Кафедра «Електропостачання залізниць»

Тема: Дослідження ефективності перетворення електричної енергії на тягових підстанціях постійного струму швидкісних магістралей

Науковий керівник, доцент Д. О. Босий

Розробив, студент Д. Б. Земський

ЗМІСТ

1. Швидкісний та високошвидкісний залізничний транспорт. Тенденції розвитку

1.1 Збільшення швидкості на залізничному транспорті

Зростанню привабливості та конкурентоздатності у сфері пасажирських перевезень сприяє зменшення тривалості поїздки на великі відстані. У цьому випадку, володіючи значними перевагами порівняно з іншими видами транспорту (економічність, високий рівень безпеки та комфорту), швидкісні залізниці набувають усе більшого поширення. За визначенням Міжнародного союзу залізниць (МСЗ) [1, 2], під високошвидкісним пасажирським поїздом розуміється поїзд, який пересувається зі швидкістю понад 250 км/год спеціальними коліями або зі швидкістю понад 200 км/год звичайними модернізованими залізничними коліями. Відповідно застосовують таку класифікацію високошвидкісних залізниць для перевезення пасажирів за трьома категоріями максимальної швидкості руху поїздів: перша – 200–250 км/год; друга – 250–350 км/год; третя – понад 350 км/год. Залізничні лінії із швидкостями від 140-160 до 200 км/год прийнято відносити до швидкісних магістралей. Градація загалом різняться у різних країнах світу. Наприклад, у Китаї [3] визнана наступна класифікація: звичайні – 100–120 км/год; середньошвидкісні – 120–160 км/год; швидкісні – 160–200 км/год; високошвидкісні – 200–400 км/год; надвисокошвидкісні – більше 400 км/год. Загальна протяжність високошвидкісних залізничний магістралей в світі в даний час складає 7000 км, у тому числі 3750 км в Європі, причому високошвидкісні поїзди обслуговують також полігон протяжністю близько 20 тис. км звичайних залізничних ліній, реконструйованих під швидкісний рух. Але процес проектування і будівництва нових ліній високошвидкісного руху не припиняється, так поряд з розвитком високошвидкісної залізничної мережі Південної Європи, довжина якої до 2020 р. може скласти приблизно 10 тис. км, передбачається зростання кількості високошвидкісних ліній в країнах Азії. Тільки в Китаї до 2015 р. планується будівництво високошвидкісних ліній залізниць протяжністю близько 45 тис. км.

Високошвидкісний транспорт, як результат комплексного розвитку рухомого складу, інфраструктури, систем управління рухом, електропостачання, телемеханіки та зв’язку, представляє собою складну, трудомістку та витрату із позиції впровадження та експлуатації галузь господарства. Рішення про будівництво високошвидкісних ліній – це важливий крок у розвитку транспортної системи окремої держави, прийняття якого виправдано при наявності високого економічного потенціалу країни, необхідної густини населення, зростання його доходів. Цьому сприяє обмежена кількість транспортних засобів або надмірна завантаженість транспортних шляхів інших видів транспорту, урбанізація.

Саме поняття високошвидкісна залізниця зародилось у 60–70 роках XX століття після ведення до експлуатації першої спеціалізованої залізничної магістралі Токіо – Осака у Японії у 1964 році, що стало новим етапом у розвитку залізничного транспорту. На протязі всієї його історії, від поставленої Ричардом Тривітиком на рейки парової машини до сучасних електропоїздів, триває боротьба за збільшення їхньої швидкості. Швидкість перших локомотивів у на початку XIX-го століття досягала 6–8 км/год. У 1825 році потяг Стефенсона «Locomotion», який був задіяний на першій громадській залізниці, реалізував швидкість 25 км/год [4] при загальній масі поїзду 90 т. Вже у 1829 році на паровозі «Ракета» була досягнута швидкість 46,6 км/год і одночасно зареєстрований перший рекорд швидкості на залізниці [5]. За одиночного слідування цей локомотив наступного 1830 року досяг швидкості 56 км/год. У Великобританії 1850 року була подолана межа швидкості у 100 кілометрів на годину, максимальна швидкість отримана під час встановлена рекорду 125,6 км/год. Потяг «Кремптон» із складом масою 157 т на лінії Париж – Ліон 1890 розвинув швидкість 144 км/год.. Новий рекорд швидкості досягнутій на паровозній тязі у 1935 році на паровозі «Silver Link», тоді, 29 вересня, вийшовши із станції Кінг-Крос (Лондон) він досяг швидкості 112 миль на годину або 180,3 км/год. Вже у наступному році німці перевершили англійців розігнавши свій локомотив до 200,4 кілометрів на годину. Проте остаточний офіційно зафіксований рекорд швидкості залишився за англійським паровозом «Mallard» 126 мили за годину (202.7 км/год). Рекордна швидкість була досягнута 3 липня 1938 на невеликому ухилі Стоук-Банк на південь від Гретема на Магістралі Східного Узбережжя.

В СРСР абсолютний рекорд швидкості для парової тяги становив 170 км/год та встановлений на ділянці Ленінград – Москва 1938 року потягом із заводським позначенням П12 більш відомим у літературі [6] як потяг типу 2-3-2К. На той час у Радянському Союзі конструювали локомотиви серії ФД із максимальною швидкістю 115 км/год. Однак конструктори ставили перед собою завдання досягти рекорду швидкості. Працюючи над експериментальним локомотивом інженери отримували неоціненний досвід у сфері швидкісного суху. Проте, Друга світова війна перервала ці роботи, а по її закінченню увагу вчених була направлена на інші види тяги.

Кінець XIX-го століття став періодом експериментальних досліджень та використання альтернативних способів приведення поїздів до руху. Виникли перші електровози та локомотиви із двигунам внутрішнього згорання. У 1890 електричний струм, що подавався напругою 500 В рушив із місця рухомий склад лондонського метрополітену [7]. Раніше, у 1881 Берліном пройшов перший трамвай на електричній тязі, а в 1887 у Штутгарті (Німеччина) відбулась перша відома демонстрація тепловоза. На початку XIX-го століття велись розробки рухомого складу із гвинтовою тягою та авіаційним двигуном. Результатом такого проекту став аеровагон, що у 1931 році на ділянці між Гамбургом та Берліном встановив рекорд швидкості у 230 км/год. Він був 25,85 метрів завдовжки і висотою 2,8 м. На ньому був встановлений 12-циліндровий бензиновий літаковий двигун потужністю 600 кінських сил (450 кВт), який приводив у рух повітряний гвинт встановлений у задній частині локомотиву. Історія знала не більше десятка спроб розробити такий локомотив, приблизно половина з них була втілена в металі. Але далі єдиного демонстраційного екземпляра проект не розвивався.

На початку минулого століття електрична та тепловозна тяга спромоглися подолати швидкісну межу у 100 кілометрів на годину. Експрес із назвою «Летючий Гамбуржець» (Німеччина) до руху якого приводила автомотриса досяг у 1933 році швидкості 165 км/год. У 1939 під час дослідження дизель-поїзд досяг швидкості 215 км/год (Гамбург – Берлін). У цей час у інших країнах Європи та у США створювали дизелі та автомотриси здатні розвивати швидкість вище 120 км/год. Офіційний рекорд швидкості тепловозній тязі зафіксований у Великобританії після Другої Світової війни, він становив 201,1 км/год [5]. Відомо те, що під час дослідження тепловоза ТЭП80 у 1993 році, був встановлений рекорд швидкості у 271 кілометрів на годину, який сьогодні вважається національним рекордом Росії.

Почавши свою історію з атракціону на виставці у Берліні у 1879 році, електровози поступово, вбираючи досягнення науково-технічного прогресу, витісняли автономний рухомий склад із обновних напрямів руху. Поява трифазної системи змінного струму знаменувала новий етап у розвитку електроенергетиці. Вона давала вагомі переваги у виробленні та передачі електроенергії на значну відстань, можливість сконцентрувати виробничі потужності, зробити виробництво електроенергії масовим. У 90-х. роках XIX ст. на залізничному транспорті почали використовувати трифазні двигуни. Уперше система трифазного струму була введена на трамвайній лінії в Лугано (Швейцарія) [7] та на декількох гірських ділянках залізниці, потім на дорогах Італії та Пруссії. У 1903 році на електрифікованій по системі із трьома контактними проводами ділянці Маріфельд – Цоссен (Німеччина) пройшли випробування швидкісного електрорухомого складу. Під час експерименту електровагон фірми «Siemens & Halske» досягнув швидкості 206,6 км/год. Іншим учасником, компанією АЕG, вдалося перевершити цей результат, розігнавши свій локомотив до швидкості 210 км/год [5].

Результати випробувань довели потенціальну можливість електричної тяги до здійснення комерційного швидкісного руху. Переваги неавтономної рухомого складу та електричної тяги в цілому [9, 10], привели до переорієнтації інженерних досліджень на більш перспективний напрямок розвиту залізничного транспорту, зокрема у пасажирському сполученні. У зв’язку із цим максимально досягнута маршрутна швидкість на не електрифікованих ділянках залишилась на межі 134 км/год [8].