חישמול מסילות רכבת

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
מערכת חישמול מסילות רכבת עם קווי חשמל עיליים בשבדיה

מערכת חישמול מסילות רכבת היא מערכת המספקת אנרגיה חשמלית להנעת ציוד רכבתי נייד כמו קטרים או קרונועים, כך שהציוד לא צריך לשאת עליו דלק ומנוע בעירה פנימית לשם הנעתו. קיימות מערכות חישמול רבות ושונות, כל אחת נושאת יתרונות וחסרונות שונים.

יתרונות וחסרונות כלליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

היתרון העיקרי‏[1] של רכבות חשמליות הוא בצריכת האנרגיה הנמוכה יותר בהשוואה להנעה בדיזל, עקב היכולת להחזיר אנרגיה למערכת בעת בלימה, היעילות הגבוהה יותר של ההנעה החשמלית והחסכון במשקל בזכות היעדר הצורך לשאת את מקור האנרגיה. יתרונות אחרים של רכבות חשמליות ביחס לרכבות הדיזל הם: פעילות שקטה, זמינות גבוהה ותחזוקה זולה. יתרון סביבתי חשוב הוא היעדר פליטת גזים מזהמים מן המנוע (אמנם בתחנת הכוח שפועלת על דלקים פוסילים גם נוצר זיהום אך הוא ניתן לסינון והפחתה ביעילות ונפלט בגובה רב). השימוש בחשמל מאפשר גמישות של מקורות האנרגיה להנעת הרכבות ובארצות שבהן רוב האנרגיה החשמלית היא ממקורות "נקיים", כמו צרפת ואוסטריה, ואין צורך בשריפת דלקים לצורך הפקת חשמל.

החסרון הגדול של מערכות חישמול מסילות רכבת היא ההשקעה הראשונית בהקמת המערכת ובתחזוקתה, ולכן אין כדאיות כלכלית למערכת חישמול למסילה שתנועת הרכבות עליה דלילה.

סיווג[עריכת קוד מקור | עריכה]

הבזק חשמלי במערכת חישמול עם מסילת מגע. הרכבת התחתית של לונדון

ניתן לסווג מערכות חישמול מסילות רכבת על פי שלושה מאפיינים:

זרם הרשת 
הזרם ברשת עשוי להיות זרם ישר (DC), או זרם חילופין (AC). כאשר החישמול נעשה בזרם חילופין נקבעת גם תדירות הזרם, הנמדדת בהרץ.
מתח הרשת 
סוגי המתח הנפוצים במערכות חישמול הם - 600, 750, 1500 ו-3000 וולט למערכות זרם ישר ו- 15,000 ו-25,000 וולט בתדירות של 16.7 ו-50 הרץ בהתאמה למערכות זרם חילופין.
מערכת המגע החשמלי 
מאפיין זה מתייחס לאופן שבו מועבר הזרם מקווי החישמול אל קטר הרכבת. קיימות שתי מערכות מגע עיקריות, מסילת מגע חשמלית וכבל חשמלי עילי.

זרם ישר[עריכת קוד מקור | עריכה]

במערכות חישמול הראשונות נעשה שימוש במנועי קטרים אשר צרכו מתח חשמלי נמוך יחסית בזרם ישר ואשר בוקרו בעזרת שילוב של נגדים ומפסקים אשר יצרו חיבור חשמלי מקביל או טורי למנוע.

סוגי המתח החשמלי הנפוצים ביותר למערכות רכבת קלה ורכבת תחתית הם 600 ו-750 וולט, ולרכבות 1500 ו-3000 וולט. המתח מסופק על ידי מסילת מגע או כבל עילי, אולם חשמל במתח מעל 1000 וולט בדרך כלל מסופק במערכת קו עילי, זאת מסיבות בטיחות.

מערכות זרם ישר הן פשוטות יחסית, אולם לצורך אספקת הזרם נדרשים כבלים עבים ויקרים ומרחקים קצרים בין תחנות הזנה, כמו כן הן סובלות מהפסדי אנרגיה משמעותיים עקב זליגה. בבריטניה הזרם המקסימלי שיכול קטר להפיק ממערכת במתח של 750 וולט, הוא 6,800 אמפר. תחנות ההזנה למערכת זרם ישר דורשות ניטור מתמיד ובמערכות חישמול רבות לא ניתן להפעיל יותר מרכבת אחת בקטע שבין שתי תחנות הזנה. המרחק שבין שתי תחנות הזנה במתח של 3000 וולט הוא כ-25 ק"מ.

מערכות זרם ישר במתח של 1500 וולט נמצאות בשימוש בהולנד, יפן, אירלנד, בחלקים מאוסטרליה וצרפת ובעיר ולינגטון בניו זילנד. בארצות הברית קיימות מערכות חישמול במתח 1500 וולט באזור המטרופוליני של שיקגו. בסלובקיה קיימת מערכת במתח זה בהרי הטטרה וכן בפורטוגל.

מערכות זרם ישר במתח של 3000 וולט נמצאות בשימוש בבלגיה, איטליה, ספרד, פולין, צפון צ'כיה, סלובקיה, סלובניה, מערב קרואטיה, דרום אפריקה ובמדינות ברית המועצות לשעבר.

מערכות חישמול בזרם ישר מוגבלות יחסית למתח נמוך ולכן מטילות מגבלות על גודל ומהירות הרכבות היכולות לנוע על המסילה. כמו כן, היכולת להחזיר את אנרגיה הבלימה למערכת דורשת השקעה נוספת בתשתית ההזנה. סיבות אלו גורמות כיום להעדפת זרם חילופין כמקור אנרגיה לרכבות שאינן רכבת תחתית או קלה.

מערכת חישמול עילית בשווייץ

מערכת חישמול עילית[עריכת קוד מקור | עריכה]

מערכת חישמול עילית מורכבת מכבל מתח חשמלי המתוח מעל המסילה ומאפשר אספקת חשמל לרכבות באופן בטוח יחסית, שכן כבלי המתח נמצאים בגובה שאינו מאפשר הגעה קלה אליהם או מגע מקרי, בדומה לקווי המתח של רשת החשמל הביתית. כאשר המתח הוא מעל 1500 וולט או כאשר מדובר ברכבת קלה הנעה ברחובות של עיר, מקובל להשתמש מערכת חישמול עילית. מערכת חישמול עילית מאפשרת גם נסיעה במהירויות גבוהות יותר לעומת השימוש בפס שלישי, שכן קל יותר להבטיח את רציפות המגע בין קו המתח ובין הפנטוגרף המעביר את זרם החשמל אל מערכות הקטר. החסרונות של מערכת עילית היא עלויות ההקמה והאחזקה הגבוהות יחסית והפגיעה בנוף שנגרמת מהעמודים ומהכבלים.

מכיוון שמערכות זרם ישר דורשות כבלים עבים וכבדים יחסית, השימוש בכבלים להעברת זרם ישר הוא פחות נפוץ ומשמש בעיקר רכבות קלות בתוך הערים. ניתן להפעיל ציוד נייד הפועל בזרם ישר במערכות חישמול עיליות הנושאות זרם חילופין באמצעות מיישר זרם המותקן בציוד הנייד והופך את זרם החילופין לזרם ישר. כאשר פועלים גם קטרי דיזל במסילות בעלות מערכת חישמול עילית עשוי להתעורר צורך בניקוי של כבלי המתח מהפיח הנפלט ממנועי הדיזל.

מערכת חישמול של פס שלישי בצד המסילה בתחתית של אמסטרדם

פס שלישי[עריכת קוד מקור | עריכה]

רוב מערכות החישמול עושות שימוש ברשת כבלים עילית, אולם עד למתח של כ-1500 וולט קיימת אפשרות אספקת זרם באמצעות מסילה הכוללת פס שלישי הנושא את המתח החשמלי, כאשר לציוד הנייד יש משטח מגע שנוגע בפס ויוצר חיבור בינו ובין ספק הכוח של המנועים. אף שניתן לספק באמצעות פס שלישי גם זרם חילופין, בפועל כל מערכות הפס השלישי עושות שימוש בזרם ישר כיוון שניתן לספק 41% יותר אנרגיה מאשר מערכות זרם חילופין באותו המתח. בעבר השימוש בפס שלישי חסך את המקום הנדרש מעל למסילה בשביל כבל עילי ולכן התאים מאוד לשימוש במנהרות ואפשר חציבת מנהרות רכבת נמוכות יותר. אמנם כיום קיימות מסילות מגע עליונות המאפשרות שימוש בכבל עליון המבטלות את יתרון זה.

קיימות מערכות פס שלישי בהן המגע החשמלי עם הרכבת הוא מעל המסילה, מתחתיה, או מצידה. מערכות שבהן המגע הוא מעל המסילה פחות בטיחותיות כיוון שהן חושפות לסכנת התחשמלות בני אדם ההולכים על המסילה. מסילות שבהן המגע החשמלי מצידן, או מתחתן, מכוסות בדרך כלל כיסוי מבודד לצורכי בטיחות, כדי למנוע תאונות התחשמלות. מסילות עם מגע חשמלי מעליהן חשופות אף להפרעות כתוצאה מקרח, שלג או עלים נופלים המצטברים על המסילה. המהירות המרבית האפשרית לרכבת במערכת פס שלישי היא כ-160 קמ"ש, כיוון שבמהירויות גבוהות יותר לא ניתן להבטיח מגע חשמלי רציף בין המסילה לקטר.

במערכות של רכבת קלה העוברת ברחובות, שימוש בפס שלישי לאורך המסילה עלול לסכן את הולכי הרגל ולכן מערכות אלו לרוב פועלות עם כבל הזנה עילי.

פס רביעי[עריכת קוד מקור | עריכה]

מערכת חישמול של פס רביעי בתחתית של לונדון

מערכות רכבת מעטות, בהן הרכבת התחתית של לונדון, משתמשות במסילה בת ארבעה פסים, בה שני פסים מספקים את המתח להפעלת הרכבות. הפס הנוסף משמש את הזרם החוזר מהרכבת במקום פסי הרכבת הרגילים במערכות פס שלישי או חשמל עילי. באופן הזה ניתן להשתמש במתח גבוה יחסית שמתחלק על שני הפסים, כך שכל אחד מהם נושא מתח יותר נמוך (למשל ברכבת התחתית של לונדון נושא פס אחד מתח של 420 וולט והשני 210- וולט, כך שמתח ההפעלה של הרכבת הוא 640 וולט). כמו כן, החזרת הזרם דרך פסי הרכבת ומהם לאדמה יוצר לפעמים בעיות במנהרות הרכבת, שכן הזרם עובר אל חיפוי המתכת של דפנות המנהרה ועלול לעבור ממנו אל צנרת המים והגז. השימוש בפס רביעי מונע בעיות מסוג זה.

זרם חילופין[עריכת קוד מקור | עריכה]

הזנת רכבות בזרם חילופין מתבצעת רק במערכת חישמול עילית.

היתרונות העיקרים של זרם חילופין הם ההזנה הפשוטה מרשת החשמל הארצית והיכולת לעבור בקלות ממתח נמוך למתח גבוה ולהפך באמצעות שנאים ללא הפסדי אנרגיה משמעותיים. באופן הזה ניתן להשתמש במתח גבוה במערכת כבלי אספקת המתח, כך שהפסדי האנרגיה כתוצאה מהתנגדות הכבלים פוחתים, ובציוד הנייד מורידים את המתח למתח הפעולה של המנועים ללא שימוש בנגדים הגורמים להפסדי אנרגיה. קיימות מערכות זרם חילופין החל ממתח של 3000 וולט ועד למתח של 25000 וולט. יתרון נוסף של מערכות זרם חילופין הוא השימוש של ציוד נייד הנוסע בירידה או בולם במנוע כגנרטור, שמספק זרם חשמלי בחזרה למערכת וכן מסייע בבלימת הרכבת.

כדי למנוע מצב של הפרש פאזה על כבל מתח המקבל חשמל מתחנות הזנה שונות, יוצרים הפרדה מוחלטת בין קטעים המקבלים את הזרם מתחנות שונות. ההפרדה מתבצעת באמצעות קטע כבל נייטרלי המבודד בשני קצותיו מהכבלים המחוברים לתחנות הזנה שונות ומוארק לאדמה כדי למנוע פריצת זרם דרכו.

בעבר הרחוק הבעיה המרכזית במנועי זרם חילופין היא שההשראות הגבוהה שנוצרת בסלילי המנוע גורמת להפרש פאזה גדול בין המתח והזרם ומפחיתה את ההספק של המנוע. על מנת להתמודד עם הבעיה העדיפו להשתמש בזרם חילופין בעל תדירות נמוכה יחסית בהשוואה לזרם החילופין ברשת הארצית או שימוש במיישר זרם ומנועי זרם ישר אולם עם התקדמות הטכנולוגיה הבעיה נפתרה ובמערכות חדשות נעשה שימוש בזרם חילופין בעל תדירות הזהה לרשת הארצית.

מערכת חישמול עילית בשווייץ

תדירות נמוכה[עריכת קוד מקור | עריכה]

חישמול המסילות במערכת של זרם חילופין בתדירות נמוכה מונע הזנה ישירה מהרשת הארצית ודורש שימוש בתחנות כוח ייעודיות לרשת החשמל המסילתית או שינוי תדירות הזרם באמצעות ממירים בין רשת החשמל הארצית לרשת המסילית . מערכות זרם חילופין במתח של 15000 וולט ובתדירות של 16.66-16.7 הרץ (שליש מתדירות הרשת הארצית) קיימות בגרמניה, אוסטריה, שווייץ, שבדיה ונורבגיה. בארצות הברית יש קווים המשתמשים במתח של 11000 וולט ובתדירות של 25 הרץ.

מערכת חישמול תלת פאזית בלה-רון, צרפת

מערכות רב פאזיות[עריכת קוד מקור | עריכה]

בעבר, כאשר לא היו מערכות זרם חילופין במתח גבוה, נעשה שימוש במערכות רב פאזיות (בדומה למנועים תלת-פאזיים של מזגנים או מיכון כבד) להנעת רכבות. מערכות אלו דרשו שימוש בשניים או שלושה כבלי מתח נפרדים ומבודדים היטב זה מזה ופנטוגרף מיוחד שכולל מגעים נפרדים לכל אחד מהכבלים. מערכות אלו היו בשימוש בעיקר באיטליה ובשווייץ, אך המורכבות שלהן הביאה להפסקת השימוש ברוב המקומות וכיום הן משמשות רק בקווים הרריים ספורים בברזיל, שווייץ וצרפת.

תדירות הרשת הארצית[עריכת קוד מקור | עריכה]

החל משנות ה-50 של המאה ה-20 עם הופעת שיפורים טכנולוגים שאיפשרו מנועים חשמליים חזקים שעובדים בזרם חילופין בתדירות של 50 הרץ, התחיל השימוש בתדירות הרשת הארצית של 50 הרץ לחישמול מסילות רכבת. כיום, תדירות זו עם מתח של 25000 וולט, הם השילוב הנפוץ ביותר בעולם לחישמול מסילות. שילוב זה נמצא בשימוש ברוב המדינות בהן יש רכבות המונעות בחשמל, בהן צרפת, בריטניה, אוסטרליה, הודו וסין. זהו גם השילוב המתוכנן לחישמול הרכבות בישראל. בארצות הברית משתמשים בתדירות הרשת של 60 הרץ, אך בקווים מסוימים המתח הוא 12500 וולט בלבד.

תולדות החשמול של הרכבת בישראל[עריכת קוד מקור | עריכה]

נכון ל-2014, אין עדיין רכבות הפועלות באמצעות חשמל בישראל למעט הרכבת הקלה בירושלים, ובמובנים מסוימים גם הכרמלית בחיפה. בשנת 1977 הוצע בכנס מהנדסי חשמל ואלקטרוניקה בישראל לחשמל את רכבת ישראל במתח של 25,000 וולט, 50 הרץ, אך רק בשנת 2014 אימצה רכבת ישראל את ההמלצה הזו. כחלק מתחילת יישום ההמלצה, בחודש יולי 2014, רכבת ישראל פרסמה מכרז לקניית קטרים חשמליים המוזנים במתח זה.

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]

ויקישיתוף מדיה וקבצים בנושא חישמול מסילות רכבת בוויקישיתוף

הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. ^ Zarko Filipovic, Elektrische Bahnen: Grundlagen, Triebfahrzeuge, Stromversorgung, pp 10–13, ISBN 3-540-21310-4 4. Aufl. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York