Электрификация железных дорог в Советском Союзе
Электрификация железной дороги в Советском Союзе
Электровоз, произведенный в СССР в 1933 году (разработан в США фирмой GE) — «Сурамский Советский», 14-й агрегат, произведенный

Хотя бывший Советский Союз поздно (и медленно) начал электрификацию железных дорог в 1926 году, в конечном итоге он стал мировым лидером в электрификации с точки зрения объема перевозок под проводами. За последние 30 лет Советский Союз перевез примерно столько же железнодорожных грузов, сколько все остальные страны мира вместе взятые, и в конечном итоге более 60% из них было перевезено электровозами. Электрификация была экономически эффективной из-за очень высокой плотности движения и временами прогнозировалась как минимум на 10% окупаемость инвестиций в электрификацию (для замены тепловозной тяги). К 1990 году электрификация составляла примерно половину 3 кВ постоянного тока и половину 25 кВ переменного тока 50 Гц , а 70% [1] пассажиро-километров железных дорог приходилось на электрифицированные железные дороги.

Прогресс электрификации [1] [2]
Год19401945195019551960196519701975198019881991
Электрифицировано на постоянном токе, Мм (Мегаметры)1.82.0-5.312.417.021.424.026.027.3
Электрифицировано на 25 кВ переменного тока, Мм (Мегаметры)00-0.11.48.012.514.817.725.5
Всего электрифицировано Мм (мегаметров)1.82.03.05.413.824.933.938.943,752.954.3
% железнодорожной сети1.82.03.04.511.019.025.028.130.836.1
% железнодорожных грузоперевозок (в тонно -км)2.02.43.28.421.839.448.751.654,663.1
Электровоз ВЛ80 Т для перевозки грузового поезда

Сравнение с США и другими странами

По сравнению с США, Советский Союз начал электрификацию очень медленно, но позже значительно превзошел США. Электрификация в США достигла своего максимума в 5000 км в конце 1930-х годов [3] , что как раз совпало с началом электрификации в СССР.

Примерно через 20 лет после распада Советского Союза в 1991 году Китай стал новым мировым лидером в области электрификации железных дорог, к 2013 году было электрифицировано 48 000 км, и этот показатель продолжает расти. [4]

Мегаметры (тысячи километров) электрифицированных линий ( около 1987 г.) [5]
СтранаСССРЯпонияЗападная ГерманияФранция
Мм электрифицированного маршрута51.7141211
Общая протяженность железнодорожных путей Мм144282834
Процент электрифицированных маршрутов35,9%50.0%42,8%32.3%
Мм, постоянный ток (DC)27.380.86
Мм, Переменный ток (AC) (50 Гц)24.4611.2 ( 16+2 ⁄ 3  Гц)5

История

1920-е годы: Ленин поддерживает электрификацию железных дорог

Замена паровой тяги (на линиях с интенсивным движением) электрификацией была экономически эффективной [6] , и это стало толчком к первым электрификациям в 1930-х годах. Национальный план электрификации 1920 года, ГОЭЛРО — ГОЭЛРО (на русском языке) [7] включал электрификацию железных дорог и был решительно поддержан Лениным , лидером Советской революции . Ленин написал письмо [8], подразумевая, что если электрификация железных дорог невозможна в настоящее время, может быть, она невозможна и через 5–10 лет. И на самом деле, электрификация железных дорог фактически началась несколько лет спустя, но Ленин не дожил до этого.

В 1926 году для пригородных моторвагонных поездов был открыт участок длиной 19 км от Баку , электрифицированный при напряжении 1200 В постоянного тока. [9] В 1929 году был открыт участок длиной 18 км от Москвы до Мытищ, электрифицированный при напряжении 1500 В. Дальнейшие электрификации в 1930-х годах будут более существенными и в основном при напряжении 3000 В постоянного тока (3 кВ).

1930-е годы

Некоторая новая электрификация на 1,5 кВ все еще продолжалась, но в 1930-х годах более чем в три раза больше электрификации использовалось 3 кВ. [10] Электрификация магистральной железной дороги на 3 кВ. в Советском Союзе началась в 1932 году с открытием участка постоянного тока 3000 В в Грузии на Сурамском перевале между столицей, Тбилиси , и Черным морем . [11] Уклон был крутым : 2,9%. Первоначальный парк из восьми электровозов был импортирован из Соединенных Штатов и был изготовлен General Electric (GE). Советы получили чертежи конструкции от GE, что позволило им построить локомотивы той же конструкции. Первый электровоз, построенный в СССР, был отечественной конструкции, завершенной в ноябре 1932 года. Позже в том же месяце был завершен второй локомотив, копия локомотива GE. Сначала было сделано гораздо больше копий конструкции США, чем советской конструкции. Затем, в течение двух лет, больше локомотивов советской конструкции не производилось.

Все пятилетние планы электрификации в 1930-х годах оказались недовыполненными. К октябрю 1933 года первый пятилетний план предусматривал электрификацию в СССР в объеме 456 км против фактически достигнутых 347 км. [12] Последующие пятилетние планы были еще более недовыполнены. Во 2-м пятилетнем плане (до 1937 года) было запланировано 5062 км против фактических 1632. В 3-м пятилетнем плане (до 1942 года) было запланировано 3472 км против фактических 1950, но начало Второй мировой войны в середине 1941 года способствовало этому недовыполнению.

Вторая мировая война

К 1941 году СССР электрифицировал только 1865 маршрутных километров. [13] Это значительно отставало от США, где было электрифицировано почти 5000 километров. [14] Однако, поскольку железнодорожная сеть СССР была намного короче, чем в США, процент электрифицированных советских железнодорожных километров был больше, чем в США. Во время Второй мировой войны западная часть Советского Союза (включая части России ) была захвачена нацистской Германией . Около 600 км электрификации было демонтировано [15] непосредственно перед вторжением, но после того, как немцы были окончательно изгнаны, часть демонтированной электрификации была восстановлена. После войны наивысшим приоритетом было восстановление разрушений, вызванных войной, поэтому крупная электрификация железных дорог была отложена еще примерно на 10 лет.

Послевоенный

В 1946 году СССР заказал 20 электровозов у ​​General Electric [16], той же американской корпорации, которая поставляла локомотивы для первой советской электрификации. Из-за холодной войны они не могли быть доставлены в СССР, поэтому их продали в другие места. Milwaukee Road и некоторые другие железнодорожные компании в США получили 12, которые были переделаны под стандартную колею. Их прозвали «Little Joes» («Joe» от Иосифа Сталина , советского премьера ).

В середине 1950-х годов СССР начал двухсторонний подход к замене паровозов . Они хотели электрифицировать линии с высокой плотностью движения и медленно перевести остальные на дизель . Результатом стало медленное, но устойчивое внедрение как электрической, так и дизельной тяги, которое продолжалось примерно до 1975 года, когда были выведены из эксплуатации их последние паровозы. [17] В США пар прекратил свое существование около 1960 года, [18] на 15 лет раньше, чем в СССР.

После того, как дизелизация и электрификация полностью заменили пар, они начали преобразовывать дизельные линии в электрические, но темпы электрификации замедлились. К 1990 году более 60% железнодорожных грузовых перевозок осуществлялись с помощью электрической тяги. [19] [20] Это составляло около 30% грузов, перевозимых всеми железными дорогами мира (всеми типами локомотивов) [21] и около 80% железнодорожных грузовых перевозок в США (где железнодорожные грузоперевозки составляли почти 40% модальной доли ). [22] междугородних грузовых перевозок в тонно-милях. СССР перевозил больше железнодорожных грузов, чем все остальные страны мира вместе взятые, и большая часть этих грузов перевозилась по электрифицированной железной дороге.

Электрификация в отдельных (бывших) советских республиках

Эстония

Электрифицированные железнодорожные линии в Эстонии в 2016 году

Эстонская железная дорога использует для пригородных перевозок железнодорожные линии постоянного тока напряжением 3000 В общей протяженностью 132,5 км. Это железнодорожные линии:

  • Таллин – Пяэскюла – Электрифицирована в 1924 году до 1200 В постоянного тока , это была первая электрифицированная железнодорожная линия в Прибалтике.
  • Таллинн – Кейла – Линия была электрифицирована в 1958 году до 3000 В постоянного тока . [23]
  • Кейла – Палдиски – электрифицирован 1958–1962 гг. [24]
  • Клоога – Клоогаранна – электрифицировано в 1960 году. [25]
  • Таллинн – Кехра – электрифицирован в 1973 году.
  • Кехра – Аэгвийду – электрифицирован в 1978 году.
  • Кейла – Турба – линия между участками Кейла – Васалемма была электрифицирована в 1965 году и между Васалемма – Риисипере в 1981 году. Электрифицированный участок между Рийзипере и Турба был открыт в декабре 2019 года. [26]

Ведется электрификация государственной сети пассажирских перевозок на восток и юг, причем новые участки к востоку от Аэгвийду строятся как 25 кВ переменного тока по сравнению с существующей сетью пригородных перевозок на 3 кВ постоянного тока . Первой будет завершена железная дорога Таллинн – Тарту, участок между Аэгвийду и Йыгева, как ожидается, будет готов к февралю 2025 года, а оттуда до Тарту – к августу 2025 года. После этого электрификация железной дороги Тапа – Нарва должна быть завершена к концу 2026 года. [27] Ранее запланированная полная электрификация государственной пассажирской сети, включая ответвления к югу от Тарту до Валги и Койдулы, больше не планируется из-за высоких затрат на строительство, однако вместо этого могут рассматриваться поезда на аккумуляторных батареях . [28]

Кыргызстан

В Кыргызстане нет электрифицированных железных дорог.

Латвия

Электрифицированные линии в Латвии в 2016 году

Латвийская железнодорожная сеть имеет 257 километров электрифицированных 3 кВ постоянного тока на четырех линиях, сосредоточенных вокруг Риги . LDz имеет следующие электрифицированные железнодорожные линии: [29]

На 2015–2020 годы запланирован график электрификации следующих железнодорожных линий:

  • Айзкраукле – Крустпилс
  • Крустпилс – Резекне
  • Крустпилс – Даугавпилс
  • Крустпилс – Елгава
  • Елгава – Тукумс 2
  • Тукумс 2 – Вентспилс

Проект не был реализован в соответствии с графиком, и в марте 2020 года было принято решение об его ограничении по финансовым причинам.

К 2040 году планируется электрификация всей железнодорожной сети страны с переходом на напряжение 25 кВ переменного тока . [30]

Литва

29 декабря 1975 года введена в эксплуатацию тяговая сеть на железной дороге Вильнюс–Каунас , а в 1979 году электрифицирована линия Новое Вильно – Каунас и Лентварис – Траке. [31]

Молдова/Приднестровье

Молдова — одна из трех европейских стран, где нет ни одной электрифицированной железнодорожной линии.

Россия

После распада Советского Союза в 1991 году железнодорожные перевозки в России резко сократились [32] , и новые крупные проекты по электрификации не были реализованы, но работа продолжалась по некоторым незавершенным проектам. Линия до Мурманска была завершена в 2005 году. [33] [34] Электрификация последнего участка Транссибирской магистрали от Хабаровска до Владивостока была завершена в 2002 году. [35] К 2008 году тонно-километры, перевозимые электропоездами в России, возросли примерно до 85% железнодорожных грузоперевозок. [19]

Таджикистан

В Таджикистане нет ни одной электрифицированной железнодорожной линии.

Туркменистан

В настоящее время в Туркменистане нет ни одной электрифицированной железнодорожной линии. Планируется электрифицировать линию Туркменабат – Туркменбаши. [36] [37]

Украина

Летом 2021 года началась электрификация железнодорожной линии Ковель — Изов, которую планировалось завершить 1 июня следующего года. Работы были остановлены 24 февраля из-за вторжения России . В марте работы по электрификации возобновились и были завершены 15 июня. [38]

К 2024 году украинские железные дороги планировали электрифицировать 500 километров железнодорожных линий. [39]

Энергоэффективность

По сравнению с дизелями

Частично из-за неэффективной генерации электроэнергии в СССР (только 20,8% тепловой эффективности в 1950 году против 36,2% в 1975 году), в 1950 году тепловозная тяга была примерно в два раза более энергоэффективной, чем электрическая тяга [40] (в пересчете на чистый тонно-км груза на кг «стандартного топлива» [41] ). Но по мере повышения эффективности генерации электроэнергии [42] (и, следовательно, электрической тяги) примерно к 1965 году электрические железные дороги стали более эффективными, чем дизельные. После середины 1970-х годов электровозы потребляли примерно на 25% меньше топлива на тонно-км. Однако дизели в основном использовались на однопутных линиях с изрядным объемом движения [43], где дизельные поезда тратили энергию на торможение до остановки, чтобы проехать мимо встречных поездов. Таким образом, более низкий расход топлива электровозами может быть отчасти обусловлен лучшими условиями эксплуатации на электрифицированных линиях (например, двухпутных), а не изначальной энергоэффективностью . Тем не менее, стоимость дизельного топлива была примерно в 1,5 раза [44] больше (в расчете на единицу тепловой энергии), чем стоимость топлива, используемого на электростанциях (вырабатывающих электроэнергию), что делало электрические железные дороги еще более энергоэффективными.

Помимо повышения эффективности электростанций, наблюдалось повышение эффективности (между 1950 и 1973 годами) использования этой электроэнергии на железных дорогах с падением энергоемкости с 218 до 124 кВт ·ч/10 000 тонно-км брутто (как пассажирских, так и грузовых поездов) или падением на 43%. [45] Поскольку энергоемкость является обратной величиной энергоэффективности, она падает по мере повышения эффективности. Но большая часть этого 43%-ного снижения энергоемкости также пошла на пользу дизельной тяге. Преобразование подшипников скольжения с подшипников скольжения на роликовые , увеличение веса поезда, [46] преобразование однопутных линий в двухпутные (или частично двухпутные) и ликвидация устаревших двухосных грузовых вагонов повысили энергоэффективность всех типов тяги: электрической, дизельной и паровой. [45] Однако, сохранилось снижение энергоемкости на 12–15%, что пошло на пользу только электрической тяге (а не дизельной). Это произошло из-за усовершенствований локомотивов, более широкого использования рекуперативного торможения (которое в 1989 году перерабатывало 2,65% электроэнергии, используемой для тяги, [47] ), дистанционного управления подстанциями, лучшего управления локомотивом локомотивной бригадой и усовершенствований в автоматизации. Таким образом, общая эффективность электрической тяги по сравнению с дизельной более чем удвоилась в период с 1950 по середину 1970-х годов в Советском Союзе . Но после 1974 года (по 1980 год) не было никаких улучшений в энергоемкости (Вт·ч/тонна-км), отчасти из-за увеличения скоростей пассажирских и грузовых поездов. [48]

Постоянный ток против переменного тока

В 1973 году (согласно таблице ниже) тяга постоянного тока при 3000 вольт теряла примерно в 3 раза больше энергии (в процентном отношении) в контактной сети , чем переменный ток при 25 000 вольт. Парадоксально, но оказалось, что локомотивы постоянного тока были несколько более эффективными в целом, чем локомотивы переменного тока. «Вспомогательные электродвигатели» в основном используются для воздушного охлаждения электрических машин, таких как тяговые двигатели . Электровозы концентрируют мощные электрические машины в относительно небольшом пространстве и, таким образом, требуют большого охлаждения. [49] Согласно таблице ниже, для этого используется значительное количество энергии (11–17%), но при работе на номинальной мощности используется только 2–4%. [50] Тот факт, что охлаждающие двигатели работают на полной скорости (и мощности) все время, делает их энергопотребление постоянным, поэтому, когда двигатели локомотива работают на низкой мощности (намного ниже номинального режима), процент этой мощности, используемый для охлаждения вентиляторов, становится намного выше. Результатом является то, что в реальных условиях эксплуатации процент энергии, используемой для охлаждения, в несколько раз выше «номинальных». Согласно таблице ниже, локомотивы переменного тока потребляют примерно на 50% больше энергии для этой цели, поскольку в дополнение к охлаждению двигателей, нагнетатели должны охлаждать трансформатор , выпрямители и сглаживающий реактор (индукторы), которые в основном отсутствуют на локомотивах постоянного тока. [51] 3-фазное питание переменного тока для этих двигателей нагнетателей подается от роторного фазового преобразователя , который преобразует одну фазу (от контактной сети через главный трансформатор) в 3 фазы (и это также требует энергии). Предлагается снизить скорость нагнетателя, когда требуется меньше охлаждения. [52]

% Потерянная (и использованная) электроэнергия [53]
Тип токаокруг КолумбияАС
Цепная линия8.02.5
Подстанции4.02.0
Встроенный выпрямитель04.4
Вспомогательные электродвигатели11.017.0
Тяговые двигатели и передачи77.074.1
Общий100100

Эффективность тягового двигателя и передач

Хотя приведенная выше таблица показывает, что около 75% электроэнергии, подаваемой на железнодорожную подстанцию, фактически достигает электродвигателей тяги локомотива, остается вопрос о том, сколько энергии теряется в тяговом двигателе и простой зубчатой ​​передаче (всего две шестерни). Некоторые в СССР считали, что это около 10% (90% эффективности). [54] Но в противовес этому утверждалось, что фактические потери были значительно выше, поскольку средняя мощность, используемая локомотивом во время «движения», составляла всего около 20% от номинальной мощности, с более низкой эффективностью на более низких уровнях мощности. Однако проверка российских книг по этому вопросу показывает, что сторонники 90% эффективности могут быть не так уж далеки от истины. [55]

При расчете средней эффективности за определенный период времени необходимо взять среднее значение эффективности, взвешенное по произведению потребляемой мощности и времени (этого сегмента потребляемой мощности): где — потребляемая мощность, а — эффективность за определенное время [56] Если эффективность низкая при очень низкой мощности, то эта низкая эффективность имеет низкий вес из-за низкой мощности (и малого количества потребляемой энергии). И наоборот, высокая эффективность (предположительно при высокой мощности) получает высокий вес и, таким образом, имеет большее значение. Это может привести к более высокой средней эффективности, чем та, которая была бы получена при простом усреднении эффективности за определенный период времени. Другое соображение заключается в том, что кривые эффективности (которые отображают эффективность в зависимости от тока) имеют тенденцию быстро падать как при низком токе, так и при очень высоком токе для эффективности тягового двигателя и при низкой мощности для эффективности передачи), поэтому это не линейная зависимость. Исследования [57] для тепловозов показывают, что нижние отметки (за исключением отметки 0, которая означает «двигатель выключен») контроллера (и особенно отметка 1 — самая низкая мощность) используются гораздо реже, чем верхние отметки. При очень высоких токах резистивные потери велики, поскольку они пропорциональны квадрату тока. Хотя локомотив может превысить номинальный ток, если он станет слишком большим, колеса начнут проскальзывать. [58] Поэтому вопрос без ответа заключается в том, как часто номинальный ток превышается и как долго? Инструкции по запуску поезда с места [59] предлагают превысить ток, когда колеса обычно начинают проскальзывать, но чтобы избежать такого проскальзывания, насыпьте песок на рельсы (автоматически или нажав кнопку «песок» как раз в тот момент, когда колеса начинают проскальзывать). η м е а н = ∑ я п я т я η я ∑ я п я т я {\displaystyle \eta _{mean}={\frac {\textstyle \sum _{i}p_{i}t_{i}\eta _{i}}{\textstyle \sum _{i}p_{i}t_{i}}}} п я {\displaystyle p_{i}} η я {\displaystyle \эта _{я}} т я {\displaystyle t_{i}}

Проверка графика эффективности редуктора тягового двигателя [60] показывает 98% эффективности при номинальной мощности, но только 94% эффективности при 30% номинальной мощности. Чтобы получить эффективность двигателя и редукторов (соединенных последовательно), необходимо умножить две эффективности. Если взвешенная эффективность тягового двигателя составляет 90%, то 90% x 94% = 85% (очень грубая оценка), что не намного ниже оценки сторонников 90%, упомянутых выше. Если согласно таблице 75% мощности подстанции достигает двигателей локомотива, то 75% x 85 = 64% (грубо) мощности подстанции (из энергосистемы СССР) достигает колес локомотивов в виде механической энергии для тяги поездов. Это не считая мощности, используемой для «хозяйственного обслуживания» (отопление, освещение и т. д.) в пассажирских поездах. Это по всему диапазону условий эксплуатации в начале 1970-х годов. Существует ряд способов значительно улучшить этот показатель в 64%, но он не учитывает экономию за счет рекуперации (использования тяговых двигателей в качестве генераторов для возврата электроэнергии на контактную сеть для питания других поездов).

Экономика

В 1991 году (последний год существования Советского Союза ) стоимость электрификации одного километра составляла 340–470 000 рублей [61] и требовала до 10 тонн меди. Таким образом, электрификация была дорогой. Стоила ли экономия за счет электрификации затрат? По сравнению с неэффективными паровозами, легко привести доводы в пользу электрификации. [62] Но как электрификация экономически соотносится с тепловозами, которые начали внедряться в СССР в середине 1930-х годов и были значительно дешевле паровой тяги? [63] Позже были даже написаны целые книги на тему сравнения экономии электрической и дизельной тяги. [64]

Электрификация требует высоких фиксированных затрат, но приводит к экономии эксплуатационных расходов на тонно-км. Чем больше тонно-км, тем больше эта экономия, так что более высокий трафик приведет к экономии, которая более чем покрывает фиксированные затраты. Крутые уклоны также благоприятствуют электрификации, отчасти потому, что рекуперативное торможение может восстановить часть энергии при спуске по уклону. Использование формулы ниже для сравнения дизельного и электрического на двухпутной линии с уклоном Ruling от 0,9 до 1,1% и плотностью около 20 миллионов т-км/км (или выше) приводит к меньшим затратам на электротягу с предполагаемой 10% окупаемостью, необходимой на капитальные вложения. [65] Для более низкого трафика дизельная тяга будет более экономичной согласно этой методологии.

Формула окупаемости инвестиций

Решение об электрификации должно быть основано на окупаемости инвестиций, и приводятся примеры, которые предлагают электрификацию только в том случае, если инвестиции в электрификацию не только окупятся за счет более низких эксплуатационных расходов, но и дополнительно дадут процентную окупаемость инвестиций. Пример процентной окупаемости инвестиций составляет 10% [66] и 8%. [67] При сравнении двух (или более) альтернатив (таких как электрификация или дизельизация железнодорожной линии) рассчитывается общая годовая стоимость, используя определенную процентную окупаемость капитала, а затем выбирается альтернатива с наименьшей стоимостью. Формула для общей годовой стоимости выглядит так: Э прi =Э i +Е н К i [68] где нижний индекс i - это i-я альтернатива (все остальные буквы, кроме i, находятся в русском алфавите ), Э i - годовая стоимость альтернативы i (включая амортизацию капитала), Е н - процентная ставка, а К i - стоимость (цена) капитальных вложений для альтернативы i. Но ни в одной из ссылок, цитируемых здесь (и в других местах), Е н не называется процентной ставкой. Вместо этого они описывают это как обратную величину количества лет, необходимых для того, чтобы чистая выгода от инвестиций окупила инвестиции, где чистая выгода рассчитывается за вычетом уплаты амортизационных «затрат» инвестиций. Кроме того, в разных книгах иногда используются разные буквы для этой формулы.

Расходы на топливо/электроэнергию

В начале 1970-х годов стоимость предоставления механической энергии для движения поездов (эксплуатационные расходы локомотива) составляла 40–43% от общих эксплуатационных расходов железных дорог. [69] Сюда входят стоимость топлива/электроэнергии, эксплуатация/обслуживание локомотивов (включая заработную плату бригады), обслуживание системы электроснабжения (для электрифицированных линий) и амортизация. Из стоимости предоставления этой механической энергии (эксплуатационные расходы локомотива) расходы на топливо и электроэнергию составляли 40–45%. Таким образом, расходы на топливо/электроэнергию являются весьма значительными компонентами затрат, и электрическая тяга, как правило, потребляет меньше энергии (см. #Энергоэффективность).

Можно построить график стоимости топлива в год как функции потока движения (в чистых тоннах /год в одном направлении) для различных предположений (правящих марок, модели локомотива, одно- или двухколейного пути [70] и цен на топливо/электроэнергию), что приводит к большому количеству таких построенных кривых. [71] Для цен на энергию в начале 1970-х годов в 1,3 копейки / кВт ·ч и 70 рублей / тонну для дизельного топлива эти кривые (или таблицы, основанные на них) показывают, что стоимость топлива/электроэнергии была примерно в 1,5–2 раза выше для дизельного режима работы, чем для электрического. [72] Точное соотношение, конечно, зависит от различных предположений, и в крайних случаях низких цен на дизельное топливо (45 рублей / тонну ) и высокой стоимости электроэнергии (1,5 копейки/ кВт·ч ) стоимость дизельного топлива для железнодорожного движения ниже стоимости электроэнергии. [73] Все эти кривые показывают, что разница в стоимости энергии (дизельного и электрического) увеличивается с потоком движения. Можно аппроксимировать вышеупомянутые кривые кубическими функциями транспортного потока (в чистых тоннах /год) с коэффициентами, являющимися линейными функциями цен на топливо/электроэнергию. В математике такие коэффициенты обычно показываются как константы, но здесь они также являются математическими функциями [74] Такое использование математических формул облегчает компьютерную оценку альтернатив.

Расходы, не связанные с топливом/энергией

В некотором смысле, это компоненты стоимости механической энергии, подаваемой на колеса локомотива, но они не являются ни жидким топливом, ни электричеством. Хотя электрическая тяга обычно экономит расходы на топливо/электроэнергию, как насчет других сравнений затрат? Из стоимости эксплуатации локомотива расходы на техническое обслуживание и ремонт электровозов составили около 6% по сравнению с 11% у тепловозов. [69] Помимо более низких расходов на техническое обслуживание/ремонт, утверждается, что стоимость рабочей силы (бригады) при эксплуатации электровозов немного ниже для электровозов. Расходы на смазку меньше для электровозов (у них нет дизельных двигателей, которые нужно заправлять смазочным маслом). [75]

Стоимостным преимуществам электрической тяги противостоят стоимостные недостатки электрификации: в первую очередь, расходы на контактную сеть и подстанции (включая расходы на техническое обслуживание). Оказывается, что примерно половина годовых расходов идет на амортизацию для погашения первоначальной стоимости установки, а другая половина — на техническое обслуживание. [76] Важным фактором было использование железнодорожной электроэнергетической системы в Советском Союзе для снабжения общественной электроэнергией жилых домов, ферм и нежелезнодорожной промышленности, которая в начале 1970-х годов составляла около 65% электроэнергии, потребляемой поездами. Таким образом, разделение затрат на электрификацию с внешними потребителями электроэнергии снижает стоимость электрификации железных дорог, что приводит к снижению годовых затрат на электрификацию на 15–30%. Утверждается, что это разделение затрат значительно несправедливо благоприятствовало внешним пользователям электроэнергии за счет железной дороги. [77] Однако (в начале 1970-х годов) утверждалось, что годовые затраты на электрификацию железных дорог (включая техническое обслуживание) составляли лишь от трети до половины выгод от экономии затрат на топливо, что благоприятствовало развитию электрической тяги (если пренебречь процентными расходами на капитал и интенсивность движения достаточно высока).

Исторические затраты на эксплуатацию локомотивов: электрические и дизельные

В следующей таблице приведены эти затраты за 1960 и 1974 годы в рублях на 100 000 тонно-километров валовой перевозки грузов. Эти затраты включают капитальные затраты за счет амортизационных отчислений (в условиях отсутствия инфляции).

Стоимость эксплуатации локомотива, руб./10 5 тонно-км брутто [78]
Год19601974
Тип ЛокомотивЭлектрическийДизельЭлектрическийДизель
Общие эксплуатационные расходы35.1335.3435.148.8
Включая:
Ремонт и техническое обслуживание локомотивов1.273.391.43.72
Электричество или топливо15.4212.9115.1821.18
Заработная плата локомотивных бригад4.695.844.336.25
Накладные расходы и прочее4.097.164.519.44
Амортизация9.996.579.688.12

Обратите внимание, что «амортизация» для электрической тяги включает в себя расходы на техническое обслуживание и амортизацию контактной сети и электрических подстанций. Для обоих типов тяги включена амортизация ремонтных мастерских. Для тепловозной тяги есть амортизация топливозаправочных комплексов. Более высокая амортизация тепловоза с лихвой компенсируется амортизацией контактной сети и подстанций в случае электрической тяги.

В 1960 году стоимость электроэнергии и дизельного топлива была примерно одинаковой, но в 1974 году, после значительного повышения цен на дизельное топливо из-за нефтяного кризиса 1973 года , стоимость электрической тяги снизилась. Обратите внимание, что к амортизации не добавляются процентные платежи.

Сравнение общих годовых затрат

Согласно расчетам Дмитриева [79], даже линия с низкой плотностью движения в 5 миллионов тонно-км/км (в обоих направлениях) окупит стоимость электрификации, если процентная ставка равна нулю (Е н =0) [80] (нет возврата инвестиций). По мере увеличения плотности движения соотношение годовых расходов на дизельное топливо и электроэнергию (включая амортизацию) увеличивается. В экстремальном случае (плотность движения 60 миллионов тонно-км/км и 1,1% правящего класса) эксплуатационные расходы на дизельное топливо (включая амортизацию) на 75% выше, чем на электроэнергию. Таким образом, электрификация линий с высокой плотностью движения действительно окупается.

Годовой коэффициент эксплуатационных расходов: дизель/электричество. Включает амортизацию. Норматив 0,9%. [81]
Количество дорожекОдиночный трекДвойной путь
Плотность в миллионах тонно-км/км (сумма обоих направлений)51015204060
Соотношение эксплуатационных расходов: дизель/электро, в %104119128131149155

Электрические системы

Напряжение и ток

Электропоезд ЭР2

Первоначально СССР начал с 1500 В постоянного тока (позже преобразованного в 3000 В в 1960-х годах) [82] в начале 1930-х годов выбрал 3000 В постоянного тока для электрификации магистрали. Даже тогда было понятно, что это напряжение в 3 кВ было слишком низким для контактной сети, но слишком высоким, чтобы быть оптимальным для тяговых двигателей. Решением проблемы было использование 25 кВ переменного тока для контактной сети и обеспечение бортовых трансформаторов для понижения 25 кВ до гораздо более низкого напряжения, после чего оно выпрямлялось для обеспечения более низкого напряжения постоянного тока. Но только в конце 1950-х годов электрификация переменного тока стала значимой. [83] Другое предложение состояло в использовании 6 кВ постоянного тока\ [84] [85] и снижении высокого напряжения постоянного тока с помощью силовой электроники до его подачи на тяговые двигатели. Был изготовлен только один экспериментальный поезд с напряжением 6 кВ, и он работал только в 1970-х годах, но был снят с производства из-за низкого качества электрооборудования. [86] В последние годы существования Советского Союза велись дебаты о том, следует ли преобразовать систему постоянного тока напряжением 3000 В в стандартную систему напряжением 25 кВ или в систему постоянного тока напряжением 12 кВ. [87] Утверждалось, что постоянный ток напряжением 12 кВ имеет те же технические и экономические преимущества, что и переменный ток напряжением 25 кВ, при этом он обходится дешевле и обеспечивает сбалансированную нагрузку на национальную электросеть переменного тока (нет проблемы реактивной мощности , с которой нужно было бы иметь дело). Противники указывали, что такой шаг создаст третью стандартную систему электрификации в СССР. Одним из предложений с использованием 12 кВ было создание нового локомотива, который мог бы работать как под проводами напряжением 3 кВ, так и под проводами напряжением 12 кВ. Он преобразует 12 кВ в 3 кВ с помощью силовой электроники, а затем использует 3 кВ (полученные напрямую, если находятся под проводом 3 кВ) для питания асинхронных двигателей, также использующих силовую электронику для их управления. [85]

Тепловоз постоянного тока ВЛ10

Примеры электровозов

3 кВ постоянного тока

25 кВ переменного тока

Двойное напряжение

Смотрите также

Примечания

  1. ^ ab За 1991 год см. РИА Новости (РИА Новости; РИА=Российское информационное агентство) 29.08.2004 раздел Экономика: "Исполняется 75 лет электрификации железных дорог России" (75-летие электрификации железных дорог в России).
  2. ^ Ицаев таблица 1.2, стр.30. Исаев использует термин "перевозочная робота" (транспортная работа) для обозначения тонно -км груза, поскольку те же данные, что и в его таблице 1.2, также встречаются в таблице 4 Димитриева (стр. 43), где он более точно обозначен как "грузообороте", что однозначно переводится в тонно-км груза. Для общего количества за 1950 год см. Дмитриев таблица 4., стр. 43; но она не различает переменный или постоянный ток, что приводит к пробелам в таблице.
  3. ^ см. «Загадка электрификации» Дэвида П. Моргана, Trains (журнал), июль 1970 г., стр. 44+. Он утверждает, что электрификация достигла своего пика (в США) в 3100 миль (1,23% от маршрутных миль), но не называет дату. Но из контекста следует, что это был период между 1924 и 1957 годами. Последняя крупная электрификация была проведена Пенсильванской железной дорогой ( Pennsylvania Railroad ) во время Великой депрессии 1930-х годов. Поскольку электрифицированный километраж сократился на 2/3 к 1957 году (согласно Моргану), то пик должен был быть задолго до 1957 года. С большой электрификацией Пенсильванской железной дороги, которая проводилась в 1930-х годах, общий электрифицированный километраж, вероятно, увеличивался. Это рассуждение относит пик к концу 1930-х годов. Дмитриев стр. 116 утверждает, что в США с 1938 по 1973 год почти не было новой электрификации, что придает большую достоверность предполагаемому времени пика. Статистику по электрификации можно найти в ежегодных отчетах ныне несуществующей «Межштатной торговой комиссии» (но она еще не проверена). Заголовки включают «Ежегодный отчет по статистике железных дорог в Соединенных Штатах» (до 1955 года) и «Ежегодный отчет по статистике транспорта в Соединенных Штатах»
  4. ↑ См. "Peoples Daily Online" (на английском языке, газета) 5 декабря 2012 г. Протяженность электрических железных дорог Китая превысила 48 000 км.
  5. ^ Исаев таблица 1.1, с. 22.
  6. ^ Дмитриев (на русском языке) стр.42; Раков (на русском языке) с.392
  7. ^ аббревиатура от Государственная комиссия по электрификации России (Правительственная комиссия по электрификации России). См. Дмитриев (на русском языке) , стр. 13–14; ГОЭЛРО (на русском языке)
  8. ^ Дмитриев (на русском языке) с. 15
  9. ^ Исаев стр. 24
  10. ^ Исаев стр.30 таблица 1.2, стр.24
  11. ^ Раковкс с . 394+ См. 11.2 Сурамские электровозы (Сурамиские электровозы)
  12. ^ Вествуд. См. стр. 173 и 308: Таблица 36: «Электрификация железных дорог: планы и достижения, 1930-е годы ...»
  13. ^ Плакс , 1993, См. 1.2 (с.7+ )
  14. ^ Морган, Дэвид П., «Мистика электрификации», Trains , июль 1970 г., стр. 44.
  15. ^ Исаев (на русском) стр.25
  16. ^ Миддлтон, Уильям Д., «The Russian Electrics», Trains , июль 1970 г., стр. 42–43. Миддлтон, Уильям Д. «When the steam railways electricis 2nd ed». Univ. of Indiana, 2001 г., стр. 238
  17. ^ Плакс (на русском языке) , с. 7 Рис. 1.3
  18. ^ Факты о железной дороге: Таблица: Локомотивы в эксплуатации
  19. ^ ab «Перевозки грузов и грузооборот железнодорожного транспорта общего пользования». www.gks.ru.​
  20. ^ Плакс (на русском языке) , с. 3 (№ 3 напечатан на стр., но имеет заголовок: «От авторов»)
  21. ^ Статистический ежегодник Организации Объединенных Наций (Статистическое управление). См. таблицы в более старых выпусках под названием: "Мировые железнодорожные перевозки". С тех пор эта таблица больше не публикуется.
  22. ^ "Транспорт в Америке", Статистический анализ транспорта в Соединенных Штатах (18-е издание), с историческим сборником 1939-1999, Розалин А. Уилсон, изд. Eno Transportation Foundation Inc., Вашингтон, округ Колумбия, 2001. См. таблицу: Внутренние тонно-мили по видам транспорта, стр. 12. Обратите внимание, что американское "Бюро транспортной статистики" сообщает более низкую цифру, но его расчет включает не междугородние грузовые перевозки, а также включает каботажное судоходство, оба из которых исключены "Транспортом в Америке"
  23. ^ "ГОРИЗОНТ - инимене, лоодус, универсум" .
  24. ^ "ГОРИЗОНТ - инимене, лоодус, универсум" .
  25. ^ "ГОРИЗОНТ - инимене, лоодус, универсум" .
  26. ^ "ВИДЕО и ФОТО: Riisipere-Turba rong tegi Eesti kiireimal raudteel esimese sõidu" .
  27. ^ "Eesti Raudtee taristutööde tutvustus 2024/2025" (PDF) .
  28. ^ ERR News. Необходимость сокращения расходов означает, что электрификация железной дороги к югу от Тарту не будет продолжена
  29. ^ "Латвийская железная дорога - vēstures muzejs" . Архивировано из оригинала 29 марта 2014 г.
  30. ^ «Латвийская железная дорога объявляет о масштабных планах по электрификации железных дорог». 28 января 2022 г.
  31. ^ ""Nepriklausomybės sąsiuviniai". Kelionė Lietuvos geležinkelių istorijos bėgiais, I dalis" . 11 января 2015 г.
  32. ↑ Статистический ежегодник Организации Объединенных Наций (ООН), 40-й том, стр. 514; ООН, 48-й том, стр. 527.
  33. ^ Электрификация Мурманска (на русском языке)
  34. ^ Электрификация завершена (на русском языке)
  35. ^ "Электрификация Транссиба". Транссиб . 2 сентября 2019 г.
  36. ^ "Туркменистан намерен электрифицировать свои железные дороги". 14 сентября 2018 г.
  37. ^ "Туркменистан ускорит электрификацию своих железных дорог | Общество". 22 ноября 2019 г.
  38. ^ "Укрзалізниця завершила электрификацию дельниц Ковель—Изов—Держкордон". 15 июня 2022 г.
  39. ^ "Укрзализныця до 2024 г. электрификация 500 километров колій" . 9 ноября 2021 г.
  40. ^ Планкс Рис. 1.2, стр.6. Дмитриев, табл. 10, стр. 62-3.
  41. ^ Согласно Планксу, стр. 6. «стандартное топливо» — это топливо, содержащее 23,9 МДж/кг (7000 ккал/кг) при низшей теплоте сгорания.
  42. ^ Дмитриев, Таблица 1, стр.20
  43. ^ Хомич стр.8; Дмитриев р. 131
  44. ^ Плакс, стр.6
  45. ^ аб Перцовский стр.39
  46. ^ Больший вес может снизить удельное сопротивление поезда из-за экономии масштаба в сопротивлении качению и аэродинамическом сопротивлении.
  47. ^ Калинин стр. 4
  48. ^ Мирошниченко стр.4,7(рис.1.2б)
  49. ^ Захарченко стр.4
  50. ^ Перцовский стр.40
  51. ^ Сидоров 1988, стр. 103-4, Сидоров 1980, стр. 122-3.
  52. ^ Перцовский, стр. 42, утверждает, что установка преобразователей на локомотивах переменного тока для изменения 50 Гц вспомогательной мощности (для охлаждающих двигателей) на 16 2/3 Гц может снизить потребление воздуха для охлаждения в 15 раз. Это означает, что некоторое время нагнетатели будут работать на 1/3 скорости. См. Асинхронный двигатель#Принцип работы , где вращающееся изображение соответствует асинхронному, 4-полюсному, 3-фазному двигателю. Шесть таких двигателей (АЭ-92-4 по 40 кВт каждый) использовались на советском локомотиве переменного тока ВЛ60^к для охлаждения тяговых двигателей, трансформатора, сглаживающих реакторов, выпрямителей и т. д. См. Новочеркасский, стр. 46, 58. Согласно Engineering Letter 2, The New York Blower Company, 7660 Quincy Street, Willowbrook, Illinois 60521. Раздел "Законы о вентиляторах", закон 3, мощность вентилятора изменяется в зависимости от куба скорости, поэтому при 1/3 скорости будет использоваться только 1/27 мощности. Таким образом, заявление о 15-кратном снижении не является полностью необоснованным.
  53. ^ Перцовский таблица 3, стр.41.
  54. ^ Перцовский3, с. 41
  55. ^ В книге по эффективности дизельных двигателей (Хомич, стр. 10) указано, что время «в движении» включает время, потраченное на остановку для пропуска других поездов, а также время, потраченное на движение по инерции. Грузовые тепловозы тратили около 1/3 своего времени в пути, либо двигаясь по инерции, либо останавливаясь (поезда в Советском Союзе много двигались по инерции для экономии энергии). Если бы та же статистика была применима к электровозам, процент использования мощности увеличился бы с 20% до примерно 30%, поскольку тяговые двигатели были бы отключены 1/3 времени, и это время не должно учитываться, поскольку вопрос должен быть «во время подачи мощности локомотивом, какой процент мощности локомотива используется». Эффективность зависит от различных факторов. Винокуров, стр. 101 показывает, что эффективность достигает максимума при 75% от номинального тока, что составляет не более 75% от номинальной мощности. Для работы на низкой скорости она показывает, что максимальная эффективность достигается примерно при 40% от номинального тока. Он утверждает, что эффективность варьируется от 90 до 95%, но кривые показывают менее 80% при очень низких (10% от номинала) или очень высоких токах (125% от номинала). Эффективность также зависит от величины ослабления магнитного поля (Винокуров, стр. 54, рис. 11). Более низкие поля более эффективны.
  56. ^ Если кто-то ищет термическую эффективность, мощность обычно означает выходную мощность (механическую или электрическую). В этом случае нужно взять взвешенное гармоническое среднее эффективности, взвешенной по выходной мощности, как в уравнении на стр. 7 Хомича
  57. ^ Хомич стр. 10–12
  58. ^ Новочеркасский стр. 259, рис. 222. показаны кривые зависимости скорости от тока для каждого из 33 положений регулятора (плюс 3 положения ослабления поля), а пересечение этих кривых представляет собой жирную линию предела сцепления, где колеса, скорее всего, начнут пробуксовывать.)
  59. ^ Новочеркасский с. 308
  60. ^ Захарченко с. 19 рис. 1,7
  61. ^ Планкс стр.7
  62. ^ Дмитриев стр. 105-6
  63. ^ Дмитриев с. 34, Раков Ч. 11 Электровозы (Электровозы) с. 392
  64. ^ Одной из таких книг является книга Дмитриева, и в конце страницы 118 перечислены несколько организаций, опубликовавших отчеты по этой теме.
  65. ^ Дмитриев, стр. 237
  66. ^ Дмитриев: 0,1 (10%) подставляется на стр.245 в формулу внизу стр. 244
  67. ^ БСЭ = Большая советская энциклопедия; Приведенные затраты (общая стоимость, включая проценты)
  68. ^ Дмитриев стр. 236
  69. ^ ab Дмитриев стр. 225
  70. ^ На однопутной дороге встречные поезда должны останавливаться на запасных путях, чтобы разъехаться, что приводит к большему потреблению энергии (и большему потенциалу для рекуперативного торможения ).
  71. ^ Дмитриев с. 226, рис. 31,32
  72. ^ Дмитриев стр. 228-9
  73. ^ Дмитриев с. 228, таблица 58
  74. ^ Дмитриев стр. 226-7
  75. ^ Дмитриев стр.231 таблица 60
  76. ^ Дмитриев с. 229, таблица 59
  77. ^ Дмитриев стр. 230
  78. ^ Дмитриев стр.55
  79. ^ Дмитриев с. 233 таблица 61
  80. ^ См. #Формула возврата инвестиций
  81. ^ Дмитпиев с. 233, таблица 61
  82. ^ Исаев стр.30, таблица 1.2
  83. ^ См. начало этой страницы
  84. ^ См. русскую вики-страницу 6 кВ: Электроподвижной состав на напряжение 6000 В.
  85. ^ аб Исаев стр.345, рис.12.3
  86. ^ Мирошниченко с. 174, строки 1-9
  87. ^ Фукс Н.Л. "О выборе систем электрической тяги" Ж/Д Транс. 3-1989, стр. 38-40.

Библиография(по-английски)

Вествуд Дж. Н. Глава «Транспорт» в книге «Экономическая трансформация Советского Союза, 1913-1945» под ред. Дэвиса Р. В. и др., Cambridge University Press, 1994.

Библиография(на русском)

  • Винокуров В.А., Попов Д.А. "Электрические машины железно-доровного транспорта", Москва, Транспорт, 1986, . ISBN 5-88998-425-X , 520 стр. 
  • Дмитриев, В. А.; «Народнохозяйственная эффективность электрификации железных дорог и применения тепловозной тяги», Москва, «Транспорт», 1976.
  • Захарченко Д.Д., Ротанов Н.А. "Тяговые электрические машины" Москва, Транспорт, 1991, ISBN 5-277-01514-0 . - 343 стр. 
  • Ж/Д Транс.=Железнодорожный транспорт (Железнодорожный транспорт = Железнодорожный транспорт) (журнал)
  • Исаев, И. П.; Фрайфельд, А. Б.; "Беседы об электрической железной дороге" Москва, "Транспорт", 1989.
  • Калинин, В.К. "Электровозы и электроноезда" Москва, Транспорт, 1991. ISBN 978-5-277-01046-4 , ISBN 5-277-01046-7 .  
  • Курбасов А.С., Седов В.И., Сорин, Л.Н. «Проектирование тяговых электродвигателей» Москва, транспорт, 1987.
  • Мирошниченко Р.И., "Режимы работы электрифицированных участков", Москва, Транспорт, 1982.
  • Новочеркасский электровозостроительный завод (Новочеркасский электровозостроительный завод) «Электровоз БЛ60^к Руководство по эксплуатации» (Электровоз ВЛ60к , Справочник по эксплуатации), Москва, Транспорт, 1976.*
  • Перцовский, Л. М.; «Энргетическая эффективность электрической тяги», «Железнодорожный транспорт», №12, 1974 г. с. 39+
  • Плакс, А. В. и Пупынин, В. Н., "Электрические железные дороги", Москва "Транспорт" 1993.
  • Раков, В. А., "Локомотивы отечественных железных дорог 1845-1955" (Локомотивы железных дорог нашей страны) Москва "Транспорт" 1995.
  • Сидоров Н.И., Сидорожа Н.Н. «Как устроен и работает эелктровоз» (Как работает электровоз) Москва, Транспорт, 1988 (5-е изд.) - 233 стр., Как устроен и работает электровоз в Google Books ISBN 978-5-458-48205-9 . 1980 (4-е изд.). 
  • Хомич А.З. Тупицин О.И., Симсон А.Э. "Экономия топлива и теплотехническая модернизация тепловозов" (Топливная экономия и термодинамическая модернизация тепловозов) - Москва: Транспорт, 1975 - 264 с.
  • Цукадо П.В., "Экономия электроэнергии на электроподвижном составе", Москва, Транспорт, 1983 - 174 с.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Электрификация_железных_дорог_в_Советском_Союзе&oldid=1268228352"