По мере непрерывного ускорения урбанизации нагрузка на городские транспортные системы неуклонно возрастает. Метрополитен большой провозной способности, безусловно, остаётся основой опорной сети, однако в аэропортах, крупных промышленных и деловых парках, новых городских районах, а также внутри малых и средних городов всё более популярным объектом строительства становится система рельсового транспорта малой и средней провозной способности, предъявляющая высокие требования к архитектурному облику, чувствительная к стоимости строительства и обслуживающая средний по величине пассажиропоток. Такие системы, как правило, выполняются по полностью изолированной схеме — либо на эстакаде над дорогой на всём протяжении, либо в выделенном коридоре с независимым правом на движение, — чтобы исключить взаимные помехи с наземным транспортом. Для подобных условий традиционное решение с воздушной контактной сетью всё заметнее обнаруживает присущие ему недостатки с точки зрения визуального восприятия, экономики и удобства обслуживания, тогда как решение с питанием от сталеалюминиевого контактного рельса, то есть от так называемого третьего рельса, благодаря своим уникальным комплексным преимуществам занимает всё более важное место в этих нишах. В статье системно рассмотрено решение с питанием от сталеалюминиевого контактного рельса для полностью изолированных линий лёгкого рельсового транспорта — от области применения и основных элементов до технических деталей и практических соображений о достоинствах и недостатках, — с тем чтобы дать читателю целостную картину этой технологии.
I. Точное определение области применения
Питание от контактного рельса — не новая концепция: в городском рельсовом транспорте она применяется более ста лет. Ранние системы метрополитена в основном использовали контактный рельс из низкоуглеродистой стали, как, например, первые линии Лондонского и Нью-Йоркского метрополитена. Однако по мере роста требований к снижению массы, повышению электропроводности и качеству электроснабжения традиционный чисто стальной рельс всё чаще оказывался несостоятельным с точки зрения токопроводящих свойств и отвода тепла. Появление сталеалюминиевого контактного рельса стало именно той материаловедческой и технологической новацией, которая отвечает этим задачам: он точно ориентирован на системы рельсового транспорта малой и средней провозной способности с повышенными требованиями к облику города и особо жёсткими условиями физического обособления трассы.
Прежде всего, типичной сферой применения являются полностью изолированные эстакадные линии метрополитена. В густо застроенной городской зоне, когда линия рельсового транспорта прокладывается на эстакаде, наиболее чувствительными для градостроительных органов и жителей прилегающих домов оказываются как раз густо расположенные над головой провода контактной сети и их опорные конструкции. Ряды стальных опор, перекрещивающиеся консоли и несущие тросы, фидеры образуют так называемую «воздушную паутину». Даже при тщательно проработанном архитектурном решении воздушная контактная сеть неизбежно рассекает силуэт города, создавая визуальное загромождение и ощущение сдавленности. Особенно в исторических кварталах, на набережных и в зонах, формирующих облик городских ворот, визуальное воздействие эстакадной линии нередко становится наиболее спорным пунктом при экологической экспертизе проекта и общественных обсуждениях. Питание от третьего рельса полностью переносит токопередающее устройство из воздуха над поездом на боковую поверхность или низ ходового рельса, так что с земли элементов электроснабжения практически не видно, а полотно эстакады выглядит исключительно чистым и прозрачным. Для тех, кому необходимо одновременно решить транспортную задачу и сохранить выразительный силуэт города, это, несомненно, весьма привлекательный вариант.
Во-вторых, естественной сферой применения такого решения являются автоматизированные пассажирские системы аэропортов. Будь то челночная связь между терминалами или перевозка пассажиров из сателлитного терминала в главный, линии внутри аэропорта обычно характеризуются малой протяжённостью, крайне малыми расстояниями между станциями, гибким составом поездов, высокой частотой отправлений и полным нахождением в закрытой зоне под управлением аэропорта. Такие системы требуют исключительно высокой надёжности, минимального объёма обслуживания и внешнего вида, максимально сочетающегося с архитектурой терминалов. Система питания от сталеалюминиевого контактного рельса как раз отвечает этим требованиям. В ней нет свойственного воздушным линиям риска ухудшения контакта из-за отклонения проводов ветром, гололёда или ослабления арматуры; межремонтный цикл жёсткого контактного рельса значительно превышает периодичность осмотров и регулировки натяжения гибкой контактной подвески. Что ещё важнее, в подземном транспортном уровне современного терминала, спроектированного как произведение искусства, или на эстакадной трассе между двумя терминалами открытая контактная сеть выглядела бы чужеродно, тогда как третий рельс с защитным кожухом совершенно незаметно вписывается в конструкцию пути. Пассажирские транспортные системы крупных узлов — пекинского аэропорта Шоуду, шанхайского Пудуна, гуанчжоуского Байюня — практически без исключения выполнены по схеме питания от третьего рельса, что подтверждает её доминирование в аэропортовом применении.
Наконец, автоматизированная система перевозки пассажиров, сокращённо линия APM, — ещё одна область, где третий рельс является безоговорочным выбором. Системы APM обычно работают в полностью автоматическом беспилотном режиме и обслуживают небольшие кольцевые маршруты в центральных деловых районах, внутренние линии крупных выставочных центров или прогулочные трассы тематических парков и зоопарков. К непрерывности и безопасности электроснабжения такие системы предъявляют исключительно жёсткие требования. Беспилотный поезд опирается на точное взаимодействие бортовой системы управления и путевого оборудования, поэтому любой мгновенный перерыв питания или просадка напряжения из-за нестабильного токосъёма может вызвать экстренное торможение и нарушить ритм движения всей системы. Сталеалюминиевый рельс благодаря жёсткой геометрии и сплошному токопроводящему телу большого сечения обеспечивает почти постоянное контактное нажатие и гладкую поверхность скольжения для токосъёмного башмака, что гарантирует высокую стабильность токосъёма — именно тот идеальный режим, которого ждут беспилотные поезда. Кроме того, линии APM часто проходят внутри зданий или по краю пешеходных зон с высокой плотностью людей, и продуманный защитный кожух полностью изолирует токоведущие части, исключая случайное прикосновение и отвечая самым высоким требованиям безопасности.
Таким образом, решение с питанием от сталеалюминиевого контактного рельса не является универсальной технологией, пригодной повсеместно: его жизнеспособность основана на предельно точном соответствии двум конкретным ограничениям — «замкнутое пространство» и «чувствительность к облику города». Вне физического ограждения и независимого права на движение риск третьего рельса резко возрастает, а если линия предъявляет предельные требования к скорости, то из-за ограничений класса напряжения и физической природы токосъёма проявляются его слабые стороны. Однако в точно очерченной нише комплексные преимущества этого решения трудно заменить другими способами питания.
II. Глубокий разбор ключевых технологий
Решение с питанием от сталеалюминиевого контактного рельса обязано своим возрождением в современных транспортных системах глубоким технологическим новациям в трёх областях: материаловедении, строительной механике и механизмах защиты. В настоящем разделе подробно рассмотрены конструктивная форма токопроводящего рельса, способ токосъёма поезда и системная защита.
(1) Форма токопроводящего рельса: металлургическая и механическая логика сталеалюминиевой композиции
Традиционный третий рельс для токосъёма чаще всего изготавливали из мягкой стали. Преимущества стали очевидны: высокая твёрдость и прочность при растяжении, отличная износостойкость и низкая стоимость изготовления. Однако электропроводность стали невелика — около одной десятой от электропроводности меди, — к тому же она нестабильна в зависимости от содержания углерода и примесей. Чтобы обеспечить передачу больших токов, площадь сечения чисто стального рельса приходится делать весьма значительной, что ведёт к существенному росту массы на единицу длины, увеличивает нагрузку на нижнее строение пути и затрудняет монтаж и транспортировку. Что ещё важнее, при протекании большого тока стальной рельс из-за повышенного сопротивления выделяет заметное джоулево тепло. При недостаточном отводе тепла температура рельса резко возрастает, что помимо бесполезных потерь электроэнергии может вызвать термическое расширение и деформацию материала, нарушить точность сопряжения токосъёмного башмака с поверхностью рельса и в предельных случаях привести к нарушению несущей способности конструкции.
Появление сталеалюминиевого контактного рельса по сути представляет собой тонкое функциональное разделение и перераспределение двух кажущихся противоречивыми требований — «износостойкость и коррозионная стойкость» и «высокая электропроводность» — средствами композитной технологии.
Сталеалюминиевый рельс состоит из двух совершенно различных металлических материалов, прочно соединённых специальными механическими или металлургическими методами. Его верхняя часть, непосредственно трущаяся о токосъёмный башмак и открытая атмосфере, — это контактная полоса, обычно из высококачественной нержавеющей стали. Выбор нержавеющей стали вполне обоснован: во-первых, на её поверхности легко образуется плотная самовосстанавливающаяся пассивирующая плёнка оксида хрома, которая придаёт ей атмосферостойкость, значительно превосходящую обычную углеродистую сталь. На эстакадных линиях контактный рельс круглый год подвергается воздействию дождя, солнца, перепадов температуры и возможных слабых химических загрязнений, и полоса из нержавеющей стали способна долго сохранять чистую контактную поверхность без дополнительных антикоррозионных покрытий, что крайне важно для снижения частоты обслуживания. Во-вторых, нержавеющая сталь обладает умеренной твёрдостью и износостойкостью, выдерживая многократное трение и удары угольной или медной накладки токосъёмного башмака при прохождении поезда на высокой скорости, что продлевает срок службы контактного сопряжения. При этом толщина полосы обычно задаётся очень малой — всего несколько миллиметров: конструктивно она представляет собой скорее функциональную «броню», чем несущее тело.
Нижняя основа композитного рельса — алюминиевый профиль большого сечения. Электропроводность алюминия и его сплавов хотя и уступает меди, но заметно выше, чем у стали, и составляет около 60 % от медной, а плотность крайне мала — лишь треть от плотности стали. Это физическое свойство делает алюминиевый сплав идеальным материалом для лёгкого токопроводящего тела больших токов. Методом экструзии алюминиевую часть можно выполнить с полостями сложной формы — двутаврового, перевёрнутого таврового или полого прямоугольного профиля. Такие тщательно проработанные сечения, с одной стороны, сильно увеличивают токопроводящую площадь и удерживают общее сопротивление на очень низком уровне, эффективно снижая потери напряжения и потери на нагрев в линии; с другой — полости увеличивают площадь поверхности теплоотдачи в контакт с воздухом, и вместе с высокой теплопроводностью алюминия это позволяет быстро рассеивать выделяемое тепло в окружающую среду. Поддержание низкой рабочей температуры не только повышает предел токовой нагрузки системы, но и замедляет старение изоляционных материалов, положительно влияя на долговременную надёжность всей системы.
Соединение полосы из нержавеющей стали с алюминиевой основой — не простое физическое наложение: оно выполняется непрерывной механической композитной технологией, например непрерывной прокаткой стальной полосы при определённой температуре с огромным давлением и вдавливанием её в заранее выполненный в алюминиевой основе паз типа «ласточкин хвост», что обеспечивает плотное сцепление и механическую фиксацию на атомном уровне. Этот процесс гарантирует, что материалы с разными коэффициентами теплового расширения при циклических изменениях температуры в период эксплуатации не расслоятся, не вспучатся и не сместятся относительно друг друга. Высокое качество соединения на границе раздела — основа прогнозируемого многодесятилетнего срока службы сталеалюминиевого рельса.
(2) Способ токосъёма: динамическое искусство контакта токосъёмного башмака
При наличии качественного токопроводящего рельса главной задачей способа токосъёма становится передача электроэнергии с неподвижной поверхности рельса на движущийся с высокой скоростью поезд плавно и с высоким КПД. В системе питания от третьего рельса эту функцию выполняют токосъёмные башмаки, устанавливаемые по обеим сторонам тележек поезда. По взаимному расположению башмака и контактного рельса различают три основных способа токосъёма: нижний, верхний и боковой. В реальных проектах полностью изолированных линий лёгкого рельсового транспорта преобладают первые два, каждый из которых имеет свою логику применения и инженерные акценты.
Верхний токосъём — наиболее классический и исторически самый давний способ. В этой схеме контактный рельс устанавливается сравнительно высоко, его рабочая поверхность из нержавеющей стали обращена вверх, а токосъёмный башмак прижимается к ней сверху вертикально вниз. Для стабильности контактного нажатия в рычаге башмака обычно предусмотрены предварительно сжатая пружина или пневмоцилиндр, создающие достаточное усилие прижатия. Существенное преимущество верхнего токосъёма — удобство текущих осмотров и обслуживания. При обходе пути персонал видит обращённую вверх токоведущую поверхность в очевидном положении, что облегчает визуальный контроль следов дуговой эрозии, посторонних предметов и механических повреждений. Даже в дождь и снег вода или снег на поверхности рельса легче сдвигаются проходящим башмаком, поэтому сплошной ледяной покров не приводит к серьёзному отказу токосъёма. Однако у верхнего токосъёма есть и неизбежные слабые стороны. Поскольку рабочая поверхность открыта и обращена вверх, на ней легко задерживаются опавшие листья, полиэтиленовые пакеты, птичий помёт и прочий мусор. Эти случайно приставшие предметы могут вызвать кратковременное дугообразование при проходе башмака, что не только ухудшает качество токосъёма, но и усиливает электрический износ контактных материалов. Именно поэтому на современных линиях с верхним токосъёмом над рельсом обычно устанавливают сплошной изолирующий кожух, который препятствует падению посторонних предметов и служит первым физическим барьером от случайного прикосновения людей.
Нижний токосъём в последние годы стал предпочтительным техническим решением на многих новых линиях. Его компоновка противоположна верхнему: контактный рельс устанавливается ниже, корпус перевёрнут, рабочая поверхность из нержавеющей стали обращена вниз. Токосъёмный башмак прижимается снизу вверх, прижимая накладку пружинным усилием к нижней поверхности рельса. Главное достоинство такой конструкции — естественная стойкость к неблагоприятной среде. Поскольку рабочая поверхность обращена вниз, дождь, снег, песок и пыль, листья и даже тонкие полиэтиленовые пакеты не могут на ней задерживаться, и условия токосъёма коренным образом улучшаются. Особенно на открытых эстакадных участках внезапный ливень влияет на систему с нижним токосъёмом гораздо меньше, чем на систему с верхним, что обеспечивает более высокую регулярность и надёжность движения. Кроме того, при нижнем токосъёме изолирующий кожух над контактным рельсом можно выполнить проще и эффективнее, а в регионах с частыми экстремальными погодными явлениями он должен лишь препятствовать боковому проникновению. Вместе с тем нижний токосъём не лишён недостатков: рабочая поверхность скрыта под корпусом рельса, что затрудняет визуальный осмотр, и персоналу приходится наклоняться или пользоваться зеркалом и видеокамерой, чтобы оценить состояние износа поверхности. Кроме того, конструкция с подъёмом башмака снизу требует более точного механизма подвески и направления, чтобы исключить сход башмака или сильный удар при прохождении стрелочных переводов и при неровностях пути.
Независимо от того, применяется верхний или нижний токосъём, выбор материала накладки токосъёмного башмака является одной из ключевых технологических задач. Обычно применяются металлокерамические накладки с пропиткой, чисто угольные накладки и порошковые медные накладки. Сопряжение накладки с полосой нержавеющей стали представляет собой типичную трибопару скользящего электрического контакта, которая в идеальном случае должна обладать хорошей электропроводностью, низкой интенсивностью износа и определённой терпимостью к изменениям шероховатости и чистоты поверхности контактного рельса. Современные операторы рельсового транспорта обычно определяют оптимальный состав накладки для конкретной линии по данным длительного мониторинга эксплуатации, чтобы найти наилучший баланс между стабильностью токосъёма, затратами на обслуживание оборудования и сроком службы поверхности рельса.
(3) Защита безопасности: недопустимая красная линия жизни
Поскольку третий рельс открыто проложен в габарите пути и находится под высоким постоянным напряжением в сотни и даже тысячи вольт, безопасность всегда остаётся ключевым вопросом, который необходимо рассматривать со всей серьёзностью. Даже при полностью изолированной трассе необходимо создавать многоуровневую, резервированную и предельно строгую систему защиты, гарантирующую абсолютную безопасность эксплуатационного персонала, ремонтников и случайно проникших на путь людей.
Первым уровнем защиты является система изолирующих кожухов по всей длине линии. Это сплошные неметаллические накладки, устанавливаемые непосредственно над контактным рельсом (при верхнем токосъёме) либо комбинированно сбоку и сверху (при нижнем). Материалом кожухов обычно служат стеклопластик, высокопрочный поликарбонат и другие качественные изоляционные материалы, обладающие не только высокой электрической прочностью, выдерживающей кратковременный пробой при напряжении в тысячи вольт, но и хорошей атмосферостойкостью, стойкостью к ультрафиолетовому старению и огнестойкостью. Конструкция кожуха должна сочетать герметичность с вентиляцией: не допускать проникновения пальцев или инструмента к токоведущим частям и одновременно избегать полной герметизации, которая затруднила бы отвод тепла от рельса и способствовала конденсации влаги внутри. У хорошо спроектированной системы кожухов тщательно проработаны стыки, угловые элементы и переходные участки, и не остаётся ни одного места, куда могли бы проникнуть мелкие животные или мусор.
Вторым уровнем защиты является установка указателей наличия напряжения. Такой указатель — высоковольтный индикатор, устанавливаемый непосредственно у пути или на щите управления тяговой подстанции; он подключается к контактному рельсу по ёмкостному или индуктивному принципу и ярким мигающим красным светом или световым столбом на светодиодах наглядно предупреждает персонал в габарите пути: «Контактный рельс данного участка находится под опасным высоким напряжением, приближаться запрещено». Такие устройства обычно оснащаются функцией самоконтроля и цепью сигнализации об исчезновении напряжения, что обеспечивает достоверность сигнала. Перед ночными ремонтными работами диспетчерский центр сначала дистанционно отключает выключатель фидера постоянного тока соответствующего участка и включает заземляющий разъединитель. Однако даже в этом случае строгие правила электробезопасности требуют, чтобы перед наложением индивидуального защитного заземления работники на месте лично убедились в погасании указателя наличия напряжения и дополнительно проверили отсутствие напряжения на контактном рельсе высоковольтным указателем напряжения. Наличие таких указателей существенно снижает риск поражения электрическим током из-за ошибки диспетчера, отказа телемеханики или остаточного индуктированного заряда.
Третьим уровнем защиты является продуманное размещение секционирования для аварийного отключения. Сталеалюминиевый рельс не является единым проводником на всю длину: он состоит из многих рельсовых звеньев стандартной длины, соединённых промежуточными стыками. В этих стыках система целенаправленно выполняет электрическое секционирование на выходе тяговой подстанции, у обоих концов станций и в отдельных местах линии. Секционирование обычно выполняется изолирующей рельсовой вставкой из стеклотекстолита на эпоксидной основе, которая физически разрывает прежде непрерывный токопроводящий рельс. Два соседних секционированных участка относятся к разным зонам питания и управляются разными выключателями фидеров постоянного тока. Тонкость такого решения в том, что при аварийной ситуации на каком-либо участке — например, при пожаре в поезде, эвакуации пассажиров в габарит пути или коротком замыкании оборудования электроснабжения — оперативный центр может дистанционно отключить выключатель соответствующей зоны и быстро снять напряжение с контактного рельса аварийного участка, тогда как поезда на соседних неповреждённых участках сохраняют возможность движения или аварийной тяги. Что ещё важнее, в зоне станционных платформ исходя из безопасности пассажиров и требования совмещения дверей при остановке схема питания обычно предусматривает, чтобы короткий участок контактного рельса в зоне стоянки либо был обесточен, либо находился под напряжением лишь на короткое время после прибытия и полной остановки поезда по специальной временной программе. Такое многоступенчатое электрическое разделение вместе с физическим ограждением в строительной части образует прочную линию защиты от поражения людей и животных электрическим током.
III. Объёмный взгляд на преимущества решения
Если рассматривать решение со сталеалюминиевым контактным рельсом в конкретном контексте проекта полностью изолированной линии лёгкого рельсового транспорта, его преимущества перед решением с воздушной контактной сетью носят многоплановый характер и охватывают три ключевых для успеха проекта измерения: облик города, капитальные вложения и эксплуатационное обслуживание.
(1) Дружественность к облику города: невидимый источник питания на городской эстакаде
При оценке влияния эстакадной линии на городской облик присутствие воздушной контактной сети почти всегда является структурной визуальной помехой. Чтобы обеспечить постоянное натяжение контактного провода при изменении температуры, через каждые несколько сотен метров требуется устанавливать группу храповых компенсаторов; чтобы токоприёмник плавно проходил по перекрёстным съездам, в воздухе приходится сплетать сложные воздушные стрелки и секционные изоляторы; чтобы всё это держать, вдоль линии приходится возводить бесконечные ряды H-образных стальных опор или круглых стоек. Даже ночью беспорядочные тени, которые эти металлические конструкции отбрасывают в свете фонарей, напоминают о вторжении промышленного объекта в городское пространство.
На эстакадной линии с питанием от третьего рельса визуальное восприятие меняется качественно. С земли край пролётного строения эстакады выглядит чистым и законченным: помимо необходимых шумозащитных экранов и ограждений дополнительных сооружений почти не видно. Поезд проходит бесшумно, крыша у него гладкая, без каких-либо устройств, и под эстакадой раздаётся лишь слабый шум трения колёс о рельсы. Такая предельная лаконичность для эстакадной линии, проходящей через центральную часть города, создаёт дополнительную ценность, которую трудно измерить деньгами: рельсовый транспорт перестаёт быть вторгающимся чужаком и вписывается в городскую ткань сдержанно и деликатно. Именно из комплексных соображений сохранения стоимости прилегающих земель и улучшения городского облика на отдельных участках линии Яманотэ в Токио, на эстакадном участке Северо-восточной линии в Сингапуре и в проектах перевода современных трамваев на эстакаду во многих городах Китая заказчики в итоге выбрали дружественное к облику города решение с третьим рельсом.
(2) Экономичность: видимая и невидимая экономия затрат
Что касается сравнения капитальных затрат, в отрасли сложился достаточно единодушный взгляд: при одинаковом уровне требований к линии совокупные капиталовложения в систему тягового электроснабжения на основе сталеалюминиевого контактного рельса оказываются примерно на 20–30 % ниже, чем при использовании традиционной воздушной контактной сети с полной компенсацией и эластичной цепной подвеской. Источников этой экономии несколько.
Прежде всего сказывается разгрузка строительных конструкций. При воздушной контактной сети фундаменты опор приходится заделывать в плиту пролётного строения эстакады или в плиту верхнего строения пути; такие опоры воспринимают натяжение контактного провода и несущего троса в несколько тонн, а также ветровую нагрузку, поэтому к местному армированию и к размерам нижележащих бетонных конструкций предъявляются дополнительные требования по прочности. Система третьего рельса опор не требует: контактный рельс крепится лёгкими изолирующими кронштейнами непосредственно по обеим сторонам балластного слоя или к боковой грани плиты верхнего строения пути и практически не создаёт дополнительной сосредоточенной нагрузки на мостовое сооружение. Благодаря этому пролётное строение эстакады можно запроектировать более лёгким и изящным, а сэкономленный объём арматуры и бетона в пересчёте на всю линию оказывается весьма значительным.
Далее оптимизируется мощность оборудования электроснабжения. Чтобы при проходе токоприёмника провод не поднимался слишком высоко и полоз не заходил под него, воздушная контактная сеть должна поддерживать высокое механическое натяжение; это ограничивает выбор сечения проводов, и обычно сечение одиночного контактного провода не превышает ста с небольшим квадратных миллиметров. Сечение же алюминиевого тела сталеалюминиевого контактного рельса составляет тысячи квадратных миллиметров, поэтому его сопротивление на единицу длины намного ниже, чем у воздушной линии. Меньшее сопротивление означает, что при передаче той же мощности потери напряжения и потери мощности в линии оказываются ниже. Это свойство даёт двойной экономический эффект: во-первых, шаг между тяговыми подстанциями можно увеличить и тем самым сократить их число, сэкономив дорогостоящие расходы на отвод земли, строительные работы и приобретение электрооборудования; во-вторых, снижается энергопотребление на всей линии, а значит, уменьшаются эксплуатационные расходы на электроэнергию в долгосрочной перспективе.
Наконец, монтаж и пусконаладка отличаются простотой. Укладка сталеалюминиевого контактного рельса представляет собой модульную сборку жёстких элементов. На заводе рельсовые секции стандартной длины уже соединены с нержавеющей лентой, а крепёжные детали изолирующих кронштейнов предварительно установлены; на площадке рабочим остаётся лишь поднять секцию, установить её на место, затянуть болты и сварить стык. Хотя этот процесс предъявляет строгие требования к точности монтажа, состав операций относительно прост, погода влияет на него мало, а темпы работ легко контролировать. Для сравнения: монтаж воздушной контактной сети — это тонкая «вышивка в воздухе»; нужна специальная рихтовочная машина для раскатки проводов, точные динамометры для выверки натяжения, а затем многократные испытания холодным и горячим скольжением для регулировки высоты контактного провода и зигзага. Разница в затратах на рабочую силу, в аренде специальной техники и в риске срыва сроков в конечном счёте отражается в сводной смете проекта.
(3) Низкие затраты на обслуживание: длительная стабильная работа без регулировок
После завершения монтажа и пусконаладки жёсткий контактный рельс на протяжении всего длительного срока службы практически не требует периодической регулировки параметров, как в воздушной сети. Воздушная контактная сеть — типичная «висячая упругая» система: высота провода и зигзаг медленно смещаются из-за изменения температуры, ползучести проводов и износа деталей. Поэтому эксплуатационной службе приходится содержать специализированные бригады контактной сети, которые регулярно проводят статические и динамические измерения параметров лазерными измерителями, а в ночные технологические окна выполняют точную регулировку участков, не соответствующих нормативам. Такая работа требует высокой квалификации и большой физической нагрузки и к тому же отнимает драгоценное ночное время, отведённое на обслуживание линии.
Сталеалюминиевый контактный рельс следует совершенно иной философии обслуживания: это «жёсткая фиксированная» система. Если не считать экстремальных ударов извне или просадки основания, пространственное положение и геометрия рабочей поверхности рельса сохраняются в исходном состоянии на весь срок службы. Акцент в работе персонала смещается от точной регулировки к предупредительному контролю состояния: визуально проверяют, нет ли на нержавеющей ленте следов аномального электродугового оплавления, ультразвуковым дефектоскопом ищут трещины внутри алюминиевого профиля, динамометрическим ключом подтягивают болты промежуточных стыков, удаляют пыль, случайно скопившуюся на защитном кожухе. Большая часть этих операций — простая повторяющаяся работа, не требующая высокой квалификации, и каждое окно для её выполнения невелико. Такое принципиальное различие в модели обслуживания означает для эксплуатирующей организации меньшую численность персонала, меньший склад запасных частей и более высокую готовность линии. На фоне постоянного роста стоимости рабочей силы эффект экономии совокупных затрат, обусловленный низкой потребностью в обслуживании, будет проявляться всё отчётливее.
4. Ограничения и инженерные решения
Любое инженерно-техническое решение имеет свои границы применимости, и сталеалюминиевый контактный рельс здесь не исключение. Прямо признавать его внутренние ограничения и принимать действенные инженерные меры для их обхода или смягчения — непременное условие научно обоснованного решения и тщательного проектирования.
(1) Железное правило безопасности: обязательное физическое ограждение
Самое существенное ограничение питания от третьего рельса состоит в том, что связанный с ним риск для безопасности не поддаётся компромиссу. В отличие от контактной сети, подвешенной на высоте нескольких метров, контактный рельс расположен почти в плоскости путевого лотка — всего в нескольких десятках сантиметров от земли или от эвакуационной платформы. Такое расположение представляет собой смертельно опасную угрозу для посторонних, проникших в габарит пути, для бродячих животных и для персонала, допустившего небрежность при работах. Именно поэтому во всём мире для любой линии с третьим рельсом без исключения действует железное правило: линия должна быть полностью изолирована физическим ограждением.
Под полным физическим ограждением понимают не просто привычные придорожные барьеры или зелёные разделительные полосы: весь путевой лоток должен быть превращён в «крепость безопасности» без слепых зон. На наземных участках и участках в неглубокой выемке обе стороны линии, как правило, полностью перекрывают прозрачными или сплошными оградами высотой от двух метров, а сверху дополнительно устанавливают противоподъёмные шипы или камеры видеонаблюдения. На эстакадных участках помимо штатного барьерного ограждения моста с внешней стороны аварийной эвакуационной платформы обычно предусматривают перила, исключающие падение людей, а на всех опорах и устоях, по которым можно взобраться на проезжую часть моста, применяют меры защиты от подъёма. Кроме того, вдоль всей линии через определённые интервалы должны быть устроены аварийные выходы или эвакуационные лестницы, ведущие в соседнюю зону, не занятую путями. Столь высокие требования к физическому ограждению приводят к тому, что после выбора варианта с третьим рельсом линия практически утрачивает возможность пересекаться в одном уровне и сливаться с городским наземным транспортом или пешеходной сетью. Для проектировщиков, рассчитывающих на некоторых участках уложить линию открыто по газону и сэкономить средства, жёсткие затраты на ограждение в варианте с третьим рельсом поглотят часть преимущества в стоимости строительства. Это обстоятельство необходимо ясно осознавать уже на стадии предпроектного планирования.
(2) Физическое ограничение «потолка» скорости
Ещё одно ограничение, которое нельзя не учитывать, — узкое место по скорости движения, обусловленное уровнем напряжения. В современных распространённых системах питания от сталеалюминиевого контактного рельса номинальное напряжение, как правило, составляет 750 V или 1500 V постоянного тока. Это относительно оптимальный диапазон, найденный за столетие инженерной практики как компромисс между безопасными зазорами, уровнем изоляции и передаваемой мощностью. Дальнейшее повышение напряжения хотя и снижает потери при передаче и увеличивает дальность питания, но предъявляет исключительно высокие требования к электрической прочности изолирующих кожухов, к безопасным расстояниям до оборудования у пути и даже к риску перекрытия по загрязнённой поверхности во влажную погоду, из-за чего сложность и стоимость системы резко возрастают.
При напряжении 750 V или 1500 V постоянного тока мощность, которую поезд снимает с контактного рельса через токосъёмный башмак, оказывается ограниченной. Поскольку мощность равна произведению напряжения на ток, при неизменном напряжении для получения большей тяговой мощности необходим больший ток. Слишком большой ток не только усиливает нагрев контактного рельса и питающих кабелей, но и создаёт мощный электротермический удар по точке контакта между башмаком и стальной лентой, ускоряет электрический износ полоза и рабочей поверхности рельса и может даже вызвать отрыв башмака и дугу, повреждающую оборудование. Практический опыт показывает, что максимальная длительная скорость поездов с питанием от третьего рельса обычно ограничивается примерно 100 km/h. Для внутриаэропортовых перевозок и линий APM с короткими перегонами и частыми остановками такой скорости более чем достаточно, но для пригородно-городского скоростного рельсового транспорта, где важны высокие скорости на перегонах и сокращение времени дальних поездок, её уже недостаточно. Иными словами, вариант с третьим рельсом по своей природе больше подходит для организации движения по схеме «высокая плотность — низкая скорость», а не «низкая плотность — высокая скорость».
(3) Системные меры преодоления ограничений
В ответ на эти два ключевых ограничения инженерное сообщество выработало целостную систему зрелых решений.
Стремясь компенсировать затраты на ограждение и расчленяющее воздействие на городское пространство, современное проектирование всё чаще выводит линии с третьим рельсом на эстакаду. Эстакада сама по себе служит действенным средством пространственного разделения: габарит между проезжей частью моста и наземной дорогой естественным образом образует непреодолимый барьер безопасности. Одновременно продуманное использование подмостового пространства — устройство автостоянок, озеленение, размещение небольших торговых объектов — позволяет в известной мере снять эффект барьера и превратить прежде невостребованное пространство под эстакадой в активный городской общественный ресурс.
Что касается ограничения скорости, то, с одной стороны, функциональное назначение линии следует однозначно определить уже на стадии планирования и не ставить перед ней недостижимых скоростных задач. Если на отдельных участках действительно требуется высокая скорость, можно применить поезда с двухрежимным питанием. Такие поезда на закрытых участках снимают ток с третьего рельса через башмак, а на открытых участках при выезде в пригород поднимают токоприёмник и получают питание от воздушной контактной сети, переходя на более высокий класс напряжения переменного тока. Хотя это увеличивает стоимость изготовления поездов и сложность системы, при определённых особых требованиях к стыковке линий такое решение остаётся гибким техническим компромиссом. С другой стороны, для линий, где используется только третий рельс, оптимизация схемы тягового электроснабжения — прокладка усиленных питающих линий на длинных перегонах, двустороннее питание для снижения потерь напряжения, а также разработка контактных рельсов нового поколения из композитных материалов с большей токонесущей способностью — позволяет несколько повысить токосъём на затяжных подъёмах и при разгоне и тем самым улучшить маршрутную скорость.
Заключение
Схема питания от сталеалюминиевого контактного рельса — зрелая и непрерывно развивающаяся технология электрической тяги на рельсовом транспорте — благодаря бережному отношению к городскому облику и действенному контролю затрат на строительство и обслуживание прочно удерживает незаменимое место в полностью изолированных системах лёгкого рельсового транспорта малой и средней провозной способности. От бесшумно снующих между терминалами аэропорта поездов до легко скользящих по эстакадам в центре мегаполиса артерий пригородного сообщения — эта внешне непритязательная система «наземного питания» соединяет в себе изобретательность композитных материалов, искусство токосъёма точной механики и философию многослойной защиты, предлагая современному городу эффективное, надёжное и по-человечески внимательное решение для передвижения. Разумеется, выбор технологии — это не изолированное сопоставление технических параметров, а комплексное взвешивание целей безопасности, экономики, экологии и скорости в конкретных граничных условиях. Только глубоко понимая внутреннюю логику и границы применимости схемы со сталеалюминиевым контактным рельсом, инженеры и лица, принимающие решения, смогут нанести самые разумные и уместные штрихи на чертёж будущей транспортной системы города.
ООО «Хэнань Чуанвэй» (Henan Chuangwit Railway Equipment Co., Ltd.) специализируется на разработке и производстве сталеалюминиевых контактных рельсов и сопутствующей арматуры, поставляя рельсовому транспорту высококачественные системы контактного рельса и готовые решения. За дополнительной информацией о продукции звоните по телефону 0375-6051688.
