کاتناری، ریل سوم و برق زمینی: طراحان شهری چگونه سیستم برق قطارها را انتخاب می‌کنند؟

برای اینکه یک قطار برقی به حرکت درآید، باید یک مدار پیوسته و بدون قطعی بین شبکه برق، وسیله نقلیه در حال حرکت و زمین وجود داشته باشد. اگر این اتصال فیزیکی حتی برای کسری از ثانیه قطع شود، یک واگن ۴۰۰ تنی به یک جعبه فولادی بی‌برق تبدیل می‌شود که تنها با نیروی تکانه خود به جلو می‌رود. امروزه، برنامه‌ریزان شهری و مهندسان حمل‌ونقل برای حفظ این مدار با یک سه‌راهی سخت زیرساختی روبرو هستند: کشیدن سیم‌های فشار قوی در هوا، قرار دادن یک ریل برق‌دار روی زمین، یا تعبیه نوارهای برق‌دار قطعه‌بندی‌شده مستقیماً در کف خیابان.[6]

برای یک مسافر روزمره، انتخاب نحوه انتقال برق تعیین می‌کند که آیا قطار او می‌تواند با سرعت ۲۰۰ مایل بر ساعت بین شهرها حرکت کند یا اینکه برای جلوگیری از برق‌گرفتگی عابران پیاده، باید در مرکز شهر متراکم با سرعت بسیار پایین بخزد. برای یک شهروند مالیات‌دهنده، این انتخاب به معنای تفاوت بین یک تراموای سطحی و یک متروی به شدت مهندسی‌شده با حریم کاملاً جداگانه است.[6]

اداره فدرال راه‌آهن این سبک‌سنگین کردن‌ها را از طریق یک چارچوب دقیق ارزیابی ریسک هزینه و فایده بررسی می‌کند. برنامه‌ریزان نمی‌توانند به سادگی ارزان‌ترین گزینه را انتخاب کنند؛ آن‌ها باید معماری برق‌رسانی را با دامنه عملیاتی خاص قطار تطبیق دهند و الزامات سرعت، محدودیت‌های ارتفاع و تراکم عابران پیاده را در نظر بگیرند.[1]

مشهودترین و پرکاربردترین سیستم، کاتناری بالاسری است. این معماری یک سیم اتصال را در بالای مسیر معلق نگه می‌دارد و قطار با استفاده از یک پانتوگراف نصب‌شده روی سقف که فشار رو به بالای ثابتی را به سیم وارد می‌کند، برق را دریافت می‌کند.[3][5]

سیستم‌های کاتناری پادشاهان بلامنازع قطارهای سریع‌السیر هستند. از آنجا که سیم در ارتفاع بالایی از سطح زمین معلق است، می‌تواند با ایمنی کامل ولتاژهای بسیار بالایی را انتقال دهد—اغلب ۲۵٬۰۰۰ ولت جریان متناوب. این ولتاژ بالا به قطارها اجازه می‌دهد تا نیروی عظیم مورد نیاز برای غلبه بر مقاومت هوا در سرعت‌های بیش از ۱۵۰ مایل بر ساعت را دریافت کنند.[3]

به گفته نشریه Railway Technology، «خطوط بالاسری عموماً ایمن‌تر در نظر گرفته می‌شوند زیرا از دسترس عموم دور هستند»، و همین موضوع آن‌ها را به استاندارد اصلی برای برق‌رسانی خطوط اصلی تبدیل می‌کند، جایی که انتقال برق مطمئن و با ظرفیت بالا برای سفرهای بین‌شهری ضروری است.[3]

با این حال، سیستم‌های کاتناری چالش‌های قابل‌توجهی در زمینه یکپارچگی شهری ایجاد می‌کنند. شبکه سیم‌ها و دکل‌های پشتیبان باعث آشفتگی بصری می‌شود و این زیرساخت به فضای خالی عمودی قابل‌توجهی نیاز دارد که بسیاری از تونل‌ها و پل‌های قدیمی فاقد آن هستند.[5]

وقتی یک مسیر باید از مراکز تاریخی شهر یا تونل‌هایی با ارتفاع کم عبور کند، برنامه‌ریزان اغلب به سراغ ریل سوم می‌روند. این سیستم یک ریل هادی برق‌دار را در کنار ریل‌های حرکتی قرار می‌دهد که قطار از طریق یک کفشک فلزی متصل به بوژی با آن تماس پیدا می‌کند.[5]

سیستم‌های ریل سوم با ولتاژهای بسیار پایین‌تری کار می‌کنند، معمولاً بین ۶۰۰ تا ۷۵۰ ولت جریان مستقیم. شرکت Gem Cable Solutions خاطرنشان می‌کند که مقایسه برق‌رسانی بالاسری و ریل سوم یک تفاوت آشکار را نشان می‌دهد: نصب ریل‌های سوم در فضاهای محدود مانند تونل‌های مترو ارزان‌تر است، اما ولتاژ پایین‌تر آن‌ها ایجاب می‌کند که پست‌های برق در فواصل بسیار نزدیک‌تری به یکدیگر قرار گیرند.[5]

علاوه بر این، دینامیک فیزیکی یک کفشک فلزی که روی یک ریل هم‌سطح زمین می‌لغزد، یک محدودیت سرعت جدی ایجاد می‌کند. سیستم‌های ریل سوم عموماً به سرعت حدود ۱۰۰ مایل بر ساعت محدود می‌شوند؛ فراتر از این سرعت، کفشک شروع به پرش می‌کند که باعث قطع مدار الکتریکی و ایجاد جرقه‌های الکتریکی مخرب می‌شود.[3][5]

با این وجود، جدی‌ترین محدودیت ریل سوم مسئله ایمنی است. یک ریل برق‌دار حامل ۷۵۰ ولت در سطح زمین کشنده است. در نتیجه، سیستم‌های ریل سوم باید کاملاً از نظر سطح جدا شوند—یعنی با حصار از دسترس عموم دور نگه داشته شوند، روی پل‌های روگذر قرار گیرند یا در زیر زمین مدفون شوند.[3]

این الزام به جداسازی سطح، شهرها را مجبور به ساخت تونل‌های گران‌قیمت می‌کند که هزینه خطوط حمل‌ونقل جدید را به شدت افزایش می‌دهد. برای حل این مشکل، مهندسان معماری سومی را توسعه دادند: سیستم تغذیه زمینی یا APS.[4][6]

سیستم APS یک ریل برق‌دار قطعه‌بندی‌شده را مستقیماً در کف خیابان بین ریل‌های حرکتی تعبیه می‌کند. برخلاف ریل سوم سنتی، ریل APS به طور پیوسته برق‌دار نیست، که این امر خطر برق‌گرفتگی عابران پیاده را از بین می‌برد.[4]

در عوض، این سیستم از سیگنال‌های رادیویی استفاده می‌کند تا در هر لحظه تنها همان قطعه ۸ متری از ریل را که مستقیماً زیر تراموا قرار دارد، برق‌دار کند. با حرکت تراموا به جلو، قطعه پشت سر آن فوراً قطع می‌شود و قدم گذاشتن روی آن برای دوچرخه‌سواران و عابران پیاده کاملاً ایمن می‌گردد.[4]

گروه Citizens For Modern Transit این سیستم تغذیه زمینی را به عنوان یک نوآوری حیاتی در فناوری قطار سبک شهری برجسته می‌کند. این سیستم که برای اولین بار در مقیاس وسیع در بوردو فرانسه اجرا شد، به شهرها اجازه می‌دهد تا ترامواهای برقی با ظرفیت بالا را مستقیماً از وسط میدان‌های پیاده‌رو عبور دهند، بدون اینکه نیازی به سیم‌های بالاسری زشت یا خطر مرگبار ریل سوم برق‌دار باشد.[4]

صرف نظر از اینکه برق چگونه به قطار منتقل می‌شود، برای تکمیل مدار باید با ایمنی کامل به پست برق بازگردد. این مسیر برگشت معمولاً از طریق ریل‌های فولادی حرکتی هدایت می‌شود.[2]

مدیریت این جریان برگشتی یک چالش مهندسی پیچیده است. انجمن استانداردهای IEEE راهنمای سال ۲۰۲۳ برای سیستم‌های اتصال به زمین چندنقطه‌ای را منتشر کرد تا به خطرات خاص جریان‌های سرگردان در راه‌آهن‌های برقی بپردازد.[2]

اگر جریان برگشتی از ریل‌های حرکتی به خاک اطراف نشت کند، می‌تواند خوردگی گالوانیک لوله‌های تاسیسات زیرزمینی و پایه‌های ساختمان‌های مجاور را تسریع کند. بنابراین، معماری صحیح اتصال به زمین دقیقاً به اندازه خود روش انتقال برق حیاتی است.[2]

تصمیم‌گیری بین کاتناری، ریل سوم و APS هرگز صرفاً یک تصمیم فنی نیست. این انتخابی است که در آن باید بین سرعتی که یک منطقه نیاز دارد، ایمنی‌ای که یک شهر می‌طلبد و بودجه زیرساختی که مالیات‌دهندگان می‌توانند تحمل کنند، تعادل ایجاد شود.[1][6]

در حالی که شهرداری‌ها برای کربن‌زدایی از شبکه‌های حمل‌ونقل خود تلاش می‌کنند، تکامل این سیستم‌های برق‌رسانی تعیین می‌کند که خطوط جدید در کجا می‌توانند کشیده شوند. نسل بعدی توسعه ریلی کاملاً به این بستگی دارد که کدام یک از این سه معماری می‌تواند به بهترین شکل از پس محدودیت‌های فیزیکی و مالی هسته مدرن شهری برآید.[6]