חשמול מסילות רכבת

מערכת חשמול מסילות רכבת היא מערכת המספקת אנרגיה חשמלית להנעת ציוד רכבתי נייד כמו קטרים או קרונועים, כך שהציוד לא צריך לשאת עליו דלק ומנוע בעירה פנימית לשם הנעתו. קיימות מערכות חשמול רבות ושונות, כל אחת נושאת יתרונות וחסרונות שונים.

יתרונות וחסרונות כלליים

היתרון העיקרי של רכבות חשמליות הוא בצריכת האנרגיה הנמוכה יותר בהשוואה להנעה בדיזל, עקב היכולת להחזיר אנרגיה למערכת בעת בלימה, היעילות הגבוהה יותר של ההנעה החשמלית והחיסכון במשקל בזכות היעדר הצורך לשאת את מקור האנרגיה. יתרונות אחרים של רכבות חשמליות ביחס לרכבות הדיזל הם: פעילות שקטה וזמינות גבוהה. יתרון סביבתי חשוב הוא היעדר פליטת גזים מזהמים מן המנוע (אמנם בתחנת הכוח שפועלת על דלקים פוסיליים גם נוצר זיהום אך הוא ניתן לסינון והפחתה ביעילות ונפלט בגובה רב). השימוש בחשמל מאפשר גמישות של מקורות האנרגיה להנעת הרכבות ובארצות שבהן רוב האנרגיה החשמלית היא ממקורות "נקיים", כמו צרפת ואוסטריה, אין צורך בשריפת דלקים לצורך הפקת חשמל.
החיסרון הגדול של מערכות חשמול מסילות רכבת היא ההשקעה הראשונית בהקמת המערכת, ולכן אין כדאיות כלכלית למערכת חשמול למסילה שתנועת הרכבות עליה דלילה.

זרם ישר

במערכות חשמול הראשונות נעשה שימוש במנועי קטרים אשר צרכו מתח חשמלי נמוך יחסית בזרם ישר ואשר בוקרו בעזרת שילוב של נגדים ומפסקים אשר יצרו חיבור חשמלי מקביל או טורי למנוע.
סוגי המתח החשמלי הנפוצים ביותר למערכות רכבת קלה ורכבת תחתית הם 600 ו-750 וולט, ולרכבות 1500 ו-3000 וולט. המתח מסופק על ידי מסילת מגע או כבל עילי, אולם חשמל במתח מעל 1000 וולט בדרך כלל מסופק במערכת קו עילי, זאת מסיבות בטיחות.
מערכות זרם ישר הן פשוטות יחסית, אולם לצורך אספקת הזרם נדרשים כבלים עבים ויקרים ומרחקים קצרים בין תחנות הזנה, כמו כן הן סובלות מהפסדי אנרגיה משמעותיים עקב זליגה. בבריטניה הזרם המקסימלי שיכול קטר להפיק ממערכת במתח של 750 וולט, הוא 6,800 אמפר. תחנות ההזנה למערכת זרם ישר דורשות ניטור מתמיד ובמערכות חשמול רבות לא ניתן להפעיל יותר מרכבת אחת בקטע שבין שתי תחנות הזנה. המרחק שבין שתי תחנות הזנה במתח של 3,000 וולט הוא כ-25 ק"מ.
מערכות זרם ישר במתח של 1,500 וולט נמצאות בשימוש בהולנד, יפן, אירלנד, בחלקים מאוסטרליה וצרפת ובעיר ולינגטון בניו זילנד. בארצות הברית קיימות מערכות חשמול במתח 1,500 וולט באזור המטרופוליני של שיקגו. בסלובקיה קיימת מערכת במתח זה בהרי הטטרה וכן בפורטוגל.
מערכות זרם ישר במתח של 3,000 וולט נמצאות בשימוש בבלגיה, איטליה, ספרד, פולין, צפון צ'כיה, סלובקיה, סלובניה, מערב קרואטיה, דרום אפריקה ובמדינות ברית המועצות לשעבר. 
מערכות חשמול בזרם ישר מוגבלות יחסית למתח נמוך ולכן מטילות מגבלות על גודל ומהירות הרכבות היכולות לנוע על המסילה. כמו כן, היכולת להחזיר את אנרגיה הבלימה למערכת דורשת השקעה נוספת בתשתית ההזנה. סיבות אלו מביאות להעדפת זרם חילופין כמקור אנרגיה לרכבות שאינן רכבת תחתית או קלה.

מערכת חשמול עילית

מערכת חשמול עילית מורכבת מכבל מתח חשמלי המתוח מעל המסילה ומאפשר אספקת חשמל לרכבות באופן בטוח יחסית, שכן כבלי המתח נמצאים בגובה שאינו מאפשר הגעה קלה אליהם או מגע מקרי, בדומה לקווי המתח של רשת החשמל הביתית. כאשר המתח הוא מעל 1500 וולט או כאשר מדובר ברכבת קלה הנעה ברחובות של עיר, מקובל להשתמש מערכת חשמול עילית. מערכת חשמול עילית מאפשרת גם נסיעה במהירויות גבוהות יותר לעומת השימוש בפס שלישי, שכן קל יותר להבטיח את רציפות המגע בין קו המתח ובין הפנטוגרף המעביר את זרם החשמל אל מערכות הקטר. החסרונות של מערכת עילית היא עלויות ההקמה והאחזקה הגבוהות יחסית והפגיעה בנוף שנגרמת מהעמודים ומהכבלים.
מכיוון שמערכות זרם ישר דורשות כבלים עבים וכבדים יחסית, השימוש בכבלים להעברת זרם ישר הוא פחות נפוץ ומשמש בעיקר רכבות קלות בתוך הערים. ניתן להפעיל ציוד נייד הפועל בזרם ישר במערכות חשמול עיליות הנושאות זרם חילופין באמצעות מיישר זרם המותקן בציוד הנייד והופך את זרם החילופין לזרם ישר. כאשר פועלים גם קטרי דיזל במסילות בעלות מערכת חשמול עילית עשוי להתעורר צורך בניקוי של כבלי המתח מהפיח הנפלט ממנועי הדיזל.

פס שלישי

רוב מערכות החשמול עושות שימוש ברשת כבלים עילית, אולם עד למתח של כ-1500 וולט קיימת אפשרות אספקת זרם באמצעות מסילה הכוללת פס שלישי הנושא את המתח החשמלי, כאשר לציוד הנייד יש משטח מגע שנוגע בפס ויוצר חיבור בינו ובין ספק הכוח של המנועים. אף שניתן לספק באמצעות פס שלישי גם זרם חילופין, בפועל כל מערכות הפס השלישי עושות שימוש בזרם ישר כיוון שניתן לספק 41% יותר אנרגיה מאשר מערכות זרם חילופין באותו המתח. בעבר השימוש בפס שלישי חסך את המקום הנדרש מעל למסילה בשביל כבל עילי ולכן התאים מאוד לשימוש במנהרות ואפשר חציבת מנהרות רכבת נמוכות יותר. אמנם כיום קיימות מסילות מגע עליונות המאפשרות שימוש בכבל עליון המבטלות את יתרון זה.
קיימות מערכות פס שלישי בהן המגע החשמלי עם הרכבת הוא מעל המסילה, מתחתיה, או מצידה. מערכות שבהן המגע הוא מעל המסילה פחות בטיחותיות כיוון שהן חושפות לסכנת התחשמלות בני אדם ההולכים על המסילה. מסילות שבהן המגע החשמלי מצידן, או מתחתן, מכוסות בדרך כלל כיסוי מבודד לצורכי בטיחות, כדי למנוע תאונות התחשמלות. מסילות עם מגע חשמלי מעליהן חשופות אף להפרעות כתוצאה מקרח, שלג או עלים נופלים המצטברים על המסילה. המהירות המרבית האפשרית לרכבת במערכת פס שלישי היא כ-160 קמ"ש, כיוון שבמהירויות גבוהות יותר לא ניתן להבטיח מגע חשמלי רציף בין המסילה לקטר.
במערכות של רכבת קלה העוברת ברחובות, שימוש בפס שלישי לאורך המסילה עלול לסכן את הולכי הרגל ולכן מערכות אלו לרוב פועלות עם כבל הזנה עילי.

פס רביעי

מערכות רכבת מעטות, בהן הרכבת התחתית של לונדון, משתמשות במסילה בת ארבעה פסים, בה שני פסים מספקים את המתח להפעלת הרכבות. הפס הנוסף משמש את הזרם החוזר מהרכבת במקום פסי הרכבת הרגילים במערכות פס שלישי או חשמל עילי. באופן הזה ניתן להשתמש במתח גבוה יחסית שמתחלק על שני הפסים, כך שכל אחד מהם נושא מתח יותר נמוך (למשל ברכבת התחתית של לונדון נושא פס אחד מתח של 420 וולט והשני 210- וולט, כך שמתח ההפעלה של הרכבת הוא 640 וולט). כמו כן, החזרת הזרם דרך פסי הרכבת ומהם לאדמה יוצר לפעמים בעיות במנהרות הרכבת, שכן הזרם עובר אל חיפוי המתכת של דפנות המנהרה ועלול לעבור ממנו אל צנרת המים והגז. השימוש בפס רביעי מונע בעיות מסוג זה.

זרם חילופין

הזנת רכבות בזרם חילופין מתבצעת רק במערכת חשמול עילית.
היתרונות העיקרים של זרם חילופין הם ההזנה הפשוטה מרשת החשמל הארצית והיכולת לעבור בקלות ממתח נמוך למתח גבוה ולהפך באמצעות שנאים ללא הפסדי אנרגיה משמעותיים. באופן הזה ניתן להשתמש במתח גבוה במערכת כבלי אספקת המתח, כך שהפסדי האנרגיה כתוצאה מהתנגדות הכבלים פוחתים, ובציוד הנייד מורידים את המתח למתח הפעולה של המנועים ללא שימוש בנגדים הגורמים להפסדי אנרגיה. קיימות מערכות זרם חילופין החל ממתח של 3000 וולט ועד למתח של 25000 וולט. יתרון נוסף של מערכות זרם חילופין הוא השימוש של ציוד נייד הנוסע בירידה או בולם במנוע כגנרטור, שמספק זרם חשמלי בחזרה למערכת וכן מסייע בבלימת הרכבת.
כדי למנוע מצב של הפרש פאזה על כבל מתח המקבל חשמל מתחנות הזנה שונות, יוצרים הפרדה מוחלטת בין קטעים המקבלים את הזרם מתחנות שונות. ההפרדה מתבצעת באמצעות קטע כבל נייטרלי המבודד בשני קצותיו מהכבלים המחוברים לתחנות הזנה שונות ומוארק לאדמה כדי למנוע פריצת זרם דרכו.
בעבר הרחוק הבעיה המרכזית במנועי זרם חילופין היא שההשראות הגבוהה שנוצרת בסלילי המנוע גורמת להפרש פאזה גדול בין המתח והזרם ומפחיתה את ההספק של המנוע. על מנת להתמודד עם הבעיה העדיפו להשתמש בזרם חילופין בעל תדירות נמוכה יחסית בהשוואה לזרם החילופין ברשת הארצית או שימוש במיישר זרם ומנועי זרם ישר אולם עם התקדמות הטכנולוגיה הבעיה נפתרה ובמערכות חדשות נעשה שימוש בזרם חילופין בעל תדירות הזהה לרשת הארצית.

תדירות נמוכה

חשמול המסילות במערכת של זרם חילופין בתדירות נמוכה מונע הזנה ישירה מהרשת הארצית ודורש שימוש בתחנות כוח ייעודיות לרשת החשמל המסילתית או שינוי תדירות הזרם באמצעות ממירים בין רשת החשמל הארצית לרשת המסילתית. מערכות זרם חילופין במתח של 15,000 וולט ובתדירות של 16.66-16.7 הרץ (שליש מתדירות הרשת הארצית) קיימות בגרמניה, אוסטריה, שווייץ, שוודיה ונורווגיה. בארצות הברית יש קווים המשתמשים במתח של 11,000 וולט ובתדירות של 25 הרץ.

מערכות רב פאזיות

בעבר, כאשר לא היו מערכות זרם חילופין במתח גבוה, נעשה שימוש במערכות רב פאזיות (בדומה למנועים תלת-פאזיים של מזגנים או מיכון כבד) להנעת רכבות. מערכות אלו דרשו שימוש בשניים או שלושה כבלי מתח נפרדים ומבודדים היטב זה מזה ופנטוגרף מיוחד שכולל מגעים נפרדים לכל אחד מהכבלים. מערכות אלו היו בשימוש בעיקר באיטליה ובשווייץ, אך המורכבות שלהן הביאה להפסקת השימוש ברוב המקומות וכיום הן משמשות רק בקווים הרריים ספורים בברזיל, שווייץ וצרפת.

תדירות הרשת הארצית

החל משנות ה-50 של המאה ה-20 עם הופעת שיפורים טכנולוגים שאיפשרו מנועים חשמליים חזקים שעובדים בזרם חילופין בתדירות של 50 הרץ, התחיל השימוש בתדירות הרשת הארצית של 50 הרץ לחשמול מסילות רכבת. כיום, תדירות זו עם מתח של 25,000 וולט, הם השילוב הנפוץ ביותר בעולם לחשמול מסילות. שילוב זה נמצא בשימוש ברוב המדינות בהן יש רכבות המונעות בחשמל, בהן צרפת, בריטניה, אוסטרליה, הודו וסין. זהו גם השילוב המתוכנן לחשמול הרכבות בישראל. בארצות הברית משתמשים בתדירות הרשת של 60 הרץ, אך בקווים מסוימים המתח הוא 12500 וולט בלבד.

חשמול מסילות רכבת בישראל

אימוץ ההנע החשמלי עמד על הפרק בשנות ה-60 של המאה ה-20 במסגרת התוכנית להקמת רכבת בתל אביב. חברת המטרו הפריזאית "RATP" הציעה אז לבנות מערכת שתהיה "תמונת ראי" לזו שהייתה קיימת אצלה, קרי קרונות מוזנים במתח 750 וולט זרם ישר, הנוסעים על צמיגים.
בשנת 1977 הציע מהנדס, בכנס העשירי למהנדסי חשמל ואלקטרוניקה בישראל, לחשמל את רשת המסילות של רכבת ישראל במתח של 25,000 וולט, 50 הרץ. כדי ללמוד ולרכוש ניסיון בנושא, העלה מציע ההצעה, בין היתר, את הרעיון לחשמל קטע מסילה קצר לגרירת רכבות פחם (שאמור היה להגיע מדרום אפריקה) מנמל חיפה לתחנת הכח של חברת החשמל בחדרה (שהייתה אז בבניה).
בשנת 2001, הודיע מנכ"ל רכבת ישראל על השקת פרויקט החשמול בעלות משוערת של 210 מיליון דולר. בשנת 2002, נעשה סקר התכנות שבעקבותיו נמצא שרשת הרכבות הקיימת בישראל מתאימה לשמש בסיס להקמת מערך רכבות שיהיה מבוסס על הנעה חשמלית. רכבת ישראל תכננה לפרסם את המכרז לפרויקט במרץ 2003, אך הכנת המכרז התארכה והוא פורסם רק בסוף שנת 2004, כמו כן הודיע שר התחבורה, אביגדור ליברמן, שפרויקט החשמול יוגדר כפרויקט תשתית לאומית. במקביל החל הליך של הגשה לאישור של תוכנית תשתית לאומית לפרויקט החשמול (תת"ל 18), אולם ארגוני הירוקים והמשרד לאיכות הסביבה דרשו לבטל את התוכנית מחשש לפגיעה באיכות הסביבה והשלכות לגבי רמת הקרינה ואישור התוכנית התעכב במשך כ-10 שנים (תת"ל 18 אושרה לבסוף רק בשנת 2014). בשנת 2005, החלה רכבת ישראל בשלב המיון המוקדם לפרויקט, אותו עברו ארבע קבוצות בינלאומיות:בלפור ביטי מבריטניה יחד עם החברות הישראליות דניה סיבוס ואלקטרה; סימנס וחברת הרכבות הסינית צ'יינה רייל וואי; אלסטום מצרפת יחד עם חברת אפקון תעשיות וקבוצה הכוללת את החברות הספרדיות ELECNOR ו-SEMI אך משרד האוצר החליט לבטל את המכרז. 
בפברואר 2010, יצא שוב פרויקט חשמול המסילות לדרך, הפעם במסגרת תוכנית נתיבי ישראל של ממשלת ישראל. במסגרתו הוקצבו לרכבת ישראל 8.2 מיליארד שקל לצורך פרויקט החשמול, ועבור רכישת קרונות וקטרים מופעלי חשמל. כמו כן אושר חשמול קו הרכבת בין עכו לכרמיאל, בעלות כוללת של 3 מיליארד שקל, שהיה אמור להיות קו הרכבת החשמלי הראשון בישראל והקו המהיר לירושלים שאף הוא מבוסס חשמל. באוקטובר  2010, פרסמה רכבת ישראל שוב מכרז לחשמול המסילות. קידום הפרויקט התעכב במשך שנתיים מאחר ששר התחבורה ישראל כץ התכוון להוציא את הפרויקט מידי רכבת ישראל ולהעבירו ליידי החברה הלאומית לדרכים. הכוונה עוררה התנגדות רבה ברכבת ולבסוף הושגה פשרה בה החברה הלאומית לדרכים תקבל את ניהול הפרויקט רק במקומות בהם היא מבצעת פרויקטים של תשתיות מסילתיות, ותבצע גם את החשמול שלהן (מסילת העמק, מסילת עכו - כרמיאל, המסילה המזרחית החדשה וקו הרכבת לאילת). לאחר עיכובים בשלב המיון המוקדם, פורסם המכרז הסופי לחשמול המסילות בפברואר 2015.
בחודש יולי 2014, רכבת ישראל פרסמה מכרז לקניית 62 קטרים חשמליים שיופעלו במתח של 25,000 וולט, 50 הרץ. הרכבות החשמליות הראשונות אמורות להיכנס לפעולה לראשונה על המסילות החדשות ההולכות ונבנות בין ירושלים לתל אביב ובין חיפה לכרמיאל. החברה הקנדית בומברדיה זכתה במכרז באוגוסט 2015. הקטר הראשון, מסוג בומברדייה טראקס (Bombardier Traxx) הגיעה לישראל בספטמבר 2017, וב-16 בינואר 2018 התבצעה נסיעת המבחן הראשונה של הקטר, על קטע מהמסילה באזור לטרון
.
בדצמבר 2015 הודיעה רכבת ישראל כי בחרה בהצעתה של חברת (SEMI (Sociedad Espanola de Montajes Industriales הספרדית במכרז חשמול המסילות. החברה הספרדית הציעה לבצע את הפרויקט תמורת 2 מיליארד שקל, כ-1 מיליארד שקל פחות מהאומדן שלפיו תוקצב המכרז בסך 3 מיליארד. מספר שבועות לאחר הזכייה הגישה קבוצה המורכבת מהחברה הצרפתית אלסטום ומאפקון הישראלית, שהתמודדה במכרז והפסידה, עתירה מנהלית לבית המשפט המחוזי נגד הרכבת, בטענה שאנשי רכבת ישראל ייפו את נתוני הפרמטר הטכני של החברה הספרדית, וכי היא הציגה הצעה כספית שלכאורה אינה ריאלית. בית המשפט המחוזי דחה את העתירה. אלסטום ואפקון ערערו לבית המשפט העליון ואחרי שנה וחצי של הליכים הושג הסכם פשרה: אלסטום ואפקון הסכימו למשוך את הערעור תמורת עבודות במסגרת הפרויקט בהיקפים של 300 ו-280 מיליון שקל. ההליך המשפטי הביא לעיכוב של יותר משנתיים בפרויקט החשמול. 
בספטמבר 2017, זכתה חברת סימנס במכרז לאספקת 330 קרונועים בעלי הנעה חשמלית (EMU - Electric multiple unit) מסוג Desiro HC. הקרונועים יפעלו בשילוב של קרונות קומתיים ("דאבל-דק") וחד-קומה ("סינגל-דק"). בכל מערך של ארבעה או שישה קרונות, הקרונות המרכזיים הם דו־קומתיים והשניים שבקצוות בעלי קומה אחת.
בתחום הרכבות העירוניות, ההנע החשמלי ממומש ברכבת הקלה בירושלים, המופעלת במתח 750 וולט זרם ישר, במערכי קרונות שיוצרו על ידי החברה הצרפתית אלסטום.