Железнодорожная отрасль в США и Европе

1.

КАФЕДРА «ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ
СИСТЕМЫ»
Тема: Railway industry in usa and
europe
Тема: Железнодорожная отрасль
в США и Европе
Докладчик: студент группы СОДП-33
Барабанова С.А
Руководитель:старший преподаватель
кафедры лингвистики
Митрофанова Ирина
Васильевна
Самара 2024 г

2.

Introduction
The low-frequency electrified railway system, used for over a century in European countries like
Sweden and Germany, could become a cost-effective and attractive option for railway electrification
in the U.S., thanks to modern power electronics technology for frequency conversion and the need
for high power quality. Although the U.S. has the most extensive railway network globally, only 1% of
its 244,000 miles of track is electrified, largely due to historically cheap diesel oil and high
electrification costs. However, environmental concerns are prompting several major U.S. cities to
consider electrification, especially for expanding metro and freight routes. These pressures present a
timely opportunity to adopt a low-frequency electrification system that could offer economic and
performance advantages over current options.
https://www.researchgate.net/publication/3812196_Railway_electrification_systems_and_configurations

3.

Вступление
Система низкочастотной электрификации железных дорог, которая уже более ста лет используется в таких европейских
странах, как Швеция и Германия, может стать экономически эффективным и привлекательным вариантом
электрификации железных дорог в США благодаря современным технологиям силовой электроники для
преобразования частоты и необходимости обеспечения высокого качества электроэнергии. Несмотря на то, что в США
самая разветвленная железнодорожная сеть в мире, только 1% из 244 000 миль железнодорожных путей
электрифицировано, в основном из-за исторически дешевого дизельного топлива и высоких затрат на
электрификацию. Однако проблемы охраны окружающей среды побуждают несколько крупных железнодорожных
компаний США городам следует задуматься об электрификации, особенно для расширения метрополитена и грузовых
маршрутов. Эти трудности предоставляют своевременную возможность внедрить систему низкочастотной
электрификации, которая может обеспечить экономические и эксплуатационные преимущества по сравнению с
существующими вариантами.
https://www.researchgate.net/publication/3812196_Railway_electrification_systems_and_configurations

4.

Future for railway electrification
Railway electrification in the U.S. faces high costs due to the extensive track network and significant
infrastructure adjustments needed for electrification. Most existing civil structures would require
costly modifications for high-voltage systems. U.S. rail companies have been hesitant to invest due
to high costs and low returns, focusing electrification efforts on heavily traveled routes. However,
environmental pressures are pushing for electrification on busy freight corridors. By adopting a lowfrequency, low-voltage system (around 15-20 Hz and 15-16.5 kV), the U.S. could reduce both civil
and operational costs. Advances in power electronics, like high-power thyristors, make this lowfrequency approach viable by allowing increased distance between substations, reducing clearance
requirements and thus lowering overall electrification expenses.
https://www.researchgate.net/publication/3812196_Railway_electrification_systems_and_configurations

5.

Будущее электрификации железных дорог
Электрификация железных дорог в США сопряжена с высокими затратами из-за разветвленной сети путей и
значительных изменений инфраструктуры, необходимых для электрификации. Большинство существующих гражданских
сооружений потребовали бы дорогостоящей модификации высоковольтных систем. Железнодорожные компании США
не решаются инвестировать из-за высоких затрат и низкой отдачи, сосредотачивая усилия на электрификации
маршрутов с интенсивным движением. Однако экологическое давление подталкивает к электрификации загруженных
грузовых коридоров. Внедрив низкочастотную систему с низким напряжением (около 15-20 Гц и 15-16,5 кВ), США смогли
это может снизить как гражданские, так и эксплуатационные расходы. Достижения в области силовой электроники,
такие как мощные тиристоры, делают этот низкочастотный подход жизнеспособным, позволяя увеличить расстояние
между подстанциями, снизить требования к зазору и, таким образом, снизить общие затраты на электрификацию.
https://www.researchgate.net/publication/3812196_Railway_electrification_systems_and_configurations

6.

Railway electrification systems in Usa
In the U.S., railway electrification is primarily applied
to commuter rails and select heavily traveled routes,
like Amtrak's Northeast Corridor, which operates at 60
Hz with a 25 kV catenary voltage. Some freight lines,
such as the Black Mesa-Lake Powell railroad for coal
transport, use a unique 50 kV system optimized for
economy over reliability due to its isolated location.
Additionally, a few systems in the eastern U.S., like the
New Jersey Coastline, operate at a lower frequency
(25 Hz) and lower voltage (12 kV), though they haven't
fully leveraged the benefits of low frequency. Most
U.S. rail travel remains freight-focused, with passenger
routes primarily limited to high-demand areas and
shorter distances (under 200 miles), while longer
routes are typically served by air travel.
https://www.researchgate.net/publication/3812196_Railway_electrification_systems_and_configurations

7.

Системы электрификации железных дорог в США
В США электрификация железных дорог в основном применяется
к пригородным рельсам и некоторым маршрутам с интенсивным
движением, таким как Северо-Восточный коридор Amtrak,
который работает на частоте 60 Гц с напряжением в контактной
сети 25 кВ. На некоторых грузовых линиях, таких как железная
дорога Блэк-Меса-Лейк-Пауэлл для перевозки угля, используется
уникальная система напряжением 50 кВ, оптимизированная с
точки зрения экономии, а не надежности, благодаря своему
изолированному расположению. Кроме того, несколько систем
на востоке США, например, на побережье Нью-Джерси, работают
на более низкой частоте (25 Гц) и более низком напряжении (12
кВ), хотя они не в полной мере используют преимущества низкой
частоты. Большинство американских железнодорожные
перевозки по-прежнему ориентированы на грузовые перевозки,
а пассажирские маршруты в основном ограничены районами с
высоким спросом и более короткими расстояниями (менее 200
миль), в то время как более длинные маршруты обычно
обслуживаются воздушным транспортом.
https://www.researchgate.net/publication/3812196_Railway_electrification_systems_and_configurations

8.

Railway Electrification Substations
In U.S. railway electrification, substations typically
power 20-mile stretches (10 miles in each direction),
with each substation feeding about 40 single-track
miles. The distance between substations is limited
by voltage drops in the catenary, resulting in an
unbalanced load on the electrical system. Voltage
flicker, caused by load switching between
substations, can lead to customer complaints if
frequent. Substation costs are influenced by voltage
levels and track length served, and fewer substations
reduce overall costs. Techniques like higher voltage
(50 kV), harmonic filtering, series compensation, and
auto-transformer methods can address voltage
drops, as seen in systems like the Black Mesa-Lake
Powell line.
https://www.researchgate.net/publication/3812196_Railway_electrification_systems_and_configurations

9.

Подстанции для электрификации железных дорог
При электрификации железных дорог США подстанции
обычно питают 20-мильные участки (по 10 миль в каждом
направлении), при этом каждая подстанция питает около 40
миль однопутного пути. Расстояние между подстанциями
ограничено из-за перепадов напряжения в контактной сети,
что приводит к несбалансированной нагрузке на
электрическую систему. Частые скачки напряжения,
вызванные переключением нагрузки между подстанциями,
могут привести к жалобам потребителей. Стоимость
подстанций зависит от уровня напряжения и длины
обслуживаемого пути, и меньшее количество подстанций
снижает общие затраты. Такие методы, как повышение
напряжения (50 кВ), фильтрация гармоник, последовательная
компенсация и автотрансформаторные методы, могут
устранить перепады напряжения, как это видно на примере
таких систем, как линия Black Mesa-Lake Powell.
https://www.researchgate.net/publication/3812196_Railway_electrification_systems_and_configurations

10.

Power Requirements and Other Needs of Railway
Electrification
In the U.S., freight trains, powered by
multiple diesel locomotives, have high
power demands ranging from 18 to 24 MW
per train, leading substations to handle
peak loads of 60-100 MVA when several
trains operate simultaneously. High loads
necessitate either closer substation spacing
or higher voltage systems to manage
voltage drops. One solution is to use a +/25 kV auto transformer system, effectively
providing 50 kV between feeders, as
implemented on the Boston-New Haven
line. Although a 50 kV system could reduce
costs, it would also require costly civil
infrastructure modifications.
https://www.researchgate.net/publication/3812196_Railway_electrification_systems_and_configurations

11.

Потребности в электроэнергии и другие
потребности железных дорог. Электрификация
В США грузовые поезда, приводимые в движение
несколькими тепловозами, имеют высокие требования
к мощности - от 18 до 24 МВт на поезд, что позволяет
подстанциям выдерживать пиковые нагрузки в 60-100
МВА при одновременной работе нескольких поездов.
При высоких нагрузках требуется либо большее
расстояние между подстанциями, либо системы с более
высоким напряжением для предотвращения перепадов
напряжения. Одним из решений является
использование автотрансформаторной системы
напряжением +/- 25 кВ, которая эффективно
обеспечивает 50 кВ между фидерами, как это было
реализовано на линии Бостон - Нью-Хейвен. Хотя
система напряжением 50 кВ могла бы снизить затраты,
она также потребовала бы дорогостоящей
модификации гражданской инфраструктуры.
https://www.researchgate.net/publication/3812196_Railway_electrification_systems_and_configurations

12.

Number of Substations and other Major Railway
Electrification Costs
The number of substations built to supply a railway electrification system has a direct impact on the
cost of the railway electrification project. The other factors which will influence the cost are the size of
the substation and the voltage level required to feed the railway electrification load. The number of
substations could be reduced if a substation can provide power for greater track length. As indicated
above, this track length served from a substation is usually limited by the catenary voltage drop.
Higher conductor size, if used, would reduce losses, increase current capacity, but would not
significantly reduce the inductive voltage drop and thus not solve the voltage drop
problem.Innovative methods as in the case of the Black MesaLake Powell line have been used to
reduce the number of substations and thus the cost of railway electrification. The methods include
going to higher voltage (50 KV), and using harmonic filtering and series compensation at the middle of
the line to reduce the voltage drop further. Other methods used to supply large loads are the autotransformer feeder method, etc.
https://www.researchgate.net/publication/3812196_Railway_electrification_systems_and_configurations

13.

Количество подстанций и других крупных
железнодорожных объектов. Затраты на
электрификацию
Количество подстанций, построенных для обеспечения системы электрификации железных дорог, напрямую влияет на
стоимость проекта электрификации железных дорог. Другими факторами, которые будут влиять на стоимость, являются
размер подстанции и уровень напряжения, необходимый для обеспечения нагрузки, связанной с электрификацией
железных дорог. Количество подстанций можно было бы сократить, если бы подстанция могла обеспечивать
электроэнергией большую протяженность трассы. Как указано выше, длина трассы, обслуживаемой от подстанции,
обычно ограничена падением напряжения в контактной сети. Использование проводника большего размера, если он
используется, уменьшило бы потери, увеличило бы пропускную способность по току, но существенно не уменьшило бы
индуктивное падение напряжения и, следовательно, не решилобы проблему падения напряжения.Как и в случае с
линией Black MesaLake Powell, были использованы инновационные методы для сокращения количества подстанций и,
следовательно, затрат на электрификацию железных дорог. Эти методы включают переход на более высокое
напряжение (50 кВ), а также использование фильтрации гармоник и последовательной компенсации в середине
цикла.линию для дальнейшего снижения падения напряжения. Другими методами, используемыми для питания
больших нагрузок, являются метод автотрансформаторного питания и т.д.
https://www.researchgate.net/publication/3812196_Railway_electrification_systems_and_configurations

14.

Design Basis for the Railway Electrification Loads
In designing a railway electrification system,
each substation must handle up to 150% of
its nominal load to compensate for the
potential failure of an adjacent substation,
ensuring uninterrupted train operation. For
example, if Substation B fails, Substations A
and C must be capable of covering its load in
addition to their own. This redundancy
requirement influences system design,
including considerations for voltage balance,
harmonics, and flicker.
https://www.researchgate.net/publication/3812196_Railway_electrification_systems_and_configurations

15.

Основы проектирования нагрузок для
электрификации железных дорог
При проектировании системы электрификации железных
дорог каждая подстанция должна выдерживать до 150%
своей номинальной нагрузки, чтобы компенсировать
возможный отказ соседней подстанции и обеспечить
бесперебойную работу поездов. Например, если
подстанция B выйдет из строя, подстанции A и C должны
быть способны покрыть ее нагрузку в дополнение к своей
собственной. Это требование к резервированию влияет на
конструкцию системы, включая учет баланса напряжения,
гармоник и мерцания.
https://www.researchgate.net/publication/3812196_Railway_electrification_systems_and_configurations

16.

Power quality considerations for
railway electrification loads
Railway electrification presents significant power quality challenges
due to its highly intermittent, irregular load profile, poor power
factor, and tendency to cause voltage and current imbalances,
harmonics, and voltage flicker. This unbalanced load is typically
supplied by one or two phases of the utility system, stressing utility
equipment, potentially causing interference with other customer
loads, and often prompting complaints. Utilities must design
substations with larger capacities to manage these effects and
employ devices like Static Load Balancers to improve voltage stability
and reduce flicker. Utilities aim to limit voltage imbalance to around
2%, though other sources contribute a background imbalance of
approximately 0.5-0.8%. In designing railway electrification systems,
utilities also measure ambient voltage imbalance and consider the
substation’s short circuit duty to minimize negative impacts on
equipment and customer satisfaction.
https://www.researchgate.net/publication/3812196_Railway_electrification_systems_and_configurations

17.

Соображения, касающиеся качества электроэнергии
при электрификации железных дорог
Электрификация железных дорог создает серьезные проблемы с качеством
электроэнергии из-за ее высокой периодичности, неравномерного профиля
нагрузки, низкого коэффициента мощности и склонности вызывать
дисбалансы напряжения и тока, гармоники и скачки напряжения. Эта
несбалансированная нагрузка, как правило, обеспечивается одной или
двумя фазами коммунальной системы, что создает нагрузку на
коммунальное оборудование, потенциально вызывая помехи в работе
других потребителей и часто вызывая жалобы. Коммунальные службы
должны проектировать подстанции большей мощности, чтобы справиться с
этими эффектами, и использовать такие устройства, как статические
балансировщики нагрузки, для повышения стабильности напряжения и
уменьшения мерцания. Коммунальные службы стремятся ограничить
дисбаланс напряжения примерно до 2%, хотя другие источники вносят
фоновый дисбаланс примерно в 0,5-0,8%. При проектировании систем
электрификации железных дорог коммунальные службы также измеряют
дисбаланс окружающего напряжения и учитывают вероятность короткого
замыкания подстанции, чтобы свести к минимуму негативное воздействие
на оборудование и удовлетворенность клиентов.
https://www.researchgate.net/publication/3812196_Railway_electrification_systems_and_configurations

18.

Conclusion
• The method of identification of digital twins of throughput processes in the limiting sections of
the railway network presented in the report of PrivGUPS is a new methodological solution that
can be used for the advanced development of the railway network of the Russian Federation.
• This method is based on modeling real transport processes on railway sections and is
characterized by high accuracy in predicting the indicators of the transportation process. In
addition, the results can be interpreted in economic terms. The method can be further developed
and applied in practice through the use of the real data platform of the DMZ of the Russian
Railways company.
https://www.researchgate.net/publication/3812196_Railway_electrification_systems_and_configurations

19.

Вывод
Метод идентификации цифровых двойников пропускных процессов на предельных участках железнодорожной сети,
представленный в отчете ПривГУПС, является новым методологическим решением, которое может быть использовано
для опережающего развития железнодорожной сети Российской Федерации. Данный метод основан на моделировании
реальных транспортных процессов на железнодорожных участках и характеризуется высокой точностью
прогнозирования показателей перевозочного процесса. Кроме того, результаты могут быть интерпретированы в
экономических терминах. Метод может быть доработан и применен на практике за счет использования платформы
реальных данных DMZ компании "Российские железные дороги".
https://www.researchgate.net/publication/3812196_Railway_electrification_systems_and_configurations

20.

КАФЕДРА «ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА»
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ
Докладчик: студент группы СОДП-33
Барабанова София Алексеевна
тл. 8 996-73-80-685
е mail:barabanova.sofiya@yandex.ru
Самара 2024 г