Quando assisto a vídeos de trens de alta velocidade, sempre vejo explosões de eletricidade perto do topo ou arcos. Por que isso acontece? Eu sei que o Acela faz isso muito, mas outros trens de alta velocidade também.

Vários fatores influenciam isso:

• em alta velocidade , há uma chance maior de o pantógrafo perder o contato com o fio da catenária: a uma velocidade maior, os choques no fio causam uma excursão mais violenta que pode exceder a capacidade de suspensão do pantógrafo.
• Os trens de baixa velocidade também podem mostrar arcos.
• trens de alta velocidade costumam usar alta tensão (15 ou 25 kV), capaz de percorrer distâncias maiores do que a menor tensão (por exemplo, 1500 V) usada em trens mais antigos.

O ponto em que o pantógrafo de um trem elétrico faz contato com o fio do carrinho cria um dos ambientes mais complexos e desafiadores para os fabricantes de componentes ferroviários e engenheiros de teste entenderem, muito menos prever e melhorar.

Para que os trens operem com eficiência, o pantógrafo deve manter contato constante com os fios do carrinho suspensos dos sistemas de catenária. No entanto, esses fios e suas estruturas de suporte exibem rigidez vertical diferente ao longo de qualquer seção. O sistema de catenária ziguezagueia em intervalos de 30 a 100 metros para evitar ranhuras. A força que o pantógrafo aplica ao fio deve permanecer dentro de uma faixa bem definida (70N a 120N). Se for muito baixa, a perda de contato resultará em arco, o que não apenas causa a perda de energia do trem, mas também danifica o fio do carrinho e a barra de contato através de ataque químico e superaquecimento. Se a força for muito alta, o atrito resultante desgastará o fio e a barra de contato prematuramente.

Entregar a quantidade certa de força requer movimento vertical variável. Porém, quando os trens se movem em velocidades mais altas, os pantógrafos perdem a capacidade de reagir adequadamente. Mesmo quando o fio do carrinho estiver o mais plano possível, ele será plano somente quando travar sem ser perturbado. Quando o pantógrafo levanta o fio, a deformação resultante cria uma onda. Se houver muita elevação, o pantógrafo cria uma forma de onda muito maior que causa problemas de contato para o próximo pantógrafo descendo a linha.

O fio da catenária não é estacionário : é movido por trens e pelo vento.

Em geral, quando um pantógrafo passa por baixo da catenária, ele cria uma perturbação ondulatória que viaja pelo fio com uma velocidade determinada pela tensão no fio e sua massa por unidade de comprimento. Quando um trem se aproxima dessa velocidade crítica, o pantógrafo alcança a perturbação, resultando em deslocamentos verticais perigosamente grandes do fio, bem como interrupções de contato. A velocidade máxima do trem é então limitada pela velocidade crítica da catenária. Esse problema foi central para as execuções de teste, uma vez que se desejava testar o conjunto 325 em velocidades bem acima da velocidade crítica da catenária TGV padrão.

Isso ocorre devido à alta tensão que ainda causa uma conexão quando os contatos se separam devido a uma irregularidade (colisão, etc.) entre o contato e o fio.

Como outros já postaram, uma lacuna temporária entre o pantógrafo e o condutor aéreo faz parte da resposta, mas essa não é a história completa. O outro grande fator é que os motores do trem são uma carga indutiva , o que complica seriamente o que acontece quando o circuito é interrompido.

Quando há uma interrupção de um circuito com uma carga indutiva, a corrente através da carga não pode ir a zero instantaneamente. Em vez disso, a corrente continua a fluir através da carga, gerando um pico de tensão no ponto de interrupção. (A energia extra para fazer isso é realmente proveniente da carga indutiva.) A tensão aumenta repentinamente até ocorrer uma quebra (por exemplo, arco). Quando um arco é formado, a tensão cai, mas é necessária menos tensão para sustentar um arco, porque o plasma é mais condutor do que o ar em temperaturas típicas.

As correntes que fluem para um trem de alta velocidade normalmente serão muito mais altas do que as de baixa velocidade, portanto a tensão desenvolvida quando o circuito é interrompido será maior.

A força superior em um pantógrafo é de 15 a 40 libras, 60 libras no exterior. (7-18 kg, no máximo 30).

O fio do carrinho (contato) é feito de bronze sólido ou cobre, normalmente de 4/0 a 400kcmil (107-200mm ^ 2), com um fio mensageiro de aço trançado (catenária) de 3 / 8-1 / 2 "(10-13mm O fio do mensageiro é suportado a cada 100-200 pés (30-60m) e suporta o fio de contato a cada 6-10 '(2-3m). Portanto, o fio de contato é livre para subir até um pé (0,3m ) à medida que o trem passa, geralmente possui uma barra estabilizadora para impedir que se mova lateralmente, mas é livre para se mover verticalmente.

Conforme discutido, qualquer irregularidade no fio de contato ou em como ele está pendurado pode fazer com que o pantógrafo e o fio se separem por um momento.

A ação das ondas no fio também pode causar uma separação momentânea. Um movimento suficiente do fio ou do trem pode fazer com que o fio se mova para a "buzina" curva do pantógrafo.

src

Irregularidades na superfície de corrida do pantógrafo também podem causar arcos. Normalmente existem slides de cobre ou bronze embutidos; danos físicos a um escorregador ou simplesmente um ponto queimado por arco podem fazer com que o fio perca o contato.

Além disso, um pantógrafo normalmente possui dois slides, para frente e para trás, e o pantógrafo possui articulação ou molas fortes para mantê-lo nivelado. Se houver algum elo de ligação ou quebrado ou uma mola fatigada ou quebrada, ele pode não estar nivelado e pode andar no calcanhar ou na ponta dos pés, causando mau contato.

O arco, é claro, é causado pela corrente. A corrente pode permanecer contínua através do arco (essa tendência é proporcional à tensão, mais provável nos sistemas de alta tensão usados ​​no trilho de alta velocidade) - no entanto, o movimento do ar em alta velocidade provavelmente expulsará o arco, cortando momentaneamente a energia do trem. . Fale sobre picos de tensão!

Não se trata de tensão *, é de corrente.

*voltagem de linha

Quando um circuito de alta corrente é interrompido (especialmente um indutivo), um arco é formado entre os contatos rompendo. A corrente alta sustenta o arco: o aquecimento ôhmico transforma o ar em plasma, enquanto o plasma conduz a corrente. É a base da soldagem a arco, que usa centenas de amperes em voltagens tão baixas quanto 20V.

Soldagem em alta velocidade 5000 fps (arco de close-up, respingos visíveis)

Mesmo os bondes de baixa voltagem (geralmente 600-800V) que se movem em ritmo de caminhada produzem arcos e faíscas nos pontos de interrupção da catenária, enquanto o metrô faz o mesmo no nível do trilho de força.

Faíscas do metrô | Tempestade de neve de Nova York 2017

Devido ao requisito de alta corrente, as faíscas acontecem principalmente quando o trem está acelerando (por exemplo, parado) ou quando ele consome muita energia para sustentar a alta velocidade, mas elas nunca acontecem quando o motor está inativo, apesar da tensão ser a mesmo.

Em operações de baixa velocidade, isso ocorre principalmente quando uma quebra de contato é introduzida externamente no sistema de arame, por exemplo, por uma lacuna física que separa diferentes circuitos ou pela contaminação por gelo, neve ou folhas.

Em operações de alta velocidade, além de todas as de baixa velocidade, o pantógrafo cria pausas extras, saltando sobre irregularidades da catenária, como um caminhão off-road que pega sua roda momentaneamente no ar quando passa muito rápido em solavancos. Algumas dessas irregularidades são introduzidas pelo próprio pantógrafo: podemos imaginar o pantógrafo em uma catenária como um acrobata de cabeça para baixo em uma corda bamba. Em vez de a gravidade atuar no acrobata para baixo, o pantógrafo empurra a catenária para cima por uma mola, de modo que todo o sistema pula para cima e para baixo ao passar sob pontos de suspensão.

Quando assisto a vídeos de trens de alta velocidade, sempre vejo explosões de eletricidade perto do topo ou arcos. Por que isso acontece?

Há uma lacuna no contato, os elétrons disparando através da lacuna transformam o ar em plasma e o decompõem. Como o ar é um plasma, ele pode conduzir corrente, isso acontece em torno de 3kV / mm, para que você saiba que há alguma tensão envolvida.

Outro fator é que o perfil da linha aérea muda muito mais rapidamente em alta velocidade. O fio de contato não fica exatamente à mesma distância do trilho o tempo todo.

O pantógrafo é constantemente reajustado para aplicar uma pressão constante no fio de contato, mas em alta velocidade que não ocorre com rapidez suficiente. Quando a pressão no fio de contato é insuficiente, basta uma pequena elevação para enviar o pantógrafo para baixo alguns mm, criando um arco visível.

Apenas para referência, os trens de baixa tensão também são capazes de criar arcos bastante visíveis (a tensão mais baixa geralmente é compensada pelo fato de ser CC), se forem rápidos o suficiente ou se o fio de contato estiver em mau estado.