تجهیزات سیستم تغذیه بالاسری (CATENARY)

تجهیزاتی که در طول مسیر راه آهن برقی جهت تغذیه قطارها نصب می گردد، بطور کلی شامل:

-         خط اتصال بالاسری OVER HEAD CONTACT LINE

-         دکلها

-         اتصالات SUPPORT

-         خط تغذیه

-         مدارهای برگشت جریان

-         تجهیزات حفاظتی.

می باشد، شکل و نوع تجهیزات بالاسری بستگی به انواع سیستم بالاسری دارد.

دکلها که برای نگهداری سیم کاتنری و سیم اتصال استفاده می گردد، شامل تیر، فونداسیون، کانتیارل می باشد، سیم فیدر از پست به قسمتهای مورد نیاز تغذیه کشیده می شود، مدار برگشت جریان در واقع جهت برگشت جریان از تغذیه به پست می باشد، از ریلها جهت برگشت جریان استفاده می گردد، در سیستم ساده از مدار منفی که به موازات خط اصلی کشیده می شود جهت برگشت جریان استفاده می شود.

انواع خطوط بالاسری:

سیستم هائی که در خطوط راه آهن برقی در کشورهای مختلف مورد استفاده قرار می گیرد به چهار دسته زیر تقسیم می گردد:

1- سیستم سیم اتصال        CONTACT WTRE SVSTEM

2- سیستم کاتنری ساده      STMPLE CATENRY SYSTEM

1-سیستم کاتنری منشعب از نوع ( )

STITEHED CATENARY SYSTEM

4- سیستم کاتنری مرکب COMPOUND CATENERY

هر یک از سیستم های فوق برحسب تعداد سیمهای اتصال سیستم و میزان کشش خط بالاسری به سیستم های فرعی تری نیز تقسیم می شوند:

با افزایش سرعت قطار ساختمان اتصال بالاسری پیچیده تر می گردد.

حال به شرح سیستمهای فوق می پردازیم:

1-سیستم سیم اتصال:

این سیستم که ساده ترین شبکه تغذیه بالاسری را تشکیل می دهد تنها شامل یک سیم اتصال می باشد و به دو صورت نیز نصب می گردد:

الف- سیم اتصال بطور مستقیم در نقاط اتصال به تیر وصل و نگهداری می شود ماکزیمم فاصله دو دکل متوالی حدود 30 متر می باشد و سرعت قطارها در محدوده 50 کیلومتر در ساعت می باشد.

از این سیستم برای تغذیه ترامواها، ایستگاه های ترمینالی و خطوط فرعی استفاده می شود.

ب- سیم اتصال توسط میله ها و یا سیمهای کوتاهی که به شکل مثلث به هم وصل شده اند نگهداری می شوند سطح مقطع سیم اتصال در حدود 107 میلیمتر مربع از مس سخت می باشد و کشش آن تقریباً 3/1 تن می باشد و سرعت قطارها معمولاً به 120 کیلومتر در ساعت می رسد.

این نوع سیستم در خطوط اصلی راه آهن کاربرد دارد.

2-سیستم کاتنری ساده:

این سیستم که شامل کاتنری، در ابر و سیم اتصال می باشد به علت جریان گیری مناسب این سیستم بطور وسیع در راه آهن برقی مورد استفاده قرار می گیرد. معمولاً جنس کاتنری از فولاد با سطح مقطع 90 میلیمتر مربع به کشش حدود 2 تن و جنس سیم اتصال از مس با سطح مقطع 107 میلیمتر مربع با کشش 2 تن می باشد.

با افزایش کشش سیمها و سطح مقطع کاتنری مشخصه این سیستم را می توان تا سرعت 160 کیلومتر در ساعت بهبود بخشید. در این سیستم حدوداً فاصله تیرها تا 70 می رسد.

3-سیستم کاتنری منشعب از نوع (Y) :

برای اینکه بتوان مشخصه سرعت را بهتر کرد می بایست ارتعاش سیم اتصال در مجاورت دکلها و وسط اسپن یکسان باشد به همین دلیل در محدوده دکلها حدوداً بطول 15 متر سیم اضافه می کنند تا ارتعاش سیم اتصال در کل شبکه یکسان باشد.

در این سیستم سرعت قطارها تا 200 کیلومتر در ساعت افزایش می یابد البته اخیراً با افزایش کشش سیمهای سیستم و کاهش فواصل آویز به سرعت 260 کیلومتر در ساعت دست یافته اند.

·       شبکه تغذیه بالاسری

شبکه کنتالت را باید طوری مونتاژ کرد که در هیچ شرائط جوی و سرعت قطارها از حرکت پانتوگراف مانعی ایجاد ننماید و حرکت پانتوگراف را در زیر شبکه متناسب باشد با شرائط جوی محاسبه نمود و در مجموع هماهنگی و کیفیت عالی میان پانتوگراف و تغذیه آن از شبکه هوائی باشد.

در راه آهن های برقی شده لازم است که خط ریلی و خط هوائی برای حرکت لکوموتیوهای برقی از کیفیت خوبی برخوردار بوده و هر قدر سرعت قطارها در مسیر بیشتر باشد به همان اندازه لازم است نصب وسائل ساختمان شبکه بالاسری جهت ادامه پانتوگراف در زیر شبکه دشوارتر می باشد.

لازم است یادآوری شود که ساختمان شبکه بالاسری نباید از لحاظ سرعت قطارها محدود باشد و طوری شبکه بالاسری محاسبه و مونتاژ گردد که امکان ماکزیمم سرعت را برای قطارها ایجاد نماید و پانتوگراف در زیر شبکه بتواند در هر شرائط جوی و یا سرعت ماکزیمم قطارها عمل کنتاکتی و تغذیه خود را بصورت عالی انجام دهد و لازم است که سرعت متوسط باد و یخبندان در منطقه روی سیمهای کنتاکتی و تأثیرات آن در نظر گرفته شود.

شبکه بالاسری دارای محاسبات علمی دقیق بوده و در مقایسه با خطوط انرژی دیگر چون خطوط انتقال نیرو در هر زمینه دارای رزرو بوده ولی شبکه بالاسری فاقد خط رزروی می باشد و بروز هر گونه عیب در شبکه باعث توقف قطارها می گردد، بدین جهت شبکه بالاسری در موقع محاسبه علمی از اهمیت فوق العادها ی باید برخوردار باشد، هرگونه وقفه در امر سیر و حرکت می تواند خسارات اقتصادی جبران ناپذیری به راه آهن وارد نماید، قطعاتی که در ساختمان شبکه بالاسری مورد استفاده است از کیفیت عالی برخوردار بوده باید قطعات استفاده شده از آلیاژهائی استفاده شود که در مقابل شرائط جوی اکسید نگردند، شبکه بالاسری از دو قسمت اساسی تشکیل می یابد:

1-مدار ریلی

2-شبکه هوائی

3- 

·       1- شبکه ریلی:

شبکه ریلی معمولاً برای احداث خطوط برقی برای مترو احداث می گردد و ریلهای جریانی از هر 5 متر به بازوهای اختصاصی بسته می شوند.

در چنین سیستمی واگنهای مترو جهت اخذ نیروی الکتریکی از پانتوگرافی تغذیه می نمایند که پانتوگراف با شبکه ریلی در تماس باشد، مانند شکل ذیل.

چنین شبکه های کنتاکی می توانند حجم تونل مترو را کاهش دهند و احداث ساختمان شبکه کنتاکت نیز آسانتر می گردد و می توان فاکتورهای ساده ای برای احداث تونل و شبکه کنتاکتی منظور کرد ولی مدار ریلی کنتاکتی که در سطح زمین قرار گیرد به علت عایق بندی در مقابل جریان برق و خطرات ناشی از جریان برق برای عموم بیشتر می گردد و اگر تغذیه سیستم با جریان مستقیم باشد به مراتب خطرناکتر می شود و لازم است که قبل از احداث مترو فکری درباره حفاظت ایمنی آن نمود. به علت خطرات برق گرفتگی و دشوار بودن عایق بندی مدار، ریلی ترجیح داده می شود که از شبکه هوائی برای تغذیه مترو استفاده گردد.

·       2- شبکه کنتاکت هوائی:

شبکه کنتاکت هوائی با بالاسری از لحاظ شکل به دو دسته تقسیم می شود:

الف- ساده

ب- زنجیره ای

الف- شبکه بالاسری ساده:‌

شبکه کنتاکتی ساده فقط دارای یک سیم هوائی کنتاکتی است که در محور خط ریلی از پایه ای به پایه دیگر کشیده می شود و این سیم ها را سیمهای فاصله ای یا میله ای گویند از این سیستم معمولاً برای تراموا و اتوبوس برقی استفاده می شود، شبکه کنتاکتی ساده در شکل ذیل نمایش داده شده است.

عمل کنتاکتی و تغذیه پانتوگراف را سیم مستقیماً انجام می دهد به این خاطر به نام سیم کنتاکتی معروف است.

شبکه کنتاکتی ساده نمی تواند برای قطارهای پر سرعت مورد استفاده قرار گیرد و فقط در تراموا و اتوبوس برقی مورد استفاده قرار می گیرد و اگر در سیستم راه آهن های برقی مورد استفاده قرار گیرد نباید سرعت قطار از 40 کیلومتر در ساعت بیشتر باشد.

به همین منظور به علت ساده بودن شبکه در داخل ایستگاه های راه آهن که تردد قطار در آنها با سرعت کم انجام می گیرد مورد استفاده قرار می گیرد.

ب- شبکه زنجیره ای:

تمام کشورهائی که دارای قطار برقی می باشند از شبکه هوائی زنجیره ای استفاده می کنند و قاعده کلی شبکه های زنجیره ای بر این است که سیم کنتاکتی بصورت آزاد به پایه های شبکه هوائی بسته نمی گردد و قسمت اتصالی برای ادامه مسیر بوسیله تارها، که از سیم کنتاکت به سیم دیگری که در بالای آن قرار گرفته وصل می گردد و این سیم به نام سیم حمال معروف است که بوسیله این تارها به سیم کنتاکت وصل می گردد، در حقیقت سیم حمال نگهدارنده وزن شبکه بالاسری است و برای عبور هر دو سیم چه کنتاکتی و چه حمال محور خط لازم است که در جلو پایه های شبکه بالاسری از وسائلی جهت نگهداشتن و ریگلاژ کردن آنها نسبت به محور خط اصلی استفاده نمود و این قطعه به نام تنظیم کننده یا فیک تور معروف است، شبکه های زنجیره ای دارای انواع مختلفی است که هر کدام از آنها برای سرعتهای بخصوصی طراحی می گردد.

مقایسه شبکه های DC با AC

اساس نارسائی سیستم جریان مستقیم در خط های برقی ولتاژ کم در شبکه است، اگر امکان بالا بردن ولتاژ شبکه در خطوط جریان مستقیم بوجود آید و یا بتوان تراکشن موتورهای با ولتاژ بالا را ساخت معایب خطوط جریان مستقیم به مقدار قابل توجهی کاهش می یابد، به منظور ثابت نگهداشتن توان خطی شبکه بالاسری لازم است که در شبکه بالاسری با جریان مستقیم شدت جریان بیشتر باشد و این مستلزم ازدیاد قطر سیمهای حامل جریان در شبکه می گردد و در نتیجه مواجه با افت ولتاژ می گردد و لازم است برای جلوگیری از افت ولتاژ و ثابت نگهداشتن توان خطی فاصله ایستگاه های ساب استیشن از همدیگر بین 15 تا 20 کیلومتر باشد که این عمل همراه با مخارج زیاد است ولی در خطوط جریان متناوب به علت بالا بودن ولتاژ در شبکه افت ولتاژ کم در آنها می توان فاصله پستها را از همدیگر حداکثر تا 70 کیلومتر در نظر گرفت.

از طرفی در خطوط جریان مستقیم سطح مقطع سیمهای حامل جریان تا 700 میلیمتر مربع می رسد که نگهداشتن آنها به علت ازدیاد وزن کار مشکلی است و از نظر اقتصادی نیز با صرفه نمی باشد به همین علت لازم است که سیمهای استفاده شده در خط برقی از نظر مقاومت سیمی از کیفیت خوبی برخوردار باشد و می توان گفت که محاسبه اقتصادی در شبکه خط برقی 50% روی سیمهای شبکه انجام می پذیرد و 50% دیگر در سایر ادوات استفاده شده در کل شبکه محاسبه خواهد شد، مثلاً در محاسبه اقتصادی برآورد می شود که برای پوشش یک کیلومتر خط برقی با جریان مستقیم 40% هزینه پیش بینی شده برای سیمها در نظر گرفته شده و در جریان متناوب این هزینه تا سطح قابل توجهی پائین می آید، سطح مقطع سیمها از 700 میلی متر مربع تا حداکثر 150 میلی متر مربع کاهش پیدا می کند و پائین آمده سطح مقطع سیمها و وزن آن تأثیر فراوانی در قطعات و ادوات نگهدارنده سیستم شبکه بوجود می آورد که خود از لحاظ اقتصادی قابل بحث و مورد توجه است، خصوصاً ازدیاد طول فاصله ایستگاه های کششی که بالاترین درصد کل هزینه احداث خطوط برقی شده را می دهد یکی از محاسن خطوط برقی شده با جریان متناوب می باشد و در چنین سیستمهائی فاصل مابین پستهای فرعی کشش حداقل 40 و حداکثر به 65 کیلومتر می رسد، تنها ارزش و مقایسه خطوط شبکه بالاسری جریان متناوب با جریان مستقیم در آن است که در جریان متناوب حداقل در کل هزینه 40% کاهش نسبت به سیستم جریان مستقیم بوجود می آید.

برای احداث خطوط برقی در راه آهن لازم است مطالعات علمی و اقتصادی روی سیستم دقیقاً انجام یافته مخصوصاً روی خطوط هوائی از قبیل سیستم مخابراتی، خطوط فیدری خطوط برگشتی که در موقع بسته شدن مدار جریانی در شبکه بالاسری اتلاف جریان بوجود می آید و لازم است برای جلوگیری از اتلاف جریان در مجموعه سیستم ایزوله کردن سیستم به خوبی انجام یابد، مخصوصاً مدار ریلی حتی الامکان در سطح زمین، با زمین ایزوله شود البته اتلاف جریان نسبی در تمام مدارهای الکتریکی وجود دارد، برای اینکه تمام قطعات و کابلها و یا سیم های جریانی در مرحله اول خود بصورت مصرف کننده هستند، بنابراین مقداری اتلاف جریان نسبی وجود خواهد داشت، بحث در این است که بدون مصرف جریان در خود مدار از اتلاف جریان جلوگیری نمود و این عمل فقط با ایزوله کردن خوب و مناسب امکان پذیر است، حتی در سیستم جریان مستقیم این اتلاف در اثر زنگ زدگی قطعات سیستم افزایش می یابد. اگر در مقابل این زنگ زدگی حفاظت انجام نیابد امکان خوردگی یا سائیدگی در مجموع پاره شدن سیم ها بوجود خواهد آمد، نقطه پاره شدن یا خورده شدن نقاط مثبت شبکه کنتاکت خطرناک است و این عمل در محلهای اتصال کابلهای انتقال جریان برگشتی از ریل به خط هوائی برگشتی است که این نقطه ها نقطه مثبت در نظر گرفته می شوند اگر به این نقطه ها توجه بیشتری نگردد و خوب نگهداری نشوند در اثر پاره شدن سیم در نقطه فوق باعث اختلال در حرکت لکوموتیوهای برقی شده و اطراف این نقطه ها نسبت به ولتاژ موجود در آن بسی خطرناک می گردد.

در روی پایه های شبکه بالاسری در سیستم جریان مستقیم یک خط انتقال انرژی سه فاز با ولتاژ 6 تا 10 کیلوولت در پشت پایه ها کشیده می شود، در سیستم جریان متناوب تک فازه نیز در پشت پایه های شبکه بالاسری خطوط با ولتاژ 6 تا 10 کیلوولت برای تغذیه میانه ای خطوط برای روشنائی ایستگاههای راه آهن و سایر ساکنین شهرهای واقع شده در جوار راه آهن استفاده می شود و همچنین این خطوط در کیفیت امواجی سیستم رادیوئی اثرات نامطلوب دارد، خطوط برقی شده راه آهن می تواند موانعی نیز برای سیستم رادیوئی ایجاد نماید، اختلال سیستم رادیوئی در اثر عبور پانتوگراف از زیر شبکه بالاسری و تغذیه انرژی الکتریکی با آمپر زیاد و انجام عمل کنندگی پانتوگراف بصورت غیر تکنیکی بوجود می آیند، بدین جهت نباید امکان لغزندگی را به پانتوگراف در زیر شبکه داد که باعث ایجاد پارازیت در سیستم رادیوئی بشود، در خطوط برقی شده راه آهن باید سیستم رادیوئی اختصاص راه آهن از سایر سیستمهای رادیوئی مجزا باشد و علامت اختصاری سیستمهای رادیوئی راه آهن های برقی (PRS) می باشد.

خطوطی که امکان ایجاد جریانهای ضربه ای یا لحظه ای را دارند عبارتند از خطوط فشار قوی از پستهای توانیر و سایر خطوط دیگر انتقال انرژی با ولتاژ زیاد که در جوار شبکه بالاسری حرکت می نماید و این خطوط می توانند تأثیرات القائی زیادی روی خطوط دیگر در جوار خط برقی از قبیل کابلهای مخابراتی، خطوط مدارهای فرمان هدایت از دور، پانلها سیستم علائم و یا کلیدهای سکسیونری خط برقی گذاشته و سیستم آنها را مختل نماید، به همین دلیل در خطهای برقی از کابلهای کواکسیال بیشتر استفاده می شود.

انرژی الکترو مغناطیسی ایجاد شده از هر خطوط می تواند سیستم علائمی راه آهن را مختل کرده و رکود قابل توجهی را در امر حمل و نقل ایجاد کند و همچنین کلیه مدارهای فرمان در امتداد خود و سیستم رادیوئی و مخابراتی را نیز می تواند مختل کند و انرژی الکترو مغناطیسی القاء شده در خطوط شبکه بالاسری در موقع اجرای عملیات تعمیراتی برای پرسنل نیز خطرناک می باشد.

انرژی الکترو مغناطیسی امکان دارد از عبور انرژی الکتریکی در محیط سیم حامل جریان بوجود آید.

میزان آن بستگی دارد به عبور انرژی الکتریکی و ولتاژ آن و نوع سیم حامل جریانی، انرژی الکترو مغناطیسی را می توان فقط با عایق کردن قسمتهای فلزی آن با زمین و در خط هوائی یا ارت کردن آن خنثی نمود و در خطوط هوائی در صورت پائین آوردن ارتفاع آن تا نزدیکی خطوط انتقال نیرو یا شبکه های هوائی فشار قوی این نیروی الکترو مغناطیسی افزایش می یابد و اختلاف پتانسیل مابین شبکه و خطوط فوق ایجاد می گردد و ابنیه هائی که در جوار خط برقی قرار گرفته اند وجود انرژی الکترو مغناطیسی در آنها صددرصد بوده و برای خنثی نمودن این انرژی مغناطیسی لازم است که کلیه ساختمانها و ابنیه ائی که در جوار 5 متری خطوط برقی قرار گرفته اند به مدار ریل کشش ارت شوند تا انرژی الکترومغناطیسی در آنها بی تأثیر باشد، خطوط کابلی با پوسته فلزی با انرژی الکتریکی نباید آزمایش گردند، چون پوسته فلزی می تواند انرژی الکتریکی را به زمین هدایت کرده و باعث ازدیاد جریان در اثر کم شدن مقاومت و پائین آمدن ولتاژ باعث ایجاد خطر برای پرسنل می گردد.

اساساً برای رسیدن و کاهش دادن به انرژی الکترومغناطیسی در خطوط برقی شده با جریان مستقیم اتصال و انتقال این انرژی به پستهای فرعی امکان پذیر است، در سیستم شبکه بالاسری با جریان متناوب برای کم شدن اختلال در سیستم رادیوئی و یا سیستم علائمی برای مهار نمودن انرژی الکترومغناطیسی از خط هوائی و برگشتی با ترانسفورماتورهای مکنده استفاده می گردد.

بصورتی که این خطوط برگشتی می توانند انرژی الکترومغناطیسی ایجاد شده در محیط سیم کنتاکتی شبکه را جذب و در عکس مخالف فلش جریانی به پست فرعی کشش انتقال یابد و این عمل اطمینان و ضریب کاهش انرژی الکترومغناطیسی را در مجموعه ساختمانهای خط برقی بوجود آورده و حفاظتی برای کل سیستم محسوب می شود.

شبکه های توزیع انرژی در راه آهن های برقی

به منظور تأمین انرژی مورد نیاز قطارهای الکتریکی از شبکه های فشار قوی 230 کیلو ولت و یا فشار متوسط 63 کیلو ولت استفاده می گردد.

با تبدیل ولتاژ در پستهای مخصوص قطارهای برقی ولتاژ توزیع 20 یا 11 یا 23 کیلو ولت را ایجاد می کنند.

سیستم مورد استفاده در شبکه های راه آهن شهری می بایست دارای شرائط ذیل باشد:

·  اولاً سیستم باید از قابلیت اعتماد خیلی بالائی برخوردار باشد بدین منظور می بایست شبکه توسط یک سیستم اضطراری مجهز NO BREAK پشتیبانی گردد.

·  ثانیاً سیستم باید به منظور تعمیر و نگهداری کاملاً در دسترس باشد تا در کوتاه ترین زمان ممکن نسبت به تعمیرات آن اقدام گردد.

·  سیستم باید قابلیت انعطاف پذیری داشته باشد و از پیچیدگی خاصی برخوردار نباشد.

کل شبکه باید به نحوی طراحی شود که اگر یکی از پستها از سیستم خارج شد بقیه پستها بار آن پست را تأمین کنند.

انرژی الکتریکی مورد نیاز جهت تبدیل آن به انرژی مکانیکی در لکوموتیوهای برقی در نیروگاه ها با سیستم مختلف (بخاری، ژنراتوری، موتوری،‌ اتمی و غیره) تولید شده در این نیروگاه ها مستقیماً یا بعد از پست های اصلی با خط های سه فاز به ایستگاه های مصرف انرژی راه آهن انتقال مییابد.

ایستگاه های تراکشن ساب استیشن اختصاص به راه آهن های برقی می باشد و معمولاً این ایستگاه ها از دو خط سه فاز ولتاژ بالا تغذیه می گردند که در موارد ضروری و قطع برق در یکی از خط ها بتوان با خط دیگر پست را تغذیه نمود.

معمولاص برای تغذیه تراکشن ساب استیشن امروزه از جریان متناوب ولتاژ بالا استفاده می گردد و بوسیله ترانس های قدرت نصب شده در ایستگاه های فرعی کشش با ولتاژ معینی و جریان معینی جهت استفاده به خط بالاسری انتقال داده می شود و در بعضی موارد در ایستگاه های فرعی کشش ترانس های قدرت دیگری نیز نصب می گردد که برای مصرف کارخانجات راه آهن و یا کارخانجاتی که در جوار راه آهن قرار گرفته اند و فاصله کمتری با این نیروگاه دارند می باشد.

معمولاً خطوط تغذیه این ایستگاه ها 110 و 132 کیلوولت و ولتاژ شبکه بالاسری 5/27 و 16 کیلوولت متناوب بسته به سیستم شبکه و راه آهن برقی می باشد و در جریان مستقیم خطوط تغذیه 110 کیلوولت و ولتاژ شبکه بالاسری 3/3 کیلوولت می باشد. ولتاژ منبع در جریان متناوب 5/27 کیلوولت و در شبکه بالاسری 25 کیلوولت و در جریان مستقیم ولتاژ منبع 3/3 کیلوولت و در شبکه بالاسری 3 کیلوولت می باشد.

از ایستگاه های فرعی کشش تا لکوموتیو برقی چهار عامل اساسی وجود دارد:

1-محل کنتاکتی

2-مدار ریل سوم

3-منبع انرژی

4-برگشت جریان

در شبکه بالاسری یا خطوط تغذیه امکان دارد از سیستم های گوناگونی استفاده شود ولی در اصل وابسته به چهار عامل ذکر شده بالا است. در لکوموتیوهای برقی که با جریان مستقیم کار می کنند از دیناموهای محرکه تا 5/1 کیلوولت استفاده می شود. حداکثر در لکوموتیوهای برقی جریان مستقیم از شش دینامو استفاده می گردد.

بصورتی که دو دینامو بصورت سری به همدیگر وصل شده و هر سه مدار سری به همدیگر به صورت موازی قرار می گیرند. استفاده بیش از یک فاز برای لکوموتیوهای برقی که نیروی کشش قطار را تأمین می نماید بندرت طراحی می شود. چون ایزوله کردن فازهای غیر همنام از همدیگر دشوار است. روی این اصل قدرت شبکه بالاسری محدود می گردد و در خطوط جریان متناوب نیز در لکوموتیوهای برقی از دینامو با جریان مستقیم استفاده می نمایند.

در اکثر کشورهای مترقی و اروپائی که دارای خطوط برقی بیشتری هستند در لکوموتیوهای برقی ترانس های کاهنده گذاشته شده که 25 کیلوولت را به ولتاژ مورد نیاز تبدیل می نماید. پست از کاهش ولتاژ و عبور از دستگاه یک سو کننده ولتاژ بدست آمده به مصرف دیناموها می رسد در همین رابطه است که جریان برگشتی لکوموتیوهای برقی توسط مدار ریلی به پس مربوطه برگشت داده می شود.

ولتاژ خروجی در ترانس های نصب شده در داخل لکوموتیوهای برقی در زیر شبکه بالاسری با جریان متناوب کمتر از ولتاژی است که در لکوموتیوهای جریان مستقیم استفاده می شود، به این منظور که ضریب اطمینان حفاظت دیناموها و عایق شدن آنها از بدنه و امکان پارالل نمودن سیستم کل دیناموها آسانتر شده و می توان میزان نیروی کشش لکوموتیو را افزایش داد.

در این قسمت  در ابتدا به موضوعات عمومی راه آهن های برقی پرداخته شده است، سپس در مورد خطوط شبکه بالاسری، انواع آن و تجهیزات مورد استفاده در آن بصورت مبسوط مورد بررسی قرار گرفته. در انتها در مورد خطوط موجود در کشورهای مختلف سخن رانده شده است.

لازم به تذکر است که منابع و مآخذ موجود در ایران در زمینه شبکه های بالاسری بسیار محدود بوده و بیشتر مربوط به خط اجراء شده تبریز – جلفا می باشد که بیشتر تجهیزات آن ساخت کشور روسیه است.

امید است در آینده با توجه به اجراء قطار برقی تهران – کرج این جزوه کامل تر گردد.

در ضمن از همکاری استاد راهنمای مربوطه و مسئولین ذیربط که در تدوین این جزوه اینجانب را همکاری نمودند کمال تشکر را دارم.

«بررسی کلی در زمینه قطارهای برقی»

با توجه به افزایش روزافزون جمعیت در دنیا و مشکل آلودگی محیط زیست وسائل نقلیه عمومی گازوئیل سوز یا بنزین سوز می بایست به فکر چاره ای بود که اولاً آلودگی محیط زیست را از بین برد، ثانیاً حجم جابجائی مسافر را بیشتر کرد. ثالثاً سعی شده این وسیله نقلیه در ترافیک عمومی شهر رفت و آمد نکند. با توجه به مسائل فوق لزوم استفاده از قطارهای زیرزمینی برقی در شهرهای پر جمعیت و با تراموا و اتوبوس برقی در شهرهای کم جمعیت در نظر گرفته می شود، مهمترین مزیت استفاده از قطارهای برقی نداشتن آلودگی محیط زیست است همانطور که همگان می دانند امروزه مهمترین عامل که ادامه حیات بشریت را تهدید می کند آلودگی محیط زیست است.

از مزایای دیگر آن این است که الکتریسیته را می توان از منابع پست فسیلی نظیر مازوت و یا آبهای روان استفاده کرد در صورتی که بنزین و گازوئیل از بهترین محصولات نفتی می باشد که کاربرد وسیعی در صنایع پتروشیمی می تواند داشته باشد.

امروزه توسط مدارهای الکترونیکی به راحتی می توان سیستمهای برقی را تحت کنترل گرفت و عمر موتورهای الکتریک دو برابر عمر موتورهای دیزلی است به این معنی که عمر موتورهای دیزلی در حدود 25 سال می باشد در صورتی که عمر موتورهای الکتریکی حدود 50 سال میباشد.

تنها عیب موتورهای الکتریکی مشکل رساندن انرژی به موتور الکتریکی در حین حرکت می باشد که البته توسط خطوط هوائی و یا ریل سوم انجام می شود، در ضمن ذخیره سازی الکتریسیته نسبت به سوختهای دیگر قدری مشکل تر می باشد.

طبق استانداردهای موجود در مترو طبقه بندی سیستمهای الکتریکی در جهان برای قطارهای برقی به شرح ذیل می باشد:

·       سیستم تغذیه جریان مستقیم:

-         ولتاژهای 600 ، 750 ، 1200 ، 1500 ، 3000 ولت

·       سیستم تغذیه جریان تک فاز متناوب:

-         15 با 11 کیلو ولت با فرکانس – 16 هرتز

-         6/6 با 11 کیلو ولت با فرکانس 25 هرتز

-         6/6 ، 16 ، 20 ، 25 کیلو ولت با فرکانس 50 هرتز یا 60 هرتز

-         50 کیلو ولت با فرکانس 50 هرتز

·       سیستم تغذیه جریان سه فاز متناوب:

-         9 کیلو ولت با فرکانس 25 هرتز

-         7/3 کیلو ولت با فرکانس – 16 هرتز

طبق استاندارد IEC ولتاژ 750 و 1500 ولت جریان مستقیم برای قطارهای زیرزمینی پیشنهاد میشود.

در حال حاضر حدود پانزده درصد کل راه آهن های دنیا برقی و بقیه دیزلی هستند.

حدود 5115 کیلومتر قطارهای برقی از ولتاژهای 600 تا 1500 ولت مستقیم می باشد. تقریباً 20243 کیلومتر قطارهای برقی از ولتاژ 1500 ولت مستقیم و 65907 کیلومتر از ولتاژ 3000 ولت مستقیم استفاده می شود، در مجموع 7/50 درصد کل قطارهای برقی از سیستم جریان مستقیم استفاده می کنند.

·       متراژ خطوط تک فاز متناوب به شرح ذیل است:

-         از ولتاژ 20 تا 50 کیلو ولت با فرکانس 60 هرتز 1700 کیلومتر

-    از ولتاژ 6/6 تا 50 کیلو ولت با فرکانس 50 هرتز 53392 کیلومتر

-         ولتاژ 11 کیلو ولت با فرکانس 25 هرتز 1968 کیلومتر

-         ولتاژ 11 و 15 کیلو ولت با فرکانس –16 هرتز 31137 کیلومتر

که بیشترین خطوط تک فاز متناوب مربوط به ولتاژ 15 کیلو ولت با فرکانس – 16 هرتز که در حدود 30697 کیلومتر واقع در کشورهای آلمان، سوئیس، سوئد و نروژ می باشد.

سیستم تک فاز متناوب در حدود 1/49 درصد کل خطوط قطارهای برقی را تشکیل می دهد.

کل خطوط به فاز جریان متناوب در حدود 49 کیلومتر می باشد . که از ولتاژهای 6 کیلوولت با فرکانس 25 هرتز و 7/3 کیلو ولت با فرکانس – 16 استفاده می شود.

در کشورهای ایتالیا، بلژیک، برزیل و شیلی از ولتاژ 3000 ولت مستقیم برای قطارهای برقی استفاده می شود.

راه آهن برقی ژاپن قبل از دهه 1950 از ولتاژ 1500 ولت مستقیم استفاده می کرده است و بعد از دهه 1950 شبکه های 20 و 25 کیلو ولت با فرکانسهای 50 و 60 هرتز را به منظور سیستم تغذیه قطارهای برقی مورد بهره برداری قرار داده است.

در کشورهای فرانسه، انگلستان و هندوستان از ولتاژ 1500 ولت مستقیم و 25 کیلو ولت متناوب برای راهبری قطارهای برقی استفاده می گردد.

سیستم جریان مستقیم را با استفاده از تجهیزات تبدیل AC به DC در پستهای یک سو ساز ایجاد می گردد پس در سیستم جریان مستقیم سیستم متقارن است در صورتی که سیستم انتقال تک فاز جریان متناوب در شبکه ایجاد عدم تقارن می کند. در مقابل چون جریان برگشتی سیستم DC از طریق ریل می باشد با مشکلات ایزوله کردن آن و جریان نشستی که باعث خورندگی تأسیسات می گردد روبرو هستیم.

البته عدم تقارن سیستم های تک فاز متناوب را با روشهای تغییر فاز و اتصال اسکات تا حدودی برطرف می کنند.

اختلال در سیستم های مخابراتی توسط شبکه های AC بیشتر از خطوط DC می باشد که البته سعی می شود توسط بوستر ترانس و با اتوترانس جبران گردد.

افت ولتاژ در سیستم های DC از شبکه های AC بیشتر است سطح مقطع هادی ها به علت پائین بودن ولتاژ در DC از AC بیشتر است.

از نظر تجهیزات حفاظتی AC نسبت به DC ساده تر است و تشخیص جریان اتصال کوتاه در DC پیچیده تر است.

شبکه های سه فاز بندرت مورد بهره برداری قرار می گیرند فقط در مسافت خیلی کوتاه با استفاده از موتورهای آسنکرون در ایتالیا اجراء گردیده است.