Электроснабжение и контактная сеть

Тяговые подстанции

Электроэнергия, как известно, вырабатывается на тепловых 1 (рис. 1) или гидроэлектрических 2 станциях. Через высоковольтные линии электропередачи 3 она передается на тяговые подстанции 4. Тяговые подстанции служат для преобразования переменного тока напряжением 6—10 кВ в постоянный напряжением 600 В и подачи его в сеть для питания тяговых двигателей трамвайных вагонов. От тяговой подстанции через питающий фидер 5 и контактный провод 6 ток поступает в высоковольтные цепи трамвайных вагонов, а через рельсы 7 и обратный провод 8 возвращается на тяговую подстанцию.

Тяговые подстанции (рис. 2) имеют следующее оборудование: распределительное устройство 3 переменного тока 6—10 кВ, которое принимает электроэнергию и распределяет ее по агрегатам подстанции. В него входят сборные шины, масляные выключатели 2 для отключения переменного тока, разъединители для переключения линий высокого напряжения. К распределительному устройству обычно подводят две линии, которые могут работать как одновременно, так и по очереди — во время ремонтов, осмотров, в случае неисправности;

главные трансформаторы /, понижающие напряжение до величины, принятой для агрегатов подстанции;

преобразователи 4, которые преобразуют переменный ток в постоянный, необходимый для цепей трамвая, преобразователи соединены плюсовыми шинами (+) с питающими фидерами, минусовыми шинами (—) с отсасывающими фидерами;

распределительное устройство 6 постоянного тока, служащее для принятия тока от преобразователей напряжением 600 В и распределения его по питающим линиям, имеет плюсовые и минусовые шины, выключатели, разъединители и переключатели с приводами;

систему питания цепей собственных нужд подстанции, к которым относятся электроприводы насосов и вентиляторов, электрообогрев частей оборудования и помещения, питание зарядных агрегатов аккумуляторов, различных приводов, реле и т. д.; питание устройств Собственных нужд производится переменным током напряжением 220 В и постоянным током от аккумуляторной батареи.

Рис. 1. Схема электроснабжения трамвая:

1— тепловая электростанция,

2 — гидроэлектростанция,

3 — линия передач, 4 — тяговая подстанция,

5 — питающий фидер, 6 — контактный провод,

7 — рельсы, 8 — обратный провод

Для защиты линий и агрегатов подстанции от перегрузок и коротких замыканий применяют линейные выключатели и различные реле. Для измерения электрических величин на подстанции используют амперметры, вольтметры и другие приборы, которые включаются в цепи через добавочные резисторы, шунты и измерительными трансформаторы тока и напряжения.

Рис. 2. Пример расположения оборудования тяговой подстанции:

1 — высоковольтные трансформаторы, 2 — масляные выключатели,

3 — распределительное устройство переменного тока,

4 — кремниевые преобразователи,

5 — быстродействующие автоматические выключатели,

6 — распределительное устройство постоянного тока (600 В)

7 — помещение для оборудования собственных нужд подстанции,

8 — пульт управления

9 — служебно-бытовые помещения, 10—мастерские

На тяговых подстанциях чаще всего применяют кремниевые преобразователи. Кремниевые вентили (рис.3), выпрямляющие переменный ток, располагают на изоляционных панелях. Монтируют их в металлическом шкафу. Соединяют диоды последовательно по 4—6 шт. с целью исключения короткого замыкания при пробое одного из них. Для охлаждения преобразователя на шкафу установлен вентилятор, вращаемый электродвигателем. Выпускают кремниевые преобразователи и с естественным охлаждением. Большом преимущество кремниевых вентилей — их способность допуски значительные перегрузки.

Рис. 3. Кремниевый вентиль:

1 — шпилька с резьбой,

2 — мелный корпус,

3 — крышка,

4 - внешняя медная втулка,

5-гибкий вывод, 6-наконечник

Существуют также селеновые, меднозакисные и германиевые полупроводниковые вентили. У селенового вентиля (рис.4) анодом является круглая или прямоугольная стальная (или алюминиевая) пластина 1. На подкладку наносится слой висмута 2, затем слой кристаллического серого селена 3. Поверх селена накладывается контактный сплав 4 из кадмия и олова (или кадмия и висмута), который служит катодом.

Рис. 4. Селеновый вентиль:

1 — металлическая пластина,

2— слой висмута,

3 — слой селена, 4 — сплав

Основой меднозакисного вентиля служит диск 1 (рис. 5) из чистой красной меди, на одной стороне которого имеется покрытие 4 из закиси меди, создаваемое путем специальной термической обработки. На закись меди надевается графитнрозанная свинцовая шайба 5 или наносится распылением слой серебра. Анодом служит

Рис. 5. Меднозакисный вентиль:

1 — диск из меди,

2 — закись меди,

3 — запирающий слой,

4 — покрытие из меди,

5 — свинцовая шайба

контактный слои серебра или свинцовая шайба с наружным слоем меди, катодом — медная пластинка 2 с внутренним слоем закиси меди.

Выпрямители с селеновыми и меднозакисными вентилями широко используют для зарядки аккумуляторов, для питания приводов выключателей. Германиевые вентили на тяговых подстанциях не применяют.

Питание и защита контактной сети трамвая

В условиях города питание к контактной сети от шин тяговых подстанций подводится по подземным кабельным линиям. В некоторых случаях (в основном на загородных линиях) используют провода, подвешенные на опорах вдоль трамвайной линии.

Электрическим кабелем называется проводник, который имеет изолирующие и защитные оболочки и может быть проложен пол землей или под водой. Помимо основной токонесущей жилы 1 (рис.6) в кабеле имеются одна или две контрольные жилы 2, который подключают к контрольным измерительным приборам.

Рис. 6. Одножильный кабель марки СБ:

1— токонесущая жила,

2 — изолированные контрольные жилы,

3 — бумажная пропитанная изоляция,

4 — свинцовая оболочка,

5 — подушка из джута, пропитанного компаундом,

6 — стальная броня, 7 — покровная оболочка из пропитанного джута

В местах подключения кабелей к контактной сети устанавливают питающие пункты. У питающего пункта (рис. 7) подземный кабель 2 выводят на опору 1 или прокладываю по стене здания, и заделывают в концевой воронке 3. От концевой воронки отводится провод 4 соединенный с поперечным проводом 5 контактной сети, а от поперечного провода через отвод 7 питается контактный провод 9. В некоторых случаях для быстрого отключения контактной сети от питающего провода устанавливают рубильник.

Провод или кабель, по которому ток от тяговой подстанции проходит к питающему пункту, называется питающим фидером. Кабель прокладывают в специальных траншеях (рис. 8) на глубине не менее 700 мм.

Рис. 7. Питающий пункт:

1 — опора, 2 —кабель,

3 — концевая воронка 4,

5-провода, 6 - изоляторы,

7 —соединительный провод,

8 — поперечный несущий трос,

9 — контактный провод

Рис. 8. Траншея для кабелей:

1-кабель, 2-песок,

3 — защита из кирпича,

4 — земля

Защита тяговой цепи осуществляется автоматическими выключателями, они отключают сеть при коротких замыканиях. При нормальных скачках нагрузочных токов выключатели не срабатывают. При коротких замыканиях, происходящих вблизи тяговых подстанций, автоматические выключатели срабатывают успешно, поскольку ток короткого замыкания достигает больших величин. Труднее обеспечить защиту от коротких замыканий, происходящих на значительном расстоянии от подстанции, так как при этом существенную роль играет сопротивление линии. В этом случае устанавливают посты автоматического секционирования. Простейший пост секционирования контактной сети показан на рис. 9. Уставка автоматического выключателя 1 на подстанции П должна обеспечивать работу всех вагонов на двух участках линии. Ток короткого замыкания на ближайшем к подстанции участке АС будет больше тока уставки автоматического выключателя подстанции. Автоматический выключатель 2 поста секционирования ПС имеет меньшую уставку. Поэтому при коротком замыкании на отдаленном от подстанции участке СВ он отключает сеть. Применяются и другие болей сложные схемы защиты тяговой сети.

Провода или кабели, подводящие электроэнергию к питающим пунктам, защищают также автоматическими выключателями, находящимися на тяговой подстанции.

Рис. 9. Пост секционирования контактной сети

Отсасывающий фидер соединяет минусовую шину подстанции с рельсами. Рельсы слабо изолированы от земли, а земля — хороший проводник. Поэтому часть тока, возвращающегося по рельсам к минусовой шине подстанции, ответвляется и проходит через землю. Такие токи называют блуждающими. Эти токи вредны, так как, проходя по различным подземным металлическим сооружениям, разрушают их. Для уменьшения блуждающих токов рельсы в местестыка соединяют друг с другом сваркой или стыковыми соединениями 1 (рис. 10); выполняют соединения 2 между нитками одного пути через каждые 150—300 м (межрельсовые) и между всеми нитками данной линии через каждые 300—600 м (междупутные). По обе стороны крестовин и стрелок устанавливают обходные соединения 3.

Рис. 170. Схема рельсовых соединений:

1 — стыковое, 2 — межрельсовое, 3 — обходное

Существуют и другие способы борьбы с блуждающими токами. В некоторых случаях для уменьшения их вредного влияния всю поверхность подземных сооружений (например, трубопроводов) покрывают изолирующим веществом, в других подземные сооружения соединяют проводами с рельсами и отсасывающими фидерами. Отсасывающий фидер соединен с минусовой шиной подстанции. Место соединения отсасывающего фидера с рельсами называется отсасывающим пунктом (рис. 11).

Рис. 11. Отсасывающий пункт:

1 — чугунная муфта, 2 —жила кабеля;

3 — наконечник, 4 — гильза

Устройство контактной сети

Контактная сеть передает электроэнергию к находящимся в движении трамваям. Она состоит из следующих элементов: контактного провода, продольных и поперечных тросов, арматуры для крепления контактного провода, его регулирования и изоляции от заземленных частей, специальных частей.

Контактный провод непосредственно связан с потребителем энергии — подвижным составом. Изготовляют провода обычно из твердотянутой электролитической меди. Сечение провода 65, 85 и 100 мм². Специальный профиль (рис. 12) дает возможность удобно и надежно закреплять провод в зажимах.

Рис. 12. Профиль контактного провода

Типы подвески контактного провода.

При простой поперечной подвеске (рис. 13) контактный провод 3 крепится непосредственно к гибким поперечинам (тросам) 2. укрепленным на опорных конструкциях 1. Длина пролета между точками подвешивания составляет 30—35 м. Эта подвеска дешева и проста как для монтажа, так и для ухода. Существенный ее недостаток — значительная жесткость (малая эластичность), из-за которой при большой скорости движения значительно ухудшается процесс токосъема. В точках подвеса контакт провода и токоприемника нарушается, провод подгорает, изнашивается, уменьшается срок его службы.

Рис. 13. Простая поперечная подвеска:

1 — опорная конструкция,

2 — гибкая поперечина (трос),

3 —контактный провод

Разновидностью простой поперечной подвески является простая подвеска на цепной гибкой поперечине, отличающаяся только конструкцией поддерживающей поперечины (рис. 14).

Рис. 14. Простая подвеска на цепной гибкой поперечине:

1 — опорная конструкция.

2 — несущая поперечина,

3 — фиксирующая поперечина,

4 — контактный провод

При продольно-цепной подвеске (рис. 15) контактный провод 4 подвешивается к несущему тросу 2 на струнах 3, устанавливаемых через каждые 17—25 м. В этом случае уменьшается расстояние между точками подвешивания 5 контактного провода, но увеличивается расстояние между опорами 1 до 50—60 м. В каждом пролете устанавливают обычно две-четыре струны. При про дольно-цепной подвеске контактная сеть имеет большую эластичность, чем при поперечной. В результате увеличения эластичности контактной сети и уменьшения расстояния между точками подвешивания контактного провода улучшается токосъем и увеличивается срок службы контактной сети.

Рис. 15. Схема продольно-цепной подвески:

1- опоры, 2- несущий трос, 3- струны,

4 -контактный провод, 5 — точки подвешивания

Полигонную подвеску наряду с цепной применяют для уменьшения числа опор. Она состоит из двух несущих тросов, к которым крепят гибкие поперечины, а к ним в свою очередь подвешивают контактный провод. Расстояние между точками подвешивания контактного провода 15—20 м, пролет между опорами, к которым крепят несущие тросы, до 50 м и более.

Высота подвески провода. Контактная сеть в середине пролета обычно расположена над уровнем головки рельса на расстоянии не менее 5 м. Стрела провеса может доходить до 0,5 м. Поэтому за минимальную высоту точки подвеса контактного провода принимают 5,5 м. Для разных городов эта высота колеблется от 5,5 до 6,3 м. Устойчивая работа токоприемника и сети обеспечивается при отклонениях от нормальной высоты (допустимых) не более + 0,1÷0,15 м. Под путепроводами, мостами и в туннелях минимальная высота подвески провода составляет 4,2 м при условии плавного изменения высоты подвески с уклоном не более 20%. При большем уклоне скорость движения трамваев не должна превышать 10 км/ч. В местах пересечения железнодорожных линий расстояние от контактного провода до головки рельса должно быть не менее 5,75 м. В воротах зданий депо и вагоноремонтных мастерских (заводов) контактный провод находится на высоте не менее 4,7 м, а внутри зданий — не менее 4,7 м при эксплуатации вагонов с деревянным кузовом и не менее 5,2 м при наличии цельнометаллических вагонов.

Расположение контактного провода по отношению к оси пути. Чтобы обеспечить равномерный износ контактной вставки токоприемника, провод на прямых участках пути подвешивают зигзагообразно, вынося точки подвеса на 250—350 м от осевой линии в ту или другую сторону. Шаг зигзага между крайними положениями провода 120—140 м для простой подвески и до 300 м для цепных подвесок.

Подвесная арматура. К ней относятся: подвесной и соединительный зажимы, изоляционный болт, подвес для крепления подвесного зажима с контактным проводом к тросу.

Подвесной зажим (рис. 16) с одной стороны крепится к контактному проводу, а с другой — к изоляционному болту. Он состоит из двух щек 1 и 3 и скрепляющих болтов 2. Щека 1 имеет прилив с резьбой для изоляционного болта. Нижними гранями щеки 1 и 3 входят в вырезы контактного провода 4 и прочно удерживают его.

Для соединения контактных проводов друг с другом (сращивание при обрывах, установка дополнительных проводов и др.) служат зажимы. Соединительный зажим имеет три щеки: среднюю с нарезными отверстиями и две крайних. Весь зажим скреплен двумя болтами.

Рис 180. Подвесной зажим:

1,3 -щеки, 2-болты,

4 - контактный провод

Подвесом называется конструкция, служащая для крепления подвесного зажима к поперечному тросу или кронштейну. В подвесы обычно входят изоляторы, составляющие с ними как бы единое целое. Подвесы разнообразны по материалам, применяемым для их изготовления, и исполнению. Жесткий подвес (рис. 17), широко используемый, состоит из изоляционного болта 3 и двух оцинкованных щек 7, средняя часть которых имеет форму шапки болта-изолятора. Щеки подвеса после закладки в них болта склепывают и болт оказывается прочно заделанным. Трос 2 проходит между щеками корпуса под болтами 4. Такой подвес позволяет регулировать провод в поперечном направлении. Если контактный провод нужно только оттянуть, а не подвесить, применяют оттяжной подвес с одним плечом.

Рис. 17. Жесткий подвес:

1-оцинкованные щеки, 2 - трос,

3, 4 — болты

Гибкий неизолированный подвес (рис. 18) имеет дужку 4, серьгу 5 для крепления зажима к дужке, болты с гайками 2 для крепления подвеса к тросу 3. Преимущество гибкого подвеса — простота конструкции, он обеспечивает лучшие условия работы контактного провода. Для изоляции провода в рассечку троса включают изолятор.

Рис. 18. Гибкий неизолированный подвес:

1 — прижимная щечка,

2 — болт с гайкой,

3 — трос, 4 — дужка, 5 — серьга

Изоляция контактного провода. Для обеспечения электробезопасности транспорта, пешеходов и обслуживающего персонала применяют, как правило, двухступенчатую изоляцию. Контактный провод электрически изолируют от опор и стен зданий двумя последовательно включенными изоляторами. Изоляторы изготавливают из фарфора, пластмасс, дерева и других изолирующих материалов» Наиболее часто применяют пряжковые, орешковые фарфоровые изоляторы и изоляционные болты.

Пряжковый изолятор представляет собой стальную рамку, отпрессованную пластмассой. Для сопряжения с другими элементами контактной сети изолятор армируют двумя обоймами из полосовой стали.

Орешковый фарфоровый изолятор прост по конструкции. Армируют его двумя кусками стальной проволоки, которые охватывают! изолятор с разных сторон. Для соединения с другими элементами сети служат проушины из проволоки.

Изоляционный болт имеет фасонную головку, отпрессованную пластмассой. Головка укрепляется внутри подвеса, закрепляемого на тросе. В нижней части болта имеется резьба для навертывания зажима с контактным проводом. В контактной сети используют также изоляторы из дельта-древесины или лигнофоля, покрытые глифталевым лаком. Изоляторы имеют форму брусьев сечением 18X40X240 мм.

Опоры. Контактную сеть подвешивают на металлических (стальных), железобетонных и деревянных опорах (иногда на стенах зданий). Наибольшее распространение получили стальные опоры, так как их внешний вид (что очень важно для городских улиц) дает им значительное преимущество перед остальными опорами. На изготовление железобетонных опор расходуется немного металла, но они почти в два раза тяжелее металлических трубчатых опор и при тех же допустимых нагрузках имеют значительно больший диаметр. Деревянные опоры применяют на второстепенных линиях, где внешний вид контактной сети не имеет существенного значения.

Специальные устройства контактной сети. К ним относятся пересечения с контактной сетью троллейбуса, воздушные контакты автоматических стрелок, секционные изоляторы.

Пересечения с контактной сетью троллейбуса различны по конструкции, но во всех предусмотрен проход токоприемника троллейбуса по неразрезаемым проводам. Трамвайные провода разрезают, и скольжение токоприемника трамвая происходит по изолированным направляющим полозам (рис. 19). Ввиду этого водитель трамвая при проезде троллейбусных пересечений обязан выключать тяговые двигатели и снижать скорость, чтобы не выводить из строя самопересечение, токоприемник и электрооборудование вагона.

Рис. 19. Пересечение с контактными проводами троллейбуса:

1 — контактный провод трамвая,

2 — контактные провода троллейбуса,

3—изоляционная трубка,

4—6 — изоляционные направляющие полозы

Воздушные контакты автоматических стрелок последовательные (сериесные) и параллельные (шунтовые) устанавливаются на контактном проводе. Сериесные контакты включают последовательно с обмоткой электромагнита стрелки и силовой цепью вагона. Используют несколько конструкций таких контактов. Рассмотрим одну из них (рис.20). Контакт состоит из изолированных 6 и неизолированных 5 контактных полозов, выполненных из стальной проволоки диаметром 10 мм. Полозы смонтированы на двух стальных планках 2. В качестве изоляции применена бакелитовая трубка 3. Контакты установлены на контактном проводе 4 с помощью четырех зажимов 1. В сериесных контактах, конструкция которых показана на рис. 21, полозы изготовлены из стального уголка, а изоляционные вкладыши — из дельта-древесины.

Рис. 20. Сериесный контакт автоматической стрелки:

1 зажимы, 2 — стальные планки,

3 — бакелитовая трубка,

4 — контактный провод,

5, 6 —контактные полозы

Рис. 21. Московский сериесный контакт автоматической стрелки:

1 — зажимы с планкой, 2 — фиксирующие болты,

3 — изоляционные вкладыши,

4 - контаный провод,

5 —неизолированные полозы,

6 — изолированные полозы,

7 — клемма ления провода от сериесного электромагнита стрелки

Шунтовые контакты (рис. 22) включены параллельно силовой цепи вагона и последовательно с параллельной обмоткой электромагнита стрелки. Контакт состоит из двух полозов 4, выполненных из стальной проволоки диаметром 5 мм. Они собраны на двух изоляционных колодках 2 из дельта-деревесины с дополнительной изоляцией из бакелитовой трубки 1. В контактах некоторых типов вместо колодок и трубок применяется подвес из стеклопластика. Шунтовой контакт устанавливают на контактном проводе 3 с помощью двух зажимов 5.

Рис. 22. Шунтовые контакты автоматической стрелки:

1- бакелитовая трубка,

2 — изоляционные колодки,

3 — контактный провод,

4 — полозы, 5 — зажимы

Секционные изоляторы. Контактную сеть для большей надежности обычно разделяют на электрически независимые участки с таким расчетом, чтобы выход из строя одного из них не вызвал прекращения работы смежных участков. Такое деление называют секционированием контактной сети. Производится оно с помощью секционных (участковых) изоляторов нескольких типов, но наибольшее распространение получил изолятор системы П. Д. Сычева (рис. 23). Он состоит из двух пряжковых изоляторов 2, соединительной планки 4, дополнительных проводов 1, нейтральной вставки 5, изолированного подвеса 3. Изолятор прост по конструкции, легок и в нормальных условиях мало подгорает. Недостаток изолятора—в легком перекрытии электрической дугой, при котором он сильно разрушается.

Рис 187. Изолятор конструкции П. Д. Сычева:

1- дополнительные провода, 2 - пряжковые изоляторы,

3 - изолированный подвес, 4 - соединительная планка,

5 — нейтральная вставка

В последнее время получает распространение секционный изолятор СИТ-Д (рис. 24). Основное отличие его в том, что он имеет дугогасительное устройство. При движении токоприемника по первому ходовому элементу 2 питание трамвая осуществляется через дугогасительную обмотку 9. При этом в воздушном промежутке под камерой и в самой дугогасительной камере 8 создается электромагнитное поле, которое взаимодействует с полем электрической дуги, возникающей в воздушном зазоре, перемещая дугу в камеру, где она и гаснет.

Рис. 24. Секционный изолятор типа СИТ-Д:

1-направляющий полоз, 2-первый ходовой элемент,

3 - дугогасительные рога, 4 — второй ходовой элемент,

5-контактный провод, 6 - ушко для подвески,

7 - изолирующая рама,

8 — дугогасительная камера, 9 — дугогасительная обмотка

Устройства сезонной регулировки контактного провода. В связи с изменением температуры в течение года меняется и длина контактного провода, его натяжение и провес. Для создания благоприятных условий токосъема два раза в год — весной и осенью — проводят сезонную регулировку натяжения контактного провода. Весной, чтобы предупредить провесы, провода подтягивают, а осенью, перед наступлением морозов, натяжение проводов ослабляют. Регулируют натяжение контактного провода с помощью специальных температурных винтов, которые устанавливают через каждые 400—500 м.

Рис. 25. Грузовой компенсатор:

1 — опора, 2 — неподвижный блок,

3 — трос,

4 — подвижные блоки, 5 - анкерный трос,

6 — набор грузов внутри опоры

В последнее время для этих же целей стали использовать грузовые компенсаторы (рис. 25). Контактный провод соединяют с анкерным тросом, закрепленным на грузовом комиенсаторе. Применение грузовых компенсаторов дает большие преимущества, так как отпадает необходимость сезонной регулировки натяжения контактного провода. Его удлинение и укорачивавшие происходит за счет передвижения по блокам троса с грузами.

Характерные неисправности контактной сети. В контактной сети под воздействием токоприемников, естественного износа, атмосферных явлений возникают изменения, которые могут вызвать неисправности и поломки сети. Наклон или падение опоры может произойти от удара при наезде транспорта или удара по закрепленной на опоре поперечине; при захвате токоприемником поперечины троса и других причин. Обрыв или пережог поперечины или элементов тросовой системы происходит от короткого замыкания, удара или зацепления токоприемником: вследствие коррозии и других причин. Обрыв контактного провода может произойти от удара по нему токоприемником, пережога при коротком замыкании, местного износа или надлома. Короткое замыкание возникает при замыканиях в силовой цепи трамвая, падении оборванных поперечин, проводов и тросов уличного освещения. Поджоги возникают при неплотном контакте токоприемника на узлах и спецчастях сети или при буксовании подвижного состава.