Под надежностью ж.-д. транспорта обычно понимают его свойство обеспечивать своевременную и безопасную доставку грузов и пассажиров к месту назначения. Ж.-д. транспорт включает в себя технические устройства, оперативный персонал и даже элементы окружающей среды, его надежность зависит от надежности всех составляющих. К основным техническим устройствам относят земляное полотно и верхнее строение пути, искусственные сооружения, подвижной состав, системы автоматики, телемеханики и связи, а также устройства электроснабжения. Эти устройства чрезвычайно разнородны по своему составу и по физическим процессам функционирования; на их надежность влияют самые разнообразные факторы внешней среды, а именно: изменения температуры, влажности; динамические и электромагнитные воздействия со стороны подвижного состава; грозы и другие природные явления. Поэтому технические устройства должны обладать высоким уровнем безотказности. Это свойство имеет большое значение с экономической точки зрения, поскольку задержки поездов, нарушения графиков их движения из-за возникших отказов приводят к существенным материальным потерям. Еще большие потери возникают, если в результате отказов происходят аварии и крушения поездов, связанные с нанесением ущерба здоровью и жизни людей, с повреждением грузов.
Особенность работы технических устройств ж.-д. транспорта — длительный срок службы, до нескольких десятков лет. Кроме того, важным их свойством является ремонтопригодность, так как ж.-д. транспорт работает непрерывно во времени и требуется высокая готовность всех его устройств. Особенности и условия работы ж.-д. транспорта обусловливают важность и сложность проблемы обеспечения надежности всех его технических устройств, находящихся в эксплуатации. Тем не менее, статистические данные работы железных дорог показывают, что это один из самых надежных видов транспорта.
Содержание
Надежность железнодорожного пути
Железнодорожный путь представляет собой сложную конструкцию, состоящую из разнородных материалов, работающую в условиях динамического взаимодействия с подвижным составом в различных природных и климатических условиях. В процессе эксплуатации под влиянием силовых воздействий подвижного состава, изменения температуры, влажности и т. п. происходит изнашивание, старение, накапливаются остаточные деформации. В результате этого появляются повреждения, дефекты, отказы, которые, несмотря на достаточные запасы прочности, могут приводить к необходимости снижения скоростей движения или полному прекращению движения поездов на период приведения пути в работоспособное состояние.
В частности, в рельсах и подкладках появляются пластические деформации, усталостные повреждения, происходит износ, загнивают деревянные шпалы, образуются трещины, сколы, обнажается арматура в железобетонных шпалах, балластный слой загрязняется и теряет дренирующие свойства, в резиновых и пластмассовых деталях происходит старение материалов, резьбовые соединения подвергаются коррозии, опасные дефекты появляются в стрелочных переводах, под влиянием природных факторов теряют несущие способности грунты земляного полотна.
Путь может перейти в предельное состояние, оставаясь работоспособным, если его дальнейшее применение недопустимо по требованиям безопасности и экономичности. Для этого устанавливают назначенный ресурс. Может иметь место деградационный отказ, обусловленный естественными процессами старения, изнашивания, коррозии, усталости.
Ремонтопригодность заключается в приспособленности ж.-д. пути и его элементов к проведению работ по обслуживанию и ремонту. Система технического обслуживания и ремонта пути включает проведение капитального, среднего, подъемочного ремонтов и текущее содержание. Капитальный ремонт пути предусматривает полное восстановление ресурса со сплошной заменой рельсов, шпал, очистку балластного слоя, исправление плана и профиля пути. Средний ремонт предусматривает частичное восстановление ресурса в части, зависящей от балластного слоя. Подъемочный ремонт предусматривает основную работу — очистку или замену балластного слоя; его производят для сплошной выправки пути в плане и профиле для восстановления работоспособного состояния. Текущее содержание, или планово-предупредительные работы, выполняют в межремонтный период в целях предупреждения и ликвидации отказов отдельных элементов пути.
Отдельные элементы ж.-д. пути имеют разные показатели надежности. Путь является многоэлементным, ремонтируемым, восстанавливаемым объектом. По основному несущему элементу (рельсам) путь — не резервируемый объект. По данным ВНИИЖТ, из общего числа полных отказов, в результате которых требовался для восстановления работоспособности перерыв в движении поездов, более 95 % составляют одиночные отказы рельсов. Особенно опасны отказы так называемых остродефектных рельсов, имеющих повреждения в виде трещин, выколов, изломов, большой коррозии и требующие при их обнаружении немедленной замены рельсов. Большую роль в образовании дефектов в рельсах имеют усталостные и, в частности, контактно-усталостные процессы. При этом определяют срок службы рельсов по износу или интенсивности одиночного выхода их по дефектам.
Железобетонные шпалы с повреждениями разделяют на негодные, требующие замены, и дефектные, подлежащие ремонту. Негодными считаются шпалы с поперечными изломами, при сколах бетона на подрельсовых площадках, при разрывах арматуры и др. Ресурс работы таких шпал 800—1200 млн т брутто при одиночном выходе ок. 0,3 %. Деревянные шпалы приходят в неработоспособное состояние после подтески подрельсовых площадок, при гниении, при сквозных трещинах, поперечных изломах. Средний срок службы шпал на дорогах МПС составляет 16-20 лет.
Рельсовые скрепления при износе и старении прокладок, изломах прокладок, коррозии и ослаблении резьбовых соединений не обеспечивают стабильности ширины колеи, ухудшается динамика взаимодействия пути и подвижного состава. Предельные значения размеров колеи могут угрожать безопасности движения. При сплошной смене рельсов, исчерпавших ресурс, около 50 % рельсовых скреплений может быть использовано для дальнейшей сборки рельсошпальной решетки.
Балластный слой, загрязняясь, теряет свои упругие и дренирующие свойства, происходит переувлажнение верхней части земляного полотна. Рельсошпальная решетка становится нестабильной, появляются просадки, перекосы, выплески, в целом путь приходит в предельное состояние, исчерпав межремонтный ресурс, и требуется проводить средний или подьемочный ремонт. Для восстановления дренирующих свойств балласта его заменяют или зачищают.
Стрелочные переводы являются одной из сложных и ответственных частей верхнего строения пути. Значительная часть сходов подвижного состава происходит в пределах стрелочных переводов. Ресурс стрелочных переводов в 2-3 раза меньше, чем у рельсов. Рамные рельсы, остряки, крестовины и контррельсы могут быть дефектными, подлежащими замене в плановом порядке, и остродефектными, представляющими опасность для движения и подлежащими немедленной замене.
Повреждения земляного полотна постепенно накапливаются со временем, могут появляться внезапно и представляют непосредственную угрозу безопасности движения. На магистральных дорогах ок. 10 % земляного полотна имеют деформации. По внешним признакам они подразделяются на следующие виды: деформации основной площадки (балластные корыта, ложе, мешки и гнезда), оседания, пучины, провалы, расползание, оползни, лавины, размывы и др. Особенно неблагополучны в этом отношении БАМ и ряд участков новых дорог Восточной Сибири.
Для поддержания надежности ж.-д. пути необходимо: проводить массовое внедрение новых высокоресурсных конструкций (тяжелые виды рельсов, бесстыковые пути, железобетонные шпалы, раздельные рельсовые скрепления); корректировать нормы и допуски проектирования и содержания рельсовой колеи (унификация ширины, изменение подуклонки рельсов, уточнение возвышения рельсов в кривых); систематически контролировать состояние пути и рельсовой колеи посредством современных путеизмерительных средств, дефектоскопов, осмотров; усиливать индустриальную ремонтную базу (машинно-путевые станции, рельсосварочные предприятия, машины тяжелых видов, электроинструмент); улучшать динамику взаимодействия пути и подвижного состава на основе применения шлифовки рельсов, упругих скреплений, совершенствования режимов ведения поездов, улучшения конструкций рессорного подвешивания подвижного состава.
Надежность искусственных сооружений
Под надежностью искусственных сооружений (ИС) понимают их способность обеспечивать в течение всего срока службы безопасный пропуск транспортных средств, пешеходов, водотоков при заданных условиях эксплуатации как собственно ИС, так и пересекаемых ими водных транспортных путей.
При проектировании новых и реконструкции существующих ИС их безотказность гарантируется выбором рациональных технических решений (на основе обязательного технико-экономического сопоставления конкурентоспособных вариантов) и соответствующими расчетами по методу предельных состояний, принятому у нас в стране в качестве основного способа оценки надежности ИС. Предельные состояния трактуются как состояния, при которых И С перестают удовлетворять заданным эксплуатационным требованиям или требованиям производства работ. Термин «наступление предельного состояния» в этом случае является аналогом термина «отказ».
Различают две группы предельных состояний ИС. Первая группа включает состояния, которые ведут к потере несущей способности или полной непригодности к нормальной эксплуатации (полные отказы). К ним относятся: разрушения любого характера (например, пластичные, хрупкие, усталостные); общая потеря устойчивости формы; состояния, при которых необходимо прекратить эксплуатацию вследствие чрезмерных пластических деформаций, сдвигов в соединениях, раскрытия трещин. Ко второй группе относятся предельные состояния ИС, затрудняющие нормальную эксплуатацию (частичные отказы) вследствие недопустимых деформаций пролетных строений и опор мостов, обделок тоннелей, чрезмерных колебаний элементов ИС и др. При возникновении таких отказов эксплуатация хотя и может быть продолжена, но при определенных ограничениях, например по массе пропускаемых поездов, скорости их движения и т. п.
При расчетах по методу предельных состояний условия обеспечения безотказности ИС заключаются в том, чтобы возникающие при эксплуатации усилия в конструкциях не превышали их несущей способности, а вызванные этими усилиями деформации, перемещения, раскрытия трещин и др. не выходили за рамки их предельных допускаемых значений. При таком подходе необходимый уровень надежности ИС определяется нормами проектирования, которыми регламентируются прочностные и другие характеристики строительных материалов, уровень нагрузок и воздействий, предельные величины деформаций и др. Эти параметры, устанавливаемые на основе анализа соответствующих статистических данных, прогнозирования силовых воздействий на И С перспективного подвижного состава, а также практического опыта, представляются в нормах некоторыми детерминированными значениями, а возможное влияние их неблагоприятных изменений на надежность ИС учитывается коэффициентами надежности по материалу, грунту, нагрузке, а также по степени ответственности сооружения. Кроме того, в расчет вводятся коэффициенты условий работы, отражающие возможные отклонения принятых расчетных моделей от реальных условий работы элементов ИС, а также изменения свойств материалов вследствие влияния температуры, влажности и других факторов, непосредственно не учитываемых расчетом.
При строительстве ИС заложенный в проекте уровень их надежности должен гарантироваться применением строительных материалов, строго соответствующих по своим физико-механическим характеристикам установленным стандартам, а также соблюдением предусмотренных проектом требований к технологическим процессам изготовления и монтажа с обязательным пооперационным контролем качества работ, включая приемочные испытания крупных ИС поездной нагрузкой. Особое внимание должно уделяться качеству работ, недоступных для последующего контроля (сооружение фундаментов, армирование конструкций и др.), искусственному регулированию напряжений в конструкциях, устройству различного рода соединений монтажных блоков и частей ИС (стыки железобетонных элементов, фрикционные и сварные соединения и др.). Важную роль в обеспечении надежности ИС, являющихся ремонтопригодными объектами, играет система содержания ИС в эксплуатации, представляющая собой комплекс мероприятий и работ, осуществляемых на протяжении всего срока службы сооружений и состоящих из текущего содержания и капитального ремонта. Текущее содержание включает надзор за состоянием ИС (осмотры, обследования, специальные наблюдения и испытания) и проведение необходимых ремонтных работ по предупреждению появления и устранению на ранней стадии развития возникающих повреждений. При капитальном ремонте заменяют отдельные изношенные части и элементы, устраняют негабаритности, осуществляют реконструкцию и усиление сооружений и др.
Большинство железнодорожных мостов построено по старым нормам проектирования. Для обеспечения их надежности важна применяемая на отечественных железных дорогах единая система классификации мостов по их грузоподъемности (по условиям прочности, устойчивости и выносливости всех несущих элементов), а подвижного состава (обращающегося и перспективного) — по воздействию на мосты. Сопоставление классов элементов ИС и подвижного состава позволяет судить о возможности и условиях безопасного пропуска по ИС различных поездов, устанавливать режимы эксплуатации (в том числе допускаемые скорости движения поездов), принимать решения о необходимости усиления слабых элементов ИС или их замены новыми. В отдельных случаях (например, при оценке усталостной прочности мостов) определяется остаточный усталостный ресурс.
Долговечность ИС зависит от многих факторов, главными из которых являются: уровень приданных сооружению при проектировании запасов (резервов) по грузоподъемности, водопропускной способности и другим параметрам, обеспечивающим работоспособность ИС в меняющихся и трудно прогнозируемых перспективных условиях эксплуатации; интенсивность роста во времени силовых воздействий на ИС подвижного состава (главным образом за счет увеличения осевого и погонного давления на путь, грузонапряженности дорог, скорости движения поездов), неблагоприятных изменений гидрологического режима водотока и других характеристик эксплуатации до соответствующих исчерпанию имеющихся в сооружении резервов. Важное значение в продлении срока службы ИС имеют качество текущего содержания и своевременность проведения работ по их усилению и реконструкции.
Надежность подвижного состава
Надежностью подвижного состава (ПС) является его свойство сохранять во времени значения всех параметров, определяющих безопасность и выполнение графика движения поездов, сохранность грузов и комфорт пассажиров при установленной системе его обслуживания и ремонта. Исходные данные для расчета надежности подвижного состава получают по нескольким каналам: сбор информации об отказах в эксплуатации, использование результатов физического и математического моделирования, проведение ускоренных ресурсных испытаний на специальных стендах.
Признаками отказа ПС, позволяющими установить факт нарушения его работоспособности, является любое из следующих событий: невыполнение показателей графика движения поездов; необходимость выполнения непланового ремонта; превышение установленного объема работ на плановом текущем обслуживании или отцепка вагона от поезда. Для механической части ПС различают следующие виды отказов: конструктивные и соответствующие им модели отказов из-за износа, усталости, неуточненных факторов; технологические и соответствующие им модели отказов из-за скрытых дефектов, рассеяния характеристик, качества изготовления; эксплуатационные нарушения правил использования, обслуживания и ремонта (в том числе при маневровых и погрузоразгрузочных работах, действии сверхнормативных нагрузок). Для электрической части ПС характерными видами отказов являются электрические разрушения диэлектриков и полупроводников, нарушения коммутационных процессов.
В качестве показателей безотказности используются безотказность работы и средняя частота отказов за год. Они определяются как для каждого из типов ПС, так и для их основных систем: ходовых частей, тормозов, рамы и кузова, автосцепного оборудования, тяговых электродвигателей и т. д. Для специализированных вагонов выделяют дополнительные системы (устройства разгрузки, обогрева и т. п.).
При оценке безотказности особо выделяют отказы, угрожающие безопасности движения. Среди них главную опасность представляют сходы подвижного состава с рельсов. Сходы возникают вследствие неустойчивости ПС, дефектов ходовых частей и несущих конструкций, нарушений в устройстве и содержании рельсовой колеи и попадания посторонних предметов в место контакта колеса и рельса. Для определения условий безотказной работы используют критерии устойчивости от опрокидывания, вползания колеса на рельс и выжимания единицы ПС продольными силами из поезда.
Серьезную опасность представляют разрывы поездов и соударения единиц ПС при сверхнормативных скоростях. В первом случае возможно неуправляемое движение части поезда, во втором — сходы и повреждения ПС и перевозимых грузов.
Долговечность ПС оценивают сроком службы. Для несущих деталей ПС он составляет 18-32 года, в том числе электровозы — 30 лет, электропоезда — 28, тепловозы магистральные — 20, тепловозы маневровые — 25, грузовые вагоны крытые и платформы — 32, полувагоны — 22 и цистерны — 18 лет.
Трущиеся элементы конструкций вагона оцениваются на долговечность по износу. При этом выбирают материалы и удельные давления так, чтобы наработка на отказ была не менее периода до соответствующего вида ремонта, при котором предусмотрены смена или восстановление деталей. Показатели ремонтопригодности и сохраняемости важны, но пока не нормированы.
Для повышения надежности ПС принимают различные меры. Так, на этапе проектирования вводят новые уточненные теоретические методы расчета показателей надежности, основанные на более полном учете характеристик случайного нагружения в эксплуатации и изменения прочностных свойств. На стадии отработки конструкции опытного образца проводят ускоренные ресурсные испытания как основных узлов, так и всего ПС в целом. На стадии производства совершенствуют технологические процессы и изготовления и монтажа, контролируют качество материалов и комплектующих изделий, обкатывают отдельные элементы и конструкции в целом. На стадии эксплуатации для повышения надежности ПС создают специализированные пути для текущего обслуживания ПС, вводят методы диагностирования для более качественного контроля технического состояния.
Надежность устройств автоматики, телемеханики и связи
Устройства автоматики, телемеханики и связи (АТС) обеспечивают бесперебойное управление движением поездов, если сохраняют исправное или работоспособное состояние, то есть не имеют отказов. По последствиям для процесса движения поездов отказы систем АТС можно разделить на три вида. В первом случае, наиболее благоприятном, восстановление системы происходит до подхода поезда и график движения не нарушается. Экономические потери при этом определяются затратами на ремонт аппаратуры. Во втором случае происходит задержка поездов и сбой графиков движения, что существенно увеличивает экономический ущерб. Третий, наихудший, случай связан с нарушением безопасности движения и возникновением аварий и крушений, наносящих вред здоровью людей и окружающей среде.
Устройства АТС обеспечивают безопасное управление движением поездов, если они сохраняют работоспособное или защитное состояние, то есть не имеют опасных отказов. Неработоспособное состояние системы АТС является опасным, если выполняются все заданные функции, кроме хотя бы одной, по обеспечению безопасного управления движением поездов.
Разделение отказов на опасные и защитные дает возможность при построении и эксплуатации системы сконцентрировать внимание, прежде всего, на защите от опасных отказов, что в целом способствует повышению уровня надежности и уменьшению объема избыточной аппаратуры. Примерами защитных отказов являются такие, при которых невозможно включение разрешающих показаний поездных и маневровых сигналов, а также управление стрелочными электродвигателями, или возникает ложная занятость стрелочных или путевых участков. Опасные отказы, наоборот, приводят к ложному включению разрешающих показаний светофоров, к ложному переводу стрелок и ложным сигналам незанятости путевых участков.
При прогнозировании надежности устройств АТС используют методы теории вероятностей, математической статистики, теории массового обслуживания, статистического и имитационного моделирования, теории марковских процессов. Особую группу показателей надежности составляют характеристики безопасности — вероятность безопасной работы, интенсивность опасных отказов, средняя наработка до опасного отказа. К 2001 г. эти показатели пока еще не нормированы.
Высокие требования к устройствам АТС с точки зрения надежности определяются особенностями их эксплуатации. Системы работают во времени непрерывно в течение длительного срока службы (иногда до 20-30 лет). Поэтому система АТС в любой момент времени с высокой вероятностью должна быть готова выполнять свои функции и быть долговечной. Типовые системы АТС тиражируются в больших количествах и широко внедряются по всей стране. Проблему обеспечения надежности систем АТС усложняют неблагоприятные климатические, динамические и электромагнитные условия их работы. Аппаратура подвергается воздействию температуры и влажности окружающей среды, динамическим воздействиям со стороны движущихся поездов, влиянием тягового тока и грозовых разрядов.
Статистические данные об отказах технических устройств ж.-д. транспорта, отражающие средние по годам соотношения и тенденции, показывают, что на долю систем АТС приходится около 20 % всех отказов. Это объясняется большим количеством аппаратуры, эксплуатируемой на сети дорог, и подверженностью ее указанным дестабилизирующим факторам. Среди различных систем АТС наибольшее число отказов дают наиболее распространенные системы электрической централизации — 50-60 %, автоматической блокировки — 20-30 % и полуавтоматической блокировки — 10-15 %. При этом самую низкую надежность имеет напольное оборудование. Наибольшее число отказов имеют рельсовые цепи — 20 %, что объясняется условиями их эксплуатации. Они подвергаются постоянным динамическим нагрузкам и резким колебаниям температуры и влажности окружающей среды. Основными причинами отказов рельсовых цепей являются нарушение изоляции в стыке, обрыв стыкового соединителя, понижение сопротивления балласта. У стрелочных электроприводов (около 13 % всех отказов) наиболее характерными отказами являются нарушение контакта автопереключателя, неполное прижатие щеток, загрязнение коллектора, обрыв и замыкание секций обмоток якоря и статора, неисправности механической передачи. Отказы светофоров (около 6 % всех отказов) состоят в основном из перегорания нити ламп, нарушения контакта в ламподержателе, неисправности монтажа, боя линз. Наибольшее число отказов среди реле дают импульсные реле (эрозия контактов, пробой выпрямителя, разрегулировка электрических характеристик). Основными причинами отказов нейтральных реле являются нарушение контакта в штепсельном разъеме, подгорание и эрозия контактов и др. Значительную долю отказов дают кабельные и воздушные линии связи −13 %, источники питания — 9 % и элементы защиты — 7 %.
Методы обеспечения необходимого уровня надежности систем АТС состоят в применении высоконадежных, отказоустойчивых, контро-лепригодных систем и прогрессивных методов технического обслуживания. Надежность существующих релейных устройств базируется на высоких качествах железнодорожных реле первого класса надежности, которые имеют интенсивность отказов порядка 0,1-0,3. Большие габариты реле и возможность визуального наблюдения за их работой определяет хорошую контролепригодность устройств. Современные системы АТС строят на микроэлектронной и микропроцессорной элементной базе. Основной способ обеспечения их надежности заключается во введении избыточности (аппаратурной, программной, информационной и временной). Эффективным способом повышения надежности систем АТС является совершенствование методов технического обслуживания, поскольку практически все системы АТС являются восстанавливаемыми с длительным сроком службы. Техническое обслуживание включает в себя плановые работы, выполняемые в соответствии с инструкциями, восстановительные работы при отказе и текущий ремонт. Время восстановления Тв складывается из времени оповещения электромеханика об отказе, времени прибытия к отказавшему объекту, времени поиска и устранения отказа. В среднем по сети Тв = 60-90 мин. В отрасли используют три метода технического обслуживания: индивидуальный (околотковый), групповой (бригадный) и комбинированный. В случае околоткового метода обслуживаемый объект разделяют на небольшие участки, на которых все работы выполняют электромеханик и электромонтер. При бригадном методе весь объект обслуживает бригада из нескольких человек во главе с руководителем. Бригадный метод обеспечивает наибольшую производительность труда и хорошее качество обслуживания.
Надежность устройств электроснабжения
Устройства электроснабжения (ЭС) состоят из двух достаточно сложных подсистем -тяговых подстанций и контактной сети, включающих большое количество оборудования, аппаратов, деталей, проводов, изделий, от нормального функционирования которых зависит работоспособность как подсистемы, так и системы в целом. Надежность тяговой подстанции — свойство обеспечивать в расчетных режимах преобразование электрической энергии и питание контактной сети с отклонениями по уровню напряжения в пределах установленных норм.
Надежность контактной сети — свойство обеспечивать передачу электроэнергии от тяговых подстанций к электроподвижному составу и нормальный токосъем при расчетных скоростях движения и любых атмосферных условиях (кроме стихийных бедствий) с минимальным износом контактных проводов и накладок токоприемника.
По критериям надежности устройства ЭС делят на две разновидности. Первая — устройства, не имеющие резерва, — контактная сеть, сглаживающие устройства тяговых подстанций, посты секционирования, пункты параллельного питания, системы телеуправления и дистанционного управления, аккумуляторные батареи, устройства компенсации реактивной мощности. Вторая — устройства, имеющие резерв,- оборудование тяговых подстанций, питающие линии контактной сети и т. п. По характеру работы устройства ЭС делят на постоянно работающие (контактная сеть и силовое электрооборудование тяговых подстанций), дежурные (устройства защиты, телеуправления, сигнализации) и запасные (оборудование тяговых подстанций, находящееся в резерве).
К полным отказам устройств ЭС относят следующие незапланированные события. Для тяговых подстанций — события, вызывающие прекращение питания контактной сети или других подключенных к ней тяговых потре-
бителей хотя бы по одной из питающих линий (фидеров), а также вынужденный переход на резервные устройства. Для контактной сети -невозможность пропуска электроподвижного состава или необходимость движения на выбеге с опущенным токоприемником по любому из электрифицированных путей. Для постов секционирования и пунктов параллельного соединения — отключение хотя бы одной питающей линии поста или отключение пункта. Для устройств телемеханики — невозможность телеуправления любым из управляемых объектов или получения от указанных объектов ответной телесигнализации. К полным отказам относят также такие повреждения, при которых потребовался бы немедленный выезд на место оперативного или ремонтного персонала для восстановления нормального функционирования устройства.
Повреждения контактной сети связаны с недостатками, допущенными при ее проектировании и монтаже, дефектами конструкций, узлов и деталей, низким качеством материалов, условиями погоды, неудовлетворительным содержанием, неправильными действиями персонала, вандализмом, с неисправностями токоприемников и короткими замыканиями на электроподвижном составе, с прочими причинами (сходы с рельсов, развал грузов, стихийные бедствия и т. п.). Доля повреждений по причинам, не зависящим от надежности контактной сети, превышает 40-45 % их общего количества. Практически половина повреждений вызвана неисправностями электроподвижного состава или ошибочными действиями машинистов.
Основными повреждениями контактной сети являются: обрывы контактных проводов, повреждения изоляторов, консолей фиксаторов и опор. Наиболее характерные повреждения контактной сети связаны с поджатием (подъемом) проводов токоприемниками и ударами по стержню фиксаторов или захватами отходящих ветвей контактной подвески. Частыми повреждениями являются опрокидывания (раскрытие) фиксаторов. Захваты проводов полозом токоприемника происходят в связи с перемещением контактных проводов за рабочую часть полоза токоприемника. Тяжелые последствия возникают из-за повреждений при гололеде. Это могут быть пережоги и поджоги проводов (электрической дугой), а также разрушения узлов, конструкций, опор, обрывы проводов вследствие повышения механических нагрузок, особенно при гололеде с ветром. На открытых местах и насыпях могут возникать автоколебания (пляски) проводов контактной сети, при которых невозможен проход токоприемника и могут быть повреждены струны и изоляторы. Особое место занимают пережоги контактного провода над токоприемником вследствие плохого контакта, неудовлетворительного состояния поверхностей касания (загрязнения) и слабого нажатия токоприемника, превышения времени и значения тока, износа контактного провода и его слабого натяжения. Пережоги часто возникают при подъеме и опускании токоприемника под током, в местах секционирования контактной сети, из-за шунтирования полозом изолирующих сопряжений и секционных изоляторов, в местах установки токоведущих зажимов вследствие увеличения сопротивления при окислении и деформации. Так как опоры контактной сети в основном железобетонные, то одной из наиболее сложных проблем надежности контактной сети является повреждение бетона и стали опор и фундаментов от химической (атмосферной и почвенной) и электрической коррозии. Особенно опасна коррозия фундаментных частей опор, так как отсутствуют методы контроля их состояния. По этому виду повреждений бракуется до 63 % всех опор.
Повреждения тяговых подстанций связаны с выходом из строя высоковольтных выключателей, силовых трансформаторов, полупроводниковых выпрямителей, релейной защиты и устройств управления вследствие перенапряжений, токов коротких замыканий и неправильных действий эксплуатационного персонала. Так как основное электрооборудование подстанций резервируется, то продолжительность перерывов в движении поездов из-за повреждений на подстанциях составляет около 3 % общего числа задержек, вызванных неисправностью устройств ЭС. Для обеспечения нормальной работы контактной сети разрабатывают новые изоляторы, в том числе полимерные для замены фарфоровых и стеклянных. Новые изоляторы должны обеспечивать долговечность не менее 20 лет, стойкость к атмосферным загрязнениям всех видов (в том числе химическими удобрениями), простоту очистки, высокую механическую прочность при растяжении и изгибе, вибростойкость, меньшую массу, высокую дугостойкость и триингостойкость (по отношению к токам утечки).
Предотвращение обледенения контактной сети и токоприемников осуществляют тремя методами: химическим (нанесение на провода специальных антиобледенительных покрытий), механическим (удаление льда обивкой, вибрацией или скалыванием), электрическим (нагрев проводов током). Способы снижения колебаний контактной сети делят на три группы:
изменение собственных частот на смежных пролетах, применение ромбовидной подвески и удерживающих конструкций для снижения амплитуды колебаний, использование устройств поглощения энергии колебаний (гасители колебаний и грузы, демпферы).
Защита от пережогов контактных проводов весьма разнообразна. В местах трогания предусматривают параллельные соединения контактных проводов не менее двух путей, более частые установки электрических соединителей между контактным и несущим проводами. Для защиты изолирующих сопряжений увеличивают расстояния между ветвями проводов, применяют защитные экраны, шунты и накладки на контактные провода. Для предотвращения пережогов проводов в токоведущих зажимах наиболее эффективны безболтовые соединения, осуществляемые сваркой методом взрыва, термитным способом, аргоновой или электродуговой сваркой, методом опрессовки. Нагрев зажимов целесообразно контролировать дистанционно.
Проблема коррозии опор и фундаментов контактной сети стала особенно актуальной, когда в целях экономии металла перешли на железобетонные опоры конической формы, изготовленные методом центрифугирования, имеющие небольшой защитный слой бетона и более тонкую (4-5 мм) арматуру. При коррозии и потере механической прочности отдельных струн арматуры зачастую происходит хрупкий (мгновенный) излом. Поэтому целесообразен переход на смешанное армирование, с дополнительным ненапряженным армированием, переход к цилиндрической форме опор и применению металлических опор с антикоррозийным покрытием. Необходима окраска металлических жестких поперечин и опор защитным пенетрирующим составом, эффективно применение полимерных порошковых покрытий. Для контроля коррозии металлических конструкций удобны ультразвуковые толщиномеры.
Предотвращение электрической коррозии фундаментных частей опор, особенно сильной в устойчивых анодных зонах на участках постоянного тока, возможно путем исключения появления потенциала рельсов на арматуре железобетона. Для этого используют защиту от токов коротких замыканий без прямого электрического соединения деталей опор с рельсом, а именно: искровые промежутки и полупроводниковые приборы, изоляцию всех деталей, соединяемых с рельсом, от опоры. Опасность коррозии снижают увеличением сопротивления цепи рельс — опора — земля с искусственным понижением потенциала рельса относительно земли, применением катодной защиты, дренажей, протекторов и других устройств. Следует переходить от опор со стаканными фундаментами к нераздельным опорам, разрабатывать опоры открытого профиля (двутавровые или лучевые), использовать изоляционные или полимерные покрытия, создавать и применять новые материалы на базе полимеров или полимербетонов. Кардинальным решением должен стать переход на стальные опоры широкого двутавра с антикоррозийным покрытием, опоры из легированной стали и легких сплавов или высокопрочных полимерных материалов с монолитными водонепроницаемыми частями закрепления опор в грунт.
Повышение надежности тяговых подстанций достигают главным образом повышением работоспособности электрооборудования в режимах отключения токов короткого замыкания, ограничением атмосферных и коммутационных перенапряжений в режимах рабочих перегрузок. Большинство быстродействующих выключателей питающих линий постоянного тока работает на пределе разрывной мощности. Более надежными являются работа двух последовательных выключателей, применение лабиринтных дугогасительных камер. Требуется разработка средств диагностирования состояния контактов и дугогасительной камеры, а также методики оценки остаточного ресурса. Наибольший эффект дает переход к бесконтактным коммуникационным аппаратам и использование на подстанциях постоянного тока управляемых выпрямителей для бесконтактного отключения. Повышение надежности тяговых подстанций переменного тока может быть получено заменой масляных выключателей на выключатели с вакуумными камерами. Повышают эффективность защиты изоляции подстанций и постов секционирования посредством новых разрядников, включенных последовательно с предохранителями и установленных в наиболее опасных местах тяговой сети. Полупроводниковые выпрямительные и инверторные агрегаты тяговых подстанций обладают повышенной чувствительностью к токам коротких замыканий и уровням перенапряжений. Поэтому основными мерами повышения надежности являются замена полупроводниковых приборов с паяными контактами; строгое нормирование перегрузок; применение обоснованных запасов, эффективных защит и разумного резервирования. Важно применение устройств тестового и рабочего диагностирования агрегатов. Надежность подстанций повышают также заменой многозвенных фильтров на апериодические одно- и двухзвенные, применением реакторов со стальными сердечниками, переходом на конденсаторы с негорючим заполнением. Переход от 6-пульсных к 12-пульсным выпрямителям помимо энергетической эффективности уменьшает мощность сглаживающих устройств.
Оценивать системную надежность необходимо по числу повреждений, отнесенному к определенному измерителю, то есть по удельному числу повреждений. За определенный период времени это соответствует параметру потока отказов. Кроме того, число повреждений контактной сети можно определить на ее развернутую длину, на число проходов токоприемников, на анкерный участок или на удельное электропотребление, число отключений фидеров контактной сети. По тяговым подстанциям — число повреждений на одну подстанцию, на количество преобразованной электроэнергии и т. д. Объективный показатель должен давать оценку бесперебойности движения поездов, то есть работоспособности системы в целом. Наиболее широко распространены измерители: для контактной сети на 100 км развернутой длины, для подстанций — одна подстанция. Однако эти измерители не бесспорны.
Наиболее слабым звеном системы электроснабжения является контактная сеть. Согласно статистике, здесь наиболее характерными повреждениями являются, пережоги и обрывы контактного провода — 18,5 %, пробои и перекрытия изоляторов — 19,3 %; повреждения фиксаторных узлов — 4,8 %; повреждения опор, консолей, кронштейнов — 12,2 %; прочие повреждения — 44,2 %. Удельная повреждаемость устройств ЭС по сети за 1985—1989 гг. составила, контактной сети — 2,16 повреждений на 100 км развернутой длины; устройств защиты, телеуправления и сигнализации с задержкой поездов — 2,75 повреждений на 100 км развернутой длины; тяговых подстанций — 0,25 повреждений на одну подстанцию. Эти показатели подчеркивают важную роль ЭС в обеспечении безопасности и бесперебойности движения поездов.
Большинство повреждений контактных проводов, изоляторов и фиксирующих устройств восстанавливают за 90-150 мин. Отдельные случаи длительной ликвидации повреждений (более 5-6 ч) относят к случаям сходов подвижного состава и снежных заносов.
