какие рельсы используются в метро
Контактный рельс в метро: как это устроено и какое там напряжение?
Опубликовано 12.04.2021 · Обновлено 12.04.2021
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.
На фото оранжевым окрашен токоприемник, скользящий по контактному рельсу снизу
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 контактном рельсе 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, а процесс токосъема осуществляется снизу. Контактный рельс жестко крепится к шпалам железнодорожного пути по средством специального кронштейна, на вершине которого устанавливается изолятор, непосредственно удерживающий контактный рельс. 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 контактного рельса над головкой рельса пути составляет 160 мм. Эти показатели на протяжении всей длины контактного рельса остаются практически неизменными.
Схема крепления контактного рельса в метрополитенах России
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 контактный рельс занимает свободное пространство, которое невозможно занять чем-то другим, и невозможно ликвидировать.
Контактный рельс в тоннеле метро в изоляционном кожухе
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, контактный рельс обладает лучшими токопроводящими свойствами, а учитывая большую площадь пятна контакта рельса и токоприемника, 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.
Так выглядит лестница для захода с путей на станцию в метро. Лестница имеет складную конструкцию
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 контактный рельс 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 к рельсу провода от соответствующего энергетического фидера.
Место подключения контактного рельса к фидеру (обратите внимание, что контактный рельс на данном фото не имеет защитного короба)
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 одного рельса 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.
Башмак токоприемника мотор-вагона метро
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.
Какие рельсы используются в метро
Из книги «Московскому метрополитену-50»
Что же представляет из себя путь? Он состоит из нижнего и верхнего строений. Нижним служит бетонное основание или нижняя часть обделки тоннелей, а на наземных участках — земляное полотно. Верхнее — это рельсы, рельсовые скрепления, шпалы, балласт или путевой бетон, стрелочные переводы, переводные брусья, контррельсы, уравнительные приборы.
Путейской производственной единицей является околоток, руководимый дорожным мастером. Околоток осуществляет текущее содержание пути. Он укомплектован различными бригадами монтеров пути, обходчиками, операторами.
Околотки, расположенные на каждой линии метрополитена, объединены в дистанции пути, во главе которых стоят начальники, их заместители, старшие мастера и инженеры.
Для смены рельсовых плетей и шпал, щебеночного балласта, замены стрелочных переводов и т. д. организована дистанция капитальных работ на каждой линии.
При строительстве новых линий всегда учитывается опыт эксплуатации, рост грузонапряженности и скоростей движения. И в конструкции пути, стрелок и контактного рельса вносятся изменения, направленные на усовершенствования всего путевого хозяйства.
Рельсы направляют колеса, служат проводником тягового тока и тока автоблокировки. Непосредственно воспринимая на себя огромные нагрузки, они должны обладать высокой износоустойчивостью, твердостью и достаточной прочностью.
С 1950 года на всех линиях столичного метро, как действующих, так и строящихся, стали укладывать мощные рельсы типа Р-50. По своим эксплуатационным качествам они на уровне мировых образцов.
До этого использовали рельсы типа Р-43. Переход к более мощным типам рельсов обеспечил снижение интенсивности накопления остаточных деформаций и различных неисправностей, снизились объемы работ по текущему содержанию пути и периодичность всех видов ремонта. Но чтобы модернизировать путь, механизированные путевые колонны и бригады заменили более 36 км рельсов со скреплениями. Это была сложная трудоемкая операция. Прежде всего предстояло рельсовые плети (до 100 м длиной) завезти в тоннель на специально изготовленных тележках. Далее — подготовить для смены. И наконец, в короткое «ночное окно», не прекращая движения поездов,— заменить. Не только сами рельсы, но и все скрепления: подкладки, накладки, шурупы… а если помнить, что почти все работы производились вручную, с использованием лишь ломов и выконтовок, легко понять, какая требовалась организация работ на всех этапах замены, какое умение и сноровка людей! Ежедневно к началу движения поездов путейцы полностью успевали закончить ночные работы.
На линиях метрополитена, оборудованных автоматической блокировкой и диспетчерской централизацией, «рельсовые нити» используют как токопроводящие цепи для тягового и сигнального токов. На границах цепей находятся изолирующие стыки, что «отделяет» одну секцию от другой. Сначала эти стыки скреплялись деревянными накладками, потом стали применять металлические, под которые ставились фибровые прокладки. Но опыт показал, что ни деревянные, ни металлические не могут удовлетворять предъявляемым к ним требованиям. Деревянные накладки быстро изнашивались, а металлические не обеспечивали надежности электрической изоляции рельсов в стыках, что приводило к нарушению работы автоматической блокировки.
А в результате. Вместо зеленого на светофоре горит красный свет, машинист снижает скорость поезда… Сбой графика движения, опоздания, отмена поездов, а в отдельных случаях даже закрытие станций для входа пассажиров.
Тогда применили накладки из лигнофоля (склеенная прессованная древесина). Она отличалась высокой механической прочностью и была хорошим диэлектриком. Новые стыки повысили надежность работы рельсовых цепей и прослужили достаточно долго. Однако интенсивное движение поездов привело к тому, что и эти стыки не выдержали «экзамена» на прочность. И с 1972 года впервые на подземной дороге стали применять клееболтовые изолирующие стыки, которые в дальнейшем внедрили и на наземных железных дорогах.
Путь метрополитена в отличие от железнодорожного имеет так называемый третий, контактный рельс. Он подвешен на особых кронштейнах с изоляторами сбоку каждого пути, преимущественно с левой стороны по ходу движения поезда. Расстояние между кронштейнами в среднем 5 м.
Во время движения поезда пассажиры иногда обращают внимание на то, что в вагоне мигает или гаснет свет. Это объясняется тем, что контактный рельс, питающий поезд током, имеет разрывы, неизбежные в местах разветвления путей, а также в пунктах, где подача тока на него производится от различных питающих источников.
Следует отметить еще некоторые особенности пути метрополитена, не встречающиеся на обычных железных дорогах.
На кривых малых радиусов, где колеса поезда оказывают сильное давление на наружный рельс, он укреплялся (при пуске первой очереди метро) особыми упорками. Чтобы исключить возможность схода поезда на крутых кривых, вдоль внутренней нитки рельсов уложили еще один рельс — контррельс.
Для перехода поезда с одного пути на другой существуют стрелочные переводы, перекрестные съезды, стрелочные улицы.
Для уменьшения протяженности дорогостоящих тоннелей и максимальной экономии места на поверхности стрелочные переводы приняты с маркой крестовины: 1/9 — для главных путей, 1/5 — для парковых путей.
В начале 80-х годов стали укладывать стрелочные переводы с шириной колеи 1520 мм. Это обеспечило более плавное движение поездов.
Основная особенность эксплуатации пути метрополитена заключается в том, что он проложен большей частью в тоннелях. Интервалы между прибывающими поездами минимальные. Другими словами, во время движения поездов нельзя обеспечить необходимый надзор и контроль за состоянием пути и габаритов. Для этого остается лишь время «ночного окна», когда снимается напряжение с контактного рельса. (Надо сказать, что проверка габаритов оборудования осуществляется строго по графику габаритным вагоном.)
Что происходит в путевом хозяйстве метрополитена в «ночное окно»?
«…23.30. С дорожным мастером Яковлевым и заместителем начальника дистанции Виктором Мальчуговым мы договорились встретиться здесь, на станции «Свиблово», в помещении 56-го околотка…
24.00. Проходим туда, куда «посторонним вход воспрещен»,— в хозяйство службы пути.
— Рановато мы свидание назначили,— говорит Яковлев.— Тоннель для входа еще закрыт — поезда идут, так что вы посидите пока, присмотритесь. У нас рабочий день как раз ко второму сну нормальных людей начинается.
Где-то сбоку время от времени слышен гул поездов, проходящих уже не столь часто, как днем. А здесь, в небольшой комнате дорожного мастера, как в штабе армии, разрабатывается стратегия и тактика предстоящего «боя». Только боя — за надежность, скорость… Уточняются маршруты комплексной бригады дефектоскопии, обходчиков, планы путевых бригад.
Мальчугов знакомит нас со структурой службы. На дистанции (в данном случае — Калужско-Рижская линия) шесть околотков, отвечающих за исправность своих участков. Мечта каждого околотка — иметь ноль баллов (они начисляются за малейшие отклонения от нормы). Идеал — он на то и есть идеал, чтобы к нему стремиться постоянно.
— Конечно, никто не умаляет роли специалистов, пришедших на работу после института,— говорит Яковлев.— Но… Все-таки лучше с азов начинать. Разве можно все тонкости дела нашего (да в принципе любого дела) познать, если сам по путям с инструментами не прошагал, километры не «накрутил».
0.30. …Мы идем в соседнюю комнату, где собираются люди, для которых привычные понятия дня и ночи давно уже смещены. У них рабочий день длится ночь. Обычный инструктаж перед его началом. Впрочем, не совсем обычный. Не так часто приходится зачитывать приказы, подобные тому, который (на радость журналисту, ищущему необычные ситуации!) доводится до сведения работников станции. На соседнем участке пути случилось непредвиденное: обнаружена трещина, грозящая изломом рельса. Но ЧП не произошло благодаря бдительности путевого обходчика. Заметив дефект, он срочно сообщил о нем. Рельс был заменен. И наутро ничего не подозревающие пассажиры, сидя в вагонах, спокойно читали свои газеты. И никто из них никогда не узнает имени скромной женщины (обходчика), просто на совесть делающей свое дело. И приказа о поощрении обходчика они не услышат.
1.00. В это время на всех узлах прекращается пересадка, но поезда с поздними пассажирами «по прямой» еще идут. Идут и пустые составы — на расстановку, чтобы утром строго по графику быть там, где их ждут.
2.00. Готовность номер один. Проверены инструменты, поверх рабочих костюмов надеты оранжевые куртки.
2.15. Снято напряжение с контактного (или третьего) рельса. Но войти в тоннель все еще нельзя. Дежурный должен включить короткие замыкатели на тот самый непредвиденный и потому самый опасный случай, если напряжение снято не полностью. Наконец, гарантия безопасности обеспечена, раздаются два длинных сигнальных свистка, и работа началась. Спускаемся в тоннель и видим, как, разбившись на небольшие группы, рабочие расходятся для выполнения заданий. Все правильно. У каждого свои задачи, свой (на сегодняшнюю ночь) участок пути.
2.30. Самое необычное снаряжение — у комплексной бригады дефектоскопии, вместе с которой мы идем по шпалам. Впереди с внутренних сторон рельсов две обходчицы — Раиса Шульгина и Валентина Ларюшкина; чуть сзади, ведя перед собой тележку со щитками приборов и надев наушники, идет оператор дефектоскопа (той самой «тележки») Элла Соколова, она же и бригадир, и помощник оператора Александра Михайлова.
Их профессия наиболее типична для метрополитена.
Каждый день, вернее, каждую ночь, идут они по путям, шаг за шагом, сантиметр за сантиметром проверяя исправность рельсов.
Огромные нагрузки приходится выдерживать стальным магистралям. В цифрах это в среднем 300 млн. тонно-километров брутто, или б-7 лет срока службы рельсов. Но всякое может быть: трещины, раковины. Поэтому так пристально всматриваются обходчицы, поэтому так чутко прислушивается оператор к «мелодии», звучащей в наушниках. Чуть изменилась тональность, высота звука — ищи причину: где-то здесь, в глубине рельса, пронзенного ультразвуком дефектоскопа, кроется коварная пустота или разрушающая раковинка. Особенно надо быть внимательным в сварных местах — здесь степень опасности возрастает.
На помощь дефектоскопистам пришел вагон-дефектоскоп, являющийся современным высокопроизводительным механизмом для сплошной проверки состояния рельсов при скорости движения 50 км/ч.
На вагоне смонтирована ультразвуковая установка. Результаты проверки автоматически записываются на кинопленку и при ее расшифровке дают возможность установить место и характер дефекта в рельсе.
…Короткий привал. Мы говорим о том, что, наверное, надо очень любить свое дело, чтобы вот так на протяжении долгих лет уходить в ночь, медленными шагами отмерять километры, боясь в самом что ни на есть буквальном смысле проморгать неисправность.
Мы прощаемся с гостеприимными хозяйками пути: у них впереди дальняя дорога, нам же надо идти назад, туда, где трудится бригада контактного рельса.
3.00. Не правда ли, необычно звучит: бригада контактного рельса?
Анна Сарычева и Нина Турчина — вот, к нашему удивлению, и вся бригада. Две немолодые женщины спокойно, как дома на кухне, хозяйничали возле рельса, проверяя его габариты по высоте, горизонтали. Определить, нет ли пробоев изоляторов, в каком состоянии находится противоугонное хозяйство,— что и говорить, ответственное задание.
Почти 40 лет несет ночной дозор Анна Аверьяновна, более 20 — Нина. Вот находка для журналистов! За столько-то лет наверняка куча интереснейших историй, авралов, острейших ситуаций, с помощью которых можно было бы проиллюстрировать героизм метрополитеновцев и ярче раскрыть специфику их профессий.
Но не так все это. Не было ЧП, не было авралов. А была обычная, повседневная работа. По графику, по плану, по определенному маршруту. Каждую ночь, каждый месяц. И в этом — главная специфика этой профессии, и всего нашего метрополитена: не должно быть ЧП там, где речь идет о жизни людей, об их безопасности. Не устранять в срочном порядке неисправность, а не допустить ее путем постоянной профилактики — вот закон метро.
4.00. Последний наш сегодняшний визит — к бригаде монтеров пути. Их тоже двое — бригадир Александр Митрофанович Гладченко и Анатолий Иванович Родин.
То, чем они сейчас занимаются, называется усилением пути. Те кривые участки пути, на которых мы сейчас находимся, подвержены большему износу, а значит, и внимания требуют большего, и труда. Портальные краны (подобие тех, что действительно в портах стоят, только в десятки раз меньше), рельсорезные и рельсосверлильные станки, гидроразгонщики, различные приспособления — далеко не полный арсенал средств, применяемых в работе монтеров пути. Надо быть универсалом, чтобы владеть всем этим. Ведь на земле работают крановщики сами по себе, сверловщики тоже, резчики, шлифовщики и т. д. А здесь, под землей, все эти профессии совмещаются, объединяются в одну.
4.50. Нас прерывает сигнал времени: до полного окончания всех работ остается 10 минут. Спешим в помещение дежурного по посту централизации, в хозяйство Александры Качановой. Днем здесь задаются маршруты поездов, вызываются резервные составы в часы «пик» и снимаются лишние в часы затишья, здесь в любое время могут дать сведения о любом составе, находящемся на линии… Ночью главная забота — обеспечение безопасности для всех тех, кто находится на местах работы в тоннеле, регулировка движения грузовых поездов, так называемых хозяйственных единиц. Здесь же осуществляется вся связь.
Короткие слова рапортов со всей дистанции раздаются четко, отрывисто. Здесь нельзя быть многословным, нужна предельная краткость, ясность.
— Пятьдесят четвертый! Работу закончили, инструменты убраны, из тоннеля вышли…
— Пятьдесят пятый! Работу закончили. Путь в порядке. Бригада из тоннеля вышла. Соколова.
— Соколова, понял,— отвечает Анатолий и поясняет,— они в «Медведково» вышли, оттуда докладывают.
— Пятьдесят шестой! Работу закончили, инструменты убраны, из тоннеля вышли. Гладченко.
5.00. Первый предупредительный сигнал. В тоннеле работы прекращены, можно отключать короткие замыкатели.
Доклад на центральный диспетчерский пункт, «царю и богу» метрополитена — поездному диспетчеру: «Люди из тоннеля вышли. Все в порядке».
5.14. Полная готовность. Затишье.
5.25. На контактный рельс подано напряжение. Все. Ночная вахта закончилась. Скоро пойдут электропоезда…»
Это всего лишь одна «путейская ночь». И так из ночи в ночь. Чтобы утром, весь день и до ночи бесперебойно ходили поезда метрополитена.
Вся эта напряженная, ответственная работа в каком-нибудь официальном документе может уложиться в одну фразу: «Контроль за состоянием пути и габаритов Московского метрополитена».
С момента пуска московского метро в службе пути важное значение придавалось механизации путевых работ, где чаще всего применялся ручной инструмент. Но уже за первые пять лет своего существования техническая вооруженность путевого хозяйства возросла в 3,5 раза, появились электрошпалоподбойки, рельсорезные и рельсосверлильные станки, о которых мы уже упоминали, рельсошлифовалки, шурупогаечные ключи и Т. д., организована рельсосварочная станция для сварки длинномерных рельсовых плетей.
Заметно стала развиваться механизация в послевоенные годы, когда промышленность начала выпускать все больше электрифицированного и пневматического инструмента. Самой службой пути, ее новаторами было разработано и изготовлено много новых типов транспортных средств, агрегатов и механизмов.
В работе на открытых участках метрополитена, парковых путях депо, как и на железных дорогах, есть такой термин — «снегоборьба».
И это не случайно, выход метропоездов из электродепо проходит по наземным парковым путям, где расположено много стрелок и стрелочных улиц. Таким образом, есть где снегу набраться. Кроме того, существуют наземная линия метро — Филевская и наземные участки главных путей почти на всех линиях. Поэтому от качества и своевременности подготовки путевого хозяйства к работе в зимних условиях в значительной мере зависит бесперебойность движения поездов.
Перед началом зимы на всех дистанциях пути составляется оперативный план снегоборьбы, в котором указаны конкретные меры и средства для очистки и уборки снега с парковых путей и перегонов. Вначале снег убирали вручную, лопатами очищали рельсы, грузили снег на обычные платформы и отвозили в специальные места на парковом околотке. Это была трудоемкая, малопроизводительная работа.
В 1968 году для метрополитена спроектировали скоростной снегоочиститель. Он используется в сильные заносы на главных путях наземных станций.
В 1970 году появилась высокопроизводительная самоходная одновагонная снегоуборочная машина. Большую помощь оказывают снеготаялки, которые сейчас имеются на всех парковых путях.
Снеготаялки — это железобетонные камеры, расположенные под рельсовыми путями. Они оборудованы трубопроводами с горячей водой или горячим паром. По стоку талая вода через фильтрующие устройства попадает в городскую водоотводную сеть. Впервые снеготаялка была спроектирована институтом Мосинжпроект в 1962 году, а внедрена в электродепо «Красная Пресня».