История развития электрифицированных железных дорог

В 1879 г. на промышленной выставке в Берлине фирма «Сименс и Хальске» продемонстрировала первый электровоз и железную дорогу длиной 300 м. эта дата стала годом рождения электрической тяги. электровоз имел мощность 2,2 кВт и перевозил три вагончика с 18 пассажирами [1]. Электрический ток напряжением 160 В передавался к двигателю по отдельному контактному рельсу, обратным проводом служили рельсы, по которым двигался поезд (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Копия первого электровоза фирмы «Сименс
и Хальске» (1879 г.) в музее Германских железных
дорог в Нюрнберге

Швейцарский инженер Рене Тьюри (1860–1938) в 1884 г. построил экспериментальную горную реечную дорогу в пригороде Монтрё. Движение по участку к горному отелю с уклоном 30 ‰ длиной 300 м осуществлялось двухосным локомотивом, который мог также перевезти 4 пассажиров.

Далее первое распространение электрическая тяга получила в городском транспорте. Первая трамвайная линия начала работать в пригороде Берлина в 1881 г.

В США появление электрической тяги связано с именем изобретателя Франклина Дж. Спарга (1857–1934), которого называют в Америке "отцом электрической тяги". В 1880 г. Ф. Спарг получил патент на систему токосъема от контактного провода с контактным колесиком на токоприемнике, с использованием которого в 1887 г. в г. Ричмонд (Вирджиния) была построена первая в США электрическая трамвайная система Richmond Union Passenger Railway. Здесь 2 февраля 1888 г. впервые была продемонстрирована возможность беспроблемно эксплуатировать трамвайные линии с уклонами до 10 ‰, что ранее при конной тяге было невозможно.

В России тоже были построены опытные образцы электрической тяги еще ранее этих дат, но первый трамвай пошел по улицам Киева в 1892 г. Затем трамвайные линии были пущены и в других городах.

Первый участок магистральной железной дороги на электрической тяге длиной 11,2 км был открыт в 1895 г. в США между Балтимором и Огайо (Baltimore Belt Line) с напряжением в контактной сети 675 В постоянного тока. Линия состояла из открытого участка длиной 6,4 км и подземного в черте города (рис. 1.2). Электровозы для нее поставлялись компанией General Electric.

Рис. 1.2. Первая в мире магистральная железная
дорога на электрической тяге между Балтимором
и Огайо (Baltimore Belt Line) 1895 г.

Первый в Европе опытный электровоз для магистральных линий был создан венгерским инженером Кальманом Кандо в 1894 г. Электровоз питался от трехфазной сети высокого напряжения 3300 В частотой 15 Гц
и был оборудован асинхронным тяговым двигателем. В качестве преобразователя была применена новая электрическая машина, изобретенная Кандо, – фазовращатель.

Электровозы, сконструированные К. Кандо, были применены в Италии для организации движения на полноценном железнодорожном маршруте 1898 г. (до этого они применялись только на отдельных участках дорог). Энергия к электровозу подавалась по двум контактным проводам, в качестве третьей фазы использовались рельсы (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Первый в мире электровоз переменного тока Кальмана Кандо (Венгрия)

В СССР первый электрифицированный в системе постоянного тока напряжением 1,5 кВ пригородный участок Баку–Сураханы был открыт в 1926 г.

Первый электрифицированный пригородный участок на территории России протяженностью около 18 км: Москва – Мытищи был открыт в 1929 г. Первый электропоезд с пассажирами прошел по нему 29 августа 1929 г. Это послужило началом электрификации отечественных железных дорог.

С момента появления первой электротяги система тягового электроснабжения железных дорог в значительной степени изменилась, сохранился только принцип действия. Применяется привод осей локомотива от электрических тяговых двигателей, которые используют энергию электростанций. Эта энергия подводится от электростанций к железной дороге по высоковольтным линиям электропередачи, а к электроподвижному составу – по контактной сети. Обратной цепью служат рельсы и земля [2].

К настоящему времени в мире применяются три различные системы электрической тяги:

– постоянного тока;

– переменного тока пониженной частоты;

– переменного тока стандартной промышленной частоты 50 Гц.

В первой половине XX в. для электрификации железных дорог применялись две первые системы, третья – получила признание в 50–60-х гг., когда началось интенсивное развитие преобразовательной техники и систем управления приводами.

В системе постоянного тока к токоприемникам электроподвижного состава подводится ток напряжением 3000 В (в некоторых странах 1500 В и ниже). Такой ток обеспечивают тяговые подстанции, на которых переменный ток высокого напряжения общепромышленных энергосистем понижается до нужного значения и выпрямляется мощными полупроводниковыми выпрямителями. Одним из основных преимуществ системы постоянного тока является применение коллекторных двигателей постоянного тока, обладающих превосходными тяговыми и эксплуатационными свойствами. А к числу ее недостатков относится сравнительно низкое значение напряжения в контактной сети, ограниченное допустимым значением напряжения двигателей. Следствием этого являются значительные токи в контактной сети, которые вызывают потери энергии и затрудняют процесс токосъема. Интенсификация железнодорожных перевозок и увеличение массы поездов привели на некоторых участках постоянного тока к трудностям питания электровозов из-за необходимости увеличения площади поперечного сечения проводов контактной сети и обеспечения эффективности токосъема.

Все же система постоянного тока получила широкое распространение во многих странах, более половины всех электрических линий работают по такой системе. Так, в России к настоящему моменту на половине электрифицированных участков используется система тягового электроснабжения (СТЭ) постоянного тока, распространенная также во Франции и Японии.

Стремлением поднять напряжение в контактной сети и исключить из системы электрического питания процесс выпрямления тока объясняется применение и развитие в ряде стран Европы (Германия, Швейцария,
Норвегия, Швеция, Австрия) системы переменного тока напряжением 15000 В, пониженной частоты 16 2/3 Гц. При этой системе на электровозах используют однофазные коллекторные двигатели, имеющие худшие показатели, чем двигатели постоянного тока. Эти двигатели не могут работать на общепромышленной частоте 50 Гц, поэтому приходится применять пониженную частоту. Для выработки электрического тока такой частоты потребовалось построить специальные электростанции, не связанные с общепромышленными энергосистемами. Линии электропередачи в этой системе – однофазные, на подстанциях осуществляется только понижение напряжения трансформаторами. В отличие от подстанций постоянного тока, в этом случае не нужны преобразователи переменного тока в постоянный, в качестве которых применялись ненадежные в эксплуатации, громоздкие и неэкономичные ртутные выпрямители [3].

К настоящему времени на переменном токе напряжением 15 кВ пониженной частоты 16 2/3 Гц электрифицированы железные дороги Германии, Австрии и Швейцарии, образуя общую систему.

В 50-е гг. XX в. в СССР и Франции были начаты работы по созданию новой более экономичной системы электрической тяги: переменного
тока промышленной частоты 50 Гцс напряжением в тяговой сети 25 кВ. Первый участок магистральной линии в СССР, электрифицированный на переменном токе, Ожерелье–Павелец длиной 137 км запущен в 1955–1956 гг.

В этой системе, как и в системе постоянного тока, тяговые подстанции питаются от общепромышленных высоковольтных трехфазных сетей. Но на них нет выпрямителей. Трехфазное напряжение переменного тока линий электропередачи преобразуется трансформаторами в однофазное напряжение контактной сети 25 кВ, а ток выпрямляется непосредственно на электроподвижном составе. Легкие, компактные и безопасные для персонала полупроводниковые выпрямители, которые пришли на смену ртутным, обеспечили приоритет этой системы. К основным преимуществам данной системы по сравнению с системой постоянного тока можно отнести увеличение расстояния между тяговыми подстанциями, уменьшение площади сечения проводов контактной сети и сокращение потерь электроэнергии.

К настоящему времени по системе переменного тока промышленной частоты работают около половины электрифицированных железных дорог России и Франции, все железные дороги Китая. Во всем мире электрификация железных дорог развивается по системе переменного тока промышленной частоты.

В современных условиях полигон электрифицированных линий будет расширяться за счет перевода существующих магистралей на электрическую тягу и строительства новых магистралей. Особенный упор делается на строительство высокоскоростных линий.

Стратегическая задача ОАО «РЖД» по повышению объемов перевозок и эффективности работы во многом решается увеличением средней массы и длины грузовых поездов на основных направлениях сети железных дорог. К 2030 г. в России намечается электрифицировать около 7,5 тыс. км, т. е. протяженность линий с электрической тягой будет более 50 тыс. км.

1.2. Общие сведения об электрифицированных
железных дорогах мира

Во всем мире общая протяженность железных дорог приблизилась к 1 млн. км; из них 25 % электрифицировано, а 75 % рабо­тает на тепловозной тяге. Мировой объем перевозок между этими видами тяги распределяется примерно одинаково. Следовательно, при меньшей протяженности электрифицированных железных дорог средняя грузонапряженность на них в 3 раза выше, чем на линиях с тепловозной тягой, наряду с невысокой себестоимостью, экологической безопасностью и другими преимуществами [2].

На рис. 1.4 показано процентное отношение протяженности железных дорог по регионам мира:

– Россия имеет 9% и занимает 2-е место по длине железных дорог, после США;

– страны Северной Америки – 29 % (из них на США приходится более 24 %).

Рис. 1.4. Диаграммапротяженности железных дорог в процентах по регионам

В табл. 1.1 приведены основные системы тягового электроснабжения, имеющие наибольшее распространение в мире [1].

Наибольший удельный вес общей протяженности электрифицированных железных дорог мира приходится на страны Западной, Центральной и Восточной Европы и страны СНГ. Также электрифицированный железнодорожный транспорт достаточно развит в Юго-Западной и Юго-Вос­точ­ной Азии (в основном это Япония, Китай и Индия) и на юге Африки (в основном за счет ЮАР). По абсолютной протяженности электрифицированных железных дорог среди стран мира лидирует Россия (40,3 тыс. км),
с большим отрывом от Германии (18,8 тыс. км) и ЮАР (16,8 тыс. км). Представляет интерес то, что на 12 стран объединенной Европы приходится почти три четверти общей протяженности электрифицированной железнодорожной сети мира. Примечателен и тот факт, что к настоящему времени у пионеров внедрения электрической тяги (США) протяженность электрифицированных железных дорог составляет около 1 %.

Таблица 1.1

Данные по электрификации железных дорог мира [2]

Страны	Протяженность железных дорог, тыс. км.	Длина электриф. линий, %	Объем перевозок электриф. железных дорог, %	Система тяги
Переменный ток	Постоянный ток	Др. системы
общая	электрифициро- ванных	25 кВ, 50 Гц	15 кВ, 16 2/3 Гц	3 кВ	1,5 кВ
Страны Европы	232,90	109,50		62,5	26,05	34,73	37,59	8,30	2,80
Россия	86,15	42,90	50,4		24,10	0,00	18,80	0,00	0,00
Страны СНГ (без России)	54,24	17,85		67,4	9,48	0,00	8,38	0,00	0,00
Страны Северной Америки	266,88	0,92	0,35	–	0,25	0,00	0,42	0,00	0,25
Страны Южной Америки	46,41	2,99	6,4	15,1	1,50	0,00	1,23	0,00	0,26
Страны Азии	195,21	47,11	24,1	53,1	32,14	0,00	4,27	10,21	0,50
Страны Африки	59,43	19,14	32,2	46,6	4,83	0,00	13,30	0,05	0,96
Австралия, Н.Зел	13,41	2,39	33,0	68,8	2,28	0,00	0,00	0,11	0,00
Всего в мире	954,60	242,80			100,62	34,73	83,98	18,67	4,77

На диаграмме (рис. 1.5) представлено процентное отношение электрифицированных линий по регионам. Видно, что в России 18 % всех электрифицированных линий мира. Тогда как

– в странах Северной Америки менее 1 %;

– в странах Европы 46 %;

– в странах Азии 19 %;

– в СНГ (без России) 7 %.

Рис. 1.5. Диаграмма соотношения электрифицированных дорог в мире [2]

По удельному весу электрической тяги в общем объеме транспортной работы железнодорожного транспорта лидируют Грузия и Армения (100 %), Швейцария (99,0 %) и Швеция (95 %), далее следуют Германия (87,6 %), Великобритания (55 %), Италия (90,7 %), Россия (46,2 %) [4].

На рис. 1.6–1.9 приведена география распространения основных систем тягового электроснабжения, отмечены страны, в которых по данным системам электрифицировано более 1000 км железных дорог.

На гистограмме (рис. 1.10) даны соотношения длины электрифицированных линий к общей длине железных дорог по государствам, имеющим самые протяженные сети железных дорог. Видно, что по абсолютной длине электрифицированных линий Россия на первом месте, на втором Германия на третьем ЮАР.

Рассмотрим, подробней ситуацию на железных дорогах России
(табл. 1.1).

Протяженность железных дорог России 86,15 тыс. км. Из них электрифицировано 42,9 тыс. км, а это 50,4 %. Объем перевозок на электрической тяге составляет 84 % от общего объема. значит, грузонапряженность электрических дорог в России в 4,7 раз больше чем дорог на тепловозной тяге.

Электрификации подлежат участки с наибольшей грузонапряженностью, которая характеризуется средним ко­личеством выполненных тонно-кило­метров или приведенных тонно-ки­лометров, приходящихся на 1 км эксплуатационной длины L_экс,и определяется выражением

или (1.1)

Под эксплуатационной длиной по­нимают протяженность железнодо­рожных линий между станциями без учета путей: второго главного, стан­ционных и др.

Рис. 1.6. География распространения системы 1,5 кВ постоянного тока	Рис. 1.7. География распространения системы 15 кВ переменного тока частотой 16 2/3 Гц
Рис. 1.8. География распространения системы 3,3 кВ постоянного тока	Рис. 1.9. География распространения системы 25 кВ переменного тока

Рис. 1.10. Диаграмма соотношения длины электрифицированных железных дорог к их общей длине по странам-лидерам

В России однопутные участки подлежат электрификации, если грузонапряженность составляет 10–20 млн. ткм/км в год. Двухпутные участки должны электрифицироваться, если грузонапряженность составляет 25–45 млн. ткм/кмв год.

Ежегодно на тягу поездов в России расходуется примерно 5 % электроэнергии от общего потребления ее в народном хозяйстве, дизельного топлива – 13,4 % общего его расхода. На долю топлива и энергии приходится более 20 % себестоимости перевозок. Эти цифры свидетельствуют
о важности бережного отношения к электроэнергии и топливу [3].

1.3. Основные преимущества электрифицированных
железных дорог

Электрическая железная дорога по сравнению с другими видами транспорта для выполнения одной и той же перевозочной работы затрачивает меньшее количество энергии. Если принять расход энергии электрических железных дорог за единицу, то остальные виды транспорта находятся в следующем соотношении:

· железнодорожный электрифицированный – 1,00;

· морской – 1,02;

· железнодорожный неэлектрифицированный – 1,40;

· речной – 2,90;

· автомобильный – 14,00.

При электрической тяге скорость движения, нормы массы поездов, производительность локомотивов выше, чем при тепловозной тяге (табл. 1.2).

Наибольший технико-экономический эффект от электрической тяги достигается на участках с горным профилем и участках с высокой грузонапряженностью.

Только электрическая тяга может обеспечить рост перевозок в пригородном сообщении крупных городов. Удельный вес пригородного сообщения в стране на электрической тяге в настоящее время превышает 90 %.

Себестоимость перевозок на электрической тяге значительно ниже, особенно в пассажирском и пригородном движении.

Опыт эксплуатации показал, что электрифицированные линии работают более надежно и стабильно, чем линии с тепловозной тягой. Суммарное количество неполадок электровозов и повреждений устройств электроснабжения в 2–2,5 раза меньше числа неполадок тепловозов. Трудоемкость ремонта тепловозов в 2,5–3 раза выше, а стоимость запасных частей для дизельных локомотивов почти в 9 раз превышает стоимость аналогичных деталей электроподвижного состава (ЭПС).

Таблица 1.2

Удельные показатели работы тепловозов и электровозов [3]

Показатель	Значения показателей по годам
Среднесуточная производительность, тыс. ткм брутто:
● электровоза
● тепловоза	–	–	–
Средняя масса поезда брутто, т :
● электровоза
● тепловоза

Электрические железные дороги позволяют повысить безопасность движения за счет введения двух дополнительных видов торможения: рекуперативного (электрическая энергия возвращается в сеть) и электрического (электрическая энергия преобразуется в тепловую и рассеивается).

Кроме того, электрификация железных дорог способствует ускорению технического прогресса во всем народном хозяйстве, непосредственно влияет на развитие новых районов, прилегающих к железным дорогам. Тяговые подстанции обеспечивают электроэнергией одновременно транспортных и сторонних потребителей. Отпуск электроэнергии сторонним потребителям достигает 40 %.

Кроме прочих достоинств – отсутствие загрязнения окружающей среды: электрический транспорт является самым экологически чистым видом транспорта.

Контрольные вопросы

1. Назовите дату первого упоминания об электрифицированных железных дорогах.

2. В чем заключается преимущество электрифицированных железных дорог перед неэлектрифицированными?

3. При каком показателе грузонапряженности будет экономически оправдана электрификация однопутного и двухпутного участков?

4. Какова эксплуатационная длина сети электрифицированных железных дорог России?

рекомендуемая литература: [1–3,5,7].
2. СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Общие понятия

Система электроснабжения электрифицированных железных дорогявляется частью Единой системы энергоснабжения страны и состоит из систем внешнего электроснабжения и тягового электроснабжения (рис. 2.1).

Система внешнего энергоснабжения(в дальнейшем – энергосистема) – это объединение крупных электрических станций, связанных линиями электропередачи и совместно питающих потребителей электрической энергией. Энергосистема объединяет электростанции различных типов: тепловые (ТЭС), где используются разнообразные виды органического топлива, гидроэлектростанции (ГЭС) и атомные (АЭС) (рис. 2.1). Все электростанции, объединены в Единую энергетическую систему через повышающие трансформаторные подстанции для параллельной работы на общую нагрузку [5].

Рис. 2.1. Упрощенная схема питания электрифицированной железной дороги переменного тока

Мощные гидроэлектростанции вырабатывают электроэнергию напряжением 10–20 кВ и обычно располагаются в удаленных от центра местах, а тепловые станции – в местах добычи топлива (уголь, торф, сланцы). Передача электроэнергии от этих электростанций осуществляется в районы потреблений высоковольтными линиями 500–1150 кВ. Известно, что при передаче одинакового количества энергии при высоком и низком напряжениях, в первом случае потери напряжения и энергии будут меньше, уменьшится стоимость потерянной энергии. Далее напряжение снижается до 110(220) кВ и подается в замкнутую кольцевую сеть. В эту же сеть поступает энергия и от районных теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), расположенных на территориях предприятий и жилых массивов. Кроме электроэнергии, ТЭЦ снабжают предприятия и жилые дома теплом и горячей водой [1].

На рис. 2.1 изображена схема электроснабжения электрифицированной железной дороги на переменном токе. В верхней части изображена упрощенная схема единой энергетической системы страны, или так называемая система внешнего электроснабжения железных дорог. На ней для наглядности изображены только одна удаленная ГЭС и одна ТЭЦ.

Система тягового электроснабжения (рис. 2.1) состоит из тяговых подстанций, тяговой сети и электроподвижного состава, питающегося от тяговой сети.

Назначение тяговых подстанций (ТП) состоит в том, чтобы понизить напряжение до значения, которое необходимо иметь в сети. По роду тока в тяговой сети они бывают переменного тока (25 кВ) и постоянного (3 кВ).

Тяговая сеть состоит из контактной сети, рельсового пути, питающих и отсасывающих линий (фидеров), а также других проводов и устройств, присоединяемых по длине линии к контактной подвеске непосредственно или через специальные автотрансформаторы [6].

В нижней части (рис. 2.1) схематично изображены тяговые подстанции, питающие контактную сеть и электроподвижной состав (ЭПС) на переменном токе системы 25 кВ. Наряду с традиционными системами постоянного тока напряжением 3 кВ и переменного – 25 кВ в настоящее время существуют и другие перспективные системы, различающиеся родом тока и уровнем напряжения в контактной сети и на ЭПС.

Системы электрической тяги

электрические станции вырабатывают электрическую энергию трехфазного переменного тока, которая передается на большие расстояния по проводам. Частота переменного тока, питающего промышленные установки, в разных странах различна. Она колеблется от 25 до 60 периодов в секунду (герц). В России, как и в большинстве стран, промышленная частота принята равной 50 Гц.

Для питания электровозов в первую очередь стремились применить трехфазный ток. В этом случае можно было бы установить на электровозах надежные и простые по устройству трехфазные асинхронные двигатели. Но в этом случае необходимо подвешивать три контактных провода или два, используя в качестве третьего ходовые рельсы. Устройство контактной сети при этом оказалось очень сложным, особенно на станциях при пересечении путей. Кроме того, питать двухпроводную контактную сеть напряжением выше 10 кВ практически невозможно, так как провода при высоком напряжении нужно располагать на большом расстоянии друг от друга. Трехфазная система была применена на некоторых дорогах в Италии. Но в дальнейшем широкого распространения она так и не получила.

Система постоянного тока

Требованиям, связанным с условиями тяги электровозов, наиболее полно отвечают тяговые двигатели постоянного тока. Кроме того, эти двигатели достаточно экономичны, надежны и при сравнительно небольших габаритах развивают необходимую мощность. Поэтому в СССР, как и во многих других странах, долгое время осуществлялась электрификация железных дорог по системе постоянного тока напряжением 1500 и 3000 В. В настоящее время в России и СНГ все электрические железные дороги постоянного тока работают при напряжении 3000 В. На постоянном токе, но более низкого напряжения, работают также трамвай, троллейбус и метрополитен.

Локомотивы, к которым контактный провод подводит электрическую энергию постоянного тока, называются электровозами постоянного тока, а железнодорожные линии, где они работают, – электрифицированными железными дорогами постоянного тока или, точнее, железными дорогами, электрифицированными по системе постоянного тока (рис. 2.2).

Существуют разные модификации систем тяги постоянного тока, различающихся в основном уровнем подводимого к ЭПС напряжения – от 750 до 3000 В. На рис. 2.2 приведена принципиальная схема наиболее распространенной системы тяги постоянного тока.

Структурная схема тяговой подстанции постоянного тока 3 кВ с первичным напряжением 110(220) кВ и РУ 35 кВ для питания районных потребителей. Основные функциональные узлы тяговой подстанции (рис. 2.2): РУ110(220) кВ; понижающий трансформатор; РУ 35 кВ; РУ 10 кВ; преобразовательный трансформатор; выпрямители; РУ 3,3 кВ. Через вводы трехфазное напряжение 110(220) кВ, передаваемое по трем проводам, подается в РУ110(220) кВ, откуда по присоединениям – к понижающим трансформаторам. Эти трансформаторы трехобмоточные и поэтому они обмотками ВН и НН понижают первичное напряжение до 10 кВ, а обмотками ВН и СН – до 35 кВ. Напряжение 10 кВ поступает в РУ 10 кВ, а напряжение 35 кВ – в РУ 35 кВ. От РУ 35 кВ питаются трансформаторные подстанции района, от РУ 10 кВ – нетяговые железнодорожные потребители по воздушной линии, которая обычно размещается с полевой стороны на опорах контактной сети.

Рис. 2.2. Принципиальная схема системы тягового электроснабжения 3 кВ

От того же РУ 10 кВ получают трехфазное напряжение преобразовательные трансформаторы. Они понижают напряжение до 2,63 кВ. Это напряжение подается на выпрямители, которые преобразуют его в напряжение постоянного тока 3,3 кВ. Поэтому от выпрямителей в РУ 3,3 кВ идут уже всего два провода (две шины).

Через РУ 3,3 кВ и питающую линию (фидер) контактной сети потенциал шины (+) подается на участок контактной сети, а обратный фидер (отсос) с потенциалом (–) – на рельсы.

Особенности системы электротяги. Между любым участком контактной сети и рельсами разность потенциалов (напряжение) составляет 3 кВ. На шинах питающего контактную сеть РУ напряжение на 10 % должно быть выше, чем в контактной сети, т. е. 3,3 кВ. это связано с потерями напряжения до электроподвижного состава. Расстояние между тяговыми подстанциями составляет 15–20 км. На участках электрифицированных железных дорог с большими нагрузками расстояние между ТП составляет не более 5–7 км.