Введение
Третья рельса, также известная как контактный провод, электрическая рельса или токосъёмная рельса, – это способ подачи электроэнергии на железнодорожный локомотив или поезд посредством полунепрерывного жёсткого проводника, расположенного вдоль или между рельсами железнодорожного пути. Обычно используется в системах массового или скоростного транспорта, имеющих собственные пути, полностью или почти полностью изолированные от внешней среды. Системы с третьей рельсой обычно питаются от постоянного тока. Современные трамвайные системы, работающие на улицах, избегают риска поражения электрическим током от открытой контактной рельсы, используя сегментированное питание на уровне земли, где каждый сегмент электрифицируется только при покрытии его транспортным средством, потребляющим электроэнергию. Система электрификации с использованием третьей рельсы не связана с третьей рельсой, применяемой на железных дорогах с переменной колеёй.
the power system for railways
A third rail, also known as a live rail, electric rail or conductor rail, is a method of providing electric power to a railway locomotive or train, through a semi continuous rigid conductor placed alongside or between the rails of a railway track. It is used typically in a mass transit or rapid transit system, which has alignments in its own corridors, fully or almost fully segregated from the outside environment. Third rail systems are usually supplied from direct current electricity. Modern tram systems with street running avoid the risk of electrocution by the exposed electric rail by implementing a segmented ground level power supply, where each segment is electrified only while covered by a vehicle which is using its power. The third rail system of electrification is not related to the third rail used in dual gauge railways.
Описание
Третьи рельсовые системы – это способ подачи электроэнергии для тяги поездов с использованием дополнительного рельса (называемого «токосъёмным рельсом»). В большинстве систем токосъёмный рельс располагается на концах шпал снаружи ходовых рельсов, но в некоторых системах используется центральный токосъёмный рельс. Токосъёмный рельс поддерживается на керамических изоляторах (известных как «горшки»), с верхним контактом или изолированными кронштейнами, с нижним контактом, как правило, с интервалом около 10 футов (3 м). Поезда оснащены металлическими контактными колодками, называемыми токосъёмниками (также известными как контактные башмаки или токоприёмники), которые контактируют с токосъёмным рельсом. Тяговый ток возвращается на электростанцию через ходовые рельсы. В Северной Америке токосъёмные рельсы обычно изготавливаются из стали с высокой электропроводностью или стали, прикреплённой к алюминию для повышения проводимости. В остальном мире предпочтительной технологией являются экструдированные алюминиевые токосъёмники с контактной поверхностью или крышкой из нержавеющей стали, благодаря их более низкому электрическому сопротивлению, большему сроку службы и меньшему весу. Ходовые рельсы электрически соединены между собой с помощью гибких проводов или других устройств для минимизации сопротивления в электрической цепи. Токосъёмники могут располагаться под, над или сбоку от третьего рельса, в зависимости от типа третьего рельса: эти рельсы соответственно называются рельсами с нижним контактом, верхним контактом или боковым контактом. Токосъёмные рельсы должны быть прерваны на переездах, перекрёстках и в местах расположения разрывов между подстанциями. На концах каждого участка предусмотрены конические рельсы для обеспечения плавного контакта токосъёмников поезда. Положение контакта между поездом и рельсом может варьироваться: некоторые из самых ранних систем использовали верхний контакт, но в более поздних разработках применялся боковой или нижний контакт, что позволило закрыть токосъёмный рельс, защищая работников путевого хозяйства от случайного контакта и сам рельс от мороза, льда, снега и опавших листьев.
Безопасность
Поскольку системы третьего рельса, расположенные близко к земле, представляют опасность поражения электрическим током, высокие напряжения (выше 1500 В) не считаются безопасными. Поэтому для передачи достаточной мощности поезду необходимо использовать очень высокий ток, что приводит к высоким потерям на сопротивлении и требует относительно близкого расположения питающих точек (электрических подстанций). Электрифицированный рельс представляет угрозу поражения электрическим током для любого, кто забредает или падает на пути. Этого можно избежать, используя платформенные раздвижные двери, или риск можно снизить, разместив токосъемный рельс на стороне пути, противоположной платформе, если это позволяет планировка станции. Риск также можно снизить, установив защитную планку, поддерживаемую кронштейнами, для защиты третьего рельса от контакта, хотя многие системы не используют ее. При использовании защитных планок они уменьшают конструктивный габарит вблизи верхней части рельса, что, в свою очередь, уменьшает погрузочный габарит. Существует также риск того, что пешеходы, выходя на пути на переездах, случайно коснутся третьего рельса, если не реализовано полное разделение уровней. В 1992 году Верховный суд штата Иллинойс в США подтвердил решение о взыскании 1,5 миллиона долларов с Чикагского транспортного управления за то, что оно не предотвратило выход на пути пьяного человека на железнодорожном переезде станции Кеди, который, по всей видимости, пытался помочиться. Конечные наклонные участки токосъемных рельсов (где они прерываются или меняют сторону) представляют собой практическое ограничение скорости из-за механического воздействия токоприемника и считаются верхней границей практической эксплуатации третьего рельса. Мировой рекорд скорости для поезда, работающего от третьего рельса, был установлен 11 апреля 1988 года британским электропоездом Class 442 EMU. В случае столкновения с посторонним предметом наклонные конечные участки систем нижнего расположения могут способствовать проникновению третьего рельса внутрь пассажирского вагона, что, как полагают, способствовало гибели пяти пассажиров в железнодорожной аварии в Валгалле в 2015 году. Современные системы, такие как электроснабжение на уровне земли (впервые использованное в трамвае Бордо в 2003 году), избегают проблемы безопасности, сегментируя токосъемный рельс, при этом каждый сегмент активируется только тогда, когда он полностью покрыт транспортным средством, использующим его энергию, например, на линии SEPTA Market–Frankford в Филадельфии и в лондонской системе легкорельсового транспорта Docklands Light Railway.
Электрические соображения и альтернативные технологии
Электрические тяговые поезда (использующие электрическую энергию, вырабатываемую на удаленной электростанции и передаваемую поездам) значительно экономичнее дизельных или паровых поездов, в которых отдельные силовые установки должны размещаться на каждом составе. Это преимущество особенно заметно в городских и пригородных системах с высокой плотностью движения. Из-за механических ограничений при контакте с третьим рельсом поезда, использующие этот способ питания, достигают более низких скоростей, чем поезда, использующие контактную сеть и пантограф. Тем не менее, они могут быть предпочтительнее в городских условиях, поскольку не требуют очень высокой скорости и создают меньше визуального загрязнения. Третий рельс является альтернативой контактной сети, которая передает энергию поездам посредством пантографов. В то время как системы контактной сети могут работать от 25 кВ и выше, используя переменный ток (AC), меньший зазор вокруг токоведущего рельса ограничивает напряжение примерно 1200 В, при этом некоторые системы используют 1500 В (линия 4, метро Гуанчжоу, линия 5, метро Гуанчжоу, линия 3, метро Шэньчжэнь), и используется постоянный ток (DC). Поезда на некоторых линиях или сетях используют оба режима питания (см. ниже). Все системы третьего рельса в мире питаются от источников постоянного тока. Некоторые причины этого носят исторический характер. Первые тяговые двигатели были двигателями постоянного тока, а доступное в то время выпрямительное оборудование было громоздким, дорогим и непрактичным для установки на поездах. Кроме того, передача относительно высоких токов приводит к большим потерям при использовании переменного тока, чем при использовании постоянного. Подстанции для системы постоянного тока обычно располагаются на расстоянии друг от друга, хотя фактическое расстояние зависит от пропускной способности, максимальной скорости и частоты движения поездов. Один из способов снижения потерь тока (и, следовательно, увеличения расстояния между питающими подстанциями, что является существенной статьей затрат при электрификации третьего рельса) — использование композитного токосъемного рельса гибридной конструкции из алюминия и стали. Алюминий является лучшим проводником электричества, а рабочая поверхность из нержавеющей стали обеспечивает лучшую износостойкость. Существует несколько способов крепления нержавеющей стали к алюминию. Самый старый — метод коэкструзии, при котором нержавеющая сталь экструдируется вместе с алюминием. В отдельных случаях этот метод приводил к расслоению (отделению нержавеющей стали от алюминия), однако, как утверждается, эта проблема была решена в последних коэкструдированных рельсах. Второй метод предполагает использование алюминиевого сердечника, на который в качестве крышки устанавливаются два секции из нержавеющей стали и свариваются вдоль центральной линии рельса. Поскольку алюминий имеет более высокий коэффициент теплового расширения, чем сталь, алюминий и сталь должны быть надежно соединены для обеспечения хорошего контакта с токосъемником. Третий метод заключается в креплении алюминиевых шин к подошве стального рельса.
Механизмы обратного тока
Как и в случае с воздушными проводами, обратный ток обычно протекает через один или оба рельса, по которым движется поезд, и утечка на землю не считается критичной. Если поезда движутся на резиновых шинах, как на некоторых участках Лионского метрополитена, Парижского метрополитена, метрополитена Мехико, метрополитена Сантьяго, метрополитена Саппоро, а также во всем Монреальском метрополитене и некоторых автоматизированных системах транспортных линий (например, на линии Astram), необходима токосъемная рельса для подачи тока. Возврат тока осуществляется через рельсы обычного пути между этими направляющими (см. метро на резиновых шинах). Другая конструкция, с третьей рельсой (для подачи тока, расположенной вне ходовых рельсов) и четвертой рельсой (для возврата тока, расположенной посередине между ходовыми рельсами), используется некоторыми системами с металлическими колесами; см. четвертая рельса. Лондонский метрополитен – крупнейшая из таких систем (см. электрификация железных дорог в Великобритании). Основная причина использования четвертой рельсы для возврата тока заключается в том, чтобы избежать прохождения этого тока через оригинальную металлическую обшивку туннелей, которая не была рассчитана на проведение тока и подверглась бы электролитической коррозии при таком прохождении тока. Еще одна система с четырьмя рельсами – линия M1 Миланского метрополитена, где ток снимается с помощью бокового плоского токосъемника с боковым контактом, а возврат осуществляется через центральную рельсу с верхним контактом. На некоторых участках северной части линии также установлена контактная сеть, позволяющая поездам линии M2 (которые используют пантографы и более высокое напряжение и не имеют токосъемных башмаков) получать доступ к депо, расположенному на линии M1. На депо поезда линии M1 используют пантографы из соображений безопасности, с переключением на пантографное питание вблизи депо, вдали от основных путей.
Эстетические соображения
Третьерельсовая электрификация менее заметна, чем контактная сеть.
Смешанные системы
Некоторые системы используют третий рельс на части маршрута, а на остальной части – другие виды тяги, такие как контактная сеть или дизельная тяга. Это может быть связано с объединением ранее независимых железных дорог, использующих разные системы тяги, местными нормативными актами или другими историческими обстоятельствами.
Великобритания
Несколько типов британских поездов могли работать как от контактной сети, так и от третьего рельса, включая British Rail Class 313, 319, 325, 350, 365, 375/6, 377/2, 377/5, 377/7, 378/2, 387, 373, 395, 700 и 717 EMU, а также локомотивы Class 92. Network Rail заявляет, что управляет крупнейшей в мире сетью третьего рельса. В южном регионе British Rail на грузовых дворах была установлена контактная сеть, чтобы избежать опасности поражения электрическим током от третьего рельса. Локомотивы были оснащены пантографом и токоприемниками.
Eurostar/High Speed 1 (Евростар/Высокоскоростной)
Класс 373, используемый для международных высокоскоростных железнодорожных перевозок Eurostar через туннель под Ла-Маншем, на протяжении большей части маршрута работает от воздушных линий на 25 кВ переменного тока, с участками на 3 кВ постоянного тока на бельгийских линиях между бельгийским высокоскоростным участком и станцией Брюссель-Миди, или 1,5 кВ постоянного тока на железнодорожных линиях на юге Франции для сезонных перевозок. Первоначально поставляемые поезда класса 373 были дополнительно оснащены токосъемниками 750 В постоянного тока, предназначенными для поездок в Лондон по пригородным линиям до Ватерлоо. Переключение между питанием от третьего рельса и воздушных линий осуществлялось на ходу, сначала на континентальном разъезде возле Фолкстона, а затем на разъезде Фокхэм после открытия первого участка железнодорожной линии туннеля под Ла-Маншем. Дополнительные переключения требовались между железнодорожной станцией Кенсингтон-Олимпиа и депо Норт-Поул. Система двойного напряжения создавала определенные проблемы. Если токосъемники не убирались при въезде во Францию, это приводило к серьезным повреждениям оборудования вдоль пути, в результате чего SNCF установила пару бетонных блоков у калейского конца обоих туннелей, чтобы отламывать токосъемники, если они не были убраны. В Великобритании произошел инцидент, когда машинист Eurostar не убрал пантограф перед въездом на участок с третьим рельсом, повредив сигнальный мост и сам пантограф. 14 ноября 2007 года пассажирские перевозки Eurostar были перенесены на станцию Сент-Панкрас, а обслуживание – на депо Темпл-Миллс, что сделало оборудование для сбора тока с третьего рельса напряжением 750 В постоянного тока ненужным, и токосъемники были сняты. Сами поезда больше не оснащены спидометрами, способными измерять скорость в милях в час (индикация автоматически менялась при опускании токосъемников). В 2009 году Southeastern начала осуществлять местные перевозки по трассе High Speed 1 от Сент-Панкраса, используя новые электропоезда класса 395. Эти поезда следуют по высокоскоростной линии до Эббсфлита или Эшфорда, а затем переходят на основные линии, обслуживающие север и центральную части Кента. Следовательно, эти поезда поддерживают двойное напряжение, поскольку большинство маршрутов, по которым они курсируют, электрифицированы третьим рельсом.
Северная Лондонская линия
В Лондоне Северная Лондонская линия переходит с питания от третьего рельса на воздушную электрификацию между Ричмондом и Стратфордом. Изначально на всем маршруте использовалось питание от третьего рельса, но ряд технических проблем с электрическим заземлением, а также наличие воздушных электрических проводов на части маршрута для грузовых и региональных поездов Eurostar, обусловили этот переход.
Западная Лондонская линия
Также в Лондоне Западная линия (West London Line) меняет систему электроснабжения между Шепардс-Бушем и Уиллесден-Джанкшн, где она соединяется с Северной линией (North London Line). К югу от точки переключения Западная линия использует питание от третьего рельса, а к северу – контактную сеть.
Тамезлинк
Транс-городская линия Thameslink использует систему третьего рельса на участке сети Southern Region от Фаррингдона в южном направлении и контактную сеть в северном направлении до Бедфорда, Кембриджа и Питерборо. Переход между системами питания происходит во время остановки на станции Фаррингдон при движении на юг и на станции Сити-Темзлинк при движении на север.
Северный город
На маршрутах пригородного сообщения Мургейт — Хертфорд и Уэлвин участки Восточной Главной магистрали работают от 25 кВ переменного тока, с переключением на третий рельс на железнодорожной станции Дрейтон-Парк. Третий рельс по-прежнему используется на туннельном участке маршрута, поскольку размеры туннелей, ведущих к станции Мургейт, были недостаточны для установки контактной сети.
Бельгия
Брюссельское метро использует систему электроснабжения от третьей рельсы напряжением 900 В постоянного тока, расположенную сбоку, с токосъемником в виде скользящей по рельсу "сапожка", который имеет изолирующий слой сверху и по бокам.
Финляндия
В Хельсинкском метро используется система электроснабжения постоянным током 750 В от третьего рельса. Участок от Вуосаари до порта Вуосаари не электрифицирован, поскольку его единственная функция – соединение с финской железнодорожной сетью, ширина колеи которой отличается от ширины колеи метро всего на несколько миллиметров. Ранее по этому маршруту дизельные маневровые локомотивы доставляли новые вагоны метро на электрифицированный участок линии.
Франция
Новая трамвайная линия в Бордо (Франция) использует новую систему с третьей рельсой в центре пути. Третья рельса разделена на длинные проводящие и длинные изолирующие сегменты. Каждый проводящий сегмент подключен к электронной схеме, которая активирует сегмент, когда он полностью находится под трамваем (за счет кодированного сигнала, отправленного поездом), и отключает его до того, как он снова окажется открытым. Эта система (называемая Alimentation par Sol (APS), что означает «электроснабжение через землю») используется в различных районах города, особенно в историческом центре: в других местах трамваи используют обычные воздушные линии (см. также электроснабжение по земле). Летом 2006 года было объявлено, что две новые французские трамвайные системы будут использовать APS на части своих сетей. Это Анже и Реймс, обе системы, как ожидается, будут открыты примерно в 2009–2010 годах. Французская железная дорога Culoz–Modane была электрифицирована с помощью третьей рельсы постоянного тока 1500 В, которая позже была преобразована в воздушные линии того же напряжения. Станции изначально были оборудованы воздушными линиями. Французская ветка, обслуживающая Шамони и регион Монблан (Saint Gervais le Fayet – Vallorcine), использует третью рельсу (верхний контакт) и имеет метровую колею. Она продолжается в Швейцарии, частично с той же системой третьего рельса, частично с воздушной линией. На длинной линии «Желтый поезд» в Пиренеях также используется третья рельса. Многие пригородные линии, отправлявшиеся со станции Париж Сен-Лазар, использовали электропитание от третьей рельсы (нижний контакт).
Нидерланды
Для снижения инвестиционных затрат, метро в Роттердаме, в основном работающее от третьего рельса, получило несколько отдалённых веток, построенных на наземных путях как лёгкий рельсовый транспорт (называемый *sneltram* на голландском языке), с многочисленными переездами, защищёнными шлагбаумами и светофорами. На этих ветках установлены воздушные линии электропередач. Проект RandstadRail также требует, чтобы поезда метрополитена Роттердама следовали под воздушными линиями вдоль бывших магистральных железных дорог до Гааги и Хука-ван-Холланд. Аналогично, в Амстердаме один маршрут *sneltram* проходил по путям метро и переходил на наземное полотно в пригородах, где он делил пути со стандартными трамваями. В Амстердаме *sneltram* использует третий рельс и переключается на воздушные линии, когда переходит на традиционную трамвайную сеть, используемую трамваями Амстердама. Линия 51 до Амстельвена обеспечивала метрополитенное сообщение между станцией Амстердам Централ и станцией Зюйд. На станции Амстердам-Зюйд осуществлялся переход с третьего рельса на пантограф и контактную сеть. Оттуда до Амстельвеен-Центрум она делила пути с трамвайной линией 5. Подвижной состав на этой линии был способен работать как от напряжения 600 В постоянного тока, так и от 750 В постоянного тока. С марта 2019 года эта линия метро была закрыта, частично из-за проблем, связанных с переключением между третьим рельсом и воздушными линиями. Её номер маршрута, 51, был присвоен новой линии метро, частично проходящей по тому же маршруту от станции Амстердам Централ до станции Зюйд, а затем следующей по тому же маршруту, что и линия метро 50 до станции Амстердам Слоттердейк.
Российская Федерация и бывший Советский Союз
В метро всех стран постсоветского пространства контактные рельсы сделаны по единому стандарту.
Соединенные Штаты
В Нью-Йорке линия Нью-Хейвен Metro-North Railroad эксплуатирует электрические поезда, отправляющиеся с вокзала Grand Central Terminal, которые используют третий рельс на территории бывшей New York Central Railroad, но переключаются на воздушные линии в Пеламе для выхода на территорию бывшей железной дороги New York, New Haven and Hartford Railroad. Переключение производится "на ходу" (на скорости) и осуществляется машинистом. Две главные станции в Нью-Йорке – Grand Central и Pennsylvania Station – не допускают работу дизельных локомотивов в своих туннелях из-за угрозы для здоровья, связанной с выхлопными газами. Поэтому дизельные локомотивы Metro-North, Long Island Rail Road и Amtrak используют двухрежимные/электродизельные локомотивы (P32AC DM и DM30AC), способные использовать питание от третьего рельса на станциях и подходах к ним. При работе от третьего рельса эти локомотивы менее мощные, поэтому на открытых участках (вне туннелей) двигатели обычно работают в дизельном режиме, даже если доступно питание от третьего рельса. New Jersey Transit также использует двухрежимные локомотивы ALP 45DP для работы на станции Пенн наряду со своим обычным электрическим парком. Однако их двухрежимные локомотивы используют воздушную контактную сеть, поскольку она доступна на большей части их сети. В Нью-Йорке (на большей части острова Манхэттен) и в Вашингтоне (округ Колумбия) местные нормативные акты ранее требовали, чтобы электрифицированные уличные железные дороги получали ток от третьего рельса и возвращали его через четвертый рельс, оба установлены в непрерывном подземном канале под улицей и доступные через токосъемник, проходящий через щель между рельсами. Когда трамваи на таких системах въезжали на участки, где разрешены воздушные линии, они останавливались над ямой, где рабочий отсоединял токосъемник (плуг), а машинист устанавливал пантограф на воздушную линию. В США все эти системы питания от подземных каналов были прекращены и либо заменены, либо полностью заброшены. Некоторые участки бывшей лондонской трамвайной системы также использовали систему сбора тока от подземных каналов, а также трамвайные вагоны, способные получать питание как от воздушных, так и от подземных источников. На Синей линии MBTA в Бостоне используется электрификация от третьего рельса от начала линии в центре города до станции Airport, где происходит переключение на воздушную контактную сеть на оставшейся части линии до станции Wonderland. Самый дальний участок Синей линии проходит очень близко к Атлантическому океану, и существовали опасения по поводу возможного образования снежных и ледяных наростов на третьем рельсе вблизи воды. Воздушная контактная сеть не используется на подземном участке из-за ограниченного пространства в тоннеле 1904 года под Бостонской гаванью. Вагоны серии Hawker Siddeley 01200 скоростного трамвая Оранжевой линии MBTA (по сути, более длинная версия 0600-х Синей линии) недавно были лишены точек крепления пантографов в ходе программы технического обслуживания; эти крепления предназначались для установки пантографов, которые были бы установлены, если бы Оранжевая линия была продлена к северу от ее текущей конечной станции. Метод двойного электропитания также использовался на некоторых междугородных железных дорогах США, которые использовали более современную третью рельсовую систему в пригородных районах и существующую инфраструктуру воздушного трамвая (троллейбуса) для достижения центра города, например, Skokie Swift в Чикаго.
Одновременное использование с воздушным проводом
Железная дорога может быть электрифицирована как воздушным проводом, так и третьим рельсом одновременно. Так, например, было на Гамбургской городской электричке (S-Bahn) в период с 1940 по 1955 год. Современный пример – железнодорожная станция Биркенвердер под Берлином, имеющая третий рельс с обеих сторон и контактную сеть. Большая часть комплекса станции Пенн в Нью-Йорке также электрифицирована по обеим системам.
История
Системы электрификации с использованием третьего рельса, помимо бортовых батарей, являются старейшим способом подачи электроэнергии к поездам на железных дорогах, использующих собственные пути, особенно в городах. Первоначально воздушный контактный провод использовался почти исключительно на трамвайных линиях, хотя постепенно стал появляться и на магистральных системах. Экспериментальный электропоезд, работающий от этого источника питания, был разработан немецкой фирмой Siemens & Halske и продемонстрирован на Берлинской промышленной выставке 1879 года с третьим рельсом, расположенным между ходовыми рельсами. Некоторые ранние электрические железные дороги использовали сами ходовые рельсы в качестве токопроводника, как, например, электрическая железная дорога Волка в Брайтоне, открытая в 1883 году. В 1886 году к ней был добавлен дополнительный силовой рельс, и она продолжает функционировать по сей день. За ней последовал трамвай Giant's Causeway, оснащенный в 1883 году приподнятым внешним третьим рельсом, который позже был преобразован в воздушный контактный провод. Первой железной дорогой, использовавшей центральный третий рельс, была трамвайная линия Бессбрук и Ньюри в Ирландии, открытая в 1885 году, но, как и линия Giant's Causeway, она впоследствии была закрыта. Также в 1880-х годах системы с третьим рельсом начали применяться в городском общественном транспорте. Первыми преимуществами воспользовались трамваи: они использовали токосъемники в кабелепроводе под дорожным полотном (см. Сбор тока из кабелепровода), обычно на отдельных участках сети. Первые попытки были предприняты в Кливленде (1884) и Денвере (1885), а затем эта практика распространилась на многие крупные трамвайные сети (например, Нью-Йорк, Чикаго, Вашингтон, округ Колумбия, Лондон, Париж – все они закрыты) и Берлин (система третьего рельса в городе была заброшена в начале XX века после сильного снегопада). Система была испытана в приморском курорте Блэкпул, Великобритания, но вскоре от неё отказались, поскольку песок и соленая вода попадали в кабелепровод, вызывая поломки, а также наблюдалось падение напряжения. На некоторых участках трамвайных путей до сих пор видны пазы для кабелепровода. Третий рельс обеспечивал питание первой в мире электрической подземной железной дороги – City & South London Railway, открытой в 1890 году (сейчас часть Северной линии лондонского метрополитена). В 1893 году в Великобритании открылась вторая в мире городская железная дорога, работающая от третьего рельса – Liverpool Overhead Railway (закрыта в 1956 году и демонтирована). Первой городской железной дорогой в США, работающей от третьего рельса, была Metropolitan West Side Elevated Railway 1895 года, которая вскоре стала частью Чикагской «L». В 1901 году Гранвилл Вудс, выдающийся афроамериканский изобретатель, получил патент, охватывающий различные предлагаемые улучшения систем с третьим рельсом. Это часто приводится в качестве аргумента в пользу того, что он изобрел систему распределения тока с использованием третьего рельса. Однако к тому времени уже существовало множество других патентов на электрифицированные системы с третьим рельсом, включая патент Томаса Эдисона 1882 года, и третий рельс успешно использовался более десяти лет на различных установках, включая остальные линии «высокой» железной дороги в Чикаго, а также на Brooklyn Rapid Transit Company, не говоря уже о разработках за пределами США. В Париже третий рельс появился в 1900 году в тоннеле главной линии, соединяющем вокзал Гар д’Орсе с остальной сетью CF Paris Orléans. Электрификация с использованием третьего рельса впоследствии была расширена на некоторые пригородные маршруты. Система Woodford haulage использовалась на промышленных трамваях, в частности, в карьерах и открытых шахтах в первые десятилетия XX века. Она использовала центральный третий рельс напряжением 250 В для питания дистанционно управляемых самоходных боковых самосвалов. Система дистанционного управления работала как макет железной дороги, при этом третий рельс был разделен на несколько секций, которые можно было переключать на питание, свободный ход или торможение с помощью переключателей в диспетчерском центре. Верхний контакт или гравитационный третий рельс, по-видимому, является старейшей формой токосъема. Железнодорожные компании, первыми начавшими использовать менее опасные типы третьего рельса, – New York Central Railroad на подходе к Гранд-Центральному вокзалу в Нью-Йорке (1907 – еще один пример электрификации магистральной линии с использованием третьего рельса), Market–Frankford Line в Филадельфии (1907) и Hochbahn в Гамбурге (1912) – все использовали нижний контактный рельс, также известный как система Wilgus Sprague. Однако Manchester Bury Line Lancashire & Yorkshire Railway опробовала боковой контактный рельс в 1917 году. Эти технологии получили более широкое распространение только в конце 1920-х и в 1930-х годах, например, на крупных линиях Берлинского метрополитена (U-Bahn), Берлинской городской электрички (S-Bahn) и Московском метрополитене. Гамбургская городская электричка (S-Bahn) использует боковой контактный третий рельс напряжением 1200 В постоянного тока с 1939 года. В 1956 году открылась первая в мире железнодорожная линия с резиновыми шинами – линия 11 Парижского метрополитена. Токосъемный рельс превратился в пару направляющих рельсов, необходимых для удержания тележки в правильном положении на новом типе пути. Это решение было модифицировано на линии Namboku Саппороского метрополитена 1971 года, где использовался центрально расположенный направляющий/возвратный рельс и один силовой рельс, расположенный сбоку, как на обычных железных дорогах. В 2004 году технология третьего рельса была применена на новых трамвайных линиях в Бордо. Это совершенно новая технология (см. ниже). Системы с третьим рельсом не считаются устаревшими. Однако есть страны (особенно Япония, Южная Корея, Испания), которые более охотно внедряют воздушный контактный провод для своих городских железных дорог. Но в то же время в других местах строится много новых систем с третьим рельсом, в том числе в технологически развитых странах (например, Копенгагенское метро, Тайбэйское метро, Уханьское метро). Железные дороги с нижним питанием (возможно, термин «третий рельс» здесь слишком специфичен) также обычно используются с системами, имеющими поезда на резиновых шинах, будь то тяжелое метро (за исключением двух других линий Саппороского метрополитена) или малоемкий пассажирский транспорт (PM). Новые электрифицированные железнодорожные системы, как правило, используют воздушный контактный провод для региональных и междугородних перевозок. Системы с третьим рельсом, использующие более низкое напряжение, чем системы с воздушным контактным проводом, по-прежнему требуют большего количества питающих подстанций.
Модельные железные дороги
В 1906 году электрические поезда Lionel стали первыми моделями поездов, использующими третий рельс для питания локомотива. У Lionel третий рельс расположен в центре, а два внешних рельса электрически соединены между собой. Это решило проблему, с которой сталкиваются двухрельсовые модели поездов, когда рельсы образуют замкнутую петлю, поскольку в противном случае возникает короткое замыкание. (Даже если в петле есть разрывы, локомотив создаст короткое замыкание и остановится, пересекая эти разрывы.) Электрические поезда Lionel также работают на переменном токе. Использование переменного тока означает, что направление движения локомотива Lionel нельзя изменить, просто поменяв полярность; вместо этого локомотив последовательно переходит в различные состояния (вперед, нейтраль, назад и т.д.) при каждом запуске. Трехрельсовые поезда Märklin используют короткий импульс более высокого напряжения, чем напряжение питания поезда, для переключения реле внутри локомотива. У Märklin нет настоящего третьего рельса; вместо этого ток подается через ряд коротких контактов, которые подбираются длинным "шоэ" (токосъемником) под локомотивом. Этот токосъемник достаточно длинный, чтобы постоянно контактировать с несколькими контактами. Эта система называется контактной системой штифтов и имеет определенные преимущества при использовании в наружных модельных железных дорогах. Ски-коллектор скользит по контактам, тем самым самоочищаясь. Когда оба рельса используются для обратного тока параллельно, вероятность прерывания тока из-за загрязнения рельсов значительно снижается. Многие современные модельные поезда используют только два рельса, обычно в системах масштабов Z, N, HO или G. Они обычно питаются от постоянного тока (DC), где напряжение и полярность тока контролируют скорость и направление двигателя постоянного тока в поезде. Растущим исключением является система цифрового управления (DCC), в которой биполярный постоянный ток подается на рельсы при постоянном напряжении вместе с цифровыми сигналами, которые декодируются внутри локомотива. Этот биполярный постоянный ток передает цифровую информацию, указывающую команду и локомотив, которому она адресована, даже если на одном участке пути находится несколько локомотивов. Система Lionel O Gauge остается популярной и сегодня благодаря своей трехрельсовой системе и реализации переменного тока. Некоторые модели железных дорог реалистично воспроизводят конфигурацию третьего рельса своих полноразмерных прототипов, хотя почти все они не получают питание от третьего рельса.