البانتوغراف (النقل)

البانتوغراف (أو " بان " أو " بانتو ") هو جهاز يُركّب على سطح القطار الكهربائي أو الترام أو الحافلات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات [ ^{1 ] لجمع} الطاقة من خلال التلامس مع خط علوي . ويعود أصل التسمية إلى تشابه بعض أنماطه مع البانتوغرافات الميكانيكية المستخدمة لنسخ الكتابة اليدوية والرسومات.

البانتوغراف نوع شائع من أجهزة تجميع التيار ؛ وعادةً ما يُستخدم سلك واحد أو سلكان، حيث يمر تيار العودة عبر القضبان . ومن أنواع أجهزة تجميع التيار الأخرى جهاز التجميع المقوس وعمود الترام .

ظهر البانتوغراف، المزود بشريط تلامس جرافيت قابل للاستبدال ومنخفض الاحتكاك، أو ما يُعرف بـ" الحذاء "، لتقليل الإجهاد الجانبي على سلك التلامس، لأول مرة في أواخر  القرن التاسع عشر. ومن بين الإصدارات المبكرة جامع القوس ، الذي اخترعه والتر رايشل، كبير المهندسين في شركة سيمنز وهالسكه في ألمانيا، عام 1889، ^{[ 2 ] [ 3 ]} وبانتوغراف منزلق مسطح استُخدم لأول مرة عام 1895 من قِبل سكة حديد بالتيمور وأوهايو . ^{[ 4 ]}

ابتكر جون كيو براون، من ورش شركة كي سيستم، جهاز البانتوغراف الأسطواني المألوف ذو الشكل الماسي، وحصل على براءة اختراعه، وذلك لقطارات الركاب التي كانت تسير بين سان فرانسيسكو ومنطقة إيست باي في خليج سان فرانسيسكو بولاية كاليفورنيا . ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} ويظهر هذا الجهاز في صور فوتوغرافية من اليوم الأول للخدمة، 26 أكتوبر 1903. ^{[ 9 ]} ولعقود عديدة تلت ذلك، استُخدم الشكل الماسي نفسه في أنظمة السكك الحديدية الكهربائية حول العالم، ولا يزال مستخدمًا في بعضها حتى اليوم.

طُوِّرَ البانتوغراف كتحسينٍ لعمود الترام البسيط ، الذي كان سائداً حتى ذلك الحين، وكان الهدف من تصميمه السماح بتفاوتات كبيرة في ارتفاع السلك العلوي، والسماح لمركبة السكك الحديدية الكهربائية بالسير بسرعات أعلى بكثير دون فقدان الاتصال بالخطوط العلوية، ^{[ 10 ]} على سبيل المثال بسبب انفصال سلك عمود الترام. ومع ذلك، فقد استُخدم تجميع التيار بواسطة عمود الترام بنجاح بسرعات تصل إلى 140 كم/ساعة (90 ميل/ساعة) في مركبات إلكترولاينر التابعة لسكك حديد شيكاغو نورث شور وميلووكي ، والمعروفة أيضاً باسم خط نورث شور.  

يُعدّ البانتوغراف النصفي (الذي يكون أحيانًا على شكل حرف Z) أكثر أنواع البانتوغرافات شيوعًا اليوم، وقد تطوّر ليُوفّر تصميمًا أكثر إحكامًا واستجابةً بذراع واحدة عند السرعات العالية مع ازدياد سرعة القطارات. اخترع لويس فايفلي هذا النوع من البانتوغرافات عام 1955. ^{[ 11 ]} يُستخدم البانتوغراف النصفي في كل شيء بدءًا من القطارات فائقة السرعة (مثل قطار TGV ) وصولًا إلى أنظمة الترام الحضري منخفضة السرعة. يعمل هذا التصميم بكفاءة متساوية في كلا اتجاهي الحركة، كما يتضح من السكك الحديدية السويسرية والنمساوية ، حيث تعمل أحدث قاطراتهما عالية الأداء، Re 460 و Taurus ، باستخدامه في الاتجاه المعاكس. في أوروبا ، تُحدّد اللجنة الأوروبية للتوحيد القياسي الكهروتقني (CENELEC ) هندسة وشكل البانتوغرافات . ^{[ 12 ]}

بينما يُستخدم البانتوغراف بشكل أساسي لتشغيل وحدة جر السكك الحديدية، إلا أن هناك حالات معينة يكون له فيها وظيفة أخرى غير الجر:

• القياسات والاختبارات الميكانيكية للسلسلة الجديدة (مع أو بدون جهد كهربائي)، على عربة فحص السلسلة وخط التلامس؛
• مصدر الطاقة العام لسيارة القياس؛
• توفير الطاقة لقطار مكيف الهواء (على سبيل المثال: البانتوغراف المثبت على عربة رينفي لتوفير الطاقة بتيار مستمر 3000 فولت لبقية القطار عبر خط قطار UIC أو خط التدفئة)، في حالة عدم وجود قاطرة؛
• تزويد عربة مطعم بالطاقة عند ركنها على خط جانبي في حالة عدم وجود قاطرة، تحت سلك كهربائي مكهرب بـ 15 كيلو فولت تيار متردد 16 + 2 ⁄3 هرتز ؛ يستخدم هذا النظام في عربات المطاعم التابعة للسكك الحديدية السويسرية والألمانية؛
• تأريض نظام التغذية الكهربائية العلوية أثناء العمل الذي يتم تنفيذه من بعض مركبات العمل.

يتكون نظام نقل الطاقة الكهربائية في أنظمة السكك الحديدية الكهربائية الحديثة من سلك علوي حامل للوزن (يُعرف باسم السلك المعلق ) معلق به سلك توصيل. يُزود البانتوغراف بنابض يدفع قطعة التوصيل لأعلى باتجاه الجانب السفلي من سلك التوصيل لسحب التيار اللازم لتشغيل القطار. تعمل قضبان السكك الحديدية الفولاذية كخط عودة كهربائي . أثناء حركة القطار، تنزلق قطعة التوصيل على طول السلك، مما قد يُسبب موجات كهربائية ثابتة في الأسلاك، الأمر الذي يؤدي إلى قطع التوصيل وضعف تجميع التيار. لهذا السبب، لا يُسمح بوجود بانتوغرافات متجاورة في بعض الأنظمة.

تُعدّ البانتوغرافات التقنية المُطوّرة لأعمدة الترام ، التي كانت شائعة الاستخدام في أنظمة الترام القديمة. ولا تزال أعمدة الترام مستخدمة في حافلات الترام ، التي تجعل حرية حركتها وحاجتها إلى دائرة كهربائية ثنائية الأسلاك استخدام البانتوغرافات غير عملي، وفي بعض شبكات الترام، مثل شبكة ترام تورنتو ، التي تتميز بانعطافات حادة متكررة تتطلب حرية حركة إضافية في مجموعتها الحالية لضمان استمرارية الاتصال. ومع ذلك، تخضع العديد من هذه الشبكات، بما فيها شبكة تورنتو، لعمليات تحديث لتلائم تشغيل البانتوغرافات.

أصبحت أجهزة تجميع التيار الكهربائي ذات الأسلاك العلوية هي الشكل السائد الآن لتجميع التيار للقطارات الكهربائية الحديثة في شوارع المدينة والخطوط الرئيسية والخطوط عالية السرعة، لأنه على الرغم من كونها أكثر هشاشة من نظام السكة الثالثة ، إلا أنها أكثر أمانًا للجمهور (الحماية عن طريق المسافة)، وقد تسمح أيضًا بفولتيات أعلى (خاصة التيار المتردد) وسرعة أعلى.

تُشغَّل أجهزة تجميع التيار عادةً بواسطة الهواء المضغوط من نظام فرامل المركبة، إما لرفع الوحدة وتثبيتها على الموصل، أو لخفضها عند استخدام النوابض لتمديدها. وكإجراء احترازي ضد فقدان الضغط في الحالة الثانية، يُثبَّت الذراع في الوضع السفلي بواسطة مزلاج. بالنسبة لأنظمة الجهد العالي، يُستخدم مصدر الهواء نفسه لتفريغ القوس الكهربائي عند استخدام قواطع الدائرة الكهربائية المثبتة على السطح . ^{[ 13 ] [ 14 ]}

قد تحتوي أجهزة البانتوغراف على ذراع واحد أو ذراعين. عادةً ما تكون أجهزة البانتوغراف ذات الذراعين أثقل وزنًا، مما يتطلب طاقة أكبر لرفعها وخفضها، ولكنها قد تكون أيضًا أكثر تحملاً للأعطال.

في سكك حديد الاتحاد السوفيتي السابق ، كانت أكثر أنواع البانتوغراف استخدامًا هي تلك ذات الذراع المزدوجة (المكونة من معينين)، ولكن منذ أواخر التسعينيات، ظهرت بعض البانتوغرافات ذات الذراع الواحدة في السكك الحديدية الروسية. تستخدم بعض عربات الترام بانتوغرافات ذات ذراع مزدوجة، من بينها عربات الترام الروسية KTM-5 وKTM-8 وLVS-86 والعديد من عربات الترام الأخرى روسية الصنع، بالإضافة إلى بعض عربات الترام الأوروبية من طراز Euro-PCC في بلجيكا. أما عربات الترام الأمريكية فتستخدم إما أعمدة الترام أو بانتوغرافات ذات ذراع واحدة.

تعتمد معظم أنظمة النقل السريع على سكة ثالثة ، لكن بعضها يستخدم أجهزة تجميع التيار، لا سيما تلك التي تتضمن مسارات طويلة فوق الأرض. وتستخدم معظم خطوط المترو الهجينة أو ما يُعرف بـ"خطوط ما قبل المترو"، التي تشمل مساراتها شوارع المدينة أو مناطق عامة أخرى، مثل خط 51 (سابقًا) في مترو أمستردام ، وخط MBTA الأخضر ، ونظام النقل السريع RTA في كليفلاند، وقطار فرانكفورت ، ومترو سان فرانسيسكو ، أسلاكًا علوية، لأن السكة الثالثة التقليدية ستعيق حركة المرور في الشوارع وتُشكل خطرًا كبيرًا للصعق الكهربائي.

من بين الاستثناءات العديدة، توجد أنظمة ترام في مدن مثل بوردو ، وأنجيه ، وريمس ، ودبي ، تستخدم نظامًا تحت الأرض خاصًا طورته شركة ألستوم ، يُسمى APS ، والذي يُزوّد ​​الطاقة فقط لأجزاء المسار المغطاة بالكامل بالترام. صُمم هذا النظام في الأصل للاستخدام في مركز بوردو التاريخي، لأن نظام الأسلاك العلوية كان سيُشوه المنظر العام. وقد طورت شركات مثل بومباردييه ، وأنسالدو بريدا ، و CAF ، وغيرها، أنظمة مماثلة تتجنب استخدام الخطوط العلوية. قد تتكون هذه الأنظمة من بنية تحتية مادية على مستوى الأرض، أو تستخدم الطاقة المخزنة في بطاريات للتنقل لمسافات قصيرة دون أسلاك علوية.

تُستخدم أجهزة تجميع التيار العلوية أحيانًا كبديل للسكك الحديدية الثالثة، نظرًا لاحتمالية تجمد هذه السكك في بعض ظروف الشتاء. يستخدم الخط الأزرق لهيئة النقل في بوسطن (MBTA) طاقة أجهزة تجميع التيار في كامل الجزء السطحي من مساره، ثم يتحول إلى طاقة السكك الحديدية الثالثة قبل دخول الجزء تحت الأرض. وتستخدم أنظمة مترو الأنفاق في سيدني ، ومدريد ، وبرشلونة ، وبورتو ، وشنغهاي ، وهونغ كونغ ، وسيول ، وكوبي ، وفوكوكا ، وسينداي ، وجايبور، وتشيناي ، ومومباي ، ودلهي ، أسلاكًا علوية وأجهزة تجميع التيار (وكذلك بعض خطوط مترو الأنفاق في بكين ، وتشونغتشينغ ، ونويدا ، وحيدر آباد ، وجاكرتا ، وطوكيو ، وأوساكا ، وناغويا ، وسنغافورة ، وسابورو ، وبودابست ، ومكسيكو سيتي ). كما تم استخدام البانتوغرافات على خطوط النقل السريع لشركة نورد-سود في باريس حتى قامت شركة التشغيل الأخرى في ذلك الوقت، وهي شركة كومباني دو شومان دو فير متروبوليتان دو باريس ، بشراء الشركة واستبدال جميع الأسلاك العلوية بنظام السكة الثالثة القياسي المستخدم في الخطوط الأخرى.

تستخدم العديد من خطوط السكك الحديدية كلاً من نظام السكة الثالثة ونظام تجميع الطاقة العلوي على امتداد أجزاء مختلفة من مساراتها، وذلك لأسباب تاريخية في الغالب. تشمل هذه الخطوط خط شمال لندن وخط غرب لندن التابعين لشركة لندن أوفرغراوند ، وخط مدينة الشمال التابع لشركة غريت نورثرن ، وثلاثة من الخطوط الخمسة في شبكة مترو روتردام ، وخط نيو هيفن التابع لشركة مترو نورث للسكك الحديدية ، والخط الأصفر التابع لهيئة النقل في شيكاغو . في الحالة الأخيرة، كان الجزء العلوي من الخط بقايا خط سكوكي فالي فائق السرعة التابع لشركة شيكاغو نورث شور وميلووكي للسكك الحديدية ^{[ 15 ]} ، وكان الخط الوحيد في نظام مترو أنفاق شيكاغو بأكمله الذي يستخدم نظام تجميع الطاقة بواسطة البانتوغراف لمسافة معينة. ولذلك، تطلب الخط عربات قطار مزودة بأجهزة البانتوغراف بالإضافة إلى نظام السكة الثالثة، ونظرًا لأن الجزء العلوي كان يمثل جزءًا صغيرًا جدًا من النظام، لم يتم تجهيز سوى عدد قليل من العربات بهذه التقنية. وقد تم التحويل عند معبر السكة الحديدية في إيست بريري، الموقع السابق لمحطة كروفورد-إيست بريري . هنا، كانت القطارات المتجهة إلى ديمبستر-سكوكاي ترفع أجهزة تجميع التيار (البانتوغراف)، بينما تخفضها القطارات المتجهة إلى هوارد، وذلك بسرعة في كلتا الحالتين. في عام ٢٠٠٥، ونظرًا لتكلفة نظام التغذية العلوية واحتياجات الصيانة الخاصة به، والذي لم يكن يمثل سوى جزء صغير جدًا من الشبكة، أُزيل النظام العلوي واستُبدل بنظام التغذية بالسكك الحديدية الثالثة نفسه المستخدم في باقي الشبكة، مما سمح بتشغيل جميع عربات قطارات شيكاغو على الخط. وقد أُزيلت جميع أجهزة تجميع التيار من العربات المجهزة بنظام سكوكاي.

حتى عام ٢٠١٠، كان خط مترو أوسلو رقم ١ يُغيّر نظام التغذية الكهربائية من السكة الثالثة إلى الخطوط العلوية في محطة فروين. ونظرًا لكثرة التقاطعات السطحية، اعتُبر تركيب سكة ثالثة على باقي المسار الأحادي للخط القديم أمرًا صعبًا . ^{[ ١٦ ]} بعد عام ٢٠١٠، استُخدمت السكك الثالثة رغم وجود التقاطعات السطحية. تحتوي السكك الثالثة على فجوات، ولكنها مزودة بجزأين للتلامس.

في بعض الأنظمة التي تستخدم مصدر طاقة ثلاثي الأطوار ، تحتوي القاطرات وعربات الطاقة على اثنين من أذرع التوصيل، حيث يتم توفير دائرة الطور الثالث من خلال قضبان السكة الحديدية. وفي عام 1901، استخدم نظام تجريبي عالي السرعة، وهو تصميم آخر من والتر رايشل في شركة سيمنز وهالسكه، ثلاثة أسلاك علوية مثبتة رأسيًا مع مجمعات مثبتة على أذرع توصيل ممتدة أفقيًا. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

في الخطوط التي يتم فيها تحميل العربات المفتوحة من الأعلى، قد يتم إزاحة الخط العلوي للسماح بذلك؛ ثم يتم تركيب البانتوغرافات بزاوية بالنسبة للخط الرأسي. ^{[ 19 ]}

عادةً ما يتم ضمان التلامس بين البانتوغراف وخط الكهرباء العلوي عبر قطعة من الجرافيت . هذه المادة موصلة للكهرباء وتعمل كمادة تشحيم . ولأن الجرافيت هش، فقد تنكسر أجزاء منه أثناء التشغيل. قد تتسبب البانتوغرافات رديئة الصنع في تعطل سلك الكهرباء العلوي وتمزقه، كما أن الأسلاك المتهالكة قد تُلحق الضرر بالبانتوغراف. ولمنع ذلك، يمكن استخدام محطة مراقبة البانتوغراف . عند السرعات العالية المستمرة، التي تتجاوز 300 كم/ساعة (190 ميل/ساعة) ، قد يتسبب الاحتكاك في ارتفاع درجة حرارة شريط التلامس إلى درجة الاحمرار، مما قد يؤدي بدوره إلى حدوث شرارة كهربائية مفرطة وعطل في نهاية المطاف. ^{[ 20 ]}  

في المملكة المتحدة، تُرفع أذرع تجميع التيار ( من نوعي بريكنيل ويليس وستون فايفلي ) للعربات بواسطة ضغط الهواء، وتُشكّل "الكربونات" الجرافيتية الملامسة قناة هوائية في رأس ذراع تجميع التيار، تُطلق الهواء في حال فقدان شريط جرافيت، مما يُفعّل جهاز الإنزال التلقائي ويُخفض ذراع تجميع التيار لمنع التلف. قد تستخدم وحدات الجر الكهربائية الأحدث أساليب أكثر تطورًا للكشف عن الاضطرابات الناتجة عن الشرارة الكهربائية عند نقطة التلامس عند تلف شرائط الجرافيت. لا يوجد دائمًا ذراعان لتجميع التيار في وحدة القطارات الكهربائية المتعددة ، ولكن في حال وجودهما، يُمكن استخدام الذراع الآخر إذا تضرر أحدهما؛ ومن أمثلة ذلك قطار بيندولينو من الفئة 390. غالبًا ما يُستخدم ذراع تجميع التيار الخلفي بالنسبة لاتجاه السير لتجنب تلف كلا الذراعين في حالة التشابك: فإذا استُخدم ذراع تجميع التيار الأمامي، فقد تتسبب الحطام الناتج عن التشابك في تلف ذراع تجميع التيار الخلفي، مما يُعطل كلا الذراعين والعربة.

جهاز الإنزال التلقائي (ADD) هو جهاز يقوم بإنزال جامع التيار (البنتاغراف) تلقائيًا في القطارات الكهربائية لمنع حدوث أضرار إضافية في حالة وجود عوائق أو حالات طوارئ. ^{[ 21 ] [ 22 ]} ويُعرف أيضًا باسم جهاز إنزال جامع التيار . ^{[ 23 ]}

في أوروبا، يُعدّ جهاز الإنزال التلقائي إلزاميًا للقطارات التي تعمل بسرعات 160  كم/ساعة، أو 120  كم/ساعة فأكثر في حال استخدام جامع تيار واحد أو أكثر. ^{[ 24 ]} وفيما عدا ذلك، يحق لمشغلي القطارات تركيب هذه الأجهزة حسب تقديرهم. قد تشمل الأضرار التي تؤدي إلى سقوط جامع التيار رأس الشريط، ورأس جامع التيار، وأجزاء أخرى. تتضمن أنظمة جامع التيار الحديثة جهاز إنزال تلقائي (ADD) متصلًا بنظام ضغط الهواء في المركبة. في حال انكسار أو تلف شريط التلامس الكربوني أثناء التشغيل، يقوم جهاز الإنزال التلقائي بإنزال جامع التيار بسرعة عن طريق تحرير ضغط الهواء الداخلي. تُعدّ آلية الأمان هذه بالغة الأهمية لمنع المزيد من التشابك والأضرار الجسيمة لمعدات الخطوط العلوية. ^{[ 25 ]}

تعتمد أنظمة الكشف عن الأعطال (ADD) في الغالب على نظام هوائي للكشف عن التلف. فعلى سبيل المثال، يؤدي تلف شريط التلامس إلى انخفاض الضغط في أنبوب الهواء الداخلي. أما في أجهزة تجميع التيار غير الهوائية (كما هو الحال في الترام أو المترو)، فتُستخدم حلول مثل دبوس في رأس جهاز تجميع التيار يسحب كابلًا لخفضه. ومع ذلك، فإن للمشغلين حرية استخدام هذه الحلول، ولا توجد متطلبات أداء محددة (المسافة، القوة، الوقت، إلخ). ^{[ 26 ]}

تم تحديد زمن الاستجابة ورد الفعل لإنهاء خط التلامس العلوي لاستخدامه على الخط الرئيسي. ^{[ 27 ] [ 24 ]}

قد تختلف هذه الوظيفة عن وظيفة الكشف عن الارتداء التي يتم إجراؤها بواسطة أنبوب أو إدخال في مكان أعلى من أنبوب ADD.

توجد عدة أشكال لرؤوس البانتوغراف لتلبية متطلبات قياسات البنية التحتية الكهربائية والميكانيكية لكل دولة. في أوروبا، تم تحديد شكلين متوافقين بطول 1600 و1950 مم. ^{[ 28 ]}

يمكن للبنية التحتية استيعاب عدة أشكال للرأس، ^{[ 28 ]} خاصةً مع الأبواق الموصلة أو المعزولة. رأس Variopanto هو رأس ذو طولين محتملين. ^{[ 29 ]}

تُستخدم البانتوغرافات المسطحة لتناسب الأسقف الضيقة، مما يسمح بأسقف مسطحة ويقلل من تأثيرها الديناميكي الهوائي. وهي مصنوعة من ذراع سفلي معزول، على عكس البانتوغراف "الكلاسيكي" المثبت على عوازل. مثال: بانتوغراف ETR1000 ^{[ 30 ]}

الوسائط المتعلقة بـ "البانتوغراف" على ويكيميديا ​​كومنز