ระบบส่งจ่ายไฟ้าในรถไฟฟ้า
ระบบไฟฟ้า เป็นระบบที่ใช้ไฟฟ้าจ่ายไฟฟ้าให้รถไฟฟ้า เพื่อขับเคลื่อนขบวนรถแบ่งการจ่าย ไฟฟ้าเป็น 2 ประเภท
1. ระบบไฟฟ้าสายส่งแบบเหนือหัว(Overhead)
ระบบจ่ายไฟฟ้าเหนือศีรษะ เป็นระบบการจ่ายไฟฟ้าแก่ทางรถไฟประเภทหนึ่ง ประกอบด้วยสายลวดตัวนำเปลือย แขวนไว้กับลูกถ้วยฉนวนซึ่งยึดตรึงที่เสา กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านขารับกระแสไฟฟ้าเหนือศีรษะที่เรียกว่า แหนบรับไฟ เข้าสู่ระบบขับเคลื่อนขบวนรถ เพื่อให้ครบวงจรไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านรางรถไฟหรือราวเหล็กเส้นที่สี่ซึ่งต่อสายดินไว้ ระบบจ่ายไฟฟ้าเหนือศีรษะมักต่อเข้ากับระบบไฟฟ้าแรงสูง เพื่อลดการสูญเสียจากการส่งไฟฟ้าเป็นระยะทางไกล ๆ
ระบบจ่ายไฟฟ้าเหนือศีรษะ มีชื่อเรียกอื่นดังนี้
- ระบบจ่ายไฟฟ้าชนิดสัมผัสเหนือศีรษะ (Overhead contact system; OCS)
- อุปกรณ์ระบบจ่ายไฟฟ้าเหนือศีรษะ (Overhead line equipment; OLE หรือ OHLE)
- อุปกรณ์เหนือศีรษะ (Overhead equipment; OHE)
- สายส่งเหนือศีรษะ (Overhead wiring; OHW หรือ overhead lines; OHL)
- แหนบรับไฟ (pantograph)
- ล้อเข็นรับไฟ (trolley wire)
หลักการทำงาน
พลังงานไฟฟ้าที่จ่ายให้รถไฟด้วยวิธีเหนือศีรษะ จะจ่ายผ่านสาลี่ซึ่งเป็นคันเหล็กยันกับสายไฟฟ้า เปลือย ซึ่งสาลี่อาจเป็นแบบพับได้ (สาลี่พับ; pantograph) แบบบ่วงกลม (สาลี่บ่วง; bow collector) หรือแม้แต่เป็นลูกรอกติดปลายเหล็ก (สาลี่ติดรอก; trolley pole) ขบวนรถที่ใช้พลังงานไฟฟ้า จะยก สาลี่ขึ้นติดสายเพื่อให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านเข้าสู่ระบบขับเคลื่อน จากนั้นจึงจะไหลลงรางกลับไปยัง สถานีจ่ายไฟ หรือลงดินต่อไป การจ่ายไฟฟ้าด้วยวิธีเหนือศีรษะมีข้อดีคือ บำรุงทางได้ง่ายโดยไม่ต้อง พะวงกับการไปเหยียบกับราวจ่ายไฟฟ้าที่พื้น แต่มีข้อเสียคือเป็นตัวจำกัดความสูงของขบวนรถ นอก เหนือจากอุโมงค์ ทั้งนี้ทางรถไฟที่ติดตั้งระบบจ่ายไฟฟ้าไม่ว่าด้วยวิธีใดก็ตามสามารถให้รถจักรดีเซล และรถดีเซลรางทำขบวนผ่านได้โดยไม่มีผลใด ๆ ต่อระบบจ่ายไฟ
2. ระบบไฟฟ้าส่งจ่ายรางที่ 3 (Third Rail)
รางที่สาม
เป็นรางตัวนำลักษณะกึ่งแข็งที่มีกระแสไฟฟ้าเพื่อจ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับขบวนรถไฟอย่างต่อเนื่อง รางนี้จะถูก วางที่ด้านข้างหรือระหว่างรางวิ่งของรถไฟ โดยทั่วไปมันมักจะถูกใช้ในระบบขนส่งมวลชนหรือระบบรถไฟฟ้าขนส่ง ความเร็วสูง ส่วนใหญ่รางที่สามจะจ่ายไฟฟ้ากระแสตรง ระบบรถไฟฟ้ามหานครกรุงเทพ ใช้ไฟ 750 VDC
ระบบรางที่สามของการจ่ายไฟฟ้าโดยทั่วไปไม่มีความเกี่ยวข้องกับระบบรางที่สามที่ใช้ในการรถไฟ
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 ข้อได้เปรียบนี้มีความหมายมากโดยเฉพาะอย่างยิ่งในเขตเมืองและระบบขนส่งมวลชนที่มีความหนาแน่นการจราจรสูงในปัจจุบัน ค่าใช้จ่ายเริ่มต้นถูกนำมาพิจารณา ระบบรางที่สามมีราคาถูกกว่าการติดตั้งระบบจ่ายไฟฟ้าเหนือหัวขบวน เนื่องจากว่าไม่ต้องมีโครงสร้างตามถนนสำหรับติดตั้งระบบดังกล่าวอีกต่อไป และไม่มีความที่จำเป็นที่จะต้องสร้างสะพานลอยหรืออุโมงค์ใหม่เพื่อให้มีระยะห่างจากตัวขบวนรถไฟพอสมควร นอกจากนี้ยังลดการเกะกะสายตาในสภาพแวดล้อมอีกด้วย
อย่างไรก็ตาม เนื่องจากระบบรางที่สามทำให้เกิดอันตรายไฟฟ้าช็อค(electric chock)บริเวณที่อยู่ใกล้กับพื้นดิน แรงดันไฟฟ้าที่สูงๆ (เหนือ 1,500 V) จะถือว่าไม่ปลอดภัย เมื่อกระแสสูงมากจะต้องถูกนำมาใช้ในการสร้างพลังงานให้เพียงพอ ซึ่งเป็นผลทำให้เกิดการสูญเสียในความต้านทานของระบบสูง ดังนั้นจึงมีความต้องการจุดป้อนพลังงานที่ค่อนข้างใกล้มากๆ (สถานีไฟฟ้าย่อย) เพื่อลดการสูญเสียนี้
การมีกระแสไฟฟ้าบนรางยังอันตรายมากขึ้นถ้ามีคนตกลงไปบนรางวิ่ง เรื่องนี้สามารถหลีกเลี่ยงได้โดยการใช้ชานชลาที่มีประตูฉากกั้นหรือความเสี่ยงสามารถลดลงได้โดยต้องมั่นใจว่ารางตัวนำอยู่คนละด้านกับชานชลา
การใช้งานพร้อมกันกับสายไฟเหนือศรีษะ
รถไฟสามารถได้รับพลังไฟฟ้าจากสายเหนือศีรษะและจากรางที่สามในเวลาเดียวกัน นี่คือเหตุการณ์ที่ยกตัวอย่างเช่นเมื่อฮัมบูร์ก S-Bahn ที่ระหว่างปี 1940 และ 1955 ตัวอย่างในปัจจุบัน ได้แก่ สถานีรถไฟเบอร์เคนเวอร์เดใกล้เบอร์ลินซึ่งมีรางที่สามทั้งสองด้านและสายเหนือศีรษะ ที่สถานีเพนน์คอมเพ็กในมหานครนิวยอร์กก็ใช้ทั้งสองระบบ อย่างไรก็ตามระบบดังกล่าวมีปัญหาในการทำงานร่วมกันของแหล่งจ่ายไฟฟ้าที่แตกต่างกัน ถ้าแหล่งจ่ายอันหนึ่งเป็น DC และอีกแหล่งหนึ่งเป็น AC, premagnetization ที่ไม่พึงประสงค์ของหม้อแปลง AC สามารถเกิดขึ้นได้ ด้วยเหตุนี้การใช้พลังงานไฟฟ้าเป็นคู่มักต้องหลีกเลี่ยง
