Электрификация железных дорог

Электрифика́ция желе́зных доро́г — комплекс мероприятий, выполняемых на участке железной дороги для возможности использовать на нём электроподвижной состав: электровозы, электросекции или электропоезда.

Для тяги поездов на электрифицированных участках железных дорог используются электровозы. В качестве пригородного транспорта используются электросекции или электропоезда.

Работы по обслуживанию контактной сети на станции Орёл.

Опоры контактной сети на Московской железной дороге, электрификация на постоянном токе 3 кВ. Обратите внимание, чтобы уменьшить потери энергии, над каждым рельсовым путём параллельно подвешено по два контактных провода.

Системы электрификации

Системы электрификации в Европе:      нет электрификации      750 В постоянного тока      1,5 кВ постоянного тока      3 кВ постоянного тока      15 кВ, 16,7 Гц      25 кВ, 50 Гц На территории бывшего СССР система 25 кВ, 50 Гц является вторым стандартом, кроме того, эта система используется на высокоскоростных поездах Франции, Испании, Италии, Великобритании, Нидерландах, Бельгии и Турции.

Системы электрификации можно классифицировать:

• по виду контактной сети:
  • с воздушной контактной подвеской
  • с контактным рельсом (метрополитен)
• по напряжению
• по роду тока:
  • постоянный ток
  • переменный ток
    • частота тока
    • число фаз

Обычно используют постоянный или однофазный переменный ток. При этом в качестве одного из проводников выступает рельсовый путь.

Зубчато-реечная железная дорога La Rhune во Франции, электрифицирована трёхфазным током. Горный электровоз имеет токоприёмники для «левого» и «правого» контактного провода.

Использование трёхфазного тока требует подвески как минимум двух контактных проводов, которые не должны соприкасаться ни при каких условиях (как у троллейбуса), воздушные стрелки и токоприёмники имеют сложное устройство. Применялась в конце XIX — начале XX века, эта система не прижилась, в первую очередь, из-за сложности токосъёма на больших скоростях. В XXI веке электрификация трёхфазным током сохранилась как технический реликт на некоторых зубчато-реечных железных дорогах, перевозящих туристов, например железная дорога «Юнгфрау».

Фотография электромотрисы начала XX века с токоприёмниками для трёх контактных проводов.

При использовании постоянного тока напряжение в сети делают довольно низким (до 3 кВ), чтобы включать электродвигатели напрямую. При использовании переменного тока выбирают гораздо более высокое напряжение (от 10 до 25 кВ), поскольку на электровозе его можно легко понизить с помощью трансформатора.

Система постоянного тока

Общая схема четырёхосного (четырёхмоторного) электровоза постоянного тока.
Слева сериесное (последовательное) соединение (С) тяговых электродвигателей, справа — параллельное соединение (П) электродвигателей. Если у электровоза будет 6 или 8 (или более) электродвигателей — тогда можно будет обеспечить сериесно-параллельное (последовательно-параллельное) соединение (СП) коллекторных электродвигателей.

Общая схема электровоза постоянного тока с импульсным регулированием. Преобразователь посылает импульсы тока, накопление энергии происходит в дросселе L_н. Фильтр L_фC_ф препятствует проникновению электромагнитных помех в контактную сеть. Обратный диод VD замыкает цепь тягового двигателя в случае прекращения питания от контактной сети.

Общая схема электровоза постоянного тока с асинхронными тяговыми электродвигателями.

В данной системе тяговые электродвигатели постоянного тока питаются напрямую от контактной сети. Пуск и регулирование осуществляется подключением реостатов, перегруппировкой двигателей (последовательное, последовательно-параллельное и параллельное включение) и ослаблением возбуждения.

Следует отметить, что на всех советских электровозах и электропоездах тяговые электродвигатели рассчитаны на напряжение 1 500 вольт, поэтому они всегда соединены попарно последовательно (напряжение в контактной сети при этом 3 000 вольт). Дело в том, что, если попытаться сделать электродвигатель на 3 000 В мощностью, равной с электродвигателем на 1 500 В, то масса и габариты высоковольтного двигателя окажутся больше, чем у низковольтного.

Вспомогательные электродвигатели (привод компрессора, вентиляторов и др.) обычно также питаются напрямую от контактной сети, поэтому они получаются очень большими и тяжёлыми. В некоторых случаях для их питания используют вращающиеся или статические преобразователи (например, на электропоездах ЭР2Т, ЭД4М, ЭТ2М используется мотор-генератор, преобразующий постоянный ток 3 000 В в трёхфазный 220 В 50 Гц).

На железных дорогах России и в странах бывшего СССР на участках, электрифицированных по системе постоянного тока, используется напряжение 3 000 вольт. В 1930-е — 1950-е гг. в СССР некоторые пригородные участки были электрифицированы на 1 500 В, затем их перевели на 3 000 вольт. В начале 1970-х годов в СССР на Закавказской железной дороге были проведены практические исследования с возможностью электрификации на постоянном токе напряжением 6 000 В, однако эту систему сочли неперспективной, в дальнейшем все новые участки электрифицировались переменным током 25 киловольт.

Простота электрооборудования на локомотиве, низкий удельный вес и высокий КПД обусловили широкое распространение этой системы в ранний период электрификации.

Недостатком электрификации на постоянном токе является сравнительно низкое напряжение в контактной сети, поэтому для передачи одинаковой мощности требуется больший ток по сравнению с более высоковольтными системами. Это вынуждает:

• использовать большее суммарное сечение контактных проводов и подводящих кабелей;
• увеличивать площадь контакта с токоприёмником электровоза за счет увеличения числа проводов в подвеске контактной сети до двух и даже трёх (например, на подъёмах);
• уменьшать расстояния между тяговыми подстанциями для минимизации потерь тока в проводах, что дополнительно приводит к увеличению стоимости самой электрификации и обслуживания системы (подстанции хоть и автоматизированы, но требуют обслуживания). Расстояние между подстанциями на грузонапряжённых участках, особенно в сложных горных условиях, может быть всего лишь несколько километров.

Например, два электровоза имеют равную мощность 5 000 киловатт. У электровоза постоянного тока (3 кВ) максимальный ток, проходящий через токоприёмник, составит 1 667 Ампер, у электровоза переменного тока (25 кВ) — 200 Ампер.

В последние десятилетия стало распространяться импульсное регулирование, позволяющее избежать потерь энергии в реостатах.

В 2010 году в России начато производство грузовых электровозов постоянного тока 2ЭС10 «Гранит». Асинхронные тяговые двигатели питаются трёхфазным переменным током от инверторов.

Трамваи и троллейбусы в СНГ работают на постоянном токе напряжением 550 В, метрополитен в СНГ — на постоянном токе напряжением 825 В.

Промышленные электровозы постоянного тока работают на меньшем, чем 3 кВ, электрическом напряжении, например электровоз ЕЛ21 — 1,5 кВ, а электровоз II-КП4 выпускался в различном исполнении — 220, 550 или 600 вольт.

На железных дорогах, электрифицированных на постоянном токе, а также на трамваях и в метрополитене принята положительная полярность контактной сети: «плюс» $(+)$ подаётся на контактный провод (контактный рельс), а «минус» $(-)$ на рельсы. Положительная полярность принята с целью уменьшения электрохимической коррозии находящихся рядом с железнодорожными путями трубопроводов и иных металлических конструкций.

Так как обратным проводом являются рельсы, а их практически невозможно изолировать от земли, часть тягового тока ответвляется. Эти токи называются «блуждающие токи». Направление блуждающих токов предугадать практически невозможно. Блуждающие токи протекают не только в земле, но и по встречающимся на их пути металлическим частям различных подземных сооружений.

Зоны, где блуждающие токи стекают с рельсов или с иных подземных сооружений в землю, принято называть анодными зонами, а зоны, где блуждающие токи входят из земли в рельсы или иные подземные сооружения, принято называть катодными зонами. Так как имеется разность потенциалов между металлом (рельс, трубопровод) и землёй, в этих зонах возникает электролиз и происходит электрохимическая коррозия металла.

На иллюстрации показана электрифицированная железная дорога с положительной полярностью.

На рельсах анодная зона перемещается вместе с электровозом, а катодная зона расположена возле тяговой подстанции.
На искусственных сооружениях катодные зоны находятся в местах расположения тяговых нагрузок (один электровоз, или их несколько), а анодные зоны — около тяговых подстанций.

Под колёсами электровоза образуется анодная зона, а на проходящем рядом трубопроводе — катодная зона (левая часть рисунка). Зоны на стыках анодной и катодной зон называются знакопеременными, потенциалы в них могут менять свою полярность. Также анодная и катодная зона образуется вблизи тяговой подстанции (правая часть рисунка). Наиболее интенсивно рельсы корродируют под колёсами электровоза, а подземные сооружения — у тяговых подстанций.

Однако, изображённые в левой части рисунка анодная и катодная зоны — «передвигающиеся», то есть фактически знакопеременные, и электролиз в этих зонах носит кратковременный характер. Изображённые в правой части рисунка анодная и катодная зоны — «непередвигающиеся», расположены возле тяговых подстанций, и там электрохимическая коррозия наблюдается в наибольшей степени. Там, соответственно и располагаются станции катодной защиты.

Если бы контактная сеть имела отрицательную полярность (то есть «минус» подавался бы на контактный провод), то трубопроводы, проходящие рядом с железной дорогой, представляли бы практически сплошную анодную зону, и защитные меры для подземных сооружений пришлось бы принимать вдоль всей железной дороги, что было бы несравненно дороже.

Система переменного тока пониженной частоты

Общая схема старого электровоза переменного тока пониженной частоты. Коллекторные электродвигатели переменного тока подключаются непосредственно к вторичной обмотке трансформатора. Если на электровозе несколько электродвигателей (4, 6 и т. д.) — то они подключаются параллельно.

Умформер 50 Гц → 16⅔ Гц на Железной дороге ГДР, передвижное исполнение. Обратите внимание: короткий вагон на семи осях, что говорит о его большом весе.

В ряде европейских стран (Германия, Швейцария и др.) используется система однофазного переменного тока 15 кВ 16⅔ Гц, а в США на старых линиях 11 кВ 25 Гц. Пониженная частота позволяет использовать коллекторные двигатели переменного тока. Двигатели питаются от вторичной обмотки трансформатора напрямую, без каких-либо преобразователей. Вспомогательные электродвигатели (для компрессора, вентиляторов и др.) также обычно коллекторные, питаются от отдельной обмотки трансформатора. Коллекторные двигатели, питаемые переменным током пониженной частоты, имеют лучшую коммутацию, в сравнении с питанием током промышленной частоты.

Преимуществом системы является полная развязка контактной сети от питающей, так как для преобразования частоты применяются умформеры. Отсюда же проистекает второе преимущество — нет опасности перекоса фаз (мотор умформера питается трёхфазным током, а генератор выдаёт однофазный ток). Третье преимущество — заметно меньшие индуктивные потери.

Недостатком системы является необходимость преобразования частоты тока на подстанциях или строительство отдельных электростанций для железных дорог.

Данная система появилась в 1910-е годы вынужденно, так как на постоянном токе потери были велики, а реализовать систему переменного тока промышленной частоты не позволил технический уровень того времени.

В Европе частота 16⅔ Гц была выбрана, так как она составляет 1/3 от 50 Гц, что позволяет применять в генераторах умформеров обычные трёхфазные машины на 50 Гц с изменённым подключением обмоток.

В США частота 25 Гц является техническим реликтом: такой была частота переменного тока до перехода сетей на 60 Гц в начале XX века.

Развитие полупроводниковой техники привело к тому, что на электровозах переменного тока пониженной частоты стали применяться коллекторные двигатели постоянного (пульсирующего) тока, питаемые от полупроводникового выпрямителя, а с конца XX века применяются тяговые асинхронные двигатели, например, электровозы IORE. Таким образом, современные электровозы переменного тока пониженной частоты не имеют принципиальных отличий от электровозов переменного тока промышленной частоты.

См. схему двухсистемного (15 кВ 16⅔ Гц и 25 кВ 50 Гц) электровоза переменного тока BR 185 с асинхронными тяговыми электродвигателями, выпускается с 2000 года.

Система переменного тока промышленной частоты

Общая схема электровоза переменного тока. Коллекторные электродвигатели пульсирующего тока подключаются через выпрямитель к вторичной обмотке трансформатора. Если на электровозе несколько электродвигателей (4, 6 и т. д.) — то они подключаются параллельно.

Использование тока промышленной частоты наиболее экономично, но его внедрение встретило много трудностей. Поначалу использовали коллекторные электродвигатели переменного тока, преобразующие мотор-генераторы (однофазный синхронный электродвигатель плюс тяговый генератор постоянного тока, от которого работали тяговые электродвигатели постоянного тока), вращающиеся преобразователи частоты (дающие ток для асинхронных тяговых электродвигателей). Коллекторные электродвигатели на токе промышленной частоты работали плохо, а вращающиеся преобразователи были слишком тяжёлыми и неэкономичными.

Система однофазного тока промышленной частоты (25 кВ 50 Гц) начала широко применяться только после создания во Франции в 1950-х годах электровозов со статическими ртутными выпрямителями (игнитронами; позже они заменялись на более современные кремниевые выпрямители — из экологических и экономических соображений); затем эта система распространилась и во многих других странах (в том числе в СССР).

Когда машинист и помощник занимали место в кабине электровоза ВЛ60 (или ВЛ80, Ф, ВЛ41, ВЛ61) с ртутными выпрямителями, то у них с собой обязательно были противогазы со специальной фильтрующей коробкой, поглощающей пары ртути. При аварии (прожиг корпуса игнитрона) следовало надеть противогаз, открыть боковые форточки в кабине, отключить неисправный игнитрон и в противогазе вести поезд до ближайшей станции.

При выпрямлении однофазного тока получается не постоянный ток, а пульсирующий, поэтому используются специальные двигатели пульсирующего тока, а в схеме имеются сглаживающие реакторы (дроссель), снижающий пульсации тока, и резисторы постоянного ослабления возбуждения, включенные параллельно обмоткам возбуждения двигателей и пропускающие переменную составляющую пульсирующего тока, которая лишь вызывает ненужный нагрев обмотки.

Для привода вспомогательных машин используют либо двигатели пульсирующего тока, питающиеся от отдельной обмотки трансформатора (обмотка собственных нужд) через выпрямитель, либо промышленные асинхронные электродвигатели, питающиеся от расщепителя фаз (такая схема была распространена на французских и американских электровозах, а с них была перенесена на советские) или фазосдвигающих конденсаторов (применена, в частности, на российских электровозах ВЛ65, ЭП1, 2ЭС5К).

Недостатками системы являются значительные электромагнитные помехи для линий связи, а также неравномерная нагрузка фаз внешней энергосистемы. Для повышения равномерности нагрузки фаз в контактной сети чередуются участки с разными фазами; между ними устраивают нейтральные вставки — короткие, длиной несколько сотен метров, участки контактной сети, которые подвижной состав проходит с выключенными двигателями, на выбеге. Они сделаны для того, чтобы пантограф не перемыкал находящийся под высоким линейным (межфазным) напряжением промежуток между секциями в момент перехода с провода на провод. При остановке на нейтральной вставке на неё возможна подача напряжения от передней по ходу секции контактной сети.

Железные дороги России и стран бывшего Советского Союза, электрифицированные на переменном токе, используют напряжение ~25 кВ (то есть ~25 000 В) частотой 50 Гц. В некоторых источниках указывается напряжение 27,5 кВ, что создает путаницу. На самом деле тяговые подстанции выдают напряжение 27,5 кВ, но из-за падения напряжения вследствие высокого индуктивного сопротивления цепи «контактный провод — рельс» электровозы рассчитаны на работу на напряжении 25 кВ.

Система электрификации 2×25 кВ.

Для малонаселённых территорий разработана система электрификации 2×25 кВ (два по двадцать пять киловольт). Там, как правило, нет возможности часто располагать тяговые подстанции (к тому же бывает трудно найти квалифицированный персонал для их обслуживания, а также создать для людей должные жилищно-бытовые условия).

На опорах контактной сети (сбоку от железнодорожного полотна и контактного провода) натянут специальный питающий провод, в который подаётся напряжение 50 тыс. вольт от тяговой подстанции. На железнодорожных станциях (или на перегонах) установлены малообслуживаемые понижающие автотрансформаторы, один вывод обмотки подключён к питающему проводу, а другой — к контактному проводу. Общим (обратным) проводом является рельс. На контактный провод подаётся половинное напряжение от 50 кВ, то есть 25 кВ. Как правило, подаётся несколько выше 50 киловольт, обычно 55; с учётом потерь, чтобы на контактном проводе было 27,5 кВ.

Данная система позволяет реже строить тяговые подстанции, а также уменьшаются тепловые потери. Электровозы и электропоезда переменного тока в переделке не нуждаются.

Промышленные электровозы переменного тока работают на меньшем, чем 25 кВ, электрическом напряжении, например тяговый агрегат ОПЭ1 — 10 кВ 50 Гц.

Стыкование систем электроснабжения

Электровозы разных систем тока на станции стыкования:
слева электровоз постоянного тока ВЛ8^М,
справа электровоз переменного тока ВЛ80^Т

Двухсистемный электровоз ВЛ82^м

Разнообразие систем электроснабжения вызвало появление пунктов стыкования (систем тока, напряжений, частоты тока). При этом возникло несколько вариантов решения вопроса организации движения через такие пункты. Выявились три основные направления:

1. Оборудование станции стыкования переключателями, позволяющими подавать на отдельные участки контактной сети тот или иной род тока. Например, поезд прибывает с электровозом постоянного тока, затем этот электровоз отцепляется и уезжает в оборотное депо или тупик для отстоя локомотивов. Контактную сеть на этом пути переключают на переменный ток, сюда заезжает электровоз переменного тока и отправляется с поездом. Недостатком такого способа является удорожание электрификации и содержание устройств электроснабжения, а также требует смены локомотива (см. список станций стыкования родов тяги РЖД и список станций стыкования родов тяги УЗ).

2. Использование многосистемного подвижного состава. При этом стыкование по контактной сети делается за пределами станции. Данный способ позволяет проходить пункты стыкования без остановки (хоть и, как правило, на выбеге). Но стоимость таких электровозов выше, а содержание дороже, кроме того, многосистемные электровозы имеют больший вес (что, однако, малоактуально на железной дороге, где нередка добалластировка локомотивов для увеличения сцепного веса). В СССР и странах СНГ были выпущены малыми сериями такие типы подвижного состава, как электровозы ВЛ61^д, ВЛ82 и ВЛ82^м (постоянный ток напряжением 3 кВ и однофазный 25 кВ), ВЛ19 и электропоезд С^р (постоянный ток напряжением 3 кВ и 1,5 кВ). Двухсистемные электровозы работали на участке Минеральные Воды (~25 кВ и =3 кВ) — Кисловодск (=3 кВ) (этот участок в 2000-е гг. переведён на переменный ток), работают на границе Ленинградской области (=3 кВ) с Финляндией (~25 кВ) и на Украине (см. станции стыкования с нейтральными вставками).

В Западной Европе встречается четырёхсистемный электроподвижной состав (постоянный ток 1500 В, постоянный ток 3000 В, переменный ток 25 кВ 50 Гц, переменный ток 15 кВ 16⅔ Гц).

В настоящее время в России налажено производство пассажирских двухсистемных электровозов ЭП20 (постоянный ток 3 кВ и переменный ток 25 кВ 50 Гц), которые выпускает НЭВЗ (там же в 1998—2007 годах была произведена небольшая партия электровозов ЭП10). Также разработан проект грузового двухсистемного электровоза 2ЭС20 (постоянный ток 3 кВ и переменный ток 25 кВ 50 Гц), серийный выпуск которого планируется начать весной 2014 года. Применение двухсистемных пассажирских электровозов сокращает время следования пассажирских поездов, не требуется смена локомотива. Много времени занимает не столько смена электровоза, сколько опробование тормозов.

Двухсистемные скоростные электропоезда ЭВС2 «Сапсан» эксплуатируются на маршруте Москва (=3 кВ) — Нижний Новгород (~25 кВ), двухсистемные электропоезда Allegro эксплуатируются на скоростном маршруте Санкт-Петербург — Хельсинки.

Фактически двухсистемные электровозы представляют собой электровоз постоянного тока, в кузове которого установлен понижающий трансформатор и выпрямительная установка, при работе на переменном токе включается трансформатор, который понижает напряжение с 25 кВ до 3 кВ, а выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный: $\sim 25 ~ kV ~ \longrightarrow ~ \sim 3 ~ kV ~ \longrightarrow ~ = 3 ~ kV$.

3. Применение тепловозной вставки — оставление между участками с разными системами электроснабжения небольшого тягового плеча, обслуживаемого тепловозами. На практике применяется на участке Кострома — Галич протяженностью 126 км: в Костроме постоянный ток (=3 кВ), в Галиче — переменный (~25 кВ); транзитом курсируют поезда Москва — Хабаровск и Москва — Шарья, а также Самара — Кинель — Оренбург (прицепка тепловоза к пассажирским поездам происходит в Самаре, а к грузовым — в Кинеле). В Самаре и в Кинеле постоянный ток (=3 кВ), в Оренбурге — переменный (~25 кВ), транзитом проходят поезда на Орск, Алма-Ату, Бишкек. При таком способе «стыкования» значительно ухудшаются условия эксплуатации линии: в два раза повышается время стоянки составов, снижается эффективность электрификации из-за содержания и пониженной скорости тепловозов.

История электрификации железных дорог в России и бывшем СССР

Планы создания первой отечественной электрической железной дороги появились ещё в 1898 году. Ораниенбаумская электрическая линия (Санкт-Петербург — Красная Горка) начала строится в 1913 году, однако реализации планов помешала Первая мировая война. В итоге дорога использовалась на ограниченных участках, как трамвайный маршрут.

Первой электрифицированной линией на территории бывшего СССР (здесь и далее рассматриваются границы 1945—1991 гг.) была пригородная линия Таллин — Пяэскюла длиной 11,2 км в независимой Эстонии. Электромотрисы с прицепными вагонами начали работу в 1924 году. Существенная реконструкция узла и расширение полигона электрификации было осуществлено в 1950-х гг.

В 1926 году электротяга была внедрена на пригородных линиях в Баку.

С 1929 года электрификация начала внедряться на магистральных железных дорогах, в основном, для пригородного движения, где электропоезда заменяли пригородные поезда на паровой тяге. Первым участком стала линия Москва — Мытищи длиной 18 км. В 1930-х гг. на московском узле были электрифицированы Ярославское (Москва — Александров, Мытищи — Монино), Горьковское (Москва — Обираловка, Реутово — Балашиха), Рязанское (Москва — Раменское), Курское (Москва — Подольск) направления. Использовался постоянный ток напряжением 1500 В. Участок Загорск — Александров в 1937 году был электрифицирован на постоянном токе напряжением 3000 В, электропоезда, следовавшие из Москвы, на станции Загорск переключали группы двигателей и продолжали движение дальше. Электрификация узла продолжилась во время Великой Отечественной войны и во второй половине 1940-х годов (Москва — Нахабино, Москва — Домодедово, Подольск — Львовская, Москва — Голицыно).

В 1932—1933 гг. электротяга была внедрена на магистральной железной дороге Хашури — Зестафони (63 км) на тяжёлом Сурамском перевале. Здесь, в отличие от Москвы и Баку, электротяга использовалась для грузовых и пассажирских перевозок. Впервые на железнодорожных линиях СССР стали работать электровозы.

С 1933 года обозначился курс на первоочередное внедрение электрификации в трёх случаях:

1. Интенсивное пригородное движение, при котором использование паровозной тяги крайне неэффективно. Так электротяга появилась в Ленинграде (Балтийское направление), на курортах Кавказских минеральных вод (Минеральные Воды — Кисловодск), Куйбышеве (Самара — Безымянка), ответвления от магистральной электрифицированной железной дороги в Грузии (Сурами, Боржоми, Кутаиси, Гардабани и т. п.), где ввиду наличия электрификации под грузовое движение было невыгодно держать паровозы для пригородного и местного сообщения. В таких случаях, как правило, электрификация осуществлялась на постоянном токе напряжением 1500 В (в Грузии сразу 3000 В).
2. На перевальных железных дорогах, где электротяга позволяла существенно увеличить пропускную и провозную способность линий. Так было в Грузии, на Урале (Кизел — Чусовская и дальнейшее развитие электротяги в растущем промышленном регионе, в 1945 Челябинск — Златоуст). Электрификация велась на постоянном токе напряжением 3000 В.
3. На напряжённых железнодорожных линиях в новых промышленных районах (Пермско-Свердловский регион, Запорожье — Кривбасс, Лоухи — Мурманск, Новокузнецк — Белово).

Такой курс сохранялся примерно до 1950 года. Во время войны на многих электрифицированных линиях контактная сеть демонтировалась, а электроподвижной состав эвакуировался. Линия Лоухи—Мурманск, несмотря на прохождение рядом линии фронта, продолжала работать. Во время войны электротяга получила развитие на Московском узле и на Урале, а после войны была полностью восстановлена на всех прежних участках.

В 1950—1955 гг. началось первое, ещё осторожное расширение полигона электрификации. Начался переход с напряжения 1500 В на 3000 В на всех пригородных узлах, дальнейшее развитие пригородных узлов, удлинение электрифицированных линий до соседних областных центров с внедрением электролокомотивной тяги для пассажирских и грузовых поездов. «Островки» электрификации появились в Риге, в Куйбышеве, в Западной Сибири, Киеве.

С 1956 года начался новый этап массовой электрификации железных дорог СССР, который стремительно вывел электротягу и тепловозную тягу с 15 % доли в перевозках в 1955 году до 85 % доли в 1965 году. В течение десяти лет были введены самые длинные электрифицированные дороги:

Москва — Куйбышев — Челябинск — Новосибирск — Красноярск — Иркутск;

Ленинград — Москва — Харьков — Ростов-на-Дону — Сочи — Тбилиси — Ереван;

Москва — Горький — Киров — Пермь;

Москва — Рязань — Воронеж — Ростов-на-Дону — Минеральные Воды;

существенно возросли локальные полигоны электротяги на Восточной Украине, Азербайджане, Горьком, появились новые «островки» в Минске, Волгограде, Владивостоке, на Западной Украине, в основном, завершена электрификация в Грузии (1969 год). В среднем в каждый год этого десятилетия вводилось около 2000 км электрифицированных железных дорог. В эти годы электрификация продолжалась как на уже хорошо себя зарекомендовавшем постоянном токе напряжением 3000 В, так и на переменном токе частоты 50 Гц напряжением 25 кВ.

Первым на переменном токе (напряжением 20 кВ) был электрифицирован опытный участок Ожерелье — Михайлов — Павелец в 1955—1956 гг. После проведения испытаний было решено увеличить напряжение до 25 кВ. С 1959 года переменный ток напряжением 25 кВ начал внедряться на больших полигонах, где требовалась электрификация, но поблизости не было полигонов постоянного тока (Красноярская и Восточно-Сибирская железные дороги, Горьковский узел и далее в Киров, ход Рязань — Воронеж — Северный Кавказ, узлы в Барнауле, на Центральной и Западной Украине). Параллельно с развитием сети линий на переменном токе велась разработка подвижного состава переменного тока. Так, первые электропоезда ЭР7 и ЭР9 начали работу только в 1962 г., а для Красноярской железной дороги в 1959 г. были приобретены французские электровозы типа Ф, так как производство советских электровозов переменного тока (ВЛ60 и ВЛ80) задерживалось.

С 1966 г. наметился спад масштабов электрификации. В пятилетке 1966—1970 г. в год в среднем вводилось 1 700 км новой электрификации, а с 1971 по 1990 гг. — 900—1000 км в год, причём такие стабильные показатели сохранялись в каждой из четырёх пятилеток этого периода. Если в 1966—1970 гг. ещё продолжался перевод линий с паровой на электрическую тягу, то после 1970 г. на электрическую тягу переводились наиболее напряжённые тепловозные магистрали. Кроме того, электрификация продолжала внедряться на крупных пригородных узлах — в Казани, Саратове, Львове, Вильнюсе, Калининграде, развивались ранее электрифицированные пригородные системы в Минске, Риге, Ленинграде, Москве, Волгограде и др. В 1980-х гг. были электрифицированы несколько протяжённых магистралей: Транссиб от Читы до Хабаровска, БАМ от Усть-Кута до Таксимо, линия Вязьма — Минск — Брест, линия Черусти — Казань — Дружинино, трансказахская дорога Караганда — Ташкент с продолжениями на Алма-Ату и Самарканд.

В 1991—2005 гг. размеры электрификации в странах бывшего СССР сократились до 450 км в год, с «падениями» в отдельные годы до 150 км в год и «взлётами» до 700 км в год в рамках работ по электрификации протяжённых линий. Электрификация продолжалась, в основном, на ранее намеченных при СССР магистралях, где электровозная тяга была выгоднее тепловозной. Кроме того, в этот период произошёл масштабный перевод ряда линий с постоянного тока на переменный. В 1995 г. на переменный ток была переведена 377-километровая линия Зима — Иркутск — Слюдянка, в 2001 г. — 450-километровая линия Лоухи — Мурманск, в 2003 г. — 90 км пригородно-городских линий Волгоградского узла в рамках электрификации Приволжского хода Сызрань — Волгоград — Тихорецкая переменным током, а в 2006 г. на переменный ток было переведено 70-километровое агломерационное тупиковое ответвление Минеральные Воды — Кисловодск и Бештау — Железноводск.

С 2006 г. размеры электрификации ещё более сократились, и каждый год вводится менее 200 км линий на электротяге. В основном, эти работы осуществляются на территории Украины, где имеется профицит дешёвой электроэнергии от АЭС. В России реализуется только четыре крупных проекта — электрификация линий в порт Усть-Луга в Ленинградской области, комплексная реконструкция линии Карымская — Забайкальск в Забайкальском крае, комплексная реконструкция линий на Таманском полуострове в рамках строительства нового глубоководного порта Тамань и электрификация Малого кольца Московской железной дороги со всеми станциями и передаточными ветвями. Кроме них, в России были электрифицированы некоторые короткие линии для движения электропоездов в аэропорты. В Республике Беларусь ведётся электрификация направления Жлобин—Гомель.

Интересные факты

Промышленный электровоз постоянного тока ЕЛ2 (1,5 кВ), два верхних токоприёмника и четыре боковых.

• Некоторые промышленные электровозы могут получать питание не только от верхнего контактного провода, но и от бокового или по кабелю (в карьерах, где производится погрузка добытых полезных ископаемых в полувагоны). Кабель наматывается на барабан, установленный на электровозе.
• В контактную сеть линии Белореченская — Майкоп (Северо-Кавказская железная дорога) может подаваться как постоянный ток 3 кВ, так и переменный 25 кВ. Это испытательный полигон РЖД.
• Единственный случай в истории электрификации советских и российских железных дорог — замена переменного тока на постоянный ток — произошёл в 1989 году на Павелецком направлении Московской железной дороги. После электрификации на постоянном токе участка «Рыбное — Узуново» станция Узуново стала станцией стыкования, а участок «Ожерелье — Узуново» с переменного тока переведён на постоянный ток. Станция Ожерелье перестала быть станцией стыкования.
  Участок «Ожерелье — Узуново — Михайлов — Павелец» первым в СССР был электрифицирован на переменном токе (1955—1956), поезда повели первые советские серийные электровозы переменного тока НО.
• По условиям электробезопасности, внутри зданий локомотивных депо контактный провод не подвешивается, электровозы загоняют в цех с опущенным токоприёмником, подавая питание на один из тяговых электродвигателей от внутрицехового источника постоянного тока напряжением около 90 вольт. На кузове электровоза имеется розетка, электрический ток подаётся по кабелю. Точно так же загоняют в цех тепловозы с электропередачей (дизельный двигатель при этом остановлен). Таким же способом локомотивы выкатывают на улицу.
• Мощные электровозы постоянного тока при трогании поезда поднимают два, а то и все токоприёмники. Сила тока настолько велика, что может произойти пережог контактного провода.

Электровоз постоянного тока 2ЭС10 «Гранит» с трёхфазными асинхронными тяговыми двигателями.

• Внедрением асинхронных трёхфазных тяговых электродвигателей можно увеличить мощность электровоза примерно в 1,5 раза. Дело в том, что тяговый электродвигатель — машина предельного исполнения. Его мощность определяют габаритные размеры, обусловленные шириной колеи, точнее, расстоянием между колёсами. «Форсировать» коллекторный электродвигатель, увеличивая силу тока, весьма затруднительно, так как при этом появляется насыщение магнитной системы, далее увеличивать ток бесполезно. Трёхфазные асинхронные тяговые электродвигатели имеют меньшую металлоёмкость в сравнении с коллекторными при той же мощности. Например, коллекторный электродвигатель электровоза ЧС200 имеет часовую мощность 1050 кВт, а трёхфазный асинхронный электродвигатель электровоза BR 185 — 1400 кВт.

См. также

• Токоприёмник
• Электровоз
• Электропоезд
• Линейный двигатель
• Тяговая подстанция
• Съёмная вышка

Ссылки

• История электрификации железных дорог СССР на сайте Паровоз ИС. Архивировано из первоисточника 14 июля 2012.
• В чём разница систем электрификации железных дорог на переменном токе: 25 кВ, 50 Гц и 2×25 кВ, 50 Гц?
• Особенности применения постоянного и переменного тока.

Источники

• Moody, G T. "Part One". Southern Electric. — 3rd edition ed. — Лондон: Ian Allan Ltd., 1960 год.

Литература

• Войнаровский П. Д.,. Электрические железные дороги // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.