Большую часть первой половины ХХ века Соединённые Штаты Америки были бесспорным мировым лидером в электрификации железных дорог. Именно американские изобретатели и экспериментаторы в XIX веке разработали большинство новых для того времени технологий электрической тяги.

В конце 1880-х этот вид тяги пришёл на городской транспорт — появился трамвай, а в течение последующего десятилетия электротяга вышла на уровень, позволяющий удовлетворить более высокие требования магистральных железных дорог.

Электровозы, способные работать на железной дороге, начали появляться ещё в 1893 году. Ранее, в 1892 году, железная дорога Baltimore & Ohio (B&O) приняла смелое решение перевести на электрическую тягу свой новый тоннель Howard Street Tunnel в Балтиморе. B&O заключила контракт с молодой компанией General Electric Company (GE) на поставку системы электроснабжения напряжением 600 В постоянного тока и трёх локомотивов для вождения поездов через тоннель. Движение электровозов началось в 1895 году, новые локомотивы быстро зарекомендовали себя с хорошей стороны.

Первое десятилетие ХХ века было временем заметного прогресса для новых технологий. В Нью-Йорке железная дорога New York Central (NYC) завершила масштабный проект электрификации пригородных линий, где применила систему постоянного тока с контактным рельсом. Дорога New Haven запустила новаторский проект электрификации на переменном токе линии от Нью-Йорка до Нью-Хейвена, штат Коннектикут. Железная дорога Pennsylvania Railroad (PRR) начала работу над большим проектом электрификации тоннеля и станции в Нью-Йорке, что позволило организовать движение поездов на электрической тяге в направлении Манхэттена через тоннели под рекой Гудзон и проливом Ист-Ривер.

Электрификация оказалась ответом на проблемы, связанные с эксплуатацией паровозов в тоннелях. Электрические локомотивы начали работать на железных дорогах Grand Trunk Western и Michigan Central в тоннелях под реками Сент-Клэр и Детройт в штате Мичиган, в тоннеле Cascade Tunnel дороги Great Northern, штат Вашингтон, и в тоннеле Hoosac Tunnel дороги Boston & Maine, штат Массачусетс. Пригородные электропоезда начали курсировать на железных дорогах Long Island и West Jersey & Seashore, дочерних предприятиях PRR, а также на пригородных линиях в районе залива Сан-Франциско.

 

Электровоз железной дороги B&O № 1, первый в мире магистральный электровоз, 1895. en.wikipedia.org

 

Последовали новые триумфы. На Западе США железная дорога Butte, Anaconda & Pacific и большая часть линии Pacific Extension дороги Milwaukee Road были электрифицированы на постоянном токе. Углевозные железные дороги Norfolk & Western и Virginian смонтировали системы однофазного переменного тока. В Чикаго железная дорога Illinois Central перевела на электротягу свои пригородные линии, а дороги Lackawanna и Reading Lines вскоре последовали их примеру, электрифицировав участки, соответственно, в северной части штата Нью-Джерси и в Филадельфии.

Крупнейший за всю историю проект электрификации в США был завершён дорогой Pennsylvania Railroad в 1930-х годах. Когда контактная сеть достигла Гаррисберга в 1938 году, у PRR уже было почти 2200 миль одной из самых загруженных электрифицированных железных дорог в Северной Америке. В те годы Соединённые Штаты являлись мировым лидером в электрификации железных дорог. Эксплуатационная длина электрифицированных участков в США составляла 2400 миль, а развёрнутая длина — более 6300 миль — это намного больше, чем в любой другой стране. В общей протяжённости электрифицированных железных дорог в мире доля США составляла более 20 %.

Практически во всех случаях электрификация оправдала ожидания. Электрическая тяга позволила существенно повысить скорость движения и увеличить пропускную способность железнодорожных линий. Электровозы работали с гораздо меньшими расходами на топливо и техническое обслуживание, чем паровозы, которые они заменили. Время, которое электровозы могли проводить в рейсах, было в два-три раза больше, чем у паровозов, а ожидаемый срок службы — вдвое больше. Сторонники электрической тяги указывали на эти преимущества и предсказывали светлое будущее электрификации в США. Например, в отчёте Федеральной энергетической комиссии за 1936 год было сказано, что электрификация дополнительных 12000 миль на двадцати железных дорогах была бы экономически целесообразной. Считалось, что Вторая мировая война лишь на время остановила расширение полигона электрификации железных дорог.

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.

 

C новыми технологиями пришли новые локомотивы

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

 

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.

 

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.

Что же пошло не так? Ответ простой: тепловозы

Но дело было не только в этом. Провал электрификации был также связан с наличием капитала, предполагаемой доступностью источников электроэнергии, её стоимостью, а также готовностью руководителей железных дорог взять на себя столь дорогостоящие, долгосрочные и, в конечном счёте, неопределённые инвестиции.

Дизель-электрический локомотив, конечно, был главной силой, сорвавшей электрификацию. В 1930-е годы, когда на дороге PRR была проведена последняя крупная электрификация, тепловозная тяга ещё не была освоена в полной мере. Но к тому времени, когда закончилась война, сомнений в том, на что способен дизель, уже не было. Война поставила железные дороги перед трудным выбором. Из-за износа оборудования требовались большие денежные средства на обновление. В то же время доступный для этих целей капитал был ограничен.

В таких условиях перевод железной дороги на тепловозную тягу был привлекательной инвестицией. Электрификация, бесспорно, имела большие преимущества перед паровозной и тепловозной тягой как с чисто технической точки зрения, так и по эксплуатационным расходам. Но тепловоз обладал рядом показателей эффективности, сопоставимых с электровозом, при гораздо меньших капитальных затратах. Показательны некоторые данные, полученные Биллом Эрлом из GE в результате проведённого в 1946 году исследования модернизации локомотивного парка железной дороги New York Central на участке Хармон — Буффало.

В этом исследовании сравниваются капитальные затраты и эксплуатационные расходы на электрическую тягу, дизель-электрические локомотивы и современные паровозы. При электрификации участка прогнозируемая ежегодная экономия эксплуатационных расходов составила более 2,9 миллионов долларов по сравнению с паровозами, а при переводе участка на тепловозную тягу — чуть менее 1,8 миллиона долларов. Казалось бы, это даёт явное преимущество электрификации, но картина меняется, если принять во внимание окупаемость инвестиций. Перевод участка Хармон — Буффало на современную паровозную тягу обошёлся бы в 80,5 миллиона долларов, на тепловозную тягу — в 104,5 миллиона долларов, а электрификация — в 135 миллионов долларов. При таких оценочных затратах рентабельность инвестиций, по сравнению с паровозной тягой, при электрификации составила бы 5,39 %, в то время как при переходе на тепловозную тягу возросла бы до 7,5 %. Если же сравнивать электрификацию и перевод на тепловозную тягу, рентабельность инвестиций в электрификацию составила бы всего 3,75 %.

С такими цифрами и дефицитом инвестиционного капитала железная дорога New York Central начала переход на тепловозную тягу. Для других дорог результаты были примерно такими же, и ни один из масштабных проектов электрификации, которые обсуждались в конце войны, никогда не выходил за рамки чертежей.

Электрификация не только перестала расти, но и пошла на спад. Здесь также во многом виноват тепловоз.

Несомненным преимуществом тепловоза перед паровозом была его способность преодолевать большие расстояния без изменения мощности. Электрификация, которая первоначально выполнялась ​​в основном с целью решения проблемы дыма в длинных тоннелях, снизила общую эффективность сквозного движения по таким участкам. В то же время проблема выхлопа дизельных двигателей оказалась решаемой с помощью улучшенных систем вентиляции тоннелей. Железная дорога Boston & Maine прекратила работу электровозов через длинный тоннель Hoosac Tunnel ещё в 1946 году, а до конца 1950-х тоннель Howard Street Tunnel дороги B&O в Балтиморе, тоннель Detroit River Tunnel дороги NYC, тоннель Cascade Tunnel дороги Great Northern и тоннель St. Clair River Tunnel дороги Grand Trunk Western также были переведены на тепловозную тягу. Снижение загрязнений от дыма в городских условиях было единственной причиной электрификации станции Юнион-Терминал железной дороги New York Central в Кливленде, штат Огайо, однако к 1953 году эта электрификация прекратила своё существование.

Процессы слияния железных дорог, с которых начались изменения в отрасли в 1950-х годах, сделали невозможными проекты большой электрификации. После слияния Norfolk & Western (N&W) и Virginian в 1959 году, в N&W решили воспользоваться преимуществами объединённой системы и пересмотрели маршруты перевозок угля. В результате на электрифицированной линии Virginian, по которой осуществлялось преимущественно одностороннее движение на восток, объёмы перевозок существенно снизились. Это сделало невыгодным использование как электрической, так и тепловозной тяги, и в 1962 году электрификация на данной линии была демонтирована. Напротив, собственный электрифицированный участок N&W вернулся к работе на паровозной тяге в 1950 году после того, как в результате переноса линии были облегчены уклоны и кривые.

Электрическая тяга на участках PRR сохранялась и после слияния с NYC и образования Penn Central в 1968 году, но последующее банкротство Penn Central и образование Conrail в 1976 году внесло серьёзные изменения в организацию грузового движения, которое ранее осуществлялось по электрифицированной сети PRR. Участок Нью-Йорк — Вашингтон был передан федеральной пассажирской компании Amtrak, а Conrail перевела большую часть грузового движения на неэлектрифицированные линии, ранее принадлежавшие Reading Lines и Lehigh Valley Railroad. В то же время большая часть грузового движения к западу от Филадельфии, для которого ранее использовались электрифицированные маршруты PRR, имеющие благоприятный профиль, была переведена на бывшую линию Reading Lines. С этими изменениями электрическая тяга перестала быть экономически выгодной, и в 1981 году компания Conrail отказалась от электровозов.

На некоторых участках электрификация исчезла по другим причинам. Когда в результате строительства новой обогатительной фабрики в Бьютте, штат Монтана, резко сократился грузопоток руды на железной дороге Butte, Anaconda & Pacific, оставшиеся перевозки были переведены на тепловозы, и в 1967 году полностью прекратилось движение на электрической тяге. На линии Pacific Extension железной дороги Milwaukee Road электровозы и устройства электроснабжения после 50 лет эксплуатации были сильно изношены и не обновлялись. Доля перевозок на тепловозной тяге всё более увеличивалась, и в 1974 году последний участок контактной сети был обесточен.

Электрификация железных дорог в США: безуспешная попытка

Но даже по мере того, как старые электрифицированные участки постепенно переводились на тепловозную тягу, среди специалистов вновь возникло мнение о перспективах использования электрической тяги на железных дорогах Америки.

В 1965 году специальная исследовательская группа Института электричества Эдисона, который является ассоциацией предприятий электроэнергетической отрасли США, изучила проект электрификации главной линии дороги New York Central от станции Хармон до Кливленда как основу для исследования возможности электрификации железнодорожных линий с интенсивным движением. В отчёте, опубликованном в 1970 году, сделан вывод о том, что серьёзных технических препятствий для электрификации на переменном токе промышленной частоты нет, рекомендуется электрификация коридоров с высокой плотностью движения, как выгодная для железных дорог и энергетических компаний. По оценкам отчёта, около 22000 километров путей обеспечивают интенсивность движения, достаточную для электрификации.

Этот интерес к электрификации приобрёл новую актуальность с наступлением энергетического кризиса начала 1970-х и последовавшим за ним повышением цен на дизельное топливо. Дорога Southern Pacific в конце 1960-х годов начала изучение возможности электрификации своего маршрута Sunset между городами Колтон, Калифорния, и Эль-Пасо, Техас. В начале 1970-х годов дорога Canadian Pacific рассматривала возможность электрификации участка длиной 850 миль через Скалистые горы. В 1973 г. железная дорога Burlington Northern изучила вопрос электрификации нескольких основных линий, в том числе маршрута между Лорел, штат Монтана, и Линкольн, штат Небраска, который стал основным «кандидатом на электрификацию» из-за роста перевозок угля с низким содержанием серы. Union Pacific в начале 1970-х годов исследовала возможность перевода на электрическую тягу своей основной линии от Норт-Платт, штат Небраска, до Солт-Лейк-Сити и Покателло, штат Айдахо. Дорога Santa Fe, которая рассматривала проекты электрификации в конце Второй мировой войны и позднее в 1960 году, начала ещё одно исследование в 1972 году, на этот раз для всей магистрали Чикаго — Лос-Анджелес.

 

Электровоз E50C № 100, железная дорога Muskingum Electric Railroad, Камберленд, Огайо, 18 марта 1985. Nate Murry

 

Железная дорога Illinois Central Gulf изучала возможность электрификации магистрали Чикаго — Новый Орлеан и нескольких её ответвлений. Совместно с федеральной корпорацией Tennessee Valley Authority железная дорога Southern Railway начала исследование электрификации своей главной линии Цинциннати — Чаттануга, позднее — с учётом продления до Атланты. В 1971 году, даже будучи банкротом, Penn Central думала о расширении своей электрификации, доставшейся в наследство от PRR, на линии бывшей New York Central от западного берега реки Гудзон до станции Селкирк-Ярд в Олбани, штат Нью-Йорк. В конце 1970-х, всего за несколько лет до закрытия существующей электрификации, компания Conrail (преемник Penn Central) изучила проект перевода на электротягу участка Гаррисберг — Питтсбург через Аллеганские горы — проект, который PRR много раз рассматривала ранее. Другие дороги, которые, по крайней мере, изучали возможность электрификации: Missouri Pacific; Duluth, Missabe & Iron Range; Bessemer & Lake Erie; Canadian National; Denver & Rio Grande Western; Quebec North Shore & Labrador; Chesapeake & Ohio / Baltimore & Ohio.

Все эти исследования были основаны на передовой концепции электрификации на переменном токе высокого напряжения промышленной частоты. Основные поставщики локомотивов видели в этом новый большой рынок. «Мы стремимся к электрификации, — сказал представитель GE, — очевидные экономические выгоды делают это неизбежным». Даже компания Electro Motive Division (EMD) «застраховалась» путём приобретения лицензии на технологии электрификации у шведской фирмы ASEA. В 1975 и 1976 годах EMD выпустила опытные образцы электровозов нового поколения мощностью 6000 л. с. и 10000 л. с., введённые в эксплуатацию на дороге Penn Central.

 

Электровоз GF6C № 6001, Британская Колумбия, Канада, 1983. Электровозы этой серии рассчитаны на напряжение в контактной сети 50 кВ, 60 Гц. Collection of Michael Berry

 

Несколько новых угольных линий, соединяющих шахты и электростанции, были построены в конце 1960-х и 1970-х гг. и рассматривались как прототипы нового видения электрификации. Железная дорога Muskingum Electric Railroad в Огайо и две линии для транспортировки бурого угля компании Texas Utilities в восточном Техасе были электрифицированы по системе однофазного переменного тока напряжением 25 кВ, 60 Гц, а железная дорога Black Mesa & Lake Powell в Аризоне — на напряжении 50 кВ. Последняя система считалась прототипом для электрификации на Западе США. Для всех трёх железных дорог GE выпустила электровозы с полупроводниковыми выпрямителями на диодах и тиристорах.

Но снова сторонников электрификации ждало разочарование. Ибо, несмотря на весь интерес и проведённые исследования, прорыва в этом направлении не произошло. Были электрифицированы ещё две короткие изолированные угольные линии на Западе США (Navajo Mine Railroad в 1974 г. и Desert Western Railway в 1984 г. — прим. перев.), а железная дорога British Columbia Railway (Канада) перевела на электрическую тягу (в 1983 г. — прим. перев.) новый участок, построенный для вывоза угля. Только на одной магистральной линии появилась электрификация — на участке Мехико — Керетаро Национальных железных дорог Мексики (NdeM). Но эта электрификация в полной мере так и не была введена в эксплуатацию, а впоследствии — демонтирована.

Что случилось на этот раз?

После десятилетия резкого роста цен на дизельное топливо нефтяной энергетический кризис 1970-х годов в значительной степени утих к началу 80-х, и цены на дизельное топливо начали снижаться. В то же время фирмы-производители продолжали разрабатывать новые поколения тепловозов, постоянно улучшая их характеристики и повышая топливную экономичность. Например, за 40‑летний период с 1955 по 1995 год топливная экономичность дизелей увеличилась более чем вдвое. Тепловоз всё ещё оставался серьёзной альтернативой электрификации железных дорог.

Огромные капитальные затраты и риски, связанные с электрификацией, также были сильными сдерживающими факторами. Даже если прогнозируемая окупаемость инвестиций выглядела хорошо, беспокоиться было о чём. Можно ли завершить электрификацию вовремя и по запланированной стоимости? Будет ли электроэнергия доступна по стабильным ценам? Смогут ли энергетические предприятия генерировать мощность, достаточную для питания железнодорожных потребителей? Если потребуются новые электростанции, возможно ли их вовремя ввести в эксплуатацию? Если изменить любой из этих параметров, электрификация может не принести ожидаемых результатов.

Столкнувшись со всеми рисками и неопределённостями, которые сопровождали дорогостоящие проекты электрификации, учитывая рост производительности и эффективности тепловозов, железные дороги Америки снова отказались от внедрения электрической тяги.

Наступит ли когда-нибудь новый яркий рассвет повсеместной электрификации железных дорог в США?

Рассмотрим стабильно растущую кривую годового объёма грузовых перевозок (в тонно-милях) и подумаем о том, как всё больший и больший грузооборот сосредотачивается на ключевых маршрутах по мере консолидации отрасли за счёт слияния железных дорог. Очевидно, что электрификация однажды понадобится только для того, чтобы удовлетворить потребности в перевозках. Но, если этот день настанет, будут ли у железных дорог ресурсы для осуществления таких проектов? И не потребуется ли государственная поддержка, как это потребовалось для того, чтобы наконец-то продлить старую электрификацию дороги New Haven (ныне Северо-Восточный коридор Амтрака) до Бостона, или, как это произошло во многих странах мира, где электрификация развивалась?

Только одно можно сказать наверняка: мы обязательно будем говорить о неопределённых перспективах электрификации железных дорог США на многие годы вперёд.

Истории успеха пригородных линий

В то время как электрификация большинства магистральных линий железных дорог пришла в упадок после Второй мировой войны, ситуация на пригородных участках была намного лучше. Строительство новых мостов Golden Gate Bridge и Bay Bridge привело к прекращению движения на электрифицированных пригородных линиях дорог Northwestern Pacific и Southern Pacific в районе залива Сан-Франциско накануне войны. В 1949 году после открытия автомобильной дороги в Филадельфию через мост Бенджамина Франклина прекратилось движение на аналогичных линиях West Jersey & Seashore Railroad. Но в других местах электрификация продолжала развиваться, поскольку электрическая тяга на этих участках с очень интенсивным движением обеспечивала высокие эксплуатационные характеристики, несравнимые с дизельной тягой.

 

Электропоезд серии Silverliner II № 9002 железной дороги Reading Lines, Филадельфия, Пенсильвания, сентябрь 1964. Roger Puta

 

Большинство электрифицированных пригородных линий пострадали из‑за ухудшения технического обслуживания и отложенного обновления во время длительного послевоенного спада пассажирских перевозок, но к концу 1950-х годов начался поток государственного финансирования, что в конечном итоге помогло переоснастить, отремонтировать и модернизировать пригородные железные дороги. На двух линиях была проведена полная замена устройств электроснабжения. В 1984 году пригородная компания New Jersey Transit перевела бывший участок дороги Lackawanna с постоянного тока на переменный. На пригородных линиях Монреаля (Канада) аналогичный перевод с заменой старых устройств электроснабжения дороги Canadian National был осуществлён в 1995 году.

По мере роста пригородов некоторые электрифицированные пригородные системы были расширены. Электрификация коротких участков позволила продлить пригородное движение на железной дороге Reading Lines в Филадельфии до станций Фокс-Чейз и Варминстер, а на дороге Illinois Central в Чикаго контактная сеть была продлена на юг до станции University Park. В 1980-х годах компания SEPTA в Филадельфии осуществила десятилетнюю мечту, объединив бывшие пригородные линии PRR и Reading Lines, и связав их тоннелем Center City Commuter Tunnel. Кроме того, SEPTA открыла новую линию в международный аэропорт Филадельфии.

Электрификация пригородных участков компании New Jersey Transit достигла Лонг-Бранч, штат Нью-Джерси, в 1988 году. В Нью-Йорке оператором МТА бывшая линия дороги New York Central, оборудованная контактным рельсом, была немного продлена от Норт-Уайт-Плейнс до Брюстера в 1984 году. В этот же период электрифицированная сеть дороги Long Island, также с контактным рельсом, выросла почти на 40 миль и была доведена до Хиксвилла и Хантингтона в 1970 году и до Ронконкомы в 1988 году. Примерно с 2000 года проводились серьёзные исследования новой электрификации на переменном токе напряжением 25 кВ 80‑мильного маршрута Caltrain (ранее Southern Pacific) из Сан-Франциско в Сан-Хосе и Гилрой, поскольку там наблюдался стремительный рост пассажиропотока. Этот проект должен стать первой новой электрификацией пригородных маршрутов в Северной Америке с тех пор, как железная дорога Reading Lines электрифицировала свои линии в Филадельфии в 1931-1933 годах (сейчас работы на линии Caltrain продолжаются, открытие запланировано на 2022 год; тем временем в апреле 2016 г. вступила в строй пригородная электрифицированная линия RTD A Line длиной 37,8 км в Денвере, штат Колорадо).

Источник: Railway Supply