آشنایی با سیستم راه‌آهن برقی

وبلاگ تین نیوز | نخستین راه‌آهن برقی در سال 1890 میلادی در انگلستان بنا گردید یعنی درست بیش از یك قرن از عمر آن می‌گذرد. مسلماً شما با راه‌آهن برقی آشنا بوده و نكاتی نیز درباره آن می‌دانید، اما بی‌تردید از سیستم كار آن آگاهی زیادی ندارید. لذا تصمیم گرفتیم تا بیانی ساده با راه آهن برقی آشنا نماییم تا بدینوسیله در جهت آگاهی و شناخت هرچه بیشتر علاقمندان به برقی شدن راه‌آهن و چگونگی سیستم برقی در راه آهن‌ها گاهی موثر برداشته باشیم. 

راه آهن برقی چیست؟ 
راه آهن برقی راه آهنی است كه در آن قطارها برای حركت به سوخت احتیاجی ندارند و فقط با انرژی الكتریكی كار می كنند. هر راه آهن برقی سه بخش اساسی دارد. 
الف)منبع برق ب)لكوموتیو یا واگن برقی
ج)مدار تغذیه الكتریكی 

منبع برق(پست كشش): 
منبع برق در راه آهن برقی عبارت است از پست برق بوده كه از یك نیروگاه و یا از شبكه سرتاسری برق نیروی برق را با ولتاژ و توان یعنی دریافت كرده و آن را با یك ولتاژ دیگری به مدار تغذیه قطارهای برقی می‌دهد اگر طول راه آهن برقی بیشتر باشد، چندین پست برق در مسیر ساخته می‌شود. پست برق راه آهن برقی را «پست كشش» می‌گویند. 

لكوموتیو برقی:
لكوموتیو برقی لكوموتیوی است كه الكترو موتورهای محركه آن انرژی الكتریكی خود را به جای گرفتن از دیزل ژنراتور داخل لكوموتیو(در لكوموتیوهای غیر برقی) از یك مدار الكتریكی نصب شده در بیرون از لكوموتیو برقی دریافت می‌كنند. در لكوموتیو برقی الكترو موتورهای محركه از یك سر به چرخ‌ها و از سر دیگر به دستگاهی به نام «پانتوگراف» بسته می‌شوند.
پانتوگراف دستگاهی است كه در زیر یا بالای لكوموتیو برقی قرار داشته و در هر سرعت قطار می‌تواند اتصال الكتریكی خود را با یك هادی یا سیم برق نگه داشته و از آن جدا نشود. چرخ‌ها و پانتوگراف لكوموتیو برقی با اتصال به مدار تغذیه می‌توانند انرژی الكتریكی را در هر سرعت دریافت دارند. 

مدار تغذیه الكتریكی: 
مدار تغذیه راه‌آهن برقی مانند هر مدار تغذیه الكتریكی دیگر از دو هادی جدا از هم درست می‌شود. از نخستین راه‌‌آهن‌های برقی یكی از این هادیها را دو ریل اصلی راه‌آهن و هادی دیگر آن را یك ریل سوم كه در كنار ریل‌های اصلی كشیده می‌شود درست می‌كرد. «ریل‌های اصلی» و «ریل دوم» به عنوان مدار تغذیه الكتریكی راه آهن برقی به منبع برقی یعنی«پست كشش» وصل می‌گردد. با قرار گرفتن چرخ‌های لكوموتیو برقی بر روی ریل‌های اصلی و پانتوگراف بر روی ریل سوم مدار برقرار می‌شود و بدین گونه لكوموتیو برقی انرژی الكتریكی خود را از طریق مدار تغذیه از پست كشش دریافت می‌كند. 
در راه آهن برقی مدار تغذیه الكتریكی را«خط كنتاكت» می‌گویند و هر خط كنتاكت برای ولتاژ و جریان الكتریكی معین ساخته می‌شود. شكل زیر سیستم ساده شده راه آهن برقی را نشان می‌دهد كه خط كنتاكت آن از نوع ریل سوم است.
خط كنتاك:
دانیم كه در راه آهن به ریل‌های اصلی«خط حركت» می‌گویند. در راه آهن برقی به ریل سوم و یا هر هادی كه پانتوگراف در اتصال با آ‌ن باشد«خط كنتاكت» می‌گویند. در خط كنتاكت ریل سوم با افزایش ترافیك قطارها«جریان الكتریكی» مدار زیادتر شده و باید با پست‌های كشش در فواصل كوتاهتر از همدیگر نصب می‌شوند و یا«سطح ولتاژ» مدار بالاتر انتخاب گردد. كوتاهتر شدن فواصل پست‌های كشش تعداد آنها را افزایش داده و اقتصادی نخواهد بود و مشكل بالا بردن سطح ولتاژ مدار آن است كه چون ریل سوم بر روی زمین گسترده می‌شود و در دسترس عموم قرار داشته و ولتاژ آن برای جان افراد خطرناك است در تلاش برای حل این مشكل به جای ریل سوم«سیم كشی هوایی» در بالای محور ریل‌های اصلی ابداع گردید و خط كنتاكت ریل سوم به خط كتناكت هوایی تبدیل شده و «خط كنتاكت بالاسری» نامیده شد برای سیم كشی خط كنتاكت بالاسری در بالای محور ریل‌ها«تیرهایی» در كنار ریل‌ها و در فواصل معین نصب شده و «بازوهایی» به آنها متصل می‌شوند تا خط كنتاكت بالاسری را درست در بالای محور ریل‌ها نگه دارند در اینجا «خط كنتاكت بالاسری» همراه با«ریل‌های اصلی» مولد تغذیه قطارهای برقی را نشان می‌دهد كه خط كنتاكت آن از نوع بالاسری است چنانكه در شكل شماره ... دیده می‌شود در خط كنتاكت بالاسری، پانتوگراف لكوموتیو برقی در سقف آن قرار دارد و برای دریافت انرژی الكتریكی به سیم كنتاكت بالاسری اتصال می‌یابد. با ابداع خط كنتاكت بالاسری، توان مدار و ولتاژ مدار به هر انداز‌ه‌ای قابل افزایش بوده و این كار زمینه‌ای برای برقی شدن راه‌آهن‌های طولانی گردید. با پیشرفت برقی شدن راه‌آهن ها، «خط كنتاكت ریل سوم» و در راه آهن های زیرزمینی (مترو) و «خط كنتاكت بالاسری»در راه آهن های شهری و بین شهری به كار می‌رفت زیرا راه‌آهن های زیرزمینی«خط كنتاكت در دسترس عموم قرار نداشت. بدین ترتیب پیشرفت برقی شدن راه‌آهن از نطر مدار الكتریكی تغذیه به دو سیستم اساسی «خط كنتاكت ریل سوم» و «خط كنتاكت بالاسری» منجر گردیده است. كشور ایران نخستین راه‌آهن برقی خود را در سال 1361 شمسی در مسیر تبریز- مرند- جلفا به طول km146 مورد بهره‌برداری قرار داد. این راه‌آهن برقی با سیستم خط كنتاكت بالاسری ساخته شده است هم اكنون بیش از پنجاه كشور جهان دارای راه‌آهن برقی بوده كه آمار ان در جدول شماره نشان داده شده است در این جدول طول راه‌آهن برقی و طول كل راه‌آهن هر كشور همراه با درصد راه‌آهن برقی شده نسبت به كل راه آهن درج گردیده است یادآوری می‌شود كه در این جدول نام كشورها برحسب طول راه‌آهن‌های برقی شده آنها مرتب شده است. 

لغات فنی متن
1-سیستم راه آهن برقی:
1.ELECTRIC TRACTION SYSTEM
2-راه آهن برقی شده:
ELECTRIFIED RAILWAY
3-منبع برق:
POWER SUPPLY
4-لكوموتیو برقی:
4.ELECTRIC LOCOMOTIVE
5-واگن برقی:
5.ELECTRO MOTIVE UNIT(EMU)
6-مدار تغذیه الكتریكی:
6.FEEDING CIRCUIT
7-نیروگاه:
7.POWER STATION
8-شبكه برق سرتاسری:
8.TRANSMISSION LINE
9-پست كشش:
9.TRACTION SUBSTATION
10-موتور محركه:
10.TRACTION MOTOR
11-پانتوگراف:
11.PANTOGRAPH
12-اتصال الكتریكی:
12.CONTACT
13-هادی:
13.CONDUCTOR
14-ریل‌های اصلی:
14.MAIN RAILS
15-ریل سوم:
15.3RD RAIL
16-خط كنتاكت:
16.CONTACT LINE
17-سطح ولتاژ:
17.VOL TAGE LEVEL
18-خط كنتاكت ریل سوم:
8.3RD RAIL CONTACT LINE
19-خط كنتاكت بالاسری:
19.OVERHEAD CONTACT LINE
20-تیر برق:
20.SUPPORt k(pole)
21-بازوی نگهدارنده:
21.CANTILEVER 

مقایسه بین لیست‌های DC و AC
1-موتورهای سری DC نسبت به موتورهای سری AC هم اندازه دارای گشتاور ، حركت بیشتری دارند. بنابراین موتورهای سری DC، قادر به دادن شتاب حركت بالایی نسبت به موتورهای سری AC می‌باشند.
2-سرعت‌های موتورهای سریDC بجز در حالت كنترل (CHOPPER) محدود بوده، در صورتی كه در موتورهای سری AC، با استفاده از متد كنترل (TAP-CHANGING) دستیابی به سرعت‌های زیاد ممكن خواهد بود.
3-موتورهای سری DC نسبت به موتورهای سری AC هم قدرت سبكتر و ارزان‌تر بوده و دارای راندمان بالاتر و نیاز تعمیراتی كمتری می‌باشند.
4-ترمز- بازیاب(REGENRATIVE) كه دارای اهمیت ویژه‌ای در لكوموتیوهای برقی است، در سیستمDC،خیلی پیچیده‌تر از سیستم AC است.
5-در سیستم AC، نسبت به DC تدابیر ویژه‌ای برای مسیر جریان برگشت نیاز است. این كار به خاطر زیاد بودن امپدانس شبكه در سیستم AC است.
6-تعداد پست‌های كشش مورد نیاز در خطوط آهن برقی با سیستم AC كمتر از سیستم DC است.
7-سیستم شبكه كنتاكت بالاسری در AC نسبت به DC خیلی سبك‌تر و ارزان‌تر است
8-سیستم AC، اثرات تداخلی فراهم و شدیدتری نسبت به سیستم DC بر روی خطوط ارتباطات و علائم می‌گذارد.
9-سیستم ریل سوم برای برقی كردن راه آهن كه ارزان‌تر است با سیستم DC خیلی عملی تر از سیستم AC است.
در سرویس‌های راه‌آهن شهری و حومه شهری ، چون ایستگاه‌ها خیلی نزدیك هم هستند، داشتن سیستم برقی كه راه آهن همواره دارای شتاب- حركت و شتاب – ترمز زیادی باشد ، یك امر ضروری است. بنابراین برای چنین سرویس‌های راه آهن همواره سیستم DC خیلی زیاد اولیه برقی كردن بویژه در خطوط پر از ترافیك نمی‌تواند غیر اقتصادی باشد.
در سرویس خطوط آهن بین شهری (خطوط اصلی) چون فاصله بین ایستگاه‌ها زیاد است، چیزی كه اهمیت زیاد دارد، تغییر سرعت است نه شتاب حركت و شتاب- ترمز ، علاوه بر این در خطوط بین شهری زیاد نبوده و صرفه‌جویی در هزینه‌های اولیه برقی كردن و هزینه‌های اولیه برقی كردن و هزینه‌های سیستم‌های كششی از اهمیت بیشتری برخوردار می‌باشند.