Оглавление цикла «ТЭД — труженик электродвигатель»
Другой цикл канала — «Тушкины потроха»
Обновлено 23.08.2021 — разъяснено заземление рельсовой сети и фазы С
Локомотив рассекал прохладную октябрьскую темень. Позади остался областной вокзал, притихший в ожидании ночных поездов, спуск от вокзала к реке Самаре, где мы немного порекуперировали, и сейчас хвостовые вагоны грохотали по мосту через Свинуху — границу Самары и Новокуйбышевска. Впереди лежала станция Липяги, за ней — самый тяжёлый подъём от Кинеля до Сызрани, на Новокуйбышевскую.
Через пару минут мы уже на станции. Дорога здесь петляет, словно принюхиваясь — как бы облегчить подъём, вот и за станцией она берёт круто вправо, а прямо лежат Солдатский лес и дачи. Машинист говорит:
— Сейчас за окном сверкать будет!
И как по мановению волшебной палочки из-за леса взлетают яркие светлячки фейерверка! Красные, зелёные, огненные! Видать, кто-то празднует День водителя. Машинист ошалело посмотрел на наколдованное им светопредставление и сказал:
— Нет, не это! Здесь токораздел!
Вокруг и правда полыхнуло бело-синим — токоприёмник электровоза переплыл с одной секции контактной сети на другую, потянув на прощанье дугу.
В прошлом выпуске нашего журнала показан путь «электронов» из энергосети до выхода выпрямителя. Сейчас поедем дальше. Читая статью, вы поймёте, почему я так долго и занудно рассказывал про индуктивность и реактивное сопротивление :)
Итак, после выпрямителя ток проходит фильтр — чтобы добить оставшиеся пульсации и накормить моторы локомотива током, максимально похожим на постоянный. В роли фильтра работает сглаживающий реактор — огромная индуктивность. Чтобы не изолировать реактор от земли, он включён в минусовую цепь — ведь в роли минусового провода использованы рельсы, а они тоже заземлены. Здесь реактор стоит под навесом у здания подстанции:
Минусовые провода к рельсовой сети идут прямо от реактора, плюсовые же от плюсовой шины выпрямителя идут через быстродействующие выключатели (аппараты защиты) и разъединители. Первые работают как автоматы защиты — отключаются при опасных режимах, а вторые служат для создания видимого разрыва — например, при работах на одном из выключателей, чтобы изолировать его от контактной сети.
Красные головки разъединителей хорошо видны в верхней части снимка, а выключатели стоят в помещении. Всё вместе это — распределительное устройство 3,3 кВ (РУ 3,3 кВ). Причём РУ стоят не только на подстанциях, но и между ними — в так называемых серединах межподстанционных зон. И называются такие РУ-бирюки постами секционирования (ПС). Для чего они нужны — в другой раз, пока посмотрим снаружи:
Как видим, каждое направление каждого пути — отдельная плюсовая линия, подключённая к общей плюсовой шине (самая нижняя часть впечатанной схемы) через разъединитель и выключатель. Разница только в том, что на подстанции эта общая шина питается от выпрямителя, а на ПС — от контактной сети, на какую-то секцию нагрузка всегда больше и она подпитывается через шину от соседних.
Итак, в проводе плюс, в рельсах минус — можно ехать. Только вот на пути тока в рельсах встают изолирующие стыки (изостыки) — ведь в рельсах течёт не только тяговый ток, но и сигнальный, благодаря которому работают автоблокировка (автоматические светофоры) и переездная сигнализация.
Участки протекания этих сигнальных токов разграничены этими самыми изостыками — рельсы скреплены не обычными цельнометаллическими накладками, а изолирующими, плюс между рельсами вставлена пластиковая прокладка (на жаргоне — «вертолёт»). Сейчас уже существуют прогрессивные системы сигнализации (с тональными рельсовыми цепями), где изостыки не нужны, но большинство участков ещё со старыми системами.
Чтобы тяговый ток не пробивал изостыки, а спокойно проходил мимо них, но в то же время чтобы не замыкались накоротко сигнальные цепи — применены дроссель-трансформаторы (ДТ):
Тяговый ток проходит через полуобмотки ДТ, через среднюю точку течёт в соседний ДТ и через его полуобмотки продолжает путь по рельсовой сети. А для сигнального тока низкого напряжения индуктивность ДТ оказывается непреодолимой.
Средняя точка ДТ заземлена, а возле подстанции к ней подключён и минус подстанции, то есть рельсовая сеть заземлена, но хитро — чтобы через эту землю не замыкался сигнальный ток. Поддержание сопротивления балласта (щебёнки, если по-простому), чтобы светофоры не выдавали цветомузыку, является проблемой, причём не только на электрифицированных дорогах — а на всех, где есть рельсовые цепи.
А секции контактной сети разделены воздушными промежутками:
В некоторых случаях разъединитель выключается, тогда на секциях КС получается разное напряжение, и переходящий с одной на другую токоприёмник их замыкает. На этот случай перед воздушным промежутком устанавливается световой знак «Опустить токоприёмник», при выключенном разъединителе на нём начинает мигать световая полоса:
В трамвайной и троллейбусной контактных сетях, где, как известно, 600 вольт постоянки, для разделения секций ставятся секционные изоляторы или просто секционы. Они обеспечивают переход токоприёмника с секции на секцию без их перемыкания, но буквально несколько сантиметров машина должна проехать по инерции — это бестоковый промежуток, прикрытый сверху дугогасительной камерой:
Если встать на нём — то потом вагон можно запустить только с толкача...
Грузы-компенсаторы поддерживают натяжение контактной сети — чтобы провода не лежали на токоприёмниках при тепловом расширении и не рвались при охлаждении. В облачный летний день отлично видно (а по скрипу блоков порой и слышно), как они работают: набежало облако — груз чуть вверх, выглянуло солнце — груз вниз.
Натяжение провода особенно важно на больших скоростях движения — токоприёмник должен безотрывно следовать за профилем провода, но увеличивать его нажатие, чтобы он сидел плотнее, нельзя — провод будет сильно перетираться. Поэтому у контактной сети такая сложная конструкция — несущий трос, к которому на струнках подвешивается провод, секции, компенсаторы...
А на постоянном токе — ещё и двойной контактный провод, так как токи достигают нескольких килоампер. На открытых участках, где дуют сильные ветры, встречается ромбовидная подвеска — она более жёсткая:
На переменном токе провод, как видим, одинарный, зато изоляторы вдвое длиннее, так как вынуждены держать намного большее напряжение. Встречается как привычная подвеска — несущий трос на своём изоляторе, фиксатор контактного провода на своём изоляторе, так и подвеска с изолированными консолями:
Если компенсаторы поддерживают натяжение только контактного провода — подвеска называется полукомпенсированной, если и провода, и троса — компенсированной. И, конечно, нельзя не вспомнить зигзаг провода — такая его подвеска обеспечивает равномерную выработку накладок токоприёмника:
Настал черёд переменного тока 25 кВ, 50 Гц. Если подстанция постоянного тока выпрямляет три фазы в постоянный ток, то напрямую три фазы в обычную контактную сеть не подать — проводников лишь два, контактный провод и рельсы. За рубежом (кажется, в Италии) есть двухпроводная контактная сеть — вкупе с рельсами они подводят на локомотив 3 фазы. Но это на порядок сложней и хлипче, распространения не получило.
На большинстве дорог, электрифицированных на переменном токе промышленной частоты, применено подключение рельсовой сети к фазе С, а контактной — поочерёдно к фазам А и В. Фазы в этом случае загружены неравномерно, что вызывает в энергосистеме очень вредное явление по имени «перекос фаз», но это самая простая и надёжная система:
Для перехода токоприёмников с фазы на фазу без их короткого замыкания (через токоприёмник в момент перехода) устроены короткие секции сети, при нормальной работе стоящие без напряжения — нейтральные вставки. При необходимости (остановке поезда на вставке) на неё можно подать напряжение включением разъединителя.
Выходит, что электровоз получает две фазы — АВ либо АС. Но между двумя фазами без нуля (двумя точками) можно провести лишь один вектор, поэтому электровозы этой системы принято называть электровозами однофазного тока.
Острый Глаз непременно заметил, что фаза С заземлена. Как это вообще возможно и почему никого не убивает этими киловольтами? Очень просто, чтобы кого-то убивало — нужно, чтобы была разность потенциалов. В обычной для дома системе 0,4 кВ (она же 220/380 В) заземлена нейтраль (ноль) — поэтому земля находится под напряжением нулевого провода.
Поэтому прикосновение к любой фазе создаёт цепь с фазы через землю на ноль. Напряжение нулевого провода тоже далеко не всегда равно нулю, кто захочет — может спросить у Яндекса, что такое напряжение смещения нейтрали... Напряжение между фазой и нулём называется фазным, между двумя фазами — линейным, связаны они в симметричной системе через корень из трёх (~1,73). Можете проверить: 220 х 1,73 = 380,6.
В системе же 27,5 кВ нуля вообще нет, ибо чаще всего вторичная обмотка трансформатора соединена в треугольник, и заземлена одна из имеющихся точек — фаза С. Потенциал её уравнен с землёй, других общих точек с землёй у цепи нет — в итоге страшная с виду фаза оказывается безопасной. Вспомните физику — всё зависит от того, что принято за точку отсчёта.
Впрочем, у рельсовой сети и балласта тоже есть сопротивление, и иногда, коснувшись во влажную погоду одновременно рельса и балласта, можно получить лёгкий укус... Но эти десятки вольт в тысячу раз меньше того, что потрескивает между контактным проводом и рельсом.
Читая обозначения фаз — А, В, С — и вообще обозначения латинскими буквами, не забывайте, что по-русски они читаются как «А, Б, Ц». По идее, каждый, кто учился в школе и чертил треугольник АВС, должен это помнить, но я недавно посмотрел одну из поздних серий «Масяни», про геп@Tит, и был крайне разочарован тем, что тип своего заболевания она назвала «си». Что витамин был и будет «Ц», что геп@Tит, а все эти «сюсюканья» оставим юным продавцам-консультантам, называющим USB-кабель типа С китайским звуком «тайпси». Сразу всё годами копившееся уважение к Куваеву как рукой сняло после этой серии...
Вернёмся к нейтральной вставке. Она обозначается, хе-хе, нейтральным смайликом:
Этот знак означает «отключить ток на электровозе» — нужно сбросить тягу, выключить вспомогательные машины, а иногда (в зависимости от местных инструкций) и ГВ (главный выключатель) — то есть отключить главный трансформатор от сети. Опоры, между которыми непосредственно находится вставка, маркированы чёрно-белыми полосами.
Через 50 м после вставки, когда токоприёмники электровоза гарантированно её покинут, стоит знак, похожий на букву U — «включить ток на электровозе», а через 200 м — два знака, что значит «включить ток на моторвагонном поезде».
А как поменять электровоз одного рода тока на другой? Постояннику под 25 тысячами вольт делать нечего, а двигатели переменника, рассчитанные на питание от тр-ра напряжением около 1 кВ, не вынесут 3000 вольт. Для смены электровозов существуют станции стыкования — каждая секция контактной сети на них может получать питание нужным родом тока. На них можно увидеть рядом переменник и постоянник — скажем, ВЛ80 и ВЛ8:
Для переключений на станции установлены пункты группировки с ячейками переключателей:
Вот я у одного из переключателей, выкаченного из ячейки:
Устроен он несложно — два неподвижных контакта (с постоянным и переменным током), подвижный контакт (на фото ниже наклонён влево) и электропривод типа стрелочного. Подвижный контакт может занять одно из трёх положений — постоянный ток, переменный и нейтральное (выключенное):
Управляются переключатели от системы СЦБ (сигнализация, централизация, блокировка) станции — то есть, попросту говоря, они сблокированы со стрелками. Собирает дежурный по станции маршрут с переменнотокового перегона — секция КС пути приёма получила переменный ток. Переменник отцепился, ушёл в тупик, дежурный задаёт маршрут с постояннотокового ПТО (пункта техобслуживания) для прицепки к поезду постоянника — та же секция получает постоянный ток.
В России станции стыкования находятся в Горячем Ключе, Сухиничах, Вязьме, Свири, Бабаеве, Сызрани, Владимире, Рязани (Рязань-II), Дружинине (западнее Екатеринбурга), Балезине (между Кировом и Пермью), Мариинске (между Нск и Красноярском), Инзере (в башкирских горах, недалеко от знаменитой Ямантау), да много где... В Украине — во Львове, Лозовой, Пятихатках и Краснограде (Днепропетровская область), Тимкове (чуть южнее, Кировоградская)... Можно продолжить список в комментариях.
А ещё существуют двухсистемные электровозы — они могут работать на токах обоих родов. СССР выпускал ВЛ82 и ВЛ82М, в России сделали опытную партию ЭП10 и выпускают ЭП20... Подробно о них — в следующих статьях, пока могу предложить своё старое видео про работу ВЛ82М, в нём описана работа схемы:
И ещё одно видео — "Советский «двухсистемный» электропоезд", о том, как быть электропоезду постоянного тока ЭР1 под переменным током.
На этом на сегодня закругляюсь, но обещаю вернуться! До встречи!
Оглавление цикла «ТЭД — труженик электродвигатель»
Другой цикл канала — «Тушкины потроха»