stringtranslate.com

Электрификация железных дорог

Электрификация железных дорог — это использование электроэнергии для приведения в движение железнодорожного транспорта . Электрифицированные железные дороги используют либо электровозы (перевозящие пассажиров или грузы в отдельных вагонах), либо электропоезда ( пассажирские вагоны с собственными двигателями), либо и то, и другое. Электроэнергия обычно вырабатывается на крупных и относительно эффективных электростанциях , передается в железнодорожную сеть и распределяется по поездам. Некоторые электрифицированные железные дороги имеют собственные специализированные электростанции и линии электропередачи , но большинство покупают электроэнергию у электроэнергетической компании . Железная дорога обычно предоставляет собственные распределительные линии, переключатели и трансформаторы .

Электропитание подается на движущиеся поезда с помощью (почти) непрерывного проводника, проходящего вдоль пути, который обычно принимает одну из двух форм: воздушная линия , подвешенная к столбам или башням вдоль пути или к потолку конструкции или туннеля, или третий рельс, установленный на уровне пути и контактирующий с скользящим « башмаком для приема ». Как системы с воздушным проводом, так и системы с третьим рельсом обычно используют ходовые рельсы в качестве обратного проводника, но некоторые системы используют для этой цели отдельный четвертый рельс.

По сравнению с основной альтернативой, дизельным двигателем , электрические железные дороги предлагают существенно лучшую энергоэффективность , меньшие выбросы и меньшие эксплуатационные расходы. Электровозы также обычно тише, мощнее, отзывчивее и надежнее дизельных. У них нет локальных выбросов, что является важным преимуществом в туннелях и городских районах. Некоторые системы электрической тяги обеспечивают рекуперативное торможение , которое превращает кинетическую энергию поезда обратно в электричество и возвращает ее в систему электроснабжения для использования другими поездами или общей коммунальной сетью. В то время как дизельные локомотивы сжигают нефтепродукты, электроэнергию можно вырабатывать из различных источников, включая возобновляемые источники энергии . [1] Исторически, проблемы независимости ресурсов сыграли свою роль в решении электрифицировать железнодорожные линии. Не имеющая выхода к морю Швейцарская конфедерация , которая почти полностью лишена месторождений нефти или угля, но имеет обильные гидроэлектростанции, электрифицировала свою сеть частично в ответ на проблемы с поставками во время обеих мировых войн. [2] [3]

Недостатки электрической тяги включают: высокие капитальные затраты , которые могут быть неэкономичными на маршрутах с небольшим трафиком, относительная нехватка гибкости (поскольку электропоездам нужны третьи рельсы или контактные провода) и уязвимость к перебоям в подаче электроэнергии. [1] Электродизельные локомотивы и электродизельные поезда с несколькими составами несколько смягчают эти проблемы, поскольку они способны работать на дизельном топливе во время отключения электроэнергии или на неэлектрифицированных маршрутах.

В разных регионах могут использоваться разные напряжения и частоты питания, что усложняет обслуживание и требует большей сложности локомотивной мощности. Раньше существовала историческая обеспокоенность по поводу двухъярусного железнодорожного транспорта относительно зазоров с контактными линиями [1], но с 2022 года это уже не является универсальной верой , поскольку и Indian Railways [4] , и China Railway [5] [6] [7] регулярно эксплуатируют электрические двухъярусные грузовые поезда под контактными линиями.

Электрификация железных дорог постоянно росла в последние десятилетия, и по состоянию на 2022 год электрифицированные пути составят почти треть от общего числа путей в мире. [8] [9]

История

Электрификация железных дорог — это развитие использования электричества для питания поездов и локомотивов вместо дизельной или паровой энергии . История электрификации железных дорог восходит к концу 19 века, когда в таких городах, как Берлин , Лондон и Нью-Йорк , появились первые электрические трамваи .

В 1881 году первой постоянной электрификацией железной дороги в мире стала трамвайная линия Гросс-Лихтерфельде в Берлине , Германия. [10] Электрификация контактной линии была впервые успешно применена Фрэнком Спрагом в Ричмонде, штат Вирджиния , в 1887-1888 годах и привела к электрификации сотен дополнительных уличных железнодорожных систем к началу 1890-х годов. [11] [12] Первой электрификацией магистральной железной дороги стала линия Baltimore Belt Line компании Baltimore and Ohio Railroad в Соединенных Штатах в 1895-96 годах.

Ранняя электрификация железных дорог использовала системы постоянного тока (DC), которые были ограничены по расстоянию, на которое они могли передавать энергию. Однако в начале 20-го века были разработаны системы переменного тока (AC), которые позволили более эффективно передавать энергию на большие расстояния.

В 1920-х и 1930-х годах многие страны мира начали электрифицировать свои железные дороги. В Европе Швейцария , Швеция , Франция и Италия были среди первых стран, принявших электрификацию железных дорог. В Соединенных Штатах железная дорога Нью-Йорка, Нью-Хейвена и Хартфорда была одной из первых крупных железных дорог, которая была электрифицирована.

Электрификация железных дорог продолжала расширяться в течение всего 20-го века, с технологическими усовершенствованиями и развитием высокоскоростных поездов и пригородных перевозок . Сегодня во многих странах имеются обширные электрифицированные железнодорожные сети с375 000  км стандартных линий в мире, включая Китай , Индию , Японию , Францию , Германию и Соединенное Королевство . Электрификация рассматривается как более устойчивая и экологически чистая альтернатива дизельной или паровой тяге и является важной частью транспортной инфраструктуры многих стран.

Классификация

Системы электрификации в Европе:
  Неэлектрифицированный
  750  В постоянного тока
  1,5  кВ постоянного тока
  3  кВ постоянного тока
  15 кВ переменного тока
  25 кВ переменного тока
Высокоскоростные линии во Франции, Испании, Италии, Великобритании, Нидерландах, Бельгии и Турции работают под напряжением менее 25  кВ, как и высоковольтные линии в странах бывшего Советского Союза.

Системы электрификации классифицируются по трем основным параметрам:

Выбор системы электрификации основан на экономике энергоснабжения, обслуживания и капитальных затрат по сравнению с доходом, полученным от грузовых и пассажирских перевозок. Для городских и междугородних зон используются разные системы; некоторые электровозы могут переключаться на разные напряжения питания , что обеспечивает гибкость в эксплуатации.

Стандартизированные напряжения

Для европейской и международной стандартизации были выбраны шесть наиболее часто используемых напряжений. Некоторые из них не зависят от используемой контактной системы, так что, например, 750  В  постоянного тока можно использовать как с третьим рельсом, так и с воздушными линиями.

В мире существует множество других систем напряжения, используемых для электрификации железных дорог, и список систем электрификации железных дорог охватывает как стандартные, так и нестандартные системы напряжения.

Допустимый диапазон напряжений, разрешенный для стандартизированных напряжений, указан в стандартах BS  EN  50163 [13] и IEC  60850 [14]. Они учитывают количество поездов, потребляющих ток, и их расстояние от подстанции.

Постоянный ток

Воздушные линии электропередач

Линия LGV Sud-Est во Франции электрифицирована с использованием воздушных линий напряжением 25 кВ и частотой 50 Гц .
Трамвайная линия Анже в Анже, Франция, использует воздушные линии постоянного тока напряжением 750  В  , как и многие другие современные трамвайные системы.

1500  В постоянного тока используется в Японии, Индонезии, Гонконге (части), Ирландии, Австралии (части), Франции (также используется25 кВ 50 Гц переменного тока ), Нидерланды, Новая Зеландия (Веллингтон), Сингапур (налинии MRT North East), США (ЧикагонаMetra ElectricимеждугороднаяSouth Shore Line илегкорельсовый транспорт LinkвСиэтле, штат Вашингтон). В Словакии есть две узкоколейные линии в Высоких Татрах (одназубчатая железная дорога). В Нидерландах он используется в основной системе, наряду с 25кВ наHSL-ZuidиBetuwelijn, и 3000В к югу отМаастрихта. В Португалии он используется налинии Cascaisи в Дании в пригороднойS-train(1650В постоянного тока).   

В Соединенном Королевстве 1500  В  постоянного тока использовались в 1954 году для транспеннинской трассы Вудхед (сейчас закрыта); система использовала рекуперативное торможение , что позволяло передавать энергию между поднимающимися и спускающимися поездами на крутых подъездах к туннелю. Система также использовалась для пригородной электрификации в Восточном Лондоне и Манчестере , теперь преобразованная в 25  кВ  переменного тока. Сейчас она используется только для метрополитена Тайн и Уир . В Индии 1500  В постоянного тока была первой системой электрификации, запущенной в 1925 году в районе Мумбаи. В период с 2012 по 2016 год электрификация была преобразована в 25  кВ 50  Гц, что является общенациональной системой.

3  кВ постоянного тока используется в Бельгии, Италии, Испании, Польше, Словакии, Словении, Южной Африке, Чили, северной части Чешской Республики, бывших республиках Советского Союза и в Нидерландах на нескольких километрах между Маастрихтом и Бельгией. Ранее он использовался на Milwaukee Road от Харлоутона, штат Монтана , до Сиэтла, через Континентальный водораздел и включая обширные ответвления и кольцевые линии в Монтане, а также на Delaware, Lackawanna and Western Railroad (теперь New Jersey Transit , преобразованный в 25  кВ  переменного тока) в Соединенных Штатах и ​​на пригородной железной дороге Калькутты (Bardhaman Main Line) в Индии, прежде чем он был преобразован в 25  кВ 50  Гц.

Напряжение постоянного тока от 600  В до 750  В используется в большинстве трамвайных и троллейбусных сетей, а также в некоторых системах метрополитена , поскольку тяговые двигатели принимают это напряжение без веса бортового трансформатора. [ необходима цитата ]

Постоянное напряжение среднего напряжения

Увеличение доступности высоковольтных полупроводников может позволить использовать более высокие и более эффективные напряжения постоянного тока, которые до сих пор были применимы только с переменным током. [15]

Использование средневольтной электрификации постоянного тока (MVDC) решило бы некоторые проблемы, связанные с системами электрификации переменного тока стандартной частоты, особенно возможный дисбаланс нагрузки сети электроснабжения и разделение фаз между электрифицированными секциями, питаемыми от разных фаз, тогда как высокое напряжение сделало бы передачу более эффективной. [16] : 6–7  UIC провел исследование случая преобразования железнодорожной линии Бордо-Андай (Франция), в настоящее время электрифицированной на 1,5  кВ постоянного тока, в 9  кВ постоянного тока и обнаружил, что преобразование позволит использовать менее громоздкие воздушные провода (экономия 20 миллионов евро на 100  км маршрута) и снизить потери (экономия 2  ГВт-ч в год на 100  км маршрута; что эквивалентно около 150 000 евро в год). Выбранная линия является одной из линий общей протяженностью 6000  км, которые нуждаются в обновлении. [17]

В 1960-х годах Советы экспериментировали с повышением напряжения контактной сети с 3 до 6  кВ. Подвижной состав постоянного тока был оборудован преобразователями на основе игнитронов для понижения напряжения питания до 3  кВ. Преобразователи оказались ненадежными, и эксперимент был свёрнут. В 1970 году Уральский электромеханический институт инженеров железнодорожного транспорта провёл расчёты для электрификации железных дорог при постоянном токе 12 кВ , показав, что эквивалентные уровни потерь для системы переменного тока 25 кВ могут быть достигнуты при постоянном напряжении от 11 до 16  кВ. В 1980-х и 1990-х годах постоянный ток 12 кВ испытывался на Октябрьской железной дороге под Ленинградом (ныне Петербург ). Эксперименты закончились в 1995 году из-за прекращения финансирования. [18]

Третий рельс

Система электрификации третьего рельса с нижним контактом в метрополитене Бухареста , Румыния

Большинство систем электрификации используют воздушные провода, но третий рельс является опцией до 1500  В. Системы третьего рельса почти исключительно используют распределение постоянного тока. Использование переменного тока обычно нецелесообразно из-за размеров третьего рельса, которые физически очень велики по сравнению с глубиной проникновения переменного тока до 0,3 миллиметра или 0,012 дюйма в стальной рельс. Этот эффект делает сопротивление на единицу длины неприемлемо высоким по сравнению с использованием постоянного тока. [19] Третий рельс более компактен, чем воздушные провода, и может использоваться в туннелях меньшего диаметра, что является важным фактором для систем метрополитена. [ необходима цитата ]

Четвертый рельс

В лондонском метрополитене для электрификации используются третий и четвертый рельсы, расположенные рядом и между основными рельсами.

Лондонское метро в Англии — одна из немногих сетей, использующих четырехрельсовую систему. Дополнительный рельс несет электрический возврат, который в сетях с третьим рельсом и контактной сетью обеспечивается ходовыми рельсами. В лондонском метро третий рельс с верхним контактом находится рядом с путями и запитан от+420 В постоянного тока , а четвертый рельс верхнего контакта расположен по центру между ходовыми рельсами в−210 В постоянного тока , которые в совокупности обеспечивают тяговое напряжение630 В постоянного тока . Такая же система использовалась дляпервой линии метро Милана , линии 1 , более поздние линии которой используют контактную подвеску или третий рельс.

Ключевым преимуществом четырехрельсовой системы является то, что ни один из ходовых рельсов не проводит ток. Эта схема была введена из-за проблем с возвратными токами, которые должны переноситься заземленным (заземленным) ходовым рельсом, протекающим через железную обшивку туннеля. Это может вызвать электролитическое повреждение и даже искрение, если сегменты туннеля не соединены электрически . Проблема усугублялась тем, что возвратный ток также имел тенденцию протекать через близлежащие железные трубы, образующие водопроводные и газовые магистрали. Некоторые из них, особенно викторианские магистрали, которые существовали до лондонского метро, ​​не были рассчитаны на передачу тока и не имели адекватного электрического соединения между сегментами труб. Четырехрельсовая система решает эту проблему. Хотя у источника есть искусственно созданная точка заземления, это соединение достигается с помощью резисторов, которые гарантируют, что блуждающие токи заземления будут удерживаться на управляемом уровне. Рельсы только для питания могут быть установлены на прочных изолирующих керамических стульях, чтобы минимизировать утечку тока, но это невозможно для ходовых рельсов, которые должны быть установлены на более прочных металлических стульях, чтобы выдерживать вес поездов. Однако эластомерные резиновые прокладки, размещенные между рельсами и стульями, теперь могут решить часть проблемы, изолируя ходовые рельсы от возврата тока в случае утечки через ходовые рельсы.

На линиях Expo и Millennium надземного метро Ванкувера используются системы четвертого рельса с боковым контактом.650 В постоянного тока . Оба расположены сбоку от поезда, так как пространство между ходовыми рельсами занято алюминиевой пластиной, как часть статора линейной индукционной двигательной системы, используемой в системе Innovia ART . Будучи частью сети SkyTrain, Canada Line не использует эту систему, а вместо этого использует более традиционные двигатели, прикрепленные к колесам, и электрификацию третьего рельса.

Системы с резиновыми шинами

Тележка от вагона парижского метро MP 89. Боковой контактный башмак расположен между резиновыми шинами.

Несколько линий парижского метро во Франции работают на четырехрельсовой системе питания. Поезда движутся на резиновых шинах , которые катятся по паре узких роликовых путей, сделанных из стали и, в некоторых местах, из бетона . Поскольку шины не проводят обратный ток, два направляющих стержня, предусмотренные снаружи ходовых « роликовых путей », становятся, в некотором смысле, третьим и четвертым рельсом, каждый из которых обеспечивает 750 В постоянного тока , так что, по крайней мере, с электрической точки зрения это четырехрельсовая система. Каждая колесная пара приводной тележки несет один тяговый двигатель . Боковой скользящий (боковой) контактный башмак принимает ток с вертикальной поверхности каждого направляющего стержня. Возврат каждого тягового двигателя, а также каждого вагона , осуществляется одним контактным башмаком, каждый из которых скользит по верху каждого из ходовых рельсов . Это и все другие резиновые метро , ​​которые имеют 1435 мм ( 4 фута  8+1 ⁄ 2 дюйма ) стандартная колея междуроликовыминаправляющимиработает таким же образом.[20][21]

Переменный ток

Железные дороги и электростанции используют переменный ток вместо постоянного по той же причине: [22] чтобы использовать трансформаторы , которым требуется переменный ток, для производства более высоких напряжений. [23] Чем выше напряжение, тем ниже ток для той же мощности (потому что мощность — это ток, умноженный на напряжение), а потери мощности пропорциональны квадрату тока. Более низкий ток снижает потери в линии, тем самым позволяя поставлять более высокую мощность. [24]

Поскольку переменный ток используется с высокими напряжениями, внутри локомотива трансформатор понижает напряжение для использования тяговыми двигателями и вспомогательными нагрузками.

Ранним преимуществом переменного тока является то, что резисторы , тратящие энергию , используемые в локомотивах постоянного тока для управления скоростью, не были нужны в локомотиве переменного тока: несколько ответвлений на трансформаторе могут подавать диапазон напряжений. [25] Отдельные обмотки низковольтного трансформатора питают освещение и двигатели, приводящие в движение вспомогательные машины. Совсем недавно разработка очень мощных полупроводников привела к тому, что классический двигатель постоянного тока был в значительной степени заменен трехфазным асинхронным двигателем, питаемым от частотно-регулируемого привода , специального инвертора , который изменяет как частоту, так и напряжение для управления скоростью двигателя. Эти приводы могут работать одинаково хорошо как на постоянном, так и на переменном токе любой частоты, и многие современные электровозы спроектированы для работы с различными напряжениями и частотами питания, чтобы упростить трансграничную эксплуатацию.

Низкочастотный переменный ток

Поезд ÖBB , использующий воздушные линии переменного тока напряжением 15  кВ и частотой 16,7 Гц в Австрии 

Пять европейских стран — Германия, Австрия, Швейцария, Норвегия и Швеция — приняли стандарт на 15  кВ 16+2 ⁄ 3  Гц ( частота сети 50 Гц, деленная на три) однофазный переменный ток. 16 октября 1995 года Германия, Австрия и Швейцария перешли с 16+2 ⁄ 3  Гц до 16,7 Гц, что больше не составляет ровно одну треть частоты сети. Это решило проблемы перегрева роторных преобразователей, используемых для генерации части этой мощности из сети. [26]

В США железные дороги Нью -Йорка, Нью-Хейвена и Хартфорда , Пенсильвании и Филадельфии и Рединга приняли однофазный переменный ток 11  кВ 25 Гц. Части первоначальной электрифицированной сети по-прежнему работают на частоте 25 Гц, с напряжением, повышенным до 12 кВ, в то время как другие были преобразованы в 12,5 или 25 кВ 60 Гц.     

В Великобритании железная дорога London, Brighton and South Coast Railway стала пионером в области воздушной электрификации своих пригородных линий в Лондоне, движение от London Bridge до Victoria  было открыто 1 декабря 1909 года. От Victoria до Crystal Palace через Balham и West Norwood открылось в мае 1911 года. От Peckham Rye до West Norwood открылось в июне 1912 года. Дальнейшее расширение не проводилось из-за Первой мировой войны. Две линии открылись в 1925 году под Southern Railway, обслуживая железнодорожные станции Coulsdon North и Sutton . Линии были электрифицированы на 6,7  кВ 25  Гц. В 1926 году было объявлено, что все линии будут переведены на третий рельс постоянного тока, и последняя линия с воздушным питанием была запущена в сентябре 1929 года.

Переменный ток стандартной частоты

Схема электроснабжения 2×25 кВ:
1. Питающий трансформатор (вывод со средней точкой)
2. Источник питания
3. Воздушная линия
4. Контактный рельс
5. Питающая линия
6. Токоприемник
7. Локомотивный трансформатор
8. Воздушная линия
9. Автотрансформатор
10. Контактный рельс

Переменный ток используется на частоте 60  Гц в Северной Америке (за исключением вышеупомянутой  сети 25 Гц), западной Японии, Южной Корее и Тайване; и на частоте 50  Гц в ряде европейских стран, Индии, Саудовской Аравии, восточной Японии, странах, которые раньше были частью Советского Союза, на высокоскоростных линиях в большей части Западной Европы (включая страны, которые все еще используют обычные железные дороги на постоянном токе, но не в странах, использующих 16,7  Гц, см. выше). Большинство таких систем работают на 25  кВ, хотя  в Соединенных Штатах существуют участки на 12,5 кВ, а  на некоторых узкоколейных линиях в Японии используется 20 кВ. На высоковольтных линиях "французской системы" воздушная линия и фидерная линия "шпалы" каждая несут 25  кВ по отношению к рельсам, но в противофазе, поэтому они находятся на 50  кВ друг от друга; автотрансформаторы выравнивают напряжение через регулярные интервалы. [ необходима цитата ]

Трехфазный переменный ток

Железная дорога Юнгфрау , самая высокогорная в Европе, использует трехфазную электроэнергию между двумя воздушными линиями и рельсами.

Различные системы электрификации железных дорог в конце девятнадцатого и двадцатого веков использовали трехфазную , а не однофазную подачу электроэнергии из-за простоты конструкции как источника питания, так и локомотивов. Эти системы могли использовать либо стандартную частоту сети и три силовых кабеля, либо пониженную частоту, что позволяло использовать линию обратной фазы в качестве третьего рельса, а не дополнительного воздушного провода. [ необходима цитата ]

Сравнения

Переменный ток против постоянного тока для магистральных линий

Большинство современных систем электрификации берут энергию переменного тока из электросети, которая подается на локомотив, а внутри локомотива преобразуется и выпрямляется в более низкое напряжение постоянного тока для подготовки к использованию тяговыми двигателями. Эти двигатели могут быть либо двигателями постоянного тока, которые напрямую используют постоянный ток, либо трехфазными двигателями переменного тока, которые требуют дальнейшего преобразования постоянного тока в трехфазный переменный ток переменной частоты (с использованием силовой электроники). Таким образом, обе системы сталкиваются с одной и той же задачей: преобразование и транспортировка высоковольтного переменного тока из электросети в низковольтный постоянный ток в локомотиве. Разница между системами электрификации переменного и постоянного тока заключается в том, где переменный ток преобразуется в постоянный ток: на подстанции или в поезде. Энергоэффективность и затраты на инфраструктуру определяют, какой из них используется в сети, хотя это часто фиксировано из-за уже существующих систем электрификации.

Как передача, так и преобразование электроэнергии влекут за собой потери: омические потери в проводах и силовой электронике, потери магнитного поля в трансформаторах и сглаживающих реакторах (индукторах). [27] Преобразование энергии для системы постоянного тока происходит в основном на железнодорожной подстанции, где может использоваться крупное, тяжелое и более эффективное оборудование по сравнению с системой переменного тока, где преобразование происходит на борту локомотива, где пространство ограничено, а потери значительно выше. [28] Однако более высокие напряжения, используемые во многих системах электрификации переменного тока, снижают потери при передаче на большие расстояния, что позволяет использовать меньше подстанций или более мощные локомотивы. Кроме того, необходимо учитывать энергию, используемую для продувки воздухом для охлаждения трансформаторов, силовой электроники (включая выпрямители) и другого оборудования преобразования.

Стандартные системы электрификации переменного тока используют гораздо более высокие напряжения, чем стандартные системы постоянного тока. Одним из преимуществ повышения напряжения является то, что для передачи определенного уровня мощности необходим более низкий ток ( P = V × I ). Снижение тока снижает омические потери и позволяет использовать менее громоздкое, более легкое оборудование воздушной линии и большее расстояние между тяговыми подстанциями, сохраняя при этом мощность системы. С другой стороны, более высокое напряжение требует больших изоляционных зазоров, требуя, чтобы некоторые элементы инфраструктуры были больше. Система переменного тока стандартной частоты может вносить дисбаланс в сеть питания, требуя тщательного планирования и проектирования (поскольку на каждой подстанции питание поступает от двух из трех фаз). Система переменного тока низкой частоты может питаться от отдельной генерирующей и распределительной сети или сети преобразовательных подстанций, что добавляет расходов, а также низкочастотные трансформаторы, используемые как на подстанциях, так и на подвижном составе, особенно громоздки и тяжелы. Система постоянного тока, помимо того, что ограничена по максимальной мощности, которая может быть передана, также может быть ответственна за электрохимическую коррозию из-за блуждающих постоянных токов. [16] : 3 

Электричество против дизеля

Электростанция Лотс-Роуд на плакате 1910 года. Эта частная электростанция, используемая лондонским метрополитеном , обеспечивала лондонские поезда и трамваи электроэнергией, независимой от основной электросети.

Энергоэффективность

Электропоездам не нужно нести вес первичных двигателей , трансмиссии и топлива. Это частично компенсируется весом электрооборудования. Рекуперативное торможение возвращает мощность в систему электрификации, чтобы ее можно было использовать в другом месте, другими поездами в той же системе или вернуть в общую энергосистему. Это особенно полезно в горных районах, где тяжело загруженные поезда должны спускаться по длинным склонам. [29]

Электроэнергия на центральной станции часто может вырабатываться с большей эффективностью, чем мобильный двигатель/генератор. В то время как эффективность генерации электростанции и генерации дизельного локомотива примерно одинакова в номинальном режиме, [30] дизельные двигатели снижают эффективность в неноминальных режимах при низкой мощности [31], в то время как если электростанции необходимо вырабатывать меньше энергии, она отключит свои наименее эффективные генераторы, тем самым увеличивая эффективность. Электропоезд может экономить энергию (по сравнению с дизелем) за счет рекуперативного торможения и отсутствия необходимости потреблять энергию на холостом ходу, как это делают дизельные локомотивы при остановке или движении по инерции. Однако электрический подвижной состав может запускать охлаждающие вентиляторы при остановке или движении по инерции, тем самым потребляя энергию.

Крупные электростанции, работающие на ископаемом топливе , работают с высокой эффективностью и могут использоваться для централизованного теплоснабжения или для производства централизованного охлаждения , что приводит к более высокой общей эффективности. [32] [33] Электроэнергия для электрических железнодорожных систем может также поступать из возобновляемых источников энергии , ядерной энергии или других источников с низким содержанием углерода, которые не загрязняют окружающую среду и не выбрасывают в атмосферу вредные вещества.

Выходная мощность

Электровозы могут быть легко построены с большей выходной мощностью, чем большинство тепловозов. Для пассажирских перевозок можно обеспечить достаточную мощность дизельными двигателями (см., например, « ICE TD »), но на более высоких скоростях это оказывается дорогостоящим и непрактичным. Поэтому почти все высокоскоростные поезда являются электрическими. Высокая мощность электровозов также дает им возможность тянуть грузы на более высокой скорости по уклонам; в условиях смешанного движения это увеличивает пропускную способность, когда время между поездами может быть сокращено. Более высокая мощность электровозов и электрификация также могут быть более дешевой альтернативой новой и менее крутой железной дороге, если вес поездов должен быть увеличен в системе.

С другой стороны, электрификация может не подходить для линий с низкой частотой движения, поскольку более низкая стоимость эксплуатации поездов может перевешиваться высокой стоимостью инфраструктуры электрификации. Поэтому большинство линий дальнего следования в развивающихся или малонаселенных странах не электрифицированы из-за относительно низкой частоты движения поездов.

Сетевой эффект

Сетевые эффекты являются важным фактором при электрификации. [ необходима цитата ] При переводе линий на электрические необходимо учитывать соединения с другими линиями. Некоторые электрификации впоследствии были отменены из-за сквозного движения по неэлектрифицированным линиям. [ необходима цитата ] Если сквозное движение должно иметь какую-либо выгоду, для таких соединений должны происходить трудоемкие переключения двигателей или должны использоваться дорогие двухрежимные двигатели . Это в основном проблема для поездок на дальние расстояния, но на многих линиях доминирует сквозное движение грузовых поездов дальнего следования (обычно перевозящих уголь, руду или контейнеры в порты или из них). Теоретически эти поезда могли бы получить существенную экономию за счет электрификации, но может быть слишком дорого распространять электрификацию на изолированные районы, и если вся сеть не электрифицирована, компании часто обнаруживают, что им нужно продолжать использовать дизельные поезда, даже если участки электрифицированы. Растущий спрос на контейнерные перевозки, которые более эффективны при использовании двухъярусных вагонов , также создает проблемы с сетевым эффектом для существующих электрификаций из-за недостаточного зазора воздушных линий электропередач для этих поездов, но электрификацию можно построить или модифицировать для обеспечения достаточного зазора, но за дополнительные расходы.

Проблема, связанная конкретно с электрифицированными линиями, — это разрывы в электрификации. Электромобили, особенно локомотивы, теряют мощность при пересечении разрывов в подаче, таких как разрывы фазового перехода в контактных сетях и разрывы над стрелками в системах третьего рельса. Они становятся неприятностью, если локомотив останавливается с коллектором на мертвом промежутке, в этом случае нет мощности для повторного запуска. Это меньшая проблема в поездах, состоящих из двух или более многосекционных единиц, соединенных вместе, поскольку в этом случае, если поезд останавливается с одним коллектором в мертвом промежутке, другой многосекционный блок может толкать или тянуть отключенную единицу, пока она снова не сможет получать электроэнергию. То же самое относится к типу поездов push-pull , у которых на каждом конце есть локомотив. Разрывы мощности можно преодолеть в поездах с одним коллектором с помощью бортовых батарей или систем двигатель-маховик-генератор. [ требуется ссылка ] В 2014 году был достигнут прогресс в использовании больших конденсаторов для питания электромобилей между станциями, и, таким образом, избежать необходимости в воздушных проводах между этими станциями. [34]

Расходы на техническое обслуживание

Расходы на техническое обслуживание линий могут быть увеличены за счет электрификации, но многие системы заявляют о более низких расходах из-за снижения износа пути из-за более легкого подвижного состава. [35] Существуют некоторые дополнительные расходы на техническое обслуживание, связанные с электрическим оборудованием вокруг пути, таким как силовые подстанции и сам контактный провод, но, если есть достаточное движение, сокращенный путь и особенно более низкие расходы на техническое обслуживание и эксплуатацию двигателя значительно превышают расходы на это обслуживание.

Эффект искры

Недавно электрифицированные линии часто демонстрируют «эффект искры», в результате чего электрификация в системах пассажирских железных дорог приводит к значительным скачкам в посещаемости/доходах. [36] Причины могут включать в себя то, что электропоезда считаются более современными и привлекательными для езды, [37] [38] более быстрое, тихое и плавное обслуживание, [36] и тот факт, что электрификация часто идет рука об руку с общей инфраструктурой и капитальным ремонтом/заменой подвижного состава, что приводит к улучшению качества обслуживания (таким образом, который теоретически также может быть достигнут путем проведения аналогичных обновлений, но без электрификации). Каковы бы ни были причины эффекта искры, он хорошо известен для многочисленных маршрутов, которые были электрифицированы в течение десятилетий. [36] [37] Это также применимо, когда автобусные маршруты с дизельными автобусами заменяются троллейбусами. Воздушные провода делают обслуживание «видимым» даже при отсутствии автобусов, а существование инфраструктуры дает некоторые долгосрочные ожидания относительно эксплуатации линии.

Двухъярусный железнодорожный транспорт

Из-за ограничения высоты, накладываемого контактными проводами, двухъярусные контейнерные поезда традиционно было трудно и редко эксплуатировать на электрифицированных линиях. Однако это ограничение преодолевается железными дорогами в Индии, Китае и странах Африки путем прокладки новых путей с увеличенной высотой контактной сети.

Подобные установки установлены в Западном специализированном грузовом коридоре в Индии, где высота проводов составляет 7,45 м (24,4 фута), что позволяет пропускать двухъярусные контейнерные поезда без необходимости использования прицепов-фитингов .

Преимущества

Существует ряд преимуществ, включая тот факт, что пассажиры не подвергаются воздействию выхлопных газов от локомотива и более низкие затраты на строительство, эксплуатацию и обслуживание локомотивов и многосекционных поездов . Электропоезда имеют более высокое отношение мощности к весу (нет бортовых топливных баков), что приводит к меньшему количеству локомотивов, более быстрому ускорению, более высокому практическому пределу мощности, более высокому пределу скорости, меньшему шумовому загрязнению (более тихая работа). Более быстрое ускорение быстрее очищает пути для запуска большего количества поездов на пути в городских железнодорожных перевозках. [39]

Недостатки

Королевский пограничный мост в Англии , охраняемый памятник . Добавление электрической контактной сети к старым сооружениям может быть дорогостоящим проектом электрификации.
Многие системы электрификации с использованием воздушных линий не обеспечивают достаточного зазора для двухъярусного вагона . Каждый контейнер может быть 9 футов 6 дюймов.+Высота шахты составляет 1 ⁄ 2 дюйма  (2,908 м), а дно шахты находится на высоте 1 фут 2 дюйма (0,36 м) над рельсами , что составляет общую высоту 20 футов 3 дюйма (6,17 м), включая шахтный вагон. [41]

Электрификация железных дорог по всему миру

По состоянию на 2012 год электрифицированные пути составляли почти треть от общего числа путей в мире. [9]

По состоянию на 2018 год 72 110 км (44 810 миль) железных дорог были электрифицированы на напряжении 25  кВ, 50 или 60  Гц; 68 890 км (42 810 миль) были электрифицированы на постоянном токе 3 кВ ; 32 940 км (20 470 миль) были электрифицированы на напряжении 15  кВ 16,7 или 16 Гц.+2 ⁄ 3  Гц и 20 440 км (12 700 миль) электрифицированы при напряжении 1,5 кВ постоянного тока . [16] : 2 

По состоянию на 2023 год швейцарская железнодорожная сеть является крупнейшей полностью электрифицированной сетью в мире и одной из одиннадцати стран или территорий, достигших этого, как указано в Списке стран по размеру железнодорожной транспортной сети . Затем процент продолжает падать в следующем порядке: Лаос, Черногория, Индия, Бельгия, Грузия, Южная Корея, Нидерланды и Япония, а все остальные электрифицированы менее чем на 75%. [47] [48] В целом, Китай занимает первое место с примерно 100 000 км (62 000 миль) электрифицированных железных дорог, за ним следует Индия с более чем 60 000 км (37 000 миль) электрифицированных железных дорог, и далее следует Россия с более чем 54 000 км (34 000 миль) электрифицированных железных дорог. В ряде стран нет электрифицированных железных дорог, вместо этого они полагаются на дизель-поезда, локомотивную тягу и множество альтернативных видов транспорта. В Европейском союзе находится самое большое количество электрифицированных железных дорог (по длине) — более 114 000 км (71 000 миль) электрифицированных железных дорог, однако это составляет лишь около 55% от общей длины железных дорог.

Несколько стран объявили о планах электрифицировать всю или большую часть своей железнодорожной сети, включая Индийские железные дороги и Израильские железные дороги . [49]

Транссибирская магистраль, проходящая в основном по территории России, полностью электрифицирована, что делает ее одним из самых длинных участков электрифицированных железных дорог в мире. [50]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc PM Калла-Бишоп, Будущие железные дороги и управляемый транспорт , IPC Transport Press Ltd. 1972, стр. 8-33
  2. ^ "Поездка на поезде сквозь историю". SWI swissinfo.ch .
  3. ^ «Нация энтузиастов железных дорог: история швейцарских железных дорог». Дом Швейцарии .
  4. ^ «Индийские железные дороги устанавливают новый стандарт! Запускают первый двухъярусный контейнерный поезд на высотных электрифицированных участках OHE». 12 июня 2020 г.
  5. ^ «非人狂想屋 | 你的火车发源地 » HXD1B牵引双层集装箱列车» (на китайском (Китай)) . Проверено 1 июля 2020 г.
  6. ^ «В центре внимания — перемещение контейнеров в два яруса». @businessline . 14 октября 2007 г. Получено 1 июля 2020 г.
  7. ^ "Аэродинамические эффекты, вызванные въездом поездов в туннели". ResearchGate . Получено 1 июля 2020 г. .
  8. ^ pamela (19 февраля 2021 г.). «Ожидается, что электрификация железных дорог будет расти во всем мире». Railway PRO . Получено 17 февраля 2023 г.
  9. ^ ab "Railway Handbook 2015" (PDF) . Международное энергетическое агентство. стр. 18 . Получено 4 августа 2017 г. .
  10. ^ "Путь к успеху: первый в мире электрический трамвай". Siemens Global . Получено 2 августа 2024 г.
  11. ^ "Frank J. Sprague". Encyclopedia.com . Получено 2 августа 2024 г. .
  12. ^ "Frank Sprague". Lemelson MIT . Получено 2 августа 2024 г.
  13. ^ EN 50163: Железнодорожные применения. Напряжения питания тяговых систем (2007)
  14. ^ IEC 60850: Железнодорожные применения. Напряжение питания тяговых систем , 3-е издание (2007)
  15. ^ P. Leandes и S. Ostlund. "Концепция тяговой системы HVDC" на "Международной конференции по электрификации магистральных железных дорог", Хессингтон, Англия, сентябрь 1989 г. (предполагает 30  кВ). Glomez-Exposio A., Mauricio JM, Maza-Ortega JM "Система электрификации железных дорог MVDC на основе VSC" Труды IEEE по доставке электроэнергии, т. 29, № 1, февраль 2014 г. (предполагает 24  кВ).
  16. ^ abc Simiyu, Patrobers; Davidson, IE (2021). «Железнодорожные тяговые системы MVDC; современное состояние, возможности и проблемы». Energies . 14 (14). MDPI: 4156. doi : 10.3390/en14144156 . ISSN  1996-1073.
  17. ^ Будущая система электрификации железных дорог постоянного тока — переход на 9 кВ (PDF) . Семинар МСЖД по энергоэффективности. Роттердам: МСЖД. 11 сентября 2019 г.
  18. ^ Аржанников, Б.А.; Галкин, А.Г.; Бурков А.Т.; Мансуров, В.А.; Набойченко, И.О. (2015), «Перспектива разработки системы электрической тяги постоянного тока повышенного напряжения 12, 24 кВ для скоростной магистрали Москва – Екатеринбург». (на русском языке), 1 (14): 38–44.
  19. ^ Дональд Г. Финк, Х. Уэйн Битти Стандартный справочник для инженеров-электриков 11-е издание , McGraw Hill, 1978 таблица 18-21. См. также Gomez-Exposito стр. 424, рис. 3
  20. ^ "[MétroPole] Центральная электрическая линия на тяговой железной дороге" . 10 августа 2004 г. Архивировано из оригинала 10 августа 2004 г.
  21. ^ Дери, Бернард. «Грузовик (тележка) – Иллюстрированный словарь». www.infovisual.info .
  22. ^ "MIT School of Engineering | » В чем разница между переменным и постоянным током?". Mit Engineering . Получено 9 ноября 2022 г. .
  23. ^ "Переменный ток – Энергетическое образование". energyeducation.ca . Получено 9 ноября 2022 г. .
  24. ^ «Что такое переменный ток (AC)? | Базовая теория переменного тока | Учебник по электронике». www.allaboutcircuits.com . Получено 9 ноября 2022 г. .
  25. ^ "[IRFCA] Electric Loco Tap-changer Operation". www.irfca.org . Получено 9 ноября 2022 г. .
  26. ^ Линдер, К. (2002). Umstellung der Sollfrequenz im zentralen Bahnstromnetz von 16 2/3 Hz auf 16,70 Hz [ Переключение частоты в электросети поезда с 16 2/3 Гц на 16,70 Гц ]. Электрише Банен (на немецком языке). Ольденбург-Индустриверлаг. ISSN  0013-5437.
  27. ^ См. Винокуров с. 95+ гл. 4: Потери и коэффициент полизного действия; нагревательные и охлаждающие машины электрические и трансформаторы» (Потери и КПД; нагрев и охлаждение электрических машин и трансформаторов) магнитные потери стр. 96–97, омические потери стр. 97–99
  28. ^ Сидоров 1988, стр. 103–104, Сидоров 1980, стр. 122–123.
  29. ^ «Раскрытие всех преимуществ электрификации железных дорог – Будущие железные дороги | Выпуск 98 | Сентябрь 2022 г.». rail.nridigital.com . Получено 17 февраля 2023 г. .
  30. ^ Оказывается, что эффективность выработки электроэнергии современным тепловозом примерно такая же, как у типичной электростанции США, работающей на ископаемом топливе. Тепловая мощность центральных электростанций в 2012 году составляла около 9,5 тыс. БТЕ/кВт·ч согласно Ежемесячному обзору энергетики Управления энергетической информации США, что соответствует эффективности 36%. Дизельные двигатели для локомотивов имеют эффективность около 40% (см. Удельный расход топлива на торможение , Дробинский, стр. 65 и Иванова, стр. 20.). Но для сравнения необходимы снижения обеих эффективностей. Во-первых, необходимо снизить эффективность центральных электростанций на потери при передаче электроэнергии локомотиву. Другая поправка связана с тем, что эффективность российского дизеля основана на более низкой теплоте сгорания топлива, в то время как электростанции в США используют более высокую теплоту сгорания (см. Теплота сгорания ). Еще одна поправка заключается в том, что сообщаемая эффективность дизеля не учитывает энергию вентилятора, используемую для охлаждения радиаторов двигателя. См. Дробинский, стр. 65 и Иванова, стр. 20 (который оценивает эффективность бортового электрогенератора в 96,5%). Результатом всего вышесказанного является то, что современные дизельные двигатели и центральные электростанции имеют эффективность выработки электроэнергии около 33% (в номинальном режиме).
  31. ^ Хомич А. З. Тупицын О.И., Симсон А. Э. «Экономия топлива и теплотехническая модернизация тепловозов». Москва: Транспорт, 1975. 264 с. См. кривые удельного расхода топлива тормозами на с. 202 и графики времени нахождения в неноминальных режимах на стр. 10–12.
  32. ^ Ван, Усилия (25 мая 2011 г.). «Gigaom GE запустит газовые электростанции, подобные реактивным двигателям». Gigaom.com . Получено 4 февраля 2016 г.
  33. ^ FlexEfficiency* 50 Комбинированная электростанция Архивировано 24 августа 2012 на Wayback Machine
  34. ↑ Railway Gazette International, октябрь 2014 г.
  35. ^ "Отчет о стратегии электрификации железнодорожной сети Великобритании" Архивировано 22 июня 2013 г. в Wayback Machine Table 3.3, стр. 31. Получено 4 мая 2010 г.
  36. ^ abc "Start Slow With Bullet Trains". Miller-McCune . 2 мая 2011 г. Архивировано из оригинала 28 января 2012 г. Получено 27 февраля 2012 г.
  37. ^ ab "Камбернолд может быть на пути к электрификации железнодорожной линии". Cumbernauld News . 14 января 2009 г. Архивировано из оригинала 19 апреля 2013 г. Получено 27 февраля 2012 г.
  38. ^ "Electric Idea". Bromsgrove Advertiser . 8 января 2008 г. Получено 27 февраля 2012 г.
  39. ^ "Rail – Analysis". IEA . Получено 17 февраля 2023 г.
  40. ^ Согласно статье «Электрификация железных дорог в Советском Союзе#Энергоэффективность» , после середины 1970-х годов электровозы потребляли примерно на 25% меньше топлива на тонно-км, чем дизели. Однако часть этой экономии может быть связана с меньшим количеством остановок электровозов для пропуска встречных поездов, поскольку дизели работали преимущественно на однопутных линиях, часто с умеренно интенсивным движением.
  41. ^ [1] AAR Пластина H
  42. ^ "Committee Meeting – Spring 2009" (PDF) . Королевское метеорологическое общество (rmets.org). Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 года . Получено 15 сентября 2012 года .
  43. ^ "Network Rail – Cable Theft". Network Rail (www.networkrail.co.uk) . Получено 15 сентября 2012 г. .
  44. ^ "Полиция расследует кражу кабеля со смертельным исходом". ITV News . 27 июня 2012 г. Получено 15 сентября 2012 г.
  45. ↑ Сара Сондерс (28 июня 2012 г.). «Обнаружение тела, связанное с кражей рельсовых кабелей». ITV News . Получено 7 мая 2014 г.
  46. ^ Нахманн, Ларс. «Tiere & Pflanzen Vögel Gefährdungen Stromtod Mehr aus dieser Rubrik Vorlesen Die tödliche Gefahr». Naturschutzbund (на немецком языке). Берлин, Германия . Проверено 20 июля 2016 г.
  47. ^ "2019 年铁道统计公报" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 6 июня 2020 года . Проверено 7 июня 2020 г.
  48. ^ «Состояние электрификации железных дорог (по состоянию на 01.04.2023)» (PDF) .
  49. ^ «На пути к полной электрификации: низкоуглеродные железные дороги в Индии». www.rapidtransition.org . Получено 17 февраля 2023 г. .
  50. ^ "Легендарная Транссибирская железнодорожная линия России полностью электрифицирована – AP Worldstream | HighBeam Research". 4 сентября 2015 г. Архивировано из оригинала 4 сентября 2015 г. Получено 9 ноября 2022 г.

Дальнейшее чтение

Источники

Английский

Русский

Внешние ссылки