Найти тему
Vivan755 — авиация, ЖД, техника

ТЭД-12. Полыхнуло бело-синим — токоприёмник потянул дугу

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.

Старая десятка на мосту через Свинуху
Старая десятка на мосту через Свинуху

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.

-2

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:

Рис. 3
Рис. 3

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:

Электровоз у поста секционирования
Электровоз у поста секционирования

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.

Рис. 5
Рис. 5

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):

Рис. 6
Рис. 6

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.

Рис. 7
Рис. 7

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.

Рис. 8
Рис. 8

А секции контактной сети разделены воздушными промежутками:

Рис. 9
Рис. 9

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:

Рис. 10
Рис. 10

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:

Рис. 11
Рис. 11

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:

Рис. 12
Рис. 12

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:

Рис. 13
Рис. 13

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:

Рис. 14
Рис. 14

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:

Рис. 15
Рис. 15

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.

Рис. 16
Рис. 16

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:

Рис. 17
Рис. 17

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».

Рис. 18
Рис. 18

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:

Рис. 19
Рис. 19

Для переключений на станции установлены пункты группировки с ячейками переключателей:

Рис. 20
Рис. 20

Вот я у одного из переключателей, выкаченного из ячейки:

Рис. 21
Рис. 21

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):

Рис. 22
Рис. 22

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»