كهربة السكك الحديدية

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 17 صور
الموسوعة الحرة

كهربة السكك الحديدية هي استخدام الطاقة الكهربائية لدفع النقل بالسكك الحديدية . تستخدم السكك الحديدية الكهربائية إما قاطرات كهربائية (تنقل الركاب أو البضائع في عربات منفصلة)، أو وحدات متعددة كهربائية ( عربات ركاب بمحركاتها الخاصة) أو كليهما. يتم توليد الكهرباء عادة في محطات توليد كبيرة وفعالة نسبيًا، ويتم نقلها إلى شبكة السكك الحديدية وتوزيعها على القطارات. تمتلك بعض السكك الحديدية الكهربائية محطات توليد وخطوط نقل مخصصة لها ، لكن معظمها تشتري الطاقة من شركة كهرباء . توفر السكك الحديدية عادةً خطوط التوزيع والمفاتيح والمحولات الخاصة بها .

يتم تزويد القطارات المتحركة بالطاقة من خلال موصل مستمر (تقريبًا) يمتد على طول المسار والذي يأخذ عادةً أحد شكلين: خط علوي معلق من أعمدة أو أبراج على طول المسار أو من أسقف الهياكل أو الأنفاق، أو سكة ثالثة مثبتة على مستوى المسار ومتصلة بـ " حذاء التقاط " منزلق. تستخدم أنظمة الأسلاك العلوية والسكة الثالثة عادةً قضبان التشغيل كموصل إرجاع، لكن بعض الأنظمة تستخدم سكة رابعة منفصلة لهذا الغرض.

بالمقارنة مع البديل الرئيسي، محرك الديزل ، توفر السكك الحديدية الكهربائية كفاءة طاقة أفضل بكثير، وانبعاثات أقل ، وتكاليف تشغيل أقل. كما أن القاطرات الكهربائية عادة ما تكون أكثر هدوءًا وقوة واستجابة وموثوقية من الديزل. ليس لديها انبعاثات محلية، وهي ميزة مهمة في الأنفاق والمناطق الحضرية. توفر بعض أنظمة الجر الكهربائية كبحًا متجددًا يحول الطاقة الحركية للقطار إلى كهرباء ويعيدها إلى نظام الإمداد لاستخدامها بواسطة القطارات الأخرى أو شبكة المرافق العامة. بينما تحرق قاطرات الديزل المنتجات البترولية، يمكن توليد الكهرباء من مصادر متنوعة، بما في ذلك الطاقة المتجددة . [1] تاريخيًا، لعبت مخاوف استقلال الموارد دورًا في قرار كهربة خطوط السكك الحديدية. الاتحاد السويسري غير الساحلي الذي يفتقر تمامًا تقريبًا إلى رواسب النفط أو الفحم ولكنه يمتلك طاقة مائية وفيرة كهربة شبكته جزئيًا ردًا على مشاكل الإمداد خلال الحربين العالميتين. [2] [3]

تشمل عيوب الجر الكهربائي ما يلي: تكاليف رأس المال المرتفعة التي قد تكون غير اقتصادية على الطرق ذات حركة المرور الخفيفة، والافتقار النسبي إلى المرونة (نظرًا لأن القطارات الكهربائية تحتاج إلى قضبان ثالثة أو أسلاك علوية)، والضعف في مواجهة انقطاع التيار الكهربائي. [1] تخفف قاطرات الديزل الكهربائية ووحدات الديزل الكهربائية المتعددة من هذه المشاكل إلى حد ما لأنها قادرة على العمل على طاقة الديزل أثناء انقطاع التيار الكهربائي أو على الطرق غير الكهربائية.

قد تستخدم مناطق مختلفة جهدًا وترددات إمداد مختلفة، مما يزيد من تعقيد الخدمة ويتطلب تعقيدًا أكبر لقوة القاطرة. كان هناك قلق تاريخي بشأن نقل السكك الحديدية مزدوج المكدس فيما يتعلق بالخلوص مع الخطوط العلوية [1] ولكنه لم يعد صحيحًا عالميًا اعتبارًا من عام 2022 ، حيث تعمل كل من السكك الحديدية الهندية [4] والسكك الحديدية الصينية [5] [6] [7] بانتظام على تشغيل قطارات شحن كهربائية مزدوجة المكدس تحت خطوط علوية.

لقد زادت كهربة السكك الحديدية باستمرار في العقود الماضية، واعتبارًا من عام 2022، تمثل المسارات الكهربائية ما يقرب من ثلث إجمالي المسارات على مستوى العالم. [8] [9]

تاريخ

كهربة السكك الحديدية هي تطوير تشغيل القطارات والقاطرات باستخدام الكهرباء بدلاً من الديزل أو الطاقة البخارية . يعود تاريخ كهربة السكك الحديدية إلى أواخر القرن التاسع عشر عندما تم تقديم أول خطوط الترام الكهربائية في مدن مثل برلين ولندن ومدينة نيويورك .

في عام 1881، كانت أول عملية كهربة دائمة للسكك الحديدية في العالم هي ترامواي جروس ليشترفيلد في برلين ، ألمانيا. [10] تم تطبيق كهربة الخطوط العلوية بنجاح لأول مرة بواسطة فرانك سبراج في ريتشموند، فيرجينيا في عامي 1887-1888، مما أدى إلى كهربة مئات أنظمة السكك الحديدية في الشوارع الإضافية بحلول أوائل تسعينيات القرن التاسع عشر. [11] [12] كانت أول عملية كهربة للسكك الحديدية الرئيسية هي خط بالتيمور بيلت التابع لشركة سكك حديد بالتيمور وأوهايو في الولايات المتحدة في عامي 1895-1896.

استخدمت الكهرباء المبكرة للسكك الحديدية أنظمة طاقة التيار المستمر (DC)، والتي كانت محدودة من حيث المسافة التي يمكنها نقل الطاقة عبرها. ومع ذلك، في أوائل القرن العشرين، تم تطوير أنظمة طاقة التيار المتناوب (AC)، والتي سمحت بنقل الطاقة بكفاءة أكبر لمسافات أطول.

في عشرينيات وثلاثينيات القرن العشرين، بدأت العديد من البلدان في جميع أنحاء العالم في كهربة السكك الحديدية الخاصة بها. في أوروبا، كانت سويسرا والسويد وفرنسا وإيطاليا من بين الدول الأولى التي تبنت كهربة السكك الحديدية. في الولايات المتحدة ، كانت سكة حديد نيويورك ونيوهافن وهارتفورد واحدة من أولى السكك الحديدية الرئيسية التي تم كهربتها .

استمر التوسع في كهربة السكك الحديدية طوال القرن العشرين، مع التحسينات التكنولوجية وتطوير القطارات عالية السرعة والركاب . واليوم، تمتلك العديد من البلدان شبكات سكك حديدية كهربائية واسعة النطاق مع375000  كيلومتر من الخطوط القياسية في العالم، بما في ذلك الصين والهند واليابان وفرنسا وألمانيا والمملكة المتحدة . يُنظر إلى الكهربة على أنها بديل أكثر استدامة وصديقًا للبيئة من الديزل أو الطاقة البخارية وهي جزء مهم من البنية التحتية للنقل في العديد من البلدان .

تصنيف

أنظمة الكهربة في أوروبا:
  غير مكهرب
  750  فولت تيار مستمر
  1.5  كيلو فولت تيار مستمر
  3  كيلو فولت تيار مستمر
  15 كيلو فولت تيار متردد
  25 كيلو فولت تيار متردد
وتعمل خطوط السرعة العالية في فرنسا وإسبانيا وإيطاليا والمملكة المتحدة وهولندا وبلجيكا وتركيا بجهد أقل من 25  كيلو فولت، كما تفعل خطوط الطاقة العالية في الاتحاد السوفييتي السابق أيضاً.

يتم تصنيف أنظمة الكهربة حسب ثلاثة معايير رئيسية:

يعتمد اختيار نظام الكهربة على اقتصاديات إمداد الطاقة والصيانة وتكلفة رأس المال مقارنة بالإيرادات التي يتم الحصول عليها من نقل البضائع والركاب. تُستخدم أنظمة مختلفة للمناطق الحضرية والمناطق بين المدن؛ يمكن لبعض القاطرات الكهربائية التبديل إلى فولتات إمداد مختلفة للسماح بالمرونة في التشغيل.

الفولتية القياسية

تم اختيار ستة من الفولتات الأكثر استخدامًا للمعايرة الأوروبية والدولية. بعضها مستقل عن نظام الاتصال المستخدم، بحيث يمكن استخدام 750  فولت تيار مستمر مع خطوط السكك الحديدية الثالثة أو الخطوط الهوائية. 

هناك العديد من أنظمة الجهد الأخرى المستخدمة في أنظمة كهربة السكك الحديدية في جميع أنحاء العالم، وتغطي قائمة أنظمة كهربة السكك الحديدية كل من أنظمة الجهد القياسي وأنظمة الجهد غير القياسي.

النطاق المسموح به من الفولتات المسموح بها للفولتات القياسية هو كما هو مذكور في المعايير BS  EN  50163 [13] و IEC  60850. [14] وتأخذ هذه في الاعتبار عدد القطارات التي تستهلك التيار ومسافتها من المحطة الفرعية.

نظام الكهربة الجهد االكهربى
الحد الأدنى
المؤقت 		الحد الأدنى
الدائم 		الاسمي الحد الأقصى
الدائم 		الحد الأقصى
المؤقت
600  فولت تيار مستمر 400  فولت 400  فولت 600  فولت 720  فولت 800  فولت
750  فولت تيار مستمر 500  فولت 500  فولت 750  فولت 900  فولت 1000  فولت
1500  فولت تيار مستمر 1000  فولت 1000  فولت 1500  فولت 1800  فولت 1,950  فولت
3  كيلو فولت تيار مستمر 2  كيلو فولت 2  كيلو فولت 3  كيلو فولت 3.6  كيلو فولت 3.9  كيلو فولت
15  كيلو فولت تيار متردد، 16.7  هرتز 11  كيلو فولت 12  كيلو فولت 15  كيلو فولت 17.25  كيلو فولت 18  كيلو فولت
25  كيلو فولت تيار متردد، 50  هرتز (EN 50163)
و60  هرتز (IEC 60850) 		17.5  كيلو فولت 19  كيلو فولت 25  كيلو فولت 27.5  كيلو فولت 29  كيلو فولت

التيار المباشر

الخطوط العلوية

يتم كهربة LGV Sud-Est في فرنسا باستخدام خطوط هوائية 25 كيلو فولت و50 هرتز .
يستخدم ترامواي أنجيه في أنجيه، فرنسا، خطوط هوائية بقوة 750  فولت  تيار مستمر ، كما هو الحال مع العديد من أنظمة الترام الحديثة الأخرى.

يتم استخدام 1500  فولت تيار مستمر في اليابان وإندونيسيا وهونج كونج (أجزاء) وأيرلندا وأستراليا (أجزاء) وفرنسا (تستخدم أيضًا25 كيلو فولت 50 هرتز تيار متردد )، هولندا، نيوزيلندا (ويلينجتون)، سنغافورة (علىخط مترو الأنفاق الشمالي الشرقي)، الولايات المتحدة (منطقةشيكاغومنطقةميترا إليكتريكساوث شور لاين بين المدنوخطلينك للسكك الحديدية الخفيفةفيسياتل، واشنطن). في سلوفاكيا، يوجد خطان ضيقان في جبال تاترا العالية (أحدهماسكة حديدية مسننة). في هولندا، يتم استخدامه في النظام الرئيسي، إلى جانب 25 كيلو فولت علىHSL-ZuidوBetuwelijn، و3000 فولت جنوبماستريخت. في البرتغال، يتم استخدامه فيخط كاسكايسوفي الدنمارك علىقطار الضواحي S(1650 فولت تيار مستمر).

في المملكة المتحدة، تم استخدام 1500  فولت  تيار مستمر في عام 1954 لمسار Woodhead عبر Pennine (مغلق الآن)؛ استخدم النظام الكبح المتجدد ، مما يسمح بنقل الطاقة بين القطارات الصاعدة والهابطة على الطرق شديدة الانحدار المؤدية إلى النفق. كما تم استخدام النظام للكهرباء في الضواحي في شرق لندن ومانشستر ، والتي تم تحويلها الآن إلى 25  كيلو فولت  تيار متردد. يتم استخدامه الآن فقط لمترو تاين ووير . في الهند،  كان 1500 فولت تيار مستمر هو أول نظام كهربة تم إطلاقه في عام 1925 في منطقة مومباي. بين عامي 2012 و 2016، تم تحويل الكهربة إلى 25  كيلو فولت 50  هرتز، وهو النظام المطبق على مستوى البلاد.

يُستخدم التيار المستمر بجهد 3  كيلو فولت في بلجيكا وإيطاليا وإسبانيا وبولندا وسلوفاكيا وسلوفينيا وجنوب إفريقيا وتشيلي والجزء الشمالي من جمهورية التشيك والجمهوريات السابقة للاتحاد السوفييتي وفي هولندا على بعد بضعة كيلومترات بين ماستريخت وبلجيكا. كان يستخدم سابقًا بواسطة طريق ميلووكي من هارلوتون بولاية مونتانا إلى سياتل، عبر القسم القاري بما في ذلك خطوط فرعية وحلقية واسعة النطاق في مونتانا، ومن قبل سكة حديد ديلاوير ولاكاوانا وويسترن (الآن نيوجيرسي ترانزيت ، تم تحويلها إلى 25  كيلو فولت  تيار متردد) في الولايات المتحدة، وخط سكة حديد ضواحي كولكاتا (خط باردهامان الرئيسي) في الهند، قبل تحويله إلى 25  كيلو فولت 50  هرتز.

تستخدم معظم شبكات الترام والترولي باص ، بالإضافة إلى بعض أنظمة المترو ، جهد تيار مستمر يتراوح بين 600  فولت و750 فولت ، حيث تقبل محركات الجر هذا الجهد دون وزن المحول الموجود على متن المركبة. [ بحاجة لمصدر ] 

تيار مستمر متوسط ​​الجهد

قد يسمح التوافر المتزايد لأشباه الموصلات ذات الجهد العالي باستخدام جهد تيار مستمر أعلى وأكثر كفاءة والذي كان حتى الآن عمليًا فقط مع التيار المتردد. [15]

إن استخدام كهربة التيار المستمر ذات الجهد المتوسط ​​(MVDC) من شأنه أن يحل بعض المشكلات المرتبطة بأنظمة كهربة التيار المتردد ذات التردد القياسي، وخاصة اختلال توازن حمل شبكة الإمداد المحتمل وفصل الطور بين الأقسام المكهربة التي تعمل بالطاقة من مراحل مختلفة، في حين أن الجهد العالي من شأنه أن يجعل النقل أكثر كفاءة. [16] : 6-7  أجرت UIC دراسة حالة لتحويل خط سكة حديد بوردو-هينداي (فرنسا)، والذي يتم كهربته حاليًا عند 1.5  كيلو فولت تيار مستمر، إلى 9  كيلو فولت تيار مستمر ووجدت أن التحويل من شأنه أن يسمح باستخدام أسلاك علوية أقل ضخامة (توفير 20 مليون يورو لكل 100  كيلومتر مسار) وخفض الخسائر (توفير 2  جيجاوات ساعة سنويًا لكل 100  كيلومتر مسار؛ أي ما يعادل حوالي 150.000 يورو سنويًا). الخط المختار هو أحد الخطوط، التي يبلغ مجموعها 6000  كيلومتر، والتي تحتاج إلى تجديد. [17]

في الستينيات، أجرى السوفييت تجارب على زيادة الجهد العلوي من 3 إلى 6  كيلو فولت. تم تجهيز عربات التيار المستمر بمحولات تعتمد على الإجنيترون لخفض جهد الإمداد إلى 3  كيلو فولت. تبين أن المحولات غير موثوقة وتم تقليص التجربة. في عام 1970، أجرى معهد الأورال الكهروميكانيكي لمهندسي السكك الحديدية حسابات لكهربة السكك الحديدية عند 12 كيلو فولت تيار مستمر ، مما يدل على أنه يمكن تحقيق مستويات الخسارة المكافئة لنظام تيار متردد 25 كيلو فولت بجهد تيار مستمر بين 11 و 16  كيلو فولت. في الثمانينيات والتسعينيات، تم اختبار 12 كيلو فولت تيار مستمر على سكة حديد أكتوبر بالقرب من لينينغراد (الآن بطرسبورغ ). انتهت التجارب في عام 1995 بسبب انتهاء التمويل. [18]

السكة الثالثة

نظام كهربة السكك الحديدية الثالثة على خط مترو بوخارست ، رومانيا

تستخدم معظم أنظمة الكهربة الأسلاك العلوية، ولكن السكة الثالثة هي خيار يصل إلى 1500  فولت. تستخدم أنظمة السكة الثالثة توزيع التيار المستمر بشكل حصري تقريبًا. لا يكون استخدام التيار المتردد ممكنًا عادةً بسبب أبعاد السكة الثالثة الكبيرة جدًا من الناحية المادية مقارنة بعمق الجلد الذي يخترقه التيار المتردد إلى 0.3 مليمتر أو 0.012 بوصة في سكة فولاذية. هذا التأثير يجعل المقاومة لكل وحدة طول عالية بشكل غير مقبول مقارنة باستخدام التيار المستمر. [19] السكة الثالثة أكثر إحكاما من الأسلاك العلوية ويمكن استخدامها في الأنفاق ذات القطر الأصغر، وهو عامل مهم لأنظمة مترو الأنفاق. [ بحاجة لمصدر ]

السكة الرابعة

يستخدم مترو لندن السكك الثالثة والرابعة بجانب القضبان الجارية وبينها من أجل الكهرباء.

إن مترو لندن في إنجلترا هو أحد الشبكات القليلة التي تستخدم نظامًا بأربعة قضبان. يحمل السكة الإضافية العائد الكهربائي الذي توفره القضبان الجارية في شبكات السكك الحديدية الثالثة والعلوية. في مترو لندن، يوجد سكة ثالثة متصلة من الأعلى بجانب المسار، يتم تنشيطها عند 100 كم/ساعة.+420 فولت تيار مستمر ، ويوجد قضيب رابع ذو اتصال علوي في المنتصف بين قضبان التشغيل عند-210 فولت تيار مستمر ، والتي تتحد لتوفير جهد جر يبلغ630 فولت تيار مستمر . تم استخدام نفس النظاملأقدم خطوط مترو الأنفاق في ميلانو ، وهو خط مترو ميلانو رقم 1 ، والذي تستخدم خطوطه الأحدث خطًا علويًا أو سكة ثالثة.

الميزة الرئيسية لنظام السكك الحديدية الرباعية هي أن أيًا من القضبان المتحركة لا يحمل أي تيار. تم تقديم هذا المخطط بسبب مشاكل التيارات العائدة، المقصود أن تحملها السكك المتحركة المؤرضة (المؤرضة) ، والتي تتدفق عبر بطانات النفق الحديدية بدلاً من ذلك. يمكن أن يتسبب هذا في تلف كهربائي وحتى قوس كهربائي إذا لم يتم ربط أجزاء النفق معًا كهربائيًا. تفاقمت المشكلة لأن التيار العائد كان لديه أيضًا ميل للتدفق عبر الأنابيب الحديدية القريبة التي تشكل أنابيب المياه والغاز الرئيسية. لم يتم بناء بعض هذه الأنابيب، وخاصة الأنابيب الرئيسية الفيكتورية التي سبقت السكك الحديدية تحت الأرض في لندن، لنقل التيارات ولم يكن بها ربط كهربائي مناسب بين أجزاء الأنابيب. يحل نظام السكك الحديدية الرباعية المشكلة. على الرغم من أن الإمداد يحتوي على نقطة أرضية تم إنشاؤها بشكل مصطنع، إلا أن هذا الاتصال يتم الحصول عليه باستخدام المقاومات التي تضمن الحفاظ على التيارات الأرضية الضالة عند مستويات يمكن التحكم فيها. يمكن تركيب قضبان الطاقة فقط على كراسي سيراميك معزولة بقوة لتقليل تسرب التيار، ولكن هذا غير ممكن بالنسبة لقضبان التشغيل، والتي يجب أن تجلس على كراسي معدنية أقوى لتحمل وزن القطارات. ومع ذلك، يمكن الآن وضع وسادات مطاطية مرنة بين القضبان والكراسي لحل جزء من المشكلة عن طريق عزل قضبان التشغيل عن عودة التيار في حالة حدوث تسرب عبر قضبان التشغيل.

يستخدم خط Expo وMillennium من Vancouver SkyTrain أنظمة السكك الحديدية الرابعة ذات الاتصال الجانبي لـمصدر طاقة تيار مستمر 650 فولت . يقع كلاهما على جانب القطار، حيث تشغل لوحة من الألومنيوم المساحة بين قضبان التشغيل، كجزء من الجزء الثابت لنظام الدفع بالحث الخطي المستخدم في نظام Innovia ART . على الرغم من كونه جزءًا من شبكة SkyTrain، فإن خط Canada Line لا يستخدم هذا النظام ويستخدم بدلاً من ذلك محركات أكثر تقليدية متصلة بالعجلات والكهرباء ذات القضبان الثالثة.

أنظمة الإطارات المطاطية

عربة من مركبة MP 89 من مترو باريس . يقع حذاء التلامس الجانبي بين الإطارات المطاطية.

تعمل بعض خطوط مترو باريس في فرنسا بنظام طاقة بأربعة قضبان. تتحرك القطارات على إطارات مطاطية تدور على زوج من مسارات اللف الضيقة المصنوعة من الفولاذ، وفي بعض الأماكن من الخرسانة . نظرًا لأن الإطارات لا توصل التيار العائد، فإن قضبان التوجيه المتوفرة خارج " مسارات اللف " الجارية تصبح، بمعنى ما، قضيبًا ثالثًا ورابعًا يوفر كل منهما 750 فولت تيار مستمر ، لذا فهو نظام بأربعة قضبان على الأقل كهربائيًا. تحمل كل مجموعة عجلات من عربة تعمل بالطاقة محرك جر واحد . يلتقط حذاء التلامس المنزلق الجانبي (الجري الجانبي) التيار من السطح الرأسي لكل قضيب توجيه. يتم تنفيذ عودة كل محرك جر، وكذلك كل عربة ، بواسطة حذاء تلامس واحد ينزلق فوق كل من قضبان الجري . هذا وجميع قطارات المترو الأخرى ذات الإطارات المطاطية التي يبلغ عرضها 1435 مم ( 4 أقدام و  8 بوصات)+1 ⁄ 2 بوصة ) مسار قياسي بين مساراتاللفتعملبنفس الطريقة.[20][21]

التيار المتناوب

تستخدم السكك الحديدية والمرافق الكهربائية التيار المتردد بدلاً من التيار المستمر لنفس السبب: [22] لاستخدام المحولات ، التي تتطلب التيار المتردد، لإنتاج جهد أعلى. [23] كلما زاد الجهد، انخفض التيار لنفس القدرة (لأن القدرة هي التيار مضروبًا في الجهد)، ويتناسب فقدان الطاقة مع مربع التيار. يقلل التيار المنخفض من فقدان الخط، مما يسمح بتوصيل طاقة أعلى. [24]

نظرًا لاستخدام التيار المتناوب مع الفولتية العالية، يعمل المحول داخل القاطرة على خفض الفولتية لاستخدامها بواسطة محركات الجر والأحمال المساعدة.

من المزايا المبكرة للتيار المتردد أنه لم تكن هناك حاجة إلى المقاومات المهدرة للطاقة المستخدمة في قاطرات التيار المستمر للتحكم في السرعة في قاطرة التيار المتردد: يمكن لصنابير متعددة على المحول توفير مجموعة من الفولتات. [25] توفر لفائف المحولات ذات الجهد المنخفض المنفصلة الإضاءة والمحركات التي تدير الآلات المساعدة. في الآونة الأخيرة، تسبب تطوير أشباه الموصلات عالية الطاقة للغاية في استبدال محرك التيار المستمر الكلاسيكي إلى حد كبير بمحرك الحث ثلاثي الطور الذي يغذيه محرك تردد متغير ، وهو عاكس خاص يغير كل من التردد والجهد للتحكم في سرعة المحرك. يمكن أن تعمل هذه المحركات بشكل جيد على التيار المستمر أو التيار المتردد بأي تردد، وقد تم تصميم العديد من القاطرات الكهربائية الحديثة للتعامل مع جهد وترددات إمداد مختلفة لتبسيط التشغيل عبر الحدود.

التيار المتناوب منخفض التردد

قطار ÖBB يستخدم خطوط هوائية بتيار متردد 15  كيلو فولت و16.7 هرتز في النمسا 

لقد قامت خمس دول أوروبية - ألمانيا والنمسا وسويسرا والنرويج والسويد - بتوحيد معايير 15  كيلو فولت 16+2 ⁄ 3  هرتز ( تردد التيار الرئيسي 50 هرتز مقسمًا على ثلاثة) تيار متردد أحادي الطور. في 16 أكتوبر 1995، غيرت ألمانيا والنمسا وسويسرا من 16+2 ⁄ 3  هرتز إلى 16.7 هرتز، وهو ما لم يعد يمثل ثلث تردد الشبكة بالضبط. وقد أدى هذا إلى حل مشاكل ارتفاع درجة الحرارة مع المحولات الدوارة المستخدمة لتوليد بعض هذه الطاقة من مصدر الشبكة. [26]

في الولايات المتحدة ، اعتمدت سكة حديد نيويورك ونيوهافن وهارتفورد وبنسلفانيا وسكة حديد فيلادلفيا وريدينج تيارًا مترددًا أحادي الطور بقوة 11 كيلو فولت و 25 هرتز . لا تزال أجزاء من الشبكة الكهربائية الأصلية تعمل بتردد 25  هرتز ، مع زيادة الجهد إلى 12 كيلو فولت، بينما تم تحويل أجزاء أخرى إلى 12.5 أو 25 كيلو فولت و60 هرتز.      

في المملكة المتحدة، كانت شركة سكة حديد لندن وبرايتون وساحل الجنوب رائدة في كهربة خطوط الضواحي في لندن، حيث تم فتح جسر لندن إلى فيكتوريا أمام حركة المرور في 1  ديسمبر 1909. وتم افتتاح خط فيكتوريا إلى كريستال بالاس عبر بالهام وويست نوروود في مايو 1911. وتم افتتاح خط بيكهام راي إلى ويست نوروود في يونيو 1912. ولم يتم إجراء المزيد من التمديدات بسبب الحرب العالمية الأولى. وتم افتتاح خطين في عام 1925 تحت سكة حديد الجنوب يخدمان محطة سكة حديد كولسدون نورث وسوتون . وتم كهربة الخطوط عند 6.7 كيلو فولت 25 هرتز. وتم الإعلان في عام 1926 عن تحويل جميع الخطوط إلى سكة حديدية ثالثة بتيار مستمر وتم تشغيل آخر خدمة كهربائية تعمل بالطاقة العلوية في سبتمبر 1929.   

التيار المتناوب بتردد قياسي

مخطط مصدر الطاقة 2×25 كيلو فولت:
1. محول التغذية (مخرج مركزي)
2. مصدر الطاقة
3. خط علوي
4. سكة التشغيل
5. خط التغذية
6. البانتوغراف
7. محول قاطرة
8. خط علوي
9. محول ذاتي
10. سكة التشغيل

تُستخدم طاقة التيار المتردد بتردد 60  هرتز في أمريكا الشمالية (باستثناء  شبكة 25 هرتز المذكورة أعلاه)، وغرب اليابان، وكوريا الجنوبية، وتايوان؛ وبتردد 50  هرتز في عدد من الدول الأوروبية، والهند، والمملكة العربية السعودية، وشرق اليابان، والدول التي كانت جزءًا من الاتحاد السوفييتي، وعلى خطوط عالية السرعة في معظم أنحاء أوروبا الغربية (بما في ذلك الدول التي لا تزال تدير السكك الحديدية التقليدية تحت التيار المستمر ولكن ليس في الدول التي تستخدم 16.7  هرتز، انظر أعلاه). تعمل معظم الأنظمة مثل هذا بجهد 25  كيلو فولت، على الرغم من وجود أقسام 12.5  كيلو فولت في الولايات المتحدة،  ويُستخدم 20 كيلو فولت في بعض الخطوط الضيقة في اليابان. في "النظام الفرنسي" لخطوط السكك الحديدية عالية السرعة، يحمل كل من الخط العلوي وخط التغذية "النائم" 25  كيلو فولت فيما يتعلق بالقضبان، ولكن في طور متعاكس بحيث يكونان على بعد 50  كيلو فولت من بعضهما البعض؛ تعادل المحولات الذاتية التوتر على فترات منتظمة. [ بحاجة لمصدر ]

التيار المتناوب ثلاثي الطور

يستخدم خط سكة حديد يونغفراو ، وهو الأعلى في أوروبا، الطاقة الكهربائية ثلاثية الطور بين خطين علويين والسكك الحديدية.

استخدمت أنظمة كهربة السكك الحديدية المختلفة في أواخر القرن التاسع عشر والقرن العشرين نظام توصيل الطاقة الكهربائية ثلاثي الطور بدلاً من نظام توصيل الطاقة أحادي الطور بسبب سهولة تصميم كل من مصدر الطاقة والقاطرات. يمكن لهذه الأنظمة استخدام تردد الشبكة القياسي وثلاثة كابلات طاقة، أو تردد مخفض، مما يسمح لخط الطور العائد أن يكون سكة حديدية ثالثة، بدلاً من سلك علوي إضافي. [ بحاجة لمصدر ]

المقارنات

التيار المتردد مقابل التيار المستمر للخطوط الرئيسية

تعتمد أغلب أنظمة الكهربة الحديثة على طاقة التيار المتردد من شبكة الكهرباء التي يتم توصيلها إلى قاطرة، ثم يتم تحويلها وتقويمها داخل القاطرة إلى جهد تيار مستمر أقل استعدادًا لاستخدامها بواسطة محركات الجر. قد تكون هذه المحركات إما محركات تيار مستمر تستخدم التيار المستمر مباشرة أو قد تكون محركات تيار متردد ثلاثية الطور تتطلب المزيد من تحويل التيار المستمر إلى تيار متردد ثلاثي الطور بتردد متغير (باستخدام إلكترونيات الطاقة). وبالتالي يواجه كلا النظامين نفس المهمة: تحويل ونقل التيار المتردد عالي الجهد من شبكة الطاقة إلى تيار مستمر منخفض الجهد في القاطرة. يكمن الاختلاف بين أنظمة الكهربة بالتيار المتردد والتيار المستمر في المكان الذي يتم فيه تحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر: في محطة فرعية أو في القطار. تحدد كفاءة الطاقة وتكاليف البنية التحتية أيًا منهما يتم استخدامه على الشبكة، على الرغم من أن هذا غالبًا ما يتم إصلاحه بسبب أنظمة الكهربة الموجودة مسبقًا.

تتضمن كل من عملية نقل وتحويل الطاقة الكهربائية خسائر: خسائر أومية في الأسلاك وإلكترونيات الطاقة، وخسائر المجال المغناطيسي في المحولات ومفاعلات التنعيم (المحاثات). [27] يحدث تحويل الطاقة لنظام التيار المستمر بشكل أساسي في محطة فرعية للسكك الحديدية حيث يمكن استخدام أجهزة كبيرة وثقيلة وأكثر كفاءة مقارنة بنظام التيار المتردد حيث يحدث التحويل على متن القاطرة حيث تكون المساحة محدودة والخسائر أعلى بكثير. [28] ومع ذلك، فإن الفولتية الأعلى المستخدمة في العديد من أنظمة كهربة التيار المتردد تقلل من خسائر النقل على مسافات أطول، مما يسمح باستخدام عدد أقل من المحطات الفرعية أو قاطرات أكثر قوة. أيضًا، يجب مراعاة الطاقة المستخدمة في نفخ الهواء لتبريد المحولات وإلكترونيات الطاقة (بما في ذلك المقومات) وأجهزة التحويل الأخرى.

تستخدم أنظمة كهربة التيار المتردد القياسية فولتية أعلى بكثير من أنظمة التيار المستمر القياسية. إحدى مزايا رفع الجهد هي أنه لنقل مستوى معين من الطاقة، يلزم تيار أقل ( P = V × I ). يقلل خفض التيار من الخسائر الأومية ويسمح بمعدات خطوط علوية أقل حجمًا وأخف وزنًا ومسافة أكبر بين محطات الجر، مع الحفاظ على سعة الطاقة للنظام. من ناحية أخرى، يتطلب الجهد العالي فجوات عزل أكبر، مما يتطلب أن تكون بعض عناصر البنية التحتية أكبر. قد يؤدي نظام التيار المتردد ذو التردد القياسي إلى اختلال التوازن في شبكة الإمداد، مما يتطلب تخطيطًا وتصميمًا دقيقين (حيث يتم سحب الطاقة في كل محطة فرعية من مرحلتين من ثلاث مراحل). قد يتم تشغيل نظام التيار المتردد منخفض التردد بواسطة شبكة توليد وتوزيع منفصلة أو شبكة من محطات المحولات الفرعية، مما يضيف التكلفة، كما أن المحولات منخفضة التردد المستخدمة في كل من المحطات الفرعية وعلى المركبات المتحركة، ضخمة وثقيلة بشكل خاص. يمكن أن يكون نظام التيار المستمر، بالإضافة إلى كونه محدودًا فيما يتعلق بالحد الأقصى للطاقة التي يمكن نقلها، مسؤولاً أيضًا عن التآكل الكهروكيميائي بسبب التيارات المستمرة الضالة. [16] : 3 

الكهرباء مقابل الديزل

محطة كهرباء لوتس رود في ملصق من عام 1910. هذه المحطة الخاصة للطاقة، التي يستخدمها مترو أنفاق لندن ، توفر لقطارات لندن والترام مصدر طاقة مستقل عن شبكة الطاقة الرئيسية.

كفاءة الطاقة

لا تحتاج القطارات الكهربائية إلى حمل وزن المحركات الرئيسية وناقل الحركة والوقود. ويتم تعويض هذا جزئيًا عن طريق وزن المعدات الكهربائية. تعمل الفرامل المتجددة على إعادة الطاقة إلى نظام الكهربة بحيث يمكن استخدامها في مكان آخر، بواسطة قطارات أخرى على نفس النظام أو إعادتها إلى شبكة الطاقة العامة. وهذا مفيد بشكل خاص في المناطق الجبلية حيث يجب أن تنزل القطارات المحملة بكثافة على منحدرات طويلة. [29]

غالبًا ما يمكن توليد الكهرباء من المحطة المركزية بكفاءة أعلى من المحرك/المولد المتحرك. في حين أن كفاءة توليد محطة الطاقة وتوليد قاطرة الديزل متماثلة تقريبًا في النظام الاسمي، [30] تنخفض كفاءة محركات الديزل في الأنظمة غير الاسمية عند انخفاض الطاقة [31] بينما إذا احتاجت محطة الطاقة الكهربائية إلى توليد طاقة أقل، فإنها ستغلق مولداتها الأقل كفاءة، وبالتالي زيادة الكفاءة. يمكن للقطار الكهربائي توفير الطاقة (مقارنة بالديزل) عن طريق الكبح المتجدد وعدم الحاجة إلى استهلاك الطاقة عن طريق الخمول كما تفعل قاطرات الديزل عند التوقف أو الانزلاق. ومع ذلك، قد تقوم المركبات الكهربائية بتشغيل منفاخات التبريد عند التوقف أو الانزلاق، وبالتالي استهلاك الطاقة.

تعمل محطات الطاقة الكبيرة التي تعمل بالوقود الأحفوري بكفاءة عالية، ويمكن استخدامها للتدفئة المركزية أو لإنتاج التبريد المركزي ، مما يؤدي إلى كفاءة إجمالية أعلى. [32] [33] يمكن أن تأتي الكهرباء لأنظمة السكك الحديدية الكهربائية أيضًا من الطاقة المتجددة ، أو الطاقة النووية ، أو غيرها من المصادر منخفضة الكربون، والتي لا تنبعث منها الملوثات أو الانبعاثات.

انتاج الطاقة

يمكن بسهولة بناء قاطرات كهربائية بقدرة إنتاجية أكبر من معظم قاطرات الديزل. لتشغيل الركاب، من الممكن توفير طاقة كافية بمحركات الديزل (انظر على سبيل المثال " ICE TD ") ولكن عند السرعات العالية، يثبت أن هذا مكلف وغير عملي. لذلك، فإن جميع القطارات عالية السرعة تقريبًا كهربائية. تمنح القوة العالية للقاطرات الكهربائية أيضًا القدرة على سحب البضائع بسرعة أعلى على المنحدرات؛ في ظروف المرور المختلطة، يزيد هذا من السعة عندما يمكن تقليل الوقت بين القطارات. يمكن أن تكون القوة العالية للقاطرات الكهربائية والكهرباء أيضًا بديلاً أرخص للسكك الحديدية الجديدة والأقل انحدارًا إذا كان من المقرر زيادة أوزان القطارات على النظام.

من ناحية أخرى، قد لا تكون الكهرباء مناسبة للخطوط ذات التردد المنخفض لحركة المرور، لأن تكلفة تشغيل القطارات المنخفضة قد تفوقها التكلفة العالية للبنية الأساسية للكهرباء. لذلك، فإن معظم الخطوط الطويلة المدى في البلدان النامية أو ذات الكثافة السكانية المنخفضة ليست كهربائية بسبب التردد المنخفض نسبيًا للقطارات.

تأثير الشبكة

تعد تأثيرات الشبكة عاملاً كبيرًا في الكهربة. [ بحاجة لمصدر ] عند تحويل الخطوط إلى كهربائية، يجب مراعاة التوصيلات مع الخطوط الأخرى. تمت إزالة بعض عمليات الكهربة لاحقًا بسبب حركة المرور عبر الخطوط غير المكهربة. [ بحاجة لمصدر ] إذا كان لحركة المرور عبر أي فائدة، فيجب أن تحدث تبديلات محرك تستغرق وقتًا طويلاً لإجراء مثل هذه التوصيلات أو يجب استخدام محركات ثنائية الوضع باهظة الثمن. هذه مشكلة في الغالب للرحلات الطويلة، ولكن العديد من الخطوط تهيمن عليها حركة المرور عبر القطارات الطويلة المدى (عادةً ما تعمل بالفحم أو الخام أو الحاويات من أو إلى الموانئ). من الناحية النظرية، يمكن أن تتمتع هذه القطارات بتوفير كبير من خلال الكهربة، ولكن قد يكون من المكلف للغاية تمديد الكهربة إلى مناطق معزولة، وما لم يتم كهربة الشبكة بأكملها، غالبًا ما تجد الشركات أنها بحاجة إلى الاستمرار في استخدام قطارات الديزل حتى لو تم كهربة الأقسام. إن الطلب المتزايد على حركة الحاويات، والتي تكون أكثر كفاءة عند استخدام السيارة ذات المكدس المزدوج ، يواجه أيضًا مشكلات تتعلق بالتأثير على الشبكة مع الكهربة الحالية بسبب عدم كفاية الخلوص لخطوط الكهرباء العلوية لهذه القطارات، ولكن يمكن بناء الكهربة أو تعديلها للحصول على خلوص كافٍ، بتكلفة إضافية.

إن مشكلة الثغرات في الكهربة من المشاكل التي ترتبط بشكل خاص بالخطوط الكهربائية. فالمركبات الكهربائية، وخاصة القاطرات، تفقد طاقتها عند عبورها الثغرات في الإمداد، مثل ثغرات تغيير الطور في الأنظمة العلوية، والثغرات فوق النقاط في أنظمة السكك الحديدية الثالثة. وتصبح هذه الثغرات مصدر إزعاج إذا توقفت القاطرة مع وجود مجمعها في فجوة ميتة، وفي هذه الحالة لا توجد طاقة لإعادة تشغيلها. وهذه المشكلة أقل خطورة في القطارات التي تتكون من وحدتين أو أكثر من الوحدات المتعددة المقترنة ببعضها البعض، لأنه في هذه الحالة إذا توقف القطار مع وجود مجمع واحد في فجوة ميتة، يمكن لوحدة متعددة أخرى دفع أو سحب الوحدة المنفصلة حتى تتمكن من سحب الطاقة مرة أخرى. وينطبق الشيء نفسه على نوع القطارات ذات الدفع والسحب التي تحتوي على قاطرة في كل طرف. ويمكن التغلب على فجوات الطاقة في القطارات ذات المجمع الفردي عن طريق البطاريات الموجودة على متنها أو أنظمة المحرك والعجلات المولدة. [ بحاجة لمصدر ] في عام 2014، تم تحقيق تقدم في استخدام المكثفات الكبيرة لتشغيل المركبات الكهربائية بين المحطات، وبالتالي تجنب الحاجة إلى الأسلاك العلوية بين تلك المحطات. [34]

تكاليف الصيانة

قد تزيد تكاليف صيانة الخطوط بسبب الكهربة، لكن العديد من الأنظمة تدعي انخفاض التكاليف بسبب انخفاض التآكل والتلف على المسار من المركبات الخفيفة. [35] هناك بعض تكاليف الصيانة الإضافية المرتبطة بالمعدات الكهربائية حول المسار، مثل محطات الطاقة الفرعية والأسلاك الكهربائية نفسها، ولكن إذا كان هناك حركة مرور كافية، فإن المسار المخفض وخاصة تكاليف صيانة المحرك المنخفضة وتشغيله تتجاوز تكاليف هذه الصيانة بشكل كبير.

تأثير الشرر

غالبًا ما تظهر الخطوط المكهربة حديثًا "تأثير الشرر"، حيث تؤدي الكهرباء في أنظمة السكك الحديدية للركاب إلى قفزات كبيرة في الرعاية / الإيرادات. [36] قد تشمل الأسباب اعتبار القطارات الكهربائية أكثر حداثة وجاذبية للركوب، [37] [38] خدمة أسرع وأكثر هدوءًا وسلاسة، [36] وحقيقة أن الكهرباء غالبًا ما تسير جنبًا إلى جنب مع إصلاح / استبدال البنية التحتية العامة والعربات المتحركة، مما يؤدي إلى جودة خدمة أفضل (بطريقة يمكن تحقيقها نظريًا أيضًا من خلال إجراء ترقيات مماثلة ولكن بدون كهربة). أيا كانت أسباب تأثير الشرر، فقد ثبت جيدًا للعديد من الطرق التي تم كهربتها على مدى عقود. [36] [37] ينطبق هذا أيضًا عندما يتم استبدال خطوط الحافلات ذات الحافلات التي تعمل بالديزل بحافلات الترولي. تجعل الأسلاك العلوية الخدمة "مرئية" حتى في حالة عدم تشغيل أي حافلة ووجود البنية التحتية يعطي بعض التوقعات طويلة الأجل لكون الخط قيد التشغيل.

النقل بالسكك الحديدية ذات المكدس المزدوج

وبسبب قيود الارتفاع المفروضة بواسطة الأسلاك العلوية، كان من الصعب تقليديًا تشغيل قطارات الحاويات ذات التراص المزدوج تحت خطوط كهربائية. ومع ذلك، يتم التغلب على هذا القيد من قبل السكك الحديدية في الهند والصين والدول الأفريقية من خلال وضع مسارات جديدة بارتفاع متزايد.

توجد مثل هذه التركيبات في الممر الغربي المخصص للشحن في الهند حيث يبلغ ارتفاع السلك 7.45 مترًا (24.4 قدمًا) لاستيعاب قطارات الحاويات ذات المكدس المزدوج دون الحاجة إلى عربات نقل كبيرة .

المزايا

هناك عدد من المزايا بما في ذلك حقيقة عدم تعرض الركاب لعوادم القاطرة وانخفاض تكلفة بناء وتشغيل وصيانة القاطرات والوحدات المتعددة . تتمتع القطارات الكهربائية بنسبة أعلى من القوة إلى الوزن (لا توجد خزانات وقود على متنها)، مما يؤدي إلى عدد أقل من القاطرات، وتسارع أسرع، وحد أعلى عملي للقوة، وحد أعلى للسرعة، وتلوث ضوضائي أقل (عملية أكثر هدوءًا). يعمل التسارع الأسرع على إزالة الخطوط بشكل أسرع لتشغيل المزيد من القطارات على المسار في استخدامات السكك الحديدية الحضرية. [39]

  • انخفاض فقدان الطاقة على ارتفاعات أعلى ( لفقدان الطاقة، انظر محرك الديزل )
  • استقلال تكاليف التشغيل عن أسعار الوقود المتقلبة
  • خدمة محطات الأنفاق حيث لا يمكن تشغيل القطارات التي تعمل بالديزل لأسباب تتعلق بالسلامة
  • انخفاض التلوث البيئي، وخاصة في المناطق الحضرية ذات الكثافة السكانية العالية، حتى لو تم إنتاج الكهرباء باستخدام الوقود الأحفوري
  • يستوعب بسهولة استعادة الطاقة الحركية للفرامل باستخدام المكثفات الفائقة
  • ركوب أكثر راحة على وحدات متعددة حيث لا تحتوي القطارات على محركات ديزل تحت الأرضية
  • كفاءة طاقة أعلى إلى حد ما [40] جزئيًا بسبب الكبح المتجدد وفقدان طاقة أقل عند "الخمول"
  • مصدر طاقة أولي أكثر مرونة: يمكن استخدام الفحم أو الغاز الطبيعي أو الطاقة النووية أو الطاقة المتجددة (طاقة المياه والطاقة الشمسية وطاقة الرياح) كمصدر طاقة أولي بدلاً من وقود الديزل
  • إذا تم كهربة الشبكة بالكامل، فيمكن إيقاف تشغيل البنية الأساسية للديزل مثل محطات الوقود وساحات الصيانة وحتى أسطول قاطرات الديزل أو استخدامها في استخدامات أخرى - وهذا غالبًا ما يكون بمثابة حجة تجارية لصالح كهربة الخطوط القليلة الأخيرة في الشبكة حيث تكون التكاليف مرتفعة للغاية بخلاف ذلك. كما أن وجود نوع واحد فقط من القوة الدافعة يسمح أيضًا بتجانس أكبر للأسطول مما قد يقلل التكاليف أيضًا.

العيوب

جسر الحدود الملكي في إنجلترا ، وهو نصب تذكاري محمي . قد تكون إضافة خطوط كهربائية إلى الهياكل القديمة مكلفة للغاية لمشاريع الكهربة.
لا تسمح العديد من أنظمة الكهربة التي تستخدم خطوطًا علوية بمساحة كافية لسيارة ذات كومة مزدوجة . قد يبلغ طول كل حاوية 9 أقدام و6 بوصات+يبلغ ارتفاع البئر 1 ⁄ 2 بوصة  (2.908 مترًا) ويبلغ ارتفاع قاع البئر 1 قدم 2 بوصة (0.36 مترًا) فوق السكة الحديدية ، مما يجعل الارتفاع الإجمالي 20 قدمًا و 3 بوصات (6.17 مترًا) بما في ذلك عربة البئر. [41]
  • تكاليف الكهربة: تتطلب الكهربة بناء بنية تحتية جديدة بالكامل حول المسارات الحالية بتكلفة كبيرة. وتكون التكاليف مرتفعة بشكل خاص عندما يتعين تعديل الأنفاق والجسور والعوائق الأخرى من أجل إخلائها . وهناك جانب آخر يمكن أن يرفع تكلفة الكهربة وهو التعديلات أو الترقيات التي تطرأ على إشارات السكك الحديدية اللازمة لخصائص المرور الجديدة، وحماية دوائر الإشارات ودوائر المسارات من التداخل مع تيار الجر. وعادة ما تتطلب الكهربة إغلاق الخطوط أثناء تركيب معدات جديدة.
  • المظهر: يمكن أن يكون لهياكل الخطوط العلوية والكابلات تأثير كبير على المناظر الطبيعية مقارنة بخط كهربائي غير مكهرب أو خط كهربائي ثالث يحتوي فقط على معدات إشارات عرضية فوق مستوى سطح الأرض.
  • الهشاشة والضعف: يمكن أن تعاني أنظمة الكهربة العلوية من تعطل شديد بسبب الأعطال الميكانيكية البسيطة أو تأثيرات الرياح العاتية التي تتسبب في تشابك جهاز قياس التيار الكهربائي للقطار المتحرك مع السلسلة ، مما يؤدي إلى تمزيق الأسلاك من دعاماتها. غالبًا ما لا يقتصر الضرر على الإمداد لمسار واحد، بل يمتد إلى المسارات المجاورة أيضًا، مما يتسبب في إغلاق المسار بالكامل لفترة طويلة. يمكن أن تعاني أنظمة السكك الحديدية الثالثة من التعطل في الطقس البارد بسبب تشكل الجليد على سكة الموصل. [42]
  • السرقة: إن القيمة العالية للخردة النحاسية والمنشآت البعيدة غير المحمية تجعل الكابلات الهوائية هدفًا جذابًا للصوص الخردة المعدنية. [43] قد تنتهي محاولات سرقة  كابلات حية 25 كيلو فولت بوفاة اللص من الصعق الكهربائي. [44] في المملكة المتحدة، يُزعم أن سرقة الكابلات هي واحدة من أكبر مصادر التأخير والتعطيل لخدمات القطارات - على الرغم من أن هذا يرتبط عادةً بكابل الإشارة، وهو أمر يمثل مشكلة مماثلة لخطوط الديزل. [45]
  • عدم التوافق: يمكن أن تسير قطارات الديزل على أي مسار بدون كهرباء أو مع أي نوع من الكهرباء ( سكة ثالثة أو خط علوي ، تيار مستمر أو تيار متردد، وبأي جهد أو تردد). ليس الأمر كذلك بالنسبة للقطارات الكهربائية، والتي لا يمكنها أبدًا السير على خطوط غير مكهربة، والتي حتى على الخطوط المكهربة يمكنها السير فقط على نظام كهربائي واحد أو عدد قليل من الأنظمة الكهربائية المجهزة لها. حتى في الشبكات المكهربة بالكامل، من الجيد عادةً الاحتفاظ ببعض قاطرات الديزل لصيانة وإصلاح القطارات، على سبيل المثال لإصلاح الخطوط العلوية المكسورة أو المسروقة، أو لوضع مسارات جديدة. ومع ذلك، نظرًا لمشاكل التهوية، قد يتعين حظر قطارات الديزل من بعض الأنفاق ومحطات القطارات تحت الأرض مما يخفف من ميزة قطارات الديزل إلى حد ما.
  • قد تستقر الطيور على أجزاء ذات شحنات مختلفة، وقد تلمس الحيوانات أيضًا نظام الكهربة. تجتذب الحيوانات الميتة الثعالب أو غيرها من الحيوانات الزبالة، [46] مما يزيد من خطر الاصطدام بالقطارات.
  • في أغلب شبكات السكك الحديدية في العالم، لا يكون ارتفاع الخطوط الكهربائية العلوية كافياً لعربة حاويات مزدوجة التكديس أو غيرها من الأحمال الطويلة غير العادية. إن ترقية الخطوط الكهربائية إلى الارتفاعات الصحيحة (21 قدماً و8 بوصات أو 6.60 متراً) لاستيعاب قطارات حاويات مزدوجة التكديس، بالإضافة إلى تجديد الجسور فوقها، يعني عادةً الحاجة إلى أجهزة بانتوجراف خاصة تنتهك المعايير وتتطلب مركبات مصنوعة حسب الطلب [ بحاجة لمصدر ] .

كهربة السكك الحديدية في جميع أنحاء العالم

اعتبارًا من عام 2012، شكلت المسارات الكهربائية ما يقرب من ثلث إجمالي المسارات على مستوى العالم. [9]

اعتبارًا من عام 2018، كان هناك 72,110 كم (44,810 ميل) من السكك الحديدية تعمل بالكهرباء عند 25  كيلو فولت، إما 50 أو 60  هرتز؛ و68,890 كم (42,810 ميل) تعمل بالكهرباء عند 3 كيلو فولت تيار مستمر ؛ و32,940 كم (20,470 ميل) تعمل بالكهرباء عند 15  كيلو فولت 16.7 أو 16.+2 ⁄ 3  هرتز و 20440 كم (12700 ميل) مكهربة عند 1.5 كيلو فولت تيار مستمر . [16] : 2 

اعتبارًا من عام 2023، تعد شبكة السكك الحديدية السويسرية أكبر شبكة كهربائية بالكامل في العالم وواحدة من إحدى عشرة دولة أو إقليمًا فقط حققت ذلك، كما هو مدرج في قائمة الدول حسب حجم شبكة النقل بالسكك الحديدية . ثم تستمر النسبة في الانخفاض بالترتيب مع لاوس، والجبل الأسود، والهند، وبلجيكا، وجورجيا، وكوريا الجنوبية، وهولندا، واليابان، مع كون جميع الدول الأخرى أقل من 75٪ كهربائية. [47] [48] بشكل عام، تحتل الصين المرتبة الأولى، بحوالي 100000 كيلومتر (62000 ميل) من السكك الحديدية الكهربائية، تليها الهند بأكثر من 60000 كيلومتر (37000 ميل) من السكك الحديدية الكهربائية، وتستمر مع روسيا، بأكثر من 54000 كيلومتر (34000 ميل) من السكك الحديدية الكهربائية. لا يوجد لدى عدد من البلدان سكك حديدية كهربائية، وتعتمد بدلاً من ذلك على وحدات الديزل المتعددة وخدمات سحب القاطرات والعديد من أشكال النقل البديلة. يحتوي الاتحاد الأوروبي على أطول كمية من السكك الحديدية المكهربة (من حيث الطول)، مع أكثر من 114000 كيلومتر (71000 ميل) من السكك الحديدية المكهربة، ومع ذلك فإنها تشكل حوالي 55% فقط من إجمالي طول السكك الحديدية.

أعلنت العديد من البلدان عن خططها لتحويل كل أو معظم شبكات السكك الحديدية لديها إلى شبكات كهربائية، بما في ذلك السكك الحديدية الهندية والسكك الحديدية الإسرائيلية . [49]

إن السكك الحديدية عبر سيبيريا، والتي تقع بشكل رئيسي في روسيا، كهربائية بالكامل، مما يجعلها واحدة من أطول خطوط السكك الحديدية الكهربائية في العالم. [50]

انظر أيضا

مراجع

  1. ^ abc PM Kalla-Bishop, Future Railways and Guided Transport , IPC Transport Press Ltd. 1972, pp. 8-33
  2. ^ "رحلة بالقطار عبر التاريخ". SWI swissinfo.ch .
  3. ^ "أمة من عشاق السكك الحديدية: تاريخ السكك الحديدية السويسرية". دار سويسرا .
  4. ^ "السكك الحديدية الهندية تضع معيارًا جديدًا! تشغل أول قطار حاويات مزدوج الطوابق في أقسام OHE الكهربائية الشاهقة". 12 يونيو 2020.
  5. ^ "非人狂想屋 | 你的火车发源地 »HXD1B牵引双层集装箱列车" (بالصينية (الصين)) . تم الاسترجاع في 1 يوليو 2020 .
  6. ^ "التركيز على حركة الحاويات ذات التكديس المزدوج". @businessline . 14 أكتوبر 2007 . تم الاسترجاع في 1 يوليو 2020 .
  7. ^ "التأثيرات الديناميكية الهوائية الناجمة عن دخول القطارات إلى الأنفاق". ResearchGate . تم الاسترجاع في 1 يوليو 2020 .
  8. ^ باميلا (19 فبراير 2021). "من المتوقع أن ينمو كهربة السكك الحديدية في جميع أنحاء العالم". Railway PRO . تم الاسترجاع في 17 فبراير 2023 .
  9. ^ "دليل السكك الحديدية 2015" (PDF) . وكالة الطاقة الدولية. ص. 18. تم الاسترجاع في 4 أغسطس 2017 .
  10. ^ "طريق ملتوٍ نحو النجاح: أول ترام كهربائي في العالم". سيمنز العالمية . تم الاسترجاع في 2 أغسطس 2024 .
  11. ^ "فرانك ج. سبراغ". Encyclopedia.com . تم الاسترجاع في 2 أغسطس 2024 .
  12. ^ "فرانك سبراغ". Lemelson MIT . تم الاسترجاع في 2 أغسطس 2024 .
  13. ^ EN 50163: تطبيقات السكك الحديدية. جهد التغذية لأنظمة الجر (2007)
  14. ^ IEC 60850: تطبيقات السكك الحديدية – جهد الإمداد لأنظمة الجر ، الطبعة الثالثة (2007)
  15. ^ P. Leandes و S. Ostlund. "مفهوم لنظام جر HVDC" في "المؤتمر الدولي حول كهربة خطوط السكك الحديدية الرئيسية"، هيسينغتون، إنجلترا، سبتمبر 1989 (يقترح 30  كيلو فولت). Glomez-Expposito A.، Mauricio JM، Maza-Ortega JM "نظام كهربة السكك الحديدية MVDC القائم على VSC" معاملات IEEE بشأن توصيل الطاقة، المجلد 29، العدد 1، فبراير 2014. (يقترح 24  كيلو فولت).
  16. ^ abc Simiyu, Patrobers; Davidson, IE (2021). "MVDC Railway Traction Power Systems; State-of-the Art, Opportunities, and Challenges". Energies . 14 (14). MDPI: 4156. doi : 10.3390/en14144156 . ISSN  1996-1073.
  17. ^ نظام كهربة السكك الحديدية في المستقبل باستخدام التيار المستمر: الانتقال إلى 9 كيلو فولت (PDF) . ورشة عمل اتحاد السكك الحديدية الدولي حول كفاءة الطاقة. روتردام: اتحاد السكك الحديدية الدولي. 11 سبتمبر 2019.
  18. ^ أرجانيكوف، بكالوريوس. جالكين، أ.ج.؛ بوركوف، إيه تي؛ منصوروف، فيرجينيا؛ نابويتشنكو، آي.أو. (2015)، "منظور الأنظمة الكهربائية ذات الطاقة القصوى 12، 24 كيلو فولت لموسكو السحرية - Екателинбугуг" [منظور تطوير نظام كهربة 12 أو 24 كيلو فولت تيار مستمر لخط موسكو-إيكاترينبرج عالي السرعة]، نتائج جيدة Исследований (بالروسية)، 1 (14): 38-44
  19. ^ Donald G. Fink, H. Wayne Beatty Standard Handbook for Electrical Engineers 11th Edition , McGraw Hill, 1978 table 18-21. انظر أيضًا Gomez-Expposito p. 424, Fig. 3
  20. ^ “[MétroPole] De la Centrale électrique au Rail de Traction”. 10 آب/أغسطس 2004 مؤرشفة من الأصلي في 10 أغسطس 2004.
  21. ^ ديري، برنارد. "الشاحنة (عربة مقطورة) – القاموس البصري". www.infovisual.info .
  22. ^ "MIT School of Engineering | » ما هو الفرق بين التيار المتردد والتيار المستمر؟". Mit Engineering . تم الاسترجاع في 9 نوفمبر 2022 .
  23. ^ "التيار المتناوب – تعليم الطاقة". energyeducation.ca . تم الاسترجاع في 9 نوفمبر 2022 .
  24. ^ "ما هو التيار المتناوب (AC)؟ | نظرية التيار المتناوب الأساسية | كتاب إلكترونيات". www.allaboutcircuits.com . تم الاسترجاع في 9 نوفمبر 2022 .
  25. ^ "[IRFCA] تشغيل مغير صنبور القاطرة الكهربائية". www.irfca.org . تم الاسترجاع في 9 نوفمبر 2022 .
  26. ^ ليندر ، سي. (2002). Umstellung der Sollfrequenz im zentralen Bahnstromnetz von 16 2/3 هرتز إلى 16,70 هرتز [ تحويل التردد في شبكة إمداد الطاقة الكهربائية بالقطار من 16 2/3 هرتز إلى 16,70 هرتز ]. اليكتريش باهنن (في المانيا). أولدنبورغ-Industrieverlag. ISSN  0013-5437.
  27. ^ انظر فينوكوروف ص. 95+ الفصل. 4: صناعة الفخار والفعالية; "الخسائر والكفاءة؛ تسخين وتبريد الآلات الكهربائية والمحولات" الخسائر المغناطيسية الصفحات 96-97، الخسائر الأومية الصفحات 97-99
  28. ^ سيدوروف 1988 ص 103 – 104، سيدوروف 1980 ص 122 – 123
  29. ^ "إطلاق العنان للفوائد الكاملة لكهربة السكك الحديدية – السكك الحديدية المستقبلية | العدد 98 | سبتمبر 2022". rail.nridigital.com . تم الاسترجاع في 17 فبراير 2023 .
  30. ^ اتضح أن كفاءة توليد الكهرباء بواسطة قاطرة ديزل حديثة تساوي تقريبًا كفاءة محطة الطاقة التي تعمل بالوقود الأحفوري النموذجية في الولايات المتحدة. كان معدل الحرارة لمحطات الطاقة المركزية في عام 2012 حوالي 9.5 ألف وحدة حرارية بريطانية/كيلووات ساعة وفقًا لمراجعة الطاقة الشهرية لإدارة معلومات الطاقة الأمريكية والتي تتوافق مع كفاءة 36٪. تتمتع محركات الديزل للقاطرات بكفاءة تبلغ حوالي 40٪ (انظر استهلاك الوقود النوعي للفرامل ، Дробинский ص. 65 و Иванова ص. 20.). ولكن هناك تخفيضات مطلوبة في كل من الكفاءات اللازمة لإجراء مقارنة. أولاً، يجب على المرء أن يقلل من كفاءة محطات الطاقة المركزية من خلال خسائر النقل لتوصيل الكهرباء إلى القاطرة. يرجع تصحيح آخر إلى حقيقة أن كفاءة الديزل الروسي تعتمد على حرارة احتراق الوقود المنخفضة بينما تستخدم محطات الطاقة في الولايات المتحدة حرارة احتراق أعلى (انظر حرارة الاحتراق ). وهناك تصحيح آخر يتمثل في أن كفاءة الديزل المذكورة تتجاهل طاقة المروحة المستخدمة في تبريد مشعات المحرك. انظر Дробинский ص. 65 وИванова ص. 20 (التي تقدر كفاءة المولد الكهربائي الموجود على متن المركبة بنحو 96.5%). والنتيجة المترتبة على كل ما سبق هي أن كفاءة محركات الديزل الحديثة ومحطات الطاقة المركزية في توليد الكهرباء تبلغ نحو 33% (في النظام الاسمي).
  31. ^ هوميش أ. ز. توبيتسين أوي، سيمون أ. ه. "Economia topлива и теплотечническая тепловозов" (الاقتصاد في استهلاك الوقود والتحديث الديناميكي الحراري لقاطرات الديزل). موسكو: النقل، 1975. 264 ص. انظر منحنيات استهلاك الوقود المحددة للفرامل في ص. 202 والرسوم البيانية للأوقات التي قضاها في الأنظمة غير الاسمية في الصفحات 10-12
  32. ^ وانج، يوسيليا (25 مايو 2011). "جيجاوم جي إي ستشغل محطات توليد الطاقة بالغاز مثل محركات الطائرات النفاثة". Gigaom.com . تم الاسترجاع في 4 فبراير 2016 .
  33. ^ FlexEfficiency* 50 محطة توليد الطاقة ذات الدورة المركبة أرشيف 24 أغسطس 2012 على موقع Wayback Machine
  34. ^ الجريدة الرسمية للسكك الحديدية الدولية أكتوبر 2014.
  35. ^ "تقرير استراتيجية كهربة شبكة السكك الحديدية في المملكة المتحدة" محفوظ في 22 يونيو 2013 على موقع Wayback Machine الجدول 3.3، ص. 31. تم استرجاعه في 4 مايو 2010
  36. ^ abc "ابدأ ببطء مع القطارات السريعة". Miller-McCune . 2 مايو 2011. مؤرشف من الأصل في 28 يناير 2012. تم الاسترجاع في 27 فبراير 2012 .
  37. ^ "قد تكون كمبرنولد على المسار الصحيح لكهربة خطوط السكك الحديدية". أخبار كمبرنولد . 14 يناير 2009. مؤرشف من الأصل في 19 أبريل 2013. تم الاسترجاع في 27 فبراير 2012 .
  38. ^ "فكرة كهربائية". Bromsgrove Advertiser . 8 يناير 2008 . تم الاسترجاع في 27 فبراير 2012 .
  39. ^ "السكك الحديدية – تحليل". وكالة الطاقة الدولية . تم الاسترجاع في 17 فبراير 2023 .
  40. ^ وفقًا لـ "كهربة السكك الحديدية في الاتحاد السوفييتي" #كفاءة الطاقة، زُعم أنه بعد منتصف سبعينيات القرن العشرين، استخدمت القطارات الكهربائية وقودًا أقل بنحو 25% لكل طن كيلومتر مقارنة بالديزل. ومع ذلك، قد يكون جزء من هذا التوفير ناتجًا عن توقف القطارات الكهربائية بشكل أقل للسماح للقطارات المعاكسة بالمرور، حيث تعمل القطارات الديزل بشكل أساسي على خطوط ذات مسار واحد، وغالبًا ما تكون حركة المرور كثيفة إلى حد ما.
  41. ^ [1] لوحة AAR H
  42. ^ "اجتماع اللجنة – ربيع 2009" (PDF) . الجمعية الملكية للأرصاد الجوية (rmets.org). مؤرشف من الأصل (PDF) في 4 مارس 2016 . تم الاسترجاع 15 سبتمبر 2012 .
  43. ^ "Network Rail – Cable Theft". Network Rail (www.networkrail.co.uk) . تم الاسترجاع في 15 سبتمبر 2012 .
  44. ^ "الشرطة تحقق في وفاة شخص بعد سرقة كابل". ITV News . 27 يونيو 2012 . تم استرجاعه في 15 سبتمبر 2012 .
  45. ^ سارة سوندرز (28 يونيو 2012). "اكتشاف جثة مرتبط بسرقة كابلات السكك الحديدية". ITV News . تم الاسترجاع في 7 مايو 2014 .
  46. ^ نحمان ، لارس. "Tiere & Pflanzen Vögel Gefährdungen Stromtod Mehr aus dieser Rubrik Vorlesen Die tödliche Gefahr". Naturschutzbund (في المانيا). برلين، ألمانيا . تم الاسترجاع في 20 يوليو 2016 .
  47. ^ "2019 年铁道统计公报" (PDF) . مؤرشفة من الأصلي (PDF) في 6 يونيو 2020 . تم الاسترجاع في 7 يونيو 2020 .
  48. ^ "حالة كهربة السكك الحديدية (حتى 01.04.2023)" (PDF) .
  49. ^ "على الطريق نحو الكهربة الكاملة: السكك الحديدية منخفضة الكربون في الهند". www.rapidtransition.org . تم الاسترجاع في 17 فبراير 2023 .
  50. ^ "خط السكك الحديدية الأسطوري عبر سيبيريا في روسيا أصبح مكهربًا بالكامل – AP Worldstream | HighBeam Research". 4 سبتمبر 2015. مؤرشف من الأصل في 4 سبتمبر 2015. تم استرجاعه في 9 نوفمبر 2022 .

قراءة إضافية

  • ويلنر، فرانك (2012). أمتراك: الماضي والحاضر والمستقبل . كتب سيمونز-بوردمان، أوماها. رقم ISBN 978-0911382-59-4.
  • "على متن الكهربة". مجلة مؤسسة الطريق الدائم . 139 (1). يناير 2021. ISSN  2057-2425 - عبر PWI.
  • كينور، جاري. كهربة الخطوط الهوائية للسكك الحديدية (الطبعة السادسة). رقم ISBN 978-0-903489-15-7.
  • "شبكة السكك الحديدية: دليل الكهربة العلوية، المراجعة 10" (PDF) . شبكة السكك الحديدية . فبراير 2015.
  • نوك، أو إس (1965). السكك الحديدية الجديدة في بريطانيا: كهربة خطوط لندن-ميدلاند الرئيسية من يوستون إلى برمنغهام، وستوك أون ترينت، وكرو، وليفربول، ومانشستر . لندن: إيان ألان. OCLC  59003738.
  • نوك، أو إس (1974). من يوستون الكهربائية إلى جلاسكو . إيان ألان. رقم ISBN 978-0711005303.
  • ووكر، روبرت. موسوعة السكك الحديدية عبر سيبيريا.
  • وولمار، كريستيان (2013). إلى حافة العالم: قصة قطار عبر سيبيريا السريع، أعظم خط سكة حديد في العالم . لندن: أتلانتيك بوكس. رقم ISBN 978-0857890375.
  • "كهربة السكك الحديدية الهندية لتقليل البصمة الكربونية". www.investindia.gov.in . تم الاسترجاع في 9 نوفمبر 2022 .
  • "كهربة السكك الحديدية". Siemens Mobility Global . تم الاسترجاع في 17 فبراير 2023 .

مصادر

إنجليزي

  • مودي، جي تي (1960). "الجزء الأول". Southern Electric (الطبعة الثالثة). لندن: Ian Allan Ltd.
  • جوميز-إكسبوزيتو أ.، ماوريسيو جيه إم، مازا-أورتيجا جيه إم "نظام كهربة السكك الحديدية متعدد الفولتية القائم على VSC" معاملات معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات بشأن توصيل الطاقة، المجلد 29، العدد 1، فبراير 2014، ص  422-431. (يقترح 24 كيلو فولت تيار مستمر )
  • (جينز) أنظمة النقل الحضري
  • هاموند، جون وينثروب (2011) [1941]. الرجال والفولتات؛ قصة جنرال إلكتريك. فيلادلفيا، بنسلفانيا؛ لندن: شركة جنرال إلكتريك؛ جيه بي ليبينكوت وشركاه ؛ الترخيص الأدبي، ذ.م.م. رقم ISBN 978-1-258-03284-5– عبر أرشيف الإنترنت . كان من المقرر أن ينتج أول محرك يعمل بدون تروس من أي نوع، حيث كان محوره متصلاً مباشرة بمحور السيارة.
  • مارتن، ت. كومرفورد (1924). كامبفرت، فالديمار بيرنهارد (محرر). تاريخ شعبي للاختراعات الأمريكية. المجلد 1. لندن؛ نيويورك: أبناء تشارلز سكريبنر – عبر أرشيف الإنترنت .
  • مالون، دوماس (1928). سيدني هاو شورت. المجلد 17. لندن؛ نيويورك: تشارلز سكريبنر سون .

الروسية

  • فينوكوروف في.أ.، بوبوف د.أ. "الآلات الكهربائية للنقل بالسكك الحديدية"، موسكو، النقل، 1986. ISBN 5-88998-425-X ، 520 ص. 
  • دميترييف، فيرجينيا، "Народнонозяйственная effefectiveность ееlectrificatiiii zelesnыh дорог и пrimeneния тепловозной тяги" (الفعالية الاقتصادية الوطنية لكهربة السكك الحديدية وتطبيق الجر بالديزل)، موسكو، النقل 1976.
  • Drobinsky V.A.، إيغونوف ب.م. "كيف تعمل قاطرة الديزل" (كيف تعمل قاطرة الديزل) الطبعة الثالثة. موسكو، النقل، 1980.
  • إيفانوفا في. (محرر) "الإنشاء والديناميكية teplovozoov" (بناء وديناميكيات قاطرة الديزل). موسكو، النقل، 1968 (كتاب مدرسي).
  • كالينين، في.ك. "Electроvoзы и ELECTROPOESDA" (القاطرات الكهربائية ومجموعات القطارات الكهربائية) موسكو، النقل، 1991 ISBN 978-5-277-01046-4 
  • ميروشينكو، ر.ي.، "Rejuimы rabotы elelectrificitirovannыh участков" (أنظمة تشغيل الأقسام المكهربة [من السكك الحديدية])، موسكو، النقل، 1982.
  • بيرتوفسكي، ل. م. "Engertическая effеfectивность ELECTRICHеской тяги" (كفاءة الطاقة في الجر الكهربائي)، Железнодорозный transport (مجلة)، العدد 12، 1974 ص.  39+
  • بلاكس، أ.ف. & بوبينين، ف. ن.، "ELECTRICHеские елезные дороги" (السكك الحديدية الكهربائية)، موسكو "النقل" 1993.
  • SIDOROV N.I.، SIDOROJA Н.N. "كيف تعمل القاطرة الكهربائية" (كيف تعمل القاطرة الكهربائية) موسكو، النقل، 1988 (الطبعة الخامسة). 233 ص، ISBN 978-5-277-00191-2 . 1980 (الطبعة الرابعة). 
  • هوميتش أ. توبيتسين أوي، سيمون أ.إي. "Economia topлива и теплотечническая тепловозов" (الاقتصاد في استهلاك الوقود والتحديث الديناميكي الحراري لقاطرات الديزل). موسكو: النقل، 1975. 264 ص.
  • الوسائط المتعلقة بالنقل بالسكك الحديدية باستخدام الطاقة الكهربائية في ويكيميديا ​​كومنز
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Railway_electrification&oldid=1253229221"
Original text
Rate this translation
Your feedback will be used to help improve Google Translate