Электрификация железных дорог в США: послевоенный оптимизм

Первая часть — Электрификация железных дорог в США: электровозы в дизельную эпоху

Хотя война и отложила какие-либо проекты электрификации, она помогла ускорить некоторые технологические разработки, которые обещали сделать электрическую тягу более привлекательной, чем когда-либо прежде.

Безусловно, наиболее важным было создание работоспособных выпрямителей для локомотивов, что позволило решить несколько давних проблем. Долгое время в отрасли обсуждались преимущества однофазного переменного тока по сравнению с постоянным током. Переменный ток при высоком напряжении обеспечивал меньшие потери энергии, в то время как тяговые двигатели постоянного тока при напряжении до 1000 В обеспечивали наилучшие характеристики управления и производительности электровоза. Выпрямитель, обладающий способностью эффективного преобразования переменного тока в постоянный, мог бы объединить лучшие качества обеих систем. Ранее для мощных однофазных тяговых двигателей электровозов переменного тока требовалось использование низкой частоты. А при наличии на локомотивах выпрямителей контактная сеть может получать питание непосредственно от энергосистемы на промышленной частоте 60 Гц, что устраняет необходимость в дорогостоящих преобразовательных подстанциях и отдельных линиях электропередачи.

Предполагалось, что ещё одним препятствием для электрификации будет неравномерная нагрузка фаз трёхфазной энергосистемы общего пользования, возникающая при питании мощных однофазных тяговых сетей железных дорог. Однако рост потребления электроэнергии после Второй мировой войны свёл к минимуму эту потенциальную проблему, и угроза несбалансированного энергопотребления перестала быть основным сдерживающим фактором.

Даже развитие тепловозной тяги, которая в конце 1930-х годов стала основным конкурентом электрификации, принесло разработки, которые считались полезными и для электротяги. Поскольку дизельные локомотивы были, в конце концов, просто электровозами с собственной силовой установкой, они включали в себя ряд компонентов, идентичных обычным электровозам. Таким образом, методы массового производства, впервые применённые производителями тепловозов, позволили разработать прочные, эффективные и недорогие тяговые двигатели, тележки, системы тягового привода, органы управления и другие компоненты, которые в равной степени были применимы и к электровозам.

Дизельные локомотивы могли помочь и в другом случае. До появления тепловозов все экономические преимущества электрификации могли быть реализованы только за счёт полной замены паровозов и их дорогостоящего обслуживания и ремонта. Однако в этом случае потребовалась бы электрификация всех второстепенных путей на станциях, а также ответвлений и малодеятельных участков, что привело бы к дополнительным затратам. Но, эксплуатируя на таких второстепенных путях тепловозы, требующие менее дорогостоящего обслуживания, стало возможным ограничить электрификацию лишь главными путями. 

Электрификация железных дорог
Электровоз EF-4 № Е21, Эйвери, Айдахо, август 1971. Drew Jacksich

Учитывая все эти преимущества и развитие новых технологий, в послевоенные годы в США много говорилось о возобновлении электрификации. Изучая потенциальный рынок вскоре после войны, Эрл Билл, менеджер подразделения железнодорожного подвижного состава компании General Electric, определил проекты электрификации общей протяжённостью 1200 миль, которые тогда рассматривались. Большинство из них представляли собой продление существующих участков, включая расширение электрификации линии PRR от Гаррисберга до Питтсбурга, давно отложенную электрификацию участка Нью-Хейвен — Бостон, продление электрификации железной дороги Great Northern в Сиэтл и — самый длинный участок — от станции Хармон до Буффало, дорога New York Central. Обсуждалась также электрификация линии дороги Denver & Rio Grande Western через Скалистые горы.

На Тихоокеанском северо-западе говорили о низких тарифах на электроэнергию федеральных гидроэлектростанций и государственных инвестициях в строительство системы электроснабжения для 8000 миль железных дорог. С другой стороны, федеральная корпорация Tennessee Valley Authority рассматривала электрификацию железных дорог как новый потенциальный рынок для своих электростанций.

«В настоящее время наблюдается достаточный интерес к электрификации, поэтому, если проекты воплотятся в жизнь, производители электровозов не смогут вести бизнес», — прокомментировал Билл (вероятно, речь шла о невозможности удовлетворить растущий спрос на новые электровозы — прим. перев.).

C новыми технологиями пришли новые локомотивы

Хотя немедленных действий в отношении новой электрификации предпринято не было, на существующих линиях удалось внедрить ряд новых технологий.

Электрификация железных дорог
Электровоз W-1 № 5019, Эри, Пенсильвания, 26 июня 1947. digitalrailartist.com

Первые заказанные после войны электровозы представляли собой, по сути, «старую» технологию. Нуждаясь в дополнительном тяговом подвижном составе для своих электрифицированных на однофазном переменном токе линий, железные дороги Virginian и Great Northern заказали у GE локомотивы, которые стали одними из самых больших электровозов, построенных когда-либо. Вместо того, чтобы сделать попытку применить новую и еще не испытанную технологию выпрямителя, преобразование переменного тока контактной сети в постоянный ток низкого напряжения, питающий тяговые двигатели, в обоих заказах использовали старую систему мотор-генераторов для достижения той же цели. Два обтекаемых W-1 дороги Great Northern, поставленные в 1947 году, были огромными: длина 101 фут, масса 360 тонн, колёсная формула B-D+D-B, продолжительная мощность 5000 л. с. Этот локомотив считается крупнейшим когда-либо построенным односекционным электровозом. Четыре EL-2B дороги Virginian, также обтекаемые, состояли из двух секций B+B-B+B общей длиной 150 футов, 8 дюймов и массой 517 тонн. Электровоз EL-2B имел мощность 6800 л. с.

Электрификация железных дорог
Электровоз EL-2B № 127, Роанок, Виргиния, 1 июля 1959. John Dziobko

Какими бы впечатляющими ни были эти новые локомотивы, они оставались «технологическими динозаврами». Оба основных поставщика электровозов — GE и Westinghouse — вскоре представили новые экспериментальные локомотивы для PRR, которые рассматривались как прототипы для ожидаемого нового рынка электрификации железных дорог.

В 1951 году GE поставила железной дороге PRR шесть электровозов серии E2b, которые имели кузов вагонного типа и колёсную формулу B-B, основываясь на современной практике производства тепловозов и идеях, разработанных инженерами GE для «стандартного» локомотива для новой электрификации США. Однако вместо прогрессивной схемы выпрямителя с тяговыми двигателями постоянного тока GE применила коллекторные двигатели переменного тока, аналогичные тем, которые использовались на более ранних электровозах PRR. Работая как двухсекционный локомотив, E2b имел продолжительную мощность 5000 л. с.

В 1949 году дорога PRR в качестве эксперимента оснастила один из вагонов электропоезда серии MP54 игнитронным (ртутным) выпрямителем. Испытания показали обнадёживающие результаты, поэтому такая технология была выбрана для четырёх опытных электровозов мощностью 6000 л. с., поставленных заводами Baldwin-Lima-Hamilton и Westinghouse в 1951-1952 гг. В основном идентичные, два электровоза класса E3b имели колёсную формулу B-B-B, а два электровоза E3c — формулу C‑C.

Электрификация железных дорог
Электропоезд MP54, головной вагон № 832, Хэррисон, Нью-Джерси, апрель 1972. Tom Nelligan

Оба экспериментальных образца работали хорошо, но особенно удачной оказалась конструкция игнитронного выпрямителя фирмы Westinghouse. В то время как PRR отложила замену своего стареющего парка локомотивов P5a почти на десять лет, другие электрифицированные дороги вскоре приняли новую технологию. Первой из них стала New Haven, заказав в 1954 году 100 вагонов электропоездов модели Pullman-Standard, оснащённых игнитронными выпрямителями Westinghouse.

Несмотря на успех Westinghouse с экспериментальными блоками игнитронных выпрямителей, GE также выполнила все заказы на локомотивы. В 1955 году компания выпустила 10 электровозов Е40 мощностью 4000 л. с. для дороги New Haven, которая впоследствии присвоила им серию EP5. Эти электровозы были первыми серийными локомотивами с выпрямительными установками, которые эксплуатировались в США. Virginian последовала примеру New Haven, заказав у GE 12 шестиосных (C-C) электровозов мощностью 3300 л. с. с игнитронными выпрямителями. Электровоз E33 (серия EL-C на дороге Virginian) весил 174 тонны и имел кузов капотного типа, типичный для американских тепловозов класса road switcher (маневрово-вывозной). Начиная с 1960 г., GE выполнила свой последний крупный заказ на электровозы — 66 локомотивов серии Е44 мощностью 4400 л. с., которые, по сути, были усовершенствованной версией Е33. Последние пять выпущенных секций имели новые выпрямители на кремниевых диодах с воздушным охлаждением, они были проще, чем игнитронные выпрямители. Это позволило увеличить мощность электровоза до 5000 л. с. Впоследствии такими выпрямителями был переоборудован весь парк E44.

Электровозы E44 обладали потрясающими эксплуатационными качествами и умело продемонстрировали возможности современной электрической тяги. 66 таких локомотивов были предназначены для замены всех 92 единиц старых P5a дороги PRR. На практике они доказали, что способны выполнять более чем вдвое большую работу на единицу в месяц, чем P5. Ещё до установки модернизированных выпрямителей электровозы E44 могли перевозить на 20 % больший тоннаж грузов, чем P5 или GG1. Готовность электровозов к эксплуатации даже в период обкатки составляла почти 92 %. Расходы на техническое обслуживание составляли только одну треть от расходов на P5 или 25 % от расходов на обслуживание тепловоза в тех же условиях эксплуатации.

Электрификация железных дорог
Электровоз EP5 № 370, Нью-Хейвен, Коннектикут, 1960-е гг. www.american-rails.com

Железная дорога Pennsylvania Railroad приобрела свой первый электропоезд, оборудованный выпрямителем, в 1958 году, а в течение следующего десятилетия большой парк аналогичных вагонов был заказан как для пригородных поездов PRR и Reading Lines в Филадельфии, так и для линий PRR в штате Нью-Джерси.

Третья часть — Электрификация железных дорог в США: Что пошло не так?

William D. Middleton. Classic Trains, spring 2001, p. 22-29.
Оригинал публикации: ctr.trains.com/rapid/2017/04/electric-railroads

Алексей Краснов

Перевод и подбор иллюстраций: Алексей Краснов
Фото: www.railpictures.net, en.wikipedia.org, www.american-rails.com, digitalrailartist.com.
Октябрь 2020г.