Quando guardo video di treni ad alta velocità, vedo sempre esplosioni di elettricità vicino alla cima o ad arco. Perché succede? So che l' Acela lo fa molto, ma lo hanno anche altri treni ad alta velocità.

Diversi fattori influenzano questo:

• ad alta velocità , c'è una maggiore possibilità che il pantografo perda il contatto con il filo catenario: a velocità più elevata, i dossi nel filo causano un'escursione più violenta che può superare la capacità della sospensione del pantografo.
• Anche i treni a bassa velocità possono mostrare archi.
• i treni ad alta velocità usano spesso l'alta tensione (15 o 25 kV), che è in grado di effettuare archi su lunghe distanze rispetto alla tensione inferiore (ad esempio 1500 V) utilizzata nei treni più vecchi.

Il punto in cui il pantografo di un treno elettrico entra in contatto con il filo del carrello crea uno degli ambienti più complessi e stimolanti per i produttori di componenti ferroviari e gli ingegneri di collaudo, per non parlare della previsione e del miglioramento.

Affinché i treni funzionino in modo efficiente, il pantografo deve mantenere un contatto costante con i fili del carrello sospesi ai sistemi di catenaria. Tuttavia, questi fili e le loro strutture di supporto presentano rigidità verticali diverse lungo una data sezione. Il sistema di catenaria è a zig-zag a intervalli da 30 a 100 metri per evitare scanalature. La forza che il pantografo applica al filo deve rimanere entro un intervallo ben definito (da 70 N a 120 N). Se è troppo basso, la perdita di contatto provoca la formazione di archi, il che non solo causa la perdita di potenza del treno, ma danneggia il filo del carrello e la barra di contatto a seguito di attacco e surriscaldamento. Se la forza è troppo elevata, l'attrito risultante consuma prematuramente il filo e la barra di contatto.

Fornire la giusta quantità di forza richiede un movimento verticale variabile. Ma quando i treni si muovono a velocità più elevate, i pantografi perdono la capacità di reagire in modo appropriato. Anche quando il filo del carrello è il più piatto possibile, è piatto solo quando si blocca indisturbato. Quando il pantografo solleva il filo, la deformazione risultante crea un'onda. Se c'è troppo sollevamento, il pantografo crea una forma d'onda molto più grande che causa problemi di contatto per il prossimo pantografo che scende lungo la linea.

Il filo della catenaria non è fermo : viene spostato dai treni e dal vento.

In generale, quando un pantografo scorre sotto la catenaria, crea un disturbo simile ad un'onda che viaggia lungo il filo con una velocità determinata dalla tensione del filo e dalla sua massa per unità di lunghezza. Quando un treno si avvicina a questa velocità critica, il pantografo raggiunge il disturbo, con conseguenti spostamenti verticali pericolosamente grandi del filo e interruzioni dei contatti. La velocità massima del treno è quindi limitata dalla velocità critica della catenaria. Questo problema era fondamentale per le prove, poiché si desiderava testare il set 325 a velocità ben al di sopra della velocità critica della catenaria standard del TGV.

È a causa dell'alta tensione che provoca ancora una connessione quando i contatti si separano a causa di un'irregolarità (bump ecc.) Tra il contatto e il filo.

Come altri hanno pubblicato, un divario temporaneo tra pantografo e direttore d'orchestra fa parte della risposta, tuttavia questa non è la storia completa. L'altro grande fattore è che i motori del treno sono un carico induttivo , il che complica seriamente ciò che accade quando il circuito viene interrotto.

Quando si verifica un'interruzione di un circuito con un carico induttivo, la corrente attraverso il carico non può andare immediatamente a zero. Invece, la corrente continua a fluire attraverso il carico, generando un picco di tensione nel punto di interruzione. (L'energia extra per farlo proviene effettivamente dal carico induttivo.) La tensione aumenta improvvisamente fino a quando si verifica un guasto (ad es. Arco). Si è formato un arco, la tensione diminuisce, ma per sostenere un arco è necessaria una tensione inferiore perché il plasma è più conduttivo dell'aria alle temperature tipiche.

Le correnti che fluiscono per un treno ad alta velocità saranno in genere molto più alte rispetto alle loro controparti a bassa velocità, quindi la tensione sviluppata quando il circuito viene interrotto sarà più alta.

L'upforce su un pantografo è di 15-40 libbre, 60 libbre all'esterno. (7-18 kg, massimo 30 circa).

Il filo del carrello (contatto) è realizzato in bronzo massiccio o rame, in genere da 4/0 a 400kcmil (107-200mm ^ 2), con un filo di acciaio messenger (catenaria) di 3 / 8-1 / 2 "(10-13mm) ) di diametro. Il filo del messaggero è supportato ogni 100-200 piedi (30-60 m) e supporta il filo di contatto ogni 6-10 '(2-3 m). Quindi il filo di contatto è libero di sollevarsi anche di un piede (0,3 m ) mentre passa il treno. Spesso ha una barra stabilizzatrice per impedirgli di spostarsi lateralmente, ma è libera di muoversi verticalmente.

Come discusso, qualsiasi irregolarità nel filo di contatto, o nel modo in cui è appeso, può causare la separazione del pantografo e del filo per un momento.

L'azione delle onde nel filo può anche causare una separazione momentanea. Un movimento sufficiente del filo o del treno può causare lo spostamento del filo sul "corno" curvo del pantografo.

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Anche le irregolarità nella superficie di scorrimento del pantografo possono causare archi. In genere ci sono diapositive inserto in rame o bronzo; danni fisici a una diapositiva o semplicemente a un punto bruciato dall'arco possono causare la perdita di contatto del filo.

Anche un pantografo in genere ha due diapositive, anteriore e posteriore, e il pantografo ha un collegamento o molle robuste per mantenerlo in piano. Se c'è un legame vincolante o rotto o una molla affaticata o rotta, potrebbe non essere a livello e potrebbe cavalcare sul tallone o sulla punta, causando uno scarso contatto.

L'arco ovviamente è causato dalla corrente. La corrente potrebbe rimanere continua attraverso l'arco (tale tendenza è proporzionale alla tensione, più probabilmente sui sistemi ad alta tensione utilizzati nella ferrovia ad alta velocità) - tuttavia è probabile che il movimento dell'aria ad alta velocità spenga l'arco, interrompendo momentaneamente la potenza del treno . Parla di picchi di tensione!

Non si tratta di tensione *, si tratta di corrente.

* tensione di linea

Quando un circuito ad alta corrente viene interrotto (specialmente uno induttivo), si forma un arco tra i contatti che si staccano. L'alta corrente sostiene quindi l'arco: il riscaldamento ohmico trasforma l'aria in plasma, mentre il plasma conduce la corrente. È la base della saldatura ad arco, che utilizza centinaia di ampere a una tensione di soli 20 V.

Saldatura ad alta velocità 5000 fps (arco ravvicinato, spruzzi visibili)

Anche i tram a bassa tensione (di solito 600-800 V) che si muovono a passo d'uomo producono archi e scintille nei punti di interruzione della catenaria, mentre la metropolitana fa lo stesso a livello della rete elettrica.

Subway Sparks | New York Snowstorm 2017

A causa del requisito dell'alta corrente, le scintille si verificano principalmente quando il treno sta accelerando (ad esempio da un punto morto) o quando consuma molta energia per sostenere l'alta velocità, ma non si verificano mai quando si trascina a vuoto al minimo, nonostante la tensione sia la stesso.

Nel funzionamento a bassa velocità, ciò si verifica principalmente quando viene introdotta un'interruzione di contatto nel sistema a fermaglio esterno, ad esempio da un gap fisico che separa circuiti diversi o dalla contaminazione da ghiaccio, neve o foglie.

Nel funzionamento ad alta velocità, oltre a tutti quelli a bassa velocità, vengono create ulteriori interruzioni dal pantografo che salta su irregolarità catenarie, proprio come un camion fuoristrada che ottiene la sua ruota temporaneamente sospesa quando va troppo veloce su dossi. Alcune di queste irregolarità sono introdotte dal pantografo stesso: si può immaginare il pantografo su una catenaria come un acrobata rovesciato su una corda tesa. Invece della gravità che agisce sull'acrobata verso il basso, il pantografo spinge la catenaria verso l'alto attraverso una molla, quindi l'intero sistema salta su e giù quando passa sotto i punti di sospensione.

Quando guardo video di treni ad alta velocità, vedo sempre esplosioni di elettricità vicino alla cima o ad arco. Perché succede?

C'è una lacuna nel contatto, gli elettroni che sparano attraverso la lacuna trasformano l'aria in un plasma e la distruggono. Poiché l'aria è un plasma, può condurre corrente, ciò accade a circa 3kV / mm, quindi sai che c'è un po 'di tensione.

Un altro fattore è che il profilo della linea aerea cambia molto più rapidamente ad alta velocità. Il filo di contatto non è sempre esattamente alla stessa distanza dalla guida.

Il pantografo viene costantemente riadattato per applicare una pressione costante sul filo di contatto, ma ad alta velocità ciò non avviene abbastanza velocemente. Quando la pressione sul filo di contatto è insufficiente, è sufficiente un piccolo urto per inviare il pantografo di alcuni mm, creando un arco visibile.

Solo per riferimento, i treni a bassa tensione sono anche in grado di creare archi abbastanza visibili (la tensione più bassa è generalmente compensata dal fatto che è CC), se vanno abbastanza veloci o il filo di contatto è in una cattiva forma.