חישמול מסילות רכבת
מערכת חישמול מסילות רכבת היא מערכת המספקת אנרגיה חשמלית להנעת ציוד רכבתי נייד כמו קטרים או קרונועים, כך שהציוד לא צריך לשאת עליו את הדלק הדרוש להנעתו. קיימות מערכות חישמול רבות ושונות, כל אחת נושאת יתרונות וחסרונות שונים.
תוכן עניינים |
יתרונות וחסרונות כלליים [עריכה]
היתרון העיקרי של רכבות חשמליות הוא ביחס משופר של כוח לעומת המשקל של המנועים, דבר המאפשר תאוצה טובה יותר ללא שימוש במנועים חזקים יותר. עם זאת התאוצה בפועל תלויה בהספק החשמלי שמערכת החישמול יכולה לספק לרכבת וכאשר פועלות מספר רכבות באותו אזור הן מתחלקות בהספק הכולל, דבר שיכול לפגוע ביכולת התאוצה שלהן. יתרונות אחרים של רכבות חשמליות כוללים היעדר פליטת גזים מזהמים מן המנוע (זאת להבדיל מפליטת מזהמים בתחנת הכוח בה מיוצר החשמל להנעתו) ומנועים שקטים יחסית שתחזוקתם פשוטה וזולה יותר. 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, רכבות חשמליות מזהמות פחות את הסביבה מרכבות המונעות בקטרי דיזל.
החסרונות העיקריים של מערכות חישמול מסילות רכבת טמונים בהשקעה הגדולה הכרוכה בהקמת מערכות אלה ובתחזוקתן. כדאיות מערכות חישמול פוחתת ככל שמסילת הרכבת ארוכה יותר ותנועת הרכבות עליה דלילה יותר. במסילות פרבריות, אשר לאורכן מספר רב של תחנות במרחק קצר והן עוברות בסביבה עירונית הרגישה לזיהום אוויר ולרעש, עולה כדאיות מערכת חישמול המסילה וברבות מן המדינות המערביות הותקנו מערכות חישמול במסילות אלה. גם מסילות ראשיות שעליהן תנועה רכבתית רבה חושמלו במדינות רבות. חיסרון נוסף הוא שכאשר רשת המסילות כוללת מסילות עם חישמול ומסילות ללא חישמול נוצרים אילוצים תפעוליים, שכן לא ניתן להפעיל ציוד חשמלי על מסילות ללא חישמול.
בתחנות רכבת ראשיות, עלול להיווצר מצב בו מספר רכבות יוצאות מהתחנה באותו זמן וההספק החשמלי של מערכת החישמול מתחלק ביניהן כך שתאוצתן נפגעת. מגבלה זו גם מונעת את הנעתן של רכבות משא כבדות על ידי מספר קטרים חשמליים המחוברים זה לזה, בעיה שלא קיימת בקטרי דיזל. כיום קיימים מנועי דיזל חזקים, חסכוניים, שקטים ובעלי פליטת מזהמים נמוכה, כך שיתרונות החישמול מצטמצמים ובאים לביטוי יתרונות ההנעה העצמית - אי תלות ברכבות אחרות או בתקלות ברשת החשמל הארצית.
סיווג [עריכה]
ניתן לסווג מערכות חישמול מסילות רכבת על פי שלושה מאפיינים:
- זרם הרשת
- הזרם ברשת עשו להיות זרם ישר (DC), או זרם חילופין (AC). כאשר החישמול נעשה בזרם חילופין נקבעת גם תדירות הזרם, הנמדדת בהרץ.
- מתח הרשת
- סוגי המתח המקובלים במערכות חישמול הם - 600, 750, 1200, 1500 ו-3000 וולט למערכות זרם ישר ו-3000, 6700, 11,000 ו-25,000 וולט 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 וקו חשמלי עילי.
זרם ישר [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. מערכות החישמול של מתח נמוך יותר הן באמצעות מסילת מגע חשמלי, 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 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, הן מגבילות את השימוש ברכבות במערכות מיזוג אויר. סיבה זו עשויה לתרום להעדפת מערכות הזנת כבלים עילית במתח גבוה ובזרם חילופין אף עבור מערכות רכבת קלה עירונית
מערכת חישמול עילית [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 1000 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.
פס שלישי [עריכה]
רוב מערכות החישמול עושות שימוש ברשת כבלים עילית, אולם עד למתח של כ-1000 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. השימוש בפס שלישי תופס פחות נפח סביב המסילה ולכן מתאים מאוד לשימוש במנהרות ומאפשר חציבת מנהרות רכבת צרות יותר. דבר זה מהווה גורם משמעותי בבחירת מערכת הזנה לרכבות תחתיות, שם גם בדרך כלל אין גישה של הולכי רגל אל המסילות.
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. מערכות מסוימות השתמשו בפס שלישי שקוע בחריץ צר ועמוק, כך שלא ניתן להגיע אליו בקלות, בעוד שמשטח המגע של הרכבת מוקם בקצה מוט ארוך שנכנס לחריץ ואיפשר את אספקת הכוח. באופן הזה נמנע השימוש במערכת של כבלים עיליים ועמודים הפוגעים במראה הרחוב.
פס רביעי [עריכה]
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 [עריכה]
הזנת רכבות בזרם חילופין מתבצעת רק במערכת חישמול עילית.
היתרון העיקרי של זרם חילופין הוא היכולת 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.
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 בעבר להשתמש בזרם חילופין בעל תדירות נמוכה יחסית בהשוואה לזרם החילופין ברשת הארצית. אפשרות אחרת היא שימוש במיישר זרם ומנועי זרם ישר. התדירויות בהן משתמשים בפועל נעות בין 12.5 הרץ ל-60 הרץ.
תדירות נמוכה [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 בתחנות ההזנה של רשת החשמל המסילתית באמצעות גנרטורים המופעלים בחשמל מרשת החשמל הארצית. 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. בבריטניה רוב המערכות העובדות בתדירות נמוכה משתמשות במתח של 6700 וולט ובתדירות של 25 הרץ.
מערכות רב פאזיות [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 [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.
