1. Общие сведения об электрических железных дорогах

1.1. 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 Гц с 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.