Электрификация железных дорог — использование электроэнергии для приведения в движение железнодорожного транспорта . На электрических железных дорогах используются 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 электрические железные дороги имеют свои собственные электростанции и линии электропередачи , но большинство из них закупают электроэнергию у электроэнергетических компаний . Железная дорога обычно располагает собственными распределительными линиями, стрелками и трансформаторами .
Электроэнергия подается в движущиеся поезда с помощью (почти) непрерывного проводника, проходящего вдоль пути, который обычно принимает одну из двух форм: воздушную линию , подвешенную к опорам или башням вдоль пути, или к потолкам конструкции или туннеля, или третий рельс, установленный на уровень гусеницы и контактирует со скользящим « башмаком пикапа ». Как в системах воздушного провода, так и в системах третьего рельса в качестве обратного проводника обычно используются ходовые рельсы, но в некоторых системах для этой цели используется отдельный четвертый рельс.
По сравнению с основной альтернативой, дизельным двигателем , электрические железные дороги предлагают значительно более высокую энергоэффективность , более низкие выбросы и более низкие эксплуатационные расходы. Электровозы также обычно тише, мощнее, отзывчивее и надежнее, чем дизельные. У них нет местных 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 в общую энергосистему. В то время как тепловозы сжигают нефтепродукты, электроэнергию можно производить из различных источников, включая возобновляемые источники энергии . [1] Исторически сложилось так, что соображения независимости ресурсов сыграли роль в решении электрифицировать железнодорожные линии. Не имеющая выхода к морю Швейцарская конфедерация , которая почти полностью лишена запасов нефти и угля, но имеет обильные гидроэлектростанции, электрифицировала свою сеть отчасти в ответ на проблемы с поставками во время обеих мировых войн. [2] [3]
К недостаткам электрической тяги относятся: высокие капитальные затраты , которые могут быть нерентабельными на маршрутах с небольшим движением транспорта, относительная недостаточная гибкость (поскольку электропоездам нужны третьи рельсы или воздушные провода) и уязвимость к перебоям в подаче электроэнергии. [1] Электродизельные локомотивы и электродизельные электропоезда несколько смягчают эти проблемы, поскольку они способны работать на дизельном топливе во время простоя или на неэлектрифицированных маршрутах.
В разных регионах могут использоваться разные напряжения и частоты питания, что усложняет обслуживание и требует большей сложности мощности локомотива. Раньше существовала озабоченность по поводу двухэтажных железнодорожных перевозок в отношении габаритов воздушных линий [1] , но с 2022 года это уже не является универсальным, как для [обновлять]Индийских железных дорог [4] , так и для Китайских железных дорог [5] [6] [7 ] ] регулярно эксплуатируются двухъярусные грузовые электрические поезда под воздушными линиями.
Электрификация железных дорог постоянно росла в последние десятилетия, и по состоянию на 2022 год электрифицированные пути будут составлять почти одну треть от общего числа путей в мире. [8] [9] Постоянно реализуются проекты электрификации для обслуживания быстро растущих пригородов, которые раньше обслуживались неэлектрифицированными поездами, которые обычно имеют низкую пропускную способность.
Электрификация железных дорог — это развитие движения поездов и локомотивов с использованием электричества вместо дизельного топлива или пара . История электрификации железных дорог восходит к концу 19 века, когда первые электрические трамваи были введены в действие в таких городах, как Берлин , Лондон и Нью-Йорк .
В 1895 году первой в мире электрифицированной железной дорогой стал трамвай Гросс-Лихтерфельде в Берлине, Германия. За этим последовала электрификация Балтиморской поясной линии железной дороги Балтимора и Огайо в Соединенных Штатах в 1895–96 годах, первая электрифицированная магистральная железная дорога.
На ранней стадии электрификации железных дорог использовались энергосистемы постоянного тока (DC), которые были ограничены с точки зрения расстояния, на которое они могли передавать энергию. Однако в начале 20-го века были разработаны системы питания 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 одними из первых, кто внедрил электрификацию железных дорог. В Соединенных Штатах железная дорога Нью -Йорка, Нью-Хейвена и Хартфорда была одной из первых крупных железных дорог, которые были электрифицированы.
Электрификация железных дорог продолжала расширяться на протяжении всего 20 века благодаря технологическим усовершенствованиям и развитию высокоскоростных поездов и пригородных поездов . Сегодня многие страны имеют обширную электрифицированную железнодорожную сеть с375 000 км стандартных линий по всему миру, включая Китай , Индию , Японию , Францию , Германию и Великобританию . Электрификация рассматривается как более устойчивая и экологически чистая альтернатива дизельной или паровой энергии и является важной частью транспортной инфраструктуры многих стран.
Системы электрификации классифицируются по трем основным параметрам:
Выбор системы электрификации основан на экономике энергоснабжения, технического обслуживания и капитальных затратах по сравнению с доходами, полученными от грузовых и пассажирских перевозок. Для городских и междугородних территорий используются разные системы; некоторые электровозы могут переключаться на другое напряжение питания , чтобы обеспечить гибкость в эксплуатации.
Шесть наиболее часто используемых напряжений были выбраны для европейской и международной стандартизации. Некоторые из них не зависят от используемой контактной системы, так что, например, напряжение 750 В постоянного тока можно использовать либо с третьим рельсом, либо с воздушными линиями.
Существует множество других систем напряжения, используемых в системах электрификации железных дорог по всему миру, и список систем электрификации железных дорог охватывает как системы стандартного, так и нестандартного напряжения.
Допустимый диапазон напряжений, разрешенный для стандартизированных напряжений, указан в стандартах BS EN 50163 [10] и IEC 60850. [11] Они учитывают количество поездов, потребляющих ток, и их расстояние от подстанции.
_par_Cramos.JPG/1280px-4,03_Hauts_de_St-Aubin_Citadis_n%C2%B01016_(tram_Angers)_par_Cramos.JPG)
1500 В постоянного тока используется в Японии, Индонезии, Гонконге (детали), Ирландии, Австралии (детали), Франции (также используется25 кВ 50 Гц переменного тока ), Нидерланды, Новая Зеландия (Веллингтон), Сингапур (насеверо-восточной линии метро), США (районЧикагоМетра ЭлектрикимеждугороднойSouth Shore Line илегкорельсового транспорта LinkвСиэтле), Вашингтон). В Словакии в Высоких Татрах есть две узкоколейные линии (одна зубчатая). В Нидерландах он используется в главной системе, наряду с напряжением 25кВ на линияхHSL-ZuidиBetuwelijnи напряжением 3000В к югу отМаастрихта. В Португалии он используется налинии Кашкайши в Дании в системе пригородныхпоездов S(1650В постоянного тока).
В Соединенном Королевстве напряжение 1500 В постоянного тока использовалось в 1954 году на транспеннинском маршруте Вудхед (сейчас закрыто); в системе использовалось рекуперативное торможение , позволяющее передавать энергию между поднимающимися и спускающимися поездами на крутых подходах к туннелю. Система также использовалась для электрификации пригородов Восточного Лондона и Манчестера , теперь она переведена на напряжение переменного тока 25 кВ . Сейчас он используется только для метро Тайн-энд-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 переведена на 25 кВ, 50 Гц, что является общенациональной системой.
Постоянное напряжение 3 кВ используется в Бельгии, Италии, Испании, Польше, Словакии, Словении, Южной Африке, Чили, северной части Чешской Республики, бывших республиках Советского Союза и в Нидерландах на расстоянии нескольких километров между Маастрихтом и Бельгия. Раньше он использовался Милуоки-Роуд от Харлоутона, штат Монтана , до Сиэтла, через континентальный водораздел, включая обширные ветки и кольцевые линии в Монтане, а также на Делавэр , Лакаванне и Западной железной дороге (ныне Транзит Нью-Джерси , преобразованный в 25 кВ переменного тока) . ) в США и пригородная железная дорога Калькутты (магистральная линия Бардхаман) в Индии до того, как она была переведена на напряжение 25 кВ, 50 Гц.
Напряжения постоянного тока от 600 В до 800 В используются в большинстве трамвайных , троллейбусных сетей и подземных (метро) систем, поскольку тяговые двигатели воспринимают это напряжение без веса бортового трансформатора.
Увеличение доступности высоковольтных полупроводников может позволить использовать более высокие и более эффективные напряжения постоянного тока, которые до сих пор были практичны только с переменным током. [12]
Использование электрификации постоянного тока среднего напряжения (MVDC) могло бы решить некоторые проблемы, связанные с системами электрификации переменного тока стандартной частоты, особенно возможный дисбаланс нагрузки питающей сети и разделение фаз между электрифицированными секциями, питаемыми от разных фаз, тогда как высокое напряжение может сделать передача более эффективна. [13] : 6–7 МСЖД провел тематическое исследование по переводу железнодорожной линии Бордо-Андай (Франция), в настоящее время электрифицированной с напряжением 1,5 кВ постоянного тока, на напряжение 9 кВ постоянного тока и обнаружил, что преобразование позволит использовать менее громоздкие воздушные провода. (экономия 20 миллионов евро на 100 километров пути) и снижение потерь (экономия 2 ГВтч в год на 100 километров пути, что соответствует примерно 150 000 евро в год). Выбранная линия является одной из линий общей протяженностью 6000 км, нуждающихся в обновлении. [14]
В 1960-е годы Советы экспериментировали с повышением напряжения на воздушной линии с 3 до 6 кВ. Подвижной состав постоянного тока был оборудован преобразователями на основе игнитрона для понижения напряжения питания до 3 кВ. Преобразователи оказались ненадежными и эксперимент свернули. В 1970 году Уральский электромеханический институт инженеров железнодорожного транспорта провел расчеты электрификации железных дорог при постоянном напряжении 12 кВ , показав, что эквивалентные уровни потерь для системы переменного тока 25 кВ могут быть достигнуты при напряжении постоянного тока от 11 до 16 кВ. В 1980-х и 1990-х годах напряжение постоянного тока 12 кВ испытывалось на Октябрьской железной дороге под Ленинградом (ныне Петербург ). Эксперименты завершились в 1995 году из-за прекращения финансирования. [15]
В большинстве систем электрификации используются воздушные провода, но возможен вариант третьего рельса до 1500 В. В системах третьего рельса почти исключительно используется распределение постоянного тока. Использование переменного тока обычно невозможно из-за того, что размеры третьего рельса физически очень велики по сравнению с глубиной слоя , через который проникает переменный ток, до 0,3 миллиметра или 0,012 дюйма в стальном рельсе. Этот эффект делает сопротивление на единицу длины неприемлемо высоким по сравнению с использованием постоянного тока. [16] Третий рельс более компактен, чем воздушные провода, и может использоваться в туннелях меньшего диаметра, что является важным фактором для систем метрополитена.
Лондонское метро в Англии — одна из немногих сетей, использующих четырехрельсовую систему. Дополнительный рельс несет электрический возврат, который в третьем рельсе и воздушных сетях обеспечивается ходовыми рельсами. В лондонском метро рядом с путями находится третий рельс верхнего контакта, на который подается напряжение.+420 В постоянного тока , а четвертый рельс с верхним контактом расположен по центру между ходовыми рельсами на−210 В постоянного тока , что в совокупности обеспечивает тяговое напряжение630 В постоянного тока . Та же самая система использовалась длясамой ранней линии метро Милана , линии 1 миланского метрополитена ,более поздние линии которой используют контактную сеть или третий рельс.
Ключевое преимущество четырехрельсовой системы заключается в том, что ни одна из направляющих не пропускает ток. Эта схема была введена из-за проблем с обратными токами, которые должны были проходить по заземленному (заземленному) ходовому рельсу, а вместо этого протекали через железные облицовки туннеля. Это может вызвать электролитическое повреждение и даже искрение, если сегменты туннеля не соединены между собой электрически. Проблема усугублялась тем, что обратный ток также имел тенденцию течь через близлежащие железные трубы, образующие водопровод и газопровод. Некоторые из них, особенно викторианские магистрали, предшествовавшие лондонскому метрополитену, не были рассчитаны на передачу тока и не имели адекватного электрического соединения между сегментами труб. Четырехрельсовая система решает проблему. Хотя источник питания имеет искусственно созданную точку заземления, это соединение осуществляется с помощью резисторов, что гарантирует поддержание блуждающих токов на землю на управляемом уровне. Рельсы, предназначенные только для электропитания, можно установить на керамические стулья с сильной изоляцией, чтобы минимизировать утечку тока, но это невозможно для ходовых рельсов, которые должны быть установлены на более прочные металлические стулья, чтобы выдерживать вес поездов. Однако эластомерные резиновые прокладки, помещенные между рельсами и стульями, теперь могут частично решить проблему, изолируя ходовые рельсы от обратного тока в случае утечки через ходовые рельсы.
На линиях Expo и Millennium Line Ванкуверского SkyTrain используются системы четвертого рельса с боковым контактом.Питание 650 В постоянного тока . Оба расположены сбоку от поезда, так как пространство между ходовыми рельсами занято алюминиевой пластиной, являющейся частью статора линейной индукционной двигательной установки , 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.
Несколько линий парижского метро во Франции работают по четырехрельсовой системе электроснабжения. Поезда передвигаются на резиновых шинах , которые катятся по паре узких роликовых путей , сделанных из стали, а местами из бетона . Поскольку шины не проводят обратный ток, две направляющие шины , расположенные за пределами ходовых « путей качения », в некотором смысле становятся третьим и четвертым рельсом, каждый из которых обеспечивает 750 В постоянного тока , так что, по крайней мере электрически, это четырехрельсовый рельс. система. На каждой колесной паре механизированной тележки установлен один тяговый двигатель . Боковой скользящий (боковой ходовой) контактный башмак принимает ток от вертикальной поверхности каждой направляющей шины. Возврат каждого тягового двигателя, а также каждого вагона осуществляется с помощью одного контактного башмака, который скользит по каждому из ходовых рельсов . Этот и все другие метрополитены с резиновыми колесами имеют диаметр 1435 мм ( 4 фута 8 дюймов).+1/2 дюйма )колея стандартной колеи междуроликовыми путямиработает таким же образом . [17][18]
Железные дороги и электроэнергетические предприятия используют переменный ток вместо постоянного тока по той же причине: [19] использовать трансформаторы , которым требуется переменный ток, для производства более высоких напряжений. [20] Чем выше напряжение, тем ниже ток при той же мощности (поскольку мощность — это ток, умноженный на напряжение), а потери мощности пропорциональны квадрату тока. Более низкий ток уменьшает потери в линии, что позволяет передавать более высокую мощность. [21]
Поскольку переменный ток используется с высоким напряжением, этот метод электрификации используется только на воздушных линиях , а не на третьих рельсах по соображениям безопасности. [22] Внутри локомотива трансформатор понижает напряжение для использования тяговыми двигателями и вспомогательными нагрузками.
Одним из первых преимуществ переменного тока было то, что резисторы , теряющие мощность , используемые в локомотивах постоянного тока для регулирования скорости, не были необходимы в локомотиве переменного тока: несколько ответвлений на трансформаторе могут обеспечивать диапазон напряжений. [23] Отдельные обмотки низковольтного трансформатора питают освещение и двигатели, приводящие в движение вспомогательное оборудование. Совсем недавно разработка очень мощных полупроводников привела к тому, что классический двигатель постоянного тока был в значительной степени заменен трехфазным асинхронным двигателем, питаемым от преобразователя частоты , специального инвертора , который изменяет как частоту, так и напряжение для управления скоростью двигателя. Эти приводы могут одинаково хорошо работать как на постоянном, так и на переменном токе любой частоты, и многие современные электровозы рассчитаны на работу с различными напряжениями и частотами питания, чтобы упростить трансграничные перевозки.
Пять европейских стран – Германия, Австрия, Швейцария, Норвегия и Швеция – ввели стандарт на напряжение 15 кВ 16.+2 ⁄ 3 Гц (частота сети 50 Гц, деленная на три) однофазного переменного тока. 16 октября 1995 года Германия, Австрия и Швейцария изменились с 16+От 2 ⁄ 3 Гц до 16,7 Гц, что уже не составляет ровно одной трети частоты сети. Это решило проблемы перегрева вращающихся преобразователей , используемых для выработки части этой энергии из сети. [24]
В США на железных дорогах Нью -Йорка, Нью-Хейвена и Хартфорда , Пенсильванской железной дороги и Филадельфийской и Ридингской железной дороги использовался однофазный переменный ток напряжением 11 кВ, частотой 25 Гц. Некоторые части исходной электрифицированной сети по-прежнему работают на частоте 25 Гц с повышением напряжения до 12 кВ, тогда как другие были преобразованы в 12,5 или 25 кВ, 60 Гц.
В Великобритании железная дорога Лондона, Брайтона и Южного побережья впервые провела надземную электрификацию своих пригородных линий в Лондоне: Лондонский мост до Виктории был открыт для движения 1 декабря 1909 года. От Виктории до Кристал Пэлас через Бэлхэм и Вест-Норвуд открылся в мае 1911 года. Пекхэм Рай до Вест-Норвуда открылся в июне 1912 года. Дальнейшие расширения не производились из-за Первой мировой войны. Две линии открылись в 1925 году под Южной железной дорогой , обслуживающей железнодорожные станции Колсдон-Норт и Саттон . Линии электрифицированы на напряжение 6,7 кВ 25 Гц. В 1926 году было объявлено, что все линии будут преобразованы в третий рельс постоянного тока, а последняя линия электропередачи с воздушной энергией была запущена в сентябре 1929 года.
Переменный ток 25 кВ с частотой 60 Гц используется на некоторых линиях США, западной Японии, Южной Кореи и Тайваня; 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 до сих пор используют обычные железные дороги под постоянным током). но не в странах, использующих 16,7 Гц, см. выше). На ВЛ «французской системы» воздушная линия и «спальная» фидерная линия несут напряжение 25 кВ каждая по отношению к рельсам, но в противоположной фазе, поэтому они находятся на расстоянии 50 кВ друг от друга; автотрансформаторы выравнивают напряжение через равные промежутки времени. [ нужна цитата ]
В различных системах электрификации железных дорог в конце девятнадцатого и двадцатого веков использовалась трехфазная , а не однофазная подача электроэнергии из-за простоты конструкции как источника питания, так и локомотивов. В этих системах можно было использовать либо стандартную сетевую частоту и три силовых кабеля, либо пониженную частоту, что позволяло использовать линию обратной фазы в качестве третьего рельса, а не дополнительный воздушный провод. [ нужна цитата ]
Большинство современных систем электрификации получают энергию переменного тока из электросети, которая подается на локомотив, а внутри локомотива преобразуется и выпрямляется до более низкого напряжения постоянного тока для подготовки к использованию тяговыми двигателями. Эти двигатели могут быть либо двигателями постоянного тока, которые напрямую используют постоянный ток, либо двигателями трехфазного переменного тока, которые требуют дальнейшего преобразования постоянного тока в трехфазный переменный ток переменной частоты (с использованием силовой электроники). Таким образом, перед обеими системами стоит одна и та же задача: 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: на подстанции или в поезде. Энергоэффективность и затраты на инфраструктуру определяют, какой из них будет использоваться в сети, хотя это часто фиксируется из-за уже существующих систем электрификации.
Как передача, так и преобразование электрической энергии сопряжены с потерями: омическими потерями в проводах и силовой электронике, потерями в магнитном поле в трансформаторах и сглаживающих реакторах (индукторах). [25] Преобразование энергии для системы постоянного тока происходит в основном на железнодорожной подстанции, где можно использовать большое, тяжелое и более эффективное оборудование по сравнению с системой переменного тока, где преобразование происходит на борту локомотива, где пространство ограничено, а потери значительно выше. . [26] Однако более высокие напряжения, используемые во многих системах электрификации переменного тока, уменьшают потери при передаче на большие расстояния, позволяя 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 преобразовательного оборудования.
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 меньший ток ( P = V × I ). Снижение тока снижает омические потери и позволяет сделать менее громоздким, более легким оборудование воздушных линий и увеличить расстояние между тяговыми подстанциями при сохранении мощности системы. С другой стороны, более высокое напряжение требует больших изоляционных зазоров, что требует увеличения размеров некоторых элементов инфраструктуры. Система переменного тока стандартной частоты может внести дисбаланс в энергосистему, что потребует тщательного планирования и проектирования (поскольку на каждой подстанции электроэнергия потребляется от двух из трех фаз). Система низкочастотного переменного тока может питаться от отдельной генерирующей и распределительной сети или от сети преобразовательных подстанций, что увеличивает затраты, а низкочастотные трансформаторы, используемые как на подстанциях, так и на подвижном составе, отличаются особой громоздкостью и тяжелым весом. Система постоянного тока, помимо ограничения максимальной передаваемой мощности, также может быть причиной электрохимической коррозии из-за блуждающих токов постоянного тока. [13] : 3
Электропоездам не нужно нести вес тягачей , трансмиссии и топлива. Частично это компенсируется весом электрооборудования. Регенеративное 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 тяжелонагруженным поездам приходится спускаться по длинным склонам. [27]
Электричество на центральной станции часто может производиться с более высокой эффективностью, чем мобильный двигатель/генератор. В то время как эффективность генерации электростанций и генерации тепловозов примерно одинакова в номинальном режиме, [28] дизельные двигатели снижают эффективность в неноминальных режимах при малой мощности [29], в то время как, если электростанции необходимо вырабатывать меньшую мощность он отключит свои наименее эффективные генераторы, тем самым повысив эффективность. Электропоезд может экономить энергию (по сравнению с дизельным двигателем) за счет рекуперативного торможения и отсутствия необходимости потреблять энергию на холостом ходу, как это делают тепловозы при остановке или движении накатом. Однако электрический подвижной состав может включать охлаждающие вентиляторы при остановке или движении накатом, потребляя таким образом энергию.
Крупные электростанции, работающие на ископаемом топливе , работают с высокой эффективностью и могут использоваться для централизованного теплоснабжения или для производства централизованного холодоснабжения , что приводит к более высокому общему КПД. [30] [31] Электричество для электрических железнодорожных систем также может поступать из возобновляемых источников энергии , ядерной энергии или других низкоуглеродных источников, которые не выделяют загрязнений или выбросов.
Электровозы могут быть легко построены с большей выходной мощностью, чем большинство тепловозов. Для пассажирских перевозок можно обеспечить достаточную мощность с помощью дизельных двигателей (см., например, « ICE TD »), но на более высоких скоростях это оказывается дорогостоящим и непрактичным. Поэтому почти все высокоскоростные поезда электрические. Высокая мощность электровозов также дает им возможность тянуть грузы на подъемах с более высокой скоростью; в условиях смешанного движения это увеличивает пропускную способность, поскольку 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 в системе необходимо увеличить вес поездов.
С другой стороны, электрификация может не подойти для линий с низкой частотой движения, поскольку более низкие эксплуатационные расходы поездов могут быть перевешены высокой стоимостью электрификационной инфраструктуры. Поэтому большинство линий дальнего следования в развивающихся или малонаселенных странах не электрифицированы из-за относительно низкой частоты движения поездов.
Сетевые эффекты являются важным фактором электрификации. [ нужна цитата ] При преобразовании линий в электрические необходимо учитывать соединения с другими линиями. Некоторые электрификации впоследствии были удалены из-за сквозного движения по неэлектрифицированным линиям. [ нужна цитата ] Чтобы сквозной трафик имел какую-либо выгоду, для установления таких соединений должны происходить трудоемкие переключения двигателей или должны использоваться дорогие двухрежимные двигатели . В основном это проблема для поездок на дальние расстояния, но на многих линиях преобладают сквозные перевозки грузовых поездов дальнего следования (обычно перевозящих уголь, руду или контейнеры в порты или из портов). Теоретически, эти поезда могут добиться значительной экономии за счет электрификации, но распространение электрификации на изолированные районы может оказаться слишком дорогостоящим, и, если вся сеть не электрифицирована, компании часто обнаруживают, что им необходимо продолжать использовать дизельные поезда, даже если участки электрифицированы. . Растущий спрос на контейнерные перевозки, которые более эффективны при использовании двухъярусных вагонов , также имеет проблемы сетевого эффекта с существующей электрификацией из-за недостаточного просвета воздушных линий электропередачи для этих поездов, но электрификация может быть построена или модифицирована, чтобы иметь достаточный просвет. , за дополнительную плату.
Проблема, конкретно связанная с электрифицированными линиями, — это пробелы в электрификации. Электромобили, особенно локомотивы, теряют мощность при преодолении перерывов в электроснабжении, таких как перерывы в смене фаз в воздушных системах и перерывы в точках в системах третьего рельса. Это становится неприятностью, если локомотив останавливается с коллектором в мертвом зазоре, и в этом случае нет возможности перезапустить двигатель. Это представляет меньшую проблему в поездах, состоящих из двух или более агрегатов, соединенных вместе, поскольку в этом случае, если поезд останавливается с одним коллектором в мертвом зазоре, другой составной агрегат может толкать или тянуть отключенный агрегат до тех пор, пока он снова не сможет потреблять энергию. . То же самое относится и к двухтактным поездам , у которых на каждом конце есть локомотив. В одноколлекторных поездах дефицит мощности можно преодолеть за счет бортовых аккумуляторов или систем мотор-маховик-генератор. [ нужна цитата ] В 2014 году наблюдается прогресс в использовании больших конденсаторов для питания электромобилей между станциями, что позволяет избежать необходимости в воздушных проводах между этими станциями. [32]
Затраты на техническое обслуживание линий могут быть увеличены за счет электрификации, но многие системы заявляют о более низких затратах из-за уменьшения износа путей от более легкого подвижного состава. [33] Существуют некоторые дополнительные затраты на техническое обслуживание, связанные с электрооборудованием вокруг пути, таким как силовые подстанции и сам контактный провод, но, при достаточном движении, сокращение пути и особенно снижение затрат на техническое обслуживание и эксплуатацию двигателей. значительно превышают затраты на такое обслуживание.
На новых электрифицированных линиях часто наблюдается «эффект искр», при котором электрификация пассажирских железнодорожных систем приводит к значительному скачку патронажа / доходов. [34] Причины могут заключаться в том, что электропоезда считаются более современными и привлекательными для езды, [35] [36] более быстрое, тихое и плавное обслуживание, [34] а также тот факт, что электрификация часто идет рука об руку с общей инфраструктурой и капитальный ремонт/замена подвижного состава, что приводит к повышению качества обслуживания (что теоретически может быть достигнуто путем проведения аналогичной модернизации, но без электрификации). Какими бы ни были причины возникновения искр, они хорошо известны на многочисленных маршрутах, электрифицированных на протяжении десятилетий. [34] [35] Это касается и случаев, когда автобусные маршруты с дизельными автобусами заменяются троллейбусами. Воздушные провода делают услугу «видимой» даже тогда, когда автобус не ходит, а наличие инфраструктуры дает определенные долгосрочные ожидания относительно работы линии.
Из-за ограничения высоты , налагаемого воздушными проводами, двухъярусные контейнерные поезда традиционно сложно и редко эксплуатировать на электрифицированных линиях. Однако это ограничение преодолевают железные дороги Индии, Китая и стран Африки за счет прокладки новых путей с увеличенной высотой контактной сети.
Такие установки находятся в Западном выделенном грузовом коридоре в Индии, где высота провода составляет 7,45 м (24,4 фута) для приема двухъярусных контейнерных поездов без необходимости использования вагонов-колодцев .
Существует ряд преимуществ, включая тот факт, что пассажиры не подвергаются воздействию выхлопных газов из-за затрат на строительство, эксплуатацию и обслуживание локомотивов и составных частей локомотивов и башен . Электропоезда имеют более высокую удельную мощность (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 освобождает очереди, позволяя пропускать больше поездов на городских железных дорогах. [37]
По состоянию на 2012 год электрифицированные пути составляли почти треть от общего числа путей в мире. [9]
По состоянию на 2018 год насчитывалось 72 110 км (44 810 миль) железных дорог, электрифицированных на напряжение 25 кВ, 50 или 60 Гц; 68 890 км (42 810 миль) электрифицировано напряжением 3 кВ постоянного тока ; 32 940 км (20 470 миль) электрифицировано на 15 кВ 16,7 или 16+2 ⁄ 3 Гц и 20 440 км (12 700 миль), электрифицированных напряжением 1,5 кВ постоянного тока . [13] : 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 сети железнодорожного транспорта . Затем этот процент продолжает падать в следующем порядке: Лаос, Черногория, Индия, Бельгия, Грузия, Южная Корея, Нидерланды и Япония, при этом все остальные страны электрифицированы менее чем на 75%. [45] [46] В целом, Китай занимает первое место с около 100 000 км электрифицированных железных дорог, за ним следует Индия с более чем 60 000 км электрифицированных железных дорог и первое место занимает Россия с более чем 54 000 км электрифицированных железных дорог. В ряде стран нет электрифицированных железных дорог, вместо этого они полагаются на дизельные поезда, локомотивы и множество альтернативных видов транспорта. В Европейском Союзе находится самое большое количество электрифицированных железных дорог (по длине): более 114 000 км электрифицированных железных дорог, однако они составляют лишь около 55% от общей длины железных дорог.
Несколько стран объявили о планах электрифицировать всю или большую часть своей железнодорожной сети, например, Индийские железные дороги и Израильские железные дороги . [47]
Транссибирская магистраль, проходящая преимущественно в России, полностью электрифицирована, что делает ее одним из самых длинных участков электрифицированных железных дорог в мире. [48]
Ему предстояло создать первый двигатель, который работал бы без каких-либо передач, а якорь которого был бы напрямую соединен с осью автомобиля.
СМИ, связанные с электрическим железнодорожным транспортом, на Викискладе?
