รางที่สาม

รางที่สาม เป็นรางตัวนำลักษณะกึ่งแข็งที่มีกระแสไฟฟ้าเพื่อจ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับขบวนรถไฟอย่างต่อเนื่อง รางนี้จะถูกวางที่ด้านข้างหรือระหว่างรางวิ่งของรถไฟ โดยทั่วไปมันมักจะถูกใช้ในระบบขนส่งมวลชนหรือระบบรถไฟฟ้าขนส่งความเร็วสูง ส่วนใหญ่รางที่สามจะจ่ายไฟฟ้ากระแสตรง ระบบรถไฟฟ้ามหานครกรุงเทพ ใช้ไฟ 750 VDC

ระบบรางที่สามของการจ่ายไฟฟ้าโดยทั่วไปไม่มีความเกี่ยวข้องกับระบบรางที่สามที่ใช้ในการรถไฟ

ความหมาย

ระบบรางที่สามหมายถึงการจ่ายพลังงานการฉุดลากไฟฟ้าให้แก่รถไฟโดยการใช้รางเพิ่มอีกหนึ่งราง (เรียกว่า "รางตัวนำ") ในระบบส่วนใหญ่ รางตัวนำถูกวางอยู่นอกรางคู่แต่บางครั้งก็อยู่ระหว่างรางคู่ รางตัวนำถูกยึดด้วยฉนวนเซรามิกหรือฉนวนก้ามปู โดยทั่วไปแล้วทุกๆระยะ 10 ฟุต (3.0 เมตร) หรือกว่านั้น
 
หัวรถจักรจะมีบล็อกหน้าสัมผ้สโลหะที่เรียกว่า "รองเท้า" (หรือ "รองเท้าหน้าสัมผ้ส" หรือ "รองเท้ารับไฟ") ซึ่งแตะกับรางตัวนำ กระแสไฟฟ้าจะไหลจากรางตัวนำจ่ายให้มอเตอร์กระแสตรงที่เป็นเครื่องยนต์ขับเคลื่อนขบวนรถไฟและถูกส่งกลับให้ครบวงจรไปยังสถานีผลิตไฟฟ้าผ่านทางรางวิ่ง รางตัวนำมักจะทำจากเหล็กการนำไฟฟ้าสูงและรางวิ่งแต่ละช่วงจะต้องถูกเชื่อมต่อทางไฟฟ้าโดยใช้การหลอมติดกันด้วยลวดหรืออุปกรณ์อื่น ๆ เพื่อลดความต้านทานในวงจรไฟฟ้า

รางตัวนำจะต้องถูกขัดจังหวะช่วงรางปรับระดับและช่วงรางที่ไขว้กัน จึงต้องมีทางลาดที่ปลายของแต่ละช่วงเพื่อให้รองเท้าสัมผ้สกับรางตัวนำได้อย่างราบรื่น

มีความหลากหลายมากเกี่ยวกับตำแหน่งการสัมผัสระหว่างตัวรถไฟและรางรถไฟ บางส่วนของระบบยุคแรกๆ ใช้การสัมผัสด้านเหนือตัวรถ แต่ต่อมาพัฒนาใช้การสัมผัสด้านข้างหรือด้านล่าง ภายหลังใช้วิธีปิดคลุมรางตัวนำเพื่อป้องกันพนักงานรถไฟจากการสัมผัสโดยบังเอิญและช่วยปกป้องรางตัวนำจากหิมะและใบไม้ร่วง

ประโยชน์และข้อเสีย

ระบบไฟฟ้าลาก (ที่พลังงานไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้นที่สถานีไฟฟ้าระยะไกลและส่งไปยังรถไฟ) มีการใช้ค่าใช้จ่ายที่มีประสิทธิภาพมากกว่าการใช้ดีเซลหรือไอน้ำ เนื่องจากว่าไม่ต้องมีหน่วยสร้างพลังงานแยกส่วนที่จะต้องถูกติดตั้งบนแต่ละขบวนรถไฟ ข้อได้เปรียบนี้มีความหมายมากโดยเฉพาะอย่างยิ่งในเขตเมืองและระบบขนส่งมวลชนที่มีความหนาแน่นการจราจรสูง

ในปัจจุบัน ค่าใช้จ่ายเริ่มต้นถูกนำมาพิจารณา ระบบรางที่สามมีราคาถูกกว่าการติดตั้งระบบจ่ายไฟฟ้าเหนือหัวขบวน เนื่องจากว่าไม่ต้องมีโครงสร้างตามถนนสำหรับติดตั้งระบบดังกล่าวอีกต่อไป และไม่มีความที่จำเป็นที่จะต้องสร้างสะพานลอยหรืออุโมงค์ใหม่เพื่อให้มีระยะห่างจากตัวขบวนรถไฟพอสมควร นอกจากนี้ยังลดการเกะกะสายตาในสภาพแวดล้อมอีกด้วย

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากระบบรางที่สามทำให้เกิดอันตรายไฟฟ้าช็อค(electric chock)บริเวณที่อยู่ใกล้กับพื้นดิน แรงดันไฟฟ้าที่สูงๆ (เหนือ 1,500 V) จะถือว่าไม่ปลอดภัย เมื่อกระแสสูงมากจะต้องถูกนำมาใช้ในการสร้างพลังงานให้เพียงพอ ซึ่งเป็นผลทำให้เกิดการสูญเสียในความต้านทานของระบบสูง ดังนั้นจึงมีความต้องการจุดป้อนพลังงานที่ค่อนข้างใกล้มากๆ (สถานีไฟฟ้าย่อย) เพื่อลดการสูญเสียนี้

การมีกระแสไฟฟ้​​าบนรางยังอันตรายมากขึ้นถ้ามีคนตกลงไปบนรางวิ่ง เรื่องนี้สามารถหลีกเลี่ยงได้โดยการใช้ชานชลาที่มีประตูฉากกั้นหรือความเสี่ยงสามารถลดลงได้โดยต้องมั่นใจว่ารางตัวนำอยู่คนละด้านกับชานชลา

นอกจากนี้ระบบรางที่สามมีความเสี่ยงของคนเดินเท้าเดินบนรางรถไฟที่ระดับข้าม(Level crossing)ของสถานี ในสหรัฐอเมริกา ศาลฎีกาของรัฐอิลลินอยส์ตัดสินใจในปี 1992 รับรองคำตัดสินของคณะลูกขุนในการจ่าย $ 1.5 ล้าน โดยการรถไฟฟ้าขนส่งชิคาโกสำหรับความล้มเหลวที่จะหยุดคนที่เมาจากการเดินบนรางที่ระดับข้ามและพยายามที่จะปัสสาวะบนรางที่สาม เมโทรปารีสมีสัญญาณเตือนแบบกราฟิกชี้ให้เห็นอันตรายของการปัสสาวะบนรางที่สามซึ่งชิคาโกไม่มี

ที่ปลายทางลาดของรางตัวนำทุกตัว (ที่ที่รางจะถูกขัดจังหวะหรือเปลี่ยนแปลงด้านข้าง) ทำให้เกิดข้อจำกัดของความเร็วในทางปฏิบัติเนื่องจากการกระแทกของรองเท้าและที่ความเร็ว 160 กม./ชม. (99 ไมล์) ถือว่าเป็นขีดจำกัดในการทำงานของรางที่สาม บันทึกความเร็วโลกสำหรับรถไฟรางที่สามคือ 174 กม./ชม. (108 ไมล์ต่อชั่วโมง) ทำได้เมื่อ 11 เมษายนปี 1988 โดย English Class 442 EMU

ระบบรางที่สามโดยใช้จุดสัมผ้สเหนือศีรษะมีแนวโน้มที่จะเป็นที่สะสมของหิมะและน้ำแข็ง ซึ่งะนี้สามารถขัดจังหวะการดำเนินงานของรถไฟได้ บางระบบมีรถจักรที่ทำงานเฉพาะงานกำจัดน้ำแข็งโดยเครือบของเหลวลื่นหรือสารป้องกันการแข็งตัว (เช่นโพรพิลีนไกลคอล) บนรางตัวนำเพื่อป้องกันไม่ให้น้ำแข็งสะสม รางที่สามยังถูกให้ความร้อนเพื่อบรรเทาปัญหาของน้ำแข็ง

เพราะมีช่องว่างระหว่างรอยต่อของรางตัวนำ (เช่นที่ระดับข้ามและระดับชุมทาง) เป็นไปได้สำหรับรถไฟที่จะหยุดอยู่ในตำแหน่งที่รองเท้ารับกระแสไฟทุกตัวอยู่ในช่องว่างพอดี ทำให้ไม่มีไฟฟ้าจ่ายให้ขบวนรถไฟได้ รถไฟจะถูกเรียกว่า ถูก "gapped" ในสถานการณ์เช่นนี้ขบวนที่ตามมาจะถูกนำมาดันหลังเพื่อให้ขบวนที่ค้างอยู่ขยับเข้าหารางตัวนำ หรืออาจใช้สายพ่วงพิเศษเพื่อจ่ายไฟที่เพียงพอให้หน้าสัมผัสของรองเท้าตัวใดตัวหนึ่งขยับเข้าหารางตัวนำ เพื่อให้มีไฟฟ้าป้อนเข้าระบบขับเคลื่อนของขบวนรถไฟมากพอจะขยับทั้งขบวนเป็นระยะทางน้อยที่สุดให้เข้าระบบรางตัวนำอย่างสมบูรณ์ ตู้รถไฟอาจมีเครื่องยนต์ดีเซลสำรองบนขบวนรถไฟ (เช่น British Rail Class 73) , หรือการเชื่อมต่อกับรองเท้าบนแท่นกลิ้ง (เช่นMetropolitan Railway)

ระบบรางที่สามมีข้อดีเมื่อเปรียบเทียบกับระบบสายเหนือหัว เมื่อเกิดลมแรงหรือพายุหิมะ จะทำให้สายเหนือหัวพังลงมาและทุกขบวนต้องหยุดหมด พายุฝนฟ้าคะนองยังสามารถทำให้ไฟฟ้าดับ พร้อมกับฟ้าผ่าบนระบบที่มีสายไฟเหนือศีรษะจึงทำให้รถไฟหยุดถ้ามีไฟกระชาก

แรงดันไฟฟ้าสูงสุด

ฮัมบวร์ค S-Bahn ที่: 1200 V, ตั้งแต่ 1940
แมนเชสเตอร์ - Bury, อังกฤษ: 1200 V (หน้าสัมผัสด้านข้าง)
Culoz-Modane, ฝรั่งเศส: 1500 V, 1925-1976
กวางโจวเมโทรสาย 4 และสายที่ 5: 1500 V

ในประเทศเยอรมนีในช่วงต้นอาณาจักรไรช์ที่สาม ระบบรถไฟที่มีความกว้างประมาณสามเมตรอยู่ในแผน สำหรับระบบ Breitspurbahn นี้กระแสไฟฟ้าที่มีแรงดัน 100 กิโลโวลต์จะนำมาจ่ายเข้าในรางที่สาม เพื่อหลีกเลี่ยงการทำลายของสายไฟเหนือศีรษะด้วยปืนต่อต้านอากาศยาน แต่อย่างไรก็ตามระบบไฟฟ้าดังกล่าวไม่ได้ถูกใช้เนื่องจากมันเป็นไปไม่ได้ที่จะทำฉนวนป้องกันรางที่สามที่มีแรงดันไฟฟ้าที่สูงเช่นนี้ในบริเวณใกล้เคียงกับรางอื่นของทางรถไฟ โครงการทั้งหมดยังไม่คืบหน้าใด ๆ ต่อไปเนื่องจากการโจมตีของสงครามโลกครั้งที่สอง

การใช้งานพร้อมกันกับสายไฟเหนือศีรษะ

รถไฟสามารถได้รับพลังไฟฟ้าจากสายเหนือศีรษะและจากรางที่สามในเวลาเดียวกัน นี่คือเหตุการณ์ที่ยกตัวอย่างเช่นเมื่อฮัมบวร์ค S-Bahn ที่ระหว่างปี 1940 และ 1955 ตัวอย่างในปัจจุบัน ได้แก่ สถานีรถไฟเบอร์เคนเวอร์เดใกล้เบอร์ลินซึ่งมีรางที่สามทั้งสองด้านและสายเหนือศีรษะ ที่สถานีเพนน์คอมเพ็กในมหานครนิวยอร์กก็ใช้ทั้งสองระบบ อย่างไรก็ตามระบบดังกล่าวมีปัญหาในการทำงานร่วมกันของแหล่งจ่ายไฟฟ้าที่แตกต่างกัน ถ้าแหล่งจ่ายอันหนึ่งเป็น DC และอีกแหล่งหนึ่งเป็น AC, premagnetization ที่ไม่พึงประสงค์ของหม้อแปลง AC สามารถเกิดขึ้นได้ ด้วยเหตุนี้การใช้พลังงานไฟฟ้าเป็นคู่มักต้องหลีกเลี่ยง

สถานีชายแดนของ Modane บนรางฝรั่งเศส-อิตาลี Fréjus รถไฟใช้ไฟฟ้าทั้ง 1,500 V DC จากรางที่สามสำหรับรถไฟฝรั่งเศสและจากสายไฟเหนือศีรษะ (ตอนแรกใช้ไฟสามเฟส ต่อมาเป็น 3000 V DC) สำหรับรถไฟอิตาลี เมื่อเส้นในส่วนของฝรั่งเศสถูกเปลี่ยนให้เป็นสายไฟเหนือศีรษะ, อิตาลีจึงต้องเปลี่ยนแรงดันเป็น 1,500 V DC ด้วย ซึ่งเท่ากับครึ่งหนึ่งของกำลังเดิมที่พวกเขาเคยใช้

ดูเพิ่ม 

ท่อสะสมกระแส
ตัวรับกระแสไฟ
รางที่สี่
แหล่งจ่ายไฟระดับพื้นดิน
แท่งนำร่อง
มอเตอร์เชิงเส้น
รายชื่อของระบบรถไฟขนส่งโดยใช้รางที่สาม
รายชื่อชานเมืองและระบบเดินทางด้วยราง
กระแสไฟฟ้าของรถไฟในบริเตนใหญ่
รถไฟล้อยาง
ระบบหน้าสัมผัสแบบสตั๊ด
รางที่สามสำหรับรถราง

อ้างอิง

การกระจายพลังงานไฟฟ้า
เทคโนโลยีรถไฟ