Rel ketiga
Rel ketiga adalah metode penyediaan tenaga listrik untuk kereta, melalui konduktor kaku semi-kontinyu yang ditempatkan di samping atau di antara rel dari jalur kereta api. Hal ini digunakan biasanya dalam angkutan massal atau "rapid transit system", yang memiliki koridor sendiri, sepenuhnya atau hampir sepenuhnya dipisahkan dari lingkungan luar. Sistem rel ketiga selalu dipasok listrik arus searah.
Sistem rel ketiga adalah sarana penyediaan tenaga listrik bertraksi untuk kereta api, dan ia menggunakan rel tambahan (disebut "rel konduktor"). Pada umumnya, rel konduktor ditempatkan pada sisi luar jalur kereta, tetapi dalam beberapa kasus rel konduktor ditempatkan di tengah-tengah jalur kereta. Rel konduktor ditunjang oleh isolator keramik (dikenal sebagai "pot"), yang biasanya pada interval sekitar 10 kaki (3 meter).
Keretanya memiliki sebuah kontak logam yang disebut "shoes" (atau "contact shoes", Indonesia: bantalan kereta) yang bersentuhan langsung dengan rel konduktor. Traksi listrik dikembalikan langsung ke stasiun pembangkit melalui jalur kereta. Konduktor kereta api biasanya terbuat dari baja berkonduktivitas tinggi, dan jalur kereta yang terhubung elektris menggunakan kawat obligasi atau perangkat lain, untuk meminimalisir resistensi di sirkuit listrik.
Rel konduktor harus tidak digunakan di perlintasan kereta api dan pada persimpangan rel karena alasan keselamatan, dan sebuah lekukan harus disediakan di setiap ujung bagian untuk memberikan kelancaran transisi ke logam bantalan kereta.
Posisi kontak antara kereta api dan rel ketiga bervariasi: beberapa sistem awal menggunakan kontak atas, namun dalam perkembangannya menggunakan kontak sisi atau kontak bawah, yang memungkinkan rel konduktor dapat diselimuti, melindungi para pekerja rel dari kontak yang tidak disengaja dan melindungi rel konduktor dari salju dan guguran daun.
Sistem traksi listrik (di mana listrik yang dihasilkan di pembangkit listrik jarak jauh dan dikirim ke kereta) jauh lebih hemat daripada memakai diesel atau uap, dimana unit-unit daya terpisah harus dilakukan pada setiap kereta. Keuntungan ini terutama ditandai dalam sistem angkutan massal perkotaan dengan kepadatan lalu lintas tinggi.
Karena keterbatasan mekanik pada kontak ke rel ketiga, kereta api yang menggunakan metode ini memiliki kecepatan yang lebih rendah dibandingkan mereka yang menggunakan kabel listrik aliran atas dan pantograf. Namun, hal ini mungkin lebih disukai di dalam kota karena tidak ada kebutuhan untuk kereta kecepatan tinggi dan tidak menyebabkan polusi visual.
Sistem rel ketiga lebih murah untuk dipasang daripada kabel listrik aliran atas, karena tidak ada struktur untuk penyangga kabel listrik aliran atas yang diperlukan, dan tidak ada biaya tambahan untuk membuatnya di jembatan ataupun di terowongan.
Namun, karena sistem rel ketiga memiliki bahaya sengatan listrik yang berada dekat dengan tanah, tegangan tinggi (di atas 1.500 V) tidak dianggap aman. Sebuah arus yang sangat tinggi karena itu harus digunakan untuk mentransfer daya yang memadai, mengakibatkan kerugian resistif yang tinggi, dan membutuhkan gardu listrik yang berjarak relatif dekat.
Rel ketiga mengancam siapa pun yang bersentuhan dengannya. Hal ini dapat dihindari dengan menggunakan pintu layar peron, atau risiko dapat dikurangi dengan menempatkan rel konduktor di sisi berseberangan dengan peron, tergantung tata letak stasiun.
Ada juga risiko pejalan kaki berjalan melewati rel ketiga di perlintasan kereta api. Di AS, Mahkamah Agung Illinois tahun 1992 membuat keputusan vonis $1.500.000 kepada Otoritas Transportasi Chicago karena gagal menghentikan orang mabuk yang berjalan ke arah rel ini di persimpangan kereta api dan mencoba untuk mengencingi rel ketiga tersebut. Paris Metro memiliki tanda peringatan bahaya mengencingi rel ketiga, tindakan pencegahan yang mana Chicago tidak mempunyainya.
Lekukan rel konduktor (yang mana itu ujung, maupun pengubahan sisi) memiliki batasan pada kecepatan karena dampak mekanik bantalan kereta, dan dianggap sebagai batas atas dalam sistem rel ketiga. Rekor kecepatan dunia untuk kereta yang menggunakan rel ketiga adalah dicapai pada tanggal 11 April 1988 oleh British Class 442 EMU.
Sistem rel ketiga yang menggunakan kontak atas rentan terhadap salju, dan ini dapat mengganggu pengoperasian kereta. Rel ketiga dapat dipasang sistem pemanas untuk menghilangkan es maupun salju dari rel.
Tidak seperti sistem rel ketiga, kabel listrik aliran atas dapat dipengaruhi oleh angin kencang yang dapat menyebabkan terhentinya semua kereta. Petir juga dapat merusak kabel dan mengakibatkan korsleting listrik.
Sistem elektrifikasi rel ketiga, terlepas dari baterai on-board, cara tertua memasok tenaga listrik untuk kereta api pada rel adalah menggunakan koridor mereka sendiri, terutama di kota-kota. Sistem kabel listrik aliran atas awalnya hanya digunakan secara eksklusif pada trem, meskipun juga muncul perlahan-lahan pada sistem perkeretaapian.
Kontak atas rel ketiga (lihat di bawah) tampaknya menjadi bentuk tertua. Kereta api perintis penggunaan rel ketiga adalah New York Central Railroad di lokasi yang dekat dengan Grand Central Terminal, New York City (1907 - penggunaan lain dari rel ketiga), Philadelphia Market Street Subway (1907), dan yang Hochbahn di Hamburg (1912), yang mana pada saat itu dikenal sebagai sistem Wilgus-Sprague. Namun, Jalur Manchester-Bury Lancashire & Yorkshire Railway mencoba kontak sisi rel pada tahun 1917. Teknologi ini muncul di penggunaan yang lebih luas hanya pada pergantian tahun 1920-an dan pada tahun 1930, misalnya, Berlin U-Bahn, Berlin S-Bahn dan Metro Moskow. Hamburg S-Bahn telah menggunakan kontak sisi rel ketiga pada 1200 V DC sejak tahun 1939.
Pada tahun 1956, kereta api beroda karet pertama di dunia, Line 11 dari Paris Metro, dibuka. Rel konduktor berkembang menjadi sepasang rel pembimbing yang diperlukan untuk menjaga bogie tetap berada di dalam jalur. Solusi ini diubah pada tahun 1971 oleh Namboku Line dari Sapporo Subway, di mana rel pembimbing dan satu rel bertenaga listrik digunakan secara bersamaan seperti pada kereta api konvensional.
Sistem rel ketiga tidak dianggap usang. Namun, negara-negara (terutama Jepang, Korea Selatan, India, dan Spanyol) lebih mengutamakan penggunaan kabel listrik aliran atas untuk kereta api di wilayah perkotaan. Tetapi pada saat yang sama, ada (dan masih) banyak sistem rel ketiga baru yang dibangun di tempat lain, termasuk negara-negara berteknologi maju (misalnya Copenhagen Metro, Taipei Metro, dan Wuhan Metro).
Ide pertama memberi listrik untuk kereta api dari sumber eksternal adalah dengan menggunakan kedua rel digunakan kereta untuk berjalan, dimana setiap rel merupakan konduktor untuk setiap polaritas, dan terisolasi oleh bantalan rel. Metode ini digunakan oleh sebagian besar kereta api, namun tidak bekerja dengan baik untuk kereta besar. Selanjutnya penggunaan roda terisolasi atau as terisolasi diperlukan. Karena sebagian besar bahan isolasi memiliki sifat mekanik yang lebih buruk dibandingkan dengan logam yang digunakan untuk tujuan ini, hasil ini kurang stabil. Namun, hal itu tetap digunakan pada awal pengembangan kereta listrik.
Rel ketiga biasanya terletak di luar jalur kereta, tetapi ada juga yang berada di tengah-tengah jalur. Listrik ditransmisikan ke kereta melewati bantalan kereta yang bergesekan dengan rel konduktor. Pada kebanyakan sistem, selimut isolasi disediakan di atas rel ketiga untuk melindungi karyawan yang bekerja di dekat rel; kadang-kadang bantalan kereta dirancang untuk bersentuhan lewat sisi (disebut kontak sisi) atau bawah (disebut kontak bawah) dari rel ketiga, memungkinkan selimut pelindung dipasang langsung di permukaan atasnya. Ketika bantalan kereta bergesekan di atas, ini disebut gesekan atas. Ketika bantalan kereta bergesekan di bagian bawah, ini disebut gesekan bawah, yang mana dapat mengurangi pengaruh dari penumpukan salju, es, atau daun.
Pada desain lain, rel ketiga (arus maju, di luar rel berjalan) dan rel keempat (arus balik, di tengah jalur kereta), digunakan oleh beberapa sistem beroda besi; lihat rel keempat. London Underground adalah yang terbesar dari penggunaan ini.
Sistem rel ketiga merupakan cara alternatif dari sistem kabel listrik aliran atas yang mengirimkan kekuatan untuk kereta api lewat pantograf yang berada pada atap kereta. Sistem kabel listrik aliran atas dapat beroperasi pada 25 kV atau lebih, menggunakan Arus bolak-balik (AC), sedangkan sistem rel ketiga tidak dapat beroperasi di atas 1500 V, yang mana menggunakan arus searah (DC). Di beberapa tempat, kedua sistem tersebut digunakan secara bersamaan.
Beberapa sistem menggunakan rel ketiga, dan tenaga lain seperti listrik aliran atas atau tenaga diesel. Ini mungkin karena adanya pembagian wilayah jalur kereta api secara terpisah, peraturan daerah, atau alasan historis lainnya.
Di wilayah selatan British Rail, depo kereta barang diberi sebuah kabel listrik aliran atas untuk menghindari bahaya dari rel ketiga. Lokomotifnya dilengkapi dengan pantograf.
Di New York City, kereta listrik yang harus menggunakan rel ketiga setelah meninggalkan Grand Central Terminal beralih ke sistem listrik aliran atas di Pelham ketika mereka harus beroperasi keluar dari New York, melewati New Haven Line Metro Utara ke Connecticut. Pemindah dibuat di dalam kereta, dan dikendalikan dari posisi masinis.
Blue Line dari Otoritas Transportasi Teluk Massachusetts Boston menggunakan elektrifikasi rel ketiga dari awal jalur di pusat kota sampai ke stasiun Airport, di mana ia beralih ke sistem kabel listrik aliran atas untuk sisa jalurnya sampai ke stasiun Wonderland. Bagian terluar dari Blue Line berada sangat dekat dengan Samudera Atlantik, dan ada kekhawatiran tentang kemungkinan penumpukan salju dan es pada rel ketiga yang berada begitu dekat dengan air.
Metode penggunaan bersama rel ketiga dengan listrik aliran atas juga digunakan pada beberapa kereta api antarkota AS yang memanfaatkan rel ketiga baru di daerah pinggiran kota, dan kabel listrik aliran atas di daerah pusat kota, misalnya Skokie Swift di Chicago.
Beberapa jenis kereta di Inggris telah dapat beroperasi pada kedua penggunaan kabel listrik aliran atas dengan rel ketiga, termasuk British Rail Class 313, 319, 325, 350, 365, 375/6, 377/2, 377/5, 377/7, 378, 373, 395, dan 700 EMU, ditambah lokomotif kelas 92.
Jalur yang lebih tua di barat Oslo T-bane dibangun dengan sistem listrik aliran atas, sedangkan jalur di timurnya dibangun dengan rel ketiga, meskipun seluruh sistem sejak itu telah dikonversi ke rel ketiga. Sebelum konversi, kereta OS T1300 dan T2000 OS (sekarang sudah pensiun) bisa beroperasi pada kedua sistem. Untuk mengurangi biaya investasi, Metro Rotterdam, pada dasarnya dengan sistem rel ketiga, telah diberikan beberapa cabang kecil yang dibangun di atas permukaan sebagai kereta api ringan (disebut 'Sneltram' dalam bahasa Belanda), dengan berbagai penyeberangan yang dilindungi dengan pembatas dan lampu lalu lintas. Cabang-cabang ini memiliki kabel listrik aliran atas.
Rel ketiga jalur kereta api Culoz-Modane di Perancis dielektrifikasikan dengan 1.500 V DC, kemudian dikonversi ke kabel listrik aliran atas pada tegangan yang sama. Stasiunnya sendiri memiliki kabel listrik aliran atas dari awal pembuatan jalur tersebut.
Beberapa sistem rel ketiga dengan voltase yang tinggi (di atas 1200 volt) contohnya:
Sebuah kereta api dapat dielektrifikasikan dengan kabel listrik aliran atas dan rel ketiga pada waktu yang bersamaan. Hal ini terjadi, misalnya, di Hamburg S-Bahn antara tahun 1940 dan 1955. Contoh modern adalah Stasiun Kereta Api Birkenwerder dekat Berlin, yang memiliki rel ketiga di kedua sisi dan kabel listrik aliran atas. Seluruh komplek Penn Station di New York City juga dielektrifikasi dengan kedua sistem. Namun, sistem tersebut memiliki masalah dengan interaksi pasokan listrik yang berbeda. Jika salah satu pasokan DC dan yang lainnya AC, sebuah pra magnetisasi yang tidak diinginkan dari transformator AC dapat terjadi. Untuk alasan ini, elektrifikasi ganda biasanya dihindari.
Stasiun perbatasan Modane di jalur kereta api Fréjus antara Prancis-Italia dielektrifikasikan dengan tenaga 1.500 V DC di kedua rel ketiga untuk kereta Perancis, dan dengan kabel listrik aliran atas (awalnya tiga fase, kemudian 3.000 V DC) untuk kereta Italia. Ketika bagian jalur di Perancis dikonversi ke kabel listrik aliran atas, tegangan kabel diturunkan ke 1.500 V DC. Sekarang kereta Italia berjalan di Modane dengan 1.500 V DC bukan 3000, setengah dari tenaga sebelumnya.