Trong loạt bài viết vừa qua về chủ đề đường sắt, ban biên tập technologyMAG đã chia sẻ những bài viết về chủ đề hệ thống đường sắt, đường sắt tốc độ cao và các loại tàu tốc độ cao tại một số quốc gia phát triển, cung cấp thông tin về lĩnh vực đường sắt tại các quốc gia này. Trong loạt bài mới về chủ đề công nghệ đường sắt lần này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ video của Railways Explained, giới thiệu về một công nghệ rất quan trọng trong lĩnh vực đường sắt và đường sắt tốc độ cao: Công nghệ điện khí hóa.

Khởi nguồn của điện khí hóa đường sắt
Quá trình điện khí hóa đường sắt bắt đầu cùng với sự xuất hiện của các đầu máy điện đầu tiên. Đầu máy điện sơ khai do nhà hóa học Robert Davidson chế tạo năm 1837, sử dụng pin galvanic (1), nhưng công suất hạn chế khiến nó chưa thể áp dụng rộng rãi. Đến năm 1879, Werner von Siemens giới thiệu đoàn tàu điện chở khách đầu tiên tại Triển lãm Công nghiệp Berlin, đánh dấu một bước tiến quan trọng. Tuy vậy, việc điện khí hóa phát triển chậm cho đến sau Thế chiến thứ nhất, do công nghệ kéo điện lúc đó chưa đáp ứng được yêu cầu vận tải, hệ thống điện dân dụng và công nghiệp chưa phát triển đầy đủ, trong khi đầu máy hơi nước vẫn đủ khả năng đáp ứng nhu cầu vận chuyển.
(1) Pin galvanic: còn gọi là pin volta hoặc tế bào galvanic, là một loại pin điện hóa tạo ra dòng điện nhờ phản ứng oxi hóa – khử tự diễn ra giữa hai điện cực ngâm trong dung dịch điện.

Sau thế chiến, sự xuất hiện của các nhà máy điện lớn và lưới truyền tải điện công suất cao đã tạo động lực thúc đẩy điện khí hóa. Khi nhu cầu vận tải tăng và cần các đầu máy mạnh hơn, kéo điện dần chứng minh hiệu quả kinh tế hơn so với đầu máy hơi nước trên các tuyến có mật độ cao.

Nguyên lý cơ bản của hệ thống điện khí hóa
Có thể hiểu về nguyên lý hoạt động của hệ thống điện khí hóa một cách đơn giản như sau: Điện khí hóa đường sắt hoạt động bằng cách cung cấp điện trực tiếp cho tàu thông qua dây dẫn trên cao hoặc thanh ray dẫn điện. Tàu thu điện bằng pantograph hoặc giày tiếp điện (2), sau đó hệ thống trên tàu sẽ chuyển đổi điện áp thành dạng phù hợp để cấp cho động cơ kéo.
(2) Pantograph: là bộ phận thu điện gắn trên nóc tàu điện, có dạng một khung kim loại có thể nâng lên và hạ xuống, tì lên dây tiếp xúc trên cao để lấy điện đưa vào hệ thống truyền động của tàu. Pantograph phải đảm bảo tiếp xúc ổn định, không tạo tia lửa lớn và giữ áp lực đều lên dây khi tàu chạy ở tốc độ cao.
Giày tiếp điện (Collector shoe): là bộ phận thu điện gắn ở gầm hoặc bên hông tàu, dùng cho hệ thống đường ray thứ ba (third rail). Giày tiếp điện trượt trên thanh ray dẫn điện đặt dọc đường, truyền điện từ thanh dẫn vào hệ thống điện của tàu. Giày tiếp điện thường có lò xo tạo áp lực ổn định để duy trì tiếp xúc an toàn.

Khi nhận được năng lượng này, động cơ điện tạo ra lực kéo để đoàn tàu di chuyển. Trong quá trình hãm, động cơ có thể tái sinh năng lượng, biến chuyển động năng thành điện và đưa trở lại lưới, giúp giảm tiêu thụ năng lượng.

Toàn bộ quá trình được kiểm soát bởi các trạm biến áp, thiết bị bảo vệ và hệ thống điều khiển nhằm đảm bảo nguồn điện ổn định, an toàn và liên tục dọc tuyến.

Sự đa dạng của hệ thống điện khí hóa
Hiện nay tồn tại nhiều hệ thống điện khí hóa khác nhau. Nguyên nhân chủ yếu là các quốc gia phát triển đường sắt độc lập, dẫn đến việc lựa chọn và duy trì những hệ thống đã được triển khai từ sớm. Các nước điện khí hóa muộn hơn thường áp dụng công nghệ tiên tiến nhất tại thời điểm đó. Một số quốc gia vừa duy trì hệ thống cũ, vừa xây dựng hệ thống mới trên các tuyến hiện đại.

Theo tiêu chuẩn châu Âu và quốc tế, có sáu hệ thống tiêu chuẩn phân loại theo điện áp danh định và loại dòng điện:
– 600/650 V DC
– 750 V DC
– 1.5 kV DC
– 3 kV DC
– 15 kV AC, 16.7 Hz
– 25 kV AC, 50 Hz

Châu Âu hiện sử dụng đầy đủ cả sáu hệ thống, phản ánh sự phát triển riêng biệt của từng quốc gia và những nỗ lực phối hợp nhằm tăng khả năng liên thông.

Sự phát triển của dòng điện một chiều và xoay chiều
Bốn hệ thống điện khí hóa sử dụng dòng điện một chiều (DC), trong khi hai hệ thống sử dụng dòng xoay chiều (AC). Giai đoạn đầu, DC được ưu tiên vì công nghệ AC chưa đủ hoàn thiện và vật liệu cách điện cho điện áp cao còn hạn chế. DC hiện vẫn phổ biến trong xe điện đô thị như tram, trolleybus và metro, với dải điện áp 600 – 750 V. Các hệ thống 1,5 kV và 3 kV DC được dùng cho các tuyến đường sắt chính.

Hiện nay, hệ thống 1,5 kV DC vận hành tại Hà Lan, Indonesia, Ireland, một phần Nhật Bản và Pháp, Australia và một số tuyến tại Mỹ, New Zealand và Singapore. Hệ thống 3 kV DC phổ biến tại Bỉ, Ý, Tây Ban Nha, Ba Lan, Slovakia, Slovenia, Nam Phi, Chile, miền bắc Cộng hòa Séc và các nước hậu Xô Viết, cùng một đoạn ngắn tại Hà Lan.

Dù vậy, ngay cả với 3 kV, dòng điện cần thiết cho các đoàn tàu nặng vẫn có thể quá lớn, đặc biệt ở khu vực nông thôn hoặc vùng núi. Điều này thúc đẩy việc chuyển sang AC song song với sự phát triển của lưới điện quốc gia.

Sự hình thành và vai trò của hệ thống AC 16,7 Hz và AC 50 Hz
Đầu thế kỷ 20, lưới truyền tải 50 Hz (60 Hz ở Mỹ) dần phổ biến, nhưng động cơ kéo thời đó gặp khó khăn khi vận hành với tần số cao vì hiện tượng quá nhiệt và hư hỏng cổ góp. Giải pháp là giảm tần số xuống 16,7 Hz kết hợp điện áp 15 kV, phù hợp với khả năng của động cơ thời kỳ đó.

Năm 1905, Thụy Sĩ chế tạo đầu máy đầu tiên chạy bằng hệ thống 15 kV 16,7 Hz. Hệ thống này nhanh chóng được Đức và Thụy Sĩ áp dụng năm 1909, Thụy Điển năm 1910, Áo năm 1914 và Na Uy năm 1922. Đến năm 1928, khoảng 10.000 km đường sắt trên thế giới đã sử dụng điện áp 15 kV.

Song song đó, kỹ sư Kálmán Kandó (Hungary) phát triển thành công động cơ AC dùng điện áp lưới 16 kV 50 Hz. Dù ban đầu ít được quan tâm, công nghệ này mở đường cho hệ thống 20 kV 50 Hz của Đức (1936) và sau đó là chuẩn 25 kV 50 Hz của Pháp từ năm 1953. Tuy Pháp chọn 25 kV làm chuẩn, nhiều tuyến phía nam Paris vốn đã cấp điện 1,5 kV DC vẫn được duy trì và mở rộng.

So với hệ thống 50/60 Hz, đầu máy sử dụng hệ thống 16,7 Hz cần máy biến áp lớn hơn, dẫn đến tải trọng trục cao và tăng hao mòn đường ray. Trong khi đó, hệ thống 25 kV 50 Hz đạt điểm cân bằng tốt giữa hiệu suất truyền tải và chi phí trang thiết bị, khiến nó trở thành lựa chọn tối ưu cho nhiều quốc gia điện khí hóa từ giữa thế kỷ 20 trở về sau. Ví dụ, Đan Mạch chọn hệ thống 25 kV 50 Hz dù tiếp giáp với các nước dùng 15 kV.

Nhu cầu liên thông và sự xuất hiện của đầu máy đa điện áp
Sự đa dạng hệ thống điện áp tại châu Âu tạo ra nhiều thách thức về liên thông. Từ thập niên 1950, lưu lượng tàu qua biên giới tăng cùng sự mở rộng của EU khiến nhu cầu sử dụng đầu máy đa điện áp trở nên cấp thiết. Đầu thế kỷ 21, việc tự do hóa vận tải hàng hóa càng thúc đẩy mạnh mẽ xu hướng này. Nhờ sự phát triển của điện tử công suất, nhiều đầu máy và EMU (Electric Multiple Unit – tàu điện nhiều toa tự hành) ngày nay có thể hoạt động dưới bốn điện áp gồm 25 kV AC, 15 kV AC, 3 kV DC và 1,5 kV DC mà không cần đổi đầu máy.

Trạm kéo, đường dây cấp điện và cơ chế hoàn chỉnh mạch điện
Hệ thống điện khí hóa còn được phân loại theo phương thức cấp điện cho đoàn tàu. Các trạm kéo có nhiệm vụ biến đổi điện năng từ lưới điện công cộng sang điện áp, dòng điện và tần số phù hợp cho vận hành đường sắt. Trạm kéo cấp điện cho dây dẫn dọc tuyến, gồm dây tiếp xúc trên cao hoặc thanh dẫn thứ ba (third rail). Đường ray được sử dụng làm dây dẫn hồi lưu (3), hoàn thiện mạch điện.
(3) Dây dẫn hồi lưu (Return conductor) là đường dẫn đưa dòng điện trở về trạm biến áp sau khi đã đi qua hệ thống động lực của tàu.

Khoảng cách giữa các trạm kéo thay đổi theo hệ thống. Với 1,5 kV DC, trạm kéo cách nhau 10 – 15 km; với 25 kV 50 Hz, là 40 – 60 km; với 750 V DC, chỉ khoảng 3 km. Nguyên nhân nằm ở tổn thất truyền tải tăng mạnh theo khoảng cách trong hệ thống DC điện áp thấp.

Hệ thống thanh dẫn thứ ba và các hạn chế
Thanh dẫn thứ ba hầu như chỉ sử dụng DC và thường áp dụng cho metro và các tuyến có không gian hạn chế như hầm. Hệ thống này có ba dạng gồm tiếp xúc trên, tiếp xúc bên và tiếp xúc dưới, kèm theo tấm chắn an toàn. Tuy nhiên, tốc độ tối đa thường bị giới hạn ở 160 km/h do khó duy trì tiếp xúc ổn định. Ngoài ra, hệ thống DC có nguy cơ ăn mòn do dòng điện rò, ảnh hưởng đến các công trình có kim loại ngầm.

London Underground đã giải quyết vấn đề này bằng hệ thống bốn ray cách ly hoàn toàn, với ray dương +420 V và ray âm -210 V tạo nên hiệu điện thế giữa hai ray 630 V DC. Trong đó, ray dương và ray âm có nhiệm vụ ấp điện cho giày tiếp điện của tàu và dẫn dòng điện hồi lưu từ tàu trở về trạm điện, tạo ra đường điện hoàn chỉnh nhưng cách ly khỏi đất. Còn lại hai ray chạy chỉ dùng để đỡ và dẫn hướng bánh xe, không tham gia vào mạch điện kéo. Điều này giúp hệ thống loại bỏ dòng rò và giảm ăn mòn cho các kết cấu ngầm.

Hệ thống dây tiếp xúc phía trên và các yêu cầu kỹ thuật
Để đạt tốc độ cao, giảm trạm kéo, tăng an toàn và hạn chế rủi ro đối với công nhân đường sắt, hệ thống dây tiếp xúc trên cao (overhead line) trở thành lựa chọn chuẩn cho đường sắt chính tuyến. Hệ thống này gồm cột, kết cấu treo, dây cáp mang (catenary wires), dây đỡ (droppers) và dây tiếp xúc.

Đoàn tàu thu dòng điện bằng cần tiếp điện (pantograph) áp lên dây tiếp xúc. Dây tiếp xúc thường được lắp theo dạng zigzag để tránh mài mòn rãnh trên thanh than của pantograph. Để đảm bảo dòng điện ổn định ở tốc độ cao, dây tiếp xúc phải có hình học chính xác và được căng liên tục bằng đối trọng hoặc thiết bị thủy lực. Nhờ vậy, sóng dao động do pantograph tạo ra có thể truyền nhanh hơn tàu, tránh hiện tượng cộng hưởng gây đứt dây.

Phân đoạn cách điện và duy trì vận hành liên tục
Để bảo trì mà không cần cắt điện toàn tuyến, dây tiếp xúc được chia thành các phân đoạn cách điện. Một loại dùng dây tiếp xúc cách ly kết hợp bộ chuyển mạch tự động kích hoạt khi tàu đi qua, đảm bảo nguồn cấp không bị gián đoạn. Loại còn lại sử dụng một đoạn vật liệu không dẫn điện để cô lập khu vực sửa chữa.

Ưu điểm, thách thức và các giải pháp mới
Điện khí hóa làm giảm ô nhiễm môi trường ngay cả khi điện được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch, đồng thời cho phép vận hành tàu nhanh hơn, êm hơn và yên tĩnh hơn. Tuy nhiên, hệ thống dây trên cao dễ bị ảnh hưởng bởi gió mạnh, tuyết và mưa lớn, gây gián đoạn chạy tàu. Việc đánh cắp thiết bị tại các vị trí hẻo lánh cũng là vấn đề phổ biến. Ngoài ra, điện khí hóa đòi hỏi đầu tư lớn cho hạ tầng mới, khó có cơ sở kinh tế tại các tuyến ít lưu lượng. Do đó, tàu sử dụng hydro đang nổi lên như một giải pháp xanh thay thế và đã được thương mại hóa tại một số quốc gia.

Kết luận
Điện khí hóa đường sắt đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển vận tải bền vững. Dù còn nhiều thách thức về kỹ thuật và chi phí, những lợi ích về hiệu suất, môi trường và chất lượng vận hành khiến nó trở thành xu hướng dài hạn của ngành đường sắt hiện đại.

Để xem các tin bài khác về “Điện khí hóa”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Railway Explained