Контактный рельс в метро: как это устроено и какое там напряжение?

Опубликовано 12.04.2021 · Обновлено 03.11.2021

В большинстве метрополитенов мира для передачи электрической энергии от подстанции к подвижному составу применяется не привычная для железной дороги воздушная контактная сеть, а вполне жесткий контактный рельс, оправдывающий свое название в полной мере.

Назначение и устройство контактного рельса

Контактный рельс — это жесткий токоведущий элемент, предназначенный для передачи электроэнергии к токоприемнику подвижного состава, за счет скользящего контакта.

На фото оранжевым окрашен токоприемник, скользящий по контактному рельсу снизу

Под жестким токоведущим элементом как правило понимается дополнительный рельс, однако это может быть все что угодно, главное чтобы этот элемент имел гладкую поверхность для возможности скольжения по нему токоприемника, и был жестким для возможности его крепления без дополнительных удерживающих приспособлений. Кстати, варианты крепления тоже могут быть различны: как по бокам от основного пути, так и в середине пути. Помимо крепления есть разные варианты токосъема: когда скольжение токоприемника осуществляется сверху, снизу или сбоку.

Напряжение электрического тока в контактной сети метрополитенов России — 825 Вольт выпрямленного постоянного тока, рабочим напряжением для подвижного состава является диапазон от 750 до 925 Вольт

В метрополитенах России контактный рельс расположен по бокам от основного пути для токосъема снизу, он с жестко крепится к шпалам железнодорожного пути посредством специального кронштейна, на вершине которого устанавливается изолятор, непосредственно удерживающий его. Таким образом ось контактного рельса оказывается параллельной оси пути, и если говорить о цифрах: расстояние между этой осью и ближайшим рельсом составляет 690 мм, а высота нижней (токоведущей) стороны над головкой рельса пути составляет 160 мм. Эти показатели на протяжении всей длины остаются практически неизменными.

Схема крепления контактного рельса в метрополитенах России

Достоинства применения контактного рельса

Есть множество сценариев использования контактных рельс для питания подвижных составов, начиная от поездов метро и заканчивая городским трамваем. В каждом конкретном случае проявляются те или иные сложности, по этому о достоинствах и недостатках такого способа передачи электроэнергии мы будем говорить с позиции применения в отечественном метрополитене.

Главной сложностью перед применением в метро классической контактной сети, организация которой хорошо отработана на большой железной дороге, стала борьба буквально за каждый кубический сантиметр пространства в тоннеле. Здесь и проявилось главное достоинство контактного рельса — такая технология не требует много места и габариты тоннелей остаются минимальными, ведь он занимает свободное пространство, которое невозможно занять чем-то другим, и невозможно ликвидировать.

Контактный рельс в тоннеле метро в изоляционном кожухе

Так как такая технология электропередачи не предполагает, в отличие от провода, движущихся частей, а также состоит из значительно меньшего количества элементов, если опять же сравнивать с контактной сетью, а значит и общая надежность оборудования будет выше, соответственно обслуживание будет упрощено, а ремонт удешевлен. Сплошная выгода, и почему железнодорожники не перешли на контактный рельс?*

Следующий плюс вытекает из физических свойств материалов. В метро используются рельсы изготовленные из низкоуглеродистой стали, и хоть ее положительные электрические качества заметно отстают от таковых, как например у меди, но за счет большого сечения контактного рельса, доходящего до 6600 квадратных миллиметров, его электрическое сопротивление значительно ниже, чем в контактном проводе. Отсюда, в сумме, он обладает лучшими токопроводящими свойствами, а учитывая большую площадь пятна контакта с токоприемником, и также постоянство этого контакта, возникновение электрической дуги и искрения исключено, а значит подвижной состав будет получать стабильное электропитание.

Недостатки применения контактного рельса

Однако из достоинств вытекают и недостатки. Из-за того, что сталь в силу ферромагнитных свойств обладает выраженным скин-эффектом, она не пригодна для передачи переменного тока: из-за того, что движение заряженных частиц в переменном электрическом поле будет сгруппировано в поверхностном слое данного металла, полезное сечение проводника изменится в меньшую сторону, увеличивая и электрическое сопротивление.

В воздушной контактной сети все токоведущие части расположены на значительной высоте и не представляют никакой угрозы для окружающих, а также сами остаются в «безопасности» от погодных явлений, таких как сильный снегопад. Электробезопасность диктует множество ограничений, связанных с контактным рельсом, в основном правила сводятся к необходимости обеспечить отсутствие людей вблизи токоведущего рельса под напряжением, ну и изоляцию рельса.

На станциях метро при падении пассажира на пути, предусмотрен свой алгоритм «возвращения» его обратно после снятия напряжения, для подъема на станцию через контактный рельс используют специальную лестницу. Также необходимо обеспечить 100% исключение нахождения в тоннеле людей во время движения поездов, и в российских метро для этого на всех станциях установлены специальные устройства мониторинга. В данном случае опасность заключается в токоприемниках, которые расположены по обе стороны подвижного состава. Наличие контактного рельса с одной стороны пути в тоннеле может дать забежавшему зацеперу ложное ощущение безопасности на противоположной стороне. Мало того, что движущиеся токоприемники сами по себе крайне опасные элементы конструкции, для встречи с ними в узком тоннеле, так они еще и под напряжением, если хоть один из них, на любой стороне вагона, касается контактного рельса.

Так выглядит лестница для захода с путей на станцию в метро. Лестница имеет складную конструкцию

В общем конечно есть метрополитены, в которых контактный рельс не изолирован от внешнего мира совсем никак, а электробезопасность обеспечивается исключительно организационными мерами, но в России он должен иметь изоляционный кожух (короб), а это значительно удорожает конструкцию.

Устройство контактного рельса

Контактный рельс закреплен непосредственно в фарфоровом изоляторе с полиэтиленовой прокладкой, который в свою очередь присоединяется к головке удерживающего кронштейна. Изолирующий короб крепится непосредственно на головку кронштейна. Таким образом уже на данном уровне контактный рельс остается полностью электрически изолированным проводником. Для подачи на него напряжения применяют прямое подключение провода от соответствующего энергетического фидера.

Место подключения контактного рельса к фидеру (обратите внимание, что контактный рельс на данном фото не имеет защитного короба)

Удерживающий кронштейн надежно крепиться к шпале, а его высота зависит от высоты путевых рельс. Между кронштейнами выдерживают расстояние до 5,5 метров, и это расстояние не зависит от длины рельсовых плетей (кстати длина одной плети 12,5 метров).

Теперь видится лишь одна проблема — стирание контактного башмака (который прижимается токоприемником к контактному рельсу) о частые стыки. Но бархатный путь придумали не только для людей, и для токоприемников контактные рельсы сваривают в единые плети длиной до 100 метров, с обязательным наличием температурных стыков для возможности бездеформационного расширения и сжатие плети от изменений температуры. На сварной стык обязательно приваривают несколько токопроводящих накладок, для уменьшения электрического сопротивления.

Башмак токоприемника мотор-вагона метро

Для плавного присоединения и отсоединения башмака токоприемника к контактному рельсу применяются концевые отводы. Их конструкция довольно проста, в конце отвода его высота относительно головки путевого рельса начинает повышаться, пока поверхность контактного рельса не становиться выше высоты касания башмака.

Источник

УСТРОЙСТВА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ МЕТРОПОЛИТЕНА

Устройства электроснабжения должны обеспечивать надёжное электроснабжение электроподвижного состава для движения поездов с установленными скоростями и интервалами, соответствующими ГДП, надёжное электропитание всех потребителей м-на и иметь необходимый резерв (ПТЭ 7.1).

Система электроснабжения метрополитена

Электроснабжение метрополитена осуществляется от энергетических систем города, от которых поступает переменный трехфазный ток напряжением 10 кВ. Однако в таком виде электроэнергия потребителями метрополитена не может быть использована, так как они работают от тока различного рода и более низкого напряжения. Поэтому получаемая метрополитеном энергия преобразуется. Для ее преобразования и передачи к месту потребителя служит система электроснабжения, в состав которой входят следующие основные элементы:

— подстанции- тяговые (Т), совмещенные- тягово-понизительные (СТП), понизительные (П), которые преобразуют получаемую от энергосистем электроэнергию;

— электротяговая сеть 825 В, состоящая из питающей и отсасывающей сетей постоянного тока, контактного и ходовых рельсов, по которой преобразованная электроэнергия подается на электропоезда;

— распределительные линии переменного тока напряжением 380, 220 и 127 В, служащие для передачи электроэнергии от понизительных подстанций к различным потребителям метрополитена;

— освещение станций, тоннелей, наземных участков и пристанционных сооружений.

Потребители метрополитена

— электропоезда, электродвигатели вагонов работают от постоянного тока напряжением 825 В;

— эскалаторы, работающие от переменного тока напряжением 380 В;

— санитарно-технические установки, куда входят мощные вентиляторы, отопительные устройства, перекачки санузлов и другие устройства. Питаются переменным током напряжением 380 и 220 В;

— устройства СЦБ (аппаратура автоблокировки и электрической централизации), работающие от переменного тока напряжением 380, 220 и 127 В;

— осветительная сеть станций, тоннелей, наземных участков линий и служебных помещений, работающая от переменного тока напряжением 220/127 В в подземных условиях и 220В в наземных;

— специальная сеть на пассажирских станциях и в тоннелях для подключения электрифицированного инструмента и механизмов. Эта сеть питается переменным током напряжением 380, 220 и 127В.

Подстанции

На подстанциях метрополитена установлено электрооборудование, предназначенное для преобразования и распределения электроэнергии. На метрополитене имеются подстанции трех видов: Т, СТП, П.

Тяговые подстанции (Т)

Предназначены для преобразования трехфазного переменного тока напряжением 10 кВ в постоянный (выпрямленный) ток напряжением 825 В для питания электропоездов.

Тяговые подстанции сооружают на поверхности земли в виде отдельно стоящих зданий.

Совмещенные тягово-понизительные подстанции (СТП) служат для преобразования переменного тока в постоянный, необходимый для движения поездов и для понижения напряжения до 380, 220 и 127 В, необходимого для питания соответствующих потребителей метрополитена. СТП состоит из двух частей: тяговой и понизительной.

Т и СТП имеют два режима работы: во время движения поездов и во время ночного окна, когда оборудование, относящееся к питанию поездов, отключают. СТП расположены на каждой пассажирской станции в торце, в специальных подземных выработках.

Понизительные подстанции (П) предназначены для понижения напряжения переменного тока 10 кВ, получаемого по кабелям от ближайших тяговых подстанций, и передачи питания соответствующим потребителям метрополитена. П размещают либо на пассажирских станциях, либо вблизи от них.

Электротяговая сеть.

Ходовые рельсы для работы устройств СЦБ разделяются на отдельные изолированные участки (рельсовые цепи). Поэтому в местах установки изолирующих стыков для создания обратному тяговому току непрерывной цепи (в обход изоляции) устанавливают путевые дроссели.

На участке контактной сети с двухсторонним питанием КР I и II путей разделен на участки – секционирован. Каждая секция получает питание по двум фидерам от смежных тяговых подстанций.

Секционирование позволяет обеспечивать надежную электрическую защиту контактной сети: отключать при повреждениях только тот участок контактной сети, где произошло повреждение; снимать напряжение с любого отдельного участка пути, в случае необходимости ремонтных работ.

Границами участков контактной сети являются места присоединения к КР питающих линий. В этих местах имеются разрывы КР (токоразделы), длина которых превышает расстояние между двумя токоприемниками одного вагона, поэтому этот разрыв электрически нельзя перекрыть движущимся составом (согласно ПТЭ: 14м и более). Участок контактной сети, питающийся от смежных подстанций, называют фидерной зоной.

Все фидеры пронумерованы с обозначением номера подстанции, от шин которой отходит фидер, и порядкового номера фидера данной подстанции. Четные фидера питают КР второго пути, нечетные – первого пути.

Маркировка кабелей осуществляется посредством навешивания на них пластмассовых бирок с указанием цифр.

Источник

Как получает питание городской и междугородний электрический транспорт

Городской и междугородний электротранспорт стали для современного человека привычными атрибутами его повседневной жизни. Мы давно уже не задумываемся о том, как этот транспорт получает питание. Все знают, что автомобили заправляют бензином, педали велосипедов крутят ногами велосипедисты. Но как же питаются электрические виды пассажирского транспорта: трамваи, троллейбусы, монорельсовые поезда, метро, электропоезда, электровозы? Откуда и как подается к ним движущая энергия? Давайте поговорим об этом.

В былые времена каждое новое трамвайное хозяйство было вынуждено иметь собственную электростанцию, поскольку электрические сети общего пользования еще не были в достаточной степени развиты. В 21 веке энергия для контактной сети трамваев подается от сетей общего назначения.

Питание осуществляется постоянным током относительно невысокого напряжения (550 В), которое было бы просто не выгодно передавать на значительные расстояния. По этой причине вблизи трамвайных линий размещены тяговые подстанции, на которых переменный ток из сети высокого напряжения преобразуется в постоянный ток (с напряжением 600 В) для контактной сети трамвая. В городах, где ходят и трамваи и троллейбусы, данные виды транспорта обычно имеют общее энергохозяйство.

На территории бывшего Советского Союза представлены две схемы электроснабжения контактных сетей для трамваев и троллейбусов: централизованная и децентрализованная. Централизованная появилась первой. В ней крупные тяговые подстанции, оснащенные несколькими преобразовательными агрегатами, обслуживали все прилегающие к ним линии, или линии, находящиеся на расстоянии до 2 километров от них. Подстанции данного типа располагаются сегодня в районах высокой плотности трамвайных (троллейбусных) маршрутов.

Децентрализованная система начала формироваться после 60-х годов, когда стали появляться вылетные линии трамваев, троллейбусов, метро, как то из центра города вдоль шоссе, в отдаленный район города и т. п.

Здесь на каждые 1-2 километра линии установлены тяговые подстанции малой мощности с одним или двумя преобразовательными агрегатами, способные питать максимум два участка линии, причем каждый участок на конце может подпитываться соседней подстанцией.

Так потери энергии оказываются меньше, ибо фидерные участки выходят короче. К тому же если на одной из подстанций случится авария, участок линии все равно останется под напряжением от соседней подстанции.

У троллейбуса контактная сеть разделена секционными изоляторами на изолированные друг от друга сегменты, каждый из которых присоединен к тяговой подстанции при помощи фидерных линий (воздушных или подземных). Это легко позволяет производить избирательное отключение отдельных секций для ремонта в случае их повреждения. Если неисправность случится с питающим кабелем, возможна установка перемычек на изоляторы, чтобы запитать пострадавшую секцию от соседней (но это нештатный режим, связанный с риском перегрузки фидера).

Тяговая подстанция понижает переменный ток высокого напряжения от 6 до 10 кВ и преобразует его в постоянный, с напряжением 600 вольт. Падение напряжения на любой точке сети, согласно нормативам, не должно быть более 15%.

Троллейбусная контактная сеть отличается от трамвайной. Здесь она двухпровдная, земля не используется для отвода тока, поэтому данная сеть устроена сложнее. Провода располагаются друг от друга на небольшом расстоянии, поэтому требуется особо тщательная защита от сближения и замыкания, а также изоляция на местах пересечений троллейбусных сетей между собой и с трамвайными сетями.

Поэтому на местах пересечений устанавливаются специальные средства, а также стрелки на местах ветвлений. Кроме того выдерживается определенное регулируемое натяжение, предохраняющее от захлестов проводов во время ветра. Вот почему для питания троллейбусов используются штанги — другие приспособления просто не позволят соблюсти все эти требования.

Штанги троллейбусов чувствительны к качеству контактной сети, ведь любой ее дефект может послужить причиной соскока штанги. Есть нормы, согласно которым угол излома в месте крепления штанги не должен быть более 4°, а при повороте на угол более 12° устанавливаются кривые держатели. Токосъемный башмак движется вдоль провода и не может поворачивать вместе с троллейбусом, поэтому здесь необходимы стрелки.

Во многих городах земного шара с недавних пор ходят монорельсовые поезда: в Лас-Вегасе, в Москве, в Торонто и т.д. Их можно встретить в парках развлечений, в зоопарках, монорельсы используются для обзора местных достопримечательностей, и, конечно, для городского и пригородного сообщения.

Некоторые монорельсовые поезда устроены таким образом, что как-бы насажены на колею сверху, подобно тому, как человек сидит верхом на лошади. Некоторые монорельсы подвешиваются к балке снизу, напоминая гигантский фонарь на столбе. Безусловно, монорельсовые дороги более компактны чем обычные железные дороги, но их строительство обходится дороже.

Некоторые монорельсы имеют не только колеса, но и дополнительную опору на основе магнитного поля. Московский монорельс, например, движется как раз на магнитной подушке, создаваемой электромагнитами. Электромагниты находятся в подвижном составе, а в полотне направляющей балки — стоят постоянные магниты.

В зависимости от направления тока в электромагнитах подвижной части, монорельсовый поезд движется вперед или назад по принципу отталкивания одноименных магнитных полюсов — так работает линейный электродвигатель.

Кроме резиновых колёс у монорельсового поезда есть ещё и контактный рельс, состоящий из трёх токоведущих элементов: плюс, минус и земля. Напряжение питания линейного двигателя монорельса — постоянное, равное 600 вольт.

Электропоезда метрополитена получают электричество от сети постоянного тока — как правило, от третьего (контактного) рельса, напряжение на котором составляет 750—900 Вольт. Постоянный ток получают на подстанциях из переменного тока с помощью выпрямителей.

Контакт поезда с контактным рельсом осуществляется через подвижный токосъемник. Располагается контактный рельс права от путей. Токосъемник (так называемая «токоприемная лапа» ) находится на тележке вагона, и прижимается к контактному рельсу снизу. Плюс находится на контактном рельсе, минус — на рельсах поезда.

Кроме силового тока, по путевым рельсам течет и слабый «сигнальный» ток, необходимый для работы блокировки и автоматического переключения светофоров. Также по рельсам передается информация в кабину машиниста о сигналах светофоров и разрешенной скорости движения поезда метро на данном участке.

Электровозом называют локомотив, движимый тяговым электродвигателем. Двигатель электровоза получает питание от тяговой подстанции через контактную сеть.

Электрическая часть электровоза в целом содержит не только тяговые двигатели, но и преобразователи напряжения, а также аппараты, подключающие к сети двигатели и прочее. Токоведущее оборудование электровоза находится на его крыше или капотах, и предназначено для соединения электрооборудования с контактной сетью.

Регулировка тягового усилия и скорости движения электровоза достигается изменением напряжения на якоре двигателя и варьированием коэффициента возбуждения на коллекторных двигателях, или подстройкой частоты и напряжения питающего тока на асинхронных двигателях.

Регулирование напряжения выполняется несколькими способами. Изначально на электровозе постоянного тока все его двигатели соединены последовательно, и напряжение на одном двигателе восьмиосного электровоза составляет 375 В, при напряжении в контактной сети 3 кВ.

Преобразователи электроэнергии внутри электровоза необходимы для изменения рода тока и понижения напряжения контактной сети до необходимых величин, соответствующих требованиям тяговых электродвигателей, вспомогательных машин и прочих цепей электровоза. Преобразование осуществляется прямо на борту.

На электровозах переменного тока для понижения входного высокого напряжения предусмотрен тяговый трансформатор, а также выпрямитель и сглаживающие реакторы для получения постоянного тока из переменного. Для питания вспомогательных машин могут устанавливаться статические преобразователи напряжения и тока. На электровозах с асинхронным приводом обоих родов тока применяются тяговые инверторы, которые преобразуют постоянный ток в переменный ток регулируемого напряжения и частоты, подаваемый на тяговые двигатели.

Электропоезд или электричка в классическом виде берет электричество с помощью токоприемников через контактный провод или контактный рельс. В отличие от электровоза, токоприемники электрички располагаются как на моторных вагонах, так и на прицепных.

Если ток подается на прицепные вагоны, то моторный вагон получает питание через специальные кабели. Токосъем обычно верхний, с контактного провода, осуществляется он токосъемниками в форме пантографов (похожих на трамвайные).

Обычно токосъем однофазный, но существует и трёхфазный, когда электропоезд использует токоприёмники специальной конструкции для раздельного контакта с несколькими проводами или контактными рельсами (если речь идет о метро).

Электрооборудование электрички зависит от рода тока (бывают электропоезда постоянного тока, переменного тока или двухсистемные), типа тяговых двигателей (коллекторные или асинхронные), наличия или отсутствия электрического торможения.

В основном электрическое оборудование электропоездов схоже с электрооборудованием электровозов. Однако на большинстве моделей электропоездов оно размещено под кузовом и на крышах вагонов для увеличения пассажирского пространства внутри. Принципы управления двигателями электропоездов примерно те же, что и на электровозах.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Источник

Тайны метро: почему для движения поездов необходим третий рельс

МОСКВА, 30 сен — РИА Новости, Ольга Коленцова. Туалеты и фонтанчики — мало кто знает, что они присутствуют в секретных местах московского метро. Оно выстроено таким образом, чтобы в нем можно было бы некоторое время продержаться в случае опасности, нависшей над городом. Но в мирное время метро служит средством передвижения для огромного числа пассажиров. От машин и автобусов метро отличается четкой организацией движения. Даже за десятисекундное опоздание или опережение машиниста могут лишить премии, поэтому распорядок прибытия-отбытия соблюдается очень четко.

Такое жесткое соблюдение графика обеспечивается высокой степенью автоматизации подземного транспорта. Машинист управляет поездом самостоятельно, но превысить скорость он не может. А если он не снизит скорость перед запрещающим сигналом (например, когда поезд подъедет слишком близко к следующему), то система исправит эту ошибку и произойдет торможение.

Движение поезда осуществляется при помощи двигателя, преобразующего электрический ток в движение. Ток — движение положительно заряженных частиц, которые направляются от плюса к минусу, в противовес электронам, которые стараются покинуть отрицательно заряженную область. А перемещение отрицательного заряда является тем же самым, что и движение положительного заряда в противоположном направлении.

Следовательно, чтобы появился ток, нужны два полюса — положительный и отрицательный. На торце платформы (слева по движению поезда) располагается третий рельс, находящийся под напряжением 825 вольт, его называют контактным. Он изготавливается из мягкой стали и крепится при помощи фарфоровых изоляторов к кронштейнам (металлическим опорам). Электричество «снимается» с контактного рельса при помощи двух токоприемников, расположенных на разных сторонах вагона. Кронштейны обычно устанавливаются на расстоянии 4,5-5,4 метра друг от друга. По форме они напоминают квадратные скобки. Так вот этот рельс является плюсом, а обычные рельсы — минусом. Именно на контактный рельс подается постоянный ток с тяговой подстанции. С парных рельс идет отводящий ток кабель.

«Исторически так сложилось, что городской электротранспорт работал на постоянном токе, так как в XIX и начале XX века такую систему уже возможно было создать, в отличие от схемы на переменном токе. Ранее электродвигатели подвижного состава работали только на нем. Двигатели такого типа называются синхронными. Для переменного тока потребовались бы более широкие туннели и очень тяжелое электрооборудование. Кроме того, электродвигатели постоянного тока проще адаптировать для тяги поездов. Однако эти двигатели тоже имеют недостатки, например сравнительно малую допустимую частоту вращения. Это ограничивает силу тяги — в частности, на высоких скоростях», — поясняет Константин Черкасский, директор народного музея истории Московского метрополитена.

Предел тяги можно сравнить с ограничением числа оборотов на одной и той же передаче в автомобиле. Допустим, машина на третьей передаче допускает значение количества оборотов двигателя в минуту не более 2500. Но если она сможет разогнаться до 4000 оборотов в минуту, то будет ехать быстрее на той же передаче. Асинхронные двигатели (они работают на переменном токе) позволяют повысить частоту вращения и максимально допустимую скорость состава без уменьшения тяги, а также улучшить характеристики замедления и ускорения.

Принцип работы двигателя основан на магнетизме. Если мы возьмем постоянный магнит и попробуем вращать его рядом с медным диском, то увидим, как последний тоже вращается. Магнит возбуждает в диске индукционные токи, которые порождают магнитное поле, в свою очередь, дальше взаимодействующее с полем магнита. Данная физика воплощена в асинхронном двигателе. Его основными деталями являются статор и ротор, между которыми имеется воздушный зазор. Они также оборудованы обмоткой возбуждения и магнитопроводом.

Источник