در مترو انرژی برق برای دو بخش مهم استفاده می شود:

الف :برق مصرفی در ایستگاهها

ب:برق مصرفی قطار

برق مصرفی در ایستگاهها

مصرف کننده های الکتریکی داخل یک ایستگاه مترو شامل موارد زیر هستند.

1- روشنایی ایستگاه      

2- سیستم های حرارتی و برودتی

3- آسانسور و پله برقی ها

4-  سیستم های مخابرات و اطلاع رسانی مانند بلندگوها و تابلوهای  PIS (Passenger information system)

5- سیستم های سیگنالینگ که اطلاعات قطار را منتقل می کنند

6- تجهیزات دیگر مانند گیت های ورودی، دوربین‌ها، سیستمهای اعلام حریق، پمپ‌های آب، آب‌ گرمکن هاو ... 

درجه اهمیت این تجهیزات در ایستگاههای مترو از نظر قطع شدن  برق با هم متفاوت است .

چون حرکت قطار به فعال بودن  سیستم سیگنالینگ بستگی دارد برق این سیستم نباید به هیچ عنوان قطع شود برق سیستم مخابرات نیز چون بستر انتقال اطلاعات است نباید  قطع شود. معمولاً برای این سیستم ها  از UPS های  on line استفاده می شود که بعد از قطع شدن برق با توجه به ظرفیت باطری ها معمولاً از 1 تا 10  ساعت  برق این تجهیزات از  UPSها تامین می شود.

اما مشکلی که وجود دارد این است که سیستم های خنک کننده اتاق‌های مخابرات و سیگنالینگ کولرهای گازی است و این سیستم‌ها را نمی توان توسط UPS تامین انرژی کرد و اگر قطعی برق طولانی شود گرم شدن سیستم ، باعث مختل شدن کار می شود .

پس قطعی برق کل ایستگاه برای این سیستم‌ها نمی تواند بیشتر از چند ساعت باشد .

قطع شدن برق گیت ها ، سیستم های حرارتی و برودتی پمپ های آب، آب گرمکن ، پله‌های برقی، آسانسورها به صورت موقت مشکل چندانی را در سرویس دهی ایجاد نمی کند.

قطع شدن برق در  دوربین‌ها، بلندگوها ،تابلوها اطلاع رسانی (PIS) ، ساعت ها ، سیستم های اعلام حریق به علت داشتن UPS و مصرف کم نیز مشکل چندانی ایجاد نمی کند اما باز هم باید زمان آن کوتاه باشد.

 اما روشنایی در اکثر موارد نیاز است و تامین برق سیستم روشنایی نیز از برق عادی  و سیستم اضطراری مخصوص روشنایی(UPS صنعتی) تامین می شود و در این رابطه حداکثر تا 3 ساعت می توان از UPS      صنعتی استفاده کرد.

پس با این توضیح  متوجه می شویم  که ایستگاه مترو به دلیل حیاتی بودن دارای درجه اهمیت زیادی است حال برای اینکه قطعی برق در ایستگاه‌ مترو کم شود و درجه اطمینان زیاد شود سیستم تغذیه اصلی ایستگاه باید دوبل و از دو سو تغذیه در نظر گرفته  شود.

 روش اول: این روش در ایستگاههایی استفاده می شود که به هم  نزدیک هستند

پست می تواند داخل یک ایستگاه باشد و در آن واحد ایستگاه از یکی پستها تغذیه می شود . 

روش دوم: این روش در ایستگاههایی استفاده می شود که از هم دور هستند و در آن واحد ایستگاه از یکی از ترانسها تغذیه می شود پس دوبل بودن سیستم تغذیه به این دلیل است که برق ایستگاه نباید به هیچ عنوان قطع شود و اگر هم قطع شد، از توان UPSها برای  زمان تخلیه مسافرین از ایستگاه استفاده می توان کرد 

در سیستم های قدیمی تر برای ایجاد اطمینان در برق ایستگاه از دو روش زیر به  صورت مدار شکل استفاده می کردند

1-    استفاده از دیزل ژنراتور برای ایستگاه ها

2-    استفاده از انشعاب های برق محلی برای ایستگاه ها

لازم به یاد آوری است مدیریت این سیستم های از دو سو تغذیه بسیار مهم است و مطمئنا یک ایستگاه نمی تواند در آن واحد از هر دو طرف تغذیه شود چون سیستم دچار تداخل می شود. در قدیم این مانورها در زمانی که برق ایستگاه از(UPS) تامین می شد به صورت دستی انجام می گرفت که گاهی به دلیل خطاهای انسانی همراه با مشکلاتی نیز بود ولی امروزه با پیشرفت سیستم ها کنترل این عملیات از راه دور و به کمک سیستم (SCADA) انجام می شود.

 نوع برق درسیستمهای برق‌رسانی به قطار

در این رابطه مطمئنا ما از دو سیستم  AC,  DC   استفاده میکنیم

در سیستم های برق رسانی به قطار سیستم DC برای قطار درون شهری استفاده می شود و سیستم AC برای قطارهای بین شهری استفاده می گردد. امروزه استفاده از ولتاژ 600 ولت تقریباً منسوخ شده است برای تغذیه قطار درسیستم های ریلی شهری ولتاژهای 750 و1500 و3000 ولت DC پیشنهاد می شود.

برای تغذیه قطار درسیستم های ریلی بین شهری ولتاژهای 15 و25 و50 کیلو ولت AC پیشنهاد می شود.

در قطار های درون شهری مانند تراموا و مترو از برق DC استفاده میشود.

چون در قطارهای شهری نیاز به شتاب اولیه بالا و سرعت گرفتن سریع قطار می باشد هر  واگن خود کشش است و باید دارای موتور مستقل باشد و برای رسیدن به شتاب اولیه بالا و سرعت گرفتن سریع قطار باید از موتور های DCسری استفاده شود.

به همین دلیل برق ACدر پستها بهDCتبدیل شده و به کمک شبکه در اختیار هر واگون قرار میگیرد .البته امروزه به کمک علم الکترنیک صنعتی میتوان از موتور های ACبه جای موتور DCاستفاده کرد اما بازهم به دلایل فنی شبکه باید DCباشد.

چون ما درمحدوده شهری قرار داریم در این رابطه ولتاژهای 750و1500ودرفواصل دورتر از3000 ولتDC استفاده میشود.

در قطار های سنگین بین  شهری و حومه شهری از برق AC استفاده میشود

چون در قطارهای بین  شهری و حومه شهری نیاز به شتاب اولیه بالا و سرعت گرفتن سریع قطار نمی باشد  هر  واگن خود کشش نیست وکل واگن ها به کمک یک کشنده کشیده میشوند.

ولی بازهم در این کشنده از موتور های DC سری استفاده شود .به همین دلیل برق ACدریافت شده از شبکه بالاسری در قطار به برق DC تبدیل شده و در اختیار موتور ها قرار میگیرد.

البته امروزه به کمک علم الکترنیک صنعتی میتوان از موتور های  ACبه جای موتور  DC  استفاده کرد اما بازهم به دلایل فنی به برق DC  در قطار نیاز است.چون ما درمحدوده خارج ازشهری قرار داریم در این رابطه ولتاژهای 25کیلو ولتAC استفاده میشود.

روش های برق رسانی به قطار

1- شبکه بالاسری

در این روش به کمک شبکه ای که در بالای سر قطار ایجاد می شود انرژی قطار تامین می شود.

مزایای شبکه بالا سری

- در پست ها تنظیم کننده ها لازم نیست زیاد حساس باشند.

- ساییدگی پانتو گراف نسبت به جاروبک در ریل سوم کمتر است.

- صدا در شبکه بالاسری نسبت به ریل سوم کمتر است.

- برای تعمیرات ریل نیاز به قطع کردن برق نیست.

- خطرات جانی برای افرادی که از روی ریل حرکت می کنند بسیار کم است.

معایب

- دشواری در تنظیمات اولیه شبکه

- دشواری در ترمیم شبکه بعد از سوانح

- خطرات رعد وبرق و شاخ و برگ درختان محیط های باز

2- ریل سوم

در این روش به کمک یک ریل هادی که در کنار دو ریل دیگر نصب می شود انرژی قطار تامین می شود.

اما اگر بخواهیم از ریل سوم برای تغذیه قطار استفاده کنیم استاندارد سیستم های ولتاژ اروپایی در راه آهن های برقی بر اساس EN50163 به ما فقط اجازه می دهد از ولتاژ 750 ولت استفاده کنیم.پس اگر ما بخواهیم از سطوح ولتاژ بالاتر استفاده کنیم باید از شبکه OCS استفاده کنیم.

معمولا ریل کنتا تاکت سیم هادی با سطح مقطع ماکزیمم 900 میلی متر مربع می باشد به همین دلیل در جاهایی که ترافیک زیاد است و ما می خواهیم از ولتاژ 750 استفاده کنیم ریل سوم پیشنهاد می شود. این ریل تا 6000هزار آمپر به ما جواب می دهد.

مزایای ریل سوم با ولتاژ 750 ولت و جریان مستقیم

- نصب شدن در قطعات کوچک با بهترین فاصله جدا کننده

- استفاده از برق متناوب محلی در شهر برای پست های حمل و نقل و رکتیفایرها

- ساده بودن سیستم

معایب

- برای حفا ظت بیشتر باید در مسیرهای مستقیم استفاده شود

- پیچیدگی در نصب کلیدها

- خطر برق گرفتگی برای پرسنلی که روی خط حرکت می کنند و برای حفاظت پرسنل لازم است از روکش های عایق استفاده شود.

- چون سطح جریان در این سیتم بالاست و در ابتدای راه اندازی قطار جریان زیادی طلب می کند و بار زیاد است در هدوی کم ممکن است بعضی اوقات اتصال کوتاه رخ دهد و برای رفع مشکل باید کلید را باز کرد.

- تنظیمات زیاد و حساس کلیدها در پست

مقایسه روش های گوناگون برق رسانی در سیستم حمل و نقل ریلی

ضوابط انتخاب روش های برق رسانی

برای خطوط جدید ریلی که ساخته می شوند روش برق رسانی بیشتر وابسته است به نوع ناوگانی که در آن خط حرکت می کنند برای مثال در پروژه های دنیا از معیارهای عمومی زیر تبعیت می شود.

- برای ناوگانی مانند تراموا

در اکثر موارد چون مسیر حرکت ترامواها مستقیم نیست از شبکه بالاسری OCS سبک مدل واگن برقی با ساپورت های سبک استفاده می شود.

در خط هایی که کاملا مستقیم هستند از ریل سوم می توان استفاده کرد.

برای تراموا بهترین رنج ولتاژ کار ولتاژ 750 ولت مستقیم است و رنج توان و قدرت یکسو کننده ها در این سیستم نسبتا کم است حدود 600 تا 900 کیلو وات

- برای ناوگانی مانند متروی سبک

در خط هایی که کاملا مستقیم هستند از ریل سوم استفاده می شود

اگر این خط در مسیرهای مستقیم نباشد از شبکه بالاسری استفاده می شود

برای متروی سبک بهترین رنج ولتاژکار ولتاژ 750 ولت و 1500 ولت مستقیم است رنج قدرت یکسو کننده ها در این سیستم 1000 تا 2000 کیلووات است.

- برای ناوگانی مانند مترو

مطمئنا به دلیل مستقیم بودن مسیر کانون انتخاب بر روی استفاده از ریل سوم با ولتاژ کار 750 ولت مستقیم خواهد بود.

اما امروزه از شبکه بالاسری با ولتاژ 1500 ولت و 3000 ولت مستقیم توصیه می شود.

- برای ناوگانی مانند قطار حومه شهری

سیستم برق شبکه بالاسری با ولتاژ 1500 تا 3000 ولت DC انتخاب خواهد شد

برای مسافت طولانی تر در حومه شهر با ماکزیمم سرعت 120 کیلومتر سیستم  برق شبکه بالاسری با ولتاژ 25 کیلو ولت تک فاز جریان AC پیشنهاد بهتری می باشد

- قطارهای بین شهری   Train

برای مسافت طولانی بین شهرها با سرعت حرکت بیش از 120 کیلومتر سیستم برق شبکه بالاسری با ولتاژ 25 کیلو ولت تک فاز جریان AC باید باشد.

مقایسه بین روش های برق رسانی

همان گونه که دیدید در سیستم های برق ناوگان ریلی دو روش برق رسانی به قطار با توجه به استاندارد IEC60850 ، EN50163  صورت  می گیرد:

1- شبکه بالاسری

2- سیستم ریل سوم

در توان های بالا با ولتاژ 750 ولت استفاده از شبکه OCS مناسب نیست چون باعث سنگین شدن شبکه و قطور شدن پایه ها می شود و تنظیمات شبکه مشکل خواهد بود.

به لحاظ طبیعت، ریل سوم در اتصال جاروبک به ریل، نسبت به OCS انعطاف کمتری وجود دارد به همین دلیل در سرعت های بالا از ریل سوم نمی توان استفاده کرد و با کوچکترین غیر و یکنواختی جاروبک می شکند.

همان گونه که می دانید در OCS پانتوگراف به علت زیگزاگ بودن شبکه سایش کمری دارد. اما در ریل سوم به دلیل ثابت بودن محل جاروبک سایش در آن زیاد است و به همین دلیل مداوم جاروبک ها در باید تعویض شود.و آلودگی کربن در تونل زیاد خواهد بود و هزینه نگهداری ریل سوم نسبت به شبکه بالاسری زیاد است.

در OCS بیشتر سوانح مربوط به قطع شدن سیم بر اثر سایش و خوردگی است ، تعمیر چنین سوانحی به ساعت ها وقت نیاز داردبه همین دلیل تعمیرات و نگهداری در OCS حساس تر است.

هزینه احداث ریل سوم از شبکه بالاسری کمتر است ولی هزینه نگهداری و تعمیرات ریل سوم کمتر از شبکه بالاسری می باشد.

در سیستم ریل سوم احتمال برق گرفتگی پرسنلی که به تعمیرات خطوط مشغول هستند زیاد است و به همین دلیل حتما در زمان این گونه عملیات برق باید قطع شود.

این مسئله آنقدر مهم است که در روی سکوی ایستگاه ها شستی های اضطراری در اختیار مسافر خواهد بود که با احساس خطر برق شبکه قطع شود این شستی ها مانند شستی های اعلام حریق هستند که توسط یک شیشه حفاظت می شود.

ما به صورت یکپارچه نمی توانیم ریل سوم داشته باشیم و باید برای اتصال قطعه های آن ها از کابل استفاده کنیم که این کابل ها و محل اتصال معمولا مشکل آفرین است .

در خطوط ریلی که قوس آن ها کمتر از 50 متر است از ریل سوم نمی توان استفاده کرد.

در محل سوزن ها و قوسی ها معمولا سیستم ریل سوم دچار مشکل می شود و قطار با سرعت بسیار پایین در این نقاط باید حرکت کند.

به علت اینکه ریل سوم در پایین و در مجاورت خطوط نصب می گردد بروز حوادث طبیعی مانند سیل و آبگرفتگی، برف، باران، خطر برق گرفتگی را زیاد می کند و باعث از کار افتادن سیستم انتقال می شود.

بعد از هر آب افتادگی حتما کل ایزو لاتورها باید نظافت شود.

با خارج شدن قطار از ریل اولین جایی که آسیب می بیند ریل سوم است و پس از این حادثه اتصال کوتاه شدید رخ می دهد و جرقه های شدید به وجود می آید که در اکثر موارد باعث آتش سوزی در قطارو ترس و وحشت مسافران می شود این موضوع را ما در شبکه بالاسری نداریم.

چون سیستم با برق dc کار می کند با هربار جدا دشدن جاروبک از ریل سوم قوس الکتریکی شدید به وجود می آید. و این مسئله باعث آسیب جدی به ریل می شود.

آماده سازی توان الکتریکی برای قطار:

درجه بالای اطمینان در تامین برق برای ناوگان مهم تر است به همین دلیل سیستم تغذیه قطار نیز باید از چند نقطه تامین شود.

برقی که از شبکه شهری دریافت می شود ابتدا به پست های پاساژ منتقل می گردد و سپس به پست های کشش پست تغذیه قطار وارد می گردد و سپس به شبکه تغذیه قطار داده می شود منتقل می گردد. همانگونه که گفته شد با توجه به اهمیت حرکت قطار، برق این سیستم تحت هیچ شرایطی نباید قطع گردد لذا هر پست کشش نیز از دو پست پاساژ و رینگ داخلی تغذیه می شوند. بنابراین فقط در شرایط بحرانی قطع برق کل شهر قطار بدون انرژی الکتریکی خواهد ماند.

برق انتقال یافته به پست های کششی 20kv است.

بیشترین توانی که در پست های کششی مصرف می شود، توان مصرفی قطار است و علاوه بر آن سیستم برقی ایستگاه ها نیز از همین برق استفاده می کند (جز واحدهای   تجاری که از برق محلی استفاده می نمایند)

برق ایستگاه ها : از یک ترانسفورماتور 20kv به 400v توسط کابل های دفنی تامین می گردد.

نوع برق مورد استفاده در قطار:

در هر پست ترکشن توسط دو ترانس و دستگاه یکسو کننده برق پس از یکسو شدن به ولتاژ 750v  dc برای استفاده قطار تبدیل می گردد و توسط کابل هایی که از داخل داکتها عبور داده می شود برای تامین برق سیستم شبکه تغذیه قطار استفاده می شود .

مطمئنا برای تغذیه مناسب قطار در فاصله های باید پست های کشش وجود داشته باشد که در پروژه قطارشهری مشهد این این فاصله معمولا 2km است به همین دلیل در فاصله 18.5km طول خط یک یک پروژه قطارشهری مشهد از یازده عدد پست کششی استفاده شده است به علاوه چهار عدد پست پاساژ که برق پست های کششی را تامین میکند.

بخش های مختلف شبکه برق بالاسری در پروژه قطارشهری مشهد:

1.     شبکه مسیر رو باز

2.     شبکه تونل

3.     شبکه دپوها

1.  شبکه مسیر رو باز

مطمئنا این شبکه نیز مانند تمام شبکه های هوایی دارای بلوک یا section هایی می باشد . در یک شبکه طول بلوک ها گاها به 3km نیز میرسد که در پروژه قطارشهری مشهد بیشترین طول یک بلوک 1200m است

در این پروژه بیشترین فاصله پایه های OCS،60m است و در محل هایی که ریل قوس دارد و دارای فراز و نشیب است فاصله پایه ها تغیر می کند.

ما می خواهیم انرژی الکتریکی را به کمک سیمی به نام سیم اتصال contact wire و پانتوگراف به قطار انتقال دهیم و مطمئنا زمانی پانتوگراف می تواند راحت با سیم اتصال ، تماس داشته باشد که نسبت به سطح ریل، کاملا صاف باشد و تغییر ارتفاع شدید نداشته باشد تا بتوان ایجاد یک خاصیت ارتجاعی در پانتوگراف ، به راحتی انرژی را از سیم اتصال دریافت کرده و به قطار منتقل کنیم. به همین دلیل است که برای شبکه بالاسری دو نوع سیم لازم می شود:

1.     سیم اتصال

2.     سیم حمال

وظیفه سیم حمال نگه داشتن سیم اتصال به صورتی است که اصلا افتادگی نداشته باشد ووظیفه دیگر آن نیز انتقال انرژی الکتریکی است . بین دو سیم حمال و اتصال، سیمی به عنوان سیم تارDropper wire قرار دارد که عمود بر سطح زمین است.

برای اینکه ما به منظور اصلی خود یعنی صاف بودن سیم اتصال برسیم ، شبکه هوایی را به بلوک هایی تقسیم می کنیم و در ابتدا و انتهای بلوک ، ابتدا و انتهای سیم های اتصال و حمال را به وزنه هایی می بندیم تا انبساط و انقباض سیم به دلیل تغییرات دما ، تغییری در صاف بودن سیم اتصال، ایجاد نکند.

در انتها نیز انرژی الکتریکی انتقال یافته به سیم اتصال، به پانتوگراف قطار منتقل می شود تا برای انرژی الکتریکی مورد نیاز قطار مورد استفاده قرارگیرد.

در شبکه برق بالاسری سیم های هوایی دارای بار مثبت و ریل دارای بار منفی است.

2. شبکه برق بالاسری داخل تونل:

شبکه بالاسری تونل مانند شبکه برق بالاسری مسیر رو باز است با این تفاوت که در این سیستم پایه های o.c.s وجود ندارد و یراق آلات توسط پیچ رولپلاک به سقف تونل مستقر می شود و از نظر بلوک بندی و تغذیه نیز مانند شبکه برق بالاسری مسیر رو باز می باشد.

3.  شبکه برق بالاسری در دپوها:

شبکه برق بالاسری در دپوها به روش هد اسپن Hed span میباشد. به این صورت که اگر ما از بالا به این شبکه نگاه کنیم مانند یک تور شطرنجی است و بر خلاف طول مسیر که سیم حمال موازی با سیم اتصال بود، در این شبکه، سیم حمال عمود بر راستای سیم اتصال می باشد.

تجهیزات شبکه برق بالاسری O.C.S

1.  پایه های نصب تجهیزات : پایه های شبکه بالاسری با توجه به محلی که قرار می گیرند مانند ابتدا و انتهای بلوک ، سوزن یا وسط بلوک، دارای انواع مختلفی است زیرا در هر نقطه بارهای وارده بر پایه متفاوت است.

2. سیم حمال : در پروژه قطارشهری مشهد این سیم دو رشته است با سطح مقطع 150mm وظیفه اصلی آن نگه داشتن سیم اتصال جهت جلوگیری از هرگونه افتادگی می باشد.

3.  سیم اتصال : وظیفه آن انتقال انرژی الکتریکی به پانتوگراف قطار است و دارای مقاطع mm 120است. این سیم یکپارچه و مفتولی می باشد.

4. سیم تار : وظیفه آن نگه داشتن سیم اتصال با کمک گرفتن سیم حمال می باشد.

5. عایق ها یا ایزولاتورها : همانگونه که در شکل معلوم است این عایق ها دو وظیفه دارند:

الف- تحمل وزن سیم های حمال

ب- عایق کردن سیم ها

6. پست های مختلف : برای بستن سیم حمال بر روی بازوها و بستن آن ها به وزنه ها مورد استفاده قرار گیرند.

7. کلیدها : در شبکه برق بالاسری دو نوع کلید وجود دارد

الف- کلیدهای فیدری : برق پست کشش را به شبکه با لاسری منتقل می کند

ب- کلیدهای سکسیونری : وظیفه اتصال با پارالل کردن دو بلوک را به عهده دارند.

8.  برق گیرها : در روی کلیدهای فیدری نصب می شود

9.  وزنه ها : در ابتدا و انتهای بلوک برای صاف نگه داشتن سیم در مقابل انقباض و انبساط استفاده می گردد.

10. چرخ وزنه ها : این چرخ ها واسطه بین سیمه و وزنه می باشند نسبت نیروی کشش سیم را تغییر می دهند.

11.  میل مهارها : پایه های شبکه در ابتدا و انتهای بلوک ، نیروی زیادی وارد می شود ، برای مقابله با این نیرو باید آنها را از طرف دیگر مهار کرد و این کار توسط میل مهارها صورت می گیرد.