За счет чего едут поезда в 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.
Как всё устроено: Машинист метро Машинист киевского метро рассказал The Village, почему поезда останавливаются в тоннелях, как вытаскивать упавших пассажиров и может ли состав доехать до станции, если машинист остался на платформе.
О приёме на работу
Мой стаж работы машинистом метро — почти двадцать лет. Прежде я работал проводником и каждый месяц был неделю-две в отъезде. Когда женился, родилась дочь, захотелось больше времени проводить дома. Решил пойти на курсы машиниста метро. Там проверили зрение, слух, давление, пьющий-непьющий, морально устойчивый ли, не было ли приводов в милицию — у меня всё было в порядке. Хотя проверки эти были формальными, брали кого попало. Некоторые были явными бухарями, а один такой, что мы сразу поняли: парень со сдвигом. Не знаю, как он медкомиссию прошёл, но пять лет проработал, пока его не посадили за убийство.
Касательно самих курсов — практика показала, что для управления поездом достаточно десятой доли всех тех знаний, которые мы получили. К концу учёбы мы, наверное, могли бы разобрать и собрать весь состав. Знали, где что прикручивается, детали и устройство всех узлов. Лекции были пять раз в неделю, нам просто начитывали материал, как в университете.
В машинисты брали в основном ребят из пригорода. Если же киевлян, то преимущественно с Оболони — чтоб недалеко от депо жили. Женщин почему-то не брали. Помню только одну. Не брали, наверное, потому, что женщинам нужно и комнату отдельную давать, чтоб они могли поспать после ночной смены, и отдельную душевую делать. А у нас всё общее было, как в армии.
Вообще, чтобы работать машинистом, нужно быть флегматиком. А скорее даже пофигистом, не принимать всё близко к сердцу. Работа в целом монотонная, но случаются и стрессовые ситуации.
О пассажирах
Падают на рельсы достаточно часто. Когда я только устроился, случай был: солдат в самоволке, видимо, убегал от патруля. Поезд уже тронулся, и парень решил зацепиться за последний вагон. Схватился за поручни, продержался какое-то время, а потом сорвался — полетел по шпалам. Насколько помню, печально там всё закончилось.
Чаще всего пассажиры падают с платформы на «Вокзальной». Сам я никого не сбивал, один раз только зеркалом пьяного задел, но тот, слава богу, не упал под поезд. А у других ребят были случаи. Если сбил пассажира, тебе сразу дают три дня на то, чтоб прийти в себя. Некоторые берут неделю или даже месяц.
Когда человек падает на рельсы, машинист мгновенно тормозит, благо тормоза зверские. После этого он не должен ни на сантиметр сдвигать поезд, чтобы не додавить.
Был у нас «чемпион» по числу сбитых пассажиров — четверо, кажется, на его счету
Под платформой есть третий, контактный, рельс под напряжением в 825 вольт. Обычно, если человек упал, он оказывается между этим рельсом и вагоном, то есть попросту там застревает. Напряжение, разумеется, сразу вырубают.
Однажды я помогал вытаскивать упавшего пассажира на «Театральной». Он часа полтора мучился: зажало плотно. Тогда машинист нарушил правило: чуть отъехал, и мы вытащили мужика. После такого шока одни кричат, другие, наоборот, не могут произнести ни слова.
Был у нас «чемпион» по числу сбитых пассажиров — четверо, кажется, на его счету. Он отец-герой, многодетный, так что по закону его не могли уволить. Он кого-то задавит, а потом на больничный уходит на полгода — за детьми смотреть.
Ещё было время, когда появилась мода гулять по шпалам на открытых участках. Помню, еду в полночь, вижу: идёт мужик. В таком приличном чёрном костюме, но почему-то босиком. Интервал между поездами большой, и он почти успел от «Гидропарка» дойти до «Левобережной». Я остановился, затащил его в кабину. «Ну наконец-то, — говорит, — дождался. Тяжело идти». Спрашиваю, почему босиком. Объяснил, что шпалы скользкие, в обуви неудобно. Доехал я с этим «пассажиром» до станции, передал его диспетчеру, а тот — уже милиции.
Об управлении поездом
Поезд «поворачивает» сам. Вернее, то, что все называют «поворотами», — у нас это «кривые участки». Поезд проходит их не поворачивая колёса, за счёт уклона путей. Но работа у машиниста есть: открывать и закрывать двери, тормозить, ускоряться, следить за приборами.
Обычно ездим со скоростью 40–50 км/ч. Максимальная скорость поезда — 80 км/ч. Можно и больше, но рискованно, поскольку некоторым вагонам уже больше 50 лет. В Москве и Питере такого старья нет — на металлолом сдали. У нас же вагоны, которые ещё в 1990-м списывать собирались, до сих пор ездят.
Среднее нормальное расстояние между поездами — метров 600-800. Когда какой-нибудь состав выбивается из графика, задерживается на станции, следующий за ним вынужден останавливаться в тоннеле и ждать. В таких случаях пассажирам кажется, что поезд остановился между станциями, но на самом деле я вижу хвост впереди идущего поезда, между нами от силы метров 150. Так происходит, потому что, например, на той же «Вокзальной» толпа долго не может втиснуться в вагон, и поезд стоит на 10-20 секунд дольше, чем положено. Когда расстояние между составами сокращается, в поезде, который идёт следом, срабатывает автоматика и он сам тормозит.
Кроме этого, специальный прибор каждые 50 метров показывает, с какой максимальной скоростью я могу ехать (она зависит от того, как далеко находится впереди идущий состав). Бывает, едешь 80 км/ч, а прибор вдруг показывает, что допустимый максимум — 40. Если не успеваешь сам плавно притормозить, поезд автоматически сбрасывает скорость. Именно в такие моменты состав дёргается и кажется, что все пассажиры должны по инерции влететь в первый вагон.
О графике работы и окладе
С 06:15 до 07:00 — утренний пик, в это время на работу выходят почти все машинисты. Минут за 10 проходим медкомиссию и выезжаем. Обеденный перерыв — полчаса. Если приспичило в туалет, то нужно терпеть до депо. В неделю один выходной день, выходит всего четыре выходных в месяц. Так мало из-за того, что у нас шестичасовой рабочий день. Бывают, правда, и жирные выходные: в пятницу утром закончил работать, а вышел аж в 6 вечера в воскресенье.
Зимой вообще неделями солнца не видишь. Когда смена утренняя, а живёшь в пригороде, как я, на работу добираешься на электричке. Те, кто закончили ночную смену, а следующая на утро, ночуют в депо на «Дарнице» или «Академгородке». Там метрополитен снимает для работников квартиры в хрущёвке, где можно переночевать.
Скорость небольшая, приборы в поле зрения, всё под контролем. Некоторые машинисты в дороге газеты и журналы читают, на мобилках играют, музыку слушают
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.
Странствие.com
Интервью с машинистом метро
Метрополитен — объект стратегического назначения. Поэтому информация оттуда просачивается в большой мир очень скудно. Спускаясь в метро каждый день, пассажиры даже не задумываемся о том, как на самом деле функционирует этот огромный отлаженный механизм.
Stranstvie.com будет рассказывать о той жизни подземки, куда простым пассажирам вход обычно воспрещен.
Сегодня интервью с машинистом московского метрополитена Юрием Узориным.
— Чем привлекла Вас работа в метро?
— Работать машинистом — мечтал с детства. Тогда в старых поездах между кабиной и первым вагоном были закрашенные стеклянные двери, в которых машинисты выскребали кругленькие окошки. Я целыми днями катался в метро, через эти окошки любуясь, как состав рассекает черноту тоннеля.
Приключения вскоре безжалостно прервали — появился новый тип вагонов, в которых двери, отделяющие кабину от вагона, стали металлическими. Вот тогда и решил — когда вырасту, продолжу свои путешествия. Кстати, потом я выяснил, для чего выскребали эти окошки. Оказывается, через них машинист с помощником наблюдали за симпатичными пассажирками.
— С пассажирами общаетесь?
— Почему-то пассажиры считают, что машинист должен знать все. Чаще всего пассажиры связываются с нами по переговорному устройству, чтобы спросить, как проехать до такой-то станции. До сих пор помню одну оригинальную дискуссию с пассажиром: «Вы не подскажите, где я?» — «В московском метро», — последовал ответ. — «Странно, я ведь в Витебск ехал», — удивился пассажир. Часто пассажиры спрашивают, где находится такая-то улица, как проехать до магазина или даже … расписание самолетов ближайшего аэропорта.
— Почему поезд иногда долго стоит в тоннеле или на станции?
— Зачастую виновниками затянувшихся стоянок становятся сами пассажиры, которые держат двери на станциях или бросают банки, бутылки и прочую ерунду, препятствующую закрытию дверей. На приборной доске в кабине в этом случае горит специальная лампочка — нет контроля закрытия дверей. Когда все двери закрылись — лампочка гаснет. Если лампочка так и не погасла — приходится высаживать пассажиров и вести состав в депо на проверку. Поэтому не стоит игнорировать крики машиниста «Не держите двери»!
— Что будет с пассажирами, если машинист уснет?
— Сон на рабочем месте — явление хотя и нечастое, но случающееся. Ничего удивительного: качка и монотонность усыпляют не только пассажиров, но и машиниста. На случай появления чувства сонливости есть даже рекомендации: нужно сделать несколько физических упражнений. Хотя со сном все борются по-разному: некоторые начинают петь или читать стихи. Даже рассказывали про машиниста-шутника, который придумал свой способ бороться со сном с помощью своеобразного юмора: на длинном перегоне между станциями он выходил в первый вагон с палочкой и в черных очках, изображая из себя человека, потерявшего зрение. Следом за ним выбегал помощник, подхватывал «незрячего» под руку и громко заявлял: «Товарищ машинист, ну куда же вы, давайте я помогу вам вернуться на место».
Впрочем, если с машинистом что-нибудь случится, пассажиры не пострадают. Поезд и тоннель оборудованы целой системой блокировок, которые в случае чего остановят состав и не допустят столкновения.
— Если пассажир упадет с платформы, как ему выбраться?
— Был такой случай: по самому краю платформы, видимо, чтобы показать себя героями перед девушками, шли два парня. Один из них поскользнулся и упал на путь. Поезд остановился, буквально не доехав до него несколько метров. После того как несчастного вытащили на платформу, он сидел около колонны, трясся и рассказывал, как его било током так, что искры летели.
Как говорится, у страха глаза велики. На самом деле человека, упавшего на путь, током не убьет, так как контактный рельс, на котором высокое напряжение, находится под платформой. Именно поэтому не нужно пытаться самостоятельно подтянуться руками, чтобы выбраться на станцию. Если поезд еще далеко, надо бежать к противоположному от него краю платформы (там должны быть ступеньки). Лучше всего попросить пассажиров позвать кого-нибудь из работников метрополитена, чтобы они помогли выбраться на платформу. Если поезд близко, то необходимо лечь в углубления между рельсами — оно как раз рассчитано на такой случай. При этом состав не заденет человека, лежащего под ним.
Вообще, лучше стоять подальше от края, особенно если рядом много людей — мало ли ненормальных или просто нетрезвых, которые могут случайно или специально толкнуть. Для большей надежности поворачивайтесь к рельсам боком, а не лицом. Если на рельсах окажется ваша вещь, следует сообщить об этом дежурному, и он с помощью специальных клещей достанет ее.
— Что происходит в метро ночью?
— В час ночи уходит с любой конечной станции последний поезд с пассажирами. После него идут резервные составы, которые на станциях не останавливаются. При этом на станции могут оказаться запоздалые пассажиры. Вы бы видели их жалостливые лица, нам действительно их очень жалко и хочется подвезти. Но резервные составы не имеют права останавливаться на станциях.
А подземка ночью не засыпает: с контактного рельса снимается напряжение, проводятся ремонтные и профилактические работы, моют станции и тоннели. Поезда уже не ходят, только специальные дрезины, называемые мотовозами. А самая кропотливая работа у бригады дефектоскопистов, от которых напрямую зависит безопасность движения поездов. Каждую ночь идут они по путям, шаг за шагом, сантиметр за сантиметром, проверяя исправность и надежность рельсов.