Контактный рельс в метро: как это устроено и какое там напряжение?

В большинстве метрополитенов мира для передачи электрической энергии от подстанции к подвижному составу применяется не привычная для железной дороги воздушная контактная сеть, а вполне жесткий контактный рельс, оправдывающий свое название в полной мере.

Назначение и устройство контактного рельса

Контактный рельс – это жесткий токоведущий элемент, предназначенный для передачи электроэнергии к токоприемнику подвижного состава, за счет скользящего контакта.

Под жестким токоведущим элементом как правило понимается дополнительный рельс, однако это может быть все что угодно, главное чтобы этот элемент имел гладкую поверхность для возможности скольжения по нему токоприемника, и был жестким для возможности его крепления без дополнительных удерживающих приспособлений. Кстати, варианты крепления тоже могут быть различны: как по бокам от основного пути, так и в середине пути. Помимо крепления есть разные варианты токосъема: когда скольжение токоприемника осуществляется сверху, снизу или сбоку.

Напряжение электрического тока в контактной сети метрополитенов России – 825 Вольт выпрямленного постоянного тока, рабочим напряжением для подвижного состава является диапазон от 750 до 925 Вольт

В метрополитенах России контактный рельс расположен по бокам от основного пути для токосъема снизу, он с жестко крепится к шпалам железнодорожного пути посредством специального кронштейна, на вершине которого устанавливается изолятор, непосредственно удерживающий его. Таким образом ось контактного рельса оказывается параллельной оси пути, и если говорить о цифрах: расстояние между этой осью и ближайшим рельсом составляет 690 мм, а высота нижней (токоведущей) стороны над головкой рельса пути составляет 160 мм. Эти показатели на протяжении всей длины остаются практически неизменными.

Достоинства применения контактного рельса

Есть множество сценариев использования контактных рельс для питания подвижных составов, начиная от поездов метро и заканчивая городским трамваем. В каждом конкретном случае проявляются те или иные сложности, по этому о достоинствах и недостатках такого способа передачи электроэнергии мы будем говорить с позиции применения в отечественном метрополитене.

Главной сложностью перед применением в метро классической контактной сети, организация которой хорошо отработана на большой железной дороге, стала борьба буквально за каждый кубический сантиметр пространства в тоннеле. Здесь и проявилось главное достоинство контактного рельса – такая технология не требует много места и габариты тоннелей остаются минимальными, ведь он занимает свободное пространство, которое невозможно занять чем-то другим, и невозможно ликвидировать.

Так как такая технология электропередачи не предполагает, в отличие от провода, движущихся частей, а также состоит из значительно меньшего количества элементов, если опять же сравнивать с контактной сетью, а значит и общая надежность оборудования будет выше, соответственно обслуживание будет упрощено, а ремонт удешевлен. Сплошная выгода, и почему железнодорожники не перешли на контактный рельс?*

Следующий плюс вытекает из физических свойств материалов. В метро используются рельсы изготовленные из низкоуглеродистой стали, и хоть ее положительные электрические качества заметно отстают от таковых, как например у меди, но за счет большого сечения контактного рельса, доходящего до 6600 квадратных миллиметров, его электрическое сопротивление значительно ниже, чем в контактном проводе. Отсюда, в сумме, он обладает лучшими токопроводящими свойствами, а учитывая большую площадь пятна контакта с токоприемником, и также постоянство этого контакта, возникновение электрической дуги и искрения исключено, а значит подвижной состав будет получать стабильное электропитание.

Недостатки применения контактного рельса

Однако из достоинств вытекают и недостатки. Из-за того, что сталь в силу ферромагнитных свойств обладает выраженным скин-эффектом, она не пригодна для передачи переменного тока: из-за того, что движение заряженных частиц в переменном электрическом поле будет сгруппировано в поверхностном слое данного металла, полезное сечение проводника изменится в меньшую сторону, увеличивая и электрическое сопротивление.

В воздушной контактной сети все токоведущие части расположены на значительной высоте и не представляют никакой угрозы для окружающих, а также сами остаются в “безопасности” от погодных явлений, таких как сильный снегопад. Электробезопасность диктует множество ограничений, связанных с контактным рельсом, в основном правила сводятся к необходимости обеспечить отсутствие людей вблизи токоведущего рельса под напряжением, ну и изоляцию рельса.

На станциях метро при падении пассажира на пути, предусмотрен свой алгоритм “возвращения” его обратно после снятия напряжения, для подъема на станцию через контактный рельс используют специальную лестницу. Также необходимо обеспечить 100% исключение нахождения в тоннеле людей во время движения поездов, и в российских метро для этого на всех станциях установлены специальные устройства мониторинга. В данном случае опасность заключается в токоприемниках, которые расположены по обе стороны подвижного состава. Наличие контактного рельса с одной стороны пути в тоннеле может дать забежавшему зацеперу ложное ощущение безопасности на противоположной стороне. Мало того, что движущиеся токоприемники сами по себе крайне опасные элементы конструкции, для встречи с ними в узком тоннеле, так они еще и под напряжением, если хоть один из них, на любой стороне вагона, касается контактного рельса.

В общем конечно есть метрополитены, в которых контактный рельс не изолирован от внешнего мира совсем никак, а электробезопасность обеспечивается исключительно организационными мерами, но в России он должен иметь изоляционный кожух (короб), а это значительно удорожает конструкцию.

Устройство контактного рельса

Контактный рельс закреплен непосредственно в фарфоровом изоляторе с полиэтиленовой прокладкой, который в свою очередь присоединяется к головке удерживающего кронштейна. Изолирующий короб крепится непосредственно на головку кронштейна. Таким образом уже на данном уровне контактный рельс остается полностью электрически изолированным проводником. Для подачи на него напряжения применяют прямое подключение провода от соответствующего энергетического фидера.

Удерживающий кронштейн надежно крепиться к шпале, а его высота зависит от высоты путевых рельс. Между кронштейнами выдерживают расстояние до 5,5 метров, и это расстояние не зависит от длины рельсовых плетей (кстати длина одной плети 12,5 метров).

Теперь видится лишь одна проблема – стирание контактного башмака (который прижимается токоприемником к контактному рельсу) о частые стыки. Но бархатный путь придумали не только для людей, и для токоприемников контактные рельсы сваривают в единые плети длиной до 100 метров, с обязательным наличием температурных стыков для возможности бездеформационного расширения и сжатие плети от изменений температуры. На сварной стык обязательно приваривают несколько токопроводящих накладок, для уменьшения электрического сопротивления.

Для плавного присоединения и отсоединения башмака токоприемника к контактному рельсу применяются концевые отводы. Их конструкция довольно проста, в конце отвода его высота относительно головки путевого рельса начинает повышаться, пока поверхность контактного рельса не становиться выше высоты касания башмака.