Pantograf (kereta api)

Sebuah pantograf (atau "pan" atau "panto") adalah alat yang dipasang di atap kereta listrik, tram, atau trolley bus^[1] untuk mengambil daya dengan menyentuh kabel aliran atas. Istilah ini berasal dari kemiripan bentuk beberapa modelnya dengan pantograf mekanik yang dipakai untuk menyalin tulisan tangan dan gambar.

Untuk instrumen peta, lihat Pantograf.

Pantograf batang listrik berbentuk berlian pada lokomotif gerigi Swiss milik Schynige Platte railway di Schynige Platte, dibuat tahun 1911

Pantograf lengan silang pada KRL Toshiba

Pantograf adalah jenis umum pengumpul arus; biasanya digunakan satu atau dua kawat, dengan arus balik mengalir melalui rel. Jenis pengumpul arus lainnya meliputi bow collector dan trolley pole.

Penemuan

Pantograf datar awal (1895) pada lokomotif listrik Baltimore & Ohio Railroad. Kontak kuningan berjalan di dalam batang berbentuk Π, sehingga diperlukan kelenturan lateral maupun vertikal.

Pantograf, dengan strip kontak grafit berfriksi rendah yang dapat diganti—disebut "sepatu"—untuk meminimalkan tekanan lateral pada kawat kontak, pertama kali muncul akhir abad ke-19. Versi awalnya termasuk bow collector yang ditemukan tahun 1889 oleh Walter Reichel, kepala insinyur Siemens & Halske di Jerman,^[2][3] serta pantograf slide datar yang pertama kali dipakai pada 1895 oleh Baltimore and Ohio Railroad.^[4]

Pantograf rol berbentuk berlian yang familiar dirancang dan dipatenkan oleh John Q. Brown dari bengkel Key System untuk kereta komuter yang berjalan antara San Francisco dan East Bay di California.^[5][6][7][8] Foto hari pertama operasinya, 26 Oktober 1903, sudah menampakkan bentuk berlian tersebut.^[9] Selama berpuluh tahun sesudahnya, bentuk berlian sama digunakan di berbagai sistem kereta listrik di seluruh dunia dan masih dipakai sebagian hingga kini.

Pantograf merupakan penyempurnaan dari trolley pole sederhana yang dominan sebelumnya, terutama karena pantograf memungkinkan kendaraan listrik melaju jauh lebih cepat tanpa kehilangan kontak dengan kawat atas, misalnya akibat keluarnya trolley pole dari kawat.

Meski demikian, pengumpulan arus dengan trolley pole berhasil digunakan hingga kecepatan 140 km/h (90 mph) pada rangkaian Electroliner milik Chicago North Shore and Milwaukee Railroad.

Penggunaan modern

Jenis pantograf paling umum saat ini adalah setengah pantograf (sering berbentuk Z), dikembangkan agar lebih ringkas dan responsif pada kecepatan tinggi seiring makin cepatnya kereta. Louis Faiveley menciptakan tipe ini pada 1955.^[10] Setengah pantograf dipakai di berbagai kendaraan, mulai kereta sangat cepat (seperti TGV) hingga trem perkotaan berkecepatan rendah. Desain ini bekerja sama baiknya di kedua arah, sebagaimana ditunjukkan oleh kereta Swiss dan Austria terbaru—lokomotif Re 460 dan Taurus—yang memasang pantograf menghadap belakang. Di Eropa, geometri dan bentuk pantograf diatur oleh CENELEC, Komite Standardisasi Elektroteknik Eropa.^[11]

Pantograf umumnya dipakai untuk menyuplai daya traksi, tetapi pada kasus tertentu digunakan untuk fungsi lain, misalnya:

• Pengukuran mekanis dan pengujian katenary baru (dengan atau tanpa tegangan) menggunakan kereta inspeksi;
• Catu daya umum untuk kereta pengukuran;
• Catu daya AC 3 kV sebuah rangkaian ber-AC melalui pantograf di van RENFE ketika tidak ada lokomotif;
• Catu daya kereta restorasi yang diparkir di jalur samping di bawah katenary 15 kV 16 ⅔ Hz (dilakukan di Swiss dan Jerman);
• Pembumian katenary saat pekerjaan perawatan dari kendaraan kerja tertentu.

Rincian teknis

Pantograf berbentuk Z (asimetris) pada trem Berlin Straßenbahn. Desain satu lengan.

Sistem transmisi listrik kereta modern terdiri atas kawat atas pembawa beban (catenary), dari mana kawat kontak digantung. Pantograf diberi pegas untuk menekan sepatu kontak ke permukaan bawah kawat kontak guna menarik arus. Rel baja menjadi penghantar balik. Saat kereta bergerak, sepatu kontak meluncur di kawat dan dapat membangkitkan standing wave yang memutus kontak serta menurunkan kualitas pengumpulan arus; karena itu di beberapa sistem pantograf berurutan tidak diizinkan dinaikkan bersamaan.

LRV Flexity Outlook dengan pantograf terangkat. Terlihat trolley pole di belakang sebagai kompatibilitas dengan segmen yang belum ditingkatkan.

Pantograf menggantikan trolley pole pada kebanyakan sistem modern. Trolley pole masih dipakai trolleybus, yang membutuhkan dua kawat dan keluwesan ekstra, serta beberapa jaringan trem seperti Toronto streetcar system dengan tikungan tajam. Jaringan-jaringan tersebut kini tengah ditingkatkan untuk operasi pantograf.

Pantograf dan kawat atas kini dominan dalam sistem listrik kereta modern di jalan kota, jalur utama, dan kecepatan tinggi karena—walau lebih rapuh daripada third rail—lebih aman bagi publik (terlindung oleh jarak), memungkinkan tegangan lebih tinggi (khususnya AC), dan mendukung kecepatan lebih tinggi.

Pantograf biasanya dioperasikan oleh udara terkompresi dari sistem rem kendaraan: udara menaikkan unit dan menahannya pada kawat, atau—bila pegas yang mengangkat—menurunkannya. Pada sistem tegangan tinggi, udara yang sama digunakan untuk memadamkan busur listrik pada pemutus sirkuit atap.^[12][13]

Pantograf tunggal dan ganda

Pantograf Brecknell Willis pada British Rail Class 333

Diagram bagian pantograf ICE S

Pantograf lengan tunggal Faiveley generasi pertama pada lokomotif British Rail Class 85

Pantograf bisa berlengan tunggal atau ganda. Lengan ganda biasanya lebih berat dan membutuhkan lebih banyak tenaga untuk naik-turun, tetapi cenderung lebih toleran terhadap kerusakan.

Di bekas Uni Soviet, pantograf lengan ganda (“dua belah ketupat”) paling banyak dipakai, tetapi sejak akhir 1990-an pantograf lengan tunggal mulai digunakan di Rusia. Beberapa trem—misalnya KTM-5, KTM-8, LVS-86—juga memakai lengan ganda. Trem Amerika umumnya memakai trolley pole atau lengan tunggal.

Pantograf trem CAF di Beograd

Sistem metro dan kawat atas

Pantograf simetris berbentuk berlian pada trem Praha

Sebagian besar rapid transit menggunakan third rail, tetapi beberapa memakai pantograf, terutama jika banyak lintasan permukaan. Sistem hibrida metro-tram (pre-metro) seperti jalur 51 (dulu) Amsterdam Metro, MBTA Green Line, RTA Rapid Transit Cleveland, Frankfurt U-Bahn, dan Muni Metro San Francisco menggunakan kawat atas karena third rail akan menghalangi lalu lintas jalan dan berbahaya.

Beberapa sistem trem (Bordeaux, Angers, Reims, Dubai) memakai sistem tanah propriatari Alstom bernama APS, hanya memberi daya pada segmen yang tertutup kereta—untuk menjaga estetika area bersejarah. Sistem serupa dikembangkan Bombardier, AnsaldoBreda, CAF, dll., berupa infrastruktur tanah atau baterai agar kereta dapat melintas tanpa kawat.

Pantograf kadang dipilih daripada third rail di iklim dingin—third rail dapat membeku. Blue Line (MBTA) memakai pantograf di jalur permukaan, lalu beralih ke third rail di terowongan. Seluruh metro Sydney, Madrid, Barcelona, Porto, Shanghai, Hong Kong, Seoul, Kobe, Fukuoka, Sendai, Jaipur, Chennai, Mumbai, Delhi, serta sebagian jalur metro di Beijing, Chongqing, Noida, Hyderabad, Jakarta, Tokyo, Osaka, Nagoya, Singapore, Sapporo, Budapest, Mexico City menggunakan kawat atas. Pantograf juga dipakai di jalur cepat Nord-Sud Company Paris hingga diubah ke third rail setelah diambil alih Compagnie du chemin de fer métropolitain de Paris.

Banyak jalur memakai third rail dan pantograf di bagian berbeda karena faktor historis—mis. North London line, New Haven Line, jalur Yellow Line Chicago (sebelum 2005), dll.^[14]

Hingga 2010, Oslo Metro jalur 1 berganti third rail–pantograf di stasiun Frøen; setelah 2010 dipasang third rail meski banyak lintasan sebidang.^[15]

Pasokan tiga fasa

Kereta uji tiga fasa, Jerman, 1901

Pada sistem listrik tiga fasa, lokomotif memiliki dua pantograf dan fase ketiga melalui rel. Tahun 1901, instalasi kecepatan tinggi eksperimental Walter Reichel (Siemens & Halske) memakai tiga kawat vertikal dengan pantograf horizontal.^[16][17]

Pantograf miring

Pantograf miring dengan kawat atas bergeser untuk memuat gerbong terbuka

Pada jalur tempat gerbong terbuka diisi dari atas, kawat kontak bisa digeser; pantograf dipasang miring.^[18]

Kelemahan

Kontak pantograf–kawat biasanya memakai blok grafit, yang menghantar listrik sambil bertindak sebagai lubrikasi. Grafit rapuh; potongan dapat patah. Pantograf yang buruk bisa menarik kawat dan merusaknya; kawat yang buruk juga dapat merusak pantograf. Stasiun pemantau pantograf dapat mencegah hal ini. Pada kecepatan >300 km/h (190 mph), gesekan dapat memanaskan strip kontak menjadi merah membara, memicu busur dan kegagalan.^[19]

Di Inggris, pantograf (Brecknell Willis dan Stone Faiveley) dinaikkan dengan udara; hilangnya strip grafit menurunkan tekanan, memicu *automatic drop device* (ADD) yang menurunkan pantograf. Unit modern memakai deteksi busur lebih canggih. Biasanya pantograf belakang (relatif arah jalan) dipakai agar jika rusak, pantograf depan tidak merusak yang belakang.

Perangkat penurun otomatis

Automatic dropping device (ADD) otomatis menurunkan pantograf guna mencegah kerusakan lanjut.^[20][21] Di Eropa, ADD wajib untuk kecepatan ≥160 km/jam (satu pantograf) atau ≥120 km/jam (lebih dari satu).^[22]

Sistem ini biasanya bersifat pneumatik; penurunan tekanan akibat strip patah menurunkan pantograf. Pada pantograf non-pneumatik, pin penarik kabel dapat digunakan. Kinerja (jarak, gaya, waktu) tidak distandarkan.^[23][24]

Lain-lain

Berbagai profil kepala pantograf disesuaikan dengan batas ruang dan listrik tiap negara. Di Eropa, dua profil interoperabel 1600 mm dan 1950 mm ditetapkan.^[25] Beberapa infrastruktur menerima beberapa profil, mis. kepala *Variopanto* dengan dua panjang.^[26]

Pantograf datar mulai muncul untuk atap sempit, meminimalkan dampak aerodinamika—mis. pantograf ETR1000.^[27]