Контактный рельс

Конта́ктный рельс — жёсткий контактный провод, предназначенный для осуществления скользящего контакта с токоприёмником подвижного состава (электровоза, моторного вагона).

Изготавливается из мягкой стали, форма и поперечные размеры схожи с формой и размерами обычных рельсов. Рельс крепится при помощи изоляторов к кронштейнам, которые в свою очередь монтируются на шпалы ходовых рельсов.

Применение

Главное преимущество контактного рельса — надёжный токосъем при контакте с токоприёмниками моторных вагонов или электровозов, расположенными на ходовых частях колёсных тележек. Также исключаются колебание токоприёмников и отрыв их от контактного рельса, а следовательно, нарушение контакта и разрыв цепи тока, искрение и дугообразование, разрушающие контактные поверхности.

Основная область применения контактных рельсов — подземный железнодорожный транспорт, в частности, обеспечение движения поездов метрополитена. Реже данное технологическое решение применяется на открытых линиях при относительно невысоком напряжении (не более 3000 В).

Также контактный рельс применяется для обеспечения энергией подъёмного оборудования (например подъёмных кранов) и складских транспортных устройств, подвесных дорог, электроталей, станков, осветительных устройств и других подобных технических средств.

Различают два типа контактных рельсов:

• боковой контактный рельс — закрыт сверху и с боков изоляционным коробом, а электропитание снимается проходящим снизу контактным башмаком (нижний токосъём).
• нижний контактный рельс — изоляция отсутствует.

В зависимости от того, как расположена контактная поверхность, имеют место: нижний токосъём — контактная поверхность снизу; верхний токосъём — контактная поверхность сверху; боковой токосъём — контактный рельс повёрнут на 90 градусов, в результате чего контактная поверхность находится сбоку.

Достоинства

• Использование контактного рельса в метрополитене вместо контактного провода позволяет уменьшить габариты тоннелей.
• Контактный рельс обладает высокой надёжностью и долговечностью.
• Прост в ремонте и обслуживании.
• Низкое сопротивление постоянному току. Стандартные сечения контактного рельса — 5800 и 6600 мм2[1], что примерно в 50-80 раз выше, чем у контактного провода (85, 100 и 120 мм2[2]), поэтому сопротивление контактного рельса значительно ниже, чем контактного провода, даже несмотря на то, что удельное сопротивление стали в 6—8 раз выше, чем у меди (сопротивление проводника обратно пропорционально площади сечения).

Недостатки

• Низкая электробезопасность.
• Незащищённость от снежных заносов.
• Скорость подвижного состава ограничена примерно 120 км/ч.
• Высокое сопротивление переменному току. Сталь является ферромагнетиком, поэтому скин-эффект в ней выражен гораздо сильнее, чем в неферромагнитных металлах, например в меди глубина скин-слоя 9 мм, а в стали — всего 0,74 мм. Поэтому почти весь ток течет в поверхностном слое, общее сечение которого около 400 мм2, что эквивалентно медному проводу сечением ~50 мм2 — это меньше стандартного сечения контактного провода.

Профиль и материалы

Воспринимаемые контактным рельсом усилия от токоприёмников сравнительно невелики (менее 25 кгс). Поэтому поперечное сечение контактного рельса определяется исключительно из условия обеспечения возможно меньшего электрического сопротивления, чтобы сократить потери электроэнергии.

Контактные рельсы изготавливают из мартеновской стали с минимальным содержанием углерода. Действующими техническими условиями на изготовление контактных рельсов предусматривается следующий химический состав стали: углерода — не более 0,06 %, марганца — не более 0,30 %, кремния — следы; фосфора — не более 0,03 % и серы — не более 0,013 %. Жёсткое ограничение состава стали по количеству углерода объясняется тем, что примесь углерода заметно увеличивает электрическое сопротивление стали.

Нормальная длина контактных рельсов, выпускаемых заводами, составляет 12,5 м. На тоннельных участках как на прямых, так и в кривых радиусом 300 м и более одиночные рельсы сварены в плети электроконтактным способом. Длина плетей доходит до 100 м. На открытых наземных участках и в местах расположения точек питания контактный рельс монтируется из рельсов длинной 37,5 м.

Вес 1 погонного метра контактного рельса высотой 118 мм равен 51,686 кг.

Биметаллические контактные рельсы получают металлургическими способами, например, совместной прокаткой и прессованием обычной или нержавеющей стали с алюминием. Преимущества таких рельсов заключаются в сочетании износостойкости стали и высокой электропроводности алюминия.

Подвеска

Контактный рельс подвешивают на металлических кронштейнах, прикрепляемых к концам шпал обычными путевыми шурупами.

Кронштейны для подвески контактного рельса крепят тремя путевыми шурупами к концам деревянных шпал или двумя закладными болтами к железобетонной шпале. Кронштейны располагают на расстоянии 4,5—5,4 м друг от друга, а на уклонах пути свыше 0,040 и в кривых радиусом 400 м и менее следует устанавливать кронштейны через 2,5 м.

Кронштейны изготавливают из швеллера № 10. Требуемая форма придаётся им посредством изгиба в нагретом состоянии. В верхней части кронштейна прорезают прямоугольное отверстие размером 120×65 мм, а рядом с ним приваривают коробку, которую изготавливают из полосовой стали длиной 160, шириной 60 и толщиной 6 мм.

В нижней части кронштейна, у самого конца, полки швеллера частично срезаны для крепления хвоста кронштейна к шпалам двумя удлинёнными шурупами (170 мм), пропущенными через металлическую планку размером 180×50×10 мм. Третий шуруп нормальной длины (150 мм), расположенный ближе к концу шпалы, пропускают через овальное отверстие в горизонтальной полке кронштейна.

Такой способ крепления кронштейнов к шпалам позволяет сравнительно легко производить регулировку контактного рельса по горизонтали относительно пути, так как для перемещения кронштейна необходимо лишь ослабить шурупы.

Во избежание образования электрической дуги при нарушении изоляции в подвеске контактного рельса конец кронштейна должен отстоять от подкладки ходового рельса на расстояние не менее 35 мм, а величина просвета между низом кронштейна и балластом или путевым бетоном у конца шпалы должна быть не менее 20 мм.

Узел крепления контактного рельса состоит из следующих частей:

• широкий полиэтилен (одевается на контактный рельс);
• два фарфоровых изолятора (поверх широкого полиэтилена);
• резиновый жгут (между изоляторами);
• крестообразный полиэтилен (поверх изоляторов);
• две фигурных скобы с фиксаторами (поверх крестообразного полиэтилена);
• предохранительная скоба;
• узловой болт с гроверной шайбой и гайкой;
• две плоские шайбы и два шплинта, которые вставляются в фиксатор.

В собранном узле фигурные скобы верхними плоскими концами охватывают коробку кронштейна, а нижними загнутыми заходят в соответствующие углубления в изоляторах. Плотное прижатие изоляторов к контактному рельсу обеспечивается затяжкой узлового болта. Для обеспечения равномерного давления на изоляторы со стороны контактного рельса и фигурных скоб и предохранения изоляторов от раздавливания применяют полиэтиленовые прокладки (широкие и крестообразные).

Стыки

Стыки контактного рельса подразделяются на:

• Сварные — ничем не отличаются от аналогичных стыков ходовых рельсов. Сварка производится на электрической контактно-сварочной машине. Затем сварной стык пневматическими зубилами очищают от грата и излишнего металла по всему поперечному профилю контактного рельса. Шлифовке подвергается только рабочая поверхность головки рельса и её боковые грани.
• Нормальные — собираются у концевых отводов. Эти стыки собирают без зазоров с плотным соприкосновением торцов рельсов. При сборке стыков гайки должны располагаться со стороны, противоположной оси пути, на парковых путях — со стороны оси пути.
• Температурные — служат для соединения рельсов между собой, а также для свободного перемещения рельсов в стыке при изменении температуры. Зазоры в температурных стыках контактного рельса не должны превышать 38 мм.

В нормальных и температурных стыках накладки стыкового скрепления должны быть оцинкованы, иметь по четыре болтовых отверстия и соединяться 4 болтами.

В температурном стыке два болта на отдающем конце должны иметь полное натяжение, а два болта на принимающем конце — ослабленное натяжение.

Для обеспечения более надёжной проводимости температурных стыков контактного рельса на главных и станционных путях к подошве контактного рельса приваривается не менее 4 электросоединителей.

Секционирование

В местах секционирования контактной сети контактный рельс разделяется на отдельные изолированные секции неперекрываемыми воздушными промежутками длиной не менее 14 м между концами металлических частей отводов. Такие воздушные промежутки, не перекрываемые токоприёмниками одного вагона, должны располагаться в местах следования поездов с отключёнными тяговыми электродвигателями, а по главным путям на подходах к станциям — на расстоянии не более 50 м от начала пассажирской платформы.

В местах расположения стрелочных переводов, перекрёстных съездов и перегонных затворов должны быть перекрываемые воздушные промежутки контактного рельса длиной не более 10 м.

На строящихся линиях секционирование контактного рельса на парковых путях должно предусматривать возможность снятия напряжения одновременно с 4—5 путей.

Пункт подключения

Постоянный электрический ток напряжением 825 В от тяговых подстанций подаётся к контактному рельсу по кабельным линиям. Для соединения питающего кабеля с рельсом к подошве последнего приваривается стальная оцинкованная планка, к которой болтами прикрепляют гибкий компенсатор из набора тонкой полосовой меди. К компенсатору прикрепляется медная силовая шина, ведущая в специальный ящик — пункт подключения.

В пункте подключения к силовой шине болтами прикреплены наконечники 4 силовых кабелей. К отдельной алюминиевой зануляющей шине проводами малого сечения подключены металлические экранирующие сетки силовых кабелей. Сама зануляющая шина соединена с кабелем зануления, который через разрядник подключён к средней точке путевого дроссель-трансформатора. Этот механизм вызывает короткое замыкание (с последующим срабатыванием автоматов защиты, отключающих ток) в случае пробоя внутренней изоляции силовых кабелей.

Внешняя металлическая броня силовых кабелей заземляется на корпус пункта подключения.

Пункт переключений

Подача и снятие напряжения с секций контактного рельса производится посредством пунктов переключений (разъединителей). Они делятся на 3 основных вида:

• ручные разъединители;
• дистанционно управляемые разъединители (ДУРы);
• совмещённые ручные/дистанционные разъединители (сборки 825 В в ПТО).

Ручные разъединители устанавливаются на парковых путях электродепо для частичного снятия напряжения на отдельных участках при производстве работ (вместо общего снятия напряжения с парковых путей). В настоящее время практически не используются.

Дистанционно управляемые разъединители устанавливаются на фидерах питания контактного рельса от тяговых подстанций, а также для секционированного подключения контактной сети на съездах, в оборотных тупиках и на ССВ. Управляются энергодиспетчером; также пульты управления ДУРами расположены на блок-постах станций с путевым развитием. Порядок их использования определяется местной инструкцией с учётом особенностей работы и устройства схемы тягового электроснабжения конкретной станции.

В корпусе ДУРа находятся 2 медные шины, к одной из которых болтами прикреплены наконечники силовых кабелей, другая соединена с контактным рельсом аналогично пункту подключения. Подача и снятие напряжения осуществляется посредством моторных пинцетов, которые в замкнутом положении сцеплены с ножами разъединителя. В передней стенке корпуса имеется прозрачное окно для визуального контроля положения ножей и пинцетов.

Сборки 825 В в ПТО устанавливаются для снятия напряжения с контактного рельса и его заземления во время осмотра составов. Эта операция выполняется работниками ПТО при помощи рычагов ручного привода. В этих устройствах также имеется дистанционно управляемый привод для общего обесточивания сборки.

Концевые отводы

В местах разрыва контактного рельса, чтобы не было резкого выброса вверх токоприёмника при его сходе с конца контактного рельса и чтобы токоприёмник не наткнулся на встречный конец контактного рельса, к последним присоединяют особые приспособления — концевые отводы. Рабочая поверхность концевого отвода контактного рельса на некотором расстоянии от стыка сохраняет нормальную высоту 160 мм над уровнем головок ходовых рельсов, а затем постепенно повышается до самого конца отвода, вследствие чего достигается плавный выход токоприёмника из-под рельса и плавный заход под него.

На строящихся линиях контактный рельс главных путей должен иметь концевые отводы с уклоном 1/30 на принимающем и 1/25 на отдающем конце. На действующих линиях впредь до переустройства допускается применение отводов с уклоном 1/25. На парковых путях, где скорость движения поездов относительна невелика, устанавливаются отводы 1/20.

В настоящее время на всех строящихся линиях метрополитена принимающие отводы имеют уклон 1/30 и крепятся на трёх кронштейнах, а отдающие имеют уклон 1/25 и крепятся на двух кронштейнах контактного рельса.

Электробезопасность

Чтобы избежать поражения людей электрическим током при случайном прикосновении к контактному рельсу, последний на всём протяжении сверху и сбоку накрывается специальными защитными коробами. В настоящее время на метрополитенах используется три вида защитных коробов контактного рельса:

• Деревянные короба на опорных точках, окрашенные с внутренней стороны огнеупорной, с наружной — масляной краской. Данные короба в настоящее время постепенно заменяются, так как не отвечают нормам пожарной безопасности, а также неудобны в эксплуатации. Их достоинством является высокая прочность.
• Стеклопластиковые короба на опорных точках. Недостатком данного вида коробов является то, что они установлены, как правило, на трёх пластиковых опорных точках и имеют воздушный промежуток между коробом и контактным рельсом, что является причиной их частого излома.
• Облегающие стеклопластиковые короба, точно повторяющие контур контактного рельса и крепящиеся с помощью рёбер жёсткости, предусмотренных внутри самого короба. Данный вид коробов наиболее удобен в эксплуатации и полностью удовлетворяет нормам пожарной безопасности на метрополитенах.

В местах перехода через контактный рельс (например, у сходных мостиков в торцах станций) поверх короба устанавливаются диэлектрические полосы или коврики (резиновые на деревянных коробах и деревянные на стеклопластиковых).

Ремонтные работы на контактном рельсе или в непосредственной близости от него разрешается производить только после снятия высокого напряжения, проверки его фактического отсутствия указателем напряжения и установки закоротки — токопроводящей перемычки, электрически соединяющей контактный рельс с ходовым. При случайной подаче напряжения на контактный рельс при установленной закоротке происходит короткое замыкание с последующим отключением защитных автоматов на подстанции. Работы должны производиться в диэлектрических резиновых перчатках и ботах.