Hệ thống điện khí hóa đường sắt

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Buớc tưới chuyển hướng Bước tới tìm kiếm
Hệ thống Tàu điện ngầm thành phố New York là hệ thống tàu điện ngầm vận hành độc lập lớn nhất trên thế giới tính theo số lượng nhà ga mà nó phục vụ, sử dụng hàng trăm dặm đường sắt được điện khí hóa

Hệ thống điện khí hóa đường sắt cung cấp năng lượng dưới dạng điện cho các đoàn tàu đường sắt hay các xe điện mà không cần một đầu máy xe lửa cung cấp sức kéo hoặc một nguồn nhiên liệu trên tàu. Điện khí hóa đường sắt sử dụng một đầu máy tàu điện kéo theo các toa chở khách hoặc chở hàng hoặc các tàu điện động lực phân tán, toa chở khách được trang bị động cơ điện riêng trên các toa. Dòng điện thường được sinh ra từ nhà máy công suất lớn, hiệu năng cao, tiếp tục được truyền đến mạng lưới đường sắt và phân bố cho các đoàn tàu. Một số tuyến đường sắt điện khí hóa có các trạm phát điện riêng và các đường dây điện trên cao nhưng hầu hết thường mua từ một công ty điện lực. Đường sắt sẽ bao gồm luôn cả các hệ thống điện phụ trợ, chuyển mạch điện, biến áp...

Năng lượng cung cấp để vận hành đoàn tàu là một nguồn dẫn (gần như) liên tục chạy song hành với đường ray và thuộc một trong hai dạng: đường dây trên cao treo bởi hệ thống cột hoặc tháp dọc theo đường ray hoặc gắn với các kết cấu đường sắt khác hoặc trần của con hầm (mà tàu điện đi vào) hoặc một ray thứ ba đi dọc theo đường ray, tàu điện sẽ lấy điện bằng một thanh truyền gọi là chân tiếp xúc. Cả hệ thống đường dây trên cao và ray thứ ba thường là cực dương và sử dụng đường ray chạy tàu làm cực âm nhưng cũng có hệ thống khác hệ thống ray thứ tư phân tách sử dụng một đường ray riêng làm cực âm.

So sánh với phương thức cấp năng lượng khác như đầu máy diesel, việc điện khí hóa cung cấp một nguồn năng lượng ổn định hơn, giảm được khí thải và đòi hỏi chi phí vận hành thấp hơn. Các đầu máy tàu điện cũng thường gây ồn ít hơn, mạnh hơn, đáp ứng nhanh và đáng tin cậy hơn diesel. Chúng cũng không có các nguồn phát khí thải, một lợi thế quan trọng khi hoạt động trong các hầm hay khu vực dân cư. Một vài hệ thống tàu còn có phanh tái sinh có thể chuyển động năng ngược trở lại thành điện để lưu trữ hoặc truyền ngược lên hệ thống điện lưới. Trong khi đầu máy diesel đốt dầu mỏ, điện sử dụng cho đầu máy điện lại có thể được tạo ra từ các nguồn khác nhau bao gồm cả năng lượng tái tạo.

Các nhược điểm của điện khí hóa là chi phí cao khi xây dựng và có thể không có hiệu quả kinh tế trên các tuyến đường sắt hoạt động thưa thớt; tương đối thiếu linh hoạt - do các tàu điện phải cần các hệ thống đường sắt được điện khí hóa, rủi ro khi mất điện... Các vùng miền khác nhau sẽ sử dụng các nguồn cung điện khác nhau về hiệu điện thế hay tần số, sự phức tạp này đòi hỏi các đầu máy tàu điện phải chuẩn bị thích ứng với nhiều kiểu nguồn điện khác nhau nếu muốn mở rộng phạm vi hoạt động hoặc thương mại. Khoảng cách an toàn cần thiết giữa dây điện trên cao với các toa cũng có thể làm giảm hiệu quả với hình thức vận tải container xếp chồng.

Điện khí hóa đường sắt liên tục tăng trong những thập kỷ qua, và vào năm 2012, đường sắt được điện khí hóa đã chiếm tỉ lệ một phần ba tổng chiều dài đường sắt toàn cầu.[1]

Phân loại[sửa | sửa mã nguồn]

Hệ thống điện khí hóa ở Châu Âu:
  Không được điện khí hóa
  750 V DC
  1.5 kV DC
  3 kV DC
Các tuyến cao tốc ở Pháp, Tây Ban Nha, Italy, Anh, Hà Lan, Bỉ và Thổ Nhĩ Kỳ sử dụng dòng 25 kV, giống như các hệ thống trong Liên Xô cũ.

Hệ thống điện khí hóa được phân loại bởi ba thông số chính:

Việc lựa chọn ứng dụng hệ thống nào sẽ phụ thuộc vào kinh tế và nguồn điện cung cấp, chi phí xây dựng và bảo trì so sánh với doanh thu mang lại sau khi hoạt động. Các vùng đô thị hoặc địa phương khác nhau có thể dùng các hệ thống khác nhau hoặc các đầu máy tàu điện cũng có thể được thiết kế để đáp ứng được nhiều dạng điện thế mà nó chạy qua.

Điện áp tiêu chuẩn[sửa | sửa mã nguồn]

Sáu trong số các điện áp được sử dụng phổ biến nhất đã được chọn làm tiêu chuẩn châu Âu và Quốc tế. Việc này độc lập với hệ thống lấy điện của các tuyến tàu, ví dụ, Điện một chiều 750 V được sử dụng nhưng có thể tùy chọn hệ thống ray thứ ba hoặc đường dây trên cao.

Có rất nhiều các loại điện áp khác được sử dụng để điện khí hóa đường sắt, xem thêm danh sách hệ thống điện khí hóa đường sắt bao gồm hệ thống tiêu chuẩn và hệ thống địa phương trên toàn thế giới.

Phạm vi cho phép của điện áp được ghi trong các tiêu chuẩn BS EN 50163[2] và IEC 60850.[3].

Hệ thống điện khí hóa Hiệu điện thế
Tối thiểu (tức thời) Tối thiểu (trung bình) Bình thường Tối đa (tức thời) Tối đa (trung bình)
600 V DC 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 (tiêu chuẩn EN 50163)
và 60 Hz (tiêu chuẩn IEC 60850)
17,5 kV 19 kV 25 kV 27,5 kV 29 kV

Điện một chiều[sửa | sửa mã nguồn]

Thiết bị chuyển đổi quay (rotary converter) đường sắt trong Bảo tàng đường sắt Illinois

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.

Hệ thống đường dây trên cao[sửa | sửa mã nguồn]

Các đầu máy điện nằm bên dưới hệ thống đường dây trên caoThụy Điển
Tuyến Nottingham Express Transit ở Anh sử dụng hệ thống dây trên cao một chiều 750 V, cùng giống với hầu hết các hệ thống xe điện hiện đại.
Bài chi tiết: Đường dây trên cao

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-ZuidBetuwelijn, 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 LondonManchester, 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).

Hệ thống đường dây trên cao kết hợp động cơ tuyến tính[sửa | sửa mã nguồn]

Xem overhead systems with linear motor

Ray thứ ba[sửa | sửa mã nguồn]

Bài chi tiết: Ray thứ ba
Một hệ thống ray thứ ba tiếp xúc dưới của hệ thống Amsterdam Metro, Hà Lan

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 điện

Hệ 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 khác

Các 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.

Ray thứ tư[sửa | sửa mã nguồn]

Các đường ray của hệ thống London Underground tại Ealing Common, trên tuyến District line, nhìn thấy được cả ray thứ ba (thứ 4 từ phải sang) và ray thứ (thứ 2 từ phải sang) bên cạnh các ray thông thường (thứ 1 và thứ 3 từ phải sang).

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 &-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-3-2-1.1000000210 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.

Động cơ tuyến tính[sửa | sửa mã nguồn]

Hệ thống 5 ray[sửa | sửa mã nguồn]

Một tàu S-series (1985–2015) đang rời Bản mẫu:Ttcs, hướng tới Bản mẫu:Ttcs, ở giữa các ray thông thường là một dải nhôm - cũng chính là ray thứ năm.

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.

Hệ thống bánh cao su[sửa | sửa mã nguồn]

Hệ thống Bogie của một tàu MP 89 thuộc tuyến Paris Métro. Chân tiếp xúc được đặt giữa mỗi cặp bánh cao su.
The bogie of an MP 05, showing the flanged steel wheel inside the rubber tyred one, as well as the vertical contact shoe on top of the steel rail.
Bài chi tiết: Tàu điện bánh cao su

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 12 in) đường sắt khổ tiêu chuẩn.[6][7]

Điện xoay chiều[sửa | sửa mã nguồn]

Hình ảnh một biển báo điện cao áp trên hệ thống điện khí hóa đường sắt

Đường sắt cũng giống như các thiết bị điện khác áp dụng điện xoay chiều để sử dụng được máy biến áp (thiết bị chỉ hoạt động với dòng xoay chiều), để có thể có hiệu điện thế lớn hơn. Hiệu điện thế càng cao, cường độ dòng điện sẽ càng thấp xét trên cùng công suất, từ đó giảm được hao phí và chi phí đường dây, sử dụng được năng lượng từ nguồn với hiếu suất cao hơn điện một chiều.

Thường hệ thống sẽ dùng điện xoay chiều ở hiệu điện thế cao, do đó để đảm bảo an toàn, hệ thống dây điện trên cao là lựa chọn duy nhất, không bao giờ sử dụng hệ thống ray thứ ba. Bên trong đầu máy, một máy biến áp sẽ giảm điện áp xuống để sử dụng bởi các động cơ kéo và phụ tải.

Một lợi thế ban đầu của điện xoay chiều là loại bỏ được các biến trở gây lãng phí điện năng được sử dụng trong đầu máy điện một chiều để điều khiển tốc độ: tùy vào bố trí số vòng dây trên biến áp mà dòng điện đầu ra sẽ thay đổi dễ dàng. Các thành phần phụ như đèn, thiết bị điện bổ sung cũng được biến thế chuyển thành điện áp thấp để hoạt động bình thường. Gần đây, sự phát triển của chất bán dẫn cũng làm thay đổi mạnh mẽ các động cơ xoay chiều/một chiều truyền thống thay bằng các động cơ không đồng bộ ba pha cùng phương pháp điều khiển biến tần (variable frequency drive) để thay đổi tần số, điện áp điều khiển động cơ. Các bộ điều khiển này có thể chạy tốt với điện một chiều hoặc điện xoay chiều ở bất kỳ tần số nào, và nhiều đầu máy điện hiện đại được thiết kế để xử dụng các điện áp và tần số cung cấp khác nhau, đơn giản việc hoạt động xuyên vùng, lãnh thổ, nơi mà có hệ thống nguồn phát khác nhau.

Điện xoay chiều tần số thấp[sửa | sửa mã nguồn]

Hệ thống điện xoay chiều 15 kV 16.7 Hz được sử dụng tại Thụy Sĩ

Các động cơ điện một chiều cổ góp, được trang bị các lá cực nhiều lớp, trở thành động cơ vạn năng vì chúng cũng hoạt động được cả với điện xoay chiều; đảo chiều dòng điện trong cả stato và rôto không làm đảo ngược chiều quay động cơ. Tuy nhiên, dòng điện xoay chiều tiêu chuẩn có tần số 50 và 60 Hz gây ra vấn đề khó khăn, mất mát năng lượng do xay ra hiện tượng tự cảmdòng điện Foucault, do đó nhiều tuyến đường sắt chọn dòng xoay chiều tần số thấp để hạn chế tình trạng này. Nó thường được chuyển đổi bằng các thiết bị như máy phát điện động cơ (motor-generator) hoặc biến tần tĩnh (static inverters) tại các trạm phát cung cấp điện cho tuyến đường sắt hoặc từ các traction powerstation.

These low frequencies were later made unnecessary by high power locomotive rectifiers that can convert any AC frequency to DC: first the mercury-arc rectifier and then the semiconductor rectifier. Some AC railways have been converted to standard grid frequencies, but low frequencies are still widely used due to large sunken equipment costs.

Five European countries, Germany, Austria, Switzerland, Norway and Sweden, have standardized on 15 kV 16 23 Hz (the 50 Hz mains frequency divided by three) single-phase AC. On 16 October 1995, Germany, Austria and Switzerland changed from 16 23 Hz to 16.7 Hz which is no longer exactly one-third of the grid frequency. This solved overheating problems with the rotary converters used to generate some of this power from the grid supply.[8]

High-voltage AC overhead systems are not only for standard gauge national networks. The meter gauge Rhaetian Railway (RhB) and the neighbouring Matterhorn Gotthard Bahn (MGB) operate on 11 kV at 16.7 Hz frequency. Practice has proven that both Swiss and German 15 kV trains can operate under these lower voltages. The RhB started trials of the 11 kV system in 1913 on the Engadin line (St. Moritz-Scuol/Tarasp). The MGB constituents Furka Oberalp Bahn (FO) and Brig-Visp-Zermatt Bahn (BVZ) introduced their electric services in 1941 and 1929 respectively, adopting the already proven RhB system.

In the United States, 25 Hz, a once-common industrial power frequency, is used on Amtrak's 25 Hz traction power system at 12 kV on the Northeast Corridor between Washington, D.C. and New York City and on the Keystone Corridor between Harrisburg, PennsylvaniaPhiladelphia. SEPTA's 25 Hz traction power system uses the same 12 kV voltage on the catenary in Northeast Philadelphia. This allows for the trains to operate on both the Amtrak and SEPTA power systems. Apart from having an identical catenary voltage, the power distribution systems of Amtrak and SEPTA are very different. The Amtrak power distribution system has a 138 kV transmission network that provides power to substations which then transform the voltage to 12 kV to feed the catenary system. The SEPTA power distribution system uses a 2:1 ratio autotransformer system, with the catenary fed at 12 kV and a return feeder wire fed at 24 kV. The New York, New Haven and Hartford Railroad used an 11 kV system between New York City and New Haven, Connecticut, which was converted to 12.5 kV 60 Hz in 1987.

In the UK, the London, Brighton and South Coast Railway pioneered overhead electrification of its suburban lines in London, London Bridge to Victoria being opened to traffic on 1 December 1909. Victoria to Crystal Palace via Balham and West Norwood opened in May 1911. Peckham Rye to West Norwood opened in June 1912. Further extensions were not made owing to the First World War. Two lines opened in 1925 under the Southern Railway serving Coulsdon NorthSutton railway station.[9][10][11] The lines were electrified at 6.7 kV 25 Hz. It was announced in 1926 that all lines were to be converted to DC third rail and the last overhead electric service ran in September 1929.

Hệ thống điện xoay chiều nhiều pha[sửa | sửa mã nguồn]

Double pantograph for three phase electrification on the Jungfraubahn, Switzerland

Three-phase AC railway electrification was used in Italy, Switzerland and the United States in the early twentieth century. Italy was the major user, for lines in the mountainous regions of northern Italy from 1901 until 1976. The first lines were the Burgdorf-Thun line in Switzerland (1899), and the lines of the Ferrovia della Valtellina from Colico to ChiavennaTirano in Italy, which were electrified in 1901 and 1902. Other lines where the three-phase system were used were the Simplon Tunnel in Switzerland from 1906 to 1930, and the Cascade Tunnel of the Great Northern Railway in the United States from 1909 to 1927.

The early systems used a low frequency (16 23 Hz), and a relatively low voltage (3,000 or 3,600 volts) compared with later AC systems. The system provides regenerative braking with the power fed back to the system, so it is particularly suitable for mountain railways provided the supply grid or another locomotive on the line can accept the power.

Three-phase systems have the serious disadvantage of requiring at least two separate overhead conductors plus rail return. Locomotives operate at one, two or four constant speeds. Most modern locomotives with variable frequency drives can also do regenerative braking on both AC and DC systems and are not limited to constant speeds.

The system is still used on four mountain railways, using 725 to 3000 V at 50 or 60 Hz: the Corcovado Rack Railway in Rio de Janeiro, Brazil, JungfraubahnGornergratbahn in Switzerland, and the Petit train de la Rhune in France.

Điện xoay chiều tần số chuẩn[sửa | sửa mã nguồn]

Close-up view of catenary on Northeast Corridor, United States
Workers electrifying parts of the Roca Line in Buenos Aires using 25 kV electrification.

Only in the 1950s after development in France (20 kV; later 25 kV) and former Soviet Railways countries (25 kV) did the standard-frequency single-phase alternating current system become widespread, despite the simplification of a distribution system which could use the existing power supply network.

The first attempts to use standard-frequency single-phase AC were made in Hungary as far back as 1923, by the Hungarian Kálmán Kandó on the line between Budapest-Nyugati and Alag, using 16 kV at 50 Hz. The locomotives carried a four-pole rotating phase converter feeding a single traction motor of the polyphase induction type at 600 to 1,100 V. The number of poles on the 2,500 hp motor could be changed using slip rings to run at one of four synchronous speeds. The tests were a success so, from 1932 until the 1960s, trains on the Budapest-Hegyeshalom line (towards Vienna) regularly used the same system. A few decades after the Second World War, the 16 kV was changed to the Russian and later French 25 kV system.

Today, some locomotives in this system use a transformerrectifier to provide low-voltage pulsating direct current to motors. Speed is controlled by switching winding taps on the transformer. More sophisticated locomotives use thyristor or IGBT circuitry to generate chopped or even variable-frequency alternating current (AC) that is then supplied to the AC induction traction motors.

This system is quite economical but it has its drawbacks: the phases of the external power system are loaded unequally and there is significant electromagnetic interference generated as well as significant acoustic noise.

A list of the countries using the 25 kV AC 50 Hz single-phase system can be found in the List of railway electrification systems. There are also a few lines listed with 50 kV (60 Hz) electrification, mainly long isolated lines hauling coal or ore in the United States and Canada. The first line (1973) using 50 kV was the Black Mesa and Lake Powell Railroad. In South Africa the Sishen–Saldanha railway line hauling iron ore uses 50 kV (50 Hz).

The United States commonly uses 12.5 and 25 kV at 25 Hz or 60 Hz. 25 kV, 60 Hz AC is the preferred system for new high-speed and long-distance railways, even if the railway uses a different system for existing trains.

To prevent the risk of out-of-phase supplies mixing, sections of line fed from different feeder stations must be kept strictly isolated. This is achieved by Neutral Sections (also known as Phase Breaks), usually provided at feeder stations and midway between them although, typically, only half are in use at any time, the others being provided to allow a feeder station to be shut down and power provided from adjacent feeder stations. Neutral Sections usually consist of an earthed section of wire which is separated from the live wires on either side by insulating material, typically ceramic beads, designed so that the pantograph will smoothly run from one section to the other. The earthed section prevents an arc being drawn from one live section to the other, as the voltage difference may be higher than the normal system voltage if the live sections are on different phases and the protective circuit breakers may not be able to safely interrupt the considerable current that would flow. To prevent the risk of an arc being drawn across from one section of wire to earth, when passing through the neutral section, the train must be coasting and the circuit breakers must be open. In many cases, this is done manually by the drivers. To help them, a warning board is provided just before both the neutral section and an advance warning some distance before. A further board is then provided after the neutral section to tell drivers to re-close the circuit breaker, although drivers must not do this until the rear pantograph has passed this board. In the UK, a system known as Automatic Power Control (APC) automatically opens and closes the circuit breaker, this being achieved by using sets of permanent magnets alongside the track communicating with a detector on the train. The only action needed by the driver is to shut off power and coast and therefore warning boards are still provided at and on the approach to neutral sections.

On French high-speed rail lines, the UK High Speed 1 Channel Tunnel rail link and in the Channel Tunnel, neutral sections are negotiated automatically.

In Japanese Shinkansen lines, there are ground-operated switched sections installed instead of neutral sections. The sections detect trains running within the section and automatically switch the power supply in 0.3 s,[12] which eliminates the need to shut off power at any time.

Hệ thống không cần bộ phận tiếp xúc[sửa | sửa mã nguồn]

It is possible to supply power to an electric train by inductive coupling. This allows the use of a high-voltage, insulated, conductor rail. Such a system was patented in 1894 by Nikola Tesla, Bằng sáng chế Hoa Kỳ số 514.972. It requires the use of high-frequency alternating current. Tesla did not specify a frequency but George Trinkaus[13] suggests that around 1,000 Hz would be likely.

Inductive coupling is widely used in low-power applications, such as re-chargeable electric toothbrushes and more recently, mobile telephones and wearable computing devices (inductive charging). The contactless technology for rail vehicles is currently being marketed by Bombardier as PRIMOVE.[14]

Hiệu năng[sửa | sửa mã nguồn]

Điện so với Diesel[sửa | sửa mã nguồn]

An early rail electrification substation at Dartford in England, UK

Electric trains need not carry the weight of prime movers, transmission and fuel. This is partly offset by the weight of electrical equipment.

Regenerative braking returns power to the electrification system so that it may be used elsewhere, by other trains on the same system or returned to the general power grid. This is especially useful in mountainous areas where heavily loaded trains must descend long grades.

Central station electricity can often be generated with higher efficiency than a mobile engine/generator. While the efficiency of power plant generation and diesel locomotive generation are roughly the same in the nominal regime,[15] diesel motors decrease in efficiency in non-nominal regimes at low power [16] while if an electric power plant needs to generate less power it will shut down its least efficient generators, thereby increasing efficiency. The electric train can save energy (as compared to diesel) by regenerative braking and by not needing to consume energy by idling as diesel locomotives do when stopped or coasting. However, electric rolling stock may run cooling blowers when stopped or coasting, thus consuming energy.

Large fossil fuel power stations operate at high efficiency,[17][18] and can be used for district heating or to produce district cooling, leading to a higher total efficiency.

Energy sources unsuitable for mobile power plants, such as nuclear power, renewable hydroelectricity, or wind power can be used. According to widely accepted global energy reserve statistics,[19] the reserves of liquid fuel are much less than gas and coal (at 42, 167 and 416 years respectively). Most countries with large rail networks do not have significant oil reserves and those that did, like the United States and Britain, have exhausted much of their reserves and have suffered declining oil output for decades. Therefore, there is also a strong economic incentive to substitute other fuels for oil. Rail electrification is often considered an important route towards consumption pattern reform.[20] However, there are no reliable, peer-reviewed studies available to assist in rational public debate on this critical issue, although there are untranslated Soviet studies from the 1980s.

Điện xoay chiều với điện một chiều[sửa | sửa mã nguồn]

Modern electrification systems take AC energy from a power grid which is delivered to a locomotive and converted to a DC voltage to be used by traction motors. These motors may either be DC motors which directly use the DC or they may be 3-phase AC motors which require further conversion of the DC to 3-phase AC (using power electronics). Thus both systems are faced with the same task: converting and transporting high-voltage AC from the power grid to low-voltage DC in the locomotive. The difference between AC and DC electrification systems lies in where the AC is converted to DC: at the substation or on the train. Energy efficiency and infrastructure costs determine which of these is used on a network, although this is often fixed due to pre-existing electrification systems. Both the transmission and conversion of electric energy involve losses: ohmic losses in wires and power electronics, magnetic field losses in transformers and smoothing reactors (inductors).[21] Power conversion for a DC system takes place mainly in a railway substation where large, heavy, and more efficient hardware can be used as compared to an AC system where conversion takes place aboard the locomotive where space is limited and losses are significantly higher.[22] Also, the energy used to blow air to cool transformers, power electronics (including rectifiers), and other conversion hardware must be accounted for.

So sánh với đầu kéo Diesel[sửa | sửa mã nguồn]

Lots Road Power Station in a poster from 1910. This private power station, used by London Underground, gave London trains and trams a power supply independent from the main power network.

Electric locomotives may easily be constructed with greater power output than most diesel locomotives. For passenger operation it is possible to provide enough power with diesel engines (see e.g. 'ICE TD') but, at higher speeds, this proves costly and impractical. Therefore, almost all high speed trains are electric. The high power of electric locomotives also gives them the ability to pull freight at higher speed over gradients; in mixed traffic conditions this increases capacity when the time between trains can be decreased. The higher power of electric locomotives and an electrification can also be a cheaper alternative to a new and less steep railway if trains weights are to be increased on a system.

On the other hand, electrification may not be suitable for lines with low frequency of traffic, because lower running cost of trains may be outweighed by the high cost of the electrification infrastructure. Therefore, most long-distance lines in developing or sparsely populated countries are not electrified due to relatively low frequency of trains.

Maintenance costs of the lines may be increased by electrification, but many systems claim lower costs due to reduced wear-and-tear from lighter rolling stock.[23] There are some additional maintenance costs associated with the electrical equipment around the track, such as power sub-stations and the catenary wire itself, but, if there is sufficient traffic, the reduced track and especially the lower engine maintenance and running costs exceed the costs of this maintenance significantly.

Network effects are a large factor with electrification.[cần dẫn nguồn] When converting lines to electric, the connections with other lines must be considered. Some electrifications have subsequently been removed because of the through traffic to non-electrified lines.[cần dẫn nguồn] If through traffic is to have any benefit, time consuming engine switches must occur to make such connections or expensive dual mode engines must be used. This is mostly an issue for long distance trips, but many lines come to be dominated by through traffic from long-haul freight trains (usually running coal, ore, or containers to or from ports). In theory, these trains could enjoy dramatic savings through electrification, but it can be too costly to extend electrification to isolated areas, and unless an entire network is electrified, companies often find that they need to continue use of diesel trains even if sections are electrified. The increasing demand for container traffic which is more efficient when utilizing the double-stack car also has network effect issues with existing electrifications due to insufficient clearance of overhead electrical lines for these trains, but electrification can be built or modified to have sufficient clearance, at additional cost.

Additionally, there are issues of connections between different electrical services, particularly connecting intercity lines with sections electrified for commuter traffic, but also between commuter lines built to different standards. This can cause electrification of certain connections to be very expensive simply because of the implications on the sections it is connecting. Many lines have come to be overlaid with multiple electrification standards for different trains to avoid having to replace the existing rolling stock on those lines. Obviously, this requires that the economics of a particular connection must be more compelling and this has prevented complete electrification of many lines. In a few cases, there are diesel trains running along completely electrified routes and this can be due to incompatibility of electrification standards along the route.

A problem specifically related to electrified lines are gaps in the electrification. Electric vehicles, especially locomotives, lose power when traversing gaps in the supply, such as phase change gaps in overhead systems, and gaps over points in third rail systems. These become a nuisance, if the locomotive stops with its collector on a dead gap, in which case there is no power to restart. Power gaps can be overcome by on-board batteries or motor-flywheel-generator systems.[cần dẫn nguồn] In 2014, progress is being made in the use of large capacitors to power electric vehicles between stations, and so avoid the need for overhead wires between those stations.[24]

Ưu điểm[sửa | sửa mã nguồn]

  • Không thải khí thải gây ảnh hưởng đến hành khách, ô nhiễm môi trường
  • Chi phí xây dựng, vận hành và bảo trì đầu máy và các toa động lực phân tán thấp hơn
  • Tỷ lệ công suất trên trọng lượng cao hơn (không có bình nhiên liệu trên tàu), dẫn đến:
    • Cần ít đầu máy hơn
    • Tăng tốc nhanh hơn
    • Giới hạn lực đẩy cao hơn
    • Giới hạn tốc độ cao hơn
  • Ít gây ồn hơn
  • Tăng tốc nhanh hơn sẽ dọn đường nhanh hơn để chạy nhiều tàu hơn trên đường ray dùng chung trong hệ thống đường sắt đô thị
  • Giảm tổn thất năng lượng khi vận hành ở nơi có độ cao lớn (về tổn thất năng lượng, xem Động cơ Diesel)
  • Độc lập về chi phí vận hành khi giá nhiên liệu biến động
  • Sử dụng được trong các ga ngầm nơi mà tàu diesel không thể hoạt động vì lý do an toàn
  • Giảm ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ở các khu vực đô thị đông dân, ngay cả khi điện được sản xuất bằng nhiên liệu hóa thạch
  • Dễ dàng thu hồi năng lượng từ các phanh động năng nhờ sử dụng các tụ điện
  • Trải nghiệm thoải mái hơn trên tàu do không có không có động cơ diesel dưới sàn
  • Hiệu quả năng lượng cao hơn [25] nhờ sử dụng phanh tái sinh (regenerative braking) và ít hao phí khi tàu ở chế độ "tạm dừng"
  • Nguồn năng lượng sơ cấp linh hoạt hơn: có thể sử dụng than, hạt nhân, thủy điện hoặc gió làm nguồn năng lượng chính thay vì dầu

Nhược điểm[sửa | sửa mã nguồn]

The Royal Border Bridge in Anh, a protected monument. Adding electric catenary to older structures may be an expensive cost of electrification projects
Most overhead electrifications do not allow sufficient clearance for a double-stack car.
  • Chi phí điện khí hóa: đòi hỏi phải xây dựng toàn bộ cơ sở hạ tầng mới chung quanh các tuyến đường sắt hiện có với chi phí đáng kể. Chi phí đặc biệt tăng cao khi đi qua đường hầm, cầu hay các vật cản khác phải được làm thông thoáng để dành chỗ cho thiết bị điện. Another aspect that can raise the cost of electrification are the alterations or upgrades to railway signalling needed for new traffic characteristics, and to protect signalling circuitry and track circuits from interference by traction current. Electrification may require line closures while the new equipment is being installed.
  • Electrical grid load: adding a major new consumer of electricity can have adverse effects on the electrical grid and may necessitate an increase in the grid's power output. However, a railway can be electrified in such manner, that it has a closed and independent electrical network of its own and backup power available if the national or state electrical grid suffers from downtime.
  • Appearance: the overhead line structures and cabling can have a significant landscape impact compared with a non-electrified or third rail electrified line that has only occasional signalling equipment above ground level.
  • Fragility and vulnerability: overhead electrification systems can suffer severe disruption due to minor mechanical faults or the effects of high winds causing the pantograph of a moving train to become entangled with the catenary, ripping the wires from their supports. The damage is often not limited to the supply to one track, but extends to those for adjacent tracks as well, causing the entire route to be blocked for a considerable time. Third-rail systems can suffer disruption in cold weather due to ice forming on the conductor rail.[26]
  • Theft: the high scrap value of copper and the unguarded, remote installations make overhead cables an attractive target for scrap metal thieves.[27] Attempts at theft of live 25 kV cables may end in the thief's death from electrocution.[28] In the UK, cable theft is claimed to be one of the biggest sources of delay and disruption to train services — though this normally relates to signalling cable, which is equally problematic for diesel lines.[29]
  • Con người có thể leo lên những toa tàu đang hoạt động khiến bị thương nặng hoặc thiệt mạng quá gần đường dây điện trên cao.[30][31]
  • Chim có thể đậu trên các bộ phận dẫn điện khác nhau và động vật cũng có thể chạm vào hệ thống điện khí hóa. Các động vật săn mồi lấy các động vật điện giật rơi xuống đất cũng là nguy hiểm tiềm tàng.[32]
  • In most of the world's railway networks, the height clearance of overhead electrical lines is not sufficient for a double-stack container car.

Điện khí hóa đường sắt trên thế giới[sửa | sửa mã nguồn]

Bản mẫu:Update section Vào năm 2006, 240.000 km (150.000 mi) (25% chiều dài) của toàn bộ mạng lưới đường sắt và 50% tổng số chuyến đường sắt trên Thế giới được điện khí hóa.

Năm 2012, tính theo số km đã được điện khí hóa, Trung Quốc đã vượt qua Nga để trở thành nơi đầu tiên trên thế giới có hơn 48.000 km (30.000 mi) đường sắt điện khí hóa.[33] Theo sau Trung Quốc là Nga 43.300 km (26.900 mi), Ấn Độ 30.012 km (18.649 mi),[34] Đức 21.000 km (13.000 mi), Nhật Bản 17.000 km (11.000 mi), và Pháp 15.200 km (9.400 mi).

Đảo Diesel[sửa | sửa mã nguồn]

"Đảo diesel" nhằm chỉ tới một đoạn tương đối ngắn không được điện khí hóa giữa các đoạn được điện khí hóa trong hệ thống đường sắt. Chúng được gọi là "đảo" bởi vì nói chung những khu vực này chỉ sử dụng được các tàu chạy bằng diesel thông thường. Các đoạn như vậy gây bất lợi về mặt vận hành, bởi vì các đoàn tàu điện từ chung quanh không thể chạy qua đoạn này.

Xem thêm[sửa | sửa mã nguồn]

Chú thích[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ “Railway Handbook 2015” (PDF). International Energy Agency. tr. 18. Truy cập ngày 4 tháng 8 năm 2017. 
  2. ^ EN 50163: Railway applications. Supply voltages of traction systems (2007)
  3. ^ IEC 60850: Railway applications – Supply voltages of traction systems, 3rd edition (2007)
  4. ^ P. Leandes and S. Ostlund. "A concept for an HVDC traction system" in "International conference on main line railway electrification", Hessington, England, September 1989 (Suggests 30 kV). Glomez-Exposito A., Mauricio J.M., Maza-Ortega J.M. "VSC-based MVDC Railway Electrification System" IEEE transactions on power delivery, v.29, no.1, Feb.2014. (suggests 24 kV).
  5. ^ Donald G. Fink, H. Wayne Beatty Standard Handbook for Electrical Engineers 11th Edition, McGraw Hill, 1978 table 18-21. See also Gomez-Exposito p.424, Fig.3
  6. ^ “[MétroPole] De la centrale électrique au rail de traction”. 10 tháng 8 năm 2004. Bản gốc lưu trữ ngày 10 tháng 8 năm 2004.  Đã bỏ qua tham số không rõ |df= (trợ giúp)
  7. ^ Dery, Bernard. “Truck (bogie) - Visual Dictionary”. www.infovisual.info. 
  8. ^ Linder, C. (2002). Umstellung der Sollfrequenz im zentralen Bahnstromnetz von 16 2/3 Hz auf 16,70 Hz [Switching the frequency in train electric power supply network from 16 2/3 Hz to 16,70 Hz]. Elektrische Bahnen (bằng tiếng Đức) (Book 12) (Oldenbourg-Industrieverlag). ISSN 0013-5437. 
  9. ^ Southern Electric
  10. ^ History of Southern Electrification Part 1
  11. ^ History of Southern Electrification Part 2
  12. ^ Railway Technical Research Institute. “Concurrent-feeding power switching system for Shinkansen switching sections” (PDF) (bằng tiếng Japanese). Truy cập ngày 21 tháng 5 năm 2011. 
  13. ^ Trinkaus, George, Tesla, the lost inventions, pp 28–29, High Voltage Press, Portland, OR, 1988
  14. ^ “ECO4 Technologies - Sustainable Transport Solutions”. Bombardier. Truy cập ngày 4 tháng 2 năm 2016. 
  15. ^ It turns out that the efficiency of electricity generation by a modern diesel locomotive is roughly the same as the typical U.S. fossil-fuel power plant. The heat rate of central power plants in 2012 was about 9.5k BTU/kwh per the Monthly Energy Review of the U.S. Energy Information Administration which corresponds to an efficiency of 36%. Diesel motors for locomotives have an efficiency of about 40% (see Brake specific fuel consumption, Дробинский p. 65 and Иванова p.20.). But there are reductions needed in both efficiencies needed to make a comparison. First, one must degrade the efficiency of central power plants by the transmission losses to get the electricity to the locomotive. Another correction is due to the fact that efficiency for the Russian diesel is based on the lower heat of combustion of fuel while power plants in the U.S. use the higher heat of combustion (see Heat of combustion. Still another correction is that the diesel's reported efficiency neglects the fan energy used for engine cooling radiators. See Дробинский p. 65 and Иванова p.20 (who estimates the on-board electricity generator as 96.5% efficient). The result of all the above is that modern diesel engines and central power plants are both about 33% efficient at generating electricity (in the nominal regime).
  16. ^ Хомич А.З. Тупицын О.И., Симсон А.Э. "Экономия топлива и теплотехническая модернизация тепловозов" (Fuel economy and the thermodynamic modernization of diesel locomotives) - Москва: Транспорт, 1975 - 264 pp. See Brake specific fuel consumption curves on p. 202 and charts of times spent in non-nominal regimes on pp. 10-12
  17. ^ Wang, Ucilia (25 tháng 5 năm 2011). “Gigaom GE to Crank Up Gas Power Plants Like Jet Engines”. Gigaom.com. Truy cập ngày 4 tháng 2 năm 2016. 
  18. ^ [1] Lưu trữ 24 August 2012 tại Wayback Machine.
  19. ^ “Worldometers – real time world statistics”. Worldometers. Truy cập ngày 27 tháng 1 năm 2011. 
  20. ^ “Year of revision to pattern of consumption”. The Office of the Supreme Leader, Sayyid Ali Khamenei. 20 tháng 3 năm 2009. Truy cập ngày 27 tháng 1 năm 2011. 
  21. ^ See Винокуров p.95+ Ch. 4: Потери и коэффициент полизного действия; нагреванние и охлаждение электрических машин и трансформаторов" (Losses and efficiency; heating and cooling of electrical machinery and transformers) magnetic losses pp.96-7, ohmic losses pp.97-9
  22. ^ Сидоров 1988 pp. 103-4, Сидоров 1980 pp. 122-3
  23. ^ "UK Network Rail electrification strategy report" Table 3.3, page 31. Retrieved on 4 May 2010
  24. ^ Railway Gazette International Oct 2014.
  25. ^ Per Railway electrification in the Soviet Union#Energy-Efficiency it was claimed that after the mid 1970s electrics used about 25% less fuel per ton-km than diesels. However, part of this savings may be due to less stopping of electrics to let opposing trains pass since diesels operated predominately on single-track lines, often with moderately heavy traffic.
  26. ^ “Committee Meeting - Royal Meteorological Society - Spring 2009” (PDF). Royal Meteorological Society (rmets.org). Truy cập ngày 15 tháng 9 năm 2012. 
  27. ^ “Network Rail - Cable Theft”. Network Rail (www.networkrail.co.uk). Truy cập ngày 15 tháng 9 năm 2012. 
  28. ^ “Police probe cable theft death link”. ITV News. 27 tháng 6 năm 2012. Truy cập ngày 15 tháng 9 năm 2012. 
  29. ^ Sarah Saunders (28 tháng 6 năm 2012). “Body discovery linked to rail cables theft”. ITV News. Truy cập ngày 7 tháng 5 năm 2014. 
  30. ^ “Gefahren durch Bahnstrom, German police, 2013 -- 6 fatalities in 2012 in Bayern” (PDF) (bằng tiếng Đức). 2013. Truy cập ngày 10 tháng 7 năm 2017. 
  31. ^ “Safety Database: UIC: Public Report: Significant Accidents 2012 Public Report” (PDF). International Union of Railways. Tháng 9 năm 2013. Truy cập ngày 20 tháng 7 năm 2016. 
  32. ^ Nachmann, Lars. “Tiere & Pflanzen Vögel Gefährdungen Stromtod Mehr aus dieser Rubrik Vorlesen Die tödliche Gefahr”. Naturschutzbund (bằng tiếng Đức). Berlin, Germany. Truy cập ngày 20 tháng 7 năm 2016. 
  33. ^ See "Peoples Daily Online" (in English, newspaper) 5 December 2012 China's electric railway mileage exceeds 48,000 km
  34. ^ “Ministry of Railways (Railway Board)”. www.indianrailways.gov.in. 

Nguồn tham khảo[sửa | sửa mã nguồn]

(tiếng Anh)[sửa | sửa mã nguồn]

(tiếng Nga)[sửa | sửa mã nguồn]

  • Винокуров В.А., Попов Д.А. "Электрические машины железно-доровного транспорта" (Electrical machinery of railroad transportation), Москва, Транспорт, 1986,. ISBN 5-88998-425-X, 520 pp.
  • Дмитриев, В.А., "Народнохозяйственная эффективность электрификации железных дорог и примениния тепловозной тяги" (National economic effectiveness of railway electrification and application of diesel traction), Москва, Транспорт 1976.
  • Дробинский В.А., Егунов П.М. "Как устроен и паботает тенловоз" (How the diesel locomotive works) 3rd ed. Moscow, Транспорт, 1980.
  • Иванова В.Н. (ed.) "Конструкция и динамика тепловозов" (Construction and dynamics of the diesel locomotive). Москва, Транспорт, 1968 (textbook).
  • Калинин, В.К. "Электровозы и электроноезда" (Electric locomotives and electric train sets) Москва, Транспорт, 1991 ISBN 978-5-277-01046-4
  • Мирошниченко, Р.И., "Режимы работы электрифицированных участков" (Regimes of operation of electrified sections [of railways]), Москва, Транспорт, 1982.
  • Перцовский, Л. М.; "Энргетическая эффективность электрической тяги" (Energy efficiency of electric traction), Железнодорожный транспорт (magazine), #12, 1974 p. 39+
  • Плакс, А.В. & Пупынин, В. Н., "Электрические железные дороги" (Electric Railways), Москва "Транспорт" 1993.
  • Сидоров Н.И., Сидорожа Н.Н. "Как устроен и работает эелктровоз" (How the electric locomotive works) Москва, Транспорт, 1988 (5th ed.) - 233 pp, ISBN 978-5-277-00191-2. 1980 (4th ed.).
  • Хомич А.З. Тупицын О.И., Симсон А.Э. "Экономия топлива и теплотехническая модернизация тепловозов" (Fuel economy and the thermodynamic modernization of diesel locomotives) - Москва: Транспорт, 1975 - 264 pp.

Liên kết ngoài[sửa | sửa mã nguồn]

Bản mẫu:Rail tracks