شبکه برق‏ رسانی مترو

تامین توان و شبکه نیرورسانی به سیستم حمل و نقل شهری (مترو)

آشنایی با نحوه برق ‏رسانی در سیستم حمل و نقل مترو

تامین توان و شبکه نیرو رسانی به سیستم حمل و نقل شهری (مترو) نیز یکی دیگر از خدمات شرکت پیمابرق است که علاوه برسایر پروژه ها ، در زمینه احداث شبکه انتقال برق در مترو نیز به سرانجام رسانده است سیستم حمل و نقل ریلی درون شهری یا مترو در بسیاری از کلان شهرها بخش مهمی از بار حمل و نقل را به خود اختصاص می‏دهد. مترو در ایران برای اولین بار در سال ۱۳۷۷در تهران آغاز به کار کرد و به تدریج در دیگر مراکز استانی همچون مشهد، اصفهان و تبریز نیز ناوگان حمل و نقل مترو با اقبال عمومی فراوان مواجه گردید. با توجه به استقبال جامعه و افزایش خطوط مترو، نیاز به گسترش تأسیسات زیربنایی و دیگر زیرساخت ها و تجهیزات نیز افزایش یافته است. فضای مدرن و پاکیزه ایستگاه ‏های مترو به همراه مکان آن در تونل ها و سالن های زیرزمینی حس کنجکاوی کسانی را که برای دفعات اول از مترو استفاده می کنند برمی انگیزد. علاوه بر تجهیزاتی که برای عموم مردم در ایستگاههای مترو و سالن های آن قابل مشاهده است، بخش های وسیعی از تجهیزات و تأسیسات عملیاتی و کنترلی مترو از دید عموم پوشیده هستند و این در حالیست که بدون آنها فعالیت های مترو امکان پذیر نمی‏باشد.

کمتر مسافری به زنجیره عملیاتی که می‏بایست دقیق و درست عمل کند تا او را به ایستگاه مورد نظرش برساند فکر می‏کند. زنجیره ای که خود بدون حضور عاملی چون انرژی برق کمترین بازدهی نخواهد داشت. آری، برق اساسی ترین و حیاتی ترین عامل در حرکت قطارهای درون شهری و انتقال آسان و بدون آلودگی شهروندان در سطح شهرهاست. در این مجال برآن هستیم تا به صورت اجمالی با نحوه برق ‏رسانی در سیستم حمل و نقل مترو آشنا شویم.

طراحی شبکه برق ‏رسانی مترو از طریق شبیه‏ سازی

در طراحی پروژه های برق‏ رسانی مترو، پیمانکاران و مهندسان پست‏ها و خطوط انتقال بر اساس خواسته ها و نیازهای کارفرما و همچنین شرایط خط مترو اقدام به طراحی و اجرای شبکه های برق‏ رسانی مترو می نمایند. شبکه برق‏ رسانی شامل پست‏های برق و خطوط انتقال می‏با‏شند که می بایست در مورد انواع و تعداد پست‏های برق و شرایط خطوط انتقال بررسی های لازم انجام شود و بهینه ترین تصمیمات اتخاذ گردد. چرا که بی برقی در ناوگان مترو علاوه بر عدم امکان ارائه خدماتی مانند روشنایی و سرمایشی گرمایشی با از کارافتادن قطارها و ‏سیستم‏های کنترلی و مخابراتی می‏تواند خطراتی را نیز به همراه داشته باشد. لذا پایایی و ثبات برق‏ رسانی در مترو از بالاترین سطح اهمیت در طراحی شبکه برق‏رسانی مترو برخوردار است. طراحی و تصمیم گیری در مورد اجزا، تعداد،‌ نحوه چینش و جانمایی تجهیزات شبکه برق در مترو، ‌بر اساس یک شبیه‏ سازی (simulation) انجام می‏شود. در انجام شبیه‏ سازی متخصصین و مهندسین رشته های برق،‌ مکانیک و دینامیک با استفاده از نرم افزارهای کامپیوتری داده ها و اطلاعات خط مترو مورد نظر را بررسی کرده و نرم افزار با انجام محاسبات و تحلیل بایدها و نبایدهای شبکه برق‏ رسانی اطلاعاتی را استخراج می‏کند و در اختیار مهندسین قرار می‏دهد.

برخی از داده هایی که در شبیه‏ سازی مدنظر قرار می گیرند عبارتند از:

• ‌طول خط و فاصله ایستگاه‏ها از یکدیگر
• جانمایی ایستگاه‏ها
• ‌فواصل ایستگاهها از یکدیگر
• ظرفیت واگن های مورد استفاده برای جابجایی مسافران
• تعداد تخمینی مسافران در هر خط واحد زمان ( نفر- ساعت جابجایی)
• شیب تونل ( برای مثال خط مترویی که از سمت پایین تهران به سمت شمال تهران حرکت می‏کند)
• میزان ولتاژ مورد نیاز جهت حرکت قطارهای مترو و برق‏رسانی به تجهیزات ایستگاه‏ها و تجهیزات کنترلی مترو

مواردی از قبیل جانمایی پست‏های برق در تونل‏های مترو، تعداد مورد نیاز از هر نوع پست در هر ایستگاه و تعیین آنکه هر چند دقیقه یک قطار در ایستگاه توقف نماید تا بتواند تعداد مسافرین مدنظر را منتقل کند، از جمله خروجی های این شبیه ‏سازی می‏باشد. به دنبال شبیه‏ سازی مراحل تأمین تجهیزات انتقال برق خطوط مترو و اجرای آن وارد مراحل عملیاتی می‏شود.

 تأمین برق مترو از برق شهری

به طورکلی، انرژي برق در مترو براي دو بخش استفاده مي‏شود:

برق مصرفي در ايستگاهها شامل:

1.  آسانسور و پله برقي ها
2. روشنايي ايستگاه
3. سيستم هاي حرارتي و برودتي
4. سيستم هاي مخابرات و اطلاع رساني مانند بلندگوها و تابلوهاي  PIS) Passenger information system)
5. سيستم هاي سيگنالينگ كه اطلاعات قطار را منتقل مي كنند
6. تجهيزات ديگر مانند گيت هاي ورودي، دوربين‌ها، سيستمهاي اعلام حريق، پمپ‌هاي آب، آب‌ گرمكن ها

برق مصرفی قطار

برق مصرفی قطار جهت حرکت ناوگان یا قطار و سیستم ها و امکانات و تجهیزات مرتبط و متصل به قطار مورد استفاده قرار می‏گیرد.

انواع پست‏ های برق در مترو

معمولاً خطوط مترو در ایران از پست‏ های برق فوق توزیع kv ۲۰/۶۳ تغذیه می‏شوند. بدین شکل که انشعاب هایی از این پست‏های برق از طریق کانال هایی از سطح زمین تا کناره های تونل کشیده می‏شود و از آنجا از طریق پستهای برق موسوم به Passage به پست های برق تعبیه شده در ایستگاه‏های مترو منتقل می شود. این پست ها در تغییرو تبدیل ولتاژ اثری ندارند و صرفا با فیدرهای خروجی نیروی برق را به پست‏های دیگر منتقل می‏کند. نیروی برق 20 کیلو ولت وارد شده به تونل از طریق دو نوع پست در مترو به برق مصرفی مورد نیاز مترو تغییر ولتاژ می یابد.

پست برق کششی(RS) یا (TPS)

پست برق کششی(RS) یا (TPS) که به ترتیب مخفف پست‏های یکسوکننده (Rectifier Switch) و پست‏های ترکشن (Traction Power Substation) می‏باشند. این پست وظیفه تأمین برق مورد نیاز قطار مترو را برعهده دارد و نیروی برق 20 کیلوولت منتقل شده از پست برق 20/63 کیوولت را به برق 750 ولت DC تبدیل می‏ کند که این برق از طریق ریل سوم و یا شبکه بالاسری به قطار منتقل می‏شود. برای تغذیه مناسب قطار در فاصله های معین باید پست‏های کششی وجود داشته باشد. برای مثال در پروژه قطار شهری مشهد این فاصله معمولا ۲ کیلومتر است به همین دلیل در فاصله ۱۸.۵ کیلومتر طول خط یک پروژه قطارشهری مشهد از یازده عدد پست کششی استفاده شده است به علاوه چهار عدد پست پاساژ که برق پست‏های کششی را تأمین می‏کند.

پست‏های توزیع روشنایی و نیرو

پست‏های توزیع روشنایی و نیرو (LPS, Lighting and Power Substation) ایستگاه ‏های مترو یا قطار شهری وظیفه تأمین برق مصرفی ایستگاه ‏های مترو را بر عهده دارند

که توسط ترانسفورماتورهای کاهنده برق ۲۰ کیلوولت را به ولتاژ۴۰۰ ولت می‏ رساند. نیروی برق ۴۰۰ ولت توسط کابل های دفنی به ایستگاه منتقل می‏‏گردد.

گفتنی است نحوه چیدمان پست‏ های مترو به صورت حلقه (Ring) در سطح ۲۰ کیلوولت می‏باشد. در این حالت در صورت عدم کارکرد صحیح یک پست به علت خرابی و یا حادثه، برق‏ رسانی در مترو دچار اختلال نخواهد شد. بنابراین فقط در شرایط بحرانی قطع برق کل شهر قطار بدون انرژی الکتریکی خواهد ماند.

حال این سؤال پیش می آید که پست‏های برق کششی و توزیع روشنایی و نیرو در مترو در کدام بخش از ایستگاه یا تونل قرار دارند؟ معمولاً پست‏های برق در ابتدا و انتهای ایستگاه‏ها در قسمت های ورودی تونل ها تعبیه می شوند تا دسترسی آسان‏تر جهت تأمین و تعمیر تجهیزات میسر گردد. برای مثال،‌ در هر ایستگاه خط ۷ مترو تهران، ‌با توجه به آنکه شیب تونل زیاد می‏ باشد و توان زیادی برای حرکت قطار مورد نیاز می‏باشد،‌ در همه ایستگاهها و یا یک در میان پست کششی تعبیه شده است. بنابراین تعداد پست‏های هر ایستگاه بسته به شرایط خط و فاصله ایستگاه‏ها و براساس نتایج شبیه‏ سازی طراحی شبکه برق مترو تعیین می گردد. براي اينكه قطعي برق در ايستگاه‌ مترو كم شود و درجه اطمينان زياد شود سيستم تغذيه اصلي ايستگاه بايد دوتایی(دوبل) در نظر گرفته شود و پست‏های کششی و روشنایی و توان به صورت دوتایی تعبیه شوند تا در صورت خارج شدن یکی از پستها از مدار منبع دیگر بتواند به برق‏رسانی ادامه دهد.

شرکت احداث خطوط و پست ها، پیمابرق علاوه بر اجرای پروژه های متعدد در حوزه زمینی و هوایی چندین ‍پروژه در زمینه احداث شبکه انتقال برق در مترو نیز به سرانجام رسانده است که اهم آنها به قرار ذیل می ‏باشد:

• کابلکشی خط 63 کیلوولت 2 مداره ایستگاه تهرانپارس – دانشگاه علم و صنعت، مترو تهران
• کابل‏کشی خط 63 کیلوولت 2 مداره ایستگاه الغدیر- دانشگاه علم و صنعت، مترو تهران
• اجرای کانال کابل ۶۳ کیلوولت الغدیر به پست شمالی مترو خط ۳، مترو تهران
• احداث ساختمان های پست ۲۳۰ کیلوولت مترو تهران کرج- ایستگاه‏های A1, A2 , A3، مترو تهران

این شرکت با اندوخته فراوان تجربی و علمی و دانشگاهی آمادگی دارد تا نسبت به مشارکت در پروژه های انتقال نیرو و  شبکه انتقال برق در مترو (برق‏ رسانی طرح های حمل و نقل ریلی) ایفای نقش نماید.

با انواع پستهای برق مترو و ولتاژ های مورد نیاز برای تغذیه تجهیزات ایستگاه و همچنین قطار مترو آشنا شدیم. به دنبال آن در مورد نحوه انشعاب برق مترو از شبکه برق شهری و طریقه طراحی شبکه برق مترو با استفاده از شبیه سازی توسط نرم افزارهای تخصصی مطالبی مطرح شد. در ادامه ی این مقاله،‌ با برخی دیگر از ویژگی های شبکه برق رسانی مترو آشنا می شویم. همانطور که دانستیم نیروی برق ورودی به مترو،‌ برق 20 کیلوولت منشعب از پست‏های برق فشار قوی 20/63 کیلوولت می باشد که در سطح زمین و خارج از فضای مترو مستقر می‏ باشند. پستهای برق 20/63 کیلولت در رده فوق توزیع طبقه بندی می شوند و توان خروجی 20 کیلوولت آنها می بایست در پستهای برق کاهنده ولتاژ، به برق مصرفی مورد نیاز مترو تبدیل شود.

پستهای ترکشن و پست‏های روشنایی و نیرو دو نوع پستی هستند که این امر را میسر می نمایند. بدین ترتیب که پست‏های کششی برق 750 تا 1500 ولت را جهت تغذیه حرکت قطار و سیستم های آن فراهم می‏ آورند و خروجی پست‏های روشنایی و نیرو،‌ برق 400 ولت جهت مصارف ایستگاه های مترو اعم از تجهیزات کنترل و مخابرات مترو تا سیستم روشنایی و تهویه می باشد.

نوع برق مورد استفاده در مترو

جریان برق از نظر نحوه عبور یا شار بارالکتریکی به دو نوع تقسیم بندی می‏شود: برق DC مستقیم و برق متناوب AC.

جریان برق مستقیم

جریان برق مستقیم (DC, Diect current) یعنی شار یا عبور «یک طرفه» بار الکتریکی. جریان مستقیم می‏تواند در رساناها، مثل سیم، شار کند، اما می­تواند در عایق‏ ها، نیمه‏ رساناها یا خلأ نیز به شکل اشعه یونی یا الکترونی، شار کند. با توجه به ویژگی های این نوع جریان برق، از بیشتر منابع DC می‏توانیم انتظار داشته باشیم که با گذر زمان ولتاژی ثابت ارائه کنند.

جریان متناوب

جریان متناوب (AC, Altrernating Current) به معنی شار بار الکتریکی‏ای است که «به طور تناوبی» جهت عوض می‏کند. در نتیجه، سطح ولتاژ نیز همراه جریان برعکس می‎شود. برق AC  برای تأمین برق خانه ها، ساختمانها، دفاتر استفاده می‏شود. پریزهای برق تقریباً تمام خانه ­ها و دفاتر از AC استفاده می‏کنند. به این دلیل که تولید و ارسال برق AC به فواصل دور نسبتاً آسان است. در ولتاژهای بالا، مثلاً بیشتر از 110کیلوولت، انرژی کمتری در انتقال توان الکتریکی هدر می‏ رود. ولتاژ بالاتر یعنی شدت جریان کمتر، و شدت جریان کمتر یعنی حرارت تولیدی کمتر در اثر مقاومت در خط انتقال برق. با انتقال برق AC‌ در ولتاژهای بالا،‌ کاهش ولتاژ بالای AC جهت مصارف مختلف توسط ترانسفورماتورها به آسانی امکان پذیر است. و اما ….

نوع برق مورد استفاده در قطار مترو

روش برق رسانی به خطوط ریلی بیشتر به نوع ناوگانی که در آن خط حرکت می کند وابسته است. برای مثال برای قطار درون شهری سیستم DC و سیستم AC برای قطارهای بین شهری به کار برده می‏شود.

قطارهای مترویی جهت حرکت و مصارف داخلی از قبیل روشنایی و سیستم تهویه داخلی قطار نیازمند انرژی برق 750 تا 1500 ولت DC هستند در حالی که تأسیسات و تجهیزات ایستگاه‌های مترو از قبیل پله‌‌برقی‌‌ها، آسانسورها، روشنایی، سیستم تهویه، سیستم پمپاژ فاضلاب، سیستم‌های اطفای حریق، سیستم‌های مخابراتی و سیگنالینگ و … نیازمند انرژی برق در سطح ولتاژ 400 ولت AC هستند و این تأمین انرژی از طریق پست‌های LPS پایانه‌‌ها انجام می‌‌گیرد.

همچنین در پایانه‌های مترو، سیستم‌‌های مختلف تعمیراتی، شستشوی قطارها، سیستم‌های حرارتی و برودتی، سیستم روشنایی، تجهیزات تراش چرخ، سالن رنگ‌آمیزی و … نیازمند تأمین انرژی برق در سطح ولتاژ 400 ولت AC  هستند که این تأمین انرژی از طریق پست‌های LPS پایانه‌‌ها انجام می‌‌گیرد.

تعیین سطح ولتاژ

سیستم تراموا و اتوبوس برقی معمولاً از طریق سطح ولتاژ 600 ولت تغذیه میگردند. از سطوح ولتاژ 750 و 1500 ولت براي تغذیه سیستمهاي حمل و نقل سبک و سنگین شهري و سطوح ولتاژ 1500 ولت DC ،3000 ولت DC و 25000 ولت ACبراي تغذیه سیستم حومهاي استفاده میگردد. گزینه پیشنهادي براي تغذیه سیستم هاي بین شهري در مسیرهاي طولانی سطوح ولتاژ 25000 یا 50000 ولت AC است. با این حال میتوان یک مسیر را بر اساس شرایط فنی و محدودیت هاي اجرایی با سطوح ولتاژ مختلف تغذیه نمود.

روش های برق رسانی به قطار مترو

همانطور که در سطور قبلی ذکر شد، قطار های مترو جهت حرکت و تجهیزات داخل قطار نظیر روشنایی، ‌سیستم برودت و گرمایشی و تهویه نیازمند نیروی برق 750 الی1500 ولت هستند که از پست‏های برق کششی تعبیه‏ شده در ایستگاه ها از طریق کابل‏هایی ابتدا به پستهای یکسوکننده جهت تبدیل برق از نوع AC‌به DC منتقل می شود و سپس به سیستم تغذیه توان قطارها متصل می شود.

سیستم تغذیه برق قطارها معمولاً به دو روش طراحی و پیاده سازی می‏شود:

1.  ریل سوم (Third Rail)
2. شبکه بالاسری(OCS)

ریل سوم قدیمی ترین شکل خطوط تغذیه جریان ترکشن براي قطار هاي برقی است. ریل سوم در کنار خطوط ریلی (و معمولا بالاتر از آنها) قرار می‏گیرد که عموما به شکل یک مسیر زردرنگ قابل مشاهده است. ریل سوم در واقع هادیهايی هستند که در کنار خط و بر روي پایه هاي عایق بمنظور انتقال انرژي نصب می گردند و افراد در مقابل تماس عمدي یا غیرعمدي با آن، محافظت می‏گردند. در این سیستم کفشک روي ریل سوم حرکت می‏کند و توان الکتریکی را به قطار منتقل می‏کند. کفشک توسط کفشک نگهدار با نیروي ثابت روي ریل سوم قرار می‏گیرد. در سیستمهاي حمل و نقل انبوه به خاطر خطرات پتانسیل با ولتاژهاي بالا، حداکثر ولتاژ نامی به میزان 1500 ولت محدود می شود. انتخاب سیستم برق ‏رسانی به قطار در دو سطح ولتاژ 750 یا 1500 ولت کاملاً متفاوت است. براي سیستم توزیع انرژي در ولتاژ کمتر از 1500 ولت معمولاً از ریل سوم و براي سطح ولتاژ 1500 ولت از شبکه بالاسري استفاده میشود.

ریل سوم داراي هزینه کمتر بوده و فضاي کمتري را اشغال میکند (که آن را براي داخل تونلها و مسیرهاي مترو مناسب می سازد). اما در مقابل احتمال اتصال زمین و برخورد افرادیکه در سطح زمین قرار دارند با آن زیاد است، خصوصاً وقتی که قطار متوقف میشود و باید مسافران آنرا تخلیه نمایند، لذا قبل از اینکه به مسافران اجازه ترك قطار داده شود، ولتاژ ریل سوم قطع میگردد.

معرفی شبکه بالاسری یا کاتناری (OCS)

شبکه بالاسری کاتناری OCS (Overhead Catenary System) یکی از روش‌های مرسوم برق رسانی در صنعت ریلی می‌باشد که مزایای فراوانی نسبت به روش ریل سوم دارد. نوع سیستم شبکه بالاسری، زنجیره ای بوده و دارای دوسیم حمال و دو سیم کنتاکت است. این روش برای هر دو نوع جریان DC و AC مورد استفاده می‌باشد. از این روش نه تنها برای مترو شهری که برای قطار بین شهری و تراموا و اتوبوس های برقی نیز استفاده می شود چرا که علاوه بر تأمین توان مورد نیاز در فواصل طولانی‏تر، انعطاف بیشتری در برق رسانی در مسیرهای غیرمستقیم دارد. در اجرای شبکه بالاسری، طراحی الکتریکی شامل تعیین نوع شبکه الکتریکی، سایز هادی‌های شبکه، تعداد، محل و ظرفیت پست‌های برق، مشخصات عایقی و… مد نظر قرار می‏گیرد. طراحی شبکه بالاسری نیز بر اساس استانداردهای بین المللی به وسیله نرم افزارهای تخصصی و توسط مهندسان و شرکت های پیمانکار برق رسانی خطوط ریلی انجام می‏شود.

دو روش برق رسانی فوق الذکر دارای معایب و امتیازاتی نسبت به یکدیگر هستند بنابراین انتخاب نحوه برق رسانی به قطار بر اساس نوع ناوگان حمل و نقل،‌ نحوه بهره برداری مورد نظر، شرایط مکانی و مسافت خطوط ریلی، میزان بودجه و دیگر موارد صورت می گیرد تا مطلوب ترین شکل ممکن بر اساس استانداردهای برق رسانی به ناوگان ریلی مانند انتخاب و اجرا گردد.

کابل بدون هالوژن،کابل خطوط انتقال در مترو

خطوط انتقال در کنار پست‏های برق، اجزای اصلی شبکه های انتقال و توزیع برق را تشکیل می دهند. همانطور که در نوع پستهای مورد استفاده در مترو‌،‌ با توجه به شرایط و نیازهای برق رسانی، تفاوتهایی با پست‏های روی زمین دیدیم، در خطوط انتقال برق در مترو نیز با توجه به شرایط زیرزمین و دسترسی مشکلتر نسبت به فضاهای روباز،‌ نوع کابل‏های مورد استفاده نیز متفاوت می باشد. کابل‏های مورداستفاده در مترو از نوع نسوز با عایق و روکش بدون هالوژن بوده و در برابر آتش سوزی مقاوم می‏باشند. این نوع از کابل‏های دیرگداز در اماکن عمومی جهت حفظ جان انسان ها و همچنین حفظ تأسیسات و اموال مهم که باید در مقابل آتش محافظت شوند استفاده می‌شوند مکان هایی نظیر مترو، راه آهن، پتروشیمی و پالایشگاه، صنایع نظامی، صنایع هوایی و کشتی سازی. تولیدکنندگان ایرانی توانایی تولید کابل‏های فوق الذکر بر اساس استاداردهای بین المللی را دارا می باشند.

گفتنی است کابل‏های مورد استفاده در فضاهای باز، عموماً از جنس پی وی سی می باشند.

پیمابرق،‌ پیمانکار احداث پست‏های برق و خطوط انتقال در صنایع حمل و نقل ریلی

شرکت پیمابرق، با توجه به توانایی و مهارت در طراحی، تأمین تجهیزات و اجرای پستهای برق و خطوط انتقال،‌ پروژه هایی را به کارفرمایی شرکت مترو تهران به سرانجام رسانده که از جمله آنها می توان به دو پروژه کابلکشی خط 63 کیلوولت 2 مداره ایستگاه تهرانپارس – دانشگاه علم و صنعت، مترو تهران و کابل‏کشی خط 63 کیلوولت 2 مداره ایستگاه الغدیر- دانشگاه علم و صنعت، مترو تهران اشاره کرد.

پیمابرق آمادگی دارد تا نسبت به مشارکت در پروژه های انتقال نیرو و برق‏ رسانی طرح های حمل و نقل ریلی ایفای نقش نماید.