Увеличение объемов перевозимых грузов и интенсивности движения поездов по основным транспортным магистралям привело к появлению электрифицированных железных дорог. Подобные объекты довольно сложно реализовать технически. В отличие от первых электрифицированных железных дорог, современные магистрали являются сложными с инженерной точки зрения инфраструктурными объектами и выполняют целый ряд важных для населения и экономики государства задач. В данной статье описывается история возникновения и развития железнодорожного транспорта на электрической тяге, даются основные технические характеристики и представление о системе подстанций и парке локомотивов.
Ранняя история электрифицированной железной дороги
Своим появлением первый в истории электровоз обязан известному всему миру немецкому изобретателю и бизнесмену Вернеру Сименсу. Этот образец был представлен всему миру на выставке достижений промышленности и науки в Берлине 31 мая 1879 г. Специально для демонстрации возможностей электровоза была построена электрифицированная железная дорога с контактной сетью. Длина этого экспериментального пути составляла немногим более 300 метров. Аппарат, который был продемонстрирован общественности, по современным меркам едва ли можно отнести к локомотивам. Скорее это была его модель. Транспортное средство весило всего лишь 250 килограмм, имело мощность в три лошадиных силы и могло развить скорость не более 7 километров в час. Для подачи напряжения использовался дополнительный рельс. Подвижной состав состоял из трех вагонов. Всего в них могло разместиться не более 18 человек.
Такая новинка вызвала огромный интерес со стороны представителей бизнеса. Уже в том же 1879 году для доставки рабочих и сырья на территории одной из французских швейных фабрик была построена дорога длиной 2 километра.
Таким образом, изначально железнодорожный транспорт на электрической тяге использовался на промышленных предприятиях и для перевозок пассажиров в черте города (трамвайные линии). Однако спустя всего лишь несколько лет открывается движение по маршруту Ликтерфельж – Берлин. Торжественное открытие с разрезанием красной ленточки состоялось 16 мая 1881 года.
Электрификация железнодорожных путей в Советской России и СССР
В царской России не уделялось должного внимания развитию электрического железнодорожного транспорта. В крупных городах были построены трамвайные линии. Основные магистрали железных дорог, соединяющие крупнейшие города империи, не электрифицировались. В 1880 году ученому по фамилии Пироцкий удалось сдвинуть с места тяжелый железнодорожный вагон при помощи электричества. Но этот эксперимент никого не заинтересовал. Лишь с приходом советской власти началось обсуждение перспектив развития данной отрасли. На тот момент локомотивы на электрической тяге активно внедрялись в большинстве стран мира. Электрифицированные железные дороги было просто жизненно необходимо развивать. Уже в 1921 году утверждается стратегический план электрификации всех территорий страны. Во соответствии с озвученным планом, контактная сеть электрифицированных железных дорог должна была протянуться над важнейшими магистралями, которые соединяют крупные промышленные регионы и города.
Уже в 1926 году вводится в эксплуатацию двадцати километровый участок дороги с контактной электрической сетью. Он соединил столицу Азербайджанской ССР с нефтяными промыслами Сураханы. На данном участке использовался постоянный ток напряжением 1200 вольт. 1929 год ознаменовался торжественным пуском первой электрички из Москвы в Мытищи. Эти события ознаменовали, без преувеличения, начало новой эры в истории развития и индустриализации нашей страны.
Спустя несколько десятилетий на смену постоянному приходит переменный ток. 19 декабря 1955 года вводится в эксплуатацию участок железной дороги Михайлов – Ожерелье. Его длина составляет 85 километров. Локомотивы на этом участке питались переменным током промышленной частоты (50 Герц) с напряжением 22 000 вольт. Спустя год контактные линии электропередач были продлены до станции Павелец 1. Таким образом, общая длина данного пути составила около 140 километров.
Общие сведения о железной дороге России
Железная дорога Российской Федерации – огромный организм. Она разбита на 17 отдельных управлений. По последним данным, суммарная длина эксплуатируемых дорог достигает значения 86 тысяч километров. При этом протяженность электрифицированных железных дорог составляет чуть более половины от этого значения (51%). Далеко не каждая страна может похвастаться таким показателем. Следует отметить, что на долю электрифицированных железных дорог России приходится более восьмидесяти процентов всего грузо- и пассажиропотока. Это вполне понятно. Ведь электрифицируются в первую очередь высоконагруженные транспортные магистрали. Более того, электрификация дорог с небольшим трафиком является экономически нецелесообразной и будет нести убытки. Достичь подобных показателей можно лишь сплоченным трудом всего народа. При этом необходимо иметь очень развитое машиностроение и приборостроение, развитую электротехническую промышленность и научный потенциал.
Суммарная длина электрифицированных участков железной дороги в нашей стране составляет приблизительно 43 тысячи километров. При этом 18 тысяч километров питаются постоянным током. Соответственно остальные 25 тысяч километров работают на переменном токе.
Преимущества электрификации
На фоне огромного числа достоинств и преимуществ электрифицированных железных дорог все недостатки просто теряются. Во-первых, количество вредных выбросов гораздо меньше, нежели от тепловозов. Это положительно сказывается на состоянии окружающей среды. Во-вторых, коэффициент полезного действия локомотива на электротяге значительно больше. Таким образом, снижается себестоимость перевозки грузов.
Помимо всего прочего, электрифицированные железные дороги решают проблему обеспечения электроэнергией промышленных предприятий и населенных пунктов, которые располагаются вдоль железнодорожной магистрали и недалеко от нее. По статистическим данным за 1975 год, более половины всей электроэнергии контактной сети железных дорог СССР было израсходовано на электроснабжение указанных объектов, не входящих в транспортную инфраструктуру.
И это далеко не исчерпывающий перечень преимуществ. Следует также сказать о том, что электрифицированная железная дорога имеет значительно большую пропускную способность, надежность, позволяет создавать комфортные условия для перевозки пассажиров.
Тяговые подстанции: общие понятия
Если упростить до минимума, то тяговой подстанции можно дать следующее определение: установка, предназначенная для распределения и преобразования электроэнергии. Иными словами, тяговая подстанция – это понижающий трансформатор. Если локомотив работает на постоянном токе, то подстанция выполняет функцию выпрямителя. Для сетей электрифицированных дорог на переменном токе необходимо оборудовать тяговые подстанции на расстоянии от 50 до 80 километров на протяжении всего участка пути. Переход на постоянный ток требует возведения подстанций каждые 15-20 километров. В некоторых исключительных случаях это расстояние может сокращаться до 5 километров (на особо загруженных магистралях).
В метро применяется особый тип тяговых подстанций. Устройства подобного типа преобразуют не преобразуют переменный в постоянный, а лишь понижают напряжение постоянного тока.
Конструкция блоков тяговых подстанций
Блоки тяговых подстанций представляют собой комплекс ячеек, панелей и шкафов. Эти элементы монтируются на рамы и соединяются сетью проводов (как силовых, так и проводов управления).
Существует два типа блоков. В одних блоках все элементы монтируются на раму, в других каждый элемент помещен в герметичный контейнер. Блоки первого типа предназначаются для установки в зданиях. Блоки второго типа устанавливаются вдоль линии железной дороги под открытым небом.
Контактная сеть
Контактная сеть является весьма сложным инженерным сооружением. Она включает в себя множество элементов: непосредственно сам провод, трос (несущий), опоры электропередач, жесткие и гибкие перекладины… К подвеске предъявляются весьма жесткие требования. Если она не будет им соответствовать, то съем тока будет происходить прерывисто, что не позволит локомотиву работать в нормальном режиме и может привести к возникновению аварийной ситуации. Строго регламентируется высота и сила натяжения провода, максимально допустимая кривизна, величина пролетов и так далее. В нашей стране одновременно функционируют локомотивы как на постоянном токе, так и на переменном. Это, разумеется, несколько затрудняет электроснабжение электрифицированных железных дорог. Каждая из этих систем имеет свои преимущества и недостатки.
Конструкция простой контактной подвески
По сути, простая контактная подвеска представляет собой провод, закрепленный на опорах. При этом расстояние между этими опорами обычно составляет 30-40 метров. Подобная конструкция приемлема лишь на участках дорог, на которых не допускается движение с большой скоростью (мосты, тоннели), а также в троллейбусных и трамвайных линиях электропередачи.
Преимущества контактной сети на постоянном токе
По сравнению с контактной сетью на переменном токе, контактная сеть на постоянном токе имеет целый ряд преимуществ. Среди них особенно следует отменить возможность использовать ее для локомотивов со сравнительно простой конструкций и небольшой массой. Кроме того, в подобных системах отсутствует влияние поданного на контактную сеть напряжения. Самым главным преимуществом является более высокий уровень безопасности при эксплуатации, по сравнению с системами на переменном токе.
Недостатки контактной сети на постоянном токе
Главным недостатком подобных систем электроснабжения электрифицированных железных дорог является их дороговизна. Ведь для их постройки необходима более сложная и дорогая подвеска. Медный тяговый провод имеет значительно большее сечения, что также существенно удорожает общую стоимость проекта. Немаловажным недостатком является довольно незначительное, по сравнению с контактными сетями на переменном токе, расстояние между тяговыми подстанциями на электрифицированных железных дорогах. В среднем, оно составляет от 15 (на участках с максимальной интенсивностью движения составов) до 20 километров. Кроме всего прочего, постоянные токи вызывают возникновение так называемых блуждающих токов, которые приводят к возникновению и стремительному коррозионному разрушению стальных сооружений и опор.
Требования к подготовке персонала, обслуживающего системы электроснабжения
Прежде чем работник будет допущен к выполнению работ по ремонту и обслуживанию линий передач электрифицированной железной дороги, он должен пройти специальную подготовку. Причем это касается не только людей, которые работают непосредственно с электрической частью, но и слесарей и монтажников, которые обслуживают всю конструкцию линий передач и их опор. Весь персонал в обязательном порядке обязан проходить проверку знаний и подтверждать квалификационный уровень.
Заключение
Появление электрифицированных железных дорог ознаменовало бурный рост промышленности за счет интенсификации движения и увеличения грузооборота. Появилась возможность значительно увеличить массу перевозимых одним локомотивом грузов.
Кроме того, это позволило решить целый ряд проблем. Так, обычные тепловозы в условиях низких температур часто выходят из строя. Электровоз же работает надежно в любых погодных условиях. Это, в свою очередь, создало предпосылки для активного освоения северных и дальневосточных регионов нашей страны.
