Основные размеры и характеристики контактных проводов
| Марка контактного провода | Номинальная площадь сечения, мм2 | Размеры сечения провода, мм | Электрическое сопротивление 3 км провода при 20 0С, Ом, не более | Временное сопротивление при растяжении, МПа (кгс/мм2), не менее | Масса 3 км провода, кг | |
| H | R | |||||
| МФ-85 | 30,8±0,3 | 6,0 | 0,207 | 367,5 (37,5) | ||
| МФ-300 | 33,8±0,33 | 6,5 | 0,377 | 362,6 (37,0) | ||
| НЛОл 0,04Ф-300 | 33,8±0,33 | 6,5 | 0,385 | 377,3 (38,5) | ||
| БрФ-300 | 33,8±0,33 | 6,5 | 0,235 | 423,4 (43,0) | ||
| МФО-300 | 30,5±0,3 | 0,377 | 362,6 (37,0) | |||
| МФ-320 | 32,9±0,32 | 0,347 | 357,7 (36,5) | |||
| МФО-320 | 33,5±0,33 | 0,347 | 357,7 (36,5) | |||
| МФ-350 | 34,5±0,33 | 7,8 | 0,338 | 352,8 (36,0) | ||
| МФО-350 | 32,5±0,32 | 0,337 | 352,8 (36,0) |
Условные обозначения проводов: М – медный; Ф – фасонный; О – овальный; НЛОл – низколегированный; 0,04 – присадка олова 0,04%; Бр – бронзовый
В табл.3.5. приведены основные размеры и характеристики медных контактных проводов. Удельное электрическое сопротивление медных контактных проводов составляет 0,038мкОм∙м, а бронзовых – 0,022 мкОм∙м.
В качестве несущих и вспомогательных тросов применяют и многопроволочные медные провода марок М (рис.3.30,б). Их технические данные приведены в табл.3.6.
Коллекторные пластины тяговых электродвигателей выполняются из марки ПКМС с присадкой серебра.
Таблица 3.6
Медные гибкие провода
| Марка провода | Число и диаметр проволок, мм | Расчетное сечение, мм2 | Расчетный диаметр провода, мм | Электрическое сопротивление 3 км провода при +200С, Ом | Расчетная разрушающая нагрузка, кН | Приблизительная масса 3 км провода, кг | Строительная длина, км |
| М-35 | 7х2,53 | 34,6 | 7,5 | 0,524 | 32,23 | - | |
| М-50 | 7х2,97 | 48,5 | 8,9 | 0,390 | 37,0 | 2,0 | |
| М-70 | 39х2,34 | 68,3 | 30,7 | 0,280 | 24,0 | 3,5 | |
| М-95 | 39х2,49 | 92,5 | 32,5 | 0,200 | 33,5 | 3,2 | |
| М-320 | 39х2,80 | 337,0 | 34,0 | 0,358 | 43,06 | 3,0 | |
| М-350 | 39х3,35 | 348,0 | 35,8 | 0,323 | 52,0 | 0,8 |
|
| ||||
а) б)
Рис.3.10. Сечения контактного провода марки МФ (а) и многопроволочного провода марок М, С (ПС) и А (б).
Если медь подвергать отжигу, т.е. нагреву до нескольких сот градусов с последующим охлаждением, то получится мягкая (отожженная) медь (ММ), которая сравнительно пластична, имеет малую твердость и небольшую прочность, но весьма большое удлинение при разрыве. и более высокую удельную проводимость. Электропроводность меди марки ММ на 3-5% выше, чем у меди марки МТ. Отжиг меди производят в специальных печах без доступа воздуха, чтобы избежать окисления. Изменение механических свойств при отжиге оказывается значительно более резким, чем изменение удельного сопротивления. Отожженная медь служит электротехническим стандартом.
Мягкую медь применяют главным образом в качестве токопроводящих жил кабелей, монтажных и обмоточных проводов. Ленточная медь широко используется для экранирования кабелей связи, радиочастотных кабелей и электротехнических аппаратов. Если требуется защитить поверхность меди от окисления, то ее лудят или покрывают никелем, серебром, а иногда и золотом.
Сплавы меди. В тех случаях, когда проводник должен обладать повышенными механическими характеристиками и не предъявляются высокие требования к его электропроводности, помимо чистой меди в качестве проводникового материала применяются ее сплавы с оловом, кремнием, фосфором, бериллием, хромом, магнием, кадмием. Такие сплавы называют бронзами.
Маркируются бронзы буквами Бр, после которых идут буквы, указывающие легирующие элементы, и цифры, показывающие содержание этих элементов в целых процентах. Например, бериллиевая бронза БрБ2 содержит 2% Be, остальное Cu. Предел прочности на разрыв 
у бронз может быть 800 - 3200 МПа и более.
Бронзы широко применяют для изготовления токопроводящих пружин контактов и крепящих деталей контактной сети. Введение в медь кадмия при сравнительно малом снижении удельной проводимости дает значительное повышение механической прочности и твердости. Кадмиевую бронзу применяют для контактных проводов и коллекторных пластин особо ответственного назначения. Еще большей механической прочностью обладает бериллиевая бронза ( доходит до значения 3350 МПа). Она применяется для изготовления различных пружинных деталей, выполняющих одновременно и роль проводника тока, например, щеткодержателей, штепсельных разъемов и др.
Сплав меди с цинком –латунь- хорошо обрабатывается штамповкой, глубокой вытяжкой и т.п. В соответствии с этим латунь применяют в электротехнике для изготовления всевозможных токопроводящих деталей: винтов, гаек, шайб, шпилек и контактов штепсельных разъемов. Применяется латунь и для изготовления короткозамкнутых обмоток (беличьих клеток) роторов асинхронных двигателей. Максимальное содержание цинка в латуни 45%. Маркируют латуни буквой Л и цифрой, показывающей процентное содержание меди. Например, латунь марки Л63, имеющая максимальную пластичность, содержит 63% меди и 37% цинка.
Пример3.8. Какое напряжение нужно приложить к медному проводу длиной L=3км, чтобы по проводу протекал ток плотностью 
=30А/мм2?
Решение. Как следует из закона Ома в дифференциальной форме: 
Отсюда 
Износ контактных проводов электрифицированных железных дорог.В процессе эксплуатации из-за трения контактного провода о полоз токоприемника электровоза происходит износ контактного провода, в результате чего уменьшается его сечение. Чтобы не допустить обрыва контактного провода, необходимо периодически контролировать его износ и по мере износа уменьшать его натяжение. На рис.3.30,а площадь износа контактного провода 
заштрихована. Средний предельный износ контактного провода марки МФ на анкерном участке допускается не более 30% от площади нового провода. Для провода марки МФ-300 этот износ соответствует площади 30мм2, а для провода МФ-85 площади 25мм2. При таком износе производят полную замену контактного провода.
Износ определяют измерением высоты h оставшегося сечения провода. У нового провода марки МФ-300 высота h должна быть равна 33,8±0,33мм. На основании местных замеров для каждого анкерного участка определяют среднее значение высоты h и по нему определяют среднюю площадь изношенной части провода.
Площадь износа контактного провода марки МФ (рис.3.30,а) можно определить по следующей формуле:
(3.23)
Например, для провода марки МФ-300 при средней высоте h=8,2мм средний износ составляет:
.
Следовательно, провода с высотой h, меньше или равной 8 мм должны быть заменены.
В табл.3.7 приведены значения износа по площади сечения и по высоте сечения h для медных проводов марки МФ. Высота сечения h не должна уменьшаться более чем на 30% по отношению к высоте сечения H нового провода. У фасонных овальных проводов значения h несколько отличаются от указанных в таблице. Следует отметить, что по мере износа электрическое сопротивление провода увеличивается. С учетом физического износа величина сопротивления определяется по формуле: 
. (3.24)
Здесь RИЗ и R – погонное сопротивление изношенного и нового провода,Ом/км;
S – площадь нового провода, мм2; - площадь износа, мм2.
Нетрудно видеть, что сопротивление провода с предельным износом увеличивается в 3/0,7=3,43 раза. При отсутствии данных об износе его принимают в расчетах равным 35%. При таком износе сопротивление провода увеличивается в 3/0,85=3,38 раза.
Таблица 3.7
Значения допустимого износа контактных проводов
| Параметры износа | Средний износ контактных проводов на анкерном участке, при котором производят сплошную замену контактного провода номинального сечения, мм2 | |||
| Сечение ,мм2
| ||||
| Высота сечения h, не менее, мм | 7,53 | 8,20 | 9,0 | 30,05 |
Средний годовой износ контактного провода на железных дорогах, электрифицированных на переменном токе, составляет около 0,5мм2 в год. На основании проводимых измерений износа контактного провода можно прогнозировать остающийся срок службы контактного провода. Остающийся срок службы 
определяют по формуле:
(3.25)
Здесь: 
-нормативное значение среднего износа провода, при котором осуществляется его замена (например, для провода МФ-300 нормативный износ равен 300мм2),
- средний износ при последнем измерении,
- средний износ при предпоследнем измерении,
- календарный год, в котором выполнено последнее измерение износа провода,
- календарный год, в котором выполнено предпоследнее измерение износа провода,
- общее число проходов электроподвижного состава по пути перегона (станции) за период между двумя последними измерениями износа
- планируемое число проходов электроподвижного состава по пути перегона (станции) после последнего измерения износа провода.
Отметим, что один из наиболее часто встречающихся серьезных видов повреждений контактной сети - это пережоги контактных проводов, вызывающие большие сбои в движении поездов. Подавляющее число пережогов контактных проводов происходит при их взаимодействии с токоприемниками ЭПС, в частности во время коротких замыканий в высоковольтных цепях ЭПС. Рассмотрим процессы повышения температуры контактного провода на примере.
Пример 3.9.Через какое время tтемпература медного контактного провода марки МФ-300 достигнет предельно допустимой температуры ТПР=2000С, если при коротком замыкании в электровозе переменного тока на стоянке ток короткого замыкания IКЗбудет равен 5кА, а переходное сопротивление RП«контактный провод – токоприемник» равно 0,003Ом?
Решение. При решении задачи считаем, что все выделяемое в переходном сопротивлении тепло Q3передается контактному проводу и нагревает его. Теплопроводностью провода и угольной вставки токоприемника пренебрегаем. Тепло, выделяемое в месте контакта контактного провода и токосъемника, определим по формуле:
.
Здесь 
- ток КЗ через одну вставку, считая, что ток КЗ делится пополам на две вставки.
Количество тепла Q2, которое необходимо сообщить участку медного провода, чтобы нагреть его до температуры плавления ТПЛ определится по формуле:
,
где 
- разность температур плавления ТПР меди, равная 2000Си температуры окружающей среды tОКР, принимаемой равной 400С;
кг - масса медного провода, соприкасающегося с угольной вставкой;
S=0,7∙300мм2=0,7∙30-4м2 – сечение провода марки МФ-300 с учетом его максимального износа, равного 30%, l=0,03м – длина провода, соприкасающегося с угольной вставкой, d=8,9∙303 кг/м3 – плотность меди, с=385Дж/(кг∙К) – удельная теплоемкость меди.
Учитывая, что должно соблюдаться равенство 
, запишем:
.
Отсюда 
.
Следовательно, чтобы после нагрева до температуры 2000С не произошел разрыв контактного провода, необходимо, чтобы защита отключила ток короткого замыкания за время, не более рассчитанного. Обычно на практике это время выбирают равным 0,35с.
Здесь отметим, что при отключении контактной сети все электровозы, питающиеся от нее, остаются без напряжения. Чтобы сделать перерывы в питании минимальными, на подстанциях устанавливают системы автоматического повторного включения (системы АПВ), которые через 0,5-5с после отключения КЗ снова подают напряжение в контактную сеть с расчетом на то, что короткое замыкание в сети исчезло.
Если же короткое замыкание не исчезло, то при повторном включении с помощью устройства АПВ в месте контакта выделится еще такое же количество тепла и при двукратном АПВ может произойти пережог контактного провода. Устранение аварии в результате пережога контактного провода занимает от 3 до 6 часов, а иногда и более. Поэтому вместе с установкой устройств АПВ, повышающих надежность электроснабжения, целесообразно устанавливать и устройства, контролирующие, прошло ли короткое замыкание в контактной сети и только в этом случае, дающие разрешение для работы АПВ.
Алюминий – это серебристо-белый металл, который является вторым по значению (после меди) проводниковым материалом с высокой электро- и теплопроводностью. По электропроводности он занимает третье место после серебра и меди. У алюминия ρ=0,028 мкОм·м. Алюминий дешевле и более доступен, чем медь. Алюминий – самый распространенный в природе металл. Содержание алюминия в земной коре составляет не менее 8%. Среди металлов по распространенности в природе алюминий занимает первое место, а по практическому использованию – второе (после железа). Относительное удлинение перед разрывом составляет 32-34% для твердого неотожженного алюминия и 30-33% для мягкого отожженного.
Алюминий получают путем электролиза глинозема и электролитического рафинирования, с помощью которого можно довести его чистоту до 99,99%. Чем выше требуется чистота алюминия, тем сложнее технология его очистки и тем он дороже. Из слитков алюминия изготовляют алюминиевую проволоку и катанку диаметром от 9 до 23мм. Удельное сопротивление постоянному току алюминиевой катанки не должно превышать 0,02835МкОм∙м.
Алюминий приблизительно в 3,3 раза легче меди. Температурный коэффициент расширения, удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия больше, чем меди. Поэтому, чтобы расплавить алюминий, требуется большая затрата тепла, чем для нагрева и расплавления такого же количества меди, хотя температура плавления алюминия ниже, чем меди.
Алюминий обладает пониженными по сравнению с медью свойствами - как механическими, так и электрическими. Для того, чтобы получить алюминиевый провод такого же электрического сопротивления на единицу длины, что и медный, сечение его должно быть в 3,63 раза большим, т.е. его диаметр должен быть увеличен по сравнению с медным проводом в 
раза. Однако по весу алюминиевый провод окажется легче медного в два раза.
В настоящее время алюминий не только заменил медь в воздушных линиях электропередачи, но внедряется и в производство изолированных кабельных изделий. Его применяют для изготовления токопроводящих жил обмоточных, монтажных и установочных поводов. Изготовляются и силовые трансформаторы с алюминиевыми обмотками. Из алюминия традиционно изготавливаются литые беличьи клетки для асинхронных короткозамкнутых двигателей. В этих беличьих клетках алюминий бездефектно заполняет пазы.
Многопроволочные алюминиевые провода (рис.3.30,б) применяют в качестве несущих и вспомогательных проводов контактной сети. Характеристика этих проводов приведена в табл.3.8.
Маркировка алюминия начинается с буквы А, вслед за которой идет цифра, указывающая сотые доли процента (после 99%) содержание алюминия. Например, особо чистый алюминий марки А999 содержит не менее 99,999% алюминия, остальное – контролируемые примеси. Технически чистый алюминий марки А85 содержит алюминия 99,85%. Особо чистый алюминий марки А3 содержит не менее 99,999% Al.
Таблица 3.8
Многопроволочные алюминиевые провода
| Марка провода | Число и диаметр проволок, мм | Расчетный диаметр провода, мм | Расчетное сечение провода, мм | Электрическое сопротивление 3 км провода при +200С, Ом | Приблизительная масса 3 км провода, кг | Строительная длина, км |
| А-35 | 7х2,5 | 7,5 | 35,3 | 0,85 | - | |
| А-50 | 7х3,00 | 9,0 | 49,5 | 0,64 | 3,5 | |
| А-70 | 7х3,55 | 30,7 | 69,3 | 0,46 | 2,5 | |
| А-95 | 7х4,32 | 32,4 | 93,3 | 0,34 | 2,0 | |
| А-320 | 39х2,80 | 34,0 | 0,27 | 3,5 | ||
| А-350 | 39х3,35 | 35,8 | 0,23 | 3,2 | ||
| А-385 | 39х3,50 | 37,5 | 0,37 | 3,0 |
Для электротехнических целей используют специальные марки алюминия А5Е и А7Е, в которых содержание железа и кремния находится в определенном соотношении, а содержание титана, ванадия, хрома и марганца не превышает нескольких тысячных долей процента.
Технологические процессы обработки алюминия аналогичны процессам обработки меди. При холодной прокатке получают твердый алюминий (АТ), который имеет повышенные механическую прочность, твердость и удельное сопротивление. После отжига получают мягкий алюминий (АМ). Промышленность выпускает алюминиевую проволоку марок АТП, АТ, АПТ и АМ (соответственно твердая повышенной прочности, твердая, полутвердая и мягкая). Из алюминия может прокатываться тонкая фольга толщиной до 6 - 7 мкм, применяемая в качестве обкладок в бумажных и пленочных конденсаторах.
Алюминий весьма активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой Al203 с большим электрическим сопротивлением ( 
). Эта пленка предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, но создаёт большое. переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов и делает невозможной пайку алюминия обычными методами.
С другой стороны, пленка оксида алюминия, обладая высоким удельным сопротивлением при небольших напряжениях может служить хорошей естественной межвитковой изоляцией. Оксидная изоляция получила широкое распространение в производстве электролитических конденсаторов и микросхем.
В местах контакта алюминия и меди возникает гальваническая ЭДС, вызывающая коррозию металла. Если область контакта подвергается действию влаги, например, на открытом воздухе, то гальваническая ЭДС имеет довольно высокое значение. Полярность этой пары такова, что на поверхности контакта ток идет от алюминия к меди и алюминиевый проводник сильно разрушается коррозией. Поэтому в местах соединения медных проводников с алюминиевыми должны устанавливаться стальные шайбы. Кроме того, места контактов нужно защищать от увлажнения.
Алюминиевые сплавы обладают повышенной механической прочностью и твердостью. Алюминиевые сплавы можно условно разделить на электротехнические и конструкционные. Из электротехнических сплавов наиболее известным является альдрей, содержащий 0,3 - 0,5% Мg, 0,4 - 0,7% Si и 0,2 - 0,3% Fе (остальное Аl). Альдрей в виде проволоки имеет плотность 2,7 Мг/м³, его 
= 350 МПа, 
= 6,5%; 
= 
, 
= 
, 
=0,037 мкОм·м.
Этот сплав практически сохраняет легкость алюминия при небольшом увеличении его удельной проводимости, а по механической прочности приближается к твердотянутой меди.
Конструкционные сплавы можно разделить на литейные сплавы и сплавы, деформируемые обработкой (деформируемые сплавы). Из литейных сплавов наиболее известны сплавы алюминия с кремнием (с небольшими добавками Mg и Mn). Они называются силуминами.
Из деформируемых сплавов наиболее широко применяются дюралюмины (сплавы системы Al-Cu-Mn) и авиаль, содержащий добавку цинка, который делает этот сплав более пластичным, чем дюралюмины.
В электротехнической промышленности сплавы алюминия широко применяются как конструкционный материал. Например, в новой Российской серии асинхронных машин РА станины для высот вращения от 73 до 332мм включительно выполняются алюминиевыми [33]. Станины, изготавливаемые методом экструзии, имеют горизонтальное оребрение (рис.3.11), что позволяет увеличить теплоотдачу двигателя при снижении его массы.
|
Рис.3.11. Заготовки экструзионных станин из алюминиевого сплава для асинхронных электродвигателей серии РА
Для изготовления таких станин специалистами Ярославского электромашиностроительного завода совместно с учеными ВИЛС и работниками Каменск-Уральского металлургического завода был подобран достаточно дешевый алюминиевый сплав, поддающийся хорошей деформации в разогретом состоянии и приобретающий в процессе остывания высокие механический свойства. Полученный экструзией профиль нарезается на нужную длину. Обычно процесс набора механической прочности заканчивается на пятые сутки после экструзирования. Сборка обмотанного пакета статора с экструзионной станиной производится тепловым методом. Для этого станина разогревается до 2600С, и затем в нее свободно вставляется статор. Такой метод обеспечивает надежное прилегание станины по всей поверхности сердечника статора и гарантирует высокую степень теплоотдачи.
Внедрение профильной экструзивной станины в асинхронных двигателях серии РА позволило:
удешевить механическую обработку станины за счет идеальной чистоты поверхности;
увеличить теплосъем статора за счет его полного прилегания к станине и повышенной степени оребрения;
снизить общую массу двигателя за счет уменьшенной массы станины, так как экструзия позволяет получить минимальную толщину стенок в отличие от литых деталей;
В линиях электропередачи широко применяется сталеалюминиевый провод марки АС (рис.3.12,а), представляющий собой сердечник, свитый из стальных оцинкованных жил и. обвитый снаружи алюминиевой проволокой. В проводах такого типа механическая прочность определяется главным образом стальным сердечником, а электрическая проводимость - алюминием.
Увеличенный наружный диаметр сталеалюминиевого провода по сравнению с медным на линиях передачи высокого напряжения является преимуществом, так как уменьшает опасность возникновения короны вследствие снижения напряженности электрического поля на поверхности провода. Провод марки АС-95/36 имеет номинальную площадь сечения алюминиевой части 95,4 мм2, а стального сердечника 35,9 мм2. Сталеалюминиенвые провода марки АС начали применяться в качестве несущего троса в контактных сетях электрифицированных железных дорог вместо сталемедных проводов. Основные характеристики этих проводов приведены в табл.3.9.
Таблица 3.9
Сталеалюминиевые провода
| Марка провода | Число и диаметр проволок в мм | Расчетное сечение в мм2 | Расчетный диаметр провода, мм | Электрическое сопротивление 3 км провода при +20 0С, Ом | Приблизительная масса 3 км провода, кг | Строительная длина, км | ||
| алюминиевых | стальных | алюминия | стали | |||||
| АС-35 | 6х2,8 | 3х2,8 | 36,9 | 6,2 | 8,4 | 0,85 | 3,0 | |
| АС-50 | 6х3,2 | 3х3,2 | 48,3 | 8,0 | 9,6 | 0,65 | 3,0 | |
| АС-70 | 6х3,8 | 3х3,8 | 68,0 | 33,3 | 33,4 | 0,46 | 2,0 | |
| АС-95 | 6х4,5 | 3х4,5 | 95,4 | 35,9 | 33,5 | 0,33 | 3,5 | |
| АС-320 | 28х2,29 | 7х2,0 | 335,0 | 22,0 | 35,2 | 0,27 | 2,0 | |
| АС-350 | 28х2,59 | 7х2,2 | 348,0 | 26,6 | 37,0 | 0,23 | 2,0 | |
| АС-385 | 28х2,87 | 7х2,5 | 383,0 | 34,4 | 39,0 | 0,37 | 2,0 | |
| АСУ-320 | 30х2,22 | 7х2,2 | 336,0 | 26,6 | 35,5 | 0,28 | 2,0 | |
| АСУ-350 | 30х2,50 | 7х2,5 | 347,0 | 34,4 | 37,5 | 0,23 | 2,0 | |
| АСУ-385 | 30х2,80 | 7х2,8 | 385,0 | 43,3 | 39,6 | 0,37 | 2,0 |
Провода воздушных линий электропередачи независимо от класса напряжений подвержены колебаниям, вызываемым действием ветра. От характера колебаний, их интенсивности и эффективности применяемой защиты зависит срок службы проводов и эксплуатационная надежность воздушной ЛЭП. К числу наиболее распространенных видов периодических колебаний проводов, вызываемых ветром, относится вибрация, которая с течением времени может разрушить провода. Разрушение проводов от вибрации обусловлено усталостью материала и происходит при нагрузке значительно меньшей, чем расчетная нагрузка, вызванная обледенением и низкой температурой.
Периодические колебания натянутого в пролете провода, вызываемые ветром и происходящие в вертикальной плоскости с частотой от 3 до 350Гц и образуют на длине пролета ряд стоячих волн. Размах этих колебаний относительно небольшой. Он не превышает диаметр провода (рис.3.13). Вибрация провода возникает в результате совпадения частоты динамических импульсов от ветра с одной из собственных частот упругой системы, которую представляет собой натянутый в пролете провод.
Опасность повреждения проводов от вибрации можно устранить, если уменьшить вибрацию в пролете до безопасного значения с помощью специальных гасителей вибрации (демпферов или девибраторов), устанавливаемых на проводах. При возникновении вибрации такой гаситель вызывает динамические усилия, противоположные по фазе колебаниям провода и противодействующие им.
Контактная подвеска, как и любые подвешенные провода, проявляет себя как автоколебательная система. Источниками колебаний, вызывающих появление стоячих волн, являются ветер и воздействие токоприемника.
Образование гололеда, как правило, придает контактному проводу аэродинамически неустойчивую форму сечения, что приводит при воздействии ветра к автоколебаниям проводов, поэтому образовавшийся гололед необходимо своевременно удалять.
Что же касается взаимодействия токоприемника и контактной сети, то это взаимодействие неизбежно и оно вызывает сложный колебательный процесс, в котором участвуют разнородные колебательные системы. Возникновение автоколебаний подвесок со значительной амплитудой объясняется малой диссипацией (поглощением) энергии в этой колебательной системе, так как вязкое трение в обычных подвесках незначительное.
Надежность и экономичность электрической тяги во многом зависит от механизма взаимодействия токоприемника и контактной подвески, который оценивается критерием качества токосъема. Критерий качества токосъема – это минимальные приведенные эксплуатационные затраты. Неоптимальные параметры контактной сети могут привести к частым отказам, быстрому изнашиванию проводов, не говоря уже о большом уровне помех в устройствах автоматики и связи.
Увеличение натяжения несущего троса цепной подвески уменьшает амплитуду автоколебаний, но в незначительной степени. Эффективным мероприятием по устранению автоколебаний является монтаж ромбовидной подвески, а также применение рычажного подвешивания струн, скручивающих несущий трос.
Отличительной особенностью пространственно-рычажной подвески, предложенной ВНИИЖТ, является использование сопротивления несущего троса кручению. Конструктивно это достигается с помощью двух близко расположенных на одном уровне несущих тросов с закрепленными на них рычагами, консольные части которых используют для присоединения струн, поддерживающих один или два контактных провода (рис.3.14). При этом консольные части соседних рычагов направлены в противоположные стороны относительно контактной подвески, что и обеспечивает закручивание тросов. Консольные части рычагов в разных частях пролета неодинаковы. Они определяются из условия создания одинаковой эластичности подвески. Более длинные консоли рычагов располагают ближе к опоре, а в середине пролета они отсутствуют. Эластичностью называют величину, равную отношению перемещения контактного провода к величине силы, вызвавшей это перемещение. Коэффициент неравенства эластичности для подвески ПР-2Т-2К составляет 3,05-3,08, в то время как у рессорных подвесок этот коэффициент не удалось получить менее чем 3,2.
Рычажно-пространственная подвеска обеспечивает интенсивную диссипацию (рассеяние) энергии возникающих колебаний, что предотвращает автоколебания подвески. Анализ изнашивания проводов у подвески ПР-2Т-2К (пространственно-рычажная с двумя несущими тросами и двумя контактными проводами), проведенный И.А. Беляевым и Э.З. Селектором на Октябрьской ж.д. , показал, что среднее изнашивание провода марки МФ-300 в ПР-2Т-2К (0,57мм2 в год) более равномерное и менее интенсивное чем в рессорной компенсированной и полукомпенсированной подвесках в 3,37 и 3,33 раза.
|
Рис.1.14. Элемент пространственно-рычажной контактной подвески типа ПР-2Т-2К. 1 – несущие тросы; 2 – рычаги; 3 – струны; 4 – контактный провод.
Основываясь на полученных данных по изнашиванию и на установленном по механической прочности допустимом износе контактного провода МФ-300, равном 20мм2 , был рассчитан срок службы этого провода в подвеске ПР-2Т-2К. Для условий движения поездов на рассматриваемом участке он равен 35 годам. Для сравнения можно отметить, что в рессорных подвесках на Российских железных дорогах постоянного тока срок службы контактных проводов в последнее время составил в среднем 22 года.
За счет чего же контактный провод в подвеске ПР-2Т-2К изнашивается значительно меньше, чем в рессорных подвесках? Как показывают исследования, износ контактного провода зависит от амплитуды вертикальных колебаний полоза токоприемника локомотива. Пространственно-рычажная подвеска позволяет уменьшить размах колебаний токоприемника во-первых за счет того, что эта подвеска практически равноэластичная и во-вторых она обладает хорошими диссипативными свойствами.
Железо Fe (сталь) широко использования в качестве проводникового и конструкционного материала. Чистое железо имеет значительно более высокое по сравнению с медью и алюминием удельное сопротивление ρ (порядка 0,3 мкОм·м), значение ρ стали, т.е.сплава железа с примесью углерода и других элементов, еще выше, но зато эти сплавы обладают высокой механической прочностью.
Поскольку сталь является хорошим ферромагнетиком, то при переменном токе в ней сильно сказывается поверхностный эффект, ввиду которого активное сопротивление стальных проводников переменному току выше, чем постоянному току. Кроме того, при переменном токе в стальных проводниках возникают и потери на гистерезис.
В качестве проводникового материала обычно применяется мягкая сталь с содержанием углерода 0,30—0,35%, обладающая пределом прочности при растяжении 
=700÷750 МПа, относительным удлинением при разрыве Δl/l= 5 ÷ 8% и удельной проводимостью γ, в 6 - 7 раз меньшей по сравнению с медью.
Такую сталь используют для изготовления проводов воздушных линий при передаче небольших мощностей, когда при малой силе тока сечение провода определяется не столько электрическим сопротивлением, сколько его механической прочностью. В табл.3.30 приведены основные характеристики многопроволочных стальных проводов.
Таблица 3.30
Многопроволочные стальные провода
| Марка провода | Число и диаметр проволок, мм | Расчетное сечение провода, мм2 | Расчетный диаметр провода, мм | Приблизительная масса 3 км провода, кг |
| ПС-35 | 5х2,5 | 24,6 | 6,8 | |
| ПС50 | 7х2,6 | 34,4 | 7,5 | |
| ПС-70 | 32х2,3 | 49,8 | 9,2 | |
| ПС-95 | 39х2,3 | 78,9 | 33,5 | |
| ПС-320 | 37х3,8 | 94,0 | 32,6 | |
| ПСО-350 | 3х4,0 | 38,6 | 4,0 | |
| ПСО-385 | 3х5,0 | 39,6 | 5,0 |
Сталь как проводниковый материал используется также в виде шин, рельсов электрических железных дорог и трамваев (включая «третий специальный контактный рельс» метро).
На электрифицированных железных дорогах рельсы железнодорожного пути используют в качестве второго провода для передачи тягового тока. Кроме того, по рельсам передается сигнальный ток устройств автоблокировки для контроля целостности рельсового пути и регулирования движения поездов в зависимости от длины свободного участка. Для лучшей передачи тягового и сигнального токов рельсовая линия должна обладать по возможности малым электрическим сопротивлением.
В связи с появлением поверхностного эффекта в рельсовой стали, активное сопротивление рельсов в сильной степени зависит от частоты тока. Для всех типов рельсов удельное сопротивление стали постоянному току составляет при температуре 20оС ρ=0,23·30-6Ом·м.
Сопротивление постоянному току одной рельсовой нити длиной в 3км для рельсов типа Р65 (вес одного метра рельса составляет 65кг) может быть найдено следующим образом:
.
Здесь l=3000м –длина участка, S=82,9см2=0,00829м2 – площадь поперечного сечения рельса типа Р65, ρ=0,23·30-6 Ом·м – удельное сопротивление рельсовой стали. Значения сопротивления для других типов рельсов приведены в табл. 3.33.
Таблица 3.33
| Тип рельса | Сопротивление одной рельсовой нити длиной 3км, | Площадь поперечного сечения, |
| Ом | м2 | |
| Р75 | 0,022 | 0,00953 |
| Р65 | 0,0253 | 0,00829 |
| Р50 | 0,032 | 0,00658 |
Температурный коэффициент сопротивления для рельсовой стали равен TKr=0,00463 K-3. При изменении температуры от -50оС в зимний период до +50оС в жаркие летние дни сопротивление рельсовых нитей изменится в
раза.
Сопротивление рельсовой нити переменному току является комплексной величиной, обусловленной наличием активной и индуктивной составляющих. Полное сопротивление рельсовой петли длиной 3км, состоящей из рельсов марки Р50 и Р65 с медными приварными соединителями на частоте 50Гц принимается равным 
Ом.
Чтобы протекающий по рельсам тяговый ток не влиял на работу устройств автоблокировки, применяют специальные устройства дроссель-трансформаторы (ДТ), работа которых подробно описана в третьей главе. Здесь же только отметим, что для нормальной работы ДТ токи в обоих рельсовых нитях должны быть практически одинаковыми. Разбаланс токов, или асимметрия токов на железных дорогах, электрифицированных на переменном токе, оценивается коэффициентом асимметрии 
:
. (3.26)
Формулу можно преобразовать, используя закон Ома и, считая, что комплексное сопротивление одной ветви равно 
, а сопротивление второй ветви –больше на величину активного сопротивления 
, т.е: 
. Здесь - разность в сопротивлениях постоянному току одного рельса относительно другого. Тогда коэффициент асимметрии будет равен:
. (3.27)
Абсолютное значение коэффициента асимметрии на железных дорогах, электрифицированных на переменном токе,
(3.28)
должно быть не более 6%.
Возведя в квадрат левую и правую части уравнения, получим:
(3.29)
Окончательно получится следующее квадратное уравнение относительно неизвестного значения :
(3.30)
Подставив значения: 
; 
; 
; 
; 
км, и решая квадратное уравнение (3.30), получим предельное значения 
=0,022Ом.
Таким образом, при расчетной асимметрии (6%) при длине блок-участка км разность в сопротивлениях постоянному току одного рельса относительно другого должно составлять не более 22миллиом. Если длина блок-участка будет уменьшатся, то по линейному закону будет уменьшатся и величина (рис.3.35). Следовательно, на малых блок-участках труднее обеспечить симметрию токов.
Для постоянного тока коэффициент асимметрии при той же длине блок-участка км будет равен:
. (3.33)
Из приведенного примера видно, что асимметрия в рельсовых цепях на постоянном токе значительно больше, чем на переменном. Возникающая во время переходных процессов в системе «контактный провод-токоприемник» апериодическая составляющая, может вызвать большую несимметрию токов в рельсовых нитях и при малой длине блок-участка вызвать сбой в работе СЦБ.
Рассмотрим, какие мероприятия могут уменьшить асимметрию токов. Сопротивление рельсовой цепи складывается из сопротивления рельсов и переходного сопротивления стыков. Рельсовый стык, где соединяют между собой рельсовые плети (длиной до 800м) или рельсовые звенья (длиной 32,5 или 25м), собирается с помощью стальных накладок. Накладки прикладывают к концам соединяемых рельсов и стягивают болтами. По существующим нормам сопротивление стыка не должно превышать сопротивления трехметрового рельса. Поэтому перед сборкой стыка шейки рельсов и поверхности накладок, контактирующие с ними, зачищают до металлического блеска для уменьшения переходного сопротивления. Однако стальная накладка в процессе работы не всегда создает устойчивый контакт. Переходное сопротивление в стыковых накладках зависит от многих факторов: степени загрязнения, наличия ржавчины, затяжки болтов и метеорологических условий. Поэтому переходное сопротивление стыковых накладок может изменяться в широких пределах. Сопротивление стыков значительно повышает сопротивление рельсовой цепи, что приводит к увеличению падения напряжения в рельсах и токов в земле.
Для обеспечения стабильной проводимости рельсового стыка применяют приварные стальные или медные стыковые соединители. Медный приварной стыковой соединитель состоит из медного гибкого неизолированного (голого) провода марки МГГ площадью поперечного сечения от 50 до 95мм2, заваренного по концам в стальные наконечники - манжеты. Манжеты стыкового соединителя приваривают к нерабочей грани головки рельсов на 32-35мм ниже поверхности катания. Стыковой соединитель имеет некоторый запас свободного троса при перемещении рельсовых звеньев. Соединители обеспечивают более надежную работу рельсовых цепей. и более надежный пропуск обратного тягового тока.
Для питания мостовых кранов также используют стальные троллеи. При создании заземляющих устройств используют трубы, уголки и полосы из стали. На станционных путях в районах пониженной коррозионной опасности иногда в качестве несущего троса применяют стальные провода, имеющие площадь сечения 70мм2 (диаметр 33мм).
Для сердечников сталеалюминиевых проводов воздушных линий электропередачи применяется особо прочная стальная проволока, имеющая = 3200 ÷3500 МПа и Δl/l = 4 ÷ 5%. Обычная сталь обладает малой стойкостью к коррозии: даже при нормальной температуре, особенно в условиях повышенной влажности, она быстро ржавеет. При повышении температуры скорость коррозии резко возрастает, поэтому стальные провода должны быть защищены с поверхности слоем более стойкого материала. Обычно для этой цели применяют покрытие цинком.
Железо имеет высокий температурный коэффициент удельного сопротивления. Его применяют в бареттерах - приборах для стабилизации тока, использующих зависимость сопротивления железной нити от силы тока, нагревающего эту нить. Для защиты железной нити от окисления ее помещают в баллон, заполненный водородом или иным химически неактивным газом при низком давлении, не выше 80мм.рт. ст. За счет изменения сопротивления нити при ее нагревании, бареттер поддерживает постоянную силу тока при колебаниях напряжения.
Биметалл.Чтобы уменьшить расход цветных металлов в проводниковых конструкциях применяют так называемый проводниковый биметалл (рис.3.12,б). Биметаллический провод представляет собой сталь, покрытую снаружи слоем меди или алюминия. Оба металла соединены друг с другом прочно и непрерывно по всей поверхности их соприкосновения. Биметаллический контактный провод для электрифицированного транспорта представляет собой стальную проволоку круглого, овального или прямоугольного сечения, покрытую снаружи слоем меди или алюминия. При такой конструкции стальная сердцевина обеспечивает повышенную прочность на растяжение, а наружный слой обеспечивает хорошую электропроводность. Такой провод позволяет повысить натяжение, имеет меньшую массу и допускает достаточно большие токовые нагрузки. Чем больше натяжение провода и меньше стрела провеса, тем больше эластичность контактной подвески и более устойчивый токосъем при высоких скоростях движения (200 км/час и более).
Прочность биметалла больше, чем меди, но электрическая проводимость меньше. Расположение меди в наружном слое, а стали внутри конструкции, обеспечивает более высокую проводимость всего провода в целом. Кроме того, медь защищает расположенную под ней сталь от коррозии.
Для контактной сети железных дорог применяют биметаллические сталемедные провода марки ПБСМ3 и ПБСМ2 (провод биметаллический сталемедный) сечением 70, 95 и 320мм2. Характеристика этих проводов приведена в табл.3.32.
Таблица 3.32
Биметаллические сталемедные провода
| Диаметр проволоки в мм | Минимальная толщина медной оболочки проволоки в мм | Временное сопротивление разрыву в кг/мм2 | Приблизительная масса 3 км проволоки в кг | ||
| БСМ3 | БСМ2 | БСМ3 | БСМ2 | ||
| 2,2 | 0,33 | 0,08 | 33,5 | 33,0 | |
| 2,5 | 0,32 | 0,09 | 43,0 | 40,4 | |
| 2,8 | 0,34 | 0,30 | 50,5 | 49,7 | |
| 3,0 | 0,35 | 0,33 | 59,0 | 58,0 | |
| 4,0 | 0,20 | 0,34 | 304,4 | 302,8 | |
| 6,0 | 0,20 | - | 236,0 | - |
Биметаллическая проволока выпускается наружным диаметром от 3 до 4 мм. Значение (из расчета на полное сечение проволоки) должно быть не менее 550 - 700 МПа, а Δl/l не более 2%. Сопротивление биметаллической проволоки постоянному току составляет от 4 до 60 Ом/км при диаметре от 4 до 3мм.
Такую проволоку применяют для линий связи и для стыковых соединителей.