CC BY
9
УРОКИ ИСТОРИИ
УДК 621.331.3.025.1 ГРНТИ 73.29.71
ПЕРВЫЙ УЧАСТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТЯГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА НА ТРАНССИБИРСКОЙ МАГИСТРАЛИ
А. А. Бакланов
Омский государственный университет путей сообщения Россия, 644046, г. Омск, пр. К. Маркса, 35
Рассмотрена краткая история электрификации железных дорог в Советском Союзе, преимущества и недостатки электрической тяги с использованием двух родов тока. Показана история первого участка Мариинск - Зима Транссибирской магистрали, электрифицированного на однофазном переменном токе.
Ключевые слова: электрификация железных дорог, переменный ток, система электроснабжения, электроподвижной состав.
THE FIRST SECTION OF THE ALTERNATIVE CURRENT ELECTRIC TRACTION ON THE TRANS-SIBERIAN RAILWAY
A. A. Baklanov
Omsk State Transport University Russia, 644046, Omsk, pr. K. Marksa, 35
The article considers a brief history of the railway electrification in the Soviet Union. The author gives advantages and disadvantages of two types of current. He shows the history of the first section of Trans-Siberian railway -Mariinsk - Zima, provided with electric power of single-phase alternating current.
Keywords: electrification of railways, alternating current, a power supply system, an electric rolling stock.
Более 60 лет назад, а точнее в 1960 году, был введён в эксплуатацию первый магистральный участок на сети железных дорог Советского Союза, электрифицированный на однофазном переменном токе с напряжением в контактной сети 25 000 В частотой 50 Гц. Участок длиной свыше 1200 км расположен на Транссибирской магистрали (ТСМ) в Восточной Сибири на полигоне Красноярской и Восточно-Сибирской железных дорог между станциями Мариинск и Зима (рис. 1) [1, 3].
Это событие оказало значительное влияние на дальнейший ход электрификации железных дорог в стране. Исторически первой электрификация наших железных дорог нача-
© Бакланов А.А., 2022
лась на постоянном токе с напряжением в контактной сети 1500 В после принятия плана ГОЭЛРО в 1920 году. Такое напряжение в контактной сети было на первых электрифицированных участках Баку - Сабунчи - Сура-ханы в Азербайджане (введён в эксплуатацию в 1926 г.), Москва - Мытищи (введён в эксплуатацию в 1929 г.) и некоторых других линиях [1].
Опыт эксплуатации первых участков показал, что напряжение в контактной сети 1500 В недостаточно для электрической тяги из-за значительного понижения напряжения при больших нагрузках, особенно при вождении тяжёлых поездов на участках с трудным
профилем пути. Поэтому для дальнейшей электрификации железных дорог приняли более высокий уровень напряжения в контактной сети постоянного тока — 3000 В, которое впервые применили в Закавказье при электрификации Сурамского перевала в 1932 году.
В Сибири первым был электрифицирован в 1937 году также на постоянном токе с напряжением в контактной сети 3000 В участок Белово - Новокузнецк в Кузбассе. Необходимость электрификации этого участка, имеющего трудный перевальный профиль пути, возникла в связи с тем, что паровая тяга оказалась не в состоянии обеспечить возросший объём перевозок продукции крупнейшего в то время Новокузнецкого металлургического комбината, введённого в строй в 1932 году.
В довоенные и послевоенные годы электрификация железных дорог в стране продолжалась на постоянном токе с напряжением в контактной сети 3000 В. К середине 50-х годов прошлого столетия протяжённость электрифицированных линий превысила 15 тыс. км при общей протяжённости железных дорог в стране около 150 тыс. км, т. е. было электрифицировано примерно 10 % линий. Широкое применение постоянного тока для электрификации железных дорог обусловлено следующим:
- сравнительно простая система тягового электроснабжения, состоящая из тяговых подстанций с понижающими трансформаторами и выпрямителями трёхфазного переменного тока в постоянный ток, а также тяговой сети, состоящей из контактной сети и рельсовых цепей;
- электроподвижной состав (ЭПС), включающий электровозы и электропоезда, имеет простую электрическую схему, позволяющую легко регулировать скорость движения и силу тяги во всём рабочем диапазоне с помощью изменения напряжения и магнитного потока возбуждения коллекторных тяговых электродвигателей;
- электрическая тяга постоянного тока позволяет достаточно легко осуществлять электрическое рекуперативное торможение, благодаря которому снижается расход электроэнергии на тягу и тормозных колодок, повышается безопасность движения поездов.
В контактной сети напряжение 3000 В поначалу было достаточным для работы электрической тяги, но со временем стало ограничивать пропускную и провозную способность
электрифицированных железных дорог. Прорабатывались варианты повышения напряжения в контактной сети постоянного тока до 6000, 12 000 и даже 24 000 В, однако они не получили практического применения из-за сложности и дороговизны технических решений.
Интенсивно развивающаяся экономика страны и ежегодно возрастающий объём перевозок привели к необходимости применения кардинальных решений на железнодорожном транспорте. Для этого правительством Советского Союза в 1956 году был принят «Генеральный план электрификации железных дорог СССР». План был рассчитан на 15 лет, предусматривалось довести протяжённость электрифицированных железных дорог в стране до 40 тыс. км, в качестве автономных локомотивов взамен паровозов использовать более современные тепловозы, увеличить выпуск новых электровозов и электропоездов, а для электрификации участков железных дорог применять в основном более прогрессивную систему однофазного переменного тока напряжением 25 000 В промышленной частоты 50 Гц.
Предварительно выполненные теоретические и экспериментальные исследования показали большие преимущества электрической тяги на основе новой системы переменного тока, которые рассмотрим на простом примере. Возьмём два грузовых электровоза мощностью по 6000 кВт, один из них постоянного тока, питающийся напряжением 3000 В = 3 кВ, а другой — однофазного переменного тока, питающийся напряжением 25 000 В = 25 кВ. Потребляемый ток электровоза постоянного тока составит 6000/3 = 2000 А, а электровоза переменного тока — 6000/25 = 240 А. Отсюда вытекают следующие выводы.
1. Электрификация железных дорог на однофазном переменном токе напряжением 25 000 В требует значительно меньшего количества меди для контактной сети, которое при прочих равных условиях прямо пропорционально потребляемому току ЭПС. В реальных условиях для электрификации участков железных дорог на переменном токе затраты меди примерно в два раза меньше, чем на постоянном токе. Медь всегда была и остаётся дефицитным дорогостоящим металлом, поэтому экономия меди в масштабах государства имеет большое значение, поскольку для электрификации больших полигонов железных дорог требуются тысячи тонн меди.
2. На электрифицированных участках железных дорог переменного тока расстояние между тяговыми подстанциями составляет 50-70 км, а на участках постоянного тока — 20-30 км. Следовательно, количество тяговых подстанций, их оборудования и обслуживающего персонала в системе переменного тока примерно в два раза меньше по сравнению с системой постоянного тока.
3. При электрификации железных дорог на однофазном переменном токе практически отсутствует электрокоррозия расположенных рядом с железной дорогой подземных металлических сооружений (трубопроводов, арматуры фундаментов и др.), имеются и другие плюсы.
Разумеется, наряду с положительными сторонами всегда есть недостатки. Определённым недостатком системы переменного тока является более сложный и дорогой ЭПС, который, в отличие от ЭПС постоянного тока, должен быть оснащён трансформаторами и выпрямителями. Для широкой проверки преимуществ электрификации железных дорог на переменном токе был выбран полигон Мари-инск - Боготол - Красноярск - Иланская -Тайшет - Нижнеудинск - Зима длиной 1222 км (см. рис. 1), большая часть которого от Ма-риинска до Тайшета находится в регионе Красноярской железной дороги, а остальная часть от Тайшета до Зимы — в регионе Восточно-Сибирской железной дороги.
Рис. 1. Схема участка Мариинск - Зима Транссибирской магистрали
Данный полигон характеризуется сложными географическими и климатическими условиями, в том числе большими перепадами высот и температуры воздуха. Профиль и план пути полигона состоит из многочисленных уклонов большой крутизны до 10-12 %о и кривых малого радиуса до 270-300 м, максимальный перепад высот между раздельными пунктами достигает 300 м и более. Максимальная температура воздуха летом достигает +40 °С, а зимой -50 °С, климат региона резкоконтинентальный, поэтому технические средства эксплуатируют в трудных условиях.
Первым на полигоне Мариинск - Зима был введён в эксплуатацию в октябре 1959 года участок Чернореченская - Красноярск -Клюквенная длиной 275 км. Поскольку работы по электрификации отдельных участков производились практически одновременно, то уже в следующем 1960 году весь полигон был электрифицирован и сдан в эксплуатацию.
Необходимо отметить, что основной и завершающий объём работ по электрификации полигона Мариинск - Зима на переменном
токе выполнялся под руководством Бориса Константиновича Саламбекова, который после работы на Омской железной дороге был назначен в 1959 году начальником Красноярской железной дороги и затем объединённой Восточно-Сибирской железной дороги [2, 3]. Во многом благодаря его опыту, знаниям и умелому руководству электрификация полигона Мариинск - Зима на переменном токе и освоение нового вида электрической тяги были проведены в сжатые сроки.
Система тягового электроснабжения переменного тока на полигоне Мариинск - Зима получилась значительно проще и надёжнее, чем на расположенном рядом полигоне постоянного тока, идущем от Мариинска до Тайги и далее на запад. Поэтому в начальный период после ввода в эксплуатацию и в последующие годы каких-либо серьёзных проблем система тягового электроснабжения переменного тока не вызывала и не вызывает.
Однако с электровозами переменного тока были достаточно серьёзные проблемы. Основная из них связана с выпрямлением
однофазного переменного тока, получаемого из контактной сети для питания коллекторных тяговых электродвигателей пульсирующего тока, представляющих, по сути, двигатели постоянного тока. На первых серийных отечественных электровозах однофазного переменного тока серии Н60 (рис. 2), впоследствии переименованных в ВЛ60, выпускаемых Новочеркасским электровозостроительным заводом (НЭВЗ), и закупленных во Франции электровозах серии Ф фирмы Альстом (рис. 3),
К
£
Рис. 3. Электровоз переменного тока серии Ф
Выпрямительные установки электровозов Н60, ВЛ60 состояли из игнитронов с сеточным управлением, представляющих вертикально расположенные герметически запаянные металлические сосуды с жидкостным охлаждением, заполненные ртутью. Несколько килограммов ртути в нижней части игнитрона выполняют роль катода, в качестве анода используется изолированный от корпуса большой графитовый стержень в верхней части игнитрона, а между анодом и катодом находится сетка, т. е. управляющий электрод, на
которые начали работать на полигоне Мари-инск - Зима, применялись ртутные выпрямители, которые оказались не очень надёжными в эксплуатации. Проектирование электровозов Н60, ВЛ60 осуществлялось в расположенном рядом с НЭВЗом Всесоюзном научно-исследовательском, проектно-конструкторском и технологическом институте электровозостроения (ВЭлНИИ) с участием Всесоюзного научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ).
который подаются импульсы напряжения и тока от системы управления.
В начале положительного полупериода переменного напряжения на сетку подаётся импульс напряжения и происходит так называемое зажигание игнитрона, т. е. возникает электрическая дуга между сеткой и катодом, которая затем переходит в дугу между анодом и катодом. По дуге протекает ток в течение всего положительного полупериода. В отрицательный полупериод переменного напряжения электрическая дуга гаснет, и ток через игнитрон не протекает.
На электровозах Н60, ВЛ60 применялась двухполупериодная (двухпульсовая) схема выпрямления с нулевой точкой, состоящая из двух вентильных плеч, подключённых к двум вторичным полуобмоткам тягового трансформатора. Часто происходили так называемые обратные зажигания игнитронов, приводящие к коротким замыканиям обмоток трансформатора, срабатыванию защиты и отключению электровоза от контактной сети. Под действием электрической дуги нередко возникал прожог корпуса игнитрона, при этом ртуть вытекала в высоковольтную камеру и происходило заражение электровоза парами ртути. Система охлаждения игнитронов в летний период года при высокой температуре
Рис. 2. Первые серийные электровозы переменного тока Н60, ВЛ60
воздуха не всегда обеспечивала необходимую температуру охлаждающей жидкости (антифриза), происходило срабатывание защиты и отключение электровоза от контактной сети. Тяговые электродвигатели НБ-412 на электровозах Н60, ВЛ60 имели низкую надёжность, часто возникали круговые огни по коллектору, пробои изоляции обмоток и другие неисправности. Недостаточной надёжностью обладали также главные контроллеры ЭКГ-60/20, у которых при размыкании под действием электрической дуги происходили обгары и оплавления контактов.
Однако, несмотря на это, электровозы Н60, ВЛ60 получились более совершенными и современными по сравнению с выпускаемыми электровозами постоянного тока, у которых в конструкции механической части многие узлы были заимствованы от паровозов. В частности, впервые были применены несущая рама кузова, несочленённые тележки, бесчелюстные буксы и другие новшества, которые в дальнейшем стали использоваться на всех вновь выпускаемых электровозах переменного и постоянного тока.
Работниками НЭВЗ, смежных предприятий, институтов, локомотивного хозяйства железных дорог была проведена большая работа по модернизации электровозов Н60, ВЛ60 с целью устранения их недостатков, в результате которой завод с 1962 года начал серийно выпускать новые, более мощные и надёжные, электровозы переменного тока ВЛ60К (рис. 4).
Рис. 4. Электровоз переменного тока ВЛ60К
На этих электровозах использованы выпрямительные установки из полупроводниковых кремниевых вентилей с воздушным охлаждением, собранные по мостовой схеме, имеющей лучшие энергетические показатели. Кроме того, практически вновь спроектирован-
ные тяговые электродвигатели НБ-412К с компенсационной обмоткой получились мощнее и надёжнее в эксплуатации. Подобные тяговые электродвигатели в настоящее время используются на всех вновь выпускаемых электровозах переменного и постоянного тока с коллекторным тяговым электроприводом. Также применены более совершенные и надёжные главные контроллеры ЭКГ-8 и другие аппараты и узлы. На локомотиворемонтных заводах все ранее выпущенные электровозы ВЛ60 прошли глубокую модернизацию и были переоборудованы в электровозы ВЛ60К.
Благодаря большей мощности и надёжности электровозы ВЛ60К позволили повысить массу и скорость движения поездов, увеличить темпы электрификации, пропускную и провозную способность электрифицированных железных дорог. За 10 лет с 1957 по 1967 год НЭВЗ выпустил свыше 2600 электровозов ВЛ60 различных модификаций, некоторые из них до сих пор работают на железных дорогах РФ и других стран, бывших республик Советского Союза.
На базе электровозов ВЛ60 впервые была разработана серия электровозов переменного тока ВЛ60Р с рекуперативным торможением и ртутными вентилями — игнитронами. Игнитроны являются управляемыми вентилями, в режиме тяги электровоза они работают выпрямителями, в режиме рекуперативного торможения — инверторами, позволяющими преобразовать постоянный ток, вырабатываемый тяговыми электродвигателями в генераторном режиме, в переменный ток, отдаваемый в контактную сеть. Электровозы ВЛ60Р в количестве 85 единиц эксплуатировались на Восточно-Сибирской, Дальневосточной и СевероКавказской железных дорогах, впоследствии они были заменены на более современные электровозы серии ВЛ80Р с управляемыми полупроводниковыми выпрямительно-инвертор-ными преобразователями на основе тиристоров.
На участках железных дорог с затяжными крутыми уклонами электровозы ВЛ60Р благодаря рекуперативному торможению позволяли экономить в среднем до 15-20 % электроэнергии за счет её возврата в контактную сеть. В настоящее время все вновь выпускаемые электровозы переменного тока оснащаются системой рекуперативного торможения.
Впервые в широких масштабах в локомотивном депо Вихоревка Восточно-Сибирской железной дороги на электровозах ВЛ60Р,
модернизированных инженерами депо, использовалось независимое возбуждение тяговых электродвигателей, позволяющее за счёт жёстких тяговых характеристик улучшить тя-гово-сцепные свойства электровозов, уменьшить боксование колёсных пар и расход песка, повысить массу грузовых поездов. Этот опыт применения независимого возбуждения тяговых электродвигателей в настоящее время используется на вновь создаваемых электровозах переменного и постоянного тока.
Впоследствии в локомотивном депо Ви-хоревка инженерами депо были разработаны 12-осные электровозы ВЛ120БАМ (рис. 5), состоящие из двух соединённых электровозов ВЛ60Р, управляемых одной локомотивной бригадой, для вождения тяжёлых грузовых поездов на строящейся Байкало-Амурской магистрали с трудным профилем пути.
Для вождения пассажирских поездов на железных дорогах переменного тока НЭВЗом была выпущена партия из 300 электровозов ВЛ60П/К с уменьшенным передаточным отношением зубчатых передач, обеспечивающих высоковольтное электроотопление пассажирских вагонов и более высокую скорость движения на расчётных подъёмах.
Рис. 5. Электровоз переменного тока ВЛ120БАМ-001
В целом полученный опыт по электрификации первого участка переменного тока Мариинск - Зима и его эксплуатации дал мощный толчок совершенствованию и перевооружению железнодорожного транспорта в стране, позволил увеличить темпы электрификации и полигон электрифицированных железных дорог, особенно переменного тока. В настоящее время протяжённость железных дорог в России составляет около 87 тыс. км, из них электрифицировано около 44 тыс., в том числе на постоянном токе — 19 тыс. и на переменном токе — 25 тыс. км. При этом элек-
трифицированные железные дороги выполняют более 85 % грузовых и пассажирских перевозок, т. е. электрифицированы наиболее гру-зонапряжённые участки сети железных дорог, а тепловозная тяга используется преимущественно на малодеятельных участках и в маневровой работе.
В освоении электрической тяги переменного тока и решении её непростых, прежде всего, технических проблем на полигоне Мариинск - Зима приняли непосредственное участие учёные и специалисты научно -исследовательских и проектных институтов, высших учебных заведений, работники Красноярской, Восточно-Сибирской и других железных дорог, организаций и предприятий электротехнической и машиностроительной промышленности и др. Наряду с ВЭлНИИ и ВНИИЖТ в решении проблем электрической тяги переменного тока принимали активное участие сотрудники Московского (МИИТ), Ленинградского (ЛИИЖТ), Томского (ТЭМИИТ), а затем Омского (ОмИИТ), Ростовского (РИИЖТ), Днепропетровского (ДИИТ), Хабаровского (ХабИИЖТ) институтов инженеров железнодорожного транспорта. В частности, исследованию электромагнитных процессов, совершенствованию электрических схем и электрооборудования системы электрической тяги переменного тока много сил и энергии отдали преподаватели и научные сотрудники ОмИИТа, в том числе профессора, доктора технических наук М.Ф. Карасёв, М.Г. Шалимов, В.П. Михеев, Г.П. Маслов, В.Н. Лисунов, В.Н. Зажирко, доценты, кандидаты технических наук Б.С. Барковский, В.М. Бабич и многие другие.
Выпускники различных учебных заведений железнодорожного транспорта тех лет, в первую очередь ТЭМИИТ-ОмИИТ, МИИТ, ЛИИЖТ, РИИЖТ, ДИИТ, ХабИИЖТ, а также железнодорожных техникумов и профтехучилищ активно включались в процесс освоения нового вида электрической тяги. Впоследствии многие из них стали известными руководителями, специалистами, учёными.
Автору статьи, работавшему в 19621968 годах в локомотивном депо Нижнеудинск Восточно-Сибирской железной дороги, выпускнику Улан-Удэнского железнодорожного техникума, впоследствии окончившему ОмИИТ, довелось непосредственно встречаться и работать со многими выпускниками перечисленных выше учебных заведений,
прежде всего ТЭМИИТ-ОмИИТ, которые принимали участие в освоении электрической тяги переменного тока, среди них можно назвать ставших впоследствии известными руководителями:
Коренко Г.М. — выпускник ТЭМИИТа, выросший до заместителя министра путей сообщения СССР;
Марютин К.А. — выпускник ТЭМИИ-Та, выросший до начальника службы локомотивного хозяйства Восточно-Сибирской железной дороги;
Комаров Г.П. — выпускник Красноярского железнодорожного техникума и ОмИИ-Та, ставший впоследствии начальником Восточно-Сибирской и Октябрьской железных дорог;
Назейкин А.Г. — выпускник Самарского железнодорожного училища и ОмИИТа, являющийся в настоящее время на протяжении более чем тридцати лет председателем Профсоюза работников связи России.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Электрифицированные железные дороги России (1929-2004 гг.) / под общ. ред. П.М. Шилкина. М. : Интекст, 2004. 336 с.
2. Зензинов Н.А. Генерал-директор тяги. М. : Диалог-МГУ, 1998. 467 с.
3. Восточно-Сибирская железнодорожная магистраль. Путь в 100 лет (1898-1998) / под общ. ред. В.Г. Третьякова. Иркутск : Изд-во Иркут. ун-та, 1998. 552 с.
Александр Алексеевич Бакланов — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Подвижной состав электрических железных дорог». Омский государственный университет путей сообщения.
Большой вклад в освоение электрической тяги переменного тока внесли выпускники других учебных заведений, в том числе выпускники Улан-Удэнского железнодорожного техникума, однокурсники автора статьи: Карих В.П., выросший до заместителя начальника Восточно-Сибирской железной дороги; Рыма-рев Д.А., работавший вначале в локомотивном депо Иланская, а затем на протяжении почти пятидесяти лет директором Иланского профтехучилища; Санников В.И., выросший до руководителя инспекции при начальнике Восточно-Сибирской железной дороги, и другие.
Разумеется, в одной статье невозможно назвать всех, кто принимал непосредственное участие в освоении электрической тяги переменного тока на полигоне Мариинск - Зима, но вклад каждого из них способствовал становлению нового прогрессивного вида тяги, получившему в дальнейшем большое развитие и занимающему в настоящее время ведущую роль на железных дорогах страны.
REFERENCES
1. Elektrifitsirovannye zheleznye dorogi Rossii (1929-2004 gg.) / pod obsch. red. P.M. Shilkina. M. : Intekst, 2004. 336 s.
2. Zenzinov N.A. General-direktor tyagi. M. : Dialog-MGU, 1998. 467 s.
3. Vostochno-Sibirskaya zheleznodorozhnaya magistral'. Put' v 100 let (1898-1998) / pod obsch. red. V.G. Tret'yakova. Irkutsk : Izd-vo Irkut. un-ta, 1998. 552 s.
Aleksandr Alekseevich Baklanov — Cand. Sc. (Engineering), Associate Professor, Associate Professor of the Rolling Stock of Electric Railways Department. Omsk State Transport University.
Статья поступила в редакцию 20.07.2022 г.
