كيف تحصل القطارات الكهربائية على الطاقة من دون حمل الوقود على متنها
القطار الكهربائي في العادة لا يعمل ببطارية ضخمة يحملها معه؛ ففي النظام الشائع الذي يعتمد على الخطوط الهوائية، يتلقى الطاقة من مصدر خارجي أثناء سيره، والدليل هو السلك الذي تمتد نحوه البانتوغراف فوق السقف.
هذه السلسلة الأساسية هي نفسها التي يشرحها مهندسو السكك الحديدية في مقدماتهم المبسطة عن الجر الكهربائي الهوائي: تأتي الكهرباء من الشبكة العامة، ثم تمر عبر محطة فرعية للسكك الحديدية، وتصعد إلى معدات الخطوط الهوائية، وتنتقل إلى القطار عبر البانتوغراف، ثم تُهيَّأ وتُضبط على متنه قبل أن تحوّل محركات الجر تلك الطاقة إلى دوران يدير العجلات.
قراءة مقترحة
تبدأ الطاقة من مكان بعيد، لكنها تصل في خط مستقيم
ابدأ من خارج الرصيف واتجه إلى الداخل. تمدّ الشبكة الوطنية أو الإقليمية النظامَ بالكهرباء عالية الجهد. وتتولى محطة فرعية للسكك الحديدية تهيئة هذا التيار بحيث يصبح بالجهد ونوع التيار اللذين تستخدمهما السكك الحديدية.
تلك المحطة الفرعية هي اليد التي لا تراها. فقد تخفّض الجهد، أو تحوّل التيار المتردد إلى تيار مستمر في بعض الأنظمة. وفي كلتا الحالتين، يمكن تلخيص وظيفتها ببساطة: جعل كهرباء الشبكة مناسبة للقطارات، ثم إرسالها عبر خطوط التغذية نحو السكة.
ومن هنا يصبح من الأسهل تتبّع المسار. فخطوط التغذية تنقل القدرة إلى النظام الهوائي فوق القضبان. وهذه المعدات العلوية ليست للزينة، وليست مجرد هياكل دعم فولاذية؛ بل هي مسار التزويد الحي الذي يسمح للقطار بمواصلة تلقّي الطاقة أثناء الحركة.
من السلك إلى السقف إلى المحور، تتتابع المراحل بسرعة
هذه السلسلة قصيرة بما يكفي لاختزالها في بضع مراحل مترابطة.
كيف تصل الطاقة إلى العجلات
الشبكة والمحطة الفرعية
تأتي الكهرباء من الشبكة العامة، وتحوّلها محطة فرعية للسكك الحديدية إلى الصورة التي يستخدمها هذا النظام.
خط التغذية وسلك التلامس
تنقل خطوط التغذية هذه القدرة إلى النظام الهوائي، حيث يقدّم سلك التلامس الطاقة فوق مسار السكة.
التقاط الطاقة عبر البانتوغراف
ينزلق البانتوغراف على السلك ويلتقط الطاقة الكهربائية بشكل متواصل بينما القطار يتحرك.
التحويل على متن القطار
تضبط المحولات أو إلكترونيات القدرة الطاقةَ الداخلة وتتحكم بها لكي يصبح نظام الجر قادراً على استخدامها.
من المحركات إلى العجلات
تحوّل محركات الجر الطاقة الكهربائية إلى عزم دوران، وهو ما يدير المحاور ويحرّك العجلات.
هذه هي الحيلة كلها. فالقطار لا يتوقف «ليتزود» بالكهرباء كما تتوقف المركبة العاملة بالبطارية للشحن. بل يجمع الطاقة الكهربائية باستمرار عبر تلامس انزلاقي وهو يمضي على الخط.
وبمجرد أن يدخل التيار إلى القطار، تجعل المعدات الموجودة على متنه هذه الطاقة قابلة للاستخدام في المحركات. ففي كثير من قطارات الخطوط الرئيسية العاملة بالتيار المتردد، يخفض المحول الجهد أولاً، ثم تتولى إلكترونيات القدرة تحويله والتحكم فيه لمحركات الجر. أما في أنظمة التيار المستمر، فتختلف المعدات الدقيقة المستخدمة، لكن الفكرة تبقى نفسها: تُعدَّل طاقة الخط الداخلة وتُقاس وتُضبط بحيث تحصل المحركات على ما تحتاج إليه.
وتُركَّب هذه المحركات بحيث تتمكن من إدارة المحاور عبر تروس، أو بشكل أكثر مباشرة في بعض التصاميم. تتحول الطاقة الكهربائية إلى قوة دوران. وتتحول قوة الدوران إلى عجلات متحركة.
هذه هي الجزئية التي يسيء معظم الناس فهمها حين يرفعون رؤوسهم إلى الأعلى
إذا رفعت بصرك الآن، فأي سلك تظن أنه يمد القطار بالطاقة فعلاً؟
أسهل طريقة لفهم النظام الهوائي هي أن تميز بين السلك الذي يلامسه القطار فعلاً، والبنية الداعمة له.
أي سلك علوي يزوّد القطار بالطاقة فعلاً؟
كل مجموعة الأسلاك العلوية تؤدي الوظيفة نفسها، لذا فإن أي سلك ظاهر فوق القطار هو الذي يمده بالطاقة.
في العادة، يكون سلك التلامس السفلي هو السلك الذي ينزلق عليه البانتوغراف فعلاً، بينما يؤدي السلك الحامل العلوي أو سلك الكاتيناري والقضبان المعلقة دوراً أساسه دعم سلك التلامس وتثبيته وتغذيته.
قف ساكناً للحظة عندما يبدأ القطار بالحركة، وأصغِ فوق خط السقف: فحيح جاف قصير مع فرقعة خفيفة عند موضع التقاء البانتوغراف بالسلك. ذلك الصوت هو انتقال حي للطاقة عبر تلامس انزلاقي.
وهذه وسيلة جيدة للتأكد بنفسك. فإذا استطعت أن تشير إلى السلك السفلي بوصفه سلك التلامس، وإلى البنية الأعلى باعتبارها الجزء الذي يدعم هذا السلك ويثبّته، فلن يعود النظام العلوي يبدو لك مجرد فوضى من الأسلاك.
لماذا يستطيع القطار ملامسة سلك وهو يسير بسرعة من دون أن يفقد التلامس؟
البانتوغراف جامع تيار مثبت على السقف يعمل بنابض أو بتحكم هوائي. ومهمته أن يدفع إلى أعلى بالقدر الكافي للحفاظ على التلامس، لكن من دون ضغط مفرط يضرب السلك بعنف. ويبدو ذلك بسيطاً إلى أن يكون القطار منطلقاً بسرعة، والسلك يهتز، والرياح تضغط، وكل نتوء قد يقطع التلامس للحظة.
ولهذا يتعامل مهندسو السكك الحديدية مع نقطة الالتقاء بين السقف والسلك على أنها مسألة نظامية جدية، لا مجرد رسم كرتوني لخط يلامس عصاً.
ولهذا أيضاً تُشد الأسلاك العلوية تحت توتر محسوب، وتُزاح بعناية من جانب إلى آخر بدلاً من أن تمتد في خط مستقيم تماماً فوق مجرى واحد في شريحة البانتوغراف. وهذا يوزع التآكل ويساعد الجامع على الحفاظ على تلامس جيد عبر المسافات.
لكن أليست المركبات الكهربائية من المفترض أن تحمل بطاريات؟
بعضها يفعل ذلك. وهذا الشرح يتناول إعداد الخطوط الهوائية والكاتيناري الشائع، لا كل أنظمة السكك الحديدية على وجه الأرض. فهناك سكك تستخدم القضيب الثالث إلى جانب المسار، أو بطاريات للمقاطع القصيرة، أو أنظمة هجينة تجمع بين الديزل-الكهربائي والبطارية.
لكن السكك الحديدية الكهربائية التقليدية المعتمدة على الخطوط الهوائية تمتلك ميزة كبيرة: إذ يستطيع القطار سحب قدرة عالية باستمرار من البنية التحتية بدلاً من حمل كل تلك الطاقة على متنه. وهذا مهم جداً لقطار ثقيل يحتاج إلى تسارع قوي، وتسلق المنحدرات، وتدفئة عدد كبير من العربات أو تبريدها، والعمل طوال اليوم.
لذا فالقطار الذي تشاهده غالباً أقل شبهاً ببطارية ضخمة تسير على عجلات، وأكثر شبهاً بآلة موصولة بالكهرباء وهي تتحرك. إلا أن القابس هنا ليس سوى بانتوغراف ينزلق تحت سلك.
استخدم هذا الفحص السريع على الرصيف في 10 ثوانٍ
1. ابحث عن البانتوغراف المثبت على السقف، ذلك الذراع الممتد إلى الأعلى.
2. حدد السلك السفلي الذي يلامسه فعلاً؛ فهذا هو سلك التلامس.
3. تعامل مع الأسلاك الأعلى والعلّاقات على أنها نظام الدعم الذي يثبت سلك التلامس في مكانه.
4. ثم تتبّع المسار في ذهنك: من الشبكة إلى المحطة الفرعية، ومن المحطة الفرعية إلى الخط الهوائي، ومن الخط الهوائي إلى البانتوغراف، ومن البانتوغراف إلى المعدات الكهربائية على متن القطار، ومن هذه المعدات إلى المحركات، ومن المحركات إلى العجلات.