сеть — простота, надежность, экономичность

Специалистам известно, что надежная и экономичная контактная сеть в значительной степени определяет эффективность системы тягового электроснабжения железных дорог и железнодорожного транспорта в целом.

Сегодня, когда скорость движения на электрифицированных железных дорогах намного превысила 200 км/ч, вопросы конструкции контактной сети, казалось бы, уже решены. С этим отчасти можно было бы согласиться применительно к железным дорогам в странах, для которых характерны мягкий климат с достаточно небольшими перепадами температуры, малые ветровые нагрузки и практически отсутствуют гололедные явления. План и профиль железных дорог здесь, как правило, не создают сложностей при устройстве контактных сетей, а тоннели не имеют большой протяженности. Исключением является тоннель под Ла-Маншем, но при его электрификации были осуществлены далеко не типовые решения. Контактная сеть в этом тоннеле, как и другие устройства, уникальна; на реализацию их потребовались соответствующие финансовые затраты.

Отличительной особенностью в развитых странах является высокий технологический уровень работ на контактной сети. Но и для таких условий важными факторами остаются стоимость сооружения и особенно — эксплуатации контактной сети, увеличение межремонтных сроков обслуживания, сокращение эксплуатационного персонала.

При электрификации железнодорожных линий большой протяженности, работающих в сложных климатических и географических условиях, стоимость контактной сети имеет важное значение. Такая контактная сеть должна быть рассчитана на экстремальное воздействие перепадов температуры (иногда в течение короткого времени), ветровых и гололедных нагрузок. Особенности электрификации протяженных линий на востоке России, в странах Юго-Восточной Азии, Индии определяются не только климатическими условиями, но и более низким уровнем технического обслуживания, технологией эксплуатации устройств тягового электроснабжения, большими и часто труднодоступными участками обслуживания.

Недостатки вертикальной контактной подвески

Традиционная контактная подвеска, если не учитывать зигзаги контактного провода, выполнена в вертикальной плоскости, отсюда и ее название — вертикальная. Для устранения температурных изменений длины входящих в нее несущих тросов, контактных проводов, рессорных тросов применяются устройства продольной компенсации. Все провода подвески перемещаются вдоль оси пути. Правда, если такая возможность в конструкции контактной подвески не заложена (например, для несущего троса полукомпенсированной подвески), изменяется вертикальное положение провода, т. е. его стрела провеса. Это общеизвестно. Известно и то, что для обеспечения работоспособности такой контактной сети необходимы сложные сопряжения анкерных участков, компенсирующие устройства, средние анкеровки, поворотные консоли и фиксаторы, ряд подвижных сочленений в других узлах сети.

Все эти устройства, обеспечивая компенсацию температурных изменений длины проводов, в случае обрыва последних играют негативную роль. Так, при обрыве контактного провода подвеска выходит из строя на протяжении нескольких пролетов; чтобы предотвратить это, на компенсаторах делают тормозные устройства. Если же обрывается несущий трос, сложность и объем повреждений могут быть значительно больше.

Вертикальным контактным подвескам присущи и другие недостатки: сложность прохода токоприемником сопряжений, неравномерность жесткости подвески по длине пролета, влияние перепадов температуры окружающего воздуха на жесткость, необходимость принятия технических мер по увеличению ветроустойчивости подвески, большой объем работ по регулировке и поддержанию заданных параметров в процессе эксплуатации и многое другое.

Стоит отметить и сложность эксплуатации. Существующая контактная сеть, нуждающаяся в частых осмотрах, регулировочных работах, подчас очень сложных, не позволяет создать технологию комплексного обслуживания и ремонта электрифицированного участка, ориентированную на единые межремонтные сроки всех устройств участка, начиная от пути. Контактная сеть, требующая в течение года частых регулировок, вынуждает иметь значительный эксплуатационный персонал, набрать и обучить который в настоящее время по ряду причин сложно.

Все это заставляет искать новые технические решения для устройства контактной сети. Представляется, что перечисленные недостатки удалось устранить в пространственно-ромбовидной автокомпенсированной контактной сети (ПРАКС), разработанной в Российском государственном техническом университете путей сообщения (РГОТУПС).

Конструкция пространственно-ромбовидной сети

Основной особенностью построения пространственно-ромбовидных подвесок является новое взаимное расположение контактных проводов и несущих тросов (рис. 1). Существует целый ряд модификаций таких подвесок. Базовая конструкция ПРАКС имеет два несущих троса и два контактных провода. Несущие тросы расположены по обеим сторонам от оси пути и в точках подвеса жестко закреплены через изоляторы на горизонтальной консоли одиночной опоры (рис. 2) или на жесткой поперечине.

Рис. 1. Пространственно-ромбовидная контактная сеть

Контактные провода образуют в плане ромбовидные фигуры, симметричные относительно оси пути. Два провода соединены в пролете шарнирной планкой, а в середине участка между двумя соседними планками каждый провод крепится к соответствующему несущему тросу фиксирующим элементом. Такие элементы являются точками подвешивания контактных проводов и одновременно фиксируют их относительно оси пути.

Рис. 2. Крепление несущих тросов и контактных проводов ПРАКС на опоре контактной сети постоянного тока 1 — несущий трос; 2 — контактный провод; 3 — усиливающий провод

Длину пролета выбирают в зависимости от условий эксплуатации. На магистральных линиях длины пролетов равны принятым в настоящее время, а в искусственных сооружениях их уменьшают по габаритным условиям тоннеля. На магистральных линиях в пролете создают несколько ромбов контактных проводов; их количество определяется расчетами.

Особые свойства ПРАКС

Способность к автоматической компенсации изменений длины провода

В ПРАКС осуществлен новый принцип компенсации температурных изменений длины проводов подвески. При изменении под воздействием температуры длины несущих тросов и контактных проводов изменяется не только положение несущих тросов по высоте, но и расстояние от них до оси пути, т. е. происходит пространственное изменение положения проводов без продольной сдвижки, которая свойственна компенсированным цепным подвескам. Изменение высоты несущих тросов в пролетах длиной от 50 до 70 м при перепадах температуры воздуха 80 °C вызывает изменение высоты подвеса контактных проводов относительно уровня головок рельсов до 100 мм. Но, что очень важно, высота контактного провода изменяется одинаково во всех точках пролета, поэтому траектория движения полоза токоприемника остается горизонтальной. Высота контактного провода при колебаниях температуры в полукомпенсированной вертикальной подвеске изменяется в еще большей степени: при той же длине пролетов, что и в ПРАКС, более чем на 50 %. Для сохранения постоянной высоты контактного провода по длине пролета полукомпенсированную подвеску конструктивно усложняют в зоне опоры. Это исключено в компенсированной подвеске благодаря применению компенсаторов, но такая подвеска практически теряет ветроустойчивость.

Расчеты ПРАКС показали, что изменение жесткости подвески по длине пролета в среднем составили 5 – 7 % в зависимости от его длины. Следовательно, по этому показателю ПРАКС отвечает современным требованиям к контактным сетям высокоскоростных линий.

Таким образом, ПРАКС, автоматически компенсируя температурные изменения длины проводов подвески в каждом пролете отдельно, не ухудшает своих динамических характеристик.