Контактные сети и ЛЭП

привели к созданию подводного и подземного кабелей. (П. Л. Шиллинг, 1812г., Э.В.

Сименс, 1848 г.).

В 1873 г. в Вене состоялась международная выставка, с которой начинается ис-

тория электропередачи. На этой выставке инженер Фонтен демонстрировал обрати-

мость электрических машин, включив между генератором и электродвигателем ба-

рабан с кабелем длиной в 1 км, который имитировал ЛЭП соответствующей длины.

В России в 1874 г. Ф. А. Пироцкий провел опыт по передаче энергии на рассто-

яние 200—1000 м на артиллерийском полигоне Волкова поля (около Петербурга),

использовав в качестве генератора 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-Добровольский сконструировал пер-

вый трехфазный асинхронный двигатель. В августе 1891 г. осуществил преобразо-

вание и передачу электроэнергии трехфазным током 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 пролетом 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 других промышленных райо-

нов.

В настоящее время подразделениями Департамента электроснабжения и элек-

трификации железных дорог МПС России (сетевыми районами и районами контакт-

ной сети) обслуживается значительный объем ЛЭП: высоковольтных (до 35 кВ) –

около 130, низковольтных – около 60 тыс. км.

Условия работы ЛЭП. Узлы и детали подсистем ЛЭП выполняются из раз-

личных материалов: металла, железобетона, полимеров, силикатов (стекло, фарфор),

волокнистых материалов (древесина и др.).

Условия работы элементов ЛЭП можно представить в виде факторов, влияю-

щих на деструкцию (разрушение) материалов, объединив их в группы: климатиче-

ские, биологические, атмосферные, почвенные, эксплуатационные (рис. 1.4). Ре-

зультатами воздействия этих факторов являются различные виды деструкции, тре-

бующих соответствующих мероприятий по защите. Причинами разрушений (повре-

ждений) также могут быть чрезмерные нагрузки (монтажные, транспортные, ава-

рийные, большие, чем расчетные по повторяемости). Кроме того, для воздушных ЛЭП устанавливаются дополнительные конструктивные ограничения, влияющие на режимы работы. К ним относятся вертикальные и горизонтальные габариты по условиям электробезопасности, большие пролеты на речных и других переходах,

значительная разность высот точек подвеса в гористой местности и т.п.

Условия работы кабельных линий (подземных и подводных) связаны с мень-

шим числом факторов, влияющих на их деструкцию, но обременены рядом допол-

нительных эксплуатационных условий, связанных с необходимостью защиты от че-

ловека, животных и т.п. (механических воздействий) и электрического пробоя изо-

ляции.

Основные габариты. Как уже указывалось выше, железнодорожные предпри-

ятия России эксплуатируют главным образом ЛЭП напряжением не выше 35 кВ,

конструктивное исполнение и габаритные размеры которых определяются требова-

ниями ПУЭ. В качестве примера ниже приведены основные габариты ВЛ как наибо-

лее массового типа линий электропередачи МПС России. Полностью все габариты ВЛ, КЛ, токопроводов и электропроводок изложены в соответствующих разделах ПУЭ.

Наименьшее расстояние между проводами ВЛ принимается из условия их до-

пускаемого сближения в пролете и зависит от стрелы провеса, материала проводов и площади их сечения. Например, для пролета длиной 75 м в IV районе гололедности

(см. гл. 2) это расстояние при штыревых изоляторах должно быть не менее 1750 мм,

при подвесных – 2000 мм. Для повышения грозоустойчивости ЛЭП напряжением до

10 кВ рекомендуется применять деревянные траверсы. Горизонтальное расположе-

ние проводов (в одной плоскости) обязательно при стенке гололеда более 20 мм, в

остальных случаях возможно расположение проводов по вершинам треугольника.

Наименьшее изоляционное расстояние по воздуху от токопроводящих до за-

земленных частей ВЛ по грозовым перенапряжениям для штыревых изоляторов должно быть 350, для подвесных – 450 мм, а по внутренним перенапряжениям и наибольшему рабочему напряжению – 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 поверхно-

сти земли при нормальном режиме и максимальной температуре воздуха в населен-

ной, ненаселенной и труднодоступной 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. Мини-

мальное 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 1 кВ – 1,5 м.

1.4. Общие сведения о контактных сетях электрического транспорта

Контактные сети электрического транспорта предназначены для питания ЭПС

ив зависимости от типа транспортных средств могут быть выполнены в виде:

–воздушной эластичной контактной подвески с одинарным или двойным кон-

тактным проводом верхнего расположения (электрифицированные железные доро-

ги, 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 верхней эластичной контакт-

ной подвеской над путями (рис. 1.5). Контактные подвески (провода) закрепляются на опорах, расположенных вдоль железной дороги, с помощью консолей или попе-

речин. В качестве обратного провода используются ходовые рельсы.

Рис. 1.5. Схема внешнего электроснабжения и питания электроподвижного состава электрической железной дороги: ЭС — электрическая станция; ЛЭП — линия электропередачи; ТПС — тяговая подстанция: ПЛ — питающая линия; ОЛ — отсасывающая линия; КС — контактная сеть; ТК — токоприемник; PC — рельсовая сеть; ЭПС — электроподвижной состав; ТС — тяговая сеть

Специфика троллейбусной контактной сети заключается в наличии двух парал-

лельных (разнополярных) гибких воздушных контактных подвесок с дистанционно управляемыми из кабины водителя воздушными стрелками. Токоприемники трол-

лейбусов выполнены в виде поворотных штанг с направляющими токосъемными башмаками и ловителями, срабатывающими при сходе башмаков с контактных про-

водов. В местах пересечения троллейбусных проводов с трамвайными устанавли-

вают специальные секционные изоляторы, в которых токоприемники трамваев про-

ходят под троллейбусными проводами по инерции (по воздуху).

В метрополитене в качестве контактного провода используется третий (четвер-

тый) рельс, а в качестве обратного провода – ходовые рельсы. В местах стрелочных переводов контактные рельсы прерываются, превращаясь в концевые отводы, или их нижняя поверхность разворачивается в сторону оси пути (токоприемника), обра-

зуя боковой отвод. Токоприемники выполняются в виде рычагов с контактными башмаками на одних концах и шарнирными основаниями с пружинами на других.

Основания устанавливаются на изоляторах или деревянных брусьях, закрепленных на буксах колесных пар вагона (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Схема расположения контактного рельса метрополитена: 1 – контактный рельс; 2 – изо-

ляторы; 3 – резиновый шнур; 4 – деревянный короб; 5 – скоба; 6 – кронштейн; 7 – контактный башмак; 8 – деревянный брус

Применяется токосъем с верхней и боковой поверхностей контактных токопро-

водов.

В монорельсовом транспорте подвижной состав перемещается по бетонной эс-

такаде. Контактные рельсы крепятся к вертикальным стенкам балок-эстакад. К ним прижимаются контактные башмаки токоприемников, закрепленных на кузовах ва-

гонов. Все элементы токоприемников работают в сложных аэродинамических пото-

ках в пространстве «экипаж – эстакада» (рис. 1.7).

В случае применения магнитного подвеса условия еще больше усложняются в связи с тем, что высота кузова при «всплытии» (подъеме) периодически изменяется относительно уровня эстакады. Токоприемник должен отслеживать суммарные из-

менения высотного положения рельсов и подъема (всплытия) экипажа. На стрелках эстакада поворачивается в горизонтальной плоскости вместе с рельсами или ее сек-

ция вместе с экипажем перемещается трансбордером (рельсовой тележкой).

Известно переворачивание эстакады на стрелках на 180° относительно про-

дольной оси.

Рис. 1.7. Особенности системы токосъема монорельсового транспорта на магнитном подвесе: 1 – тележка вагона; 2 – Т-образная эстакада; 3 – опорные рельсы; 4 – посадочные упоры; 5 – элементы подрессоривания; 6 – кузов; 7 – линейный двигатель; 8 – реактивная шина; 9 – феррорельс; 10 – электромагниты подвеса; 11 – токоприемник; 12 – контактный рельс с изолятором

1.5. Этапы развития контактных сетей электрического транспорта

Почти сразу же после появления первых электродвигателей (1831 – 1832 гг.)

начались попытки применить электрическую энергию для транспорта, вначале авто-

номного.

В 1834 – 1835 гг. американец Девенпорт построил несколько вагонов, автоном-

но передвигавшихся от энергии батарей гальванических элементов. Подобные опы-

ты проводили Беккер и Стратинг в Германии, Ботто в Турине (Италия). В 1838 г. Р.

Давидсон совершил поездку на двухосной тележке (5 т) на участке Глазго – Эдин-

бург. 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 гальва-

нических элементов (0,5 л.с.). Лодка смогла плыть по Неве против течения со скоро-

стью более 4 км/ч.

После появления генератора электрической энергии системы Лэдда в 1867 г. и

системы 3. Грамма в 1877 г. стала возможной неавтономная электрическая тяга с контактной сетью. В 1876 г. русский военный инженер Ф. А. Пироцкий оборудовал вагон Петербургской конной железной дороги двигателем с зубчатой тяговой пере-

дачей к колесной паре. Реборды колес были изолированы от своих центров и снима-

ли ток с ходовых рельсов. Рельсы были уложены на просмоленную парусину, ис-

пользуемую в качестве изоляции, и подключены как прямой и обратный провода к генератору мощностью 6 л.с., вращаемого паровой машиной (локомобилем). Во время испытаний в Дегтярном переулке вагон успешно возил груз 7 т (40 пас-

сажиров), используя для токосъема принцип контактных рельсов.

В 1879 г. на Берлинской промышленной выставке В. Сименс демонстрировал электровоз мощностью 3 л.с., получавший питание напряжением 130 В от шины,

уложенной между рельсами на изоляторах, с помощью щетки-токоприемника. Была применена ременная передача от двигателя к колесной паре. Подобную же систему испытывал Т. А.Эдисон в Менло-Парке, а в 1881 г. она начала работать на железной дороге между Берлином и Лихтерфельде длиной 2,45 км при напряжении 160 В. Так успешно утвердилась система токосъема с жестким контактным токопроводом.

В1882 г фирмой Сименс-Гальске был построен опытный участок под Берлином

спервыми верхними гибкими контактными проводами, выполненными в виде под-

вешенных к стальным тросам двух труб с прорезями в нижней части. В трубы по-

мещались токоприемники (челноки-скользуны), от которых по двум гибким прово-

дам напряжение подавалось к подвижной единице. Это был первый троллейбус.

В 1884 г. по этой системе была выполнена первая линия Франкфурт-на-Майне – Оффенбах напряжением 300 В. Но система была сложна на воздушных стрелках и пересечениях. В 1885 г. на трамвайной линии в Канзас-Сити (США) на воздушной контактной подвеске вместо трубок был использован круглый медный провод, к ко-

торому 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 оборудована простой кон-

тактной подвеской. В начале XX в. трамвай с нормальной узкой колеёй распростра-

нился 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 Санкт-Петербурга до Ораниенбаума (г. Ломоносов).

Одновременно с трамваем в мире интенсивно развивались пригородные и меж-

дугородные пассажирские электрические железные дороги, но лишь в 1895 г. на ли-

нии Балтимор – Огайо был электрифицирован тоннель, использовавшийся для гру-

зового движения.

Первым пригородным участком железной дороги в СССР стал Баку – Сабунчи

– Сурханы протяженностью 19 км, электрифицированный в 1926 г. на постоянном токе 1200 В с применением цепной некомпенсированной контактной подвески. В 1929 г. с пригородного участка Москва – Мытищи протяженностью 17,7 км начал электрификацию железных дорог на постоянном токе 1650 В Народный комиссари-

ат путей сообщения СССР.

Первый в СССР участок магистральной железной дороги Хашури – Зестафони

(Сурамский перевал) протяженностью 63 км был электрифицирован в 1932 г. на по-

стоянном токе 3000 В. В разных частях участка были применены цепные некомпен-

сированная и полукомпенсированная контактные подвески.

В 1935 г. была пущена первая линия метрополитена в Москве длиной 11,6 км – тринадцать станций (от Сокольников до Парка культуры с ответвлением на Смолен-

скую). Токосъем обеспечивался с 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 технический фун-

дамент для расширения полигона электрификации железных дорог и совершенство-

вания контактных сетей на базе современных научных достижений.

Вклад российских (советских) ученых и инженеров в развитие контактных

сетей. Проектирование, строительство и эксплуатацию самой протяженной сети

электрифицированных железных дорог в России (СССР) обеспечил коллектив высо-

коквалифицированных инженеров и ученых страны. Большинство из них прошли обучение в вузах железнодорожного транспорта и учились по учебникам «Кон-

тактная сеть», написанными в период с 1938 по 1994 гг. профессорами К. Г. Марк-

вардтом и И. И. Власовым, пользовались их справочниками по электрификации и электроснабжению электрических железных дорог, научными трудами по контакт-

ным сетям.

Константин Густавович Марквардт (1904 – 1998) – ученый в области электро-

снабжения электрических железных дорог, доктор технических наук, профессор. С 1947 по 1983 гг. – заведующий кафедрой «Электроснабжение электрических желез-

ных дорог» Московского института инженеров железнодорожного транспорта, ру-

ководитель большого числа аспирантов, почетный профессор Московского универ-

ситета путей сообщения (МИИТ). Им написаны учебники и научные труды по элек-

троснабжению железных дорог, организации учебного процесса и др.

Иван Иванович Власов (1900 – 1966) – ученый в области электрификации же-

лезных дорог, доктор технических наук, профессор. За годы работы во Всесоюзном научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ) в

качестве руководителя лаборатории контактной сети внес большой вклад в развитие теории и совершенствования конструкций контактной сети. Участник строительства первых электрифицированных участков железных дорог в стране. Им написаны труды по конструированию и монтажу контактной сети, токосъему. Он является ав-

тором 60 научных работ, учебников, в том числе для вузов.

Сергей Михайлович Сердинов (1909 – 1989) – инженер-электрик, с 1958 г. –

первый заместитель, а с 1959 по 1980 г. – начальник Главного управления электри-

фикации и энергетического хозяйства МПС CCCP. Под его руководством осуществ-

лялось 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 достигнуты наивысшие объемы и темпы электрификации в мире.

По его инициативе была разработана и внедрена система электрификации железных дорог на переменном токе 25 кВ и ее разновидность 2х25 кВ, а также различные способы усиления устройств электроснабжения, созданы новые системы телеуправ-