信頼性の高い鉄道車両の屋根上システムを実現する堅牢な接続

鉄道車両の屋根上システムは、さまざまな過酷な状況の下で機能する必要があります。 これらの状況において特に損傷を受けやすい重要なシステム コンポーネントには、開閉装置、碍子、車両間電線、サージアレスタ、ブッシング、ダウンリードなどがあります。これらのコンポーネントは屋根の上に配置され、屋根を通して変圧器に接続するため、過酷な状況に耐えると同時に 25 kV (または 15 kV) で確実に電力を伝送する必要があり、さらには乗客の安全性を確保すること、運行が中断されないようにすることも求められます。鉄道車両メーカは、屋根上システムを適切に保護しないことのリスクを理解し、これらのシステムの性能と設計を最適化するオプションを選択することで、車両の耐用年数を延長し、車両運行における不必要な中断を避けることができます。

屋根上システムが実際に故障するとき、その原因の多くはフラッシュオーバ (電気アーク) にあります。 これが発生する状況は 2 通りあります。1 つは、3 点 (金属、固体絶縁、空気) の電界の強さが外部絶縁の耐力を超えたとき (クリアランス距離の破壊)。もう 1 つは、絶縁の表面が導電性を帯びたときです (クリーページ距離の破壊)。どちらの場合も、電気アークの電力が空気中を流れます。その結果、通電しているコンポーネントから接地点または車両本体への短絡が生じます。これは即時の電力損失につながります。電界が集中するか、または外部絶縁の絶縁耐力が弱くなると、フラッシュオーバが発生する可能性が高くなります。前者が起こるのは、屋根上システムのコンポーネントがうまく設計されていないか、適切に保護されていないときです。後者は、圧力や湿度/汚染などのいくつかの要因が組み合わさった結果として起こります。 

電化鉄道 (すなわち、高速) システムの世界規模での急速な成長により、屋根上コンポーネントの保護はより複雑化しています。 たとえば、ヨーロッパ、アジア、中東を横断するために建設された、気候の異なる地域を通過する鉄道路線では、極端な気温、高い湿度、高高度、高レベルの汚染、それらの要素の組み合わせなど、大気の大きな変化に耐える必要があります。碍子または終端器の表面が湿度と汚染物質に同時にさらされると、その複合的影響によってリーク電流が発生し、フラッシュオーバが起こる可能性が高くなります。さらに、高電圧システムが内部絶縁破壊の影響を受けやすくなります。気圧の低い高高度では、システムは空気分子間のギャップにさらされます。その結果、電子の運動エネルギーが大きくなる可能性があります。パッシェンの法則が示すように、これはある特定のギャップにわたってフラッシュオーバが起こる電圧の低下を招き、屋根上システムが故障に対して無防備になります。

屋根上システムの保護という課題は、数多くの流動性によって複雑化しています。 鉄道路線は 1 つとして同じものがなく、「1 つのサイズですべてに適合させる」というアプローチは不可能であり、経済的でもありません。そのため、鉄道車両メーカは、各路線の動作環境を認識する信頼性の高いパワー システムを確立する必要があります。これはコンポーネントのライフサイクル全体にわたる性能に直接的に影響します。あるケースでは、高い空気流量の力によって絶縁ブッシングが湾曲して大きく変形し、性能に影響が生じます。別のケースでは、車両の相対運動によって 3 軸で機械的屈曲が起こり、車両間の間隙を越えて電力を伝送する高電圧ジャンパー電線の性能に影響を与えます。この衝撃や振動を考慮しないと、送電が途絶える可能性があります。このような周期的な機械的負荷は必然的に、電線と電線が接続された機器 (碍子ブラケットや高電圧電線終端器など) の両方を損耗させます。これはさらに、システムが確実かつ効果的に電流を伝送する能力や高電圧耐久にも影響します。これを防ぐには、システム全体の個々の電気コンポーネントや機械コンポーネントを通じた接続性を考慮することが不可欠です。

屋根上システムに使用する材料の品質は、過酷な状況での性能に大きな影響を与える場合があります。 ナット、ボルト、ブラケット、編組コネクタなどのコネクタはしばしば、価格の安いものが指定されます。このような低価格コネクタに使用されている材料は腐食しやすいことに注意する必要があります。この腐食は碍子表面に急速に広がり、高価な銅コネクタの損傷を招く可能性があります。いったん腐食の影響を受けると、システム全体の電気性能や機械性能が損なわれ、劣化します。この間違いの一例は、銅線導体に対して低グレードのナットを使用し、両者が接触しないように適切な部品を挿入することを怠ることが挙げられます。この種の間違いは接続を不必要に損傷させます。鉄道車両メーカは、高品質な絶縁材を使用し、それらの絶縁材を正しく設置することで、屋根上システムの故障を防止できます。これらの故障には、性能の弱体化や、過酷な状況下での高電圧用途に対応していない材料を使用したことによる早期の劣化が含まれます。

鉄道車両メーカは重大な難問に直面しています。 鉄道車両は、乗客に快適な空間を提供するとともに、消費電力を抑えて高速で運行しながら効率的に走行し、いつでもどこでも安全運行することが求められています。屋根上システムの性能を最適化するため、鉄道車両メーカは以下のいずれかのアプローチを実行して運行中断のリスクを最小限に抑えることができます。