Электрификация железных дорог
ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ — оборудование действующих и вновь строящихся железных дорог комплексом устройств, обеспечивающих использование электроэнергии для тяги поездов. В ходе электрификации осуществляется строительство тяговых подстанций и сооружение тяговой сети. Параллельно ведется монтаж линий освещения, автоблокировки, сигнализации , связи, электрической централизации и т. п.
История электрификации железных дорог
Идея использования электричества как источника тяги на ж.-д. транспорте была впервые реализована в 1879 г. На Промышленной выставке в Берлине демонстрировался макет электрифицированной дороги с подводом электрической энергии к локомотиву по контактному рельсу. Практически электрическая тяга была применена в 1895 г. в США на линии Балтимор-Огайо. С дальнейшим развитием техники электрификация ж. д. начала осуществляться в ряде стран, особенно на ж.д., проложенных в горной местности, имеющих участки с тоннелями (в Швейцарии, Италии, Швеции). В кон. 19 в. в России проводились опыты и неоднократно высказывались предложения об электрификации железных дорог. Было разработано несколько технико-экономических обоснований и проектов строительства новых электрифицированных ж. д. и перевода участков с паровой тяги на электрическую. В 1913 г. началось строительство линии, электрифицированной на постоянном токе напряжением 1200 В между Петербургом и Петергофом. Были сооружены 2 электростанции — в Екатерингофе и Ораниенбауме. Однако работы прекратили в связи с начавшейся 1-й мировой войной.
Большая роль электрификации ж. д. отводилась в плане ГОЭЛРО, принятом в дек. 1921 г., где указывалось на необходимость «создания в стране основного „транспортного скелета“ из таких путей, которые соединили бы в себе дешевизну перевозок с чрезвычайной провозоспособностью». В течение 15 лет намечалось электрифицировать 3500 верст железных дорог.
В 1926 г. был электрифицирован первый в стране участок местного значения Баку-Сураханы протяженностью 19 км по системе постоянного тока напряжением 1,2 кВ. В кон. 1930-х гг. участок переведен на напряжение 1,5 кВ, а позднее — на 3 кВ.
Электрификация железных дорог в нашей стране
Электрификация ж. д. в пределах Российской Федерации началась с магистрального участка Москва — Мытыщи (17,7 км) по системе постоянного тока напряжением 1,65 кВ. Регулярное движение пригородных поездов открылось 1 окт. 1929 г. В 1932 г. на электротягу на постоянном токе напряжением 3,3 кВ переведен участок Хашури-Зестафони (63 км) через Сурамский перевал. По этой системе тока в границах РФ в 1933 г. был электрифицирован первый магистральный участок Кизел-Чусовская (113 км). К нач. 1941 г. протяженность электрифицированных ж. д. достигла 1865 км. В 1941 г. в связи с приближением фронта было демонтировано 633 км; единственный участок Мурманск-Кандалакша (300 км), находясь в непосредственной близости к фронту под постоянным воздействием авиации противника (на него сброшено св. 1500 авиабомб), в течение 3,5 лет не прекращал работу на электротяге. В годы войны электрификация продолжалась на Урале, в Московском и Куйбышевском узлах; на электротягу было переведено 446 км. Широкое развитие электрификации ж. д. началось в соответствии с Постановлением правительства от 3 февр. 1956 г. № 1966—121С «О генеральном плане электрификации железных дорог». Постановлением устанавливались на период 1956—1970 гг. конкретные задания по электрификации девяти важнейших направлений сети и ряда участков. В 1958 г. по протяженности электрифицированных линий СССР вышел на первое место в мире (рис. 8.1). Наибольший прирост был достигнут в 1965 г. (2268 км), при этом примерно 45 % грузооборота железных дорог осуществлялось электротягой. Для обеспечения таких объемов работ была создана производственная база по выпуску электроподвижного состава, кабельной продукции, специального оборудования, перевооружены строительно-монтажные подразделения, решены вопросы финансирования, взаимодействия различных министерств.
Задание по объему перевозок электротягой было выполнено в 1967 г., а по протяженности электрифицированных линий — в 1982 г. Замена паровозов прогрессивными видами тяги завершилась в 1980 г. К этому времени протяженность дорог, работающих на электротяге, составила 30,8 % общей длины сети, а выполняемый ими объем грузовых перевозок достиг 54,8 %.
В первые десятилетия электрификация велась на пригородных участках на напряжении 1,65 кВ, а на магистральных — на напряжении 3,3 кВ; начиная с 1947 г. ранее электрифицированные пригородные участки стали переводить также на напряжение 3,3 кВ. Одновременно проводились исследования системы однофазного тока промышленной частоты. В 1939—1940 гг. был построен и проходил испытания на опытном кольце ст. Щербинка первый отечественный электровоз ОР-22-01 на однофазном переменном токе; исследования в этой области были продолжены в кон. 40-х — нач. 50-х гг. В 1956 г. электрифицирован опытный участок Ожерелье-Павелец (137 км) на однофазном переменном токе промышленной частоты с напряжением в контактной сети 22 кВ, которое в 1959 г. было повышено до 25 кВ. В 1958 г. введена первая станция стыкования двух родов тока — ст. Ожерелье. В 1959—1960 гг. на переменном токе 25 кВ электрифицирован участок Мариинск-Зима (1222 км) с двумя станциями стыкования. Эксплуатация этой грузонапряженной линии со сложным профилем в суровых климатических условиях подтвердила высокую эффективность новой системы, которая в дальнейшем стала основной. На переменный ток были переведены пригородные участки, ранее электрифицированные на постоянном токе (в Горьком, Киеве, Казани, Саратове, Ташкенте), магистральные участки Зима-Слюдянка в 1995 г. (386 км) и Мурманск-Лоухи в 2001 г. (475 км). В 1979 г. на участке Вязьма-Красное (246 км) была введена новая система электроснабжения 2 х 25 кВ (автотрансформаторная), позволяющая сохранить в контактной сети напряжение 25 кВ, сократить число тяговых подстанций, снизить затраты на защиту линий связи и потери в тяговой сети.
С 1956 по 1991 гг. в СССР переведено на электрическую тягу ок. 50 тыс. км важнейших магистралей и целых направлений (рис. 8.2). К кон. 1991 г. протяженность электрифицированных линий составила 55,2 тыс. км, в том числе на переменном токе — 27,5 тыс. км (37,4 % общей длины ж.-д. сети). Электротягой выполнялось 63,9 % всего грузооборота. В 1999 г. с вводом в эксплуатацию участка Плесецкая-Обозёрская Северной железной дороги протяженность электрифицированных дорог РФ превысила 40 тыс. км. В 2000 г. продолжалась электрификация Транссиба до Владивостока, подходов к северным морским портам и портам Кавказского побережья Черного моря, направлений Череповец-Волховстрой-Петрозаводск-Беломорск, участка Обозёрская-Сумский Посад, начаты работы по электрификации линии Саратов-Волгоград-Краснодар.
На всех этапах одновременно с электрификацией осуществлялись комплексная реконструкция и техническое перевооружение железных дорог: переустраивались станции, как правило, удлинялись приемо-отправочные пути; увеличивались плечи обслуживания локомотивов; сооружались линии автоблокировки; вводилась электрическая централизация управления стрелками; развивались средства связи; улучшалось наружное освещение и т. п.
Результат электрификации железных дорог
Введение электротяги позволило повысить пропускную и провозную способность однопутных линий в 1,5-2 раза, двухпутных — в 2-2,5 раза; отдельных горных участков — почти в 3 раза. В 1986 г. на ряде электрифицированных участков ж. д. была достигнута рекордная грузонапряженность: выше 70 млн т(нетто)/км.
Внедрение электротяги способствовало ускорению перевозочного процесса. Электрические локомотивы практически не имеют ограничений по мощности, так как получают питание централизованно и способны длительное время выдерживать перегрузку. Средняя техническая скорость, средний вес поезда и среднесуточная производительность электровозов выше, чем у локомотивов других типов. Электрификация ж. д. обеспечила рост энерговооруженности, что привело к повышению производительности труда: на линиях с электротягой она почти в 1,5 раза выше, чем на линиях с тепловозной тягой, а в пригородном сообщении — более чем в 2 раза. Электротяга — самый экономичный по расходу топлива способ транспортировки грузов: удельный расход топлива при тепловозной тяге в 1,46, при паровозной — в 5,5 раза больше, чем при электрической.
Себестоимость перевозок при электрической тяге значительно ниже, чем при других видах тяги (например, в 1988 г. в 1,5 раза меньше, чем при тепловозной тяге).
Важным свойством электрических локомотивов является способность вырабатывать и возвращать в сеть электрическую энергию при рекуперативном торможении поезда. Наряду с экономией электроэнергии при этом повышается и безопасность движения (особенно на участках со сложным профилем), снижается износ тормозного оборудования. На электрифицированных линиях повысилась устойчивость работы локомотивов, особенно в районах с суровыми климатическими условиями. Одним из преимуществ электротяги является экологический фактор: исключается загрязнение окружающей среды продуктами сгорания угля (паровозы) и дизельного топлива (тепловозы). Электрификация ж. д. качественно изменила эксплуатационную работу дорог, улучшила условия труда и быта железнодорожников, обслуживание пассажиров (снизился шум, увеличилась скорость движения, повысился уровень комфорта в пути следования и т. п.).
Наряду с переводом железных дорог на электрическую тягу получила развитие транспортная электроэнергетика — электроснабжение нетяговых потребителей. Применение ее началось задолго до внедрения электротяги. Еще в кон. 19 в. при паровозных депо сооружали локомобильные электростанции — сначала небольшой мощности (8-30 л. с), затем более мощные (100—400 л. с). Для снабжения ж.-д. станций и пристанционных поселков электроэнергией сооружали линии электропередачи и распределительные сети напряжением 6 и 10 кВ с понизительными подстанциями. В 50-е гг. 20 в. на ж. д. строили ветровые электростанции небольшой мощности (1,5-2 кВт): в 1953 г. их число составило 476 ед. Важную роль в 40-50-е гг. сыграли специальные передвижные подстанции. В 1946 г. на 174 важнейших объектах ж.-д. транспорта такими подстанциями было выработано 47,6 млн кВт-ч электроэнергии. К 1967 г. завершено электрическое освещение всех промежуточных станций и разъездов, остановочных пунктов и линейных путевых зданий, многие из которых располагаются на перегонах. По мере подключения транспортных потребителей к энергетическим системам с 1961 г. производство электроэнергии собственными электростанциями начало снижаться, в связи с чем их ликвидировали или переводили в резерв.
Развитие электроснабжения нетяговых потребителей осуществлялось железными дорогами и организациями Министерства транспортного строительства. В 1966—1977 гг. было построено ок. 10 тыс. км линий электропередачи напряжением 6 и 10 кВ и ок. 4 тыс. км низковольтных сетей. Устройства электроснабжения электрифицированных линий и нетяговых потребителей с 1953 г. объединены в самостоятельную отрасль ж.-д. хозяйства. Стоимость основных фондов отрасли составляет 6,3 % общесетевой, расходы на содержание — 3,4 %, что свидетельствует о ее экономичности.
В 2001 г. электровозы и электропоезда эксплуатировались на 16 железных дорогах России; общая длина электрифицированных линий ж.-д. сети составляла почти половину всей ее протяженности — более 40 тыс. км; на них выполнялось около 80 % всего объема перевозок.
Литература
- Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. М., Транспорт, 1982;
- Справочник по электроснабжению железных дорог. Т.1-2 /Под ред. К.Г. Марквардта. М., Транспорт, 1981;
- Мамошин Р.Р., Зимакова А.Н. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. М., Транспорт, 1980;
- Прохорский А.А. Тяговые и трансформаторные подстанции: Учебник для техникумов ж.-д. трансп. 4-е издание М., Транспорт, 1983;
- Тяговые подстанции. Учебник для вузов ж.-д. трансп. /Ю.М.Бей, Р.Р. Мамошин, В.Н.Пупынин, М.Г. Шалимов М., Транспорт, 1986;
- Фигурнов Е.П. Релейная защита устройств электроснабжения железных дорог. М., Транспорт, 1981;
- Электронные устройства релейной защиты и автоматики в системах тягового энергоснабжения / под ред. В.Я. Овласюка. М., Транспорт, 1974;
- Михайлов М.И. Влияние внешних электромагнитных полей на цепи проводной связи и защитные мероприятия. М. Связьиздат, 1959;
- Бадёр М.П. Электромагнитная совместимость.М., Тр МИИТ, 1997-1999;
- Фрайфельд А.В., Бондарев Н.А., Марков А.С. Устройство, сооружение и эксплуатация контактной сети и воздушных линий М., 1987;
- Беляев И.А., Вологин В.А. Взаимодействие токоприемников и контактной сети. М., 1983.