Схема цепной подвески с полной компенсацией при системе питания AT для магистральных высокоскоростных железных дорог

1  Обзор

Система тягового электроснабжения магистральных и высокоскоростных железных дорог является источником энергии для движения поездов; её ключевое требование состоит в том, чтобы при прохождении поезда на высокой скорости между токоприёмником и контактной сетью постоянно поддерживалась стабильная и надёжная передача тока. С ростом эксплуатационных скоростей проблема динамического токосъёма в системе «токоприёмник — контактная сеть» стала ключевым техническим ограничением развития высокоскоростных железных дорог — чем выше скорость поезда, тем сильнее электрические дуги и отрывы токоприёмника, и тем выше требования к равномерности эластичности и стабильности натяжения контактной подвески. В мировой практике AT-система питания с цепной подвеской полной компенсации стала стандартным решением для высокоскоростных железных дорог со скоростями 250km/h и выше, а также для протяжённых магистралей: такое сочетание объединяет преимущества системы питания и конструкции подвески и обеспечивает высокое качество токосъёма при большой мощности тяги, длинных плечах питания и двойной тяге с двумя токоприёмниками.

В настоящем документе системно изложены технические принципы, состав системы, параметры ключевого оборудования, преимущества и ограничения, а также типовые примеры применения в стране и за рубежом для следующего решения — цепная подвеска с полной компенсацией при системе питания AT. Документ служит справочной базой для проектирования, строительства и эксплуатации системы тягового электроснабжения высокоскоростных железных дорог. Он адресован инженерам по тяговому электроснабжению, проектировщикам контактной сети, специалистам по организации строительства и техническому обслуживанию высокоскоростных линий.

2  Область применения

AT-система с цепной подвеской полной компенсации предназначена главным образом для следующих условий эксплуатации: высокоскоростные пассажирские линии со скоростями 250km/h и выше, протяжённые магистрали смешанного пассажирско-грузового движения со скоростями 160km/h и выше, а также тяжеловесные магистрали с повышенными требованиями к качеству токосъёма. В этих условиях скорости движения велики, а тяговые токи значительны, что предъявляет жёсткие требования к динамическим характеристикам системы «токоприёмник — контактная сеть» и стабильности электроснабжения.

На пассажирских выделенных линиях при токосъёме одним или двумя токоприёмниками амплитуда колебаний контактного усилия между токоприёмником и контактной сетью напрямую влияет на качество токосъёма. Исследования показывают, что при приближении скорости движения поезда к 70% скорости распространения волны в контактной сети динамический отклик системы заметно ухудшается, колебания контактного усилия резко возрастают, а доля отрывов значительно увеличивается. Поэтому на линиях с высокими скоростями необходимо применять подвеску с равномерной эластичностью и стабильным натяжением, и цепная подвеска с полной компенсацией как раз отвечает этому требованию. На магистралях смешанного движения тяговая мощность грузовых локомотивов обычно достигает 25MW и более, AT-система позволяет удлинить плечо питания до 40-50km, резко сократить число подстанций и снизить стоимость строительства, сохраняя при этом стабильность напряжения питания.

3  Ключевые технические решения

3.1  Система питания: однофазный ток промышленной частоты 25kV переменного тока, AT-питание

В мировой практике на высокоскоростных железных дорогах повсеместно применяется однофазная система 25kV переменного тока промышленной частоты, которая имеет явные преимущества по технической зрелости, экономичности и надёжности. По сравнению с прямым питанием (1×25kV), система питания AT (2×25kV) основана на том, что между контактной сетью (T) и рельсом (R) прокладывается дополнительный питающий фидер (F), а вдоль линии через каждые 10-15km устанавливается автотрансформатор (AT); средняя точка AT присоединяется к рельсу, а его выводы — соответственно к контактной сети и питающему фидеру. Таким образом, между подстанцией и постом AT ток распределяется примерно поровну между контактной сетью и питающим фидером, эффективное напряжение передачи составляет 50kV, а напряжение на токоприёмнике поезда остаётся равным 25kV.

Непосредственный эффект этого решения таков: ток линии снижается вдвое по сравнению с прямым питанием, потери напряжения и электроэнергии резко уменьшаются, а плечо питания можно удлинить до 40-50km (при прямом питании — только 20-25km), что позволяет сократить число подстанций примерно на 40%. Кроме того, поскольку токи в питающем фидере и контактной сети направлены противоположно, наведённые токи в рельсах и земле взаимно компенсируются, что заметно снижает электромагнитные помехи линиям связи — это критически важно для безопасной работы систем сигнализации вдоль высокоскоростных линий. Помимо этого, при полностью параллельном AT питании между контактными сетями чётного и нечётного путей вводятся поперечные соединения, что дополнительно повышает надёжность электроснабжения и чувствительность защиты от коротких замыканий.

3.2  Конструкция подвески: эластичная цепная подвеска с полной компенсацией

Эластичная цепная подвеска с полной компенсацией — основная форма контактной подвески современных высокоскоростных железных дорог; она состоит из несущего троса, контактного провода, эластичной струны (упругой подвесной струны) и струн. Несущий трос закрепляется на вершине опоры и с помощью струн и эластичных струн удерживает контактный провод под собой, образуя цепную конструкцию. По сравнению с простой цепной подвеской в эластичной цепной подвеске между несущим тросом и контактным проводом добавлены эластичные струны: вблизи каждой точки подвеса они создают дополнительную упругую опору, благодаря чему подъём контактного провода в точке подвеса становится ближе к его подъёму в середине пролёта, и равномерность эластичности контактного провода заметно улучшается.

Слово «полная» в составе термина означает, что и для несущего троса, и для контактного провода предусмотрены автоматические компенсаторы натяжения. Когда из-за изменения температуры провод удлиняется или укорачивается, компенсатор за счёт перемещения груза автоматически регулирует натяжение провода, и стрела провеса остаётся стабильной во всём диапазоне температур. Для высокоскоростных железных дорог это особенно важно — изменение стрелы провеса контактного провода напрямую влияет на динамическое контактное усилие и, следовательно, на качество токосъёма. В северных районах Китая разница температур между зимой и летом достигает 60-70°C, и без компенсатора стрела провеса контактного провода изменялась бы на десятки сантиметров, что совершенно несовместимо с требованиями высокоскоростного токосъёма.

Натяжение эластичных струн обычно составляет 3.5-6kN, натяжение несущего троса — 15-25kN, натяжение контактного провода — 25-30kN. Благодаря наличию эластичных струн разница между подъёмом контактного провода в точке подвеса и в середине пролёта снижается по сравнению с простой подвеской с 30-40mm до 5-10mm, а неравномерность эластичности удерживается в пределах 10%. Это улучшение критически важно для стабильности динамического контактного усилия между токоприёмником и контактным проводом при высоких скоростях. По данным исследований, при скорости 350km/h среднеквадратическое отклонение контактного усилия для эластичной цепной подвески не превышает 30N, тогда как у простой цепной подвески при той же скорости оно обычно превышает 50N.

3.3  Ключевое оборудование

3.3.1  Высокопрочный контактный провод из медно-магниевого сплава

Контактный провод — это провод, по которому непосредственно скользит полоз токоприёмника; свойства его материала напрямую определяют качество токосъёма и срок службы. На высокоскоростных линиях применяется контактный провод из медно-магниевого сплава сечением 150mm² — основное решение для контактных проводов высокоскоростных железных дорог в мире. Содержание магния в медно-магниевом сплаве обычно составляет 0.4%-0.7%, а главное преимущество — сочетание высокой прочности при растяжении и хорошей электропроводности. Например, у контактного провода типа CTMH150, применяемого в Китае, минимальная прочность при растяжении не ниже 440MPa, электропроводность не ниже 68%IACS, и даже при натяжении свыше 25kN он сохраняет хорошие характеристики стрелы провеса.

По сравнению с медным контактным проводом прочность медно-магниевого провода при растяжении выше примерно на 30%, что означает меньшую деформацию провеса при том же натяжении и меньшую стрелу провеса, а это способствует повышению скорости распространения волны и улучшению токосъёма. Кроме того, больший запас прочности означает и более высокую износостойкость: провод выдерживает постоянное истирание полозом токоприёмника на высокой скорости, что продлевает срок его службы. Сечение контактного провода из медно-магниевого сплава, применяемого в японском Синкансэне, составляет 110mm², в Европе применяются главным образом медно-серебряный и медно-оловянный сплавы сечением 100-120mm², а применяемый в Китае 150mm² относится к контактным проводам из медно-магниевого сплава большого сечения и соответствует высшему мировому уровню.

3.3.2  Цельная конструкция консоли

Консоль — поддерживающая конструкция контактной сети, служащая для подвески несущего троса и контактного провода над опорой. На высокоскоростных линиях применяется Цельная конструкция консоли, состоящая из горизонтальной и наклонной консолей, которые соединяются через седло несущего троса и седло трубы, образуя жёсткую треугольную раму. По сравнению с традиционной упругой подвесной консолью цельная консоль устраняет раскачивание несущего троса в рабочем режиме: конструкция становится устойчивее, эффективно противостоит ветровым нагрузкам и обеспечивает стабильность положения контактного провода.

Сборка консоли — ключевой этап строительства контактной сети. В современном строительстве применяется интеллектуальная технология предварительной сборки консолей: серводвигатели и специальная оснастка обеспечивают автоматическое позиционирование и установку деталей, а точность сборки консоли удерживается в пределах ±1mm. Такая точность критически важна для прямолинейности контактного провода, поскольку погрешность установки консоли напрямую переносится на положение контактного провода и влияет на качество токосъёма. Кроме того, в последние годы в Китае разработана ветроустойчивая цельная стальная консоль, специально оптимизированная для прибрежных и горных районов с сильными ветрами: её ветростойкость повышена до способности выдерживать боковой ветер 30m/s и более.

3.3.3  Компенсатор натяжения

Компенсатор натяжения — центральный элемент системы подвески с полной компенсацией: он автоматически регулирует натяжение проводов при изменении температуры и поддерживает стабильную стрелу провеса контактного провода и несущего троса. К основным типам компенсаторов относятся блочный, храповой и пружинный. Блочный компенсатор обладает высоким КПД передачи и стабильным натяжением, но имеет большие габариты и массу; храповой компенсатор компактен, требует малого монтажного пространства, однако предъявляет высокие требования к точности изготовления; пружинный компенсатор создаёт компенсирующее усилие за счёт упругого элемента, быстро реагирует и прост по конструкции, но имеет ограниченный ход компенсации.

На высокоскоростных линиях Китая наибольшее применение получил храповой компенсатор. Его принцип состоит в том, что встроенная конструкция храповика преобразует температурное удлинение провода в перемещение груза, которое через стальной канат передаётся проводу, поддерживая натяжение постоянным. Для контактного провода ход компенсации обычно составляет 550-850mm, что перекрывает диапазон изменения температуры от -40°C до +80°C. Точность компенсации натяжения напрямую влияет на стрелу провеса контактного провода и, следовательно, на качество токосъёма, поэтому монтаж и настройка компенсатора — важная операция при строительстве контактной сети.

3.3.4  Ветроустойчивый фиксатор

Фиксатор служит для удержания контактного провода в центре пути и предотвращения его поперечных смещений под действием ветровых нагрузок и центробежных сил. Требования к фиксаторам на высокоскоростных линиях значительно выше, чем на обычных железных дорогах, поскольку поперечное смещение контактного провода напрямую влияет на качество токосъёма, а в тяжёлых случаях может привести к сходу полоза с провода. На современных высокоскоростных линиях широко применяется опорный механизм обратной фиксации с упругим демпфером: между фиксатором и фиксирующей трубой введён упругий демпфирующий элемент, который обеспечивает достаточное фиксирующее усилие и одновременно даёт упругую компенсацию при проходе токоприёмника, снижая удар по нему.

В районах сильных ветров, например на побережье и в северо-западных ветровых зонах Китая, контактная сеть требует специального ветроустойчивого проектирования. Основные меры: сокращение пролёта (с обычных 65m до 50m), применение фиксаторов усиленного сечения, установка ветровых оттяжек и т. п. Наиболее эффективная мера — сокращение пролёта: оно уменьшает ветровую площадь и свободную длину контактного провода, но одновременно увеличивает число опор и консолей и повышает стоимость строительства. В реальных проектах требуется специальный расчёт по местным данным о ветровых нагрузках, чтобы найти баланс между безопасностью и экономичностью.

4  Преимущества решения

4.1  Отличное качество токосъёма

Главное преимущество эластичной цепной подвески с полной компенсацией — превосходное качество токосъёма. Оно проявляется в трёх аспектах: во-первых, стрела провеса контактного провода стабильна — благодаря полной компенсации её изменение во всём диапазоне температур не превышает 10mm, что намного меньше десятков миллиметров у подвески без компенсации; во-вторых, эластичность равномерна — наличие эластичных струн значительно уменьшает разницу эластичности между точкой подвеса и серединой пролёта, так что при проходе точки подвеса токоприёмник не испытывает заметного удара; в-третьих, высока точность прямолинейности контактного провода: по строительным нормам высокоскоростных железных дорог Китая отклонение прямолинейности контактного провода не должно превышать 0.1mm/m, а на критических операциях удерживается в пределах 0.05mm/m; этот показатель точности является одним из самых высоких в мире.

Контроль прямолинейности контактного провода — основа обеспечения качества токосъёма. Исследования показывают, что неровности контактного провода создают высокочастотные возмущения системы «токоприёмник — контактная сеть», которые вступают во взаимодействие с движением токоприёмника и увеличивают колебания контактного усилия. При эксплуатационной скорости 350km/h каждое дополнительное отклонение прямолинейности контактного провода на 0.1mm/m увеличивает среднеквадратическое отклонение контактного усилия примерно на 5-8N. Поэтому 0.05-0.1mm/m — целевой показатель контроля прямолинейности, который фактически является необходимым условием удержания влияния неровностей контактного провода на токосъём в допустимых пределах. Достижение такой точности зависит от высокоточной предварительной сборки консолей, расчёта струн и регулировки на месте.

4.2  Работа с двойной тягой и двумя токоприёмниками

Двойная тяга — важный способ повышения провозной способности высокоскоростных железных дорог: два поезда соединяются и работают совместно, причём на каждом из них поднят один токоприёмник. Это предъявляет серьёзные требования к системе «токоприёмник — контактная сеть»: проходя, передний токоприёмник возбуждает в контактном проводе волны, которые, доходя до заднего токоприёмника, изменяют контактное усилие и ухудшают качество токосъёма. Эластичная цепная подвеска с полной компенсацией благодаря более высокой скорости распространения волны и лучшей равномерности эластичности эффективно подавляет влияние волн от переднего токоприёмника на задний.

На высокоскоростных линиях Китая 16-вагонные поезда применяют токосъём двумя токоприёмниками, расстояние между передним и задним токоприёмниками составляет около 200-250m. Экспериментальные данные показывают, что при скорости 350km/h в условиях двойной тяги среднеквадратическое отклонение контактного усилия переднего токоприёмника составляет около 28N, заднего — около 35N, что находится в допустимых пределах. При простой цепной подвеске в тех же условиях среднеквадратическое отклонение контактного усилия заднего токоприёмника обычно превышает 50N, а доля отрывов заметно возрастает. Именно поэтому эластичная цепная подвеска с полной компенсацией стала необходимым условием работы высокоскоростных линий с двойной тягой — она обеспечивает необходимую при двух токоприёмниках повышенную скорость распространения волны и лучшие динамические характеристики системы «токоприёмник — контактная сеть».

4.3  Проработанная защита от молнии и сильных ветров

Контактная сеть высокоскоростных железных дорог работает на открытом воздухе, и двумя главными природными угрозами для неё являются удары молнии и сильные ветры. В части грозозащиты AT-система сама по себе обладает определёнными преимуществами в этой области. Поскольку напряжение между контактной сетью и питающим фидером составляет 25kV, а напряжение контактной сети относительно земли также равно 25kV, грозовое напряжение распределяется между контактной сетью и питающим фидером более равномерно, что снижает вероятность перекрытия изоляторов. Кроме того, на контактной сети высокоскоростных линий применяется ряд специальных мер грозозащиты: ограничители перенапряжений устанавливают на подстанциях, постах секционирования,AT -постах и других ключевых узлах, а в районах частых гроз подвешивают грозозащитный трос.

В части защиты от ветра проектирование контактной сети высокоскоростных железных дорог накопило богатый инженерный опыт. На прибрежных высокоскоростных линиях Китая (например, Пекин — Шанхай, Шанхай — Куньмин) и в северо-западных ветровых зонах (например, Ланьчжоу — Синьцзян, Харбин — Далянь) применены специальные ветроустойчивые решения: сокращение пролётов, ветроустойчивые консоли и фиксаторы, дополнительные ветровые оттяжки. При проектировании обычно принимают базовую скорость ветра 30m/s, эксплуатационную скорость ветра 20m/s в качестве расчётных критериев, а для особых участков выполняют специальный расчёт по измеренным скоростям ветра. Многолетняя эксплуатация подтвердила работоспособность этих решений: они эффективно обеспечивают безопасность движения при сильных ветрах.

5  Ограничения и меры их преодоления

Хотя AT-система с цепной подвеской полной компенсации обладает заметными преимуществами, ей присущи и некоторые ограничения, которые нельзя не учитывать. Во-первых, AT-система имеет сложную структуру контактной сети: со стороны поля приходится подвешивать две группы дополнительных проводов (AF и PW), что увеличивает нагрузку на опоры и сложность монтажа, а также вероятность отказов. При отказе контактной сети, особенно при изломе опоры, восстановление линии занимает много времени и сильно влияет на движение.

Во-вторых, монтаж эластичной цепной подвески с полной компенсацией сложен и требует очень высокой точности. Положение эластичных струн, значения натяжения, длины струн и другие параметры должны рассчитываться точно, и любое отклонение влияет на стрелу провеса и равномерность эластичности контактного провода. По сравнению с простой цепной подвеской срок монтажа эластичной подвески увеличивается примерно на 15-20%, а требования к квалификации монтажников выше. Кроме того, обслуживание компенсаторов более трудоёмко: необходимо регулярно проверять подвижность компенсатора, износ стального каната и состояние смазки блоков.

В-третьих, в тоннелях и городских районах преимущества AT-системы раскрываются не полностью. В тоннелях пространство ограничено, монтаж и обслуживание дополнительных проводов затруднены; в городах на станциях параллельно уложено много путей, и структура контактной сети усложняется. Для преодоления этих ограничений применяются следующие меры: внедрение интеллектуальных строительных технологий, снижающих зависимость точности от ручного труда; развитие систем онлайн-мониторинга контактной сети для раннего предупреждения отказов; сочетание жёсткой и гибкой подвески в тоннелях для упрощения конструкции.

6  Типовые примеры применения

6.1  Высокоскоростные дороги Китая: линии Пекин — Шанхай и Ухань — Гуанчжоу

Сеть высокоскоростных железных дорог Китая — крупнейшая в мире: её эксплуатационная длина превышает 40 тыс. км, причём на подавляющем большинстве магистральных линий применены AT-система питания и цепная подвеска с полной компенсацией. Линия Пекин — Шанхай — наиболее показательная высокоскоростная магистраль Китая, проектная скорость 350km/h, общая длина 1318km. Её система тягового электроснабжения построена по схеме полностью параллельного AT-питания, контактная сеть выполнена по схеме простой цепной подвески с полной компенсацией, а контактный провод применён типа CTMH150 из медно-магниевого сплава с натяжением 30kN, натяжение несущего троса — 20kN. В комплексных испытаниях начального периода эксплуатации максимальная испытанная скорость поезда достигла 486.1km/h, характеристики токосъёма оставались стабильными, что полностью подтвердило надёжность решения.

Линия Ухань — Гуанчжоу — одна из первых в Китае высокоскоростных магистралей со скоростью 350km/h, её длина 1069km. Её система тягового электроснабжения также построена по AT-системе питания, контактная сеть — цепная подвеска с полной компенсацией. Особенность линии Ухань — Гуанчжоу в том, что она проходит через сложный рельеф хребта Наньлин: на трассе много тоннелей, что предъявляет повышенные требования к грозозащите и конструктивной устойчивости контактной сети. Успешное строительство и эксплуатация этой линии дали Китаю ценный опыт проектирования тягового электроснабжения высокоскоростных дорог в сложных условиях рельефа, особенно в части монтажа контактной сети в тоннелях и заземления грозозащиты, где сформирован зрелый комплекс технических норм.

6.2  Японский Синкансэн

Синкансэн — первая в мире введённая в эксплуатацию система высокоскоростных железных дорог: с момента открытия линии Токайдо в 1964 году накоплен опыт эксплуатации более 60 лет. В Синкансэне применена составная цепная подвеска (Compound Catenary) — трёхпроводная конструкция подвески, состоящая из вспомогательного несущего троса, основного несущего троса и контактного провода. Такая конструкция отличается высокой равномерностью эластичности системы «токоприёмник — контактная сеть», эффективно подавляет колебания контактной сети и в сочетании с высокопрочным медно-оловянным контактным проводом обеспечивает стабильное движение на скоростях порядка 300km/h. Опыт Синкансэна в миниатюризации, снижении массы и повышении надёжности арматуры контактной сети также послужил полезным ориентиром для развития техники контактной сети высокоскоростных железных дорог Китая.