Электрификация железной дороги Нью-Йорка, Нью-Хейвена и Хартфорда

Электровоз Нью-Хейвена EP-1 , около 1907 года. Обратите внимание на небольшой пантограф постоянного тока между двумя большими пантографами переменного тока.

Железные дороги Нью -Йорка, Нью-Хейвена и Хартфорда стали пионерами электрификации магистральных железных дорог с использованием высоковольтной однофазной воздушной контактной сети переменного тока . Он электрифицировал свою магистраль между Стэмфордом, Коннектикут , и Вудлоном, Нью-Йорк , в 1907 году и расширил электрификацию до Нью-Хейвена, Коннектикут , в 1914 году. В то время как электрификация железных дорог однофазным переменным током стала обычным явлением, система Нью-Хейвена была беспрецедентной в то время. строительства. Значение этой электрификации было признано в 1982 году Американским обществом инженеров-механиков (ASME) как машиностроения исторический памятник .

Начальные эксперименты

Нью-Хейвен провел несколько экспериментов с низковольтной электрификацией постоянного тока за десятилетие, предшествовавшее электрификации основных воздушных линий электропередачи. В их число вошли:

• 1895 г. Электрификация линии длиной 6,8 миль (11 км) между Нантаскет-Джанкшен и Пембертоном, штат Массачусетс, с использованием воздушного контактного медного провода на 600–700 В постоянного тока.
• Эта линия была продлена еще на 3,4 мили (5,5 км) до Восточного Уэймута примерно в 1896 году.
• Электрификация третьего рельса между Хартфордом , Новая Британия и Берлином , всего 12 миль (20 км) в 1896 году. Эта система третьего рельса была уникальной; он состоял из рельса перевернутого V-образного ( углового ) поперечного сечения, установленного на поперечных шпалах между ходовыми рельсами и полностью открытого.
• В 1898 году филиал в Новом Ханаане был электрифицирован контактной сетью постоянного тока напряжением 500 В. В 1908 году она была заменена контактной сетью переменного тока напряжением 11 кВ.

Неудивительно, что третья железнодорожная система привела к ряду аварий. Это также привело к принятию постановления Верховного суда Коннектикута от 13 июня 1906 года, запрещающего использование третьей электрификации железной дороги на территории штата. Это решение вынудило Нью-Хейвен спроектировать систему электрификации магистральной линии с использованием воздушной контактной сети.

При первоначальном проектировании рассматривалось несколько различных комбинаций систем напряжения и частоты. Из-за относительно больших расстояний передача высоких напряжений с использованием переменного тока была признана неизбежной. Рассматривалась архитектура, аналогичная коммерческим предприятиям постоянного тока и городским железным дорогам, с использованием линий электропередачи высокого напряжения, вращающихся преобразователей и воздушной контактной сети постоянного тока. Исследования того времени предполагали, что электрический КПД этой архитектуры составит всего 75 процентов.

Максимальное напряжение, на которое в то время могли быть надежно рассчитаны генераторы, составляло около 22 кВ. Рассматривался промежуточный проект с использованием линий электропередачи 22 кВ, подстанций для снижения напряжения контактной сети до 3–6 кВ и трансформаторов на двигателях до напряжения 560 В, необходимого для тяговых двигателей. Железная дорога осознала, что можно сэкономить значительные капитальные затраты, если промежуточную замену исключить и локомотивы будут получать линейное напряжение около 11 кВ.

Оригинальная архитектура с прямой подачей 1907 года.

Архитектура с прямым питанием, реализованная в 1907 году, и схема мостовых выключателей конструкции 1907 года.

Электрификация Нью-Хейвена была первой в своем роде; Ни одна из предыдущих железных дорог не имела практического опыта эксплуатации системы распределения высокого напряжения над паровой железной дорогой. Многие из окончательных характеристик системы стали результатом продуманных проектных решений, основанных на состоянии электротехники в 1907 году.

Предложения поступили от General Electric (GE) и Westinghouse . Обе компании представили различные схемы переменного и постоянного тока, хотя GE отдавала предпочтение электрификации постоянным током. Но Нью-Хейвен выбрал однофазный переменный ток напряжением 11 кВ, 25 Гц, как предложил Вестингауз, который исследовал электрификацию железных дорог переменным током с 1895 года и совместно с Болдуином поставлял локомотивы Болдуин-Вестингауз . Позже GE также поставила несколько локомотивов.

Напряжение

Проектировщики рассмотрели несколько напряжений для сегмента передачи системы, включая 3–6 кВ, 11 кВ и 22 кВ. В конечном итоге трансмиссия и контактная система были объединены в бестрансформаторную систему, которая использовала одно и то же напряжение от выхода генератора до контактной сети и пантографа локомотива. Поскольку 11 кВ было самым высоким напряжением, которое можно было получить непосредственно от выхода генераторов 1907 года, 11 кВ было выбрано в качестве передающего и контактного напряжения системы.

Частота

Нью-Хейвен рассматривал две разные рабочие частоты для использования при электрификации: 15 Гц и 25 Гц. Хотя частота 15 Гц была желательна с инженерной точки зрения, поскольку она позволяла уменьшить размер двигателя, снизить индуктивные потери и повысить коэффициент мощности двигателя, выбор этой частоты рассматривался на железной дороге как сродни «обрыву колеи», что ограничивало коммерческие перспективы своей системы. К 1907 году 25 Гц уже стали коммерческим стандартом, и железная дорога уже эксплуатировала ряд троллейбусных электростанций с частотой 25 Гц и оснастила многие свои магазины двигателями с частотой 25 Гц; таким образом, железная дорога выбрала стандарт 25 Гц.

Цепная линия

Заброшенная контактная сеть на главной линии железной дороги Нью-Хейвен в Маунт-Вернон, Нью-Йорк . На участке к югу от Пелхэма теперь используется третий рельс.

У Нью-Хейвена не было прецедента, которому можно было бы следовать при проектировании контактной системы. Воздушная контактная сеть раньше была прерогативой троллейбусов, за исключением нескольких трехфазных железных дорог в Европе. Опыта эксплуатации высокоскоростных железных дорог с воздушной контактной системой не существовало. Цепная сеть, спроектированная Нью-Хейвеном, имела уникальное, относительно жесткое треугольное поперечное сечение.

Треугольное сечение контактной сети, использованное при первоначальной электрификации, было повторено только на одной железной дороге. Железная дорога Лондона , Брайтона и Южного побережья использовала аналогичную треугольную контактную сеть с 1909 по 1929 год. Пристройки Нью-Хейвена в 1914 году обходились без треугольной цепной конструкции.

Расстояние между опорами контактной сети было установлено на уровне 300 футов (91 м). Это было основано на сохранении отклонения прямой линии от центра пути в пределах 8,5 дюймов (220 мм) с радиусом поворота 3 градуса, что было самой крутой кривой между конечными точками исходной системы в Вудлоне и Стэмфорде.

Генераторы

Генераторы на электростанции Кос-Коб были спроектированы для подачи однофазной электроэнергии непосредственно в контактную сеть. От них также требовалось поставлять трехфазное электропитание как в сам Нью-Хейвен для использования на линиях, так и в самом Нью-Хейвене. и на New York Central компании электростанцию ​​Порт-Моррис (NYC) , чтобы компенсировать Нью-Йорку электроэнергию, потребляемую поездами Нью-Хейвена на третьей железнодорожной линии Нью-Йорка, ведущей к Центральному вокзалу . Генераторы Cos Cob представляли собой трехфазные машины, но были подключены для одновременной подачи как трехфазной, так и однофазной энергии.

Пересмотренная архитектура автотрансформатора 1914 года.

Схема системы Нью-Хейвена после внедрения автотрансформаторных подстанций в 1914 году.

Хотя железная дорога считала электрификацию 1907 года весьма успешной, две проблемы потребовали окончательной модернизации системы передачи. Первым были электромагнитные помехи в соседних параллельных телеграфных и телефонных проводах, вызванные большими токами в тяговой энергосистеме.

Во-вторых, географический рост системы и развитие электротехнологий создали потребность в более высоких напряжениях передачи. Железная дорога могла бы просто повысить рабочее напряжение всей системы, однако для этого потребовалась бы модернизация всех изоляторов контактной сети для выдерживания более высокого потенциала и замена всего высоковольтного оборудования локомотива. И хотя более высокие напряжения передачи стали обычным явлением за семь лет, прошедших с момента первоначальной электрификации, генераторы все еще были ограничены экономическими соображениями максимальным выходным напряжением около 11 кВ.

Решением, принятым железной дорогой после нескольких лет исследований, стала сбалансированная автотрансформаторная система.

Примечательно, что железная дорога изменила архитектуру системы передачи за четыре часа, хотя предварительные работы заняли предыдущие 18 месяцев. В воскресенье, 25 января 1914 года, в 2 часа ночи железная дорога отключила всю энергосистему. Банды рабочих по всей системе меняли конфигурацию линий электропередачи в течение следующих 70 минут. Запуск системы был начат, и к 5:30 утра электропоезда уже курсировали по новой системе с автотрансформаторным питанием.

Подстанции

Схема контактного мостового выключателя и автотрансформатора после модернизации 1914 года.

Подстанции систем электрификации Нью-Йорка, Нью-Хейвена и Хартфорда

Подстанция №.	Цепной мост №.	Имя	Построен	Координаты	Комментарии
Нью-Хейвен Лайн
	1114	Сидар-Хилл
	1104	Милл-Ривер (перерыв в разделе)
	1060	Кедровая ул.		 41,2937 ° N 72,9305 ° W  / 41,2937; -72,9305  ( Подстанция Сидар-стрит (Нью-Хейвен) )
	962	Вудмонт
	863	Девон
	814	Бишоп Авеню
	736	Берр Роуд
	633	Фермы Грина
	524	Южный Норуолк
	465	Дариен		 41,0773 ° N 73,4686 ° W  / 41,0773; -73,4686  ( Подстанция Дариен (Нью-Хейвен) )
	374	Стэмфорд
	296	Гринвич
	245	Порт-Честер		 41,0053 ° N 73,6559 ° W  / 41,0053; -73,6559  ( Подстанция Порт-Честер (Нью-Хейвен) )
	193	Рожь
	126	Мамаронек		 40,9467 ° N 73,7446 ° W  / 40,9467; -73,7446  ( Подстанция Мамаронек (Нью-Хейвен) )
ВС22	72	Нью-Рошель	1914	 40,9127 ° с.ш. 73,7826 ° з.д.  / 40,9127; -73,7826  ( Подстанция Нью-Рошель (Нью-Хейвен) )	Преобразовано в 60 Гц c. 1986 год
	0	Вудлон
Линия Адских Врат
АТК 47	211H	Амтрак Нью-Рошель	1987	 40,9069 ° с.ш. 73,7900 ° з.д.  / 40,9069; -73,7900  ( Подстанция Нью-Рошель 47 )
ВС14	149Ч	Бэйчестер/Пелхэм-Бридж	1914–1987
ВС12	139H	Вестчестер/Пелхэм Параллель	1914–1987	 40,8167 ° N 73,8933 ° W  / 40,8167; -73,8933  ( Подстанция Вестчестер (Нью-Хейвен) )
АТК 46		Амтрак Ван Нест	1987	 40,8420 ° с.ш. 73,8633 ° з.д.  / 40,8420; -73,8633  ( Подстанция Ван Нест 46 )
СС8	84ч	Вест-Фармс-Джанкшен	1914-1987.	 40,8347 ° N 73,8794 ° W  / 40,8347; -73,8794  ( Подстанция Вест-Фармс (Нью-Хейвен) (снесена) )	Поставляется из Шерман-Крик ; позже из Con Ed Hell Gate GS. Подстанция и прилегающая к ней пассажирская станция снесены; на территории находится штрафстоянка.
СС4	58Ч	Ок-Пойнт	1914–1987	 40,8075 ° N 73,9049 ° W  / 40,8075; -73,9049  ( Подстанция Оук-Пойнт (Нью-Хейвен) )
СС3	42 часа	Бунгей-стрит	1914?-1987		3-фазное электропитание от штата Нью-Йорк подается в порт Моррис GS в Нью-Йорке. для компенсации потребления NH на линиях постоянного тока Нью-Йорка.
СС1	2ч	Река Гарлем	1914-19??
Нью-Йорк, Вестчестер и Бостон железная дорога
		Коламбус Авеню Маунт Вернон
		Белые равнины
Нью-Йоркская соединительная железная дорога
АТК 45	С68	Бауэри Бэй	1918	 40,7643 ° N 73,9054 ° W  / 40,7643; -73,9054  ( Подстанция Бауэри-Бэй 45 )
Лонг-Айлендская железная дорога, филиал Бэй-Ридж
55		Свежий пруд	1927-19??
		2 Ист Нью-Йорк (ФК)	1927-19??		Подключает одну фазу к/от 3-фазной сети PT&T/LIRR, 25 Гц.
54		Восточный Нью-Йорк Swg.	1927-19??
53		Новые лоты пр.	1927-19??
52		Манхэттен-Бич	1927-19??
51		4-я авеню Бэй Ридж	1927-19??

Линия Адских Врат

Основные статьи: Линия Адских ворот и Соединительная железная дорога Нью-Йорка

Карта, показывающая расположение подстанций на соединительной железной дороге Нью-Йорка.

Схема подстанции «Новые лоты» на соединительной железной дороге Нью-Йорка.

Система Нью-Хейвена была расширена через мост «Врата ада» до соединительной железной дороги Нью-Йорка после строительства линии «Врата ада» . Система электрификации была продолжением пересмотренной архитектуры автотрансформаторов 11/22 кВ Нью-Хейвена. Первоначальная электрификация простиралась от главной линии Нью-Хейвена через мост Хелл-Врата до двора Бэй-Ридж. Линия к югу от перекрестка Бауэри-Бэй была деэлектрифицирована в 1950-х годах. Линия между Нью-Рошель и Гарольд-Интерлокинг была передана компании Amtrak в 1976 году после роспуска Penn Central . Система электрификации продолжала контролироваться как часть бывшей системы Нью-Хейвена до перехода в 1987 году на работу с частотой 60 Гц.

Когда основная линия Нью-Хейвена была переведена компанией Metro-North на работу с частотой 60 Гц, участок Amtrak линии Hell Gate Line также был преобразован, но как изолированная система, питаемая от подстанции Ван Нест. Управление контактной системой было передано от Коса Коб диспетчеру нагрузки на Пенсильванском вокзале Нью-Йорка . Хотя преобразование произошло после электрификации эпохи PRR , номера подстанций Amtrak 45–47 были присвоены для согласованности с остальной схемой нумерации PRR.

Расширение электрификации Бостона

Основная статья: Тяговая энергосистема Amtrak частотой 60 Гц

Электровоз АЭМ -7 доставляет поезд Amtrak на Южный вокзал в Бостоне, 2001 год.

С 2000 года тяговая энергосистема Amtrak частотой 60 Гц расширяет электрификацию вдоль Северо-восточного коридора между Нью-Хейвеном. и Бостон, Массачусетс . Эта система была построена компанией Amtrak в конце 1990-х годов и снабжает локомотивы энергией от воздушной контактной сети переменным током напряжением 25 кВ и частотой 60 Гц, стандартной частотой в Северной Америке. Его строительство позволило полностью электрическим пассажирским поездам курсировать на всем пути между Вашингтоном, округ Колумбия , и Бостоном, завершив проект, начатый в 1907 году, и устранив длительную остановку на станции Нью-Хейвен для замены локомотивов.

См. также

• Система тяговой мощности Amtrak с частотой 25 Гц, построенная PRR примерно через два десятилетия после системы в Нью-Хейвене.
• Система тяговой мощности Amtrak с частотой 60 Гц Система Amtrak к востоку от Нью-Хейвена.
• Электровозы Болдуин-Вестингауз
• Metro-North Railroad унаследовала систему в 1983 году от Conrail, которая, в свою очередь, получила ее в 1976 году от обанкротившейся Penn Central.
• Электрификация железных дорог в США
• Тяговая электростанция SEPTA с частотой 25 Гц. Еще одна электрификация эпохи 1930-х годов.

Ссылки

Ранние эксперименты с электрической тягой

• Берч, Эдвард П. (1911). Электрическая тяга железнодорожных поездов . Нью-Йорк: Книжная компания McGraw-Hill. п. 27 . Проверено 13 июля 2011 г.
• Хефт, Нью-Хэмпшир (июнь 1897 г.). «Электрические железные дороги в системе Нью-Йорка, Нью-Хейвена и Хартфорда» . Уличный железнодорожный журнал . 13 (6): 329–339 . Проверено 13 июля 2011 г.

1907 Электрификация

• Ламме, Б.Г. (март 1906 г.). «Электрические системы переменного тока для тяжелого железнодорожного транспорта» . Железнодорожный век . 41 : 583–590 . Проверено 15 февраля 2011 г.
• МакГенри, Э.Г. (август 1907 г.). «Электрификация Нью-Йорка, Нью-Хейвена и Хартфорда» . Железнодорожный вестник . 43 : 177–184 . Проверено 15 декабря 2011 г. . Обсуждены решения, принятые при проектировании, строительстве контактной сети.

1914 г. Модернизация автотрансформатора

• Артур, В. (1914). «Нью-Хейвен совершенствует метод работы с электричеством» . Вестник эпохи железных дорог . 56 : 988–989 . Проверено 15 февраля 2011 г.
• Остин, Эдвин (1915). Однофазные электрические железные дороги . Нью-Йорк: Д. Ван Ностранд. стр 252–269 . . Проверено 16 февраля 2011 г.
• «Питание тяжелой однофазной нагрузки от трехфазных агрегатов» . Электрический мир . 66 (24): 1300–1302. 1915 год . Проверено 14 февраля 2011 г. . В первую очередь сосредоточился на деталях турбогенератора на электростанции Шерман-Крик.
• «Минимизация индукции от однофазной железной дороги» . Электрический мир . 63 (18): 984–986. 2 мая 1914 года . Проверено 7 апреля 2011 г.
• «Электрификация железных дорог Нью-Йорка, Нью-Хейвена и Хартфорда», специальная публикация Westinghouse Electric & Manufacturing Company, 1698 г. , июнь 1914 г. Два рисунка доступны здесь .
• «Покупка электроэнергии для Нью-Хейвена» . Электрожелезнодорожный журнал . 46 (25): 1200–1204. 18 декабря 1915 года . Проверено 14 декабря 2011 г.
• «Уменьшение индуктивных помех от линий электропередачи железной дороги Нью-Хейвен» . Электрожелезнодорожный журнал . 43 (18): 960–966. 2 мая 1914 года . Проверено 15 февраля 2011 г.
• Торчио, П. (1916). «Питание однофазных нагрузок от центральных станций». Труды Американского института инженеров-электриков . 35 (2): 1293–1313. дои : 10.1109/T-AIEE.1916.4765431 . ISSN   0096-3860 . S2CID   51632492 . Обсуждение подстанции Нью-Хейвен на Вест-Фармс, питаемой от коммерческих электростанций.
• «Подстанция Вест-Фармс железной дороги Нью-Хейвена» . Электрический мир . 66 (24): 1365–1367. 1915 год . Проверено 14 февраля 2011 г. . Включает схему генератора, трансформатора и схемы соединений.

Более поздние статьи

• «Электрификация переменного тока железной дороги Нью-Йорка, Нью-Хейвена и Хартфорда, 1907 год - национальная историческая инженерная достопримечательность» (PDF) . Американское общество инженеров-механиков и Институт инженеров по электротехнике и электронике . 1982. Архивировано из оригинала (PDF) 3 августа 2007 г. Проверено 28 апреля 2011 г.
• Фридлендер, Гордон Д. (июль 1968 г.). «Электрификация железных дорог: прошлое, настоящее и будущее. История систем в Соединенных Штатах». IEEE-спектр . 5 (7): 50–65. дои : 10.1109/MSPEC.1968.5214536 . ISSN   0018-9235 . S2CID   51635585 .
• Миддлтон, Уильям Д. (1974). Когда электрифицировались паровые железные дороги . Книги Кальмбаха. стр. 76–80. ISBN  0-8902-4028-0 .
• Мортон, РБ (октябрь 1928 г.). «Устройства фидеров и оборудования электрифицированных железных дорог». Труды Американского института инженеров-электриков . 47 (4): 1297–1301. дои : 10.1109/T-AIEE.1928.5055139 . ISSN   0096-3860 . S2CID   51646729 . Обсуждаются как оригинальные, так и винтажные системы электрификации PRR 1930-х годов, а также система NY Connecting RR.
• Савчак, М.В. (апрель 1990 г.). «Замена контактной сети линии Нью-Хейвен». Совместная конференция ASME/IEEE по железным дорогам . Технические документы, представленные на совместной железнодорожной конференции ASME/IEEE 1990 года. стр. 91–94. дои : 10.1109/RRCON.1990.171665 . Обсуждаются некоторые детали уникальной конструкции контактной сети Нью-Хейвена и ограничения на ее замену, вызванные расстоянием между цепными мостами.