Электрификация ж.д.

[Toman]

...Начну издалека. Географически издалека. С Коста-Рики. Железная дорога Коста-Рики довольно необычна (среди ж.д. подобных стран и местностей) тем, что в течение некоторого периода времени значительная часть протяжённости её сети была электрифицированной. Причём, несмотря на небольшие размеры сети (вроде, что-то порядка 400 км в лучшие времена), они там устроили две разные системы электрификации. Тихоокеанская линия была электрифицирована ещё в 1930 году немецкими компаниями по "расовой германской" системе 15 кВ пониженной частоты (видимо, поскольку дело в Америке, где частота промышленных/бытовых сетей 60 Гц, для электрификации этой ж.д. линии приняли частоту 20 Гц, а не 16 2/3 Гц, как в Германии, Швейцарии, Австрии, Швеции и Норвегии - хотя для электроснабжения этой линии была построена собственная ГЭС), электровозы для неё также были немецкого происхождения. Лишь на полвека позже, около 1980 года, были электрифицированы значительные части атлантических линий - и уже по другой системе, "расовой советско-французской", 25 кВ промышленной частоты (опять же, с поправкой на американское положение и питание на этот раз от национальной электросети, это 60 Гц в отличие от наших европейских 50 Гц), под что были поставлены французские электровозы Alsthom - двухсистемные, способные работать как на "французской", так и на "немецкой" системе. После этого электрификация, да и сами ж.д. в нормальном виде, проработали, увы, лишь совсем недолго. На рубеже 1980-х и 90-х произошла целая серия природных и экономических катаклизмов, разрушивших целостность сети, обваливших/прекративших перевозки по ж.д., что в итоге вынудило снять электрификацию во избежание кражи проводов, и переведших большую часть сети в вообще недействующее состояние, из которого до сих пор пока не могут восстановить.

Вот три видео с Ютюба, снятые в те времена, когда всё это ещё работало.
https://www.youtube.com/watch?v=5ibk_gcmebc
https://www.youtube.com/watch?v=iYwpBXFh_BE
https://www.youtube.com/watch?v=84BX_i6BYLE

Те электровозы, которые со змеевиками на боку (преимущественно представленные во втором видео на всём его протяжении) - это как раз те самые старые, ещё тех времён, немецкие, 1920-х-30-х годов.
Электровозы более современного вида, те, что на первых кадрах первого и в начале третьего видео - это французские.

[Toman]

А теперь - географически поближе. Собственно, что у нас с электрификацией на нашей сети колеи 1520(1524) мм - т.е. стран бывш. СССР + Финляндии + Монголии.

В настоящее время на магистральных ж.д. сети колеи 1520 мм имеются две системы электрификации - постоянного тока 3 кВ и переменного тока промышленной частоты (50 Гц) 25 кВ, кратко называемые просто "постоянного тока" и "переменного тока". (Исторически раньше в СССР была ещё электрификация постоянного тока 1,5 кВ, которая применялась на участках с преимущественно пригородным движением, но впоследствии все эти участки были переведены на одну из двух сохранившихся доныне систем; на промышленных ж.д. применяются также различные другие системы).

В связи с историей электрификации ж.д. в СССР на настоящий момент складывается довольно занятная география взаимного расположения полигонов электротяги постоянного и переменного тока.

Одну из наиболее актуальных карт электрификации ж.д. пространства 1520 мм, а также (менее подробно) Зап. Европы можно посмотреть здесь: http://supermap.zatramvaj.org.ua/

Хотя вроде бы беспристрастные статистические данные говорят, что темпы электрификации ж.д. на постсоветском пространстве в целом всё время снижаются (и это снижение началось ещё в позднесоветское время) в связи с постепенным исчерпанием оставшихся ещё неэлектрифицированными грузонапряжённых линий, субъективное восприятие (моё лично) почему-то рисует картину резкого роста интенсивности электрификации в последние годы.

Например, очень значимое изменение последней пары лет, уже показанное на вышеназванной карте - завершение электрификации на участке Молодечно-Науйойи Вильня, что в сочетании с также недавно электрифицированными участками Осиповичи-Жлобин и Жлобин-Гомель образовало сплошной электрифицированный (на переменном токе) коридор от Гомеля до Каунаса.

Также значимое из недавнего - (кажется, ещё продолжающаяся, но близящаяся к концу, если уже не завершённая) электрификация линии на Забайкальск.

Чисто географически тут такой занятный момент. Если раньше полигон постоянного тока выглядел как один большой непрерывный "остров", включающий несколько крупнейших узлов и районов, плюс несколько периферийных сравнительно небольших отдельных "островов", а полигон переменного тока состоял из нескольких "островов" среднего размера, то по мере продолжения электрификации (которая сейчас происходит преимущественно переменным током) картина может постепенно поменяться практически до противоположности. Уже сейчас, как можно видеть на карте, даже этот большой "центральный" остров постоянного тока выглядит со всех сторон зажатым "островами" переменного тока, местами довольно тесно.

В частности, например, в Харьковском узле, электрифицированном на постоянном токе, расстояние между станциями Огульцы и Граково (границами с двумя разными островами переменного тока), если мерить по прямой, всего-то 83 км. А учитывая также ст. Лозовая и Святогорск, представляющими те же "острова", можно определённо сказать, что в окрестностях Харькова постоянный ток весьма тесно взят переменным в "клещи". А чисто теоретически вообще в масштабах всей сети 1520 мм нужно было бы добавить (электрифицировать или перевести с постоянного на переменный ток) уже довольно немного, чтобы все "острова" переменного тока слились в один.

[Andrey Lukyanov]

Почему бы не начать внедрение системы постоянного тока высокого напряжения (скажем, 30 кВ)? Современная промышленная электроника вполне позволяет это. Такая система имела бы ряд преимуществ:

1) Падение напряжения для постоянного тока в несколько раз меньше, чем для переменного, из-за отсутствия индуктивного сопротивления. А в рельсовой цепи даже и активное сопротивление меньше в несколько раз из-за отсутствия скин-эффекта.

2) Не нужны нейтральные вставки в контактной сети, так как не нужно чередовать разные фазы.

3) Фазы внешней энергосистемы всегда будут нагружены равномерно.

4) Электромагнитные помехи и наводки уменьшаются во много раз, исчезает вредное влияние переменного электромагнитного поля на организм человека вблизи ж/д линии.

Недостатки — более сложная конструкция электровозов и возможно меньший к.п.д.

[Toman]

1) Падение напряжения для постоянного тока в несколько раз меньше, чем для переменного, из-за отсутствия индуктивного сопротивления. А в рельсовой цепи даже и активное сопротивление меньше в несколько раз из-за отсутствия скин-эффекта.

По этому пункту - у переменки всё и так довольно неплохо. Тут скорее наоборот, у меня некоторые мысли насчёт переменки на повышенной частоте. Ну, это для схем подвижного состава с классическим трансформатором на входе. А то даже на промышленной частоте дюже уж тяжёлые эти трансформаторы.

2) Не нужны нейтральные вставки в контактной сети, так как не нужно чередовать разные фазы.

3) Фазы внешней энергосистемы всегда будут нагружены равномерно.

Это фактически один пункт. С одной стороны, да, нейтральные вставки - та ещё морока. Но и они, и проблема кривой нагрузки по фазам возникают из схемы прямого подключения к общей энергосистеме. Современная промышленная электроника позволяет, вообще говоря, уйти от этого, вырабатывая на подстанциях чисто свою тяговую единственную фазу с блэкджеком и шлюхами.

4) Электромагнитные помехи и наводки уменьшаются во много раз, исчезает вредное влияние переменного электромагнитного поля на организм человека вблизи ж/д линии.

А вот с этим - как раз нет. Наводок такие электровозы сами по себе создают как раз очень много и мощных, и потребуется тратить довольно много веса и пространства на фильтры против этих помех. Это ж довольно высокочастотное импульсное регулирование, "гудеть" будет весьма.

Недостатки — более сложная конструкция электровозов и возможно меньший к.п.д.

КПД вроде даже и не с чего быть меньше. Но главная-то проблема - что это всё равно постоянка, а значит, блуждающие обратные тяговые токи, с которыми невозможно ничего сделать (ну, не то что совсем невозможно - можно, конечно, сделать соответствующие умные "отсасывающие подстанции", измеряющие ток в КС и принудительно обеспечивающие равный по величине обратный, но это будет уже довольно навороченная штука...), и причитающаяся электрокоррозия. Хоть токи на единицу работы и меньше раз в 10 - но всё равно есть. А около тяговой подстанции токи и будут практически такие же, как на обычной постоянке, за счёт соответственно более редкой расстановки подстанций.

[Andrey Lukyanov]

Тут скорее наоборот, у меня некоторые мысли насчёт переменки на повышенной частоте. Ну, это для схем подвижного состава с классическим трансформатором на входе. А то даже на промышленной частоте дюже уж тяжёлые эти трансформаторы.
...
С одной стороны, да, нейтральные вставки - та ещё морока. Но и они, и проблема кривой нагрузки по фазам возникают из схемы прямого подключения к общей энергосистеме. Современная промышленная электроника позволяет, вообще говоря, уйти от этого, вырабатывая на подстанциях чисто свою тяговую единственную фазу с блэкджеком и шлюхами.

Преобразование частоты и числа фаз — более сложные операции, чем простое выпрямление.

Наводок такие электровозы сами по себе создают как раз очень много и мощных, и потребуется тратить довольно много веса и пространства на фильтры против этих помех. Это ж довольно высокочастотное импульсное регулирование, "гудеть" будет весьма.

При постоянном токе все высокочастотные компоненты спрятаны внутри электровоза, и все помехи можно так или иначе экранировать и погасить. А при переменном токе переменное электромагнитное поле находится снаружи, и с ним ничего не сделать. Хотя в Европе часто вдоль линии вешают дополнительный экранирующий провод, соединённый с землёй.

Но главная-то проблема - что это всё равно постоянка, а значит, блуждающие обратные тяговые токи ... и причитающаяся электрокоррозия.

Вроде бы электрокоррозию можно убрать, просто соединив угрожаемое металлическое сооружение с минусом подстанции проводом?

[Toman]

Вроде бы электрокоррозию можно убрать, просто соединив угрожаемое металлическое сооружение с минусом подстанции проводом?

Это реально сделать только вблизи от подстанции. Или, как минимум, только вдоль линии, если таки потратиться и проложить чисто защитный минусовой провод, принимающий только такие вот утечки. А тут же речь о расстояниях в десятки километров, причём не только непосредственно вдоль линии, но и в сторону от неё. Кроме того, в первую очередь электрокоррозии оказывается подвержено само верхнее строение пути и то, что на него заземлено - их проводом не защитишь, путь тут сам рабочий минусовой провод.

При постоянном токе все высокочастотные компоненты спрятаны внутри электровоза, и все помехи можно так или иначе экранировать и погасить.

Вот эти вот фильтры требуют немалых затрат, в т.ч. места и веса. Первый же в России "электронный" двухсистемый электровоз - ЭП10 (преобразователи, конечно, забугорные) - сразу же на испытаниях столкнулся с проблемой мешающего влияния на СЦБ.

Преобразование частоты и числа фаз — более сложные операции, чем простое выпрямление.

О простом выпрямлении речь не идёт в любом случае. Нужна ещё и инверторная работа для рекуперации. Так что принципиальной разницы нет - как сторона общей сети, так и сторона контактной сети должны уметь работать и как выпрямитель, и как инвертор.

[Andrey Lukyanov]

О простом выпрямлении речь не идёт в любом случае. Нужна ещё и инверторная работа для рекуперации. Так что принципиальной разницы нет - как сторона общей сети, так и сторона контактной сети должны уметь работать и как выпрямитель, и как инвертор.

При напряжении 30 кВ инверторная работа будет не особо нужна, так как весь ток рекуперации будет потребляться другими электровозами на расстоянии до нескольких сотен километров (если КС не разделена на изолированные отрезки).

[Toman]

(если КС не разделена на изолированные отрезки)

А как же защиту от КЗ делать без такого разделения?

Ну и вообще, рассчитывать на потребление другим ЭПС в этом деле слишком рискованно. Какие-то полигоны просто не будут иметь размеров в сотни километров, где-то в какие-то моменты не будет достаточного потребления, где-то будут происходить как минимум временные разделения КС по той же защите, и т.п. - и всё время будет довольно существенный риск внезапного срыва рекуперации. А срыв электрического торможения - это штука довольно-таки неприятная, в т.ч. по безопасности. Можно, конечно, на всякие такие крайние случаи тупо сопротивления держать на подстанциях, и если что, спускать энергию на нагрев окружающей среды.

[Andrey Lukyanov]

Можно, конечно, на всякие такие крайние случаи тупо сопротивления держать на подстанциях, и если что, спускать энергию на нагрев окружающей среды.

Можно держать сопротивления на самом электровозе и при необходимости автоматически переключаться на реостатное торможение (как было сделано на ЭР22). Заодно это обеспечит возможность электрического торможения при полном отключении КС.

[Toman]

Можно держать сопротивления на самом электровозе

Так это как раз то, от чего всё время стремились уйти, например, на переменниках.

На тех же электричках постоянного тока, поездах метро, электровозах постоянного тока с собственным принудительным обдувом сопротивлений (вроде всяких ЧС200, ЧС6, ЧС2т, ЧС7, ЭП2к) - эти самые сопротивления и управляющие ими контакторы "бесплатные" - там они всё равно уже стоят для реостатного пуска - и зато всякого другого оборудования сравнительно мало - т.е. места для них заведомо достаточно. На том же подвижном составе, где пуск не реостатный, и электровоз весь набит всяким оборудованием - это и классические переменники, и постоянники с импульсным пуском, и любые электровозы с асинхронным или вентильным приводом - эти сопротивления и их вентиляторы обдува - совершенно отдельное оборудование. Скажем, запихнуть это дело в ВЛ80т, с было той ещё задачкой, при том, что и в ВЛ80к было не то чтоб просторно. Провернули трюк, чтоб обойтись без дополнительных вентиляторов - хотя это (обдувать сопротивления нерегулируемыми вентиляторами с асинхронным приводом от сети, а не собственными постоянного тока) в общем не очень хорошее решение, пожалуй. (И, что характерно, запихнуть-то запихнули, а в реальной жизни этим реостатным тормозом на ВЛ80т, с практически никто нигде не пользовался, насколько я знаю).
А потом как стали делать переменники со статическими преобразователями, умеющими выполнять функцию инвертора - от сопротивлений на электровозах наконец с облегчением избавились, и вот как раз на ВЛ80р, ВЛ85, ВЛ65, ЭП1* рекуперативным торможением активно пользовались с самого начала и активно пользуются и по сей день.

Вот что мешало таки приспособить сопротивления для торможения на отечественных грузовых постоянниках - непонятно, тем более, что внезапные срывы рекуперации - это проблема в основном как раз постоянки, с её короткими расстояниями между подстанциями и соотв. очень сильно скачущим потреблением тока соседними поездами (другой вопрос, что сама рекуперация на классических постоянниках актуальна только в горах или каких-то отдельных местах с тяжёлым профилем, её там невозможно использовать для замедления (но, внезапно, возможно использовать для тяги ) ). Так-то да, можно ж было бы присобачить на постояннике с рекуперацией нехитрый автомат, который бы при приближении напряжения к слишком большому автоматически включал бы сопротивления, естественно, с активным обдувом.

Но с точки зрения надёжности и универсальности иметь тормозные сопротивления, конечно, полезно. Где-то, допустим, окажутся подстанции, вообще не умеющие принимать мощность, где-то вся энергосистемы взбрыкнёт, где-то не оправдается расчёт на потребление соседних поездов, где-то нейтральная вставка или обесточенный отрезок КС.  Просто за это придётся платить и цену самого этого очень редко используемого оборудования, и специально следить за его работоспособностью, устраивая искусственные проверки, и жертвовать мощностью электровоза, поскольку ради веса и объёма сопротивлений с вентиляторами придётся как-то урезать тяговое оборудование.

А уж если локомотив является теплоэлектровозом, то реостатный тормоз вообще маст хэв, тут-то он постоянно будет в работе штатно на неэлектрифицированных участках.