oikea|pienoiskuva|Sevillan raitiovaunu varustettuna CAF ACR -maatason virtalähteellä, 2019 Maatasoinen virransyöttö, jota kutsutaan myös pintavirran keruuksi tai ranskaksi alimentation par le sol ("maanpinnan kautta syöttö"), on teknologia ja joukko ratkaisuja, joiden avulla sähköajoneuvot saavat käyttövirtansa maanpinnan tasolta perinteisten ajojohtimien sijaan.
Maatasoisen virransyötön järjestelmät ovat peräisin sähköraitioteiden alkuvaiheista. Niitä otettiin usein käyttöön alueilla, joilla pyrittiin esteettisistä syistä välttämään ajolankojen käyttöä. Varhaisimmat järjestelmät perustuivat kanavavirranottoon (conduit current collection).
2000-luvulla kehitetyt järjestelmät, kuten Alstom APS, Ansaldo Tramwave, CAF ACR ja Elways, on suunniteltu täyttämään nykyaikaiset turvallisuus- ja luotettavuusvaatimukset. Lisäksi ne mahdollistavat sähkönsyötön myös sähköbusseille, -kuorma-autoille ja -henkilöautoille.
Joissakin maanpinnan tason virransyöttöjärjestelmissä käytetään tehokkaita, energiatiheitä kondensaattoreita ja akkuja sähköisen joukkoliikennejärjestelmän osien virransyöttöön – esimerkiksi mahdollistaen linja-autojen ja junien akkujen lataamisen asemien pysähdysten aikana.
Varhaiset järjestelmät pienoiskuva|Virransyöttökanava raitiovaunun kiskojen välissä Washington, D.C.:ssä vuonna 1939. Se asennettiin ensimmäisen kerran vuonna 1895 ja pysyi käytössä vuoteen 1962 asti. oikea|pienoiskuva|Jäljellä olevaa kanavavirranottokiskotusta hylätyn Kingsway tram subway -tunnelin ramppiosuudella Lontoossa vuonna 2011, kanavassa kasvaa kasvillisuutta. Kanavavirranottojärjestelmiä otettiin käyttöön jo vuonna 1881 Gross-Lichterfelde Tramway -raitiotiellä. Järjestelmä koostuu pääasiassa ajoradan alle kaivetusta kanavasta (conduit); kanava sijoitetaan joko ajokiskojen väliin, samaan tapaan kuin köysiraitioteiden kaapeli, tai toisen kiskon alapuolelle. Vaunu on liitetty niin sanottuun virranottokynteen (“plow”), joka kulkee kanavan sisällä ja siirtää virran kanavan sivuilla olevista kahdesta virtakiskosta vaunun sähkömoottorille. Virranottokynnet kiinnitettiin ja irrotettiin vaunuista manuaalisesti niiden vaihtaessa linjaa.
Cleveland, Ohio avasi kanavavirranottoon perustuvan linjan vuonna 1885. Budapestin raitiotieyhtiöt kokeilivat kanavavirranottojärjestelmää vuonna 1887. Ilmajohdot kohtasivat yleisön vastustusta esteettisistä syistä, joten urakoitsija Siemens-Halske toteutti betonisen kanavan yhden raitiovaunukiskon alle, kapealla aukolla, joka mahdollisti niin sanotun “virranottokynnen” (plow) asettamisen kanavaan. Kynsi otti sähkövirran kanavan sivuilla eristeiden varassa olevista johdoista.
Järjestelmää käytettiin useissa Euroopan ja Yhdysvaltojen kaupungeissa, missä se tunnettiin nimellä "Budapestin järjestelmä". Washington DC asensi ensimmäisen kanavavirranottojärjestelmänsä vuonna 1895. Vuoteen 1899 mennessä kaikki keskustan linjat oli muutettu kanavavirranottoon perustuviksi, ja järjestelmä pysyi käytössä vuoteen 1962 saakka. Järjestelmä oli yleensä turvallinen, mutta se tukkeutui helposti mudasta ja liasta. Korkeiden rakennuskustannusten vuoksi järjestelmä jäi kuitenkin pois käytöstä muutamassa vuodessa ja korvattiin yleisesti ajolangoilla.
Nastakosketusjärjestelmiä käytettiin vuosina 1899–1921. Keksijöiden Dolterin ja Diatton järjestelmiä otettiin käyttöön Toursissa, Pariisissa sekä useissa Englannin kaupungeissa. Sähkö syötettiin tienpintaan asennetuista nastoista tietyin välein, ja vaunut ottivat virran kosketuskengän tai -suksen avulla. Nastat olivat sylintereitä, joiden yläpinta oli tasan tien pinnan kanssa.
Nastan alla sijaitsi kytkinmekanismi, joka muodosti sähköyhteyden nastan yläosaan, kun vaunun pohjassa oleva voimakas sähkömagneetti kulki sen yli. Diatton kytkimissä käytettiin elohopeaa, joka usein vuoti tai tarttui sylinterin reunoihin ja piti nastan yläpinnan jännitteisenä. Dolterin järjestelmässä käytettiin kääntyviä vipuja, jotka saattoivat juuttua sähköiseen asentoon.
Samankaltaisia järjestelmiä operoi myös Thomson-Houston Electric Company Monacossa vuosina 1898-1903 sekä Frantisek Krizik Prahassa Kaarlensillalla vuosina 1903–1908. Nastakosketusjärjestelmät olivat lyhytikäisiä turvallisuusongelmien vuoksi.
Kanavavirranottojärjestelmiä käytettiin useissa suurissa kaupungeissa, kuten Monacossa, Dresdenissä, Prahassa, Toursissa, Washingtonissa ja Lontoossa mutta ne aiheuttivat kunnossapito- ja liikenneturvallisuusongelmia. Bordeaux'n ja Washingtonin kanavajärjestelmät pysyivät viimeisinä käytössä, kunnes ne poistettiin käytöstä vuosina 1958 ja 1962. Vuosikymmeniin näitä järjestelmiä ei otettu uudelleen käyttöön, koska ne eivät täyttäneet nykyaikaisia turvallisuusstandardeja.
Nykyaikaiset järjestelmät oikea|pienoiskuva|Bordeaux'n raitiovaunu, jossa on Alstom APS:n maatason virtalähde, 2006 Useita maanpinnan tasolle sijoitettavia virransyöttöjärjestelmiä kehitettiin 1970-luvulta 1990-luvulle , mutta ne eivät olleet riittävän luotettavia tai turvallisia kaupalliseen käyttöön.
Ensimmäinen nykyaikaisten turvallisuusstandardien mukaisesti kehitetty maatason virransyöttöjärjestelmä oli Ansaldo Stream, vaikka kilpaileva järjestelmä, Alstom APS, otettiin ensimmäisenä kaupallisesti käyttöön vuonna 2003. Tämä menestys johti maanpinnan tason virransyöttöjärjestelmien kaupallisten toteutusten yleistymiseen.
Teknologian kehitys 2010-luvun lopulla johti maanpinnan tasolle sijoitettavien virtalähteiden luotettavuuden ja taloudellisen kannattavuuden kasvuun.
Sähköiset tiejärjestelmät
Ruotsi oikea|pienoiskuva|Sähkökuorma-auto ajaa julkisella tiellä Elways-Eviasin maanpinnan tasalla olevalla virtalähteellä lähellä Tukholman Arlandan lentokenttää vuonna 2019. Sähkötiet syöttävät virtaa sähköajoneuvoihin ja lataavat niitä ajon aikana. Ruotsissa on testattu sähköisiä tiejärjestelmiä, jotka lataavat kuorma-autojen ja sähköautojen akkuja, ja testattujen järjestelmien joukossa on kaksi maanpinnan tasolla olevaa virransyöttöjärjestelmää, joita on testattu vuodesta 2017 lähtien: Elways-Eviasin maantiekisko ja Elonroadin maantiekisko. Elonroad kehitti myöhemmin maantiekiskojärjestelmän maantiekäyttöön jopa nopeuksille . Järjestelmien todettiin olevan taloudellisempia kuin testattu ajojohtojärjestelmä ja dynaaminen induktiivinen latausjärjestelmä. Tieliikennekiskojärjestelmän on tarkoitus toimittaa jopa 800kW ajoneuvoa kohden, joka kulkee raiteen sähköistetyn osuuden yli, ja järjestelmän arvioidaan olevan kustannustehokkain neljästä testatusta järjestelmästä. Uusien järjestelmien odotetaan olevan turvallisia, sillä raiteen osuudet saavat virtaa vain silloin, kun ajoneuvo kulkee niiden yli. Kiskot on testattu suolavedessä, ja niiden todettiin olevan turvallisia jalankulkijoille.
Ranska Ranskan ympäristöministeriön sähköisiä tiejärjestelmiä käsittelevän työryhmän toinen johtaja totesi, että raidepohjaiset ERS-järjestelmät ovat edullisimpia, vaikka kyseistä raideteknologiaa ei ole vielä standardoitu. Ranska aikoo investoida 30–40 miljardia euroa vuoteen 2035 mennessä 8 800 kilometrin pituiseen sähköiseen tiejärjestelmään. Maanpinnan tasolla olevia virransyöttöteknologioita pidetään todennäköisimpinä ehdokkaina sähköteille. Vuonna 2023 on julkistettu kaksi sähköisten tieteknologioiden arviointihanketta. Ensimmäinen Ranskan julkinen tie, jossa on sähköinen tiejärjestelmä, on tarkoitus avata vuonna 2024 käyttäen Alstom APS: ltä peräisin olevaa maanpinnan tasolla olevaa virransyöttöjärjestelmää. Toisen, Elonroadin kehittämää teknologiaa käyttävän järjestelmän, on määrä käydä laboratoriotesteissä moottoripyörien luistovaikutusten varalta ennen kuin se otetaan käyttöön kahden kilometrin matkalla A10-moottoritiellä Pariisin eteläpuolella.
Standardisointi Alstom, Elonroad ja muut yritykset aloittivat vuonna 2020 maanpinnan tasolla toimivien sähköteiden sähköistämiseen tarkoitettujen teiden standardin laatimisen. Euroopan komissio julkaisi vuonna 2021 pyynnön sähköisten tiejärjestelmien sääntelystä ja standardoinnista. Pian sen jälkeen Ranskan ympäristöministeriön työryhmä suositteli eurooppalaisen sähköteiden standardin käyttöönottoa, joka olisi laadittu yhdessä Ruotsin, Saksan, Italian, Alankomaiden, Espanjan, Puolan ja muiden maiden kanssa.
Sähköistetyn raideliikenteen (ERS) ajoneuvon sähkölaitteita koskeva standardi hyväksyttiin ja julkaistiin vuoden 2022 lopulla. Standardi, CENELECin tekninen standardi 50717, määrittelee seuraavat: 750 voltin ERS-jännite; kosketuskenkä, joka kestää soran ja vastaavien tiejätteiden iskut suurimmalla ajonopeudella; heikko lenkki, joka katkaisee virroittimen rakenteellisissa kiinnityspisteissä, jos voima on suurempi kuin ajoneuvon valmistajan määrittelemä enimmäisvoima; ERS-infrastruktuurin läsnäolon automaattinen valvonta; automaattinen kytkentä ja irtikytkentä; läsnäolosignaali, joka voi olla analoginen tai digitaalinen, ja valinnainen kaksisuuntainen tiedonsiirto; liukukoskettimen kuluvien osien tarkastuksen ja vaihdon helppous; sekä standarditestit, merkinnät, huolto ja käyttöympäristöolosuhteet. Standardi 50717 ei kata, mutta määrittelee normatiivisissa tarkoituksissa kolme arkkitehtuuria ERS-infrastruktuurille: tyypin A arkkitehtuuri, jossa on kaksi rinnakkaista pinnan tasolla olevaa johtavaa kiskoa, yksi positiivinen ja yksi negatiivinen; B-tyypin arkkitehtuuri, jossa on yksi pinnan tasalla oleva tai korotettu kisko lyhyillä segmenteillä, joissa kukin kaksi sarjaan kytkettyä segmenttiä koostuu yhdestä positiivisesta ja yhdestä negatiivisesta segmentistä; ja C-tyypin arkkitehtuuri, jossa on kolme rinnakkaista johtavaa kiskoa, yksi positiivinen ja yksi negatiivinen pinnan alapuolella 1,5-segmentin korkeudella. cm leveitä kanavia ja yksi tai useampi maanpinnan tasolla maadoitettu kisko.
CENELECin teknisessä standardissa 50740 on määritelty täydellinen virransyöttö- ja tietoliikennestandardi yhtenäiselle ja yhteentoimivalle ratkaisulle maanpinnan tasolla tapahtuvaan virransyöttöön upotettujen kiskojen kautta maantieajoneuvoille Euroopan unionin direktiivin 2023/1804 mukaisesti. Standardi hyväksyttiin vuonna 2025.
Nykyaikaiset toteutukset
Ansaldo Stream Ensimmäinen kehitetty moderni maatason virransyöttöjärjestelmä on Ansaldo Stream -järjestelmä. STREAM on lyhenne sanoista " Sistema di TR asporto E lettrico ad A ttrazione Magnetica ", joka tarkoittaa "magneettiseen vetovoimaan perustuvaa sähköistä liikennettä". Järjestelmässä käytetään tiessä olevaa kanavaa, joka on valmistettu eristävästä komposiittilasikuitumateriaalista ja sisältää joustavan kuparinauhan; kanavan yli kulkeva ajoneuvo nostaa erityisellä magneettisella kosketuskengällä johtimen pintaan, jolloin sähkö pääsee virtaamaan ajoneuvoon. Virtakanavan osat saavat virtaa vain, kun ajoneuvo ajaa niiden yli. Järjestelmä kehitettiin vuonna 1994 ja sitä kokeiltiin julkisella raitiovaunulinjalla vuonna 1998, joka lopulta purettiin vuonna 2012.
Alstom APS oikea|pienoiskuva|Pikaraitiotie Queen Victoria Buildingissa Sydneyssä vuonna 2019. Ajoneuvot ja jalankulkijat voivat liikkua turvallisesti sähköistettyjen raiteiden yli, koska osuudet saavat virtaa vain, kun niiden päällä on yhteensopiva ajoneuvo. Alstom APS käyttää kolmatta kiskoa, joka on sijoitettu raitiotiekiskojen väliin ja jaettu sähkön osalta 11 metrin pituisiin osuuksiin. Nämä osuudet kytkeytyvät automaattisesti päälle radio-ohjauksella vain, kun raitiovaunu kulkee niiden yli, mikä estää vaaran muille tielläliikkujille. Raitiovaunussa on kaksi kollektorikenkää, ja kaksi kiskosegmenttiä on aktiivisena kerrallaan, jotta vältetään virransyöttökatkokset osien välisen ajon aikana.
APS:n kehitti Innorail, Spie Enertransin tytäryhtiö, jonka Alstom osti. Se luotiin Bordeaux'n raitiovaunua varten, jota rakennettiin vuosina 2000–2003. Vuodesta 2011 lähtien teknologiaa on käytetty myös muissa kaupungeissa. Ranskan hallitus ei ole raportoinut sähkökuolemia tai sähköonnettomuuksia millään raitiovaunuosuudella Ranskassa vuosina 2003–2022.