Рельсовая сеть как обратный провод: сопротивление, соединители и дроссель-трансформаторы

На электрических железных дорогах рельсы выполняют критически важную функцию обратного провода для тягового тока. Эффективность этой системы напрямую зависит от низкого сопротивления рельсовой сети, что минимизирует падение напряжения и потери энергии. Например, омическое сопротивление одного километра нового рельса типа Р75 постоянному току составляет 0,0218 Ом/км, а типа Р43 – 0,0378 Ом/км. В процессе эксплуатации допускается износ, уменьшающий площадь поперечного сечения до 10%, что закономерно увеличивает электрическое сопротивление.

Сопротивление рельсовой сети в системах переменного тока существенно выше, чем на линиях постоянного тока, из-за влияния магнитных свойств рельсовой стали. Так, на частоте 50 Гц сопротивление переменному току превышает сопротивление постоянному в 5–7 раз. Существенное влияние на общее сопротивление оказывает также состояние стыков между отдельными рельсами, качество их соединения.

Величина сопротивления рельсовых стыков определяется степенью затяжки стыковых болтов, а также состоянием контактирующих поверхностей рельсов и соединительных накладок. Этот фактор особенно важен для дорог постоянного тока, где по рельсам протекают значительные тяговые токи. Для улучшения проводимости на стыках применяют специальные стыковые электрические соединители, привариваемые к концам рельсов.

Рис. 133. Стыковой электрический соединитель: 1 — соединитель, 2 — поверхность контакта, 3 — рельс.

Стыковые соединители (рис. 133) изготавливают из пучка гибких медных проволок, чье суммарное сечение должно быть не менее 70 мм² для постоянного и 50 мм² для переменного тока. Площадь контактной поверхности (2) между соединителем (1) и рельсом (3) в месте приварки нормируется и должна составлять не менее 250 мм². Это обеспечивает надежный электрический контакт и снижает переходное сопротивление.

Значительного снижения сопротивления всей сети позволяет достичь применение бесстыкового пути. Дополнительную эффективность дают междурельсовые соединители, шунтирующие две нити пути, и междупутные соединители, параллельно объединяющие рельсы соседних путей. На линиях постоянного тока эти соединители выполняются проводом сечением от 70 мм² в медном эквиваленте, с площадью контакта к шейке рельса также от 250 мм².

Рис. 134. Схема расположения электрических соединителей на участке без автоблокировки: 1 — стыковые соединители, 2 — междурельсовые соединители, 3 — междупутные соединители.

На электрифицированных участках, не оборудованных устройствами автоблокировки и централизации (рис. 134), применяется стандартная схема монтажа соединителей. Стыковые соединители (1) устанавливаются на всех стыках, междурельсовые (2) — через каждые 300 метров, а междупутные (3) — через 600 метров на станциях и через 1200 метров на перегонах. Данная схема обеспечивает минимальное сопротивление для тягового тока.

На участках с автоблокировкой (АБ) и электрической централизацией (ЭЦ) рельсовые цепи должны быть изолированы для работы сигнальных устройств. Для обеспечения прохождения тягового тока через изолированные стыки применяются специальные аппараты – путевые дроссель-трансформаторы (дроссели). Они устанавливаются по обе стороны изолированного стыка, соединяя рельсовые нити и образуя для тягового тока непрерывную электрическую цепь в обход изоляции.

Рис. 135. Принцип действия путевого дроссель-трансформатора у изолированного стыка: 1 — обмотка, 2 — изолированный стык, 3 — рельс, 4 — средняя точка обмотки.

Путевой дроссель-трансформатор (рис. 135) представляет собой аппарат с замкнутым магнитопроводом и обмоткой (1), размещенный в маслозаполненном корпусе. Его обмотка подключена к рельсам (3) по обе стороны от изолированного стыка (2), а средние точки (4) соседних дросселей соединены между собой. Тяговый ток, протекая по встречно включенным полуобмоткам, создает компенсирующие магнитные потоки, поэтому аппарат оказывает ему лишь малое омическое сопротивление.

Для сигнального тока устройств автоблокировки, который должен протекать из одной рельсовой нити в другую внутри изолированного участка, дроссель-трансформатор представляет высокое индуктивное сопротивление. Это достигается за счет сложения магнитных потоков от сигнального тока в сердечнике. Таким образом, аппарат эффективно разделяет пути прохождения тягового и сигнального токов, что справедливо для систем как постоянного, так и переменного тока.

Для повышения помехоустойчивости автоблокировки на дорогах постоянного тока используют сигнальный ток частотой 50 Гц, а на дорогах переменного тока — 75 Гц или, в современных системах, 25 Гц. Дроссель-трансформаторы также используются для организации междупутных соединений через провод (5), связывающий их средние точки. Для надежности такие соединения устанавливают через два изолированных стыка.

На станционных путях часто применяются однониточные рельсовые цепи. В этой схеме одна рельсовая нить используется для питания цепей автоблокировки (1), а вторая служит исключительно для прохождения тягового тока (2). Соответственно, стыковые соединители устанавливаются только на тяговой нити, как показано на рис. 136.

Рис. 136. Схема соединений при однониточной рельсовой цепи на станции: 1 — рельсовая цепь АБ, 2 — тяговый рельс, 3 — продольный электросоединитель.

Для надежной изоляции и выравнивания потенциалов тяговая нить на смежных участках пути чередуется. Непрерывность пути для тягового тока обеспечивается продольными электросоединителями (3), устанавливаемыми вдоль тяговых рельсов. При однониточных цепях также обязательны междупутные соединители, объединяющие тяговые рельсы нескольких путей в общую сеть для снижения общего сопротивления.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: А. Н. Шемякин А. С. Прудыус.

Источник: Устройство, монтаж и эксплуатация контактной сети и высоковольтных линий электропередачи.

Данные публикации будут полезны инженерам-проектировщикам и строителям контактной сети железных дорог, специалистам служб эксплуатации и ремонта инфраструктуры, а также студентам транспортных и строительных вузов, изучающим конструкции и основы надежности железнодорожных сооружений.