Электрификация железных дорог

Железная дорога Мант-ла-Жоли-Шербур во Франции соединяет Большой Париж и Нормандию и электрифицирована с помощью воздушных линий напряжением 25 кВ переменного тока, 50 Гц.

Юго -восточная главная линия в Англии соединяет агломерацию Лондона с Дуврским проливом и электрифицирована по третьей железной дороге напряжением 750 В постоянного тока.

Электрификация железных дорог — использование электроэнергии для приведения в движение железнодорожного транспорта . На электрических железных дорогах используются либо электровозы (перевозящие пассажиров или грузы в отдельных вагонах), либо электропоезда ( пассажирские вагоны с собственными двигателями), либо и то, и другое.Электроэнергия обычно вырабатывается на крупных и относительно эффективных электростанциях , передается в железнодорожную сеть и распределяется по поездам. Некоторые электрические железные дороги имеют свои собственные электростанции и линии электропередачи , но большинство из них закупают электроэнергию у электроэнергетических компаний . Железная дорога обычно располагает собственными распределительными линиями, стрелками и трансформаторами .

Электроэнергия подается в движущиеся поезда с помощью (почти) непрерывного проводника, проходящего вдоль пути, который обычно принимает одну из двух форм: воздушную линию , подвешенную к опорам или башням вдоль пути, или к потолкам конструкций или туннелей, или третий рельс, установленный на уровень гусеницы и контактирует со скользящим « башмаком пикапа ». Как в системах воздушного провода, так и в системах третьего рельса в качестве обратного проводника обычно используются ходовые рельсы, но в некоторых системах для этой цели используется отдельный четвертый рельс.

По сравнению с основной альтернативой, дизельным двигателем , электрические железные дороги предлагают значительно более высокую энергоэффективность , более низкие выбросы и более низкие эксплуатационные расходы. Электровозы также обычно тише, мощнее, отзывчивее и надежнее, чем дизельные. У них нет местных выбросов, что является важным преимуществом в туннелях и городских районах. Некоторые системы электрической тяги обеспечивают рекуперативное торможение поезда , которое превращает кинетическую энергию обратно в электричество и возвращает ее в систему электроснабжения для использования другими поездами или в общую энергосистему. В то время как тепловозы сжигают нефтепродукты, электроэнергию можно производить из различных источников, включая возобновляемые источники энергии . Исторически сложилось так, что соображения независимости ресурсов сыграли роль в решении электрифицировать железнодорожные линии. Не имеющая выхода к морю Швейцарская конфедерация , которая почти полностью лишена запасов нефти и угля, но имеет обильные гидроэлектростанции, электрифицировала свою сеть отчасти в ответ на проблемы с поставками во время обеих мировых войн.

К недостаткам электрической тяги относятся: высокие капитальные затраты , которые могут быть нерентабельными на маршрутах с небольшим движением транспорта, относительная недостаточная гибкость (поскольку электропоездам нужны третьи рельсы или воздушные провода) и уязвимость к перебоям в подаче электроэнергии. Электродизельные локомотивы и электродизельные электропоезда несколько смягчают эти проблемы, поскольку они способны работать на дизельном топливе во время простоя или на неэлектрифицированных маршрутах.

В разных регионах могут использоваться разные напряжения и частоты питания, что усложняет обслуживание и требует большей сложности мощности локомотива. существовала проблема Раньше в отношении двухэтажных железнодорожных перевозок габаритов воздушных линий электропередачи. но с 2022 года это уже не является универсальной истиной. , с обеими индийскими железными дорогами и Китайская железная дорога регулярно курсирующие под воздушными линиями двухъярусные грузовые электропоезда.

В последние десятилетия электрификация железных дорог постоянно росла, и по состоянию на 2022 год электрифицированные пути будут составлять почти треть от общего числа путей в мире. Постоянно реализуются проекты электрификации для обслуживания быстрорастущих пригородов, которые раньше обслуживались неэлектрифицированными поездами, которые обычно имеют низкую пропускную способность.

История

Электрификация железных дорог — это развитие движения поездов и локомотивов с использованием электричества вместо дизельного топлива или пара . История электрификации железных дорог восходит к концу 19 века, когда первые электрические трамваи были введены в эксплуатацию в таких городах, как Берлин , Лондон и Нью-Йорк .

В 1881 году первой постоянной электрификацией железной дороги в мире стал трамвай Гросс-Лихтерфельде в Берлине , Германия. Электрификация воздушных линий была впервые успешно применена Фрэнком Спрэгом в Ричмонде, штат Вирджиния , в 1887–1888 годах, и к началу 1890-х годов привела к электрификации сотен дополнительных систем уличной железной дороги. Первой электрификацией магистральной железной дороги была Балтиморская поясная линия железной дороги Балтимора и Огайо в США в 1895–1896 годах.

На ранней стадии электрификации железных дорог использовались энергосистемы постоянного тока (DC), которые были ограничены с точки зрения расстояния, на которое они могли передавать энергию. Однако в начале 20-го века были разработаны системы питания переменного тока (AC), которые позволили более эффективно передавать энергию на большие расстояния.

В 1920-х и 1930-х годах многие страны мира начали электрифицировать свои железные дороги. В Европе Швейцария , Швеция , Франция и Италия были одними из первых, кто внедрил электрификацию железных дорог. В Соединенных Штатах железная дорога Нью -Йорка, Нью-Хейвена и Хартфорда была одной из первых крупных железных дорог, которые были электрифицированы.

Электрификация железных дорог продолжала расширяться на протяжении всего 20 века благодаря технологическим усовершенствованиям и развитию высокоскоростных поездов и пригородных поездов . имеют обширную электрифицированную железнодорожную сеть с 375 000 км Сегодня многие страны мира стандартных линий, включая Китай , Индию , Японию , Францию , Германию и Великобританию . Электрификация рассматривается как более устойчивая и экологически чистая альтернатива дизельной или паровой энергии и является важной частью транспортной инфраструктуры многих стран.

Классификация

Системы электрификации в Европе:

  Неэлектрифицированный

  750   В постоянного тока

  1,5   кВ постоянного тока

  3   кВ постоянного тока

  15 кВ переменного тока

  25 кВ переменного тока

Высокоскоростные линии во Франции, Испании, Италии, Великобритании, Нидерландах, Бельгии и Турции работают под напряжением ниже 25   кВ, как и линии электропередачи в бывшем Советском Союзе.

Системы электрификации классифицируются по трем основным параметрам:

• Напряжение
• Текущий
  • Постоянный ток (DC)
  • Переменный ток (AC)
    • Частота
• Контактная система
  • Воздушные линии (цепная линия)
  • Третий рельс
  • Четвертый рельс
  • Источник питания на уровне земли

Выбор системы электрификации основан на экономике энергоснабжения, технического обслуживания и капитальных затратах по сравнению с доходами, полученными от грузовых и пассажирских перевозок. Для городских и междугородних территорий используются разные системы; некоторые электровозы могут переключаться на другое напряжение питания, чтобы обеспечить гибкость в эксплуатации.

Стандартизированные напряжения

Шесть наиболее часто используемых напряжений были выбраны для европейской и международной стандартизации. Некоторые из них не зависят от используемой контактной системы, так что, например, напряжение 750   В   постоянного тока можно использовать либо с третьим рельсом, либо с воздушными линиями.

Существует множество других систем напряжения, используемых в системах электрификации железных дорог по всему миру, и список систем электрификации железных дорог охватывает как системы стандартного, так и нестандартного напряжения.

Допустимый диапазон напряжений, разрешенный для стандартизированных напряжений, указан в стандартах BS   EN   50163. и МЭК   60850. При этом учитывается количество поездов, потребляющих ток, и их расстояние от подстанции.

Система электрификации	Напряжение
	Минимум временный	Минимум постоянный	Номинальный	Максимум постоянный	Максимум временный
600   В постоянного тока	400   В	400   В	600   В	720   В	800   В
750   В постоянного тока	500   В	500   В	750   В	900   В	1000   В
1500   В постоянного тока	1000   В	1000   В	1500   В	1800   В	1950   В
3   кВ постоянного тока	2   кВ	2   кВ	3   кВ	3,6   кВ	3,9   кВ
15   кВ переменного тока, 16,7   Гц	11   кВ	12   кВ	15   кВ	17,25   кВ	18   кВ
25   кВ переменного тока, 50   Гц (EN 50163) и 60   Гц (МЭК 60850)	17,5   кВ	19   кВ	25   кВ	27,5   кВ	29   кВ

Постоянный ток

Воздушные линии

LGV Sud-Est во Франции электрифицирован по 25 кВ, 50 Гц. воздушным линиям

На трамвае Анже в Анже, Франция, используются 750   В   воздушные линии постоянного тока , как и во многих других современных трамвайных системах.

Основная статья: Воздушная линия

1500   В постоянного тока используется в Японии, Индонезии, Гонконге (детали), Ирландии, Австралии (детали), Франции (также используется переменный ток 25 кВ, 50 Гц ) , Нидерландах, Новой Зеландии ( Веллингтон ), Сингапуре (на северо-восточном метро MRT). линия ), США ( район Чикаго в районе Метра Электрик и линия South Shore Line междугородная и легкорельсовый транспорт Link в Сиэтле , штат Вашингтон). В Словакии в Высоких Татрах есть две узкоколейные линии (одна зубчатая ). В Нидерландах он используется в главной системе, наряду с напряжением 25   кВ на линиях HSL-Zuid и Betuwelijn и напряжением 3000   В к югу от Маастрихта . В Португалии он используется на линии Кашкайш и в Дании в системе пригородных поездов S (1650   В постоянного тока).

В Соединенном Королевстве напряжение 1500   В   постоянного тока использовалось в 1954 году на Вудхед транспеннинском маршруте (сейчас закрыто); в системе использовалось рекуперативное торможение , позволяющее передавать энергию между поднимающимися и спускающимися поездами на крутых подходах к туннелю. Система также использовалась для электрификации пригородов в Восточном Лондоне и Манчестере , теперь она переведена на напряжение переменного тока 25   кВ   . Сейчас он используется только для метро Тайн-энд-Уир . В Индии 1500   В постоянного тока была первой системой электрификации, запущенной в 1925 году в районе Мумбаи. В период с 2012 по 2016 год электрификация была переведена на 25   кВ, 50   Гц, что является общенациональной системой.

Постоянное напряжение 3   кВ используется в Бельгии, Италии, Испании, Польше, Словакии, Словении, Южной Африке, Чили, северной части Чешской Республики, бывших республиках Советского Союза и в Нидерландах на расстоянии нескольких километров между Маастрихтом и Бельгия. Раньше он использовался Милуоки-Роуд от Харлоутона, штат Монтана , до Сиэтла, через Континентальный водораздел и включая обширные ответвления и кольцевые линии в Монтане, а также на Делавэр, Лакаванне и Западной железной дороге (ныне Транзит Нью-Джерси 25   кВ   , преобразованный в сеть переменного тока ). ) в США и пригородная железная дорога Калькутты (магистральная линия Бардхаман) в Индии до того, как она была переведена на напряжение 25   кВ, 50   Гц.

Напряжения постоянного тока от 600   В до 750   В используются в большинстве трамвайных и троллейбусных сетей, а также в некоторых системах метрополитена , поскольку тяговые двигатели воспринимают это напряжение без веса бортового трансформатора.

Среднее напряжение постоянного тока

Увеличение доступности высоковольтных полупроводников может позволить использовать более высокие и эффективные напряжения постоянного тока, которые до сих пор были практичны только с переменным током.

Использование электрификации постоянного тока среднего напряжения (MVDC) могло бы решить некоторые проблемы, связанные с системами электрификации переменного тока стандартной частоты, особенно возможный дисбаланс нагрузки питающей сети и разделение фаз между электрифицированными секциями, питаемыми от разных фаз, тогда как высокое напряжение может передача более эффективна. МСЖД провел тематическое исследование по переоборудованию железнодорожной линии Бордо-Андай (Франция), электрифицированной в настоящее время напряжением 1,5   кВ постоянного тока, на постоянное напряжение 9   кВ и обнаружил, что преобразование позволит использовать менее громоздкие воздушные провода (сэкономив 20 миллионов евро на 100   маршрут-км) и снизить потери (экономия 2   ГВтч в год на 100   маршрут-км, что соответствует примерно 150 000 евро в год). Выбранная линия является одной из линий общей протяженностью 6000   км, нуждающихся в обновлении.

В 1960-е годы Советы экспериментировали с повышением напряжения на воздушной линии с 3 до 6   кВ. Подвижной состав постоянного тока был оборудован преобразователями на основе игнитрона для понижения напряжения питания до 3   кВ. Преобразователи оказались ненадежными и эксперимент свернули. В 1970 году Уральский электромеханический институт инженеров железнодорожного транспорта выполнил расчеты по электрификации железных дорог.при 12 кВ постоянного тока , показывая, что эквивалентные уровни потерь для системы переменного тока 25 кВ могут быть достигнуты при напряжении постоянного тока от 11 до 16   кВ. В 1980-х и 1990-х годах напряжение постоянного тока 12 кВ испытывалось на Октябрьской железной дороге под Ленинградом (ныне Петербург ). Эксперименты завершились в 1995 году из-за прекращения финансирования.

Третий рельс

Основная статья: Третий рельс

Система электрификации третьего рельса с нижним контактом в метро Бухареста , Румыния.

В большинстве систем электрификации используются воздушные провода, но возможен вариант третьего рельса до 1500   В. В системах третьего рельса почти исключительно используется распределение постоянного тока. Использование переменного тока обычно невозможно из-за того, что размеры третьего рельса физически очень велики по сравнению с глубиной слоя , через который проникает переменный ток, до 0,3 миллиметра или 0,012 дюйма в стальном рельсе. Этот эффект делает сопротивление на единицу длины неприемлемо высоким по сравнению с использованием постоянного тока. Третий рельс более компактен, чем воздушные провода, и может использоваться в туннелях меньшего диаметра, что является важным фактором для систем метрополитена.

Четвертый рельс

Смотрите также: Список систем электрификации железных дорог § постоянного тока, четырехрельсовый.

В лондонском метрополитене для электрификации используются третий и четвертый рельсы рядом с ходовыми рельсами и между ними.

Лондонское метро в Англии — одна из немногих сетей, использующих четырехрельсовую систему. Дополнительный рельс несет электрический возврат, который в третьем рельсе и воздушных сетях обеспечивается ходовыми рельсами. В лондонском метро третий рельс с верхним контактом находится рядом с путями и на него подается напряжение +420 В постоянного тока , а четвертый рельс с верхним контактом расположен по центру между ходовыми рельсами с напряжением -210 В постоянного тока , что в совокупности обеспечивает тяговое напряжение. постоянного 630 В тока . Та же самая система использовалась для линии самой ранней линии метро Милана, миланского метрополитена , 1 более поздние линии которой используют контактную сеть или третий рельс.

Ключевое преимущество четырехрельсовой системы заключается в том, что ни одна из направляющих не пропускает ток. Эта схема была введена из-за проблем с обратными токами, которые должны были проходить по заземленному (заземленному) ходовому рельсу, а вместо этого протекали через железные облицовки туннеля. Это может вызвать электролитическое повреждение и даже искрение, если сегменты туннеля не соединены между собой электрически. Проблема усугублялась тем, что обратный ток также имел тенденцию течь через близлежащие железные трубы, образующие водопровод и газопровод. Некоторые из них, особенно викторианские магистрали, предшествовавшие лондонскому метрополитену, не были рассчитаны на передачу тока и не имели адекватного электрического соединения между сегментами труб. Четырехрельсовая система решает проблему. Хотя источник питания имеет искусственно созданную точку заземления, это соединение осуществляется с помощью резисторов, что гарантирует поддержание блуждающих токов на землю на управляемом уровне. Рельсы, предназначенные только для электропитания, можно установить на керамические стулья с сильной изоляцией, чтобы минимизировать утечку тока, но это невозможно для ходовых рельсов, которые должны быть установлены на более прочные металлические стулья, чтобы выдерживать вес поездов. Однако эластомерные резиновые прокладки, помещенные между рельсами и стульями, теперь могут частично решить проблему, изолируя ходовые рельсы от обратного тока в случае утечки через ходовые рельсы.

На линиях Expo и Millennium Line Ванкуверского SkyTrain используются системы четвертого рельса с боковым контактом для питания 650 В постоянного тока . Оба расположены сбоку от поезда, так как пространство между ходовыми рельсами занято алюминиевой пластиной, являющейся частью статора линейной индукционной двигательной установки, используемой в системе Innovia ART . Будучи частью сети SkyTrain, Canada Line не использует эту систему, а вместо этого использует более традиционные двигатели, прикрепленные к колесам, и электрификацию третьего рельса.

Резиновые системы

Основная статья: Метро на резиновых колесах

Тележка от вагона MP 89 Paris Métro . Боковой контактный башмак расположен между резиновыми шинами.

Несколько линий парижского метро во Франции работают по четырехрельсовой системе электроснабжения. Поезда передвигаются на резиновых шинах , которые катятся по паре узких роликовых путей, сделанных из стали, а местами из бетона . Поскольку шины не проводят обратный ток, две направляющие шины, расположенные за пределами ходовых « путей качения », в некотором смысле становятся третьим и четвертым рельсом, каждый из которых обеспечивает 750 В постоянного тока , так что, по крайней мере электрически, это четырехрельсовый рельс. система. На каждой колесной паре механизированной тележки установлен один тяговый двигатель . Боковой скользящий (боковой ходовой) контактный башмак принимает ток от вертикальной поверхности каждой направляющей шины. Возврат каждого тягового двигателя, а также каждого вагона осуществляется с помощью одного контактного башмака, который скользит по каждому из ходовых рельсов . Этот и все другие метрополитены на резиновых колесах с диаметром колес 1435 мм ( 4 фута 8 + 1 ⁄ 2 дюйма колея ) колеи стандартной между роликовыми путями работает таким же образом.

Переменный ток

Железные дороги и электроэнергетические компании используют переменный ток, а не постоянный ток, по той же причине: использовать трансформаторы , которым требуется переменный ток, для получения более высокого напряжения. Чем выше напряжение, тем ниже ток при той же мощности (поскольку мощность — это ток, умноженный на напряжение), а потери мощности пропорциональны квадрату тока. Более низкий ток снижает потери в линии, что позволяет передавать более высокую мощность.

Поскольку переменный ток используется с высоким напряжением, этот метод электрификации используется только на воздушных линиях , а не на третьих рельсах по соображениям безопасности. Внутри локомотива трансформатор понижает напряжение для использования тяговыми двигателями и вспомогательными нагрузками.

, теряющие мощность, Одним из первых преимуществ переменного тока было то, что резисторы используемые в локомотивах постоянного тока для регулирования скорости, не были необходимы в локомотиве переменного тока: несколько ответвлений на трансформаторе могут обеспечивать диапазон напряжений. Отдельные обмотки низковольтного трансформатора питают освещение и двигатели, приводящие в движение вспомогательные механизмы.Совсем недавно разработка очень мощных полупроводников привела к тому, что классический двигатель постоянного тока был в значительной степени заменен трехфазным асинхронным двигателем, питаемым от преобразователя частоты , специального инвертора, который изменяет как частоту, так и напряжение для управления скоростью двигателя.Эти приводы могут одинаково хорошо работать как на постоянном, так и на переменном токе любой частоты, и многие современные электровозы рассчитаны на работу с различными напряжениями и частотами питания, чтобы упростить трансграничные перевозки.

Низкочастотный переменный ток

Основные статьи: электрификация железных дорог переменного тока напряжением 15 кВ , тяговая энергосистема Amtrak 25 Гц и тяговая энергосистема SEPTA 25 Гц.

Поезд ÖBB , использующий   15 кВ, частотой 16,7 Гц в Австрии.   воздушные линии переменного тока напряжением

Пять европейских стран – Германия, Австрия, Швейцария, Норвегия и Швеция – ввели стандарт на напряжение 15   кВ. 16 + 2 ⁄ 3   Гц (   частота сети 50 Гц, деленная на три) однофазного переменного тока. 16 октября 1995 года Германия, Австрия и Швейцария изменили От 16 + 2 ⁄ 3   Гц до 16,7   Гц, что уже не составляет ровно одной трети частоты сети. Это решило проблемы перегрева вращающихся преобразователей, используемых для выработки части этой энергии из сети.

В США на железных дорогах Нью -Йорка, Нью-Хейвена и Хартфорда , Пенсильванской железной дороги и Филадельфийской и Ридингской железной дороги использовался   11 кВ, частотой 25   однофазный переменный ток напряжением Гц. Некоторые части исходной электрифицированной сети по-прежнему работают на частоте 25   Гц с повышением напряжения до 12   кВ, тогда как другие были преобразованы в 12,5 или 25   кВ, 60   Гц.

В Великобритании железная дорога Лондона, Брайтона и Южного побережья впервые провела надземную электрификацию своих пригородных линий в Лондоне: Лондонский мост до Виктории был открыт для движения 1   декабря 1909 года. От Виктории до Кристал Пэлас через Бэлхэм и Вест-Норвуд открылся в мае 1911 года. Пекхэм Рай до Вест-Норвуда открылся в июне 1912 года. Дальнейшие расширения не производились из-за Первой мировой войны. Две линии открылись в 1925 году под Южной железной дорогой, обслуживающей Колсдон-Норт и железнодорожные станции Саттон . Линии электрифицированы на напряжение 6,7   кВ 25   Гц. В 1926 году было объявлено, что все линии будут преобразованы в третий рельс постоянного тока, а последняя воздушная линия электропередачи была запущена в сентябре 1929 года.

Переменный ток стандартной частоты

Схема электроснабжения 2×25 кВ:
1. Питающий трансформатор (выход с центральным отводом)
2. Источник питания
3. Воздушная линия
4. Беговая рельса
5. Фидерная линия
6. Пантограф
7. Локомотив-трансформер.
8. Воздушная линия
9. Автотрансформатор
10. Беговая рельса

Основная статья: Электрификация железных дорог переменного тока 25 кВ

Электроэнергия переменного тока используется с частотой 60   Гц в Северной Америке (за исключением вышеупомянутой   сети с частотой 25 Гц), западной Японии, Южной Корее и Тайване; и на частоте 50   Гц в ряде европейских стран, Индии, Саудовской Аравии, восточной Японии, странах, которые раньше были частью Советского Союза, на высокоскоростных линиях в большей части Западной Европы (включая страны, которые до сих пор используют обычные железные дороги под постоянным током). но не в странах, использующих 16,7   Гц, см. выше). Большинство подобных систем работают при напряжении 25   кВ, хотя   в США существуют участки 12,5 кВ, а   на некоторых узкоколейных линиях в Японии используется напряжение 20 кВ. На ВЛ «французской системы» воздушная линия и «спальная» фидерная линия несут по 25   кВ каждая по отношению к рельсам, но в противоположной фазе, поэтому они находятся на расстоянии 50   кВ друг от друга; автотрансформаторы выравнивают напряжение через равные промежутки времени.

Трехфазный переменный ток

Основная статья: Электрификация железных дорог трехфазным переменным током

Железная дорога Юнгфрау , самая высокая в Европе, использует трехфазную электроэнергию между двумя воздушными линиями и рельсами.

В различных системах электрификации железных дорог в конце девятнадцатого и двадцатого веков использовалась трехфазная , а не однофазная подача электроэнергии из-за простоты конструкции как источника питания, так и локомотивов. В этих системах можно было использовать либо стандартную сетевую частоту и три силовых кабеля, либо пониженную частоту, что позволяло использовать линию обратной фазы в качестве третьего рельса, а не дополнительный воздушный провод.

Сравнения

Сравнение переменного и постоянного тока для магистральных линий

Большинство современных систем электрификации получают энергию переменного тока из электросети, которая подается на локомотив, а внутри локомотива преобразуется и выпрямляется до более низкого напряжения постоянного тока для подготовки к использованию тяговыми двигателями. Эти двигатели могут быть либо двигателями постоянного тока, которые напрямую используют постоянный ток, либо двигателями трехфазного переменного тока, которые требуют дальнейшего преобразования постоянного тока в трехфазный переменный ток переменной частоты (с использованием силовой электроники). Таким образом, перед обеими системами стоит одна и та же задача: преобразование и транспортировка переменного тока высокого напряжения из электросети в постоянный ток низкого напряжения в локомотиве. Разница между системами электрификации переменного и постоянного тока заключается в том, где переменный ток преобразуется в постоянный: на подстанции или в поезде. Энергоэффективность и затраты на инфраструктуру определяют, какой из них будет использоваться в сети, хотя это часто фиксируется из-за уже существующих систем электрификации.

Как передача, так и преобразование электрической энергии сопряжены с потерями: омическими потерями в проводах и силовой электронике, потерями в магнитном поле в трансформаторах и сглаживающих реакторах (индукторах). Преобразование мощности для системы постоянного тока происходит в основном на железнодорожной подстанции, где можно использовать большое, тяжелое и более эффективное оборудование по сравнению с системой переменного тока, где преобразование происходит на борту локомотива, где пространство ограничено, а потери значительно выше. Однако более высокие напряжения, используемые во многих системах электрификации переменного тока, снижают потери при передаче на большие расстояния, позволяя использовать меньше подстанций или более мощные локомотивы. Кроме того, необходимо учитывать энергию, используемую для продувки воздухом для охлаждения трансформаторов, силовой электроники (включая выпрямители) и другого преобразовательного оборудования.

Стандартные системы электрификации переменного тока используют гораздо более высокие напряжения, чем стандартные системы постоянного тока. Одним из преимуществ повышения напряжения является то, что для передачи определенного уровня мощности необходим меньший ток ( P = V × I ). Снижение тока снижает омические потери и позволяет сделать менее громоздким, более легким оборудование воздушных линий и увеличить расстояние между тяговыми подстанциями при сохранении мощности системы. С другой стороны, более высокое напряжение требует больших изоляционных зазоров, что требует увеличения размеров некоторых элементов инфраструктуры. Система переменного тока стандартной частоты может внести дисбаланс в энергосистему, что потребует тщательного планирования и проектирования (поскольку на каждой подстанции электроэнергия потребляется от двух из трех фаз). Система низкочастотного переменного тока может питаться от отдельной генерирующей и распределительной сети или от сети преобразовательных подстанций, что увеличивает затраты, а низкочастотные трансформаторы, используемые как на подстанциях, так и на подвижном составе, отличаются особой громоздкостью и тяжелым весом. Система постоянного тока, помимо ограничения максимальной передаваемой мощности, также может быть причиной электрохимической коррозии из-за блуждающих токов постоянного тока.

Электрический против дизельного

Электростанция Лотс-Роуд на плакате 1910 года. Эта частная электростанция, используемая лондонским метрополитеном , обеспечивала лондонские поезда и трамваи электроснабжением, независимым от основной электросети.

Энергоэффективность

Электропоездам не нужно нести вес тягачей , трансмиссии и топлива. Частично это компенсируется весом электрооборудования. Регенеративное торможение возвращает мощность в систему электрификации, чтобы ее можно было использовать в другом месте, другими поездами в той же системе или вернуть в общую энергосистему. Это особенно полезно в горных районах, где тяжелонагруженным поездам приходится спускаться по длинным спускам.

Электричество на центральной станции часто может производиться с более высокой эффективностью, чем мобильный двигатель/генератор. Хотя эффективность генерации электростанций и тепловозов в номинальном режиме примерно одинакова, снижение КПД дизельных двигателей на неноминальных режимах при малой мощности в то время как, если электростанции необходимо вырабатывать меньше электроэнергии, она отключит наименее эффективные генераторы, тем самым повышая эффективность. Электропоезд может экономить энергию (по сравнению с дизельным двигателем) за счет рекуперативного торможения и отсутствия необходимости потреблять энергию на холостом ходу, как это делают тепловозы при остановке или движении накатом. Однако электрический подвижной состав может включать охлаждающие вентиляторы при остановке или движении накатом, потребляя таким образом энергию.

Крупные электростанции, работающие на ископаемом топливе , работают с высоким КПД и могут использоваться для централизованного теплоснабжения или для производства централизованного холодоснабжения , что приводит к более высокому общему КПД. Электричество для систем электрического железнодорожного транспорта также может поступать из возобновляемых источников энергии , ядерной энергии или других низкоуглеродных источников, которые не выделяют загрязнений или выбросов.

Выходная мощность

Электровозы могут быть легко построены с большей выходной мощностью, чем большинство тепловозов. Для пассажирских перевозок можно обеспечить достаточную мощность с помощью дизельных двигателей (см., например, « ICE TD »), но на более высоких скоростях это оказывается дорогостоящим и непрактичным. Поэтому почти все высокоскоростные поезда электрические. Высокая мощность электровозов также дает им возможность тянуть грузы на подъемах с более высокой скоростью; в условиях смешанного движения это увеличивает пропускную способность, поскольку время между поездами можно сократить. Более высокая мощность электровозов и электрификация также могут быть более дешевой альтернативой новой и менее крутой железной дороге, если в системе необходимо увеличить вес поездов.

С другой стороны, электрификация может не подойти для линий с низкой частотой движения, поскольку более низкие эксплуатационные расходы поездов могут быть перевешены высокой стоимостью электрификационной инфраструктуры. Поэтому большинство линий дальнего следования в развивающихся или малонаселенных странах не электрифицированы из-за относительно низкой частоты движения поездов.

Сетевой эффект

Сетевые эффекты являются важным фактором электрификации. При переводе линий на электрические необходимо учитывать соединения с другими линиями. Некоторые электрификации впоследствии были удалены из-за сквозного движения по неэлектрифицированным линиям. Чтобы сквозной трафик имел какую-либо выгоду, для установления таких соединений должны происходить трудоемкие переключения двигателей или дорогие двухрежимные двигатели должны использоваться . В основном это проблема для поездок на дальние расстояния, но на многих линиях преобладают сквозные перевозки грузовых поездов дальнего следования (обычно перевозящих уголь, руду или контейнеры в порты или из портов). Теоретически, эти поезда могли бы добиться значительной экономии за счет электрификации, но распространение электрификации на изолированные районы может оказаться слишком дорогостоящим, и, если вся сеть не электрифицирована, компании часто обнаруживают, что им необходимо продолжать использовать дизельные поезда, даже если участки электрифицированы. . Растущий спрос на контейнерные перевозки, которые более эффективны при использовании двухъярусных вагонов , также имеет проблемы сетевого эффекта с существующей электрификацией из-за недостаточного просвета воздушных линий электропередачи для этих поездов, но электрификация может быть построена или модифицирована, чтобы иметь достаточный просвет. , за дополнительную плату.

Проблема, конкретно связанная с электрифицированными линиями, — это пробелы в электрификации. Электромобили, особенно локомотивы, теряют мощность при преодолении перерывов в электроснабжении, таких как перерывы в смене фаз в воздушных системах и перерывы в точках в системах третьего рельса. Это становится неприятностью, если локомотив останавливается с коллектором в мертвом зазоре, и в этом случае нет возможности перезапустить двигатель. Это представляет меньшую проблему в поездах, состоящих из двух или более агрегатов, соединенных вместе, поскольку в этом случае, если поезд останавливается с одним коллектором в мертвом зазоре, другой составной агрегат может толкать или тянуть отключенный агрегат до тех пор, пока он снова не сможет потреблять энергию. . То же самое относится и к двухтактным поездам , у которых на каждом конце есть локомотив. В одноколлекторных поездах дефицит мощности можно преодолеть за счет бортовых аккумуляторов или систем мотор-маховик-генератор. В 2014 году достигнут прогресс в использовании конденсаторов большой емкости для питания электромобилей между станциями, что позволяет избежать необходимости прокладки воздушных проводов между этими станциями.

Затраты на техническое обслуживание

Затраты на техническое обслуживание линий могут быть увеличены за счет электрификации, но многие системы заявляют о более низких затратах из-за уменьшения износа путей от более легкого подвижного состава. Существуют некоторые дополнительные затраты на техническое обслуживание, связанные с электрооборудованием вокруг пути, например, силовыми подстанциями и самой контактной линией, но при достаточном трафике сокращение пути и особенно более низкие затраты на техническое обслуживание и эксплуатацию двигателей превышают затраты. этого обслуживания значительно.

Эффект искр

На новых электрифицированных линиях часто наблюдается «эффект искр», при котором электрификация пассажирских железнодорожных систем приводит к значительному скачку патронажа / доходов. Причины могут заключаться в том, что электропоезда считаются более современными и привлекательными для езды, более быстрое, тихое и плавное обслуживание, и тот факт, что электрификация часто идет рука об руку с общей инфраструктурой и капитальным ремонтом / заменой подвижного состава, что приводит к улучшению качества обслуживания (что теоретически может быть достигнуто путем проведения аналогичной модернизации, но без электрификации). Какими бы ни были причины возникновения искр, они хорошо известны на многочисленных маршрутах, электрифицированных на протяжении десятилетий. Это касается и случаев, когда автобусные маршруты с дизельными автобусами заменяются троллейбусами. Воздушные провода делают услугу «видимой» даже тогда, когда автобус не ходит, а наличие инфраструктуры дает определенные долгосрочные ожидания относительно эксплуатации линии.

Двухъярусный железнодорожный транспорт

См. Также: Двухъярусный железнодорожный транспорт.

Из-за ограничения высоты, налагаемого воздушными проводами, двухъярусные контейнерные поезда традиционно сложно и редко эксплуатировать на электрифицированных линиях. Однако это ограничение преодолевают железные дороги Индии, Китая и стран Африки за счет прокладки новых путей с увеличенной высотой контактной сети.

Такие установки находятся в Западном выделенном грузовом коридоре в Индии, где высота провода составляет 7,45 м (24,4 фута) для приема двухъярусных контейнерных поездов без необходимости использования вагонов-колодцев .

Преимущества

Существует ряд преимуществ, включая тот факт, что пассажиры не подвергаются воздействию выхлопных газов локомотива, а также более низкую стоимость строительства, эксплуатации и обслуживания локомотивов и составных частей . Электропоезда имеют более высокую удельную мощность (нет бортовых топливных баков), что приводит к меньшему количеству локомотивов, более быстрому ускорению, более высокому практическому пределу мощности, более высокому пределу скорости, меньшему шумовому загрязнению (более тихая работа). Более быстрое ускорение быстрее освобождает очереди, позволяя пропускать больше поездов на городских железных дорогах.

• Снижение потерь мощности на больших высотах ( потери мощности см. в разделе «Дизельный двигатель» ).
• Независимость эксплуатационных расходов от колебаний цен на топливо
• Обслуживание станций метрополитена, где дизель-поезда не могут ходить по соображениям безопасности.
• Снижение загрязнения окружающей среды, особенно в густонаселенных городских районах, даже если электроэнергия производится из ископаемого топлива.
• Легко обеспечивает рекуперацию кинетической энергии при торможении с использованием суперконденсаторов.
• Более комфортная поездка на нескольких поездах, поскольку в поездах нет подпольных дизельных двигателей.
• Несколько более высокая энергоэффективность отчасти из-за рекуперативного торможения и меньшей потери мощности на холостом ходу.
• Более гибкий источник первичной энергии: в качестве основного источника энергии вместо дизельного топлива можно использовать уголь, природный газ, ядерную или возобновляемую энергию (гидро, солнечную, ветровую).
• Если вся сеть электрифицирована, дизельную инфраструктуру, такую ​​как заправочные станции, площадки технического обслуживания и даже парк тепловозов, можно вывести из эксплуатации или использовать для других целей – часто это экономическое обоснование в пользу электрификации последних нескольких линий в сети, где в противном случае затраты будут слишком высокими. Наличие только одного типа движущей силы также обеспечивает большую однородность парка, что также может снизить затраты.

Недостатки

Королевский пограничный мост в Англии , охраняемый памятник . Добавление электрической контактной сети к старым конструкциям может оказаться дорогостоящим проектом электрификации.

Многие системы электрификации, использующие воздушные линии связи, не обеспечивают достаточного пространства для двухъярусного вагона . Каждый контейнер может быть Высота колодца составляет 9 футов 6 + 1 ⁄ 2 дюйма (2,908 м), а дно колодца находится на высоте 1 фут 2 дюйма (0,36 м) над рельсом , что составляет общую высоту 20 футов 3 дюйма (6,17 м), включая вагон-колодец.

• Стоимость электрификации: электрификация требует строительства совершенно новой инфраструктуры вокруг существующих путей и требует значительных затрат. Затраты особенно высоки, когда туннели, мосты и другие препятствия необходимо изменить для расчистки . Еще одним аспектом, который может повысить стоимость электрификации, являются изменения или модернизация железнодорожной сигнализации, необходимые для обеспечения новых характеристик движения, а также для защиты сигнальных цепей и путевых цепей от помех со стороны тягового тока. Электрификация обычно требует закрытия линий на время установки нового оборудования.
• Внешний вид: конструкции воздушных линий и кабели могут оказывать значительное влияние на ландшафт по сравнению с неэлектрифицированной или электрифицированной линией третьего рельса, на которой над уровнем земли имеется лишь эпизодическое сигнальное оборудование.
• Хрупкость и уязвимость: воздушные системы электрификации могут серьезно выйти из строя из-за незначительных механических неисправностей или воздействия сильного ветра, из-за которого пантограф движущегося поезда запутывается в контактной сети , отрывая провода от опор. Ущерб зачастую не ограничивается снабжением одного пути, а распространяется и на соседние пути, в результате чего весь маршрут блокируется на значительное время. Системы третьего рельса могут выйти из строя в холодную погоду из-за образования льда на контактном рельсе.
• Кража: высокая стоимость медного лома и неохраняемые удаленные прокладки делают воздушные кабели привлекательной мишенью для воров металлолома. Попытки хищения   кабеля напряжением 25 кВ под напряжением могут закончиться смертью вора от поражения электрическим током. В Великобритании кража кабеля считается одной из крупнейших причин задержек и сбоев в работе поездов, хотя обычно это касается сигнального кабеля, что не менее проблематично и для дизельных линий.
• Несовместимость: Дизельные поезда могут двигаться по любому пути без электричества или с любым видом электричества ( третий рельс или воздушная линия , постоянный или переменный ток, при любом напряжении или частоте). Иначе обстоит дело с электропоездами, которые никогда не могут двигаться по неэлектрифицированным линиям и которые даже на электрифицированных линиях могут работать только на одной или немногих электрических системах, для которых они оборудованы. Даже в полностью электрифицированных сетях обычно полезно иметь несколько тепловозов для обслуживания и ремонта поездов, например, для ремонта сломанных или украденных воздушных линий или для прокладки новых путей. Однако из-за проблем с вентиляцией дизельным поездам, возможно, придется запретить проезд в некоторых туннелях и станциях метро, ​​что несколько снизит преимущества дизельных поездов.
• Птицы могут садиться на части с разным зарядом, а животные также могут прикасаться к системе электрификации. Мертвые животные привлекают лис и других падальщиков. создавая риск столкновения с поездами.
• В большинстве железнодорожных сетей мира высота воздушных линий электропередачи недостаточна для размещения двухъярусного контейнерного вагона или других необычно высоких грузов. Модернизация электрифицированных линий до необходимых зазоров (21 фут 8 дюймов или 6,60 м) для приема двухъярусных контейнерных поездов, помимо замены мостов через них, обычно означает необходимость в специальных пантографах, нарушающих стандартизацию и требующих изготовления транспортных средств на заказ. .

Электрификация железных дорог по всему миру

Смотрите также: Список стран по электрификации железных дорог.

По состоянию на 2012 год электрифицированные пути составляли почти треть от общего числа путей в мире.

По состоянию на 2018 год насчитывалось 72 110 км (44 810 миль) железных дорог, электрифицированных на напряжение 25   кВ, 50 или 60   Гц; 68 890 км (42 810 миль) электрифицировано напряжением 3 кВ постоянного тока ; 32 940 км (20 470 миль) электрифицировано на 15   кВ 16,7 или 16 + 2 ⁄ 3   Гц и 20 440 км (12 700 миль), электрифицированных напряжением 1,5 кВ постоянного тока .

По состоянию на 2023 год швейцарская железнодорожная сеть является крупнейшей полностью электрифицированной сетью в мире и одной из одиннадцати стран или территорий, достигших этого, как указано в Списке стран по размеру сети железнодорожного транспорта . Затем этот процент продолжает падать по порядку: Лаос, Черногория, Индия, Бельгия, Грузия, Южная Корея, Нидерланды и Япония, при этом все остальные страны электрифицированы менее чем на 75%. В целом, Китай занимает первое место с около 100 000 км (62 000 миль) электрифицированных железных дорог, за ним следует Индия с более 60 000 км (37 000 миль) электрифицированных железных дорог и продолжается Россия с более 54 000 км (34 000 миль) электрифицированных железных дорог. . В ряде стран нет электрифицированных железных дорог, вместо этого они полагаются на дизельные электропоезда, локомотивную тягу и множество альтернативных видов транспорта. В Европейском Союзе находится самое большое количество электрифицированных железных дорог (по длине): более 114 000 км (71 000 миль) электрифицированных железных дорог, однако они составляют лишь около 55% от общей длины железных дорог.

Несколько стран объявили о планах электрифицировать всю или большую часть своей железнодорожной сети, включая Индийские железные дороги и Израильские железные дороги .

Транссибирская магистраль, проходящая преимущественно в России, полностью электрифицирована, что делает ее одним из самых длинных участков электрифицированных железных дорог в мире.

См. также

• Аккумуляторный электропоезд
• Аккумуляторный локомотив
• Текущая коллекция Conduit
• Токосъемник
• Двойная электрификация
• Электромот
• Пятая железнодорожная система
• Источник питания на уровне земли
• История электровоза
• Первоначальные эксперименты по электрификации, Нью-Йорк, Нью-Хэмпшир, HR
• Список систем электрификации железных дорог
• Список трамвайных систем по колеи и электрификации
• Мультисистема (железнодорожная)
• Воздушные контактные рельсы
• Электрификация железных дорог в США
• Контактная система шпильки
• Опора тягового тока
• Тяговая электростанция
• Тяговая подстанция

Дальнейшее чтение

• Вилнер, Фрэнк (2012). Амтрак: прошлое, настоящее, будущее . Книги Симмонса-Бордмана, Омаха. ISBN  978-0911382-59-4 .
• «На борту электрификации». Журнал учреждения Permanent Way . 139 (1). Январь 2021 г. ISSN   2057-2425 – через PWI.
• Кинор, Гарри. Электрификация воздушных линий железных дорог (6-е изд.). ISBN  978-0-903489-15-7 .
• «Сетевая железная дорога. Руководство по воздушной электрификации, редакция 10» (PDF) . Сетевая железная дорога . Февраль 2015.
• Нок, ОС (1965). Новая железная дорога Великобритании: электрификация главных линий Лондон-Мидленд от Юстона до Бирмингема, Сток-он-Трент, Крю, Ливерпуля и Манчестера . Лондон: Ян Аллан. OCLC   59003738 .
• Нок, ОС (1974). Электрик Юстон в Глазго . Ян Аллан. ISBN  978-0711005303 .
• Уокер, Роберт. Энциклопедия Транссибирской магистрали .
• Вольмар, Кристиан (2013). На край света: история Транссибирского экспресса, величайшей железной дороги в мире . Лондон: Atlantic Books. ISBN  978-0857890375 .
• «Электрификация индийских железных дорог для снижения выбросов углекислого газа» . www.investindia.gov.in . Проверено 9 ноября 2022 г.
• «Электрификация железных дорог» . Siemens Mobility Global . Проверено 17 февраля 2023 г.

Источники

Английский

• Муди, GT (1960). «Часть первая». Саузерн Электрик (3-е изд.). Лондон: Ian Allan Ltd.
• Гомес-Экспозито А., Маурисио Х.М., Маза-Ортега Дж.М. «Система электрификации железных дорог MVDC на базе VSC» Транзакции IEEE по доставке электроэнергии, т. 29, вып. 1 февраля 2014 г., стр.   422–431. (предполагается 24 кВ постоянного тока )
• (Джейн) Городские транзитные системы
• Хаммонд, Джон Уинтроп (2011) [1941]. Мужчины и вольты; история Дженерал Электрик . Филадельфия, Пенсильвания; Лондон: Компания General Electric; Дж. Б. Липпинкотт и компания ; Литературное Лицензирование, ООО. ISBN  978-1-258-03284-5 – через Интернет-архив . Ему предстояло создать первый двигатель, который работал бы без каких-либо передач, а якорь которого был бы напрямую соединен с осью автомобиля.
• Мартин, Т. Коммерфорд (1924). Кемпферт, Вальдемар Бернхард (ред.). Популярная история американских изобретений . Том. 1. Лондон; Нью-Йорк: Сыновья Чарльза Скрибнера - через Интернет-архив .
• Мэлоун, Дюма (1928). Сидни Хоу Шорт . Том. 17. Лондон; Нью-Йорк: Сыновья Чарльза Скрибнера .

Русский

• Винокуров В.А., Попов Д.А. "Электрические машины железно-дорожного транспорта" (Electrical machinery of railroad transportation), Москва, Транспорт, 1986. ISBN   5-88998-425-X , 520 стр.
• Дмитриев, В.А., "Народнохозяйственная эффективность электрификации железных дорог и применения тепловозной тяги" (National economic effectiveness of railway electrification and application of diesel traction), Москва, Транспорт 1976.
• Дробинский В.А., Егунов П.М. "Как устроен и работает тепловоз" (How the diesel locomotive works) 3rd ed. Moscow, Транспорт, 1980.
• Иванова В.Н. (ed.) "Конструкция и динамика тепловозов" (Construction and dynamics of the diesel locomotive). Москва, Транспорт, 1968 (textbook).
• Калинин, В.К. "Электровозы и электропоезда" (Electric locomotives and electric train sets) Москва, Транспорт, 1991 ISBN   978-5-277-01046-4
• Мирошниченко, Р.И., "Режимы работы электрифицированных участков" (Regimes of operation of electrified sections [of railways]), Москва, Транспорт, 1982.
• Перцовский, Л. М.; "Энергетическая эффективность электрической тяги" (Energy efficiency of electric traction), Железнодорожный транспорт (magazine), #12, 1974 p.  39+
• Плакс, А.В. & Пупынин, В. Н., "Электрические железные дороги" (Electric Railways), Москва "Транспорт" 1993.
• Сидоров Н.И., Сидорожа Н.Н. "Как устроен и работает электровоз" (How the electric locomotive works) Москва, Транспорт, 1988 (5th ed.). 233 pp, ISBN   978-5-277-00191-2 . 1980 (4-е изд.).
• Хомич А.З. Тупицын О.И., Симсон А.Э. "Экономия топлива и теплотехническая модернизация тепловозов" (Fuel economy and the thermodynamic modernization of diesel locomotives). Москва: Транспорт, 1975. 264 pp.

Внешние ссылки

• СМИ, связанные с электрическим железнодорожным транспортом, на Викискладе?