Khi nhắc đến tiếp điện ray thứ ba (third rail) cho hệ thống metro, phần lớn kỹ sư và nhà quy hoạch giao thông sẽ nghĩ ngay đến chuẩn 750V DC – mức điện áp đã trở thành tiêu chuẩn ngầm định cho hàng chục hệ metro từ London, Tokyo đến Hong Kong. Tuy nhiên, có một nhóm dự án đường sắt đô thị hiện đại đã đi theo hướng khác biệt: sử dụng ray thứ ba ở điện áp cao hơn hẳn, lên tới 1.500V DC. Đây là lựa chọn kỹ thuật ít gặp, đặt ra nhiều câu hỏi về an toàn, hiệu suất truyền tải và chi phí vận hành.
Bài viết này sẽ điểm qua các dự án tiêu biểu đã hoặc đang triển khai ray thứ ba 1.500V DC, đồng thời phân tích lý do vì sao chuẩn này vẫn chỉ chiếm một tỷ lệ rất nhỏ trong bức tranh điện khí hóa đường sắt toàn cầu, dựa trên dữ liệu kỹ thuật được tổng hợp có hệ thống.
Ray thứ ba là gì và vì sao 750V DC thống trị
Ray thứ ba (conductor rail) là một thanh ray độc lập đặt song song với hai ray chạy tàu, dùng để cấp điện trực tiếp cho đoàn tàu thông qua bộ lấy điện (pick-up shoe) gắn dưới gầm toa. Ray thứ ba có ba dạng tiếp xúc chính: top contact (kiểu cũ, kém an toàn nhất, dễ bị ảnh hưởng bởi băng tuyết và lá rụng), side contact và bottom contact (kiểu mới nhất, an toàn nhất, ít chịu tác động thời tiết). So với hệ dây điện trên cao (overhead catenary), ray thứ ba có ưu điểm là không cần cột và dây dẫn choán không gian phía trên, phù hợp với các đường hầm có tĩnh không hạn chế trong đô thị.
Phần lớn hệ metro sử dụng ray thứ ba trên thế giới chọn điện áp 750V DC vì đây là mức cân bằng hợp lý giữa an toàn vận hành và hiệu suất truyền tải điện. Ở điện áp thấp hơn 1kV, rủi ro điện giật khi tiếp xúc gần mặt đất được kiểm soát tốt hơn, trong khi dòng điện vẫn đủ lớn để cấp năng lượng cho đoàn tàu mà không cần quá nhiều trạm biến áp dọc tuyến.
Các dự án tiên phong áp dụng ray thứ ba 1.500V DC
Dù hiếm, vẫn có một số dự án metro/đường sắt đô thị hiện đại được ghi nhận rõ ràng trong tài liệu kỹ thuật là sử dụng ray thứ ba ở mức 1.500V DC – cao gấp đôi so với chuẩn phổ biến:
- Dhaka Metro – MRT Line 6 (Bangladesh): Tuyến metro đầu tiên của thủ đô Dhaka được liệt kê trong bảng hệ thống điện khí hóa 1.500V DC và sử dụng tiếp điện ray thứ ba, thay vì dây điện trên cao như nhiều tuyến metro châu Á khác.
- Réseau express métropolitain (REM) – Montreal, Canada: Tuyến light-metro mới của vùng đô thị Montreal được mô tả sử dụng ray thứ ba 1.500V DC. Đáng chú ý, tuyến Deux-Montagnes vốn thuộc REM từng trải qua nhiều lần chuyển đổi điện áp trong lịch sử – từ 2.400V DC năm 1918, lên 3.000V DC vào thập niên 1980, rồi 25kV 60Hz AC năm 1995 – trước khi được cải tạo thành light-metro với chuẩn 1.500V DC hiện nay. Đây là minh chứng cho việc lựa chọn điện áp có thể thay đổi nhiều lần theo mục tiêu vận hành của từng giai đoạn.
- Sydney Metro (Australia): Tuyến Metro North West & Bankstown Line được ghi nhận là chuyển đổi một phần từ mạng Sydney Trains và duy trì chuẩn 1.500V DC ray thứ ba. Tuy nhiên cần lưu ý, theo cùng nguồn dữ liệu, các tuyến hoàn toàn mới như Sydney Metro West và Sydney Metro Western Sydney Airport được quy hoạch chuyển sang chuẩn 25kV 50Hz AC – cho thấy xu hướng dịch chuyển dần sang điện áp xoay chiều cao thế đối với các dự án tương lai, ngay cả trong cùng một mạng lưới metro.
Ba ví dụ trên cho thấy điểm chung: đây đều là các dự án metro/light-metro tương đối mới, ra đời hoặc cải tạo trong giai đoạn công nghệ ray thứ ba đã có nhiều cải tiến về an toàn (đặc biệt là kiểu tiếp xúc bottom contact), cho phép vận hành ổn định ở mức điện áp cao hơn truyền thống.
Phân biệt với hệ 1.500V DC dùng dây điện trên cao
Một điểm dễ gây nhầm lẫn là rất nhiều hệ metro trên thế giới cũng vận hành ở 1.500V DC, nhưng lại dùng dây điện trên cao (overhead catenary) chứ không phải ray thứ ba. Đây là nhóm chiếm đa số áp đảo khi nói đến chuẩn 1.500V DC nói chung.
Có thể kể đến hàng loạt ví dụ: phần lớn các tuyến của Shanghai Metro (ngoại trừ một số tuyến riêng biệt), São Paulo Metro (Line 4 và 5), các tuyến JR (Japan Railways) tại Nhật Bản, Beijing Subway (các tuyến 6, 14, 16), Buenos Aires Metro (các tuyến A, C, D, E, H), Melbourne Suburban Railways, hay hệ thống Dublin Area Rapid Transit tại Ireland. Danh sách này còn kéo dài với hàng chục hệ thống tại Trung Quốc (Chengdu, Chongqing, Hangzhou, Nanjing…), Hàn Quốc (Seoul Subway), Ai Cập (Cairo Metro Line 1) và nhiều quốc gia khác.
Sự khác biệt giữa hai phương thức tiếp điện cùng điện áp này rất quan trọng: dây điện trên cao cho phép vận hành an toàn ở điện áp cao hơn vì khoảng cách vật lý với người và thiết bị mặt đất lớn hơn nhiều so với ray thứ ba đặt sát nền đường ray. Chính vì vậy, việc một số ít dự án dám triển khai ray thứ ba ở 1.500V DC – thay vì chọn phương án an toàn hơn là dây trên cao – thể hiện một lựa chọn kỹ thuật có chủ đích, thường gắn với đặc thù không gian ngầm hoặc yêu cầu thẩm mỹ đô thị.
Vì sao ray thứ ba 1.500V DC vẫn ít phổ biến
Có ba nhóm nguyên nhân chính lý giải vì sao các nhà thiết kế hệ thống đường sắt thường tránh kết hợp ray thứ ba với điện áp cao như 1.500V DC.
Thứ nhất là vấn đề an toàn. Điện áp vượt quá 1.000V khi đặt gần mặt đất – nơi hành khách, nhân viên bảo trì và thậm chí động vật hoang dã có thể vô tình tiếp xúc – làm tăng đáng kể nguy cơ điện giật. Nhiều tài liệu kỹ thuật khuyến nghị rằng các mức điện áp trên 1kV nên được truyền tải qua hệ thống dây trên cao, nơi khoảng cách an toàn với mặt đất được đảm bảo tốt hơn nhiều so với một thanh ray đặt ngang tầm bánh xe tàu.
Thứ hai là giới hạn về tốc độ và độ ổn định tiếp xúc cơ học. Hệ ray thứ ba nhìn chung bị giới hạn tốc độ vận hành ở khoảng 160 km/h, đồng thời gặp khó khăn trong việc duy trì tiếp xúc điện ổn định giữa bộ lấy điện và ray dẫn khi dòng điện hoặc điện áp tăng cao. Điều này khiến ray thứ ba – dù ở điện áp nào – phù hợp hơn với các tuyến metro tốc độ trung bình trong đô thị, chứ không phải các tuyến đường sắt tốc độ cao liên tỉnh.
Thứ ba là bài toán chi phí cấp điện. Về mặt lý thuyết, nâng điện áp từ 750V lên 1.500V DC giúp giảm cường độ dòng điện cần truyền tải, từ đó giảm tổn hao trên đường dây và có thể giảm số lượng trạm biến áp. Tuy nhiên, so với chuẩn xoay chiều cao thế 25kV AC vốn được nhiều tuyến đường sắt liên tỉnh và một số tuyến metro mới (như các tuyến mới của Sydney Metro) lựa chọn, thì 1.500V DC vẫn đòi hỏi số lượng trạm biến áp và mức tổn hao lớn hơn đáng kể. Đây chính là lý do vì sao ngay cả những dự án đã triển khai ray thứ ba 1.500V DC như Sydney Metro cũng cho thấy xu hướng chuyển các tuyến hoàn toàn mới sang chuẩn 25kV AC thay vì tiếp tục mở rộng mô hình ray thứ ba điện áp cao.
Kết luận
Tổng hợp lại, ray thứ ba 1.500V DC là một giải pháp kỹ thuật đặc thù, chỉ xuất hiện tại một số ít dự án như Dhaka Metro MRT Line 6, REM Montreal và một phần của Sydney Metro (Metro North West & Bankstown Line). Đây là những trường hợp ngoại lệ trong bức tranh chung, nơi tuyệt đại đa số hệ metro dùng ray thứ ba vẫn trung thành với 750V DC, còn phần lớn các hệ thống vận hành ở 1.500V DC lại lựa chọn dây điện trên cao như Shanghai Metro hay São Paulo Metro.
Xu hướng tương lai, thể hiện rõ qua kế hoạch của chính Sydney Metro khi chuyển các tuyến mới sang 25kV AC, cho thấy ray thứ ba điện áp cao khó có thể trở thành xu hướng chủ đạo lâu dài. Thay vào đó, các dự án metro và đường sắt đô thị mới trên thế giới nhiều khả năng sẽ tiếp tục phân hóa rõ rệt: hoặc giữ ray thứ ba ở điện áp an toàn truyền thống 750V DC cho các tuyến ngầm đô thị, hoặc chuyển hẳn sang dây điện trên cao với điện áp xoay chiều cao thế cho các tuyến có yêu cầu tốc độ và công suất lớn hơn.
Nguồn tham khảo: List of railway electrification systems – Wikipedia