Неавтономный локомотив

5 января 1956 года Президиум ЦК КПСС обсуждал проект Генерального плана электрификации железных дорог. На Урале предлагалось перевести на электрическую тягу 906 километров пути, и Министерство электростанций поддерживало этот объём. Однако при подготовке следующей редакции из проекта исключили 659 километров: от уральской программы осталось 247. Имя инициатора сокращения в записке не названо. 25 января министр электростанций Алексей Павленко направил председателю Госплана Николаю Байбакову секретные замечания, назвал новую редакцию нецелесообразной и зафиксировал несогласие с исключением участков. Он не отказывался от их электрификации, а возражал против уже внесённого сокращения.

Довод Павленко был связан не с запасом мощности электростанций, а с перевозкой угля. Паровозная дорога расходовала часть своей пропускной способности, то есть места для поездов на линии, на доставку топлива для собственного движения. Уголь требовалось добыть, погрузить в вагоны, привезти к депо и загрузить в тендеры, прицепленные к паровозам ёмкости для воды и топлива. Прежде чем провести больше руды, металла или леса, дорога должна была доставить уголь машинам, которым предстояло везти эту руду, металл и лес. Электрификация разрывала петлю: энергия приходила к локомотиву по проводам, поэтому часть угольных вагонов освобождала путь другим грузам.

Электрификация меняла весь путь энергии - он генерации до колёс. У паровоза её источник ехал вместе с поездом: уголь горел в топке, нагревал воду, пар двигал поршни. Послевоенный магистральный тепловоз также вёз источник энергии с собой. Дизель сжигал жидкое топливо и вращал генератор, а тот питал тяговые электродвигатели возле колёсных пар. В электровозе тоже стояли двигатели, превращавшие электрическую энергию во вращение, но установка, превращавшая энергию топлива или падающей воды в электричество, оставалась на электростанции. Поэтому электровоз называют неавтономным локомотивом. Это не означает, что машина сама ничего не умеет: на ней находятся тяговые двигатели, аппараты управления, тормоза, вентиляторы для охлаждения и устройства, отключающие ток при скачках напряжения. Нет лишь собственного источника, который мог бы поддерживать движение независимо от внешнего электроснабжения. Пока над путём есть исправный провод и в нём сохраняется нужное напряжение, электровоз получает питание. При исчезновении напряжения исправная машина остаётся на рельсах без движения.

30 апреля того же 1956 года два генератора Куйбышевской гидроэлектростанции впервые включили через линию длиной 815 километров в совместную работу с Московской энергосистемой. Напряжение в ней составляло 400 киловольт. Чем выше напряжение, тем меньший ток нужен для передачи той же мощности, то есть того же количества энергии за секунду. Провод при меньшем токе слабее нагревается, поэтому большая мощность проходит дальше с меньшими потерями. Это включение считают началом Единой энергетической системы страны: электростанции и сети разных районов стали работать совместно.

Линию Куйбышев-Москва строили не как отдельный провод для железной дороги. Соединённые электростанции работали параллельно на общую сеть: рост потребления в одном районе покрывала не выделенная для него станция, а совокупность доступных генераторов и линий в пределах их возможностей. Железная дорога получала мощность большого хозяйства, а энергосистема получала крупного потребителя, чья нагрузка быстро менялась вслед за движением поездов. Поэтому план электрификации зависел от развития электростанций, дальних линий передачи и районных сетей. Без них контактный провод оставался бы бесполезным металлом над рельсами. Он был последним видимым звеном гораздо более длинной машины.

Путь энергии начинался с турбины электростанции. В гидроэлектростанции поток воды вращал её лопасти, а соединённый с турбиной генератор превращал вращение в электрический ток. Трансформатор повышал напряжение для дальней передачи. Затем районная сеть, состоявшая из связанных линий и подстанций, доставляла энергию к тяговой подстанции железной дороги. Там электричество не производили заново, а изменяли его напряжение и другие параметры для питания локомотива.

На электрифицированных постоянным током советских линиях тех лет тяговая подстанция понижала напряжение и преобразовывала переменный ток в постоянный. В энергосистеме напряжение периодически проходило через ноль и меняло полярность; возникавшее электрическое поле заставляло носители заряда в проводнике двигаться колебательно. Однако энергия не ходила бесполезно по линии туда и обратно. В среднем она передавалась от электростанции к потребителю, хотя отдельным электронам не требовалось проходить весь этот путь. Выпрямитель использовал оба полупериода так, чтобы на выходе подстанции сохранялась одна полярность. В контактную сеть поступал постоянный ток при номинальном напряжении три киловольта. Нужную мощность следовало обеспечить именно тогда, когда электровоз начинал разгон или вёл тяжёлый поезд на подъём.

Ток поступал от подстанции в контактную сеть, систему проводов над путём. Поднятый на крыше токоприёмник прижимал свою верхнюю планку к нижней поверхности провода и скользил по ней во время движения. Из контактной сети электричество проходило через аппараты электровоза к тяговым двигателям. Они вращали колёсные пары через зубчатую передачу. Но на этом путь тока не заканчивался. Через колёса он попадал в рельсы и по ним возвращался к подстанции. Рельсовый путь одновременно нёс поезд и замыкал электрическую цепь.

Электровоз мог развивать большую мощность не потому, что электричество отменяло законы механики. Колесо передаёт усилие рельсу лишь пока между двумя стальными поверхностями хватает сцепления; при чрезмерной тяге оно начинает проскальзывать. Двигатели могли перегреться, а провод и оборудование пропускали только ограниченный ток без опасного нагрева. Однако доступную локомотиву мощность теперь задавала не одна силовая установка на колёсах, а согласованная работа пути, двигателей и внешнего электроснабжения. Если вся цепь была рассчитана правильно, машина могла вести тяжёлый поезд и быстро возвращаться за следующим без набора воды и топлива.

Для движения было недостаточно знать, сколько энергии поезд израсходует за весь рейс. Требовалось знать, как быстро он запросит её в конкретную минуту. Тяжёлый состав, стоящий у станции, почти не потребляет тяговой энергии. Машинист начинает разгон, двигатели получают большой ток, и нагрузка на подстанцию быстро растёт. Поезд набрал скорость или вышел на лёгкий участок, потребление снизилось. Следом трогается другой состав, и подъём нагрузки повторяется уже в другом месте. Электричество нельзя заранее сложить в контактный провод, как уголь в тендер. В каждый момент выработка электростанций и потребление соединённых с ними машин должны оставаться согласованными. Поэтому график поездов становился также графиком движущейся электрической нагрузки. Проектировщики рассчитывали, где одновременно могут оказаться тяжёлые составы, сколько тока они потребуют на разгонах и подъёмах и какое расстояние допустимо между тяговыми подстанциями. Энергетики должны были обеспечить внешнюю сеть, а железнодорожные работники поддерживать тяговое хозяйство. Если на одном участке одновременно разгонялось слишком много тяжёлых поездов, напряжение могло снизиться. Электричество при этом не исчезало полностью, но двигатели уже не развивали ожидаемую мощность. Электровоз медленнее разгонял состав, дольше занимал перегон и сдвигал расчётное время для следующих поездов. Недостаточное электроснабжение ограничивало движение так же реально, как слабый мост или короткий станционный путь. Перед добавлением поездов приходилось проверять, сможет ли вся цепь подать им питание.

Общая сеть увеличивала масштаб некоторых отказов. При коротком замыкании ток получал непредусмотренный путь с очень малым сопротивлением и резко возрастал. Такое повреждение, обрыв провода или неисправность подстанции угрожали движению нескольких поездов, а не только одному локомотиву. Поэтому контактную сеть делили на участки, которые можно было отключать раздельно. Выключатели на подстанциях прерывали опасный ток, а переключения позволяли изолировать повреждённое место и сохранить питание там, где оборудование оставалось исправным. Железнодорожникам теперь требовалось наблюдать за сетью, быстро находить повреждение и не позволять местной неисправности остановить всё направление.

В Поволжье проектировщики Ленгипротранса в 1950-1960 годах разрабатывали электрификацию почти 1400 километров от Ковылкина через Рузаевку, Сызрань, Куйбышев, Кинель, Похвистнево и Дёму до Кропачёва. К концу 1958 года под контактным проводом оказались 529 километров от Похвистнева через Куйбышев и Сызрань до Инзы. Выход Волжской гидроэлектростанции на большую мощность добавил районным сетям значительный объём электрической энергии, но между турбиной и поездом всё равно требовалось построить линии, подстанции и контактную сеть. Это хозяйство стоило дорого ещё до прохода первого электровоза и нуждалось в непрерывном надзоре, зато затем питало состав за составом без остановок для пополнения запасов воды и топлива.

Перенос источника энергии изменил и работу людей. Паровозная бригада непосредственно управляла поддержанием огня и запасом воды. Машинист электровоза управлял тягой, но не мог из кабины восстановить отключившуюся подстанцию или починить оборванный провод. За его поездом работали дежурные подстанций, энергодиспетчеры, управлявшие подачей и отключениями, электромеханики и бригады контактной сети. Без них тяговые двигатели не получали электричества, хотя многие из этих людей не видели самого состава.

Павленко защищал 659 исключённых километров не ради простой замены локомотивов. Предстояло перестроить движение энергии через целый район: перестать везти дальний уголь к отдельным паровозным топкам и подвести энергию электростанций к поездам через линии передачи, тяговые подстанции и контактный провод. Электростанция осталась на земле, но стала частью каждого электровоза, проходившего под проводом.