ระบบการจ่ายไฟฟ้าแก่ทางรถไฟ

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
หัวรถจักรไฟฟ้าในสวีเดนที่ใช้กระแสไฟฟ้าจากสายไฟระบบเหนือหัว

ระบบการจ่ายไฟฟ้าแก่ทางรถไฟ หรือ (อังกฤษ: Railway Electrification System) เป็นการจ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับรถไฟหรือรถราง เพื่อให้สามารถทำงานได้โดยไม่ต้องมีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าบนขบวน การจ่ายกระแสไฟฟ้ามีข้อดีเหนือกว่าระบบให้พลังงานอื่น ๆ ในการขับเคลื่อนหัวรถจักร แต่ต้องใช้เงินลงทุนอย่างมีนัยสำคัญสำหรับการติดตั้ง ในบทความนี้ "ระบบ" หมายถึงการกำหนดค่าทางเทคนิคและรายละเอียดทางเทคนิคที่ถูกพัฒนาขึ้น "เครือข่าย" หมายถึงขอบเขตทางภูมิศาสตร์ของระบบที่มีการติดตั้งจริงในสถานที่ติดตั้ง

ลักษณะของการใช้พลังงานไฟฟ้าของรถไฟ[แก้]

กระแสไฟฟ้าให้พลังงานฉุดรถไฟ ซึ่งอาจใช้หัวรถจักรไฟฟ้าเพื่อลากตู้ผู้โดยสารหรือตู้สัมภาระหรือเป็นรถไฟที่ประกอบด้วยตู้ที่มีเครื่องยนต์ไฟฟ้าหลายตู้ ที่ซึ่งแต่ละตู้โดยสารรับกระแสไฟฟ้าเพื่อขับเคลื่อนด้วยตัวเองโดยไม่ต้องพึ่งหัวรถจักร พลังงานจะถูกสร้างขึ้นในโรงผลิตเพื่อการพาณิชย์ขนาดใหญ่ที่ประสิทธิภาพในการใช้น้ำมันเชื้อเพลิงสามารถ optimize ได้ พลังงานไฟฟ้าจะถูกลำเลียงไปยังรถไฟตามสายส่งแล้วกระจายภายในเครือข่ายทางรถไฟไปให้รถไฟตามที่ต่างๆ โดยปกติจะมีระบบภายในในการจัดจำหน่ายการใช้พลังงานและการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าที่จัดการโดยการรถไฟเอง

พลังงานจะถูกถ่ายโอนไปยังรถไฟที่กำลังเคลื่อนที่โดยผ่านตัวนำไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องตลอดเวลาหรือเกือบตลอดเวลา ในกรณีที่ใช้ระบบการจ่ายเหนือศีรษะ มักจะเป็นลวดเปลือยแขวนลอยอยู่ในเสาเรียกว่า catenary ตัวรถไฟมีเสายึดติดตั้งอยู่บนหลังคาซึ่งรองรับแถบตัวนำยึดติดกับหน้าสัมผัสด้วยสปริงรวมทั้งหมดเรียกว่า pantograph รายละเอียดหาอ่านได้ใน การจ่ายไฟฟ้าระบบเหนือศีรษะ

ส่วนรางที่สาม และ รางที่สี่ หาอ่านได้จากบทความตามลิงก์นี้

เมื่อเทียบกับแรงฉุดดีเซล, ซึ่งเป็นระบบทางเลือกที่สำคัญ, การใช้พลังงานไฟฟ้าทำให้สามารถใช้น้ำมันเชื้อเพลิงได้อย่างมีประสิทธิภาพแม้จะยอมรับว่ามีการสูญเสียระหว่างการส่งผ่าน; มันสามารถให้พลังการลากสูงกว่า, ช่วยลดค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษา, ควบคุมง่ายและยังหลีกเลี่ยงการปล่อยสารพิษในเขตเมืองอีกด้วย บางระบบพลังจากระบบเบรกสามารถนำกลับมาใช้ได้อีก

ส่วนข้อเสียของการใช้ไฟฟ้าก็คือการที่ต้องใช้เงินลงทุนสูงในการสร้างระบบการกระจายพลังงาน, การไร้ความสามารถที่จะให้บริการราคาถูกไปยังเส้นทางที่มีการเดินทางน้อย, และขาดความยืดหยุ่นในกรณีที่เกิดการหยุดชะงักในเส้นทาง ความแตกต่างกันของมาตรฐานการจัดระบบไฟฟ้าในพื้นที่ติดกันทำให้ลำบากในการให้บริการต่อเนื่อง สายไฟฟ้าเหนือศีรษะอยู่ในระดับต่ำ ทำให้การเดินรถแบบสองชั้นทำได้ยาก

ระบบจ่ายไฟเหนือหัวไม่ได้เผื่อความสูงของสายไฟทำให้การขนส่งสองชั้นทำได้ยาก

การจัดหมวดหมู่[แก้]

สายความเร็วสูงในประเทศฝรั่งเศส, สเปน, อิตาลี, สหราชอาณาจักร, เนเธอร์แลนด์, เบลเยียมและตุรกีดำเนินงานต่ำกว่า 25 กิโลโวลต์เท่ากับสายส่งในอดีตสหภาพโซเวียต

ระบบการใช้พลังงานไฟฟ้าถูกจำแนกเป็นสามปัจจัยหลักดังนี้:

  1. แรงดันไฟฟ้า
  2. กระแส
    • กระแสตรง (DC)
    • กระแสสลับ (AC)
      • ความถี่
  3. ระบบหน้าสัมผัส
    • รางที่สาม
    • เหนือศีรษะ

แรงดันไฟฟ้าที่ได้มาตรฐาน[แก้]

แรงดันไฟฟ้าที่ใช้กันมากที่สุดมี 6 แรงดัน โดยได้รับการคัดเลือกสำหรับมาตรฐานยุโรปและต่างประเทศ แรงดันเหล่านี้เป็นอิสระจากระบบหน้าสัมผัสที่ใช้ ตัวอย่างเช่น 750 V DC อาจจะใช้กับรางที่สามหรือเหนือศีรษะ (รถรางปกติใช้เหนือศีรษะ)

มีหลายระบบแรงดันไฟฟ้าอื่น ๆ ที่ใช้สำหรับระบบรถไฟฟ้าทั่วโลกและรายการของระบบปัจจุบันสำหรับการลากรถไฟฟ้าครอบคลุมทั้งแรงดันไฟฟ้าที่ได้มาตรฐานและไม่ได้มาตรฐาน

ช่วงของแรงดันไฟฟ้าที่ได้รับอนุญาตมีการระบุไว้ในมาตรฐาน BS EN 50163 [1] และ IEC 60850. มาตรฐานเหล่านี้ได้คำนึงถึงจำนวนของรถไฟที่ใช้กระแสและระยะทางจากสถานีย่อย

ระบบไฟฟ้า แรงดันต่ำสุดไม่ถาวร แรงดันต่ำสุดถาวร แรงดันใช้งาน แรงดันสูงสุดถาวร แรงดันสูงสุดไม่ถาวร
600 V ไฟฟ้ากระแสตรง 400 V 400 V 600 V 720 V 800 V
750 V DC 500 V 500 V 750 V 900 V 1,000 V
1,500 V DC 1,000 V 1,000 V 1,500 V 1,800 V 1,950 V
3 kV DC 2 kV 2 kV 3 kV 3.6 kV 3.9 kV
15 kV AC, 16.7 Hz 11 kV 12 kV 15 kV 17.25 kV 18 kV
25 kV AC, 50 Hz 17.5 kV 19 kV 25 kV 27.5 kV 29 kV

กระแสตรง[แก้]

ระบบการใช้พลังงานไฟฟ้าที่ใช้ในช่วงต้นใช้แรงดันต่ำ มอเตอร์ไฟฟ้าบนรถไฟได้รับกระแสไฟฟ้าโดยตรงจากแหล่งจ่ายกลางและถูกควบคุมโดยใช้ความต้านทานเริ่มต้นที่ถูกต่อขนานแบบก้าวหน้าเมื่อรถไฟเพิ่มความเร็วและใช้รีเลย์ที่เชื่อมต่อการทำงานของมอเตอร์แบบอนุกรมหรือแบบขนาน

สาย Tyne and Wear Metro เป็นรถไฟฟ้าสายเดียวในสหราชอาณาจักรที่ใช้ไฟ 1,500 V DC

แรงดันที่พบมากที่สุดเป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง 600 V และ 750 V สำหรับรถรางและรถไฟฟ้าใต้ดิน, และ 1500 V, 650/750 V สำหรับรางที่สามสำหรับภาคใต้ในอดีตของสหราชอาณาจักร,และ 3 กิโลโวลต์สำหรับเหนือศีรษะ, แรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่ามักจะใช้กับระบบรางทีสามหรือระบบรางที่สี่, ในขณะที่แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า 1 กิโลโวลต์ปกติจะจำกัดเฉพาะในการเดินสายไฟในระบบเหนือศีรษะสำหรับเหตุผลด้านความปลอดภัย. รถไฟชานเมืองสาย (S-Bahn) ในฮัมบูร์ก, เยอรมนีดำเนินงานโดยใช้รางที่สามที่แรงดัน 1200 V, ฝรั่งเศสสาย SNCF Cu​​loz-Modane ในเทือกเขาแอลป์ใช้ 1,500 v ในรางที่สามจนกระทั่ง 1976 เมื่อโซ่ถูกติดตั้งและรางสามถูกรื้อออก. ในสหราชอาณาจักรทางตอนใต้ของกรุงลอนดอนใช้ 750 V กับรางที่สามถูกนำมาใช้ในขณะที่ 660 V ถูกนำมาใช้เพื่อให้การเดินรถระหว่างที่ทำงานอยู่บนเส้นที่ใช้ร่วมกันกับรถไฟใต้ดินลอนดอนซึ่งใช้ 630 V กับระบบรางที่สี่ แต่ด้วยที่รางที่สี่ (กลาง) ที่เชื่อมต่อกับรางวิ่งในพื้นที่ระหว่างการทำงาน. บางเส้นภายในลอนดอนยังคงการดำเนินงานที่ 660 โวลต์เนื่องจากการเชื่อมต่อกับเส้นที่ใช้ร่วมกันหรือด้วยเหตุผลเพื่อเป็นตำนาน ภายในลอนดอนสายใหม่ทั้งหมด (ใต้ดิน) เป็น 750 โวลต์

ในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 converter แบบ rotary หรือวงจรเรียงกระแสแบบปรอทโค้งถูกนำมาใช้ในการแปลงไฟ AC เป็น DC ที่จำเป็นต้องใช้ที่สถานีป้อน วันนี้การแปลงดังกล่าวมักจะทำโดยเซมิคอนดักเตอร์วงจรเรียงกระแสหลังจากลดความดันลงจากแหล่งจ่ายสาธารณูปโภค

ระบบ DC ค่อนข้างง่าย แต่ต้องใช้สายหนาและระยะทางสั้นระหว่างสถานีป้อนเพราะใช้กระแสสูงมาก นอกจากนี้ยังมีการสูญเสียความต้านทานอย่างมีนัยสำคัญ สถานีป้อนจำเป็นต้องมีการตรวจสอบอย่างต่อเนื่อง ระยะห่างระหว่างสองสถานีป้อนที่ 750 V บนระบบรางที่สามประมาณ 2.5 กิโลเมตร (1.6 ไมล์) ระยะห่างระหว่างสองสถานีป้อนที่ 3 กิโลโวลต์เป็นเรื่องเกี่ยวกับ 7.5 กิโลเมตร (4.7 ไมล์)

ถ้าบนขบวนรถไฟมีอุปกรณ์ไฟฟ้าอื่นเช่นพัดลมและคอมเพรสเซอร์ ถ้าต้องใช้พลังงานจากมอเตอร์ที่เลี้ยงโดยตรงจากแหล่งจ่ายแรงฉุด สายเคเบิลที่เป็นสายส่งอาจจะมีขนาดใหญ่ขึ้นเนื่องจากต้องเพิ่มขนาดของสายและแนวนกันความร้อน ทางเลือกคืออุปกรณ์เหล่านั้นสามารถขับเคลื่อนจากชุดมอเตอร์-เครื่องกำเนิดไฟฟ้า ซึ่งเป็นทางเลือกของการเปิดหลอดไฟ incandescent lights มิฉะนั้นจะต้องมีการเชื่อมต่อเป็นหลอดไฟกันเป็นแถวยาวเนื่องจากความดันที่ส่งให้มีขนาดสูงมาก (หลอดไฟที่ออกแบบมาเพื่อทำงานที่แรงดันไฟฟ้า (750V) จะทำงานโดยไม่มีประสิทธิภาพ) ตอนนี้ converter แบบ solid-state (SIVs) และไฟเรืองแสงสามารถถูกนำมาใช้งานได้ ทางเลือกคือ ไฟ DC สามารถแปลงเป็นไฟฟ้า AC ผ่านอินเวอร์เตอร์บนตู้รถไฟเพื่อจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์เสริมเหล่านั้น และด้วยการเปิดตัวของมอเตอร์แรงฉุด AC รถไฟทั้งขบวน (ตัวอย่างคือ ระบบขับเคลื่อนหลายตู้ ชั้น FP ของนิวซีแลนด์ ใช้ไฟ 1500 V DC จากสายส่งชานเมืองในเวลลิงตัน ซึ่งแปลงไฟกระแสตรงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับบนตู้รถไฟสำหรับการใช้งานโดยฉุดมอเตอร์และอุปกรณ์เสริมบนตู้รถไฟ)

ระบบการจ่าย[แก้]

มี 3 ระบบคือ

  1. ระบบเหนือศีรษะ
  2. ระบบรางที่สาม
  3. ระบบรางที่สี่

กระแสสลับ[แก้]

ระบบจ่ายกระแสไฟฟ้า AC จะเป็นแบบเหนือศีรษะได้อย่างเดียว กระแสสลับสามารถเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าให้ลดลงได้ภายในหัวรถจักร ใช้แรงดันไฟฟ้าที่สูงมากเพื่อให้มีกระแสน้อยลง สายส่งจึงมีขนาดเล็กลง ซึ่งหมายถึงการสูญเสียพลังงานน้อยลงไปตามทางยาวของเส้นทางรถไฟ

กระแสสลับความถี่ต่ำ[แก้]

รถไฟฟ้าในสวิตเซอร์แลนด์ใช้ไฟ 15 kV 16.7 Hz AC

มอเตอร์ไฟฟ้า DC ที่มีตัวสลับทิศทางธรรมดา ยังสามารถเลี้ยงด้วย AC (มอเตอร์ทั่วไป) เพราะการย้อนกลับของกระแสในสเตเตอร์และโรเตอร์ไม่เปลี่ยนทิศทางของแรงบิด อย่างไรก็ตามการเหนี่ยวนำของขดลวดที่ทำให้ตอนเริ่มต้นของการออกแบบมอเตอร์ขนาดใหญ่เป็นไปไม่ได้ในทางปฏิบัติที่ความถี่ AC มาตรฐาน นอกจากนี้ AC ก่อให้เกิดกระแสไหลวน (eddy current) โดยเฉพาะอย่างยิ่งใน pole สนามที่ไม่เคลือบ ซึ่งก่อให้เกิดความร้อนสูงเกินไปและการสูญเสียประสิทธิภาพ ในศตวรรษที่ก่อนหน้านี้ห้าประเทศในยุโรป ได้แก่ เยอรมนี, ออสเตรีย, สวิตเซอร์แลนด์, นอร์เวย์และสวีเดนสร้างมาตรฐานที่ 15 kV 16 2/3 เฮิรตซ์ (หนึ่งในสามของความถี่ไฟปกติ) AC เฟสเดียว ในความพยายามที่จะบรรเทาปัญหาดังกล่าว เมื่อตุลาคม 16, 1995, เยอรมนี, ออสเตรียและสวิสเปลี่ยนการกำหนดที่ 16 ⅔ Hz เป็น 16.7 เฮิร์ตซ์ (แม้ว่าความถี่ที่เกิดขึ้นจริงไม่ได้เปลี่ยน, การข้ดกำหนดมีการเปลี่ยน; ในทั้งสองกรณีความเบี่ยงเบนทางความถี่ไปจากความถี่กลางอยู่ที่± 1/3 เฮิร์ตซ์ )

ในประเทศสหรัฐอเมริกา, ใช้ 25 Hz, ความถี่เก่าที่ครั้งหนึ่งพบบ่อยในอุตสาหกรรมถูกนำใช้ในระบบของแอมแทรก ที่ 11 กิโลโวลต์ในภาคตะวันออกเฉียงเหนือระหว่างวอชิงตันดีซีและนครนิวยอร์กและระหว่างแฮร์ริส, ซิลเวเนียและฟิลาเดลเฟีย 12.5 กิโลโวลต์ 25 Hz ส่วนระหว่างมหานครนิวยอร์กและนิวเฮเวน, คอนเนตทิคัทถูกดัดแปลงเป็น 60 Hz ในไตรมาสที่สามสุดท้ายของศตวรรษที่ 20

ในสหราชอาณาจักร, ลอนดอน, ไบรท์ตัน, ชายฝั่งตอนใต้ รถไฟเป็นหัวหอกในการใช้พลังงานไฟฟ้าระบบเหนือศีรษะของสายส่งชานเมืองในลอนดอน, สะพานลอนดอนถึงวิกตอเรียถูกเปิดการจราจรบน 1 ธันวาคม 1909 วิกตอเรียถึงคริสตัลพาเลซผ่าน Balham และนอร์วูดตะวันตกเปิดพฤษภาคม 1911 เพคแฮมไรอ์ถึงนอร์วูดตะวันตกเปิดในมิถุนายน 1912 การขยายเส้นทางทำไม่ได้เนื่องจากสงครามโลกครั้งที่หนึ่ง สองเส้นทางเปิดใน 1925 ภายใต้ทางรถไฟสายใต้ให้บริการ Coulsdon เหนือและสถานีรถไฟซัตตัน. การรถไฟใช้ไฟฟ้าที่ 6.7 กิโลโวลต์ 25 เฮิร์ตซ์ ได้มีการประกาศใน 1926 ว่าทุกเส้นทางจะถูกแปลงเป็น DC รางที่สามและระบบเหนือศีรษะสุดท้ายจะใช้จนถึงเดือนกันยายน 1929

ในระบบดังกล่าว มอเตอร์แรงฉุดสามารถได้รับกระแสไฟป้อนผ่านหม้อแปลงที่มีหลาย tap การเปลี่ยนแทปช่วยให้แรงดันไฟฟ้าที่มอเตอร์จะมีการเปลี่ยนแปลงโดยไม่ต้องมีตัวต้านทานไฟฟ้า เครื่องจักรอุปกรณ์เสริมจะถูกขับด้วยมอเตอร์สลับทางขนาดเล็กที่ได้รับพลังงานมาจากขดลวดแรงดันต่ำแยกต่างหากของหม้อแปลงหลัก

การใช้คลื่นความถี่ต่ำต้องใช้ไฟฟ้าที่ได้รับการดัดแปลงมาจากกระแสไฟจากการไฟฟ้าโดยมอเตอร์-เจนเนอเรเตอร์หรืออินเวอร์เตอร์แบบคงที่ที่สถานีย่อยหรือผลิตไฟฟ้าที่สถานีไฟฟ้าแยกต่างหาก

ตั้งแต่ปี 1979 มอเตอร์เหนี่ยวนำสามเฟสได้เกือบจะกลายเป็นที่ใช้กันในระดับสากล มันถูกป้อนกระแสโดย static four-quadrant converter ซึ่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าคงที่ให้กับ pulse-width modulator inverter ที่จ่ายไฟฟ้าให้มอเตอร์สามเฟสความถี่แปรได้

ระบบกระแสสลับหลายเฟส[แก้]

รถไฟกระแสไฟฟ้า AC 3 เฟสถูกใช้ในอิตาลี สวิตเซอร์แลนด์และสหรัฐอเมริกาในต้นศตวรรษที่ 20 ระบบในตอนต้นใช้

คลื่นความถี่ต่ำ (16⅔ Hz) และแรงดันไฟฟ้าที่ค่อนข้างต่ำ (3,000 หรือ 3,600 โวลต์) ระบบจะสร้างพลังงานจากการเบรก ป้อนกลับไปยังระบบ จึงมีความเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับรถไฟที่ใช้ในเขตภูเขา (เงื่อนไขคือหัวรถจักรอีกสายสามารถใช้พลังนี้ได้) ระบบมีข้อเสียของการที่ต้องมีสอง (หรือสาม) ตัวนำเหนือศีรษะที่แยกเป็นสัดส่วนบวก return path ผ่านทางราง หัวรถจักรฟทำงานที่ความเร็วคงที่ ที่หนึ่ง, สองหรือสี่สปีด

ระบบยังถูกนำมาใช้บนภูเขาสี่ลูก รถไฟใช้ 725-3,000 V at 50 หรือ 60 Hz: (Corcovado Rack ในริโอเดอจาเนโร, บราซิล, Jungfraubahn และ Gornergratbahn ในประเทศสวิสเซอร์แลนด์และ Petit รถไฟ de la Rhune ในประเทศฝรั่งเศส)

มาตรฐานความถี่กระแสสลับ[แก้]

เฉพาะในปี 1950 หลังการพัฒนาในประเทศฝรั่งเศส (20 kV; ต่อมา 25 กิโลโวลต์) และรถไฟอดีตประเทศสหภาพโซเวียต (25 kV) ได้มาตรฐานความถี่เฟสเดียวกระแสสลับกลายเป็นที่แพร่หลาย ความถี่ที่ใช้คือ 50 Hz

สหรัฐปกติจะใช้ 12.5 หรือ 25 kV 25 Hz หรือ 60 Hz. กระแสไฟ AC เป็นที่นิยมใช้สำหรับรถไฟความเร็วสูงและรถไฟระยะทางไกลสายทางใหม่ๆ

ทุกวันนี้ หัวรถจักรบางหัวในระบบนี้ใช้หม้อแปลงไฟฟ้​​าและวงจรเรียงกระแสเพื่อจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันต่ำในรูปของพั้ลส์ให้กับมอเตอร์ ความเร็วจะถูกควบคุมโดยการแท๊ปในหม้อแปลง หัวจักรที่ซับซ้อนมากขึ้นใช้ทรานซิสเตอร์หรือ IGBT เพื่อสร้างกระแสสลับที่ถูกตัดยอดคลื่นหรือแม้แต่ปรับความถี่ได้ เพื่อส่งไปยัง AC มอเตอร์เหนี่ยวนำที่ใช้ในการฉุดลากขบวนรถ

ระบบนี้ค่อนข้างประหยัด แต่ก็มีข้อบกพร่องของ: เฟสของระบบไฟฟ้าภายนอกจะถูกโหลดอย่างไม่เท่ากันและเกิดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่สร้างอย่างมีนัยสำคัญเช่นเดียวกับเสียงรบกวนอย่างมีนัยสำคัญ

รายชื่อประเทศที่ใช้ 25 กิโลโวลต์ AC 50 Hz ระบบเฟสเดียวสามารถพบได้ในรายการของระบบกระแสสำหรับการลากรถไฟไฟฟ้า

ภาพแสดง pantograph แบบ diamond สำหรับรับกระแสมาให้หัวรถจักรผ่านทางหน้าสัมผ้สที่อยู่บนสุด

เพื่อป้องกันความเสี่ยงของ out of phase ของไฟฟ้าจากหลายแหล่ง หลายช่วงของสายส่งจากสถานีที่ต่างกันจะต้องถูกแยกออกอย่างเคร่งครัด สิ่งนี่ทำได้โดย Neutral Section (หรือ Phase Breaks), มักจะถูกจัดให้ที่สถานีจ่ายและอยู่ระหว่างสถานีจ่ายนั้น แม้ว่าปกติมีเพียงครึ่งหนึ่งที่ทำงานอยู่ในเวลาใดเวลาหนึ่ง ที่เหลือถูกจัดให้เพื่อให้สถานีป้อนปิดตัวลงและพลังงานจะถูกจ่ายมาจากสถานีป้อนที่อยู่ติดกัน Neutral Section มักจะประกอบด้วยส่วนสายดินของลวดซึ่งถูกแยกออกจากสาย live โดยวัสดุฉนวน, ลูกถ้วยเซรามิกที่ถูกออกแบบเพื่อให้อุปกรณ์รับกระแสไฟฟ้าบนหัวรถจักร (pantograph) สามารถจะเคลื่อนออกมาจากส่วนหนึ่งไปที่ส่วนอื่น ๆได้อย่างราบรื่น ส่วนสายดินป้องกันการเกิดอาร์คจากเซ็กชั่น live หนึ่งไปยังอีกเซ็กชั่นหนึ่ง เพราะความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าที่อาจจะสูงกว่าแรงดันไฟฟ้าระบบปกติมาก ถ้าเซ็กชั่น live มีเฟสต่างกันและและเบรกเกอร์วงจรป้องกันอาจจะไม่สามารถหยุดยั้งกระแสได้อย่างปลอดภัย เพื่อป้องกันความเสี่ยงจากการอาร์คระหว่างสาย live กับดิน, เมื่อขบวนรถวิ่งผ่านส่วน neutral, รถไฟต้องไหลไปเองและวงจรเบรกเกอร์จะต้องเปิด ในหลาย ๆ กรณีงานนี้จะทำโดยพนักงานขับรถ. เพื่อช่วยพวกเขา, กระดานเตือนจะถูกจัดให้ก่อนที่จะถึงส่วน neutral กระดานเตือนต้วต่อไปจะแจ้งเตือนพนักงานขับรถให้ปิดวงจรเบรกเกอร์อีกครั้งหนึ่ง, พนักงานขับรถจะต้องไม่ทำเช่นนี้จนกว่า pantograph ตัวหลังจะผ่านกระดานไปแล้ว ในสหราชอาณาจักรอุปกรณ์ที่เรียกกันว่า Automatic Power Control (APC) จะเปิดและปิดวงจรไฟฟ้านี้โดยอัตโนมัติ ซึ่งทำได้โดยการใช้ชุดของแม่เหล็กถาวรควบคู่ไปกับการสลับเส้นทางด้วยเครื่องตรวจจับบนรถไฟ การดำเนินการเฉพาะที่จำเป็นโดยคนขับก็คือการปิดพลังงานไฟฟ้าและปล่อยให้ขบวนไหลเลื่อนไปเอง อย่างไรก็ตามกระดานเตือนยังคงมีในจุดที่และในส่วนที่กำลังเข้าไปยังส่วน neutral

ในเส้นทางรถไฟความเร็วสูงฝรั่งเศส, ในรางเชื่อมอุโมงค์ข้ามช่องแคบความเร็วสูงที่ 1 ของสหราชอาณาจักร, และในอุโมงค์ข้ามช่องแคบ, neutral section จะถูกควบคุมโดยอัตโนมัติ

ในสาย ชิงกันเซ็ง ของญี่ปุ่น section ที่ switch ด้วยกราวด์ ถูกติดตั้งแทน neutral section. section จะตรวจจับขบวนรถไฟที่กำลังวิ่งอยู่ภายใน section นี้ และทำการสลับแหล่งพลังงานโดยอัตโนมัติภายใน 0.3 วินาที, ซึ่งไม่จำเป็นต้องปิดไฟอีกเลย

การใช้พลังงานไฟฟ้าในโลก[แก้]

ในปี 2006, 240,000 กิโลเมตร (25% โดยความยาว) ของเครือข่ายรางรถไฟโลกมีกระแสไฟฟ้าในรางและ 50% ของการขนส่งทางรถไฟได้รับการดำเนินการโดยไฟฟ้าลาก

ข้อดีและข้อเสีย[แก้]

ข้อดี[แก้]

สายทางไฟฟ้าใหม่มักจะ "จุดประกาย" ด้วยเหตุนี้การใช้พลังงานไฟฟ้าในระบบรถไฟโดยสารนำไปสู่​​การก้าวกระโดดที่สำคัญของรายได้. เหตุผลอาจรวมถึงการเดินทางด้วยรถไฟฟ้าถูกมองว่าเป็นคนที่ทันสมัย​​และน่าสนใจ, การบริการที่รวดเร็วและราบรื่น, และความจริงที่ว่ากระแสไฟฟ้ามักจะไปด้วยกันกับโครงสร้างพื้นฐานทั่วไปและเพิ่มการพัฒนาทางด้านเศรษฐกิจ ไม่ว่าอะไรที่เป็นสาเหตุของการจุดประกาย เส้นทางจำนวนมากได้ถูกสร้างขึ้นโดยใช้ไฟฟ้าเป็นเวลาหลายทศวรรษ

อื่นๆ[แก้]

  • ลดค่าใช้จ่ายของการสร้าง, การวิ่งบริการและการบำรุงรักษาหัวรถจักรและตู้พ่วง
  • อัตราส่วนของกำลังงานต่อน้ำหนักรถสูง
  • หัวรถจักรน้อยลง
  • ความเร่งได้เร็วขึ้น
  • ขีดจำกัดในทางปฏิบัติของพลังงานสูงขึ้น
  • ข้อจำกัดของความเร็วสูงขึ้น
  • มลพิษทางเสียงน้อย (การทำงานที่เงียบสงบ)
  • เมื่อความเร่งได้เร็วขึ้นทำให้ clear เส้นทางเร็วขึ้นเพื่อเพิ่มขบวนรถไฟบนรางรถไฟในเมือง
  • การสูญเสียพลังงานลดลงที่ระดับความสูง (สำหรับการสูญเสียพลังงานดูเครื่องยนต์ดีเซล)
  • เป็นอิสระของค่าใช้จ่ายในการเดินรถจากราคาน้ำมันที่มีความผันผวน
  • ให้บริการในสถานีรถไฟใต้ดินที่ซึ่งรถไฟดีเซลไม่สามารถทำงานได้เนื่องจากเหตุผลด้านความปลอดภัย
  • มลพิษทางสิ่งแวดล้อมที่ลดลงโดยเฉพาะอย่างยิ่งในเขตเมืองมีประชากรสูงแม้ว่าไฟฟ้าถูกผลิตโดยเชื้อเพลิงฟอสซิล
  • สามารถรองรับการเรียกคืนพลังงานจลน์จากเบรกโดยใช้ตัวเก็บประจุยิ่งยวด ( supercapacitors)

ข้อเสีย[แก้]

  • ค่าใช้จ่ายในการใช้พลังงานไฟฟ้า: กระแสไฟฟ้าต้องมีโครงสร้างพื้นฐานใหม่ทั้งหมดซึ่งจะถูกสร้างขึ้นรอบรางที่มีอยู่ด้วยค่าใช้จ่ายที่มีนัยสำคัญ ค่าใช้จ่ายจะสูงโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่ออุโมงค์, สะพานและสิ่งกีดขวางอื่น ๆ จะต้องมีการเปลี่ยนแปลงให้มีระยะห่าง ส่วนอื่นที่สามารถเพิ่มค่าใช้จ่ายของการใช้พลังงานไฟฟ้าก็คือการปรับเปลี่ยนหรืออัพเกรดสัญญาณรถไฟที่จำเป็นสำหรับลักษณะการจราจรใหม่และเพื่อปกป้องวงจรสัญญาณและวงจรของรางจากการรบกวนโดยการกระแสไฟฟ้าที่ใช้ในการฉุดลาก
  • โหลดตารางไฟฟ้​​า: การเพิ่มผู้บริโภคไฟฟ้ารายใหม่จะมีผลกระทบด้านลบต่อกริดไฟฟ้าและอาจจำเป็นต้องมีการเพิ่มกำลังการผลิตพลังงานของกริด อย่างไรก็ตามรถไฟสามารถมีเครือข่ายไฟฟ้าเป็นของตัวเองและเพื่อการสำรองพลังงานที่สามารถใช้ได้ถ้าการไฟฟ้าของรัฐมีปัญหา
  • ลักษณะถายนอก: โครงสร้างสายเหนือศีรษะและสายเคเบิลสามารถมีผลกระทบต่อภูมิทัศน์อย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับที่ไม่ใช่ไฟฟ้าหรือทางรถไฟสายที่สามไฟฟ้าที่มีอุปกรณ์ส่งสัญญาณเป็นครั้งคราวเท่านั้นที่เหนือระดับพื้นดิน
  • เปราะบางและไม่มั่นคง: ระบบการใช้พลังงานไฟฟ้าเหนือศีรษะสามารถประสบภาวะชะงักงันอย่างรุนแรงอันเนื่องมาจากกลไกมีความผิดพลาดเล็ก ๆ น้อย ๆ หรือผลกระทบของกระแสลมแรงที่ทำให้ pantograph ที่กำลังเคลื่อนที่ไปพันกับสายไฟเหนือศีรษะ (catenary), ฉีกสายไฟหลุดจากตัวยึด ความเสียหายมักจะไม่จำกัดกับกระแสที่รางใดรางหนึ่งแต่ขยายไปยังรางข้างเคียงด้วย ทำให้ตลอดเส้นทางจะถูกบล็อกเป็นเวลานาน ระบบรางที่สามสามารถประสบภาวะชะงักงันในสภาพอากาศหนาวเย็นเนื่องจากน้ำแข็งก่อตัวขึ้นบนราวตัวนำ.
ภาพแสดง catenary
  • ขโมย: ราคาเศษทองแดงที่สูงและการไม่ได้รับการป้องกัน, การติดตั้งในที่ห่างไกลทำให้สายเหนือศีรษะเป็นเป้าหมายที่น่าสนใจสำหรับพวกขโมยเศษโลหะ ความพยายามที่จะขโมยสายเคเบิลที่มีกระแสอยู่ขนาด 25 kV อาจจบลงด้วยความตายของขโมยเนื่องจากไฟฟ้าดูด ในสหราชอาณาจักร การโจรกรรมสายเคเบิลจะถูกอ้างว่าเป็นหนึ่งในสาเหตุใหญ่ที่สุดของความล่าช้าและการหยุดชะงักในการให้บริการ

ข้อจำกัด[แก้]

สายเหนือศีรษะส่วนใหญ่ไม่เว้นระยะความสูงให้พอเพียงสำหรับรถโดยสารสองชั้น ค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาของการเดินรถอาจจะเพิ่มขึ้น แต่หลายระบบอ้างว่าค่าใช้จ่ายลดลงเนื่องจากการลดการสึกหรอและจากขบวนรถมีน้ำหนักเบาลง มีค่าใช้จ่ายบางรายการในการบำรุงรักษาเพิ่มเติมที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์ไฟฟ้าเช่นสถานีไฟฟ้าย่อย และcatenaryของสายเหนือศีรษะ แต่ถ้ามีการจราจรเพียงพอ ค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาเครื่องยนต์และค่าใช้จ่ายในการเดินรถที่ลดลงมีมูลค่าสูงกว่าค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาข้างบนอย่างมีนัยสำคัญ

ผลกระทบกับเครือข่ายเป็นปัจจัยขนาดใหญ่ที่มีการใช้พลังงานไฟฟ้า เมื่อมีการแปลงสายเดินรถพลังงานอื่นให้เป็นพลังงานไฟฟ้า, การเชื่อมต่อกับสายอื่น ๆ จะต้องได้รับการพิจารณา การใช้ไฟฟ้าบางสายก็ถูกรื้อออกเนื่องจากทางผ่านเป็นบริเวณที่ไม่มีสายไฟฟ้า ถ้าทางผ่านเป็นพื้นที่มีประโยชน์, การสลับขบวนแม้ต้องใช้เวลามากต้องมีขึ้นเพื่อเชื่อมต่อดังกล่าวหรือต้องใช้เครื่องยนต์สองโหมดที่มีราคาแพง เรื่องนี้เป็นประเด็นส่วนใหญ่สำหรับการเดินทางระยะไกล แต่หลายสายการเดินรถเข้ามาครอบงำโดยใช้ขบวนสินค้าแบบลากยาว (ปกติใช้บรรทุกถ่านหิน, แร่ธาตุ, หรือคอนเทนเนอร์ไปหรือออกจากท่าเรือ) ในทางทฤษฎีรถไฟเหล่านี้อาจเพลิดเพลินไปกับการลดต้นทุนผ่านการใช้พลังงานไฟฟ้า แต่อาจจะมีราคาแพงเกินไปที่จะขยายการใช้พลังงานไฟฟ้าไปยังพื้นที่ที่โดดเดี่ยวนอกเสียจากเครือข่ายทั้งหมดจะมีกระแสไฟฟ้า บริษัทเหล่านั้นมักจะพบว่าพวกเขาต้องการที่จะยังคงใช้รถไฟดีเซลแม้ว่ามีบางส่วนเป็นไฟฟ้า ความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับการขนส่งคอนเทนเนอร์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นเมื่อใช้รถสองชั้นยังมีประเด็นที่มีผลกระทบต่อเครือข่ายของการจ่ายไฟฟ้าเนื่องจากมีระยะเหนือศีรษะไม่เพียงพอของสายไฟฟ้าเหนือศีรษะ แต่การจ่ายพลังงานไฟฟ้าสามารถถูกสร้างหรือถูกปรับเปลี่ยนเพื่อให้มีช่องว่างเพียงพอได้ แต่มีค่าใช้จ่ายเพิ่มเติม

นอกจากนี้ยังมีปัญหาของการเชื่อมต่อระหว่างผู้ให้บริการไฟฟ้าที่แตกต่างกันโดยเฉพาะอย่างยิ่งการเชื่อมต่อสายระหว่างสายภายในเมืองกับไฟฟ้าสำหรับการโดยสาร, และระหว่างสายชุมชนด้วยกันแต่คนละมาตรฐาน นี้สามารถทำให้เกิดการใช้พลังงานไฟฟ้าของการเชื่อมต่อบางอย่างที่จะมีราคาแพงมากเพียงเพราะผลกระทบในส่วนที่มีการเชื่อมต่อ หลายสายนำมาตรฐานที่แตกต่างกันมาซ้อนทับกันเพื่อหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนตู้สัมภาระ ในบางกรณีมีรถไฟดีเซลวิ่งไปตามเส้นทางไฟฟ้​​าอย่างสมบูรณ์และนี้อาจจะเป็นเพราะความไม่ลงรอยกันของมาตรฐานการใช้พลังงานไฟฟ้าไปตามเส้นทาง

สรุปข้อดีและข้อเสีย[แก้]

  • เส้นทางที่มีการใช้น้อยอาจจะเป็นไปไม่ได้สำหรับการใช้พลังงานไฟฟ้า (โดยเฉพาะอย่างยิ่งการสร้างพลังงานจากการเบรก) เพราะค่าใช้จ่ายที่สูงกว่าของการบำรุงรักษาเอาชนะค่าใช้จ่ายในการเดินรถ ดังนั้นส่วนใหญ่สายทางไกลในอเมริกาเหนือและประเทศกำลังพัฒนาจำนวนมากไม่ได้ใช้ไฟฟ้าเนื่องจากความถี่ในการเดินรถที่ค่อนข้างต่ำ
  • หัวรถจักรไฟฟ้าอาจถูกสร้างได้อย่างง่ายดายโดยให้มีพลังมากกว่าหัวรถจักรดิเซลส่วนใหญ่ สำหรับงานผู้โดยสาร มันเป็นไปได้ที่จะให้พลังงานเพียงพอด้วยเครื่องยนต์ดีเซล (ดู 'ICE TD') แต่ไม่ใช่ที่ความเร็วสูงๆ ซึ่งพิสูจน์ได้ว่าแพงและไม่ควรนำมาปฏิบัติ ดังนั้นเกือบทั้งหมดของรถไฟความเร็วสูงจะเป็นไฟฟ้า
  • พลังงานที่สูงของหัวรถจักรไฟฟ้าให้ความสามารถในการดึงตู้ขนส่งสินค้าที่ความเร็วสูงกว่าบนทางลาดชัน; ในสภาพการจราจรที่ผสม สิ่งนี้เพิ่มกำลังความสามารถแต่เวลาระหว่างขบวนลดลง พลังงานที่สูงขึ้นของหัวรถจักรไฟฟ้าและการใช้กระแสไฟฟ้ายังสามารถเป็นทางเลือกที่ถูกกว่าสำหรับระบบรางใหม่และรางลาดชั้นน้อยถ้าหากน้ำหนักรถไฟจะเพิ่มขึ้นในระบบ

ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน[แก้]

รถไฟที่ใช้ไฟฟ้าเป็นการใช้พลังงานที่มีประสิทธิภาพกว่ารถไฟดีเซล. ถ้าไดัรับพลังงานจากสถานีผลิตไฟฟ้าคาร์บอนต่ำ, รถไฟไฟฟ้าสามารถผลิตคาร์บอนไดอ๊อกไซด์น้อยลง

รถไฟไฟฟ้าไม่จำเป็นต้องแบกน้ำหนักของหัวลากหลัก, สายส่งและเชื้อเพลิง นี่คือการชดเชยบางส่วนกับน้ำหนักของอุปกรณ์ไฟฟ้า

การสร้างพลังงานจากระบบเบรกส่งไฟฟ้าคืนระบบเพื่อที่ว่ามันอาจจะเอาไปใช้ที่อื่น, โดยรถไฟอื่น ๆ ในระบบเดียวกันหรือกลับไปยังตารางอำนาจทั่วไป นี้จะเป็นประโยชน์โดยเฉพาะอย่างยิ่งในพื้นที่ที่เป็นภูเขาในที่ซึ่งรถไฟที่โหลดหนักต้องลงทางยาว

ไฟฟ้าสถานีกลางสามารถสร้างขึ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงกว่าเครื่องยนต์/เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเคลื่อนที่ โรงไฟฟ้​​าเชื้อเพลิงฟอสซิลขนาดใหญ่ทำงานที่มีประสิทธิภาพสูง และสามารถนำไปใช้ให้ความร้อนหรือผลิตความเย็นให้กับชุมชนซึ่งจะนำไปสู่​​การเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมสูงขึ้น

แหล่งพลังงานที่ไม่เหมาะสมสำหรับการผลิตไฟฟ้าเคลื่อนที่เช่นพลังงานนิวเคลียร์, แต่โรงไฟฟ้าพลังน้ำ, หรือพลังงานลมสามารถนำมาใช้ได้ ตามที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางทั่วโลกของปริมาณพลังงานสำรอง สำรองของเชื้อเพลิงเหลวมีน้อยกว่าก๊าซและถ่านหินมาก (ที่ 42, 167 และ 416 ปีตามลำดับ) ประเทศส่วนใหญ่ที่มีเครือข่ายรถไฟขนาดใหญ่ที่ไม่ได้มีน้ำมันสำรองอย่างมีนัยสำคัญแต่ผู้ที่มี, เช่นประเทศสหรัฐอเมริกาและสหราชอาณาจักร ได้ใช้น้ำมันสำรองของตนออกไปมากและได้รับความเดือดร้อนการส่งออกน้ำมันที่ลดลงมานานหลายทศวรรษ ดังนั้นนอกจากนี้ยังมีแรงจูงใจทางเศรษฐกิจที่แข็งแกร่งเพื่อทดแทนเชื้อเพลิงอื่น ๆ แทนน้ำมัน รถไฟกระแสไฟฟ้ามักจะถือว่าเป็นเส้นทางสำคัญที่มีต่อการปฏิรูปรูปแบบการบริโภค.

ค่าใช้จ่ายภายนอก[แก้]

ค่าใช้จ่ายภายนอกของรถไฟมีน้อยกว่าโหมดอื่น ๆ ของการขนส่งแต่การใช้พลังงานไฟฟ้าทำให้ค่าใช้จ่ายนั้นน้อยลงไปอีกถ้ามันยั่งยืน

นอกจากนี้การลดค่าใช้จ่ายพลังงานจากบ่อมาล้อ (well to wheel) และความสามารถในการลดมลพิษและก๊าซเรือนกระจกในชั้นบรรยากาศให้เป็นไปตามพิธีสารเกียวโตเป็นข้อได้เปรียบ

ระบบที่ไม่ใช้หน้าสัมผัส[แก้]

มันเป็นไปได้ที่จะจ่ายกระแสไฟให้รถไฟโดยการเหนี่ยวนำไฟฟ้า นี้จะช่วยให้การใช้แรงดันสูง, ฉนวน, รางตัวนำ ระบบดังกล่าวได้รับการจดสิทธิบัตรใน 1894 โดยนิโคลา เทสลา สิทธิบัตรสหรัฐ 514,972. ต้องใช้กระแสสลับความถี่สูง เทสลาไม่ได้ระบุความถี่ แต่จอร์จ Trinkaus แสดงให้เห็นว่าประมาณ 1,000 เฮิรตซ์

การเหนี่ยวนำใช้กันอย่างแพร่หลายในการใช้งานพลังงานต่ำเช่นแปรงสีฟันไฟฟ้าใหม่ที่ชาร์จไฟใหม่ได้. เทคโนโลยีไร้หน้าสัมผัสสำหรับยานพาหนะบนรางกำลังทำการตลาดโดย บริษัท บอมบาร์เดียเป็น ชื่อ PRIMOVE.

ดูเพิ่ม[แก้]

  • Amtrak's 60 Hz Traction Power System
  • Baltimore Belt Line
  • Conduit current collection
  • Current collector
  • Electric power supply system of railways in Sweden
  • Elektrichka
  • Ground-level power supply
  • High-speed rail
  • Interurban
  • มอเตอร์เชิงเส้น
  • List of current systems for electric rail traction
  • List of installations for 15kV AC railway electrification in Germany, Austria and Switzerland
  • List of railway electrification systems in Japan
  • Maglev train
  • Mariazellerbahn
  • Railway electrification in Great Britain
  • Railway electrification in India
  • Railway electrification in Iran
  • Railway Electrification in the United States
  • SEPTA's 25 Hz Traction Power System
  • Stud contact system
  • Three-phase AC railway electrification
  • Traction powerstation
  • Traction substation
  • Tram
  • Urban rail transit
  • รถไฟฟ้าบีทีเอส

อ้างอิง[แก้]