Контактные сети и ЛЭП

что приводит к сухому трению и усиленному износу контактных проводов.

Рис. 14.2. Классификация вставок (пластин) токоприемников

Сухую графитовую смазку (СГС-О), представляющую собой смесь графита и кумароновой смолы, наносят в горячем состоянии на полоз, заполняя пространство между контактными пластинами, где она застывает. Растворенная на дихлорэтане

(СГС-Д), она используется для подмазки выкрошившихся участков. При движении по проводу происходит графитация его контактной поверхности и уменьшение ко-

эффициента трения, что приводит к уменьшению изнашивания. При вымывании

графитации в дождливое время провода подмазывают.

Технические характеристики контактных материалов должны обеспечивать надежный, экономичный и экологичный токосъем в любых реальных условиях экс-

плуатации. К ним относят: электропроводность, прочность, коэффициент темпера-

турного удлинения, модуль упругости, пластичность, коррозионную стойкость, спо-

собность генерирования шума, а также радио- и телепомех. Такими же важными свойствами являются дугостойкость, твердость, коэффициент трения, износостой-

кость. Для вставок (пластин) токоприемников важны еще их масса и способность нагрева контактных проводов.

Большинство параметров, характеризующих свойства контактных материалов,

могут быть получены при испытании каждого из них по отдельности, а некоторых

— только вместе, только для конкретных контактных пар, например, коэффициент трения для пар: медь/медь, медь/уголь, медь/металлокерамика, сталь/алюминий.

Часть свойств таких материалов нельзя определить в линейных условиях и лишь в лаборатории можно поставить «чистый» эксперимент, исключив ряд эксплу-

атационных факторов, которые однако могут исказить результаты. Одной из важ-

нейших задач таких исследований является получение зависимости износа материа-

лов от нажатия и величины тока — U- образную кривую, необходимую для анализа коэффициента экономичности.

Стенд (рис. 14.3) для испытаний содержит: контактную вставку, контактный провод с термопарой, источник постоянного тока, нагружающее устройство, прибо-

ры, регистрирующие ток и температуру, часы для измерения времени, за которое нагревается провод под нагрузкой. Нажатие одной вставки должно быть равно ста-

тическому нажатию рам токоприемника, поделенному на число вставок полоза.

При проведении испытаний нагрузочный ток постепенно увеличивают до уста-

новившейся температуры вставки. При температуре 200° С фиксируют максималь-

ный длительно допускаемый ток испытуемой вставки. По данным В. Я. Берента, в

этом случае рекристаллизации медных проводов не будет.

Динамический коэффициент использования контактных материалов токопри-

емника. Обеспечение скоростей движения до 300—350 км/ч потребовало введения

новых качественных характеристик контактных материалов. Это связано с тем, что для обеспечения надежного токосъема при таких скоростях необходим токоприем-

ник с минимальной массой полоза, которая определяется массами контактных вста-

вок и каркаса полоза.

Для оценки и снижения массы полоза в ОмГУПСе был предложен новый каче-

ственный параметр— динамический коэффициент использования вставок, представ-

ляющий отношение длительного тока, снимаемого ей при движении, к погонной массе неизношенной вставки. Применение этого коэффициента позволило оценить и по возможности снизить полную массу полоза, однако дальнейшее уменьшение его массы стало возможно только за счет увеличения тока и уменьшения массы вставок.

Для наиболее тяжелого режима, дающего наименьший допустимый ток вставки,

необходимо учитывать, что величина тока при движении, по которой следует про-

водить испытания конкретного типа вставки, в семь раз больше силы тока на стоян-

ке и что кроме тока тяговых двигателей надо иметь в виду токи, идущие на соб-

ственные нужды и отопление пассажирских вагонов.

Рис. 14.3. Схема стенда для испытания контактных вставок: 1 — контактная вставка; 2— контактный провод с термопарой; 3— источник постоянного тока; 4 — нагружающее устройство; 5 — прибор, регистрирующий ток; 6— прибор, регистрирующий температуру

14.3. Изнашивание при передаче электрической энергии через статический, разрывной и скользящий контакт «провод — токоприемник»

Процесс перехода электрического тока из одного проводящего твердого тела в другое представляет собой сложное физико-химическое явление. Его можно после-

довательно рассматривать для разных видов контакта: статического, разрывного и наиболее сложного — скользящего с отрывами, где электроискровые и электродуго-

вые процессы совмещаются с процессами внешнего трения. При этом в каждый мо-

мент времени действует сочетание большого количества переменных параметров.

Особенно сложен процесс «токоприемник — провода контактной подвески».

Статический электрический контакт используется в токопроводящих деталях и узлах контактных сетей и ЛЭП. Статические контакты могут быть: безарматур-

ными, соединяемыми холодной или аргоновой сваркой, а также сваркой взрывом;

неразборными. соединяемыми обжимом или опрессовкой овальных соединителей;

разборными — болтовыми, клиновыми, цанговыми.

Качество статического контакта зависит от чистоты соединяемых поверхно-

стей, достаточности площади и давления при соединении деталей. При снижении давления может возникнуть электровзрывная эрозия. Считается, что в каждый мо-

мент времени касание поверхностей в статическом контакте может быть не более,

чем в трех точках.

Разрывной электрический контакт может быть искровым или дуговым в зави-

симости от потенциальных условий, которые, в свою очередь, влияют на послед-

ствия разрывов — радио- и телепомехи или отжиг (пережог) проводов.

Разрывной контакт характеризуется сухо- и мокроразрядным или пробивным напряжением, а также градиентом напряжения в воздушном промежутке между контактами токосъемных устройств, зависящим от величины зазора, который, в

свою очередь, определяется динамикой взаимодействия, вибрациями контактной пары или наличием гололеда. Величина разрываемого тока определяется мощно-

стью ЭПС с учетом индуктивностей в схеме ЭПС и временем (продолжительностя-

ми отрывов). Процесс изнашивания контактов при разрывах электрического тока аналогичен электроискровой или анодно-механической обработке металлов.

Скользящий контакт при токосъеме «токопровод— токоприемник» определя-

ется как механическими воздействиями, так и процессами, связанными с прохожде-

нием тока.

Процесс токосъема осуществляется при одновременном перемещении токопри-

емников, оборудованных, как правило, угольными или (реже) металлокерамически-

ми вставками, работающими с использованием сухой графитовой смазки. При таком механизме токосъема образуется высокое переходное сопротивление, что определя-

ет повышенный уровень нагрева поверхностей проводов, иногда приводящий к ре-

кристаллизации меди. Изнашивание в этом случае сопровождается более интенсив-

ным отделением частиц металла за счет взаимодействия одной из поверхностей с расплавленными микроучастками другой.

Процесс, происходящий в скользящем контакте между контактным проводом и токоприемником, весьма сложен, причем его физические параметры (площадь, дав-

ление, ток и пр.) меняются в значительных пределах и зависят от многих факторов.

Теория износа проводов и вставок при взаимодействии токоприемников с кон-

тактными подвесками включает в себя как анализ специфики токосъема с гибких контактных подвесок токоприемниками с различными контактными материалами при заданных скоростях движения, так и определение одного из критериев токо-

съема— коэффициента экономичности. Для понимания возможностей его исполь-

зования целесообразно иметь представление о виде сбоку и расположении в плане контактного провода анализируемого пролета (рис. 14.4, а,б)и виде спереди полоза токоприемника (рис. 14.4, в).

Определение коэффициента экономичности для пролета компенсированной подвески (с неизменными в течение года стрелами провеса) возможно, если имеют-

ся в качестве исходных данных нанесенные на схему (рис. 14.4, г): 1) зависимость интенсивности износа от величин нажатия и тока j(РЭ,1Э) для рассматриваемой скользящей контактной пары (U-образная кривая); 2) кривые контактного нажатия в рассматриваемом пролете (при заданных скорости движения, длине пролета, высот-

ном положении, жесткости, сухом и вязком трении, массе контактной подвески) для обеих пластин Р’к и Р"к. По этим кривым, полученным теоретическим или экспери-

ментальным путем, следует рассчитать две гистограммы n’(Р’к), n”( Р"к), показыва-

ющие количество случаев для каждого интервала нажатия, имеющего конкретную величину износа. Износ в пролете получится как сумма при перемножении коли-

чества случаев на значения износов.

Это можно сделать графически, разделив пролет с контактными нажатиями вертикальными линиями на множество интервалов, в каждом из которых среднее значение кривой заменив прямой. Нажатие конкретного интервала следует горизон-

тальной линией снести влево до пересечения с U-образной кривой износа. Получен-

ное значение износа снести вниз до оси абсцисс и затем циркулем перенести его на вертикальную ось шкалы износа в пролете и далее до конкретного интервала. Полу-

ченный ограниченный интервалом прямоугольник пропорционален прогнозируемой площади износа в данном месте пролета и полоза токоприемника (в соответствии с твердостями их материалов). Износ в пролете получается как сумма площадей изно-

са для всех интервалов. Поделив эту сумму на длину пролета, определяют средний износ, поделив его на токоприемнико-проходы — коэффициент экономичности

(ориентировочно — удельный износ).

Коэффициент экономичности может быть получен в весовом (натуральном) и

денежном выражении. Весовой коэффициент экономичности кэ приближенно харак-

теризует размер потерь площади сечения (массы, объема) 1 км контактного провода при проходе под ним токоприемника и потери площади сечения (объема, массы)

контактными пластинами токоприемника при его движении по проводу такой же длины. Обычно берутся потери, вызываемые 1000 проходами токоприемников, а

сам коэффициент измеряется в кг/1000 токоприемником (под токоприемником под-

разумевается число проходов единицы ЭПС по участку длиной 1 км).

Можно определить потери массы провода и пластин для участка сети, равного длине пролета (так как именно для него имеются кривые контактного нажатия). Ко-

личество рассматриваемых в пролете интервалов (число случаев выборки) n=Σni.

Рис. 14.4. К определению коэффициента экономичности при токосъеме: вид простой контакт-

Участок пролета, на котором будет действовать нажатие с разрядным числом PKi,

получим как ni l/n.

Тогда потеря П массы провода или пластин в пролете при проходе одного то-

коприемника

(14.1)

Весовой коэффициент экономичности Кэ, характеризующий потерю массы на участке 1 км при проходе 1000 токоприемников (при износе j в кг/км) равен

(14.2)

14.4.Общий и местный износ контактных проводов

ивставок токоприемников

Срок службы контактных проводов мог быть больше, если бы они изнашива-

лись равномерно во всех пролетах всех анкерных участков. В действительности приходится заменять контактные провода, когда общий износ еще не достиг макси-

мально допустимого, а местный уже превысил нормы. Так же происходит при экс-

плуатации контактных вставок токоприемников. Местный износ не только снижает экономичность токосъема, но и ухудшает его экологичность и надежность, особенно на участках железных дорог, электрифицированных на постоянном токе.

Причины появления местного износа кроются как в конструкции подвесок

(например, переменный угол износа проводов), так и тщательности их монтажа и эксплуатации (например, постоянный угол износа).

Переменный угол износа возникает вблизи фиксаторного держателя в случае применения рессорной струны в полукомпенсированной подвеске. При изменении температуры у контактных проводов под опорой меняется высота подвеса. Это вы-

зывает периодический разворот проводов фиксатором.

Постоянный угол износа вносит погрешность в измерения износа, создает

опасность задевания за зажим токоприемником и появляется там, где провода по-

вернуты при монтаже (постоянно).

Расположение контактных проводов подвески в плане (тип подвески), сказыва-

ется на форме и интенсивности износа вставок (пластин) токоприемника. Согласно методике определения влияния типа подвески, предложенной Э. Швайгером, крите-

рием износа является тангенс угла τ между проводом и осью пути. Равномерный из-

нос накладок связан с постоянным перемещением провода по полозу поперек пути.

Время, на которое провод задерживается в каждой точке, должно быть одинаково.

Должна быть постоянной и поперечная составляющая скорости, которая зависит от угла τ между проводом и осью пути. Поэтому tg τ можно принять за критерий изно-

са. Провод с любой кривизной можно представить в виде значительного количества интервалов простых зигзагообразных участков, к каждому из которых можно прове-

сти касательные, т.е. выполнить графическое дифференцирование.

С помощью описанной методики проанализирован износ пластин токоприем-

ников (рис. 14.5, а, б) при вертикальных (КС-200) и полукосых (ТЭЛПа) подвесках с разными зигзагами. На рисунке представлены контактные провода с различными зигзагами и нанесены значения износа для соответствующих частей полоза то-

коприемника. Между величиной зигзага и tg τ (износом вставки) установлена обрат-

но пропорциональная зависимость. Если принять износ вставок, получающийся при нормальном зигзаге величиной 0,3 м, за единицу и выразить через него износы при других зигзагах, то оказывается, что вставки при зигзаге в 0,1 м износятся в три раза скорее, чем при нормальном зигзаге.

Рис. 14.5 Темпы местного износа пластин токоприемников при разном зигзаге проводов вертикальных (а) и полукосых (б) подвесок, полученные графическим дифференцированием (е); у — зигзаг; х — расстояние от середины пролета; b — расположение провода в плане; j — износ пластин