...............صدر المجلد الأول من موسوعة الآثار في سورية...............ترقبو صدور المجلد الأول من موسوعة العلوم والتقانة ...............صدور المجلد الأول من موسوعة الآثار في سورية...............صدور المجلد الثاني عشر من الموسوعة الطبية المتخصصة بعنوان الأمراض العصبية ...............المدير العام لهيئة الموسوعة العربية الأستاذ الدكتور محمود السيد...............صدر المجلد الحادي عشر من الموسوعة الطبية المتخصصة ويتضمن أمراض الرأس ...............صدر المجلد العاشر من الموسوعة الطبية المتخصصة وهو بعنوان: الأمراض النَّفسيّة ...............إلى زوار موقع هيئة الموسوعة العربية الكرام، نلفت عنايتكم إلى أنه لا يوجد حساب لهيئة الموسوعة العربية على أي من مواقع التواصل الاجتماعي...............صدر المجلد السابع والأخير من الموسوعة القانونية المتخصصة ...............دور النشر والمكتبات المعتمدة لتوزيع الموسوعة العربية

المجلد السادس عشر >> العلوم التطبيقية>> التقنيات (التكنولوجية) >> كهربة السكك الحديدية

كهربة السكك الحديدية -- --

كهربة السكك الحديدية

 

ظهرت فكرة كهربة السكك الحديدية منذ بداية القرن العشرين عندما عممت شبكات الكهرباء على مستوى المدن والأقاليم التي كانت تسير عليها قطارات مؤلفة من عربات تجرها قاطرات تعمل على الفحم الحجري. ومع استخدام وقود الديزل في وسائط الجر بدأت تصنع قاطرات تعمل على نظام هجين (ديزل- كهرباء) مازالت تعمل حتى اليوم. وطرأت عليها بعد ذلك تحسينات كبيرة استخدمت الدارات الإلكترونية في تصميماتها، وازدادت سرعة القطارات التي تجرها تلك القاطرات الكهربائية وأدى توفر الكهرباء على نطاق واسع وكونها مصدر طاقة نظيفاً غير ملوث للبيئة إلى تصميم قاطرات كهربائية صرف لجر قطارات الركاب والبضائع مسافات طويلة، وكذلك تصميم وإنشاء حافلات الترام وقطارات الأنفاق التي تسير على سكك حديدية داخل المدن، إضافة إلى ظهور الباصات الكهربائية (التروللي باص) في شوارع المدن.

تتسبب وسائط النقل التي تعتمد على محركات الاحتراق الداخلي في زيادة نسب التلوث في البيئات التي تستخدمها، ويدعو ذلك إلى ضرورة التحول إلى استخدام الطاقة الكهربائية مصدراً نظيفاً لتغذية شبكات الجر الكهربائي للسكك الحديدية.

منظومة الجر الكهربائي في السكك الحديدية

وهي تتألف من المكونات الآتية:

الشكل (1)

قاطرة الجر الكهربائي

القاطرات الكهربائية:

لا تختلف القاطرة الكهربائية locomotive من حيث الشكل والمظهر عن قاطرات الديزل المكهربة، وكلا النوعين يشتمل على محركات جر كهربائية (الشكل1)، ولكن مصدر التغذية لكليهما مختلف. ففي قاطرة (الديزل- المكهربة) تقوم مجموعة التوليد التي يديرها محرك ديزل بتغذية محركات الجر الكهربائية، في حين يتم تغذية محركات القاطرة الكهربائية من مأخذ منزلق pantograph يحصل على الطاقة من خط تغذية علوي أحادي الطور عادة. ويتم التحكم بالسرعة عن طريق مبدلات ثايريستورية تقوم بتحويل توتر التغذية أحادي الطور إلى توتر ثلاثي الطور متغير الجهد والتردد بطريقة VVVF وذلك للتحكم بسرعة محركات الجر. وتركب محولات الجر الخافضة للتوتر ضمن القاطرة (الشكل1).

 

الجدول (1)

المواصفات الفنية لبعض القطارات الكهربائية

تستطيع المحركات المستخدمة في القاطرات الكهربائية تحقيق سرعات كبيرة قد تزيد على 300 كم/ساعة للقطارات التي تجرها بالمقارنة مع القطارات التقليدية (الجدول1).

القطارات الكهربائية متعددة الوحدات

يتألف نظام الجر الحديث من عربة قاطرة وعربات مقطورة مع قاطرة طرفية. وتحتوي كل قاطرة إضافية طرفية على محركات جر كهربائية. في حين تكون العربات المقطورة خالية من محركات الجر ومجهزة بكوابح تعمل في حالة الطوارئ (الشكلان2 و3). ويبين الجدول (1) بعض المواصفات الفنية لقطار كهربائي.

 

الشكل (2)

القطارات الكهربائية متعددة الوحدات

 

الشكل (3)

مخطط المقاعد والخدمات في القطارات متعددة الوحدات

يراوح عدد مقاعد القطارات الكهربائية بين 360 و760 راكباً، وتراوح أطوالها بين 200-400م، والحمولة المركبة على كل محور بين 14-20 طناً. أما استطاعة الجر الكهربائية لهذه القطارات فتقع بين 5 -10ميغاوات وتعمل هذه القطارات بتوترات وترددات مختلفة. فمنها ما يعمل على تيار متناوب بتوتر 15 كيلو ڤولط وتردد 16.7 هرتز، ومنها ما يعمل على تيار متناوب بتوتر 25 كيلو ڤولط وتردد 50 هرتز، ومنها ما يعمل على تيار مستمر بتوتر 1500 ڤولط وبعضها يعمل على تيار مستمر 3000 ڤولط، ويمكن أن تصمم قطارات تعمل على توتر تيار متناوب وتوتر تيار مستمر.

نظم التغذية الكهربائية:

تطورت نظم التغذية الكهربائية في مئة عام من التجربة العالمية للخطوط الحديدية لتواكب التطور التقني والتقدم العلمي، وتعددت أنواع خطوط التغذية والتوترات والترددات المستخدمة في الجر الكهربائي:

أ- أنواع خطوط التغذية  التي تعمل عليها:

إن جميع هذه الخطوط تتغذى بالطاقة الكهربائية من محطات تحويل ومحولات جر. وتتغذى محطات التحويل من خطوط التوتر العالي أو المتوسط أو من محطات توليد مخصصة للجر الكهربائي، وتكون خطوط التغذية أحادية عامة وتؤدي السكة نفسها دور القطب الآخر أو الحيادي، ويكون مؤرّضاً لتوفير الحماية المطلوبة.

ويبين الشكل 4 مخططاً لطرائق وصل خطوط التغذية الكهربائية بالتيار المستمر 1500 ڤولط أو تيار متناوب أحادي الطور بتوتر 25 كيلو ڤولط. وهذه الخطوط بغالبيتها علوية تنزلق عليها مآخذ القطار الكهربائي.

 

الشكل (4)

المخطط الكهربائي للتغذية بالتيار المستمر 1500V DC وتيار متناوب 25KV-50HZ

وقد تكون سفلية في بعض الأحيان على شكل ما يسمى السكة  الثالثة.

ويبين الشكل 5 مقطعاً لهذه السكة التي تكون أعلى بقليل من سكك القطار، وتكون محمية ومعزولة تماماً. وغالبية قطارات مترو الأنفاق تتغذى بهذه الطريقة ويجري فيها تيار مستمر عادة.

أما الشكل 6 فيبين طرائق التغذية الكهربائية بالتيار المتناوب فقط بوساطة خط علوي وهو مخصص أساساً لقطارات الضواحي وبين المدن.

 

الشكل (5)

مخطط السكة الثالثة للتغذية الكهربائية

 

الشكل (6)

المخططات الكهربائية للتغذية بالتيار المتناوب الخاصة بقطارات الضواحي وبين المدن

ب ـ التوترات التي تعمل عليها خطوط التغذية الكهربائية

تتغذى خطوط التغذية العلوية بتيار متناوب أحادي الطور وأيضاً بتيار مستمر. ويبين الجدول (2) أهم التوترات والترددات التي تعمل عليها خطوط التيار المتناوب.

ولما كان عمر قطارات الجر يمتد عشرات السنين فإن جميع  التوترات والترددات الواردة في الجدول (2) ما زالت تعمل حتى هذا اليوم ومازالت تقنيتها تُجدد باستمرار.

 

 

التوتر

التردد

1 m11 - 25 KV m 16.66 Hz
2 m 20 KV m 50 Hzأو m 60 Hz
3 m 1 X 25 KV m 50 Hzأو m 60 Hz
4 m 2 X 25 KV m 50 Hzأو m 60 Hz
5 m 2 X 25 KV m 100 - 400Hz

KV = كيلو ولط   Hz= هرتز

الجدول (2)

أهم التوترات والترددات التي تعمل عليها خطوط التيار المتناوب

والجدير بالذكر أن الفئة الأولى في الجدول (2) تنتمي إلى خطوط جر قديمة نسـبياً حيث حقق التردد 16.66 هرتز عزوماً كبيرة لمحركات التيار المتناوب التحريضية وما زالت تستخدم في ألمانيا والسويد.

أما الفئة الثالثة أي: m1X 25 KV و m50 HZ فهي الأكثر انتشاراً في العالم وهي تغذي المحركات التحريضية ذات القفص السنجابي عن طريق مبدلات إلكترونية متغيرة التوتر والتردد بطريقة VVVF.

ومن أجل تحقيق سرعات كبيرة تفوق 300 كم/س استخدمت الفئة الخامسة التي تغذي محركات تحريضية خطية تجر قطارات كهربائية أو قطارات معلقة أو محمولة على وسائد مغنطيسية، وأشهر هذه التطبيقات القطار المسمى ماغليف.

ويبين الجدول (3) أنواع التوترات ذات التيار المستمر التي تغذي قطارات المترو وحافلات الترام الكهربائية بتيار مستمر.

تغذي الفئات الأربع الأولى من الجدول (3) محركات تيار مستمر  ذات تهييج تسلسلي أو مختلط. كما يتم التحكم بهذه المحركات في الأنواع الحديثة عن طريق مقطعات جهد ثايريستورية choppers.

 

 

توتر التيار المستمر

مجال الاستخدام

ملاحظات

1

m650 V

          حافلات الترام

خط علوي أحادي

2

m750 V 

            تروللي باص

خط علوي ثنائي

3

m750 V

مترو أنفاق

خط علوي أحادي

4

m750 V

مترو أنفاق

سكة ثالثة

5

m1500 V

قطارات كهربائية ومترو أنفاق

خط علوي أحادي أو سكة ثالثة

6

m3000 V

قطارات كهربائية ومترو أنفاق

خط علوي أحادي أو سكة ثالثة

الجدول (3)

أنواع التوترات التي تغذي القطارات بتيار مستمر

أما في الفئة الخامسة فيتم تحويل جهد التيار المستمر إلى جهد متناوب ثلاثي الطور ضمن القطار الكهربائي أو قطار مترو الأنفاق، وذلك عن طريق مبدلات إلكترونية تغذي بدورها محركات تحريضية ثلاثية الطور، وهذه الفئة هي الأحدث في العالم.

محركات الجر ونظم قيادتها الكهربائية:

أ- محركات التيار المستمر:

أدت المحركات الكهربائية ذات التهييج التسلسلي أو المختلط دوراً مهماً في القطارات التي تتغذى بالتيار المستمر، ومازالت تعمل حتى اليوم في جر حافلات الترام والباصات الكهربائية (التروللي باص)، إضافة إلى قطارات المترو.  

ب - محركات التيار المتناوب:

تتميز المحركات التحريضية ثلاثية الطور ببساطة تصميمها ورخص ثمنها ووثوقيتها العالية بالمقارنة مع الأنواع الأخرى من المحركات الكهربائية؛ لذلك شاع استخدامها في القطارات الكهربائية وقطارات الديزل- الكهربائية. إلا أن أهم مساوئها عزم إقلاع محدود بالمقارنة مع محركات التيار المستمر التسلسلية؛ لذلك تتم تغذية القطارات الكهربائية بتوتر متناوب ذي تردد 16.66هرتز بدلاً من التردد النظامي للشبكات الكهربائية. إلا أن ظهور المبدلات الإلكترونية وخاصة المبدلات الثايريستورية أتاح إمكانية التحكم بتردد التغذية النظامي وهو 50 هرتز وبالجهد في آن واحد؛ مما أدى إلى انحسار تغذية القطارات بتردد 16.66 هرتز  منذ السبعينيات من القرن العشرين.

كذلك شاع استخدام التوتر الأحادي الطور 25 كيلو فولط  بتردد50 هرتز  أو 60 هرتز،  وركبت في القطارات محولات جر خافضة للتوتر، ومبدلات ثايريستورية تغذي المحركات التحريضية بتوتر وتردد متغيرين.

ج - المحركات التحريضية الخطية:

لتحقيق سرعات تفوق 300 كيلو متر في الساعة، والتي وصلت تطبيقاتها في اليابان وألمانيا إلى 500 كيلومتر في الساعة، تم استخدام المحركات التحريضية الخطية التي حلت محل المحركات التحريضية الدوارة، حيث يتم وضع ملف الثابت على جسم القطار، وصممت السكة لتقوم بعمل ملف الدائر مما أدى إلى تحقيق سرعات كبيرة.

التجربة العربية والعالمية:

أ ـ التجربة العربية:

أنجزت جمهورية مصر العربية خطين من خطوط مترو الأنفاق في القاهرة، وتسعى إلى متابعة خططها بإنشاء ستة خطوط في السنوات القادمة لنقل 6 ملايين راكب يومياً. كما تسعى حالياً إلى كهربة خط قطارات القاهرة - الإسكندرية.

وفي تونس العاصمة تم إنشاء شبكة للمترو الخفيف، وهو في معظم أجزائه خطوط سطحية محجوزة من طرفيها وفي جزء منها خطوط تحت الأرض.

ب ـ التجربة العالمية:

يبين الجدول 4 ملخصاً عن السكك الحديدية المكهربة في العالم وأطوالها والتوترات والترددات التي تعمل عليها حتى عام 1998، حيث تجاوزت أطوال خطوط الجر الكهربائي الحديدية 230.000كم، منها نحو 100000كم تعمل على التيار المستمر، وتغذي غالبيتها خطوط مترو الأنفاق على توتر 150 فولطاً تيار مستمر، إضافة إلى توتر 3000 فولط التي تنفرد بها روسيا أساساً.

 

 

اليابان

نظام التغذية الكهربائية

الدول الرئيسية

٪

كم

٪

كم

ألمانيا، المملكة المتحدة، سويسرا، الولايات المتحدة

2

5.106

5

915

أقل من 1.500 فولط

 

 

 

تيار مستمر

فرنسا، إسبانيا، هولندا، أستراليا

9

22.238

61

10.484

1.500-3000 فولط (غالباً 1500 فولط)

روسيا، بولندا، إيطاليا، إسبانيا، جنوب إفريقيا

33

78.276

 

 

3000 فولط أو أكثر (غالباً 3000 فولط)

فرنسا

0

245

 

 

أقل من 20 كيلو فولط

 

 

 

50-60 هرتز

 

 

 

 

 

تيار متناوب أحادي الطور

 فرنسا، الولايات المتحدة

2

3.741

22

3.741

20 كيلو فولط

روسيا، فرنسا، رومانيا، الهند، الصين

36

84.376

12

2.037

25 كيلو فولط

الولايات المتحدة، كندا، جنوب إفريقيا

0

1.173

 

 

50 كيلو فولط

الولايات المتحدة، أستراليا النروج

1

1.496

 

 

25 هرتز -11 كيلو فولط وحتى 13 كيلو فولط

سويسرا

0

120

 

 

11 كيلو فولط

 

16.66 هرتز

ألمانيا، السويد، سويسرا

15

35.461

 

 

15 كيلو فولط

سويسرا، فرنسا

0

43

0

30

تيار متناوب ثلاثي الطور

كازخستان، فرنسا

2

3.668

 

 

غير معروف

المجموع

100

235.816

100

17.207

 

 

 

الجدول (4)

مواصفات السكك الحديدية المكهربة في عدد من البلدان (1998)

كذلك يبين الجدول (4) أن خطوط القطارات الكهربائية التي تعمل على توتر أحادي الطور 1 × 25 كيلوفولط وتردد 50 هرتز تجاوزت أطوالها 130.000 كم.

كمال ناجي

الموضوعات ذات الصلة:

توزيع الكهرباء (شبكات-) ـ الحافلة الكهربائية ـ القطار ـ المحرك الكهربائي ـ محطات توليد الطاقة الكهربائية.

مراجع للاستزادة:

ـ كمال ناجي، أنواع القطارات الكهربائية الحديثة في الخطوط الحديدية (منتدى تطوير وربط شبكات المواصلات في الوطن العربي، حلب 2003).     

- JPBMU REPORT, 25 KV Electrification Project of EMU Passenger Rail Cars  (Tokyo 2000).

- ADTRANZ, Configuration of the Latest Development ICE3  Train Set (Berlin  1998).

- YASU OURA and others, Railway Electric Power Feeding Systems (Japan 1998).

- ALEX LU, The Electric Engine (England 2003).

- E. PILO, A. HERNANDCZ & A.XELILLA, Simulation Tool for Design of Electrical Supply System (Spain 2003).



رقم صفحه البحث ضمن المجلد:456