Электровозы и электропоезда

 

К электрическому подвижному составу относятся электровозы и моторные вагоны. В зависимости от рода применяемого тока различают электровозы постоянного, переменного тока и двойного питания; так же разли­чаются и электропоезда.

Электровозы и мотор-вагоны сос­тоят из механической части, элект­рического оборудования иимеют пневматические системы. К механи­ческой части современного электро­воза или мотор-вагона относятся кузов и тележки. Электрическое обо­рудование состоит из тяговых элект­родвигателей, вспомогательных электрических машин, аппаратуры для управления двигателями и вспомогательными машинами, а на элект­роподвижном составе переменного тока и двойного питания, кроме того,— из трансформаторов и преоб­разователей тока.

Кузов электровоза служит для размещения в нем электрической ап­паратуры и другого оборудования. Каркас кузова металлический, на­ружная обшивка обычно состоит из стальных листов, а кабина маши­ниста содержит и внутреннюю обшивку с тепловой и звуковой изоля­цией.

У большинства четырех- и шестиосных электровозов по обоим концам кузова имеются кабины машиниста. Кузов восьмиосных электровозов состоит из двух секций, сообщающихся между собой переходом, а кабины машиниста расположены только на одном конце каждой секции. В кабинах машинистов помещаются аппа­раты управления, контрольно-из­мерительные приборы, тормозные краны. В средней части кузова размещается высоковольтная каме­ры, в которой установлена электри­ческая аппаратура. Вспомогатель­ные машины — мотор-компрессоры, мотор-вентиляторы, генераторы тока управления и др.— располагаются между высоковольтной камерой и кабинами машиниста или перехо­дами из секции в секцию.

В качестве тяговых электро­двигателей на всех типах электровозов в основном применяют двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением. Они менее чувствитель­ны к колебаниям напряжения в контактной сети и обеспечивают бо­лее равномерное распределение на­грузки при их параллельном вклю­чении, чем электродвигатели дру­гих систем возбуждения. Тяговые электродвигатели рассчитаны на но­минальное напряжение 1500 В.

Скорость движения электровоза можно регулировать изменением на­пряжения, подаваемого на тяговые двигатели, или изменением соотно­шения тока якоря и тока возбуж­дения.

Токоприемник соединяет силовую цепь электровоза с контактным про­водом. Управление токоприемником электропневматическое.

Все электровозы имеют по два токоприемника, один из них запасной. В некоторых случаях, на­пример, при гололеде, электровоз работает одновременно на двух токо­приемниках.

Цепи тяговых двигателей от коротких замыканий и перегрузок защищают быстродействующий вы­ключатель, дифференциальные реле и реле перегрузки.

Вспомогательные машины элект­ровозов и электропоездов (мотор-вентиляторы, мотор-компрессоры, мотор-генератор и ге­нератор тока управления) приводят­ся в действие электродвигателями постоянного тока, работающими от контактной сети.

Мотор-вентиляторы служат для воздушного охлаждения пусковых резисторов и тяговых электродвига­телей, что способствует более   пол­ному использованию их мощности.

Мотор-компрессоры питают тормозную систему поезда и пневматические устройства элект­ровоза сжатым воздухом.

Генератор тока управления пред­назначен для питания цепей управ­ления, наружного и внутреннего освещения и заряда аккумулятор­ной батареи, являющейся резерв­ным источником питания тех же цепей.

От контактной сети переменного тока электровоз получает однофаз­ный ток промышленной частоты 50 Гц, номинального напряжения 25000 В. Электрическое оборудова­ние такого электровоза отличается от оборудования электровоза пос­тоянного тока главным образом на­личием понижающего трансформа­тора и выпрямительной установки.

Трансформаторы выполняют с ин­тенсивным циркуляционным масловоздушным охлаждением. В качестве выпрямителей обыч­но применяют кремниевые полупро­водниковые вентили — диоды, а в последнее время также силовые кремниевые венти­ли – тиристоры, которые дают возможность управлять про­цессом токопрохождения.

Скорость электровоза перемен­ного тока регулируется изменением напряжения, подводимого к тяговым электродвигателям, путем под­ключения их к различным выводам вторичной обмотки трансформатора или выводам автотрансформаторной обмотки. При таком способе регу­лирования отпадает надобность в пусковых реостатах и в переключе­ниях двигателей. На электровозах переменного тока тяговые электро­двигатели все время соединены меж­ду собой параллельно. Это улуч­шает тяговые свойства электровоза и упрощает электрическую схему.

На электровозах переменного то­ка, помимо вспомогательного обору­дования, применяемого на электро­возах постоянного тока, есть еще и мотор-насосы, обеспечивающие цир­куляцию масла, охлаждающего трансформатор и мотор-вентилятор ох­лаждения трансформатора и выпря­мителя.

Электродвигатели вспомогатель­ных машин чаще всего трехфазные асинхронные. Трехфазный ток преоб­разовывается из однофазного с помощью специальных вращающих­ся или статических преобразова­телей, называемых расщепителями фаз.

Применение переменного тока при электрификации железных дорог вызвало необходимость организа­ции пунктов стыкования двух родов тока: однофазного напряже­нием 25000В и постоянного на­пряжением 3000 В. При этом станции стыкования оборудуются специаль­ными устройствами для переключе­ния напряжения в отдельных секциях контактной сета.

Хотя при таком стыковании локо­мотивы сменяются быстро, однако усложняется и удорожается устрой­ство контактной сети, кроме того, затрудняется работа станции.

В ряде случаев целесообразно применение электровозов двойного питания, у которых возможны необ­ходимые переключения электричес­кого оборудования для работы на участках постоянного и перемен­ного тока. К электровозам двой­ного питания относятся электровозы ВЛ82 и ВЛ82^М соответственно мощностью 5200 и 6000 кВт с кон­струкционной скоростью 110 км/ч.

Для пригородного пассажирского сообщения на электрифицирован­ных линиях используются электро­поезда, состоящие из моторных и прицепных электровагонов. Мощ­ность моторного вагона рассчитана на передвижение совместно с одним или двумя прицепными вагонами. В зависимости от размера пассажи­ропотоков поезда формируются из 4, 6, 8, 10 и 12 вагонов. На приго­родных линиях, электрифицирован­ных на постоянном токе, исполь­зуют электропоезда серий ЭР1, ЭР2, ЭР22, а для линий, работающих на переменном токе— серий ЭР9П и ЭР9М.

В основном электрическое обору­дование электропоездов аналогично оборудованию электровозов; для увеличения площади пассажирского помещения оно размещается под кузовом и частично на крыше вагона. Управляется электропоезд с по­мощью контроллера из кабины машиниста. Принципы управления тяговыми электродвигателями те же, что и на электровозе, однако в электропоездах предусматривается устройство автоматического пуска, где специальное реле ускорения обеспечивает постепенное выключе­ние пусковых резисторов или пере­ключение выводов вторичной обмот­ки трансформатора с поддержанием заданного пускового тока.

В 1975 г. был выпущен 14-вагон-ный электропоезд постоянного тока ЭР200, имеющий конструкционную скорость 200 км/ч. Этот электропоезд предназначался для пассажирского сообщения на линиях с высокоскоростным движением.

Основные источники загрязнения электроподвижного состава те же, что и у тепловозов (исключая дизель) – результат износа колодок, колесных пар, частей электрических машин, а так же потери смазки из тяговых редукторов, букс, охлаждающих жидкостей и т.д.

 

Тяговая сеть

Контактная сеть, рельсы, фидеры и отсасывающие линии образуют тяговую сеть железных дорог.

Контактная сеть служит для непо­средственного подведения электриче­ской энергии к электроподвижному составу. В зависимости от назначения и условий эксплуатации контактная сеть может быть выполнена в виде воз­душной подвески на опорах или кон­тактного (третьего) рельса, установлен­ного рядом с путями на кронштейнах с изоляторами. Контактные рельсы ис­пользуют только на метрополи­тенах. На магистральных электрических дорогах их не применяют из-за труд­ностей, связанных с обеспечением без­опасности людей и животных, с защитой от снежных заносов и т. д.

Контактная сеть должна обеспечи­вать бесперебойный токосъем при наи­больших скоростях в любых атмосфер­ных условиях. Практически это озна­чает, что при значительных колебаниях температуры, образовании гололеда, сильном ветре, максимально допусти­мой скорости движения электроподвиж­ного состава, установленной графиком движения, не должен нарушаться скользящий контакт между контактным про­водом и токоприемником.

 Контактный провод в цепных под­весках подвешивают так, чтобы он рас­полагался по всей длине пролета при­мерно на одной высоте от головки рельса. Это достигается применением струн разной длины: коротких в средней части пролета и более длинных у опор. Условия механического взаимодейст­вия токоприемника и контактного провода ухудшаются при увеличе­нии расстояний между соседними струнами, так как в этом случае значительны стрелы провеса контакт­ного провода в межструновых пролетах. Эти стрелы провеса уменьшить прак­тически невозможно, поскольку натя­жения проводов уже приняты макси­мальными, в частности по условиям обеспечения наибольшей ветроустой­чивости подвески.

В плане на прямых участках пути контактные провода располагают зигза­гообразно относительно оси пути. Это необходимо для обеспечения равномер­ного износа накладок токоприемников. Зигзаг устанавливают в соответствии с длиной рабочей части токоприемника. На дорогах России зигзаг составляет 0,3 м в каждую сторону. Зигзаг контактному проводу придают фиксаторами, размещаемыми на каж­дой опоре.

Несущий трос может быть располо­жен зигзагообразно вместе с контакт­ным проводом, по оси пути и с зигзагом, обратным зигзагу контактного провода. В зависимости от этого цепная под­веска называется соответственно вер­тикальной, полукосой и косой. Выбор типа расположения подвески в плане зависит от скорости и преимуществен­ного направления ветра на данном участке. Косая цепная подвеска наибо­лее устойчива к воздействию ветра и позволяет применять большие пролеты. Однако монтаж ее сложнее.

В проводах контактной подвески не­обходимо поддерживать определенное натяжение, чтобы обеспечить мини­мальные стрелы провеса контактного провода. На электрифицированных же­лезных дорогах применяют полукомпен­сированные и компенсированные контактные подвески, различающиеся спо­собом натяжения проводов.

Для обеспечения нормальной рабо­ты электрифицированных железных дорог большое значение имеет выбор электрического сопротивления контакт­ной подвески. Напомним, что номиналь­ное напряжение в ней на дорогах пере­менного тока составляет 25 кВ и посто­янного тока — 3 кВ. Все тяговые и дру­гие расчеты производят исходя из этих значений. На шинах тяговых подстан­ций напряжение на 10% выше номи­нального для компенсации падения на­пряжения и составляет 27,5 кВ для до­рог переменного тока и 3,3 кВ на доро­гах постоянного тока при номинальной нагрузке.

Контактные провода изготовляют из меди, обладающей большой проводи­мостью. Наибольшее распространение получили контактные провода марки МФ (медный, фасонный). Фасонными их называют из-за двух продольных пазов, необходимых для за­крепления различных зажимов. На главных путях применяют контактные провода сечением 100 и 150 мм² (МФ-100, МФ-150), а на станцион­ных — сечением 85 мм². Иногда исполь­зуют также провода бронзовые, сталемедные.

В качестве несущих тросов приме­няют медные и биметаллические (сталемедные) провода, стальные тросы. Би­металлические провода свиты из отдель­ных биметаллических проволочек, каж­дая из которых имеет стальную сердцевину, покрытую тонким слоем меди.

Площадь сечения проводов контактной сети дорог переменного тока значи­тельно меньше, чем на дорогах постоян­ного тока. Это объясняется более вы­соким напряжением, подводимым к то­коприемникам электровозов. Обычно на дорогах переменного тока вполне доста­точно несущего троса и контактного провода для обеспечения необходимой проводимости контактной подвески.

На дорогах постоянного тока вы­нуждены подвешивать два контактных провода, располагая их рядом; кроме того, дополняют подвеску усиливаю­щими проводами.

Рельсовая сеть служит вторым про­водом тяговой сети. Для уменьшения сопротивления рельсовой сети тяговому току устанав­ливают соединители в рельсовых сты­ках. Стыковые соединители представ­ляют собой небольшие отрезки гибкого медного провода с двумя наконечни­ками, привариваемыми к рельсам по обе стороны стыка.

На дорогах РФ износ контактного провода из меди в среднем достигает 1 кг на 1000 локомотиво-километров, составляя основное засорение медью прилегающих площадей, то есть имея пробег локомотивов (электропоездов) и количество пар поездов, можно определить загрязнение медью окружающих железнодорожное полотно территорий.

 Контактные провода заменяются, когда высота их сечения соответственно уменьшится  примерно до 1/3 площади сечения.

Пластины пантографа могут быть из угля (графита), сплавов металла. Могут также применяться комбинированные пластины. Угольные накладки полируют контактный провод, дают малый износ, но не допускают съема больших токов. Среди пластин из сплавов следует указать на французские металлизированные угольные накладки типа MY 7D (C – 76%, Cu – 15%, Pb – 7%, Sb – 2 %), японские накладки типа Broimet (бронза, Fe, C, масло) и различные составы, состоящие из Cu, Fe, Pb, кремния, графита с Fe.

Комбинированные пластины (две угольные пластины и одна металлическая (Fe или Cu) на полозе) испытываются на линии Париж-Ле-Ман, однако результаты неудовлетворительны, так как пластины работают до износа недолго. На французских линиях однофазного тока на пантографах установлены пластины из твердой стали марки 50-57 без смазки, а на двухполозных пантографах для постоянного тока – две наружные пластины из меди марки U4b и две внутренние пластины из стали марки 50-57 на каждом полозе с применением жирной графитовой смазки.

Контактный провод в эксплуатации подвергается механическому, электрическому и химическому износу. Под последним понимается, например, износ, вызываемый отложением солей вблизи моря.

Кроме продуктов износа контактного провода, в почву попадают остатки элементов контактной сети, их окислы, например, окислы свинца от изоляторов, а также продукты, образующиеся при электролизе их в почве и др.