تزويد السكك الحديدية بالكهرباء بتيار متردد 15 كيلو فولت

تُستخدم أنظمة كهربة السكك الحديدية التي تعمل بالتيار المتردد بجهد 15 كيلوفولت وتردد 16.7 هرتز في خطوط السكك الحديدية في ألمانيا والنمسا وسويسرا والسويد والنرويج . يُمكّن الجهد العالي من نقل طاقة عالية ،  بينما يُقلل التردد المنخفض من فقد الطاقة في محركات الجر التي كانت متوفرة في بداية القرن العشرين. عالميًا، اتجهت أنظمة كهربة السكك الحديدية في أواخر القرن العشرين نحو استخدام أنظمة 25 كيلوفولت و50 هرتز، والتي أصبحت المعيار المُفضّل لأنظمة كهربة السكك الحديدية الجديدة. مع ذلك، يُعدّ التوسع المحلي لشبكة 15 كيلوفولت القائمة أمرًا شائعًا. على وجه الخصوص، يستخدم نفق غوتهارد الأساسي (الذي افتُتح في 1 يونيو 2016) نظام كهربة بجهد 15 كيلوفولت وتردد 16.7 هرتز.  

بسبب ارتفاع تكاليف التحويل، من غير المرجح أن يتم تحويل الأنظمة الحالية التي تعمل بجهد 15 كيلو فولت وتردد 16.7 هرتز إلى 25 كيلو فولت وتردد 50 هرتز على الرغم من أن ذلك من شأنه أن يقلل وزن محولات خفض الجهد الموجودة على متن القطار إلى ثلث وزن الأجهزة الحالية.

استخدمت أولى خطوط السكك الحديدية المكهربة محركات تيار مستمر موصولة على التوالي ، بجهد 600 فولت في البداية ثم 1500 فولت . أما المناطق التي تستخدم خطوط نقل تيار مستمر بجهد 3 كيلوفولت (وخاصة في أوروبا الشرقية )، فقد استخدمت محركين تيار مستمر بجهد 1500 فولت موصولين على التوالي. ولكن حتى عند جهد 3 كيلوفولت، قد يكون التيار اللازم لتشغيل قطار ثقيل (خاصة في المناطق الريفية والجبلية) مرتفعًا للغاية. ورغم أن زيادة جهد النقل تقلل التيار وما يرتبط به من فقد في المقاومة عند قدرة معينة، إلا أن قيود العزل تجعل استخدام محركات جر ذات جهد أعلى غير عملي. ولذلك، يلزم وجود محولات كهربائية في كل قاطرة لخفض جهد النقل العالي إلى جهد تشغيل المحرك المناسب. قبل تطوير طرق مناسبة لتحويل تيارات التيار المستمر بكفاءة عبر إلكترونيات الطاقة، كانت المحولات الفعالة تتطلب تيارًا مترددًا ؛ ولذلك اعتمدت خطوط السكك الحديدية المكهربة ذات الجهد العالي التيار المتردد جنبًا إلى جنب مع نظام توزيع الطاقة الكهربائية (انظر: حرب التيارات ).     

كانت شبكة التيار المتردد بتردد 50  هرتز (60  هرتز في أمريكا الشمالية) مُعتمدة بالفعل في بداية القرن العشرين. ورغم أن المحركات ذات الملفات المتسلسلة يُمكنها من حيث المبدأ العمل بالتيار المتردد والتيار المستمر (ولهذا تُعرف أيضًا بالمحركات العالمية )، إلا أن محركات الجر الكبيرة ذات الملفات المتسلسلة واجهت مشاكل مع هذه الترددات العالية. فقد تسببت المفاعلة الحثية العالية لملفات المحرك في حدوث شرارة كهربائية في المبدل ، كما أظهرت القطع المغناطيسية غير المُرققة، المصممة أصلاً للتيار المستمر، خسائر كبيرة في التيارات الدوامية . وقد أدى استخدام تردد تيار متردد أقل إلى التخفيف من هاتين المشكلتين.

في البلدان الناطقة بالألمانية، بدأ استخدام الكهرباء ذات الجهد العالي بتردد 16 ± 2/3 هرتز ، أي ما يعادل  ثلث تردد شبكة الكهرباء الوطنية البالغ 50  هرتز. وقد سهّل ذلك تشغيل المحولات الدوارة بتردد الشبكة، وسمح لمولدات الطاقة المخصصة للسكك الحديدية بالعمل بنفس سرعة دوران  المولد القياسي بتردد 50 هرتز، وذلك بتقليل عدد أزواج الأقطاب بمقدار الثلث. فعلى سبيل المثال، يُلف مولد يدور بسرعة 1000 دورة في الدقيقة بزوجين من الأقطاب بدلاً من ستة.

تُزوّد ​​محطات منفصلة خطوط السكك الحديدية بالطاقة في النمسا وسويسرا وألمانيا، باستثناء مكلنبورغ-فوربومرن وساكسونيا -أنهالت ؛ بينما تُزوّد ​​محولات تعمل بالشبكة الكهربائية خطوط السكك الحديدية بالطاقة في هاتين الولايتين الألمانيتين بالإضافة إلى السويد والنرويج. كما تمتلك النرويج محطتين لتوليد الطاقة الكهرومائية مخصصتين لتزويد خطوط السكك الحديدية بالطاقة بتردد 16 ± 2/3 هرتز . 

كانت المولدات الأولى مولدات تيار متردد متزامنة أو محولات متزامنة؛ إلا أنه مع ظهور مولدات الحث الحديثة ذات التغذية المزدوجة ، تسبب تيار التحكم في توليد مكون تيار مستمر غير مرغوب فيه، مما أدى إلى مشاكل ارتفاع درجة حرارة الأقطاب. وقد تم حل هذه المشكلة عن طريق تغيير التردد قليلاً عن ثلث تردد الشبكة بالضبط؛ وتم اختيار 16.7 هرتز بشكل تعسفي للبقاء ضمن نطاق تحمل محركات الجر الموجودة. قامت النمسا وسويسرا وجنوب ألمانيا بتحويل محطات توليد الطاقة لديها إلى 16.7  هرتز في 16 أكتوبر 1995 الساعة 12:00 بتوقيت وسط أوروبا. ^{[ 1 ] [ 2 ]} ومع ذلك، فإن الأقسام المكهربة الإقليمية التي تعمل بالمولدات المتزامنة تحافظ على ترددها البالغ 16 ± 2/3 هرتز - تمامًا كما هو الحال في السويد والنرويج اللتين لا تزالان تديران شبكات السكك الحديدية الخاصة بهما عند 16 ± 2/3 هرتز . 

من عيوب قاطرات 16.7 هرتز، مقارنةً بقاطرات 50 هرتز أو 60 هرتز، الحاجة إلى محول كهربائي أثقل لخفض جهد خط النقل العلوي إلى الجهد المستخدم في المحركات وأجهزة التحكم في السرعة. تتطلب محولات التردد المنخفض نوى مغناطيسية أثقل وملفات أكبر لتحقيق نفس مستوى تحويل الطاقة. (انظر تأثير التردد على تصميم المحولات ). كما تؤدي المحولات الأثقل إلى أحمال محورية أعلى مقارنةً بتلك ذات التردد الأعلى. نظريًا، يؤدي هذا بدوره إلى زيادة تآكل السكة وزيادة الحاجة إلى صيانتها بشكل متكرر، بينما عمليًا، يجب ألا تصبح القاطرات الكهربائية خفيفة الوزن للغاية للحفاظ على قوة الجر عند السرعات المنخفضة. واجهت السكك الحديدية التشيكية مشكلة انخفاض قدرة محولات التردد المنخفض على تحمل الطاقة عند إعادة بناء بعض قاطرات 25 كيلوفولت تيار متردد، 50 هرتز (السلسلة 340) للعمل على خطوط 15 كيلوفولت تيار متردد، 16.7 هرتز . نتيجة لاستخدام نفس نوى المحولات (المصممة أصلاً لتردد 50 هرتز ) عند التردد المنخفض، كان لا بد من تخفيض قدرة المحولات إلى ثلث قدرتها الأصلية على معالجة الطاقة، مما أدى إلى تقليل قوة الجر المتاحة بنفس المقدار (إلى حوالي 1000  كيلوواط ).

هذه العيوب، بالإضافة إلى الحاجة إلى بنية تحتية منفصلة للإمداد الكهربائي، وانعدام أي مزايا تقنية للمحركات وأجهزة التحكم الحديثة، حدّت من استخدام ترددي 16 ± 2/3 هرتز و 16.7 هرتز خارج الدول الخمس الأصلية. وقد قامت معظم الدول الأخرى بتزويد خطوط السكك الحديدية بالكهرباء بتردد 50/60 هرتز. أما الدنمارك ، فرغم مجاورتها لمنطقة ذات جهد 15 كيلوفولت فقط ، فقد قررت تزويد خطوط السكك الحديدية الرئيسية بالكهرباء بجهد 25 كيلوفولت وتردد 50 هرتز، وذلك لأسباب منها هذا الأمر. ^{[ 3 ] [ 4 ]} ونظرًا للتحدي التقني الكبير، وبالتالي عدم جدوى توفير خدمات نقل ركاب عالية السرعة على خطوط التيار المستمر بجهد 1.5 أو 3 كيلوفولت، فإن أنظمة الكهرباء الأوروبية الحديثة، وخاصة في أوروبا الشرقية، تعتمد في الغالب على جهد 25 كيلوفولت تيار متردد بتردد 50 هرتز . ويتطلب التحويل إلى هذا الجهد/التردد عوازل ذات جهد أعلى، ومسافة أكبر بين الخطوط والجسور والمنشآت الأخرى. وهذا أصبح الآن معيارًا للخطوط العلوية الجديدة، وكذلك لتحديث المنشآت القديمة.    

إن توحيد النظام الكهربائي الأوروبي البسيط، من خلال توحيد الجهد/التردد في جميع أنحاء أوروبا، ليس بالضرورة مجديًا اقتصاديًا، نظرًا لأن النقل عبر الحدود محدودٌ بسبب اختلاف المعايير الوطنية في مناطق أخرى. يُعدّ تجهيز قاطرة كهربائية بمحول كهربائي لجهدين أو أكثر أمرًا زهيدًا مقارنةً بتكلفة تركيب أنظمة حماية متعددة للقطارات وإجراءات الموافقة اللازمة للوصول إلى شبكة السكك الحديدية في دول أخرى. مع ذلك، من المقرر بالفعل إنشاء بعض خطوط السكك الحديدية فائقة السرعة الجديدة إلى الدول المجاورة بجهد 25 كيلوفولت (كما هو الحال في النمسا إلى أوروبا الشرقية). على الرغم من أن القاطرات الأحدث تُصنع دائمًا بأنظمة تحكم غير متزامنة في المحركات ، والتي تعمل بكفاءة مع نطاق واسع من ترددات الإدخال، بما في ذلك التيار المستمر، إلا أن أجهزة تجميع التيار والأسلاك الإضافية المطلوبة لا تُركّب بشكل موحد، وذلك لتوفير نماذج منخفضة التكلفة مثل سيمنز سمارتون . وبالمثل، فإن قطارات الركاب الإقليمية الأحدث، مثل سلسلة بومباردييه تالنت 2، غير معتمدة لأنظمة كهربائية إضافية. على الرغم من أن شركة السكك الحديدية الألمانية (دويتشه بان) لم تعد تستخدم أيًا من طرازات سلسلة القاطرات الكهربائية القياسية ، فإن العديد من شركات السكك الحديدية الخاصة الأصغر حجمًا لا تزال تستخدمها، مع أن بعضها يصل عمره إلى 60 عامًا. وحتى مع إخراج هذه الطرازات القديمة من الخدمة، قد لا يكون توحيدها أمرًا سهلاً. في الوقت نفسه، تميل شركة DB Schenker إلى طلب قاطرات شحن قادرة على تشغيل أنظمة كهربائية متعددة نظرًا لانتشارها في جميع أنحاء أوروبا.

شبكات التوزيع

في ألمانيا (باستثناء مكلنبورغ-فوربومرن وساكسونيا -أنهالت )، والنمسا، وسويسرا، توجد شبكة توزيع طاقة أحادية الطور منفصلة لتغذية السكك الحديدية بتردد 16.7 هرتز ؛ ويبلغ الجهد 110 كيلوفولت في ألمانيا والنمسا، و 132 كيلوفولت في سويسرا. يُطلق على هذا النظام اسم نظام التزويد المركزي للطاقة للسكك الحديدية. تُسهّل شبكة توزيع الطاقة أحادية الطور المنفصلة استعادة الطاقة أثناء الكبح بشكل كبير مقارنةً بنظام 25  كيلوفولت 50  هرتز المرتبط بشبكة توزيع ثلاثية الأطوار.

في السويد والنرويج ومكلنبورغ-فوربومرن وساكسونيا-أنهالت، تُستمد الطاقة مباشرةً من شبكة الكهرباء ثلاثية الأطوار ( 110 كيلوفولت بتردد 50 هرتز )، ثم تُحوّل إلى تيار أحادي الطور منخفض التردد وتُغذّى به خطوط النقل الهوائية. يُطلق على هذا النظام اسم نظام إمداد الطاقة بالسكك الحديدية اللامركزي (أي المحلي).

تُشغّل ألمانيا والنمسا وسويسرا أكبر شبكة كهربائية مترابطة بجهد 15  كيلوفولت تيار متردد  ، مع محطات توليد مركزية ومحطات تحويل مركزية ومحلية. مع ذلك، توجد جزر ذات أنظمة كهربائية بديلة. على سبيل المثال، يُعد خط سكة حديد روبيلاند أكبر خط بجهد 25  كيلوفولت  تيار متردد في ألمانيا.

في النرويج، تستخدم جميع خطوط السكك الحديدية الكهربائية تيارًا مترددًا بتردد 16 ± 2/3 هرتز وجهد 15 كيلوفولت [ 5  ] ^{( باستثناء خط} سكة حديد متحف ثامشافنبانين الذي يستخدم تيارًا مترددًا بتردد 25 هرتز وجهد 6.6 كيلوفولت ). أما قطارات أوسلو والترام فتستخدم تيارًا مستمرًا بجهد 750 فولت .       

تستخدم معظم خطوط السكك الحديدية الكهربائية في السويد تيارًا مترددًا بجهد 15  كيلوفولت وتردد 16 ± 2/3 هرتز . وتشمل الاستثناءات: خطي سالتسجوبانان وروسلاغسبانان (1.5 كيلوفولت تيار مستمر)، ومترو ستوكهولم (650 و750 فولت تيار مستمر)، والترام (750 فولت تيار مستمر). أما جسر أوريسند الذي يربط بين السويد والدنمارك، فهو مُكهرب بجهد 25 كيلوفولت ، وهو المعيار الدنماركي؛ ويقع مفترق الطرق على الجانب السويدي بالقرب من الجسر. ولا يُسمح بمرور سوى القطارات ثنائية النظام (أو قطارات الديزل، وهي نادرة).        

• DB Energie soll Durchleitung von Bahnstrom ermöglichen (في المانيا)