Электротехника. IX. Электрические железные дороги

Электротехника. IX. Электрические железные дороги. 1. История развития электрических железных дорог. Первые опыты с экипажами, приводимыми в движение электродвигателями, питающимися от установленных на самих экипажах гальванических батарей, были произведены еще в первой половине сороковых годов прошлого столетия, но успеха не имели вследствие громоздкости и несовершенства как двигателей, так и батарей. В 1879 году фирма Сименс и Гальске построила специально для Берлинской промышленной выставки небольшой электрический локомотив мощностью в 3 лошадиные силы, тащивший за собой со скоростью 7 км/час 3 вагончика, предназначенные для катания посетителей выставки, с числом пассажиров от 18 до 24-х (ср. XLI, ч. 10, 532'). За истекшие с этого времени 55 лет электрическая тяга прошла огромный путь развития, и мощности современных электровозов достигли 8 000 лошадиных сил при скоростях свыше 120 км/час. Если не принимать во внимание электровоза Берлинской выставки, носившего демонстрационный характер, то началом эры промышленного применения электротяги следует считать 1881 год, когда фирма Сименс-Шуккерт построила в Берлине первую трамвайную линию в 2,5 км, соединявшую Ангальтский вокзал с предместьем Гросс-Лихтерфельд (ср. XLI, ч. 10, 532'). В США первый трамвай был построен Бентли и Найт’ом в Кливленде в 1884 году, после чего развитие электротяги в Америке пошло таким темпом, что обогнало Европу и выдвинуло США на первое место по количеству электрифицированных дорог.

Сначала применение электрической тяги ограничивалось главным образом внутригородскими районами, где трамваи с успехом вытесняли конную тягу на городских железных дорогах и омнибусах. В 1890 году применение электротяги на подземной железной дороге (City and South London Ry) в Лондоне показало большие ее технические преимущества перед паровой тягой. В дальнейшем электрическая тяга приобретает все более доминирующее значение на внеуличных городских дорогах (метрополитенах), на пригородных дорогах и на магистралях. Так, в 1896 году американская дорога Baltimore and Ohio электрифицирует свой подход к Балтиморе длиной в 7 км, из коих 2,5 км расположены в тоннеле, что, собственно, и было главной причиной отказа от паровой тяги. Таким образом, начав с перевозки пассажиров, электрическая тяга завоевывает себе также и грузовое движение, вытесняя паровую тягу в первую очередь на тех участках, где применение паровозов встречало особенно большие неудобства.

В настоящее время (на 1.I.1934 г.) на всем земном шаре электрифицировано общее протяжение участков магистральных железных дорог около 22 000 км, при общей длине электрифицированных путей в однопутном исчислении около 43 000 км. По отдельным наиболее крупным странам протяженность электрифицированных путей распределяется следующим образом:

В России первый трамвай в Киеве был построен в 1892 году, а первая магистральная железная дорога (участок Москва-Мытищи Северных железных дорог) была электрифицирована в 1929 году. К настоящему времени в СССР электрифицировано следующее протяжение магистральных железных дорог:

2. Классификация электрических железных дорог. Электрические железные дороги делятся на: а) городские (трамваи, метрополитены), б) пригородные, в) междугородные большой скорости и г) магистральные с грузовым и пассажирским движением. Городские электрические железные дороги, не имеющие собственного полотна, а проходящие по рельсам, уложенным на уровне улиц, называются трамваями; имеющие же собственное полотно под землей или на эстакаде в черте города называются метрополитенами. Оба вида имеют основное назначение обслуживать пассажирское движение в черте города. Отличие их в скоростях движения: трамваи не допускают скоростей свыше 35-40 км/час., метрополитены имеют скорости до 60 км/час. Скорости, обычно применяемые на электрических магистральных железных дорогах, таковы:

Таблица I.

Скорости движения на максимальном подъеме обычно равны: при товарном движении — 30-40 км/час, при пассажирском движении — 40-60 км/час.

3. Основные преимущества электрической тяги, кроме указанных в ст. транспорт (XLI, ч. 10, 547'/49'), таковы: повышение скорости движения по сравнению с дорогами паровой тяги, особенно на городских и пригородных железных дорогах, имеющих частые остановки. Повышение скорости достигается за счет большего начального ускорения при трогании электрического поезда. Для пригородных дорог с остановками через 1-1,2 км коммерческая скорость электрических поездов — 45-50 км/час., то есть на 25-30% больше, чем при паровых. Следствием повышенной скорости движения при электрической тяге является увеличение пропускной способности линий. Экономия топлива, так как централизованное снабжение электрической энергией железных дорог от мощных тепловых электростанций дает сбережение на топливе около 40% по сравнению с расходами высокосортного топлива на паровозах. Экономия на содержании и обслуживании подвижного состава электрических железных дорог, получаемая вследствие большей скорости движения, обслуживания электровозов и моторных вагонов бригадой из двух, а иногда и одного машиниста вместо 2-3 при паровой тяге и, наконец, вследствие большего пробега вагонов и электровозов по сравнению с пробегом вагонов и паровозов при паровой тяге. В среднем экономия по содержанию составляет от 25 до 35%. При постройке новой железнодорожной линии сразу под электрическую тягу достигается большая экономия за счет уменьшения земляных работ, так как электрическая тяга допускает значительно более крутые уклоны, чем паровая.

4. Электроснабжение электрических железных дорог. Для снабжения электрических железных дорог энергией служат электростанции следующих типов: 1) центральные станции общего пользования. При больших мощностях центральных станций энергия для тяговых нужд может передаваться по линиям передачи, одновременно обслуживающим промышленную и осветительную нагрузки без заметного влияния характера железнодорожной нагрузки на работу других потребителей. Этот способ питания широко применяется главным образом на дорогах постоянного тока (Америка, Франция, СССР) и реже на дорогах однофазного тока (Швеция). Как показывают опыты некоторых дорог, коэффициент использования мощности централей при совмещении промышленной и тяговой нагрузок понижения не дает. Отношение пиковой нагрузки к среднесуточной на линиях с товарным движением в среднем колеблется от 2 до 2 5. 2) Специальные электрические станции (Австрия, Швейцария) или же комбинированные (Бавария), на которых имеются генераторы как для промышленной, так и для тяговой нагрузки. Эта система электроснабжения имеет место на линиях однофазного тока с частотой 16²/₃ пер/сек.

Питание железнодорожных тяговых подстанций производится или по проводам линий передач общего пользования, или посредством специальных передач. Последнее — в случае питания от специальной железнодорожной централи или же от комбинированной. В обоих случаях устройство линий передач производится по общим правилам и нормам на высоковольтные установки. Сравнительно редко для подвески линий передач используются мачты контактной сети.

В качестве рабочего тока электрических железных дорог применяется как постоянный, так и переменный. Постоянный ток с напряжением в рабочей сети (прямой — обратный провод) от 500 до 1 200 В употребляется преимущественно на городских железных дорогах (трамвай — не свыше 600 В) и в редких случаях на пригородных и дорогах с тягой электровозами (Нью-Йорк-Нью-Хевен). Напряжение от 1 200 до 3 000 В применяется на магистральных и пригородных линиях. Свыше 3 000 В постоянного тока имеют только опытные линии (Италия). При напряжении в рабочей сети до 600 В применяются моторы, работающие при полном напряжении; при напряжении в рабочей сети свыше 600 В. Моторы работают нормально по 2 последовательно (на коллекторе — половинное напряжение рабочей сети).

Наиболее распространенное напряжение переменного однофазного тока электрических железных дорог — 15 000 В (Европа) и 11 000 В (Америка). Частота однофазного тока европейских железных дорог нормально принята 50/3 = 16²/₃ пер/сек. Америка применяет однофазный ток с частотой 25 пер/сек. Напряжение на коллекторе тяговых двигателей от 200 до 500 В. Наибольшее развитие дороги 3-хфазного переменного тока получили в Италии. Нормальное напряжение 3 300 В при частоте 15-16²/₃ пер/сек. Имеются опытные линии с использованием 3-хфазного тока нормальной частоты 50 пер/сек. Напряжение, подводимое к двигателю, — от 400 до 600 В.

Помимо указанных основных систем тока, при электрификации железных дорог применяются следующие системы. Система однофазно-трехфазного тока характеризуется однополюсным контактным проводом с питанием его однофазным током и с преобразованием на электровозе однофазного тока в 3-хфазный при помощи вращающегося преобразователя фаз (так называемая система расщепленной фазы). Имеется на дорогах Норфольк, Западной Пенсильванской (США) и пробных электровозах австрийских железных дорог. На опытном участке около Будапешта применена система расщепленной фазы с частотой 50 пер/сек. и с питанием от З-хфазной сети по одной фазе на участок. Система однофазно-постоянного тока: в рабочем проводе — однофазный ток с преобразованием на электровозе в постоянный ток при помощи мотор-генераторов. Дорога Детройт-Толедо (Форд), Нью-Хевен (Америка).

5. Тяговые подстанции служат для преобразования электрической энергии, получаемой от центральной станции, и непосредственного питания сети контактных проводов электрических железных дорог. Расстояние между подстанциями электрических железных дорог определяется в зависимости от величины напряжения рабочего тока и от допускаемых падений напряжения в проводах (прямом и обратном) при заданных размерах движения. На дорогах постоянного тока с напряжением 3 000 В расстояние между подстанциями составляет от 25 до 40 км, для 1 500 В – от 10 до 25 км.

Рис. 1.

При однофазном токе в рабочем проводе с напряжением 15 000 В расстояние между подстанциями достигает 80 км, в среднем составляя 50 км. Ограничение расстояний между подстанциями в некоторых случаях вызывается нормами допускаемых падений напряжения в рельсовой цепи по условиям защиты подземных сооружений от электролиза (постоянный ток) и отметающего воздействия на провода связи (переменный ток).

Преобразователи тока, устанавливаемые на тяговых подстанциях, выбираются в зависимости от рода и напряжения рабочего тока в контактной сети и способа питания подстанций. Различают три основных типа тяговых подстанций: 1) для преобразования переменного тока в постоянный, 2) для преобразования переменного тока в переменный же, но другой частоты, и 3) для понижения напряжения переменного тока без преобразования частоты.

Первый тип применяется исключительно на дорогах с постоянным током в рабочей сети. Для напряжений от 600 до 1 500 В в качестве преобразователей тока служат: а) одноякорные преобразователи, б) ртутные выпрямители и в) реже мотор-генераторы. Для напряжений постоянного тока свыше 1 500 В преобразователями служат по преимуществу мотор-генераторы и ртутные выпрямители (мотор-генераторы в случае рекуперации энергии и ртутные выпрямители — без рекуперации). Второй тип преобразователей устанавливается на дорогах переменного тока низкой частоты (16²/₃ пер/сек.), питаемых от центральных станций общего пользования (50 пер/сек.). Преобразователями на таких подстанциях служат: а) мотор-генераторы и б) специальные машины, так называемые преобразователи частоты. Третий тип преобразователей применяется для дорог однофазного тока с питанием подстанций от собственных централей, вырабатывающих ток той же частоты, что и в контактной сети.

Мотор-генераторы на дорогах постоянного тока состоят из моторов синхронных или асинхронных и генераторов — шунтовых или компаундных, располагаемых на одном валу с мотором. При напряжениях постоянного тока свыше 1 500 В применяется система из двух генераторов на одном валу, соединяемых последовательно. При напряжении первичной сети до 6 000 в. моторы присоединяются к сети без трансформаторов. Коэффициент полезного действия мотор-генераторов для мощностей порядка 2 000 кВт составляет 89%. Одноякорные преобразователи применяются для напряжений постоянного тока до 1 750 в., возможно применение на линиях с рекуперацией энергии. Для мощностей 1 000 кВт коэффициент полезного действия — 93,5% и для 2 000 кВт — 94%. Ртутные выпрямители применяются для всех напряжений постоянного тока на линиях без регенерации энергии, при регенерации же — совместно с мотор-генераторами или одноякорными преобразователями (Франция, Америка); коэффициент полезного действия — 96-97% для мощностей 1 000 кВт и выше при напряжении 3 000 В. Трансформаторы устанавливаются на подстанциях дорог однофазного тока.

Обычно от генератора центральной станции переменный ток идет к повышающему трансформатору, от него — в трехфазную линию передачи высокого напряжения, затем — через понижающий трансформатор — к мотор-генераторной группе; на стороне постоянного тока положительная шина ответвляется в контактный провод, и ток через распределительный щит идет в электровоз; возвращается ток по рельсам к отрицательной шине генератора постоянного тока. На рис. 1 приведен общий вид американской подстанции Брукдэйл в плане.

6. Контактная сеть электрических железных дорог. А. Общие сведения. На магистральных линиях с напряжением свыше 1 000 В контактная сеть устраивается исключительно в виде воздушных контактных линий; до 1 000 В на пригородных дорогах и чаще на метрополитенах применяется так называемый третий рельс. Воздушные контактные линии на дорогах со скоростями движения свыше 40 км/час делаются исключительно с подвеской по цепной системе, то есть подвеской контактного провода к поддерживающему тросу помощью струн; при скоростях ниже 40 км/час — простая подвеска трамвайного типа. Тип контактной сети определяет конструкцию токоприемника. При воздушном контактном проводе съем тока осуществляется или пантографом, или, реже, роликовым токособирателем; в случае 3-хфазной системы ток подводится к электровозу по двум изолированным проводам, вследствие чего и пантограф состоит из двух отдельных половин; сложность устройства контактной сети на соединениях путей является одной из причин малого распространения этой системы. Устройство 3 рельса имеет перед верхним токосниманием преимущество в смысле большей безопасности для железнодорожных агентов, а также в отношении заносимости при снегопадах.

Б. Системы цепной подвески контактного провода.

1. Простая некомпенсированная. Контактный провод по концам анкерного участка жестко анкеруется *). Свойства: тяжения в контактном проводе изменяются в зависимости от изменений температуры. Для регулирования тяжения в проводе применяются натяжные муфты по концам анкерного участка, регулирование по сезонам (весна, осень).

2. Простая компенсированная система. Контактный провод по концам анкерного участка закреплен на мачте подвижным образом. Конец провода может перемещаться в зависимости от изменения длины его вследствие температурных изменений. Тяжение в контактном проводе практически постоянно при всех режимах температур и равно тяжению, создаваемому весом груза на компенсаторе.

3. Цепная подвеска с поворотными консолями. Поддерживающий трос и контактный провод анкерованы на мачте подвижным образом. Натяжение в тросе и контактном проводе, регулируемое при помощи грузового компенсатора, практически постоянно при всех режимах температур. Не годится на линиях, подверженных частым и сильным гололедным образованиям, вследствие больших провесов провода в таких случаях.

4. Сложная цепная подвеска со вспомогательным тросом (компаунд) применяется в случаях больших сечений меди с целью избежать подвески на особых изоляторах.

В. Материалы цепной подвески.

1. Контактный провод принятого в СССР профиля имеет сечения 100 или 80 мм². Изготовляется твердотянутым из электролитической меди или из бронзы.

2. Поддерживающий трос изготовляется из меди, бронзы или оцинкованной стали, а также из меди или бронзы с стальной сердцевиной. Тросы изготовляются сечением 50, 70, 95 и 120 мм².

*) Анкеровкой называется защемление провода.

3. Арматуру цепной подвески (струны, струновые зажимы, стыки провода и т. д.) предпочтительнее делать из нержавеющих металлов, остальные детали (подвесные хомуты, трубы для фиксаторов и т. д.) — оцинкованными. Литые части арматуры — из ковкого чугуна или стали.

Изоляция в настоящее время почти на всех линиях при всяком напряжении одиночная. Мачты предпочтительнее железные по соображениям срока службы.

Рис. 2.

В местностях, богатых лесом, широко применяются пропитанные деревянные мачты — сосновые и реже еловые. Срок службы от 12 до 16 лет.

Размеры столбов по расчету. На станциях с большим количеством электрифицированных путей подвеска контактной сети делается преимущественно на поперечных тросах и реже на жестких поперечинах. Первая подвеска обеспечивает хорошую видимость сигналов, но требует высоких и тяжелых металлических опор.

Г. Схемы питания и секционирование сети. Для облегчения нахождения повреждений в сети при параллельной работе подстанции и параллельной работе нескольких путей контактная сеть делится по длине на отдельные участки. На границах таких участков (секций) ставятся выключатели, ручные или же автоматические, позволяющие отключить поврежденный участок сети (так называемое продольное секционирование). Для той же цели на многопутных линиях с параллельной работой нескольких путей между ними через 4-5 км устанавливаются разъединители (ручные или автоматические), дающие возможность при авариях отключить поврежденный путь (поперечное секционирование). Как правило, станции выделяются в самостоятельные секции сети. Станционные пути подразделяются также на секции, причем главные пути всегда независимы от парковых. Последние в свою очередь на развитых станциях подразделяются на группы.

7. Расход энергии на электрических железных дорогах. Расход энергии слагается, с одной стороны, из расхода энергии моторами на механическую работу преодоления ходового сопротивления движению, сопротивления инерции подвижного состава при трогании и расхода энергии на преодоление подъемов, а с другой стороны — из различных потерь энергии в моторах, в передаче, в линиях электрической передачи и из расхода энергии на собственные нужды электровоза. Расход энергии измеряется в в. ч./тн. км и относится обычно к шинам высокого напряжения подстанций. Для определения расхода энергии, включая и потери от локомотива до шин высокого напряжения подстанций, принимают коэффициенты полезного действия подстанций, рабочей сети электровозов или моторных вагонов.

Рис. 3.

С учетом всех потерь средний расход электрической энергии составляет:

Для городских и пригородных железных дорог

                                                           от 40 до 70 в. ч./тн. км

       магистральных дорог  

                                                                20 до 50.

Расход энергии на городских и пригородных железных дорогах зависит от числа остановок и профиля, на магистральных — главным образом от характера профиля и скоростей движения. На горных участках магистралей при электрической тяге применяется так называемое «рекуперативное» торможение, при котором моторы работают в качестве генераторов, отдавая ток в сеть и тем самым понижая расход энергии на т. км перевозок. Рекуперация целесообразна для уклонов не ниже 10‰.

8. Защита линий слабого тока от мешающего действия тока проводов контактной сети. Линии слабого тока, расположенные вблизи электрических железных дорог, подвержены воздействию индукции от линий контактных проводов. Мешающие действия сетей рабочего тока на телефонные и телеграфные линии сказываются при всех системах тока и в большей мере при переменном. Для устранения их прибегают к прокладке линий связи в кабелях и к фильтрации рабочего тока от гармоник высшего порядка (постоянный ток). Электролиз подземных сооружений возникает под действием «блуждающих токов» (в месте утечки из рельс) на железных дорогах постоянного тока. Меры предупреждения электролиза — уменьшение падений напряжения в рельсах, хорошая изоляция рельсовой цепи (щебеночный балласт), обратные изолированные провода, присоединяемые параллельно к рельсовой цепи, и — реже — дренирование; контактный провод всегда соединяют с положительным полюсом генератора, а обратный провод (рельс) — с отрицательным полюсом; при таком соединении разъедание труб происходит только у подстанции, тогда как при ином соединении это разъедание происходило бы под каждым вагоном.

9. Подвижной состав. В качестве основной единицы подвижного состава при мотор-вагонной тяге обыкновенно применяется моторный вагон с одним или двумя прицепными вагонами или, реже, группа из 2 моторных и 3 прицепных вагонов. Такая группа носит название мотор-вагонной поездной единицы. Единицы могут комбинироваться по 2, по 3 или по 4 в зависимости от интенсивности дневного движения, что чрезвычайно облегчает задачу овладения пассажиропотоками во время наплыва пассажиров. С другой стороны, в часы затихающего движения возможно путем посылки лишь одной единицы сохранить достаточную частоту отправления, что представляет большое удобство для пассажиров и придает гибкость графику движения.

По конструкции мотор-вагонные и прицепные вагоны мало различаются между собой. Основной характеристикой, общей для обоих типов вагонов, являются: число осей, вес, длина, число мест для сидения и для стояния. В отличие от прицепных, моторные вагоны снабжены электродвигателями, характеристикой которых служат: мощность и скорость. Моторы обычно располагаются под полом кузова моторного вагона в целях экономии полезной, площади внутри вагона, предназначенной для пассажиров. Способ передачи усилия к осям — зубчатая передача.

Рис. 4.

 Общий вид моторного вагона (Иллинойс — Центральной железной дороги в США) приведен на рис. 2. На рис. 3 показана трехвагонная единица Северных железных дорог Московского узла. В табл. 2 приведены основные данные по некоторым типам мотор-вагонного подвижного состава.

Типы электровозов гораздо более многочисленны, чем типы мотор-вагонного подвижного состава. О конструктивной стороне электровозов см. XLI, ч. 10, 532' сл.

В табл. 3 приведены данные о современных наиболее мощных электровозах, а также о первых электровозах СССР, работающих на перевальном участке Закавказских железных дорог. Общий вид электровоза серии «С» приведен на рис. 4.

Организация электровозного движения во многом сходна с организацией движения при паровой тяге. Различие же между ними проистекает из того, что электровозная тяга имеет большие скорости и большие тяговые плечи, и, кроме того, электровоз является более простой машиной в эксплуатации, чем паровоз. При электрической тяге отпадает забота о водоснабжении, кочегарных ямах, нефтекачках, угольных складах, поворотных кругах, что упрощает работу станции и дает экономию в территории. Так же упрощается ремонт электровозов, поскольку отпадают такие цеха, как тендерный, котельный, трубный и т. д., необходимые для ремонта паровозов.

 Таблица 2.

Главнейшие данные о современном мотор-вагонном подвижном составе.

Таблица 3.

Главнейшие данные о современных наиболее мощных типах электровозов.

Литература: Пушкин, И. Д., «Электровоз на службу социалистическому транспорту» (1932); Жапио, М., и Ферран, «Электрическая тяга в Североамериканских Соединенных Штатах» (1931); Забродин, В. А., «Первый электрифицированный участок на магистральных железнодорожных путях» («Гудок», М., 1932, № 7-8); Бернацкий, Л. Н., «Электрические железные дороги» (1926); Герливанов, Г. А., и Иванов, И. С., «Электрификация железных дорог Западной Европы» (1932); Медель, В., «Магистральные дороги постоянного тока» (1931).

Л. Галанов.