Транспортная газета Евразия Вести

Разделы:

 Свежий номер
 Подшивка
 Материалы
 Новости
 О газете
 Редакция
 Подписка

 Консалтинг
 Лицензирование
 Сертификация
 Юридические
 услуги

 Партнеры
 Ресурсы сети
 Реклама на сайте

Поиск:


 

ЭЛТРАНС 2017


Версия для печати
Обсудить в форуме

Инновационные решения по контактной сети для высокоскоростных магистралей

Главный инженер проекта по электроснабжению ОАО «Мосгипротранс» Михаил Александрович Артемов и заместитель главного инженера по НИОКР АО «Универсал – контактные сети», кандидат технических наук Евгений Владимирович Кудряшов в своей статье раскрывают особенности технических решений по контактной сети КС-400, разработанной для применения на высокоскоростной магистрали Москва – Казань.

Инновационные решения по контактной сети для высокоскоростных магистралей
Схема 5-пролетного неизолирующего сопряжения
Типовая армировка опор на линии ВСМ
Алюминиевая консоль с фиксатором
Анкеровка контактной подвески
Фиксация трех подвесок в зоне воздушной стрелки
Инновационные решения по контактной сети для высокоскоростных магистралей
Инновационные решения по контактной сети для высокоскоростных магистралей
Инновационные решения по контактной сети для высокоскоростных магистралей
В 2016 году ОАО «Мосгипротранс» в консорциуме с Китайской инженерной железнодорожной корпорацией «Эр Юань» по заданию ОАО «Скоростные магистрали» выполнена разработка проектной документации для строительства участка Москва – Казань высокоскоростной железнодорожной магистрали Москва – Казань – Екатеринбург (ВСМ). Технические решения по контактной сети разработаны с привлечением российской компании АО «Универсал – контактные сети». Работа выполнена на основе международных и российских нормативных документов, анализа зарубежных аналогов, а также инженерных расчетов и результатов научных исследований с применением методов математического моделирования на конечноэлементных моделях.

Проектом предусмотрено преимущественное использование узлов и конструкций российского производства.

Технические решения по контактной сети учитывают крайне сложные условия эксплуатации ВСМ, не имеющие аналогов в мире. Максимальная расчетная скорость движения поездов составляет 400 км/ч, минимальная температура воздуха – минус 50 °С, толщина стенки гололеда на проводах контактной сети – до 15 мм.

Основной подсистемой контактной сети является контактная подвеска – система проводов, предназначенная для передачи электрической энергии от тяговых подстанций к электроподвижному составу (ЭПС) через скользящие контакты с токоприемниками. При разработке высокоскоростной контактной подвески наиболее сложной задачей является обеспечение надежного контакта между токоприемниками и контактным проводом. При отрывах токоприемника от контактного провода или при недостаточной силе контактного нажатия возникает электрическая дуга, что приводит к усиленному электрическому износу контактирующих элементов и ухудшает работу тягового оборудования ЭПС. При слишком сильном нажатии увеличивается механический износ, возникает опасность подъема контактного провода на недопустимую высоту с зацеплением токоприемником отдельных элементов конструкции контактной подвески.

С увеличением скорости движения процесс динамического взаимодействия токоприемника и контактной подвески существенно усложняется. Значительную роль начинают играть колебательные и волновые явления в контактной подвеске, приводящие к изменению в широких пределах силы контактного нажатия и, как следствие, резкому ухудшению качества токосъема. Важно, чтобы скорость распространения волны по проводам контактной подвески с запасом превышала скорость движения токоприемников. Для выполнения этого требования приходится увеличивать натяжение проводов, не повышая при этом их погонную массу. По этой причине в контактной сети ВСМ должны применяться специальные провода, обладающие очень высокими механическими характеристиками.

Контактный провод сечением 150 мм2 изготавливается из сплава медь-хром-цирконий или медь-магний и имеет прочность на разрыв не менее 540 Н/мм2. Проектное натяжение такого провода составляет 36 кН. Для сравнения: контактные провода обычной контактной сети для скоростей движения 160 км/ч имеют натяжение около 10 кН. Несущий трос контактной подвески сечением 120 мм2 должен изготавливаться из сплава медь-магний и иметь разрывное усилие не менее 70 кН. Его проектное натяжение – 28 кН.

Российскими предприятиями в настоящее время начато освоение производства проводов с требуемыми параметрами. Возможен вариант применение проводов китайского производства, хорошо зарекомендовавших себя на высокоскоростной линии Пекин – Шанхай.

Контактная подвеска КС-400 – цепная компенсированная с рессорными тросами в опорных узлах. Максимальная длина пролета составляет 65 м. В подвеске применены токопроводящие струны мерной длины из гибких бронзовых тросов сечением 10 мм2.

Параметры контактной подвески выбраны по результатам комплексных исследований на математической модели динамического взаимодействия «подвеска – токоприемники» UKS-Dynamic. В качестве примера приведены результаты одного из вычислительных экспериментов при взаимодействии контактной подвески КС-400 с двумя токоприемниками поезда CRH-380AL на скорости 350 км/ч. Представлены результаты моделирования для каждого токоприемника: траектории точек контакта их полозов с контактным проводом, кривые изменения контактного нажатия в расчетных пролетах, гистограммы контактного нажатия, таблицы значений основных интегральных параметров, характеризующих качество токосъема в сравнении с нормируемыми значениями по международным стандартам.

Основной результат моделирования – зависимость силы контактного нажатия от времени или положения токоприемника. Статис­тический анализ распределения силы контактного нажатия позволяет наиболее объективно судить о качестве токосъема. Степень разброса контактного нажатия относительно среднего значения Fm характеризуется стандартным отклонением ?. Качество токосъема считается удовлетворительным, если статистический минимум контактного нажатия Fm–3? положителен, а статистический мак­симум Fm+3? не превышает 350 Н при скоростях до 350 км/ч или 450 Н при скоростях свыше 350 км/ч. Из результатов видно, что качество токосъема у обоих токоприемников при взаимодействии с контактной подвеской является удовлетворительным. Разброс контактного нажатия относительно среднего значения выше у второго по ходу движения токоприемника. Это связано с процессом распространения поперечных волн по контактной подвеске. Волна, возбуждаемая первым токоприемником, ухудшает условия работы второго.

Чтобы определить максимально допустимую скорость движения ЭПС, моделирование взаимодействия токоприемников и подвески необходимо выполнить при различных значениях скорости. Результаты такого расчета удобно представлять в виде графиков зависимости статистических параметров контактного нажатия (среднего значения Fm, статистического максимума Fm+3? и статисти­ческого минимума Fm–3?) от скорости ЭПС. Такие зависимости для контактной подвески КС-400 при взаимодействии с токоприемниками поезда CRH-380AL в диапазоне скоростей от 300 до 420 км/ч. Моделирование выполнялось с шагом 5 км/ч. Так как при проектировании фактические пролеты могут получиться разными, графики построены для пролетов различной длины. Для всех вариантов качество токосъема удовлетворительное во всем диапазоне скоростей вплоть до 415 км/ч.

Аналогичные исследования проведены не только для промежуточных пролетов контактной подвески, но и для сопряжений, воздушных стрелок, зон средней анкеровки и ряда других узлов. Дополнительно проверялось влияние на допустимую скорость движения изменения климатических условий, погрешностей регулировки контактной подвески, изменения параметров токоприемников и множества других факторов.

Сопряжения анкерных участков контактной подвески КС-400, как правило, предусматриваются 5-пролетными. В стесненных условиях допускается применение 4-пролетных сопряжений с длинами переходных пролетов 55–65 м. С учетом повышенных натяжений углы излома проводов при выводе их из работы во всех случаях не должны превышать 5°.

Для борьбы с гололедно-изморозевыми образованиями на проводах контактной сети в системе электроснабжения предусматривается реализация схем плавки гололеда и профилактического подогрева проводов. При этом важной задачей становится обеспечение единого электрического сечения контактной подвески с целью равномерного прогрева проводов током плавки. Для этого на сопряжениях анкерных участков между переходными опорами монтируются дополнительные провода обвода 2М-120. Такое решение отличается от принятых в России типовых схем, является конструктивно более сложным, зато имеет следующие преимущества:

– не требуется устройство изолирующих струн;

– не требуется врезка дополнительных изоляторов в несущий трос в переходном пролете;

– гололед плавится не только на контактных проводах в переходных пролетах, но и на несущих тросах;

– подключение шлейфов электросоединителей выполняется к нерабочим частям контактных подвесок.

Указанные преимущества являются важными для высокоскоростного движения, так как позволяют избежать появления на проводах контактной подвески до­пол­нительных масс.

Типовая армировка опор на линии ВСМ

На опорах контактной сети, кроме контактной подвески, подвешивается питающий провод системы электроснабжения 2х25 кВ (ПП), а также обратный провод (ОП), который выполняет, в том числе, функцию заземления. Габариты опор составляют 3,5 м на земляном полотне и несколько больше (3,7 м) на эстакадах, что связано с необходимостью размещения кабельных лотков.

В качестве стоек для опор контактной сети приняты металлические двухшвеллерные конструкции, усиленные для обеспечения требуемых параметров жесткости в поперечной плоскости, а также жесткости на кручение.

Фундаменты опор на высокоскоростном участке приняты в виде буронабивных свай. Свая имеет диаметр 620 мм в теле земляного полотна с расширением кверху до диаметра 800 мм. Такие конструкции, в отличие от широко применяемых в настоящее время в России вибропогружаемых железобетонных фундаментов, имеют более высокую несущую способность, а также не оказывают отрицательного влияния на земляное полотно при установке.

Все несущие конструкции контактной сети ВСМ усилены с учетом высоких натяжений проводов, аэродинамических воздействий от высокоскоростного подвижного состава, а также повышающего коэффициента надежности по ответственности, принятого для контактной сети ВСМ равным 1,2.

Консоли и фиксаторы контактной сети выполняются из алюминиевых труб. В консолях применены современные стержневые полимерные изоляторы с кремний­органической оболочкой в птицезазищенном исполнении. Для обеспечения требований по устойчивости сжато-изогнутых стержней консолей изоляторы имеют повышенную толщину грузонесущего стержня 60 мм. Консольная арматура выполняется из алюминиевых сплавов методом высокоточного литья под давлением.

Дополнительные фиксаторы – трубчатые из алюминиевых сплавов. Их конструкция позволяет уменьшить сосредоточенную массу, передаваемую на контактный провод. Допустимое отжатие контактного провода при проходе токоприемника составляет 250 мм. При достижении указанного отжатия у фиксатора срабатывает специальный ограничитель подъема.

Шарнирные соединения консолей и фиксаторов по направлению протекания тока между контактным проводом и несущим тросом электрически зашунтированы. Это позволяет избежать повреждения элементов арматуры в условиях вибрации при нагреве электрическим током. Зашунтированная консоль фактически выполняет функцию поперечного электрического соединителя.

Анкеровки контактной подвески приняты с компенсаторами барабанного типа, широко применяемыми на большинстве ВСМ мира. Конструкция анкеровки обеспечивает компенсацию температурного удлинения проводов в диапазоне от минус 50 до плюс 80?°С (с учетом нагрева проводов токами нагрузки и солнечной радиацией) на длине анкерного участка 2х700 м. В анкеровках применены сдвоенные гладкостержневые изоляторы и усиленная арматура во всей цепи натяжения. Для предотвращения раскачивания гирлянд грузов применятся трубчатые успокоители с предварительно растянутыми трубами. Конструкция компенсаторов предусматривает защиту от падения грузов в аварийном режиме.

Стрелочные переводы по ходу высокоскоростного движения в проекте приняты с маркой крестовины 1/25 или 1/22. При таких переводах все воздушные стрелки по главным путям выполняются без пересечения проводов с дополнительной третьей подвеской. Особенностью конструкции такой воздушной стрелки и главным ее преимуществом по отношению к обычно применяемым в России стрелкам с пересечением является то, что подхват чужого контактного провода происходит без бокового удара по полозу движущегося токоприемника, а плавно – аналогично тому, как это происходит в переходном пролете сопряжения анкерных участков. При этом качество токосъема при прохождении воздушной стрелки не отличается от качества токосъема в переходном пролете сопряжения, что при прохождении воздушной стрелки с пересечением проводов получить в принципе невозможно. При данной конструкции воздушной стрелки исключается вероятность зацепления чужого контактного провода рогом токоприемника: провода на полоз токоприемника опускаются только сверху. При этом в зоне переходного пролета воздушной стрелки токоприемник при следовании ЭПС по главному пути взаимодействует с контактными проводами только двух контактных подвесок, не касаясь третьей подвески, уходящей на съезд или примыкающий путь. По этой причине на съезде нет необходимости устанавливать натяжения проводов контактной подвески такими же высокими, как по главным путям. На съездах и станционных путях применяется подвеска КС-170 с относительно малыми натяжениями. Это позволяет врезать в контактные провода секционные изоляторы обычной конструкции.

В зоне воздушных стрелок без пересечения проводов на опорах одновременно устанавливается по три консоли на траверсе.

За счет принятой в проекте схемы расстановки электрических соединителей на воздушных стрелках реализуются условия для плавки гололеда и/или профилактического подогрева проводов по аналогии с сопряжениями. Электрический ток протекает последовательно по трем подвескам, нагревая их в зоне воздушной стрелки до одинаковой температуры.

Реализация обратной тяговой сети (ОТС) и системы защитного заземления выполнена с применением обратных проводов, прокладываемых по опорам контактной сети с подключением к тяговым рельсам с помощью дроссель-трансформаторов через расстояния не более 1,5 км. Металлические стойки опор наглухо соединяются с обратным проводом, а также с арматурой фундамента, при этом арматура имеет специальные выпуски в землю. Таким образом, фундамент выполняет роль дополнительного заземлителя для обратного провода. Система ОТС с обратным проводом применяется на многих ВСМ мира, но в России проектируется впервые. Для определения параметров ОТС была разработана специальная математическая модель на основе метода конечных элементов, на которой выполнялись расчеты распределения токов и напряжений в проводах тяговой сети в рабочих режимах и режимах короткого замыкания, расчеты магнитного поля вокруг тяговой сети, расчеты распределения потенциала и растекания тока в поперечном сечении пути, а также расчеты напряжения прикосновения к рельсам и к стойкам опор. Исследовались различные возможные варианты реализации ОТС: с совмещенным и расщепленным обратным проводом, а также с шинными заземлителями.

Для контроля за параметрами контактной сети и выявления предотказных состояний проектом предусмотрена комплексная система мониторинга и диагностики, состоящая из мобильных диагностических комплексов (вагонов-лабораторий), диагностических средств на высокоскоростном подвижном составе, стационарных устройств мониторинга, распределенных по линии и единой системы сбора и анализа информации. Стационарные уст­рой­ства обеспечивают мониторинг целого ряда параметров, в числе которых – натяжение проводов контактной подвески, перемещение грузов компенсирующих устройств, температура контактных проводов в точках с максимальной плотностью тока, вибрация и наклон опор контактной сети, условия образования голо­леда и пр.

Для обеспечения заявленных характеристик взаимодействия с токоприемниками при скоростях движения до 400 км/ч важным условием является высокоточная регулировка контактной подвески. В рамках проекта разработаны основные материалы для выполнения строительно-монтажных работ, включающие таблицы допускаемых отклонений параметров сооружения устройств от проектных значений, карты пооперационного контроля качества строительно-монтажных работ, технологические карты. Разработано программное обеспечение для выпуска монтажных чертежей установки консолей и фиксаторов, мерных струн, а также монтажных графиков и таблиц для регулировки проводов и узлов контактной сети.

Технические решения по контактной сети ВСМ Москва – Казань оформлены в виде альбомов схемных и конструктивных решений с приложением обосновывающих расчетов и результатов математического моделирования. Проект прошел апробацию в профессиональном сообществе, вклю­чая техническую оценку международных экспертов. Проект согласован ОАО «РЖД» и утвержден генеральным заказчиком ОАО «Скоростные магистрали».

© Евразия Вести XI 2017



XI 2017

Евразия Вести XI 2017

О реформировании энергетического комплекса ОАО «РЖД» и развитии электросетевой деятельности

Тарифное регулирование услуг по передаче электрической энергии по сетям ОАО «РЖД»

Управление профессиональными рисками в области охраны труда

Ресурсосберегающие технологии энергообеспечения на железнодорожном транспорте

Новые технологии на МЦК

Долгосрочные перспективы электрификации сети российских железных дорог

Энергоэффективность электрифицированных магистралей

Энергетическая эффективность железнодорожных перевозок

Перспективные технологии капитального ремонта контактной сети и современные разработки МЭЗ

ПКБ И: взаимодействие с электроэнергетическим комплексом ОАО «РЖД»

Московское центральное кольцо – часть транспортной системы будущего столицы

Современные тенденции в технологиях реконструкции и строительства тяговых подстанций городского электротранспорта

ЭНЕРГОПРОМСБЫТ - основные задачи и перспективные проекты для нужд ОАО «РЖД»

10 лет на защите здоровья и жизни работников РЖД

Комплексные решения ЗАО «ЗЭТО» для строительства и модернизации тяговых подстанций

«ЭНЕРГОТРАНСИЗОЛЯТОР» - современные изоляторы для контактной сети

Видеоизмерительные системы диагностики контактной сети

Отраслевой Центр Компетенции на базе АО «ВНИИЖТ»

PDF-формат



 

Copyright © 2003-2016 "Евразия Вести"
Разработка: интернет-студия "ОРИЕНС"

Евразия Вести