Wenn ich Videos von Hochgeschwindigkeitszügen anschaue, sehe ich immer Explosionen von Elektrizität in der Nähe der Spitze oder Lichtbögen. Warum passiert das? Ich weiß, dass der Acela viel macht, aber andere Hochgeschwindigkeitszüge haben es auch.

Mehrere Faktoren beeinflussen dies:

• Bei hoher Geschwindigkeit besteht eine höhere Wahrscheinlichkeit, dass der Stromabnehmer den Kontakt zum Oberleitungsdraht verliert: Bei höherer Geschwindigkeit verursachen Unebenheiten im Draht eine heftigere Auslenkung, die die Fähigkeit der Aufhängung des Stromabnehmers übersteigen kann.
• Züge mit niedriger Geschwindigkeit können ebenfalls Lichtbögen zeigen.
• Hochgeschwindigkeitszüge verwenden häufig Hochspannung (15 oder 25 kV), die über größere Entfernungen Lichtbögen erzeugen kann als die niedrigere Spannung (z. B. 1500 V), die in älteren Zügen verwendet wird.

Der Punkt, an dem der Stromabnehmer eines elektrischen Zuges mit dem Oberleitungsdraht in Kontakt kommt, schafft eine der komplexesten und herausforderndsten Umgebungen, die Hersteller und Testingenieure von Schienenkomponenten verstehen, geschweige denn vorhersagen und verbessern können.

Damit Züge effizient arbeiten können, muss der Stromabnehmer in ständigem Kontakt mit den an Fahrleitungssystemen hängenden Oberleitungsdrähten stehen. Diese Drähte und ihre Stützstrukturen weisen jedoch entlang eines bestimmten Abschnitts unterschiedliche vertikale Steifigkeiten auf. Das Oberleitungssystem bewegt sich im Abstand von 30 bis 100 Metern im Zickzack, um Rillen zu vermeiden. Die Kraft, die der Stromabnehmer auf den Draht ausübt, muss in einem genau definierten Bereich (70 N bis 120 N) bleiben. Wenn es zu niedrig ist, führt ein Kontaktverlust zu Lichtbögen, die nicht nur zu einem Leistungsverlust des Zuges führen, sondern auch den Oberleitungsdraht und die Kontaktstange durch Ätzen und Überhitzen beschädigen. Wenn die Kraft zu hoch ist, nutzt die resultierende Reibung den Draht und die Kontaktstange vorzeitig ab.

Die richtige Kraftmenge erfordert eine variable vertikale Bewegung. Wenn sich Züge jedoch mit höheren Geschwindigkeiten bewegen, verlieren Stromabnehmer ihre Fähigkeit, angemessen zu reagieren. Selbst wenn der Oberleitungsdraht so flach wie möglich ist, ist er nur flach, wenn er ungestört hängt. Wenn der Stromabnehmer den Draht anhebt, erzeugt die resultierende Verformung eine Welle. Wenn zu viel Auftrieb vorhanden ist, erzeugt der Stromabnehmer eine viel größere Wellenform, die Kontaktprobleme für den nächsten Stromabnehmer verursacht, der die Linie hinunterkommt.

Die Oberleitung ist nicht stationär : Sie wird von Zügen und vom Wind bewegt.

Wenn ein Stromabnehmer unter der Oberleitung läuft, erzeugt er im Allgemeinen eine wellenförmige Störung, die sich mit einer Geschwindigkeit über den Draht bewegt, die durch die Spannung im Draht und seine Masse pro Längeneinheit bestimmt wird. Wenn sich ein Zug dieser kritischen Geschwindigkeit nähert, holt der Stromabnehmer die Störung ein, was zu gefährlich großen vertikalen Verschiebungen des Drahtes sowie zu Kontaktunterbrechungen führt. Die Höchstgeschwindigkeit des Zuges wird dann durch die kritische Geschwindigkeit der Oberleitung begrenzt. Dieses Problem war für die Testläufe von zentraler Bedeutung, da der Satz 325 bei Geschwindigkeiten getestet werden sollte, die weit über der kritischen Geschwindigkeit der Standard-TGV-Oberleitung liegen.

Dies liegt daran, dass die Hochspannung immer noch eine Verbindung verursacht, wenn sich die Kontakte aufgrund einer Unregelmäßigkeit (Erhebung usw.) zwischen dem Kontakt und dem Draht trennen.

Wie andere geschrieben haben, ist eine vorübergehende Lücke zwischen Stromabnehmer und Freileitung Teil der Antwort, aber das ist nicht die ganze Geschichte. Der andere große Faktor ist, dass die Motoren des Zuges eine induktive Last sind , was das Geschehen bei einer Unterbrechung des Stromkreises erheblich erschwert.

Wenn ein Stromkreis mit einer induktiven Last unterbrochen wird, kann der Strom durch die Last nicht sofort auf Null gehen. Stattdessen fließt weiterhin Strom durch die Last und erzeugt am Unterbrechungspunkt eine Spannungsspitze. (Die zusätzliche Energie dazu kommt tatsächlich von der induktiven Last.) Die Spannung steigt plötzlich an, bis ein Durchschlag (z. B. Lichtbogen) auftritt. Wenn sich ein Lichtbogen gebildet hat, fällt die Spannung ab, aber es wird weniger Spannung benötigt, um einen Lichtbogen aufrechtzuerhalten, da Plasma bei typischen Temperaturen leitfähiger als Luft ist.

Die Ströme, die für einen Hochgeschwindigkeitszug fließen, sind typischerweise viel höher als ihre Gegenstücke mit niedriger Geschwindigkeit, so dass die Spannung, die entsteht, wenn der Stromkreis unterbrochen wird, höher ist.

Die Kraft eines Stromabnehmers beträgt 15-40 Pfund, außen 60 Pfund. (7-18 kg, maximal 30 oder so).

Der Oberleitungsdraht (Kontaktdraht) besteht aus massiver Bronze oder Kupfer, typischerweise 4/0 bis 400 kcmil (107-200 mm²), mit einem Litzen-Stahldraht (Oberleitung) von 10-13 mm (3 / 8-1 / 2 ") ) Durchmesser. Der Kurierdraht wird alle 30-60 m (100-200 Fuß) und der Kontaktdraht alle 2-3 m (6-10 ') abgestützt. Der Kontaktdraht kann also auch nur 0,3 m (1 Fuß) hochragen ) Wenn der Zug vorbeifährt, hat er oft eine Stabilisatorstange, um zu verhindern, dass er sich seitlich bewegt, kann sich aber frei vertikal bewegen.

Wie bereits erwähnt, können Unregelmäßigkeiten im Fahrdraht oder in der Art des Aufhängens dazu führen, dass sich Stromabnehmer und Kabel für einen Moment trennen.

Wellenbewegungen im Draht können auch eine kurzzeitige Trennung verursachen. Eine ausreichende Draht- oder Zugbewegung kann dazu führen, dass sich der Draht auf das gekrümmte "Horn" des Stromabnehmers bewegt.

src

Unregelmäßigkeiten in der Lauffläche des Stromabnehmers können ebenfalls Lichtbögen verursachen. Es gibt typischerweise eingelassene Kupfer- oder Bronzeschieber; Eine physische Beschädigung eines Objektträgers oder einfach eines verbrannten Flecks durch Lichtbogenbildung kann dazu führen, dass der Draht den Kontakt verliert.

Außerdem hat ein Stromabnehmer normalerweise zwei Schieber vorne und hinten, und der Stromabnehmer hat entweder ein Gestänge oder starke Federn, um ihn gerade zu halten. Wenn eine Bindung oder ein gebrochenes Gestänge oder eine ermüdete oder gebrochene Feder vorhanden ist, ist diese möglicherweise nicht eben und kann auf Ferse oder Zehen fahren, was zu einem schlechten Kontakt führt.

Die Lichtbogenbildung wird natürlich durch Strom verursacht. Der Strom kann durch den Lichtbogen kontinuierlich bleiben (diese Tendenz ist proportional zur Spannung, wahrscheinlicher bei Hochspannungssystemen, die in Hochgeschwindigkeitsschienen verwendet werden). Hochgeschwindigkeits-Luftbewegungen können jedoch den Lichtbogen auslöschen und die Stromzufuhr zum Zug vorübergehend unterbrechen . Sprechen Sie über Spannungsspitzen!

Es geht nicht um Spannung *, es geht um Strom.

*Leitungsspannung

Wenn ein Hochstromkreis unterbrochen wird (insbesondere ein induktiver), wird ein Lichtbogen zwischen den abbrechenden Kontakten gebildet. Der hohe Strom hält dann den Lichtbogen aufrecht: Durch ohmsche Erwärmung wird Luft in Plasma umgewandelt, während das Plasma den Strom leitet. Es ist die Basis des Lichtbogenschweißens, bei dem Hunderte von Ampere bei einer Spannung von nur 20 V verwendet werden.

Schweißen mit hoher Geschwindigkeit 5000 fps (Nahlichtbogen, Spritzer sichtbar)

Sogar Niederspannungsstraßenbahnen (normalerweise 600-800 V), die sich im Schritttempo bewegen, erzeugen Lichtbögen und Funken an Haltepunkten in der Oberleitung, während U-Bahnen dies auf der Ebene der Stromschiene tun.

U-Bahn Funken | New York Schneesturm 2017

Aufgrund des hohen Strombedarfs treten Funken meistens auf, wenn der Zug beschleunigt (z. B. aus dem Stand) oder wenn er viel Strom verbraucht, um eine hohe Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten. Sie treten jedoch nie auf, wenn er im Leerlauf läuft, obwohl die Spannung die ist gleich.

Im Niedriggeschwindigkeitsbetrieb geschieht dies meistens, wenn ein Drahtbruch von außen in das Drahtschuhsystem eingeführt wird, z. B. durch einen physischen Spalt, der verschiedene Stromkreise trennt, oder durch Verunreinigung durch Eis, Schnee oder Blätter.

Im Hochgeschwindigkeitsbetrieb werden zusätzlich zu allen Niedergeschwindigkeitsbetrieben zusätzliche Pausen durch den Stromabnehmer erzeugt, der auf Fahrleitungsunregelmäßigkeiten springt, genau wie bei einem Geländewagen, bei dem das Rad vorübergehend in die Luft fährt, wenn es bei Unebenheiten zu schnell fährt. Einige dieser Unregelmäßigkeiten werden durch den Stromabnehmer selbst verursacht: Man kann sich einen Stromabnehmer auf einer Oberleitung als einen umgedrehten Akrobaten auf einem Drahtseil vorstellen. Anstatt dass die Schwerkraft auf den Akrobaten nach unten wirkt, drückt der Stromabnehmer die Oberleitung über eine Feder nach oben, sodass das gesamte System beim Passieren unter Aufhängepunkten auf und ab springt.

Wenn ich Videos von Hochgeschwindigkeitszügen anschaue, sehe ich immer Explosionen von Elektrizität in der Nähe der Spitze oder Lichtbögen. Warum passiert das?

Es gibt eine Lücke im Kontakt, die Elektronen, die durch die Lücke schießen, verwandeln die Luft in ein Plasma und zersetzen die Luft. Da die Luft ein Plasma ist, kann sie Strom leiten. Dies geschieht bei etwa 3 kV / mm, sodass Sie wissen, dass eine gewisse Spannung vorliegt.

Ein weiterer Faktor ist, dass sich das Freileitungsprofil bei hoher Geschwindigkeit viel schneller ändert. Der Fahrdraht befindet sich nicht immer in genau demselben Abstand von der Schiene.

Der Stromabnehmer wird ständig neu eingestellt, um einen konstanten Druck auf das Fahrdraht auszuüben, aber bei hoher Geschwindigkeit geschieht dies nicht schnell genug. Wenn der Druck auf den Fahrdraht nicht ausreicht, genügt eine kleine Beule, um den Stromabnehmer einige mm nach unten zu schicken und einen sichtbaren Lichtbogen zu erzeugen.

Nur als Referenz können Niederspannungszüge gut sichtbare Lichtbögen erzeugen (die niedrigere Spannung wird normalerweise durch die Tatsache kompensiert, dass es sich um Gleichstrom handelt), wenn sie schnell genug fahren oder der Fahrdraht in einem schlechten Zustand ist.