В прошлой статье проекта #железная_дорога я рассказал вам о том, что такое электровоз, какими бывают эти локомотивы и как их классифицируют. И первый принцип классификации - род тока, подаваемый на контактную сеть. Итак, кто не знает - читаем первую статью, а я напомню, что железные дороги электрифицированы на одном из двух родов тока - постоянного или переменного.
Первые опыты с электрификацией железных дорог проводили ещё в XIX веке. Со временем технологии развивались, и вот в Советском Союзе появляется первая электрифицированная линия Баку-Сабунчи-Сураханы (рис. 2). Её электрифицировали постоянным током напряжением 1200 вольт. Почему на постоянном? Потому что его можно было заводить напрямую в моторы, избегая установки тяжёлых трансформаторов. Снижение веса моторвагонного подвижного состава (то есть того, что мы сегодня в быту называем “электричками”) вкупе с характеристиками тяговых двигателей постоянного тока и стали определяющими - на линии было много остановок, перед которыми состав нужно было тормозить, а после - разгонять, и делать всё это быстро. Люди знающие скажут: минуточку, сейчас же напряжение в сети постоянного тока - 3000 вольт. Да, сейчас - 3000. А в те годы... А в те годы для движения составов по той же бакинской линии использовалась пара трамвайных мотора под напряжение 600 В каждый, включавшихся последовательно. Затем напряжение в такой системе повысили до 750 В и получили стандарт электрификации в 1500 В. Оно стало оптимальным по ряду характеристик - сечение контактного провода, создание надёжного оборудования, уже имеющаяся практика. Напряжение в 3 кВ появилось в контактной сети только в 1937 году, но потом линии перевели на это напряжение.
На заре электровозостроения и электрификации железных дорог на локомотивы стали устанавливать ТЭДы - тяговые электродвигатели - постоянного тока. Их повсеместное распространение было обусловлено их же конструктивными особенностями и возможностью простыми средствами регулировать скорость и вращающий момент в широких пределах. Строившиеся тяговые подстанции, получавшие ток из магистральных ЛЭП, снижали напряжение до нужного значения и выпрямляли ток - получали из переменного тока постоянный. А потом подавали его в контактную сеть.
Но нельзя просто так взять и увеличить вес и скорость поезда на постоянном токе. Для этого нужны были более мощные локомотивы, а для получения большей мощности локомотива нужно было увеличивать сечение медного провода, чтобы он выдержал такую нагрузку. Что же, вешать над путями провода толщиной с морской канат? Кроме проводов, нужно было бы очень часто строить тяговые подстанции, с интервалом до двух километров. Это очень дорого - смысл электрификации как более экономного вида тяги терялся. Для тяги поезда массой 10 000 тонн со скоростью 50 км/ч на подъём в 10 метров на километр пути потребуется ток в 6 000 ампер - тут и каната не хватит.
Сравнив более 200 (двухсот, Карл!) сочетаний рода тока и величин напряжений, советские инженеры приняли решение о рабочей паре: напряжение 20 000 вольт переменного тока с промышленной частотой 50 Герц. Дело было за малым - создать рабочий электровоз под эти условия для выявления плюсов и минусов эксплуатации такой системы в нормальных условиях. И в 1938 году такой локомотив был создан. Им стал электровоз ОР-22 (однофазный со ртутным выпрямителем, с нагрузкой на рельс от оси в 22 тонны, рис.5). Его принципиальная конструкция “токосъём - трансформатор - выпрямитель - тяговый двигатель” оказалась настолько удачной, что её впоследствии применяли почти на всех локомотивах советского периода. Но увы, как и в случае с Оранэлой, полной реализации которой помешала Первая мировая, развернуться ОР-22 на магистралях союза помешала Вторая мировая. К идее работы локомотива на переменном токе вернулись только в 1954 году в конструкторском бюро Новочеркасского электровозостроительного завода.
Первый участок, который был электрифицирован на переменном токе - линия Московской железной дороги от станции Ожерелье до станции Павелец. Позднее напряжение в контактной сети подняли с 20 до 25 киловольт, а результаты показали: опыт удачный, надо строить. Опыты ставили в 1955-1956 годах, но позднее весь участок перевели на постоянный ток - редчайший случай, обычно происходило наоборот. Постановление Совмина СССР в 1958 году закрепило и опыт, и решения, а с 1959 года переменный ток зашагал по стальным магистралям страны советов.
В те же года электрификацию на постоянном токе 1,5 кВ стали переводить на напряжение 3 кВ - такое повышение не требовало значительного технического перевооружения. И если в 1955 году доля тепловозной и электровозной тяги суммарно составила всего 15% (по стране ещё вовсю бегали паровозы), то 10 лет спустя доля электровозов и тепловозов в объёме тяги выросла до 85%. В основном железные дороги электрифицировались на хорошо зарекомендовавшей себя системе постоянного тока. А поскольку она изначально была заточена больше под пригородное сообщение, то подобная электрификация носила островной характер: Рига, Куйбышев, Киев, Западная Сибирь обзаводились “кустами” пригородного сообщения на электротяге. Иногда “усы” проводов между островами дотягивались друг до друга, и тогда магистральные перевозки на этих участках - грузовые и пассажирские - тоже выполнялись на электротяге. Причём для Красноярской железной дороги во Франции были приобретены электровозы, получившие у нас обозначение серии “Ф” (французский, рис. 7), так как собственных локомотивов переменного тока к тому моменту в Союзе не было.
Теперь давайте попробуем разобраться, что такое постоянный, а что такое переменный токи. Но, для начала, что такое электрический ток вообще? Электрический ток - это упорядоченное движение электронов, а электрон - это отрицательно заряженная микрочастица, которая присутствует в любом металле и изделии из него, от провода до ложки. Двигаются они хаотично, как Бог на их электронную душу положит. Чтобы возник электрический ток, нужно сделать так, чтобы электроны побежали в одну сторону. Все видели батарейки и пиктограммы “+” и “-” на концах? Что означают эти знаки? Принято за направление электрического тока брать направление от точек с большим потенциалом к точкам с меньшим потенциалам. То есть от положительно заряженного полюса, обозначенного "+" к отрицательно заряженному полюсу, обозначенному "-". Электроны в этом случаю бегут против хода тока от отрицательного полюса к положительному.
Пока батарейка никуда не воткнута - электроны живут себе спокойно и горя не знают. Как только мы возьмём металлический провод и подсоединим его к концам батарейки - побегут, как миленькие, по проводу от минуса к плюсу. Разумеется, в такой цепи смысла нет никакого - мы просто разрядим батарейку и нагреем провод. Чтобы ток приносил пользу, в цепь включается потребитель - от лампочки до электровоза. У лампочки в цепи постоянного тока плюс всегда на резьбе цоколя, а минус - на кончике (или наоборот, но главное - эти полюса постоянны). У электровоза постоянного тока плюс на проводах, а минус - на рельсах (рис. 9).
Вернёмся к постоянному току. Это такой ток, когда электроны бегут всегда только в одну сторону - от минуса к плюсу (сам ток, как мы помним, бежит в противоположном направлении), и их количество в любой момент времени в любой точке проводника постоянно. Важная особенность постоянного тока - возможность его запасать в аккумуляторах на борту. Если посмотреть на график электрического тока, то он будет прост (рис.8): это прямая линия. А переменный ток - это такой ток, который меняет в определённом временном отрезке и направление, и величину. Иначе говоря, на лампочке из нашего примера выше в сети переменного тока резьба и “попка” цоколя будут попеременно то плюсом, то минусом. График переменного тока выглядит как синусоида (рис.8), и количество колебаний от нуля до нуля через максимум и минимум этой синусоиды за 1 секунду - называется частотой тока. В промышленности и в бытовых электросетях России, в том числе и на наших железных дорогах, частота тока - 50 Герц. Это значит, что в каждой “дырке” розетки на стене “плюс” и “минус” поменяются местами 100 раз за 1 секунду. Как это отражается на схеме работы электровоза? В случае с электровозом постоянного тока очень упрощённо схема выглядит так: “токосъём - тяговый электродвигатель”. Трансформатор, понижающий напряжение в сети, как правило установлен на тяговых подстанциях. В случае с электровозом переменного тока “токосъём - трансформатор - выпрямитель - тяговый электродвигатель”.
Плюсы и минусы есть у каждой системы, и споры о том, какая из систем лучше, не утихают до сих пор. Несмотря на более сложную конструкцию электровоза переменного тока, считается, что тяга на этом роде тока экономически более оправдана, с её помощью можно модифицировать вес и длину поездов, их скорость, составность и интенсивность движения. Всё зависит от типа транспорта - подавать переменный ток высоких напряжений, например, на трамвай или троллейбус, неэффективно и опасно. Очевидно одно - для снижения времени в пути и увеличения средней маршрутной скорости желательно, чтобы система электрификации была единой по всей сети дорог, однако сделать это сегодня сложно и дорого. Пока что приходится стыковать разные системы - а как?
А для этого в стране есть станции стыкования - самая распространённая система стыкования родов тока. Например, на казанском направлении от Москвы - это станция Вековка. На горьковском ходу станция стыкования - Владимир. Вообще, Московская железная дорога - это такой остров постоянного тока в окружении магистралей, электрифицированных большей частью на переменном токе, так что почти по каждому направлению есть станции стыкования. Как же работают станции стыкования? На станцию состав заходит под электровозом-постоянником (например, ЧС7, как на рис.11) со стороны Москвы. Далее электровоз отцепляют от состава и убирают в депо. На контактном проводе отключают подачу постоянного тока и включают переменный, и под состав ставят электровоз-переменник (например, ВЛ60, как на рис.11). Далее - стандартные процедуры, опробование тормозов, соединение всех необходимых магистралей, ожидание выходного зелёного сигнала - и можно трогаться в дальнейший путь. При этом на станциях работает "защита от дурака" в виде системы счёта заезда и выезда электроподвижного состава на участки изменяемых систем тока - постоянник на 3 кВ попасть под напряжение 25 кВ переменного тока не сможет.
Второй вариант - использование двухсистемных локомотивов. В нашей стране таких немного, самые распространённые - ВЛ82 (рис.12) и ЭП20 (рис.13). Это сокращает время в пути. Например, от Екатеринбурга до Москвы через Казань - две станции стыкования, Дружинино и Вековка. Минимальное время, которое нужно на смену локомотива и регламентные работы - 15 минут. Использование двухсистемных локомотивов сократило бы время в пути на полчаса как минимум, так как стоянка всё равно длиннее 15 минут, а на смену локомотивной бригады времени требуется около 10 минут. Главный минус двухсистемников - их стоимость и сложность. Хотя в Западной Европе встречаются аж четырёхсистемный подвижной состав (постоянный ток 1,5 и 3,0 кВ; переменный ток 25 кВ 50 Гц; переменный ток 15 кВ 16 и 2/3 Гц).
Есть ещё третий вариант, и он самый неэффективный - это применение тепловозной вставки. На малодеятельных участках он ещё хоть как-то может быть оправдан, но на нагруженных магистралях - тормозит всё движение. При таком подходе на одной станции из-под электровоза состав забирает тепловоз, ведёт его по не электрифицированному отрезку, а затем, на другой станции, “отдаёт” его другому электровозу - уже под другой системой тока. Так работают, например, участок “Рузаевка - Красный Узел - Канаш" на границе Куйбышевской и Горьковской дорог, и участок Самара - Кинель - Оренбург на границе Куйбышевской и Южно-Уральской дорог.
На этом общее знакомство с электрификацией и принципом устройства с электровозами в рамках проекта “Железная Дорога” на моём канале закончена, и со следующей статьи я начну знакомить вас с электровозами, которые работали, работают или ещё только будут работать на железных дорогах бывшей страны советов. Следите за обновлениями, ставьте лайки и подписывайтесь на канал.
Ставьте лайки, пишите комментарии, подписывайтесь на канал и следите за обновлениями!
Читайте канал и подписывайтесь на мои соцсети:
Фейсбук | Вконтакте | Инстаграм | Ютуб о танго | Ютуб о путешествиях |
Цикл "Железная дороги"
Серия "Электровозы на дорогах бывшего СССР"
Что такое электровоз?
