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パンタグラフ（または「パン」または「パント」）は、電気列車、路面電車、またはバッテリー式電気バスの屋根に取り付けられた装置で、架線との接触によって電力を収集します[ 1 ]。この用語は、一部の様式が手書きや図面をコピーするために使用される機械式パンタグラフに似ていることに由来します。
パンタグラフは一般的な集電装置の一種で、通常は単線または二本の電線が使用され、帰還電流はレールを通って流れます。その他の集電装置には、弓形集電装置やトロリーポールなどがあります。
パンタグラフは、接触線への横方向の応力を最小限に抑えるために、摩擦の少ない交換可能なグラファイト接触ストリップまたは「シュー 」を備えており、19世紀後半に初めて登場しました。初期のバージョンには、ドイツのシーメンス & ハルスケの主任技師であったウォルター ライヒェルが 1889 年に発明した弓形集電器[ 2 ] [ 3 ]や、ボルチモア アンド オハイオ鉄道が 1895 年に初めて使用した平らなスライド パンタグラフ[ 4 ]などがあります。
おなじみのひし形のローラーパンタグラフは、カリフォルニア州サンフランシスコ湾岸地域のサンフランシスコとイーストベイ地区の間を走る通勤列車のために、キーシステム社のジョン・Q・ブラウンによって考案され、特許を取得しました。[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] 1903年10月26日の運行初日の写真にも写っています。[ 9 ]その後数十年にわたり、同じひし形は世界中の電気鉄道システムで使用され、今日でも一部で使用されています。
パンタグラフは、それまで主流だった単純なトロリーポールを改良したもので、架線の高さの大きな変化に対応し、トロリーポールの配線切れなどにより架線との接触を失うことなく、電気鉄道車両がはるかに高速で走行できるようにすることを設計目標としていました。 [ 10 ]それにもかかわらず、トロリーポール集電は、シカゴ・ノースショア・アンド・ミルウォーキー鉄道（ノースショア線としても知られる）のエレクトロライナー車両で、最高時速140km （90mph）まで正常に使用されました。
今日最も一般的なパンタグラフは、いわゆるハーフパンタグラフ（Z字型）で、列車の高速化に伴い、高速走行時にコンパクトで応答性の高いシングルアーム設計を実現するために開発されました。このタイプのパンタグラフは、1955年にルイ・ファイヴリーによって発明されました。 [ 11 ]ハーフパンタグラフは、TGVのような超高速列車から低速の都市路面電車まで、あらゆる車両で使用されています。スイス鉄道とオーストリア鉄道の最新高性能機関車であるRe 460とタウルスが逆方向に設定されていることからもわかるように、この設計はどちらの方向にも同じように効率的に動作します。ヨーロッパでは、パンタグラフの形状と形状は、欧州電気標準化委員会（CENELEC）によって規定されています。[ 12 ]
パンタグラフは主に鉄道の牽引装置に動力を供給するために使用されますが、牽引以外の機能を持つ場合もあります。
現代の電気鉄道システムの送電システムは、上部の荷重支持線（架線）から架線が吊り下げられた構造になっています。パンタグラフはバネ仕掛けで、接触シューを架線の下面に押し付け、列車の走行に必要な電流を引き込みます。線路の鋼製レールは、電気的な帰路として機能します。列車が走行すると、接触シューが架線に沿って滑り、架線内に定常波が発生して接触が途切れ、集電効率が低下することがあります。そのため、一部のシステムでは、隣接するパンタグラフの設置が禁止されています。
パンタグラフは、初期の路面電車システムで広く使用されていたトロリーポールに代わる技術です。トロリーポールは、自由な動きと2線式回路の必要性からパンタグラフが実用的でないトロリーバスや、トロントの路面電車システムのように頻繁に急カーブがあり、現在の車両編成では接触を途切れさせないためにさらなる自由な動きが必要となる一部の路面電車ネットワークで現在も使用されています。しかし、トロントの路面電車を含むこれらのネットワークの多くは、パンタグラフによる運行に対応できるよう改修工事が進められています。
架線式パンタグラフは、都市部の路面電車、幹線鉄道、高速鉄道における現代の電気列車の集電方式として主流となっている。これは、第三軌条方式よりも脆弱ではあるものの、公共の安全（距離による保護）に優れ、より高い電圧（特に交流）や高速走行も可能となるためである。
パンタグラフは通常、車両のブレーキシステムからの圧縮空気で操作され、ユニットを上昇させて導体に押し付けるか、スプリングを使用して伸長させる場合は下降させます。後者の場合、圧力低下を防ぐため、アームはキャッチによって下降位置に保持されます。高電圧システムでは、屋根に取り付けられた回路ブレーカーが使用されるときに、同じ空気供給を使用して電気アークを「吹き飛ばす」ことができます。[ 13 ] [ 14 ]
パンタグラフには、シングルアーム式とダブルアーム式がある。ダブルアーム式のパンタグラフは通常、重量が重く、昇降に多くの動力を必要とするが、故障に対する耐性も高い。
旧ソ連の鉄道では、最も広く使われているパンタグラフはダブルアーム（「2つの菱形で構成される」）ですが、1990年代後半以降、ロシアの鉄道ではシングルアームのパンタグラフもいくつか使用されています。路面電車の中にはダブルアームのパンタグラフを使用しているものもあり、ロシア製のKTM-5、KTM-8、LVS-86をはじめとする多くのロシア製路面電車や、ベルギーのユーロPCC路面電車などが挙げられます。アメリカの路面電車は、トロリーポールまたはシングルアームのパンタグラフを使用しています。
ほとんどの高速鉄道システムは第三軌条方式で電力を供給していますが、特に地上を広範囲に走行するシステムではパンタグラフを使用するものもあります。アムステルダム地下鉄の（旧）51号線、MBTAグリーンライン、クリーブランドのRTA高速鉄道、フランクフルト・アム・マインの地下鉄、サンフランシスコのMuniメトロなど、路線に市街地の道路やその他の公共エリアに線路が含まれるハイブリッド型地下鉄・路面電車、または「プレメトロ」路線のほとんどは架線方式を採用しています。これは、標準的な第三軌条方式では道路交通を妨げ、感電の危険性が非常に高くなるためです。
様々な例外の中でも、ボルドー、アンジェ、ランス、ドバイなどの路面電車システムは、アルストムが開発した独自の地下システム「APS」を採用している。このシステムは、路面電車が完全に覆う区間のみに電力を供給する。このシステムはもともと、架線システムが景観を損なうため、ボルドーの歴史地区で使用するために設計された。ボンバルディア、アンサルドブレダ、CAFなどが、架線を回避する同様のシステムを開発している。これらのシステムは、地上レベルの物理的なインフラで構成されている場合もあれば、バッテリーパックに蓄えられたエネルギーを使用して架線なしで短距離を走行する場合もある。
架空パンタグラフは、特定の冬の気象条件で第三軌条が凍結する可能性があるため、第三軌条の代替として使用されることがあります。MBTAブルーラインは、地上を走る全区間でパンタグラフ電源を使用し、地下区間に入る前に第三軌条電源に切り替えます。シドニー、マドリード、バルセロナ、ポルト、上海、香港、ソウル、神戸、福岡、仙台、ジャイプール、チェンナイ、ムンバイ、デリーの地下鉄システム全体は架線とパンタグラフを使用しています（北京、重慶、ノイダ、ハイデラバード、ジャカルタ、東京、大阪、名古屋、シンガポール、札幌、ブダペスト、メキシコシティの地下鉄システムの一部の路線も同様です）。パリのノール・シュッド鉄道でもパンタグラフが使用されていたが、当時別の運営会社であったパリ地下鉄公社が同社を買収し、架線をすべて他の路線で使用されていた標準的な第三軌条方式に置き換えた。
多くの鉄道路線は、一般的に歴史的な理由から、路線のさまざまな区間で第三軌条と架線集電の両方を使用しています。これには、ロンドン・オーバーグラウンドのノース・ロンドン線とウェスト・ロンドン線、グレート・ノーザンのノーザン・シティ線、ロッテルダム・メトロ・ネットワークの5路線のうち3路線、メトロノース鉄道のニューヘイブン線、シカゴ交通局のイエローラインが含まれます。この最後のケースでは、架線部分はシカゴ・ノースショア・アンド・ミルウォーキー鉄道の高速スコーキー・バレー・ルートの名残であり[ 15 ]、シカゴ地下鉄システム全体でパンタグラフ集電をある程度の長さで使用した唯一の路線でした。そのため、この路線ではパンタグラフと第三軌条シューを備えたレールカーが必要でしたが、架線部分はシステムのごく一部であったため、そのような装備を備えた車両はごく少数でした。切り替えは、かつてクロフォード・イースト・プレーリー駅があったイースト・プレーリーの踏切で行われました。ここでは、デンプスター・スコキー行きの列車はパンタグラフを上げ、ハワード行きの列車はパンタグラフを下げるという動作を、いずれも高速で行っていた。2005年、システムのごく一部に過ぎないこの架線システムのコストと特殊なメンテナンスの必要性から、架線システムは撤去され、システム全体で使用されている第三軌条方式に置き換えられた。これにより、シカゴのすべての鉄道車両がこの路線で運行できるようになった。スコキー行きの車両からパンタグラフはすべて撤去された。
2010年まで、オスロ地下鉄1号線はフローエン駅で第三軌条方式から架線方式に切り替わった。多くの踏切があるため、旧路線の残りの単線区間に第三軌条を設置するのは困難と判断された。 [ 16 ] 2010年以降は、踏切があるにもかかわらず第三軌条が使用されるようになった。第三軌条には隙間があるが、2つの接触シューがある。
三相電源を使用する一部のシステムでは、機関車と動力車には、走行レールから供給される第 3 相回路を備えた 2 つのパンタグラフがあります。1901 年に、シーメンス & ハルスケのウォルター ライヒェルによる別の設計の実験的な高速設備では、水平方向に伸びるパンタグラフに集電装置が取り付けられた 3 本の垂直に取り付けられた架線が使用されました。[ 17 ] [ 18 ]
上部から開放型貨車に積み込みを行う路線では、架線をずらして積み込みを可能にする場合があり、その場合、パンタグラフは垂直線に対して斜めに取り付けられる。[ 19 ]
パンタグラフと架線との接触は、通常、グラファイトのブロックを介して確保されます。この材料は潤滑剤として機能しながら電気を伝導します。グラファイトは脆いため、動作中に破片が剥がれ落ちることがあります。粗悪なパンタグラフは架線を引っ掛けて切断する可能性があり、状態の悪い電線はパンタグラフを損傷する可能性があります。これを防ぐために、パンタグラフ監視ステーションを使用できます。時速300 km (190 mph)を超える高速が持続すると、摩擦により接触ストリップが赤熱し、その結果、過度のアーク放電が発生し、最終的に故障する可能性があります。[ 20 ]
英国では、車両のパンタグラフ（Brecknell WillisおよびStone Faiveley）は空気圧で持ち上げられ、グラファイト接点の「カーボン」がパンタグラフヘッド内に空気通路を作り出し、グラファイトストリップが失われた場合に空気を放出し、自動降下装置を作動させてパンタグラフを降下させ、損傷を防ぎます。最新の電気牽引ユニットでは、グラファイトストリップが損傷した際に接触点でアーク放電によって生じる乱れを検出する、より高度な方法を使用する場合があります。電気複数ユニットには必ずしも 2 つのパンタグラフがあるわけではありませんが、ある場合は、一方が損傷した場合にもう一方を使用できます。この状況の例としては、クラス 390ペンドリーノが挙げられます。進行方向に対して後部のパンタグラフは、絡まりが発生した場合に両方のパンタグラフが損傷するのを避けるためによく使用されます。前部のパンタグラフを使用すると、絡まりによる破片が後部のパンタグラフを損傷し、両方のパンタグラフと車両が動作不能になる可能性があります。
自動降下装置（ADD）は、障害物や緊急事態が発生した場合に、電気列車のパンタグラフを自動的に降下させて、さらなる損傷を防ぐ装置です。 [ 21 ] [ 22 ]パンタグラフ降下装置とも呼ばれます。[ 23 ]
ヨーロッパでは、パンタグラフが1つまたは複数使用されている場合、それぞれ運行速度が160 km/hまたは120 km/h以上の列車には自動降下装置が義務付けられています。 [ 24 ]それ以外の場合は、列車の運行者はこれらの装置を自由に設置できます。パンタグラフが落下する原因となる損傷には、ストリップヘッド、パンタグラフヘッド、その他の部品が含まれます。最新のパンタグラフシステムには、車両の空気圧システムに接続された自動降下装置（ADD）が組み込まれています。カーボン接触ストリップが運転中に破損または損傷した場合、ADDは内部の空気圧を解放してパンタグラフを急速に降下させます。このフェイルセーフ機構は、さらなる絡まりや架線設備への広範囲な損傷を防ぐために重要です。[ 25 ]
ADDは主に空気圧システムを使用して損傷を検出します。たとえば、接触ストリップが破損すると、内部のエアチューブの圧力が低下します。非空気圧式パンタグラフ（主に路面電車や地下鉄）では、パンタグラフヘッドのピンがケーブルを引っ張ってパンタグラフを下げるなどの解決策があります。ただし、オペレーターは自由にこれを使用することができ、性能要件（距離、力、時間など）は定義されていません。[ 26 ]
架空線路の反応時間と停止反応は、本線での使用について定義されています。[ 27 ] [ 24 ]
この機能は、ADDチューブよりも高い位置に挿入されたチューブまたはインサートによって行われる摩耗検出とは異なる可能性があります。
各国の電気および機械インフラのゲージに対応するために、いくつかのパンタグラフヘッドプロファイルが存在する。ヨーロッパでは、長さ1600mmと1950mmの2つの相互運用可能なプロファイルが定義されている。[ 28 ]
インフラストラクチャは、特に導電性または絶縁性のホーンを備えた複数のヘッドプロファイルを受け入れることができます。 [ 28 ] Variopanto は、2 つの長さが可能なヘッドです。[ 29 ]
フラットパンタグラフは、狭い屋根ゲージに適合するように開発されており、フラットルーフと空気抵抗の低減を実現しています。これらは、絶縁体に固定された「従来型」パンタグラフとは異なり、絶縁された下部アームで構成されています。例：ETR1000パンタグラフ[ 30 ]
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