داخل نظام الأسلاك الهوائية الذي يزوّد قطار ركاب كهربائياً بالطاقة

حين تنظر إلى خط سكة حديد مكهرب، قد تبدو الأسلاك العلوية متشابكة لأنك ترى في وقت واحد مسار التيار، وحوامل ميكانيكية، وعوازل، وأجهزة شد، وتجهيزات خاصة بالمنحنيات والتحويلات. ولكي تقرأ هذه المنظومة، تتبّع ثلاثة عناصر: البانتوغراف فوق القطار، والسلك الأدنى الذي يلامسه، وما يعلو ذلك السلك من بنية تحمله وتضبط موضعه.

هذه العناصر تؤدي وظائف منفصلة. فالقطار يأخذ الطاقة من تماس متحرك، بينما تعمل بقية التجهيزات على إبقاء نقطة التماس في الارتفاع والموضع والشد المطلوبين خلال مرور القطار.

البانتوغراف ينزلق تحت سلك التلامس

يستمد قطار الركاب الكهربائي طاقته عادة بواسطة البانتوغراف، وهو إطار متحرك مثبت على السقف وتدفعه منظومة زنبركية أو هوائية إلى أعلى. ويجب أن تكون قوة الرفع كافية لاستمرار التلامس، من دون ضغط مفرط يسرّع تآكل السلك أو يضر بالمجمّع.

تشرح هيئة نيوجيرسي ترانزيت أن سلك التلامس هو السلك الرئيسي الذي يمس بانتوغراف القطار مباشرة ويزوده بالطاقة. ومن ثم لا يمسك البانتوغراف بالسلك ولا يتحرك معلقا به؛ بل ينزلق شريط التلامس الموجود في أعلاه على السطح السفلي للسلك أثناء سير القطار.

ينتج عن ذلك تماس كهربائي وميكانيكي مستمر بين شريط البانتوغراف، الذي يكون كربونيا في كثير من التطبيقات، والسلك المعدني. وقد تسمع قرب الخط المكهرب احتكاكا خفيفا عند مستوى السقف، خصوصا عندما يمر البانتوغراف تحت نقاط الدعم أو المواضع التي تتغير فيها هندسة الشبكة.

يحتاج هذا التماس إلى سلك مضبوط الارتفاع والشد والمحاذاة. كما يُزاح سلك التلامس جانبيا بدرجة مدروسة على امتداد المسار، فيتحرك موضع ملامسته عبر عرض الشريط عوض أن يظل فوق النقطة نفسها. وتتعامل مواصفات وكالة الاتحاد الأوروبي للسكك الحديدية مع ارتفاع خط التلامس وانحرافه عن محور البانتوغراف باعتبارهما من المعايير الهندسية التي تحكم توافق القطار مع الخط العلوي.

من سلك واحد إلى منظومة كاتينارية

سلك التلامس هو عادة أدنى الأسلاك الممتدة فوق القضبان. وفوقه يوجد السلك الحامل، أو سلك الكاتيناري، وتتصل بهما وصلات تعليق قصيرة تسمى القطّارات. يحمل السلك العلوي الحمل الميكانيكي، فيما تضبط القطّارات مستوى السلك السفلي بين نقاط الارتكاز حتى يظل مساره مناسبا لمرور البانتوغراف.

يعرض معهد الهندسة والتكنولوجيا أبسط صورة للمعدات العلوية على أنها سلك تلامس مثبت عند طرفيه ومدعوم في نقاط وسطية للتحكم في ترهله وارتفاعه. وعندما ترتفع السرعة أو يطول البحر بين الدعامات أو تتعقد هندسة المسار، تضاف عناصر حمل وتعليق وشد كي يبقى سطح الالتقاط مستقرا بالقدر المطلوب.

تتوزع وظائف ما تراه في الأعلى على نقل الكهرباء، وحمل الوزن، والمحافظة على الشد، وعزل الأجزاء الحية عن الصواري والجسور، وضبط المسافة بين تجهيزات المسارات المتجاورة. وقد توجد أيضا فواصل كهربائية تسمح بتقسيم التغذية إلى أقسام يمكن عزل أحدها عند التشغيل أو الصيانة.

وتزداد كثافة القطع حول المنحنيات والتحويلات والتقاطعات ومداخل المحطات. ففي المسار المستقيم يمكن تثبيت السلك بهندسة متكررة نسبيا، أما عند تفرع القضبان فينبغي ترتيب أسلاك التلامس بحيث ينتقل البانتوغراف بينها من غير أن يصطدم بنهاية سلك أو بذراع دعم. ولهذا ترى أذرعا جانبية وحوامل ونقاط تثبيت إضافية قرب مناطق التشعب.

الشد والحرارة والتآكل

الأسلاك المعدنية تتمدد عندما ترتفع حرارتها وتنكمش حين تنخفض. ويبين تقرير فريق الحرارة الشديدة في نتورك ريل أن سلك التلامس وسلك الكاتيناري والموصلات الأخرى مصنوعة من معادن مثل النحاس وسبائكه أو الألومنيوم، ولها معامل تمدد حراري موجب. ومن دون تعويض هذا التغير يمكن أن يزداد الترهل أو يتبدل موضع السلك بالنسبة إلى البانتوغراف.

تعالج تجهيزات الشد هذه المشكلة باستخدام أوزان أو نوابض وآليات موازنة بحسب تصميم الشبكة. تسمح الآلية للسلك بأن يتغير طوله مع الحرارة مع إبقاء قوة الشد ضمن المجال الذي صممت له المنظومة. أما نقاط التثبيت والعوازل فتحدد مواضع الأجزاء الحية وتحول دون انتقال التيار إلى المنشآت المعدنية المؤرضة.

ولا تعمل الشبكة في ظروف مختبرية ثابتة. فهي تتعرض للرياح والمطر والجليد والاهتزاز والإجهاد المتكرر، بينما يرفع كل بانتوغراف سلك التلامس قليلا ويدفع موجة ميكانيكية عبره. وقد أوضحت أبحاث ديناميكا الخطوط العلوية أن قوة التلامس بين السلك والبانتوغراف تتغير أثناء الحركة؛ فإذا انخفضت كثيرا قد ينفصل التلامس لحظيا، وإذا ارتفعت أكثر من اللازم زاد الحمل والتآكل.

لهذا تقيس فرق الصيانة سمك سلك التلامس وتراجع ارتفاعه وانحرافه الجانبي وحالة القطّارات والمشابك والعوازل. كما تفحص شرائط البانتوغراف، لأن التآكل غير المنتظم في سطح التلامس يمكن أن يؤثر في جمع التيار ويلحق الضرر بالسلك أو بالمجمّع. وتستبدل الأجزاء عند بلوغ حدودها المقررة قبل أن يتحول العيب الموضعي إلى انقطاع في الخط العلوي.

لماذا تبدو التجهيزات أكثر تعقيدا من اللازم؟

لأن كل جزء ظاهر يعالج قيدا مختلفا. يحتاج سلك التلامس إلى موضع يسمح للبانتوغراف بالوصول إليه، لكنه يحتاج أيضا إلى بنية تحمله بين الأعمدة، وآلية تضبط شده، وعوازل تفصله عن المنشآت، وتجهيزات توجهه فوق المنحنيات والتحويلات.

ويضاف إلى ذلك أن خطوط السكك الحديدية لا تستخدم كلها الجهد الكهربائي نفسه أو ترتيب الكاتيناري نفسه. قد تعتمد شبكة على كاتيناري بسيط، بينما تستخدم أخرى ترتيبا مركبا أو سلك تلامس صلبا في بعض الأنفاق. وتتغير أشكال الأعمدة والبوابات وآليات الشد والفواصل تبعا لمعايير الجهة المشغلة، وسرعة الخط، والمسافات المتاحة، وهندسة الجسور والمحطات.

لا تمثل كثرة الأسلاك تكرارا للوظيفة ذاتها. السلك الأدنى مخصص للتلامس، والسلك الأعلى للحمل، والقطّارات للمحافظة على الشكل، والأذرع لضبط الموضع الجانبي، والعوازل للفصل الكهربائي، وأجهزة الشد لتعويض تغير الطول. وعندما تتعرف إلى وظيفة كل فئة، يمكنك تمييز البنية الأساسية حتى في أكثر مناطق المحطات ازدحاما.

اقرأ الشبكة من سقف القطار إلى أعلى

ابحث أولا عن البانتوغراف فوق سقف القطار، ثم اتبع رأسه إلى أدنى سلك فوقه مباشرة. هذا هو سلك التلامس في الترتيب الكاتيناري المعتاد. وإذا شاهدت السلك ينحرف قليلا بين جهة وأخرى على امتداد المسار، فأنت ترى المحاذاة الجانبية التي توزع موضع التماس على عرض شريط البانتوغراف.

فوقه ستجد السلك الحامل، وبين الاثنين قطّارات رأسية أو مائلة. أما الأذرع الخارجة من الصواري والبوابات فتحدد موضع الأسلاك بالنسبة إلى محور القضبان، وتظهر العوازل عند نقاط الاتصال بالمنشآت المعدنية أو عند الفصل بين أقسام كهربائية.

في المنحنيات والتحويلات، راقب كيف تتكاثر نقاط الدعم وتتغير زوايا الأذرع. هناك يجب أن تتبع الأسلاك مسارات القضبان المختلفة مع إبقاء سطح صالح لمرور رأس البانتوغراف. وبذلك تنقسم الشبكة التي تراها إلى مسار تلامس، وبنية حمل، وتجهيزات محاذاة، وعزل، وشد.