Пантографы для электропоездов и трамваев: история и современные типы.

Введение

Устройство для сбора энергии, используемое поездами и легкорельсовым транспортом, дублирующий инструмент.

Пантограф (или "пан", "панто") – это устройство, устанавливаемое на крыше электропоезда, трамвая или электробуса для сбора энергии посредством контакта с контактной сетью. Название происходит от сходства некоторых конструкций с механическими пантографами, используемыми для копирования рукописного текста и чертежей. Пантограф является распространенным типом токоприемника; как правило, используется один или два провода, при этом обратный ток проходит по рельсам. К другим типам токоприемников относятся луковый токоприемник и троллейный штанга.

Изобретение

Пантограф, с низким трением, заменяемой графитовой контактной полосой или "обувкой" для минимизации поперечного напряжения на контактном проводе, впервые появился в конце XIX века. Ранние версии включают в себя луковый токосъёмник, изобретённый в 1889 году Уолтером Райхелем, главным инженером компании Siemens & Halske в Германии, и плоский пантограф, впервые использованный в 1895 году железной дорогой Baltimore and Ohio Railroad.

Знакомый роликовый пантограф в форме ромба был разработан и запатентован Джоном К. Брауном из мастерских Key System для их пригородных поездов, курсировавших между Сан-Франциско и восточной частью залива Сан-Франциско в Калифорнии. Он встречается на фотографиях первого дня эксплуатации, 26 октября 1903 года. На протяжении многих десятилетий после этого та же ромбовидная форма использовалась электрическими железными дорогами по всему миру и до сих пор применяется некоторыми. Пантограф стал усовершенствованием по сравнению с простым троллейным штангой, которая преобладала до того времени, главным образом потому, что пантограф позволяет электропоезду двигаться на гораздо более высоких скоростях, не теряя контакта с контактной сетью, например, из-за обрыва троллейной штанги. Тем не менее, токосъём с помощью троллейной штанги успешно использовался на электропоездах Electroliner железной дороги Chicago North Shore and Milwaukee Railroad, также известной как North Shore Line, со скоростью до определённого значения.

Современное использование

Самый распространенный тип пантографа сегодня – так называемый полупантограф (иногда Z-образный), который был разработан для обеспечения более компактной и оперативной конструкции с одним плечом на высоких скоростях, по мере увеличения скорости поездов. Луи Файвели изобрел этот тип пантографа в 1955 году. Полупантограф используется как на высокоскоростных поездах (например, TGV), так и на низкоскоростных городских трамвайных системах. Конструкция обеспечивает одинаковую эффективность в обоих направлениях движения, что подтверждается опытом швейцарских и австрийских железных дорог, новейшие высокопроизводительные локомотивы которых – Re 460 и Taurus – оснащены ими, установленными в противоположных направлениях. В Европе геометрия и форма пантографов стандартизированы CENELEC, Европейским комитетом по электротехнической стандартизации.

Технические детали

Электрическая система передачи для современных электрических железнодорожных систем состоит из верхнего несущего провода (известного как катенная линия), от которого подвешен контактный провод. Пантограф пружинный и прижимает контактную колодку к нижней стороне контактного провода для отбора тока, необходимого для движения поезда. Стальные рельсы служат обратным проводником. При движении поезда контактная колодка скользит по проводу и может создавать стоячие волны, приводящие к потере контакта и ухудшению сбора тока. Это означает, что на некоторых системах использование соседних пантографов запрещено. Пантографы пришли на смену троллейным штангам, которые широко использовались в ранних трамвайных системах. Троллейные штанги до сих пор используются троллейбусами, которым требуется свобода движения и двухпроводная схема, что делает пантографы непрактичными, а также некоторыми трамвайными сетями, например, трамвайной системой Торонто, где частые и резкие повороты требуют большей свободы движения контактного устройства для обеспечения надёжного контакта. Однако многие из этих сетей, включая Торонто, модернизируются для работы с пантографами. Пантографы с воздушными линиями являются доминирующей формой отбора тока для современных электропоездов, поскольку, хотя и менее прочны, чем система третьего рельса, они позволяют использовать более высокие напряжения. Пантографы обычно приводятся в действие сжатым воздухом из тормозной системы транспортного средства, либо для подъема и удержания устройства на проводнике, либо, при использовании пружин для выдвижения, для его опускания. В качестве предохранительной меры против потери давления во втором случае, стрела пантографа удерживается в нижнем положении фиксатором. В системах высокого напряжения тот же источник воздуха используется для гашения электрической дуги при использовании автоматических выключателей, установленных на крыше.

Одно- и двойные пантографы

Пантографы могут иметь один или два плеча. Двуплечие пантографы обычно тяжелее, требуют больше энергии для подъема и опускания, но могут быть более отказоустойчивыми. На железных дорогах бывшего СССР наиболее широко используются пантографы с двумя плечами ("состоящие из двух ромбов"), но с конца 1990-х годов на российских железных дорогах появились и одноплечие пантографы. Некоторые трамваи используют двуплечие пантографы, в том числе российские модели KTM 5, KTM 8, LVS 86 и многие другие трамваи российского производства, а также некоторые трамваи Euro PCC в Бельгии. Американские трамваи используют либо троллейные штанги, либо одноплечие пантографы.

Системы метро и воздушные линии

Большинство систем скоростного транспорта работают от третьего рельса, но некоторые используют пантографы, особенно те, которые включают в себя значительные участки наземного хода. Большинство гибридных линий метро-трамвая или «пре-метро», маршруты которых проходят по улицам города или в других общедоступных местах, таких как (ранее) линия 51 Амстердамского метрополитена, зелёная линия MBTA, RTA Rapid Transit в Кливленде, U-Bahn Франкфурта-на-Майне и Muni Metro Сан-Франциско, используют воздушный контактный провод, поскольку стандартный третий рельс будет мешать уличному движению и создавать слишком высокий риск поражения электрическим током. Среди различных исключений — несколько трамвайных систем, например, в Бордо, Анжере, Реймсе и Дубае, использующие запатентованную подземную систему, разработанную компанией Alstom и называемую APS, которая подаёт питание только на участки пути, полностью покрытые трамваем. Эта система изначально была разработана для использования в историческом центре Бордо, поскольку воздушный контактный провод создавал бы визуальное нарушение. Подобные системы, избегающие воздушных линий, были разработаны компаниями Bombardier, AnsaldoBreda, CAF и другими. Они могут состоять из наземной инфраструктуры или использовать энергию, запасённую в аккумуляторных батареях, для передвижения на небольшие расстояния без воздушного провода. В качестве альтернативы третьему рельсу иногда используются пантографы, поскольку третий рельс может обледеневать в определённых зимних погодных условиях. Синяя линия MBTA использует питание от пантографа на всём участке своего маршрута, проходящем по поверхности, переключаясь на третий рельс перед входом в подземный участок. Целые системы метрополитена в Сиднее, Мадриде, Барселоне, Шанхае, Гонконге, Сеуле, Кобе, Фукуоке, Сендае, Джайпуре, Ченнаи, Мумбаи и Дели используют воздушный контактный провод и пантографы (а также некоторые линии метрополитена в Пекине, Чунцине, Нойде, Хайдарабаде, Джакарте, Токио, Осаке, Нагое, Сингапуре, Саппоро, Будапеште и Мехико). Пантографы также использовались на линиях скоростного транспорта компании Nord Sud в Париже, пока другая операционная компания того времени, Compagnie du chemin de fer métropolitain de Paris, не выкупила компанию и не заменила всю воздушную контактную сеть стандартной системой третьего рельса, используемой на других линиях. Многие железнодорожные линии используют как третий рельс, так и воздушный сбор энергии на разных участках своих маршрутов, как правило, по историческим причинам. К ним относятся линии North London и West London Лондонского метрополитена, линия Northern City линии Great Northern, три из пяти линий сети Роттердамского метрополитена, линия New Haven Metro North Railroad и Жёлтая линия Чикагского транспортного управления. В последнем случае воздушный участок был остатком высокоскоростной трассы Chicago North Shore and Milwaukee Railroad Skokie Valley Route и был единственной линией во всей системе метро Чикаго, использующей сбор энергии с помощью пантографа на какой-либо протяжённости. Соответственно, для этой линии требовались вагоны, оснащённые пантографами и токосъёмниками третьего рельса, и поскольку воздушный участок был очень небольшой частью системы, только несколько вагонов были оснащены таким образом. Переключение происходило на переезде в Ист-Прейри, на месте бывшей станции Crawford East Prairie. Здесь поезда, направляющиеся в Dempster-Skokie, поднимали свои пантографы, а те, что направлялись в Howard, опускали их, делая это на ходу в обоих случаях. В 2005 году из-за стоимости и уникальных требований к обслуживанию, которые касались лишь очень небольшой части системы, воздушная система была демонтирована и заменена тем же питанием от третьего рельса, которое использовалось на всём остальном протяжении линии, что позволило всем вагонам Чикаго работать на этой линии. Все пантографы были сняты с вагонов, оснащённых для Skokie. До 2010 года линия 1 Ослоского метрополитена переключалась с питания от третьего рельса на питание от воздушного провода на станции Frøen. Из-за большого количества переездов было признано сложным установить третий рельс на остальной части старой однопутной линии. После 2010 года третий рельс использовался, несмотря на наличие переездов. На третьем рельсе есть разрывы, но имеются два токосъёмных башмака.

Most rapid transit systems are powered by a third rail, but some use pantographs, particularly ones that involve extensive above ground running. Most hybrid metro tram or 'pre metro' lines whose routes include tracks on city streets or in other publicly accessible areas, such as (formerly) line 51 of the Amsterdam Metro, the MBTA Green Line, RTA Rapid Transit in Cleveland, Frankfurt am Main U Bahn, and San Francisco's Muni Metro, use overhead wire, as a standard third rail would obstruct street traffic and present too great a risk of electrocution. Among the various exceptions are several tram systems, such as the ones in Bordeaux, Angers, Reims and Dubai that use a proprietary underground system developed by Alstom, called APS, which only applies power to segments of track that are completely covered by the tram. This system was originally designed to be used in the historic centre of Bordeaux because an overhead wire system would cause a visual intrusion. Similar systems that avoid overhead lines have been developed by Bombardier, AnsaldoBreda, CAF, and others. These may consist of physical ground level infrastructure, or use energy stored in battery packs to travel over short distances without overhead wiring. Overhead pantographs are sometimes used as alternatives to third rails because third rails can ice over in certain winter weather conditions. The MBTA Blue Line uses pantograph power for the entire section of its route that runs on the surface, while switching to third rail power before entering the underground portion of its route. The entire metro systems of Sydney, Madrid, Barcelona, Shanghai, Hong Kong, Seoul, Kobe, Fukuoka, Sendai, Jaipur, Chennai, Mumbai and Delhi use overhead wiring and pantographs (as well as certain lines of the metro systems in Beijing, Chongqing, Noida, Hyderabad, Jakarta, Tokyo, Osaka, Nagoya, Singapore, Sapporo, Budapest, and Mexico City). Pantographs were also used on the Nord Sud Company rapid transit lines in Paris until the other operating company of the time, Compagnie du chemin de fer métropolitain de Paris, bought out the company and replaced all overhead wiring with the standard third rail system used on other lines. Numerous railway lines use both third rail and overhead power collection along different portions of their routes, generally for historical reasons. They include the North London line and West London lines of London Overground, the Northern City Line of Great Northern, three of the five lines in the Rotterdam Metro network, Metro North Railroad's New Haven Line, and the Chicago Transit Authority's Yellow Line. In this last case, the overhead portion was a remnant of the Chicago North Shore and Milwaukee Railroad's high speed Skokie Valley Route, and was the only line on the entire Chicago subway system to utilize pantograph collection for any length. As such, the line required railcars that featured pantographs as well as third rail shoes, and since the overhead was a very small portion of the system, only a few cars would be so equipped. The changeover occurred at the grade crossing at East Prairie, the former site of the Crawford East Prairie station. Here, trains bound for Dempster Skokie would raise their pantographs, while those bound for Howard would lower theirs, doing so at speed in both instances. In 2005, due to the cost and unique maintenance needs for what only represented a very small portion of the system, the overhead system was removed and replaced with the same third rail power that was used throughout the rest of the system, which allowed all of Chicago's railcars to operate on the line. All the pantographs were removed from the Skokie equipped cars. Until 2010, the Oslo Metro line 1 changed from third rail to overhead line power at Frøen station. Due to the many level crossings, it was deemed difficult to install a third rail on the rest of the older line's single track. After 2010 third rails were used in spite of level crossings. The third rails have gaps, but there are two contact shoes.

Трехфазное снабжение

В некоторых системах, использующих трехфазное электропитание, локомотивы и моторные вагоны оснащаются двумя пантографами, а третьей фазой служит возвратный ток по ходовым рельсам. В 1901 году экспериментальная высокоскоростная установка, разработанная Вальтером Райхелем в компании Siemens & Halske, использовала три вертикально расположенных контактных проводов с токоприемниками, установленными на горизонтально выдвижных пантографах.

Наклонные пантографы

На линиях, где открытые вагоны загружаются сверху, контактная сеть может быть смещена в сторону, чтобы обеспечить такую загрузку; в этом случае пантографы устанавливаются под углом к вертикальной оси.

Слабые стороны

Контакт между пантографом и контактной сетью обычно обеспечивается графитовым блоком. Этот материал проводит электричество и одновременно служит смазкой. Поскольку графит хрупкий, в процессе эксплуатации от него могут откалываться частицы. Неисправные пантографы могут заклинить контактный провод и оборвать его, поэтому существует взаимное влияние: неисправная контактная сеть может повредить пантограф, а неисправный пантограф – контактную сеть. Для предотвращения этого можно использовать станцию мониторинга пантографов. При длительном движении на высоких скоростях, свыше , трение может привести к раскаливанию контактной полосы, что, в свою очередь, может вызвать интенсивное искрение и, в конечном итоге, выход из строя. В Великобритании пантографы (Brecknell Willis и Stone Faiveley) подвижного состава поднимаются с помощью пневматики, а графитовые контактные "угли" формируют воздушный канал в голове пантографа, который сбрасывает воздух в случае потери графитовой полосы, активируя автоматическое устройство опускания и опуская пантограф для предотвращения повреждений. Более современные тяговые агрегаты могут использовать более сложные системы, обнаруживающие возмущения, вызванные искрением в точке контакта при повреждении графитовых полос. На электропоездах не всегда установлены два пантографа, но в случае их наличия, при повреждении одного из них можно использовать другой; примером такой ситуации является Pendolino класса 390. Задний пантограф, относительно направления движения, часто используется для предотвращения повреждения обоих пантографов при зацеплениях: если использовался передний пантограф, обломки от зацепления могли бы повредить задний пантограф, выводя из строя оба пантографа и, следовательно, весь поезд.

Автоматическое устройство для сбрасывания

Автоматическое устройство сброса пантографа (ADD) – это устройство безопасности, которое автоматически опускает пантограф на электропоездах для предотвращения аварий в случае препятствий или возникновения нештатных ситуаций. Также известно как устройство автоматического спуска пантографа. Автоматическое устройство сброса пантографа является обязательным для поездов, эксплуатируемых со скоростью 160 км/ч и выше. В противном случае операторы поездов могут устанавливать эти устройства по своему усмотрению. Повреждения, приводящие к сбросу пантографа, могут включать в себя токосъемную головку, головку пантографа и другие элементы. ADD в основном использует пневматическую систему для обнаружения повреждений. Например, обрыв контактной ленты вызовет падение давления в воздушном трубопроводе.