تطوير إمداد الطاقة الكهربائية للنقل في الشبكات الصغيرة

في السنوات الأخيرة، أصبح تحقيق نظام إمداد طاقة الجر المتجدد والمستدام (TPSS) في قطاع السكك الحديدية تحدياً كبيراً، وبالتركيز على هذه المسألة؛ تقدم العديد من الدراسات والتجارب نظرة عامة شاملة وتصنيفاً لأحدث أنظمة (TPSS) في خطوط نقل كهرباء السكك الحديدية (DC) و (AC).

أهمية تطوير إمداد الطاقة الكهربائية للنقل في الشبكات الصغيرة

كانت الاستدامة البيئية في قطاع النقل بالغة الأهمية في العقود الأخيرة، بحيث استحوذ قطاع النقل على (29٪) من الاستخدام النهائي للطاقة في عام (2017)م، وبعد اتفاقيات باريس للحد من ارتفاع درجة الحرارة العالمية إلى درجتين مئويتين؛ فإن أكثر من (90٪) من خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون أمر ضروري بحلول عام (2050) مع خفض انبعاثات النقل إلى (3) جيجا طن من ثاني أكسيد الكربون.

وفي هذا السياق، أصبحت السكك الحديدية الكهربائية أكثر أهمية في العديد من البلدان المتقدمة والناشئة، والتي تم وضعها في وضع تنافسي بين مختلف وسائل النقل نظراً لمزاياها، بما في ذلك تحويل أعلى للطاقة وانبعاثات أقل للكربون وكونها أكثر صداقة للبيئة.

كما أنه من المتوقع أن تتوسع شبكة السكك الحديدية العالمية إلى (2.1) مليون كيلومتر بحلول عام (2050)م، بحيث يشير التطوير المستمر لشبكة السكك الحديدية إلى زيادة مطردة في استهلاك الكهرباء، ولزيادة إمدادات الطاقة، بحيث تمثل ترقيات أنظمة الإمداد بالطاقة للسكك الحديدية (TPSS) أفضل الحلول من خلال إضافة وصلات جديدة إلى شبكة المرافق.

وكما تم تحليله؛ فإن هناك موارد متجددة كافية متاحة في الأراضي المجاورة للمسار وأسطح المحطات ومواقف السيارات، لذلك؛ فإن تركيب التوليد الموزع (DG) للوصول إلى الموارد المتجددة جنباً إلى جنب مع السكك الحديدية يخفف من التناقضات بين العرض والطلب على الطاقة، بحيث تم إجراء العديد من الأمثلة الحالية للتركيبات الكهروضوئية في قطاع السكك الحديدية.

تطوير نطاق الامداد الخاص بالسكك الحديدة الكهربائية

في أوائل القرن العشرين، بدأت كهربة السكك الحديدية، والتي ترتبط بالتقدم التكنولوجي المتاح في ذلك الوقت، ومنذ أن تم استخدام طاقة التيار المستمر على نطاق واسع في أوائل القرن العشرين، بحيث تم تزويد خطوط الترام بالكهرباء لأول مرة باستخدام مصدر تيار مستمر منخفض الجهد (LV) (<750 فولت)، وبعد ذلك استخدمت أول كهربة للسكك الحديدية المتناوبة التيار الكهربائي ثلاثي الأطوار مع سلكين علويين، حيث كان السلك الثالث هو السكة.

كذلك احتاج هذا الكهربة إلى نظام منساخ معقد لمرحلتين، وبالتالي تم استخدام نظام أبسط للتيار المتردد أحادي الطور عند (16.7) هرتز و (15) كيلو فولت في البداية في سويسرا ثم لاحقاً في ألمانيا والسويد والنرويج، حيث تعد شبكة توليد وتوزيع معينة ضرورية نظراً لاختلاف التردد الكهربائي عن ذلك في نظام التشغيل.

وبسبب هذا العيب؛ فقد اعتمدت دول أوروبية أخرى كهربة السكك الحديدية (DC) لسرعات تشغيل أعلى وكثافة حركة مرور أعلى بحيث يكون مطلوب مستوى تيار مرتفع في (LV DC TPSS) نسبياً، وبالتالي تم استخدام مستوى جهد أعلى عند (1.5) كيلو فولت و (3.0) كيلو فولت، بحيث يوضح الشكل التالي (1) التكوين التقليدي لسكة حديد (LV DC TPSS) مع مقومات ثنائية الاتجاه أحادية الاتجاه ذات (12) نبضة عبر محول ثلاثي الطور مع ملفين ثانويين.

السمات الرئيسية للتشكيل الكهربائي للسكك الحديدية

من الملاحظ أن إحدى السمات الرئيسية للتشكيل الكهربائي للسكك الحديدية هي التوافق مع أجهزة الطاقة، وذلك كما هو الحال مع التطورات في إلكترونيات القدرة، بحيث أصبح مصدر الطاقة غير ذي صلة بأنواع محركات الجر بسبب تطبيق مقومات التيار المتردد / التيار المستمر، وهذا يعني أنه يمكن تحويل طاقة التيار المتردد مرة أخرى إلى طاقة تيار مستمر لتزويد المحركات الكهربائية ذات الجرح المتسلسل في القطارات.

وبالتالي، كان نظام كهربة التيار المتردد، والذي يتم تغذيته مباشرة بواسطة شبكة المرافق بمحولات تقليدية ممكناً، وبعد ذلك أصبحت الكهربة أحادية الطور (50) هرتز و (25) كيلوفولت أسلوباً شائعاً لكهربة السكك الحديدية، والتي يظهر تكوينها في الشكل التالي (2).

كذلك تم تطبيق هذا النظام الكهربائي القائم على التيار المتردد (50) هرتز و (25) كيلوفولت لأول مرة بواسطة السكك الحديدية الوطنية الفرنسية في (1950)م، وبالمقارنة مع (LV/DC) و (16.7) Hz و (15) kV AC كهربة السكك الحديدية؛ فإن الميزة الرئيسية لنظام الكهرباء القائم على (50) هرتز و (25) كيلو فولت، أيضاَ (AC) هي بساطة (TPSS) للسكك الحديدية دون تحويل التردد وخسائر نقل أقل.

كما أن هناك محطات تغذية التيار المتردد متصلة بقضيب توصيل عالي الجهد عند (220) كيلو فولت أو (110) كيلو فولت من خلال محولات تردد خط ثلاثية الطور إلى مرحلتين (LFT)، على سبيل المثال محول (V / V) المتحول، والمحول الصامت و محول موازنة مطابق للمقاومة، وبالتالي ليست هناك حاجة لمعدلات الصمام الثنائي في نظام الكهربة (50) هرتز و (25) كيلوفولت.

تحديد وعزل الآثار السلبية لمحطات تغذية السكك الكهربائية

لتخفيف الآثار السلبية، تم تجهيز محطات التغذية بمعوضات عدم التوازن، بحيث تُستخدم معوضات (var) الساكنة (SVC) على نطاق واسع على جانب الجهد العالي من (TPSS) للسكك الحديدية لتعويض تيارات التسلسل السلبي والقدرة التفاعلية نظراً لسهولة تنفيذها، ومع ذلك؛ فإن اتصاله بجانب الجهد العالي يزيد من تصنيف الجهد بعدد كبير من مفاتيح الطاقة التسلسلية.

كما تم تطوير مكيف طاقة ثابت للسكك الحديدية (RPC)، وهي مكون من محولين أحادي الطور مع وصلة (DC) مشتركة، وبالتالي يمكن توصيل القوى النشطة والمتفاعلة بين ذراعي جر لتحقيق قوة نشطة متوازنة بين مرحلتين، ومع ذلك يحتاج (RPC) إلى توفير نصف القوة النشطة القصوى لكل ذراع مع تصنيف محول أكبر، وذلك نظراً لاستخدام محول ثلاثي الطور إلى مرحلتين في نظام كهربة (50) هرتز و (25) كيلوفولت.

أيضاً يتم توفير بطانتين للتغذية بشكل مستقل في مرحلتين مختلفتين.، وبالتالي ومن أجل تجنب مخاطر خلط الطور؛ فإنه يلزم إبقاء خطي تغذية معزولين بأقسام محايدة (NS) عند المفاصل بين خطوط التغذية المختلفة، ونظراً لعدم وجود مصدر طاقة في (NS)؛ فإنه يتم إيقاف تشغيل قاطع الدائرة الرئيسي الموجود على اللوحة، بحيث ثم تتوقف المعدلات عن العمل، مما يتسبب في خسائر فادحة في قوة الجر وسرعة التشغيل.

وأخيراً وتستخدم خط تغذية أحادي الطور، حيث أن هناك فئتان رئيسيتان من (TPSSs) للسكك الحديدية ذات الطور المشترك أحدهما هو (TPSS) للسكك الحديدية ذات الطور المشترك (LFT)، وكما هو مبين في الشكل التالي (3-a)؛ فإنه يتم توصيل حمولة القاطرة بمخرج أحادي الطور من (LFT) والمرحلة الأخرى بدون حمولة، وبعد ذلك يتم توصيل محول متتالي أحادي الطور بوصلة (DC) مشتركة، بحيث يسمى معوض الطاقة النشط (APC)، وذلك خلال الملفات الثانوية للمحول الكهربائي وشبكة الجر لتعويض الطاقة النشطة والمتفاعلة.

أيضاً في (TPSS) للسكك الحديدية ذات الطور المشترك المستندة إلى (LFT)؛ فتتم إزالة (NSs) لمرحلتين من (TPSS) واحد، ولكن لا تزال هناك حاجة إلى (NS) للأقسام المجاورة بين (TPSSs) بسبب السعات المختلفة ومراحل الجهد الكهربائي في (PCCs)، وبالتالي يمكن خفض (NSs) إلى النصف في (TPSS) القائمة على (LFT).