Lorsque je regarde des vidéos de trains à grande vitesse, je vois toujours des explosions d'électricité près du sommet ou des arcs. Pourquoi cela se produit-il? Je sais que l' Acela le fait beaucoup mais d'autres trains à grande vitesse l'ont aussi.

Plusieurs facteurs influencent cela:

• à haute vitesse , le pantographe a plus de chances de perdre le contact avec le fil caténaire: à plus grande vitesse, les bosses dans le fil provoquent une excursion plus violente qui peut dépasser la capacité de suspension du pantographe.
• Les trains à basse vitesse peuvent également présenter des arcs.
• les trains à grande vitesse utilisent souvent une haute tension (15 ou 25 kV), qui est capable de produire des arcs sur de plus longues distances que la tension inférieure (par exemple 1500 V) utilisée dans les trains plus anciens.

Le point où le pantographe d'un train électrique entre en contact avec le câble du chariot crée l'un des environnements les plus complexes et les plus difficiles à comprendre, et encore moins à prévoir et à améliorer, pour les fabricants de composants ferroviaires et les ingénieurs de test.

Pour que les trains fonctionnent efficacement, le pantographe doit maintenir un contact constant avec les câbles du chariot suspendus aux systèmes caténaires. Pourtant, ces fils et leurs structures de support présentent des raideurs verticales différentes le long d'une section donnée. Le système caténaire zigzague à des intervalles de 30 à 100 mètres pour éviter les rainures. La force que le pantographe applique au fil doit rester dans une plage bien définie (70N à 120N). Si elle est trop faible, la perte de contact entraîne un arc électrique, ce qui non seulement entraîne une perte de puissance du train, mais endommage le fil du chariot et la barre de contact par gravure et surchauffe. Si la force est trop élevée, la friction qui en résulte use le fil et la barre de contact prématurément.

Fournir la bonne quantité de force nécessite un mouvement vertical variable. Mais lorsque les trains roulent à des vitesses plus élevées, les pantographes perdent leur capacité à réagir de manière appropriée. Même lorsque le câble du chariot est aussi plat que possible, il n'est plat que lorsqu'il est suspendu sans être dérangé. Lorsque le pantographe soulève le fil, la déformation qui en résulte crée une onde. S'il y a trop de soulèvement, le pantographe crée une forme d'onde beaucoup plus grande qui provoque des problèmes de contact pour le prochain pantographe qui descend sur la ligne.

Le fil caténaire n'est pas immobile : il se déplace par les trains et par le vent.

En général, lorsqu'un pantographe passe sous la caténaire, il crée une perturbation ondulatoire qui descend le fil avec une vitesse déterminée par la tension du fil et sa masse par unité de longueur. Lorsqu'un train approche de cette vitesse critique, le pantographe rattrape la perturbation, ce qui entraîne des déplacements verticaux dangereusement importants du fil ainsi que des interruptions de contact. La vitesse de pointe du train est alors limitée par la vitesse critique de la caténaire. Ce problème était au cœur des essais, car il était souhaitable de tester l'ensemble 325 à des vitesses bien supérieures à la vitesse critique de la caténaire TGV standard.

Cela est dû à la haute tension provoquant toujours une connexion lorsque les contacts se séparent en raison d'une irrégularité (bosse, etc.) entre le contact et le fil.

Comme d'autres l'ont signalé, un écart temporaire entre le pantographe et le conducteur aérien fait partie de la réponse, mais ce n'est pas tout. L'autre facteur important est que les moteurs du train sont une charge inductive , ce qui complique sérieusement ce qui se passe lorsque le circuit est interrompu.

Lorsqu'il y a une interruption d'un circuit avec une charge inductive, le courant traversant la charge ne peut pas aller à zéro instantanément. Au lieu de cela, le courant continue de traverser la charge, générant une pointe de tension au point d'interruption. (L'énergie supplémentaire pour ce faire provient en fait de la charge inductive.) La tension augmente brusquement jusqu'à ce qu'une panne (par exemple un arc) se produise. Lorsqu'un arc s'est formé, la tension chute, mais moins de tension est nécessaire pour entretenir un arc car le plasma est plus conducteur que l'air à des températures typiques.

Les courants circulant pour un train à grande vitesse seront généralement beaucoup plus élevés que leurs homologues à basse vitesse, de sorte que la tension développée lorsque le circuit est interrompu sera plus élevée.

L'effort sur un pantographe est de 15 à 40 livres, 60 livres à l'extérieur. (7-18kg, max 30 environ).

Le fil (de contact) du chariot est en bronze ou en cuivre massif, généralement de 4/0 à 400 kcmil (107-200 mm ^ 2), avec un fil de messager en acier toronné (caténaire) de 3 / 8-1 / 2 "(10-13 mm) ). Le fil de messager est soutenu tous les 100-200 pieds (30-60m) et il supporte le fil de contact tous les 6-10 '(2-3m). Ainsi, le fil de contact est libre de monter jusqu'à un pied (0,3 m) ) lorsque le train passe. Il a souvent une barre stabilisatrice pour l'empêcher de se déplacer latéralement mais est libre de se déplacer verticalement.

Comme discuté, toute irrégularité dans le fil de contact, ou dans la façon dont il est suspendu, peut séparer le pantographe et le fil pendant un moment.

L'action des vagues dans le fil peut également provoquer une séparation momentanée. Un mouvement suffisant du fil ou du train peut faire sortir le fil sur la "corne" courbe du pantographe.

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Des irrégularités dans la surface de roulement du pantographe peuvent également provoquer des arcs. Il existe généralement des diapositives en cuivre ou en bronze; des dommages physiques à une glissière ou simplement une tache brûlée par arc peuvent faire perdre le contact au fil.

De plus, un pantographe a généralement deux glissières, avant et arrière, et le pantographe a soit une liaison ou des ressorts solides pour le maintenir à niveau. S'il y a une liaison ou une liaison cassée ou un ressort fatigué ou cassé, il peut ne pas être de niveau et peut rouler sur son talon ou son orteil, provoquant un mauvais contact.

L'arc est bien sûr provoqué par le courant. Le courant peut rester continu à travers l'arc (cette tendance étant proportionnelle à la tension, plus probablement sur les systèmes à haute tension utilisés dans les trains à grande vitesse) - cependant le mouvement d'air à grande vitesse est susceptible d'éteindre l'arc, coupant momentanément l'alimentation du train . Parlez des pics de tension!

Ce n'est pas une question de tension *, c'est une question de courant.

* tension secteur

Lorsqu'un circuit à courant élevé est interrompu (en particulier un circuit inductif), un arc se forme entre les contacts qui se détachent. Le courant élevé entretient alors l'arc: le chauffage ohmique transforme l'air en plasma, tandis que le plasma conduit le courant. C'est la base du soudage à l'arc, qui utilise des centaines d'ampères à une tension aussi faible que 20V.

Soudage à grande vitesse 5000 fps (arc rapproché, éclaboussures visibles)

Même les tramways à basse tension (généralement 600-800 V) se déplaçant à un rythme de marche produisent des arcs et des étincelles aux points d'arrêt en caténaire, tandis que le métro fait de même au niveau du rail d'alimentation.

Étincelles de métro | New York Snowstorm 2017

En raison de l'exigence de courant élevé, les étincelles se produisent principalement lorsque le train accélère (par exemple à l'arrêt), ou lorsqu'il consomme beaucoup d'énergie pour maintenir une vitesse élevée, mais elles ne se produisent jamais lorsqu'il roule au ralenti, malgré la tension même.

En fonctionnement à basse vitesse, cela se produit principalement lorsqu'une rupture de contact est introduite vers l'extérieur du système de sabot métallique, par exemple par un espace physique séparant les différents circuits ou par une contamination par la glace, la neige ou les feuilles.

En fonctionnement à grande vitesse, en plus de toutes celles à basse vitesse, des sauts supplémentaires sont créés par le pantographe sautant sur des irrégularités caténaires, tout comme un camion tout-terrain qui fait voler sa roue momentanément lorsqu'il va trop vite sur les bosses. Certaines de ces irrégularités sont introduites par le pantographe lui-même: on peut imaginer le pantographe sur une caténaire comme un acrobate à l'envers sur une corde raide. Au lieu que la gravité agisse sur l'acrobate vers le bas, le pantographe pousse la caténaire vers le haut via un ressort, de sorte que l'ensemble du système monte et descend lors du passage sous les points de suspension.

Lorsque je regarde des vidéos de trains à grande vitesse, je vois toujours des explosions d'électricité près du sommet ou des arcs. Pourquoi cela se produit-il?

Il y a un espace dans le contact, les électrons tirant à travers l'espace transforment l'air en plasma et décomposent l'air. Parce que l'air est un plasma, il peut conduire du courant, cela se produit à environ 3 kV / mm, donc vous savez qu'il y a une tension.

Un autre facteur est que le profil de la ligne aérienne change beaucoup plus rapidement à grande vitesse. Le fil de contact n'est pas toujours exactement à la même distance du rail.

Le pantographe est constamment réajusté pour appliquer une pression constante sur le fil de contact, mais à grande vitesse cela ne se produit pas assez rapidement. Lorsque la pression sur le fil de contact est insuffisante, une petite bosse suffit pour faire descendre le pantographe de quelques mm, créant un arc visible.

Juste à titre de référence, les trains basse tension sont également capables de créer des arcs assez visibles (la tension inférieure est généralement compensée par le fait qu'elle est continue), s'ils vont assez vite ou que le fil de contact est en mauvais état.