Высокоскоростной железнодорожный транспорт

 

ствия на мостовые конструкции указанный подвижной состав не превышает нагрузку класса СЮ,5 (СНиП 2.05.03-84*).

Следует отметить, что применение на­грузки класса СЮ,5 в качестве норматив­ной при проектировании мостов на ВСМ в России не приведет к существенному увеличению материалоемкости пролетных строений. Это объясняется высокими тре­бованиями, предъявляемыми к жесткости пролетных строений ВСМ для уменьшения их упругих деформаций от воздействия высокоскоростных поездов и тем самым обеспечения комфорта проезда пассажи­рам. С учетом этих требований материа­лоемкость конструкций будет рассчиты­ваться в основном не по первой группе предельных состояний — прочности, ус­тойчивости, а по второй — жесткости, де­формируемости. Допустимые по услови­ям комфортабельности движения высоко­скоростных пассажирских поездов гео­метрические характеристики поперечных сечений основных элементов пролетных строений мостов и эстакад весьма велики и предопределяют их повышенную несу­щую способность. Вследствие этого пере­ход от сравнительно небольшой нагрузки специальных высокоскоростных поездов к нагрузке класса СЮ,5 не связан со значи­тельным увеличением материалоемкости и стоимости конструкций.

а

I путь              ----- II путь      /	---------------------- _____
S-образные кривые на подходах б I путь	-в	^5 to
11 путь                                            \		Я

 

Рис. 8.9. Схематическое изображение подходов к мостовым переходам: а — с однопутными про­летными строениями (S-образные сопрягающие кривые) — линии красного цвета; б — с двухпут­ным пролетным строением

 

Установленная на ВСМ ширина междупу­тья должна сохраняться на всех искусствен­ных сооружениях, включая мосты с пролет­ными строениями большой длины, в том числе с ездой понизу. В силу этого, для ус­транения необходимости устройства слож­ных переходных кривых большого радиу­са в плане на подходах к искусственным со­оружениям (в зоне сопряжения земляного полотна с мостами и эстакадами)^[XLV], мосты, эстакады и путепроводы на ВСМ целесооб­разно проектировать только с двухпутны­ми пролетными строениями (рис. 8.9). Это предъявляет высокие требования к их го­ризонтальной и крутильной жесткости.

8.3. Конструкции мостов на высокоскоростных магистралях

Пролетные строения мостов и виадуков высокоскоростных магистралей Японии, Европы сооружаются в основном из же­лезобетона (рис. 8.10). При этом для пере­крытия пролетов длиной более 40 м при­меняют двухпутные балочные пролетные строения коробчатого сечения с ездой по­верху из монолитного предварительно на­пряженного железобетона. Как правило, на больших мостах и виадуках ВСМ использу­ют многопролетные балочные системы.

При сравнительно высоких опорах или неблагоприятных условиях опирания на слабые грунты для уменьшения дополни­тельных напряжений в рельсах бесстыко­вого пути используют неразрезные мно­гопролетные балочные системы. Непод­вижные опорные части устанавливают на одном из устоев, а в зоне другого устоя пре­дусматривают установку уравнительного рельсового прибора. При большой длине мостов неподвижные опорные части уста­навливают на одной или нескольких про­межуточных опорах, способных восприни-

Рис. 8.10. Сооружение моста с железобетонными пролетными строениями на ВСМ Лондон — Тоннель под Ла-Маншем. Англия

мать значительные продольные усилия, а уравнительные приборы устраиваются над обоими устоями.

В случае, если промежуточные опоры не обладают достаточной изгибной жестос- тью, то между торцами крайних пролет­ных строений и шкафными стенками усто­ев размещают специальные гидравличес­кие амортизаторы, которые при действии кратковременных нагрузок (сил тяги или торможения поезда), работая как непод­вижные опорные части, передают на устои продольные усилия до 4000 кН. Амортиза­торы не препятствуют температурным де­формациям, протекающим относительно медленно и не создающим реактивных про­дольных усилий. Недостатком использова­ния гидравлических амортизаторов явля­ется необходимость их постоянного техни­ческого обслуживания.

Примером сооружения, в котором приме­нены амортизаторы, может служить виа­дук Бартельсграбен на высокоскоростной магистрали Ганновер — Вюрцбург. Длина виадука составляет 1160 м, высота над уровнем дна долины р. Майн — 55 м. Виа­дук имеет 20 разрезных балочных короб­чатых железобетонных пролетных строе­ний длиной по 58 м каждое, объединен­ных в продольном направлении в четыре блока. Продольные усилия, возникающие при торможении или ускорении поезда, пе­редаются на устои через гидравлические амортизаторы, работающие только на сжа­тие. При этом не требуются анкерные креп­ления устоев в теле насыпей, уравновеши­вающие действие горизонтальных усилий, направленных в сторону пролета.

Удачное сочетание типовых решений с особенностями местных условий получило воплощение в конструкции виадука Ромбах на линии Ганновер — Вюрцбург (рис. 8.11). Его длина более 1000 м при высоте про­езда над уровнем дна долины 95 м. Проле­ты перекрываются разрезными железобе­тонными балочными строениями длиной

Рис. 8.11. Виадук Ромбах: а — схематическое изображение фасада и поперечное сечение с размерами; б — общий вид

по 58 м, объединенными по торцам специ­альными соединительными устройствами. На устоях и на всех промежуточных опорах, кроме центральной, расположены подвиж­ные опорные части. Неподвижные опор­ные части установлены над находящейся в наиболее глубоком месте долины сред­ней опорой, образованной двумя наклон­ными стойками. Устроенная таким образом жесткая опора воспринимает продольные усилия без значительных деформаций. По концам виадука установлены уравнитель­ные приборы бесстыкового рельсового пу­ти, компенсирующие продольные переме­щения.

Одним из интересных мостовых перехо­дов последних лет, сооруженных на высо­коскоростных магистралях, стал мост че­рез р. Эбро на ВСМ Мадрид—Барселона (рис. 8.12). Строительство моста было за­кончено в 2002 г. Мостовой переход пред­ставляет собой сооружение с центральным русловым пролетом 120 м. Пролетное стро­ение выполнено в виде замкнутой фермы с ездой понизу из монолитного предвари­тельно напряженного железобетона. Ши­рина фермы в уровне проезда составляет 16,56 м, высота — 9,65 м, высота подмос­тового габарита — 15 м. В боковых стенках фермы сделаны круглые отверстия. Весь облик белоснежного моста на фоне каме­нистого пейзажа с редкой растительностью представляется примером удачного архи­тектурного решения.

Как отмечалось ранее, в целом на высо­коскоростных магистралях Западной Ев­ропы, Японии при строительстве мостов и других искусственных сооружений пре­имущественное распространение получи­ли железобетонные пролетные строения. Объясняется это рядом причин: более вы­сокой стоимостью стали; меньшей чувст­вительностью железобетонных конструк­ций к динамическим воздействиям; кли­матическими условиями, позволяющими сооружать монолитные железобетонные конструкции мостов при положительных температурах воздуха большую часть года,

а также сравнительно меньшими трудозат­ратами на строительство, текущее содер­жание железобетонных пролетных строе­ний по сравнению со стальными.

Тем не менее, в КНР при сооружении мос­тов на высокоскоростных магистралях, на­ряду с железобетонными конструкциями, широко распространены стальные пролет­ные строения (рис. 8.13~). В последние го­ды при строительстве ВСМ в случае пере­сечения широких рек, проливов все боль­шее применение находят вантовые мосто­вые конструкции. Они использовались при строительстве высокоскоростных желез­нодорожных магистралей в Италии (рис. 8.14}-, в КНР; при сооружении мостового тоннельного перехода через пролив Эре­сунн между материком и островом Зелан­дия на будущем высокоскоростном марш­руте между Швецией и Данией.

За рубежом на высокоскоростных маги­стралях на всех мостовых сооружениях (мостах, путепроводах, эстакадах, виаду­ках) устраивается бесстыковой путь, кото­рый благодаря отсутствию рельсовых сты­ков позволяет повысить скорость движе­ния поездов и комфортабельность езды и уменьшить динамические воздействия подвижного состава на элементы мосто­вых конструкций, снизить коррозию ме­талла за счет сокращения утечки тяговых и сигнальных токов, а также понизить шум и вибрацию.

Однако применение бесстыкового пути на мостовых переходах большой длины имеет ряд особенностей. Бесстыковой путь, уложенный на мосту, работает в более тя­желых условиях, чем на земляном полотне. В пределах земляного полотна при измене­нии температуры рельсов на величину t в достаточно протяженной рельсовой плети возникают приблизительно равномерные по длине температурные усилия N_t (рас­тяжения или сжатия). В зоне мостового со­оружения в результате совместной работы с деформирующимися пролетными строе-

Рис. 8.13. Мостовой переход через р. Янцзы на ВСМ Пекин — Шанхай. КНР. 2010 г.

Рис. 8.14. Мостовой переход через р. По на высокоскоростной железнодорожной магистрали Милан — Венеция в процессе строительства. Италия. 2010 г.

ниями и опорами путь испытывает допол­нительные усилия, вызванные изменением температуры самой плети.

Для точной оценки напряженного со­стояния бесстыкового пути на мосту и подходах к нему приходится также учи­тывать ряд других факторов: сосредото­ченное воздействие колес подвижного со­става на рельсы, переломы продольно­го профиля пути над опорами, их нерав­номерные осадки, влияние предмостовых неровностей пути.

Дополнительные усилия в элементах сис­темы «мост — бесстыковой путь» в значи­тельной степени зависят от типа мостово­го полотна. В мировой практике применя­ют два типа мостового полотна: «безбал- ластное» — на поперечинах (деревянных или металлических) или железобетонных плитах и «балластное» — на железобетон­ных шпалах и щебеночном балласте, уло­женном в балластном корыте.

В европейских странах (Италия, Франция, Испания) для скорости движения 250— 350 км/ч путь с железобетонными шпала­ми на щебеночном балласте (рис. 8.15, а) считается предпочтительным и экономи­чески оправданным. На искусственных со­оружениях бесстыковой путь на железо­бетонных шпалах укладывают на щебено­чный балласт, помещаемый в едином для двух путей железобетонном или метал­лическом балластном корыте. Такая кон­струкция идентична пути на земляном по­лотне по характеристике его вертикаль­ной жесткости и обеспечивает повышен­ную комфортабельность проезда благодаря близким значениям упругих характерис­тик подрельсового основания на мосту и на других участках пути. Применение та­кой конструкции снижает уровень шума при проходе поезда по мосту, позволяет ис­пользовать при содержании и ремонте пу­ти на земляном полотне и мостовых пере­ходах единый комплекс специализирован­ных путевых машин.

На мостах с «ездой на балласте», при на­личии балластного корыта путь более ус­тойчив против температурных выбросов, чем на земляном полотне. Тем не менее, опасность выбросов пути на таких мостах существует. Это связано с рядом факторов: возникновение в рельсах температурных сжимающих сил, специфические деформа­ции пролетных строений, уменьшение со­противления сдвигу рельсо-шпальной ре­шетки из-за вибрации стальных пролетных строений и т.д. Все это заставляет использо­вать на ВСМ специальную конструкцию бес­стыкового пути на мостах, повышающую его устойчивость против выброса.

Вместе с тем, в Германии в последние го­ды начинают внедрять конструкции верх­него строения пути с безбалластным осно­ванием (рис. 8.15, б). Поиски инженерных решений укладки безбалластного мостово­го полотна связаны с более высокими экс­плуатационными затратами на содержа­ние бесстыкового пути на балласте.

а

14300

2600  2200. .      4700    . .2200 .2600

1000 1000

б

14 300

2600 . 2200.           4700    2200. 2600

1000 1000

Рис. 8.15. Поперечные сечения железобетонных пролетных строений моста ВСМ: а — с балластным мостовым полотном; б — с железобетонными плитами. Германия. 1998 г.

Достоинством безбалластного мостового полотна является повышенная устойчивость рельсо-шпальной решетки против выбро­сов. Однако при такой конструкции жест­кость связей между рельсами и подрельсо­вым основанием резко возрастает, что при­водит к увеличению осевых (продольных) усилий в рельсах под воздействием темпе­ратурных и динамических факторов. Кро­ме того, для уменьшения шума, вибрации и контактных напряжений в рельсах необ­ходимо устанавливать специальные упру­гие прокладки между рельсами и плитой, а также между плитой и главными балками пролетных строений.

Для уменьшения температурных напря­жений в рельсовых плетях на мостах, ви­адуках и эстакадах длиной более 200— 300 м предусматривают уравнительные при­боры, обеспечивающие продольные пере­мещения концов рельсовых плетей; необ­ходимость применения приборов решает­ся в каждом конкретном случае в зависи­мости от местных климатических условий, конструкции пролетных строений, схемы расположения и типа опорных частей и ря­да других факторов.

В условиях постоянно повышающихся тре­бований к охране окружающей среды про­ектировщики и строители искусственных сооружений, в том числе и на ВСМ, все боль­ше внимания уделяют поиску безопасных с экологической точки зрения технологий производства работ.

В последние годы у защитников окру­жающей среды неприятие вызывают, как правило, не сами высокоскоростные маги­страли. Большинство экологов оценили их несомненные достоинства. Протесты обще­ственности и тревогу ученых порождают негативные последствия процесса строи­тельства ВСМ, особенно, на ценных и уни­кальных территориях, сельскохозяйствен­ных угодьях, поскольку под строительные площадки мостов приходится на несколь­ко лет занимать большие территории с их последующей рекультивацией (рис. 8:16).

Рис. 8.16. Строительная площадка мостового перехода на ВСМ. Франция

После завершения строительства и ре­культивации территории при удачных ин­женерных и архитектурных решениях мос­ты, эстакады, путепроводы могут дейст­вительно органично войти в ландшафт. Площадь фундамента опоры эстакады мо­жет составлять всего 4—6 м², практичес­ки вплотную к ней могут произрастать де­ревья, кустарники, сельскохозяйственные культуры. Но сам процесс строительства, продолжающегося иногда несколько лет, может нанести большой урон живой при­роде. Ведь для его обеспечения необходи­ма организация (пусть временных — на не­сколько лет) строительных площадок, про­кладка подъездных технологических дорог,
складов строительных материалов, песка, щебня и т.п.

Для решения этих проблем и сведения до минимума негативного воздействия на ок­ружающую среду в процессе сооружения ВСМ были разработаны различные щадя­щие технологии. В частности, при сооруже­нии эстакадных переходов магистрали че­рез особо ценные территории (леса, парки, сельскохозяйственные земли), применяет­ся так называемый метод, который иногда называют строительством «с головы», в от­личие от организации строительных работ широким фронтом (рис. 8.17).

При использовании этого метода строи­тельная площадка с необходимым техноло­гическим оборудованием, складами, бетоно­смесительными установками и т.п. разме­щается за пределами той особо ценной тер­ритории, по которой пройдет эстакада, а сооружение объекта ведется без вступле­ния человека и техники на землю. Все рабо­ты проводятся «с головы» самой строящей­ся эстакады. Ее готовые участки использу­ются как подъездной путь для подачи стро­ительных материалов и вывоза грунта.

Основой строительного комплекса служит конструкция в виде консольной металли­ческой фермы. Ферма опирается одним кон­цом на готовую часть эстакады (на рисун­ке — ее правый конец), а серединой — на временную опору (обозначена цифрой 7), которая также является передвижной опа­лубкой для бетонирования постоянной опоры эстакады. Последовательность дей­ствий при сооружении эстакады: Позиция 1. Грейферными ковшами, которыми оснаще­ны стационарный или передвижной кра­ны 5 отрывается котлован для фундамента опоры эстакады. Стенки котлована укреп­ляются конструкциями ограждения. Извле­ченный грунт 6 поднимается на консоль фермы и вывозится за пределы особо ох­раняемой территории самосвалами, пере­двигающимися по ферме и готовой части эстакады. С помощью бетононасосов, пере­двигающихся по ферме, бетонируется фун­дамент опоры. Позиция 2. На готовый фун­дамент опоры эстакады устанавливается временная опора — опалубка опоры эста­кады 7, которая бетонируется с помощью автомобилей-бетононасосов 8. Бетон под-

 

Ф

 

 

Рис. 8.17. Возведение эстакады для автомобильной или железной дороги методом строительства «с головы» или «перед головой»^[XLVI] на особо ценных территориях без устройства на них стройпло­щадок, временных технологических дорог, складов и т.п. Схема реализации проекта эстакады на ВСМ Эрфурт — Галле (Германия): а — продольный вид и разрез по фундаменту опор;

б — план; 1, 2, 3, 4 — позиции возведения эстакады

 

Рис. 8.18. Строительство малого искуственного сооруже­ния — автомобильно-пешеходного тоннеля, одновременно с отсыпкой земляного полотна. Испания. 2007 г.

 

 

 

 

возится автобетоносмесителем (автомоби­лем-миксером) 9. Позиция 3. Бетонирова­ние с помощью передвижной опалубки про­летного строения эстакады 11. Позиция 4. Готовый участок эстакады от опоры 10 — после того как бетон опоры 7 и пролетно­го строения 11 наберут нужную прочность, ферма строительного комплекса переме­щается на одну позицию вперед (на рисун­ке — влево). Цикл повторяется до соору­жения всей эстакады; 10 — готовая опора; 12 — металлическое передвижное техно­логическое пролетное строение; 13 — го­товый участок эстакады.

Как и при устройстве обычных железных дорог на ВСМ возводятся небольшие ис­кусственные сооружения: водопропускные трубы, пешеходные надземные и подзем­ные переходы, скотопрогоны. Водопропу­скные трубы, как правило, сооружают из же­лезобетона, реже используют стальные гофрированные трубы. Малые искусствен­ные сооружения чаще всего возводят од­новременно с отсыпкой земляного полотна [рис. 8.18).

 

8.4 Общие сведения о тоннелях

Тоннели на путях сообщения являют­ся не только средством преодоления вы­сотных препятствий, но и сооружениями, предназначенными улучшить эксплуата­ционные качества магистралей в горном рельефе, встречающихся на пути контур­ных препятствий в виде широких водо­токов, морских акваторий, охранных зон. Особенно важно устройство тоннелей на высокоскоростных магистралях, посколь­ку это позволяет значительно сократить длину трассы (рис. 8.19).

На рис. 8.20 приведена схема нового Го- тардского (Gotthard)¹ базисного^{[47] [48]} тоннеля, предназначенного для движения высоко­скоростных поездов, из которой видно, как сокращается длина железной дороги при строительстве нового тоннеля. Естествен­но, такие тоннели имеют большую длину

Рис. 8.19. Тоннель на ВСМ, Германия. На фото видно, что трассы построенных ранее железной дороги и автомобильного шоссе следуют вдоль речной доли­ны, повторяя очертания ее берегов. ВСМ проложена в тоннеле по кратчай­шему направлению

(что удорожает их строительство), но по­езд попадает в тоннель непосредственно с равнинного участка, что позволяет уве­личить скорость и массу поездов. Напри­мер, к порталам существующего старо­го Готардского тоннеля поезд подходит по горным участкам с затяжными подъемами и множеством кривых (что хорошо видно на приведенной схеме). В печати встреча­ется, ошибочный перевод названия тонне­ля как «базовый».

В связи с ужесточившимися требовани­ями по охране окружающей среды, в част­ности, по сохранению природных ланд­шафтов, мест обитания редких животных и реликтовых растений, ценных сельско­хозяйственных угодий, даже в условиях спокойного равнинного рельефа проекти-

Рис. 8.20. На схеме показаны существующий с 1881 г. Готардский тоннель [трасса показана линией голубого цвета), подходы к нему (линия красного цвета) от Цюриха на Лугано, новый Готардский тоннель (линия желтого цвета), между пунктами Боди и Эрстфельд (указан стрелкой)

ровщикам ВСМ приходится прокладывать железнодорожные пути в тоннелях.

В качестве примера можно назвать высо­коскоростную линию, соединяющую запад­ный портал тоннеля под Ла-Маншем с Лон­доном, где поезда двигаются со скоростью до 300 км/ч (в тоннелях — до 250 км/ч). Часть линии протяженностью 108 км про­ложена в тоннелях вследствие требований, продиктованных экологическими сообра­жениями — сохранение ценных природ­ных территорий. Устройство тоннелей на ВСМ «Юг», в условиях равнинной местнос­ти в Нидерландах, также было продиктова-

Рис. 8.21. Участок на подходе ВСМ «Юг» к порталу тоннеля, проложенного под польдером. Нидерланды. 2007 г.

но требованиями сохранения окружающей среды — уникальных сельскохозяйствен­ных угодий — польдеров^[49] [рис. 8.21). Проек­ты, выполненные в последние годы в раз­ных странах, показывают, что при пересе­чении протяженных водных преград ВСМ по совокупности факторов в сравнении с мостовыми переходами очень часто пред­почтительными являются тоннельные ва­рианты.

«Стратегией развития железнодорожно­го транспорта в Российской Федерации до 2030 года» в перспективе намечена про­кладка ВСМ на южном и восточном на­правлениях, где, несомненно, будут соору­жаться тоннели. В силу этого полезно зна­комство с особенностями строительства и эксплуатации тоннелей на зарубежных вы­сокоскоростных железнодорожных магист­ралях.

Рассмотрим примеры действующих и про­ектируемых тоннелей на ВСМ в различных странах. Они в известной мере показатель­ны как в плане эффективности использова­ния тоннельных пересечений для обеспе­чения высоких качеств магистрали и безо­пасности скоростных перевозок, так и с по­зиций принятых объемно-планировочных решений, гарантирующих безопасную экс­плуатацию сооружения при скорости поез­дов в тоннеле до 250 км/ч.

В Европе движение поездов со скоро­стью 250 км/ч было впервые осущест­влено в Италии на линии Рим — Флорен­ция, строительство которой продолжалось около 30 лет и окончилось в 1978 г. Дли­на пути в тоннелях составила 32 % про­тяженности магистрали (254 км), а стои-

//./    Перила        X. W безопасности Д Q || \ ■ \ / “1 Г Пешеходный        1 ЗД МОСТИК                Sc 1 \ -~Т~' )

Кабельный{ коллектор ' Бетонная подушка Дренаж

U
	1/ г

ч

к \

Л \

⁴

• а\ ⁴

⁴

\

i \ \ > L\ \ ■Л ' Вл ^[L]

•

I

I

I

>»

I

I

I

I

I ■/ / W7 ¹ Т1 ‘ '/ ^f Li

/

’ Кабельный

коллектор

 

Рис. 8.22. Поперечное сечение двухпутного тоненеля на ВСМ Мадрид — Севилья

 

мость тоннелей — 50,3 % общих затрат на ее строительство. На этой линии более 30 тоннелей, самые протяженные из них Ор­те (9,3 км) и Сант-Оресте (5,7 км). Тоннели двухпутные с площадью поперечного се­чения в свету 53,77 м². Геологические ус­ловия строительства были весьма трудны­ми, проходка велась во вторичных поро­дах, состоящих из выветрившегося извест­няка с карстовыми пустотами. Вследствие малой площади сечения скорость прохож­дения поездов через тоннели была ограни­чена 160 км/ч.

В настоящее время на строящихся ВСМ, в связи с повышением скорости движения поездов до 300 км/ч предусмотрено стро­ительство тоннелей с увеличенной площа­дью поперечного сечения. Так, на участке ВСМ от Рима до Неаполя строится 25 тон­нелей общей протяженностью 30 км. На железнодорожной магистрали Болонья — Флоренция, пересекающей Апеннинские горы, сооружаются тоннели общей длиной 85 км.

При прокладке испанской ВСМ Мадрид — Севилья протяженностью 471 км были пре­одолены по кратчайшему направлению То­ледские горы. Строительство осуществля­
лось с января 1988 г. по июль 1990 г., прой­дено 17 тоннелей общей длиной 15,8 км. Площадь поперечного сечения двухпутных тоннелей на ВСМ для улучшения аэродина­мических условий следования высокоско­ростных поездов составляет в свету 75— 80 м² (рис. 8.22).

В Японии на ВСМ Токио — Осака из 515 км линии 13% было проложено в тоннелях. На построенной позже высокоскоростной магистрали «Санъё Синкансэн» между го­родами Осака (о. Хонсю) и Хаката (о. Кюсю) построено 142 тоннеля, на участке этой ВСМ от города Окаяма до конечного пункта Ха­ката 55 % пути проложено в тоннелях. Са­мый длинный из них — подводный тоннель Син-Каммон¹ протяженностью 18,7 км — соединяет острова Хонсю и Кюсю.

Более сложными были условия строи­тельства к северу от Токио ВСМ «Тохоку» и «Дзёэцу». Так, на «Тохоку Синкансэн» путь
на искусственных сооружениях составляет 94 % от общей длины линии. Десять круп­ных тоннелей имеют суммарную длину 57,7 км, самые большие из них — Фукуси­ма и Зао (11,7 и 11,2 км]. На «Дзёэцу Син- кансэн» тоннели длиной более 3 км име­ют суммарную протяженность более 90 км. Самый длинный горный железнодорож­ный тоннель Японии — двухпутный тон­нель Хаккода (длина 26,5 км] на высоко­скоростной железнодорожной линии. Про­ходческие работы в тоннеле начались в июле 1998 г. и завершились в феврале 2005 г. Второй по протяженности япон­ский тоннель Ивате Ичиное расположен на той же линии и имеет длину 25,8 км.

Самым протяженным в мире подводным тоннелем является «Сейкан» (53,8 км] под проливом Цугару (Сангарский пролив] между японскими островами Хоккайдо и Хонсю, который сооружен для строящейся высокоскоростной магистрали (рис. 8.23}. Строительство тоннеля велось с 1964 по 1988 год. Толчком к принятию решения о строительстве тоннеля, который надежно связал бы два крупнейших острова Япон­ского архипелага, была трагедия железно­дорожного морского парома Тойя-Мару, за­тонувшего в 1954 г. на пути из порта Аомо­ри (о. Хоккайдо] в Хакодате (о. Хонсю]. В катастрофе погибло несколько сот пасса­жиров. В том же году правительство стра­ны приняло решение о сооружении желез­нодорожного тоннеля. Около десяти лет ве­лись изыскания и проектные работы. Стро­ительство продолжалось 24 года.

Подводная часть тоннеля имеет длину 23,3 км, участок подхода со стороны остро­ва Хонсю — 13,55 км, со стороны острова Хоккайдо — 17 км. В самом глубоком мес­те трассы (глубина пролива Цугару 140 м] тоннель проложен ниже дна на 100 м.

В связи со сложным рельефом местности значительное число тоннелей строится на ВСМ в Китайской Народной Республике, в Республике Корее, на Тайване.

Рис. 8.23. Поперечное сечение двухпутного тоннеля Сейкан. Левый (на рисун­ке) путь предназначен для поездов узкой колеи (1067 мм); высокоскоростные поезда будут двигаться по правому пути, имеющему три рельса совмещен­ной колеи 1067/1435 мм

В Европе в связи с организацией высоко­скоростных железнодорожных сообщений на международных маршрутах уже реали­зованы, и осуществляются в настоящее
время несколько проектов тоннелей боль­шой протяженности. Значительный инте­рес представляет высокоскоростная магис­траль между Парижем и Лондоном, кото­рая проложена через пролив Ла-Манш с по­мощью тоннельного пересечения длиной 50,5 км, включающего два параллельных тоннеля кругового очертания внутренним диаметром 7,6 м, находящихся на расстоя­нии 30 м друг от друга, и расположенный

б

Рис. 8.24. Тоннель под Ла-Маншем на ВСМ Лондон — Париж в процес­се завершения строительства: а — механизированный проходческий комп­лекс; б — пройденный участок тонне­ля. На рис. (б) виден желоб в центре тоннеля, куда будет уложен путь, и широкая бетонная полка вдоль левой стены, предназначенная для высадки пассажиров из поездов в аварийных ситуациях, используемая также как путь эвакуации людей при проведении аварийно-спасательных работ

между ними вспомогательный тоннель диа­метром 4,8 м. [рис. 8.24, 8.25). Этот централь­ный тоннель после завершения строитель­ства используется для целей техническо­го обслуживания и проведения спасатель­ных операций в чрезвычайных ситуациях. Собственно подводная часть тоннеля дли­ной около 38 км лежит на глубине 25— 45 м ниже дна пролива. Из-за сравнитель­но небольшого поперечного сечения тон-

Рис. 8.25. Геологический разрез (а) и схема эксплуатационных сооружений (б) тоннеля под проли­вом Ла-Манш (на рисунке Англия слева): 1 и 2 — аллювиальные береговые отложения; 3 — белый и серый мел; 4 — меловой мергель; 5 — мергелистая уплотненная глина; 6 — зеленый (глаукони­товый) песок; б (читатель смотрит на сечение тоннеля со стороны Англии): 1 — соединительные разгрузочные каналы (служат для уравнивания давления воздуха в основных тоннелях при движении поездов), размещенные с интервалом 250 м; 2 — поршневой разгрузочный клапан; 3 — северный же­лезнодорожный тоннель; 4 — типовое техническое помещение; 5 — центральный вспомогательный тоннель; 6 — типовая поперечная сбойка с перегородкой, через каждые 350 м; 7 — южный железно­дорожный тоннель; 8 — челночный грузовой поезд для перевозки автотранспорта между термина­лами на английском и французском берегах пролива; 9 — высокоскоростной пассажирский поезд; 10 — автодорога для передвижения специальных автомашин (обслуживания, пожарных, медицинс­ких) во вспомогательном тоннеле

неля (45,4 м²] в нем установлена макси­мальная скорость движения поездов все­го 160 км/ч.

Помимо высокоскоростных пассажирских поездов, в тоннеле обращаются и грузовые поезда, состоящие из специальных закры­тых платформ для перевозки легковых ав­томобилей, грузовиков-трейлеров и авто­бусов. Общие размеры движения — около 360 пар поездов в сутки. Тоннель под Ла- Маншем является соединительным зве­ном между железнодорожными сетями Ве­ликобритании и континентальной Евро­пы и обеспечивает проезд из Лондона в Париж за 2,5 часа. Строительство велось с 186

1987 по 1994 г. и обошлось в 17 млрд дол­ларов США.

Значительную роль в создании единой общеевропейской высокоскоростной же­лезнодорожной сети играют железные до­роги Швейцарии, расположенной в цент­ре Западной Европы. Для улучшения со­общения внутри страны и международ­ной связи Север — Юг завершается проект создания новых тоннелей, предназначен­ных для движения пассажирских поездов со скоростью до 250 км/ч и грузовых — до 160 км/ч. Запланированы два новых мар­шрута: Готардский на направлении Цю­рих— Лугано (рис. 8.26, 8.27) и Лёчберг-

На Цюрих

Подземная комбинированная станция для спасательных работ и обслуживания «Седрун»

На Лугано

Подземная комбинированная станция для спасательных работ и обслуживания «Файдо»

Вспомогательный тоннель доступа Лифтовые стволы ВМ-иЩ.

Вентиляционным ствол

Северный                          Пункт доступа Вспомогательный «Амстег» портал тоннель доступа

Участки тоннелей и их длина, км

Условные обозначения: 8,6 Восточный главный тоннель Направление Т? Западный главный тоннель и способ проходки —------ главных тоннелей

Вспомогательный тоннель доступа

Южный портал

Тоннелепроходческий комплекс

► Горный способ

7.7	11.3                  |        8,6	13,4	15.9
7.7	11.3                                8.7	13.7	15.8
----------- ь-	т Направление ----------------------------------------------	1 способы проходки главных ------------------------------- ь.	тоннелей

 

Рис. 8.26. Схематическое изображение Готардского базисного тоннеля

 

Рис. 8.27. Готардский базисный тоннель: строительство подземной многофункциональной станции Файдо. Соединительный тоннель между главным западным и главным восточным тоннелями для устройства съезда между главными путями. 2006 г.

 

 

ский (Берн — Бриг), которые пройдут па­раллельно существующим железным доро­гам, уже исчерпавшим резервы пропускной способности.

В проектах новых линий предусмотрено строительство базисных тоннелей: Готард- ского длиной 57 км (суммарная длина, включая служебные тоннели — 151,8 км) и Лёчбергского (Lotschberg) — 36 км. На трас­се приняты максимальные уклоны 12,5 %о и минимальные радиусы кривых 4000 м, что позволит пропускать с высокой скоро­стью пассажирские поезда типа француз­ских TGV или немецких 1СЕ.

Каждая линия будет включать как суще­ствующие реконструированные тоннели, так и новые — базисные, состоящие из двух однопутных тоннелей диаметром по наруж­ной обделке 9,4 м, соединенных на всем протяжении многочисленными сбойками. В 2007 г. был введен в эксплуатацию Лёч- бергский базисный тоннель, сооруженный исходя из принятой в Швейцарии транс­портной концепции NEAT (нем. — Neue Eisen- bahn-Alpentransversale — Новая железнодо­рожная магистраль через Альпы).

В 2010 г. 15 октября была завершена про­ходка Готардского тоннеля, который стал самым длинным горным тоннелем в ми­ре. Ввод его в эксплуатацию планируется в 2017 г. С открытием этого тоннеля время в пути поездом из Цюриха в Милан сокра­тится с 3 ч 40 мин до 2 ч 50 мин. Очень важ­но, что ввод в строй тоннеля должен прак­тически полностью исключить проезд на этом направлении тяжелых грузовиков- трейлеров, которые планируется перево­зить после 2017 г. только по железной до­роге.

Готардский базисный тоннель (см. рис. 8.26) имеет две подземные станции Се- друн (Sedrun) и Файдо (Faido) — располо­женные под одноименными горными по­селками, на каждой из которых устроены съезды между главными путями. На стан­циях имеются платформы для высадки и посадки пассажиров. Станции предназна­чены как для обеспечения технического обслуживания базисного тоннеля, так и для проведения в случае необходимости спа­сательных работ и экстренной эвакуации пассажиров. Станция Седрун оборудована пассажирскими лифтами, размещенными в двух изолированных стволах. На станции Файдо устроен выход на поверхность с по­мощью наклонного вспомогательного тон­неля. Съезд между главными путями уст­роен также на пункте доступа Амстег (Ат- steg), где непосредственно в главных тон­нелях имеются пассажирские платформы для экстренной высадки пассажиров и вспомогательный тоннель для выхода на поверхность земли.

В настоящее время рассматривается предложение частных инвесторов преоб­разовать в процессе достройки Готардско­го базисного тоннеля комбинированную техническую спасательную станцию «Се­друн» в полноценную пассажирскую стан­цию (под названием «Порта Альпина» — «Porta Alpina») с надлежащей пассажир­ской инфраструктурой {рис. 8.28). Инвес­торы планируют, в случае реализации это­го проекта, создать в районе поселка Се­друн курортную зону.

Для создания общей европейской высо­коскоростной железнодорожной сети важ­ным является сооружение нового транс­альпийского тоннеля, который объединит ВСМ Франции и Италии на направлении Лион — Турин. Для реализации проекта 22 декабря 1994 г. была образована «Груп­па Европейского экономического участия — Альпитаннел», задачей которой была ко­ординация совместных работ двух стран и участие ЕС в осуществлении проекта. С 1990 по 1998 г. проводились геодезичес­кие и геологические изыскания по трассе будущего тоннеля, бурение многочислен­ных скважин, осуществлялись проектные работы.

Планируется, что основной тоннель дли­ной около 52 км на линии Лион — Турин, названный ДАмбин, пройдет в районе сед­ловины на границе Грайских и Коттских Альп {рис. 8.29). Новое пересечение ДАмбин будет сооружено в виде двух однопутных тоннелей, соединенных на всем протяже­нии сбойками. Примерно посередине трас­сы тоннеля в толще горного массива пла-

Рис. 8.28. Макет станции «Порта Альпина»: пассажирские платформы на первом этаже соединяют с распределительным залом и залом ожи­дания на втором и третьем этажах эскалаторы и лестницы; с третье­го этажа скоростные лифты доставляют пассажиров на поверхность

 

 

а

Модан. Вспомогательный эвакуационный тонне/н длиной 4000 м. Высота 1085 м

Сан-Джейн де Маурмн Высота 570 м

ФРАНЦИЯ

-ЛИОН

Опережающая штольня итальянской стороны

Монг д-Амбин. Высота 3378 м

Ла Пран Вспомогательный эвакуационный тоннель длиной 2572 м. Высота 974 м

Рис. 8.29. Схема вспомогательного эвакуационного тоннеля Модан (а) и схема тоннеля Д'Амбин ВСМ Лион — Турин (б)

Сан-Мартин Ла Порте. Вспомогательный эвакуационный тоннель длиной 2280 и.

нируется построить подземную станцию ВСМ, расположенную в самой высокой час­ти тоннеля, который будет иметь равно­мерное понижение к обоим порталам с ук­лоном 10 %о. Одним из назначений подзем­ной станции является обеспечение эваку­ации пассажиров в случае чрезвычайной ситуации; в связи с этим станция будет со­единена с поверхностью скоростными лиф­тами. Строительство намечено завершить к 2016 г.

В последние десятилетия при сооруже­нии подводныхтранспортныхтоннелей по­лучила развитие технология строительст­ва с применением опускных секций, изго­товленных из железобетона. При таком методе по трассе будущего тоннеля на дне водоема отрывается траншея. В нее по­гружаются изготовленные на берегу на спе­циальной строительной площадке (в до­ке) железобетонные секции (блоки) в ви­де трубчатых элементов будущего тонне­ля. Они доставляются по воде к месту буду­щей укладки, здесь затапливаются в нуж­ное место и стыкуются с соседними секци­ями, с тщательной герметизацией соеди­нительных швов.

Рис. 8.30. Строительство тоннеля «Марморой» под Босфором: а — железобетонная секция тоннеля в процессе транспортировки к месту установки; б — внутренний вид строящегося тоннеля

Опущенные в траншею секции засыпа­ются сверху слоем песка, а затем скальным грунтом толшиной несколько метров для защиты тоннеля от случайных поврежде­ний. После укладки, стыковки и гермети­зации всех подводных секций из тоннеля откачивают воду и производят его внут-

Рис. 8.31. Цепочка малых тоннелей на трассе ВСМ в Южной Корее

реннее обустройство. К подводной части тоннеля устраивают береговые участки подходных тоннелей.

Именно методом погружения железобе­тонных секций строится в настоящее вре­мя в Турции подводный железнодорожный тоннель Мармарай^[LI] под проливом Бос­фор — важная составляющая часть высо­коскоростной магистрали Анкара — Стам­бул, движение по которому планируют от­крыть в 2013 г. Тоннельное пересечение имеет общую длину 13 558 м, его подвод­ная часть — 1387 м. Тоннель является многофункциональным: планируется его использовать в сети городского, пригород­ного рельсового транспорта, а также для связи азиатской и европейской частей же­лезнодорожной сети Турции.

Подводная часть этого двухпутного тон­неля (каждый путь проложен в отдельной трубе, которые объединены в единую сек­цию) строилась путем погружения бетон­ных блоков в траншею, отрытую на дне пролива (рис. 8.30). Укладка всех секций тоннеля была закончена еще в 2008 г., в на­стоящее время завершается обустройство подходных тоннелей, строятся три подзем­ные станции. Подходные тоннели берего­вой части сооружаются трехпутными с об­гонными съездами, что позволит увеличить пропускную способность всего тоннельно­го пересечения. Открытие тоннельного пе­ресечения намечено на 2013 г, а в 2014 г. планируется ввод в эксплуатацию заверша­ющего участка Эскишехир — Стамбул ВСМ Анкара — Стамбул длиной 553 км.

Устройство трассы ВСМ по кратчайшему направлению на пересеченной местности и в селитебных зонах, как правило, требует прокладки нескольких небольших по про­тяженности тоннелей (рис. 8.31). Часто их целесообразно сооружать открытым спосо-

Рис. 8.32. Сооружение тоннеля открытым способом: а — общий вид; б — вид со стороны портала

Уровень дневной поверхности <=

Рис. 8.33. Примеры поперечных сечений малых тоннелей, сооружаемых открытым способом на ВСМ Франции с различными видами отделки: а — сборной; б —монолитной

бом. При этом по трассе будущего тоннеля отрывается выемка, в которой монтируют сборные или сооружают монолитные же­лезобетонные конструкции тоннеля, пос­ле чего выемку засыпают землей и на ее поверхности проводят рекультивацию тер­ритории, в необходимых случаях — с посад­кой растительности (рис. 8.32, 8.33, а так­же гл. 3, рис. 3.7).

8.5. Особенности тоннелей

на высокоскоростных линиях

При строительстве высокоскоростных ма­гистралей наиболее трудоемкими искусст­венными сооружениями являются тонне­ли, которые при больших скоростях дви­жения требуют особых конструктивных решений: увеличения сечения, улучшения аэродинамических характеристик внутрен­ней поверхности обделки, расположения тоннеля на прямой или в кривых больших радиусов.

С развитием высокоскоростных железно­дорожных магистралей возникают специ­фические проблемы, связанные с движени­ем поездов в тоннелях. Одна из них — вза­имодействие поезда с воздушной средой (рис. 8.34). При этом необходимо изуче­ние и учет таких явлений, как возникнове­ние резкого перепада давления при входе в тоннель и выходе из него или при встре­че поездов в двухпутных тоннелях. Значи­тельные перепады давления оказывают воздействие на пассажиров (появляются неприятные ощущения: боль в ушах, а в редких случаях — даже кровотечение из носа). Для предотвращения неприятных последствий необходимо особое устройст­во систем вентиляции вагонов, в частно­сти, применение в вагонах предохрани­тельных клапанов. Ударная волна, обра­зующаяся при выходе поезда из тоннеля, носит взрывообразный характер и причи­няет беспокойство находящимся вблизи портала тоннеля людям, в отдельных слу­чаях приводит к повреждению стекол в близлежащих домах. Ударная волна пред­ставляет опасность для оборудования, раз­мещенного в тоннеле.

Для смягчения воздушных ударов при вхо­де и выходе поездов из тоннелей исполь­зуют ступенчатые и решетчатые конст­рукции обрамления порталов (рис. 8.35), которые растягивают фронт ударной вол­ны и уменьшают перепады давления в единицу времени. С этой же целью носо­вая часть оконечных вагонов высокоско­ростных поездов удлиняется, ей придает­ся заостренная веретенообразная форма, очертания которой определяются в про­цессе аэродинамических расчетов и испы­таний (рис. 8.36).

Воздушная волна

Взрывообразный выхлоп из тоннеля

Вибрация грунта

Аэродинамический шум

— Г ■ Ггг

Тоннель

Рис. 8.34. Акустические и вибрационные явления при проходе высокоскоростного поезда в тоннеле

При движении в тоннелях увеличивает­ся сопротивление воздуха, для преодоле­ния которого требуется повышенный рас­ход энергии на тягу поездов. Указанные воздействия развиваются пропорциональ­но квадрату скорости движения, что сле­дует учитывать при организации регуляр­ного движения поездов со скоростью более 200 км/ч. При проектировании тоннелей большой длины и разработке их вентиля-

Рис. 8.36. Головной вагон поезда серии N700 Япония. 2008 г.

Рис. 8.35. Решетчатая конструкция обрамле­ния портала тоннеля на ВСМ «Санъё». Япония

 

ционных систем необходимо также прини­мать в расчет теплоотдачу от подвижно­го состава (прежде всего из систем охлаж­дения тяговых электродвигателей, систем кондиционирования воздуха в пассажир­ских салонах и другого электрооборудова­ния] и нагревание воздуха от трения о на­ружные поверхности вагонов и локомоти­вов поезда. В ограниченном пространстве тоннеля при большой скорости движения поезда может наблюдаться значительное повышение температуры воздуха.

При следовании в тоннеле изменяются условия аэродинамического обтекания по­езда. Так как пространство между стенками тоннеля и вагонами невелико, часть возду­ха выталкивается из тоннеля, а другая об­текает поезд. Между головной и хвостовой частями его возникает разность давления, что увеличивает сопротивление движению. Изучение аэродинамических явлений, свя­занных с высокоскоростным движением по­ездов в тоннелях, не может основываться только на теоретических расчетах. Необ­ходимо использовать экспериментальные методы для уточнения значимости различ­ных зависимостей и параметров, получен­ных аналитическим путем.

Одна из первых теоретических работ «Ко­эффициент лобового сопротивления при высокой скорости в тоннеле» была выпол­нена в 1947 г. немецкими специалистами и опубликована в США (НАСА] в 1955 г. Во Франции для изучения аэродинамических явлений были выбраны три тоннеля с не­большим поперечным сечением и высокой скоростью движения поездов: однопутный тоннель Рилли длиной 3400 м и площа­дью поперечного сечения 38 м², в котором при проведении экспериментов было воз­можно движение со скоростью до 175 км/ч; двухпутный тоннель Баше (длина 425 м, поперечное сечение 40,9 м²], в котором предусматривалась встреча поездов, сле­дующих со скоростью 200 км/ч; двухпут­ный тоннель Алуэтт (1240 м, 41 м²], пред­ставляющий собой перекрытую выемку с вентиляционными трубами, что позволя­ло изучать влияние таких труб на аэроди­намические процессы при скорости движе­ния более 200 км/ч.

Выполненные исследования показали за­висимость воздушного сопротивления от длины и сечения тоннеля, скорости движе­ния и длины обоих поездов, разницы во вре­мени входа поездов в тоннель, типа поезда (сечение, форма головной и хвостовой час­ти вагонов].

Строительство специализированных ВСМ и повышение скорости движения поездов в тоннелях до 160—250 км/ч^[LII] по-новому поставило вопрос о поддержании долж­ного уровня безопасности при их эксплуа­тации. Высокая скорость движения усугу­била проблемы безопасности движения в тоннелях, которые существовали и до по­явления ВСМ.

Проектировщиками, строителями и желез­нодорожниками, эксплуатирующими тонне­ли, рассматриваются, как основные, две группы возможных инцидентов, которые могут произойти при движении поездов.

Во-первых, столкновение поездов (лобо­вое и нагон одного поезда другим), сход подвижного состава с рельсов и его стол­кновение с конструкциями тоннеля, раз­рушение элементов подвижного состава в процессе движения, в том числе и по причи­нам воздействия злоумышленников (тер­рористические акции).

Во-вторых, возникновение по различным причинам пожаров, в том числе и в резуль­тате инцидентов с подвижным составом, о чем говорилось выше, а также в результа­те злоумышленных, в том числе террорис­тических действий (поджогов и подрывов). Пожары, которые часто возникают после описанных выше столкновений подвижно­го состава, многократно усиливают тяжесть последствий этих явлений. Современные высокоскоростные поезда, имеющие элек­трическую тягу, не несут запасов горючих жидкостей (например, жидкого топлива для дизельных двигателей, отопления вагонов, печей в вагонах-ресторанах). Однако, при столкновении на скорости около 200 км/ч поездов между собой и вагонов с непод­вижными элементами тоннелей выделяет­ся столь большое количество тепловой энер­гии, что возможно локальное возгорание отдельных элементов конструкции кузо­ва, интерьеров салонов, изготовленных из пластика и даже из легких металлов на ос­нове алюминия. Безусловно, при проекти­ровании и изготовлении вагонов совре­менных поездов принимаются все меры, чтобы снизить в их конструкциях наличие горючих материалов, однако даже незна­чительные возгорания, сильное искрение при авариях и катастрофах в ограниченном пространстве тоннеля вызывают задымле­ние, провоцируют панику среди пассажи­ров, поэтому защите тоннелей и высоко­скоростных поездов от пожаров придается первостепенное значение.

Особого внимания требуют тоннели, предназначенные для смешанного грузо­пассажирского движения. Так, в тоннеле под Ла-Маншем, как отмечалось ранее, по­мимо высокоскоростных пассажирских по­ездов регулярно проходят и грузовые по­езда, в том числе поезда-челноки, на кото­рых перевозятся легковые и грузовые ав­томобили. Несколько пожаров, которые случились в тоннеле под Ла-Маншем за го­ды его эксплуатации (впрочем, не имев­шие катастрофических последствий), про­изошли именно из-за возгораний перево­зимых автомобилей или грузов на них.

Как менее вероятные, но также не ис­ключаемые полностью, рассматриваются возможные происшествия в тоннелях, вы­званные техногенными и природными при­чинами: обрушение сводов и стенок тон­нелей, затопление и т.п., вследствие сей­смических явлений, стихийных бедствий, строительных и других технических де­фектов.

Безопасная эксплуатация тоннелей и орга­низация бесперебойного движения по ним поездов обеспечивается принятием адек­ватных для данных условий инженерно-тех­нических решений, использованием долж­ных строительных технологий, надлежа­щей организации эксплуатации тоннелей, бесперебойным функционированием сис­тем сигнализации и видеоконтроля, эф­фективной деятельностью служб оказания помощи и восстановления жизнедеятель­ности и эвакуации людей в аварийных си­туациях. В тоннелях ВСМ устраивают сов­ременные системы мониторинга ответст­венных конструкций, механизмов; устанав­ливают системы контроля состояния воз­духа, видеонаблюдения (рис. 8.37).

Выше уже отмечалось, что двухпутные тоннели менее безопасны для организа­ции движения поездов, чем однопутные. В двухпутных тоннелях при выходе нахо­дящегося на одном из путей подвижного состава (или его элементов) за пределы габарита, что может произойти в резуль-

Рис. 8.37. Центр управления эксплуатацией тоннеля под Ла-Маншем

Рис. 8.38. Автомобили спасателей на автомо­бильной дороге вспомогательного транспортно технологического тоннеля тоннельного пересе­чения под Ла-Маншем

тате схода с рельсов или разрушения кон­струкции вагона, локомотива, велика опас­ность столкновения с ним подвижного со­става, двигающегося по второму пути.

Исходя из этого в последние десятиле­тия протяженные тоннели на двухпутных линиях сооружают, как правило, однопут­ными (под каждый путь устраивается свой особый тоннель). При этом через опреде­ленные промежутки (50—200 м) эти од­нопутные тоннели соединяют между со­бой аварийно-технологическими сбойка­ми-переходами. Они позволяют в случае инцидента в одном из тоннелей обеспе­чить по соседнему прибытие аварийно- спасательных команд и организовать эва­куацию людей из аварийной зоны.

Часто на протяженных тоннелях, напри­мер, тоннель под Ла-Маншем, устраивают дополнительный вспомогательный цент­ральный тоннель. Он предназначен для ве­дения ремонтных и других работ по обслу­живанию основных тоннелей в процессе нормальной эксплуатации. В случае возник­новения аварийных ситуаций по вспомо­гательному тоннелю обеспечивается дви­жение к месту аварии команд спасателей, медицинского персонала, эвакуация людей (рис. 8.38), а также проводятся восстанови­тельные работы. При строительстве тонне­ля под Ла-Маншем существующий сегод­ня центральный вспомогательный тоннель меньшего диаметра являлся опережающей штольней^[LIII].

При строительстве тоннелей для ВСМ в некоторых случаях на всем его протяже­нии вдоль пути устраивают высокую бе­тонную платформу. Она позволяет безо­пасно и удобно высадить пассажиров из аварийно остановившегося поезда в лю­бой точке тоннеля. Кроме того, платфор­ма служит автомобильной дорогой для проезда аварийно-восстановительных ко­манд, бригад скорой помощи и эвакуации людей (рис. 8.39).

Большое значение для безопасной экс­плуатации тоннелей имеет устройство сис­тем дренажа, водоотведения, перекачиваю­щих насосов, систем вентиляции (включа­ющих вентиляционные станции, а иногда и отдельные вентиляторы, расположенные вдоль тоннеля) (рис. 8.40), которые необ­ходимы в аварийной ситуации при исполь­зовании для эвакуации пассажиров авто­транспорта. Между отдельными секциями устраивают также двери, в том числе, гер­метичные (рис. 8.41). На рис. 8.42 показа­на схема организации аварийной вентиля­ции на примере тоннеля Гвадаррама (Gua-

Нидерланды. 2008 г.

Рис. 8.40. Струйный вентилятор в тон­неле ВСМ «Юг», Нидерланды. Как прави-

Рис. 8.41. Герметичные двери эвакуационного выхода в тоннеле ВСМ. 2008 г.

darrama) на ВСМ Мадрид — Сеговия (Ис­пания). Тоннельное пересечение Гвадарра- ма включает два однопутных тоннеля про­тяженностью 28 км каждый, соединенных между собой сбойками. По концам тонне­лей размещены вентиляционные станции, внутри тоннелей также находятся венти­ляторы, которые могут включиться неза­висимо от работы вентиляционных стан­ций.

Если в одном из однопутных тоннелей воз­никнет пожар, движение по второму тон­нелю прекратят и он будет использоваться для эвакуации людей и проезда аварийно- спасательных команд. На схеме (рис. 8.43) показано, что включением вентиляторов станций № 1 и №2, а также вентиляторов, расположенных в тоннелях, создается по­вышенное давление воздуха в зоне эвакуа­ции людей. Формируется также поток воз­духа, направленный к ближайшему выходу из тоннеля в котором произошло возгора­ние, что предотвращает задымление зоны эвакуации людей.

 

Рис. 8.42. План и поперечный разрез тоннеля Гвадаррама. Испания

Вентиляторы типа ZVN 1-20-450/4

I

Спасательный	Режим повышенного	Вентиляторы
!              тоннель	давления воздуха	THiiaZVN 1-20-450/4

ВкЛючеиы Нагнетают но 90 м.куб/ccj^^^ каждый Выключен. Дежурный режим ожидания

Включен

Выключен

Выключен

Выключен

Вентиляционная станция N«1

Режим вентиляции

Вентиляторы TnnaZVN 1-20-450/4

Включен Выключен. Дежурный режим ожидания

Включены.             | агнетают по 90 м.куб/cexi каждый Выключен. Дежурный^ 195 куб ( режим ожидания м/сек i

I

Вентиляционная станция N<2

Переход между тоннелями

I I Зона itiiubiineHHuro • давления мпздухэ

» I

	—	CZD CZD С3>
1 1	3237
	=

Включен

Выключен. Дежурный режим ожидания Включен

4КЛЮЧСМ. Дежурный) режим ож>р1лния Включены.         ■ Нагнетают пл 75 М.куб/сек^н^мм f ■t.u.ll.lll

Вентиляторы типа ZVN 1-20-450/4

Тоннель, п котором произошел инцидент

Режим вентиляции

=XD =ZZCD

Вентиляторы mnaZVN 1-20-450/4

а>

ezd

Вентиляторы THiiaZVN 1-20-450/4

 

 

 

Рис. 8.43. Тоннельное пересечение Гвадаррама (два однопутных тоннеля) протяженностью 28 км. Испания. Схема организации вентиляции при пожаре в одном из тоннелей

 

Тоннель Пахарес (Pajares), сооруженный на линии ВСМ, связывающей Мадрид с Вальядолидом и Леоном, протяженностью 25 км (рис. 8.44) представляет собой два однопутных тоннеля, соединенные меж­ду собой через каждые 400 м сбойками. В середине тоннеля устроена аварийно-спа­сательная железнодорожная станция. Она имеет два стрелочных съезда, позволяю­щих перевести движение поезда из одно­го тоннеля в другой. Два ствола, выходя­щие на поверхность, оборудованы лифта­ми для эвакуации пассажиров остановив­шегося поезда. В районе станции устроены

Рис. 8.44. Объемно-планировочные решения тоннеля Пахарес: 1 — однопутные тоннели с соединитель­ными сбойками; 2 — подземная аварийно-спасательная железнодорожная станция; 3 — поперечная соединительная эвакуационная камера и вертикальные стволы с лифтами; 4 — эвакуационный тон­нель с соединительной камерой

 

Рис. 8.45. Механизированный проходческий комплекс на строительстве тоннеля Гвадаррама. Испания

через каждые 100 м соединительные гале­реи. Все это позволяет в случаях аварий­ных ситуаций обеспечить эвакуацию пасса­жиров и проведение спасательно-восстано­вительных операций в кратчайшее время.

Несмотря на применение новейших ме­тодов строительства тоннелей с использо­ванием эффективного механизированного оборудования (рис. 8.45) сооружение тон­нелей остается дорогостоящим, сложным и, в определенной степени, опасным. Этот вид строительных работ требует высочай­шего профессионализма, организованнос­ти и дисциплины труда.

В России уже более полутора веков раз­вивается отечественная школа тоннеле­строения, усилиями которой успешно ре­ализованы проекты крупных транспорт­ных и других тоннелей (в том числе на многочисленных гидротехнических соору­жениях), осуществлено строительство метро­политенов, других подземных объектов раз­личного назначения. Из достижений пос­ледних десятилетий следует отметить за­вершение в 2003 г. сооружения Северо-Муй- ского железнодорожного тоннеля на БАМе протяженностью 15,3 км — самого длинно­го в России. Тоннель строился с перерыва­ми около 26 лет в исключительно трудных условиях горной местности с высокой сей­смической активностью, многочисленны­ми подземными термальными источника­ми минеральных вод.

Перспективными планами намечено строительство ВСМ в южных районах Рос­сии, на Урале и в восточных регионах. При проектировании тоннелей в нашей стране практически не учитывались аэродинами­ческие процессы, имеющие место при дви­жении поездов по тоннелями при скоро­сти 200 км/ч и более. Это делает необхо­димым изучение зарубежного опыта про­ектирования и сооружения тоннельных пересечений для ВСМ и развития отечест­венной научной и инженерной базы в дан­ной области.

Глава 9

Раздельные пункты на высокоскоростных
магистралях

 

 

9.1. Размещение и путевые схемы раздельных пунктов на ВСМ

Раздельные пункты — станции, обгонные пункты, диспетчерские посты в значитель­ной мере определяют уровень обеспечения жизнедеятельности скоростных и высоко­скоростных железных дорог. Размещение, схемы и техническое оснащение раздель­ных пунктов являются важнейшими воп­росами проектирования новых ВСМ и ре­конструируемых существующих линий.

Говоря о японском опыте, следует отме­тить, что больший интерес представляет первая в мире ВСМ «Токайдо» (Токио — Осака), на которой накоплен уже почти по­лувековой опыт эксплуатации. На этой ма­гистрали первоначально было 12 станций, которые размещены в основном рядом со станциями узкоколейных линий существо­вавшей железнодорожной сети. Такое ре­шение создало благоприятные условия для пересадки пассажиров обычных поездов в экспрессы линии Синкансэн и позволило расширить зону обслуживания населения высокоскоростными поездами.

Все станции построены по поперечной схе­ме с минимально необходимым путевым развитием: на трех станциях, кроме глав­ных, уложено по три приемо-отправочных пути, на семи станциях — по два, один ос­тановочный пункт не имеет приемо-отпра­вочных путей из-за невозможности их раз­мещения по местным условиям. Полезная длина перронных путей равна 500 м.

Линия начинается на станции Токио-Цент- ральная, которая была реконструирована. Вначале построено было пять путей, впо­следствии — еще пять приемо-отправочных путей, затем устроены подземные перехо­ды и пассажирские помещения. На боль­шинстве новых станций ВСМ между глав­ными путями уложено лишь по два диспет­черских съезда. На проходных станциях нет отдельно расположенных пассажирских зда­ний: билетные кассы, контора начальника станции и другие помещения размещены под путями и платформами.

При проектировании и строительстве в Японии второй ВСМ «Санъё» (Осака — Ока­яма— Хаката), являющейся продолжени­ем первой линии «Токайдо», в схемы раз­дельных пунктов были внесены некоторые коррективы. На линии «Санъё Синкансэн» (рис. 9.1) было построено 15 станций. При этом на станциях, на которых предусматри­валась остановка всех поездов, сооружены островные пассажирские платформы, рас­положенные между главными и приемо­отправочными путями. На остальных стан­циях, где часть поездов не имеет останов­ки, пассажирские платформы размещены с внешней стороны приемо-отправочного пу­ти в каждом направлении или между дву­мя приемо-отправочными путями станции. В обоих случаях безопасность пассажиров,

Ниси-Акаси

Син-Осака

Син-Кобе

Окаяма

Химехи

Хиросима

Токояма

Кокура

Хаката

^tzzzz/^ла^

База пути -------

Син-Курасаки -ч^Ба^а пути

Рис. 9.1. Схема ВСМ «Санъё» Син-Осака — Хаката. Япония

База пути

f/z/Z^zZ/ZZi

Фукуяма

Син-Ивакуни Z^Baaa пути

Син-Симоносеки

Михара

находящихся на платформах при проходе поездов без остановки, обеспечена тем, что они отделены от главного пути одним при­емоотправочным путем.

Следует отметить особенность участка Оса­ка — Окаяма, где на каждой станции, кро­ме остановочного пункта Син-Кобэ, между главными путями уложено по четыре дис­петчерских съезда вместо двух. Это позво­ляет организовать на линии движение ра­бочих поездов и путевых машин по непра­вильному пути в ночное время в период выполнения работ текущего содержания стационарных устройств линии.

Расстояние между станциями принято в размерах от 20 до 60 км. На станциях Окая­ма и Хиросима на специальных площадках размещены парки ежедневного осмотра под­вижного состава, а на станции Хаката — база выполнения плановых ремонтов вагонов. Парки для осмотра подвижного состава и ба­зы для текущего содержания пути на стан­циях размещают на общей площадке, часто на существенном удалении от станции.

Схема раздельных пунктов магистрали То­кио— Осака — Хаката без учета головной станции Токио-Центральный и устройств для ремонта пути, контактной сети и под­вижного состава включает следующие по­казатели:

— число раздельных пунктов — 27;

— среднее расстояние между станция­ми — 41 км;

— полезная длина приемо-отправочных путей — 500 м;

— строительная длина всех приемо-от­правочных путей — 35 км;

— длина станционных путей, приходя­щаяся на 1 км длины линии, — 23 км;

— число стрелочных переводов, прихо­дящихся на 1 км линии, — 23 комплекта;

— площадь пассажирских платформ, при­ходящихся на одну станцию, — 5,3 тыс. м².

Технические решения и показатели по раз­дельным пунктам северных линий Син- кансэн («Тохоку» и «Дзёэцу») аналогичны рассмотренным для линии Токио — Хака­та. Многие решения стали типовыми, осо­бенно это касается расположения пасса­жирских платформ, переходов, габарит­ных расстояний. Платформы каждого типа и их расположение относительно главных

Тип и расположение пассажирских платформ Ширина платформ, м Число платформ на станциях линии Иокогама — Хаката Омия — Мориока Кумагая — Ниигата Всего Кол-во % Боковые рядом с главным путем 8 4 — — 4 4,2 Островные между глав­ным и приемо-отправоч­ным путями 10 16 6 3 25 26,3 Боковая рядом с приемо­отправочным путем 7—7,5 22 13 6 41 43,2 Островная между приемо­отправочными путями 9,5 10 8 7 25 26,3 Всего — 52 27 16 95 100

Таблица 9.1 Характеристика и количество пассажирских платформ на станциях первых трех линий сети Синкансэн

и приемо-отправочных путей на основных высокоскоростных линиях Японии приве­дены в табл. 9.1.

Изучение опыта проектирования и стро­ительства ВСМ в Японии позволяет сде­лать следующие выводы:

- строительство станций назначается только из условия максимального охвата населения перевозками в высокоскорост­ных поездах;

- размещение раздельных пунктов ВСМ и районах городов определяется положени­ем станций действующих железных дорог шириной колеи 1067 мм с целью создания наибольших удобств при пересадке пасса­жиров с одной линии на другую;

- путевое развитие станции предусмат­ривается в небольших размерах (в основ­ном, кроме главных, два приемо-отправоч­ных пути, на некоторых станциях — три или четыре пути для организации пересад­ки из неисправного в исправный поезд); проявляется тенденция увеличения числа станций с тремя и четырьмя приемо-отпра­вочными путями;

- укладка стрелочных переводов на глав­ных путях ведется с учетом организации движения поездов на линии и прохода пу­тевых машин во время «окна» при текущем содержании стационарных устройств ВСМ;

- пассажирские платформы на станци­ях с безостановочным пропуском поездов размещаются через один путь от главного с внешней стороны станции или между при­емо-отправочными путями одного направ­ления; на отдельных станциях, где такое расположение невозможно из-за местных условий, платформы строятся увеличенной ширины;

— на главных путях укладываются спе­циальные стрелочные переводы с подвиж­ными элементами крестовины для обеспе­чения пропуска поездов по главным путям с высокой скоростью; переводы пологих марок (менее 1/16) и очень пологих (более 1/30) до настоящего времени на японских ВСМ не применялись;

— служебно-технические здания (залы ожидания, билетные кассы, почтовые и багажные помещения) на всех станциях размещаются, как правило, под путями и платформами станций ВСМ;

— для текущею содержания стационар­ных устройств высокоскоростной линии предусматриваются специальные линейные базы с соответствующим путевым разви­тием и средствами механизации, предназ­наченными для обслуживания ВСМ; при­мыкание соединительных путей таких баз выполняется к ближайшим станциям с не­обходимыми путепроводными развязками в местах пересечения с главными путями или на перегоне с использованием специ­ального (временно надвигаемого на путь)
устройства для ввода путевых машин и ра­бочих поездов на главный путь и выхода обратно;

— проходные (промежуточные) станции, как правило, не претерпевают изменений в путевом развитии по мере возрастания размеров движения;

— головные станции, а также зонные с большим оборотом составов развиваются поэтапно;

— базы подвижного состава подвергают­ся более частому увеличению путевого раз­вития; строятся по схемам с продольным расположением основных парков и с тупи­ковым депо на 3—8 путей;

— решения, принятые по схемам станций первых линий Синкансэн, применяются без существенных изменений на последующих линиях.

Принятые технические решения по раз­дельным пунктам на западно-европейских ВСМ существенно отличаются от японских. Это обусловлено следующими причинами. Во-первых, французские, германские и итальянские высокоскоростные магистра­ли имеют одинаковую с обычными желез­ными дорогами ширину колеи, что позволя­ет использовать эти магистрали как основ­ную часть общей сети страны и даже кон­тинента в целом; во-вторых, европейские демографические, географические, клима­тические и экологические условия отлича­ются от японских.

ПАРИЖ

Рис. 9.2. Схема ВСМ Париж—Лион. Франция

Наибольший интерес представляют раз­дельные пункты французских ВСМ. На рис. 9.2 приведена схема участка ВСМ Париж — Лион. На схеме сплошными линиями по­казано путевое развитие вновь построен­ной части высокоскоростной магистрали, включая соединения с пересекаемыми ли­ниями, а штриховыми линиями — сущест­вующие железные дороги традиционной конструкции с движением пассажирских поездов по некоторым из них со скоростью до 200 км/ч. На линии построены лишь две станции с приемо-отправочными путями, по одному с каждой стороны главных пу­тей. Еще четыре обгонных пункта имеют только по одному приемо-отправочному пу­ти, в продолжение которого устроен тупи­

ковый путь, рассчитанный на длину поез­да. Эти пункты используются только в слу­чае возникновения неисправностей в по­езде в пути следования. Между главными путями на обгонных пунктах уложено по два диспетчерских съезда.

Кроме того, через каждые 19—27 км раз­мещаются диспетчерские пункты регулиро­вания движения поездов, на которых меж­ду главными путями уложено по два съез­да. На этих пунктах движение экспрессов при необходимости переключается с одно­го главного пути на другой, а также регули­руется движение ремонтных машин во вре­мя ночного «окна».

Для уменьшения потерь времени пасса­жиров диспетчерские съезды и примыка­ния соединительных путей укладывают­ся с применением стрелочных переводов с маркой крестовины 1/65, которые допус­кают движение со скоростью на отклоне­ние до 200 км/ч.

На местах пересечения ВСМ с существую­щими линиями уложены соединительные пути, позволяющие экспрессам выходить по ним на сеть обычных железных дорог. На головных участках магистрали от Пари­жа до Лиона на расстоянии в общей слож­ности 36 км поезда TGV следуют по путям старой постройки. Это дает возможность использовать имеющиеся вокзальные ком­плексы и уменьшить капитальные затра­ты. Из других стран, эксплуатирующих и строящих подобные магистрали, следует выделить Германию, Италию и Испанию.

В Германии ВСМ строятся для смешанно­го движения; на них, помимо высокоско­ростных пассажирских, могут обращаться и грузовые экспрессы. Это потребовало со­оружения примерно через каждые 25 км обгонных пунктов. Помимо обгонных пун­ктов, в среднем через 7 км между главны­ми путями укладываются по два диспет­черских съезда, а в местах пересечения с обычными линиями сооружаются соеди­нительные пути для выхода пассажирс­ких и грузовых экспрессов с одной линии на другую.

Многолетнее эффективное функциониро­вание французских и японских ВСМ, разра­ботка на этой основе проектов новых ВСМ в этих странах без существенных измене­ний в принципах размещения и схемах раз­дельных пунктов свидетельствуют о том, что принятые для первых ВСМ инженер­ные решения отвечают специфическим ус­ловиям этих стран.

Переходя к вопросу о размещении и схе­мах раздельных пунктов будущих высо­коскоростных магистралей в нашей стра­не, следует определить пути его решения применительно к российским условиям. В отечественных проектно-изыскательских и научных разработках 1987—1998 гг. при­нята за основу французская концепция. Так, в проектных разработках Мосгипротранса 1987 г. ВСМ Москва — Юг протрассирована без захода в крупные города и без устрой­ства новых пассажирских станций вблизи них. Для обслуживания населения городов, расположенных в зоне высокоскоростной магистрали, предусматриваются заходы не­которых поездов по существующим лини­ям с пониженными скоростями, для чего в местах пересечения ВСМ с этими линиями или близкого их расположения укладыва­ют соединительные пути с путепроводны­ми развязками. Это позволяет существен­но снижать расходы по собственно ВСМ, но требует значительной реконструкции тех участков существующих линий, по кото­рым экспрессы должны следовать по высо­коскоростной линии на действующие пас­сажирские станции и обратно. Такое ре­шение может быть эффективным только в том случае, если заводы наладят выпуск сверхпологих стрелочных переводов, на­пример, марок 1/46 — 1/65^[LIV].

Несколько отличное от ВСМ Москва — Юг положение занимает проектируемая ВСМ Санкт-Петербург — Москва, что обуслов­лено в основном объективными обстоя­тельствами. Первое из них заключается в
уникальности линии по характеру и раз­мерам пассажиропотока. Линия соединит два мегаполиса страны, между которыми, кроме Твери, нет пока пассажирообразую­щих пунктов. Это оправдывает движение большей части поездов от одного города до другого без остановок. Целесообразность станций с пассажирскими операциями есть, кроме Твери, в районе Валдая, в Москве и Санкт-Петербурге.

На остальном протяжении линии могут размещаться только те раздельные пунк­ты, которые обеспечивают регулирование движения поездов и жизнедеятельность магистрали в целом.

Таким образом, при проектировании ВСМ Санкт-Петербург — Москва целесообразно применение комбинированной концепции с использованием как французского, так и японского вариантов. Анализ других пер­спективных направлений высокоскорост­ных линий, в том числе и ВСМ Москва — Кавказ, показывает, что для российских ус­ловий такая комбинированная концепция является объективно необходимой и целе­сообразной с технико-экономической и со­циальной стороны. С учетом этого разраба­тывались основные требования к путевым схемам и размещению раздельных пунктов на ВСМ России.

Главные требования к раздельным пунк­там ВСМ обусловлены основными целями функционирования магистрали. Первой це­лью является обеспечение высокого уров­ня обслуживания пассажиров как в пунк­тах отправления и прибытия, так и во вре­мя поездки при безусловном обеспечении безопасности и точном соблюдении време­ни прибытия на конечный пункт. Достиже­ние этой главной цели возможно лишь при эффективной схеме обеспечения жизнедея­тельности магистрали — вторая цель, что достигается:

— оптимальным размещением баз тех­нического обслуживания стационарных ус­тройств на линии в пределах раздельных пунктов;

— обеспечением быстрейшего вывода из режима движения неисправных поездов в пути следования и благоприятных условий для пересадки пассажиров из неисправного поезда в исправный;

— обеспечением взаимозаменяемости ос­новных путей при движении поездов и ре­монтных машин при нештатных ситуациях;

— созданием благоприятных условий для кооперирования однородных устройств и территорий баз технического обслужива­ния.

9.2. Классификация и схемы раздельных пунктов ВСМ

С учетом изложенных требований и при­нятой концепции будущих ВСМ России предлагается следующая классификация раздельных пунктов:

— головные пассажирские станции;

— линейные (промежуточные) пассажир­ские станции;

— линейные (проходные) раздельные пункты с приемо-отправочными путями без пассажирских операций;

— диспетчерские посты.

Ниже рассмотрены возможные путевые схемы названных типов раздельных пунк­тов.

Головные пассажирские станции. Отечест­венной наукой основательно решены воп­росы расчета и норм проектирования круп­ных пассажирских станций магистральных железных дорог. Фактор скорости движе­ния не внес существенных дополнитель­ных требований к головным станциям ВСМ, поэтому их можно проектировать с приме­нением современных систем информаци­онного обеспечения и дизайна по типовым схемам пассажирских станций обычных железных дорог, но при условии высокого уровня сервиса обслуживания пассажиров в пределах всего пассажирского комплекса.

Линейные (промежуточные) пассажир­ские станции. Перечисленным ранее тре­бованиям в максимальной степени отвеча­ет схема, приведенная на рис. 9.3, где база

Рис. 9.3. Схема промежуточной пассажирской станции высокоскоростной магистрали с продольным расположением базы технического обслуживания постоянных устройств (БТО): I, II — главные пути; 3, 4, 6 — приемо-отправочные пути для пассажирских поездов

технического обслуживания стационарных устройств размещается последовательно пассажирским устройствам. Путь 6, обозна­ченный штриховой линией, устраивает­ся при необходимости пересадки пассажи­ров из неисправного поезда, принимаемо­го на этот путь, в исправный, подаваемый на путь 4 с любого направления. На рис. 9.4 приведена схема промежуточной пассажир­ской станции ВСМ с дополнительными при­емо-отправочными путями 5, 6 с возмож­ностью обращения скоростных контейнер­ных или рефрижераторных поездов. Путь 8 используется для приема контейнерных по­ездов на время погрузки и выгрузки части контейнеров.

Зонные пассажирские станции — специ­фический вид линейных пассажирских стан­ций, на которых имеют оборот часть поез­дов, как правило, одного из направлений. Выбор места размещения и схемы такой станции устанавливается на основе техни­ко-экономического сопоставления принци­пиально различающихся вариантов. На рис. 9.5 приведена схема зонной пассажирской станции, расположенной непосредственно на трассе ВСМ. На трассе четыре приемо-от­правочных пути для пассажирских поездов (10,11,12 и 13), в том числе отстойные, до­полнительно предусмотрен приемо-отпра­вочный путь 7 для контейнерных поездов.

Линейные (проходные) раздельные пункты без пассажирских операций (рис. 9.6). На ВСМ при редком (через 100 км и более) рас­положении проходных пассажирских стан­ций необходимо устраивать через 40— 65 км раздельные пункты с двумя приемо­отправочными путями для приема на один из них (4) поезда, получившего неисправ­ность в пути следования, а на другой (3)

 

 

Б

Рис. 9.4. Схема промежуточной станции ВСМ с контейнерным пунктом и дополнительными приемо­отправочными путями: 1 — высокие пассажирские платформы; 2 — пешеходный тоннель; 3 — вок­зал; 4 — ограждение линии; БТО — база технического обслуживания постоянных устройств; 1, II — глав­ные пути; 3—6 — приемо-отправочные пути для пассажирских поездов; 8 — путь для погрузки и вы­грузки контейнеров из скоростных контейнерных поездов; 9 — контейнерная площадка

 

Рис. 9.5. Схема зонной пассажирской станции с петлевым подходом для оборачивающихся поездов: I, 11 — главные пути; 1 — вокзал; 2 — пешеходный тоннель; 5 — тяговая подстанция; 3—6 — при­емо-отправочные пути для пассажирских поездов; 7 — приемо-отправочный путь для контейнер­ных поездов; 8 — предохранительный тупик; 9 — петлевой участок для оборота зонных поездов; 10—13 — отстойные пути для зонных поездов; 14 — пассажирские платформы; 15 — контей­нерная площадка; БТО — база технического обслуживания постоянных устройств

 

 

 

 

Рис. 9.6. Схемы линейных (проходных) пунктов для пересадки пассажиров из нечетных (а) и четных (б) неисправных поездов: I, II — главные пути; 1, 2 — платформы; 3—6 — приемо-отправочные пути;

5 — станционное здание

 

дополнительного порожнего поезда для пассажирская пересадочная платформа 1 пересадки в него пассажиров из неисправ- на длину поезда шириной не менее 6 м. ного поезда. Между путями устраивается

9.3. Раздельные пункты в местах разветвления и соединения вы­сокоскоростных линий

Рассмотрение схемы сети перспективных для России высокоскоростных магистралей указывает на необходимость разветвления линий в ряде пунктов. Так, на направлении Санкт-Петербург — Юг возникнет несколь­ко таких разветвлений: на северо-западном подходе к Москве; южнее Москвы, в месте выхода ВСМ из Санкт-Петербурга на ВСМ Москва — Юг; южнее Ростова-на-Дону от­клонение в район Минеральных Вод. Кро­ме того, при концепции ВСМ Москва — Юг каждый пассажирообразующий город бу­дет иметь по два разветвления маршрутов следования экспрессов.

Отклонения ВСМ могут осуществляться как на постах без путевого развития, так и на раздельных пунктах с путевым разви­тием. При необходимости на постах без пу­тевого развития укладываются диспетчер­ские съезды между главными путями ос­новной линии.

Однако необходимо стремиться к тому, чтобы разветвления ВСМ размещались на раздельных пунктах с путевым развитием. За основу такого раздельного пункта мо­жет быть принята промежуточная станция. Схема ее должна отвечать следующим до­полнительным требованиям:

— обеспечение максимально возможной скорости при пропуске через станцию вы­сокоскоростных поездов, следующих с ос­новной магистрали на отклоняемую;

— обеспечение приема поездов с откло­ненной магистрали пути для стоянки в ожидании выхода на основную магистраль (стоянка может оказаться вынужденной даже из-за незначительных отклонений от расписания поездов);

— стрелочная зона со стороны подхода отклоняемой линии должна обеспечивать одновременный прием двух поездов (с обеих магистралей), а также одновремен­ный сквозной пропуск поездов по основ­ной магистрали и на ответвление.

С учетом изложенных требований в ПГУПС были разработаны схемы проме­жуточных узловых станций с пассажир­скими операциями (см. рис. 9.7) с вариан­тами: без контейнерной площадки (а) и при ее наличии (б). Как видно из приведен­ных схем раздельных пунктов, их приме­нение потребует разработки и изготовле­ния пологих стрелочных переводов, кото­рые при движении на боковое отклонение обеспечивают высокую скорость.

 

Рис. 9.7. Схемы узловых промежуточных пассажирских станций: а — без контейнерной площадки; б — с контейнерной площадкой; 1, 2 — платформы; I, II — главные пути; 3—6 — приемо-отпра­вочные пути для пассажирских поездов; 7 — приемо-отправочный путь для контейнерных поездов; 8 — предохранительный тупик; 9 — вытяжной тупик; КП — контейнерная площадка

 

 

Глава 10

Системы электрификации и устройства
электроснабжения высокоскоростных
железных дорог

 

 

10.1. Системы электрической тяги и устройства электроснаб­жения

Преодоление силы сопротивления дви­жению поезда, зависящей от трения ка­чения, аэродинамических нагрузок, укло­на пути, достигается тяговыми средства­ми. Движущие оси подвижного состава со­пряжены с электрическими двигателями механической передачей вращающего мо­мента. Тяговые двигатели получают пита­ние от генераторов электрических стан­ций посредством устройств внешнего и внутреннего (тягового) электроснабже­ния (рис. 10.1).

На линиях железных дорог с максималь­ной скоростью до 160 км/ч (традицион­ные железные дороги) удельная мощность электропотребления составляет пример­но 300—500 кВт/км в одном направлении. Характер электротяговой нагрузки таких линий может быть описан случайной фун­кцией, подчиняющейся гипотезе нормаль­ного (Гауссова) распределения. Выбор от­дельных устройств тягового электроснаб­жения по мощности нагрузки с учетом до­пустимого нагревания токоведущих эле­ментов осуществляется, исходя из мак­симальных значений токовых нагрузок в течение определенного временного ин­тервала.

Высокоскоростные железные дороги с мак­симальной скоростью 250 км/ч и более, по­вышенной пропускной способностью с рас­четными интервалами попутного следова­ния 3—15 мин и мощностью электропотре­бления одного поезда 10—18 МВт имеют иной характер электротяговой нагрузки. Для таких линий характерна импульсная нагрузка, как для устройств электротяго­вой сети, так и для преобразовательного электрооборудования тяговых подстанций. В системе электроснабжения возрастают пиковые нагрузки на тяговые подстанции, увеличиваются потери напряжения и энер­гии в устройствах тягового электроснабже­ния, усложняется токосъем; увеличивается нагревание проводов контактной сети, по­вышаются требования к избирательности релейных защит в аварийных режимах.

Для высокоскоростных линий удельная мощность электропотребления может до­стигать 1,0—2,5 МВт/км. При любом увели­чении скорости более 160 км/ч потребная электротяговая мощность значительно воз­растает. Она зависит от многих факторов, основными из которых являются масса поез­да, скорость движения, сопротивление дви­жению; интервалы между поездами; час­тота троганий и разгонов; применение ре­куперативного торможения; план и про­филь пути, аэродинамическое сопротивле­ние; характеристики сети тягового элек­троснабжения.

Рис. 10.1. Схематическое изображение комплекса устройств электрической железной дороги. Систе­ма внешнего электроснабжения: 1 — электростанции; 2 — крупные районные трансформаторные подстанции; 3 — высоковольтные линии электропередачи напряжением 110, 220 кВ и выше. Система внутреннего (тягового) электроснабжения: 4 — тяговые преобразовательные подстанции; 5 — пи­тающие линии; 6 — отсасывающие линии; 7 — контактная сеть; 8 — линейные устройства секцио­нирования; 9 — рельсовая обратная сеть. Электрический подвижной состав (ЭПС); 10 — токоприем­ники; 11 — пуско-регулирующая аппаратура и преобразователи электрической энергии; 12 — тяговые электрические двигатели; 13 — механическая передача вращающего момента двигателей к колесным парам

Достоверный расчет системы электро­снабжения является сложной задачей. На­иболее точные результаты при проекти­ровании высокоскоростных линий полу­чают методом математического модели­рования (рис. 10.2).

В зависимости от рода тока в электротя­говой сети различают системы электричес­кой тяги постоянного и переменного тока. Электрические железные дороги класси­фицируют также в зависимости от уровня напряжения в контактной сети, от частоты и числа фаз переменного тока. На рис. 10.3 приведена общая классификация систем электрической тяги.

Система электрической тяги трехфазно­го тока применялась в Италии в начале XX столетия. Из-за сложности контактной се­ти и токоприемников такая система не по­лучила дальнейшего развития.

Применение электрической тяги одно­фазного тока началось с переменного то­ка пониженной частоты 16²/₃ Гц напря­жением 15 кВ на железных дорогах Герма­нии, Австрии, Швейцарии, Швеции. Систе­ма электрической тяги однофазного тока пониженной частоты позволила обеспе­чить прямое питание коллекторных тяго­вых двигателей однофазного тока пере­менным током без преобразования в пос­тоянный ток.

Современный электроподвижной состав оснащается бесколлекторным тяговым при­водом трехфазного тока с однофазно-трех­фазными преобразователями частоты с промежуточным контуром постоянного то-

Рис. 10.2. Алгоритм расчета электротягового комплекса методом математического моделирования

ка. Благодаря этому нет необходимости применения системы тягового электро­снабжения переменного тока пониженной частоты. Однако действующие электрифи­цированные линии не подлежат срочному переводу на другую систему тока вследст­вие значительных затрат на реконструк­цию системы тягового электроснабжения. Поэтому система электрической тяги одно­фазного тока пониженной частоты 16²/₃ Гц продолжает применяться на ряде современ­ных железных дорог мира.

В Советском Союзе, во Франции, Италии и других странах до шестидесятых годов XX столетия использовалась система элек­трической тяги постоянного тока, вначале пониженного напряжения, а затем напря­жением 3 кВ. В настоящее время в России электрифицировано на постоянном токе 3 кВ более 18 тыс. километров, в том числе

Рис. 10.3. Общая классификация систем электрической тяги

высокоскоростная магистраль Санкт-Пе­тербург— Москва. Масштабная электрифи­кация железных дорог на постоянном то­ке 3 кВ в России прекращена из-за главного недостатка этой системы, обусловленного относительно низким уровнем напряже­ния в электротяговой сети и высокими на­грузками контактной сети по току. Неко­торые участки постоянного тока напряже­нием 3 кВ на грузонапряженных линиях переводятся на переменный ток. Напри­мер, участки Зима — Иркутск — Слюдянка на Транссибирской магистрали, Лоухи — Мурманск Октябрьской железной дороги. Система электрической тяги постоянного тока, несмотря на отмеченные недостатки представляет перспективную систему при условии перевода ее на повышенное на­пряжение до 18—24 кВ.

Более широкое развитие в настоящее время находит система электрической тя­ги однофазного тока стандартной часто­ты 50(60)и стандартного напряжения 25 кВ. Главное преимущество системы од­нофазного тока 25 кВ, 50 (60) Гц заключа­ется в повышенном напряжении и, при той же мощности электропотребления, умень­шенных токовых нагрузках контактной се­ти. Это обусловливает снижение сечения проводов контактных сетей, возможность увеличения расстояния между тяговыми подстанциями, уменьшение потерь энер-

¹ Мировым стандартом генерации, передачи и преоб­разования электроэнергии является использование переменного трехфазного тока. В России и европейс­ких странах промышленная частота тока равна 50 Гц, в США и ряде других стран — 60 Гц. В Японии историчес­ки сложилось так, что на части территории: регион Токио и к северо-востоку от него, используется пере­менный ток частотой 50 Гц; к юго-западу от Токио — 60 Гц. Частота 16²/₃ Гц до сих пор используется в тя­говом электроснабжении некоторых европейских же­лезнодорожных сетей (Австрия, Германия, Норвегия, Швеция и Швейцария).

гии в устройствах электроснабжения. Та­кая система обеспечивает высокую про­пускную и провозную способности элект­рифицированных линий.

Высокоскоростные линии в мире преиму­щественно электрифицированы по систе­ме однофазного тока 25 кВ, 50(60) Гц. Для наиболее нагруженных линий применяет­ся система 2x25 кВ. Имеется опыт приме­нения однофазного тока напряжением 50 кВ (Южно-Африканская республика).

В Советском Союзе и в России электрифи­кация по системе однофазного тока начата в 1956 г. В настоящее время в России про­тяженность линий, электрифицированных по системе однофазного тока 25 кВ 50 Гц, составляет около 24 тыс. километров.

10.2. Режимы движения и особенности тяговых расчетов при определении нагрузок на устройства электроснабжения высоко­скоростных линий

Для упрощения рассмотрения условий движения поезда при тяговых расчетах массу поезда принимают сосредоточенной в центре его тяжести, а из всех возможных перемещений отдельных вагонов, их эле­ментов, экипажа и тяговых двигателей ло­комотива рассматривают только поступа­тельное движение поезда по железнодо­рожному пути и вращательное движение якорей тяговых двигателей, элементов ме­ханической передачи и колесных пар.

Выделяют три режима движения поезда: тяга, выбег и торможение. В режиме тяги электродвигатели преобразуют электри­ческую энергию в механическую и пере­дают ее на колесную пару, вращающий мо­мент М_к которой обеспечивает за счет сцеп­ления обода колес с рельсом касательную силу тяги F (рис. 10.4). Эта энергия расхо­дуется на преодоление работы сил сопро­тивления движению и на повышение ско­рости движения (увеличение кинетичес­кой энергии поезда, равной половине про­изведения массы поезда на квадрат скоро­сти движения), а при движении на подъ­ем — на повышение запаса потенциальной энергии, равной произведению силы дав­ления колесных пар на рельсы (произведе­ние массы поезда на ускорение силы тяже­сти 9,81 м/с²) на высоту подъема.

При выбеге тяговые двигатели отключа­ются от контактной сети, но движение по­езда продолжается за счет накопленной кинетической или потенциальной энер­гии. Эта энергия расходуется на преодо­ление сил сопротивления движению, пре­вращаясь в теплоту.

При торможении дополнительно к си­лам сопротивления движению прибавля­ется тормозная сила В. Движение проис­ходит за счет снижения запасенной в по­езде кинетической или (и) потенциальной энергии.

Уравнение движения поезда устанавли­вает зависимость скорости движения от сил, действующих на поезд. Все силы заме­няют результирующей силой: при положи­тельном ее значении — ускоряющей, а при отрицательном — замедляющей. Ускоряю­щая сила равна алгебраической сумме

F у

(Ю.1)

где F_K — суммарная касательная сила тяги от всех движущих осей поезда, Н; 1/И_к — резуль­тирующее сопротивление движению поезда, включающее основное сопротивление W_o и дополнительное №_д, Н; б_т — общая сила тор­можения, Н.

В соответствии со вторым закона Ньюто­на

F^—ma,                         (10.2)

где т — масса поезда, кг; а — ускорение по­ступательного движения, м/с².

Масса поезда при учете только поступа­тельного движения

m = (G + Q)/g,                (10.3)

где G, Q — сила тяжести соответственно локо­мотива и вагонов поезда, кН; д = 9,81 м/с².

Так как в действительности колесные па­ры вагонов и локомотива, якоря тяговых

Рис. 10.4. Схема образования силы тяги на ободе колеса электроподвижного состава: ОК — обод колес; МП — механическая передача; ТЭД — тяговый электродвигатель; ПРЛ — пуско-регулирующая аппаратура; ТПР — токоприемник; КС — контактная сеть; PC — рельсовая сеть; ТПП — тяговая преобразовательная подстанция; СВЭ — система внешнего электроснабжения

двигателей, зубчатые колеса и другие вра­щающиеся элементы экипажа при движе­нии совершают вращение с частотой, зави­сящей от скорости поезда, то действующая сила вызывает ускорение не только посту­пательного движения всего поезда, но и уг­лового ускорения вращающихся частей. В расчетах влияние этих частей учитыва­ют коэффициентом у. Величину 1 + у назы­вают коэффициентом инерции вращаю­щихся масс, а величину т(1 + у) — приве­денной массой.

С учетом влияния вращающихся масс уравнение движения поезда имеет следую­щий вид:

 

F = m(l+Y)a = ^^(l+y)a. С¹⁰-⁴) ^у 9

Ускорение поступательного движения по­езда определяется по выражению:

а =—-———— = / —,
G+(? (1 + Y)           ^yl + Y

где удельная ускоряющая сила

F

G + Q У

(10.5) (10.6) уравне-

В результате формула (10.1) и ние движения (10.4) в удобной для расчета форме представлены в виде:

f_y⁼k-^W_K~^eT' (¹⁰-⁷)

а = —— (f -w -в )            (10.8)

1 ₊ у^к кт⁷                                                v ■»

или

dt 1 + Y ^{к к}

F             W

Здесь обозначены: f =——; w =——; ^к g+q ^k g+q в =——, Н/кН; ^- = a, м/с².

^T G + Q           dt

Значения коэффициента инерции враща­ющих масс 1+у приводятся в справоч­ной литературе. Основные типы подвиж­ного состава российских железных дорог имеют коэффициенты 1 + у для электрово­зов 1,15—1,30; для моторвагонных секций или электропоездов 1,06—1,08; для пасса­жирских вагонов 1,04—1,05. Для высоко­скоростного поезда Velaro Rus («Сапсан») 1+7=1,06.

На рис. 10.5 в первом квадранте приведе­ны результаты анализа уравнения движе­ния поезда для удельных ускоряющих сил в различных режимах движения поезда: при пуске и разгоне а = const до скорости Р_пуск (прямая 1), при движении с увеличи­вающейся скоростью о*const до скорости установившегося равномерного движения Уу_СТ (кривая 2, точка А). В четвертом квад­ранте приведены зависимости замедляю­щих сил от скорости движения при выбеге без торможения (кривая 3) и при остановке поезда на выбеге с последующим торможе­нием (кривая 4).

Фазы движения поезда от пуска до пол­ной остановки в виде зависимости скоро­сти от времени нахождения в разных фа­зах движения, обусловленных значением ускоряющих и замедляющих сил показаны на рис. 10.6. Решение уравнения движения

 

Рис. 10.5. Зависимости удельных сил от скорости движения на прямолинейном горизонтальном пути (учитывается основное сопротивление движению Wq)

 

Рис. 10.6. Зависимости скорости дви­жения от времени при различных ре­жимах движения поезда (VriyCK и tnyCK; vycm “ tp tv vmop^ — соответст­венно скорость окончания пуска и время пуска, установившаяся скорость и время от окончания пуска до выхода на установившуюся скорость, время движения на выбеге, скорость начала торможения и время торможения)

 

 

Таблица 10.1

Основное сопротивление движению электровозов, электропоездов, пассажирских вагонов

Подвижной состав	Основное удельное сопротивление (Н/кН) для скорости, м/с (км/ч'										1
	2,78 (Ю)	8,3 (30)	13,9 (50)	22,2 (80)	27,8 (100)	33,3 (120)	38,9 (140)	55,6 (200)	69,4 (250)	83,3 (300)	97,2 (350)
Электровозы при движении под током	2,03	2,47	3,15	4,02	5,9	7,42	9,18	—	—	—	—
Электровозы при движении без тока	2,54	2,76	3,83	5,52	7,0	8,76	10,8	—	—	—	—
Электропоезда при движении под током	0,91	1,57	2,03	3,51	4,4	5,81	6,37	—	—	—	—
Электропоезда при движении без тока	1,32	1,91	2,68	4,17	5,4	6,43	8,41	—	—	—	—
Пассажирские цель­нометаллические вагоны на ролико­вых подшипниках	1,4	1,81	2,39	3,57	4,56	5,72	7,05	—	—	—	—
Скоростные электро­возы ЧС 200	2,03	2,47	3,15	4,02	5,9	7,42	9,18	15,9	—	—	—
Скоростные электро­поезда ЭР200	1,3	1,75	2,21	3,15	3,94	4,86	5,91	8,86	—	—	—
Высокоскоростной поезд «Сокол»	0,99	1,25	1,61	2,24	2,95	3,66	4,47	7,5	10,71	14,55	19,1

¹ В числителе в м/с, в знаменателе — км/ч.

 

 

поезда для конкретных участков профиля пути и расположения остановочных пунк­тов позволяет получить время хода поезда, пройденное расстояние и другие парамет­ры движения.

В табл. 10.1 приведены данные, характе­ризующие изменение основного сопротив­ления движению на горизонтальной пло­щадке для основных видов подвижного со­става. Из анализа этих данных следует, что основное сопротивление существенно за­висит от формы обтекаемых поверхностей и от скорости. При этом составляющая ос­новного сопротивления, зависящая от квад­рата скорости, достигает более половины общего значения сопротивления уже при скорости около 120 км/ч.

Для скоростей движения 160 км/ч и выше эмпирические зависимости основного со­противления движению имеют более слож­ную форму. При этом существенное значе­ние имеет аэродинамическое сопротивле­ние движению. Непосредственно перед ло­бовой поверхностью головной единицы поезда создается зона повышенного дав­ления. Воздух из этой зоны обтекает дви­жущийся поезд вдоль боковых поверхно­стей. Завихрения воздуха образуются в промежутках между вагонами, в подвагон­ном пространстве, за токоприемниками и другим крышевым оборудованием. За пос­ледним вагоном (локомотивом, в случае его нахождения в хвосте поезда) создает­ся зона пониженного давления и туда уст­ремляется воздух, образуя завихрения.

Расход энергии, затрачиваемой на пере­мещение поезда, удобно определять с ис­пользованием показателя удельного элек­тропотребления. Удельное электропотре­бление — это потребление энергии в ватт- часах на 1 тонну массы поезда и 1 километр пройденного пути.

10.3. Требования к устройствам электроснабжения высокоско­ростных линий

Для железных дорог со скоростью движе­ния до 160 км/ч характер электротяговой нагрузки подчиняется закону нормально­го (Гауссова) распределения. Выбор уст­ройств электротяговой сети осуществля­ется, исходя из максимальных значений токовых нагрузок в течение времени цик­ла графика движения поездов.

Высокоскоростные железные дороги и железные дороги с интенсивным движе­нием, повышенной пропускной способ­ностью, с небольшими интервалами (3— 15 мин) между поездами и потребляемой мощностью 10—18 МВт и более имеют иной характер электротяговой нагрузки. Для таких линий характерна импульсная нагрузка, как для проводов электротяго­вой сети, так и для преобразователей и коммутационных аппаратов тяговых под­станций, постов секционирования, других линейных устройств. При этом возраста­ют пиковые нагрузки на тяговые подстан­ции, увеличиваются потери напряжения и энергии в устройствах тягового элек­троснабжения, усложняются условия токо­съема и повышается нагревание проводов контактной сети.

Удельная мощность электропотребления высокоскоростных линий составляет 1 — 1,3 МВт/км, а для железнодорожных двух­путных линий с повышенной пропуск­ной способностью может достигать 1,7— 2,5 МВт/км. По нормам Международного союза железных дорог (МСЖД), разрабо­танным в 1996 г., для двухпутной высо­коскоростной линии с максимальной ско­ростью 300—350 км/ч предусматрива­ется максимальная удельная мощность потребления электроэнергии на тягу 3 МВт/км. Мощность устройств тягового электроснабжения рекомендуется прини­мать, исходя из указанной удельной мощ­ности электропотребления.

Потребная электротяговая мощность за­висит от многих факторов, основными из которых являются масса поезда, скорость 218

движения, основное сопротивление движе­нию, интервалы между поездами, частота троганий и разгонов, возможность рекупе­ративного торможения, план и профиль пу­ти, характеристики сети тягового электро­снабжения. Определение параметров элек­тротяговой сети является сложной задачей, решение которой с требуемой точностью достигается современным методом физико- математического моделирования процесса высокоскоростного движения поездов (см. рис. 10.2).

Скорость движения поезда непосредст­венно зависит от уровня напряжения у то­коприемников электроподвижного соста­ва. На российских железных дорогах для линий со скоростью движения до 160 км/ч в нормальном режиме правилами установ­лено наименьшее напряжение на токопри­емнике на любом участке не ниже 2,7 кВ для системы постоянного тока и 21 кВ при переменном токе. Снижение напряжения от номинальных значений соответствен­но 3,0 кВ и 25 кВ до минимально допусти­мых уровней приводит к потере мощнос­ти электроподвижного состава на 15% и к уменьшению средней технической ско­рости на 7—8 %. Для обеспечения требуе­мого качества электрического питания при переводе электрифицированных линий на скоростное движение осуществляется уси­ление устройств тягового электроснабже­ния, в результате которого наименьшее на­пряжение в нормальном режиме при ско­рости движения свыше 160 км/ч должно быть не ниже 2,9 кВ на постоянном токе и 24 кВ на переменном токе.

10.4. Способы усиления системы тягового электроснабжения

Основными способами усиления тягово­го электроснабжения являются (рис. 10.7);

— повышение уровня напряжения в электротяговой сети путем перевода элек­трифицированной линии на систему элек­трической тяги однофазного тока напря­жением 25 кВ;

 

СИСТЕМА

СХЕМА

Рельс

Рельс

Коаксиальный силовой кабель

•Рельс

Внутренний ^проводник Контактный провод

Питающий провод Обратный провод

Контактный провод

Централизованное питание (ЦП)

С отсасывающими трансформаторами (ОТ)

Рис. 10.7. Технические решения по усилению системы тягового электроснабжения

Контактный провод

Распределенное питание

С автотрансформа- торами

С коаксиальным кабелем

Наружный проводник

— в перспективе, повышением уровня напряжения в контактной сети постоян­ного тока до 18—24 кВ и созданием элек- троподвижного состава постоянного тока высокого напряжения;

— применение системы распределенного питания электротяговой сети с продольны­ми линиями высокого напряжения на пе­ременном токе — система 2 х 25 кВ с авто­трансформаторными пунктами;

— применение коаксиального кабеля;

— система с линейными преобразова­тельными пунктами питания контактной сети от продольной высоковольтной ли­нии электропередачи.

При усилении тягового электроснабже­ния также используется:

— автоматическое поддержание напря­жения у токоприемников за счет регулиро­вания напряжения на шинах тяговых под­станций;

— монтаж усиливающих проводов кон­тактной подвески и увеличение сечения контактных проводов;

— применение схем питания контактной сети с постом секционирования и пункта­ми параллельного соединения контактных подвесок обоих путей;

— сооружение на межподстанционных зо­нах дополнительных тяговых подстанций или пунктов питания;

— увеличение мощности тяговых под­станций и уменьшение длины межподстан­ционных зон;

— усиление внешнего электроснабжения и ограничение отклонений уровня напря­жения на вводах тяговых подстанций.

Эффект от применения отдельных меро­приятий различен и, как правило, является недостаточным. Усиление тягового элек­троснабжения конкретной линии для до­стижения требуемых показателей качества электроснабжения высокоскоростных по­ездов выполняется при комплексном при­менении мер. Наряду с техническими ме­роприятиями, снижение потерь напряже­ния в тяговой сети может быть достигнуто за счет рациональной организации движе­ния. Например, введением пакетного гра­фика движения скоростных поездов с ин­тервалами между ними, равными времени хода по наиболее длинному участку между тяговыми подстанциями, что обеспечивает нахождение на каждой межподстанцион- ной зоне только одного поезда.

Электрифицированные ВСМ Японии, Франции, Испании, Италии и других стран построены с применением новых техно­логий электроснабжения высокоскорост­ных поездов, обеспечивающих выполнение указанных выше требований.

В Японии система электроснабжения вы­сокоскоростных линий Синкансэн включа­ет внешнее электроснабжение от государ­ственных электросетей и тяговое электро­снабжение. Потребление электроэнергии поездами ВСМ значительно выше по срав­нению с обычным электроподвижным со­ставом. Так, при движении высокоскоро­стного поезда серии 300 удельный расход электроэнергии составляет 42 Вт-ч/т-км против 28 Вт-ч/т-км для скоростных поез­дов на обычных линиях.

Электроэнергия от электростанций пе­редается по трехфазным высоковольтным линиям электропередачи напряжением 77, 154, 220 и 275 кВ. На тяговых подстанци­ях устанавливаются главные трансформа­торы. Напряжение понижается до 25 кВ и через выключатели по питающим линиям подается в контактную сеть.

Так как токи поездов представляют боль­шую однофазную нагрузку, то непосред­ственное их подключение к трехфазной сети внешнего электроснабжения созда­ет значительную асимметрию токов по фа­зам, неблагоприятную для нормальной ее работы, и вызывает дополнительные поте­ри электроэнергии. Для устранения асим­метрии на тяговых подстанциях приходит­ся применять специальные трансформато­ры, которые преобразуют трехфазный ток в двухфазный (каждая фаза предназначена для своего тягового плеча). Используются трансформаторы по схеме Скотта и по мо­дифицированной схеме Вудбриджа.

В схеме Скотта имеются два однофазных трансформатора Т_£ и Т_т [рис. 10.8, а) с на­пряжением вторичных обмоток 25 кВ.

В схеме Вудбриджа, разработанной для уп­рощения изоляции трансформатора, пер­вичные обмотки трех однофазных транс­форматоров соединяются по схеме «звез­да» с заземленной нулевой точкой [рис. 10.8, б). Вторичные обмотки соединяют­ся по схеме «треугольник», образуя две це­пи питания. При упрощенной конструкции трансформатора и равенстве числа вит-

Рис. 10.8. Схема тягового электроснабжения ВСМ Японии: а — по схеме Скотта; б — по модифициро­ванной схеме Вудбриджа

ков всех вторичных обмоток напряжение в выходной цепи ВВ' равно 1/7з напря­жения другой цепи АД'. Посредством авто­трансформатора ATI напряжение повыша­ется до уровня напряжения между точка­ми АА'. Обе цепи смещены по фазе на 90 эл. град., поэтому в местах сопряжений секций контактной сети предусматриваются ней­тральные вставки, которые поезда обычно проходят с выключенными тяговыми дви­гателями (по инерции).

На японских линиях Синкансен не допус­кается перерыва в электроснабжении, для чего предусматриваются устройства авто­матического переключения, срабатываю­щие при переходе поезда с одной секции контактной сети на другую. Такие пункты секционирования (ПС) имеют переключа­тели 1 и 2, которые подключают нейтраль­ную вставку к левой, а затем к правой сек­ции контактной сети по мере прохода токо­приемника поезда соответствующих изо­лирующих сопряжений.

Для снижения влияния на смежные ли­нии связи путем уменьшения обратного тока, замыкающегося как по рельсовой се­ти, так и по земле, применяются отсасыва­ющие трансформаторы (ОТ) с коэффици­ентом трансформации 1:1 (см. рис. 10.8, а) и обратный провод (ОП). При такой схеме обеспечивается возврат блуждающих то­ков утечки в отсасывающую линию. Под­ключение ОТ мощностью 240 кВА к сосед­ним секциям контактной подвески, разде­ленным воздушными промежутками, осу­ществляется через 3 км. При больших тяговых токах во время прохода токопри­емника возникает сильный дуговой раз­ряд и появляется угроза пережога кон­тактного провода, что вызвало необходи­мость усложнения контактной сети за счет включения резисторов для снижения ин­тенсивности разрядов.

На новых ВСМ Японии применяется рас­пределенная схема питания 2x25 кВ с автотрансформаторами АТ2 мощностью 10 MB-А (см. рис. 10.8, б), устанавливаемы­ми через 10 км. При этом передача энергии к поездам обеспечивается по контактным (КП) и питающим (ПП) проводам на повы­
шенном напряжении 50 кВ, что ограничи­вает токи утечки, снижает потери напря­жения, позволяет увеличить расстояние между тяговыми подстанциями до 50 км, в то время как при обычной схеме на линии Синкансен оно составляет 20 км. Мощность главных трансформаторов подстанций в системе с отсасывающими трансформато­рами достигает 2x30 MB-А, а в системе с ав­тотрансформаторами 2х(100—150) МВ-А.

Новым направлением усиления тягового электроснабжения ВСМ в Японии является применение высоковольтного коаксиально­го кабеля (рис. 10.9). Внутренний провод­ник кабеля электрически соединяется с контактным проводом и увеличивает се­чение провода контактной подвески, а на­ружный проводник соединяется с рельсо­вой обратной сетью и обеспечивает ответ­вление обратного тока в этот проводник.

Внутренний проводник

О О

Ходовые рельсы

Тяговая подстанция

Контактный провод

Внешний проводник

Электровоз или электропоезд^

Коаксиальный питающий кабель

Обратный провод

63,90,225 или 400 кВ 50 или 60 Гц|

Рис. 10.9. Схема электроснабжения высокоскоростных магистралей в Японии с использованием высоковольтного коаксиального кабеля

v I

Ходовые рельсы

Питающий провод

Контактный провод

Электровоз | или электро- | поезд

Обратный провод

Рис. 10.10. Схема тягового электроснабжения на ВСМ Франции: ТП — тяговая подстанция; АТП — автотрансформаторный пункт

Во Франции применяется распределенная система питания однофазным переменным током напряжением 2x25 кВ, 50 Гц с про­дольной питающей линией и автотранс­форматорными пунктами. Это обеспечива­ет увеличение расстояния между подстан­циями до 100 км, снижает вредное влияние тяговой сети на смежные сооружения и те­лефонную связь. Такая система была при­менена в 1981 г. на первой Юго-Восточной ВСМ. На Атлантической высокоскоростной линии система электроснабжения 2x25 кВ с однофазными трансформаторами на тя­говых подстанциях и с автотрансформа­торами на линии (рис. 10.10) обеспечива­ет движение поездов с отбором высокой мощности: 8800 кВт на одну секцию поез­да TGVA и с удвоением ее при движении по системе многих единиц (т.е. 2x8800 кВт) при плотности движения в пиковые перио­ды с интервалами 4 мин. Тяговые подстан­ции питаются по двум линиям электропе­редачи напряжением до 400 кВ от энерго­системы и сооружаются в соответствии с концепцией централизованного питания. На подстанциях предусмотрено резерви­рование трансформаторной мощности на 100 %, т.е. устанавливаются два трансфор­матора: рабочий и резервный.

Каждая трансформаторная ячейка содер­жит однофазный трансформатор с естест­венным масляным охлаждением и единич­ной мощностью 60 MB-А с реактивным со­противлением, ограничивающим на сторо­не напряжения 50 кВ ток короткого замыка­ния до 12 кА.

Посты секционирования и пункты парал­лельного питания оборудуются двумя авто­трансформаторами 50/25 кВ мощностью по 10 MB A каждый с меньшим напряжени­ем короткого замыкания по сравнению с трансформатором тяговой подстанции для снижения падения напряжения на линии. На постах секционирования предусматри­вается устройство нейтральной вставки в контактной сети, так как напряжение тяго­вого тока в примыкающих участках не сов­падает по фазе.

Каждый автоматический выключатель имеет микропроцессорную фазочувстви­тельную защиту с порогом срабатывания по току, реагирующую на все виды замы­каний в системе контактная сеть—рельс и питающие линии—контактная сеть.

Выключатели работают по принципу га­шения дуги в элегазе (SF₆), имеют номи­нальный ток 1250 А и отключающую спо­собность 15 000 А.

Железные дороги Германии, в том числе и высокоскоростные линии, в свое время были электрифицированы по системе од­нофазного переменного тока пониженной частоты 16²/3 Гц. Такая частота электри­ческой тяги получалась делением на три промышленной частоты 50 Гц с помощью электромашинных, а в настоящее время — полупроводниковых преобразователей. Она обеспечивала применение на электропод- вижном составе коллекторных электродви­гателей однофазного тока при прямом пи­тании от контактной сети переменного то­ка без выпрямления. Такие двигатели удов­летворительно работают при частоте пе­ременного тока до 20 Гц. На скоростных и специализированных высокоскоростных ли­ниях Германии, а также Швеции и Авст­рии, традиционная для этих стран систе­ма электроснабжения однофазного тока напряжением 15 кВ пониженной частоты 16²/₃Гц сохранена до настоящего време­ни, хотя при использовании современного электроподвижного состава с асинхронны­ми двигателями и преобразователями час­тоты эта система не имеет преимуществ в сравнении с использованием в электротя­говой сети переменного тока промышлен­ной частоты. Более того, система 16²/₃ Гц усложняет систему электроснабжения же­лезных дорог необходимостью примене­ния дополнительных преобразователей. Германские высокоскоростные поезда ICE оборудованы тяговыми электроприводами с трехфазными асинхронными двигателя­ми и полупроводниковыми преобразовате­лями плавно регулируемой частоты. Име­ются модификации поездов для любой сис­темы тока в контактной сети, а также мно­госистемные поезда, способные работать с тяговой сетью постоянного тока 1,5 или 3 кВ и переменного тока 50 Гц или 16²/₃ Гц.

Для железнодорожной магистрали Санкт- Петербург— Москва в России при перево­де ее на высокоскоростное движение были рассмотрены несколько вариантов усиле­ния тягового электроснабжения: перевод с постоянного тока 3 кВ на однофазный пе­ременный ток 25 кВ, 50 Гц, 2x25 кВ, 35 кВ + +25 кВ, на постоянный ток высокого на­пряжения (до 24 кВ) и другие системы. В силу сложившихся экономических условий в начале двухтысячных годов был принят вариант усиления существующей системы электроснабжения постоянного тока 3 кВ. Для усиления тягового электроснабжения построены дополнительные тяговые под­станции, на которых смонтированы более мощные преобразовательные агрегаты по 12-пульсовой схеме выпрямления, реконст­руирована контактная сеть на основе сов­ременной отечественной сети КС200 с уве­личенным сечением проводов контактной подвески, на ряде тяговых подстанций ус­тановлены вольтодобавочные установки, обеспечивающие стабилизацию напряже­ния на шинах тяговых подстанций.

10.5. Критерии выбора параметров сети тягового электроснабжения

На скоростных и высокоскоростных же­лезных дорогах, как и на обычных, основ­ными параметрами тягового электроснаб­жения являются: род тока, мощность ис­точников питания, расстояние между тяго­выми подстанциями (L_Tn), установленная мощность тяговой подстанции (S_T11), тип и сечение проводов контактной подвески, схема питания и секционирования тяговой сети.

Правильный выбор параметров уст­ройств тягового электроснабжения обес­печивает основные условия надежной и безопасной эксплуатации железной до­роги, особенно при повышенных скоро­стях. Результаты исследований и обобще­ние опыта строительства и эксплуатации высокоскоростных линий позволили ус­тановить основные критерии выбора уст­ройств тягового электроснабжения:

— уровень напряжения у токоприемника при любых условиях эксплуатации;

— нагрузочная способность по току кон­тактной подвески;

— напряженность электромагнитного по­ля в зоне пути;

— допустимые значения напряжения сис­темы «рельс—земля»;

— мощность питающей энергосистемы.

В условиях скоростных и высокоскоро­стных линий уровень напряжения у токо­приемников всех поездов, находящихся на участке между двумя соседними подстанци­ями, не должен быть ниже определенного значения, устанавливаемого соответствую­щими нормативными документами.

Так, на железных дорогах Германии для двухпутных участков, оборудованных кон­тактной сетью типа Re330 с параллельным соединением подвесок и двухсторонним питанием при системе переменного тока 15 кВ, 16²/₃ Гц, минимальное значение на­пряжения принято равным 14,2 кВ. При системе тока 25 кВ, 50 Гц и одностороннем питании установлено минимальное напря­жение 22,5 кВ.

При проходе высокоскоростного поезда по участку между тяговыми подстанциями напряжение у токоприемника непрерыв­но изменяется. Важно установить, как дол­го сохраняется минимальное напряжение, за какой промежуток времени определя­ется среднее значение напряжения, прини­маемое за соответствующий базовый па­раметр при расчете каждого значения. Ос­новной принцип проверки правильности выбора параметров тягового электроснаб­жения по критерию напряжения у токо­приемника высокоскоростного поезда мо­жет быть сформулирован на основе оценки полученных значений скорости и тягового усилия, реализуемых поездом при данном напряжении; это позволит достигнуть не­обходимых режимов, как по уровню токо­вой нагрузки питающей сети, так и по точ­ности выполнения графика движения по­ездов.

Тепловая и механическая нагрузки токо­ведущих частей тягового электроснабже­ния достигают экстремальных (предель­ных) значений при коротких замыкани­ях (к.з.) в электротяговых сетях. Короткие замыкания возникают в результате ста­рения изоляции, механических поврежде­ний, коммутационных и атмосферных пе­ренапряжений, загрязнения изоляторов. Токи коротких замыканий индуцируют на­пряжения прикосновения в параллельно проходящих линиях, опасные для жизни. Для правильного выбора электротяговых устройств, в том числе силовых выключа­
телей, токовых защит, необходимо знать предельные значения токов короткого за­мыкания.

Значения установившихся токов корот­кого замыкания при системе постоянного тока достигают 25 кА и более, при системе переменного тока 25 кВ, 50 Гц — превыша­ют 12 кА. Длительность действия токов ко­роткого замыкания t_K3 определяется вре­менем срабатывания электронных защит С₃ и временем срабатывания силового вы­ключателя t_B, т.е. t_{K 3} = t₃ ⁺ и составляет 10—25 мс на постоянном токе, 20—45 мс на переменном токе с вакуумными выклю­чателями и 45—75 мс — на переменном то­ке с масляными выключателями.

Частота отключений фидерных линий по причине коротких замыканий в электротя­говой сети по данным эксплуатации высо­коскоростных железных дорог Германии составляет примерно одно отключение в год в расчете на 1 км двухпутного участка. Главными причинами аварийных отключе­ний являются: воздействия посторонних тел (части вагонов, птицы и животные); повреждения на самом электроподвижном составе, неисправности токоприемников; метеорологические факторы (грозы, поры­вы ветра, бури, гололед); неисправности контактной сети (износ, дефекты материа­лов и деталей).

Предельно допустимая токовая нагруз­ка контактных проводов оценивается тер­мостойкостью или предельно допустимой термической нагрузкой. Наиболее влия­ющим на нагрузочную способность по то­ку является фактор а — коэффициент теп­лопередачи, содержащий компоненты кон­векции а_с и излучения а_т, т.е. а = а_с + а_г Эти компоненты зависят от чистоты по­верхности и многих других факторов, рас­сматриваются раздельно и определяются по специальной методике. В расчетах ис­пользуются критерий Нуссельта, число Рей­нольдса, число Грасгофа, число Прандтля.

Постоянная времени г находится в диапа­зоне от 4 до 8,5 мин. Это позволяет утверж­дать, что при пакетном графике движения скоростных поездов с интервалом от 6 до 15 мин нагрузочная способность контакт­ной подвески по току должна быть обеспе­чена согласованным выбором сечения про­водов и времени действия токовых защит на основе анализа переходных тепловых процессов.

Важной динамической характеристикой контактного провода является зависимость тока плавления в контакте у токоприемни­ка во время стоянки локомотива от време­ни протекания тока (рис. 10.11).

Рис. 10.11. Экспериментальные данные тока плавления контактного провода RilOO в зоне контактной вставки токоприемника при не­подвижном электровозе

 

При сравнении токовой нагрузки контакт­ной подвески и термической нагрузоч­ной способности по току в идеальном слу­чае должно выполняться условие, вытека­ющее из принципа превышения длитель­ной нагрузочной способности над мак­симальной токовой нагрузкой /_тах. При этом допустимая предельная температу­ра в эксплуатации контактной сети не до­стигается, и указанный принцип при про­ектировании не приводит к выбору более экономичного решения. Для высокоскоро­стных линий принцип сравнения сформу­лирован как достижение минимума разно­сти токов, учитывающих перегрузочную способность конкретной контактной под­вески в кратковременных режимах:

/_(t*)-7,         (t*)->min,     (10.10)

^J эф.тах'- ^J

Наименование параметра Система тока 25 кВ, 50 Гц 15 кВ, 162/3 Гц с обратным проводом без обратного провода с обратным проводом без обратного провода Максимальный ток, кА 1,7 2,8 Напряженность, А/м:         в 5 м от оси пути 38 50 63 84 в 10 м от оси пути 13 21 21 35 Потенциал рельса, В:         с обратным проводом 72 120 без обратного провода 113 188

Таблица 10.2 Напряженность магнитного поля и потенциал рельса в зоне электрифицированных высокоскоростных линий

где / (е*) — перегрузочная способность по то­ку для конкретной контактной подвески при заданном временном окне t*^[LV]; А,ф_тах(^Е*) — максимальный эффективный ток, определяе­мый для конкретных тяговых нагрузок.

Рассмотрим далее напряженность элек­тромагнитного поля в зоне электрифициро­ванной железнодорожной линии, уровень которой прямо пропорционален значению протекающего тягового тока. В контактной сети высокоскоростной линии при системе тока 25 кВ, 50 Гц в минутном режиме воз­можны токи нагрузки до 1,7 кА, на линиях 15 кВ, 16²/₃ Гц (при двухстороннем пита­нии) токи достигают 2,8 кА, а при системе постоянного тока напряжением 3,0 кВ — превышают 7 кА. В табл. 10.2 приведены данные оценки напряженности магнит­ного поля, измеренной на высоте 1 м над уровнем головки рельса для высокоскоро­стных электрифицированных линий Ев­ропы.

На основе проведенных экспериментов установлено, что напряженность магнит­ного поля не превышает предельных зна­чений (80 А/м и 239 А/м соответственно для систем 25 кВ, 50 Гц и 15 кВ, 16²/₃ Гц), но оказывает мешающее воздействие на электронные и электротехнические уст­ройства, находящиеся вблизи электрифи­цированных линий. Наибольший практи­ческий интерес представляет учет мешаю­щих и опасных влияний, вызываемых кон­тактными сетями переменного тока 25 кВ, 50 Гц, в которых вследствие функциониро­вания преобразовательного электрообору­дования электроподвижного состава гене­рируются токи низких частот (от 50 Гц до 9 кГц).

10.6. Динамика высокоскорост­ной контактной сети

Особенности контактной сети скорост­ных и высокоскоростных линий определя­ются конструктивными параметрами кон­тактных подвесок, зависящих от многих факторов. Основными из них являются до­пустимая нагрузка по току и максимальная скорость движения по условию обеспече­ния надежного токосъема. Различают кон­тактные подвески постоянного и перемен­ного тока, а также подвески для обычных (до 160 км/ч), скоростных (до 200 км/ч) и высокоскоростных (более 200 км/ч) элек­трифицированных линий. На рис. 10.12 при­ведены схемы контактных подвесок ско-

Рис. 10.12. Схема контактной подвески на скоростных и высокоскоростных дорогах: а — подвеска типов Re250 (Германия); б — Re330 (Германия); в — SNCF (Франция); г — КС-200 (Россия); д — ВСМ (проект, Россия)

 

где L — длина пролета, мм; К, Т — натяжение контактных проводов и несущего троса, Н; к — коэффициент, равный 3,5—4.

Рис. 10.13. Расчетная эластичность контактной подвески: а — схема подвески; б — результаты ма­тематического моделирования подвески

ростных и высокоскоростных железно­дорожных линий: а и б — подвески типа Re250 и Re300 (Германия), род тока пере­менный 15 кВ, 16²/₃Гц, конструкционная скорость движения поездов, соответствен­но, 250 и 330 км/ч; в — подвеска типа SNCF (Франция), род тока переменный 25 кВ, 50 Гц, конструкционная скорость движе­ния 300 км/ч; г — подвеска типа КС200 (Россия, скоростная линия); род тока пос­тоянный, 3 кВ; конструкционная скорость движения до 250 км/ч; д — ВСМ (про­ект, Россия); род тока переменный 25 кВ, 50 Гц; конструкционная скорость движе­ния 350 км/ч.

Рассматриваемые контактные подвес­ки — цепные одинарные компенсирован­ные. Контактные провода выполняются из электролитической или легированной меди, несущий трос — из меди или брон­зы. Подвески могут быть как с рессорным тросом, так и без него. Натяжение несуще­го троса Т и контактных проводов К при­нимаются большими, чем при традицион­ных контактных подвесках; сечение кон­тактного провода увеличивается до 120— 150 мм²; длина пролета между опорами уменьшается до 63—65 м.

Контактные подвески делятся на анкер­ные участки длиной 1200 м. Сопряжения контактных подвесок соседних анкерных участков выполняются, как правило, четы­рех- и пятипролетными.

Анализ взаимодействия токоприемников подвижного состава и контактных подве­сок, выполненный отечественными и за­рубежными учеными, позволяет выделить ряд критериев, с помощью которых мож­но оценить влияние отдельных конструк­тивных параметров на эффективность пе­редачи электроэнергии на подвижной со­став при различных скоростях движения. Для того чтобы обеспечить хорошее качес­тво контакта, необходимо ограничить от­жатие контактной подвески, особенно в опорных точках. При низких и средних ско­ростях, примерно до 50 % от скорости рас­пространения волны в контактном прово­де, его отжатие пропорционально эластич­ности контактной подвески и отжимающей силе токоприемника. Повышение скорости и необходимость обеспечения качества кон­такта определяют требование ограничения отжатия и, как следствие, — уменьшения эластичности (рис. 10.13).

В середине пролета эластичность опреде­ляется по формуле:

L
п =          '

к(К + Т)

Скорость V, км/ч Эластичность г), мм/И Неравномерность и, % до 100 1,2 50 до 160 1,2 30 до 200 1.1 20 до 250 0,6 10 выше 250 0,4 8

Таблица 10.3

Эластичность контактных подвесок

Для контактной подвески типа КС200 (Т = 16 000 Н; К= 12 000 Н; к = 4,0; L = 65 м] г| = 0,406 мм/Н, что хорошо согласуется с результатом математического моделиро­вания.

В одинарных цепных контактных подвес­ках у опорных точек эластичность умень­шается. Для подвесок без рессорного троса она составляет 30—50 % от его значения в середине пролета. Применением рессор­ного троса обеспечивается выравнивание эластичности. Ее равномерность в пролете тем важнее, чем выше максимальная ско­рость движения. Неравномерность элас­тичности оценивается соотношением

u = 100(r|  —т] . )/(г|   +г| . ),%, (10.121

где n ,ri .            — соответственно максималь-

'max 'min

ная и минимальная эластичность в пролете.

Для скорости до 250 км/ч величина и ограничена значением 10 %. Например, для железных дорог Германии эластич­ность и ее неравномерность оцениваются данными, приведенными в табл. 10.3.

В отечественной практике часто исполь­зуется обратная величина эластичности — жесткость контактной подвески С =1/т|. Для оценки жесткости и эластичности по длине пролета используются также коэф­фициенты непостоянства жесткости {К_с- =С /С 1 и эластичности (К =т) /т| 1.

КО' КС                                                     эл 'с' 'о'

Здесь обозначены индексами «о» величи­ны у опорных точек, индексом «с» — в се­редине пролета.

Повышение скорости движения сопрово­ждается возрастанием динамического от­жатия контактного провода по сравнению с расчетным статическим. Для оценки эф­фекта отжатия при взаимодействии под­вески и токоприемника вводятся динами­ческие показатели, определяющие грани­цы реализуемости повышенной скорости при надежном и качественном токосъеме. Они зависят от конструктивного выполне­ния контактной сети и являются критери­ями оценки скоростных свойств. К основ­ным динамическим критериям относятся скорость распространения волны вдоль кон­тактного провода с_р, коэффициент отраже­ния волны г и коэффициент усиления у.

На рис. 10.14 схематично представлены фрагменты отражения и проникновения ВОЛНЫ, ВОЗбуЖДеННОЙ ПРЯМОУГОЛЬНЫМ ИМ -

fl

 

 

Рис. 10.14. Распространение волны в зоне струнного зажима цепной контактной под­вески: а — состояние в момент набегания падающей слева волны; б — состояние после прохождения падающей волны

пульсом силы от токоприемника в точ­ке струнового зажима цепной контактной подвески. Отношение амплитуд отражен­ной и падающей волн г = Н_п/Н₀ представ­ляет коэффициент отражения. Для цеп­ной подвески падающая волна вызывает реакцию струны и ее перемещение h_c(t). В данной точке от предварительно уравно­вешенного несущего троса массой т_г и от контактного провода массой т_к, а также от сосредоточенной массы зажима М, возни­кают силы, которые связаны уравнением равновесия:

2(т с +т с Vi + Mh = 2m с h_n, (10.13) ^ктт к к⁷       к к 0 ^{k J}

Коэффициент отражения, найденный в результате решения уравнения равнове­сия для цепной подвески, равен:

(10.14)

Если I — расстояние между струнами контактной подвески, то продольное уси­лие одной струны равно m_Kgl, где $ — ус­корение силы тяжести. Условие изгиба струны 2m_Kc_Kh₍₎>m_Kgl/r вносит корректи­ровку в значение коэффициента отраже­ния в сторону его уменьшения.

Коэффициент отражения характеризует динамические свойства контактной под­вески. Для КС200 (М120 + 2МФ120) при на­тяжениях Т = 18 кН и К = 2x12 кН при шах­матном расположении струн коэффициент отражения г = 0,55. Для сравнения: подвес­ка Re250 (Bz70+CuAgRil20, Т = 15 кН, К = = 15 кН) характеризуется коэффициентом г = 0,425. Коэффициент отражения тем ни­же, чем меньше натяжение и масса несуще­го троса по сравнению с натяжением и мас­сой контактного провода (проводов). Этот коэффициент зависит от механической свя­зи двух контактных проводов подвески в точке сосредоточенной массы.

При отражении волн от уравновешенных пассивных масс увеличения амплитуды ко­лебаний не происходит. При движущемся токоприемнике, к которому возвращаются отраженные волны от струн, фиксаторов и т.д., может наблюдаться усиление амплиту­ды колебаний. Скорость встречного движе­ния токоприемника и отраженной волны составляет v + c_K. Из-за инерции токопри­емника возникает скачкообразное повы­шение контактного нажатия:

Др' = 2m с h = 2т с h' (с + v) =

1 к к 1 к к р¹ к ^J

^{= 2m} ,^cA^r^’                           (1015)

К

где // — крутизна отраженной волны; — скорость отжатия.

В этом выражении отношение

с H-v

а = —---------------------- (10.16)

С -V

к

представляет коэффициент Доплера, а от­ношение

(10.17)

определяющее степень изменения силы нажатия токоприемника, называется коэф­фициентом усиления.

До скорости v_tt, соответствующей у = 1, не будет происходить усиления амплиту­ды силы нажатия. Выражение для опреде­ления граничной скорости имеет вид

г-1

V = с .
а к _{г + 1}

(10.18)

Эта скорость и отражает влияние конст­руктивных свойств контактной подвески на равномерность нажатия токоприемни­ка, а следовательно, определяет равномер­ность износа контактного провода и ка­чество токосъема. Граничная скорость не должна превышать скорость распростра­нения волны v_a <с_к.

Для достижения устойчивого токосъема и высокого качества скользящего контакта при повышении скорости движения поез­дов необходимо применять при проектиро­вании принцип рационального сочетания конструктивных параметров контактных подвесок и токоприемников. Главным пара­метром, зависящим от скорости движения, является натяжение контактных проводов
и несущего троса. На рис. 10.15 приведена зависимость натяжения контактных про­водов от максимальной реализованной скорости с устойчивым токосъемом. Увели­чение натяжения сопровождается возрас­танием механического напряжения метал­ла проводов. При v_max=200 км/ч механи­ческое напряжение составляет 100 Н/мм², при v_max=350 км/ч — 133 Н/мм², а при v_max = 506 км/ч достигает 220 Н/мм². Для получения необходимой прочности кон­тактных проводов следует не только уве­личивать их сечение, но и применять ма­териалы повышенной прочности. Сечение проводов в большинстве скоростных кон­тактных подвесок доведено до 150 мм². Для изготовления контактного провода используется высокопрочная медь, леги­рованная серебром, магнием и другими ме­таллами.

Важными конструктивными параметра­ми являются также длина пролета между опорами, конструктивная высота контакт­ной подвески, стрела провеса контактного провода в середине пролета, точность ре­гулировки контактных проводов.

Увеличение сечения проводов более 150 мм² из-за жесткости при монтаже при­водит к остаточным неровностям, что в эксплуатации может вызвать повышен-

Рис. 10.15. Зависимость натяжения контакт­ных проводов от максимальной скорости движения при использовании различных ма­териалов для контактной подвески: □ — М120+2МФ120(КС200); + — CuRil50+Bz65 (Франция); х — CuCdRil50+Bzll70 (Франция); О — CuMgRil20+Bz!ll20 (Re330) (Германия); о — CuAgRil20+BzI170 (Re250) (Германия)

ный местный износ. С целью ограничения эластичности подвески, которая при пос­тоянном механическом напряжении обрат­но пропорциональна сечению проводов, их сечение желательно увеличивать. Од­нако необходимо учитывать, что при этом возрастут затраты. При увеличении ско­рости движения поездов необходимо, пре­жде всего, проверить механическое напря­жение в проводах контактной подвески. За счет увеличения напряженности матери­ала контактных проводов можно ограни­чить эластичность, повысить скорость рас­пространения волны, снизить коэффици­ент отражения.

В последнее десятилетие в Японии при устройстве контактной сети на высокоско­ростных железных дорогах, с целью уве­личения величины натяжения контактно­го провода до величины 19 кН и более от­мечается использование биметаллических стале-медных контактных проводов (рис. 10.16, 10.17) сечением 110 мм² с повышен­ной прочностью на растяжение. При этом применяется упрощенная схема контакт­ной подвески, обеспечивающая, тем не ме­нее, по результатам проведенных испыта­ний высокое качество токосъема при ско­рости до 504 км/ч.

Снижению эластичности контактной под­вески способствует также ограничение дли­ны пролета. Опыт эксплуатации отечест­венных и зарубежных скоростных линий показывает, что переход от длины проле­та 80 м к 65 м, принятой за стандартную, дает снижение эластичности на 20 %. Как показал опыт Германии, увеличение сече­ния проводов и повышение механического напряжения при переходе от обычной кон­тактной сети Rel60 к скоростной Re250 снижает эластичность в два раза.

Конструктивная высота цепной контакт­ной подвески оказывает влияние на качес­тво токосъема. Уменьшение данного пара­метра приводит к увеличению стандарт­ного отклонения контактного нажатия. Из опыта применения контактных подвесок для скоростных железных дорог следует, что самая короткая струна в пролете долж­на быть не менее 0,8 м. Применение рес-

Контактный провод марки Cs сечением 110 мм

Рис. 10.16. Поперечный разрез стале-медного биметаллического контактного провода марки CS с пло­щадью сечения 110 мм2 японских высокоскоростных железных дорог и схематическое изображение контактной подвески

Рис. 10.17. Участок контактной подвески с биметаллическим контактным проводом на японской высокоскоростной железной дороге. Япония. 2005 г.

сорного троса в опорном узле способству­ет повышению эластичности в данной зо­не пролета. Выравнивание жесткости поз­воляет снизить стрелу провеса в середине пролета до 55 мм.

Повышение скорости движения поездов на электрифицированных линиях желез­ных дорог сопровождается применением новых технологий в тяговом электроснаб­жении. При сооружении или реконструк­ции контактной сети необходимо учиты­вать обеспечение безопасности, высоко­го качества токосъема, снижения затрат на обслуживание и ремонт. Проекты но­вой контактной сети для участков со ско­ростным и высокоскоростным движением должны создаваться с оценкой выбранных конструктивных решений по рассмотрен­ным выше определяющим статическим и динамическим критериям, положенным в основу новых технологий.

10.7. Питание тяговых подстанций и секционирование электротяговой сети

Электрифицированные железные дороги являются потребителями первой катего­рии. Согласно Правилам устройства элек­троустановок (ПУЭ) все потребители элек­троэнергии делятся на три категории. К первой категории относятся ответствен­ные потребители, снабжение которых элек­троэнергией обеспечивается от двух неза­висимых источников питания. При исчез­новении напряжения на одном из источ­ников производится автоматическое пере­ключение на питание нагрузки от второ­го источника. Независимыми источниками могут быть распределительные устройст­ва двух электростанций или не связанные друг с другом подстанции. Переключение производится автоматическим включени­ем резерва (АВР). При срабатывании этих переключателей время отсутствия напря­жения (период, в течение которого нагруз­ка остается без электропитания) составля­ет 10—3000 мс. Надежное питание тяговых подстанций, расположенных вдоль магист­рали, осуществляется от крупных район­ных подстанций по линиям электропере­дачи напряжением 110, 132, 220 кВ и более высокого напряжения. На участке протя­женностью 150—200 км допускается пере­рыв электроснабжения не более чем на од­ной тяговой подстанции.

Предпочтительным является питание каж­дой тяговой подстанции от двух независи­мых источников. При большой протяжен­ности высокоскоростной железнодорожной магистрали (более 400 км) такая схема тре­бует большого количества питающих ли­ний внешнего электроснабжения значи­тельных капитальных затрат. В этих случа­ях применяется питание тяговых подстан­ций по двум одноцепным линиям от одного источника питания или по одноцепным ли­бо двухцепным линиям, прокладываемым вдоль электрифицируемой железной доро­ги, с двусторонним питанием от независи­мых источников.

Тяговые подстанции через 200—300 км подключаются к линиям электропередачи с заходом на подстанцию и присоединени­ем к сборным шинам — это опорные под­станции. Остальные подстанции на элек­трифицируемой линии являются промежу­точными, расположенными между двумя опорными. В зависимости от уровня на­пряжения питающих линий может быть от трех до пяти промежуточных подстанций. Промежуточные подстанции включают в рассечку одной питающей линии — это транзитные подстанции, или подключают отпайками к обеим питающим линиям. Та­кие подстанции называются отпаечными. Расстояние между тяговыми подстанция­ми при системе переменного тока состав­ляет 40—80 км, а на постоянном токе — 8—20 км.

Схема подключения тяговых подстанций на конкретной магистрали принимается по условиям обеспечения надежного электро­снабжения и эффективной работы систе­мы релейных защит питающих линий. Пи­тающая высоковольтная линия с помощью коммутационной аппаратуры опорных и транзитных тяговых подстанций разделя­ется на секции, которые отключаются при проведении ремонта. При этом сохраняет­ся электроснабжение подстанций и обес­печивается надежное электрообеспечение высокоскоростной линии.

На тяговых подстанциях устанавлива­ют силовые трансформаторы, понижаю­щие напряжение до уровня 25 кВ при сис­теме электрической тяги однофазного пе­ременного тока 50 (60) Гц или до уровня, обеспечивающего напряжение в электро­тяговой сети 3 кВ, при системе постоянно­го тока.

На линиях переменного тока на тяговых подстанциях применяют трехфазные и од­нофазные главные понижающие трансфор­маторы. С целью симметрирования нагруз­ки по фазам питающих линий при однофаз­ном отборе электроэнергии используются специальные симметрирующие трансфор­маторы, например, по схемам Скотта, Вуд­бриджа, Р.Р. Мамошина, или выравниваю­щие схемы подключения силовых транс­форматоров тяговых подстанций с чередо­ванием загруженных фаз при подключении к проводам линий электропередачи.

Главные трансформаторы тяговых под­станций в зависимости от удельной мощ­ности электропотребления электрифици­рованной линии и системы электрической тяги могут иметь мощность от 16 MB-А до 63 MB-А и выше. На тяговых подстанциях, как правило, применяется 100-процентное
резервирование установленной мощности главных трансформаторов.

В качестве примера схемы питания тя­говых подстанций переменного тока на рис. 10.18 приведен фрагмент схемы вы­сокоскоростной линии Мадрид — Севилья испанских железных дорог.

I

450 км

Рис. 10.18. Схема питания подстанций с однофазными трансформаторами от высоковольтной линии ВУ1220 кВ по 60-градусной схеме симметрирования нагрузок: а — фрагмент схемы питания высокоско­ростной линии Мадрид — Севилья (Испания); б — общий вид однофазного трансформатора на одной из тяговых подстанций ВСМ Мадрид — Севилья. Испания. 1991 г.

На рис. 10.19 показан участок железно­дорожной магистрали Санкт-Петербург — Москва, электрифицированной по систе­ме постоянного тока 3 кВ и модернизиро­ванной для высокоскоростного движения электропоездов Velaro Rus типа «Сапсан» — мощностью 8 МВт.

Рис. 10.19. Схема питания тяговых подстанций постоянного тока 3,3 кВ от высоковольтных линий ВЛ110 кВ, 50 Гц (фрагмент схемы питания высокоскоростной магистрали Санкт-Петербург — Моск­ва на участке 150—270 км). Россия. 2005 г.

Электротяговая сеть является нерезер- вируемым звеном системы электроснаб­жения. Именно поэтому к схемам питания электротяговой сети предъявляются повы­шенные требования. При выборе схемы пи­тания тяговой сети учитываются многие факторы: распределение нагрузки между подстанциями и между отдельными учас­тками сети, значения минимальных токов короткого замыкания, потери напряже­ния и электроэнергии в тяговой сети и т.д. Электротяговая сеть разделяется на от­дельные секции. Основная цель секциони­рования контактной сети — возможность отключения наименьшего участка (секции) контактной сети при выполнении ремонт­но-восстановительных работ или при по­вреждениях.

Секционирование осуществляется с помо­щью изолирующего сопряжения (воздуш­ного промежутка) или изолирующих со­пряжений с нейтральной вставкой. Пита­ние секций контактной сети осуществля­ется по схемам раздельной или параллель­ной работы соседних тяговых подстанций. При раздельной работе контактную сеть примерно посередине межподстанционной зоны разделяют посредством изолирую­щих сопряжений или нейтральных вставок (в системе однофазного переменного тока), и питание электроподвижного состава на каждом участке — только от одной под­станции. Две зоны питания влево и вправо от подстанции составляют подстанцион­ную зону. Достоинством такой схемы явля­ются лучшие условия защиты и отсутствие уравнительных токов контактной сети. Не­достатком раздельного питания является возможное ухудшение использования ме­ди контактных подвесок, так как каждый электропоезд получает питание только от одной подстанции. На высокоскоростных двухпутных линиях с пакетным графиком на каждой межподстанционной зоне на­ходятся в движении, как правило, два по­езда, поэтому этот недостаток практиче­ски отсутствует.

При параллельной работе смежных под­станций осуществляется двустороннее пи­тание секций контактной сети, и любая тя­говая нагрузка получает питание от двух подстанций. Это в определенной степени повышает надежность питания электротя­говой сети, ведет к лучшему использова­нию медных контактных подвесок. Вместе с тем, при двустороннем питании появля­ются уравнительные токи контактной се­ти, что приводит к дополнительным поте­рям напряжения и энергии. Особенно зна­чительными становятся уравнительные токи при автономном регулировании на­пряжения на тяговых подстанциях.

Контактная сеть питается от тяговых подстанций, расположенных вдоль желез­нодорожной линии, и для обеспечения на­дежной работы и удобства обслуживания разделяется на участки, как правило, изо­лированные друг от друга. Такие участки называются секциями, а само разделение — секционированием контактной сети. Разли­чают продольное и поперечное секциониро­вание. Продольное секционирование обес­печивает деление контактной сети вдоль линии, а поперечное — разделение кон­тактной сети главных путей на перегонах и на станциях, а также прочих параллель­ных путей станции.

Продольное секционирование выполня­ется у каждой тяговой подстанции и у каж­дого поста секционирования; контактная сеть перегонов отделяется от контактной сети станций. Контактная сеть парка или группы путей станции выделяется в от­дельные секции; в отдельные секции вы­деляют также контактную сеть в пределах крупных искусственных сооружений (тон­нели, мосты).

Поперечное секционирование осуществля­ют на главных путях перегонов и станций, в парках или группах путей более пяти; в отдельные секции выделяют контактные сети каждого из погрузочно-разгрузочных путей; путей, на которых производят за­правку пассажирских составов с крыш ва­гонов; путей осмотра крышевого оборудо­вания подвижного состава, отстоя электро- подвижного состава, путей электродепо.

Провода контактной подвески по длине электрифицированной линии механически разделяются на самостоятельные участки длиной 1,2 км с ответвлением по концам на боковую сторону пути с закреплением проводов на анкерных опорах путем жест­кого крепления или через компенсаторы температурного удлинения проводов. Та­кие участки называются анкерными участ­ками. Деление на автономные анкерные участки обеспечивает повышение эксплу­атационной надежности и создание усло­вий для технического обслуживания и ре­монта контактной сети. Анкерные участки посредством неизолирующих или изолиру­ющих сопряжений образуют непрерывную 236

систему проводов, обеспечивающую плав­ный проход токоприемников электропод- вижного состава.

Для осуществления продольного секцио­нирования применяются изолирующие со­пряжения анкерных участков на постоян­ном токе и изолирующие сопряжения с нейтральной вставкой определенной дли­ны (в зависимости от расстояния между крайними токоприемниками электровозов и моторвагонного подвижного состава) на участках переменного тока. Нейтральная вставка предотвращает междуфазное ко­роткое замыкание двух секций, питающих­ся от разных фаз энергосистемы. Для по­перечного секционирования применяются секционные изоляторы различных конст­рукций. На рис. 10.20 показаны примеры схем питания и секционирования на двух­путных участках, электрифицированных по системе постоянного и однофазного пере­менного тока.

На станциях с тяговыми подстанциями переменного тока, как правило, выполня­ется разделение питания по разным фазам. Для предотвращения междуфазного корот­кого замыкания при проходе токоприемни­ков, с одной стороны станции устанавли­вается два изолирующих сопряжения с нейтральной вставкой. С другой стороны станции монтируется одно изолирующее сопряжение. Зону сопряжения с нейтраль­ной вставкой поезда проходят по инерции с отключением тока двигателей.

При высокоскоростном движении вслед­ствие периодического прохода нейтраль­ных вставок происходит частое чередова­ние движения под нагрузкой, движением по инерции, что снижает качество энерго­обеспечения и выдвигает требование при­менения специальных устройств автома­тического переключения, срабатывающих при переходе поезда с одной секции кон­тактной сети на другую без отключения тока двигателей.

Пункты, в которых происходят переклю­чения секций, располагаются в зоне ней­тральной вставки. Эти пункты называют­ся также постами секционирования. На рис. 10.21 приведена схема и алгоритм дейст­вия поста секционирования у нейтральной

а

150<L<750 м

сопряжение

Нейтральная вставка

Секционный изолятор

Разъединители с ^^моторным приводом /.<750 м

сопряжение с нейтральной вставкой

Рис. 10.20. Схемы питания и секционирования контактной сети на двухпутной линии постоянного (а) и однофазного переменного (б) тока (Ф1...Ф5 — разъединители питающих линий; А, Б, В, Г — секци­онные разъединители продольного секционирования; П — секционный разъединитель поперечного секционирования)

Разъединители с ручным приводом

Секционный изодятор

Разъединители нормально разомкнутые с моторным приводом

Рис. 10.21. Схема действия поста секционирования у нейтральной вставки: 1 — пост секционирования; 2,3 — быстродействующие автоматические переключатели; 4, 11, 13 — от узла выработки команд­ных сигналов; 5, 6 — зоны питания от разных фаз энергосистемы; 7, 10, 12, 14 — высокоскоростной поезд на последовательных стадиях прохождения зоны; 8 — изолирующее воздушное сопряжение; 9 — дроссельный стык

 

вставки, применяемая на высокоскорост­ных магистралях Синкансен в Японии.

Стыкование линий, электрифицирован­ных на постоянном и переменном токе, на российских железных дорогах осуществля­ют в большинстве случаев посредством станций стыкования. В контактной сети этих станций выделяют соответствующие секции, в которые можно подавать напря­жение как постоянного, так и переменно­го тока. Станции стыкования могут быть с последовательным и параллельным рас­положением приемо-отправочных парков.

При любой схеме станции обеспечивается прибытие поездов с электровозами одной системы тока и отправление этих же по­ездов с тех же путей с электровозами дру­гой системы. На рис. 10.22 приведена упро­щенная схема питания и секционирования станции стыкования параллельного типа. На данной станции стыкования предусмот­рено 19 переключаемых секций, питание которых осуществляется через два пункта группировки, оснащенных переключателя­ми двух систем тока.

Станции стыкования имеют очень высо­кую строительную стоимость и сложны в эксплуатации. Поэтому в отдельных слу­чаях для стыкования двух систем тока ис­пользуют электроподвижной состав двой­ного питания, работающий от сети как пе­ременного, так и постоянного тока. На не­которых линиях высокоскоростного дви­жения используется электроподвижной со­став двойного питания, а также трех- и че­тырехсистемные виды электроподвижного состава. На станциях стыкования контакт­ная сеть главных путей монтируется с изо­лирующими сопряжениями и нейтральной вставкой, а на боковых путях устанавлива­ют секционные изоляторы с нейтральны­ми вставками.

Рельсовая сеть, выполняющая функцию электропроводящей среды для обратно­го тока, находится в зоне верхнего строе­ния пути и, вследствие слабой электричес­кой изоляции, может вызывать ответвле­ние тока в землю. Это приводит к появле­нию блуждающих токов, которые имеют чрезвычайно разнообразные пути по зем­ле, металлическим частям подземных со­оружений, оболочкам кабелей, различным трубам и т.д. В местах выхода тока из под­земного сооружения происходит электро­лиз (анодная зона), вызывающий на лини­ях постоянного тока с положительной по­лярностью коррозию сооружения.

Для снижения блуждающих токов необ­ходимо увеличивать переходное сопротив­ление между рельсами и землей и снижать сопротивление самой рельсовой сети. Сле­дует применять щебеночный балласт, же-

 

Рис. 10.22. Упрощенная схема станции стыкования параллельного типа

 

 

Глава 10

 

лезобетонные шпалы, укладывать рельсы без касания их подошв с просветом не ме­нее 3 см между балластом и рельсами, не допускать даже случайного соприкосно­вения рельсов с какими-либо подземны­ми металлическими сооружениями. Для уменьшения сопротивления рельсовой се­ти устанавливают стыковые, междурель- совые и междупутные электрические со­единители.

10.8. Тяговые подстанции и линейные устройства

Проектирование тяговых подстанций на­чинается с определения мест секциониро­вания электротяговой сети, ограничиваю­щих зону питания каждой подстанции, то­чек подключения их к питающей сети высо­кого напряжения. При этом учитываются: данные тягового и электрического расче­тов для заданных параметров движения по­ездов; наличие и резервы мощности источ­ника высоковольтного питания в точках подключения; мощности короткого замы­кания для проверки термической и дина­мической устойчивости оборудования; до­пустимые значения коэффициентов асим­метрии токов и напряжений; содержания высших гармонических; порог снижения реактивной мощности; допустимые откло­нения питающего напряжения; местона­хождение и характеристики кабелей ли­ний связи. На основе расчетов определя­ются электрические параметры тяговых подстанций (мощность, ток и количество преобразовательного оборудования), их размещение и расположение постов сек­ционирования и пунктов параллельного соединения.

На рис. 10.23, для примера, показана схе­ма размещения тяговых подстанций и линейных устройств высокоскоростной (300 км/ч) железнодорожной линии Па­риж — Кале французских железных до­рог. На линии, протяженностью пример­но 320 км, электрифицированной по сис­теме 2x25 кВ, 50 Гц, размещены 6 тяговых подстанций, 7 постов секционирования и 17 автотрансформаторных пунктов. Эта международная линия имеет продолжение в Бельгию и через Ла-Манш в тоннеле до Лондона.

Тяговые подстанции системы электро­снабжения 2x25 кВ, 50 Гц выполняются, как правило, с однофазными стандартны­ми силовыми трансформаторами простой конструкции, вторичные обмотки кото­рых имеют выведенную среднюю точку, соединяемую с рельсовой сетью, а начало и конец с контактной сетью и питающим проводом (рис. 10.24).

Схема главных соединений тяговой под­станции позволяет осуществлять в нор­мальном режиме питание левого и правого плеча от отдельных однофазных силовых трансформаторов. Мощность каждого из них (40—63 MB-А) обеспечивает номиналь­ную нагрузку подстанции. Трансформато­ры при этом могут работать параллельно от одной или от двух фаз по схеме «V». В последнем случае в зоне тяговой подстан­ции включается устройство изолирующего сопряжения с нейтральной вставкой. В вы­нужденном режиме при выведении одного трансформатора из работы с помощью об­ходных разъединителей Pl, Р2 собирается схема питания левого и правого плеча под­станции от одного трансформатора.

На подстанциях переменного тока 1x25 кВ, 50 Гц высокоскоростных линий предпочти­тельна схема с тремя однофазными транс­форматорами, один из которых является резервным.

Трехфазные силовые трансформаторы со схемой соединения обмоток звезда-треу­гольник, применяемые на российских же­лезных дорогах, на высокоскоростных ли­ниях практически не используются из-за сложности и громоздкости электротехни­ческого оборудования.

На рис. 10.25 приведены общий вид тяго­вой подстанции ВСМ Мадрид — Барсело­на, которая в силу климатических условий размещена на открытом воздухе, за исклю­чением блока управления в виде контей­нерной конструкции.

ПС Гуинн 106,719 км

На Лондон

Лилль

ФРАНЦИЯ

ПС Ле Реиз 192,497 км

ТП Этиншель 164,195 км

ПСТранслой 133,950 км

ТП Ла Фламенгри 25,795 км

БЕЛЬГИЯ

Условные обозначения:

ТП Руминген 80,584 км

ПС Бреад 53,348 км

ПС Эллю 6,595 км

На Брюссель

Линия ВСМ

ПС —Пост секционирования, место расположения, пикет ТП — Тяговая подстанция, место расположения, пикет

ТП Ла Эре 53,697 км

ТП Гонес 1,520 км

Париж

ТП Абленкур 107,899 км

ПС Лакруа 86,680 км

ПС Монтани 26,191 км

Примечание: отсчет километров трассы ВСМ идет от Парижа до Брюсселя и от Лилля до Лондона

 

 

 

Рис. 10.23. Схема размещения тяговых подстанций и линейных устройств высокоскоростной (300 км/ч) железнодорожной линии Париж — Кале французских железных дорог

Питающим провод

SDP2

Контактный провод

-GyTt2C --- GDTt2F

GDTt GDTt •GDTt Z--Z--Ag)sii

TcCTl ()TcFTl TtCTiGD- ■ SRB1Z-AM)

-GDTtFTi

TSAlQQ-e- SDP1

Ttic GM— TtlF(S>-

Tt GD------ TtGD-- — TtGD------ S21®-Z-/—/

TcCT2() qTcFTZ TtCT2 GM —GDTtFT2 SRB2/--/®

еэ-СЮ TSA2

Tt4C GD— Tt4FGD-

-GDTt3C —H3DTt3F

Puc. 10.24. Схема транзитной тяговой подстанции 2x25 кВ с однофазными силовыми трансформато­рами (SNCF—Франция): Т1, Т2 — силовые однофазные трансформаторы; DI, D2, DB — высоковольт­ные выключатели питающего напряжения; DP, DC — выключатели на вторичной стороне силового трансформатора: IS1, IS2. 1S3, IS4 — выключатели нагрузки питающих линий электротяговой сети; Sil, S21, SI, S2 и другие — разъединители; К — установка поперечной компенсации реактивной мощ­ности; TSAI, TSA2 — трансформаторы собственных нужд; Pf— разрядники; Тс — измерительные трансформаторы тока; Tt — измерительные трансформаторы напряжения

Рис. 10.25. Общий вид одной из тяговых подстанций на ВСМ Мадрид — Барселона. Испания. 2008 г.

---

Дата добавления: 2019-11-16; просмотров: 758; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!