חשמול מסילות רכבת

מערכת חשמול מסילות רכבת היא מערכת המספקת אנרגיה חשמלית לקרונועים וקטרים מופעלי חשמל. קיימות מערכות חשמול שונות, שכל אחת מהן נושאת יתרונות וחסרונות. היתרון העיקרי של רכבות חשמליות הוא בצריכת האנרגיה הנמוכה יותר בהשוואה להנעה בדיזל, עקב הנצילות הגבוהה של ההנעה החשמלית, היכולת להחזיר אנרגיה למערכת בעת בלימה, והחיסכון במשקל בזכות היעדר הצורך לשאת את מקור האנרגיה. יתרונות אחרים של רכבות חשמליות ביחס לרכבות הדיזל הם: פעילות שקטה, עוצמה גבוהה ביחס לגודל ומשקל הקטר (וכתוצאה מכך קטר חשמלי בודד יכול למשוך רכבות יותר כבדות לעומת קטר דיזל בודד), תאוצה משופרת, וזמינות גבוהה תודות לכך שציוד חשמלי אמין יותר ומצריך תחזוקה פשוטה ופחות תכופה יחסית. בנוסף, אין צורך בתפעול מערך תדלוק ושינוע דלק. יתרון סביבתי חשוב הוא היעדר פליטת גזים מזהמים מן המנוע (אמנם בתחנת כוח שפועלת על דלקים פוסיליים גם נוצר זיהום אך הוא ניתן לסינון והפחתה ביעילות, נפלט בגובה רב ומאפשר שימוש בגז טבעי שהוא נקי יחסית לדלקים פוסיליים אחרים). השימוש בחשמל גם מאפשר גיוון וגמישות במקורות 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. ניתן לסווג מערכות חשמול מסילות רכבת על פי שלושה מאפיינים: זרם הרשת הזרם ברשת עשוי להיות זרם ישר (DC), או זרם חילופין (AC). מתח הרשת רמות המתח הנפוצים במערכות חשמול הם: 600, 750, 1500 ו-3000 וולט למערכות זרם ישר ו-15,000 ו-25,000 וולט בתדירות של 16.7 ו-50 הרץ בהתאמה למערכות זרם חילופין. צורת המגע החשמלי מאפיין זה מתייחס לאופן שבו מועבר הזרם מקווי החשמול אל קטר הרכבת. קיימות שתי מערכות מגע עיקריות, מסילת מגע חשמלית וכבל חשמלי עילי. 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 1,500 ו-3,000 וולט. המתח מסופק על ידי מסילת מגע או כבל עילי, אולם חשמל במתח מעל 1,000 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 קילומטר. 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 אנרגיית הבלימה למערכת דורשת השקעה נוספת בתשתית ההזנה. סיבות אלו מביאות להעדפת זרם חילופין כמקור אנרגיה לרכבות שאינן רכבת תחתית או קלה. 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 1,500 וולט או כאשר מדובר ברכבת קלה הנעה ברחובות של עיר, מקובל להשתמש במערכת 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. רוב מערכות החשמול עושות שימוש ברשת כבלים עילית, אולם עד למתח של כ-1,500 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, אך מאז הוכנסו לשימוש מסילות מגע עליונות המאפשרות שימוש בכבל עליון ומבטלות 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 קילומטר לשעה, 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. 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. 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 3,000 וולט עד למתח של 25,000 וולט. יתרון נוסף של מערכות זרם חילופין הוא השימוש של ציוד נייד במנוע כגנרטור. בעת נסיעה בירידה או בבלימה, מספק הגנרטור זרם חשמלי בחזרה למערכת ואף מסייע בבלימה. 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. הבעיה המרכזית במנועי זרם חילופין היא שההשראות הגבוהה שנוצרת בסלילי המנוע גורמת להפרש פאזה גדול בין המתח והזרם ומפחיתה את הספק המנוע. בעבר הרחוק התמודדו עם הבעיה באמצעות זרם חילופין בעל תדירות נמוכה יחסית בהשוואה לזרם החילופין ברשת הארצית או שימוש במיישר זרם ומנועי זרם ישר. בעיה זו נפתרה עם התקדמות הטכנולוגיה, באמצעות שימוש ברכיבים כגון טרנזיסטור IGBT, ומאז מקובל השימוש בזרם חילופין בעל תדירות זהה לרשת הארצית. 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. 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 ומאז הן משמשות רק בקווים הרריים ספורים בברזיל, שווייץ וצרפת. 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. מאז סוף המאה ה-20 הפך השילוב של 50 הרץ ו-25,000 וולט, לשילוב הנפוץ ביותר בעולם לחשמול מסילות. שילוב זה נמצא בשימוש ברוב המדינות בהן יש רכבות המונעות בחשמל, בהן צרפת, בריטניה, אוסטרליה, הודו, סין ואף בישראל. בארצות הברית נעשה שימוש בתדירות הרשת של 60 הרץ, אך בקווים מסוימים המתח הוא 12,500 וולט בלבד. ערך מורחב – חשמול מסילות רכבת ישראל חשמול מסילות רכבת ישראל עלה לדיון לראשונה בשנות ה-60 של המאה ה-20. בפברואר 2010 יצא פרויקט חשמול המסילות לדרך, במסגרת תוכנית נתיבי ישראל של ממשלת ישראל. בספטמבר 2018 החל לפעול הקטע המחושמל הראשון, בין תחנת נבון בירושלים לנתב"ג, ובדצמבר 2019 הגיע החשמול אל תחנת ההגנה. באפריל 2020 הושלם חשמול מסילת האיילון בין תחנת ההגנה לתחנת סבידור מרכז בת"א ובספטמבר הושלם הקטע להרצליה. הקטעים הבאים שחושמלו הם מסילות הרכבת בין מחלף שפירים ללוד, בין אשקלון לתל אביב (דרך ראשון לציון), ובין הרצליה לתל אביב דרך כפר סבא. בספטמבר 2022 הושלם חישמול הקו הפרברי הנוסע בין תחנות נתניה ורחובות. במקביל התחלת עבודות החשמול במסילת אשקלון - באר שבע. בינואר 2023 החשמול אמור להתרחב עד תחנת בנימינה בצפון ואשקלון דרך קו רחובות בדרום. מדיה וקבצים בנושא חשמול מסילות רכבת בוויקישיתוף Zarko Filipovic, Elektrische Bahnen: Grundlagen, Triebfahrzeuge, Stromversorgung, pp 10–13, ISBN 3-540-21310-4 4. Aufl. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York