1. Краткие сведения об элетрифицированном транспорте

1.1. История развития видов транспорта

История развития отдельных видов транспорта и единой транспортной системы уходит в далекие времена и тесно связана с научными достижениями. Историческое развитие транспорта можно проследить по табл.1, в которой выделены научные достижения, имевшие революционный характер для резкого скачка в раз­витии транспорта.

Таблица 1.1

Историческое развитие транспорта

Период	Транспортные средства и пути сообщения			Управление
	Водный транспорт	Наземный транспорт	Воздушный транспорт
1 млн. лет д.н.э.	Бревна, плоты, парусники	Животные, грубые колеса, колесницы, телеги
1 тыс. лет д.н.э.	Галеры	Дороги
500 лет д.н.э.	Каналы	Первая дорожная система
1700 г.	Сеть каналов	Колесо со спицами, дилижанс, щебеночное покрытие		Магнитный компас
1800 г.	Паровой двигатель		Воздушный шар	Телеграф, первая диспетчерская
	Пароход, гребной винт, железный корпус судна	Паровой автомобиль, велосипед, трамвай, электрический двигатель
1900 г.	Двигатель внутреннего сгорания			Светофоры
		Автомобиль, автобусы, троллейбусы	Самолеты, дирижабль, вертолет, реактивный двигатель
1940 г.	Морские пути	Система дорог	Пассажир­ский реактивный самолет	Система управ­ления воздуш­ным транспортом Цифровая ЭВМ
	Супер­танкеры	Специальный подвижной состав, трубопроводы, легковые автомобили
1970 г.	Атомоходы	Экспериментальный рельсовый аппарат на воздушной подушке, аппарат на магнитной подушке	Самолет-аэробус, сверхзвуко­вой самолет	Эксперимен­тальная АСУ автомобильным движением

С изобретением колеса стал развиваться сухопутный транспорт. До этого применялся лишь «волок». На водном транспорте долгие годы в качестве двигателя использовался парус, на суше - раз­личные животные.

Характерная черта транспорта - тесная связь с культурой и торговлей. Изобретение компаса, которое в конце XV в. привело к эпохе Великих географических открытий, значительно расшири­ло возможности общения между странами.

Формирование транспорта общего пользования в Европе в 60-е гг. XVIII в. совпадает с эпохой промышленного развития. Паровой двигатель дал транспорту невиданную доселе мощь и вызвал бур­ный рост экономики, позволяя осваивать новые территории для проживания населения и производства различной продукции и расширять связи между городами и странами. Рост экономики, в свою очередь, дал толчок развитию транспорта для обеспечения нужд производства и вывоза продукции. Здесь прослеживается причинно-следственная связь между транспортом, экономикой и структурой общества.

Появление транспортных средств, работающих на электротяге (в частности, электрического трамвая), изменило облик города, так как уменьшение времени передвижения позволило расширить территорию города.

Возникновение и развитие железнодорожного транспорта от­носится к первой половине XIX в. и напрямую связано с форми­рованием капиталистического способа производства, ростом круп­ной промышленности (в частности, горнодобывающей), образо­ванием национальных и мировых рынков, потребовавших быст­рой, массовой, недорогой и достаточно регулярной перевозки грузов.

Первые лежневые дороги были проложены на железоделатель­ных заводах, шахтах и рудниках (применялись в Великобритании с XIV в.).

Первые металлические рельсы были изготовлены в Велико­британии в 1767 г. Начало строительства рельсовых дорог в России относится к концу XVIII в. Чугунная рельсовая дорога в России была построена в 1788 г. инженером Ярцевым на Александров­ском пушечном заводе в Петрозаводске, а затем - в 1808 - 1810 гг. на Алтае. Первый паровоз в России был построен отцом и сыном Черепановыми в 1834 г. на Нижнетагильском заводе Демидовых.

В 1803 г. Дж. и Р. Стефенсонами был построен первый парово­зостроительный завод, что позволило открыть междугородную железнодорожную линию общего пользования. Железные дороги коммерческого назначения были построены во Франции (1828), США (1829), Бельгии и Германии (1835), Италии (1839), а также в Австралии, странах Азии, Африки и Южной Америки (50-е гг. XIX в.).

Первая железная дорога общего пользования в России была проложена между Санкт-Петербургом и Царским Селом в 1837 г. Перевозки осуществлялись английскими паровозами со ско­ростью до 60 верст/ч. В 1851 г. была построена двухпутная магистраль Москва - Санкт-Петербург протяженностью 611 км.

Первые отечественные вагоны были построены в 1854 г. на Алек­сандровском заводе в Петербурге. Мощность первых паровозов была 30 - 40 кВт, а к началу XX в. она достигла 600 - 1000 кВт. К этому же времени относятся первые попытки создания новых видов тяги: дизельной (тепловозной) и электрической.

Зарождение и быстрое развитие электротехники, связанное с периодом создания в начале XIX в. источника постоянного тока, послужило толчком к разработке и осуществлению практических проектов ее использования в разных областях человеческой деятельности. В результате независимых исследований физиков разных стран, в числе которых У. Томсон (лорд Кельвин), М.Фарадей, Дж. П. Джоуль, Дж. К. Максвелл (Англия), Ш. Кулон (Франция), К. Гаусс (Германия), А. Вольта (Италия), Э.Х. Ленц (Россия), в течение XIX в. были не только созданы источники электрической энергии (гальванические элементы), но и разработаны основные физические законы электрических явлений и принципы работы электродвигателей. Отказавшись от возвратно-поступательного движения, используемого в паровой машине, инженеры Англии, Италии, России создали в 1830 - 1860 гг. ряд конструкций электродвигателей с вращающимся якорем. В 1834 г. русский электротехник Б. С. Якоби, работавший в Германии и России, создает свой первый электродвигатель мощностью 15 Вт. На его основе в 1838 г. он сконструировал в Санкт - Петербурге бот, курсировавший по р. Неве. Судно приводилось в движение от 40 электродвигателей, объединенных по 20 штук на двух вертикальных валах и вращающих гребные винты. Источником энергии для них была батарея гальванических элементов, размещенная в боте. Малая энергоемкость гальванической батареи не могла обеспечить широкого применения электролодки. Дальнейшее развитие электротехники и электротехнической промышленности привело к разработке и промышленному производству электрических генераторов и трансформаторов, освоению системы многофазного тока и способов экономически оправданной передачи электроэнергии на расстояния в десятки километров. После 1880 г. в России, США, Англии появились электрические станции (далее по тексту - электростанции) мощностью в сотни киловатт, предназначенные для снабжения электрической энергией удаленных от них потребителей. Создание электростанций и систем передачи электрической энергии привело к разработке транспортных средств с подводом электрической энергии к ним по проводам или рельсам. При этом инженерам-электротехникам удалось преодолеть главный недостаток автономных энергетических установок на подвижном транспортном средстве - низкую энергоемкость, ограничивающую скорость и пробег. В 80-е гг. XIX в. проводилось много работ по применению электричества на транспорте. Конно-железные дороги уже не могли удовлетворить возраставшие потребности городского населения, а применение парового городского транспорта сопровождалось выделением большого количества дыма и копоти [1].

В 1879 г. немецкий инженер В. Сименс построил первую электрическую железную дорогу для Берлинской промышленной выставки. Небольшой вагон с электродвигателем являлся локомотивом для состава из трех тележек, на которых могли разместиться 18 пассажиров. Электрическая энергия подводилась по отдельному контактному рельсу, а обратным проводом являлись рельсы, по которым двигался поезд. В 1880 г. в США Т. Эдисон провел свои опыты по применению электрической тяги на участке железной дороги в штате Нью-Йорк, где он испытывал прототип электровоза.

В России в 1875-1876 гг. Ф.А. Пироцкий применил для передачи электрической энергии обычный железнодорожный рельсовый путь: по одному рельсу электрический ток подводился к электродвигателю, по другому возвращался к источнику питания. Рельсы были изолированы от земли асфальтом, окалиной и шпалами, а на стыках размещались электрические соединители. На основе этих опытов в 1880 г. Ф.А. Пироцкий осуществил пуск электрического трамвая в Санкт-Петербурге по линии конной железной дороги. Для его энергоснабжения была построена электростанция с генератором постоянного тока 6 л. с. В качестве трамвайного вагона использовали вагон конной железной дороги, к раме которого был подвешен электродвигатель, вращающий ведущие колеса через зубчатую передачу. Такая схема некоторое время применялась и в других странах, так как давала возможность обойтись без третьего рельса, усложнявшего сооружение электрической дороги и затрудняющего уличное движение.

В 1883 г. В. Сименс в Германии и В. Ван де Пуль в США независимо один от другого изобрели способ питания от контактного провода, подвешенного над транспортным средством. После этого подача электроэнергии по двум изолированным рельсам перестала использоваться. Первоначально токосъем с контактного провода осуществлялся вращающимся роликом. Однако очень скоро выявилась его ненадежность, и впоследствии повсеместно стали использовать скользящий контакт для передачи энергии к транспортному средству.

Поскольку на электрическом транспорте применялся исключительно постоянный ток, потребовалось сооружать преобразовательные подстанции, так как электростанции вырабатывали переменный трехфазный ток. Первыми преобразователями были двигатель-генераторные установки, а с 1889 г. для питания электрического транспорта стали широко применяться одноякорные преобразователи, которые представляли собой комбинацию синхронного электродвигателя и генератора постоянного тока с общим якорем.

С 1883 г. линия трамвая длиной 9,6 км действовала в Портуме (Ирландия). В 1884 г. было открыто движение электрических трамваев в Англии и Германии. Первый электрический трамвай в Российской империи был пущен в Киеве в 1892 г. Интересно отметить, что решение о его строительстве было принято в связи с тем, что попытки преодолеть крутой подъем от Подола к Крещатику средствами конной и паровой тяги не увенчались успехом. Усилий электрической тяги оказалось достаточно, чтобы преодолеть сложный рельеф киевских улиц и соединить густонаселенную окраину с центром города. Затем трамвай стал использоваться и в других городах России: Нижнем Новгороде (1896), Казани и Москве (1899), Санкт-Петербурге (1907).

Первой в мире железной дорогой с электрическим подвижным составом стала линия Балтимор - Огайо в США, движение на ней было открыто в 1895 г. [2].

Созданием и промышленным выпуском тяговых электрических машин, приспособленных к работе на транспорте в широком диапазоне температур при воздействии вибраций, пыли, влаги, обеспечивалась возможность широкой электрификации железных дорог в начале XX в. Уже с 1902 г. на заводах Германии освоен выпуск электровозов с конструкционной скоростью 110 км/ч, в 1903 г. на железной дороге прошел испытания первый железнодорожный электрический моторный вагон фирмы «Сименс». Электровозы, получающие питание через контактный провод от крупных электростанций, могли развивать большую мощность. Поэтому электрифицировали в первую очередь участки железных дорог со сложным горным рельефом, с часто встречающимися тоннелями, а также грузонапряженные направления. Кроме Германии и Франции активные работы по электрификации железных дорог велись в Швейцарии, Италии, Швеции.

В 1910 г. на VIII Международном конгрессе электриков, проходившем в России, академик Г.О.Графтио, один из крупнейших отечественных специалистов в области электротехники, обосновал принципиальные положения теории электрификации существующих железных дорог. Первый в России учебник «Электрическая тяга», принадлежавший перу А. В. Вульфа, был издан в 1912 г.

Практически одновременно с созданием электровозов в разных странах начали появляться и тепловозы. Изобретенный в 1897 г. немецким инженером Р. Дизелем двигатель внутреннего сгорания с впрыском и воспламенением топлива в разогретом при сжатии в цилиндре воздухе (двигатель стал называться «дизелем») был использован при создании автономных локомотивов с электрической тягой. Дизель приводился в действие электрическим генератором, от которого получали энергию тяговые двигатели. Наиболее интенсивно тепловозы производились в Германии и США. Дизели получили очень широкое применение на судах, поэтому такая же система электрической передачи от дизеля к электромоторам гребных винтов использовалась в кораблестроении.

С некоторым перерывом из-за Первой мировой войны электрификация железных дорог и развитие тепловозной тяги в 1920-е гг. получили новое развитие в Европе и Северной Америке. В Советской России электрификация железных дорог началась в 1924 г. как составная часть плана ГОЭЛРО (один из его разделов назывался «Электрификация и транспорт»). Большую роль в разработке планов электрификации железных дорог сыграли видные ученые того периода Г.О.Графтио, В. А. Вульф, В. А. Шевалин, М.А. Шателен, А. Б. Лебедев, которые одновременно с научной деятельностью преподавали в инженерных вузах Москвы и Петербурга. Одним из важных решений стал выбор специалистами системы электрической тяги постоянного тока для российских железных дорог. В 1926 г. электрифицирован первый в нашей стране участок железной дороги Баку - Сабунчи. Напряжение в контактном проводе было 1,5 кВ, позднее его увеличили до 3 кВ. В 1929 г. началось движение пригородных электропоездов на маршруте Москва - Мытищи, а в 1932 г. электровозы начали ходить на перегоне Хашури - Зестафони через Сурамский перевал на Кавказе с напряженным грузовым движением. Плановая электрификация железных дорог СССР была прервана Второй мировой войной в 1941 г.

Первые электровозы серии СЮ были поставлены в СССР в 1932 г. из США. В том же году на Коломенском тепловозостроительном заводе освоено производство отечественных электровозов. Тяговые электродвигатели и электрооборудование для них выпускались на Московском электромашиностроительном заводе «Динамо». На одном из первых отечественных электровозов ВЛ19 применялось электрическое (реостатное) торможение.

После Второй мировой войны центром советского электровозостроения стал завод в Новочеркасске (НЭВЗ). С 1957 г. электровозы начал выпускать и Тбилисский электровозостроительный завод. С 1950-х гг. для электрификации железных дорог в СССР стали применять систему тяги переменного однофазного тока напряжением 25 кВ, частотой 50 Гц. Первый участок с такой системой тяги (Ожерелье - Павелец) открыт в 1956 г. на Московской железной дороге. Электровозы для данной системы тяги стали производить на НЭВЗ, а на Тбилисском электровозостроительном заводе был налажен выпуск электровозов постоянного тока. Электропоезда для пригородного сообщения производились на вагоностроительном заводе в Риге и Мытищинском машиностроительном заводе. Для оснащения пассажирских поездов в СССР с 1956 г. использовались электровозы серии ЧС чехословацкого производства. Появление тепловозов отечественного производства для магистральных железных дорог связано с созданием в 1925 г. нескольких опытных локомотивов с разными типами тяговой передачи в кооперации машиностроительных и электротехнических заводов. Первый серийный тепловоз с электрической передачей выпущен Коломенским тепловозостроительным заводом. Позже производство тепловозов было налажено на Харьковском заводе транспортного машиностроения и Луганском тепловозостроительном заводе. Сочетание электровозной и тепловозной тяг на железных дорогах СССР позволило в очень короткие сроки отказаться от использования паровозов.

Одновременно с развитием производства электрического подвижного состава шло освоение выпуска электротехнического оборудования для тяговых подстанций. На тяговых подстанциях постоянного тока для магистральных железных дорог и городского электрического транспорта одноякорные машинные преобразователи постепенно были вытеснены ртутными выпрямителями, а позже, в 1960-е гг. - полупроводниковыми выпрямителями. Одновременно совершенствовалась и подвеска контактного провода, улучшалась конструкция токосъемных устройств.

Как отмечено ранее, во многих крупных городах России быстрое развитие получило трамвайное движение. К началу Первой мировой войны в России было 35 трамвайных хозяйств. Подвижной состав обычно заказывался за границей. В советский период, в 1925 г. петербургский завод «Электросила» начал выпускать для трамваев отечественные тяговые электродвигатели, а с 1926 г. их производство освоил и электромашиностроительный завод «Динамо» в Москве. На Коломенском тепловозостроительном заводе в 1928 г. освоено производство трамвайных вагонов М-38, позже на Московском ремонтном трамвайном, Ленинградском трамвайном, Усть - Катавском вагоностроительном и Рижском вагоностроительном заводах освоен серийный выпуск трамвайных вагонов.

Хотя первая троллейбусная линия была построена в Германии еще в 1882 г., регулярные троллейбусные маршруты в крупных городах разных стран мира появились позже: в 1911 г. в Англии, в 1912 г. в Швейцарии. Троллейбусное движение в нашей стране появилось в 1933 г. (в Москве). После Второй мировой войны троллейбусный транспорт получил быстрое развитие, все в большем числе городов СССР стал использоваться этот эффективный вид городского пассажирского транспорта. С 1959 г. серийный выпуск троллейбусов серии ЗИУ организован в Саратове на троллейбусном заводе им. М. С. Урицкого, на Московском заводе СВАРЗ впервые освоено производство сочлененных троллейбусов ТС-1 и ТС-2, которые могли вмещать до 200 и более пассажиров. Для обеспечения хорошей динамики движения они были оснащены двумя тяговыми электродвигателями мощностью по 100 кВт. Можно отметить, что наряду с пассажирскими троллейбусами были выпущены и грузовые, которые помимо питания от контактной сети могли двигаться в городе автономно, используя установленный на них двигатель внутреннего сгорания.

Первые метрополитены в мире были построены еще в XIX в., в 1863 г. в Лондоне (Англия), в 1868 г. в Нью-Йорке (США). Лондонское метро было подземным, с движением поездов в тоннеле с паровой тягой, а нью-йоркское - на эстакадах, с применением канатной тяги сначала от паровой машины, затем от электрической. Небезынтересно отметить, что первый проект подземного метро в Москве был предложен инженером П. И. Балинским еще в 1902 г., но был отклонен Городской Думой.

Развитие метрополитенов в разных странах происходило неравномерно и испытывало сильную конкуренцию со стороны автомобильного транспорта. В результате, например, в США метро развито не очень сильно, в то время как в Европе, где более 40 % территории в центрах городов занято под автомагистрали и стоянки, развитию метрополитенов отдается предпочтение. К 1994 г. метрополитены построены в 100 городах мира. Самую большую протяженность они имеют в Нью-Йорке - 421 км, Лондоне - 394 км, Москве - 243 км, Париже - 201 км. В нашей стране московское метро было первым, эксплуатация его началась в 1935 г. С 1955 г. работает метро в Санкт - Петербурге (Ленинграде), после 1985 г. введены линии метрополитена еще в четырех российских городах. Важно отметить, что широкое распространение метрополитенов без применения электрической тяги вообще проблематично, поскольку подавляющая часть линий метро расположена под землей в тоннелях, обеспечить требуемую вентиляцию которых при использовании тепловых двигателей невозможно. Кроме того, только благодаря электрической тяге моторными могут быть все оси электропоездов и реализуются большие мощности, необходимые для обеспечения высоких ускорений и замедлений. По этой причине скорость перемещения пассажиров в метро более чем в 2 раза выше, чем в наземном городском транспорте [1].

Электрический транспорт, появившись на рубеже XIX и XX вв. в виде отдельных экспериментальных повозок и поездов, вошел в третье тысячелетие как неотъемлемая часть современной цивилизации. Существование человечества без электрического транспорта в настоящее время немыслимо. Помимо своего прямого назначения - перевозки людей и грузов с необходимой скоростью, электрический транспорт в огромной степени способствует преодолению экологических проблем. Кроме традиционных видов электрического транспорта интенсивно развиваются новые его виды и системы: электромобили, монорельсовые дороги с магнитным подвешиванием, транспорт без водителей с полностью автоматизированными режимами движения. Таким образом, рожденный в XIX в., электрический транспорт и в XXI в. остается современным и прогрессивным [2].