Почему поезда перешли на электричество
В 1880-х годах паровые локомотивы были вершиной транспортной технологии — мощные, надёжные, но прожорливые и дымные. Когда Вернер фон Сименс в 1879 году провёз пассажиров на первом электрическом трамвае в Берлине, мало кто предполагал, что через 100 лет электрическая тяга станет стандартом для половины мировых железных дорог.
Электрификация железных дорог — перевод тяги с теплового двигателя на электродвигатели, питаемые от внешней контактной сети. Электровоз или электропоезд не несёт источник энергии — он получает ток с пути или от воздушного провода.
Системы электрификации: постоянный и переменный ток
Существуют несколько стандартов тягового тока, сложившихся исторически:
- Постоянный ток 750 В — третий рельс. Применяется в метро (Лондон, Москва, Нью-Йорк). Напряжение низкое, требует частых подстанций
- Постоянный ток 1500 В — контактный провод. Франция (пригороды), Нидерланды, Япония (старые линии)
- Постоянный ток 3000 В — Россия, страны СНГ, часть Европы, Индия. Основной стандарт советских электрифицированных дорог
- Переменный ток 25 кВ, 50 Гц — современный стандарт высокоскоростных и новых дорог по всему миру. Позволяет передавать мощность на большие расстояния с меньшими потерями
- Переменный ток 15 кВ, 16⅔ Гц — Германия, Австрия, Швейцария, Скандинавия. Исторически сложившийся европейский стандарт
Контактная сеть: как ток попадает в поезд
Воздушная контактная сеть — это система медных или бронзовых проводов, натянутых над путём. Токоприёмник (пантограф) на крыше поезда скользит по контактному проводу, снимая ток. Обратный ток возвращается через рельсы. В метро и трамваях часто используется третий рельс (боковой или нижний) — безопаснее на закрытых участках.
Контактный провод испытывает колоссальные нагрузки: механические (от пантографа), термические (нагрев током), климатические. Скоростные дороги требуют провода под натяжением 15–27 кН и высотой подвески, скомпенсированной специальными грузами на концах.
Преимущества электрической тяги
Электровозы превосходят тепловозы по нескольким параметрам. КПД: электровоз — 85–90%, тепловоз — 33–38% (оставшееся — тепло). Мощность: электровоз может получать практически неограниченную мощность от сети; тепловоз ограничен дизелем. Разгон: электродвигатели дают максимальный крутящий момент немедленно — важно для пригородного движения. Экология: нет выбросов непосредственно у поезда (при «чистой» электросети — и суммарных выбросов меньше). Обслуживание: проще и дешевле — нет сложного дизельного двигателя.
Электрификация в России
Советский Союз проводил масштабную электрификацию с 1920-х годов. Программа ГОЭЛРО создала базу для электрификации транспорта. К 1960-м годам основные грузонапряжённые магистрали СССР были электрифицированы. Сегодня РЖД — крупнейшая в мире электрифицированная железнодорожная сеть по протяжённости электрифицированных линий (около 43 000 км, более 40% всей сети). Эксплуатируется сочетание систем 3 кВ постоянного тока (большинство) и 25 кВ переменного (новые линии).
Мировые тренды: дальнейшая электрификация и водородные поезда
Около 30% мировой железнодорожной сети электрифицировано, но на эти линии приходится около 70% пассажиро- и тонно-километров — потому что электрифицируются прежде всего самые напряжённые направления. Оставшиеся 70% сети (низкоинтенсивные линии) — кандидаты для электрификации или альтернативных технологий: водородных поездов (Alstom Coradia iLint, работающий в Германии с 2018 года) или аккумуляторных электричек.