"Природа", №04-06, 1919 год, стр. 259-264
Из всех существующих в настоящее время железных дорог дальнего следования, как известно, громадное большинство обслуживается паровой тягой и только незначительная часть является электрифицированной.
Увеличение числа вновь строющихся электрических железных дорог наблюдается в особенности заметно в последнее время в Сев. Америке, в связи с постройкой многих гидро-электрических установок, а также в связи с удешевлением стоимости производства электрической энергии.
Причина такого увеличения может быть объяснена многими преимуществами электрической тяги по сравнению с паровой.
При электрической тяге энергия, необходимая для движения, вырабатывается на центральных станциях, использующих или даровую гидравлическую энергию или тепло топлива.
Благодаря тому обстоятельству, что энергия на центральных станциях вырабатывается в сравнительно больших машинных единицах, использование тепла топлива здесь значительно больше, чем в паровозах.
Действительно, на основании целого ряда опытов найдено, что только в среднем 4% энергии топлива, сжигаемого в топке паровоза, превращается в механическую энергию, остальное же теряется в окружающую атмосферу; если принять также в рассчет влияние стоянок паровоза, во время которых происходит расход топлива для поддержания в котле необходимого давления, получается еще более низкий коэффициент полезного действия, равный в среднем 3%.
На больших паро-электрических станциях с паровыми турбинами и современным конденсационным устройством средний коэффициент полезного действия значительно выше чем для паровозов и колеблется в пределах от 11 до 13%.
Если предположить, что, в худшем случае, половина всей электрической энергии, добываемой на центральной станции, по пути к электровозу теряется в питательных проводах, в трансформаторах, подстанциях и в самих электродвигателях локомотива, то все-же при электрической тяге получается коэффициент полезного действия, равный 6%, т. е. вдвое больший, чем для паровой тяги.
Уголь, сжигаемый на центральных электрических станциях, благодаря различным вспомогательным устройствам (автоматическим топкам, искусственной тяге и т. д.), может быть худшего качества, чем при паровой тяге; это обстоятельство имеет большое значение, так как благодаря ему может быть достигнута большая экономия в эксплоатационных расходах.
Особенно большое значение должно иметь применение для электрической тяги водяной энергии водопадов и рек, до сего времени мало использованной, так как это делает железную дорогу независимой от дальнейшего, вероятно, непрерывного вздорожания цен на уголь.
Важным преимуществом электрической тяги по сравнению с паровой является способность электровозов при трогании с места развивать большее начальное ускорение, чем при тех же условиях может развить паровоз.
Благодаря этому обстоятельству на стороне электрической тяги оказываются преимущества в случаях большой густоты движения, когда поезда часто должны останавливаться и должны после остановки быстро развивать скорость.
В общем оказывается, что благодаря большему начальному ускорению электрический поезд достигает скорее максимальной скорости, чем паровой, и требует для пробега данного участка 100 секунд, в то время как паровой поезд требует для этой цели 150 секунд.
На ряду со многими положительными свойствами, из которых мы здесь привели только важнейшие, электрические железные дороги обладают также известными недостатками, из которых главный — это удорожение стоимости постройки железной дороги благодаря дополнительным затратам на центральные станции, подстанции и провода; стоимость самых электровозов, отнесенная к единице веса, примерно в три раза больше чем паровозов; так по данным англ. инженера (см. Hobar’a Railway Gazette, Febr. 11 1916) стоимость одной тонны паровоза равна примерно 30 фунт. стерлингов, а стоимость одной тонны электровоза = 80—90 фунт. стерлингов.
В случае горных железных дорог эти дополнительные расходы могут быть отчасти компенсированы допущением больших подъемов с целью сократить длину железнодорожной линии и уменьшить тем строительную стоимость дороги.
Допущение больших подъемов находится в связи с упомянутой выше особенностью электровоза развивать большее тяговое усилие, чем паровоз при тех же условиях.
В настоящее время применяются 3 различных системы электрических железных дорог дальнего следования:
1) система постоянного тока,
2) система трехфазного тока,
3) система однофазного тока.
1) Система постоянного тока. Система постоянного тока среднего напряжения (500—800 вольт) применяется главным образом для городских железных дорог и коротких участков (не больше 30 километров); эта система не пригодна для длинных участков благодаря большой силе тока, связанной с низким напряжением.
Так, электровоз мощностью в 2000 лошадиных сил при напряжении в 500 вольт при трогании с места потребляет ток около 5000 ампер; на большие расстояния такой громадный ток передавать не предстпвляется возможным благодаря необходимости проводов очень большого сечения.
В случае больших расстояний применяют смешанную систему переменного и постоянного тока.
В этом случае на центральной станции вырабатывается переменный — обычно трехфазный ток высокого напряжения; при помощи питательных проводов этот ток подводится к так наз. "подстанциям", где происходит понижение напряжения и его пребразование в постоянный ток, которым и питаются электрические поезда.
Как на пример такой установки, можно указать на электрическую железную дорогу "Pennsylvania Tunnel and Terminal Railway" (С.-Ам. Соед. Штаты).
Эта железная дорога представляет собой электрифицированный пригородный участок паровой железной дороги, соединяющей Пенсильванию с Нью-Iорком; главная часть линии лежит в подземных туннелях, соединяющих паровую часть железной дороги с конечной станцией, находящейся под землей в Нью-Iорке; общая длина электрифицированной линии равна 37 килом., из которых 18 килом. находится в туннелях.
Центральная станция этой дороги, где генерируется электрическая энергия, находится в Лонг-Айленде на реке Ист-Ривер; там установлено 3 паровых турбогенератора по 5500 киловатт мощностью, вырабатывающих электрическую энергию для электрической железной дороги "Long Jsland Railway"; кроме того там находятся два турбогенератора мощностью по 8000 к. у., питающих электрическую железную дорогу "Pennsylvania Tunnel and Т. R-y".
Переходный ток напряжением в 11000 вольт передается на 4 подстанции, где происходит преобразование переменного тока в постоянный ток напряжения 650 в.
Этим током питаются электровозы дороги при помощи так наз. "третьего рельса", помещенного рядом с рельсами нормальной колеи и расположенного на изоляторах; обратными проводами служат нормальные рельсы колей.
На электровозе установлены 2 электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения; каждый из двигателей может в течение получаса развивать мощность в 2000 лош. сил (а в течение часа — 1250 лош. сил).
При трогании с места электровоз потребляет громадный ток в 6000 ампер; поэтому подводка тока к электровозу происходит не при помощи воздушного медного провода, а при помощи стального "третьего рельса". Наибольшая скорость, которую может развивать электровоз с поездом весом в 400 тонн на горизонтальном пути равна 96,6 килом. в час.
В качестве примера электрической железной дороги постоянного тока высокого напряжения (1500 вольт) можно привести недавно выстроенную линию "Shildon-Newport Electrification" в Англии длиной в 30 километров.
Электрическая железная дорога получает энергию в форме трехфазного тока высокого напряжения в 20.000 вольт от электрической компании "North-East Coast Power"; трехфазный ток преобразуется в постоянный на двух подстанциях; на каждой подстанции находятся 4 преобразователя тока; последние со стороны постоянного тока соединены последовательно и питают воздушный провод линии постоянным током напряжением в 1500 вольт.
Электровозы рассчитаны так, что могут везти поезд весом в 1400 тонн со скоростью в 40 килом. в час.
На каждом электровозе установлено по 4 двигателя постоянного тока мощностью по 275 лош. сил, так что общая мощность электровоза = 1100 лош. сил.
Каждый из двигателей рассчитан на напряжение в 750 вольт; двигатели разбиты на две группы, в каждой группе — по два двигателя, постоянно соединенные последовательно; обе группы могут быть соединяемы друг с другом последовательно или параллельно в зависимости от требуемой скорости.
Главным недостатком системы постоянного тока с трехфазной передачей является сравнительно низкий коэффициент полезного действия установки, что объясняется дополнительными потерями в трансформаторах и машинах подстанций.
В среднем можно считать, что в питательных проводах, в трансформаторах и машинах подстанций теряется около 25—50% всей энергии, передаваемой от центральной станции к электровозам.
Вторым недостатком является сравнительно большая стоимость установки, вызванная дополнительными расходами на устройство подстанций.
2. Система трехфазного тока лишена двух упомянутых выше недостатков.
В этой системе трехфазный ток, вырабатываемый на центральной станции, не подвергается преобразованию в постоянный, а непосредственно (иногда через посредство трансформаторов) питает воздушную линию дороги. Благодаря отсутствию подстанций коэффициент полезного действия такой установки на 10—15% выше, чем при системе постоянного тока с трехфазной передачей.
Второе достоинство этой системы заключается в возможности применения трехфазного асинхронного двигателя, представляющего собой машину, весьма, совершенную в конструктивном отношении; в особенности ценным здесь является отсутствие коллектора, благодаря чему повышается надежность действия мотора. Особенностью асинхронного двигателя является возможность его работы в качестве генератора (двигатель постоянного тока последовательного возбуждения этой способностью работать устойчиво, как генератор, не обладает). Это свойство двигателя является особенно полезным для горных железных дорог; при ходе поезда под уклон асинхронный двигатель, вращаясь со скоростью выше синхронной, может работать как генератор и возвращать электрическую энергию обратно центральной станции.
Этим объясняется распространение трехфазных железных дорог в странах с гористым характером поверхности (Швейцарии и Италии).
Симплонский туннель, устанавливающий сообщение между городами Бригг и Изеллой электрифицирован по этой системе.
Длина линии этой дороги равна 21,9 килом., подъем = 0,01; две гидроэлектрических станции, расположенные по разные стороны туннеля, одна — в Бригге, другая — в Изелле, питают воздушные провода двух фаз током с напряжением в 3000 вольт при 16 периодах в сек. (третьей фазой служат рельсы железной дороги).
Поезда передвигаются электровозами мощностью по 1700 лош. сил; каждый электровоз снабжен двумя асинхронными двигателями по 850 лош. сил; максимальная скорость элсктровозов = 75 кил. в час; скорость двигателей регулируется скачками путем переключения статоров моторов с одного числа полюсов на другое.
Невозможность плавной и экономической регулировки асинхронных двигателей является большим недостатком этой системы. Вторым недостатком является сложность устройства воздушной линии, так как при трехфазном токе требуется минимум 2 воздушных провода (рельсы, при этом, могут служить проводом для третьей фазы).
3. Система однофазного тока последних недостатков не имеет.
Устройство воздушной линии получается проще, чем при трехфазной системе, и в то же время имеется возможность применения для воздушного провода высокого напряжения.
В качестве моторов при этой системе применяются однофазные коллекторные двигатели последовательного возбуждения. По своей конструкции и по своим свойствам эти двигатели в общих чертах напоминают двигатели постоянного тока, хотя и отличаются от последних в некоторых деталях и тем, что их статор выполняется из листового железа во избежание развития больших токов Фуко.
Эти двигатели обладают большим начальным вращающим моментом и допускают экономическую регулировку скорости в широких пределах, что составляет положительную сторону этих двигателей.
Благодаря отсутствию преобразователя тока стоимость электрификации железно-дорожной линии по этой системе получается ниже, чем по системе трехфазно-постоянного тока. По однофазной системе оборудован целый ряд электрических железных дорог в Швейцарии и Германии (в этих странах отдают предпочтение однофазному току при электрификации железных дорог большого протяжения; наоборот в Сев. Америке преобладает другое мнение — о выгодности для железных дорог дальнего следования системы постоянного тока высокого напряжения).
Как на пример однофазной железной дороги можно указать на электрическую железную дорогу Lotschberg oder Berner Alpbahn (Швейцария) длиной в 74 километра.
Электрическая энергия получается от гидроэлектрической станции в г. Шпице, где установлены две водяных турбины, приводящие в движение два однофазных генератора мощностью по 2400 к. у. с напряжением в 15000 вольт при 15 периодах. Воздушный провод линии получает питание от центральной станции без посредства подстанций; напряжение тока в воздушном проводе равно 15000 вольт.
Мощность электровозов = 2000 лош. сил; вес каждого электровоза = 86 тонн; на каждом электровозе установлено по два 1000-сильных коллекторных двигателя переменного тока. Максимальная скорость, развиваемая локомотивом = 75 кил. в час.
Локомотив может везти поезда весом в 240 тонн на подъем в 0,027 со скоростью 45 кил. в час.
Коллекторные двигатели переменного тока при всех своих достоинствах, заключающихся в высоком начальном моменте, возможности регулировки скорости без потерь, обладают одним большим недостатком: наклонностью коллектора к искрообразованию, которое делается особенно заметным при трогании электровоза с места и при малых скоростях.
По этой причине, американские инженеры в последнее время начали с большой осторожностью относиться к коллекторным двигателям переменного тока и для электрической тяги стали применять почти исключительно постоянный ток, при чем в случае больших протяжений линий приходилось применять сравнительно высокое напряжение.
Так, например, на железно-дорожной линии Butte-Anaconda Pacific Railway применяется напряжение 2400 в., а на линии Chicago-Milwau kee and. St. Paul применяется напряжение постоянного тока в 3000 вольт; производятся опыты на лннии Jackson-Grass Lake с напряжением постоянного тока в 5000 вольт. Дальнейшего повышения напряжения постоянного тока в ближайшем будущем вряд-ли можно ожидать. Поэтому для дорог большого протяжения преимущество все-таки остается за однофазным током.
В последнее время в Соед. Штатах электрифицировано несколько железных дорог по смешанной системе однофазного и трехфазного токов.
По этой системе на центральной станции дороги генерируется однофазный ток высокого напряжения; этим током питается воздушная линия железной дороги; на самых электровозах установлены преобразователи числа фаз — в них ток преобразуется из однофазного в трехфазный, которым и питаются асинхронные трехфазные двигатели электровода. (Такое преобразование числа фаз необходимо, потому что, как известно, начальный вращающий момент асинхронного однофазного двигателя равен нулю, а для того, чтобы заставить двигатель работать, его нужно сначала довести до скорости, близкой к синхронной при помощи какого-нибудь постороннего источника силы; трехфазные асинхронные двигатели этим недостатком не обладают).
Однофазный электровоз, построенный для ветки Пеннсильванской железной дороги Philadelpha-Paioli, замечателен во многих отношениях.
Его мощность равна 7000 лош. сил, т. е. он почти на 50% мощнее самых больших, построенных до сих пор электровозов.
Напряжение однофазного тока, который подводится к электровозу при помощи воздушного провода и дуг, равно 11000 вольт при 25 периодах в секунду.
На самом электровозе установлен трансформатор, где напряжение понижается с 11000 вольт на 750 вольт и преобразователь числа фаз; ток, преобразованный в последнем в трехфазный, питает 4 асинхронных трехфазных двигателя электровоза. Регулировка скорости происходит при помощи водяного реостата, включаемого в цепь роторов двигателей, при помощи переключения числа полюсов в обмотках и путем так наз. "каскадного соединения двух асинхронных двигателей".
Это соединение заключается в том, что ротор асинхронного двигателя не замыкается на короткое или на реостат, как обычно, а соединяется со статором второго двигателя, который получает электрическую энергию, неиспользованную целиком в первом двигателе, присоединенного через статор к сети, и превращает ее в механическую; оба двигателя, при этом, механически должны быть связаны друг с другом и путем так наз. "каскадного соединения двух асинхронных двигателей".
Как обстоит дело с электрификацией железных дорог в России?
Если не считать нескольких загородных железных дорог с движением, которое по своему типу скорее приближается к трамвайному (напр, загородняя линия Киевского трамвая), у нас до сих пор нет электрических железных дорог дальнего следования, несмотря на то, что имеются на лицо условия, которые должны благоприятствовать развитию этих дорог (дороговизна топлива, наличность неиспользованных громадных запасов гидравлической энергии).
Война задержала у нас электрификацию целого ряда участков железных дорог; в качестве примера здесь можно упомянуть о проекте электрификации Московского железно-дорожного узла, электрификации участка Московско-Казанской железной дороги — Москва-Раменское, о проекте электрификации Кавказской Военно-Грузинской дороги, где предполагалось использовать для электрической тяги гидравлическую энергию.
Когда государство оправится от переживаемых в настоящее время потрясений, нет сомнения, что вопрос об электрификации ряда железных дорог будет вновь поставлен на очередь.