Транспортные системы

Всё об автомобильном, ЖД и авиатранспорте в России

Железнодорожный транспорт

Первые опыты в области электрической тяги

 

В начале XIX в. предпринимались неоднократные попытки использовать электри­ческую энергию для совершения механической работы. Наибо­лее выдающимися из них были опыты Б. С. Якоби (1834 г.). Он применил созданный им электрический двигатель для пере­мещения лодки по реке Неве. В этом двигателе впервые было использовано вращательное движение якоря вместо поступатель­ного, которое ранее применяли в макетах двигателей того времени, но оно не обеспечивало непрерывного движения. Вращение якоря с помощью рычажной передачи, изобретенной Якоби, преобразо­вывалось во вращение винта, установленного на корме. Двигатель питался от гальванических элементов, установленных в лодке: мощность его не превышала 0,5 л. с. (368 Вт), лодка двигалась против течения со скоростью 4 версты в час. Опыты Б. С. Якоби имели принципиальное значение для создания в дальнейшем автономных видов электрической тяги.

Почти одновременно в США Т. Давенпорт, Беккер и Стратинг в Германии, Ботто в Турине проводили опыты по перемещению макетов экипажей с помощью электрических двигателей. В 1838 г. Р. Давидсон, используя принцип Давенпорта, совершил опытные поездки с двухосной тележкой массой 5 т на участке железной дороги Глазго – Эдинбург. В 1845 г. профессор Паж выдвигает предложение по созданию электрической железной дороги длиной 7,5 км на участке Вашингтон – Бладенсбург. При опытных поездках локомотив достиг скорости 30 км/ч.

Э. X. Ленц и Б. С. Якоби установили принцип обратимости электрических и магнитных явлений, согласно которому электри­ческая машина будет работать двигателем, т. е. создавать вра­щающий момент, если подводить к ней электрический ток, и генератором, вырабатывающим электрический ток, если приво­дить ее во вращение.  Этот принцип позволил англичанину Лэдду в 1867 г. создать самовозбуждающийся генератор – прототип современных машин постоянного тока.

В 1877 г. бельгийский физик З. Грамм построил генератор переменного тока, а М. О. Доливо-Добровольский в 1889 г. создал первый в мире трехфазный асинхронный двигатель.

Одновременно с созданием мощных электрических двигателей, необходимых для тяги, изучалась возможность питания подвиж­ного состава от стационарных генераторов, расположенных на электрических станциях.

Решение этой проблемы было настолько трудным, что некото­рые инженеры искали его в другом направлении, предлагали использовать паровую машину паровоза для выработки электри­ческой энергии, которой бы питались его тяговые двигатели. Так, в 1893 г. во Франции появился первый паровоз с электри­ческой передачей. На нем были установлены обычный котел и паровая машина, вращающая генератор, от которого питались восемь тяговых двигателей общей мощностью 300 кВт. Двигатели имели тяговую упругую передачу и полый вал. Однако из-за сложности конструкции и малой экономичности такая система автономной тяги развития не получила.

Первые опыты по передаче электрической энергии на значи­тельное расстояние были проведены в 1875–1876 гг. инженером Ф. А. Пироцким, который в 1876 г. практически решил проблему питания электрического двигателя, установленного на вагоне, использовав для этого участок конной железной дороги в Петер­бурге. Двигатель, подвешенный к вагону снизу, имел двухступен­чатую зубчатую передачу. Напряжение к нему подводилось по рельсам, из которых один служил прямым проводом, другой – обратным. Рельсы были изолированы один от другого, а для изоляции от шпал под их подошву укладывалось просмолен­ное полотно. Развитию электрической тяги способствовала демонстрация в 1891 г. М. О. Доливо-Добровольским первой в мире электропередачи трехфазного тока высокого напряжения на расстояние около 170 км.

Первая электрическая железная до­рога демонстрировалась в 1879 г. фирмой "Siemens und Halske" на промышленной выставке в Берлине. Электровоз мощностью 2,2 кВт, получав­ший питание с напряжением 150 В от специального третьего рельса, пере­возил три вагончика с 18 пассажи­рами. Этот принцип передачи энергии наряду с подводом ее при помощи контактного провода существует и до сих пор, в частности на метрополитенах.

В 1880 г. в Петербурге инже­нер Ф. А. Пироцкий оборудовал 40-местный вагон конно-железной до­роги электродвигателем мощностью 2,95 кВт и проводил опытные поезд­ки.

Электрическая тяга оказалась очень эффективной. Вскоре во многих городах мира появились электрические локомотивы на магистральных и пригородных железных дорогах многих стран.

Первой в мире в 1895 году была электрифицирована железная дорога Балти­мор – Огайо (США) протяженностью 115 км.

В 1924 году начались разработка проекта и  одновременно монтаж обору­дования и контактной сети на 19-километровом участке Баку Сабунчи Сураханы. Руко­водил этой стройкой, как и про­ектированием, известный спе­циалист в области электрифи­кации и энергетики Владимир Александрович Радциг. И уже 6 июля 1926 года в торжествен­ной обстановке было открыто движение электропоездов на участке Баку Сабунчи – Сураханы (19 км). Этот участок сначала работал на постоянном токе напряжением 1,2 кВ.Прав­да, тогда он ещё не входил в со­став Наркомата путей сообще­ния, а был в ведении нефтепромысловиков Азербайджана.

На первом этапе планировалась электрификация пригородного сообщения крупных городов и участков, лимитировавших пропуск­ную способность дорог (с гористым профилем и др.). В 1929 г. был введен в эксплуатацию электрифицированный участок Москва – Мытищи (18 км) на постоянном токе напря­жением 1,5 кВ.

Опыт эксплуатации этих двух участков подтвердил неоспори­мые преимущества электротя­ги на линиях с большим объё­мом пригородных пассажир­ских перевозок. Поэтому в 30-е годы на Московском узле были электрифицированы ещё два направления: Мытищи Щёл­ково и Мытищи Софрино.

Важное значение имела электрификация 63-километрового участка Закав­казской магистрали через Сурамский перевал ХашуриЗестафони. Изобилующий за­тяжными подъёмами и боль­шим числом кривых малого ра­диуса, он был крепким ореш­ком для паровозов. Электри­фикация же позволила резко увеличить скорость движения поездов, повысить надёжность работы всей магистрали, по­скольку этот участок был её уз­ким местом. Здесь первый  поезд  на  электрической  тяге  при  постоянном токе напряжением 3 кВ прошел 16 августа 1932 г.

В последующие годы были электрифициро­ваны участки Зестафони – Самтредиа (61 км), Хашури – Тбилиси (126 км), Кизел – Чусовская – Гороблагодатская – Свердловск (493 км), Кандалакша – Мурманск (277 км), Запо­рожье – Долгинцево (теперь Кривой Рог-Гл., 182 км), Ново­кузнецк – Бедово (142 км), Минеральные Воды – Кисловодск с ответвлением на Железноводск (70 км) и ряд пригородных участков Москвы, Ленинграда и Баку.

clip_image175Электровозы сначала поставлялись из США (серии С – сурамский) и Италии (серии Си). Эти локомотивы были шестиосными; на них (за исключением первых двух) были установ­лены отечественные двигатели. Одновременно был налажен выпуск отечественных шестиосных электровозов серий Сс (сурамский советский) и ВЛ19 (в память Владимира Ильича Ленина). Велись работы по созданию новых российских электровозов. В 1934 г. был построен первый пассажирский электровоз ПБ21, а в   1938 г. – опытный электровоз переменного тока ОР22 (однофазный ртутный). В 1936 – 1938 гг. выпускались грузовые электровозы серии СК (в память Сергея Мироновича Кирова), а с 1938 г. – серии ВЛ22 (рисунок 2. 80).

Рисунок 2.80 – Электровоз серии ВЛ22

 

 Цифры в сериях всех указан­ных выше электровозов означали нагрузку на ось в тоннах. Поскольку одни участки работали при напряжении 1,5 кВ,

а  другие  при  3 кВ  постоянного тока,

то некоторые электровозы серии ВЛ19

были приспособлены для работы при этих двух напряжениях.

При электрификации первых участков использовались импорт­ные двигатели-генераторы и ртутные выпрямители на тяговых подстанциях, а также некоторые детали контактной сети. Но уже в середине 30-х годов ХХ столетия при монтаже тяговых подстанций и контактной сети использовалось только отечественное обору­дование.

Преимущества электриче­ской тяги говорили сами за се­бя, поэтому к началу 1941 года общая протяжённость электрифицированных линий уже пре­высила 1800 километров. Работы эти продолжались и во вре­мя Великой Отечественной войны. Опыт показал, что в прифронтовых условиях (после бомбёжек) повреждения кон­тактной сети ликвидировали, как правило, раньше, чем вос­станавливали путь, линии связи и другие устройства.

В годы Великой Отечест­венной войны электрификация же­лезных дорог продолжалась (участ­ки Челябинск Златоуст, ПермьЧусовская и др.). Электрифициро­ванный участок Мурманск Кандалакша, оказавшийся в прифронтовой зоне, работал устойчиво.

Начиная с 1956 г. на железных дорогах   СССР,   кроме   систе­мы постоянного тока напряжением 3 кВ, стала применяться более про­грессивная система переменного тока напряжением 25 кВ и частотой 50 Гц.

Примерно в 60 годы определилась стратегия электри­фикации. Оборудовались глав­ным образом наиболее грузонапряженные и протяжённые направления, связывающие ев­ропейскую часть страны с Ура­лом и Сибирью, а также центр страны с югом и западными границами.   Одновременно проводилась комплексная тех­ническая реконструкция инф­раструктуры железных дорогудлинение станционных путей, развитие узлов, устройств свя­зи и СЦБ.

Основное оборудование для элек­трифицированных железных дорог выпускалось различными предприя­тиями: грузовые электровозы на Но­вочеркасском и Тбилисском элект­ровозостроительных заводах, элект­ропоезда пригородного сообщения – на Рижских вагоностроительном и электромашиностроительном  заво­дах, в пассажирском движении ис­пользуются электровозы чехословац­кого производства.   Таллиннский электротехнический завод и Саранс­кий завод "Электровыпрямитель" поставляют преобразователи для тя­говых подстанций, электровозов и электропоездов.

К середине 70-х годов было электрифицировано около 40 тысяч километров, из них почти 15 тысяч на переменном то­ке. Эффективность электротяги не вызывала сомнений. Срав­нение в сопоставимых условиях себестоимости перевозок и производительности труда бы­ло в её пользу. Расходы только непосредственно на тягу поез­дов (локомотивное хозяйство, энергия, топливо и содержание устройств энергоснабжения) при тепловозной тяге были на 40 процентов выше, чем при электрической.

Экономический кризис и развал Союза резко снизили темпы электрификации. Вме­сто 1000 – 1500 километров в год сейчас сдаётся в эксплуата­цию в десять раз меньше. Рабо­ты продолжаются главным об­разом на дальневосточном уча­стке Транссиба, а также на Се­верной и Октябрьской магист­ралях. Хотя, как известно, за­траты на электрификацию оку­паются всего за 3 – 5 лет.

clip_image177Внедрение электротяги осо­бенно рационально с точки зре­ния защиты окружающей сре­ды. Ведь при тепловозной тяге вы­хлопные газы дизеля выбрасы­ваются непосредственно в ат­мосферу. На электростанциях же, откуда поступает ток в кон­тактную сеть, достигается весь­ма высокий уровень очистки с утилизацией полезных компо­нентов. К тому же труд желез­нодорожников стал более ква­лифицированным как на локо­мотивах, так и в депо. А изме­нение условий труда привело к снижению общей заболеваемо­сти, полному исчезновению от­дельных профзаболеваний. Схема электрификации Белорусской железной дороги приведена на рисунке 2.81.В настоящее время общая протяженность электрифицированных линий Белорусской магистрали составляет 875, 6 км или 15,85 % эксплуатационной длины дороги.

Условные обозначения:

участок Госграница – Брест-Центральный электрифицирован постоянным током напряжением 3 кВ;

участки Брест-Восточный – Городея и Бобр – Красное электрифицированы переменным током напряжением 2х25 кВ;

участки Брест-Центральный – Брест-Восточный, Городея – Бобр, Осиповичи – Молодечно и Минский узел электрифицированы переменным током напряжением 25 кВ.

 

Рисунок 2.81 – Схема электрификации Белорусской железной дороги

 

Таким образом, начавшаяся 70 лет назад электрификация железных дорог сыграла важ­ную роль в совершенствовании перевозочного процесса,     повы­шении провозной способности железных дорог, улучшении ка­чества обслуживания пассажи­ров. Программа организации на ряде важнейших направле­ний сети скоростного движения тоже базируется на использо­вании электротяги. Для этого уже создаётся отечественный подвижной состав нового поко­ления. Так что у электрифика­ции, безусловно, есть широкие перспективы.