منظومة السكك الحديدية المكهربة

متروأنفاق مدينة نيويورك هوأكبر مشغل فردي في العالم لمنظومة النقل السريع عبر عدد من المحطات تخدمها السكك المكهربة التي تمتد لمئات الأميال.

منظومة السكك الحديدية المكهربة railway electrification system، هي منظومة نقل سريع تستخدم الطاقة الكهربائية لتسيير قطارات وترامات السكك الحديدية بدون وجود محرك رئيسي على متنها أومصدر وقود موضعي.

تستخدم السكك الحديدية الكهربائية القاطرات الكهربائية لنقل الركاب أوالشحنات في عربات أووحدات متعددة كهربائيةأوعربات ركاب منفصلة ذات محركات مستقلة.

تُولد الكهرباء في محطات طاقة كهربائية ضخمة وذات كفاءة مرتفعة نسبياً، وتُنقل لشبكة السكك الحديدية ثم توزع للقطارات. بعض السكك الحديدية الكهربائية لديها محطات توليد وخطوط نقل مخصصة لكن معظم الطاقة المطلوبة تُجلب من المرافق الكهربائية. عادة ما توفر السكك الحديدية خطوط التوزيع، البدالات والمحولات الخاصة بها،

مقارنة بالبديل الرئيسي، محرك الديزل، فالسكك الحديدية الكهربائية توفر كفاءة طاقة أفضل، وانبعاثات وتكلفة تشغيل أقل بكثير.

عادة ما تكون القاطرات الكهربائية أهدأ، وأكثر قوة، وأكثر استجابة وموثوقية من محركات الديزل.

لا يوجد للقاطرات الكهربائية انبعاثات، الميزة الأكثر أهمية في الأنفاق والمناطق الحضرية. بعض منظومات السكك الحديدة الكهربائية توفر نظام المكابح التجديدية التي تحول الطاقة الحركية للقطار إلى كهرباء وتردها إلى منظومة الإمداد كي تستخدم بواسطة القطارات الأخرى أوشبكة المرافق العامة.

في حين تقوم قاطرات الديزل بحرق النفط، فالكهرباء يمكن توليدها من مصادر مختلفة منها الطاقة المتجددة.

أما عيوب القطارات الكهربائية فتضم التكاليف الرأسمالية المرتفعة التي قد تكون غير اقتصادية على المسارات الغير مزدحمة؛ افتقادها النسبي للمرونة- حيث حتى القطارات الكهربائية بحاجة إلى سكك مكهربة (أوأسلاك علوية) - وتعرضها لانقطاع الكهرباء.

في العقود الأخيرة، زاد انتشار السكك الحديدية المكهربة، وفي 2012، كانت القاطرات المكهربة تشكل تقريباً ثلث القاطرات في العالم.

التاريخ

كان توماس دافنبورت، وهوحداد أمريكي، أول من بنى نموذجاً لخط سكة حديدية عام 1835. وبعد بضع سنوات، اتى المخترع الأسكتلندي، روبرت ديفيدسن، فبنى أول قاطرة كهربائية بحجم كامل. وسارت هذه القاطرة على خط سكة حديدية يربط بين أدنبرة وگلاسگو. ولكن تكلفة الإمداد بالكهرباء كانت عالية جدًا بالنسبة لاستخدامها العام على خطوط سكك حديدية، إلى حتى تم تطوير مولد كهربائي في منتصف القرن التاسع عشر الميلادي. انظر: القوس الكهربائي.

استطاع هذا القوس الكهربائي توليد جُهد كهربائي عال (فولتية) بتكلفة منخفضة، وجعل من الممكن إنشاء خط سكة حديدية كهربائي حديث. كانت أول قاطرة كهربائية استمدت طاقتها من قوس كهربائي بوساطة قضيب ثالث قد عُرضت في برلين، بألمانيا، في عام 1879.

تم تشغيل أول خط سكة حديدية كهربائي تجاري على الشارع في مدينة ليشترفيلد، بألمانيا، في عام 1881. وفي عام 1887، أنشأ المخترع الأمريكي، فرانك ج سبراج خط سكة حديدية في ريتشموند، بفرجينيا. وكان هذا أول نظام خط سكة حديدية كهربائي كبير.

حدثت عملية كهربة الخطوط الحديدية بين المدن على نطاق واسع في أوروبا في أواخر الأربعينيات من القرن العشرين. وكان من أول القطارات الكهربائية السريعة الحديثة القطار الياباني شنكانسن المعروف بقطار الطلقة النارية. وبدأ تشغيله في عام 1964، أما القطار الفرنسي السريع (تي جي في) فقد افُتتح خطه في عام 1981م

التصنيف

المنظومات المكهربة في أوروپا: ██ غير مكهربة ██ 750 V DC ██ 1.5 kV DC ██ 3 kV DC ██ 15 kV AC ██ 25 kV AC الخطوط عالية السرعة في فرنسا، إسپانيا، إيطاليا، المملكة المتحدة، هولندا، بلجيكا، وهجريا تعمل بطاقة 25 ك.ڤ.، وكذلك الخطوط عالية القدرة في الاتحاد السوڤيتي السابق.

يمكن لقطار كهربائي حتى يستمدَ طاقته بطريقتين: من سلك علوي يُسمى منحنى سلسلي، أومن قضيب ثالث كهربائي. وفي نظام الأسلاك العلوية، تجد هيكلاً فولاذياً ذا مفاصل على قمة القطار يربطه بالمنحنى السلسلي. ويوصل هذا الهيكل الذي يُسمى بنتوغراف أومِنْساخ الكهرباء من السلك إلى نظام دفعي يضم مُحركات الجر التي تكون عادة بالقرب من عجلات القطار. وتُدير هذه المحركات عجلات القيادة التي تجعل القطار يسير عملاً. وللقطار الذي يستخدم قضيباً ثالثاً جهاز معدني يُسمى حذاء المكبح. وينزلق هذا الجهاز المعدني مع القضيب الثالث، موصلاً بذلك الكهرباء إلى النظام الدفعي. ويستخدم سائق القطار جهازاً يُسمى جهاز التحكم الرئيسي لضبط سرعة القطار. وينظم جهاز التحكم هذا كمية الطاقة الداخلة إلى النظام الدفعي للقطار.

تُزود المنحنيات السلسلية مُعظم القطارات الكهربائية التي تسير إلى المدن بالطاقة اللازمة.

ولهذه القطارات قاطرة واحدة أومجموعة من القاطرات الكهربائية تجرُّ مجموعة من العربات أوشاحنات البضائع. وتزنُ معظم القاطرات الكهربائية ما يتراوح بين 90 و180 طنًا متريًا. وتتراوح قدرتها بين حوالي 4,000 و5,000 كيلووات. وتبلغ سرعتها ما يزيد على 240كم/الساعة.

يزُوّد قضيب ثالث مُعظم القطارات الكهربائية التي تسير عبر المدن المتنوعة بالكهرباء اللازمة لها. بعض عربات السكة الحديدية التي تعبر المدن لديها محركات الجر الخاصة بها التي تتراوح قُدرتها بين 89 و210 كيلووات. وتجر بعض العربات الأخرى قاطرات، أوترتبط بعربات سكة حديدية لديها محركات دفع. تبلغ السرعة القصوى لعربات السكك الحديدية التي تسير عبر المدن حداً يتراوح ما بين 80 و120كم/الساعة.

الجهد الكهربي الموحد

المنظومة المكهربة	الجهد الكهربي
المنظومة المكهربة	Min. non-permanent	Min. permanent	الاسمي	Max. permanent	Max. non-permanent
600 V DC	400 V	400 V	600 V	720 V	800 V
750 V DC	500 V	500 V	750 V	900 V	1,000 V
1,500 V DC	1,000 V	1,000 V	1,500 V	1,800 V	1,950 V
3 kV DC	2 kV	2 kV	3 kV	3.6 kV	3.9 kV
15 kV AC, 16.7 Hz	11 kV	12 kV	15 kV	17.25 kV	18 kV
and 60 Hz (IEC 60850)	17.5 kV	19 kV	25 kV	27.5 kV	29 kV

التيار المستمر

Railroad rotary converter في متحف سكك حديد إلينوي.

المنظومات العلوية

قاطرات كهربائية تحت سلك علوي في السويد.

قطار نوتنگهام السريع في المملكة المتحدة يستخدم أسلاك بقدرة 750 ڤ.ت.م، الشائع استخدام في معظم أنظمة الترامات الحديثة.

السكك الحديدية الثالثة

A bottom-contact third rail on the متروأمستردام، هولندا.

Arcs like this are normal and occur when the collection shoes of a train drawing power reach the end of a section of power rail.

London Underground track at Ealing Common on the District line, showing the third and fourth rails beside and between the running rails

منظومات الإطارات المطاطية

Bogie from an MP 89 Paris Métro vehicle. The lateral contact shoe is located between the rubber tyres

The bogie of an MP 05, showing the flanged steel wheel inside the rubber tyred one, as well as the vertical contact shoe on top of the steel rail

التيار المتردد

صورة لعلامة الجهد العالي فوق منظومة سكك حديدية مكهربة.

التيار المتردد منخفض التردد

منظومة بجهد 15 kV 16.7 Hz AC تستخدم في سويسرا.

المنظومات الغير متلامسة

الكفاءة الكهربائية

الكهرباء لقاء الديزل

محطة قطارات مكهربة مبكرة في دارتفورد.

التيار المتردد لقاء المستمر في الخطوط الرئيسية

مقارنته بقاطرات الديزل

محطة لوتس رود پاور على ملصق من عام 1910. محطة الطاقة الخاصة هذه، كانت مستخدمة من قبل متروأنفاق لندن، لتمد قطارات وترامات لندن بالطاقة بشكل منفصل عن شبكة الطاقة الرئيسية.

المزايا

العيوب

The Royal Border Bridge in England, a protected monument. Adding electric catenary to older structures may be an expensive cost of electrification projects

Most overhead electrifications do not allow sufficient clearance for a double-stack car.

الانتشار العالمي

تأثير الشرر

انظر أيضاً

خط حزام بالتيمور، أول خط سكك حديدية مكهربة رئيسي في الولايات المتحدة.
Battery electric multiple unit
Battery locomotive
Conduit current collection
Current collector
Dual electrification
Electromote
Gross-Lichterfelde Tramway, a system similar to a model railway
Ground-level power supply
تاريخ القاطرات الكهربائية
قائمة منظومات السكك الحديدية المكهربة
Multi-system (rail)
Overhead conductor rails
Stud contact system
Traction current pylon
Traction powerstation
Traction substation

المصادر

^ P. M. Kalla-Bishop, Future Railways and Guided Transport, IPC Transport Press Ltd. 1972, pp. 8-33
^ "Railway Handbook 2015" (PDF). International Energy Agency. p. 18. Retrieved 4 August 2017.

المراجع

بالإنگليزية

Moody, G T (1960). "Part One". Southern Electric (3rd ed.). London: Ian Allan Ltd.
Gomez-Exposito A., Mauricio J.M., Maza-Ortega J.M. "VSC-based MVDC Railway Electrification System" IEEE transactions on power delivery, v.29, no.1, Feb.2014 pp. 422–431. (suggests 24 kV DC)
(Jane's) Urban Transit Systems
Hammond, John Winthrop (2011) [1941]. . Philadelphia, Pennsylvania, U.S.A.; London, U.K.: General Electric Company; J. B. Lippincott & Co.; Literary Licensing, LLC. ISBN – via Internet archive. He was to produce the first motor that operated without gears of any sort, having its armature direct-connected to the car axle.
Kaempffert, Waldemar Bernhard, Editor; Martin, T. Comerford (1924). . 1. London, U.K.; New York, NY, U.S.A.: Charles Scribner's Sons. Retrieved March 11, 2017 – via Internet archive.CS1 maint: extra text: authors list (link)
Malone, Dumas (1928). . Dictionary of American Biography. 17. London, U.K.; New York, NY, U.S.A.: Charles Scribner's Sons. Retrieved 31 May 2017.

بالروسية

Винокуров В.А., Попов Д.А. "Электрические машины железно-доровного транспорта" (Electrical machinery of railroad transportation), Москва, Транспорт, 1986, . ISBN 5-88998-425-X, 520 pp.
Дмитриев, В.А., "Народнохозяйственная эффективность электрификации железных дорог и примениния тепловозной тяги" (National economic effectiveness of railway electrification and application of diesel traction), Москва, Транспорт 1976.
Дробинский В.А., Егунов П.М. "Как устроен и паботает тенловоз" (How the diesel locomotive works) 3rd ed. Moscow, Транспорт, 1980.
Иванова В.Н. (ed.) "Конструкция и динамика тепловозов" (Construction and dynamics of the diesel locomotive). Москва, Транспорт, 1968 (textbook).
Калинин, В.К. "Электровозы и электроноезда" (Electric locomotives and electric train sets) Москва, Транспорт, 1991 ISBN 978-5-277-01046-4
Мирошниченко, Р.И., "Режимы работы электрифицированных участков" (Regimes of operation of electrified sections [of railways]), Москва, Транспорт, 1982.
Перцовский, Л. М.; "Энргетическая эффективность электрической тяги" (Energy efficiency of electric traction), Железнодорожный транспорт (magazine), #12, 1974 p. 39+
Плакс, А.В. & Пупынин, В. Н., "Электрические железные дороги" (Electric Railways), Москва "Транспорт" 1993.
Сидоров Н.И., Сидорожа Н.Н. "Как устроен и работает эелктровоз" (How the electric locomotive works) Москва, Транспорт, 1988 (5th ed.) - 233 pp, ISBN 978-5-277-00191-2. 1980 (4th ed.).
Хомич А.З. Тупицын О.И., Симсон А.Э. "Экономия топлива и теплотехническая модернизация тепловозов" (Fuel economy and the thermodynamic modernization of diesel locomotives) - Москва: Транспорт, 1975 - 264 pp.