Электрификация железных дорог

Во всем мире сегодня более 100 тыс. км электрифицированных железных дорог. Наиболее быстрыми темпами электрификация осуществлялась в нашей стране до 1990 г.

Днем рождения электрической тяги принято считать 31 мая 1879 г., когда на промышленной выставке в Берлине демонстрировалась первая электрическая железная дорога длиной 300 м, построенная Вернером Сименсом (рис. 20). Электровоз, напоминавший современный электрокар,

Рис. 20. Первая электрическая железная дорога

приводился в движение электродвигателем мощностью 9,6 кВт (13 л.с.). Электрический ток напряжением 160 В передавался к двигателю по отдельному рельсу, обратным проводом служили рельсы, по которым двигался поезд – три миниатюрных вагончика со скоростью 7 км/ч.

В том же 1879 г. была пущена внутризаводская линия электрической железной дороги протяженностью примерно 2 км на текстильной фабрике Дюшен-Фурье в г. Брейль во Франции. В 1880 г. в России Ф.А. Пироцкому удалось электрическим током привести в движение большой тяжелый вагон, вмещавший 40 пассажиров. 16 мая 1881 г. было открыто пассажирское движение на первой городской электрической железной дороге Берлин - Лихтерфельд. Рельсы этой дороги были уложены на эстакаде. Несколько позже электрическая железная дорога Эльберфельд – Бремен соединила ряд промышленных пунктов Германии.

Как видно, первоначально электрическая тяга применялась на городских трамвайных линиях и промышленных предприятиях, особенно на рудниках и в угольных копях. Но очень скоро оказалось, что она выгодна на перевальных и тоннельных участках железных дорог, а также в пригородном движении. В 1895 г. в США были электрифицированы тоннель в Балтиморе и тоннельные подходы к Нью-Йорку. Для этих линий построены электровозы мощностью 185 кВт (50 км/ч).

После первой мировой войны на путь электрификации железных дорог вступают многие страны. Электрическая тяга начинает вводиться на магистральных линиях с большой плотностью движения. В Германии электрифицируют линии Гамбург – Альтон, Лейпциг – Галле – Магдебург, горную дорогу в Силезии, альпийские дороги в Австрии. Электрифицирует северные дороги Италия. Приступают к электрификации Франция, Швейцария. В Африке появляется электрифицированная железная дорога в Конго.

В России проекты электрификации железных дорог имелись еще до первой мировой войны. Уже начали электрификацию линии Санкт-Петербург – Ораниенбаум, но война помешала ее завершить. И только в 1926 г. было открыто движение электропоездов между Баку и нефтепромыслом Сабунчи. С 1 октября 1929 г. началось регулярное движение электропоездов на участке Москва – Мытищи.

16 августа 1932 г. вступил в строй первый в СССР магистральный электрифицированный участок Хашури – Зестафони, проходящий через Сурамский перевал на Кавказе. В этом же году был построен первый отечественный электровоз серии С^с (рис. 21). В 30-е годы были электрифицированы отдельные участки с большим грузопотоком и тяжелым профилем пути, такие, как Кизел - Чусовская, Гороблагодатская – Свердловск, Кандалакша – Мурманск и ряд других. К началу 1941 г. общая длина электрифицированных линий превысила 1800 км. Электрификация не прекращалась даже в годы Великой Отечественной войны.

Рис. 21. Первый советский электровоз серии С^с

Техника электрических железных дорог за время их существования изменилась коренным образом, 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.

Применяются три различные системы электрической тяги - постоянного тока, переменного тока пониженного тока пониженной частоты и переменного тока стандартной промышленной частоты 50 Гц. В первой половине текущего столетия до второй мировой войны применялись две первые системы, третья получила признание в 50-60-х годах, 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.

Достоинством системы постоянного тока в то время была возможность применения 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. По этой причине по контактным проводам передаются значительные токи, вызывая потери энергии и затрудняя процесс токосъема в контакте между проводом и токоприемником. Интенсификация железнодорожных перевозок, увеличение веса поездов привели на некоторых участках постоянного тока к трудностям питания электровозов из-за необходимости увеличения площади поперечного сечения проводов контактной сети (подвешивание второго усиливающего контактного провода) и обеспечения эффективности токосъема.

Все система постоянного тока получила широкое распространение во многих странах, более половины всех электрических линий работают по такой системе.

Задача системы тягового электроснабжения – обеспечить эффективную работу электроподвижного состава с минимальными потерями энергии и при возможно меньших затратах на сооружение и обслуживание тяговых подстанций, контактной сети, линий электропередачи и т.д.

Стремление 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 15 000 В, имеющую пониженную частоту 16²/₃ Гц. В 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 «железнодорожные» 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. Но простота конструкции электровозов постоянного тока имела решающее значение, что определило ее более широкое использование. Это и обусловило распространение системы постоянного тока на железных дорогах СССР в первые годы электрификации.

В послевоенный период были восстановлены демонтированные в военные годы устройства электроснабжения, продолжена электрификация линий с высокой грузонапряженностью.

Темпы электрификации резко возросли после принятия правительством в 1956 г. постановления «О генеральном плане электрификации железных дорог». К 1980 г. протяженность участков, работающих на электрической тяге, составила 32,8 % общей протяженности, а выполняемый ими объем перевозок был равен 54,8 %.

В первые десятилетия железные дороги электрифицировали на постоянном токе напряжением 1500 В (пригородные участки) и 3000 В (магистральные). Для стыкования участков с различным напряжением в контактной сети были построены специальные электровозы (ВЛ19) и моторвагонные электросекции (СР), созданы трансформаторы для ртутных выпрямителей, способные работать на двух напряжениях: 1650 и 3300 В. Впоследствии все участки с напряжением в контактной сети 1500 В переведены на 3000 В. В 50-е годы был создан более мощный восьмиосный электровоз постоянного тока ВЛ8, а затем – ВЛ10 и ВЛ11.

Начиная с 30-х годов, изучались возможности применения однофазного переменного тока промышленной частоты для целей тяги. Проводимые исследования были возобновлены в 1951 г. В качестве опытного в 1955 - 1956 гг. на переменном токе напряжением 22 кВ электрифицировали участок Ожерелье - Павелец длиной 137 км. На нем прошли испытания электроподвижной состав и система тягового электроснабжения переменного тока, создана первая станция стыкования контактной сети двух родов тока.

В этой системе тяговые подстанции, как и в системе постоянного тока, питаются от общепромышленных высоковольтных трехфазных сетей. Но на них нет выпрямителей. Трехфазное напряжение переменного тока линий электропередачи преобразуется трансформаторами в однофазное напряжение контактной сети 25 000 В, а ток выпрямляется непосредственно на электроподвижном составе. Легкие, компактные и безопасные для персонала полупроводниковые выпрямители, которые пришли на смену ртутным, обеспечили приоритет этой системы. Во всем мире электрификация железных дорог развивается по системе переменного тока промышленной частоты.

Первым на переменном токе с напряжением в контактной сети 25 кВ электрифицирован в 1960 г. один из наиболее грузонапряженных участков Восточно-Сибирской железной дороги Мариинск - Зима с тяжелым профилем пути, расположенный в районе с суровыми климатическими условиями.

Помимо традиционной системы переменного тока напряжением 25 кВ применялись и применяются ее разновидности: с отсасывающими трансформаторами (для снижения затрат на защиту линий связи от электромагнитного влияния контактной сети), с продольным проводом напряжением 50 кВ и автотрансформаторами (так называемая система 2х25 кВ), с экранирующим усиливающим проводом (для снижения сопротивления тяговой сети).

С 1956 г. электрическая тяга вводилась в действие главным образом на основных грузонапряженных направлениях большой протяженности, связывающих европейскую часть страны с Уралом и Сибирью, в том числе с восточной ее частью, а также с югом страны. В 1961 г. завершена электрификация крупнейшей в мире магистрали Москва - Байкал протяженностью 5647 км, в 1962 г. - магистрали Ленинград - Ленинакан протяженностью 3500 км. Электрификация целых направлений позволила существенно улучшить использование электровозов.

Для новых линий, электрифицированных на переменном токе частотой 50 Гц, напряжением 25 кВ, были созданы шестиосные электровозы ВЛ60 с ртутными выпрямителями и коллекторными двигателями, а затем восьмиосные с полупроводниковыми выпрямителями ВЛ80 и ВЛ80^с. Электровозы ВЛ60 также были переоборудованы на полупроводниковые преобразователи и получили обозначение серии ВЛ60^к.

Новый электроподвижной состав по сравнению с тем, который выпускали еще 20-30 лет назад, сильно изменился конструктивно и внешне. Созданы восьмиосные ВЛ80^р и 12-осные ВЛ85 (рис. 22) электровозы переменного тока, отличающиеся высокими тяговыми и тормозными характеристиками благодаря плавному регулированию силы тяги и скорости, автоматическому управлению и высоким энергетическим характеристикам. Начат выпуск 12-осных электровозов постоянного тока.

Рис. 22. Электровоз переменного тока ВЛ85

Тиристорные, или так называемые импульсные, регуляторы успешно заменили устаревшую систему ступенчатого реостатного регулирования. Во многих странах полностью перешли на выпуск электроподвижного состава постоянного тока с тиристорными преобразователями.

В связи с развитием полупроводниковой преобразовательной техники коллекторные двигатели все чаще заменяют двигателями переменного тока, асинхронными и синхронными.

На современных электровозах широко применяют автоматизацию управления и оптимизацию режимов с помощью микропроцессорной техники. Внедряется бортовое и стационарное диагностирование оборудования. Совершенствуется аппаратура защиты от токов короткого замыкания и перенапряжений.

Электрическая тяга является самым экономичным по расходу топлива способом транспортировки грузов. На перемещение 1 т груза на 100 км расходуется 1 кВт·ч электроэнергии. В 1998 г. доля электроэнергии, потребляемой железнодорожным транспортом, в структуре электропотребления по Минтопэнерго РФ составила всего 4,7 %. Электрические локомотивы обладают неоспоримым преимуществом - они способны при рекуперативном торможении вырабатывать и возвращать в тяговую сеть электрическую энергию. В 1998 г. за счет рекуперативного торможения годовая экономия электроэнергии составила примерно 0,7 млрд. кВт·ч, т. е. 3,2 % ее расхода на тягу поездов. Электрическая тяга - самый экологически чистый вид транспорта.

По мере развития техники совершенствовались устройства контактной сети и тяговые подстанции. Широкое распространение получили железобетонные опоры на блочных фундаментах, жесткие поперечины, компенсированные подвески, допускающие скорость движения 200 - 250 км/ч. Для контактной сети переменного тока используются железобетонные нераздельные опоры типа СС, а при необходимости - раздельные с фундаментами повышенной надежности.

На тяговых подстанциях вместо ртутных выпрямителей, заменивших мотор-генераторы, работают мощные силовые полупроводниковые преобразователи. Почти все электрифицированные линии телемеханизированы. Первые системы телеуправления были релейно-контактными, затем их сменили электронные устройства и, наконец, системы, выполненные на интегральных микросхемах и микропроцессорах.

На линии Санкт-Петербург - Москва смонтирована контактная подвеска типа КС-200, обеспечивающая надежный токосъем при скорости движения поездов до 200 км/ч.

В последние годы полигон электрификации со сроком службы 40 и более лет неуклонно увеличивается. Его протяженность в 2000 г. составляла 8900 км, или 22 %. В 2005 г. она превысила 15 тыс. км. Удельная повреждаемость контактной сети, прослужившей 40 лет и более, в 2,7 раза выше, чем на вновь вводимых участках. Поддержание технических средств в работоспособном состоянии только путем капитального ремонта их отдельных элементов не только не улучшает показателей всей системы, но и ограничивает возможности увеличения провозной способности участков. Необходимы новые технические решения и обновление технических средств электроснабжения.

В условиях роста протяженности электрифицированных линий, срок службы которых достиг предельного, необходимо обеспечить усиление материально-технической базы хозяйства электрификации и электроснабжения с целью стабилизации технического состояния, а основных магистральных направлениях сети – улучшения основных технических и эксплуатационных показателей системы тягового электроснабжения: контактной сети, тяговых подстанций, сетей нетягового электроснабжения (0,4-10 кВ).

Совершенствование технических средств должно быть направлено на создание интеллектуальных авторегулируемых систем, обеспечивающих оптимальные режимы работы устройств электроснабжения.

Применительно к контактной сети необходимо:

- оснастить вагоны-лаборатории для испытания контактной сети диагностическими комплексами на основе компьютеров, позволяющих осуществлять проверку узлов и элементов контактной подвески на нагрев, контроль исправности изоляторов, оценку износа контактного провода с анализом его состояния, а также качества токосъема и т.д.;

- разработать технические решения, направленные на снижение повреждений опор контактной сети, поддерживающих устройств, арматуры, изоляторов;

- создать саморегулируемую контактную подвеску для участков скоростного движения.

Для повышения надежности тяговых подстанций требуется разработать и внедрить следующие устройства:

- понизительные и тяговые трансформаторы новых типов;

- выключатели с новыми электроизоляционными экологически чистыми наполнителями (элегаз, мидель); вакуумные выключатели;

- выпрямительные и выпрямительно-инверторные преобразователи на силовых электронных приборах нового поколения;

- мощные накопители энергии.

При сооружении устройств электроснабжения необходимо применять комплектные быстровозводимые устройства, модули и блоки высокой заводской готовности [3].

В последние годы в мире выполнено много исследований всех «за» и «против» электрификации. Все исследователи признают, что электрификация экономически выгодна. Выводы этих работ расходятся только относительно величины прибыли на вложенный капитал. По разным оценкам величина прибыли превышает 14 %.