Loading

Zagadnienie jakości współpracy odbieraka prądu z siecią trakcyjną

dr inż. Roman Konieczny
Poliechnika Śląska

 

"Trakcja i Wagony"nr1/1982

 

UKD:621.332.331:621.336.22

 

W szynowej trakcji elektrycznej zasilanie pojazdu trakcyjnego odbywa się najczęściej z napowietrznej sieci trakcyjnej. Elementem pośredniczącym w odbiorze energii elektrycznej jest, umocowany na dachu pojazdu, odbierak prądu. Jakość odbioru prądu jest uzależniona od jakości współpracy dynamicznej odbieraka prądu z siecią trakcyjną, tj. od warunków pracy zestyku ślizgowego - jaki tworzą wkładki śłiz-gacza odbieraka prądu oraz drut jezdny sieci trakcyjnej. 
Warunki pracy zestyku odbierak-sieć są uzależnione od wartości odbieranego prądu, prędkości jazdy oraz wielu innych czynników.Zagadnienie powyższe odgrywa szczególnie istotną rolę na PKP, gdzie jest stosowany system prądu stałego o napięciu 3 kV i gdzie w najbliższych latach przewiduje się zwiększenie mocy lokomotyw elektrycznych do 6000 kW oraz wzrost prędkości jazdy do 160 km/h [9].

 

Znaczenie prawidłowej współpracy odbieraka prądu z siecią trakcyjną

Podczas współpracy z siecią trakcyjną odbierak prądu, działając siłą nacisku dynamicznego, wymusza drgania o charakterze ąuasisinusoi-dalnym, spowodowane nierównomierną sztywnością sieci wzdłuż przęsła zawieszenia. W zakresie prędkości Oh-120 km/h amplitudy tych drgań są niewielkie (rzędu kilku centymetrów), wzrastają dopiero powyżej 120 km/h, by osiągnąć wartości maksymalne przy prędkości krytycznej. Powyżej tej prędkości amplitudy drgań zaczynają ponownie maleć. Prędkość krytyczna jest określona następującym wzorem:

gdzie:

fs - częstotliwość drgań własnych sieci trakcyjnej [Hz],
L - długość przęsła zawieszenia [m].

Przy prędkości krytycznej występuje zgodność częstotliwości drgań własnych sieci i drgań wymuszonych, co jest przyczyną rezonansu drgań, charakteryzującego się bardzo dużą amplitudą ruchów pionowych sieci trakcyjnej i największym prawdopodobieństwem utraty styku.
W chwili, gdy odbierak utraci styczność z drutem jezdnym, tworzy się w punkcie styku mostek metaliczny, który w wyniku wysokiej temperatury ulega wyparowaniu, powodując powstanie łuku elektrycznego [7].
W wypadku mostka metalicznego temperatura zestyku osiąga wartość 1083°C (temperatura topnienia miedzi), by pod koniec tej fazy dojść do ok. 2600°C (temperatura wrzenia miedzi). Temperatura łuku elektrycznego jest jeszcze wyższa, co powoduje w rezultacie nadtopienie drutu jezdnego, doprowadzając do obniżenia jego cech wytrzymałościowych. Z powierzchni nadtopionego drutu jezdnego, wskutek zwiększonej kruchości, są wyrywane cząstki materiału przy następnych przejściach odbieraka. Przedwcześnie zużyty drut jezdny ulec może zerwaniu, co jest sytuacją awaryjną dla ru-~ chu kolejowego. O przebiegu ww. zjawisk decyduje rodzaj użytych materiałów stykowych oraz czas trwania przerw styku.
Z zagadnieniem współpracy dynamicznej odbieraka prądu z siecią trakcyjną, oprócz aspektu technicznego, wiąże się również aspekt ekonomiczny. Wobec zwiększonych na najbliższe lata zadań przewozowych kolei, w okresie kryzysu paliw płynnych, jedynym ratunkiem rozwoju infrastruktury technicznej krajowego systemu transportowego - jest trakcja elektryczna. Niezawodność trakcji elektrycznej ma duży wpływ na sprawność całego systemu transportowego. Jeden z zasadniczych elementów trakcji elektrycznej - napowietrzna sieć trakcyjna - jest jednak układem pracującym bez rezerwy, którego uszkodzenie powoduje poważne zakłócenia w ruchu pociągów i związane z tym straty gospodarcze.
Celowe są zatem wszelkie zabiegi prowadzące do zwiększenia niezawodności sieci trakcyjnej (min. przez poprawę jakości współpracujących z nią odbieraków prądu), a tym samym - do zwiększenia niezawodności trakcji elektrycznej na całej sieci PKP.

Kryteria oceny jakości współpracy odbieraka prądu z siecią trakcyjną

Kryteria oceny jakości współpracy odbieraka prądu z siecią trakcyjną omówiono szczegółowo w pracach [1, 4, 6 i 8]. Podstawą większości kryteriów są informacje zawarte w przebiegach: trajektorii punktu styku odbieraka z siecią oraz siły stykowej. Poniżej zestawiono najczęściej stosowane kryteria.

Współczynnik zmienności siły stykowej

Według {4] współczynnik ten jest określony następującymi wzorami:

gdzie:

Fk max i Fjc min - wartości ekstremalne siły stykowej w rozpatrywanym przęśle zawieszenia,
Fst - siła statyczna odbieraka prądu.

Jakość współpracy odbieraka z siecią ocenia się jako zadowalającą, jeżeli | n| ^ | n2 |< 0,3÷0,5. Dla wyższych prędkości jazdy jest zalecane przyjmowanie mniejszych wartości i n2.

Składowa zmienna siły stykowej

Według [4] składowa ta jest opisana wzorami:

Współpracę odbieraka z siecią można uznać jago zadowalającą, gdy:

Zakres pionowych przemieszczeń punktu styku

Zakres ten (tzw. podwójna amplituda) jest określony wyrażeniem [1,4]:

gdzie:

Vmax i Kmin - wartości ekstremalne pionowego przemieszczenia punktu styku w rozpatrywanym przęśle zawieszenia.

Jakość współpracy odbieraka prądu z siecią trakcyjną jest tym lepsza, im mniejszy jest zakres pionowych przemieszczeń punktu styku.

Współczynnik utraty styku

Współczynnik ten jest określony wzorem [1, 41:

gdzie

Etod - suma czasów utraty styku ślizgacza odbieraka z drutem jezdnym na rozpatrywanym odcinku,
t - czas przejścia odbieraka przez rozpatrywany odcinek.

Współpracę odbieraka z siecią można uznać jako zadowalającą, jeżeli kod <1,5%.

Wadą przedstawionych powyżej kryteriów jest wycinkowa ocena jakości współpracy odbieraka z siecią na podstawie przebiegu jednej tylko wielkości. Niedogodności tej nie ma kryterium SNCF, stosowane na kolejach francuskich [8], dla którego podstawą są 4 współczynniki: czasu trwania przerw stykowych, zmienności siły stykowej, zakresu pionowych przemieszczeń punktu styku oraz uniesienia drutu jezdnego w wybranym punkcie. Współczynnik wynikowy jest obliczany jako średnia arytmetyczna ww. współczynników.

W artykule [6] zaproponowano zbiorcze kryterium oceny jakości współpracy odbieraka prądu z siecią trakcyjną w następującej postaci:

Kryterium J ujmuje dwie najważniejsze wielkości (przemieszczenie pionowe punktu styku oraz siłę stykową), charakteryzujące współpracę odbieraka prądu z siecią trakcyjną. Jak wykazano w artykule [6], jakość współpracy odbieraka prądu z siecią trakcyjną będzie zadowalająca, jeżeli j =sc 1,5.

Podstawowe parametry sieci trakcyjnej i odbieraka prądu wpływające na jakość współpracy tych układów

Sieć trakcyjna

Bez względu, na rodzaj konstrukcji, dynamiczne właściwości sieci trakcyjnej są scharakteryzowane przez następujący zbiór parametrów:

gdzie:

ks - sztywność w kierunku pionowym,
ms - masa zastępcza,
Ws - siła tarcia suchego,
6S - współczynnik tarcia lepkiego,
cos - częstość drgań własnych,
L - długość przęsła,
p - profil (pochylenie) drutu jezdnego,
f - zwis wstępny drutu jezdnego,
vp - prędkość propagacji fali.

Odbierak prądu

Opis konstrukcji odbieraków prądu różnych typów przedstawiono m.in. w pracy [1]. Beż względu na rodzaj konstrukcji, dynamiczne właściwości odbieraka prądu są określone przez następujący zbiór parametrów:

M - masa zastępcza (zredukowana do punktu styku z drutem jezdnym),
Fst - siła statyczna,
Fa - składowa aerodynamiczna,
ksi - sztywność odsprężynowania ślizgacza,
b0 - współczynnik tarcia lepkiego,
W0 - siła tarcia suchego.

Jak wykazują m.in. badania [4, 2] oraz obliczenia symulacyjne, przeprowadzone na modelu matematycznym [3], podstawowymi parametrami sieci trakcyjnej - determinującymi jakość współpracy z odbierakiem prądu - są:
- nierównomierność sztywności sieci wzdłuż przęsła zawieszenia,
- zwis wstępny drutu jezdnego,
- pochylenie drutu jezdnego.
Nierównomierność sztywności można zmniejszyć przez zwiększenie naciągów liny nośnej oraz drutów jezdnych, zmniejszenie długości przęsła zawieszenia, uelastycznienie .punktu podwieszenia sieci - przez zastosowanie linki pomocniczej typu Y, uelastycznienie wieszaków wzdłuż przęsła - przez zastosowanie sieci wielokrotnych z tzw. linkami pośrednimi, uelastycznienie kilku wieszaków w pobliżu punktów wsporczych - przez zastosowanie odpowiednich amortyzatorów bądź elementów sprężystych w postaci półresorów, lub wieszaków w kształcie trójkąta. Oprócz ww. rozważań podstawowych, istnieje wiele układów mieszanych. Zmniejszenie długości przęsła nie jest rozwiązaniem ekonomicznym, natomiast zwiększenie naciągów jest ograniczone wytrzymałością materiałów. Zastosowanie dodatniego zwisu wstępnego drutu jezdnego (rzędu 3 -i- 5 cm) oraz zmniejszenie pochylenia drutu jezdnego (poniżej 2%o) - wydatnie poprawia jakość współpracy odbieraka prądu z siecią trakcyjną.

Na podstawie badań [1, 5] oraz obliczeń symulacyjnych [3] można stwierdzić, że poprawę jakości współpracy odbieraka prądu z siecią trakcyjną można uzyskać m.in. przez:
- optymalny dobór wartości siły statycznej odbieraka oraz sztywności odsprężynowania ślizgacza,
- odpowiedni dobór charakterystyki aerodynamicznej odbieraka,
- zmniejszenie masy odbieraka oraz zmniejszenie siły tarcia suchego w układzie ramowym,
- stosowanie tłumików hydraulicznych w u-kładzie ślizgacza oraz w układzie ramowym odbieraka prądu.

Oprócz wymienionych powyżej podstawowych parametrów sieci trakcyjnej i odbieraka prądu, na jakość współpracy tych układów mają wpływ zakłócenia oraz czynniki dodatkowe, jak np.: drgania pudła pojazdu trakcyjnego, drgania sieci spowodowane wiatrem bocznym, a także rozregulowania parametrów tych układów.
Przedstawione powyżej zagadnienia są jedynie wycinkiem ogromnej gałęzi techniki kolejowej, jaką stała się w ostatnich latach problematyka współpracy odbieraka prądu z siecią trakcyjną dla dużych prędkości jazdy. Zjawiska zachodzące podczas dynamicznej współpracy tych układów są sukcesywnie badane przez wiele zarządów kolejowych - szczególnie zainteresowanych wzrostem prędkości pociągów elektrycznych. W chwili obecnej badania koncentrują się zarówno na ulepszaniu konstrukcji sieci trakcyjnej, jak i odbieraka prądu.Ze wzglądów ekonomicznych należy preferować kierunek poszukiwania ulepszeń w odbieraku prądu.

Bibliografia:

[1] Beljaev I. A., Michejev V. P., Sijan V. A.: To-kosjem i tokopriemniki elektropodviżnogo sostava. Moskwa Transport 1976
[2] Fidrych Z.: Eksperymentalne określenie dynamicznych parametrów sieci trakcyjnej. Przegląd Kolejowy Elektrotechniczny 1974 nr 4
[3] Fidrych Z., Konieczny R.: Otazky voVby spósubu modelovania dynamickej spoluprace zberaća pru-du s trolejovym vedenim. Referat VI Yedecka
[4] Frajfeld A. W.: Projektirovanje kontaktnoj seti.Konferencia Vysokej Skoly Dópravnej Żilina 1979 Moskwa Transport 1978
[5] Grajnert J.: Nowoczesne rozwiązania konstrukcyjne odbieraków prądu. Trakcja i Wagony 1978 nr 5 [6] Konieczny R.: Kryteria oceny jakości współpracy odbieraka prądu z siecią trakcyjną. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej seria Elektryka (w druku)
[7] Roman Z.: Analiza warunków pracy zestyku ślizgowego: przewód jezdny - odbierak prądu. Praca doktorska Politechnika Warszawska 1976
[8) Roman Z.: Kryteria oceny konstrukcji sieci trakcyjnej do dużych prędkości jazdy stosowane na kolejach SNCF. Przegląd Kolejowy Elektrotechniczny 1975 nr 12
[9] Szot Z., Ghwieduk A.: Dostosowanie niektórych linii PKP do prędkości 120, 140 i 160 km/h. Problemy Kolejnictwa 1979 nr 85