Электрификация железных дорог переменным током: история и стандарты

Введение

Стандартные параметры тока и напряжения для большинства высокоскоростных железных дорог

Во всем мире, особенно для высокоскоростных железных дорог, используются системы железнодорожной электрификации, работающие на переменном токе (AC) напряжением 25 киловольт (kV). Обычно питание подается на стандартной частоте электросети (как правило, 50 или 60 Гц), что упрощает конструкцию тяговых подстанций. Развитие электрификации на переменном токе 25 кВ тесно связано с успешным использованием частоты электросети. Эта электрификация идеально подходит для железных дорог, обслуживающих большие расстояния или перевозящих интенсивный трафик. После некоторых экспериментов, проведенных до Второй мировой войны в Венгрии и в Шварцвальде (Германия), она получила широкое распространение в 1950-х годах. Одной из причин, по которой внедрение не произошло раньше, было отсутствие подходящего компактного и легкого оборудования для управления и выпрямления тока до разработки полупроводниковых выпрямителей и сопутствующих технологий. Другой причиной были увеличенные требования к расстоянию зазора при прохождении под мостами и в туннелях, что потребовало бы значительных строительных работ для обеспечения необходимого зазора до токоведущих частей. Там, где существующие габариты подвижного состава были более широкими, эта проблема была менее актуальной. Железные дороги, использующие более старые системы постоянного тока с меньшей мощностью, внедряют или планируют внедрить переменный ток 25 кВ вместо 3 кВ постоянного тока / 1,5 кВ постоянного тока для своих новых высокоскоростных линий.

История

Первое успешное эксплуатационное и регулярное использование системы частоты коммунальных сетей датируется 1931 годом, при этом испытания проводились с 1922 года. Её разработал Кальман Кандо в Венгрии, использовав 16 кВ переменного тока при 50 Гц, асинхронную тягу и регулируемое количество (моторных) полюсов. Первой электрифицированной линией для испытаний была Будапешт – Дунакеши – Алаг. Первой полностью электрифицированной линией стала линия Будапешт – Дьёр – Гегиешалом (часть линии Будапешт – Вена). Хотя решение Кандо указало путь в будущее, железнодорожные операторы за пределами Венгрии проявили недостаточный интерес к проекту. Первой железной дорогой, внедрившей эту систему, стала Deutsche Reichsbahn, завершившая в 1936 году электрификацию части линии Хёллентальбан между Фрайбургом и Нойштадтом, установив систему переменного тока 20 кВ, 50 Гц. Эта часть Германии находилась в французской оккупационной зоне после 1945 года. В результате изучения немецкой системы в 1951 году SNCF электрифицировала линию между Экс-ле-Бен и Ла-Рош-сюр-Форон на юге Франции, первоначально на 20 кВ, но затем перевела её на 25 кВ в 1953 году. Система 25 кВ была принята во Франции в качестве стандарта, однако, поскольку значительная часть линий к югу от Парижа уже была электрифицирована на 1,5 кВ постоянного тока, SNCF продолжила реализацию ряда крупных проектов электрификации постоянным током, пока в 1960-х годах не были разработаны локомотивы с двойным напряжением. Основной причиной того, что электрификация с использованием частоты коммунальных сетей не получила широкого распространения ранее, была недостаточная надежность ртутных дуговых выпрямителей, которые можно было установить на поезде. Это, в свою очередь, было связано с необходимостью использования двигателей постоянного тока, требующих преобразования тока из переменного в постоянный, для чего необходим выпрямитель. До начала 1950-х годов ртутные дуговые выпрямители было сложно эксплуатировать даже в идеальных условиях, поэтому они не подходили для использования в железнодорожных локомотивах. Можно было использовать двигатели переменного тока (и некоторые железные дороги это делали с переменным успехом), но их характеристики для целей тяги были менее оптимальными. Это связано с тем, что управление скоростью затруднено без изменения частоты, а зависимость от напряжения для управления скоростью обеспечивает крутящий момент при заданной скорости, который не является идеальным. Поэтому двигатели постоянного тока оставались наиболее распространенным выбором для целей тяги до 1990-х годов, поскольку ими можно управлять напряжением, и они имеют почти идеальную характеристику крутящего момента в зависимости от скорости. В 1990-х годах высокоскоростные поезда начали использовать более легкие и менее требовательные к обслуживанию трехфазные асинхронные двигатели переменного тока. Shinkansen N700 использует трехуровневый преобразователь для преобразования 25 кВ однофазного переменного тока в 1520 В переменного тока (через трансформатор), в 3 кВ постоянного тока (через фазовый выпрямитель с тиристорами) и далее в максимум 2300 В трехфазного переменного тока (через инвертор с переменным напряжением и частотой, использующий IGBT с широтно-импульсной модуляцией) для питания двигателей. Система работает в обратном направлении для регенеративного торможения. Выбор 25 кВ был обусловлен эффективностью передачи энергии в зависимости от напряжения и стоимости, а не основан на простом соотношении напряжения питания. Для заданного уровня мощности более высокое напряжение позволяет снизить ток и, как правило, повысить эффективность, но при этом увеличиваются затраты на высоковольтное оборудование. Было установлено, что 25 кВ является оптимальной точкой, при которой дальнейшее повышение напряжения все еще улучшает эффективность, но не в значительной степени по сравнению с более высокими затратами, связанными с необходимостью использования более крупных изоляторов и увеличения расстояния до конструкций. Чтобы избежать коротких замыканий, высокое напряжение необходимо защищать от влаги. Погодные явления, такие как "неподходящий тип снега", в прошлом приводили к сбоям. Пример атмосферной причины произошел в декабре 2009 года, когда четыре поезда Eurostar сломались внутри тоннеля под Ла-Маншем.

The first successful operational and regular use of a utility frequency system dates back to 1931, tests having run since 1922. It was developed by Kálmán Kandó in Hungary, who used 16 kV AC at 50 Hz, asynchronous traction, and an adjustable number of (motor) poles. The first electrified line for testing was Budapest–Dunakeszi–Alag. The first fully electrified line was Budapest–Győr–Hegyeshalom (part of the Budapest–Vienna line). Although Kandó's solution showed a way for the future, railway operators outside of Hungary showed a lack of interest in the design. The first railway to use this system was completed in 1936 by the Deutsche Reichsbahn who electrified part of the Höllentalbahn between Freiburg and Neustadt installing a 20kV50 Hz AC system. This part of Germany was in the French zone of occupation after 1945. As a result of examining the German system in 1951 the SNCF electrified the line between Aix les Bains and La Roche sur Foron in southern France, initially at the same 20kV but converted to 25kV in 1953. The 25kV system was then adopted as standard in France, but since substantial amounts of mileage south of Paris had already been electrified at 1.5kV DC, SNCF also continued some major new DC electrification projects, until dual voltage locomotives were developed in the 1960s. The main reason why electrification using utility frequency had not been widely adopted before was the lack of reliability of Mercury arc rectifiers that could fit on the train. This in turn related to the requirement to use DC series motors, which required the current to be converted from AC to DC and for that a rectifier is needed. Until the early 1950s, mercury arc rectifiers were difficult to operate even in ideal conditions and were therefore unsuitable for use in railway locomotives. It was possible to use AC motors (and some railways did, with varying success), but they have had less than ideal characteristics for traction purposes. This is because control of speed is difficult without varying the frequency and reliance on voltage to control speed gives a torque at any given speed that is not ideal. This is why DC series motors were the most common choice for traction purposes until the 1990s, as they can be controlled by voltage, and have an almost ideal torque vs speed characteristic. In the 1990s, high speed trains began to use lighter, lower maintenance three phase AC induction motors. The N700 Shinkansen uses a three level converter to convert 25 kV single phase AC to 1,520 V AC (via transformer) to 3 kV DC (via phase controlled rectifier with thyristor) to a maximum 2,300 V three phase AC (via a variable voltage, variable frequency inverter using IGBTs with pulse width modulation) to run the motors. The system works in reverse for regenerative braking. The choice of 25 kV was related to the efficiency of power transmission as a function of voltage and cost, not based on a neat and tidy ratio of the supply voltage. For a given power level, a higher voltage allows for a lower current and usually better efficiency at the greater cost for high voltage equipment. It was found that 25 kV was an optimal point, where a higher voltage would still improve efficiency but not by a significant amount in relation to the higher costs incurred by the need for larger insulators and greater clearance from structures. To avoid short circuits, the high voltage must be protected from moisture. Weather events, such as "the wrong type of snow", have caused failures in the past. An example of atmospheric causes occurred in December 2009, when four Eurostar trains broke down inside the Channel Tunnel.

Распространение

Электрическая мощность для электрификации на переменном токе 25 кВ обычно отбирается непосредственно из трехфазной сети передачи. На тяговой подстанции понижающий трансформатор подключается к двум из трех фаз высоковольтного источника питания и снижает напряжение до 25 кВ. Затем электроэнергия, иногда на расстоянии нескольких километров, подается на железнодорожную питающую подстанцию, расположенную вдоль путей. Аппарат управления на питающих подстанциях и в секционных пунктах, расположенных на полпути между питающими подстанциями, обеспечивает переключение питания воздушной линии от соседних подстанций в случае потери одной из них. Поскольку используются только две фазы высоковольтного источника, фазовый дисбаланс корректируется путем подключения каждой питающей подстанции к различной комбинации фаз. Чтобы избежать замыкания пантографом поезда двух питающих подстанций, которые могут быть не синхронизированы по фазе, на питающих подстанциях и в секционных пунктах предусмотрены нейтральные вставки. Для балансировки нагрузки и регулирования напряжения используются SVC. В некоторых случаях были построены отдельные однофазные линии электропередач переменного тока к подстанциям с однофазными трансформаторами. Такие линии были построены для питания французского TGV.

Стандартизация

Электрификация железных дорог с использованием переменного тока 25 кВ, 50 Гц стала международным стандартом. Существует два основных стандарта, определяющих напряжения системы:

EN50163:2004+A1:2007 – "Железнодорожные приложения. Напряжение питания тяговых систем"
IEC60850 – "Железнодорожные приложения. Напряжение питания тяговых систем"

Допустимый диапазон напряжений, указанный в вышеупомянутых стандартах, учитывает количество поездов, потребляющих ток, и их расстояние от тяговой подстанции. Напряжение системы электрификации Мин. временное мин. постоянное номинальное Макс. постоянное Макс. временное 50 Гц

В настоящее время эта система является частью стандартов трансъевропейской совместимости железнодорожных сетей Европейского Союза (Директива 1996/48/EC "Совместимость трансъевропейской высокоскоростной железнодорожной системы" и Директива 2001/16/EC "Совместимость трансъевропейской обычной железнодорожной системы").

Вариации

Системы, основанные на этом стандарте, но с некоторыми отклонениями, применялись.

25 кВ переменного тока при 60 Гц

В странах, где 60 Гц является нормальной частотой сетевого напряжения, для электрификации железных дорог используется 25 кВ при частоте 60 Гц. В Канаде – на линии Deux Montagnes Монреальского транспортного агентства. В Японии – на линиях Токайдо, Санъё и Кюсю Шинкансен (с шириной колеи 1435 мм). В Южной Корее – на сети Korail. На Тайване – на линии Тайваньской высокоскоростной железной дороги (с шириной колеи) и на электрифицированных линиях Тайваньской железнодорожной администрации (с шириной колеи). В Соединенных Штатах – на новых электрифицированных участках Северо-Восточного коридора (например, на участке Нью-Хейвен – Бостон), на междугородных пассажирских линиях, пригородных линиях New Jersey Transit, Denver RTD Commuter Rail и на отдельных коротких изолированных линиях. В районе залива Сан-Франциско в настоящее время реализуется проект электрификации Caltrain, завершение которого планируется в середине 2020-х годов.

20 кВ переменного тока при 50 или 60 Гц

В Японии это используется на существующих железнодорожных линиях в регионе Тохоку, регионе Хокурику, на Хоккайдо и Кюсю, причем в регионах Хокурику и Кюсю используется частота 60 Гц.

12,5 кВ переменного тока при частоте 60 Гц

Некоторые линии в Соединенных Штатах были электрифицированы на 12,5 кВ 60 Гц или преобразованы с 11 кВ 25 Гц до 12,5 кВ 60 Гц. Использование 60 Гц позволяет осуществлять прямое электроснабжение от сети 60 Гц, при этом не требуя увеличенных габаритов проводов для 25 кВ 60 Гц и не нуждаясь в поддержке двойного напряжения для поездов, работающих также на линиях 11 кВ 25 Гц. Примеры: линия Нью-Хейвен железной дороги Metro-North от Пелхема (Нью-Йорк) до Нью-Хейвена (Коннектикут) (с 1985 года; ранее 11 кВ 25 Гц).

6,25 кВ переменного тока

В начале электрификации железных дорог переменным током 50 Гц в Соединенном Королевстве планировалось использовать участки на 6,25 кВ там, где был ограниченный габарит под мостами и в туннелях. Подвижной состав был двухсистемным с автоматическим переключением между 25 кВ и 6,25 кВ. Участки 6,25 кВ были преобразованы на 25 кВ в результате исследований, которые показали, что расстояние между токоведущими и заземленными элементами можно уменьшить по сравнению с первоначально предполагаемым. Исследования проводились с использованием паровоза под мостом в Крю. Участок контактной сети 25 кВ постепенно приближался к заземленным металлическим конструкциям моста, одновременно подвергаясь воздействию пара из дымовой трубы локомотива. Расстояние, при котором происходил пробой, измерялось и использовалось в качестве основы для определения новых габаритов между контактной сетью и сооружениями.

50 кВ переменного тока

Иногда напряжение 25 кВ удваивается до 50 кВ для повышения мощности и увеличения расстояния между подстанциями. Такие линии обычно изолируются от других линий, чтобы избежать проблем, связанных с их пересечением. Примеры: железная дорога Сишен – Сальданья для перевозки железной руды (50 Гц), изолированная угольная железная дорога Deseret Power Railway (60 Гц), ныне закрытая железная дорога Блэк-Меса и озера Пауэлл, также бывшая изолированной угольной железной дорогой (60 Гц), и ныне закрытый участок Tumbler Ridge Subdivision железной дороги BC Rail (60 Гц).

Система автотрансформатора 2 × 25 кВ

Система автотрансформаторов 2 × 25 кВ представляет собой систему электроснабжения с разделенными фазами, которая подает напряжение 25 кВ на поезда, но передает мощность на 50 кВ для снижения потерь энергии. Ее не следует путать с системой 50 кВ. В этой системе ток в основном протекает между контактной сетью и питающей (фидерной) линией передачи, а не по рельсам. Контактная сеть (3) и питающая линия (5) находятся на противоположных фазах, поэтому напряжение между ними составляет 50 кВ, в то время как напряжение между контактной сетью (3) и ходовыми рельсами (4) остается на уровне 25 кВ. Периодические автотрансформаторы (9) отводят обратный ток от нейтрального рельса, повышают его напряжение и направляют по питающей линии. Эта система была впервые внедрена в 1981 году на новой французской высокоскоростной железнодорожной линии Париж-Лион, а затем использовалась в Новой Зеландии (1988 г.), Индии, России, Италии, Великобритании (High Speed 1, большая часть магистрали West Coast Main Line и Crossrail), на французских линиях (линии LGV и некоторые другие), большинстве испанских высокоскоростных железнодорожных линий, Amtrak, а также на некоторых линиях в Финляндии и Венгрии, с постепенной модернизацией отдельных участков старых линий.

Повышенное напряжение

Для установления мировых рекордов скорости TGV во Франции напряжение временно увеличивали до 29,5 кВ и 31 кВ в разные периоды.

Локомотивы и поезда с несколькими системами

Поезда, способные работать от нескольких систем напряжения, например, 3 кВ/25 кВ, – это хорошо освоенные технологии. Некоторые локомотивы в Европе могут использовать четыре различных стандарта напряжения.