С развитием промышленности и сельского хозяйства страны уве­личивается количество грузов, которое необходимо перевозить из одного района страны в другой, а это предъявляет требования к же­лезнодорожному транспорту по увеличению провозной и пропуск­ной способности железных дорог. В нашей стране более половины всего грузооборота освоено элект­рической тягой.

В царской России электрических железных дорог не было. Электрификация основных магистралей была намечена в первые годы Советской власти при организации планового хозяйства страны.

В разработанном в 1920 г. плане ГОЭЛРО было уделено вни­мание увеличению провозной и пропускной способности железных дорог за счет перевода их на электрическую тягу. В 1926 г. была электрифицирована линия Баку-Сураханы протяженностью 19 км при напряжении в контактной сети 1200 В постоянного тока. В 1929 г. переведен на электрическую тягу пригородный участок Москва - Мытищи протяженностью 17,7 км с напряжением в кон­тактной сети 1500 В. В 1932 г. был электрифицирован первый ма­гистральный участок Хашури - Зестафонн на Сурамском перевале Кавказа протяженностью 63 км с напряжением 3000 В постоянно­го тока. После этого началась электрификация отдельных наиболее тяжелых по климатическим условиям, наиболее грузонапряженных участков и линий с тяжелым профилем.

К началу Великой Отечественной войны были переведены наи­более тяжелые участки на Кавказе, Урале, Украине, в Сибири, За­полярье и в пригородах Москвы общей протяженностью около 1900 км. В период войны были электрифицированы линии на Ура­ле, в пригородах Москвы и Куйбышева общей протяженностью около 500 км.

После войны пришлось восстанавливать участки электрифици­рованных железных дорог в западной части страны, находивших­ся на территории, временно оккупированной врагом. Кроме того, необходимо было переводить на электрическую тягу новые тяже­лые участки железных дорог. Пригородные участки, электрифици­рованные ранее на напряжение 1500 В в контактном проводе, были переведены на напряжение 3000 В. Начиная с 1950 г., от электрификации отдельных участков перешли к переводу на электрическую тягу целых грузонапряженных направлений и были начаты работы на линиях Москва-Иркутск, Москва-Харьков и т. д.

Увеличение потока народнохозяйственных грузов и рост пасса­жирских перевозок требуют более мощных локомотивов и увеличе­ния числа поездов. При напряжении в контактной сети 3000 В по­требляемые токи мощными электровозами при значительном их ко­личестве в зоне питания от тяговых подстанций вызывали боль­шие потери энергии. Для уменьшения потерь приходится ближе ставить тяговые подстанции одна к другой и увеличивать сечение проводов контактной сети, но это повышает стоимость системы энергоснабжения. Уменьшить потери энергии можно, уменьшив про­ходящие по проводам контактной сети токи, а чтобы мощность ос­талась прежней, необходимо увеличить напряжение. Этот принцип использован в системе электрической тяги переменного однофазно­го тока промышленной частоты 50 Гц при напряжении в контакт­ной сети 25 кВ.

Потребляемые электроподвижкым составом (электровозами и электропоездами) токи при этом значительно меньше, чем при сис­теме постоянного тока, что позволяет уменьшить сечение проводов контактной сети и увеличить расстояния между тяговыми подстан­циями. Эту систему в нашей стране начали исследовать еще до Ве­ликой Отечественной войны. Затем во время войны пришлось ис­следования прекратить. В 1955-1956 гг. по результатам после­военных разработок был электрифицирован по этой системе опыт­ный участок Ожерелье-Павелец Московской дороги. В дальней­шем эту систему начали широко внедрять на железных дорогах на­шей страны наряду с системой электрической тяги на постоянном токе. К началу 1977 г. электрифицированные магистрали в СССР протянулись на расстояние около 40 тыс. км, что составляет 28% длины всех железных дорог страны. Из них порядка 25 тыс. км на постоянном и 15 тыс. км - на переменном токе.

Работают на электрической тяге железные дороги от Москвы до Карымской протяженностью свыше 6300 км, от Ленинграда до Еревана - около 3,5 тыс. км, Москва-Свердловск - свыше 2 тыс. км, Москва-Воронеж-Ростов, Москва-Киев-Чоп, линии, связы­вающие Донбасс с Поволжьем и с западной частью Украины и т. д. Кроме того, на электрическую тягу переведено пригородное дви­жение всех крупных промышленных и культурных центров.

По темпам электрификации, протяженности линий, объему пе­ревозок и грузообороту наша страна оставила далеко позади все страны мира.

Интенсивная электрификация железных дорог вызвана ее боль­шими технико-экономическими преимуществами. По сравнению с паровозом или при том же весе и габари­тах может иметь значительно большую мощность, так как он не имеет первичного двигателя (паровой машины или дизеля). Поэто­му электровоз обеспечивает работу с поездами с значительно боль­шими скоростями и, следовательно, повышает пропускную и провозную способность железных дорог. Использование управления несколькими электровозами с одного поста (система многих единиц) позволяет увеличить эти показатели в еще большей степени. Более высокие скорости движения обеспечивают ускорение достав­ки грузов и пассажиров к месту назначения и приносят дополни­тельный экономический эффект для народного хозяйства.

Электрическая тяга имеет более высокий к. п. д. по сравнению с тепловозной и особенно с паровой тягой. Средний эксплуатацион­ный к. п. д. паровой тяги составляет 3-4%, тепловозной - около 21 % (при 30-процентном использовании мощности дизеля), а электрической тяги - около 24%.

При питании электровоза от старых тепловых электростанций к. п. д. электрической тяги составляет 16-19% (при к. п. д. самого электровоза порядка 85%). Такой низкий к. п. д. системы при вы­соком к. п. д. электровоза получается вследствие больших потерь энергии в топках, котлах и турбинах электрических станций, к. п. д. которых составляет 25-26%.

Современные электрические станции с мощными и экономичны­ми агрегатами работают с к. п. д. до 40%, и к. п.д. электрической тяги при получении энергии от них составляет 25-30%. Наиболее экономична работа электровозов и электропоездов при питании ли­нии от гидростанции. При этом к. п. д. электрической тяги состав­ляет 60-62%.

Нужно отметить, что паровозы и тепловозы работают на доро­гом и высококалорийном топливе. Тепловые электрические станции могут работать на более низких сортах топлива - буром угле, тор­фе, сланцах, а также использовать природный газ. Эффективность электрической тяги возрастает также при питании участков от атомных электрических станций.

Электровозы более надежны в эксплуатации, требуют меньших затрат на осмотры и ремонты оборудования и позволяют поднять производительность труда на 16-17% по сравнению с тепловозной тягой.

Только электрическая тяга обладает свойствами перерабаты­вать запасенную в поезде механическую энергию в электрическую и отдавать ее при рекуперативном торможении в контактную сеть для использования ее другими электровозами или моторными ва­гонами, работающими в этот период в режиме тяги. При отсутствии потребителей энергию можно передать в энергосистему. За счет рекуперации энергии удается получить большой экономический эффект. Так, в 1976 г. за счет рекуперации было возвращено в сеть около 1,7 млрд. кВт-ч электроэнергии. Рекуперативное торможение позволяет повысить уровень безопасности движения поездов, уменьшить износ тормозных колодок и бандажей колес.

Все это дает возможность снизить себестоимость перевозок и сделать процесс перевозки грузов более эффективным.

За счет технической реконструкции тяги на железнодорожном транспорте сэкономлено примерно 1,7 млрд, тонн топлива, а эксплуатационные расходы уменьшились на 28 млрд. руб. Если предполо­жить, что до сих пор на наших магистралях работали бы парово­зы, то, например, в 1974 г. потребовалось бы в их топках израсхо­довать треть добываемого в стране каменного угля.

Электрификация железных дорог России способствует прогрессу народ­ного хозяйства прилегающих районов, так как от тяговых подстан­ций получают питание промышленные предприятия, колхозы, сов­хозы и закрываются малоэффективные неэкономичные местные ди­зельные электростанции. Ежегодно свыше 17 млрд. кВт-ч энергии идет через тяговые подстанции для питания нетяговых потребителей.

При электрической тяге повышается производительность тру­да. Если при тепловозной тяге производительность труда возраста­ет в 2,5 раза по сравнению с паровой, то при электрической - в 3 раза. Себестоимость перевозок на электрифицированных лини­ях на 10-15% ниже, чем при тепловозной тяге.

Электрификация железных дорог

Во всем мире сегодня более 100 тыс. км электрифицированных железных дорог. Наиболее быстрыми темпами электрификация осуществлялась в нашей стране до 1990 г.

Днем рождения электрической тяги принято считать 31 мая 1879 г., когда на промышленной выставке в Берлине демонстрировалась первая электрическая железная дорога длиной 300 м, построенная Вернером Сименсом (рис. 20). Электровоз, напоминавший современный электрокар,

Рис. 20. Первая электрическая железная дорога

приводился в движение электродвигателем мощностью 9,6 кВт (13 л.с.). Электрический ток напряжением 160 В передавался к двигателю по отдельному рельсу, обратным проводом служили рельсы, по которым двигался поезд – три миниатюрных вагончика со скоростью 7 км/ч.

В том же 1879 г. была пущена внутризаводская линия электрической железной дороги протяженностью примерно 2 км на текстильной фабрике Дюшен-Фурье в г. Брейль во Франции. В 1880 г. в России Ф.А. Пироцкому удалось электрическим током привести в движение большой тяжелый вагон, вмещавший 40 пассажиров. 16 мая 1881 г. было открыто пассажирское движение на первой городской электрической железной дороге Берлин - Лихтерфельд. Рельсы этой дороги были уложены на эстакаде. Несколько позже электрическая железная дорога Эльберфельд – Бремен соединила ряд промышленных пунктов Германии.

Как видно, первоначально электрическая тяга применялась на городских трамвайных линиях и промышленных предприятиях, особенно на рудниках и в угольных копях. Но очень скоро оказалось, что она выгодна на перевальных и тоннельных участках железных дорог, а также в пригородном движении. В 1895 г. в США были электрифицированы тоннель в Балтиморе и тоннельные подходы к Нью-Йорку. Для этих линий построены электровозы мощностью 185 кВт (50 км/ч).

После первой мировой войны на путь электрификации железных дорог вступают многие страны. Электрическая тяга начинает вводиться на магистральных линиях с большой плотностью движения. В Германии электрифицируют линии Гамбург – Альтон, Лейпциг – Галле – Магдебург, горную дорогу в Силезии, альпийские дороги в Австрии. Электрифицирует северные дороги Италия. Приступают к электрификации Франция, Швейцария. В Африке появляется электрифицированная железная дорога в Конго.

В России проекты электрификации железных дорог имелись еще до первой мировой войны. Уже начали электрификацию линии Санкт-Петербург – Ораниенбаум, но война помешала ее завершить. И только в 1926 г. было открыто движение электропоездов между Баку и нефтепромыслом Сабунчи. С 1 октября 1929 г. началось регулярное движение электропоездов на участке Москва – Мытищи.

16 августа 1932 г. вступил в строй первый в СССР магистральный электрифицированный участок Хашури – Зестафони, проходящий через Сурамский перевал на Кавказе. В этом же году был построен первый отечественный электровоз серии С с (рис. 21). В 30-е годы были электрифицированы отдельные участки с большим грузопотоком и тяжелым профилем пути, такие, как Кизел - Чусовская, Гороблагодатская – Свердловск, Кандалакша – Мурманск и ряд других. К началу 1941 г. общая длина электрифицированных линий превысила 1800 км. Электрификация не прекращалась даже в годы Великой Отечественной войны.

Рис. 21. Первый советский электровоз серии С с

Техника электрических железных дорог за время их существования изменилась коренным образом, сохранился только принцип действия. Применяется привод осей локомотива от электрических тяговых двигателей, которые используют энергию электростанций. Эта энергия подводится от электростанций к железной дороге по высоковольтным линиям электропередачи, а к электроподвижному составу – по контактной сети. Обратной цепью служат рельсы и земля.

Применяются три различные системы электрической тяги - постоянного тока, переменного тока пониженного тока пониженной частоты и переменного тока стандартной промышленной частоты 50 Гц. В первой половине текущего столетия до второй мировой войны применялись две первые системы, третья получила признание в 50-60-х годах, когда началось интенсивное развитие преобразовательной техники и систем управления приводами. В системе постоянного тока к токоприемникам электроподвижного состава подводится ток напряжением 3000 В (в некоторых странах 1500 В и ниже). Такой ток обеспечивают тяговые подстанции, на которых переменный ток высокого напряжения общепромышленных энергосистем понижается до нужного значения и выпрямляется мощными полупроводниковыми выпрямителями.

Достоинством системы постоянного тока в то время была возможность применения коллекторных двигателей постоянного тока, обладающих превосходными тяговыми и эксплуатационными свойствами. А к числу ее недостатков относится сравнительно низкое значение напряжения в контактной сети, ограниченное допустимым значением напряжения двигателей. По этой причине по контактным проводам передаются значительные токи, вызывая потери энергии и затрудняя процесс токосъема в контакте между проводом и токоприемником. Интенсификация железнодорожных перевозок, увеличение веса поездов привели на некоторых участках постоянного тока к трудностям питания электровозов из-за необходимости увеличения площади поперечного сечения проводов контактной сети (подвешивание второго усиливающего контактного провода) и обеспечения эффективности токосъема.

Все система постоянного тока получила широкое распространение во многих странах, более половины всех электрических линий работают по такой системе.

Задача системы тягового электроснабжения – обеспечить эффективную работу электроподвижного состава с минимальными потерями энергии и при возможно меньших затратах на сооружение и обслуживание тяговых подстанций, контактной сети, линий электропередачи и т.д.

Стремление поднять напряжение в контактной сети и исключить из системы электрического питания процесс выпрямления тока объясняется применение и развитие в ряде стран Европы (Германия, Швейцария, Норвегия, Швеция, Австрия) системы переменного тока напряжением 15 000 В, имеющую пониженную частоту 16 2 / 3 Гц. В этой системе на электровозах используют однофазные коллекторные двигатели, имеющие худшие показатели, чем двигатели постоянного тока. Эти двигатели не могут работать на общепромышленной частоте 50 Гц, поэтому приходится применять пониженную частоту. Для выработки электрического тока такой частоты потребовалось построить специальные «железнодорожные» электростанции, не связанные с общепромышленными энергосистемами. Линии электропередачи в этой системе однофазные, на подстанциях осуществляется только понижение напряжения трансформаторами. В отличие от подстанций постоянного тока в этом случае не нужны преобразователи переменного тока в постоянный, в качестве которых применялись ненадежные в эксплуатации, громоздкие и неэкономичные ртутные выпрямители. Но простота конструкции электровозов постоянного тока имела решающее значение, что определило ее более широкое использование. Это и обусловило распространение системы постоянного тока на железных дорогах СССР в первые годы электрификации.

В послевоенный период были восстановлены демонтированные в военные годы устройства электроснабжения, продолжена электрификация линий с высокой грузонапряженностью.

Темпы электрификации резко возросли после принятия правительством в 1956 г. постановления «О генеральном плане электрификации железных дорог». К 1980 г. протяженность участков, работающих на электрической тяге, составила 32,8 % общей протяженности, а выполняемый ими объем перевозок был равен 54,8 %.

В первые десятилетия железные дороги электрифицировали на постоянном токе напряжением 1500 В (пригородные участки) и 3000 В (магистральные). Для стыкования участков с различным напряжением в контактной сети были построены специальные электровозы (ВЛ19) и моторвагонные электросекции (СР), созданы трансформаторы для ртутных выпрямителей, способные работать на двух напряжениях: 1650 и 3300 В. Впоследствии все участки с напряжением в контактной сети 1500 В переведены на 3000 В. В 50-е годы был создан более мощный восьмиосный электровоз постоянного тока ВЛ8, а затем – ВЛ10 и ВЛ11.

Начиная с 30-х годов, изучались возможности применения однофазного переменного тока промышленной частоты для целей тяги. Проводимые исследования были возобновлены в 1951 г. В качестве опытного в 1955 - 1956 гг. на переменном токе напряжением 22 кВ электрифицировали участок Ожерелье - Павелец длиной 137 км. На нем прошли испытания электроподвижной состав и система тягового электроснабжения переменного тока, создана первая станция стыкования контактной сети двух родов тока.

В этой системе тяговые подстанции, как и в системе постоянного тока, питаются от общепромышленных высоковольтных трехфазных сетей. Но на них нет выпрямителей. Трехфазное напряжение переменного тока линий электропередачи преобразуется трансформаторами в однофазное напряжение контактной сети 25 000 В, а ток выпрямляется непосредственно на электроподвижном составе. Легкие, компактные и безопасные для персонала полупроводниковые выпрямители, которые пришли на смену ртутным, обеспечили приоритет этой системы. Во всем мире электрификация железных дорог развивается по системе переменного тока промышленной частоты.

Первым на переменном токе с напряжением в контактной сети 25 кВ электрифицирован в 1960 г. один из наиболее грузонапряженных участков Восточно-Сибирской железной дороги Мариинск - Зима с тяжелым профилем пути, расположенный в районе с суровыми климатическими условиями.

Помимо традиционной системы переменного тока напряжением 25 кВ применялись и применяются ее разновидности: с отсасывающими трансформаторами (для снижения затрат на защиту линий связи от электромагнитного влияния контактной сети), с продольным проводом напряжением 50 кВ и автотрансформаторами (так называемая система 2х25 кВ), с экранирующим усиливающим проводом (для снижения сопротивления тяговой сети).

С 1956 г. электрическая тяга вводилась в действие главным образом на основных грузонапряженных направлениях большой протяженности, связывающих европейскую часть страны с Уралом и Сибирью, в том числе с восточной ее частью, а также с югом страны. В 1961 г. завершена электрификация крупнейшей в мире магистрали Москва - Байкал протяженностью 5647 км, в 1962 г. - магистрали Ленинград - Ленинакан протяженностью 3500 км. Электрификация целых направлений позволила существенно улучшить использование электровозов.

Для новых линий, электрифицированных на переменном токе частотой 50 Гц, напряжением 25 кВ, были созданы шестиосные электровозы ВЛ60 с ртутными выпрямителями и коллекторными двигателями, а затем восьмиосные с полупроводниковыми выпрямителями ВЛ80 и ВЛ80 с. Электровозы ВЛ60 также были переоборудованы на полупроводниковые преобразователи и получили обозначение серии ВЛ60 к.

Новый электроподвижной состав по сравнению с тем, который выпускали еще 20-30 лет назад, сильно изменился конструктивно и внешне. Созданы восьмиосные ВЛ80 р и 12-осные ВЛ85 (рис. 22) электровозы переменного тока, отличающиеся высокими тяговыми и тормозными характеристиками благодаря плавному регулированию силы тяги и скорости, автоматическому управлению и высоким энергетическим характеристикам. Начат выпуск 12-осных электровозов постоянного тока.

Рис. 22. Электровоз переменного тока ВЛ85

Тиристорные, или так называемые импульсные, регуляторы успешно заменили устаревшую систему ступенчатого реостатного регулирования. Во многих странах полностью перешли на выпуск электроподвижного состава постоянного тока с тиристорными преобразователями.

В связи с развитием полупроводниковой преобразовательной техники коллекторные двигатели все чаще заменяют двигателями переменного тока, асинхронными и синхронными.

На современных электровозах широко применяют автоматизацию управления и оптимизацию режимов с помощью микропроцессорной техники. Внедряется бортовое и стационарное диагностирование оборудования. Совершенствуется аппаратура защиты от токов короткого замыкания и перенапряжений.

Электрическая тяга является самым экономичным по расходу топлива способом транспортировки грузов. На перемещение 1 т груза на 100 км расходуется 1 кВт·ч электроэнергии. В 1998 г. доля электроэнергии, потребляемой железнодорожным транспортом, в структуре электропотребления по Минтопэнерго РФ составила всего 4,7 %. Электрические локомотивы обладают неоспоримым преимуществом - они способны при рекуперативном торможении вырабатывать и возвращать в тяговую сеть электрическую энергию. В 1998 г. за счет рекуперативного торможения годовая экономия электроэнергии составила примерно 0,7 млрд. кВт·ч, т. е. 3,2 % ее расхода на тягу поездов. Электрическая тяга - самый экологически чистый вид транспорта.

По мере развития техники совершенствовались устройства контактной сети и тяговые подстанции. Широкое распространение получили железобетонные опоры на блочных фундаментах, жесткие поперечины, компенсированные подвески, допускающие скорость движения 200 - 250 км/ч. Для контактной сети переменного тока используются железобетонные нераздельные опоры типа СС, а при необходимости - раздельные с фундаментами повышенной надежности.

На тяговых подстанциях вместо ртутных выпрямителей, заменивших мотор-генераторы, работают мощные силовые полупроводниковые преобразователи. Почти все электрифицированные линии телемеханизированы. Первые системы телеуправления были релейно-контактными, затем их сменили электронные устройства и, наконец, системы, выполненные на интегральных микросхемах и микропроцессорах.

На линии Санкт-Петербург - Москва смонтирована контактная подвеска типа КС-200, обеспечивающая надежный токосъем при скорости движения поездов до 200 км/ч.

В последние годы полигон электрификации со сроком службы 40 и более лет неуклонно увеличивается. Его протяженность в 2000 г. составляла 8900 км, или 22 %. В 2005 г. она превысила 15 тыс. км. Удельная повреждаемость контактной сети, прослужившей 40 лет и более, в 2,7 раза выше, чем на вновь вводимых участках. Поддержание технических средств в работоспособном состоянии только путем капитального ремонта их отдельных элементов не только не улучшает показателей всей системы, но и ограничивает возможности увеличения провозной способности участков. Необходимы новые технические решения и обновление технических средств электроснабжения.

В условиях роста протяженности электрифицированных линий, срок службы которых достиг предельного, необходимо обеспечить усиление материально-технической базы хозяйства электрификации и электроснабжения с целью стабилизации технического состояния, а основных магистральных направлениях сети – улучшения основных технических и эксплуатационных показателей системы тягового электроснабжения: контактной сети, тяговых подстанций, сетей нетягового электроснабжения (0,4-10 кВ).

Совершенствование технических средств должно быть направлено на создание интеллектуальных авторегулируемых систем, обеспечивающих оптимальные режимы работы устройств электроснабжения.

Применительно к контактной сети необходимо:

Оснастить вагоны-лаборатории для испытания контактной сети диагностическими комплексами на основе компьютеров, позволяющих осуществлять проверку узлов и элементов контактной подвески на нагрев, контроль исправности изоляторов, оценку износа контактного провода с анализом его состояния, а также качества токосъема и т.д.;

Разработать технические решения, направленные на снижение повреждений опор контактной сети, поддерживающих устройств, арматуры, изоляторов;

Создать саморегулируемую контактную подвеску для участков скоростного движения.

Для повышения надежности тяговых подстанций требуется разработать и внедрить следующие устройства:

Понизительные и тяговые трансформаторы новых типов;

Выключатели с новыми электроизоляционными экологически чистыми наполнителями (элегаз, мидель); вакуумные выключатели;

Выпрямительные и выпрямительно-инверторные преобразователи на силовых электронных приборах нового поколения;

Мощные накопители энергии.

При сооружении устройств электроснабжения необходимо применять комплектные быстровозводимые устройства, модули и блоки высокой заводской готовности .

В последние годы в мире выполнено много исследований всех «за» и «против» электрификации. Все исследователи признают, что электрификация экономически выгодна. Выводы этих работ расходятся только относительно величины прибыли на вложенный капитал. По разным оценкам величина прибыли превышает 14 %.

О первых возможностях оснащения железной дороги электротягой заговорили в 1874 году. Русским специалистом Ф.А. Пироцким в означенный период времени проводились первые практические опыты на железнодорожных путях под Сестрорецком по возможности передачи электрической энергии посредством использования изолированных от земли рельсов.

Первые попытки оснащения электрической тягой

Работы проводились на дистанции одного километра. Второй рельс послужил обратным проводом. Полученная электрическая энергия поступала на небольшой двигатель. Спустя два года, после начала проводимых работ, специалистом Ф.А. Пироцким осуществляется публикация статьи о полученных результатах в одном из технических инженерных журналов. Конечным результатом стало то, что им был опробован пуск вагонеток, двигающихся с помощью полученной электроэнергии по железным путям.

Первое практическое применение

Вернер Сименс, живущий в Германии, осуществил практическое применение электроэнергии на железной дороге. Берлинская промышленная выставка 1879 года экспонировала на своих площадях данное достижение, в виде узкоколейной дороги, на которой имели честь проехать гости выставки. Поездной состав состоял из нескольких вагонов открытого типа, которые тащил электровоз. Движение ему обеспечивали два мотора, запитанных от постоянного тока, величину напряжения в сто пятьдесят вольт давала железная полоса, расположенная в междурельсовом пространстве. Один из ходовых рельсов служил в качестве обратного провода.

Пробный участок

Через два года, в берлинской пригородной части Лихтерфельда было завершено изобретателем В. Сименсом строительство пробных железных путей, обеспеченных электрическим питанием, по ним и осуществлял движение вагон, оснащённый мотором. Напряжение тока составляло сто восемьдесят вольт и подавалось к одному ходовому рельсу – это и был, как бы, обратный провод.

Для исключения возможной большой потери электрической энергии при плохой изоляции из-за применения в этом качестве древесных шпал, инженеру Вернеру Сименсу пришлось изменить принципиальную схему подачи питания для электрического двигателя.

Первый опыт подвесной система электрификации

Всемирная парижская выставка стала той площадкой, где люди увидели электрическую дорогу с применением подвесного рабочего привода. Такое электроснабжение представляло собой в виде железной трубки, подвешенной над рельсовыми путями. В нижней части трубочки был сделан продольный прорез. Во внутренней части трубы двигался челнок, который соединялся посредством гибкого провода через имеющуюся прорезь и крепился непосредственно к локомотивной поверхности крыши, таким образом, осуществляя передачу тока электрическому двигателю.

Аналогичная трубочка подвешивалась рядом, параллельно первой трубке и выполняла функции обратного привода. Подобную систему применили на созданных в 1884 году трамвайчиках, появившихся на германской и австрийской территориях в городах Оффенбаха, Франкфурта, Фордербрюля и Мёдлинга. Для обеспечения трамвайного движения осуществлялась подача напряжения в триста пятьдесят вольт.

Ирландский город Кинреш в те же годы стал своего рода, площадкой для новаторов, применивших третий рельс в качестве токового проводника на трамвайных линиях. Он устанавливался с применением изоляторов, стоявших параллельно ходовым рельсам. К сожалению, эта новая схема не имела длительного практического применения, поскольку в городских условиях, она являлась явной помехой для пешеходов и конных упряжек.

Работа русского инженера

Самое интересное, что обо всех этих обстоятельствах технической обречённости по подаче питания для электрического мотора, предупреждал в одной из своих работ Фёдор Аполлонович Пироцкий, напечатанной в газетном издании «Санкт-Петербургских ведомостей». В них прямым текстом говорилось, что его детище в виде электрической железной дороги является простейшим и дешёвым сооружением. Нет необходимости производить дополнительные затраты на укладку средней рельсовой линии, что удорожает проект сразу на пять процентов и препятствует экипажному движению на городских улицах. Для осуществления его проекта не потребуется закупка чугунных столбов, стоящих немалых денежных средств. В последующем, иностранные изобретатели вняли столь разумному предупреждению русского инженера и всё осуществили на практике.

Изобретатель Ф.А. Пироцкий активно занимался реализаций своего проекта, понимая, что у городского и железнодорожного транспорта нет будущего без электричества. По итогам его новых исследований и испытаний станет появившийся на улицах Санкт-Петербурга двуярусный моторный вагон, двигающийся по рельсовым путям. В 1881 году данный вагон экспонировался на парижской выставке.

Английский город Брайтон стал первопроходцем в практической реализации проекта русского инженера в 1884 году. Длина электрической железной дороги, где был запитан только один рельс, составляла семь вёрст. В итоге, чистая прибыль одного электрического вагона в сравнении с экипажем, работающим на конной тяге, в течение рабочего дня составила четыреста двадцать франков.

Разработки американских инженеров

На американском континенте тоже не сидели сложа руки, а активно занимались усовершенствованием способа токовой подводки на уже созданном электрическом локомобиле.

Американским исследователем Т.А. Эдисоном проводились поисковые работы над усовершенствованием железнодорожного локомотива, потребляющим в качестве топлива электроэнергию. За четырёхлетний период времени, до 1884 года Т.А. Эдисону удалось создать три путевые линии небольшой протяжённости. Версия созданного локомотива, работающего на электрическом токе, больше напоминала паровозную модель локомотива. Питание вырабатывали генераторы. Один из путевых рельсов был запитан от отрицательного, другой рельс подключался к положительному генераторному полюсу. Уже в 1883 году на чикагской выставке появляется на одной из площадок современный для того времени локомотив, потребляющий электроток, названный, как «The Judge». Создание этой электровозной версии проводилось в тесном содружестве с другим изобретателем С.Д. Филдом.

Американскому инженеру Л. Дафту в это же время удаётся построить первую модель магистрального электровоза, названным, как «Атрёг». Локомотив использовал стандартную колею на железнодорожных путях по маршруту от Мак-Грегора до Саратоги. В последующем времени Л. Дафту удаётся улучшить технические качества своей же локомотивной версии, но теперь она называется, как «Benjamin Franklin», его масса составляет десять тонн, длина четыре метра. Имелись ведущие колёса в количестве четырёх штук. Подача электрического тока, чьё напряжение составляло двести пятьдесят вольт осуществлялось посредством третьего рельса, что обеспечивало работу мотора, у которого мощность достигала уровня ста двадцати пяти лошадиных сил. Их хватало на то, чтобы в поездном составе было восемь вагонов, и они следовали, ведомые электровозом со скоростью, равной шестнадцати километрам в час.

Швейцарская дорога с зубчатым зацеплением

Швейцарским инженером господином Р. Торном, в том же 1884 году строится экспериментальная железная дорога, имеющая зубчатое зацепление. В итоге, селение Тори и горная гостиница получили транспортную артерию с крутым наклоном, по которой следовал небольшой электровоз с четырьмя ведущими колёсами. Параметры мощности были незначительные и позволяли осуществлять пассажирскую перевозку только четырёх человек. Спускаясь по склону, включался тормозной режим, и электрический двигатель становился генератором, отдавая в сеть выработанную электрическую энергию.

Электрификация в России

Проект

Конструкторы всех стран работали по совершенствованию уже имеющихся электровозных версий, а также над техникой подачи электричества к локомотиву.

Своим путём шла электрификация в Российской империи. Проект, как электрифицировать первую отечественную железную дорогу появился в самом конце девятнадцатого столетия, в 1898 году. Но приступить к строительству Ораниенбаумской электрической линии из Санкт-Петербурга в Красные Горки удалось только в 1913 году. Реализовать имеющиеся планы в полном объёме не удалось по причине, начавшейся Первой мировой войны. В итоге, ограниченные участки дороги стали городским трамвайным маршрутом. В Стрельне и сегодня следуют по путям трамвайчики.

В послереволюционное время молодое правительство РСФСР инициирует разработку известного плана «ГОЭЛРО» и в 1921 году его утверждает.Электрификация путей должна была осуществиться за десять – пятнадцать лет. Протяжённость новых путей по проекту составляла три тысячи пятьсот километров, охватывая только небольшую часть важнейших направлений.

Начало работы

Первые железные дороги с электрической тягой появились в 1926 году на маршруте, при следовании: из Сурахан до Сабунчи и далее в столицу Азербайджана – Баку. Через три года электрички осваивают пригородный маршрут из Москвы-Пассажирской до Мытищ по Северной железной дороге.

Прошло ещё немного времени, и в 1932 году и Сурамский перевальный участок получил электроснабжение. Теперь на этой дороге магистральное движение обеспечивали электровозы. Система электротяги использовала постоянный ток, напряжение которого достигало значения в три тысячи вольт. В последующие годы широко применялось на железнодорожных путях Советского Союза. Первые дни электровозной эксплуатации наглядно показали их преимущество в сравнении с паровозной тягой. Такими показателями являлись производительность и энергетическая эффективность.

К 1941 году длина всех путей, обеспеченных электрической энергией, равнялась одной тысяче восьмистам шестидесяти пяти километрам.

Послевоенный период

В первый послевоенный год электрифицированные линии достигли значения своей общей протяжённости, равной двум тысячам двадцати девяти километрам. Необходимо отметить, что шестьсот шестьдесят три километра дороги были восстановлены, а по сути дела, практически, отстроено.

Шло активное восстановление производственных мощностей разрушенных заводов во время войны. В городе Новочеркасске появляется новое предприятие, которое специализируется на выпуске электровозных локомотивов. Через два года после войны начинает работать рижское предприятие по выпуску электрических составов.

Нельзя забывать, что в то тяжёлое послевоенное время электрификация железнодорожных путей требовала значительных вливаний денежных ассигнований. Поэтому объёмы роста путей с электричеством значительно отставали от намеченных планов и составляли всего тринадцать процентов. Причин тому было много, начиная с дефицитного финансирования работ, и заканчивая дороговизной материалов, необходимых для ведения подобного строительства.

50-е годы

В пятидесятые годы, двадцатого столетия, уровень освоенных объёмов по отношению к плановым нагрузкам составлял семьдесят процентов.

На двадцатом съезде партии Первым секретарём ЦК КПСС Н.С. Хрущёвым всё руководство МПС подвергается жёсткой критике. Часть чиновников была отстранена от занимаемых должностей.

Одной из задач пятой пятилетки являлось возведение новых сооружений электростанций, которые смогут обеспечить потребности электрифицированной железной дороги.

Последующие создаваемые генеральные планы требовали электрифицировать к 1970 году сорок тысяч километров железнодорожных путей сообщения.

Наращивание темпов

И вновь индустриализация помогает достигнуть годового освоения по строительству железных путей, оснащённых электричеством в объёме двух тысяч километров.

К марту 1962 года появляются победные реляции о выполнении плановых нагрузок на сто пять процентов, что в натуральном выражении составляло восемь тысяч четыреста семьдесят три километра. Всё это наглядно свидетельствовало о прежнем отставании от уровня желаемых результатов.

В семидесятые годы, двадцатого века, начинают массовую замену на полупроводниковые выпрямители взамен стоящих на подстанциях ртутных выпрямителей. Каждая новая возводимая подстанция оснащалась только полупроводниковым оборудованием. Всё это означало, что в Советском Союзе появились наиболее мощные и надёжные агрегаты инверторы. Они позволяли возвращать избыточную энергию, которая вырабатывалась с помощью подвижных составов в период электрического торможения в первичную внешнюю сеть.

Безопасное и быстрое отключение тока в контактной проводной сети всегда осуществлялось трудно и болезненно, особенно в период короткого замыкания.

Наконец-то на подстанциях железной дороги появились и мощные выключатели.

Их устанавливали парами по последовательной схеме.

Российский период

С наступлением двадцать первого века ощущается заметное снижение темпов строительства в РЖД электрифицированных путей сообщения, в год – это четыреста пятьдесят километров. Порой данное значение опускалось до ста пятидесяти километров, а иногда поднималось до семисот километров. Значительная часть электрифицированных путей переведена на использование переменного тока. Подобная модернизация проводилась на Кавказкой, Октябрьской дорогах и на Сибирских направлениях.

Сочи - 2014

В канун зимней олимпиады 2014 года была построена сразу новая электрифицированная железная дорога по маршруту из Адлера до Красной Поляны. Сегодня Республика Беларусь продолжает работы по электрификации железнодорожных путей сообщения на своей территории.