Электрификация железных дорог

Работы по обслуживанию контактной сети на станции Орёл

Опоры контактной сети на Swiss Federal Railways

Железнодоро́жная электрифика́ция — комплекс мероприятий, выполняемых на участке железной дороги для возможности использовать на нём электроподвижной состав: электровозы, электросекции или электропоезда.

Для тяги поездов на электрифицированных участках железных дорог используются электровозы. В качестве пригородного транспорта используются электросекции или электропоезда.

Системы электрификации

Системы электрификации можно классифицировать:

• по виду проводников:
  • с контактной подвеской
  • с контактным рельсом
• по напряжению
• по роду тока:
  • постоянный ток
  • переменный ток
    • частота тока
    • число фаз

Обычно используют постоянный (=) или однофазный переменный (~) ток. При этом в качестве одного из проводников выступает рельсовый путь

Использование трёхфазного тока требует подвески как минимум двух контактных проводов,которые не должны соприкасаться ни при каких условиях (как у троллейбуса), поэтому эта система не прижилась, в первую очередь из-за сложности токосъема на больших скоростях.

При использовании постоянного тока напряжение в сети делают довольно низким, чтобы включать электродвигатели напрямую. При использовании переменного тока выбирают гораздо более высокое напряжение, поскольку на электровозе напряжение можно легко понизить с помощью трансформатора.

Система постоянного тока

В данной системе тяговые электродвигатели постоянного тока питаются напрямую от контактной сети. Регулирование осуществляется подключением резисторов, перегруппировкой двигателей и ослаблением возбуждения. В последние десятилетия стало распространяться импульсное регулирование, позволяющее избежать потерь энергии в резисторах.

Вспомогательные электродвигатели (привод компрессора, вентиляторов и др.) обычно также питаются напрямую от контактной сети, поэтому они получаются очень большими и тяжёлыми. В некоторых случаях для их питания используют вращающиеся или статические преобразователи (например, на электропоездах ЭР2Т, ЭД4М, ЭТ2М используется мотор-генератор, преобразующий постоянный ток 3000 В в трёхфазный 220 В 50 Гц).

На Железных дорогах России и стран бывшего Советского Союза участки электрифицированные по системе постоянного тока, сейчас в основном используют напряжение =3000 В (на старых участках - =1500 В). В начале 70-х в СССР на Закавказской железной дороге были проведены практические исследования с возможностью электрификации на постоянном токе напряжением =6000 В, однако в дальнейшем все новые участки электрифицировались переменным током более высокого напряжения.

Простота электрооборудования на локомотиве, низкий удельный вес и высокий КПД обусловили широкое распространение этой системы в ранний период электрификации.

Недостатком данной системы является сравнительно низкое напряжение контактной сети, поэтому для передачи одинаковой мощности требуется бОльший ток по сравнению с более высоковольтными системами. Это вынуждает:

• использовать большее суммарное сечение контактных проводов и подводящих кабелей;
• увеличивать площадь контакта с пантографом электровоза за счет увеличения числа проводов в подвеске контактной сети до 2-х и даже 3-х (например, на подъемах);
• уменьшать расстояния между тяговыми подстанциями для минимизации потерь тока в проводах, что дополнительно приводит к увеличению стоимости самой электрификации и обслуживания системы (подстанции хоть и автоматизированы, но требуют обслуживания). Расстояние между подстанциями на грузонапряженных участках, особенно в сложных горных условиях, может быть всего лишь несколько километров.

Трамваи, троллейбусы используют постоянное напряжение =550 (600) В, метрополитен =750 (825) В.

Система переменного тока пониженной частоты

В ряде европейских стран (Германия, Швейцария и др.) используется система однофазного переменного тока 15 кВ 16⅔ Гц, а в США на старых линиях 11 кВ 25 Гц. Пониженная частота позволяет использовать коллекторные двигатели переменного тока. Двигатели питаются от вторичной обмотки трансформатора без каких-либо преобразователей. Вспомогательные электродвигатели (для компрессора, вентиляторов и др.) также обычно коллекторные, питаются от отдельной обмотки трансформатора.

Недостатком системы является необходимость преобразования частоты тока на подстанциях или строительство отдельных электростанций для железных дорог.

Система переменного тока промышленной частоты

Использование тока промышленной частоты наиболее экономично, но его внедрение встретило много трудностей. Поначалу использовали коллекторные электродвигатели переменного тока, преобразующие мотор-генераторы (однофазный синхронный электродвигатель плюс тяговый генератор постоянного тока, от которого работали тяговые электродвигатели постоянного тока), вращающиеся преобразователи частоты (дающие ток для асинхронных тяговых электродвигателей). Коллекторные электродвигатели на токе промышленной частоты работали плохо, а вращающиеся преобразователи были слишком тяжёлыми и неэкономичными.

Система однофазного тока промышленной частоты (25 кВ 50 Гц) начала широко применяться только после создания во Франции в 1950-х годах электровозов со статическими ртутными выпрямителями (игнитронами; позже они заменялись на более современные кремниевые выпрямители — из экологических и экономических соображений); затем эта система распространилась и во многих других странах (в том числе в СССР).

При выпрямлении однофазного тока получается не постоянный ток, а пульсирующий, поэтому используются специальные двигатели пульсирующего тока, а в схеме имеются сглаживающие реакторы (дроссель), снижающий пульсации тока, и резисторы постоянного ослабления возбуждения, включенные параллельно обмоткам возбуждения двигателей и пропускающие переменную составляющую пульсирующего тока, которая лишь вызывает ненужный нагрев обмотки.

Для привода вспомогательных машин используют либо двигатели пульсирующего тока, питающиеся от отдельной обмотки трансформатора (обмотка собственных нужд) через выпрямитель, либо промышленные асинхронные электродвигатели, питающиеся от расщепителя фаз (такая схема была распространена на французских и американских электровозах, а с них была перенесена на советские) или фазосдвигающих конденсаторов (применена, в частности, на российских электровозах ВЛ65, ЭП1, 2ЭС5К).

Недостатками системы являются значительные электромагнитные помехи для линий связи, а также неравномерная нагрузка фаз внешней энергосистемы. Для повышения равномерности нагрузки фаз в контактной сети чередуются участки с разными фазами; между ними устраивают нейтральные вставки — короткие, длиной несколько сотен метров, участки контактной сети, которые подвижной состав проходит с выключенными двигателями, по инерции. Они сделаны для того, чтобы пантограф не перемыкал находящийся под высоким линейным (межфазным) напряжением промежуток между секциями в момент перехода с провода на провод. При остановке на нейтральной вставке на неё возможна подача напряжения от передней по ходу секции контактной сети.

Железные дороги России и стран бывшего Советского Союза, электрифицированные по системе переменного тока используют напряжение ~25 кВ (то есть ~25000 В) частотой 50 Гц.

Стыкование систем электроснабжения

Электровозы разных систем тока на станции стыкования

Двухсистемный электровоз ВЛ82М

Разнообразие систем электроснабжения вызвало появление пунктов стыкования (систем тока, напряжений, частоты тока). При этом возникло несколько вариантов решения вопроса организации движения через такие пункты. Выявились 3 основные направления:

1. Оборудование станции стыкования переключателями, позволяющими подавать на отдельные участки контактной сети тот или иной род тока. Например, поезд прибывает с электровозом постоянного тока, затем этот электровоз отцепляется и уезжает в оборотное депо или тупик для отстоя локомотивов. Контактную сеть на этом пути переключают на переменный ток, сюда заезжает электровоз переменного тока и отправляется с поездом. Недостатком такого способа является удорожание электрификации и содержание устройств электроснабжения, а также требует смены локомотива.

2. Использование многосистемного подвижного состава. При этом стыкование по контактной сети делается за пределами станции. Данный способ позволяет проходить пункты стыкования без остановки (хоть и, как правило, на выбеге). Но стоимость таких электровозов выше, а содержание дороже, кроме того, многосистемные электровозы имеют больший вес (что, однако, малоактуально на железной дороге, где нередка добалластировка локомотивов для увеличения сцепного веса). В СССР и странах СНГ были выпущены мелкими сериями такие типы подвижного состава, как электровозы ВЛ82 и ВЛ82^м, ВЛ61^д (постоянный ток напряжением 3000 В и однофазный 25 000 В), ВЛ19 и С^р (постоянный ток напряжением 3000 В и 1500 В). В Западной Европе встречается четырёхсистемный ЭПС (постоянный ток 1500 В, постоянный ток 3000 В, переменный ток 25 кВ 50 Гц, переменный ток 15 кВ 16⅔ Гц). В настоящее время в России налажено производство только пассажирских двухсистемных электровозов ЭП10 (постоянный ток 3000 В и переменный ток 25 кВ 50 Гц), которые выпускает НЭВЗ.

3. Применение тепловозной вставки — оставление между участками с разными системами электроснабжения небольшого тягового плеча, обслуживаемого тепловозами. На практике применяется на участке Кострома — Галич протяженностью 126 км: в Костроме постоянный ток (= 3000 В), в Галиче — переменный (~ 25 000 В); транзитом курсируют поезда Москва — Хабаровск и Кострома — Шарья, а также Самара - Оренбург: в Самаре постоянный ток (= 3000 В), в Оренбурге - переменный (~25 000 В), транзитом проходят поезда на Орск, Алма-Ату, Бишкек. При таком способе «стыкования» значительно ухудшаются условия эксплуатации линии: в два раза повышается время стоянки составов, снижается эффективность электрификации из-за содержания и пониженной скорости тепловозов.

История электрификации железных дорог в бывшем СССР

Первой электрифицированной линией на территории бывшего СССР (здесь и далее рассматриваются границы 1945-1991 гг.) была пригородная линия Таллинн - Пяэскюла длиной 11,2 км в независимой Эстонии. Электромотрисы с прицепными вагонами начали работу в 1924 году. Существенная реконструкция узла и расширение полигона электрификации было осуществлено в 1950-х гг.

В 1926 году электротяга была внедрена на пригородных линиях в Баку.

С 1929 года электрификация начала внедряться на магистральных железных дорогах, в основном для пригородного движения, где электропоезда заменяли пригородные поезда на паровой тяге. Первым участком стала линия Москва - Мытищи длиной 18 км. В 1930-х гг. на московском узле были электрифицированы Ярославское (Москва - Загорск, Мытищи - Монино), Горьковское (Москва - Обираловка, Реутово - Балашиха), Рязанское (Москва - Раменское), Курское (Москва - Подольск) направления. Использовался постоянный ток напряжением 1500 В. На участке Загорск - Александров в 1937 году использовался постоянный ток напряжением 3000 В, электропоезда следовавшие из Москвы на станции Загорск переключали группы двигателей и продолжали движение дальше. Электрификация узла продолжилась во время Великой Отечественной войны и во второй половине 1940-х гг.

В 1932-1933 гг. электротяга была внедрена на магистральной железной дороге Хашури - Зестафони (63 км) на тяжёлом Сурамском перевале. Здесь, в отличие от Москвы и Баку, электротяга использовалась для грузовых и пассажирских перевозок. Впервые на железнодорожных линиях СССР стали работать электровозы.

С 1933 года обозначился курс на первоочередное внедрение электрификации в трёх случаях:

1. Интенсивное пригородное движение, при котором использование паровозной тяги крайне неэффективно. Так электротяга появилась в Ленинграде (Балтийское направление), в КавМинВодах (Минводы - Кисловодск), Куйбышеве (Самара - Безымянка), ответвления от магистральной электрифицированной железной дороги в Грузии (Сурами, Боржоми, Кутаиси, Гардабани и т.п.), где ввиду наличия электрификации под грузовое движение было невыгодно держать паровозы для пригородного и местного сообщения. В таких случаях как правило электрификация осуществлялась на постоянном токе напряжением 1500 В (в Грузии сразу 3000 В).

2. На перевальных железных дорогах, где электротяга позволяла существенно увеличить пропускную и провозную способность линий. Так было в Грузии, на Урале (Кизел - Чусовская и дальнейшее развитие электротяги в растущем промышленном регионе, в 1945 Челябинск - Златоуст). Электрификация велась на постоянном токе напряжением 3000 В.

3. На напряжённых железнодорожных линиях в новых промышленных районах (Пермско-Свердловский регион, Запорожье - Кривбасс, Лоухи - Мурманск, Новокузнецк - Белово).

Такой курс сохранялся примерно до 1950 года. Во время войны на многих электрифицированных линиях временно производились демонтажи контактной сети и эвакуация электроподвижного состава. Линия Лоухи - Мурманск, несмотря на прохождение рядом линии фронта, продолжала работать. Во время войны электротяга получила развитие на московском узле и на Урале, а после войны была полностью восстановлена на всех участках, где имели место быть демонтажи.

В 1950-1955 гг. началось первое, ещё осторожное расширение полигона электрификации. Начался переход с напряжения 1500 В на 3000 В на всех пригородных узлах, дальнейшее развитие пригородных узлов, удлинение электрифицированных линий до соседних областных центров с внедрением электролокомотивной тяги для пассажирских и грузовых поездов. "Островки" электрификации появились в Риге, в Куйбышеве, в Западной Сибири, Киеве.

С 1956 года начался новый этап массовой электрификации железных дорог СССР, который стремительно вывел электротягу и тепловозную тягу с 15% доли в перевозках в 1955 году до 85% доли в 1965 году. В течение десяти лет были введены самые длинные электрифицированные дороги Москва - Куйбышев - Челябинск - Новосибирск - Иркутск, Ленинград - Москва - Харьков - Ростов - Сочи - Тбилиси - Ереван, Москва - Горький - Киров - Пермь, Москва - Рязань - Воронеж - Ростов - Минводы, существенно возросли локальные полигоны электротяги в Восточной Украине, Азербайджане, Горьком, появились новые "островки" в Минске, Волгограде, Владивостоке, в Западной Украине, в основном завершена электрификация в Грузии (1969 год). В эти годы электрификация продолжалась как на уже хорошо себя зарекомендовавшем постоянном токе напряжением 3000 В, так и на переменном токе частоты 50 Гц напряжением 25 кВ. Первый опытный участок на переменном токе (напряжением 20 кВ) был Ожерелье - Михайлов - Павелец с 1955-1956 гг. После проведения испытаний было решено увеличить напряжение до 25 кВ, а в 1957 году такой тип был внедрён на линии Горький - Заволжье (47 км), где впервые начали работать электропоезда переменного тока. С 1959 года переменный ток начал внедряться на больших полигонах, где требовалась электрификация, но поблизости не было полигонов постоянного тока (Красноярская и Восточно-Сибирская железные дороги, Горьковский узел и далее в Киров, ход Рязань - Воронеж - Северный Кавказ, узлы во Владивостоке, Минске, Барнауле, на Центральной и Западной Украине).

См. также

• Токоприёмник
• Электропоезд
• Линейный двигатель
• Тяговая подстанция
• Съёмная вышка

Источники

Moody, G T "Part One". Southern Electric. — 3rd edition ed. — Лондон: Ian Allan Ltd., 1960 год.

В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 13 августа 2012.