Панто́граф (токоприёмник типа пантограф, пантографный токоприемник) — токоприёмник с подъемным механизмом в виде шарнирного многозвенника, обеспечивающим вертикальное перемещение контактного полоза.^[1]

Пантограф служит для обеспечения надёжного электрического соединения с контактным проводом контактной сети электрического подвижного состава железных дорог (электровоза, электропоезда, в том числе их электросекций), трамваев.

Название пантографа произошло от похожего на него по форме устройства для копирования чертежей (от греч. παντ — всё, греч. γραφ — писать).

Устройство пантографа

Пантограф имеет контактный полоз, закреплённый на подвижных устройствах — каретках. Каретки упруго закреплены на верхних рамах пантографа. Верхние рамы через систему рычагов шарнирно крепятся к нижней раме. Нижняя рама пантографа через изоляторы жёстко закреплена на крыше.

Все части пантографа находятся под полным напряжением контактной сети. Ток протекает и через шарнирные соединения пантографа, для уменьшения переходного сопротивления в соединениях и электрокоррозии все шарниры имеют гибкие медные шунты. Для подъёма и опускания пантографа на трамваях используется механический привод (например, с верёвкой в кабину на советских трамваях или электропривод с дистанционным управлением на современных иностранных и российских трамваях), на электропоездах и электровозах — пневматический.

На электровозах пантографы устанавливаются на каждой секции, но не менее двух на электровоз. То есть на односекционных электровозах — два (для избыточности).^[2] На электровозах постоянного тока может устанавливаться по два пантографа на секцию, потому что более низкое, чем при переменном токе, напряжение в контактной сети обуславливает более высокие токи при трогании и разгоне. Поэтому при плохом контакте между контактным проводом и контактным полозом токоприёмника может возникать электрическая дуга, что создаёт опасность пережога контактного провода.

На электропоездах и электросекциях устанавливается по одному пантографу на моторном вагоне каждой секции. Трамваи обычно имеют по одному токоприёмнику на моторный вагон. (Но встречаются и исключения, например вагон типа 71-88Г. Современные многосекционные трамваи также, если надо, могут комплектоваться двумя токоприемниками.)

Провод подвесной контактной сети, предназначенной для использования транспортными средствами, оборудованными пантографом, укладывают не строго вдоль пути движения, а с небольшим зигзагом. Это препятствует неравномерному износу контактного полоза пантографа.

Практика использования пантографа

На электровозах, имеющих два или более пантографа, при движении обычно поднимают задний по ходу пантограф. Это может быть связано с несколькими соображениями:

• При поломке пантографа он падает назад по ходу движения. Пантограф обычно расположен на крыше локомотива около кабины управления, в то время как на крыше над машинным отделением обычно расположено крышевое оборудование (детали системы охлаждения, реостаты и пр.). При падении переднего по ходу движения пантографа назад он может повредить крышевое оборудование, что может привести к потере локомотивом возможности движения своим ходом. В то же время задний по ходу пантограф при поломке падает на крышу неиспользуемой кабины управления, где обычно нет жизненно важного оборудования.
• Если машинист при движении заметит неисправность контактной сети, угрожающую поломкой пантографа (например, обрыв струны подвески контактного провода), у него будет больше времени на опускание заднего пантографа, чем переднего.
• Локомотив при движении создаёт перед собой зону сжатия воздуха, из которой воздух истекает в стороны и вверх. Воздух, движущийся вверх, приподнимает контактный провод, и за счёт этого для переднего пантографа создаются худшие условия контакта, чем для заднего. (Значение этого фактора возрастает с увеличением скорости движения.)

На многосекционных локомотивах, в электропоездах и на электромотрисах нет необходимости поднимать пантограф на каждой секции или моторном вагоне, так как секции соединены между собой высоковольтной шиной, проходящей по крыше или по сцепке. Поэтому поднимают лишь столько пантографов, сколько необходимо для обеспечения нормального токосъёма и безопасности контактного провода от пережога.

На мощных электровозах постоянного тока, потребляющих большой ток и имеющих более одного токоприёмника на секцию (например, ЧС200), во время наибольшего энергопотребления (при трогании и разгоне) могут быть подняты все пантографы для обеспечения большего количества точек токосъёма. После разгона передние по ходу пантографы опускают.

Полупантограф

Полупантограф (название в английском языке — single arm pantograph) или асимметричный токоприемник — внешне выглядит, как половина обычного пантографа. Преимущества полупантографа перед обычным пантографом таковы:

• Меньшая масса.
• Колебания полупантографа при движении меньше раскачивают элементы контактной сети, что обеспечивает лучший прижим полоза токоприёмника к контактному проводу и, таким образом, лучший токосъём. Это особенно важно при скоростях движения выше 60—70 км/ч.
• Требуется меньше места на крыше, что облегчает размещение крышевого оборудования. Некоторые виды электрического подвижного состава, рассчитанные на работу с несколькими системами электропитания (многосистемные), имеют разные пантографы для разных родов тока.
• Меньшая материалоёмкость.
• Требуется меньшая мощность привода для подъёма и опускания полупантографа.

Однако есть у полупантографа и недостаток — меньшая прочность. Известны случаи, когда хозяйства, неспособные поддерживать подвижной состав и контактную сеть в надлежащем состоянии, переоборудовали полупантографы в пантографы.

Трамвайный пантограф

Если железнодорожные пантографы стали применяться уже на самых первых электрических железных дорогах, то трамвайные пантографы появились не сразу. До массового распространения трамвайных пантографов довольно широко были распространены трамваи со штанговыми и бугельным токоприёмниками. (Показательно, в частности, то, что некоторые города продолжают эксплуатировать трамваи со штанговым токоприёмником, несмотря на то, что пантограф намного надёжнее штангового приёмника.)

Пантограф против штанги

Первые трамваи с пантографами появились в США в 30-е годы. До этого в США безраздельно господствовал штанговый токоприемник, использовавшийся и во многих других странах Америки и некоторых странах Европы. Но штанговый токоприемник обладает следующими недостатками:

• нуждается в устройстве стрелок на контактном проводе; подобная проблема существует и в современных троллейбусных системах, так как троллейбус не может эксплуатировать пантограф;
• подвержен риску схода с контактного провода; сход современных троллейбусных токосъемных штанг, являющихся потомками трамвайных, с проводов контактной линии — событие довольно частое;
• сравнительно трудноуправляем; разработка дистанционного управления токосъёмными штангами, особенно троллейбусными, — нетривиальная задача, до сих пор водитель троллейбуса вынужден вручную опускать и поднимать токосъемные штанги;
• сравнительно громоздкий; в опущенном виде трамвайная штанга или две троллейбусные штанги занимают половину крыши трамвайного вагона или кузова троллейбуса соответственно.

Пантограф ото всех этих недостатков свободен. В частности:

• сравнительно компактен и в опущенном виде занимает во много раз меньше места, чем штанга;
• не нуждается в устройстве стрелок на контактном проводе; трамвайная контактная сеть в результате конструктивно сравнительно проста и, как следствие, более надежна;
• пантографом сравнительно легко управлять; в простейшем случае пантограф управляется (опускается и поднимается) посредством управляющего тонкого троса, пропущенного в кабину машиниста; также сравнительно проста проблема дистанционного (например, посредством электропривода) управления пантографом.

Пантограф также симметричен относительно скорости движения — допускает движение в обоих направлениях с одинаковой скоростью. Штанговый токоприемник (любой) таким свойством не обладает. То есть, и трамвай со штанговым токоприемником, и троллейбус могут достаточно быстро ехать только вперед, но назад и тот, и другой могут ехать только сравнительно медленно. Трамвай же с пантографом может одинаково быстро ехать и вперед, и назад. Последний фактор обуславливает тот факт, что практически все современные двусторонние трамваи оснащаются только пантографами (или полупантографами). Естественно, пантограф практически вытеснил штангу, и подавляющее большинство современных трамваев используют пантографы или полупантографы. Трамваи же со штанговыми токоприёмниками сохранились лишь в очень небольшом количестве городов, где они, помимо транспортной функции, вкупе с городской архитектурой выполняют декоративную функцию.

Пантограф против бугеля

Бугельный токоприемник обладает многими (но не всеми!) преимуществами пантографа перед штанговым токоприемником. То есть, как и пантограф, бугель не нуждается в устройстве стрелок на контактном проводе и не подвержен риску схода с контактного провода. Как и при использовании пантографа, при использовании бугеля трамвайная контактная сеть получается конструктивно сравнительно простой (отсутствуют за ненадобностью стрелки на контактном проводе) и, как следствие, более надёжной. На этом фоне в Европе, сделавшей ставку на бугельный токоприёмник ещё на заре трамвая как вида транспорта, преимущества пантографа перед бугелем поначалу замечены не были. Более того, достаточно долгое время (как это наблюдалось, например, в СССР) трамваи с бугелями и трамваи с пантографами эксплуатировались одновременно одними и теми же трамвайными системами. Но бугель, как и штанговый токоприемник, сравнительно трудноуправляем; трамвайный пантограф в простейшем случае довольно легко управляется посредством простого тонкого троса, пропущенного в кабину машиниста, тогда как бугелем так управлять из кабины машиниста просто физически не получится. Частично уравнивает шансы пантографа и бугеля дистанционное управление (с электроприводом, например), но электропривод для управления бугелем требуется более мощный, чем для управления пантографом. Также, как и штанговый токоприемник, бугель сравнительно громоздкий — в опущенном положении бугель занимает половину крыши трамвайного вагона. Сыграло свою роль и отсутствие необходимости переделки контактной сети при отказе от бугеля в пользу пантографа. В результате пантограф одержал победу и над бугелем — в настоящее время бугельный токоприёмник используют только поддерживаемые в исправном состояние старые трамваи, используемые в большинстве случаев лишь для экскурсионных поездок.

Автомобильный пантограф

Компания Siemens разрабатывает грузовик с гибридным двигателем использующий пантограф.^[3] Использование пантографа (в отличие от штанги в троллейбусах), не требует остановки для подсоединения/отсоединения от сети.

См. также

• Штанга (токоприёмник)
• Дуговой токоприёмник

Примечания