Заметки о железнодорожном транспорте: Об электрификации ЖД в СССР и видах токов в контактных сетях
Одной из особенностей железнодорожного транспорта в России является высокая доля электрифицированных дорог. По протяжённости электрифицированных магистралей на конец 2014-го года Россия занимает 1-е место в мире - 43,4 тыс. км (2-е место Китай - 38,5 тыс. км) - где-то около половины дорог общего пользования. Ну то что много магистралей электрифицировано - это в общем ни для кого не секрет, а вот то что в контактных сетях используется токи разного рода многие узнают с удивлением. Тем ни менее факт: в контактных сетях используется либо постоянный электрический ток номинальным напряжением 3 кВ или переменный однофазный ток промышленной частоты 50 Гц номинальным напряжением 25 кВ. Я об этом сам долгое время не задумывался - узнал когда получал третью группу электробезопасноти (работа в конторе связанной с РЖД как-то обязывала вникать и разбираться). Ну и в общем долгое время я этот факт ("есть постояннка 3 кв, есть переменка 25 кВ/50 Гц") принимал как должное - "потому что так принято исторически". А некоторое время всё-таки в вопрос захотелось вникнуть и как-то разобраться - а почему собственно так.
Сразу хочу оговориться - очень глубоко к физику электропитания я копать не буду, ограничиваясь какими-то общими фразами и где-то специально утрируя. Мне иногда высказывают, что вот я упрощаю - а специалисты-то читают и понимаю, что там "всё не так". Это я в курсе, но специалисты то о чём я пишу думаю и так знают - и вряд ли для себя что-то новое почерпнут.
Итак, собственно начать следует с того, что впервые применение электричества в качестве источника энергии для тяги поездов было продемонстрировано на промышленной выставке в Берлине в 1879 году, где был представлен макет электрической железной дороги. По участку протяженностью менее 300 м со скоростью 7 км/ч двигался поезд, состоящий из локомотива мощностью 2,2 кВт и трех вагончиков, в каждом из которых могло разместиться до 6 пассажиров. Создателями нового вида тяги были знаменитый немецкий учёный, изобретатель и промышленник Эрнст Вернер фон Сименс (Werner von Siemens, 1816-1892) и инженер Хальске. К началу 20 века сомнений в эффективности электрической тяги не оставалось. В короткий срок в различных странах было реализовано несколько проектов электрификации жд. На первом этапе электрификация применялась в горных местностях на линиях с тяжелым профилем, с большим количеством тоннелей, а также на пригородных участках, т.е. на тех участках, где преимущества электрической тяги были очевидны.
Первая электрифицированная железная дорога в СССР была открыта 6 июля 1926 года на участке Баку - Сабунчи - Сураханы
Соответственно два главных направления применения электрификации: пригородное сообщение и горные магистрали. О пригородном сообщении (суть электропоездах) хочется рассказать отдельно, сейчас же надо заметить лишь, что как раз пригородное железнодорожное сообщение в плане электрификации явилось приоритетным в СССР (в Российской Империи этот проект довести до ума не успели - помешала первая мировая война и революция), в СССР же за это взялись с размахом (тут план ГОЭЛРО конечно очень поспособствовал) - электропоезда начали заменять пригородные поезда на паровой тяге.
В качестве системы электроснабжения была принята система постоянного тока с номинальным напряжением 1500 В. Система постоянного тока была выбрана потому, что при однофазном переменном токе требовались бы более тяжелые и дорогие моторные вагоны из-за необходимости постановки на них трансформаторов. Кроме того, тяговые двигатели постоянного тока имеют при прочих равных условиях более высокий вращающий момент и более приспособлены для пуска по сравнению с двигателями однофазного тока. Это особенно важно для моторных вагонов, работающих на пригородных участках с большим числом остановочных пунктов, где требуется высокое ускорение при трогании с места. Напряжение 1500 В было выбрано в связи с тем, что требуется значительно меньше меди для контактной сети по сравнению с системой 600-800 В (использовалось для электрификации трамваев-троллейбусов). Одновременно появилась возможность создать надежное электрооборудование моторного вагона, на что нельзя было в то время рассчитывать при напряжении 3000 В (первые линии пригородного сообщения, электрифицированные постоянным током 3000 В появились только в 1937 году, однако в дальнейшем на такое напряжение перевели все уже построенные линии).
Электропоезда С - первое семейство советских поездов, выпускались с 1929-го года
Параллельно с развитием пригородного сообщения 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 (собственно по месту применения их так и стали называть "сурамские электровозы" или "или электровозы сурамского типа"):
электровоз С (Сурамский) - родоначальником группы Сурамских электровозов, строившихся американцами General Electric для СССР
Основной чертой всех электровозов сурамского типа явилось наличие переходных площадок по концам кузова, что по существовавшим в то время нормам было обязательным для всех электровозов с электрооборудованием для работы по СМЕ. Экипажная часть локомотива состоит из двух сочленённых трёхосных тележек (осевая формула 0- 30-0 + 0-30-0). Кузов вагонного типа с несущей главной рамой. Рессорное подвешивание выполнено преимущественно на листовых рессорах. Подвешивание тягового электродвигателя - опорно-осевое.
электровоз СС (Сурамский советский) - первый электровоз постоянного тока, построенный в СССР по лицензии GE
И вот тут надо сделать важное замечание. В противовес паровозам, двигателем которого является паровая машина, железнодорожный транспорт следующих поколений начал приводиться в действие электродвигателями: так называемые ТЭД-ы (тяговые электродвигатели) - для многих кстати неочевидно, что ТЭД-ы используются как в электровозах/электропоездах, так и в тепловозах (последние просто питают ТЭД-ы размещенным в локомотиве дизель-генератором). Так вот на заре электрификации ЖД использовались ТЭД-ы исключительно постоянного тока. Это связано с их конструктивными особенностями, возможностью достаточно простыми средствами регулировать скорость и вращающий момент в широких пределах, возможностью работать с перегрузкой и т.д. Говоря техническим языком, электромеханические характеристики двигателей постоянного тока идеально подходят для целей тяги. Двигатели же переменного тока (асинхронные, синхронные) имеют такие характеристики, что без специальных средств регулирования их применение для электротяги становится невозможным. Таких средств регулирования на начальном этапе электрификации еще не было и поэтому, естественно, в системах тягового электроснабжения применялся постоянный ток. Строились тяговые подстанции, назначением которых является понижение переменного напряжения питающей сети до необходимого значения, и его выпрямление, т.е. преобразование в постоянный.
ВЛ19 - первый серийный электровоз, конструкция которого была создана в Советском Союзе
Но использование контактной сети постоянного тока создавало другую проблему - большой расход меди в контактной сети (по сравнению с переменным током), ибо для передачи большой мощности (мощность равна произведению тока на напряжение) при постоянном напряжении напряжении нужно обеспечить большую силу тока, ну то есть нужно больше провода и большего сечения (напряжение неизменно - надо понижать сопротивление).
ВЛ22М - первый советский крупносерийный электровоз и последний представитель сурамских локомотивов
Ещё в конце 1920-х гг., когда только начинали электрифицировать Сурамский перевал, многие специалисты хорошо понимали, что в будущем электрическая тяга на постоянном токе с номинальным напряжением 3 кВ не позволит рационально решить вопрос увеличения провозной способности линий путём повышения веса поездов и скорости их движения. Простейшие расчёты показывали, что при ведении поезда массой 10 000 т на подъёме 10 ‰ при скорости 50 км/ч тяговый ток электровозов будет составлять более 6000 А. Это требовало бы увеличения сечения контактных проводов, а также более частого расположения тяговых подстанций. После сравнения около двухсот вариантов сочетаний рода тока и величин напряжений было принято решение, что оптимальным вариантом является электрификация на постоянном или переменном (50 Гц) токе напряжением 20 кВ. Первая система на тот момент в мире нигде не была испытана, а вторая была хоть и очень мало, но изучена. Поэтому на первой Всесоюзной конференции по электрификации железных дорог было принято решение о сооружении опытного участка, электрифицированного на переменном токе (50 Гц) напряжением 20 кВ. Требовалось создать электровоз для испытаний, которые бы позволили выявить преимущества и недостатки электровозов переменного тока в условиях нормальной эксплуатации.
Электровоз ОР22 - первый в СССР электровоз переменного тока
В 1938-м году был создан электровоз ОР22 (однофазный с ртутным выпрямителем, 22 - нагрузка от колёсных пар на рельсы, в тоннах). Принципиальная схема электровоза (трансформатор-выпрямитель-ТЭД, то есть с регулированием напряжения на низкой стороне) оказалась настолько удачной, что её стали использовать при проектировании подавляющего большинства советских электровозов переменного тока. На этой модели было опробовано ещё множество других идей, нашедших потом воплощение в более поздних проектах, но к сожалению дальше вмешалась война. Экспериментальная машина была разобрана, её выпрямитель использован на тяговой подстанции постоянного тока. А к идеям электровозов переменного тока вернулись только в 1954-м году с серией НО (или ВЛ61) уже на Новочеркасском электровозостроительном заводе.
ВЛ61 (до января 1963 года - Н-О - Новочеркасский Однофазный) - первый советский серийный электровоз переменного тока
Первым на переменном токе (напряжением 20 кВ) был электрифицирован опытный участок Ожерелье - Михайлов - Павелец в 1955-1956 гг. После проведения испытаний было решено увеличить напряжение до 25 кВ. Результаты эксплуатации опытного участка электрической тяги на переменном токе Ожерелье - Павелец Московской железной дороги позволили рекомендовать эту систему переменного тока к широкому внедрению на железных дорогах СССР (постановление Совета Министров СССР № 1106 от 3 октября 1958 г.). С 1959 года переменный ток напряжением 25 кВ начал внедряться на длинных участках, где требовалась электрификация, но поблизости не было полигонов постоянного тока.
Электровоз Ф - электровоз переменного тока, строившийся во Франции по заказу СССР
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 (которой ознаменовал собой конец эпохи паровозов) 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. Массовая электрификация шла преимущественно на уже хорошо себя зарекомендовавшем постоянном токе напряжением 3000 В, хотя где-то уже начинал вводиться и переменный токе частоты 50 Гц напряжением 25 кВ. Параллельно с развитием сети линий на переменном токе велась разработка подвижного состава переменного тока. Так, первые электропоезда переменного тока ЭР7 и ЭР9 начали работу в 1962 г., а для Красноярской железной дороги в 1959 г. были приобретены французские электровозы типа Ф, так как производство советских электровозов переменного тока (ВЛ60 и ВЛ80) задерживалось.
ВЛ60 (до января 1963 - Н6О, - Новочеркасский 6-осный Однофазный) - первый советский магистральный электровоз переменного тока, запущенный в крупносерийное производство.
В общем постоянным током были электрифицированы линии, вводимые в эксплуатацию раньше - более поздние линии электрифицировались уже переменным током. Также в 90-е/2000-е произошёл масштабный перевод ряда линий с постоянного тока на переменный. Споры о преимуществах систем не прекратились до сих пор. На заре внедрения переменного тока считалось, что эта система электропитания более экономичная, но сейчас однозначного решения нет:
- подвижной состав постоянного тока в полтора раза дешевле
- удельный расход у ЭПС на холмистом профиле, типичном для большей части нашей страны на 30% ниже.
Так или иначе, новые линии электрификации сейчас строятся только на переменном токе, а также некоторые старые переводятся с постоянного на переменный ток. Единственный в истории электрификации советских и российских железных дорог случай перевода участка с переменного тока на постоянный произошёл в 1989 году на Павелецком направлении Московской железной дороги. После электрификации на постоянном токе участка Рыбное - Узуново участок Ожерелье - Узуново (та самая исторически первая магистраль переменного тока) с переменного тока переведён на постоянный ток:
братья-близнецы: локомотив ВЛ10 (постоянного тока) и ВЛ80 (переменного тока)
К слову сказать, сейчас есть тенденция к внедрению более надежных и экономичных асинхронных ТЭД-ов (на локомотивах нового поколения ЭП20, ЭС10, 2ТЭ25А ставятся именно они). Так что в сильно отдаленном будущем по причине перехода на такие ТЭД-ы от постоянного тока можно будет отказаться совсем. Пока что же отлично используются оба рода тока:
4ЭС5К "Ермак" (переменный ток) и 3ЭС4К "Дончак" (постоянный ток)
Осталось прояснить последний вопрос. 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 три 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 ведет поезд далее. Недостатком такого способа является удорожание электрификации и содержание устройств электроснабжения, а также требует смены локомотива и связанных с этим дополнительных материальных, организационных и временны́х затрат. При этом значительное время занимает не столько смена электровоза, сколько опробование тормозов
ЭП2К (постоянный ток) и позади ЭП1М (переменный ток) на станции стыкования Узуново
2) 2. Использование многосистемного подвижного состава (в данном случае - двухсистемного - хотя в Европе например бывают и четырёхсистемные локомотив). При этом стыкование по контактной сети может делаеться за пределами станции. Данный способ позволяет проходить пункты стыкования без остановки (хоть и, как правило, на выбеге). Применение двухсистемных пассажирских электровозов сокращает время следования пассажирских поездов, и не требует сменять локомотив. Но стоимость таких электровозов выше. Дороже такие электровозы и в эксплуатации. Кроме того, многосистемные электровозы имеют больший вес (что, однако, малоактуально на железной дороге, где нередка добалластировка локомотивов для увеличения сцепного веса).
Локомотивы переменного (ЭП1М) и постоянного (ЧС7) токов в оборотном депо станции Узуново
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 (=3 кВ), в Галиче - переменный (~25 кВ). Транзитом курсируют поезда Москва-Хабаровск и Москва-Шарья, а также Самара-Кинель-Оренбург (прицепка тепловоза к пассажирским поездам происходит в Самаре, а к грузовым - в Кинеле). В Самаре и в Кинеле постоянный ток (=3 кВ), в Оренбурге - переменный (~25 кВ), транзитом проходят поезда на Орск, Алма-Ату, Бишкек. При таком способе «стыкования» значительно ухудшаются условия эксплуатации линии: вдвое удлиняется время стоянки составов, снижается эффективность электрификации из-за содержания и пониженной скорости тепловозов.
Советский двухсистемный грузовой электровоз ВЛ82М
На практике же у нас в основном встречается первый способ - со станциями стыкования родов тяги. Скажем если я еду из Саратова в Москву такой станцией будет Узуново, если в Санкт-Петербург - Рязань-2, если в Самару - Сызрань-1, ну а если в Сочи или Адлер - Горячий Ключ (всегда кстати удивлялся тому факту, что в Сочи до сих пор используется постоянный ток, хотя все Северо-Кавказские ЖД на переменке - но говорят там надо чтоб на переменку перевести туннели где-то расширять, есть в общем проблемы).
А вообще могу ещё порекомендовать отличную карту-схема с где обозначена электрификация железных дорог России и Европы. Очень я люблю в эту карту позалипать:
>>> смотреть <<<
Новейший российский двухсистемный пассажирский электровоз ЭП20
P.S. Небольшое уточнение. В посте помимо моих собственных фотографий (цветные) также использовались материал из Википедии!
Споттинг - сводный пост