حماية من الارتفاع المفاجئ للجهد في أنظمة النقل بالسكك الحديدية وأنظمة الإشارات: طاقة الجر، الخزانات الجانبية للمسار، وخطوط الإشارات

تجمع شبكات النقل بالسكك الحديدية البنية التحتية الكهربائية عالية الطاقة والإلكترونيات الحيوية للأمان في الممر نفسه. فمحطات التحويل الكهربائي، وأنظمة التلامس العلوية، ومباني الإشارات، وخزانات حافة السكة، ومسارات الكابلات الطويلة، تتفاعل جميعها عبر مسارات مشتركة، وأدراج كابلات مشتركة، ومراجع أرضية مشتركة. ولذلك، يتعين تصميم حماية فعّالة من ارتفاعات الجهد على مستوى النظام بأكمله، لا على مستوى كل جهاز على حدة.

يستعرض هذا المقال المناطق الرئيسية في نظام السكك الحديدية، ويشرح كيفية اختيار أجهزة حماية من التأثيرات الكهربائية المفاجئة (SPDs) وتنسيقها بشكل نموذجي لكل منطقة. كما يفصل بين طاقة الجر بالتيار المستمر وإمدادات الطاقة المساعدة بالتيار المتردد، ويتناول الضغوط الخاصة التي تتعرض لها خطوط الإشارات والاتصالات، ويبرز العوامل البيئية — مثل الاهتزازات وتقلبات درجات الحرارة وطول الكابلات ومسارات العودة إلى الأرض — التي تؤثر في تصميم فعّال وقابل للتنفيذ.

نهج مُقسَّم إلى مناطق لحماية السكك الحديدية من الارتفاعات المفاجئة للجهد

الإطار الأكثر شيوعًا لتنظيم الحماية هو مفهوم منطقة الحماية من الصواعق المحدد في   آي إي سي 62305-4 ، والتي تتناول الأنظمة الكهربائية والإلكترونية داخل المنشآت. وفي السياق السككي، يشمل نطاق الهواء الطلق (LPZ 0) نظام التماس الكهربائي العلوي، والأعمدة، والمسارات المفتوحة بجانب السكة؛ بينما يغطي LPZ 1 الخزانات، والملاجئ، وغلاف مبنى الإشارات؛ أما LPZ 2 فيشمل الأماكن الداخلية المحمية حيث تعمل وحدات التشابك والتحكم.

يُعد كل حدّ للمنطقة موقعاً ينبغي فيه خفض طاقة التأثير المفاجئ بطريقةٍ محكمة. إذ تعمل أجهزة الحماية من التأثيرات المفاجئة (SPDs) المركّبة عند هذه الحدود على تحويل جزء من الطاقة الزائدة إلى شبكة التوصيل الأرضي، مما يضمن أن تشهد الأجهزة الواقعة في المراحل اللاحقة مستوىً متبقٍ أقل. ورغم بساطة هذا المبدأ، فإنّ أنظمة السكك الحديدية تمتدّ حدودها لمسافاتٍ تصل إلى كيلومترات، الأمر الذي يجعل تصميم نظام التأريض والتوصيل الأرضي ذا أهمية لا تقل عن أهمية تصنيفات أجهزة الحماية من التأثيرات المفاجئة.

نظرًا لأن كل مشغل ومشروع يطبّق معاييره الخاصة وقواعد EMC فوق إطار عمل IEC، فإن خطة التقسيم إلى مناطق تُحدَّد عادةً وفقًا لمواصفات المشروع. ومن ثمّ يُستند إلى تلك الخطة عند اختيار أجهزة حماية التفاضلية (SPD). كما يتوفر نظرة عامة أوسع حول كيفية تطبيق ذلك في مختلف تطبيقات النقل على موقعنا   حلول حماية من الارتفاع المفاجئ للتيار  page.

طاقة الجر: جر بالتيار المستمر وإمدادات مساعدة بالتيار المتناوب

دوائر الجر بالتيار المستمر

تسلك أنظمة الجر بالتيار المستمر، التي تبلغ عادةً 750 فولت أو 1500 فولت مستمر في تطبيقات المترو والسكك الحديدية الخفيفة، سلوكًا مختلفًا عن شبكات التيار المتناوب أثناء حدوث عطل أو نوبة ارتفاع جهد. إذ إن قوس التيار المستمر لا ينطفئ ذاتيًا عند مرور التيار عبر نقطة الصفر، ولذلك تفرض عمليات التبديل وقطع التيار المتتابع متطلبات أشد على مكوّنات الحماية. وبناءً عليه، يُختار جهاز حماية من ارتفاع الجهد لدوائر الجر من فئات أجهزة حماية من ارتفاع الجهد المصممة للعمل بالتيار المستمر، مع ضمان أن يكون الجهد الأقصى المستمر للتشغيل يغطي المستوى الاسمي إضافةً إلى ارتفاعات الجهد الناتجة عن الكبح التجديدي.

تشمل نقاط التركيب النموذجية لوحة التحكم بالتيار المستمر في محطة المحولات، ومواقع المغذيات ونقاط التقسيم على طول الخط، بالإضافة إلى نقاط توزيع التيار المستمر بجانب السكة. أجهزة تخفيف التفريغ الكهربائي في العاصمة تُغطّي مجموعة متطلبات IEC 61643‑41 الأنظمة ذات الجهد المنخفض حتى 1500 فولت تيار مستمر، وقد تُضيف مواصفات المشروع شروطاً اختبارية خاصة بالسكك الحديدية فوق ذلك.

لوازم مساعدة التيار المتردد

تُعدّ الطاقة المساعدة موضوعًا منفصلًا. إذ تُزوَّد خدمات المحطة، ومصادر طاقة الإشارات، وإنارة الأرصفة، وموصلات الخزانات الواقعة على جانبي السكة عادةً من شبكات التيار المتناوب التقليدية، مثل أنظمة الجهد 230/400 فولت. وتستخدم هذه الدوائر أجهزة حماية من التفريغ الكهربائي مصنّفة للتيار المتناوب: أجهزة من النوع الأول عند مداخل الخدمات حيث يُتوقع مرور جزء من تيار البرق، وأجهزة من النوع الثاني عند لوحات التوزيع اللاحقة.

بالنسبة لجهة التيار المتردد، تتمثل الفحوصات الرئيسية في الجهد الأقصى للتشغيل المستمر لجهاز حماية التفريغ الكهربائي (SPD) بالنسبة لجهد النظام، وترتيب التأريض (TN أو TT أو IT كما هو موضح في الرسم التخطيطي الأحادي الخط للمشروع)، بالإضافة إلى التنسيق بين المراحل المسبقة والمراحل اللاحقة. وتتضمن مجموعات المنتجات القياسية مثل   أجهزة حماية من التفريغ الكهربائي للتيار المتردد   تغطية هذه التطبيقات، مع اعتماد التقييمات النهائية المستمدة من تصميم المشروع بدلاً من الافتراضات.

مباني الإشارات وغرف التشابك

يضم مبنى الإشارات أشد المكوّنات الإلكترونية حساسية في النظام: معالجات التشابك، ووحدات تقييم عدّاد المحاور، وواجهات التحكم بالقطارات، وبوابات الاتصال. كما يجمع الخطوط الواردة إليه؛ إذ تعبر مغذيات الطاقة وكابلات الإشارات وروابط الاتصالات جميعها عبر غلاف المبنى، وكل تقاطع من هذه التقاطعات يشكّل مسارًا محتملًا لدخول التيار الكهربائي الناتج عن التصاعُد.

من الترتيبات الشائعة استخدام نظام دفاع مُقسَّم على جانب التغذية: إذ يُركَّب جهاز حماية من التفريغ الجوي من النوع 1 أو جهاز مدمج من النوع 1+2 عند نقطة الدخول الرئيسية، بينما تُركَّب أجهزة حماية من التفريغ الجوي من النوع 2 في لوحات التوزيع الفرعية، مع توفير حماية عند نقطة الاستخدام للأحمال الحرجة حيث يتطلب المشروع ذلك. وعلى جانب الخط، عادةً ما يُزوَّد كل كابل يدخل المبنى أو يغادره بجهاز حماية من التفريغ الجوي للإشارات المطابق للواجهة، ويُركَّب عند إطار الدخول باستخدام أسلاك ربط قصيرة ومباشرة.

غالبًا ما تُحدِّد تفاصيلان ما إذا كان التصميم فعّالًا في التطبيق العملي. أولًا، ينبغي أن ترتبط جميع أجهزة حماية التفاضل الجهد (SPDs) في المبنى بقضيب التوصيل المتساوي الجهد نفسه، بحيث تُحدَّد مستويات الحماية بالنسبة إلى أرضٍ مشتركة بدلاً من أراضٍ منفصلة. ثانيًا، يجب النظر إلى حماية التيار الكهربائي وحماية خطوط الإشارة معًا: فالارتفاع الناتج عن موجة جهد يتم تحويلها على خط التغذية الكهربائية لا يزال يرفع مستوى جهد الأرض المحلي، وأجهزة حماية التفاضل الجهد الخاصة بخطوط الإشارة هي التي تمنع هذا الارتفاع من الظهور عبر الوصلات الحساسة.

غالبًا ما تشمل مزوّدات الطاقة الخاصة بالإشارات أنظمة UPS أو أنظمة مدعومة ببطاريات، ويجب أخذها في الاعتبار عند تنسيق أجهزة الحماية من التقلبات الكهربائية (SPD). فحتى التيار المفاجئ الذي يُحوَّل إلى المنبع قبل جهاز UPS قد يُلحق ضغطًا على مرحلته الدخلية؛ لذلك يُعدّ توفير حماية على كلٍّ من دخل جهاز UPS ودائرة التوزيع النهائية الحرجة إجراءً شائعًا في المشاريع. كما تُوصَل عادةً مفاتيح الحالة الموجودة على أجهزة الحماية من التقلبات الكهربائية بأنظمة المراقبة في المبنى، مما يؤدي إلى إطلاق إنذار صيانة عند تدهور حالة أحد الوحدات بدلاً من حدوث عطل غير ملحوظ.

خزائن جانب المسار: الاهتزاز، درجة الحرارة، والكابلات الطويلة

تُوضع الخزانات الواقعة على جانب المسار في أقسى البيئات الكهربائية ضمن النظام. فهي تقع على بُعد أمتار من مسارات التيار الكهربائي الخاص بالجر، وتتصل عبر ممرات كابلات قد تمتد لمسافات تصل إلى مئات الأمتار، كما تتعرض لجميع الظروف المناخية المحلية. وعادةً ما يُحدَّد نظام الحماية من التأثيرات العابرة لهذه المواقع مع مراعاة البيئة المحيطة، وليس فقط المواصفات الكهربائية.

تُعدّ الاهتزازات الناجمة عن مرور القطارات مستمرة، وغالبًا ما تخضع المعدات المركبة في الخزانات لمتطلبات الاهتزاز والصدمات على مستوى المشروع. بالنسبة لأجهزة حماية التفاضل (SPDs)، ينعكس ذلك في إيلاء اهتمام خاص للبنية الميكانيكية وتصميم الأطراف وطريقة التركيب، بالإضافة إلى ضبط عزم الربط بشكل صحيح وإجراء فحوصات دورية أثناء الصيانة. أما العامل الثاني فهو درجة الحرارة: إذ قد تشهد المساكن المثبتة بجانب السكة حركةً كبيرة عبر نطاقات موسمية واسعة؛ لذا ينبغي أن يغطي نطاق درجة حرارة التشغيل المعلن عنه لجهاز الحماية نطاق ظروف الموقع مع هامش أمان كافٍ.

من الناحية الكهربائية، تُعدّ كابلات التغذية الطويلة وكابلات الإشارات المسار السائد للتوصيل. فقد يؤدي ضرب البرق لنظام التلامس أو للأرض القريبة، وكذلك عمليات التبديل في نظام الجر، إلى حدوث ارتفاعات كبيرة في الجهد على طول هذه الكابلات. ولذلك، عادةً ما تجمع الخزانات بين جهاز حماية من التأثيرات الكهربائية للتيار المتردد (SPD) على كابل التغذية الداخل، وأجهزة حماية من التأثيرات الكهربائية للإشارة (SPD) على كل خط خارجي، مع ربط جميعها بقضيب التأريض الخاص بالخزانة بواسطة وصلات قصيرة. وفي الحالات التي تكون فيها الخزانة بعيدة عن مبنى الإشارات، يُعدّ توفير الحماية عند طرفي المسار متطلبًا شائعًا في المشاريع.

يؤثر تخطيط الخزانة أيضًا في أداء الحماية. ففصل أسلاك الدخول والخروج، وتوجيه موصلات التأريض الخاصة بجهاز حماية التفاضل (SPD) مباشرةً إلى قضيب التأريض بدلاً من ربطها على شكل سلسلة عبر المعدات الأخرى، وإتاحة مسافة كافية لاستبدال الوحدات، كلها تفاصيل صغيرة تُحدِّد عادةً ما إذا كان مستوى التيار المتبقي المثبت يتطابق مع توقعات ورقة البيانات. وعند تحديث الخزانات أو إعادة تجهيزها خلال عمر الخط، فإن توثيق مواقع أجهزة حماية التفاضل ومسارات الموصلات في رسومات الخزانة يساعد صيانة المراحل اللاحقة على الحفاظ على التنسيق الأصلي.

خطوط الاتصالات والإشارات

تُعدّ خطوط الإشارات والاتصالات المكان الذي ينعكس فيه الحماية بشكل مباشر على توافر الخدمة. فتوصيلات عداد المحاور، ومغذيات دوائر المسار، وتحكم آلات التحويلات، وروابط بيانات التشابك، بالإضافة إلى شبكات الدوائر التلفزيونية المغلقة وشبكات معلومات الركاب، تعتمد جميعها على واجهات لا تتحمل سوى جهد زائد محدود. ويبدأ اختيار جهاز حماية من التفريغ الكهربائي (SPD) لمنظومة إشارات السكك الحديدية من الواجهة نفسها: الجهد الاسمي، نوع الإشارة، معدل نقل البيانات، وعدد الأزواج أو الموصلات المراد حمايتها.

تُعدّ خسارة الإدراج وخسارة العودة ذات أهمية في خطوط البيانات عالية السرعة، بينما في خطوط التحكم منخفضة التردد أو ذات التيار المستمر قد تكون المقاومة المتسلسلة وسلوك التسرب لدى جهاز حماية التفاضل (SPD) أكثر صلةً بالتطبيق. وتُعالج أجهزة حماية التفاضل الخاصة بشبكات الاتصالات والإشارات بواسطة   آي إي سي 61643-21 ، والتي تحدد متطلباتها وطرق الاختبار. فئات المنتجات مثل   أجهزة حماية الترددات الفوقية للإشارات والبيانات   يتم بعد ذلك مطابقتها مع كل واجهة وفقًا لورقة البيانات بدلاً من الاعتماد على الافتراضات.

تستحق مسارات العودة الأرضية اهتمامًا صريحًا في أنظمة السكك الحديدية. فغالبًا ما تنقل قضبان التمرين تيار العودة للجر، وقد تظهر فروق جهد على طول المسار بين خزانتين أثناء التشغيل العادي، وتزداد بشكل حاد عند حدوث الأعطال أو أثناء الصواعق. تعمل أجهزة الحماية من التأثيرات الكهربائية (SPDs) الخاصة بالإشارات على تحويل الموجات الضاربة إلى نقطة الربط المحلية؛ ولذلك فإن جودة هذا الربط — من حيث حجم الموصل، ومساره، وفصله عن موصلات العودة وفقًا لقواعد المشروع — تحدد إلى حد كبير مستوى الإجهاد المتبقي على واجهة الربط.

تجدر الإشارة إلى أن اختيار نظام الحماية من التفريغ الكهربائي لا يُغني عن اشتراطات الحماية من الصواعق والمقاومة للتشويش الخاصة بمصنّع معدات الإشارات. ويتعيّن تنسيق مستويات حماية الواجهات مع وثائق المعدات، وفي الأنظمة الفرعية ذات الصلة بالسلامة، عادةً ما تخضع أي تغييرات في حماية الخطوط لإجراءات الموافقة الخاصة بالمشروع.

المنصات والأنفاق

تجمع أنظمة المنصات والأنفاق بين أحمال الطاقة والإشارات في المساحات الضيقة: الإضاءة، التهوية، الدوائر التلفزيونية المغلقة، نظام الإعلانات العامة، شاشات معلومات الركاب، الراديو والاتصالات الهاتفية. كما تفرض الأنفاق قيودًا خاصة بها؛ منها صعوبة الوصول لأغراض الصيانة، وارتفاع نسبة الرطوبة في بعض الأقسام، بالإضافة إلى وجود أقفاص الكابلات التي تُركّب فيها خطوط الطاقة والاتصالات جنبًا إلى جنب على مسافات طويلة.

يتم في هذا الموقع اتباع منطق التدرج نفسه المعمول به في أماكن أخرى. إذ تُزوَّد لوحات التوزيع داخل النفق بأجهزة حماية من التفريغ الكهربائي من النوع الثاني، بالتنسيق مع حماية المحطة الواقعة في المنبع، بينما تُركَّب أجهزة حماية إشارة على مداخل الخزانات لخطوط الدوائر التلفزيونية المغلقة، وأنظمة الصوت العام، وخطوط البيانات. وفي الحالات التي تمتد فيها خطوط الكاميرات أو المستشعرات لمسافات طويلة على طول النفق، يُضاف عادةً حماية إضافية عند الطرف الميداني أيضًا.

نظرًا لأن فترات الوصول إلى النوافذ في الأنفاق قصيرة ونادرة، تصبح الصيانة معيارًا للاختيار. تتيح وحدات حماية التفاضلية القابلة للتركيب، المزودة باتصالات إشارة عن بُعد، مراقبة الحالة من غرفة التحكم والتخطيط لعمليات الاستبدال ضمن الفترات المقررة للإغلاق، بدلاً من إجرائها بعد حدوث عطل.

تُعدّ مسألة أطواق الكابلات ذات أهمية أيضاً في هذا السياق. فحيث يتعيّن على خطوط الطاقة وخطوط الاتصالات أن تتقاسم المسارات، تحدّد قواعد التوافق الكهرومغناطيسي للمشروع عادةً حدوداً دنياً للتباعد أو تدابير الحماية؛ والالتزام بها يقلّص سعة النبضات التي يتعيّن على أجهزة حماية التفريغ المقاوم للإشارات (SPD) التعامل معها من الأساس. أما أنظمة التحكم في أبواب المنصات وأنظمة الطوارئ، عند وجودها، فغالباً ما تُعامل كدوائر منفصلة تخضع لمراجعة خاصة بالحماية، نظراً لاختلاف متطلبات توفرها عن الخدمات العامة.

قائمة مراجعة المعلمات الكهربائية/التيار المستمر/الإشارة

يلخّص الجدول أدناه المعايير الرئيسية التي يُجرى عادةً فحصها عند تحديد أجهزة حماية من التفاضل والتسرب (SPDs) لكل مجموعة دوائر في مشروع السكك الحديدية. تختلف القيم باختلاف المشروع، ويجب التأكد منها بالاستناد إلى كتيبات البيانات ومواصفات المشروع.

ملاحظة: قيم المعلمات غير محددة هنا عمداً؛ فهي تعتمد على جهد النظام، ونوع الواجهة، ومعايير المشروع. هذه القائمة المرجعية تُعدّ أداة مساعدة للمراجعة، وليست بديلاً عن مواصفات المشروع.

الأسئلة الشائعة