В железнодорожном транспорте головная электростанция ( HEP ), также известная как электроснабжение поезда ( ETS ), представляет собой систему распределения электроэнергии в пассажирском поезде. Источником электроэнергии, обычно являющимся локомотивом (или вагоном-генератором) в передней части или «голове» поезда, является электроэнергия, используемая для отопления, освещения, электрических 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 в мире.
Масляные лампы были введены в 1842 году для освещения поездов. [2] Экономические соображения заставили Ланкаширскую и Йоркширскую железную дорогу заменить нефтяное освещение на угольно-газовое в 1870 году, но взрыв газового баллона в поезде заставил их отказаться от эксперимента. [2] Масляно-газовое 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 Свона , подключенных к подвесной батарее из 32 свинцово-кислотных аккумуляторов Фора , пригодных для освещения в течение примерно 6 часов перед снятием для подзарядки. [1]
В 1881 году North British Railway успешно выработала электроэнергию, используя динамо-машину на паровозе Brotherhood , чтобы обеспечить электрическое освещение в поезде, концепция, которая позже была названа head-end power . Высокое потребление пара привело к отказу от системы. Три поезда были запущены в 1883 году London, Brighton and South Coast Railway с электричеством, вырабатываемым на борту с помощью динамо-машины, приводимой в движение одной из осей. Это заряжало свинцово-кислотную батарею в фургоне охранника, а охранник управлял и обслуживал оборудование. Система успешно обеспечивала электрическое освещение в поезде. [1]
В 1885 году в поездах Франкфурта-на-Майне было введено электрическое освещение с использованием динамо-машины типа Мёринга 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 обеспечивали электрическое освещение всех вагонов поезда, соединяя их проводами, тем самым представляя собой другую форму электропитания. [5]
Освещение на основе нефтяного газа обеспечивало более высокую интенсивность света по сравнению с электрическим освещением и было более популярно до сентября 1913 года, когда авария на железной дороге Мидленда в Эйсгилле привела к большому числу смертей пассажиров. Эта авария побудила железные дороги принять электричество для освещения поездов. [1]
На протяжении оставшейся части эпохи пара и в начале дизельной эры пассажирские вагоны отапливались насыщенным паром низкого давления , подаваемым локомотивом, а электричество для освещения и вентиляции вагона получалось от батарей, заряжаемых генераторами с приводом от оси на каждом вагоне, или от двигатель-генераторных установок, установленных под кузовом вагона. Начиная с 1930-х годов в железнодорожных вагонах появились кондиционеры , а энергия для их работы обеспечивалась механическими отборами мощности от оси, небольшими специальными двигателями или пропаном .
Получившиеся в результате отдельные системы питания освещения, парового отопления и кондиционирования воздуха с приводом от двигателя увеличили объем работ по техническому обслуживанию, а также увеличили количество деталей. Головная станция питания позволила бы одному источнику питания выполнять все эти функции и даже больше для всего поезда.
В эпоху пара все автомобили в Финляндии и России имели камин, работающий на дровах или угле. Такое решение считалось пожароопасным в большинстве стран Европы, но не в России.
Первоначально поезда, тянущиеся паровозом , обеспечивались подачей пара от локомотива для обогрева вагонов. [1] Когда тепловозы и электровозы заменили пар, паровое отопление стало обеспечиваться паровым котлом . Он работал на масле (в тепловозах) или нагревался электрическим элементом (в электровозах). Паровые котлы на масле были ненадежны. Они вызывали больше отказов локомотивов любого класса, на который они были установлены, чем любая другая система или компонент локомотива, [ необходима ссылка ] и это стало основным стимулом для принятия более надежного метода обогрева вагонов.
В то время освещение работало от батарей , которые заряжались с помощью динамо-машины , расположенной под каждым вагоном во время движения поезда, а в вагонах-буфетах для приготовления пищи и нагрева воды использовался баллонный газ . [1]
Более поздние дизели и электровозы были оснащены аппаратом Electric Train Heating ( ETH ), который подавал электроэнергию в вагоны для работы электрических нагревательных элементов, установленных рядом с паровым нагревательным аппаратом, который был сохранен для использования со старыми локомотивами. Более поздние конструкции вагонов упразднили паровой нагревательный аппарат и использовали питание 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 был переименован в Electric Train Supply ( ETS ).
Каждый вагон имеет индекс, относящийся к максимальному потреблению 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 поставлять поезду 475 кВт электроэнергии.
Первое усовершенствование по сравнению со старой системой генераторов осей было разработано на Бостонской и Мэнской железной дороге , [ когда? ] которая разместила ряд паровозов и пассажирских вагонов на специальном пригородном обслуживании в Бостоне . Из-за низких средних скоростей и частых остановок, характерных для пригородных перевозок, выход генераторов осей был недостаточен для поддержания заряда батарей, что приводило к жалобам пассажиров на неисправности освещения и вентиляции. В ответ на это железная дорога установила генераторы большей мощности на локомотивах, назначенных для этих поездов, обеспечив связь с вагонами. Вагоны использовали пар от локомотива для отопления.
Некоторые ранние дизельные поезда streamliners использовали преимущества своей конструкции с фиксированным составом для использования электрического освещения, кондиционирования воздуха и отопления. Поскольку вагоны не предназначались для смешивания с существующим пассажирским составом, совместимость этих систем не была проблемой. Например, поезд Nebraska Zephyr имеет три дизель-генераторных установки в первом вагоне для питания бортового оборудования.
Когда тепловозы были введены в пассажирское сообщение, они были оснащены парогенераторами для подачи пара для отопления вагонов. Однако использование осевых генераторов и аккумуляторов сохранялось в течение многих лет. Это начало меняться в конце 1950-х годов, когда Чикагская и Северо-Западная железная дорога сняли парогенераторы со своих локомотивов EMD F7 и E8 в пригородном сообщении и установили дизель-генераторные установки (см. Peninsula 400 ). Это было естественной эволюцией, поскольку их пригородные поезда уже получали низковольтную, слаботочную мощность от локомотивов, чтобы помочь осевым генераторам поддерживать заряд батареи.
В то время как многие пригородные поезда были быстро переведены на HEP, поезда дальнего следования продолжали работать с паровым отоплением и электрическими системами на батарейном питании. Это постепенно изменилось после передачи междугородних пассажирских железнодорожных перевозок Amtrak и Via Rail , что в конечном итоге привело к полному принятию HEP в США и Канаде и прекращению использования старых систем.
После своего образования в 1971 году первым локомотивом, приобретенным Amtrak, стал Electro-Motive (EMD) SDP40F , адаптация широко распространенного грузового локомотива SD40-2 мощностью 3000 лошадиных сил, оснащенная кузовом пассажирского типа и возможностью генерации пара. SDP40F позволял использовать современную движущую силу в сочетании со старыми паровыми пассажирскими вагонами, приобретенными у предшествующих железных дорог, что дало Amtrak время закупить специально построенные вагоны и локомотивы.
В 1975 году Amtrak начала принимать поставки полностью электрических вагонов Amfleet , буксируемых локомотивами General Electric (GE) P30CH и E60CH , позже дополненными локомотивами EMD F40PH и AEM-7 , все из которых были оборудованы для обеспечения HEP. Пять Amtrak E8 были переоборудованы для этой цели с помощью генераторов HEP. Кроме того, 15 багажных вагонов были переоборудованы в вагоны с генераторами HEP, чтобы обеспечить буксировку Amfleet не с помощью HEP-тяги (например, GG1s , заменяющие ненадежные электропоезда Metroliner ). После введения Amfleet (полностью электрический) вагон Superliner был введен в эксплуатацию на дальних западных маршрутах. Впоследствии Amtrak переоборудовала часть парка с паровым отоплением на полностью электрическую работу с использованием HEP и списала оставшиеся непереоборудованные вагоны к середине 1980-х годов. [6]
.JPG/1280px-KD25K_998713@BJI_(20150701164011).JPG)
Головной вагон (также называемый вагоном-генератором) — это железнодорожный вагон, который поставляет головную мощность («ГЭП»). Поскольку большинство современных локомотивов поставляют ГЭП, они в настоящее время в основном используются на исторических железных дорогах , которые используют старые локомотивы, или в железнодорожных музеях, которые берут свое оборудование на экскурсии. [7] Некоторые головные вагоны изначально были другими формами подвижного состава, которые были перестроены с дизельными генераторами и топливными баками для подачи ГЭП к пассажирскому оборудованию. [8] [9]
Хотя дизельные вагоны более распространены, существуют также и электрические, которые используются для обеспечения электроэнергией поездов, когда они движутся локомотивами без ГЭС или не прикреплены к локомотиву.
Генераторная установка HEP обычно работает через вспомогательный дизельный агрегат, который независим от основного двигателя (тягача). Такие двигательно-генераторные установки обычно устанавливаются в отсеке в задней части локомотива. Тягач и генераторная установка HEP совместно используют топливо.
Также производятся небольшие подвагонные двигательно-генераторные установки для обеспечения электроэнергией коротких поездов.
Во многих приложениях первичный двигатель локомотива обеспечивает как тягу, так и мощность головной части. Если генератор HEP приводится в действие двигателем, то он должен работать с постоянной скоростью ( об/мин ), чтобы поддерживать требуемую частоту переменного тока 50 Гц или 60 Гц . Инженеру не придется держать дроссель в более высоком положении, поскольку бортовая электроника управляет скоростью двигателя, чтобы поддерживать заданную частоту. [10]
В последнее время в локомотивах стали использовать статический инвертор, питаемый от тягового генератора, что позволяет первичному двигателю иметь более широкий диапазон оборотов.
При получении от первичного двигателя HEP генерируется за счет тяговой мощности. Например, локомотивы General Electric P32 мощностью 3200 л. с. (2,4 МВт) и P40 мощностью 4000 л. с. (3,0 МВт) снижают мощность до 2900 и 3650 л. с. (2,16 и 2,72 МВт) соответственно при подаче HEP. Fairbanks-Morse P-12-42 был одним из первых локомотивов, оснащенных HEP, у которого первичный двигатель был настроен на работу с постоянной скоростью, а выход тягового генератора регулировался исключительно путем изменения напряжения возбуждения.
Одно из первых испытаний HEP, работающей от первичного двигателя локомотива EMD, состоялось в 1969 году на Milwaukee Road EMD E9 #33C, который был переоборудован для установки заднего двигателя с постоянной скоростью. [11]
HEP-энергия обеспечивает освещение, HVAC , вагон-ресторан, кухню и зарядку аккумуляторов. Электрическая нагрузка отдельного вагона варьируется от 20 кВт для типичного вагона до более 150 кВт для купольного вагона с кухней и обеденной зоной, например, вагонов Princess Tours Ultra Dome , работающих на Аляске . [12]
.jpg/1280px-Electric_power_supply_cable_of_YZ25T_357470_(20151229085331).jpg)
Из-за длины поезда и высоких требований к мощности в Северной Америке , HEP поставляется как трехфазный переменный ток при 480 В (стандарт в США), 575 В или 600 В. Трансформаторы установлены в каждом вагоне для понижения напряжения. [12] Типичная реализация требует шесть проводов в двух кабелях размером 4/0 AWG. Дополнительная избыточность обеспечивается дублированием в виде HEP System A и HEP System B, использующих в общей сложности двенадцать проводов и четыре кабеля, поддерживая до 400 ампер на кабель. [12]
В Великобритании ETS поставляется с напряжением 800–1000 В переменного/постоянного тока на двухполюсной (400 или 600 А), 1500 В переменного тока на двухполюсной (800 А) или 415 В трехфазной на HST . В бывшем Южном регионе вагоны Mk I были подключены к источнику питания 750 В постоянного тока. Это соответствует линейному напряжению в сети Третьего рельса. Локомотивы класса 73 просто подают это линейное напряжение напрямую на перемычки ETS, в то время как дизель-электрические локомотивы класса 33 имеют отдельный генератор отопления поезда с приводом от двигателя, который подает 750 В постоянного тока на соединения отопления поезда.
В Ирландии HEP предоставляется по европейскому/МЭК стандарту 230/400 В 50 Гц (первоначально 220/380 В 50 Гц). Это соответствует тем же спецификациям, что и энергосистемы, используемые в ирландских и европейских жилых и коммерческих зданиях, а также в промышленности.
На поездах Cork-Dublin CAF MK4 это обеспечивается двумя генераторами, расположенными в ведущем прицепном вагоне, а на двухтактных поездах Enterprise это обеспечивается генераторами в специальном хвостовом вагоне. Ирландские дизель-поезда, составляющие большую часть парка, используют небольшие генераторы, расположенные под каждым вагоном.
Исторически сложилось так, что HEP и, в старых транспортных средствах, паровое отопление обеспечивались прицепными генераторными вагонами, содержащими генераторы и паровые котлы . Они обычно располагались в задней части поездов. Поезда Enterprise Dublin-Belfast изначально использовали HEP от дизель-электрических локомотивов GM 201 , но из-за проблем с надежностью и чрезмерного износа систем локомотивов были добавлены генераторные вагоны (полученные от списанных наборов Irish Rail MK3 и адаптированные для использования в режиме «тяни-толкай»). Режим HEP был отменен, когда загорелся локомотив класса IE 201 .
Российские вагоны используют электрообогрев с напряжением постоянного тока 3 кВ на линиях постоянного тока или напряжением переменного тока 3 кВ на линиях переменного тока, обеспечиваемым главным трансформатором локомотива. Новые вагоны в основном производятся западноевропейскими производителями и оборудованы аналогично вагонам RIC.
Автомобили RIC должны иметь возможность питания при всех следующих четырех напряжениях: 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, где используется контактная сеть переменного тока 15 кВ 16,7 Гц . Второй (1,5 кВ переменного тока) используется в странах, где используетсяКонтактная 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, использующих постоянный ток (1,5 кВ или 3 кВ постоянного тока), напряжение, снимаемое пантографом, подается непосредственно в вагоны. (Бельгия, Польша и Испания, а также некоторые линии в России и Италии используют 3 кВ, а Нидерланды и некоторые линии во Франции используют 1,5 кВ; более подробную информацию см. в статье Список систем электрификации железных дорог ). Современные вагоны часто поддерживают также 1000 В 50 Гц переменного тока, этот вариант иногда встречается в депо и на парковках.
В старых европейских вагонах высокое напряжение использовалось только для отопления, в то время как освещение, вентиляторы и другие слаботочные источники питания (например, розетки для бритвы в ванных комнатах) обеспечивались генератором с приводом от оси. Даже в старых вагонах для отопления использовался горячий пар, подаваемый паровозом. В период, когда работали и паровые, и электрические локомотивы, некоторые дизельные и электрические локомотивы также имели паровые котлы, также использовались вагоны-парогенераторы , а некоторые вагоны были оснащены котлами на угле или мазуте. Позже оставшиеся паровозы использовали вагоны-генераторы с дизельным двигателем, которые также иногда используются в настоящее время в пассажирских поездах, которые тянут грузовые тепловозы без такой функции.
Сегодня, благодаря развитию твердотельной электроники (тиристоров и IGBT), большинство автомобилей оснащены импульсными источниками питания, которые работают с любым напряжением RIC (1,0–3,0 кВ постоянного тока или 16 В).+2 ⁄ 3 /50 Гц переменного тока) и может обеспечить все необходимые более низкие напряжения. Низкие напряжения различаются в зависимости от производителей, но типичные значения следующие:
Электроотопление обычно осуществлялось по высоковольтной линии ГЭС, но необычное напряжение не распространено на рынке, а оборудование стоит дорого.
Стандартный нагреватель HV, соответствующий стандарту 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 правильной 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, перестроенных и кондиционированных вагонах 22/25B, большинстве вагонов 25K и большинстве вагонов 25T, построенных BSP, HEP подается трехфазным переменным током 380 В от вагонов-генераторов (первоначально классифицировались как вагоны TZ, позже переклассифицированные в KD), небольшого количества тепловозов DF11G и очень ограниченного количества модернизированных электровозов SS9 . Вагоны с дизель-генераторными установками (заводские вагоны RZ/RW/CA22/23/25B, некоторые перестроенные вагоны YZ/YW22/23/25B, большинство вагонов 24 немецкого производства и очень ограниченное количество вагонов 25G/K/T для специального использования) также вырабатывают собственную энергию в этой форме. Можно направить электроэнергию переменного тока из вагона с дизель-генераторной установкой в соседний обычный вагон HEP, хотя в этой ситуации оба вагона не могут работать на полной нагрузке с кондиционером или отоплением. Эти дизельные вагоны также могут работать на HEP из других мест, не используя собственное дизельное топливо. Хотя они считаются неэффективными и устаревшими, в основном потому, что вагон-генератор «тратит впустую» тяговую мощность, персонал и топливо (при работе на электрифицированных линиях), новые вагоны, использующие AC HEP, все еще находятся в производстве, наряду с новыми вагонами-генераторами/установками, в основном для использования в районах без электрификации, учитывая, что подавляющее большинство двигателей China Railways, способных поставлять HEP, являются электровозами.
На большинстве новых вагонов 25G и вагонов 25/19T питание подается при 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 железной дороге Цинхай-Тибет, также подает питание при 600 В постоянного тока. С новыми двигателями и вагонами, оборудованными постоянным током, быстро поступающими в эксплуатацию, а также со старением и выводом из эксплуатации старого оборудования, использующего переменный ток, постоянный ток HEP стал более заметной формой электроснабжения китайских железных дорог.
Очень ограниченное количество автомобилей, в основном 25T, могут работать на обоих типах HEP.
Хотя большинство поездов с локомотивной тягой получают питание непосредственно от локомотива, были примеры (в основном в континентальной Европе ), когда вагоны-рестораны могли получать питание непосредственно от контактных проводов , пока поезд стоял и не был подключен к головной станции. Например, немецкие вагоны-рестораны WRmz 135 (1969), WRbumz 139 (1975) и ARmz 211 (1971) были оснащены пантографами .
В некоторых финских вагонах-ресторанах/вагонах общественного питания имеется встроенная дизель-генераторная установка, которая используется даже при наличии электроэнергии, подаваемой от локомотива.
Когда штат Коннектикут начал обслуживание Shore Line East , они использовали, во многих случаях, новые пассажирские вагоны со старыми грузовыми дизельными двигателями, которые не могли обеспечить HEP, поэтому некоторые вагоны были поставлены с установленным генератором HEP. С приобретением локомотивов с HEP они были удалены.
Если пассажирский поезд должен буксироваться локомотивом без подачи HEP (или с несовместимым источником HEP), может использоваться отдельный вагон-генератор [13], например, в поезде Amtrak Cascades или в прицепе-фургоне CAF Mark 4 Driving Van Trailer компании Iarnród Éireann (с двумя двигателями MAN 2846 LE 202 (320 кВт) / Letag (330 кВА) / генераторными установками, собранными GESAN). KiwiRail (Новая Зеландия) использует вагоны-генераторы класса AG для своих пассажирских перевозок Tranz Scenic ; Tranz Metro на линии Wairarapa использует пассажирские вагоны класса SWG с частью салона, приспособленной для размещения генератора. Поезд Ringling Bros. and Barnum & Bailey Circus использовал по крайней мере один изготовленный на заказ вагон-генератор, который подавал HEP в пассажирские вагоны, чтобы избежать зависимости от локомотивов принимающей железной дороги, тянущих поезд.
В Великобритании и Швеции высокоскоростные поезда IC125 и X2000 имеют трехфазную шину питания частотой 50 Гц.
В 1980-х годах, во время низкой доступности вагонов HST, для подачи трехфазного питания на грабли HST использовался автогенератор-генератор, переделанный из Mk.1 BG, чтобы их можно было тянуть локомотивом. ADB975325 (позднее переименованный в 6310) можно увидеть в Бристоль Темпл Мидс 4 октября 1980 г.[ постоянная мертвая ссылка ]