Circuito ferroviário
Alimentador
O alimentador acompanhante é um cabo elétrico que acompanha a via e alimenta os trechos da catenária, que são isolados entre si para que, em caso de manutenção, uma área da via possa ser isolada sem afetar toda a via.
Os alimentadores são os cabos ou condutores que conectam a subestação à catenária. Devem ter características mecânicas (tensão) e elétricas (resistividade, condutividade).
Os materiais mais utilizados são: Cu, Cu-Ag, Cu-Mg e costumam utilizar diferentes seções de 107 – 150 – 250 mm². Existem três tipos de alimentadores para instalações ferroviárias.
O alimentador positivo é o principal condutor que fornece energia elétrica ao trem. Ele está localizado na parte inferior da catenária e fará contato com o pantógrafo localizado no trem. Também é conhecido como LAC (contato aéreo). A principal função é conduzir energia elétrica pelo condutor para alimentar o trem através do pantógrafo. Este alimentador é encontrado em instalações ferroviárias com corrente contínua e corrente alternada.
É um condutor secundário instalado paralelamente ao alimentador positivo. Normalmente está localizado no topo da estrutura que sustenta a catenária e é conectado ao alimentador positivo a cada certa distância. A principal função é alimentar o condutor principal para alimentar os picos de demanda, bem como garantir e dar estabilidade ao fornecimento elétrico da instalação ferroviária. Este alimentador também pode ser encontrado em instalações ferroviárias com corrente contínua e corrente alternada.
É o condutor o responsável por coletar a corrente de retorno da instalação para a subestação. O principal objetivo é reduzir as perdas de energia de retorno. Isso ocorre porque a seção do alimentador negativo é menor do que se a energia retornasse pelo trilho e pelo solo. Observe que este alimentador só é encontrado em instalações de corrente alternada onde as potências fornecidas são maiores e portanto as perdas de retorno são mais afetadas.
companhia aérea
Para garantir uma boa captação de eletricidade em altas velocidades, são construídas catenárias flexíveis de modo que a geometria do fio de contato permaneça dentro de certos limites, ou seja, que permaneça reto, paralelo à via e em tensão. Para conseguir isso, um cabo de “sustentação” é pendurado nos postes dos trilhos. O referido cabo descreve uma catenária, ou seja, um cosseno hiperbólico. O fio de contato deve ser reto, portanto, “ganchos” que prendem o fio de contato na posição horizontal são pendurados no suporte.
A catenária é sustentada por isoladores de suspensão, que isolam eletricamente a catenária do suporte.
O conjunto de estai serve para fixar a direção do fio de contato de forma a descrever um “ziguezague” para melhorar o desgaste do limpador do pantógrafo “Pantógrafo (ferroviário)”). Assim, o fio de contato não esfrega em um único ponto da borracha. O referido conjunto de suporte também possui um isolador elétrico.
O poste é conectado ao terra através do fio terra que também acompanha a pista.
A tensão mecânica da catenária deve ser mantida, pois a passagem do pantógrafo produz oscilações mecânicas no fio de contato. Estas oscilações devem propagar-se mais rapidamente que a velocidade de circulação do comboio para evitar o aparecimento de ondas estacionárias que podem danificar os cabos e provocar a descolagem do pantógrafo. Ao tensionar o cabo, as ondas se propagam com maior velocidade.
Em algumas ocasiões (como no metro de Málaga) pode-se dispensar o suporte e os cabides e deixar o fio de contacto descrever uma catenária. Este sistema apresenta algumas limitações como a limitação da velocidade da ferrovia e a necessidade de uma distância entre postes menor do que em outros casos.
Este sistema surgiu como uma solução para os problemas da terceira faixa, ou seja, o perigo de um pedestre pisar na faixa e ser eletrocutado. Em 2009, por exemplo, 49 pessoas morreram no Reino Unido electrocutadas pelo terceiro carril. O que foi feito em princípio foi simplesmente deslocar o terceiro trilho para o telhado. Posteriormente, foram desenvolvidos trilhos mais leves e de maior desempenho para captação de energia elétrica.
Neste caso, o elemento condutor não é um fio de contato, mas sim um trilho rígido. Para manter a rigidez do trilho, a distância entre os suportes não deve ser muito grande para evitar que ele se deforme, pois sua massa por unidade de comprimento é muito maior que a do fio condutor. Os vãos são geralmente de 10 a 12 m (50 a 60 m para catenárias convencionais). Dada esta limitação, a sua utilização restringe-se a locais com pouco espaço como túneis ou locais onde seja necessária uma configuração especial (por exemplo um sistema retrátil ou dobrável através de pivô, sendo as áreas metropolitanas de Barcelona e Madrid as que mais optaram por ele).
São compatíveis com sistemas catenários flexíveis; Ou seja, um mesmo trem com o mesmo pantógrafo pode circular na catenária flexível e rígida sem equipar diferentes dispositivos de captação de corrente.
O trilho utilizado atualmente é composto por um perfil de alumínio extrudado, que possui um fio de contato de cobre embutido em sua parte inferior. A transmissão da energia elétrica é feita tanto através do alumínio quanto do cobre, embora apenas o fio de cobre deva entrar em contato com o pantógrafo. O trilho é formado pela união de barras por meio de flanges com características físicas semelhantes às dos perfis e mantendo as propriedades elétricas. Cada seção contínua de barras rigidamente unidas é chamada de bloco e seu comprimento geralmente não ultrapassa 500 metros. A continuidade entre um canto e o seguinte é conseguida através da sobreposição das suas barras finais, para que o conjunto possa expandir-se livremente.
Devido ao maior peso deste sistema em relação às catenárias que utilizam cabos, é necessário um maior número de suportes para mantê-lo paralelo à via. A distância entre apoios (vão) costuma ser de cerca de 10 a 12 metros, em comparação com os 50 a 60 metros que ocorrem nas catenárias flexíveis.
Dentre suas vantagens, vale destacar:.
Terceiro trilho
Este sistema de fornecimento de energia às ferrovias surge da necessidade de eletrificar os veículos que circulam nos ambientes metropolitanos, principalmente nos trechos onde há limitações impostas pela bitola das linhas.
Como solução, considerou-se colocar os trilhos alimentadores nas laterais dos trilhos a uma altura suficiente para isolar a instalação do terreno e evitar desvios, bem como permitir desvios e cruzamentos dos trilhos.
Caso a instalação passe por zonas acessíveis, deverá ser corretamente sinalizada e fechada ao longo de todo o comprimento da linha, pois implica graves problemas de segurança.
Sistema de energia para veículos ferroviários, especialmente aqueles que circulam por zonas históricas, onde a implementação de uma catenária implica um impacto visual indesejável.
O sistema baseia-se na instalação de um terceiro trilho localizado entre as faixas de trânsito, que alimenta o veículo por meio de um patim elétrico.
Ao contrário dos sistemas tradicionais de energia do terceiro trilho, apenas as seções da via localizadas sob o veículo teriam tensão. Esta vantagem é essencial para implementação em centros urbanos onde o terceiro trilho convencional apresenta claros problemas de segurança.
Como desvantagens em relação aos sistemas tradicionais, os sistemas APS exigem maiores gastos tanto em manutenção quanto em operação. Também apresentam taxas de disponibilidade relativamente baixas por se tratar de uma tecnologia que está em fase de desenvolvimento.
Este sistema é atualmente utilizado comercialmente no bonde de Bordeaux. (Desenvolvido pela Innorail, subsidiária da Alstom).
Quarta pista
É um trilho localizado entre as pistas e, diferentemente da função de alimentação desempenhada pelo terceiro trilho, o objetivo do quarto trilho é conduzir a corrente de retorno. Enquanto o barramento de alimentação é alimentado a +420 V CC, o quarto barramento é alimentado a –210 V CC, o que daria uma tensão total de 630 V CC. Desta forma evitamos a passagem de corrente pelas pistas, prolongando sua vida útil e evitando problemas de corrosão. Este sistema está presente no Metro de Londres, Metro de Milão e Metro de Paris, entre outros.
barras guia
Este sistema é composto por dois perfis de aço colocados em ambos os lados da via férrea, que têm a função de fornecer energia elétrica ao comboio, que é por este captada através de dispositivos que deslizam sobre os mesmos, denominados ‘escovas’. O trem também possui quatro rodas de borracha que se apoiam lateralmente nessas barras, ajudando assim a reduzir os movimentos de “oscilação” do vagão, mantendo-o no centro da via e orientando-o durante seu trajeto. Este tipo de energia ferroviária é o mais comumente usado no Metrô da Cidade do México.
Suspensão do bonde
Neste sistema, a linha de contato é um fio condutor (Cu) colocado paralelamente ao plano da via e sustentado por suportes por meio de cabos de suspensão lateral chamados tirantes. Seu uso é restrito a bondes e trólebus e vias de serviço nas estações porque:
No caso dos bondes, a corrente é captada por meio de um pantógrafo e no caso dos trólebus e de alguns bondes antigos, o sistema de coleta costuma ser por meio de um carrinho (haste que possui na extremidade uma roda de metal que rola sob o cabo de onde tira a corrente).
Outros sistemas de coleta
Estes sistemas que foram analisados apresentam um problema principal, o contato mecânico-elétrico de duas partes com movimento relativo significativo e que devem estar fortemente unidas em seu movimento. Isto exige custos de manutenção significativos: inspeções de pantógrafos, catenárias e terceiros carris, substituição de elementos, etc., que as administrações ferroviárias pretendem otimizar.
A este problema, especialmente quando se trata de eléctricos ou comboios metropolitanos, poderíamos acrescentar um impacto visual negativo quando passam por centros históricos ou parques. Por isso, os fabricantes estudam sistemas de coleta com menores custos de manutenção e que eliminem o problema de impacto visual, como aqueles baseados na coleta pelo solo:
Tensão de alimentação
A ferrovia era alimentada por corrente contínua com tensão entre 600 e 1.500 V devido à facilidade de utilização de motores de corrente contínua. Mas com o aumento das velocidades foi necessário passar para corrente alternada, aumentando assim as tensões, diminuindo as quedas de tensão, reduzindo as perdas e utilizando catenárias mais leves.
Por outro lado, a tensão de alimentação é padronizada pela IEC 60850 (Aplicações ferroviárias – Tensões de alimentação de sistemas de tração) com os seguintes valores.
Utilizando a corrente das linhas de distribuição CA, subestações de tração de corrente contínua são utilizadas para transformar a corrente e alimentar as redes ferroviárias CC. Eles alimentam principalmente redes convencionais de transporte regional, metrô e bonde, uma vez que a eletrificação alternada é usada para alta velocidade. Para isso, utilizam basicamente um transformador de potência e uma ponte retificadora baseada em diodos de potência.
Os valores de tensão utilizados são significativamente inferiores aos utilizados nas linhas CA. Portanto, importantes conversões e adaptações devem ser feitas antes que a energia possa ser captada pelo material circulante. Basicamente, a corrente elétrica deve ser transformada na tensão de serviço e posteriormente retificada para convertê-la em corrente contínua.
O tipo de corrente que alimenta as linhas de alta velocidade em Espanha é a corrente alternada monofásica. Este tipo de corrente é muito difundido pela possibilidade que oferece de transportar altas tensões e depois altas velocidades.
A corrente é obtida a partir de subestações transformadoras de tração elétrica que possuem como entrada uma rede trifásica de corrente alternada. A saída do transformador possui faixa de tensão entre 15.000 e 25.000 V nominais. Em Espanha são utilizados dois sistemas de eletrificação: 3 kV dc e 25 kV ac a uma frequência de 50 Hz.
Pantógrafo
O pantógrafo é um dispositivo encontrado no teto de um trem. Sua principal função é fazer contato elétrico com a catenária. É importante que o pantógrafo consiga acompanhar os desníveis da catenária sem perder contacto com ela, razão pela qual, especialmente a altas velocidades, o sistema tem de cumprir requisitos exigentes. Portanto, a velocidade máxima na qual um trem pode circular sem problemas de contato elétrico é de 400 km/h na perspectiva atual.[10].
Existem diferentes marcas de pantógrafo. Por exemplo, o Trolley Arm ou o Lyre Shape, são comumente usados em trens de baixa velocidade, como o trem urbano ou o metrô. No entanto, estes sistemas estão desatualizados e são encontrados principalmente em trens mais antigos.
Hoje em dia são utilizados principalmente sistemas suspensos como o pantógrafo de Braço Articulado. Este pantógrafo é assimétrico e pode ser usado com a junta esférica no sentido de deslocamento ou contra o sentido de deslocamento. Para uma tomada de energia ideal, uma força de pressão no cabo deve ser de 50 a 120 N[10] e é importante que a força não dependa da altitude em que o pantógrafo está localizado. Deve-se levar em conta também que a velocidade do ar influencia a pressão, principalmente em alta velocidade. Nestes casos a força é regulada por ar comprimido para obter um valor constante.
Para o material pantográfico existem diversas possibilidades e a utilização depende dos requisitos do sistema. Os materiais mais utilizados são:
Para reduzir o desgaste, sempre que possível, o mesmo material deve ser usado para uma catenária. Porém, a operação com diferentes materiais, por exemplo Carbono e Alumínio, resulta em grande desgaste.
Seccionadores
Os seccionadores são mecanismos de abertura e fechamento de circuitos ou instalações elétricas. São elementos de segurança e controle. A sua principal função é cortar ou isolar a passagem da corrente eléctrica, quer para proteger a instalação, quer para realizar operações de manutenção. Eles podem ser monofásicos ou trifásicos.
Não é um dispositivo de proteção contra surtos "Sobretensão (eletricidade)") ou sobrecorrentes, mas é um elemento muito útil para tarefas de manutenção e também para trabalhadores, pois pode ser detectado visualmente se o seccionador está aberto ou fechado.
Existem três tipos de seccionadores.