Dlaczego pociągi elektryczne jeżdżą z dużą prędkością?

7

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.

użytkownik3831089
źródło
Witaj użytkowniku3831089, witamy w Engineering SE. Należy pamiętać, że nie jest to forum dyskusyjne, dlatego powinieneś starać się być bezpośredni i zwięzły z pytaniami, podając wszystkie informacje niezbędne do opisania problemu i nie więcej. Pomaga to ekspertom przeczytać i zrozumieć twoje pytanie, aby mogli udzielić skutecznej odpowiedzi. Można zapoznać się z naszym Centrum pomocy artykuł, Jak mogę zadać dobre pytanie?
Air
5
Może się również zdarzyć w pociągach „niskiej prędkości”.
Karlo
W rzeczywistości widziałem to znacznie częściej w pociągach o niskiej prędkości niż w pociągach szybkich. Czy ktoś ma dane, czy tak naprawdę zdarza się to częściej w szybkich pociągach?
Nikt
@ Nikt Łuki nie zdarzają się mniej więcej tak samo we wszystkich pociągach, to raczej kompromis kosztów utrzymania. Linie napowietrzne o niskiej prędkości mają zwykle znacznie gorszy kształt (więc łuki występują nawet przy niższych prędkościach), ale nie wymagają ponownej regulacji co kilka lat, tak jak robią to linie o dużej prędkości. Oczywiście, jeśli wybierzesz prędkość 300 km / h na linii o niskiej prędkości, będziesz mieć łuk prawie non stop (to znaczy, dopóki pantograf się nie stopi).
Dmitrij Grigoriew

Odpowiedzi:

18

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.

Hobbes
źródło
1
Ponadto pociąg, który przyspiesza lub jedzie szybko, pobiera znacznie więcej prądu, niż gdy jedzie wolno.
Dave Tweed,
@DaveTweed to prawda, ale iskrzenie jest prawie całkowicie funkcją siły pola elektrycznego, a nie prądu za nią. Po uderzeniu łuku z pewnością dostępny prąd wpływa na ilość uszkodzeń (spawanie / cięcie), które mają miejsce.
Carl Witthoft,
2
@CarlWitthoft: Zobacz komentarz w innym miejscu na temat indukcyjnego charakteru obciążenia. Wyższy prąd oznacza wyższe napięcie, gdy prąd ten zostanie nagle przerwany.
Dave Tweed
@CarlWitthoft Ilość światła wytwarzanego przez łuk jest proporcjonalna do prądu w nim, a nie do napięcia. Po zapaleniu łuku, spada ona tylko ułamek napięcia linii napowietrznej.
Dmitrij Grigoriew
@DmitryGrigoryev Poprawnie. Powinienem był sprecyzować, że uderzenie łuku zależy od siły pola (i stałej dielektrycznej)
Carl Witthoft
9

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

Solar Mike
źródło
2
Z wyraźnym przykładem jest lód na przewodach napowietrznych.
Ghanima
1
Wysoka prędkość znacznie pogarsza problem - drobne nieregularności, po których pantograf przesuwałby się gładko, utrzymując kontakt przez cały czas, jego elastyczność ustępowała i popychała podążając za powierzchnią, w przypadku dużej prędkości powoduje przeskakiwanie i tworzenie szczeliny - co powoduje iskrzenie .
SF.
6

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.

Burt_Harris
źródło
Czy masz cytat, aby pokazać, że elementy wewnętrzne silnika nie mają tłumików udarowych?
Carl Witthoft,
1
To źle: silniki nigdy nie są podłączone bezpośrednio do obwodu pantografu, z wyjątkiem pociągów z zabawkami.
Dmitrij Grigoryev,
Żadne ekonomicznie uzasadnione obwody kondycjonujące moc między pantografem a silnikami nie zmieniają faktu, że nadal jest to skutecznie obciążenie indukcyjne . Fakt, że na pantografie może wystąpić wyładowanie łukowe, od dawna jest akceptowany, więc pochłanianie stanów nieustalonych w elektronice zamiast w pantografie wydaje się ekonomicznie nierozsądne. @CarlWitthoft, czy masz cytat pokazujący inaczej?
Burt_Harris
@Burt_Harris Silniki pociągowe nie mogą pracować przez cały czas przy 50/60 Hz (co oznaczałoby stałą prędkość), więc napięcie sieciowe jest najpierw przekształcane na prąd stały, a szyna prądu stałego jest w stanie zaabsorbować prąd generowany podczas hamowania, jeśli to właśnie ty nazywamy „obciążeniem indukcyjnym”. Czy mogę zapytać, jakie masz doświadczenie z pociągami?
Dmitry Grigoryev
3

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.

wprowadź opis zdjęcia tutaj wprowadź opis zdjęcia tutaj 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!

Harfiarka
źródło
„Pan” to slangowe określenie pantografu. Czasami pisano też „pantagraph”, w zależności od tego, która firma je dostarczała.
Harper
2

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.

Agent_L
źródło
1
Cóż, rodzaj ... prądu jest związany, ale w rzeczywistości jest to skok napięcia, który rozpoczyna łuk w przypadku pantografu. Zobacz moją odpowiedź na temat obciążeń indukcyjnych.
Burt_Harris
@Burt_Harris Chodzi mi o to, że napięcie w sieci nie ma znaczenia, ponieważ pociąg 25kV przepływa aż do 800V metra, a nawet zdalnie aż do 20V spawacza. Trochę przeoczyłem, że spawacze są indukcyjni i występuje skok napięcia.
Agent_L,
0

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.

Skok napięcia
źródło
3kV / mm jest bardzo optymistyczny. Za pomocą 25 kV można łatwo uzyskać łuk o długości kilku cm.
Dmitrij Grigoriew
Efekt plazmy jest charakterystyczny tylko dla tego konkretnego powietrza. W szybkim pociągu poruszającym się z dużym prawdopodobieństwem powietrze może zostać zdmuchnięte przez siłę wiatru, mającą skłonność do gaszenia łuku. W rzeczywistości podmuchy powietrza są często używane do gaszenia łuków w dużych stycznikach.
Harper
@Harper, tak, dlatego napisałem około 3kV / mm zamiast dokładnie 3kV / mm
napięcia
0

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.

Dmitrij Grigoriew
źródło