ソビエト連邦における鉄道の電化

蒸気機関車牽引を（交通量の多い路線で）電化に置き換えることは費用対効果が高く^{[ 6 ]}、これが1930年代の最初の電化の原動力となった。1920年の国家電化計画、GOELRO（ロシア語）^{[ 7 ]}には鉄道電化が含まれており、ソビエト革命の指導者レーニン によって強く支持された。レーニンは手紙^{[ 8 ]}で、鉄道電化が現在実現不可能であっても、5〜10年後には実現可能になるかもしれないと示唆した。そして実際、鉄道電化は数年後に実際に始まったが、レーニンはそれが実現するのを見届けることはできなかった。

1926年には、バクー から19kmの区間が1200VDCで電化され、通勤用モーターカー列車が運行を開始した。^{[ 9 ]} 1929年には、モスクワからムィティシチまでの18kmの区間が1500Vで電化され、運行を開始した。1930年代の今後の電化はより大規模になり、ほとんどが3000VDC（3kV）で行われた。   

1.5 kV での新たな電化は一部継続されたが、1930 年代には 3 kV を使用した電化が 3 倍以上になった。^{[ 10 ]}ソビエト連邦における 3 kV での幹線鉄道の電化は、1932 年に首都トビリシと黒海の間のスラミ峠にあるジョージアの 3,000 V 直流区間の開通で始まった。^{[ 11 ]}勾配は2.9% と急だった。当初の 8 両の電気機関車は米国から輸入され、ゼネラル・エレクトリック(GE) 製だった。ソビエトは GE から設計図を入手し、同じ設計で機関車を製造できるようにした。ソ連で最初に製造された電気機関車は、1932 年 11 月に完成した国産設計だった。同月後半には、GE 機関車のコピーである 2 台目の機関車が完成した。当初は、ソビエト設計よりも米国設計のコピーがはるかに多く製造された。その後、ソ連設計の機関車は2年間製造されなかった。

1930年代の電化に関する5カ年計画はすべて目標に届かなかった。1933年10月までに、最初の5カ年計画ではソ連の電化を456kmとしていたが、実際に達成したの は347km だった。^{[ 12 ]}その後の5カ年計画はさらに目標を下回った。第2次5カ年計画（1937年まで）では、計画は5062kmだったが、実際は1632kmだった。第3次5カ年計画（1942年まで）では、計画は3472kmだったが、実際は1950kmだった。しかし、 1941年半ばに 始まった第二次世界大戦がこの不足の一因となった。

1941年までに、ソ連はわずか1,865ルートキロメートルしか電化していなかった。^{[ 13 ]}これは、電化が5,000キロメートル近くに達していた米国に大きく遅れをとっていた。^{[ 14 ]} しかし、ソ連の鉄道網は米国よりもはるかに短かったため、ソ連の鉄道キロメートルの電化率は米国よりも高かった。第二次世界大戦中、ソ連の西部（ロシアの一部を含む）はナチス・ドイツに侵攻された。侵攻直前に約600 キロメートルの電化が解体されたが^{[ 15 ]}、ドイツ軍が最終的に駆逐された後、解体された電化の一部が再設置された。戦後、最優先事項は戦争による破壊の復興であったため、大規模な鉄道電化はさらに約10年間延期された。

1946年、ソ連はゼネラル・エレクトリック社に20両の電気機関車を発注した^{[ 16 ]}。ゼネラル・エレクトリック社は、ソ連初の電化事業に機関車を供給したのと同じ米国企業である。冷戦のため、ソ連に納入することができず、他国に売却された。ミルウォーキー鉄道と米国の他の鉄道会社が12両を入手し、標準軌に改造した。これらの機関車は「リトル・ジョー」 （「ジョー」はソ連首相ヨシフ・スターリンを指す）という愛称で呼ばれた。

1950年代半ば、ソ連は蒸気機関車を置き換えるために二本柱のアプローチを開始した。交通量の多い路線を電化し、他の路線を徐々にディーゼルに転換するというものだ。その結果、電気とディーゼルの両方の牽引がゆっくりと着実に導入され、最後の蒸気機関車が引退した1975年頃まで続いた。^{[ 17 ]}米国では、蒸気機関車は1960年頃に姿を消したが、^{[ 18 ]}ソ連より15年早かった。

ディーゼル化と電化によって蒸気機関車が完全に置き換えられると、ディーゼル線を電化に転換し始めたが、電化のペースは鈍化した。1990年までに、鉄道貨物の60%以上が電気牽引で運ばれるようになった。^{[ 19 ] [ 20 ]}これは、世界のすべての鉄道（あらゆる種類の機関車）で運ばれる貨物の約30%に相当し^{[ 21 ]}、米国の鉄道貨物の約80%（米国では鉄道貨物が輸送モードの約40%を占めていた）に相当する。^{[ 22 ]}都市間貨物トンマイル。ソ連は世界の他のすべての国を合わせたよりも多くの鉄道貨物を運んでおり、そのほとんどは電化された鉄道で運ばれていた。

ソ連では発電効率が低かった（1950年の熱効率はわずか20.8%、1975年は36.2%）ため、1950年にはディーゼル牽引は電気牽引の約2倍のエネルギー効率でした^{[ 40 ]}（「標準燃料」1kgあたりの貨物輸送量（トンキロ）で比較した場合） ^{[ 41 ]}。しかし、発電効率^{[ 42 ]}（ひいては電気牽引の効率）が向上するにつれて、1965年頃には電気鉄道の方がディーゼルよりも効率的になりました。1970年代半ば以降、電気はトンキロあたり約25%少ない燃料を使用しました。しかし、ディーゼルは主に交通量の多い単線で使用されており^{[ 43 ]} 、ディーゼル列車は対向列車を通過するためにブレーキをかけて停止することでエネルギーを浪費します。したがって、電気の燃料消費量が少ないのは、本来のエネルギー効率よりも、電化路線での運行条件の改善（複線化など）による部分もあると考えられます。それにもかかわらず、ディーゼル燃料のコストは、発電所（発電を行う）で使用される燃料の約1.5倍^{[ 44 ]}（熱エネルギー含有量単位あたり）であったため、電気鉄道はさらにエネルギーコスト効率が高かった。

発電所の効率向上に加え、この電力の鉄道利用の効率も向上し（1950年から1973年の間）、エネルギー強度は総トンキロ1万キロあたり218kWhから124kWhに低下し（旅客列車と貨物列車の両方）、43%の減少となった。^{[ 45 ]}エネルギー強度はエネルギー効率の逆数であるため、効率が上がると低下する。しかし、この43%のエネルギー強度の低下の大部分はディーゼル牽引にも恩恵をもたらした。車輪軸受を平軸受からローラー軸受に変更し、列車の重量を増やし、^{[ 46 ]}単線を複線（または部分的に複線）に変更し、旧式の2軸貨車を廃止することで、電気、ディーゼル、蒸気など、あらゆる種類の牽引のエネルギー効率が向上した。^{[ 45 ]} しかし、電気牽引（ディーゼル牽引ではない）にのみ恩恵をもたらすエネルギー強度の 12 ～ 15% の削減が残っていた。これは、機関車の改良、回生ブレーキの普及（1989 年には牽引に使用される電気エネルギーの 2.65% をリサイクルした^{[ 47 ]} ）、変電所の遠隔制御、機関車乗務員による機関車の操作の改善、および自動化の改善によるものであった。このようにして、ソビエト連邦では 1950 年と 1970 年代半ばの間に、ディーゼル牽引と比較した電気牽引の全体的な効率が 2 倍以上になった。しかし、1974 年以降（1980 年まで）は、旅客列車と貨物列車の速度が上昇したこともあり、エネルギー強度（wh/トン km）の改善は見られなかった。^{[ 48 ]}

1973年（下の表参照）には、3,000ボルトの直流牽引では、 25,000ボルトの交流に比べて、架線で約3倍のエネルギーが失われました（割合で） 。逆説的ですが、直流機関車は交流機関車よりも全体的に効率がやや高いことが判明しました。「補助電動機」は、牽引モーターなどの電気機械を空冷するために主に使用されます。電気機関車は、比較的狭いスペースに高出力の電気機械を集中させているため、多くの冷却が必要です。^{[ 49 ]} 下の表によると、これにはかなりの量のエネルギー（11～17％）が使用されますが、定格出力で運転しているときは、わずか2～4％しか使用されません。^{[ 50 ]} 冷却モーターが常に全速（および全出力）で運転されるという事実により、その消費電力は一定になります。そのため、機関車のモーターが低出力（定格状態よりはるかに低い）で運転されている場合、この電力のうち冷却ブロワーに使用される割合ははるかに高くなります。結果として、実際の運転条件下では、冷却に使用されるエネルギーの割合は「定格」の数倍になります。下の表によると、交流機関車は、モーターの冷却に加えて、ブロワーが変圧器、整流器、平滑リアクトル（インダクタ）を冷却する必要があるため、この目的のために約 50% 多くエネルギーを使用します。これらは直流機関車にはほとんど存在しません。^{[ 51 ]} これらのブロワーモーター用の 3 相交流電力は、単相（架線から主変圧器を介して）を 3 相に変換する回転位相変換器から供給されます（これもエネルギーを消費します）。冷却の必要性が少ない場合は、ブロワーの速度を下げることが提案されています。^{[ 52 ]}

上記の表は、鉄道変電所に供給される電力の約 75% が実際に機関車の電気牽引モーターに到達することを示していますが、牽引モーターと単純なギア伝達装置 (ギアホイールが 2 つだけ) でどれだけのエネルギーが失われるかという疑問が残ります。ソ連では、その損失は約 10% (効率 90%) だと考える人もいました。^{[ 54 ]} しかし、これとは反対に、機関車が「走行中」に消費する平均電力は定格電力の約 20% に過ぎず、低電力レベルでは効率が低下するため、実際の損失はこれよりもかなり大きいと主張されました。しかし、この件に関するロシアの書籍を調べると、効率 90% の支持者の主張はそれほど的外れではないことがわかります。^{[ 55 ]}

一定期間の平均効率を計算する際には、電力入力と時間（その電力入力期間）の積で重み付けした効率の平均を取る必要があります。${\displaystyle \eta _{mean}={\frac {\textstyle \sum _{i}p_{i}t_{i}\eta _{i}}{\textstyle \sum _{i}p_{i}t_{i}}}}$どこ${\displaystyle p_{i}}$は電力入力であり、 $\displaystyle \eta _{i}}$時間中の効率$t_i$^{[ 56 ]} 非常に低い電力で効率が低い場合、この低い効率は、電力が低い（したがって消費されるエネルギー量が少ない）ため、重みが低くなります。逆に、高い効率（おそらく高電力）は重みが高くなり、より重要になります。これは、効率を時間平均することによって得られるよりも高い平均効率につながる可能性があります。もう1つの考慮事項は、効率曲線（効率を電流に対してプロットしたもの）は、牽引モーター効率の場合は低電流と非常に高い電流の両方で、ギア効率の場合は低電力で急速に低下する傾向があるため、線形関係ではないということです。ディーゼル機関車に関する調査^{[ 57 ]}では、コントローラの低いノッチ（「モーターオフ」であるノッチ0を除く）（特にノッチ1 - 最低電力）は、高いノッチよりもはるかに使用頻度が低いことが示されています。非常に高い電流では、抵抗損失は電流の2乗に比例するため、高くなります。機関車は定格電流を超えることがありますが、電流が高すぎると車輪が滑り始めます。 ^{[ 58 ]} そこで、未解決の疑問は、定格電流がどれくらいの頻度で、どれくらいの時間超過されるのかということです。停車状態から列車を発進させるための指示^{[ 59 ]}では、通常車輪が滑り始める電流を超えることを提案していますが、車輪が滑り始めたときにレールに砂を撒くことによって（自動的に、または「砂」ボタンを押すことによって）そのような滑りを回避するようにしています。

牽引モーターギア効率のグラフ^{[ 60 ]}を調べると、定格出力では98%の効率ですが、定格出力の30%では94%の効率しか得られません。モーターとギア（直列接続）の効率を得るには、2つの効率を掛け合わせる必要があります。加重牽引モーター効率が90%の場合、90% x 94% = 85%（非常に大まかな推定）となり、これは上記の90%支持者が推定した値とそれほど大きくは変わりません。表によると、変電所への電力の75%が機関車のモーターに到達するとすると、変電所への電力（ソ連の電力網から）の75% x 85 = 64%（おおよそ）が、列車を牽引するための機械エネルギーの形で機関車の車輪に到達します。これは、旅客列車の「ハウスキーピング」（暖房、照明など）に使用される電力を無視しています。これは1970年代初頭のあらゆる運転条件における数値です。この64%という数値を大幅に改善する方法はいくつかあり、回生発電（牽引モーターを発電機として使用し、架線に電力を戻して他の列車に電力を供給する）による節約効果は考慮されていません。

電化の決定は投資収益率に基づいて行われるべきであり、電化への投資が運用コストの削減で自己資金を回収するだけでなく、投資に対する一定の割合の収益をもたらす場合にのみ電化を提案した例が挙げられている。投資に対する一定の割合の収益の例は 10% ^{[ 66 ]}および 8% ^{[ 67 ]}である。2 つ (またはそれ以上) の代替案 (鉄道路線の電化またはディーゼル化など) を比較する場合、資本に対する一定の利回りを使用して年間総コストを計算し、最もコストの低い代替案を選択する。年間総コストの式は、Э _прi =Э _i +Е _н К _i ^{[ 68 ]}であり、添え字 i は i 番目の代替案 (i 以外のすべての文字はロシア語のアルファベット)、Э _iは代替案 i の年間コスト (資本の償却を含む)、Е _нは利率、К _iは代替案 i の資本投資の価値 (価格) である。しかし、ここで引用されている文献（および他の文献）のいずれも、Ен_を金利とは呼んでいません。むしろ、投資の償却「コスト」を差し引いた純利益が投資額を回収するのに必要な年数の逆数として説明しています。また、書籍によっては、この式に異なる文字が使われている場合もあります。

1970年代初頭、列車を動かすための機械エネルギーの供給コスト（機関車の運行コスト）は、鉄道の総運行コストの40～43%を占めていました。^{[ 69 ]} これには、燃料/電力のコスト、機関車の運行/保守（乗務員の賃金を含む）、電力システムの保守（電化路線用）、および減価償却費が含まれます。この機械エネルギーの供給コスト（機関車の運行コスト）のうち、燃料と電力のコストは40～45%を占めていました。したがって、燃料/電力コストは非常に重要なコスト要素であり、電気牽引は一般的にエネルギー消費量が少なくなります（#エネルギー効率を参照）。

^{さまざまな仮定 (支配勾配、機関車モデル、単線または複線、 [ 70 ]}および燃料/電力価格) に基づいて、交通量 (正味トン/年、一方向)の関数として年間燃料費をプロットすることができ、その結果、多数のプロットされた曲線が得られます。^{[ 71 ]} 1970 年代初頭のエネルギー価格が 1.3コペイカ/ kWh、ディーゼル燃料が 70ルーブル/トンであった場合、これらの曲線 (またはそれらに基づく表) は、ディーゼル運転の燃料/電力コストが電気運転の約 1.5 ～ 2 倍高いことを示しています。^{[ 72 ]}もちろん、正確な比率はさまざまな仮定に依存し、ディーゼル燃料価格が低い (45ルーブル/トン) かつ電力コストが高い (1.5 コペイカ / kWh ) 極端な場合、鉄道輸送のディーゼル燃料コストは電力コストよりも低くなります。^{[ 73 ]} これらの曲線はすべて、交通量の増加に伴ってエネルギーコスト（ディーゼルと電気）の差が大きくなることを示しています。上記の曲線は、交通量（正味トン/年）の3次関数で近似することができ、係数は 燃料/電力価格の線形関数です。数学では、このような係数は通常定数として示されますが、ここでは数学関数でもあります^{[ 74 ]} このような数式の使用により、代替案のコンピュータによる評価が容易になります。

ある意味では、これらは機関車の車輪に伝達される機械エネルギーのコストの構成要素ですが、液体燃料でも電気でもありません。電気牽引は通常、燃料/電力コストを節約しますが、他のコスト比較はどうでしょうか? 機関車の運行コストのうち、電気機関車の保守および修理コストは約 6% で、ディーゼル機関車の 11% と比較すると低いです。^{[ 69 ]} 保守/修理コストが低いことに加えて、電気機関車の運行の労働 (乗務員) コストは電気の方が少し低いと言われています。潤滑油コストは電気の方が低いです (潤滑油を補充するディーゼルエンジンがない)。^{[ 75 ]}

電気牽引のコスト上の利点に対抗するのは、電化のコスト上の欠点です。主なコストは架線と変電所のコスト（保守費用を含む）です。年間コストの約半分は、設置の初期費用を回収するための減価償却費であり、残りの半分は保守費であることがわかっています。^{[ 76 ]}重要な要因は、ソビエト連邦 で鉄道電力システムが住宅、農場、鉄道以外の産業に公共電力を供給するために使用されていたことです。1970年代初頭には、これは列車が使用する電力の約65%を占めていました。したがって、外部の電力消費者と電化コストを共有することで、鉄道電化のコストが削減され、年間電化コストが15～30%削減されます。このコスト共有は、鉄道を犠牲にして外部の電力使用者を著しく不公平に優遇していると主張されています。^{[ 77 ]}しかし（1970年代初頭には）、鉄道電化の年間コスト（メンテナンスを含む）は燃料費の節約による利益の3分の1から2分の1に過ぎず、電気牽引が有利であると主張されていた（資本の利子コストを無視し、輸送量がかなり多い場合）。

以下の表は、1960年と1974年の両方について、貨物輸送総量10万トンキロあたりのルーブル建てのコストを示しています。これらのコストには、減価償却費（インフレのない環境下）を用いた資本コストが含まれています。

電気牽引の場合の「減価償却」には、架線と変電所の保守費用および減価償却費が含まれることに注意してください。どちらの牽引方式でも、修理工場の減価償却費が含まれます。ディーゼル牽引の場合は、燃料供給設備の減価償却費があります。ディーゼル機関車の減価償却費は電気牽引の場合よりも高額ですが、架線と変電所の減価償却費によって十分に補われます。

1960年当時、電気とディーゼルのコストはほぼ同等でしたが、 1973年の石油危機によるディーゼル燃料価格の大幅な上昇を受け、1974年には電気牽引の方がコストが低くなりました。なお、減価償却費には利息は加算されません。

^{Dmytriev [ 79 ]}の計算によると、交通密度が 500 万トン km/km (両方向) の低交通密度路線でも、金利がゼロ (Е _н =0) ^{[ 80 ]} (投資収益なし) であれば電化の費用を回収できます。交通密度が増加すると、ディーゼルと電気の年間費用 (減価償却費を含む) の比率が増加します。極端な場合 (交通密度 6,000 万トン km/km、勾配 1.1%) では、ディーゼルの運転コスト (減価償却費を含む) は電気よりも 75% 高くなります。したがって、交通密度が高い路線を電化することは本当に得策です。

ソ連は当初、1500 V DC (後に 1960 年代に 3000 V に変換) ^{[ 82 ]}で始まり、1930 年代初頭に幹線電化に 3000 V DC を選択しました。当時でさえ、この 3kV の電圧は架線には低すぎ、牽引モーターには最適には高すぎることが認識されていました。この問題の解決策は、架線に 25 kV AC を使用し、車載変圧器で 25 kV をはるかに低い電圧に降圧し、その後整流してより低い電圧の DC を供給することでした。しかし、AC 電化が重要になったのは 1950 年代後半になってからです。^{[ 83 ]別の提案は、6kV DC [ 84 ] [ 85 ]} を使用し、牽引モーターに適用する前にパワーエレクトロニクスで高電圧 DC を降圧することでした。 6 kV を使用した実験的な列車セットは 1 台しか製造されず、1970 年代にのみ運行されましたが、電気機器の品質が低いため廃止されました。^{[ 86 ]}ソビエト連邦 末期には、3,000 V DC システムを標準の 25 kV システムまたは 12 kV DC システムに変換するかどうかについての議論が進行中でした。^{[ 87 ]} 12 kV DC は、25 kV AC と同じ技術的および経済的利点があり、コストが低く、国の AC 電力網にバランスの取れた負荷をかける (対処すべき無効電力の問題がない) と主張されました。反対派は、そのような動きはソ連に 3 番目の標準電化システムを作り出すことになると指摘しました。12 kV を使用した提案の 1 つは、3kV と 12kV の両方の電線で動作できる新しい機関車を作成することでした。電力エレクトロニクスを使用して12kVを3kVに変換し、3kV（3kVの電線の下であれば直接得られる）を使用して、電力エレクトロニクスを使用して誘導電動機を駆動する。^{[ 85 ]}