Conexões Robustas para Sistemas Elétricos Aéreos Ferroviários Confiáveis

Os sistemas elétricos aéreos de trens devem funcionar sob uma ampla gama de condições adversas. Os seguintes componentes essenciais do sistema são particularmente vulneráveis a danos causados por essas condições: comutador, isoladores, cabos entre carros, protetores contra surtos, buchas e cabos condutores. Assim que estiverem posicionados e conectados a um transformador através do teto, esses componentes devem suportar condições adversas e transmitir energia de forma confiável a 25 kV (ou 15 kV), garantindo que os passageiros estejam seguros e as operações não sejam interrompidas. Ao compreender os riscos de não proteger adequadamente os sistemas elétricos aéreos e identificar as opções para otimizar o desempenho e o design desses sistemas, os fabricantes de trens podem aumentar o ciclo de vida de seus trens e evitar interrupções desnecessárias no serviço.

Quando houver uma falha no sistema elétrico aéreo, a causa geralmente será o flashover (arcos elétricos). Isto pode ocorrer de duas maneiras. Quando o campo elétrico em três pontos (metal, isolamento sólido, ar) se torna mais forte do que a capacidade do isolamento externo de suportar o estresse (quebrando as distâncias de tolerância). Ou quando a superfície do isolamento se torna condutora (quebrando a distância de fuga). Em ambos os casos, o ar transporta a energia em um arco elétrico. O resultado é um curto-circuito, dos componentes ativos aos pontos de aterramento ou ao corpo do trem. Isso levará à perda de energia imediata. A probabilidade de flashover (combustão súbita) aumenta quando ocorre uma das duas condições ambientais: quando um campo elétrico está concentrado ou quando a rigidez dielétrica do isolamento externo é enfraquecida. O primeiro acontece quando os componentes do sistema elétrico aéreo são mal projetados ou protegidos inadequadamente; este último resulta do impacto combinado de vários fatores, como pressão ou umidade/poluição.  

O rápido crescimento mundial dos sistemas ferroviários eletrificados (ou seja, de alta velocidade) aumentou a complexidade da proteção dos componentes elétricos aéreos. Por exemplo, linhas que se estendem por diferentes climas, como uma que está sendo construída para atravessar a Europa, Ásia e Oriente Médio, devem suportar mudanças atmosféricas significativas: temperaturas extremas, alta umidade, altitudes elevadas, altos níveis de poluição ou qualquer combinação desses fatores. Quando as superfícies dos isoladores ou terminações são expostas simultaneamente à umidade e poluentes, a combinação pode causar correntes de fuga, o que aumenta a probabilidade de flashovers. Essa combinação também torna os sistemas de alta tensão mais vulneráveis a perfurações internas. Quando em uma altitude elevada com baixa pressão do ar, o sistema é exposto a lacunas entre as moléculas de ar. Como resultado, os elétrons podem gerar mais energia cinética. Como afirma a lei de Paschen, isso reduz a tensão na qual o flashover ocorrerá, sobre uma lacuna específica, deixando o sistema elétrico aéreo mais vulnerável a falhas.

O desafio de proteger os sistemas elétricos aéreos é complicado devido a um grande número de variáveis.  Como cada linha ferroviária é única e uma abordagem de “tamanho único” não é possível nem econômica, os fabricantes de trens devem estabelecer um sistema de energia confiável que reconheça o ambiente operacional de cada linha. Isso tem efeito direto no desempenho dos componentes ao longo do ciclo de vida. Em um caso, a alta força de fluxo de ar pode flexionar e dobrar as buchas isolantes antigas, impactando subsequentemente o desempenho. Em outro caso, os movimentos relativos dos vagões, que causam flexão mecânica em três eixos, podem afetar o desempenho dos cabos jumper que transportam energia elétrica através do espaço entre os vagões. Quando ignorados, este choque e a vibração podem interromper a transmissão de energia. Essas cargas mecânicas cíclicas levam inevitavelmente ao desgaste, tanto no cabo quanto no equipamento ao qual o cabo está conectado, como suportes de isoladores ou terminações de cabos de alta tensão. Isso, por sua vez, afeta a capacidade do sistema de transmitir corrente de forma confiável e eficaz e fornecer resistência a alta tensão. Para evitar isso, é crucial considerar a conectividade que ocorre em todos os componentes elétricos e mecânicos individuais do sistema.

A qualidade dos materiais usados em um sistema elétrico aéreo pode ter um grande impacto no desempenho em condições adversas. Alguns conectores, como porcas, parafusos, suportes e conectores trançados, geralmente são especificados pelo preço mais baixo. É importante lembrar que os materiais usados para esses conectores de baixo custo são vulneráveis à corrosão. Essa corrosão pode se espalhar rapidamente pelas superfícies do isolador, resultando em danos aos conectores de cobre de alto valor. Uma vez afetado, o desempenho elétrico e mecânico de todo o sistema fica comprometido e enfraquecido. Um exemplo desse erro é usar uma porca de baixa qualidade em um condutor de cobre, sem inserir um componente adequado para separar os dois. Esse tipo de erro danifica desnecessariamente a conexão. Ao usar materiais isolantes de qualidade e instalá-los corretamente, os fabricantes de trens podem evitar falhas no sistema elétrico aéreo. Isso inclui desempenho fraco e degradações prematuras resultantes do uso de materiais não desenvolvidos para uso de alta tensão em condições extremas.

Os fabricantes de trens enfrentam um desafio crucial. Os trens devem oferecer espaços confortáveis para os passageiros, funcionar com eficiência enquanto consomem menos energia, operar em velocidades mais rápidas e funcionar de maneira confiável em qualquer lugar a qualquer hora. Para otimizar o desempenho do sistema elétrico aéreo, os fabricantes de trens podem implementar uma destas abordagens para minimizar o risco de interrupções de serviço.