王斌
中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)史研究所,北京 100190
電氣化鐵路是指通過(guò)一套牽引供電系統(tǒng)向電力機(jī)車(chē)(或電動(dòng)車(chē)組)供電,利用電力來(lái)牽引列車(chē)的鐵路。它用電力機(jī)車(chē)取代了蒸汽機(jī)車(chē)、內(nèi)燃機(jī)車(chē),具有安全、無(wú)污染、速度快、牽引力大等特點(diǎn),可使鐵路運(yùn)輸能力增長(zhǎng)一倍以上,同時(shí)運(yùn)輸成本大為降低,是鐵路牽引動(dòng)力的發(fā)展方向,也是鐵路現(xiàn)代化的重要標(biāo)志[1]。世界上最早的電氣化鐵路于1879年出現(xiàn)在德國(guó)柏林舉行的世界博覽會(huì)上,中國(guó)第一條電氣化鐵路建成于1961年,晚了82年。
中華人民共和國(guó)成立后,經(jīng)過(guò)三年國(guó)民經(jīng)濟(jì)恢復(fù)時(shí)期和“一五”計(jì)劃時(shí)期的努力建設(shè),在中部、西部和東部沿海地區(qū)新建了成渝、天蘭、寶成、蘭新、包蘭、豐沙、鷹廈等鐵路6180千米[2],其中約半數(shù)以上的新線集中于中西部地區(qū),顯著地改善了中國(guó)鐵路網(wǎng)一直以來(lái)集中于東部、地區(qū)發(fā)展不平衡的突出問(wèn)題。當(dāng)時(shí)中國(guó)鐵路全部采用蒸汽機(jī)車(chē)牽引,設(shè)備落后,運(yùn)能低下。1958—1961年,為了解決寶成鐵路穿越秦嶺山區(qū)的困難,寶(雞)鳳(州)段建成了電氣化鐵路,拉開(kāi)了中國(guó)電氣化鐵路建設(shè)的序幕。此后一段時(shí)間,由于國(guó)內(nèi)政治經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的不利影響,加之人們對(duì)電氣化鐵路的認(rèn)識(shí)不足,中國(guó)鐵路電氣化建設(shè)停滯了多年。直到1968年,國(guó)家才又開(kāi)始對(duì)寶成全線進(jìn)行電氣化改造,1975年改造完工。
回顧中國(guó)鐵路現(xiàn)代化的開(kāi)端,必然追溯到中國(guó)最早的電氣化鐵路——寶成電氣化鐵路。關(guān)于中國(guó)電氣化鐵路的早期建設(shè)史,主要見(jiàn)于鐵道部檔案史志中心[3]、中鐵電氣化工程局[4]和中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)電氣化委員會(huì)[5]等鐵路部門(mén)及江凡[6]、丁華[7]等鐵路從業(yè)者的相關(guān)論著,史學(xué)界目前關(guān)注較少。本文聚焦于中國(guó)電氣化鐵路的起步階段,以寶成電氣化鐵路建設(shè)為中心,分析中國(guó)發(fā)展電氣化鐵路的考量和選擇、電流制式的比較研究和選擇、寶成電氣化鐵路的設(shè)計(jì)和施工建設(shè)、電力機(jī)車(chē)從研制到進(jìn)口再到研制的過(guò)程,并對(duì)寶成電氣化鐵路建設(shè)進(jìn)行評(píng)價(jià)和總結(jié)。
從世界范圍來(lái)看,中國(guó)電氣化鐵路的起步較晚。至1956年,世界電氣化鐵路約有56000千米,主要集中在歐洲國(guó)家,其中瑞士鐵路幾乎全部實(shí)現(xiàn)電氣化。其他發(fā)達(dá)國(guó)家中,除美國(guó)以?xún)?nèi)燃牽引為主外①美國(guó)資源情況特殊,當(dāng)時(shí)主要采用柴油機(jī)車(chē)牽引。過(guò)去鐵路網(wǎng)盲目發(fā)展,大部分線路運(yùn)量不大,如果改用電氣牽引,初期投資不容易收回,加上美國(guó)電費(fèi)的某些規(guī)定不合理,電氣牽引長(zhǎng)期得不到發(fā)展。,法國(guó)、英國(guó)、聯(lián)邦德國(guó)、日本等,也都在現(xiàn)有電氣化鐵路的基礎(chǔ)上加大投資建設(shè)。蘇聯(lián)約有5500千米電氣化鐵路,大部分建于戰(zhàn)后。鑒于鐵路電氣化對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重大意義,蘇聯(lián)當(dāng)時(shí)正計(jì)劃要在未來(lái)15年內(nèi)電氣化40000千米的鐵路。[8]
電力牽引與內(nèi)燃、蒸汽牽引相比,牽引力大,過(guò)載能力強(qiáng),熱效率高,能耗低,操作簡(jiǎn)便,無(wú)污染,具有強(qiáng)大生命力。首先,由于電力機(jī)車(chē)上沒(méi)有原動(dòng)機(jī),單位質(zhì)量的功率大,可以拉得多跑得快,它的功率也不像其他機(jī)車(chē)那樣受到原動(dòng)機(jī)功率的限制,可以在短時(shí)間內(nèi)從電網(wǎng)取用超額電力,因而它可以充分發(fā)揮牽引電動(dòng)機(jī)的優(yōu)越特性[8]2。其次,電力牽引的熱效率最高。試驗(yàn)表明,各類(lèi)機(jī)車(chē)的熱效率約為:電力22%~27.5%(水力發(fā)電60%),內(nèi)燃20%~21.6%,蒸汽6%~7%。內(nèi)燃機(jī)車(chē)的熱效率和電力機(jī)車(chē)接近,但它們使用的能源不同。我國(guó)原油短缺,采用內(nèi)燃機(jī)車(chē)又有排煙污染,對(duì)長(zhǎng)、大隧道的線路不宜采用,高原缺水缺氧地區(qū),亦不宜使用內(nèi)燃牽引;我國(guó)水力和煤炭資源豐富,火力發(fā)電可用次煤、劣質(zhì)煤,所以采用電力牽引也符合我國(guó)的能源情況。在6‰的雙線鐵路上,采用電力牽引年輸送能力可達(dá)5600萬(wàn)噸,內(nèi)燃牽引可達(dá)3700萬(wàn)噸,蒸汽牽引為1771萬(wàn)噸,三者之比約為3∶2∶1[9]。再次,電氣化鐵路所需操作人員較少,勞動(dòng)生產(chǎn)率較高,勞動(dòng)條件較好[8]3。
1956年鐵道部制訂的《鐵路12年科技發(fā)展規(guī)劃》提出,鐵路牽引動(dòng)力改革要迅速地有步驟地由蒸汽機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)到電力機(jī)車(chē)和內(nèi)燃機(jī)車(chē)上去[3]90。方針定下了,但由于電力牽引一次性投資大,而國(guó)家當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)困難,所以上內(nèi)燃還是電力,要作技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。這就存在一個(gè)采用電力牽引的標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題,即達(dá)到什么條件采用電力牽引最為有利。對(duì)這一問(wèn)題,各國(guó)算法不同,但基本出發(fā)點(diǎn)是一致的,即根據(jù)本國(guó)的能源政策和實(shí)際運(yùn)輸需要選定牽引動(dòng)力。[9]554-558
1952年動(dòng)工修筑的寶成鐵路是新中國(guó)成立后修建的第一條工程艱巨的鐵路,是“一五”計(jì)劃的重點(diǎn)工程,其最大的困難是穿越秦嶺山區(qū)。在蘇聯(lián)專(zhuān)家的幫助下,比較了各種選線方案,最后選定了穿越秦嶺的線路。該線路從寶雞跨過(guò)渭河后,即進(jìn)入陡峭的秦嶺山區(qū),在航空距離25千米內(nèi),沿清姜河谷以?xún)蓚€(gè)馬蹄形和一個(gè)8字形(圖1)的迂回展線上升810多米,然后穿越長(zhǎng)2364米的秦嶺隧道,沿嘉陵江而行,隨后入川[10]。對(duì)于寶雞秦嶺段,勘測(cè)設(shè)計(jì)初期擬用20‰蒸汽雙機(jī)坡度,以配合全線12‰的限制坡度。后來(lái)鑒于地形復(fù)雜、工程艱巨以及將來(lái)貨運(yùn)量增長(zhǎng)的需要,認(rèn)為若采用蒸汽牽引的話,運(yùn)輸效率會(huì)受到限制,1953年底決定采納蘇聯(lián)專(zhuān)家建議,在寶(雞)鳳(州)段率先實(shí)行電氣化,采用30‰電力雙機(jī)坡度,并擬定通車(chē)后兩年實(shí)現(xiàn)電氣化[11]。1958年元旦寶成鐵路通車(chē),寶鳳段電氣化建設(shè)尚未動(dòng)工,暫以蒸汽機(jī)車(chē)牽引。
圖1 寶鳳段線路示意圖[12]Figure 1 Baoji—Fengzhou section line sketch[12]
寶鳳段確定建設(shè)電氣化鐵路后,1954年由鐵道部第一設(shè)計(jì)院仿照蘇聯(lián)3 kV直流電進(jìn)行設(shè)計(jì),因?yàn)楫?dāng)時(shí)國(guó)外采用的主要也是直流制。但也正是在那段時(shí)期,國(guó)際上出現(xiàn)了新技術(shù)發(fā)展,法國(guó)在交流制上取得了良好的試驗(yàn)效果,并開(kāi)始應(yīng)用到鐵路建設(shè)中。此前的1952年,鐵道部鑒于鐵路電氣化發(fā)展的需要,滕代遠(yuǎn)部長(zhǎng)就指示唐山鐵道學(xué)院設(shè)置電氣運(yùn)輸專(zhuān)業(yè),院長(zhǎng)顧稀任命曹建猷①曹建猷(1917—1997),湖南長(zhǎng)沙人,鐵道電氣化專(zhuān)家,西南交通大學(xué)(前身是唐山鐵道學(xué)院)教授。1940年畢業(yè)于交通大學(xué),1950年獲美國(guó)麻省理工學(xué)院博士學(xué)位,1980年當(dāng)選為中國(guó)科學(xué)院院士(學(xué)部委員)。中國(guó)鐵道牽引電氣化與自動(dòng)化科學(xué)的創(chuàng)始人,我國(guó)鐵道采用25 kV單相工頻交流制的主要決策論證者,中國(guó)鐵路電氣化事業(yè)奠基人。任電機(jī)系主任,主持創(chuàng)辦“電氣運(yùn)輸”專(zhuān)業(yè)[13]。曹建猷教授在研究過(guò)程中了解到國(guó)外的最新科技進(jìn)展,他敏銳地意識(shí)到,電流制的選擇關(guān)系到全局,于是著手對(duì)各種電流制的技術(shù)狀態(tài)與存在問(wèn)題及經(jīng)濟(jì)效果進(jìn)行研究與分析。他認(rèn)為從發(fā)展上看,我國(guó)應(yīng)采用工頻單相交流制。
自從電氣牽引在鐵路上應(yīng)用以來(lái),最受關(guān)注的問(wèn)題就是電流制式的選擇問(wèn)題。因?yàn)殡娏髦频倪x擇在很大程度上決定著電氣牽引的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)質(zhì)量,并影響到鐵路電氣化的應(yīng)用范圍和規(guī)模。蘇聯(lián)在采用電氣牽引以前,也研究過(guò)鐵路電氣化所應(yīng)采用的電流制問(wèn)題,最初主要觀點(diǎn)認(rèn)為應(yīng)該采用3 kV直流制,這是由于當(dāng)時(shí)在技術(shù)上還沒(méi)能解決交流制所引起的一系列問(wèn)題,尤其是制造可靠的交流電力機(jī)車(chē)的問(wèn)題。自1929年蘇聯(lián)鐵路開(kāi)始采用電氣牽引以來(lái),用的就是這種直流制式。但由于3 kV直流制存在若干缺點(diǎn),發(fā)展上受到一定限制,因而1939年蘇聯(lián)科學(xué)院由部分專(zhuān)家組成的一個(gè)委員會(huì)又重新研究電流制問(wèn)題,認(rèn)為直流制和工頻單相交流制最適合蘇聯(lián)情況,并主張?jiān)诮涣麟娏C(jī)車(chē)未獲解決以前仍繼續(xù)采用3 kV直流制。[8]7-8
工業(yè)頻率單相交流制1932年創(chuàng)始于匈牙利,但由于機(jī)車(chē)牽引系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜,沒(méi)有推廣。1936年德國(guó)曾建成一個(gè)試驗(yàn)區(qū)段。20世紀(jì)50年代以來(lái)由于電工技術(shù)的進(jìn)步,采用工頻單相交流制電氣化在技術(shù)上已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn),尤其法國(guó)已積累了較多的經(jīng)驗(yàn)。1950年,法國(guó)建設(shè)了一段試驗(yàn)性線路,取得了十分有利的結(jié)果。1954年起,法國(guó)開(kāi)始在其東北部地區(qū)將重要干線改造成單相工頻交流電氣化鐵路,取得了成功。1955年,一些國(guó)家在法國(guó)里爾召開(kāi)了有關(guān)工頻單相交流電力牽引的學(xué)術(shù)會(huì)議,在會(huì)上不少專(zhuān)家介紹了這種電流制的優(yōu)點(diǎn)[5]。到1956年,已有匈牙利、聯(lián)邦德國(guó)、英國(guó)、土耳其等國(guó)家在某些線路上采用這種制式,日本、奧地利、葡萄牙等也決定在新建的電氣化線路上采用工頻單相交流制。蘇聯(lián)科學(xué)院電氣牽引新制委員會(huì)也極力推薦電氣牽引采用工頻單相交流制[8]7-8。1955年,蘇聯(lián)還在莫斯科—頓巴斯鐵路建設(shè)了137千米的工頻單相交流電氣化試驗(yàn)區(qū)段,對(duì)供電裝置、通信信號(hào)和交流電力機(jī)車(chē)進(jìn)行研究[13]28。
采用工頻單相交流制的優(yōu)點(diǎn)是,不需要在牽引變電所內(nèi)設(shè)置整流和變頻設(shè)備,能直接從具有巨大容量的電力系統(tǒng)取得電能,并以較高的電壓向電力機(jī)車(chē)供電,簡(jiǎn)化變電所的供電設(shè)備,縮小接觸導(dǎo)線的截面,減少電能損耗[14],每100千米可以節(jié)省銅200噸以上,總投資要比直流制少1/4,運(yùn)營(yíng)費(fèi)也較低。交流電力機(jī)車(chē)的牽引性能比直流電力機(jī)車(chē)更為優(yōu)越,采用交流制增加了它們可能而有利的類(lèi)型,可以按照不同的線路和運(yùn)輸要求,選用最合適的機(jī)車(chē)類(lèi)型[8]8。至于通信線路電纜所需要的額外投資,由于電纜維護(hù)費(fèi)很低,成本一般在3~4年就可以收回。針對(duì)有人提出的可以在我國(guó)某些區(qū)段暫時(shí)采用直流制的主張,曹建猷[15]認(rèn)為沒(méi)有必要,因?yàn)橹绷髦坪徒涣髦撇⒂?,在技術(shù)上是非常復(fù)雜的,為了鐵路運(yùn)輸?shù)拈L(zhǎng)遠(yuǎn)利益和國(guó)防要求,我國(guó)應(yīng)避免走這條彎路,防止給以后帶來(lái)更大的困難。
在1956年召開(kāi)的全國(guó)鐵道科學(xué)工作會(huì)議上,曹建猷報(bào)告了他的研究成果,引起了與會(huì)專(zhuān)家的強(qiáng)烈反應(yīng)。會(huì)后曹建猷應(yīng)《人民日?qǐng)?bào)》科技版約稿,將論文要點(diǎn)在該報(bào)上發(fā)表。為進(jìn)一步科學(xué)地論證其觀點(diǎn)的正確性,曹建猷主持開(kāi)展了“干線鐵路電力牽引電流電壓制標(biāo)準(zhǔn)”重大項(xiàng)目研究,以我國(guó)當(dāng)時(shí)擬實(shí)施電氣化的典型線路如北同蒲、豐沙大、寶成、隴海等大干線為依據(jù),分別進(jìn)行了3 kV直流和兩種單相工頻交流電壓等級(jí)(25 kV和35 kV)的供電系統(tǒng)總體布置容量選擇、電力機(jī)車(chē)功率、選型與機(jī)務(wù)設(shè)施的設(shè)計(jì)研究,接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)、導(dǎo)線截面與按電氣絕緣要求確定隧道、建筑物限界等的設(shè)計(jì)、研究,通過(guò)對(duì)各方案進(jìn)行總體的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析和論證,確定25 kV單相工頻交流電壓制為最優(yōu)方案[13]77。
1957年2月,鐵道部派出鐵路電氣化考察團(tuán),赴蘇聯(lián)、民主德國(guó)、波蘭、捷克、匈牙利等國(guó)考察鐵路電氣化技術(shù),曹建猷擔(dān)任考察團(tuán)副團(tuán)長(zhǎng)??疾靾F(tuán)詳細(xì)考察了各國(guó)的電氣化鐵路運(yùn)營(yíng)管理、發(fā)展規(guī)劃、交流制試驗(yàn)區(qū)段進(jìn)展,以及人才培養(yǎng)和培訓(xùn)等各方面的情況與經(jīng)驗(yàn)。同年8月在國(guó)家計(jì)委主持下,召集鐵道部和有關(guān)科研單位的專(zhuān)家學(xué)者,就我國(guó)電氣化鐵路究竟采用何種電流電壓制進(jìn)行了深入的探討和論證,最后認(rèn)為單相工頻交流制供電系統(tǒng)更簡(jiǎn)單可靠,不用變頻設(shè)備,又易于提高工作電壓,導(dǎo)線截面小,能耗低,最終決定采用單相工頻25 kV交流制。[9]555-556
1957年9月寶鳳段電氣化工程按新的工頻單相25 kV交流制重新設(shè)計(jì)。1974年,鐵道部科學(xué)研究院提出,把單相工頻25 kV交流制作為中國(guó)電氣化鐵路的固定制式,經(jīng)國(guó)家批準(zhǔn)列入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。這個(gè)電流電壓制的優(yōu)選和決策,關(guān)系到中國(guó)電力機(jī)車(chē)制造、電氣化設(shè)備產(chǎn)品正常生產(chǎn)、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、鐵路橋隧限界的確定,及現(xiàn)有限界的改造、基建總投資等方面,十分重要。幾十年的實(shí)踐證明,這一決定具有遠(yuǎn)見(jiàn)卓識(shí),技術(shù)方向正確,其長(zhǎng)遠(yuǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果是好的,是中國(guó)鐵路發(fā)展史上一項(xiàng)正確的決策。[9]556
早在1953年,鐵道部就開(kāi)始籌備電氣化鐵路設(shè)計(jì)工作了,當(dāng)時(shí)沒(méi)有電氣化專(zhuān)業(yè)人員,沒(méi)有電氣化設(shè)計(jì)的技術(shù)資料,要進(jìn)行初步設(shè)計(jì)是很困難的。1953年4月,鐵道部設(shè)計(jì)總局總工程師林詩(shī)伯同志親自率領(lǐng)電氣化鐵路考察組,到阜新、撫順煤礦參觀考察,在那里收集到了一套蘇聯(lián)3 kV直流電氣化設(shè)計(jì)圖紙,它成為當(dāng)時(shí)寶鳳段電氣化設(shè)計(jì)的主要參考資料[7]。1954年3月,鐵道部設(shè)計(jì)總局以西北設(shè)計(jì)分局為主體,抽調(diào)設(shè)計(jì)總局、電務(wù)設(shè)計(jì)事務(wù)所、華北設(shè)計(jì)分局部分人員[4]115,唐山鐵道學(xué)院派杜慶萱①杜慶萱(1921—2012),浙江杭州人,鐵道電氣化專(zhuān)家,西南交通大學(xué)教授。1942年畢業(yè)于交通大學(xué),1948年獲斯坦福大學(xué)碩士學(xué)位。參與創(chuàng)辦唐山鐵道學(xué)院電機(jī)系和電氣運(yùn)輸、電力機(jī)車(chē)、電力鐵道供電等專(zhuān)業(yè),主持了我國(guó)第一臺(tái)韶山型電力機(jī)車(chē)的設(shè)計(jì)與試制工作。教授等5人,在北京共同組建了寶鳳段電氣化設(shè)計(jì)組,在蘇聯(lián)專(zhuān)家的指導(dǎo)下開(kāi)始進(jìn)行設(shè)計(jì)。蘇聯(lián)線路專(zhuān)家巴斯庫(kù)金同志編寫(xiě)了電氣化初步設(shè)計(jì)的內(nèi)容并針對(duì)設(shè)計(jì)可能存在的問(wèn)題作了答疑[16]。1954年底,完成了直流3 kV電氣化初步設(shè)計(jì),1955年3月送請(qǐng)?zhí)K聯(lián)交通部代為鑒定,同年6月完成鑒定。1956年7月完成電氣化技術(shù)設(shè)計(jì)[5]3。
1957年鐵道部正式確定改用工頻單相25 kV交流制后,由第三設(shè)計(jì)院電氣化處重新設(shè)計(jì)。由于這一新的交流制是鐵道電氣化中最新的科學(xué),世界各國(guó)在理論上尚不完整,缺少系統(tǒng)完整的技術(shù)資料。設(shè)計(jì)人員重新學(xué)習(xí)設(shè)計(jì),1958年3月完成初步設(shè)計(jì),再次送交蘇聯(lián)交通部代為鑒定,同年5月通過(guò)鑒定,隨即開(kāi)展施工設(shè)計(jì)。由于工程已于1958年6月開(kāi)工,很多設(shè)計(jì)文件是在寶雞施工現(xiàn)場(chǎng)完成的。[4]115-116
在此之前,我國(guó)還沒(méi)有建設(shè)電氣化鐵路的專(zhuān)業(yè)施工隊(duì)伍,與之相近的只有鐵道部通信信號(hào)工程公司。為建設(shè)寶鳳段電氣化鐵路,鐵道部從上海、齊齊哈爾和廣州等鐵路局調(diào)來(lái)10多名技術(shù)人員,從煤炭部阜新礦務(wù)局調(diào)來(lái)14名有直流電氣化鐵路維修經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)工人,從唐山鐵道學(xué)院和濟(jì)南鐵路機(jī)械學(xué)校分配來(lái)50多名電氣化供電專(zhuān)業(yè)的畢業(yè)生。在原有通信信號(hào)工程公司的基礎(chǔ)上,調(diào)整組建了包括接觸網(wǎng)、牽引變電所、機(jī)務(wù)供電、站場(chǎng)照明、通信信號(hào)等專(zhuān)業(yè)的綜合施工隊(duì)伍,于1958年10月成立了電氣化鐵道工程局,這是我國(guó)第一支電氣化施工隊(duì)伍[6]18。電氣化鐵道工程局成立后,為了培訓(xùn)技術(shù)力量和增強(qiáng)施工能力,設(shè)立電氣化技工學(xué)校,培養(yǎng)電氣化技術(shù)工人,派送技術(shù)人員和工人到與電氣化鐵路工程相近的電力部門(mén)參加施工和學(xué)習(xí);還設(shè)立了電氣化器材工廠,成立專(zhuān)門(mén)物資供應(yīng)機(jī)構(gòu);聘請(qǐng)了三位蘇聯(lián)電氣化施工專(zhuān)家來(lái)指導(dǎo)工程施工,成立專(zhuān)家工作室和學(xué)習(xí)組[4]118。
由于寶成鐵路工程涉及的施工單位較多,陜西、四川兩省分別成立了鐵路電氣化工程領(lǐng)導(dǎo)小組,來(lái)統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)和指揮,協(xié)調(diào)各單位運(yùn)行。廣大工人和干部樹(shù)立全局觀念,在施工中互相配合,互相支援[17]。天津電氣化信號(hào)器材廠、保定通信器材廠、寶雞電氣化器材廠、德陽(yáng)混凝土預(yù)制廠等工廠為寶成鐵路電氣化工程生產(chǎn)了1490多種專(zhuān)用設(shè)備器材,受到了使用部門(mén)的好評(píng)[18]。
根據(jù)牽引供電計(jì)算,寶鳳段在任家灣、秦嶺、鳳州3處設(shè)牽引變電所,牽引變電所設(shè)有專(zhuān)用線,供移動(dòng)備用變壓器使用[14]172。1960年5月寶鳳段電氣化鐵路建成,在隨后的通電試車(chē)過(guò)程中,除了初期一次由蘇聯(lián)專(zhuān)家主持的由秦嶺變電所向南段送電出現(xiàn)事故以外,其余的通電試車(chē)均由曹建猷指揮,一次成功[19]。1961年3月秦嶺至鳳州間改為電力牽引,4月寶雞至秦嶺間改為電力機(jī)車(chē)牽引,8月15日寶鳳段電氣化鐵路正式交付運(yùn)營(yíng)[5]5,成為中國(guó)第一條電氣化鐵路。
在修建寶鳳段電氣化鐵路的同時(shí),我國(guó)還對(duì)包頭至白云鄂博線、豐臺(tái)至沙城線、太原至朔州線、石家莊至太原線及沈陽(yáng)至大石橋線進(jìn)行了電氣化調(diào)查和設(shè)計(jì),有的已經(jīng)動(dòng)工修建。但在隨后數(shù)年間,由于國(guó)內(nèi)政治、經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的不利影響,加上人們當(dāng)時(shí)對(duì)電氣化鐵路的作用認(rèn)識(shí)不深,原本已經(jīng)進(jìn)行了調(diào)查和設(shè)計(jì)的幾條鐵路的電氣化工程,均被停建。1961年11月,電氣化鐵道工程局被撤銷(xiāo),縮編為電氣化工程處。我國(guó)鐵路電氣化建設(shè)經(jīng)歷了最艱難的時(shí)期。與此同時(shí),世界電氣化鐵路卻在經(jīng)歷了最快的發(fā)展時(shí)期,平均每年修建電氣化鐵路5000多千米,其中蘇聯(lián)每年修建2004千米、聯(lián)邦德國(guó)486千米、日本332千米、印度272千米。我國(guó)的電氣化鐵路剛剛起步就遭遇停建,不僅造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失,而且使我國(guó)鐵路現(xiàn)代化進(jìn)程滯后了將近10年。[5]6
到了20世紀(jì)60年代中期,國(guó)家經(jīng)過(guò)調(diào)整,國(guó)民經(jīng)濟(jì)逐漸好轉(zhuǎn)。當(dāng)時(shí)以國(guó)防工業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)為中心的三線建設(shè)逐步開(kāi)展,入川物資急劇增加,寶成線運(yùn)力緊張的情況日益嚴(yán)重,繼續(xù)采用蒸汽機(jī)車(chē)牽引或改用內(nèi)燃機(jī)車(chē)牽引都有困難。鑒于此前寶鳳段電氣化鐵路取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益,寶成全線進(jìn)行電氣化改造成為提高運(yùn)輸能力的必然選擇。按鐵道部指示,1965年底開(kāi)始對(duì)寶成線鳳州至成都各段進(jìn)行電氣化調(diào)查,1967年6月完成了電氣化初步設(shè)計(jì),并決定分段修建和運(yùn)營(yíng),依次修建廣元—綿陽(yáng)段、鳳州—廣元段、綿陽(yáng)—成都段(表1)。同時(shí),完成寶雞至秦嶺段供電設(shè)施及有關(guān)車(chē)站線延長(zhǎng)和改善隧道凈空等工程。1968年12月電氣化改造工程開(kāi)工,1975年7月1日寶成電氣化鐵路全線通車(chē)(圖2和圖3)。為了適應(yīng)我國(guó)電氣化鐵路建設(shè)的發(fā)展,1974年1月,曾被撤銷(xiāo)的鐵路電氣化工程局恢復(fù)建制。[5]8-9
表1 寶成鐵路各路段電氣化工程建設(shè)時(shí)間[20]Table 1 Timetable of the electrification construction of Baocheng Railway[20]
圖2 寶成線示意圖[5]11Figure 2 Sketch of Baocheng Line[5]11
圖3 1975年7月1日寶成電氣化鐵路全線通車(chē)[22]Figure 3 Scene on the day of Baocheng whole line’s openness to traffic[22]
鳳州至成都段電氣化鐵路采用了很多新設(shè)備、新材料,在技術(shù)上比寶鳳段有很大改進(jìn)。例如,牽引變電所內(nèi)采用了27.5 kV室內(nèi)型六氟化硫氣體斷路器和少油斷路器。接觸網(wǎng)的懸掛形式,在中壩車(chē)站以南采用全補(bǔ)償鏈形懸掛,在凈空6米的隧道內(nèi)采用帶補(bǔ)償?shù)暮?jiǎn)單懸掛。接觸網(wǎng)支柱采用橫腹桿式預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土支柱和絕緣腕臂。采用了自行研制的吸流變壓器—回流線裝置(即BT供電方式)代替直接供電方式,它在牽引網(wǎng)內(nèi)增設(shè)一條回流線和每隔2~4 km串入一臺(tái)吸流變壓器,利用吸流變壓器的作用,將使經(jīng)由鋼軌和大地流回變電所的電流改由回流線回變電所,從而提高了供電回路的平衡度,可以減少電訊線路改遷工程,縮短工期,節(jié)約投資[20]。寶成線的電氣化,由于目標(biāo)明確,改造范圍恰當(dāng),投資僅為修建一條新線的十分之一,實(shí)現(xiàn)了輸送能力成倍增長(zhǎng),為我國(guó)電氣化鐵路建設(shè)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)[21]。
牽引動(dòng)力的內(nèi)燃化、電氣化是鐵路現(xiàn)代化的基礎(chǔ)。1958年9月,在長(zhǎng)辛店、四方和大連機(jī)車(chē)車(chē)輛廠等相繼研制出中國(guó)最早的一批內(nèi)燃機(jī)車(chē),同年12月,田心(后改株洲)機(jī)車(chē)車(chē)輛廠在湘潭電機(jī)廠、鐵道部科學(xué)研究院、唐山鐵道學(xué)院等單位大力援助下,以蘇制H60型機(jī)車(chē)為基礎(chǔ),試制出中國(guó)第一臺(tái)電力機(jī)車(chē)6Y1型機(jī)車(chē)(6軸引燃管電力機(jī)車(chē))[3]71,90。這也拉開(kāi)了中國(guó)鐵路牽引動(dòng)力改革的序幕。
然而在實(shí)地試運(yùn)行時(shí),國(guó)產(chǎn)6Y1型電力機(jī)車(chē)卻因引燃管經(jīng)常失燃、逆弧和陽(yáng)極頭過(guò)熱燒毀,加上機(jī)車(chē)牽引調(diào)速控制方式簡(jiǎn)單,機(jī)車(chē)運(yùn)行級(jí)位只有9個(gè),電機(jī)電流沖擊大、環(huán)火故障多等,無(wú)法達(dá)到正線運(yùn)營(yíng)要求。為了解決電力機(jī)車(chē)短缺的問(wèn)題,保證寶鳳段電氣化鐵路及時(shí)開(kāi)通運(yùn)營(yíng),鐵道部決定從法國(guó)阿爾斯通公司進(jìn)口25臺(tái)大功率6Y2型電力機(jī)車(chē),該機(jī)車(chē)每臺(tái)車(chē)重138噸,持續(xù)功率為4620 kW,最大速度100 km/h[23],商定于1960年交貨。為接收首批進(jìn)口的電力機(jī)車(chē),鐵道部從株洲電力機(jī)車(chē)車(chē)輛廠、山西大同機(jī)車(chē)廠、寶雞電力機(jī)車(chē)段、西安整流器廠、南京機(jī)務(wù)段等單位抽調(diào)技術(shù)人員和翻譯共11 人,組成電力機(jī)車(chē)驗(yàn)收代表團(tuán)。鑒于蘇聯(lián)此前已從法國(guó)進(jìn)口了50臺(tái)同型號(hào)電力機(jī)車(chē),代表團(tuán)于1959年12月先赴蘇聯(lián)學(xué)習(xí)該型號(hào)電力機(jī)車(chē)的運(yùn)行及維護(hù)保養(yǎng)技術(shù)。當(dāng)時(shí)中國(guó)與法國(guó)尚未建立外交關(guān)系,代表團(tuán)經(jīng)由就已同中國(guó)建交的瑞士赴法國(guó)開(kāi)展驗(yàn)收工作。代表團(tuán)在這一年里,學(xué)習(xí)了電力機(jī)車(chē)的內(nèi)部構(gòu)造、動(dòng)力裝置、操作要領(lǐng)等專(zhuān)業(yè)知識(shí)。待這批機(jī)車(chē)在法國(guó)阿爾斯通公司制造組裝后,分批海運(yùn)到上海,再由蒸汽機(jī)車(chē)牽引到寶雞。在對(duì)機(jī)車(chē)進(jìn)行調(diào)試后,分批投入到寶鳳段電氣化鐵路線上運(yùn)行,并成為主力機(jī)車(chē)。我國(guó)也在學(xué)習(xí)借鑒法國(guó)先進(jìn)機(jī)車(chē)技術(shù)的基礎(chǔ)上,對(duì)6Y1型電力機(jī)車(chē)進(jìn)行全面改進(jìn),試制新的電力機(jī)車(chē)。[24]
1962年,鐵道部確定動(dòng)力改革“內(nèi)燃、電力機(jī)車(chē)并重,以?xún)?nèi)燃為主”的方針。1963年,經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)成立了以鐵道部代理部長(zhǎng)呂正操為組長(zhǎng)的“國(guó)家大功率牽引動(dòng)力內(nèi)燃化、電氣化領(lǐng)導(dǎo)小組”[3]90-91。鑒于此前的寶鳳段電氣化鐵路取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益,鐵道部規(guī)定,“在新線建設(shè)中遇到地形復(fù)雜,要求輸送能力大的情況下,一般采用電力機(jī)車(chē)牽引”[5]8。然而,真正確立以電力牽引為主的方針政策,要等到1977年。
1958—1965年,株洲電力機(jī)車(chē)廠先后試制5臺(tái)電力機(jī)車(chē),均因存在較嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題無(wú)法運(yùn)行。直到1969年,株洲機(jī)車(chē)廠試制成功SS1(韶山1)型電力機(jī)車(chē),并進(jìn)入批量生產(chǎn),在寶成線電氣化改造完工通車(chē)后投入使用,至1976年共生產(chǎn)電力機(jī)車(chē)191臺(tái)[3]92,99,134。20世紀(jì)80年代初,株洲電力機(jī)車(chē)廠又試制出SS2、SS3型電力機(jī)車(chē),其中SS3型機(jī)車(chē)成為取代SS1型車(chē)的客貨兩用干線電力機(jī)車(chē)。1985年,又研制成功兩節(jié)式功率6400 kW的SS4型機(jī)車(chē),成為后來(lái)大秦重載鐵路電力機(jī)車(chē)的主車(chē)型。[3]156-158
自主進(jìn)行電氣化鐵路建設(shè),是新中國(guó)成立后鐵路發(fā)展中的重大技術(shù)進(jìn)步,具有承上啟下的重要意義。從1953年開(kāi)始籌備寶鳳段電氣化鐵路,先后經(jīng)歷了電流制式設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變、電力機(jī)車(chē)的研制失敗而改進(jìn)口和1961年寶鳳段建成后的數(shù)年停滯,直到1975年才完成寶成全線電氣化改造,前后長(zhǎng)達(dá)20余年。其中的艱難曲折,既有技術(shù)方面的原因,也與當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)動(dòng)蕩的政治經(jīng)濟(jì)形勢(shì)有關(guān)。然而,廣大科研工作者和建設(shè)者克服了重重困難,最終建成了中國(guó)第一條電氣化鐵路,其重要意義體現(xiàn)在技術(shù)路徑選擇、推動(dòng)電氣工程教育和學(xué)科發(fā)展、隊(duì)伍建設(shè)和經(jīng)驗(yàn)積累,以及運(yùn)輸條件改善和經(jīng)濟(jì)效益等方面。
中國(guó)鐵路電氣化建設(shè)起步較晚,最初于1954年在蘇聯(lián)專(zhuān)家的指導(dǎo)下,按直流制進(jìn)行了電氣化設(shè)計(jì)。但以曹建猷院士為首的中國(guó)專(zhuān)家沒(méi)有迷信蘇聯(lián)經(jīng)驗(yàn),而是對(duì)先進(jìn)國(guó)家的技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行了較為廣泛的調(diào)研,并從理論上對(duì)直流制和交流制進(jìn)行了嚴(yán)格比較和反復(fù)論證,于1957年最終確定我國(guó)應(yīng)采用單相工頻25 kV交流制,被鐵道部采納。這一英明決策保證了寶鳳段電氣化鐵路選用了世界上最先進(jìn)的電流制式,使中國(guó)電氣化鐵路在起步階段就確立了正確的發(fā)展方向,避免了重走先直流后交流、先低壓后高壓的發(fā)展老路,同時(shí)也避免了交流與直流接軌的技術(shù)難題,為我國(guó)電氣化鐵路建設(shè)的發(fā)展奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。[5]3-4
1952年按國(guó)務(wù)院計(jì)劃部門(mén)和鐵道部的部署,為改變中國(guó)鐵路技術(shù)落后狀態(tài),提高運(yùn)輸效益,提出學(xué)習(xí)蘇聯(lián)經(jīng)驗(yàn)、逐步建設(shè)和發(fā)展電氣化鐵路,唐山鐵道學(xué)院設(shè)置了“電氣運(yùn)輸”專(zhuān)業(yè)。當(dāng)時(shí)主要參照蘇聯(lián)同專(zhuān)業(yè)教學(xué)計(jì)劃和教學(xué)大綱制訂年度計(jì)劃,教材也主要依靠和翻譯蘇聯(lián)教材。寶鳳段電氣化鐵路開(kāi)始籌備之后,唐山鐵道學(xué)院派杜慶萱教授等參與電氣化設(shè)計(jì)。首屆電氣運(yùn)輸專(zhuān)業(yè)畢業(yè)班的畢業(yè)設(shè)計(jì),就是以寶鳳段實(shí)際資料為內(nèi)容進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的,1956年7月首屆畢業(yè)班40多人順利畢業(yè),立即投入到寶鳳段電氣化鐵路建設(shè)。1959年,為滿足電氣化鐵路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的需求,在曹建猷教授的倡議和主持下,“電氣運(yùn)輸”專(zhuān)業(yè)又分為“電氣鐵道供電”和“電力機(jī)車(chē)”兩個(gè)專(zhuān)業(yè),在隨后的若干年里,每年都為國(guó)家培養(yǎng)一百多名本科畢業(yè)生,他們分別在鐵道電氣化、電力機(jī)車(chē)制造和機(jī)車(chē)業(yè)務(wù)的工作崗位上發(fā)揮各自的專(zhuān)長(zhǎng)[25]。
唐山鐵道學(xué)院電氣化專(zhuān)業(yè)初設(shè)之時(shí),由于國(guó)內(nèi)尚無(wú)電氣化鐵路,教學(xué)計(jì)劃和教學(xué)內(nèi)容都以照搬蘇聯(lián)模式為主,寶成電氣化鐵路的建設(shè)為電氣化專(zhuān)業(yè)教學(xué)提供了豐富而生動(dòng)的內(nèi)容,以及現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)和實(shí)習(xí)場(chǎng)所,同時(shí)也在客觀上推動(dòng)了我國(guó)電氣工程教育的發(fā)展。除了唐山鐵道學(xué)院以外,上海交通大學(xué)和北京鐵道學(xué)院(北方交通大學(xué)的前身)也分別于1955和1956年開(kāi)辦了電力機(jī)車(chē)專(zhuān)業(yè)。在其他一些重要的鐵路樞紐和工業(yè)城市,如南口、鄭州、濟(jì)南、沈陽(yáng)、太原、內(nèi)江等地,也開(kāi)辦了包含電氣化鐵道供電和機(jī)車(chē)專(zhuān)業(yè)的中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校,部分學(xué)校在1958年以后改為鐵道學(xué)院并設(shè)置鐵道電氣化專(zhuān)業(yè),以滿足鐵路部門(mén)對(duì)不同層次工程技術(shù)人才的需求[26]。寶成電氣化鐵路建設(shè)推動(dòng)了中國(guó)電氣工程教育和相關(guān)學(xué)科發(fā)展以及人才培養(yǎng),而這些人才又在20世紀(jì)70年代以后中國(guó)鐵道電氣化的大發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。
寶成鐵路電氣化建設(shè)幾乎是零基礎(chǔ)起步。在設(shè)計(jì)方面,從鐵道部各設(shè)計(jì)單位和唐山鐵道學(xué)院抽調(diào)人員組成工程設(shè)計(jì)組,起初參照蘇聯(lián)直流制進(jìn)行設(shè)計(jì),1957年確定改為交流制后,他們重新學(xué)習(xí)、重新設(shè)計(jì),僅用了半年左右的時(shí)間就完成了新的設(shè)計(jì)。在施工隊(duì)伍建設(shè)方面,以原有通信信號(hào)工程公司為基礎(chǔ),加上從多個(gè)鐵路局和礦務(wù)局抽調(diào)的技術(shù)工人和分配來(lái)的畢業(yè)生,組建了我國(guó)第一個(gè)電氣化鐵路建設(shè)隊(duì)伍即電氣化鐵道工程局,在施工建設(shè)的同時(shí)加強(qiáng)技術(shù)培訓(xùn)。在施工過(guò)程中,很多工廠發(fā)揚(yáng)了協(xié)作精神,攻克各種技術(shù)難關(guān),為電氣化鐵路提供了所需的各項(xiàng)器材設(shè)備,保證了工程的急需。在電力機(jī)車(chē)的研制方面,由于中國(guó)自行研制的6Y1型電力機(jī)車(chē)存在質(zhì)量問(wèn)題,不得已從法國(guó)進(jìn)口機(jī)車(chē)用于寶鳳段電氣化鐵路的運(yùn)營(yíng)。中國(guó)在學(xué)習(xí)借鑒法國(guó)機(jī)車(chē)技術(shù)的基礎(chǔ)上,經(jīng)過(guò)不斷努力和改進(jìn),于1969年成功研制出SS1型電力機(jī)車(chē)。通過(guò)寶成鐵路電氣化建設(shè),我國(guó)逐步在設(shè)計(jì)、施工建設(shè)和機(jī)車(chē)制造方面,培養(yǎng)出一批電氣化建設(shè)的人才隊(duì)伍,也為我國(guó)電氣化鐵路建設(shè)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。[27]
1961年寶鳳段電氣化鐵路交付運(yùn)營(yíng)后,運(yùn)輸條件大大改善,顯示出巨大的威力。采用電氣化以前,寶鳳段在30‰上坡道用3臺(tái)蒸汽機(jī)車(chē)前拉后頂、只能牽引960噸,改用3臺(tái)電力機(jī)車(chē)后,牽引質(zhì)量提高到2400噸,運(yùn)能提升了1.7倍。全線行車(chē)時(shí)速由20~25千米提高到50~70千米。從1975年通過(guò)廣元交接口實(shí)際完成的貨物凈重看,分別為電氣化前蒸汽機(jī)車(chē)牽引的三倍左右(上、下行),相當(dāng)于一條電氣化鐵路完成了三條蒸汽機(jī)車(chē)牽引線路的運(yùn)輸任務(wù)[28]。1961年至1980年的20年期間,寶成鐵路共節(jié)約煤炭336萬(wàn)噸,每萬(wàn)噸千米的機(jī)務(wù)成本由原來(lái)的42.7元減少到16.8元,降低了60%。以前列車(chē)通過(guò)長(zhǎng)隧道,煙熏火烤,司機(jī)室內(nèi)溫度高達(dá)50 ℃,勞動(dòng)條件極差,尤其夏季車(chē)窗關(guān)閉、車(chē)內(nèi)悶熱、空氣污濁,旅客乘坐體驗(yàn)極不舒適。改為電氣化后,司機(jī)室干凈寬敞,冬有暖氣夏有電扇,夏季列車(chē)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)隧道,旅客也可以不必關(guān)閉車(chē)窗,車(chē)內(nèi)保持空氣新鮮[14]174-175。
寶成電氣化鐵路所取得的顯著經(jīng)濟(jì)效益,對(duì)于后來(lái)的電氣化鐵路建設(shè)起到了示范效應(yīng)。1973年9月,貫穿陜南的陽(yáng)(平關(guān))安(康)電氣化鐵路開(kāi)工,其特點(diǎn)也是隧道密集且長(zhǎng)隧道多,采用蒸汽機(jī)車(chē)牽引困難,因而決定一次建成新線電氣化鐵路。1977年,鐵道部正式制定了“內(nèi)電并舉、以電為主”的牽引動(dòng)力發(fā)展技術(shù)政策,中國(guó)電氣化鐵路建設(shè)開(kāi)始走向了有計(jì)劃的發(fā)展路程,并由山區(qū)鐵路向繁忙干線發(fā)展,由單線電氣化向雙線電氣化發(fā)展,這是我國(guó)電氣化鐵路建設(shè)中的一個(gè)重大轉(zhuǎn)變[5]8-9。
寶成電氣化鐵路開(kāi)啟了中國(guó)鐵路事業(yè)發(fā)展的新篇章。寶成電氣化鐵路是中國(guó)鐵路電氣化建設(shè)的奠基之作,是中國(guó)鐵路由傳統(tǒng)動(dòng)力牽引向現(xiàn)代動(dòng)力牽引轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要標(biāo)志,是具有里程碑意義的重大工程項(xiàng)目,在整個(gè)中國(guó)鐵路史上具有濃墨重彩的一筆。它所采用的25 kV單相工頻交流制為中國(guó)電氣化鐵路的發(fā)展確立了正確的技術(shù)發(fā)展方向。它在設(shè)計(jì)、施工建設(shè)和機(jī)車(chē)制造方面,培養(yǎng)出一批電氣化建設(shè)的人才隊(duì)伍,也為我國(guó)電氣化鐵路建設(shè)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。它所取得的顯著經(jīng)濟(jì)效益,也為后來(lái)的鐵路政策制定和電氣化鐵路建設(shè)起到了示范效應(yīng)。
寶成電氣化鐵路建設(shè)推動(dòng)了中國(guó)電氣工程教育的發(fā)展。寶成電氣化鐵路為電氣化專(zhuān)業(yè)教學(xué)提供了豐富的內(nèi)容以及教學(xué)和實(shí)習(xí)場(chǎng)所,并成為唐山鐵道學(xué)院首屆電氣運(yùn)輸專(zhuān)業(yè)畢業(yè)班的畢業(yè)設(shè)計(jì)主題。為滿足和適應(yīng)電氣化鐵路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的需求,上海交通大學(xué)、北京鐵道學(xué)院也相繼設(shè)置了電力機(jī)車(chē)專(zhuān)業(yè),其他一些城市也設(shè)立了鐵道學(xué)院以及鐵道電氣化專(zhuān)業(yè)。電氣工程教育和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展,又為20世紀(jì)70年代以后中國(guó)鐵道電氣化的大發(fā)展儲(chǔ)備了充足的人才。