Электрический износ

Этот вид износа обусловлен как процессами, протекающими в скользящем контакте, так и естественным действием протекающего в проводе тока на его материал.

К электрическому изнашиванию контактных проводов при передаче электрической энергии через скользящий контакт относят электроэрозионный процесс потери некоторого объема провода.

Исследованием величины электрической эрозии металлов установлено, что она зависит от электрических параметров разрядного контура (R, L, С), среды, в которой осуществляется разряд, характера разряда, природы вещества.

Электроэрозионное повреждение контактного провода может приводить к появлению дефекта на поверхности провода, что в условиях постоянных растягивающих нагрузок и искрения приведет к пластическому деформированию с образованием шейки и обрыву провода.

Электрический износ контактного провода в конкретной точке зависит от общей величины протекавшего через эту точку количества электричества (измеряемого в кулонах или А × с) Следовательно, при одних и тех же скоростях движения (или времени контакта этой точки с полозами токоприемников) и прочих одинаковых условиях износ провода зависит от величины снимаемого токоприемниками тока [12]. Большой практический интерес представляет соотношение между механическим и электрическим износом.

Установлено, что искрение возрастает с увеличением снимаемого тока при любых материалах вставок, что является следствием усиления электровзрывной эрозии.

Полярность контактного провода также влияет на его износ. Почти при всех лабораторных испытаниях положительной полярности соответствовали большие значения интенсивности изнашивания, но в условиях эксплуатации влияние полярности значительно меньше, чем величины тока, условия смазывания и качество токосъема. Указанное относится к контактной сети, использующей постоянный ток, для переменного тока результаты подобных исследований не приводились.

Износ на сопряжениях анкерных участков, воздушных промежутках, стрелках. Наблюдениями установлено, что при скоростях движения электровоза 150–160 км/ч качество токосъема на сопряжениях анкерных участков компенсированной подвески с двойным контактным проводом ниже, чем в промежуточных пролетах. Это объясняется резким изменением жесткости в переходном пролете сопряжения, динамическими ударами и отрывами токоприемника электровозов.

На воздушных промежутках линий постоянного и переменного токов повышенный электроэрозионный износ связан с возникновением электрической дуги при замыкании полозом токоприемника разнопотенциальных секций контактной сети. Бороться с описанным явлением путем подвески экранов, защищающих контактный провод, но снижающих жесткость, целесообразно только при относительно невысоких скоростях движения поездов; замена медных контактных проводов бронзовыми на воздушных промежутках не даст заметного эффекта, поскольку температуры плавления меди и проводниковых бронз (которыми определяется их электроэрозионная стойкость) близки.

Наиболее эффективны схемные решения [12], снижающие вероятность возникновения мощной дуги на разделе питания или делающие невозможным само появление дуги.

Износ проводов на воздушной стрелке во многом зависит от ее правильной регулировки. Местный износ под ограничительной планкой стрелки наблюдается на длине 1–1, 4 м. В [12] рекомендовано периодически изменять зигзаги контактного провода в зоне стрелки, чтобы переместить повышенный износ и тем удлинить срок службы провода. Например, изменение зигзага от 360 до 450 мм на стрелке с крестовиной 1/11 смещает точку пересечения проводов более чем на 1 м.

Волнообразный износ. Этим термином названо явление интенсивного электрического износа и тяжелых дуговых повреждений контактного провода на последовательно расположенных коротких участках
(100–150 мм), разделенных еще более короткими (10–30 мм) участками с хорошо пришлифованной блестящей поверхностью. Особенно быстро волнообразный износ возникал в местах трогания и разгона ЭПС, и на подъемах. Главной причиной возникновения волнообразного износа на участках переменного тока являлось прикосновение к проводу в какой-то момент времени не контактных пластин, а плохо проводящей сухой графитовой смазки. При этом съем тока пластинами осуществляется через электрическую дугу с образованием первых двух «волн». Последующие проходы полозов (в одну или обе стороны) «растягивают» это явление и усиливают износ там, где он возник. Далее становится неважным, какова поверхность полоза, так как уже нарушена поверхность провода.

Поскольку электроэрозионный износ пропорционален количеству электричества, то волнообразный износ проявился на линиях постоянного тока 3 кВ раньше, чем на переменном 25 кВ, и на участках с низкими скоростями (места трогания и разгона ЭПС, на подъемах) раньше, чем на участках с большими скоростями движения. Волнообразный износ не возникает при использовании угольных вставок (независимо от числа их рядов на полозе), так как они обладают достаточно высокой проводимостью и не требуют сухой смазки [12].

Причину возникновения волнообразного износа объясняют высокочастотными колебаниями провода, возбуждаемыми силой трения по нему вставок, возникновением стоячих волн и ритмическими отрывами вставок от провода, находящегося в таком состоянии. Поэтому такой износ может быть при любых контактных материалах, если динамические характеристики контактной подвески и токоприемников не соответствуют друг другу.

Износ при гололеде. Когда контактные провода покрываются гололедо-изморозевыми образованиями (гололед, изморозь или смесь гололеда и изморози), токосъем осуществляется только через электрическую дугу независимо от толщины корки такого образования (далее его условно будем называть гололедом). Наблюдения показали, что при гололеде на поверхность трения медных пластин (катод) с провода (анод) дугой переносятся большие массы меди. Сильно повреждаются и сами пластины, срок их службы резко уменьшается. На поверхности трения угольных вставок появление при гололеде сколько-нибудь значительных масс меди – явление очень редкое, но на боковых поверхностях вблизи поверхности трения отмечается напыление меди. Сами же вставки изнашиваются, естественно, быстрее, чем при отсутствии гололеда

Изнашивание провода и пластин при гололеде протекает наиболее интенсивно, и только благодаря относительно редкой повторяемости этого явления оно не определяет срок службы провода.

Обеспечение удовлетворительного качества токосъема при гололеде зависит и от работников локомотивного хозяйства. Им рекомендовано применение гидрофобных антиобледенительных покрытий для токоприемников в период гололеда, а также увеличение нажатия токоприемника на провод, примерно на 2 даН выше принятого для обычных условий.

Работа электровозов на двух поднятых токоприемниках способствует снижению скорости изнашивания при гололеде не только благодаря распределению электроэрозионного износа материала вставок между этими токоприемниками, но и, главным образом, благодаря взаимному шунтированию при хорошем контакте с проводом любого из них

В Японии с запараллеленными токоприемниками работают электропоезда постоянного тока. Большие преимущества такой работы не только в отношении уменьшения износа, но и предупреждения пережогов провода при коротком замыкании в электросекциях.

Влияние контактного нажатия на износ провода. Увеличение нажатия снижает контактное электрическое сопротивление и уменьшает время (и, следовательно, протяженность зоны) отрыва полоза от провода, что в целом снижает «электрическую» составляющую износа. Но одновременно возрастает «механическая» составляющая. Доля той и другой зависит в первую очередь от вида токосъемного материала. По данным [18], для полоза с металлографитными пластинами нажатие желательно иметь возможно меньшим, с угольными вставками – возможно большим.

Должно существовать некоторое оптимальное статическое нажатие токоприемника на провод, при котором интенсивность изнашивания будет минимальной. Однако, несмотря на большой размах исследований в области токосъема, такой важный вопрос, как выбор оптимального нажатия для конкретных видов токоприемников и материалов вставок, разработан недостаточно. Об этом свидетельствует большой разброс значений номинального статического нажатия токоприемников в различных странах: 5, 5–15 даН на постоянном токе и 4, 5–11 даН на переменном токе.