Контактные сети и ЛЭП

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, необходимо, чтобы обрыв проводов не приводил к разрушению поддерживающих и опорных конструкций. А для этого следует режим обрыва про-

водов рассматривать как один из расчетных (особых) режимов выборе параметров поддерживающих опорных конструкций. Поэтому необходимо рассмотреть процес-

сы, возникающие при обрыве проводов, а также усилия, передающиеся на опорные конструкции. Как показывает статистика, случаев одновременного обрыва двух или более проводов контактной сети не более 5%. Причем такие ситуации возникают обычно при повреждении и поломке опоры от других причин. Поэтому в расчетах предусматривается обрыв одного из проводов контактной сети. Наибольшее место в статистическом ряду занимают обрывы несущего троса или контактного провода, их обрыв приводит к наиболее тяжелым последствиям, хотя на опорах контактной сети располагается ряд линий различного назначения.

Обрывы несущего троса вызываются в основном их механическими поврежде-

ниями и пережогом в месте короткого замыкания: при пробое изоляторов, при заде-

вании случайно выходящими за габариты подвижного состава грузами или повре-

жденными частями ЭПС и др. Эти же причины могут вызвать и обрывы контактных провод, однако чаще всего контактный провод обрывается из-за пережога.

Обрыв провода представляет собой сложный динамический процесс, развива-

ющийся во времени, начинаясь от одного установившегося состояния при неповре-

жденной подвеске и заканчиваясь другим, также установившимся состоянием уже поврежденной подвески (хотя и продолжающийся доли секунды). Сложность про-

цесса и большое число влияющих факторов и определили то, что рекомендации для расчетов основываются на экспериментальных данных.

В большой мере влияние обрыва проводов на несущие конструкции зависит от возможности продольного перемещения точек подвеса провода вдоль пути при об-

рыве 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 ста-

новятся 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 перемещению относительно седла. Однако при воз-

растании упомянутой разности натяжений до определенного значения трос про-

скальзывает в седле. При этом разность натяжений падает и проскальзывание пре-

кращается. Кроме того, изоляторное звено само поворачивается в сторону от обры-

ва, что дает тот же эффект, что и проскальзывание. На консольных опорах также по-

ворачиваются консоли, а на гибких поперечинах отклоняются поперечные тросы,

чего нет на жестких поперечинах. Контактные провода подвешены на достаточно длинных струнах 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 откло-

нении изоляторного звена или при повороте кон соли) на натяжение провода под-

вески, состоящей из одного пролета.

В обоих вариантах (рис. 9.1, а и б) провод подвешен в точках А и В при рассто-

янии между ними (пролете), равном l, м, и натяжении Н1. В первом случае вслед-

ствие проскальзывания провода на длину у его длина увеличилась и, следовательно,

натяжение упало до значения Н2. Длина пролета l сохранилась. Во втором случае за счет смещения точки подвеса при перекосе изоляторного звена или повороте кон-

соли опора В сместилась. Длина пролета уменьшилась до l2, а натяжение упало до Н2/ . На практике можно принимать Н2/ = Н2, т.е. проскальзывание провода в зажиме

(седле) или отклонение точки подвеса на одно и то же значение дает одинаковое из-

менение натяжения в проводе.

Рис. 9.1. Изменение натяжения в проводе при проскальзывании и уменьшении длины пролёта

По выражениям (3.22) и (3.23) (при L= Lп, l =l1, q =g, H=H1 и f=f1) длина прово-

да L1

(9.1)

или

(9.2)

где l1 – превышение длины провода по сравнению с длиной пролета;

(9.3)

Значение l1 при применяемых натяжениях и стрелах провеса составляет ни-

чтожную долю относительно длины пролета l1.

Рассмотрим, как влияет проскальзывание провода через седло в точке подвеса

(см. рис. 9.1, а). Сначала определим начальную (без натяжения) длину провода l0 в

пролете. Для этого из длины L1 в выражении (9.1) вычтем упругое удлинение:

где Е и S – соответственно модуль упругости материала провода и площадь попе-

речного сечения.

Во втором члене этого выражения заменим L1 на l1, т.е. опустим малую величи-

ну второго порядка. Подставим значение L1 из выражения (9. 1), тогда

(9.4)

Если провод проскользнул в седле на γм, то его начальная длина теперь будет l0+γ . При этом натяжение уменьшится до Н2. Тогда

(9.5)

Сравним выражения (9.4) и (9.5). Отсюда

(9.6)

В выражении (9.6) заменим Н2 на kН1 (коэффициент k покажет, какую часть Н2

составит от Нj):

(9.7)

Задавшись значением k, получим соответствующее значение γ.

Расчет примера показывает, что при меньшей длине пролета и при большем натяжении получается меньшее проскальзывание.

Если рассматривать линию с несколькими равными по длине пролетами, то проскальзывание в точках подвеса убывает по мере удаления от места обрыва. Под γ в этом случае надо понимать разность проскальзывания у опор, ограничивающих рассматриваемый пролет. Опыт показывает (см. рис. 9.5), что такие проскальзыва-

ния, как и разность проскальзываний, превышают значения, приведенные в приме-

ре.

Во втором случае (см. рис. 9.1, 6), т. е. когда после обрыва точка В сместилась влево на значение γ (за счет отклонения изоляторного звена или поворота консоли),

а проскальзывания не было, выражение (9.5) заменяется выражением

(9.8)

Соответственно вместо выражения (9.7) будем иметь:

(9.9)

Так как γ<<l1, то на точность расчета практически не повлияет, если мы примем γ / l1 = 0, и тогда выражения (9.7) и (9.9) будут одинаковыми. Отсюда можно сделать вывод, что проскальзывание провода на длину γ или отклонение точки подвеса на такое же значение практически приводит к одинаковому снижению натяжения.

Рассмотрим, как протекает процесс перемещения контактного провода цепной подвески при его обрыве в какой-то точке анкерного участка. Начнем с некомпенси-

рованной подвески. С одной стороны провод жестко (неподвижно) закреплен на ан-

керной опоре, а с другой стороны — с помощью средней анкеровки. Незначитель-

ным ее перемещением при обрыве провода будем пренебрегать. Пусть после обрыва провода слева от него останется n1 неповрежденных пролетов общей длиной L1, а

справа от него – n 2 пролетов общей длиной L2 (рис. 9.2). Все точки провода у опор А1, А2, ..., Аn1 сместятся влево за счет уменьшения натяжения провода. Оно, соб-

ственно, не упадет до нуля только вследствие появления в натяжении струн при их перекосе горизонтальной (вдоль провода) составляющей. Аналогичное положение будет и в правой части анкерного участка на длине L2. Наибольшее перемещение получат точки Аn1 и Вn2 провода, расположенные ближе к месту обрыва. По мере удаления от места обрыва эти перемещения уменьшаются.

Так как стрелы провеса провода между струнами очень незначительны, то для получения общего представления о характере явления заменим провод упругим рас-

тянутым стержнем (рис. 9.3). Процесс исчезновения растягивающей силы Н0 можно представить себе как приложение в точке обрыва новой силы Н1, равной по вели-

чине силе Н0, но противоположной ей по направлению. В итоге в точке Аn1 растяги-

вающая сила обратится в нуль. Исходя из принципа независимости действия сил,

можно считать, что на упругие удлинения, вызванные силой Н0, наложатся упругие сокращения, вызванные силой Н1. Стержень переходит от состояния растяжения си-

лой Н0 к нейтральному состоянию (при Н1 = Н0) не мгновенно. Переход представля-

ет собой процесс, развивающийся во времени. Мгновенное изменение натяжения по всей длине провода от Н0 до нуля было бы возможным только при массе стержня,

равной нулю.

Рис. 9.2. Схема пояснения процессов, происходящих при обрыве контактного провода

Рис. 9.3. Растянутый стержень

Если представить себе, что упругий стержень состоит как бы из нескольких по-

следовательно соединенных стержней с массой m1, m2, …, m n1, то приложение силы Н1 вызвало бы смещение всех точек А1, ..., Аn1, убывающее от Аn1 к точке О. Соот-

ветственно различными получатся ускорения этих точек при их смещении влево, а

следовательно, и разная реакция масс m1, m2, …, m n1, т.е. убывание силы от значения Н0 на длине от Аn1 до нуля будет неодинаковым, и наибольшим это убывание будет в точке Аn1. 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 провода сила Н изменяется не-

одинаково по всей длине стержня, а распространяется волной от точки Аn1 к точке

О. Поскольку в этом процессе участвуют силы инерции масс, то возникают затуха-

ющие продольные колебания сложного характера. Здесь важно то, что в этом про-

цессе силы, действующие на поддерживающие конструкции (при контактном про-

воде это струны), получают значения большие, чем по окончании переходного про-

цесса.

Аналогично протекает процесс обрыва и компенсированного провода с той лишь разницей, что в нем участвует и масса компенсирующего груза. В какой-то момент времени в процессе обрыва провода натяжение струн достигает значения,

при котором наиболее короткие струны (в середине пролета) срываются с контакт-

ного провода, что и было отмечено в специально поставленном эксперименте.

Обрыв провода увеличивает натяжение несущего троса за счет наклона струн и перекоса фиксаторов (см. гл. 3). При установившемся режиме сумма этих дополни-

тельных натяжений троса уравновешивает силу тяжести компенсирующего груза,

если в результате обрыва провода он не опустился на землю. В последнем случае уравновешивает остаточное в месте анкеровки натяжение в контактном проводе,

оборванный же провод провисает до земли.

Проведенными опытами показано, что поддерживающие и опорные конструк-

ции получают значительно большие нагрузки при обрыве несущего троса.

Рассмотрим установившееся положение подвески после обрыва троса на одном анкерном участке (рис. 9.4), полученное при проведении упомянутого ранее экспе-

римента в режиме без добавочных (имитирующих гололедные) нагрузок.

Анкерный участок полукомпенсированной подвески марки ПБСМ-95 + 2МФ100 состоит из 17 пролетов, каждый длиной 75 м. В десятом пролете расположена средняя анкеровка. Обрыв произошел (был сымитирован) в четвертом пролете меж-

ду опорами З и 4. Начальное натяжение в несущем тросе 21 кН, а установившееся после обрыва у анкерной опоры в разных опытах от 9 до 11 кН. Оборванные концы несущего троса опустились на землю. На опорах 3 и 2 консоли повернулись в сторо-

ну от точки обрыва соответственно на 45 и 100 и вправо от обрыва на 55, 10 и 7°.

При обрыве трос, закрепленный в седле с плашками (см. рис. 13.7), переместился в сторону от обрыва: влево на опорах 3, 2 и 1 (см. рис. 9.5) соответственно 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

Рис. 9.4. Обрыв несущего троса в эксперименте

м. При проведении опытов было измерено, что продольные силы реакции, проти-

водействующие проскальзыванию троса, равны примерно 3,0—3,5 кН при закрепле-

нии троса в седле с помощью плашки и 1,5—1,75 кН для незакрепленного троса. В

пролетах 7÷10 перемещения малы.

Вследствие смещения частей несущего троса влево и вправо от точки обрыва струны левой и правой частей получат наклоны в противоположные стороны. Сред-

ние струны в «пролете обрыва» оборвались.

В смежных пролетах струны сохранились, но часть из них ослабла, и контакт-

ный провод повис как свободно подвешенный, т.е. его стрела провеса определялась

силой тяжести и его натяжением.

Расположение проводов в пролетах слева и справа от обрыва различно. До об-

рыва длина несущего троса в каждом пролете была больше длины пролета на l [см.

выражения (9.1) и (9.2)]. Общее удлинение несущего троса от анкерной опоры до

средней анкеровки (от первого до середины десятого пролета) 9,5 l. Слева до сере-

дины четвертого пролета упругое удлинение троса З,5 l, а справа 6,0 l. После об-

рыва трос как растянутая пружина будет стремиться сократить свою длину, при этом справа на большую длину, чем слева. В результате этого сокращения консоль у смежной 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 консолями примерно одинаковое. Гирлянды подвесных изолятор сохранят почти везде вертикальное положение, что говорит о небольшой разнице в натяжении троса по обе стороны от точки его подвеса. Эта разница в натяжениях уравновешивается силой трения троса в седле, не допускаю-

щей дальнейшего его проскальзывания, и силой трения в шарнирах консоли, пре-

пятствующей дальнейшему ее повороту относительно опоры. Разность этих сил не велика, и это видно из того, что консоли под их действием поворачивались не пол-

ностью, 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 резко снижению его натяжения.

Это может произойти в неизменном по длине пролете вследствие проскальзывания