Conexiones resistentes para sistemas de techo de carril confiables

Los sistemas de línea de techo de trenes deben funcionar bajo una amplia gama de condiciones adversas. Los siguientes componentes críticos del sistema son particularmente vulnerables a los daños causados por estas condiciones: interruptores, aisladores, cables intercar, descargadores de sobretensión, bujes y downleads. Dado que estos se colocan y se conectan a un transformador a través del techo, estos componentes deben soportar condiciones adversas y transmitir de manera confiable la potencia a 25 kV (o 15 kV), al tiempo que garantizan que los pasajeros estén seguros y las operaciones no se interrumpan. Al comprender los riesgos de no proteger adecuadamente los sistemas de línea de techo e identificar las opciones para optimizar el rendimiento y el diseño de estos sistemas, los fabricantes pueden aumentar el ciclo de vida de sus trenes y evitar interrupciones innecesarias en el servicio.

Cuando un sistema de línea de techo falla, la causa es a menudo un flashover (arcos eléctricos). Esto puede ocurrir de dos maneras. Cuando el campo eléctrico en tres puntos (metal, aislamiento sólido, aire) se vuelve más fuerte que la capacidad del aislamiento externo para soportar la tensión (rompiendo las distancias mínimas de seguridad). O cuando la superficie del aislamiento se vuelve conductora (rompiendo la distancia creepage). En ambos casos, el aire transporta la energía en un arco eléctrico. El resultado es un cortocircuito, desde los componentes activos hasta los puntos de conexión a tierra o el cuerpo del tren. Esto conduce a la pérdida de energía inmediata. La probabilidad de flashover aumenta cuando se produce una de las dos condiciones ambientales: cuando se concentra un campo eléctrico o cuando se debilita la resistencia dieléctrica del aislamiento externo. Lo primero ocurre cuando los componentes del sistema de línea de techo están mal diseñados o protegidos inapropiadamente; el segundo caso resulta del impacto combinado de varios factores, como la presión o la humedad/contaminación.  

El rápido crecimiento mundial de los sistemas de rieles electrificados (es decir, de alta velocidad) ha aumentado la complejidad de proteger los componentes de la línea del techo. Por ejemplo, las líneas que se extienden a través de diferentes climas, como una que se está construyendo para atravesar Europa, Asia y El Medio Oriente, deben soportar cambios atmosféricos significativos: temperaturas extremas, alta humedad, grandes altitudes, altos niveles de contaminación o cualquier combinación de estos factores. Cuando las superficies de aislantes o terminaciones están expuestas simultáneamente a la humedad y los contaminantes, la combinación puede causar corrientes de fuga, lo que aumenta la probabilidad de flashovers. Esta combinación también hace que los sistemas de alto voltaje sean más vulnerables a la perforación interna. Cuando se encuentra en una gran altitud con baja presión de aire, el sistema está expuesto a espacios entre las moléculas de aire. Como resultado, los electrones pueden generar más energía cinética. Como establece la ley de Paschen, esto reduce el voltaje con el que se producirá el flashover, sobre un espacio específico, dejando el sistema de línea del techo más vulnerable a la falla.

El desafío de proteger los sistemas de línea de techo se ve complicado por una gran cantidad de variables.  Dado que cada línea ferroviaria es única y un enfoque de "talla única" no es posible ni económico, los fabricantes de trenes deben establecer un sistema de energía confiable que reconozca el entorno operativo de cada línea. Esto tiene un efecto directo en el rendimiento de los componentes a lo largo del ciclo de vida. En un caso, la fuerza de altas corrientes de aire podría flexionar y doblar los bujes aislantes fuera de forma, lo que posteriormente afectaría el rendimiento. En otro caso, los movimientos relativos de los automóviles que causan flexión mecánica en tres ejes podrían afectar el rendimiento de los cables puentes de alto voltaje que transportan energía eléctrica a través del espacio entre los vagones de tren. Ignorados, estos choques y vibraciones pueden interrumpir la transmisión de energía. Estas cargas mecánicas cíclicas conducen inevitablemente al desgaste: tanto en el cable y el equipo al que está conectado, como en los soportes aislantes o las terminaciones de cables de alto voltaje. Esto, a su vez, afecta la capacidad del sistema para transmitir corriente de manera confiable y efectiva y proporcionar resistencia de alto voltaje. Para evitar esto, es crucial considerar la conectividad que se produce en todos los componentes eléctricos y mecánicos individuales del sistema entero.

La calidad de los materiales utilizados en un sistema de línea de techo puede tener un gran impacto en el rendimiento en condiciones adversas. Algunos conectores, como tuercas, pernos, soportes y conectores trenzados, a menudo se especifican al precio más bajo. Es importante recordar que los materiales utilizados para estos conectores de menor costo son vulnerables a la corrosión y esta corrosión puede propagarse rápidamente a través de las superficies aislantes, lo que resulta en daños a los conectores de cobre de alto valor. Una vez afectado, el rendimiento eléctrico y mecánico de todo el sistema se ve comprometido y debilitado. Un ejemplo de este error es usar una tuerca de grado bajo en un conductor de cobre sin insertar un componente adecuado para separar los dos. Este tipo de error daña innecesariamente la conexión. Mediante el uso de materiales aislantes de calidad y la instalación correcta de estos, los fabricantes de trenes pueden evitar fallas en el sistema de la línea del techo. Estos incluyen un rendimiento débil y degradaciones prematuras resultantes del uso de materiales no desarrollados para uso de alto voltaje en condiciones extremas.

Los fabricantes de trenes se enfrentan a un reto crucial. Se espera que ofrezcan espacios cómodos para los pasajeros, funcionen de manera eficiente mientras consumen menos energía y operan a velocidades más rápidas y tengan un rendimiento confiable en cualquier momento y lugar. Para optimizar el rendimiento del sistema de línea de techo, los fabricantes de trenes pueden implementar uno de estos enfoques para minimizar el riesgo de interrupciones del servicio.