تأثير خطوط النقل الكهربائية على السكك الحديدية

ضرورة الوقوف على تأثير خطوط النقل الكهربائية على السكك الحديدية:

في الصناعة الكهربائية، يعرف العديد من العمال الفولتية المستحثة وتأثيرها الكبير والمحتمل على الأعمال الكهربائية، لكن وقبل بدء البناء، هناك شيء لا تتم مناقشته كثيراً وهو أن نفس مفهوم “الجهد الكهربائي” الموجود على الموصلات التي يُفترض أنها ميتة يؤثر أيضاً على إشارات السكك الحديدية وتشغيلها وسلامتها.

تأثير خطوط النقل الكهربائية على إشارات السكك الحديدية:

لفهم كيفية تأثير “خطوط الكهرباء” على خطوط السكك الحديدية، يلزم فهم أساسي لإشارات السكك الحديدية، حيث استخدمت إشارات السكك الحديدية البسيطة تاريخياً فرق الجهد الكهربائي بين قضبان المسار لتحديد ما إذا كانت القطارات موجودة في مواقع معينة.

كما تم تقسيم كل مسار بشكل نموذجي إلى مقاطع بطول ميلين (3.2 كم) مع وصلات معزولة تحافظ على الفصل الكهربائي، بالإضافة إلى الحفاظ على العزل الكهربائي بين أقسام الجنزير، أيضاً حافظت هذه الوصلات المعزولة على السلامة الهيكلية.

وفي كل قسم، تم وضع إشارة الجهد المنخفض (أقل من 10 فولت) على أحد القضبان، وتقليدياً، كان جهد التيار المباشر (DC)، ثم تمت مراقبة الجهد بين القضبان في كل قسم من أقسام المسار.

وعندما يعبر قطار ما فوق العزل الكهربائي (الوصلة المعزولة)، تكون قد قصرت عجلاته (المستمرة كهربائياً)، كما أن المقطع للخارج وأصبح فرق الجهد بين القضبان صفراً، حيث استخدم خط السكة الحديد هذا لتحديد أن القطار كان على جزء معين من السكك الحديدية، وحتى يومنا هذا؛ فإنه يتم استخدام هذه المعلومات لأغراض مثل التحكم في بوابات العبور.

في العصر الحديث، تتحرك خطوط السكك الحديدية إلى إشارات أكثر تعقيداً مع استمرار استخدام “القضبان” كوسيلة أساسية للاتصالات، كذلك لقد ابتعدوا عن أنظمة التيار المستمر ويفضلون الآن ترددات التيار المتردد (AC) لنقل إشاراتهم.

وبالتنسيق مع المرحلات الموسعة وأجهزة الإشارة، يتم جعل الإشارات أكثر عرضة لتداخل خط الطاقة، وهو أيضاً التيار المتردد، ومما يجعل المشكلة أكثر أهمية هو أن الترددات المستخدمة غالباً ما تقترب من ترددات خطوط الطاقة (60 هرتز في الولايات المتحدة) وتوافقياتها، مما يجعل حدوث التداخل أسهل كثيراً.

مشاكل تحريض التيار المتردد على السكك الحديدية:

تحريض التيار المتردد هو ظاهرة كهرومغناطيسية، حيث يمكن أن يتسبب “المجال المغناطيسي المتغير”، وغالباً من تدفق الطاقة عبر خطوط الطاقة القريبة، وفي وجود تيار وجهد مستحث على الموصلات القريبة وغير المتصلة فعلياً بأي مصدر طاقة؛ تعتمد قوة التيار المستحث والجهد على عوامل مثل مسافة مصدر الطاقة والتيار.

كما تسبب كهرباء التيار المتردد الحث بسبب طبيعة المجال المغناطيسي المتغيرة باستمرار، حيث يتغير الجهد بشكل متكرر بين الموجب والسالب، حيث لا يمكن أن تتسبب كهرباء التيار المستمر ذات الحالة المستقرة في التحريض لأن مجالها المغناطيسي ثابت ولا يتغير، كما يعود الفضل عموماً إلى مايكل فاراداي في اكتشاف الاستقراء في عام 1831م، ووصفه جيمس ماكسويل رياضياً بأنه قانون فاراداي للاستقراء.

وبعبارات بسيطة، يعد الحث تأثيراً كهربائياً يمكن أن يتسبب في تنشيط الموصلات بالتوازي مع خط طاقة التيار المتردد الحي، وفي حالة العمل على خطوط المرافق؛ فإنه يمكن أن يحدث هذا عندما يكون خط التوزيع مبنياً على “هياكل النقل” وفصل خط التوزيع عن مصدره لا يجعل العمل عليه آمناً، كما يجب إجراء المزيد من التأريض والاختبار للتأكد من أن أسلاك النقل المذكورة أعلاه لا تحفز تياراً في الخط.

كما أن السكك الحديدية ليست مستثناة من هذا السيناريو، ومادياً تتكون خطوط السكك الحديدية من سكتين معدنيتين (وموصلتين) على الأقل يمتدان بطولهما بالكامل، كما بقدر ما يتعلق الأمر بالكهرباء، تعمل هذه القضبان كأي موصل آخر وسيكون لها تيار مستحث عليها بسهولة من مصادر طاقة التيار المتردد القريبة.

كما تستخدم السكك الحديدية الطبيعة الموصلة للقضبان للإشارة، وهذه الإشارات هي التي تمكن أذرع معابر السكك الحديدية من النزول في الوقت المناسب وتنبه مشغلي السكك الحديدية عندما يكون القطار في قسم معين من السكة الحديد.

وفي بعض الحالات؛ فإنه يمكن لخط السكة الحديد مراقبة سرعة تحرك القطار، كما يمكن أن يؤدي إحداث تيار من خطوط الطاقة إلى القضبان عن غير قصد إلى تعطيل التشغيل الطبيعي لهذه الإشارات، أو إغلاق السكة الحديدية أو إتلاف المعدات حتى يتم إزالة الطاقة من مصدر التيار المستحث أو تثبيت نظام تخفيف فعال.

كما تعتبر تأثيرات الاستقراء على خطوط السكك الحديدية كبيرة بما يكفي لأن التنسيق كان تقليدياً جزءاً من عملية التصميم، ومع ذلك؛ فإن التغييرات الأخيرة في “صناعة السكك الحديدية”، والتي أتاحت أنظمة إشارات أكثر دقة تعتمد على التيار المتردد، حيث جعلت خطوط السكك الحديدية أكثر عرضة للتداخل من دوائر خطوط الكهرباء.

طرق تخفيف حدة تحريض التيار المتردد على السكك الحديدية:

كان لتداخل السكك الحديدية آثار على الانقطاعات الأخيرة في منطقة ما، وقد أدى ذلك إلى لفت الانتباه إلى حاجة المرفق لتطوير تخفيف قوي للحث على السكك الحديدية لمشاريع التثبيت والترقيات الجديدة و تخفيف خط السكة الحديد نفسه هو أي ممارسة أو تركيب يقلل من الحد الأقصى لمقدار التيار والجهد المستحث على السكة الحديدية.

وللتخفيف بشكل فعال من مخاوف الاستقراء على السكك الحديدية، يهدف( ComEd) أولاً إلى تحديد حجم المشكلة ويحدد جميع مصادر الطاقة في المنطقة بالإضافة إلى مواقع جميع الموصلات القريبة، ثم نمذجتها بمجرد اكتمال النموذج، كما تقوم الأداة بإجراء تحليل لأسوأ حالة التيارات والفولتية الموجودة على خط السكة الحديد، حيث يمكن بعد ذلك تعديل مخطط النموذج ليعكس تقنيات التخفيف المختلفة والتركيبات.

كما يمكن أن يأتي التخفيف من تداخل التيار المتردد في أشكال عديدة، حيث أن أحد الاحتمالات هو سلك التخفيف، ومن المعروف أيضاً باسم الثقل الموازن، كما يمكن تعريف هذا على أنه أي موصل مؤرض، وعادةً يتم تثبيته بالتوازي وبالقرب من خطوط الطاقة أو القضبان ولكن غير متصل بمصدر طاقة، وبقصد تقليل تأثيرات الحث، والاحتمال الآخر هو الوصلات المعزولة الإضافية، والتي يمكن أن تكون فعالة من خلال تقصير أقسام إشارة السكك الحديدية المعزولة والحد من أطوال القسم الحرج.

ومع ذلك؛ فإن الخيار ذو التأثير الأكبر هو تغيير هندسة الخط الكهربائي، كما يمكن لعوامل مثل المسافة من السكة الحديد إلى الموصلات واتجاه خط الطاقة أن تخلق أو تتجنب نقطة القلق، ولسوء الحظ؛ فإنه لا يمكن تغيير هذه العوامل بسهولة بسبب محدودية مساحة الأرض المتاحة للمرافق.

وفي حين أن الترقيات أو أعمال الصيانة غالباً ما تكون قريبة من خطوط السكك الحديدية، كما يمكن للبناء الجديد محاولة الحصول على مسافة أكبر بين السكك الحديدية وخطوط الكهرباء لتجنب الصراع، كما توجد العديد من طرق التخفيف الأخرى ولكنها أقل شيوعاً في الصناعة.