ระบบจ่ายไฟฟ้าแก่ทางรถไฟ

ระบบจ่ายไฟฟ้าให้รถไฟ หรือ (อังกฤษ: Railway Electrification System) เป็นระบบการจ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับรถไฟหรือรถราง เพื่อให้สามารถทำงานได้โดยไม่ต้องมีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าบนขบวนรถ การจ่ายกระแสไฟฟ้ามีข้อดีเหนือกว่าระบบให้พลังงานอื่น ๆ ในการขับเคลื่อนหัวรถจักร แต่ต้องใช้เงินลงทุนอย่างมากพอสมควรสำหรับการติดตั้ง ในบทความนี้ คำว่า "ระบบ" หมายถึงการกำหนดค่าทางเทคนิคและรายละเอียดทางเทคนิคที่ถูกพัฒนาขึ้น ส่วนคำว่า "เครือข่าย" หมายถึงขอบเขตปริมณฑลของระบบที่มีการติดตั้งในพื้นที่ใช้งาน

หัวรถจักรไฟฟ้าในสวีเดนที่ใช้กระแสไฟฟ้าจากสายไฟระบบเหนือหัว

ลักษณะของการใช้พลังงานไฟฟ้าของรถไฟ

การใช้ไฟฟ้าเพื่อเป็นพลังงานในการขับเคลื่อนรถไฟ ซึ่งอาจใช้หัวรถจักรไฟฟ้าเพื่อการขับเคลื่อนตู้ผู้โดยสาร หรือตู้สัมภาระ หรือเป็นรถไฟที่ประกอบด้วยตู้ที่มีเครื่องยนต์ไฟฟ้าหลายตู้ ซึ่งแต่ละตู้โดยสารรับกระแสไฟฟ้าเพื่อขับเคลื่อนด้วยตัวเองโดยไม่ต้องพึ่งหัวรถจักร พลังงานจะถูกสร้างขึ้นในโรงไฟฟ้าขนาดใหญ่ หลังจากนั้นพลังงานไฟฟ้าจะถูกส่งขึ้นไปยังสายส่งไฟฟ้าแรงสูง แล้วกระจายภายในเครือข่ายทางรถไฟไปให้รถไฟตามที่ต่างๆ โดยปกติจะมีระบบภายในในการจำหน่ายการใช้พลังงาน และการปรับระดับของแรงดันไฟฟ้าจะสร้างและติดตั้งโดยผู้ดูแลโครงการรถไฟโครงการนั้นๆเองเอง

พลังงานจะถูกถ่ายโอนไปยังรถไฟที่กำลังเคลื่อนที่โดยผ่านขารับไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องตลอดเวลาหรือเกือบตลอดเวลา ในกรณีที่ใช้ระบบการจ่ายเหนือศีรษะ(Overhead Catenary System : OCS ) มักจะเป็นลวดเปลือยแขวนลอยอยู่ในเสาเรียกว่าสายส่งเหนือศีรษะ ตัวรถไฟมีเสายึดติดตั้งอยู่บนหลังคาซึ่งรองรับแถบตัวนำยึดติดกับหน้าสัมผัสด้วยสปริงรวมทั้งหมดเรียกว่าแหนบรับไฟ ( Pantograph )รายละเอียดหาอ่านได้ใน ระบบจ่ายไฟฟ้าเหนือหัว

ส่วนรางที่สาม และ รางที่สี่ หาอ่านได้จากบทความตามลิงก์นี้

เมื่อเทียบกับระบบเครื่องยนต์ดีเซล การใช้พลังงานไฟฟ้าทำให้สามารถพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพแม้จะยอมรับว่ามีการสูญเสียระหว่างสายส่งไฟฟ้า มันสามารถให้พลังการลากสูงกว่า ช่วยลดค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษา ควบคุมง่ายและยังหลีกเลี่ยงการปล่อยสารพิษในเขตเมืองอีกด้วย โดยเฉพาะในระบบรถไฟโครงการใหม่ๆ นั้นยังสามารถนำพลังจากระบบเบรก (อังกฤษ: en:regenerative braking) สามารถนำกลับมาใช้ในระบบได้อีก

ส่วนข้อเสียของการใช้ไฟฟ้าก็คือการที่ต้องใช้เงินลงทุนสูงในการสร้างระบบการส่งจ่ายพลังงาน การขยายขอบเขต พื้นที่ให้บริการไปในพื้นที่ที่มีผู้โดยสารน้อย และขาดความยืดหยุ่นในกรณีที่เกิดการหยุดชะงักในเส้นทาง ความแตกต่างกันของมาตรฐานต่างๆการจัดระบบไฟฟ้าในพื้นที่ติดกัน เช่น การเดินทางระหว่างรับ ระหว่างประเทศ หรือทวีป ทำให้ลำบากในการให้บริการได้อย่างต่อเนื่อง และเนื่องจากสายไฟฟ้าเหนือศีรษะอยู่ในระดับต่ำ ทำให้การเดินรถแบบสองชั้นทำได้ยาก

 

ระบบจ่ายไฟเหนือหัวไม่ได้เผื่อความสูงของสายไฟทำให้การขนส่งสองชั้นทำได้ยาก

การจัดหมวดหมู่

 

ระบบจ่ายไฟฟ้าในยุโรป:

  ไม่มีการจ่ายกระแสไฟฟ้า

  750 V DC

  1.5 kV DC

  3 kV DC

  15 kV AC

  25 kV AC

สายความเร็วสูงในประเทศฝรั่งเศส, สเปน, อิตาลี, สหราชอาณาจักร, เนเธอร์แลนด์, เบลเยียมและตุรกีดำเนินงานที่ 25 KV เท่ากับสายส่งกำลังไฟฟ้าในอดีตสหภาพโซเวียต

ระบบการใช้พลังงานไฟฟ้าถูกจำแนกเป็นสามปัจจัยหลักดังนี้:

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

แรงดันไฟฟ้าที่ได้มาตรฐาน

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

มีหลายระบบแรงดันไฟฟ้าอื่น ๆ ที่ใช้สำหรับระบบรถไฟฟ้าทั่วโลกและ'รายการของระบบปัจจุบันสำหรับการลากรถไฟฟ้า' (อังกฤษ: en:list of current systems for electric rail traction) จะครอบคลุมทั้งแรงดันไฟฟ้าที่ได้มาตรฐานและไม่ได้มาตรฐาน

ช่วงของแรงดันไฟฟ้าที่ได้รับอนุญาตมีการระบุไว้ในมาตรฐาน BS EN 50163 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

แรกเริ่มนั้นระบบจ่ายไฟฟ้าใช้แรงดันต่ำ มอเตอร์ไฟฟ้าบนรถไฟได้รับกระแสไฟฟ้ากระแสตรงจากแหล่งจ่ายสถานีไฟฟ้าขับเคลื่อน และถูกควบคุมโดยใช้ความต้านทาน เมื่อรถไฟเพิ่มความเร็วและใช้รีเลย์ที่เชื่อมต่อการทำงานของมอเตอร์แบบอนุกรมหรือแบบขนาน

 

สาย Tyne and Wear Metro เป็นรถไฟฟ้าสายเดียวในสหราชอาณาจักรที่ใช้ไฟ 1,500 V DC

แรงดันที่นิยมมากที่สุดเป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง 600 V และ 750 V สำหรับรถรางและรถไฟฟ้าใต้ดิน และ 1500 V 650/750 V สำหรับรางที่สาม สำหรับภาคใต้ในอดีตของสหราชอาณาจักร และ 3 กิโลโวลต์สำหรับระบบเหนือศีรษะ ไฟฟ้าแรงดันต่ำมักจะใช้กับระบบรางทีสามหรือระบบรางที่สี่ ในขณะที่แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า 1 กิโลโวลต์ ปกติจะจำกัดใช้ในการเดินสายไฟในระบบเหนือศีรษะเพื่อเหตุผลทางด้านความปลอดภัย รถไฟชานเมืองสาย (S-Bahn) ในฮัมบวร์ค, เยอรมนีดำเนินงานโดยใช้รางที่สามที่แรงดัน 1200 V ฝรั่งเศสสาย SNCF Cu​​loz-Modane ในเทือกเขาแอลป์ใช้ 1,500 v ในรางที่สาม จนกระทั่ง 1976 เมื่อโซ่ถูกติดตั้งและรางสามถูกรื้อออก ในสหราชอาณาจักรทางตอนใต้ของกรุงลอนดอนใช้ 750 V กับรางที่สามถูกนำมาใช้ ในขณะที่ 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 วันนี้การแปลงดังกล่าวมักจะทำโดยเซมิคอนดักเตอร์วงจรเรียงกระแสหลังจากลดแรงดันลงจากแหล่งจ่ายสาธารณูปโภค

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

ถ้าบนขบวนรถไฟมีอุปกรณ์ไฟฟ้าอื่นเช่นพัดลมและคอมเพรสเซอร์ ถ้าต้องใช้พลังงานจากมอเตอร์ที่เลี้ยงโดยตรงจากแหล่งจ่าย สายเคเบิลที่เป็นสายส่งอาจจะมีขนาดใหญ่ขึ้นเนื่องจากต้องเพิ่มขนาดของสายและแนวฉนวน 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

มี 3 ระบบคือ

1. ระบบเหนือศีรษะ
2. ระบบรางที่สาม
3. ระบบรางที่สี่

กระแสสลับ

ระบบจ่ายกระแสไฟฟ้า AC จะเป็นแบบเหนือศีรษะได้อย่างเดียว กระแสสลับสามารถเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าให้ลดลงได้ภายในหัวรถจักร ใช้แรงดันไฟฟ้าที่สูงมากเพื่อให้มีกระแสน้อยลง สายส่งจึงมีขนาดเล็กลง ซึ่งหมายถึงการสูญเสียพลังงานน้อยลงไปตามทางยาวของเส้นทางรถไฟ

กระแสสลับความถี่ต่ำ

 

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

รถไฟกระแสไฟฟ้า AC 3 เฟสถูกใช้ในอิตาลี สวิตเซอร์แลนด์และสหรัฐอเมริกาในต้นศตวรรษที่ 20 ระบบในตอนต้นใช้

ความถี่ต่ำ (16⅔ Hz) และแรงดันไฟฟ้าที่ค่อนข้างต่ำ (3,000 หรือ 3,600 โวลต์) ระบบจะสร้างพลังงานจากการเบรก ป้อนกลับไปยังระบบ จึงมีความเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับรถไฟที่ใช้ในเขตภูเขา (หัวรถจักรอีกขบวนสามารถใช้พลังนี้ได้) ระบบมีข้อเสียของการที่ต้องใช้ตัวนำเหนือศีรษะสอง (หรือสาม) ที่แยกเป็นสัดส่วนบวก return path ผ่านทางราง หัวรถจักรไฟฟ้าทำงานที่ความเร็วคงที่ 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

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 ของสหราชอาณาจักรและในอุโมงค์ข้ามช่องแคบ neutral section จะถูกควบคุมโดยอัตโนมัติ

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

การใช้พลังงานไฟฟ้าในโลก

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

ข้อดีและข้อเสีย

ข้อดี

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

อื่นๆ

• ลดค่าใช้จ่ายของโครงการ, การวิ่งบริการและการบำรุงรักษาหัวรถจักรและตู้พ่วง
• อัตราส่วนของกำลังงานต่อน้ำหนักรถสูง
• ใช้หัวรถจักรน้อยลง
• เร่งออกตัวได้เร็วขึ้น
• ขีดจำกัดในทางปฏิบัติในการใช้งานน้อยลง เพิ่มโหลดได้มากขึ้น
• เพิ่มความเร็วสูงขึ้น
• มลพิษทางเสียงน้อย (การทำงานที่เงียบ)
• เมื่อเร่งความเร็วจากการออกตัวได้เร็วขึ้นทำให้ เคลียร์ทางเร็วขึ้น เพิ่มจำนวนขบวนรถไฟบนทางในเมืองได้
• การสูญเสียพลังงานลดลงไปมาก (สำหรับการสูญเสียพลังงานดูเครื่องยนต์ดีเซล)
• ใช้แหล่งพลังงานที่ยืดหยุ่น ลดค่าใช้จ่ายในการเดินรถจากราคาน้ำมันที่มีความผันผวน
• ให้บริการในสถานีรถไฟใต้ดิน ซึ่งรถไฟดีเซลไม่สามารถใช้ได้เนื่องจากเหตุผลด้านความปลอดภัย
• มลพิษทางสิ่งแวดล้อมที่ลดลงโดยเฉพาะอย่างยิ่งในเขตเมืองมีประชากรสูงแม้ว่าไฟฟ้าถูกผลิตโดยเชื้อเพลิงฟอสซิล
• สามารถรองรับการเรียกคืนพลังงานจลน์จากเบรกโดยใช้ตัวเก็บประจุยิ่งยวด ( supercapacitors)

ข้อเสีย

• ค่าใช้จ่ายในการใช้พลังงานไฟฟ้า: ระบบไฟฟ้าต้องสร้างโครงสร้างพื้นฐานใหม่ทั้งหมดซึ่งจะถูกสร้างขึ้นรอบรางที่มีอยู่ด้วยค่าใช้จ่ายที่มีนัยสำคัญ ค่าใช้จ่ายจะสูงโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่ออุโมงค์, สะพานและสิ่งกีดขวางอื่น ๆ จะต้องมีการเปลี่ยนแปลงให้มีระยะห่าง ส่วนอื่นที่สามารถเพิ่มค่าใช้จ่ายของการใช้พลังงานไฟฟ้าก็คือการปรับเปลี่ยนหรืออัพเกรดระบบอาณัติสัญญาณที่จำเป็นสำหรับลักษณะการจราจรใหม่ และเพื่อปกป้องวงจรสัญญาณและวงจรของรางจากการรบกวนโดยการกระแสไฟฟ้าที่ใช้ในการฉุดลาก
• เพิ่มโหลดภาระองค์การไฟฟ้​​า: การเพิ่มผู้บริโภคไฟฟ้ารายใหม่จะมีผลกระทบต่อระบบเครือข่ายไฟฟ้าและอาจจำเป็นต้องมีการเพิ่มกำลังการผลิตพลังงานจ่ายให้ระบบเครือข่าย อย่างไรก็ตามรถไฟสามารถมีเครือข่ายไฟฟ้าเป็นของตัวเองและเพื่อการสำรองพลังงานที่สามารถใช้ได้ถ้าระบบเครือข่ายไฟฟ้าของรัฐมีปัญหา
• ลักษณะภายนอก: โครงสร้างสายเหนือศีรษะและสายเคเบิลสามารถมีผลกระทบต่อภูมิทัศน์อย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับที่ไม่ใช่ไฟฟ้าหรือทางรถไฟรางที่สามที่มีเพียงแค่อุปกรณ์ส่งสัญญาณบางส่วนเท่านั้นที่อยู่เหนือระดับพื้นดิน
• เปราะบางและไม่มั่นคง: ระบบการใช้พลังงานไฟฟ้าเหนือศีรษะสามารถประสบภาวะชะงักงันอย่างรุนแรงอันเนื่องมาจากกลไกมีความผิดพลาดเล็ก ๆ น้อย ๆ หรือผลกระทบของกระแสลมแรงที่ทำให้ pantograph ที่กำลังเคลื่อนที่ไปพันกับสายไฟเหนือศีรษะ (catenary), ฉีกสายไฟหลุดจากตัวยึด ความเสียหายมักจะไม่จำกัดแค่ทางเดินรถทางใดทางหนึ่งแต่อาจขยายไปยังทางข้างเคียงด้วย ทำให้ตลอดเส้นทางจะถูกบล็อกเป็นเวลานาน ระบบรางที่สามสามารถประสบภาวะชะงักงันในสภาพอากาศหนาวเย็นเนื่องจากน้ำแข็งก่อตัวขึ้นบนราวตัวนำ.

 

ภาพแสดง catenary

• ขโมย: ราคาเศษทองแดงที่สูงและการไม่ได้รับการป้องกัน, การติดตั้งในที่ห่างไกลทำให้สายเหนือศีรษะเป็นเป้าหมายที่น่าสนใจสำหรับพวกขโมยโลหะ ความพยายามที่จะขโมยสายเคเบิลที่มีแรงดันไฟฟ้าอยู่ขนาด 25 kV อาจจบลงด้วยความตายของขโมยเนื่องจากถูกไฟฟ้าดูด ในสหราชอาณาจักร การโจรกรรมสายเคเบิลจะถูกอ้างว่าเป็นหนึ่งในสาเหตุใหญ่ที่สุดของความล่าช้าและการหยุดชะงักในการให้บริการ

ข้อจำกัด

สายเหนือศีรษะส่วนใหญ่ไม่เว้นระยะความสูงให้พอเพียงสำหรับรถโดยสารสองชั้น ค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาของการเดินรถอาจจะเพิ่มขึ้น แต่หลายระบบอ้างว่าค่าใช้จ่ายลดลงเนื่องจากการลดการสึกหรอและจากขบวนรถมีน้ำหนักเบาลง มีค่าใช้จ่ายบางรายการในการบำรุงรักษาเพิ่มเติมที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์ไฟฟ้า เช่น สถานีไฟฟ้าย่อย และเสาขึงของสายเหนือศีรษะ แต่ถ้ามีการจราจรหนาแน่นเพียงพอ รายได้มีมูลค่าสูงกว่าค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาและค่าใช้จ่ายในการเดินรถอย่างมีนัยสำคัญ

ผลกระทบจากระบบเครือข่ายพลังงานเป็นปัจจัยสำคัญที่มีผลต่อการตัดสินใจใช้พลังงานไฟฟ้า เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงจากการเดินรถพลังงานอื่น เช่น น้ำมันให้เป็นการใช้พลังงานไฟฟ้า, การเชื่อมต่อกับระบบเดินรถอื่น ๆ จะต้องได้รับการพิจารณา การใช้ไฟฟ้าบางระบบเดินรถก็ถูกรื้อออกเนื่องจากทางผ่านเป็นบริเวณที่ไม่มีระบบเครือข่ายไฟฟ้า ถ้าทางผ่านเป็นพื้นที่มีประโยชน์ทางเศรษฐกิจ การสลับขบวนที่ต้องใช้เวลามากอาจเกิดขึ้นเพื่อเชื่อมต่อดังกล่าว หรือต้องใช้ระบบเครื่องยนต์สองโหมดที่มีราคาแพง เรื่องนี้เป็นประเด็นส่วนใหญ่สำหรับการเดินทางระยะไกล แต่หลายสายการเดินรถเข้ามาครอบงำโดยใช้ขบวนสินค้าแบบลากยาว (ปกติใช้บรรทุกถ่านหิน, แร่ธาตุ, หรือคอนเทนเนอร์ไปหรือออกจากท่าเรือ) ในทางทฤษฎีรถไฟเหล่านี้อาจดูคุ้มค่าไปกับการลดต้นทุนผ่านการใช้พลังงานไฟฟ้า แต่อาจจะมีราคาแพงเกินไปที่จะขยายการใช้พลังงานไฟฟ้าไปยังพื้นที่ที่โดดเดี่ยวจากระบบเครือข่ายพลังงาน นอกเสียจากเครือข่ายขนส่งทั้งหมดจะมีกระแสไฟฟ้า บริษัทเหล่านั้นมักจะพบว่าพวกเขาต้องการที่จะยังคงใช้รถไฟดีเซลแม้ว่ามีบางส่วนเป็นระบบไฟฟ้า ความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับการขนส่งคอนเทนเนอร์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นเมื่อใช้รถสองชั้นยังมีประเด็นที่มีผลกระทบต่อเครือข่ายของการจ่ายไฟฟ้า เนื่องจากมีระยะเหนือศีรษะไม่เพียงพอของสายไฟฟ้าเหนือศีรษะ แม้ว่าการจ่ายพลังงานไฟฟ้าสามารถสร้างหรือปรับเปลี่ยนเพื่อให้มีช่องว่างเหนือศีรษะเพิ่มเพียงพอได้ เพราะมีค่าใช้จ่ายเพิ่มเติม

นอกจากนี้ยังมีปัญหาของการเชื่อมต่อระหว่างผู้ให้บริการไฟฟ้าที่แตกต่างกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งการเชื่อมต่อระหว่างไฟฟ้าภายในเมืองกับไฟฟ้าสำหรับการโดยสาร, และระหว่างสายชุมชนด้วยกันแต่คนละมาตรฐาน นี้สามารถทำให้เกิดการใช้พลังงานไฟฟ้าของการเชื่อมต่อบางอย่างที่จะมีราคาแพงมากเพียงเพราะผลกระทบในส่วนที่มีการเชื่อมต่อ หลายสายนำมาตรฐานที่แตกต่างกันมาซ้อนทับกันเพื่อหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนตู้สัมภาระ ในบางกรณีมีรถไฟดีเซลวิ่งไปตามเส้นทางไฟฟ้​​าอย่างสมบูรณ์และนี้อาจจะเป็นเพราะความไม่ลงรอยกันของมาตรฐานการใช้พลังงานไฟฟ้าไปตามเส้นทาง

สรุปข้อดีและข้อเสีย

• เส้นทางที่มีการใช้งานน้อยอาจจะไม่เหมาะสมสำหรับการใช้พลังงานไฟฟ้า (โดยเฉพาะอย่างยิ่งการสร้างพลังงานจากการเบรก) เพราะค่าใช้จ่ายที่สูงกว่าของการบำรุงรักษามากกว่ารายได้การเดินรถ ดังนั้นส่วนใหญ่สายทางไกลในอเมริกาเหนือและประเทศกำลังพัฒนาจำนวนมากไม่ได้ใช้ไฟฟ้าเนื่องจากความถี่ในการเดินรถที่ค่อนข้างต่ำ
• หัวรถจักรไฟฟ้าอาจถูกสร้างได้อย่างง่ายดายโดยให้มีพลังมากกว่าหัวรถจักรดิเซลส่วนใหญ่ สำหรับงานโดยสารทั่วไป มันเป็นไปได้ที่จะใช้ด้วยเครื่องยนต์ดีเซล (ดู 'ICE TD') แต่ไม่ใช่ที่ความเร็วสูงๆ ซึ่งพิสูจน์ได้ว่าแพงและไม่ควรนำมาปฏิบัติ ดังนั้นเกือบทั้งหมดของรถไฟความเร็วสูงจะเป็นไฟฟ้า
• พลังงานที่สูงของหัวรถจักรไฟฟ้าให้ความสามารถในการดึงตู้ขนส่งสินค้าที่ความเร็วสูงกว่าบนทางลาดชัน; ในสภาพการจราจรที่ผสม สิ่งนี้เพิ่มกำลังความสามารถและลดเวลาระหว่างขบวนลง พลังงานที่สูงขึ้นของหัวรถจักรไฟฟ้าและการใช้กระแสไฟฟ้ายังสามารถเป็นทางเลือกที่ถูกกว่าสำหรับระบบรางใหม่และรางลาดชั้นน้อย ถ้าหากน้ำหนักรถไฟจะเพิ่มขึ้นในระบบ

ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน

รถไฟที่ใช้ไฟฟ้าเป็นการใช้พลังงานที่มีประสิทธิภาพกว่ารถไฟดีเซล ถ้าไดัรับพลังงานจากสถานีผลิตไฟฟ้าคาร์บอนต่ำ รถไฟไฟฟ้าปล่อยคาร์บอนไดอ๊อกไซด์น้อยลง

รถไฟไฟฟ้าไม่จำเป็นต้องแบกน้ำหนักของหัวลากหลัก สายส่งและเชื้อเพลิง นี่คือการชดเชยบางส่วนกับน้ำหนักของอุปกรณ์ไฟฟ้า

การสร้างพลังงานจากระบบเบรกส่งไฟฟ้าคืนระบบเพื่อที่ว่ามันอาจจะเอาไปใช้ที่อื่น โดยรถไฟอื่น ๆ ในระบบเดียวกันหรือกลับไปยังเครือข่ายส่งกำลังไฟฟ้า นี้จะเป็นประโยชน์โดยเฉพาะอย่างยิ่งในพื้นที่ที่เป็นภูเขาในที่ซึ่งรถไฟที่โหลดหนักต้องขึ้นลงทางลาดชัน

ไฟฟ้าสถานีกลางสามารถสร้างพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงกว่าเครื่องยนต์/เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเคลื่อนที่ โรงไฟฟ้​​าเชื้อเพลิงฟอสซิลขนาดใหญ่ทำงานที่มีประสิทธิภาพสูง และสามารถนำไปใช้ให้ความร้อนหรือผลิตความเย็นให้กับชุมชนซึ่งจะนำไปสู่​​การเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมสูงขึ้น

สามารถใช้แหล่งพลังงานที่ไม่เหมาะสมสำหรับการผลิตไฟฟ้าแบบเคลื่อนที่ได้ เช่น พลังงานนิวเคลียร์, โรงไฟฟ้าพลังน้ำ, หรือพลังงานลม หรือแก๊ส ตามที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางทั่วโลกของปริมาณพลังงานสำรอง สำรองของเชื้อเพลิงเหลวมีน้อยกว่าก๊าซและถ่านหินมาก (ที่ 42, 167 และ 416 ปีตามลำดับ) เหมาะกับประเทศส่วนใหญ่ที่มีเครือข่ายรถไฟขนาดใหญ่ที่ไม่ได้มีน้ำมันสำรอง แต่ประเทศที่มี, เช่น ประเทศสหรัฐอเมริกาและสหราชอาณาจักร ได้ใช้น้ำมันสำรองของตนออกไปมากและได้รับความเดือดร้อนการส่งออกน้ำมันที่ลดลงมานานหลายทศวรรษ ดังนั้นนอกจากนี้ยังมีแรงจูงใจทางเศรษฐกิจที่แข็งแกร่งเพื่อทดแทนเชื้อเพลิงอื่น ๆ แทนน้ำมัน รถไฟกระแสไฟฟ้ามักจะถือว่าเป็นเส้นทางสำคัญที่มีต่อการปฏิรูปรูปแบบการบริโภค.

ค่าใช้จ่ายภายนอก

ค่าใช้จ่ายภายนอกของรถไฟมีน้อยกว่าระบบการขนส่งแต่การใช้พลังงานไฟฟ้าทำให้ค่าใช้จ่ายนั้นน้อยลงไปอีกถ้ามันยั่งยืน

นอกจากนี้การลดค่าใช้จ่ายพลังงานจากน้ำมันมาล้อ (well to wheel) และความสามารถในการลดมลพิษและก๊าซเรือนกระจกในชั้นบรรยากาศให้เป็นไปตามพิธีสารเกียวโตเป็นข้อได้เปรียบ

ระบบที่ไม่ใช้หน้าสัมผัส

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

• 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

1. EN 50163: Railway applications. Supply voltages of traction systems (2007)
2. IEC 60850: Railway applications – Supply voltages of traction systems, 3rd edition (2007)