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, относительное отсутствие 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 снижения 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 третьи и четвертые 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 облицовку 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 источник питания имеет искусственно созданную точку 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 во многих странах 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 с 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 нужно 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 за счет отсутствия необходимости потреблять энергию на холостом ходу, как это делают тепловозы 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 ограничений по высоте, накладываемых 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-коробок .

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]

Disadvantages

The Royal Border Bridge in England, a protected monument. Adding electric catenary to older structures may be an expensive cost of electrification projects
Many electrification systems using overhead lines do not allow sufficient clearance for a double-stack car. Each container may be 9 ft 6+1⁄2 in (2.908 m) tall and the bottom of the well is 1 ft 2 in (0.36 m) above rail, making the overall height 20 ft 3 in (6.17 m) including the well car.[41]

Railway electrification around the world

As of 2012, electrified tracks accounted for nearly one third of total tracks globally.[9]

As of 2018, there were 72,110 km (44,810 mi) of railways electrified at 25 kV, either 50 or 60 Hz; 68,890 km (42,810 mi) electrified at 3 kV DC; 32,940 km (20,470 mi) electrified at 15 kV 16.7 or 16+2⁄3 Hz and 20,440 km (12,700 mi) electrified at 1.5 kV DC.[16]: 2 

As of 2023, the Swiss rail network is the largest fully electrified network in the world and one of only eleven countries or territories to achieve this, as listed in List of countries by rail transport network size. The percentage then continues falling in order with Laos, Montenegro, India, Belgium, Georgia, South Korea, Netherlands, and Japan, with all others being less than 75% electrified. [47][48] Overall, China takes first place, with around 100,000 km (62,000 mi) of electrified railway, followed by India with over 60,000 km (37,000 mi) of electrified railway, and continuing with Russia, with over 54,000 km (34,000 mi) of electrified railway. A number of countries have zero electrified railways, instead relying on diesel multiple units, locomotive hauled services and many alternate forms of transport. The European Union contains the longest amount of electrified railways (in length), with over 114,000 km (71,000 mi) of electrified railway, however only making up around 55% of the total railway length.

Several countries have announced plans to electrify all or most of their railway network, including Indian Railways and Israel Railways.[49]

The Trans-Siberian Railway mainly in Russia is completely electrified, making it one of the longest stretches of electrified railways in the world.[50]

See also

References

  1. ^ a b c P. M. Kalla-Bishop, Future Railways and Guided Transport, IPC Transport Press Ltd. 1972, pp. 8-33
  2. ^ "A train ride through history". SWI swissinfo.ch.
  3. ^ "A nation of railway enthusiasts: a history of the Swiss railways". House of Switzerland.
  4. ^ "Indian Railways sets new benchmark! Runs 1st Double-stack container train in high rise OHE electrified sections". 12 June 2020.
  5. ^ "非人狂想屋 | 你的火车发源地 » HXD1B牵引双层集装箱列车" (in Chinese (China)). Retrieved 1 July 2020.
  6. ^ "Spotlight on double-stack container movement". @businessline. 14 October 2007. Retrieved 1 July 2020.
  7. ^ "Aerodynamic Effects Caused by Trains Entering Tunnels". ResearchGate. Retrieved 1 July 2020.
  8. ^ pamela (19 February 2021). "Railway electrification is expected to grow worldwide". Railway PRO. Retrieved 17 February 2023.
  9. ^ a b "Railway Handbook 2015" (PDF). International Energy Agency. p. 18. Retrieved 4 August 2017.
  10. ^ "A detour to success: The world's first electric streetcar". Siemens Global. Retrieved 2 August 2024.
  11. ^ "Frank J. Sprague". Encyclopedia.com. Retrieved 2 August 2024.
  12. ^ "Frank Sprague". Lemelson MIT. Retrieved 2 August 2024.
  13. ^ EN 50163: Railway applications. Supply voltages of traction systems (2007)
  14. ^ IEC 60850: Railway applications – Supply voltages of traction systems, 3rd edition (2007)
  15. ^ P. Leandes and S. Ostlund. "A concept for an HVDC traction system" in "International conference on main line railway electrification", Hessington, England, September 1989 (Suggests 30 kV). Glomez-Exposito A., Mauricio J.M., Maza-Ortega J.M. "VSC-based MVDC Railway Electrification System" IEEE transactions on power delivery, v. 29, no. 1, Feb. 2014. (suggests 24 kV).
  16. ^ a b c Simiyu, Patrobers; Davidson, I.E. (2021). "MVDC Railway Traction Power Systems; State-of-the Art, Opportunities, and Challenges". Energies. 14 (14). MDPI: 4156. doi:10.3390/en14144156. ISSN 1996-1073.
  17. ^ Future DC railway electrification system Go for 9kV (PDF). UIC Workshop on Energy Efficiency. Rotterdam: UIC. 11 September 2019.
  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" [Perspective of developing 12 or 24 kV DC electrification system for Moscow-Ekaterinburg high-speed line], Бюллетень Результатов Научных Исследований (in Russian), 1 (14): 38–44
  19. ^ Donald G. Fink, H. Wayne Beatty Standard Handbook for Electrical Engineers 11th Edition, McGraw Hill, 1978 table 18-21. See also Gomez-Exposito p. 424, Fig. 3
  20. ^ "[MétroPole] De la centrale électrique au rail de traction". 10 August 2004. Archived from the original on 10 August 2004.
  21. ^ Dery, Bernard. "Truck (bogie) – Visual Dictionary". www.infovisual.info.
  22. ^ "MIT School of Engineering | » What's the difference between AC and DC?". Mit Engineering. Retrieved 9 November 2022.
  23. ^ "Alternating current – Energy Education". energyeducation.ca. Retrieved 9 November 2022.
  24. ^ "What is Alternating Current (AC)? | Basic AC Theory | Electronics Textbook". www.allaboutcircuits.com. Retrieved 9 November 2022.
  25. ^ "[IRFCA] Electric Loco Tap-changer Operation". www.irfca.org. Retrieved 9 November 2022.
  26. ^ Linder, C. (2002). Umstellung der Sollfrequenz im zentralen Bahnstromnetz von 16 2/3 Hz auf 16,70 Hz [Switching the frequency in train electric power supply network from 16 2/3 Hz to 16,70 Hz]. Elektrische Bahnen (in German). Oldenbourg-Industrieverlag. ISSN 0013-5437.
  27. ^ See Винокуров p. 95+ Ch. 4: Потери и коэффициент полизного действия; нагреванние и охлаждение электрических машин и трансформаторов" (Losses and efficiency; heating and cooling of electrical machinery and transformers) magnetic losses pp. 96–97, ohmic losses pp. 97–99
  28. ^ Сидоров 1988 pp. 103–104, Сидоров 1980 pp. 122–123
  29. ^ "Unlocking the full benefits of rail electrification – Future Rail | Issue 98 | September 2022". rail.nridigital.com. Retrieved 17 February 2023.
  30. ^ It turns out that the efficiency of electricity generation by a modern diesel locomotive is roughly the same as the typical U.S. fossil-fuel power plant. The heat rate of central power plants in 2012 was about 9.5k BTU/kwh per the Monthly Energy Review of the U.S. Energy Information Administration which corresponds to an efficiency of 36%. Diesel motors for locomotives have an efficiency of about 40% (see Brake specific fuel consumption, Дробинский p. 65 and Иванова p.20.). But there are reductions needed in both efficiencies needed to make a comparison. First, one must degrade the efficiency of central power plants by the transmission losses to get the electricity to the locomotive. Another correction is due to the fact that efficiency for the Russian diesel is based on the lower heat of combustion of fuel while power plants in the U.S. use the higher heat of combustion (see Heat of combustion). Still another correction is that the diesel's reported efficiency neglects the fan energy used for engine cooling radiators. See Дробинский p. 65 and Иванова p. 20 (who estimates the on-board electricity generator as 96.5% efficient). The result of all the above is that modern diesel engines and central power plants are both about 33% efficient at generating electricity (in the nominal regime).
  31. ^ Хомич А. З. Тупицын О.И., Симсон А. Э. "Экономия топлива и теплотехническая модернизация тепловозов" (Fuel economy and the thermodynamic modernization of diesel locomotives). Москва: Транспорт, 1975. 264 pp. See Brake specific fuel consumption curves on p. 202 and charts of times spent in non-nominal regimes on pp. 10–12
  32. ^ Wang, Ucilia (25 May 2011). "Gigaom GE to Crank Up Gas Power Plants Like Jet Engines". Gigaom.com. Retrieved 4 February 2016.
  33. ^ FlexEfficiency* 50 Combined Cycle Power Plant Archived 24 August 2012 at the Wayback Machine
  34. ^ Railway Gazette International Oct 2014.
  35. ^ "UK Network Rail electrification strategy report" Archived 22 June 2013 at the Wayback Machine Table 3.3, p. 31. Retrieved on 4 May 2010
  36. ^ a b c "Start Slow With Bullet Trains". Miller-McCune. 2 May 2011. Archived from the original on 28 January 2012. Retrieved 27 February 2012.
  37. ^ a b "Cumbernauld may be on track for railway line electrification". Cumbernauld News. 14 January 2009. Archived from the original on 19 April 2013. Retrieved 27 February 2012.
  38. ^ "Electric Idea". Bromsgrove Advertiser. 8 January 2008. Retrieved 27 February 2012.
  39. ^ "Rail – Analysis". IEA. Retrieved 17 February 2023.
  40. ^ Per Railway electrification in the Soviet Union#Energy-Efficiency it was claimed that after the mid 1970s electrics used about 25% less fuel per ton-km than diesels. However, part of this savings may be due to less stopping of electrics to let opposing trains pass since diesels operated predominately on single-track lines, often with moderately heavy traffic.
  41. ^ [1] AAR Plate H
  42. ^ "Committee Meeting – Spring 2009" (PDF). Royal Meteorological Society (rmets.org). Archived from the original (PDF) on 4 March 2016. Retrieved 15 September 2012.
  43. ^ "Network Rail – Cable Theft". Network Rail (www.networkrail.co.uk). Retrieved 15 September 2012.
  44. ^ "Police probe cable theft death link". ITV News. 27 June 2012. Retrieved 15 September 2012.
  45. ^ Sarah Saunders (28 June 2012). "Body discovery linked to rail cables theft". ITV News. Retrieved 7 May 2014.
  46. ^ Nachmann, Lars. "Tiere & Pflanzen Vögel Gefährdungen Stromtod Mehr aus dieser Rubrik Vorlesen Die tödliche Gefahr". Naturschutzbund (in German). Berlin, Germany. Retrieved 20 July 2016.
  47. ^ "2019 年铁道统计公报" (PDF). Archived from the original (PDF) on 6 June 2020. Retrieved 7 June 2020.
  48. ^ "Status of Railway Electrification (as on 01.04.2023)" (PDF).
  49. ^ "On track to full electrification: Low carbon railways in India". www.rapidtransition.org. Retrieved 17 February 2023.
  50. ^ "Russia's legendary Trans-Siberian railroad line completely electrified – AP Worldstream | HighBeam Research". 4 September 2015. Archived from the original on 4 September 2015. Retrieved 9 November 2022.

Further reading

Sources

English

Russian

External links