Железная дорога Нью -Йорка, Нью-Хейвена и Хартфорда стала пионером в электрификации основных железных дорог с использованием высоковольтной однофазной контактной сети переменного тока . Она электрифицировала свою главную линию между Стэмфордом, Коннектикут , и Вудлоном, Нью-Йорк , в 1907 году и расширила электрификацию до Нью-Хейвена, Коннектикут , в 1914 году. Хотя однофазная электрификация железных дорог переменного тока стала обычным явлением, система Нью-Хейвена была беспрецедентной на момент строительства. Значимость этой электрификации была признана в 1982 году ее обозначением как исторической достопримечательности машиностроения Американским обществом инженеров-механиков (ASME).
В Нью-Хейвене было проведено несколько экспериментов с низковольтной электрификацией постоянного тока в течение десятилетия, предшествовавшего их основной воздушной электрификации. Они включали:
Третья рельсовая система привела, что неудивительно, к ряду несчастных случаев. Это также привело к постановлению Верховного суда Коннектикута от 13 июня 1906 года, запрещающему использование третьей рельсовой электрификации в пределах штата. [2] Это решение заставило Нью-Хейвен спроектировать свою главную линию электрификации с использованием контактной подвески.
В первоначальном проекте рассматривалось несколько различных системных комбинаций напряжения и частоты. Из-за относительно больших расстояний передача при высоких напряжениях с использованием переменного тока была признана неизбежной. Рассматривалась архитектура, похожая на коммерческие коммунальные службы постоянного тока и городские железные дороги, с использованием высоковольтных линий электропередачи, вращающихся преобразователей и контактной сети постоянного тока. Исследования того времени предполагали электрический КПД только 75 процентов для этой архитектуры.
Максимальное напряжение, на которое могли быть надежно рассчитаны генераторы в то время, составляло около 22 кВ. Рассматривалась промежуточная конструкция с использованием линий электропередачи 22 кВ, подстанций для снижения напряжения контактной сети до 3–6 кВ и трансформаторов на двигателях до 560 В, необходимых для тяговых двигателей. [2] Железная дорога поняла, что можно сэкономить значительные капитальные затраты, если исключить промежуточную замену и локомотивы будут получать линейное напряжение около 11 кВ.
Электрификация Нью-Хейвена была первой в своем роде; ни одна предыдущая железная дорога не имела практического опыта эксплуатации высоковольтной распределительной системы над паровой железной дорогой. Многие из окончательных спецификаций системы были результатом обоснованных проектных решений, основанных на состоянии электротехнологий в 1907 году.
Предложения были получены от General Electric (GE) и Westinghouse . Обе компании представили различные схемы переменного и постоянного тока, хотя GE отдавала предпочтение электрификации постоянным током. Но New Haven выбрал однофазный переменный ток при 11 кВ, 25 Гц, как предложил Westinghouse, который исследовал электрификацию переменного тока железных дорог с 1895 года и совместно с Baldwin поставлял локомотивы Baldwin-Westinghouse . [3] Позже GE также поставляла некоторые локомотивы.
Проектировщики рассматривали несколько напряжений для сегмента передачи системы, включая 3–6 кВ, 11 кВ и 22 кВ. В конечном итоге, системы передачи и контактной сети были объединены в бестрансформаторную систему, которая использовала то же напряжение от выхода генератора до контактной сети и пантографа локомотива. Поскольку 11 кВ было самым высоким напряжением, которое можно было получить непосредственно с выхода генераторов 1907 года, 11 кВ было выбрано в качестве напряжения передачи и контактной сети системы.
New Haven рассматривал две различные рабочие частоты для использования в своей электрификации: 15 Гц и 25 Гц. Хотя частота 15 Гц была желательной с инженерной точки зрения, так как она позволяла бы уменьшить размер двигателя, снизить индуктивные потери и повысить коэффициент мощности двигателя, выбор этой частоты рассматривался железной дорогой как нечто вроде «перерыва в колеи», что ограничивало коммерческие перспективы их системы. К 1907 году частота 25 Гц уже стала коммерческим стандартом, и железная дорога уже эксплуатировала ряд трамвайных электростанций на частоте 25 Гц и оснастила многие из своих цехов двигателями на 25 Гц; таким образом, железная дорога выбрала стандарт 25 Гц.
У New Haven не было прецедента, которому можно было бы следовать при проектировании своей контактной сети. Ранее контактная сеть была областью троллейбусов, за исключением нескольких трехфазных железных дорог в Европе. Никакого предварительного опыта эксплуатации высокоскоростных железных дорог с контактной системой не существовало. Контактная сеть, разработанная New Haven, имела уникальное, относительно жесткое треугольное поперечное сечение.
Треугольное поперечное сечение контактной сети, используемое в первоначальной электрификации, было повторено только одной другой железной дорогой. London, Brighton and South Coast Railway использовала похожую треугольную контактную сеть с 1909 по 1929 год. [4] Расширения New Haven 1914 года обошлись без треугольной конструкции контактной сети.
Расстояние между опорами контактной сети было установлено на уровне 300 футов (91 м). Это было основано на сохранении отклонения прямой линии от центра пути в пределах 8,5 дюймов (220 мм) с радиусом кривой 3 градуса, что было самой крутой кривой между конечными станциями оригинальной системы в Вудлоне и Стэмфорде.
Генераторы на электростанции Cos Cob были спроектированы для подачи однофазной энергии непосредственно на контактную сеть. Они также должны были поставлять трехфазную энергию как в сам New Haven для использования вдоль линий, [5] так и на генерирующую станцию Port Morris компании New York Central (NYC) для компенсации электроэнергии, потребляемой поездами New Haven на линии третьего рельса, поставляемой NYC на Grand Central Terminal . [2] Генераторы Cos Cob были трехфазными машинами, но подключены для одновременной подачи как трехфазной, так и однофазной энергии.
Хотя железнодорожники считали электрификацию 1907 года весьма успешной, две проблемы требовали окончательной переделки системы передачи. Первой была электромагнитная интерференция в соседних, параллельных телеграфных и телефонных проводах, вызванная высокими токами в системе тяговой мощности.
Во-вторых, географический рост системы и развивающееся состояние электротехнологий создали потребность в более высоких напряжениях передачи. Железная дорога могла бы просто поднять рабочее напряжение всей системы, однако это потребовало бы модернизации всех изоляторов контактной сети для выдерживания более высокого потенциала и замены всего высоковольтного оборудования локомотивов. И хотя более высокие напряжения передачи стали обычным явлением за семь лет с момента первоначальной электрификации, генераторы по-прежнему были ограничены экономикой максимальным выходным напряжением около 11 кВ.
После нескольких лет исследований железнодорожники остановились на решении использовать сбалансированную автотрансформаторную систему.
Примечательно, что железная дорога изменила архитектуру системы передачи в течение четырех часов, хотя предварительная работа заняла предыдущие 18 месяцев. В воскресенье, 25 января 1914 года, железная дорога отключила всю энергосистему в 2 часа ночи. Бригады рабочих по всей системе перенастроили линии передачи в течение следующих 70 минут. Запуск системы начался, и к 5:30 утра электропоезда ходили по новой системе, питаемой автотрансформатором. [6]
Система New Haven была расширена через мост Hell Gate Bridge до New York Connecting Railroad после строительства линии Hell Gate Line . Система электрификации была расширением пересмотренной архитектуры автотрансформатора 11/22 кВ New Haven. Первоначальная электрификация простиралась от главной линии New Haven через мост Hell Gate Bridge до станции Bay Ridge. Линия к югу от Bowery Bay Junction была деэлектрифицирована в 1950-х годах. Линия между New Rochelle и Harold Interlocking была передана Amtrak в 1976 году после роспуска Penn Central . Система электрификации продолжала контролироваться как часть бывшей системы New Haven до перехода на работу в 60 Гц в 1987 году.
Когда главная линия Нью-Хейвена была переведена Metro-North на работу в 60 Гц, участок Amtrak линии Hell Gate также был переведен, но как изолированная система, питаемая от подстанции Van Nest. Управление контактной сетью было передано от Cos Cob диспетчеру нагрузки на станции New York Penn Station . Хотя преобразование произошло после электрификации эпохи PRR , номера подстанций Amtrak 45–47 были назначены для согласованности с остальной частью схемы нумерации PRR.
С 2000 года система тягового питания Amtrak 60 Гц расширяет электрификацию вдоль Северо-восточного коридора между Нью-Хейвеном [примечание 1] и Бостоном, штат Массачусетс . Эта система была построена Amtrak в конце 1990-х годов и снабжает локомотивы электроэнергией от контактной сети переменного тока напряжением 25 кВ с частотой 60 Гц, стандартной в Северной Америке. Ее строительство позволило полностью электрическим пассажирским поездам курсировать по всему пути между Вашингтоном, округ Колумбия , и Бостоном, завершив проект, начатый в 1907 году, и исключив длительную остановку на станции Нью-Хейвен для смены локомотивов.