Thực đơn
Hệ thống điện khí hóa đường sắt
Vận tốc của tàu điện rất đa dạng trên các tuyến và loại hình vận tải khác nhau. Cho đến giữa nhưng năm 50 của thế kỉ 20, đa phần đều chỉ sử dụng động cơ điện một chiều chổi than, mặc dù có thể chuyển đổi từ điện xoay chiều trên điện lưới thành điện một chiều sử dụng các bộ chuyển đổi điện. Nhưng do các thiết bị chuyển đổi này chưa được hoàn thiện dù xuất hiện từ cuối thế kỉ 19 - đầu thế kỉ 20, nên đa phần các hệ thống điện khí hóa ban đầu (và cả hiện nay) đều sử dụng điện một chiều, đặc biệt là tàu điện ngầm (subway) và xe điện. Tốc độ chạy tàu được kiểm soát bởi việc kết nối các động cơ kéo (traction motor) bằng nhiều cách kết hợp hoặc song song như, thay đổi từ trường của động cơ, hay tăng / giảm điện trở để giới hạn dòng điện qua động cơ.
Các Motor điện có rất ít không gian để cách điện do đó chúng thường hoạt động với hiệu điện thế thấp. Bởi vì máy biến áp (trước khi phát triển các thiết bị điện tử công suất) không thể giảm hiệu điện thế của điện một chiều nên các tàu thường sử dụng điện thế thấp từ mạng lưới một cách trực tiếp. Các hiệu điện thế một chiều phổ biến đã được liệt kê ở phần phía trên. Các hệ thống ray thứ ba (và tư) thường sử dụng điện áp dưới 1 kV vì mục đích an toàn trong khi hệ thống dây trên cao sử dụng điện áp cao hơn nhằm đảm bảo vệ hiệu năng. (Điện áp "thấp" chỉ mang tính chất tương đôi; ngay cả với điện áp 600 V cũng có thể gây chết người ngay tức thì nếu chạm vào.)
Cho đến khi xuất hiện thiết bị sử dụng điện xoay chiều, Đường sắt dùng điện một chiều sử dụng các trạm chuyển đổi để cung cấp nguồn điện áp thấp (thường từ 3000 vôn trở xuống). Thông thường chúng sử dụng các thiết bị chuyển đổi quay (rotary converter), một số trong đó vẫn đang hoạt động cho tới ngày nay, nhưng hầu hết được thay thế bởi bộ chỉnh lưu hồ quang thủy ngân (mercury arc rectifier) và tiếp sau đó là các chỉnh lưu bán dẫn.
Bởi vì công suất bằng với điện áp nhân cường độ dòng điện, điện áp tương đôi thấp trong hệ thống điện một chiều đồng nghĩa với dòng sẽ tương đối cao. Nếu nguồn điện từ mạng lưới được dẫn thẳng vào các mô tơ điện, muốn giảm lãng phí do điện trở đường dây (resistive losses), đòi hỏi phải xây dựng dây tải điện có tiết diện lớn, khoảng cách giữa các trạm tăng cấp điện với tàu và giữa các trạm cấp điện với nhau phải ngắn. Khoảng cách này đối với hệ thống ray thứ ba dùng điện áp 750 V là khoảng 2,5 km (1,6 mi). Tương tự đối với 3 kV là khoảng 7,5 km (4,7 mi) phải có một trạm tăng áp.
Bởi những lí do trên, các dự án đường sắt cao tốc thế hệ mới thường sử dụng điện xoay chiều cao thế ngay khi điều kiện cho phép. Tuy nhiên, cũng đã có sự quan tâm của các bên vận hành đường sắt trong việc quay trở lại sử dụng điện một chiều nhưng có điện áp cao hơn so với trước đây. Ở cùng hiệu điện thế, điện một chiều thường có ít tổn hao hơn điện xoay chiều, và vì lí do này điện một chiều cao áp vẫn đang được sử dụng cho một số đường tải điện. Điện một chiều cũng không tiềm ẩn các bức xạ điện từ nguy hiểm như của điện xoay chiều, và với đường sắt, điều này cũng giảm ảnh hưởng gây nhiễu tín hiệu, truyền thông và ảnh hưởng tới con người. Điện xoay chiều cũng không gặp vấn đề hệ số công suất (cos φ) như điện xoay chiều. Đặc biệt, điện một chiều có thể cung cấp cho hệ thống đường sắt một dòng điện ổn định chỉ sử dụng một dây nối đất trong khi với điện xoay chiều sẽ cần truyền tải 3 pha sẽ cần ít nhất 2 dây nối đất. Ngoài ra điện 3 pha cũng phải lưu tâm tới việc các pha không cân bằng. Sự không cân bằng pha làm cho các mô tơ 3 pha chạy ở các nhiệt độ cao hơn so với các giá trị định mức. Sự mất cân bằng pha càng lớn, thì sự tăng nhiệt độ càng lớn hơn. Các nhiệt độ cao này làm hư lớp cách điện và gây nên các vấn đề liên quan khác. Để tránh xảy ra hiện tượng này khi tàu đi qua các vùng sử dụng dòng điện khác nhau (lệch pha), các tàu điện thường sử dụng ít nhất 2 que thu điện cùng một lúc. Có một vài tuyến đường sắt ứng dụng điện 3 pha nhưng bởi tính chất phức tạp do đó điện 1 pha gần như đã trở thành tiêu chuẩn (mặc dù dòng điện về 0 trong mỗi chu kỳ). Một ví dụ hiếm trong số tuyến đường sắt một chiều cao thế là Tuyến đường sắt một chiều 6 kV đã được xây dựng ở Liên Xô.
Sự sẵn có ngày càng tăng của các chất bán dẫn cao áp có thể cho phép sử dụng điện 1 chiều với điện áp cao hơn và hiệu quả hơn mà trước đây chỉ có thực hiện được với điện xoay chiều.[4]
Một vài đầu máy đường sắt điện một chiều sử dụng các động cơ điện ở dạng "biến áp hạ cấp" để cùng cấp thêm điện áp cho các thiết bị khác trên tàu như đèn, quạt và các máy nén khí nhưng thường thì chúng không hiệu quả, ồn và không đáng tin cậy. Sau này các bộ chuyển đổi rắn đã thay thế chúng. Các đầu máy xe lửa hiện đại ngày nay (lai diesel-điện hoặc điện) đã gần như thay thế hoàn toàn thế hệ đầu kéo cũ mới một động cơ điện cảm ứng ba pha xoay chiều được điều khiển bởi một biến tần xoay chiều chuyên dụng.
Điện một chiều 1.500 V được sử dụng ở Nhật Bản, Indonesia, Hong Kong (một phần), Cộng hòa Ireland, Australia (một phần), Pháp (song hành cùng Bản mẫu:25 kV 50 Hz), New Zealand (Wellington), Singapore (trên North East MRT Line), Hoa Kỳ (khu vực Chicago trên tuyến Metra Electric và tuyến xe điện trên phố (interurban) South Shore Line và ở Seattle, Washington – các tuyến đường sắt hạng nhẹ Sound Transit). Ở Slovakia, có 2 tuyến đường sắt khổ hẹp ở High Tatras (một trong số đó là tuyến đường sắt có răng để leo dốc). Ở Hà Lan được sử dụng trên tuyến đường sắt chính, song hành với hệ thống 25 kV trên tuyến HSL-Zuid và Betuwelijn, ngoài ra có hệ thống 3000 V ở phía Nam ở Maastricht. Ở Bồ Đào Nha, được sử dụng trên Tuyến Cascais và ở Đan Mạch trên tuyến đường sắt ngầm S-train (điện một chiều 1650 V).
Ở Anh, điện một chiều 1.500 V DC được sử dụng từ năm 1954 cho tuyến Woodhead trans-Pennine (nay đã dừng hoạt động); hệ thống này sử dụng phanh tái sinh, cho phép chuyển đổi năng lượng giữa việc lên và đổ dốc trong các đường hầm. Hệ thống tương tự cũng được sử dụng cho việc điện khí hóa đường sắt ở Đông London và Manchester, ngày nay đã chuyển sang điện xoay chiều 25 kV. Hệ thống hiện tại giờ chỉ còn được sử dụng cho hệ thống Tyne and Wear Metro. Ở Ấn Độ, điện một chiều 1.500 V lần đầu tiên được áp dụng vào điện khí hóa đường sắt năm 1925 ở khu vực Mumbai. Giữa các năm 2012-2016, hệ thống điện khí hóa được chuyển đổi thành Bản mẫu:25 kV 50 Hz, cái mà sau này được áp dụng thống nhất toàn quốc.
Điện một chiều 3 kV được sử dụng tại Bỉ, Italy, Tây Ban Nha, Ba Lan, phía Bắc của Cộng hòa Séc, Slovakia, Slovenia, Nam Phi, Chile, các nước thuộc Liên Xô cũ (ngoài ra cũng sử dụng Bản mẫu:25 kV 50 Hz) và Hà Lan (từ phía Nam của thành phố Maastricht tới biên giới với Bỉ. Nó cũng được sử dụng trước đây cho tuyến Milwaukee Road từ Harlowton, Montana cho tới Seattle-Tacoma, băng qua Continental Divide và bao gồm cả các tuyến nhánh và tuyến vòng mở rộng ở Montana, và cho tuyến Delaware, Lackawanna & Western Railroad (nay là New Jersey Transit, đã chuyển đổi sang dùng điện xoay chiều 25 kV) ở Mỹ, và tuyến Kolkata suburban railway (Tuyến Chính Bardhaman) ở Ấn Độ, trước khi bị chuyển đổi sang Bản mẫu:25 kV 50 Hz.
Các loại điện một chiều từ 600 V tới 800 V được sử dụng cho hầu hết các hệ thống xe điện tramway (streetcars), trolleybus và hệ thống tàu điện ngầm (subway).
Xem overhead systems with linear motor
Đa phần các hệ thống điện khí hóa sử dụng đường dây trên cao, nhưng hệ thống Ray thứ ba là một lựa chọn khác nếu chỉ sử dụng nguồn điện không quá 1.500 V, như trường hợp của tuyến Shenzhen Metro Line 3. Hệ thống này cũng chỉ áp dụng được với điện một chiều. Việc sử dụng điện xoay chiều là không khả thi bởi vì tiết diện của ray thứ ba lớn hơn rất nhiều so với hiệu ứng bề mặt mà dòng xoay chiều truyền qua ray thép thường chỉ dày khoảng 0,3 milimét hoặc 0,012 inch. Hiệu ứng này làm cho điện trở trên mỗi đơn vị chiều dài rất lớn và hiệu quả truyền điện thấp được so với việc sử dụng điện một chiều.[5] Đường ray thứ ba nhỏ gọn hơn đường dây trên cao và có thể được sử dụng trong các đường hầm có đường kính nhỏ hơn, một yếu tố quan trọng đối với hệ thống tàu điện ngầm.
Với kiểu tiếp xúc trên của hệ thống ray thứ ba (và tư), một chân tiếp xúc nằm ở dưới của một thanh dầm gỗ, tiếp xúc như kết cấu xe goòng, trượt theo dọc đường ray cấp điệnHệ thống ray thứ ba có thể thiết kế cho phép tiếp xúc trên, tiếp xúc bên, hay tiếp xúc dưới. Tiếp xúc trên ít an toàn nhất, vì đường ray trực tiếp tiếp xúc với người đi trên đường ray trừ khi nó được phủ bởi một tấm chắn. Tiếp xúc bên và tiếp xúc dưới an toàn hơn vì bản thân đường ray đã che chắn cho chính nó, khó gây tai nạn giật điện hơn. Đường ray thứ ba dạng tiếp xúc trên mà không có tấm chắn cũng có thể không sử dụng được nếu xảy ra băng, tuyết hay lá rơi.
Hiện tượng tóe tia lửa điện như thế này là bình thường và xảy ra khi chân tiếp xúc thu điện của tàu đang chuyển từ đoạn ray cấp điện này sang đoạn ray cấp điện khácCác hệ thống điện một chiều (đặc biệt là hệ thống ray thứ ba) thường bị giới hạn hiệu điện thế tương đối thấp. Điều này cũng giới hạn kích cỡ và vận tốc của tàu điện, và thậm chí giới hạn cả các tiện ích khác trên tàu, chẳng hạn như điều hòa nhiệt độ. Hiệu điện thế thấp cũng có nghĩa việc truyền tải điện năng đi xa sẽ không hiệu quả và do đó sẽ cần bố trí các máy biến áp dọc theo chiều dài của tuyến đường sắt. Đây là một nhược điểm so với đường dây trên cao và điện xoay chiều cap áp, ngay cả đối với việc sử dụng nội đô. Trên thực tế, vận tốc tối đa của các tàu sử dụng hệ thống ray thứ ba là 100 mph (160 km/h) bởi nếu nhanh hơn vận tốc này việc tiếp xúc giữa chân tiếp xúc và ray cấp điện sẽ không còn được đảm bảo ổn định.
Một vài các xe điện (tram - streetcar) sử dụng hệ thống ống dẫn ray thứ ba. Ray thứ ba cấp điện sẽ nằm dưới mặt đất. Xe điện sẽ lấy điện thông qua một cái "cày" xuống đường điện ở dưới qua một khe hẹp dọc trên đường. Ở Mỹ, đa phần (không phải tất cả) các hệ thống xe điện đường phố trước đây ở Washington, D.C. (đã chấm dứt từ năm 1962) được vận hành theo cách này để tránh việc phải xây dựng hệ thống đường dây trên cao, que lấy điện gây mất thẩm mỹ thành phố. Ở Manhattan cũng được thiết kế tương tự như vậy. Các vết tích còn lại của hệ thống này vẫn còn có thể tìm thấy ở tuyến đường xuống dốc trên lối vào phía Bắc tới nhà ga bị bỏ hoang Kingsway Tramway Subway ở trung tâm London, Anh, nơi có thể nhìn thấy rõ khe giữa các đường ray đang chạy, và ở phố P và Q về phía Tây của Wisconsin Avenue trong khu phố Georgetown ở Washington DC, nơi đường ray bị bỏ hoang vẫn chưa được được lát lại. Những nhược điểm của hệ thống này là có chi phí xây dựng ban đầu lớn, chi phí bảo trì cao, và các vấn đề sẽ xảy ra nếu có lá rụng hay tuyết rơi vào các khe này. Bởi vì lí do này, ở Washington, các xe điện ở một vài tuyến đã được chuyển sang đường dây trên cao khi rời trung tâm thành phố, một người trong đội kỹ thuật ("plough pit") sẽ ngắt "cày" điện ra khỏi tàu trong khi một người khác sẽ nâng que lấy điện (nối giữa nóc tàu) vào hệ thống dây trên cao. Ở New York, cũng vì những lí do tương tự liên quan đến chi phí và hiệu năng vận hành nên đường dây trên cao cũng được sự dụng. Một hệ thống cũng có chuyển giao tương tự từ rãnh dẫn sang dây trên cao cũng được sử dụng cho hệ thống xe điện ở London, đáng chú ý là ở miền nam; điển hình ở Norwood, nơi mà rãnh dẫn điện lách sang một bên từ giữa 2 đường ray chính, nhằm tạo ra chỗ để tách đế lấy điện hoặc "cày" điện tách ra.
Một hướng tiếp cận khác mà không sử dụng đường dây trên cao đó là hệ thống xe điện "thế hệ thứ hai" ở Bordeaux, Pháp (tham gia vào đội tàu và chạy chuyến đầu tiên vào tháng 12 năm 2003; hệ thống ban đầu đã chấm dứt từ năm 1958). Hệ thống này có một ray thứ ba chia ra thành các đoạn, mỗi đoạn có các cảm biến và chỉ cung cấp điện khi có tàu chạy qua, do đó rất an toàn với các phương tiện hay người đi bộ cắt qua đường ray. Hệ thống này cũng đã được áp dụng trong một số phần của hệ thống xe điện mới ở Reims, Pháp (ra mắt năm 2011) và Angers, Pháp (cũng ra mắt năm 2011). Phương án này cũng được xem xét áp dụng tại Dubai, UAE; Barcelona, Tây Ban Nha; Florence, Ý; Marseille, Pháp; Gold Coast, Úc; Washington, D.C., Mỹ; Brasília, Brazil và Tours, Pháp.
Hệ thống Tàu điện ngầm London ở Anh là một trong số ít các hệ thống sử dụng 4 ray. Ray thứ tư này đóng vai trò làm cực âm, cái mà trong hệ thống ray thứ ba là chính đường ray tàu. Hệ thống tàu điện ngầm London có một ray thứ ba dạng tiếp xúc trên được đặt bên cạnh của các ray chính dùng điện một chiều với hiệu điện thế &0000000000000420.000000+420 V, và một ray thứ tư dạng tiếp xúc trên được đặt ở giữa 2 ray chính dùng điện một chiều với hiệu điện thế &-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-3-2-1.1000000−210 V DC, do đó tổng hợp lại được một nguồn điện 630 V một chiều cùng cấp cho đoàn tàu. Hệ thống tương tự cũng được áp dụng cho các tuyến tàu điện ngầm thuở ban đầu ở Milan, là line 1 thuộc hệ thống Milan Metro, tuy nhiên các tuyến mới xây dựng gần đây thường sử dụng đường dây trên cao hoặc ray thứ ba.
Ưu điểm chính của hệ thống ray thứ tư đó là cả hai ray chính đều không có dòng điện chạy qua. Phương án này được đưa ra để giải quyết các vấn đề liên quan đến cực âm, bình thường được nối đất bằng các ray chạy tàu, khi tuyến tàu điện có đoạn ngầm được gia cố bằng các tấm sắt chứ không bằng các tấm bê tông (như thông thường). Điều này có thể gây các sự cố hở điện, giật và thậm chí chập điện nếu các đoạn trong đường hầm không được nối dẫn điện với nhau chắc chắn. Ray thứ tư giải quyết được vấn đề này bởi vì cực âm cũng có xu hướng truyền qua các đường ống dẫn bằng kim loại dùng để dẫn nước hoặc ga. Một vài trong số này, đặc biệt là các Tuyến Victorian chính mà có trước hệ thống tàu điện ngầm London, thường không được xây dựng nhằm mục đích dẫn điện và không có liên kết một cách hoàn chỉnh giữa các đoạn ống với nhau. Hệ thống ray thứ tư đã giải quyết vấn đề trên. Mặc dù nguồn cấp điện đã có các điểm nối đất nhân tạo, nhưng hệ thống vẫn có sử dụng thêm các điện trở nhằm đảm bảo dòng điện nối đất nằm trong tiêu chuẩn cho phép. Các ray chỉ cấp điện được đấu nối chắc chắn vào các lớp sứ cách điện nhằm tối thiểu hóa việc rò điện, nhưng điều này là không thể đối với các ray thông thường vì chúng còn phải chịu một trọng lực rất lớn từ tàu hỏa. Tuy nhiên, các miếng cao su đàn hồi được đặt giữa các ray và các thiết bị cách điện đã giải quyết được vấn đề này do đó cách ly đường ray thông thường với dòng điện âm trả về thi thoảng xuất hiện do rò điện.
Ở các đoạn đường ray mà Hệ thống Tàu điện ngầm London dùng chung với hệ thống ray thứ ba National Rail (ở Bakerloo và các tuyến District đều có các đoạn thế này), ray ở giữa cũng được nối và các ray thông thường, nhằm đáp ứng được cả hai loại tàu ray ba và ray tư cùng hoạt động dưới điện áp 660 V. Các tàu điện ngầm đi qua khu vực này đều được thiết kế có hai loại điện trở và các thiết bị điện nhằm phục vụ cả hai hệ thống. Những tuyến đường này ban đầu chỉ được điện khí hóa trên hệ thống bốn đường ray bởi LNWR trước khi các tàu của công ty Đường sắt Quốc gia được thiết kế lại nhằm phục vụ hệ thống ba ray tiêu chuẩn nhằm đơn giản hóa hệ thống tàu điện đưa vào sử dụng.
Các tàu hệ thống ray thứ tư cũng thỉnh thoảng chạy trên hệ thống ray thứ ba. Để hoạt động được, đế tiếp xúc điện ở giữa được nối liền vào hệ thống bánh tàu nhằm lấy điện từ ray. Khi quay trở lại hệ thống ray thứ tư, liên kết này được ngắt đi nhằm tránh tạo ra hiện tượng đoản mạch.
Đề mục này cần được mở rộng. Bạn có thể giúp bằng cách mở rộng nội dung của nó. (May 2018) |
Trong trường hợp của Tuyến Scarborough Line 3, hệ thống ray thứ ba và ray thứ tư không nằm ở giữa các ray thông thường, và có một ray thứ năm là một thanh dải nhôm nằm giữa hai ray chính.
Một vài tuyến trong hệ thống Paris Métro ở Pháp sử dụng hệ thống bốn ray. Các tàu điện sử dụng bánh cao su lăn trên một cặp đường lăn (roll ways) làm bởi thép chữ I (I-beam) và đôi khi là bê tông đúc sẵn. Vì lốp xe không dẫn điện, hai thành dẫn (guide bars) sẽ làm nhiệm vụ dẫn điện từ ray thứ 3 và ray thứ 4 có hiệu điện thế 750 V DC, vì vậy ít nhất về mặt nhận diện, nó là một hệ thống 4 ray. Mỗi bộ bánh của toa kéo sử dụng một động cơ kéo riêng. Một chân tiếp xúc sẽ lấy điện từ mặt đứng của mỗi thanh dẫn. Dòng điện âm được dẫn trở về từ mỗi toa bằng một chân tiếp xúc trượt phía trên các ray tàu thường. Hệ thống này thường rộng 1.435 mm (4 ft 8 1⁄2 in) đường sắt khổ tiêu chuẩn.[6][7]
Thực đơn
Hệ thống điện khí hóa đường sắtLiên quan
Tài liệu tham khảo
WikiPedia: Hệ thống điện khí hóa đường sắt