На железнодорожном транспорте головная электростанция ( HEP ) , также известная как электропоездное питание ( ETS ), представляет собой систему распределения электроэнергии в пассажирском поезде. Источник энергии, обычно локомотив (или вагон-генератор) в передней части или «голове» поезда, обеспечивает электроэнергию, используемую для отопления, освещения, электроснабжения и других «гостиничных» нужд. Морским эквивалентом является электроэнергия отеля. Успешная попытка железной дороги Лондона, Брайтона и Южного побережья в октябре 1881 года осветить пассажирские вагоны на маршруте Лондон-Брайтон [1] ознаменовала начало использования электричества для освещения поездов во всем мире.
Масляные лампы были введены в свет в поездах в 1842 году. [2] Экономические соображения побудили Ланкаширско-Йоркширскую железную дорогу заменить нефть угольным газом для освещения в 1870 году, но взрыв газового баллона в поезде заставил их отказаться от эксперимента. [2] Нефтегазовое освещение было введено в конце 1870 года. Электрическое освещение было введено в октябре 1881 года [1] [2] с использованием двенадцати ламп накаливания с угольной нитью Swan , подключенных к подвешенной батарее из 32 свинцово-кислотных аккумуляторных элементов Faure , подходящих для около 6 часов освещения перед снятием для подзарядки. [1]
Северо -Британская железная дорога в 1881 году успешно выработала электроэнергию, используя динамо-машину на паровозе Братства для обеспечения электрического освещения в поезде, концепция, которая позже была названа головной мощностью . Высокий расход пара привел к отказу от системы. Три поезда были запущены в 1883 году по железной дороге Лондона, Брайтона и Южного побережья. Электроэнергия вырабатывалась на борту с помощью динамо-машины, приводимой в движение одной из осей. Это позволило зарядить свинцово-кислотную батарею в фургоне охранника, а охранник эксплуатировал и обслуживал оборудование. Система успешно обеспечила электрическое освещение в поезде. [1]
В 1885 году в поездах во Франкфурте-на-Майне было введено электрическое освещение с использованием динамо-машины типа Меринга и аккумуляторов. Динамо-машина приводилась в движение шкивами и ремнями от оси на скорости от 18 до 42 миль в час (от 29 до 68 км/ч), а на более низких скоростях мощность терялась. [3]
В 1887 году паровые генераторы в багажных вагонах [4] поездов Florida Special и Chicago Limited в США снабжали электроосвещением все вагоны поезда, проводя их, чтобы ввести другую форму головного электропитания. . [5]
Нефтегазовое освещение обеспечивало более высокую интенсивность света по сравнению с электрическим освещением и более широко использовалось до сентября 1913 года, когда авария на Мидлендской железной дороге в Эйсгилле привела к гибели большого количества пассажиров. Эта авария побудила железные дороги использовать электричество для освещения поездов. [1]
На протяжении оставшейся части эпохи пара и в раннюю дизельную эпоху пассажирские вагоны обогревались насыщенным паром низкого давления , подаваемым локомотивом, при этом электричество для освещения и вентиляции вагонов получалось от батарей , заряжаемых генераторами с приводом от оси на каждом вагоне. , или от мотор-генераторных установок, установленных под кузовом. Начиная с 1930-х годов, в железнодорожных вагонах стало доступно кондиционирование воздуха , при этом энергия для их работы обеспечивалась механическими коробками отбора мощности от оси, небольшими специальными двигателями или пропаном .
Возникшие в результате отдельные системы освещения, парового отопления и кондиционирования воздуха с приводом от двигателя увеличили объем работ по техническому обслуживанию, а также увеличили количество деталей. Головная станция позволит использовать один источник питания для выполнения всех этих и многих других функций для всего поезда.
В эпоху пара все автомобили в Финляндии и России имели дровяной или угольный камин. Такое решение считалось пожароопасным в большинстве стран Европы, но не в России.
Первоначально поезда, буксируемые паровозом, должны были обеспечиваться паром от локомотива для обогрева вагонов. [1] Когда тепловозы и электровозы заменили пар, паровое отопление стало обеспечиваться паровым котлом . Он работал на жидком топливе (в тепловозах) или нагревался электрическим элементом (в электровозах). Паротепловые котлы, работающие на жидком топливе, были ненадежны. Они вызывали больше отказов локомотивов любого класса, к которому они были приспособлены, чем любая другая система или компонент локомотива, [ нужна ссылка ] , и это было основным стимулом к принятию более надежного метода обогрева вагона.
В то время освещение питалось от батарей , которые заряжались от динамо-машины под каждым вагоном во время движения поезда, а в вагонах-буфетах использовался газ в баллонах для приготовления пищи и нагрева воды . [1]
Позже дизели и электровозы были оснащены аппаратом обогрева электропоездов ( ЭПН ), который подавал электроэнергию в вагоны для работы электрических нагревательных элементов, установленных рядом с паротепловым аппаратом, который был сохранен для использования со старыми локомотивами. В более поздних конструкциях вагонов были отменены паротепловые аппараты и использована подача ETH для отопления, освещения (включая зарядку аккумуляторов освещения поезда), вентиляции, кондиционирования воздуха , вентиляторов, розеток и кухонного оборудования в поезде. В знак признания этого ETH в конечном итоге была переименована в Electric Train Supply ( ETS ).
У каждого автобуса есть индекс, показывающий максимальное потребление электроэнергии, которое он может использовать. Сумма всех индексов не должна превышать индекс локомотива. Одна «единица индекса ETH» равна 5 кВт; локомотив с индексом ETH 95 может обеспечить поезд мощностью 475 кВт электроэнергии.
Первое усовершенствование старой системы генератора осей было разработано на железной дороге Бостона и штата Мэн , которая поставила ряд паровозов и пассажирских вагонов на специализированное пригородное сообщение в Бостоне . Из-за низкой средней скорости и частых остановок, характерных для пригородных перевозок, мощность осевых генераторов была недостаточной для поддержания заряда аккумуляторов, что приводило к жалобам пассажиров на сбои в освещении и вентиляции. В ответ железная дорога установила на локомотивы, закрепленные за этими поездами, генераторы большей мощности, обеспечивающие связь с вагонами. Для обогрева вагонов использовался пар локомотива.
Некоторые ранние дизельные обтекаемые самолеты использовали преимущества своей конструкции с фиксированным составом для использования электрического освещения, кондиционирования воздуха и отопления. Поскольку автомобили не предназначались для смешивания с существующим пассажирским составом, совместимость этих систем не вызывала беспокойства. Например, поезд Nebraska Zephyr имеет три дизель-генераторные установки в первом вагоне для питания бортового оборудования.
Когда тепловозы были введены в эксплуатацию для пассажиров, они были оснащены парогенераторами для выработки пара для обогрева вагонов. Однако использование осевых генераторов и аккумуляторов сохранялось в течение многих лет. Ситуация начала меняться в конце 1950-х годов, когда Чикагская и Северо-Западная железные дороги сняли парогенераторы со своих локомотивов EMD F7 и E8 пригородного сообщения и установили дизель-генераторные установки (см. полуостров 400 ). Это было естественной эволюцией, поскольку их пригородные поезда уже получали низковольтную и слаботочную энергию от локомотивов, чтобы помочь осевым генераторам поддерживать заряд аккумуляторов.
Хотя многие пригородные парки были быстро переоборудованы на ТЭЦ, поезда дальнего следования продолжали работать с использованием парового отопления и электрических систем с батарейным питанием. Ситуация постепенно изменилась после перевода междугородных пассажирских железнодорожных перевозок на компании Amtrak и Via Rail , что в конечном итоге привело к полному внедрению HEP в США и Канаде и прекращению использования старых систем.
После своего образования в 1971 году первым локомотивом, приобретенным компанией Amtrak, стал Electro-Motive (EMD) SDP40F , адаптация широко используемого грузового локомотива SD40-2 мощностью 3000 лошадиных сил, оснащенного кузовом пассажирского типа и парогенерирующим устройством. SDP40F позволил использовать современную движущую силу в сочетании со старыми пассажирскими вагонами с паровым отоплением, приобретенными у предшествующих железных дорог, что дало Amtrak время для закупки специально построенных вагонов и локомотивов.
В 1975 году компания Amtrak начала принимать поставки полностью электрических вагонов Amfleet , буксируемых локомотивами General Electric (GE) P30CH и E60CH , которые позже были дополнены локомотивами EMD F40PH и AEM-7 , все из которых были оборудованы для обеспечения HEP. Для этой цели пять самолетов Amtrak E8 были переоборудованы с использованием генераторов HEP. Кроме того, 15 багажных вагонов были переоборудованы в вагоны-генераторы HEP, чтобы обеспечить возможность перевозки Amfleet с помощью движущей силы, не связанной с HEP (например, GG1, заменяющих ненадежные электропоезда Metroliner ). После появления Amfleet (полностью электрический) вагон Superliner был введен в эксплуатацию на дальних западных маршрутах. Впоследствии компания Amtrak перевела часть парка с паровым отоплением на полностью электрический режим с использованием HEP и к середине 1980-х годов списала оставшиеся непереоборудованные автомобили. [6]
.JPG/1280px-KD25K_998713@BJI_(20150701164011).JPG)
Головной электровагон (также называемый вагоном-генератором) — это железнодорожный вагон, который подает головную электроэнергию («HEP»). Поскольку большинство современных локомотивов поставляют HEP, они сейчас в основном используются историческими железными дорогами , которые используют старые локомотивы, или железнодорожными музеями, которые берут свое оборудование на экскурсии. [7] Некоторые головные электровагоны начинались как другие виды подвижного состава, которые были переоборудованы с использованием дизельных генераторов и топливных баков для подачи энергии на пассажирское оборудование. [8] [9]
Хотя автомобили с дизельным двигателем более распространены, электрические также существуют и используются для обеспечения электропитания поездов, когда их буксируют локомотивы без ТЭЦ или когда они не прикреплены к локомотиву.
Питание ТЭЦ от генераторной установки обычно осуществляется через вспомогательную дизельную установку, независимую от главного двигателя (первичного двигателя). Такие двигательно-генераторные установки обычно устанавливаются в отсеке в задней части локомотива. Первичный двигатель и генераторная установка ТЭЦ имеют общие запасы топлива.
Также производятся меньшие по размеру подвагонные двигательно-генераторные установки для обеспечения электроэнергией коротких поездов.
Во многих случаях тягач локомотива обеспечивает как тягу, так и мощность головной части. Если генератор HEP приводится в движение двигателем, то он должен работать с постоянной скоростью ( об/мин ), чтобы поддерживать требуемую частоту сети переменного тока 50 или 60 Гц . Инженеру не придется держать дроссельную заслонку в более высоком рабочем положении, поскольку бортовая электроника контролирует обороты двигателя для поддержания заданной частоты. [10]
Совсем недавно в локомотивах стали использовать статический инвертор, питаемый от тягового генератора, что позволяет первичному двигателю иметь больший диапазон оборотов в минуту.
При использовании первичного двигателя HEP генерируется за счет тяговой мощности. Например, локомотивы General Electric мощностью 3200 л.с. (2,4 МВт) P32 и 4000 л.с. (3,0 МВт) P40 снижаются до 2900 и 3650 л.с. (2,16 и 2,72 МВт) соответственно при поставке HEP. Fairbanks -Morse P-12-42 был одним из первых локомотивов, оснащенных HEP, первичный двигатель которого был настроен на работу с постоянной скоростью, а мощность тягового генератора регулировалась исключительно за счет изменения напряжения возбуждения.
Одно из первых испытаний HEP с приводом от тягача локомотива EMD состоялось в 1969 году на Милуоки-роуд EMD E9 # 33C, который был переоборудован для установки заднего двигателя с постоянной скоростью. [11]
Электроэнергия HEP обеспечивает освещение, систему отопления , вентиляции и кондиционирования воздуха, вагон-ресторан, кухню и зарядку аккумуляторов. Электрическая нагрузка индивидуального автомобиля колеблется от 20 кВт для типичного автомобиля до более 150 кВт для автомобиля Dome с кухней и обеденной зоной, например, автомобилей Princess Tours Ultra Dome, работающих на Аляске . [12]
.jpg/1280px-Electric_power_supply_cable_of_YZ25T_357470_(20151229085331).jpg)
Из-за длины поездов и высоких требований к мощности в Северной Америке HEP поставляется в виде трехфазного переменного тока с напряжением 480 В (стандарт в США), 575 В или 600 В. В каждом вагоне установлены трансформаторы для понижения напряжения. [12] Типичная реализация требует шести проводов в двух кабелях размером 4/0 AWG. Дополнительное резервирование обеспечивается за счет дублирования систем HEP A и HEP System B с использованием в общей сложности двенадцати проводов и четырех кабелей, поддерживающих ток до 400 А на каждый кабель. [12]
В Великобритании ETS поставляется с двухполюсным напряжением переменного/постоянного тока от 800 В до 1000 В (400 или 600 А), двухполюсным напряжением 1500 В переменного тока (800 А) или трехфазным напряжением 415 В на HST . В бывшем Южном регионе вагоны Mk I были подключены к источнику питания 750 В постоянного тока. Это соответствует линейному напряжению в сети Третьей железной дороги. Локомотивы класса 73 просто подают это линейное напряжение непосредственно на перемычки ETS, в то время как дизель-электрические локомотивы класса 33 имеют отдельный генератор обогрева поезда с приводом от двигателя, который подает 750 В постоянного тока на соединения обогрева поезда.
В Ирландии HEP предоставляется по европейскому стандарту/IEC 230/400 В, 50 Гц (первоначально 220/380 В, 50 Гц). Это соответствует той же спецификации, что и энергосистемы, используемые в бытовых и коммерческих зданиях и промышленности Ирландии и ЕС.
На установках Cork-Dublin CAF MK4 это обеспечивается двумя генераторами, расположенными в ведущем прицепном фургоне, а на двухтактных установках Enterprise это обеспечивается генераторами в специальном хвостовом фургоне. В ирландских поездах DMU, составляющих большую часть парка, используются небольшие генераторы, расположенные под каждым вагоном.
Исторически сложилось так, что ТЭЦ, а в старых автомобилях и паровое отопление обеспечивалось прицепными генераторными фургонами, содержащими генераторы и паровые котлы . Обычно они располагались в задней части составов поездов. В составах поездов Enterprise Dublin-Belfast первоначально использовались HEP от дизель-электрических локомотивов GM 201 , но из-за проблем с надежностью и чрезмерного износа систем локомотивов фургоны-генераторы (взятые из старых комплектов Irish Rail MK3 и адаптированные для двухтактного использования) были добавлен. Режим HEP был отменен, когда загорелся локомотив класса ИЭ 201 .
В российских вагонах используется электрический обогрев постоянным напряжением 3 кВ в линиях постоянного тока или переменным напряжением 3 кВ в линиях переменного тока, обеспечиваемый главным трансформатором локомотива. Новые автомобили в основном производятся западноевропейскими производителями и оснащены аналогично автомобилям RIC.
Автомобили RIC должны обеспечивать питание всех следующих четырех напряжений: 1000 В 16+2 ⁄ 3 Гц переменного тока, 1500 В, 50 Гц переменного тока, 1500 В постоянного тока и 3000 В постоянного тока. Первый используется в Австрии, Германии, Норвегии, Швеции и Швейцарии, гдеиспользуется контактная сеть переменного тока напряжением 15 кВ, частотой 16,7 Гц . Второй (1,5 кВ переменного тока) используется в странах, использующихКонтактная система переменного тока 25 кВ, 50 Гц (Хорватия, Дания, Финляндия, Венгрия, Португалия, Сербия и Великобритания, а также некоторые линии во Франции, Италии и России). В обоих случаях необходимое напряжение обеспечивается главным трансформатором локомотива или генератором переменного тока в тепловозах. В странах, где используется мощность постоянного тока (1,5 кВ или 3 кВ постоянного тока), напряжение, собираемое пантографом, подается непосредственно в автомобили. (В Бельгии, Польше и Испании, а также на некоторых линиях в России и Италии используется напряжение 3 кВ, а в Нидерландах и некоторых линиях во Франции используется напряжение 1,5 кВ; более подробную информацию см. в статье «Список систем электрификации железных дорог ».)
Современные автомобили также часто поддерживают переменный ток напряжением 1000 В и частотой 50 Гц. Этот вариант иногда можно встретить на складах и парковках. Старые европейские автомобили использовали высокое напряжение (или пар, подаваемый паровозами (некоторые дизели и электромобили также имели паровые котлы), использовались также парогенераторные вагоны , а некоторые вагоны были оснащены котлами, работающими на угле или жидком топливе) только для отопление, а освещение, вентиляторы и другие слаботочные источники питания (например, розетки для бритв в ванных комнатах) обеспечивались генератором с приводом от оси.
Сегодня, с развитием твердотельной электроники (тиристоры и IGBT), большинство автомобилей имеют импульсные источники питания, рассчитанные на любое напряжение RIC (1,0–3,0 кВ постоянного тока или 16 В постоянного тока ).+2 ⁄ 3/50 Гц переменного тока) и может обеспечивать все необходимые более низкие напряжения. Низкие напряжения различаются в зависимости от производителя, но типичные значения следующие:
Электрическое отопление обычно осуществлялось от высоковольтной линии ТЭЦ, но необычные напряжения не распространены на рынке, а оборудование стоит дорого.
Стандартный высоковольтный нагреватель, соответствующий требованиям RIC, имеет шесть резисторов, которые переключаются в зависимости от напряжения: 6 последовательно ( 3 кВ постоянного тока), 2 × 3 последовательно (1,5 кВ переменного или постоянного тока) или 3 × 2 последовательно (1 кВ переменного тока). . Выбор и переключение подходящей конфигурации происходит автоматически в целях безопасности. Пассажиры могут управлять только термостатом .
.JPG/1280px-KD25K_998717@BJX_(20150118131543).JPG)
В Китае HEP поставляется в двух формах.
На всех вагонах 25A/G, построенных до 2005 года, отремонтированных и оснащенных кондиционерами вагонах 22/25B, большинстве вагонов 25K и большинстве вагонов 25T, построенных BSP, HEP подается трехфазным напряжением 380 В переменного тока от вагонов-генераторов (первоначально классифицированных как TZ). вагоны, позже реклассифицированные в КД), небольшое количество тепловозов DF11G и очень ограниченное количество модернизированной электрики SS9 . Автомобили с дизель-генераторными установками (автомобили RZ/RW/CA22/23/25B заводской сборки, некоторые восстановленные автомобили YZ/YW22/23/25B, большинство 24 автомобилей немецкого производства и очень ограниченное количество автомобилей 25G/K/T для специального использования) также поставляют свою собственную энергию в этой форме. Можно направить электроэнергию переменного тока от автомобиля с дизель-генераторной установкой к соседнему обычному автомобилю с ГЭС, хотя в этой ситуации оба автомобиля не могут использовать кондиционер или обогрев при полной нагрузке. Эти автомобили с дизельным двигателем также могут работать на ТЭЦ из других источников, не используя собственное дизельное топливо. Хотя вагон-генератор считается неэффективным и устаревшим, главным образом потому, что вагон-генератор «тратит» тяговую мощность, персонал и топливо (если он работает на электрифицированных линиях), новые автомобили, использующие ТЭЦ переменного тока, все еще находятся в производстве вместе с новыми вагонами-генераторами/агрегатами, в основном для использования. в районах без электрификации, учитывая, что подавляющее большинство двигателей Китайских железных дорог, способных поставлять ТЭД, являются электровозами.
На большинстве новых автомобилей 25G и 25/19T питание подается напряжением 600 В постоянного тока от электровозов, таких как SS7C, SS7D, SS7E, SS8 , SS9 , HXD1D , HXD3C , HXD3D и некоторых дизелей DF11G (№ 0041, 0042, 0047, 0048, 0053-0056, 0101-0218). Небольшое количество специальных вагонов-генераторов (QZ-KD25T), предназначенных для использования на высокогорной Цинхай-Тибетской железной дороге, также подают электроэнергию напряжением 600 В постоянного тока. Благодаря быстрому вводу в эксплуатацию новых двигателей и автомобилей, оснащенных постоянным током, а также старению и выводу из эксплуатации старого оборудования, использующего переменный ток, ГЭЦ постоянного тока стали более заметной формой энергоснабжения Китайских железных дорог.
Очень ограниченное количество автомобилей, в основном 25Ц, могут работать на обеих формах ТЭЦ.
Хотя большинство поездов с локомотивной тягой получают энергию непосредственно от локомотива, были примеры (в основном в континентальной Европе ), когда вагоны-рестораны могли получать энергию непосредственно от воздушных проводов , пока поезд стоит и не подключен к головной станции. Например, немецкие вагоны-рестораны WRmz 135 (1969 г.), WRbumz 139 (1975 г.) и ARmz 211 (1971 г.) были оснащены токоприемниками .
Некоторые финские вагоны-рестораны имеют встроенную дизель-генераторную установку, которая используется даже при наличии мощности от локомотива.
Когда штат Коннектикут начал движение по линии «Шор-Лайн-Восток» , во многих случаях они использовали новые легковые автомобили со старыми грузовыми дизелями, которые не могли питать HEP, поэтому некоторые автобусы были доставлены с установленным HEP-генератором. С приобретением локомотивов с ГЭД их сняли.
Если пассажирский поезд должен буксироваться локомотивом без системы HEP (или с несовместимой системой HEP), может использоваться отдельный фургон-генератор [13] , например, в поезде Amtrak Cascades или в прицепе CAF Mark 4 Driving Van Trailer от Iarnród Éireann ( с двумя двигателями/генераторами MAN 2846 LE 202 (320 кВт)/Letag (330 кВА) сборки GESAN). KiwiRail (Новая Зеландия) использует фургоны с генератором багажа класса AG для пассажирских перевозок Tranz Scenic ; В метро Tranz на линии Вайрарапа используются пассажирские вагоны класса SWG , часть интерьера которых приспособлена для размещения генератора. В поезде Ringling Bros. и Barnum & Bailey Circus использовался по крайней мере один изготовленный по индивидуальному заказу силовой вагон, который снабжал HEP его пассажирские вагоны, чтобы не полагаться на принимающие железнодорожные локомотивы, буксирующие поезд.
В Великобритании и Швеции высокоскоростные поезда IC125 и X2000 имеют трехфазную шину питания частотой 50 Гц.
В 1980-х годах, когда было мало автомобилей HST, фургон-генератор, переоборудованный из Mk.1 BG, использовался для подачи трехфазного питания на грабли HST, чтобы их можно было буксировать локомотивом. ADB975325 (позже переименованный в 6310) виден в Бристольском Темпл-Мидс 4 октября 1980 года.[ постоянная мертвая ссылка ]