За счет чего движется метро
Контактный рельс в метро: как это устроено и какое там напряжение?
Опубликовано 12.04.2021 · Обновлено 03.11.2021
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 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.
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 он 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, 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.
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 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.
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 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.
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.
Тайны метро: почему для движения поездов необходим третий рельс
МОСКВА, 30 сен — РИА Новости, Ольга Коленцова. Туалеты и фонтанчики — мало кто знает, что они присутствуют в секретных местах московского метро. Оно выстроено таким образом, чтобы в нем можно было бы некоторое время продержаться в случае опасности, нависшей над городом. Но в мирное время метро служит средством передвижения для огромного числа пассажиров. От машин и автобусов метро отличается четкой организацией движения. Даже за десятисекундное опоздание или опережение машиниста могут лишить премии, поэтому распорядок прибытия-отбытия соблюдается очень четко.
Такое жесткое соблюдение графика обеспечивается высокой степенью автоматизации подземного транспорта. Машинист управляет поездом самостоятельно, но превысить скорость он не может. А если он не снизит скорость перед запрещающим сигналом (например, когда поезд подъедет слишком близко к следующему), то система исправит эту ошибку и произойдет торможение.
Движение поезда осуществляется при помощи двигателя, преобразующего электрический ток в движение. Ток — движение положительно заряженных частиц, которые направляются от плюса к минусу, в противовес электронам, которые стараются покинуть отрицательно заряженную область. А перемещение отрицательного заряда является тем же самым, что и движение положительного заряда в противоположном направлении.
Следовательно, чтобы появился ток, нужны два полюса — положительный и отрицательный. На торце платформы (слева по движению поезда) располагается третий рельс, находящийся под напряжением 825 вольт, его называют контактным. Он изготавливается из мягкой стали и крепится при помощи фарфоровых изоляторов к кронштейнам (металлическим опорам). Электричество «снимается» с контактного рельса при помощи двух токоприемников, расположенных на разных сторонах вагона. Кронштейны обычно устанавливаются на расстоянии 4,5-5,4 метра друг от друга. По форме они напоминают квадратные скобки. Так вот этот рельс является плюсом, а обычные рельсы — минусом. Именно на контактный рельс подается постоянный ток с тяговой подстанции. С парных рельс идет отводящий ток кабель.
«Исторически так сложилось, что городской электротранспорт работал на постоянном токе, так как в XIX и начале XX века такую систему уже возможно было создать, в отличие от схемы на переменном токе. Ранее электродвигатели подвижного состава работали только на нем. Двигатели такого типа называются синхронными. Для переменного тока потребовались бы более широкие туннели и очень тяжелое электрооборудование. Кроме того, электродвигатели постоянного тока проще адаптировать для тяги поездов. Однако эти двигатели тоже имеют недостатки, например сравнительно малую допустимую частоту вращения. Это ограничивает силу тяги — в частности, на высоких скоростях», — поясняет Константин Черкасский, директор народного музея истории Московского метрополитена.
Предел тяги можно сравнить с ограничением числа оборотов на одной и той же передаче в автомобиле. Допустим, машина на третьей передаче допускает значение количества оборотов двигателя в минуту не более 2500. Но если она сможет разогнаться до 4000 оборотов в минуту, то будет ехать быстрее на той же передаче. Асинхронные двигатели (они работают на переменном токе) позволяют повысить частоту вращения и максимально допустимую скорость состава без уменьшения тяги, а также улучшить характеристики замедления и ускорения.
Принцип работы двигателя основан на магнетизме. Если мы возьмем постоянный магнит и попробуем вращать его рядом с медным диском, то увидим, как последний тоже вращается. Магнит возбуждает в диске индукционные токи, которые порождают магнитное поле, в свою очередь, дальше взаимодействующее с полем магнита. Данная физика воплощена в асинхронном двигателе. Его основными деталями являются статор и ротор, между которыми имеется воздушный зазор. Они также оборудованы обмоткой возбуждения и магнитопроводом.
Метро
Метро
| Метрополитен | |
 | |
| Привод | электродвигатель с 1890 г. |
| Период | с 1863 года |
| Скорость | 20—100 км/ч |
| Область применения | подземный (наземный) общественный транспорт |
| Инфраструктура | рельсовый путь, контактная сеть |
Метрополите́н (фр. métropolitain ), или сокращённо метро́ — рельсовый вид общественного транспорта, трассы которого проложены отдельно от улиц, зачастую под землёй. Движение поездов в метро регулярное, согласно графику движения. Отличается высокой участковой скоростью (45 км/ч и выше) и провозной способностью (до 60 тыс. пассажиров в час в одном направлении и выше). Линии метрополитена прокладывают под землёй (в тоннелях), по поверхности и на эстакадах.
Содержание
Определение метрополитена
Большое разнообразие систем скоростного транспорта делает затруднительной однозначную их классификацию. Все определения метрополитена условны. В отношении многих транспортных систем можно с уверенностью сказать, что они являются (или, наоборот, не являются) метрополитенами, но в то же время существует ряд «пограничных» транспортных систем.
Конечное решение о том, отнести ту или иную транспортную систему к метрополитенам, или нет, зависит от принятого определения или может делаться эмпирически.
Основные признаки метрополитена
Создатель авторитетного сайта [1] и автор нескольких книг о метрополитене Роберт Швандль предлагает следующие определяющие признаки метрополитена:
Также он предлагает ещё один признак: совпадение уровня пола вагона и перрона, но этот признак не обязателен.
Это определение не является бесспорным. Например, Чикагский метрополитен имеет одноуровневые пересечения с дорогами, ряд метрополитенов в прошлом работал на иных видах тяги (паровая, канатная), а в некоторых метрополитенах имеются отдельные участки с низкой интенсивностью работы.
С другой стороны, под такое определение метрополитена подпадает, например, подвесная железная дорога в Вуппертале (она описывается на сайте Швандля как полноценная система метрополитена), что недопустимо с точки зрения других определений, накладывающих разные по строгости ограничения на техническую реализацию метрополитена:
Ряд определений оперирует не только качественными признаками, но и численными параметрами транспортных систем, такими как:
Неопределяющие признаки
Как правило, транспортные специалисты не считают определяющим признаком способ размещения трассы (подземный, наземный, надземный), хотя в России у публики существует стереотип метрополитена как преимущественно подземного вида транспорта.
Также не является определяющей принятая система токосъёма (контактный провод, контактный рельс, токоведущая шина). Тем не менее, зачастую трамваи и подобные виды транспорта отличают от метрополитена в том числе и по системе токосъема. Как правило, трамваи используют контактный провод (хотя существуют и трамваи использующие другие схемы питания) в то время как для метрополитена более характерно (но не обязательно) использование контактных рельсов.
Основные свойства
В городах со сложившейся застройкой линии метро, как правило, проложены под землёй и лишь иногда выходят на поверхность или на эстакады. Габариты и масса подвижного состава могут достигать железнодорожных стандартов, хотя обычно уступают им, поезда насчитывают, как правило, 4—8 вагонов. Диаметр тоннелей достигает 5—6 метров (но во многих системах встречаются и более узкие тоннели, например в Берлине ширина узкопрофильных тоннелей — всего 2,3 метра), предельные уклоны больше, чем на железных дорогах общего назначения, но меньше, чем на трамвае, минимальные радиусы закругления значительно больше трамвайных. Платформы на станциях обычно имеют длину 100—160 м и ширину 5—20 м. Линии метрополитена обычно проходят вдоль градообразующих осей и являются каркасом городской транспортной системы. Стоимость сооружения метрополитена сильно зависит от условий строительства; типичная стоимость километра подземной линии мелкого заложения — порядка 30 миллионов долларов США (без учёта станций).
В разных странах исполнение и параметры метрополитенов могут варьироваться (например, бывают почти полностью наземные системы), но отличительными чертами метрополитена являются использование электрической тяги, высокая интенсивность и скорость движения поездов, большой пассажиропоток.
Размеры метрополитенов находятся в диапазоне от 2-километровой линии «мини-метро» в израильской Хайфе (см. Кармелит) до нью-йоркской системы «подземок» и «надземок» с общей протяжённостью линий более 1300 км.
Терминология
Название «метрополитен» (метро) принято во многих странах. Происходит от названия компании « Metropolitan Railway » («столичная железная дорога»), построившей первую подобную дорогу в Лондоне. В то же время в самой Великобритании используется термин underground (подземка), а в США — как subway («сабвей», дословно: «подпуть»), так и «метро». Лондонцы метро называют tube (досл.-труба).
В 1900 году в Париже открылась первая линия метро, эксплуатирующая компания получила название Compagnie du chemin de fer Métropolitain de Paris («Компания столичной железной дороги Парижа»). Входы и выходы со станций стали обозначаться словом Métropolitain, позже — Métro. Оттуда эти термины и пришли в русский язык. В современном русском языке слово «метро» среднего рода, однако до 30-х годов XX века употреблялось в мужском роде (изначально метрополитен (м.р.). Кроме того, Максимом Горьким в «Городе Желтого Дьявола» было введено [1] в русский язык слово-калька «подземка». Оно прижилось, но исключительно в качестве обозначения зарубежных метрополитенов [2] (лондонская подземка, нью-йоркская подземка и т. д.).
Своя система связанной с метрополитеном терминологии используется в немецкоязычных странах. В настоящее время наиболее распространённые термины — U-Bahn и S-Bahn. Термин U-Bahn является сокращением от Untergrundbahn (подземная железная дорога). U-Bahn ближе к метро в российском понимании, так как является внутригородским транспортом, в основном расположенным под землёй. Stadtbahn — городская железная дорога; в Берлине первоначально SS-Bahn от Schnellstadtbahn — скоростная городская железная дорога) ближе к пригородным железнодорожным поездам.
В городах S-Bahn иногда имеет подземные участки, и, зачастую, интегрирован с U-Bahn, например, в Берлине линии U-Bahn и S-Bahn образуют единую и интегрированную систему городского транспорта. В настоящее время термин S-Bahn обычно не расшифровывается как сокращение, а термин Stadtbahn принял другое значение, см. штадтбан. Также имеется термин Hochbahn, означающий трассы метро, проложенные на эстакадах.
История
Изначально первая линия в Лондоне эксплуатировалась на паровой тяге, которая с 1890 года заменялась на электрическую. Второй метрополитен был открыт в Нью-Йорке в 1868 как надземный, однако первые надземные участки не сохранились и впоследствии были заменены подземными (первая подземная линия открыта в 1904). 6 июня 1892 — открыта первая надземная линия метрополитена Чикаго на паровой тяге.
На европейском континенте старейшими являются метрополитены Будапешта (1896), Вены (1898), Парижа (1900), Берлина (1902), а также Гамбурга (1912). В Великобритании следующим после лондонского стал метрополитен в Глазго (1896). Иногда к числу старейших метрополитенов Европы причисляют Стамбульский «Тюнель» (европейская часть города, 1875), несмотря на то, что он является, по сути, фуникулёром (полноценный стамбульский метрополитен открылся только в 1989 году), и Афинский метрополитен, который, однако же, первоначально представлял собой обычный городской поезд.
Хронология строительства ныне действующих систем метрополитена
Строительство
Строительство метро стоит очень дорого, и поэтому бывает экономически оправдано только в крупных городах (в Советском Союзе таковыми считались города от 1 миллиона жителей и более). Различают закрытый способ строительства с помощью тоннелепроходческих щитов и открытый, при котором тоннели и станции строятся в котлованах и после засыпаются грунтом.
Закрытый способ применяется при строительстве линий глубокого заложения, когда этого требуют гидрогеологические условия или необходимо сохранить ценную застройку в городах; в иных случаях станции мелкого заложения строят открытым способом. Для линий мелкого заложения в России применяют также смешанный («московский») способ, когда станции строятся открытым способом, а тоннели закрытым; при этом нет необходимости переносить коммуникации, временно закрывать дороги и т. д., поэтому строительство оказывается дешевле. По ценам 2006 года стоимость 1 км тоннеля, построенного открытым способом, составляет приблизительно 1,4 млрд. руб., а 1 км тоннеля, построенного закрытым способом, — около 2—2,2 млрд. руб. Необходимо также учитывать, что эти цифры приведены для одного однопутного тоннеля. Учитывая, что метрополитен, как правило, строится двухпутным, то, как это делается в России, используется 2 тоннеля. Следовательно, при расчетах цены необходимо умножать на 2.
Подвижной состав
Поезд метро состоит из нескольких вагонов: двух головных вагонов, имеющих кабины управления и от одного до шести промежуточных вагонов, прицепленных между ними. Вагон метро обычно длиннее трамвайного, но короче железнодорожного. Длина вагонов метро типа А, Б, В, Г, Д, Е, Еж-3, 81-717/714 и 81-720/721 «Яуза» составляет 19—20 метров, а вагонов модели 81-740/741 «Русич» — 27—28 метров. Поезда метро запитываются от сети постоянного тока — как правило, от третьего (контактного) рельса, напряжение которого составляет 750—900 Вольт. Постоянный ток получают на подстанциях из переменного тока с помощью выпрямителей. Ширина колеи метрополитена различна в разных странах и, как правило, соответствует принятой ширине колеи железнодорожного транспорта, в России и странах СНГ — 1520 мм. В метро также эксплуатируются контактно-аккумуляторные электровозы и мотовозы для возможности перемещения путевых машин и рабочих в ночное время, когда напряжение на контактном рельсе снято.
Станция метрополитена
Станции используются для посадки и высадки пассажиров из вагонов. Станции сообщены с поверхностью с помощью вестибюля, эскалатора и турникетов, осуществляющих пропуск пассажиров.
Инфраструктура
Тоннель
Основная часть метро проложена в виде тоннелей. Чтобы избежать пересечений линии метро прокладывают на различной глубине (уровне).
Метромост
Метромост — мост, по которому проходит линия метрополитена. В некоторых случаях применяют совмещёный метромост — двухъярусный мост, на верхнем ярусе которого располагается авто- или железная дорога, а на нижнем — метро. Также есть станции метрополитена, расположенные на метромостах, например, Воробьёвы горы в Москве.
Путь и оборотный тупик
Движение поездов на станциях осуществляется по 1 и 2 станционным путям, называемым также главными станционными путями. 3 и 4 станционные пути за станцией, как правило, являются оборотными. 1 главный станционный путь соединен с 3 и 4 станционным, а следовательно 3 и 4 соединены с 2 главным станционным путем. Отсюда оборот с 1 на 2 главный путь осуществляется через 3 или 4 станционные пути. Они служат для оборота подвижного состава на конечных станциях, на центральных станциях линии в случае организации зонного движения или непланового прекращения движения по концевым участкам линии. При наличии в тупиках пункта технического обслуживания (ПТО), в часы работы ПТО по графику подвижной состав оборачивается только по одному из двух оборотных путей 3 или 4. Другой оборотный путь используется для технического обслуживания (осмотр и мелкий ремонт) подвижного состава. Во время стоянки подвижного состава работниками ПТО снимается напряжение с контактного рельса при помощи разъединителя с ручным приводом. В ночное время на оборотных путях по графику осуществляется отстой подвижного состава. Машинисты выходят из тоннеля, поднимаются на поверхность и идут отдыхать в комнаты ночного отдыха локомотивных бригад, расположенные в непосредственной близости у станции. Один из оборотных путей бывает востребован и ночью, на нём оборачиваются мотовозы. В случае неисправности подвижного состава на линии в часы интенсивного движения «час пик» по команде поездного диспетчера состав убирается с главных путей на один из оборотных путей ближайшей станции. В ночное время состав перегоняется в электродепо приписки. Рассмотренная схема предполагает наличие двух оборотных станционных путей; существует также схема организации движения на конечных станциях с одним оборотным путем, однако она используется редко и только на центральных станциях, где частота использования оборотного пути крайне низка.
Инженерный корпус
В инженерном корпусе метрополитена расположен центр управления движением поездов и работой всех технологических установок (электротехнических, связи и автоматики, сантехнических и др.), которые обеспечивают эксплуатацию метрополитена. Инженерный корпус оснащён всевозможными оборудованием и устройствами. В нём также находится управление работой метрополитена и аппарат разных служб. Компьютеры, находящиеся в инженерном корпусе, следят за слаженностью системы: интервалом движения поездов и т. д. [4]
Электродепо
Электродепо в метрополитене — предприятие, эксплуатирующее и ремонтирующее подвижной состав метрополитена.
Гейты — это места соединения метрополитеновской и железнодорожной сетей. Гейты используются, в основном, для того, чтобы привезённые по железной дороге вагоны метро и железнодорожные рельсы завести в метрополитен (при этом ходовые рельсы соединительной ветки плавно переходят в пути метрополитена, так как ширина колеи у них одинаковая — 1524 мм). Чаще всего соединительные ветви с железной дорогой располагаются у электродепо метрополитена. В настоящее время Московский метрополитен использует соединительную ветку электродепо «Сокол», а также при необходимости можно реанимировать соединительную ветку электродепо «Печатники», по которой в 1995 году завозился новый подвижной состав Люблинской линии. В проекте нового электродепо «Солнцево» Солнцевской линии предумотрена соединительная ветка с наземной железной дорогой.
Двойное назначение
При проектировании большинства подземных метрополитенов (в России — всех) учитывается необходимость обеспечения возможности использования их в качестве убежища для населения в чрезвычайных ситуациях. Для этого, как правило, предусматривают оборудование станций и перегонов аварийными автономными системами фильтровентиляции, освещения и водоснабжения, запасными выходами, системами герметизации станций и вентиляционных шахт (в том числе — автоматическими, от действия взрывной волны и т. п.). По действующим в России нормативам, метро должно обеспечивать укрытие населению в течение двух суток: предполагается, что за это время уровень радиации спадет до значений, при которых возможно будет проводить эвакуацию населения за пределы зоны поражения.