Cuando veo videos de trenes de alta velocidad, siempre veo explosiones de electricidad cerca de la parte superior o arcos. ¿Por qué pasa eso? Sé que el Acela lo hace mucho, pero otros trenes de alta velocidad también lo tienen.

Varios factores influyen en esto:

• a alta velocidad , hay una mayor posibilidad de que el pantógrafo pierda contacto con el cable de catenaria: a mayor velocidad, los golpes en el cable causan una excursión más violenta que puede exceder la capacidad de la suspensión del pantógrafo.
• Los trenes de baja velocidad también pueden mostrar arcos.
• Los trenes de alta velocidad a menudo usan alto voltaje (15 o 25 kV), que es capaz de arquearse a través de distancias más largas que el voltaje más bajo (por ejemplo, 1500 V) utilizado en trenes más antiguos.

El punto donde el pantógrafo de un tren eléctrico hace contacto con el cable del trole crea uno de los entornos más complejos y desafiantes para que los fabricantes de componentes ferroviarios y los ingenieros de pruebas comprendan, y mucho menos predigan y mejoren.

Para que los trenes funcionen de manera eficiente, el pantógrafo debe mantener un contacto constante con los cables del trole suspendidos de los sistemas de catenaria. Sin embargo, estos alambres y sus estructuras de soporte exhiben diferentes rigideces verticales a lo largo de cualquier sección dada. El sistema de catenaria zigzaguea en intervalos de 30 a 100 metros para evitar ranuras. La fuerza que aplica el pantógrafo al cable debe permanecer dentro de un rango bien definido (70N a 120N). Si es demasiado bajo, la pérdida de contacto produce un arco eléctrico, lo que no solo hace que el tren pierda potencia, sino que daña el cable del trole y la barra de contacto debido al grabado y al sobrecalentamiento. Si la fuerza es demasiado alta, la fricción resultante desgasta el cable y la barra de contacto prematuramente.

La entrega de la cantidad correcta de fuerza requiere un movimiento vertical variable. Pero cuando los trenes se mueven a velocidades más altas, los pantógrafos pierden su capacidad de reaccionar adecuadamente. Incluso cuando el cable del trole es lo más plano posible, solo lo es cuando cuelga sin ser molestado. Cuando el pantógrafo levanta el cable, la deformación resultante crea una onda. Si hay demasiada elevación, el pantógrafo crea una forma de onda mucho más grande que causa problemas de contacto para el próximo pantógrafo que viene en la línea.

El cable de catenaria no es estacionario : los trenes y el viento lo mueven.

En general, cuando un pantógrafo se ejecuta debajo de la catenaria, crea una perturbación en forma de onda que viaja por el cable con una velocidad determinada por la tensión en el cable y su masa por unidad de longitud. Cuando un tren se acerca a esta velocidad crítica, el pantógrafo se pone al día con la perturbación, lo que resulta en desplazamientos verticales peligrosamente grandes del cable, así como interrupciones de contacto. La velocidad máxima del tren está limitada por la velocidad crítica de la catenaria. Este problema era central para las ejecuciones de prueba, ya que se deseaba probar el conjunto 325 a velocidades muy superiores a la velocidad crítica de la catenaria TGV estándar.

Se debe a que el alto voltaje sigue causando una conexión cuando los contactos se separan debido a una irregularidad (golpe, etc.) entre el contacto y el cable.

Como otros han publicado, una brecha temporal entre el pantógrafo y el conductor aéreo es parte de la respuesta, sin embargo, esa no es la historia completa. El otro gran factor es que los motores del tren son una carga inductiva , lo que complica seriamente lo que sucede cuando se interrumpe el circuito.

Cuando hay una interrupción de un circuito con una carga inductiva, la corriente a través de la carga no puede llegar a cero instantáneamente. En cambio, la corriente continúa fluyendo a través de la carga, generando un pico de voltaje en el punto de interrupción. (La energía extra para hacer esto en realidad proviene de la carga inductiva). El voltaje aumenta repentinamente hasta que ocurre una falla (por ejemplo, un arco). Una vez que se ha formado un arco, el voltaje cae, pero se necesita menos voltaje para sostener un arco porque el plasma es más conductor que el aire a temperaturas típicas.

Las corrientes que fluyen para un tren de alta velocidad generalmente serán mucho más altas que sus contrapartes de baja velocidad, por lo que el voltaje desarrollado cuando se interrumpe el circuito será mayor.

La fuerza superior en un pantógrafo es de 15-40 libras, 60 libras en el exterior. (7-18 kg, máximo 30 más o menos).

El cable del carro (contacto) está hecho de bronce sólido o cobre, típicamente de 4/0 a 400kcmil (107-200 mm ^ 2), con un cable de acero trenzado de 3 / 8-1 / 2 "(10-13 mm) ) de diámetro. El cable de mensajería se apoya cada 100-200 pies (30-60m) y soporta el cable de contacto cada 6-10 '(2-3m). Por lo tanto, el cable de contacto puede elevarse incluso un pie (0.3m) ) a medida que pasa el tren. A menudo tiene una barra estabilizadora para evitar que se mueva lateralmente, pero es libre de moverse verticalmente.

Como se discutió, cualquier irregularidad en el cable de contacto, o en cómo está colgado, puede hacer que el pantógrafo y el cable se separen por un momento.

La acción de la onda en el cable también puede causar una separación momentánea. El movimiento suficiente del cable o del tren puede hacer que el cable se desplace hacia la "bocina" curva del pantógrafo.

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Las irregularidades en la superficie de rodadura del pantógrafo también pueden causar arcos. Normalmente hay diapositivas de cobre o bronce insertadas; El daño físico a un tobogán o simplemente un punto quemado por un arco eléctrico puede hacer que el cable pierda contacto.

Además, un pantógrafo generalmente tiene dos diapositivas, hacia adelante y hacia atrás, y el pantógrafo tiene enlaces o resortes fuertes para mantenerlo nivelado. Si hay un enlace atascado o roto o un resorte fatigado o roto, es posible que no esté nivelado y que se mueva sobre el talón o la punta del pie, causando un contacto deficiente.

El arco, por supuesto, es causado por la corriente. La corriente puede permanecer continua a través del arco (esa tendencia es proporcional al voltaje, más probablemente en los sistemas de alto voltaje utilizados en el tren de alta velocidad); sin embargo, es probable que el movimiento de aire a alta velocidad apague el arco, cortando la energía momentáneamente al tren . ¡Habla sobre picos de voltaje!

No se trata de voltaje *, se trata de corriente.

*linea de voltaje

Cuando se interrumpe un circuito de alta corriente (especialmente uno inductivo), se forma un arco entre los contactos que se rompen. La alta corriente sostiene el arco: el calentamiento óhmico convierte el aire en plasma, mientras que el plasma conduce la corriente. Es la base de la soldadura por arco, que utiliza cientos de amperios a un voltaje tan bajo como 20V.

Soldadura a alta velocidad 5000 fps (arco de primer plano, salpicadura visible)

Incluso los tranvías de bajo voltaje (generalmente 600-800V) que se mueven al paso de la marcha producen arcos y chispas en los puntos de interrupción en la catenaria, mientras que el metro hace lo mismo al nivel del riel de energía.

Chispas de metro | Tormenta de nieve de Nueva York 2017

Debido al requisito de alta corriente, las chispas ocurren principalmente cuando el tren está acelerando (por ejemplo, desde un punto muerto), o cuando consume mucha energía para mantener la alta velocidad, pero nunca ocurren cuando está en reposo a una potencia inactiva, a pesar de que el voltaje es el mismo.

En la operación a baja velocidad, esto ocurre principalmente cuando se introduce una ruptura de contacto en el sistema de zapata de alambre externamente, por ejemplo, por un espacio físico que separa los diferentes circuitos o por la contaminación del hielo, la nieve o las hojas.

En la operación de alta velocidad, además de todas las de baja velocidad, el pantógrafo salta en irregularidades catenarias, al igual que un camión todoterreno que hace que su rueda se eleve momentáneamente cuando va demasiado rápido en golpes. Algunas de esas irregularidades son introducidas por el pantógrafo en sí: uno puede imaginar el pantógrafo en una catenaria como un acróbata invertido en la cuerda floja. En lugar de que la gravedad actúe sobre el acróbata hacia abajo, el pantógrafo empuja la catenaria hacia arriba a través de un resorte, por lo que todo el sistema salta hacia arriba y hacia abajo cuando pasa por debajo de los puntos de suspensión.

Cuando veo videos de trenes de alta velocidad, siempre veo explosiones de electricidad cerca de la parte superior o arcos. ¿Por qué pasa eso?

Hay una brecha en el contacto, los electrones que disparan a través de la brecha convierten el aire en plasma y descomponen el aire. Debido a que el aire es un plasma, puede conducir corriente, esto sucede a alrededor de 3kV / mm, por lo que sabe que hay algo de voltaje involucrado.

Otro factor es que el perfil de la línea aérea cambia mucho más rápidamente a alta velocidad. El cable de contacto no está exactamente a la misma distancia del riel todo el tiempo.

El pantógrafo se reajusta constantemente para aplicar una presión constante sobre el cable de contacto, pero a alta velocidad eso no sucede lo suficientemente rápido. Cuando la presión sobre el cable de contacto es insuficiente, una pequeña protuberancia es suficiente para enviar el pantógrafo hacia abajo unos pocos mm, creando un arco visible.

Solo como referencia, los trenes de bajo voltaje son capaces de crear arcos bastante visibles también (el voltaje más bajo generalmente se compensa por el hecho de que es CC), si van lo suficientemente rápido o si el cable de contacto está en mal estado.