Kiedy oglądam filmy o szybkich pociągach, zawsze widzę wybuchy elektryczności u szczytu lub iskrzenie. Dlaczego tak się dzieje? Wiem, że Acela dużo to robi, ale inne pociągi dużych prędkości też to mają.

Wpływa na to kilka czynników:

• przy dużej prędkości istnieje większe prawdopodobieństwo, że pantograf straci kontakt z drutem sieci trakcyjnej: przy wyższej prędkości uderzenia w drut powodują gwałtowniejsze wychylenie, które może przekroczyć zdolność zawieszenia pantografu.
• Pociągi o niskiej prędkości również mogą wykazywać wyładowania łukowe.
• pociągi dużych prędkości często używają wysokiego napięcia (15 lub 25 kV), które jest zdolne do wyładowania łukowego na większe odległości niż niższe napięcie (np. 1500 V) stosowane w starszych pociągach.

Punkt, w którym pantograf pociągu elektrycznego styka się z drutem wózka, tworzy jedno z najbardziej skomplikowanych i trudnych warunków dla producentów elementów kolejowych i inżynierów testowych do zrozumienia, nie mówiąc już o przewidywaniu i ulepszaniu.

Aby pociągi działały sprawnie, pantograf musi utrzymywać stały kontakt z drutami wózka zawieszonymi na sieci trakcyjnej. Jednak te druty i ich konstrukcje wsporcze wykazują różne sztywności pionowe wzdłuż dowolnej sekcji. System trakcyjny zygzakuje w odstępach od 30 do 100 metrów, aby zapobiec rowkom. Siła, jaką pantograf przykłada do drutu, musi mieścić się w ściśle określonym zakresie (70N do 120N). Jeśli jest za niska, utrata kontaktu powoduje wyładowanie łukowe, co nie tylko powoduje utratę mocy przez pociąg, ale uszkadza drut wózka i drążek jezdny w wyniku trawienia i przegrzania. Jeśli siła jest zbyt duża, powstałe tarcie przedwcześnie zużywa drut i drążek stykowy.

Dostarczenie odpowiedniej siły wymaga zmiennego ruchu pionowego. Ale kiedy pociągi poruszają się z większą prędkością, pantografy tracą zdolność do odpowiedniej reakcji. Nawet gdy drut wózka jest tak płaski, jak to możliwe, jest płaski tylko wtedy, gdy wisi niezakłócony. Gdy pantograf unosi drut, powstałe odkształcenie powoduje falę. Jeśli występuje zbyt duże podniesienie, pantograf tworzy znacznie większy przebieg, który powoduje problemy z kontaktem dla następnego pantografu schodzącego wzdłuż linii.

Przewód sieci trakcyjnej nie jest nieruchomy : porusza się pociągami i wiatrem.

Zasadniczo, gdy pantograf biegnie pod siecią trakcyjną, wywołuje falowe zaburzenie, które przemieszcza się wzdłuż drutu z prędkością określoną przez napięcie drutu i jego masę na jednostkę długości. Kiedy pociąg zbliża się do tej prędkości krytycznej, pantograf nadrabia zaległości, powodując niebezpiecznie duże pionowe przemieszczenia drutu, a także przerwy w kontaktach. Prędkość maksymalna pociągu jest następnie ograniczona przez prędkość krytyczną sieci trakcyjnej. Problem ten miał zasadnicze znaczenie dla przebiegów testowych, ponieważ pożądane było przetestowanie zestawu 325 przy prędkościach znacznie przekraczających prędkość krytyczną standardowej sieci trakcyjnej TGV.

Jest to spowodowane wysokim napięciem, które wciąż powoduje połączenie, gdy styki rozłączają się z powodu nieregularności (nierówności itp.) Między stykiem a drutem.

Jak napisali inni, tymczasowa przerwa między pantografem a przewodnikiem napowietrznym jest częścią odpowiedzi, jednak nie jest to pełna historia. Innym dużym czynnikiem jest to, że silniki pociągu są obciążeniem indukcyjnym , co poważnie komplikuje to, co dzieje się, gdy obwód zostaje przerwany.

Gdy nastąpi przerwa w obwodzie z obciążeniem indukcyjnym, prąd przez obciążenie nie może natychmiast wyzerować się. Zamiast tego prąd nadal przepływa przez obciążenie, generując skok napięcia w punkcie przerwania. (Dodatkowa energia do tego celu faktycznie pochodzi z obciążenia indukcyjnego.) Napięcie rośnie nagle, aż do wystąpienia awarii (np. Łuku). Gdy powstaje łuk, napięcie spada, ale do podtrzymania łuku potrzeba mniej napięcia, ponieważ plazma przewodzi więcej niż powietrze w typowych temperaturach.

Prądy płynące dla pociągu dużych prędkości będą zwykle znacznie wyższe niż ich odpowiedniki o niskiej prędkości, więc napięcie powstające podczas przerwania obwodu będzie wyższe.

Siła na pantografie wynosi 15-40 funtów, 60 funtów na zewnątrz. (7-18 kg, maksymalnie 30 lub więcej).

Drut do wózka (kontaktowy) jest wykonany z litego brązu lub miedzi, zwykle od 4/0 do 400 kcmil (107-200 mm ^ 2), z linkowym drutem posłańca (sieci trakcyjnej) 3 / 8-1 / 2 "(10-13 mm) ). Drut komunikacyjny jest podparty co 100–200 stóp (30–60 m) i podpiera drut jezdny co 6–10 stóp (2-3 m). W ten sposób drut jezdny może swobodnie podnosić się nawet o stopę (0,3 m ) w miarę przejeżdżania pociągu. Często ma stabilizator, który uniemożliwia mu ruch boczny, ale może poruszać się pionowo.

Jak omówiono, każda nieregularność w przewodzie jezdnym lub sposobie jego zawieszenia może na chwilę spowodować rozdzielenie pantografu i drutu.

Fala w drucie może również powodować chwilowe oddzielenie. Wystarczający ruch drutu lub pociągu może spowodować, że drut przesunie się na zakrzywiony „klakson” pantografu.

src

Nieprawidłowości na powierzchni bieżnej pantografu mogą również powodować powstawanie łuku. Zazwyczaj są to wstawki z miedzi lub brązu; fizyczne uszkodzenie slajdu lub po prostu wypalenie łukowe może spowodować utratę kontaktu drutu.

Również pantograf ma zazwyczaj dwie prowadnice, przednią i rufową, a pantograf ma połączenie lub mocne sprężyny, aby utrzymać poziom. Jeśli występuje jakiekolwiek wiązanie lub zerwanie połączenia lub zmęczona lub zerwana sprężyna, może ona nie być pozioma i może jeździć na pięcie lub palcach, powodując słaby kontakt.

Łuk jest oczywiście powodowany przez prąd. Prąd może pozostawać ciągły w łuku (ta tendencja jest proporcjonalna do napięcia, bardziej prawdopodobne w systemach wysokiego napięcia stosowanych w szybkich szynach) - jednak ruch powietrza o dużej prędkości może prawdopodobnie zgasić łuk, przerywając chwilowo moc pociągu . Mów o skokach napięcia!

Nie chodzi o napięcie *, chodzi o prąd.

* napięcie sieciowe

Gdy obwód wysokoprądowy zostanie przerwany (zwłaszcza indukcyjny), między zrywającymi się stykami powstaje łuk. Wysoki prąd następnie podtrzymuje łuk: ogrzewanie omowe zamienia powietrze w plazmę, podczas gdy plazma przewodzi prąd. Jest to podstawa spawania łukowego, który wykorzystuje setki amperów przy napięciu tak niskim jak 20 V.

Spawanie z dużą prędkością 5000 fps (łuk zbliżeniowy, widoczne rozpryski)

Nawet tramwaje niskiego napięcia (zwykle 600-800 V) poruszające się w tempie marszu wytwarzają iskrzenie i iskry w punktach przerwania w sieci trakcyjnej, podczas gdy metro robi to samo na poziomie szyny zasilającej.

Subway Sparks | New York Snowstorm 2017

Ze względu na zapotrzebowanie na wysokie prądy iskry występują głównie, gdy pociąg przyspiesza (np. Z postoju) lub gdy pobiera dużą moc, aby utrzymać wysoką prędkość, ale nigdy nie zdarzają się, gdy jedzie z dużą prędkością na biegu jałowym, mimo że napięcie jest podobnie.

W przypadku pracy z małą prędkością dzieje się tak głównie wtedy, gdy przerwanie kontaktu jest wprowadzane zewnętrznie do systemu klocka, np. Przez fizyczną szczelinę oddzielającą różne obwody lub przez zanieczyszczenie lodem, śniegiem lub liśćmi.

Podczas pracy z dużą prędkością, oprócz wszystkich tych o niskiej prędkości, pantograf skacze na nierównościach trakcyjnych, tworząc dodatkowe przerwy, podobnie jak samochód terenowy, który chwilowo unosi koło, gdy jedzie zbyt szybko na nierównościach. Niektóre z tych nieprawidłowości są wprowadzane przez sam pantograf: można sobie wyobrazić pantograf na sieci trakcyjnej jako odwrócony akrobata na linie. Zamiast grawitacji działającej na akrobatę w dół, pantograf popycha sieć trakcyjną do góry za pomocą sprężyny, więc cały system przeskakuje w górę i w dół, gdy przechodzi pod punktami zawieszenia.

Kiedy oglądam filmy o szybkich pociągach, zawsze widzę wybuchy elektryczności u szczytu lub iskrzenie. Dlaczego tak się dzieje?

W kontakcie jest przerwa, elektrony strzelające przez szczelinę zamieniają powietrze w plazmę i rozkładają powietrze. Ponieważ powietrze jest plazmą, może przewodzić prąd, dzieje się to przy około 3kV / mm, więc wiesz, że wiąże się to z pewnym napięciem.

Innym czynnikiem jest to, że profil linii napowietrznej zmienia się znacznie szybciej przy dużej prędkości. Przewód jezdny nie jest cały czas dokładnie w takiej samej odległości od szyny.

Pantograf jest stale dostosowywany, aby wywierać stały nacisk na przewód jezdny, ale przy dużej prędkości nie dzieje się to wystarczająco szybko. Gdy nacisk na przewód jezdny jest niewystarczający, wystarczy tylko niewielka nierówność, aby pantograf przesunął się o kilka mm w dół, tworząc widoczny łuk.

Dla porównania, pociągi niskiego napięcia są w stanie również tworzyć dobrze widoczne łuki (niższe napięcie jest zwykle kompensowane przez fakt, że jest to prąd stały), jeśli idą wystarczająco szybko lub przewód jezdny jest w złym stanie.