Tradução: cruisespeed
Revisão e layout do texto: Tiago Costa
Revisão técnica: Athos
Índice
- Tração Elétrica
- Fonte de Eletricidade
- Terceiro Trilho
- Sapatas e coletores
- Zonas Neutras
- Usos do Terceiro Trilho
- Retorno
- Tração em corrente contínua ou alternada?
- Alimentação aérea (Catenária)
- Sistemas de Suspensão da Catenária
- Transformadores Amplificadores
- Pantógrafos
- Mais de uma tensão/tipo de corrente
Existe uma larga variedade de sistemas de tração elétrica em todo o mundo que foram construídos de acordo com o tipo de ferrovia, local e tecnologia disponíveis na época da instalação. Muitas delas foram construídas há mais de 100 anos, algumas quando a eletricidade mal tinha saído das fraldas, e isto teve grande influencia no que vemos hoje.
Nos últimos 20 anos, tivemos uma enorme aceleração no desenvolvimento de tração ferroviária. Isso tem acontecido em paralelo com o desenvolvimento da eletrônica de potência (equipamentos eletrônicos em circuitos de alta tensão) e microprocessadores. O que era aceito como norma na indústria por, pelo menos, 80 anos, de repente foi descartado e substituído por mudanças fundamentais no design, fabricação e operação. Muitos destes desenvolvimentos são altamente técnicos e complexos. Os detalhes de cada uma estão, portanto, além do âmbito deste texto.
Por causa de estas mudanças terem sido tão rápidas, há ainda bastantes exemplos da tecnologia original em uso regular. Então, eu os cobri em meus artigos. Ele será útil, desde que ajude o leitor a ter domínio/interesse com a tecnologia moderna.
Fonte de Eletricidade
Para começar, uma ferrovia precisa de uma fonte de eletricidade que possa ser acessada pelos trens todo o tempo. Deve ser segura, econômica e de uso amigável. Ela pode tanto CC (Corrente Contínua – DC em inglês) como CA (Corrente Alternada), tendo sido a corrente contínua, por muitos anos, mais simples para o propósito da tração ferroviária. A corrente alternada é melhor para longas distâncias e mais barata de instalar, mas, até recentemente, era mais complicada de se controlar nos trens.
A transmissão de eletricidade é feita sempre ao longo da via por meio de cabos aéreos ou no chão, usando um terceiro trilho extra, próximo aos trilhos das vias. Sistemas CA sempre utilizam cabos aéreos, já os sistemas CC podem utilizar tanto cabos aéreos quanto terceiro trilho, e ambos são comuns. Ambos os sistemas de cabos aéreos requerem ao menos um coletor anexado ao trem de modo que sempre haja contato com a energia elétrica. Os coletores de corrente elétrica usam "pantógrafos", chamados assim por causa do formato da maioria deles até 30 anos atrás aproximadamente. O circuito de retorno é feito utilizando os trilhos das vias para fazer a corrente até voltar à subestação. Os trilhos têm potencial de "terra" (zero volts) e são conectados às subestações.
Terceiro Trilho
Figura 1 – conceito genérico de terceiro trilho
A figura 1 mostra um terceiro trilho do sistema de tração corrente contínua localizado na mesma via em relação aos trilhos. O sistema de terceiro trilho usa uma sapata para alimentação do trem, talvez porque, antes, era chamado de "deslizante" pelos pioneiros da indústria (ele desliza ao longo do trilho, ok?). Mas não era agradável de ver, talvez alguém tenha pensado que sapata seria uma melhor descrição. Qualquer que seja a origem do termo, sapata é usada até hoje.
Sapatas e Coletores
Figura 2 – tipos de coleta de eletricidade em terceiros trilhos
A figura 1 mostra um sistema de contato superior de terceiro trilho, mas existem outros tipos, como mostrado na figura 2. O coletor de eletricidade do terceiro trilho possui uma grande variedade de designs. O mais simples é o que chamamos de "contato superior" porque é a parte do trilho sobre a qual as sapatas deslizam.
Mesmo sendo a mais simples, possui sérios problemas, um deles é que ele é exposto a qualquer um ou qualquer coisa que possa vir a entrar em contato com ele. Também sofre com o mau tempo, fazendo com que uma quantidade mínima de gelo ou neve torne um sistema de terceiro trilho de contato superior quase inoperante a menos que soluções caras sejam tomadas. O contato lateral não é muito melhor, porém é menos exposto. O contato inferior é o melhor, é possível cobrir efetivamente a maior parte do trilho e ele estará protegido das temperaturas extremamente baixas (nota da revisão: esses problemas são típicos dos países do Hemisfério Norte, sendo que no Brasil esses problemas praticamente inexistem).
Figura 3 – sapata coletora
Esta sapata coletora de contato superior de terceiro trilho de corrente contínua (Metrô de Londres – Linha Central) tem a facilidade de levantamento remoto. Todas as sapatas precisam de algum meio para se separarem do terceiro trilho, geralmente em situações emergenciais. A razão mais comum é quando uma sapata quebra e seu cabo conector do equipamento elétrico do trem tem que estar em segurança. As outras sapatas do mesmo circuito devem ser isoladas enquanto isto é feito, a não ser que a corrente seja desligada em toda a seção – desabilitando, talvez, diversos outros trens.
A isolação usada implicava inserir um "calço" de madeira entre a sapata e o terceiro trilho e então amarrá-la com uma correia ou corda. Mais recentemente, sistemas mecânicos ou pneumáticos têm sido desenvolvidos para fazer o possível para elevar as sapatas da cabine de condução do trem.
Figura 4 – sapata e truque de um trem do Metrô de New York
A maioria dos tipos de sapatas de contato superior simplesmente ficam "penduradas" em uma viga suspensa entre as caixas de rolamentos dos eixos dos truques. Os métodos de suspensão eram, originalmente, apenas algumas fendas ligadas para compensação do movimento, o que permitia à gravidade prover a pressão necessária. Os sistemas que se seguiram tinham sapatas montadas radialmente para um contato mais estável através da alavanca de ação. Os sistemas de contato superior com capas protetoras sobre eles, como o metrô de Nova York, (figura 4), precisaram de sapatas montadas radialmente de modo a permitir a eles que se encaixassem abaixo da capa.
Figura 5 – sapata de contato inferior
As sapatas de contato lateral e inferior possuem molas para fornecer a força de contato necessária. Um exemplo de sapata de contato inferior, como as usadas nas linhas de metrô alemãs, está na figura 5. Alguns sistemas de contato superior também já utilizaram molas, mas elas são mecanicamente mais difíceis de controlar por causa da movimentação lateral do truque e o risco de ter as sapatas presas sob o boleto (parte superior) do trilho e virarem.
Zonas Neutras (gaps)
Freqüentemente, você verá trens com apenas um pantógrafo. Porém, nos trens que usam sapatas, há sempre várias delas. O contato com o cabo aéreo normalmente não é interrompido, mas o terceiro trilho deve ser "interrompido" em AMVs, para permitir a continuidade dos trilhos que vão de uma via a outra. Essas "quebras" do terceiro trilho ou "gaps", como são chamados, podem levar a uma perda de eletricidade no trem. Essa perda de eletricidade pode ser reduzida distribuindo as sapatas ao longo do trem e conectando-as por um cabo conhecido como "busline" (barramento elétrico). Ainda assim, podem haver problemas. Pobre o condutor que pára o trem com todas as sapatas fora de alguma seção energizada de terceiro trilho! Sim, isso acontece mais do que você imagina e, antes de perguntar, isso aconteceu comigo. É uma inconveniência desagradável apenas resolvida se o trem for empurrado para o terceiro trilho por outro trem ou obtendo cabos especiais de longo alcance com um plugue em uma ponta para o trem e sapatas e outro, do outro lado, para o terceiro trilho. Claro que isso causa um grande atraso.
Figura 6 – diagrama elétrico
Os "gaps" dos terceiros trilhos também existem onde as subestações alimentam a linha (figura 6). Normalmente, cada via é alimentada em cada direção até a próxima subestação. Isto permite fornecimento extra e providencia a continuidade do fornecimento caso uma subestação falhe. Esses "gaps" das subestações são usualmente marcados por um sinal indicando se a corrente está ligada na seção à frente. Um trem deve parar antes de entrar em uma seção desenergizada. Uma vez que a corrente possa ter sido desligada para parar um arco elétrico ou por causa de um curto-circuito, é importante que o trem não conecte a seção desenergizada à seção energizada, passando sobre o gap e tornando seu "busline" a ponte do "gap". Alguns dos sistemas mais sofisticados atualmente em uso informam o status da corrente de tração à sinalização, de modo que o trem não tem permissão para entrar em uma seção desenergizada.
Em uma variedade de pontos ao longo da linha haverá lugares onde os trens poderão ser temporariamente isolados eletricamente do sistema de fornecimento de energia. Nestes lugares, como estações terminais, "interruptores de seção" são providenciados. Quando abertos, impedem que partes da linha sejam alimentadas pela subestação. Eles são usados quando é necessário isolar um trem com falha elétrica em seu sistema coletor de energia.
Usos do Terceiro Trilho
Embora o terceiro trilho seja considerado um sistema para trens suburbanos ou metrôs, terceiros trilhos de 750Vcc (tensão de corrente contínua) têm sido usados extensivamente no sul da Inglaterra e os trens que utilizam tal sistema andam regularmente a até 145 km/h. Isto é praticamente o limite de velocidade para esse uso e só existe em uma área tão grande por razões históricas.
Retorno
E o retorno da eletricidade? Deve haver um circuito completo, desde a fonte de energia para o item de consumo (lâmpada, fogão elétrico ou trem) até a volta para a fonte. Então, um condutor de retorno será necessário para nossa ferrovia. Simples – use os trilhos de aço por onde as rodas do trem passam por cima. Precauções têm sido tomadas para impedir que a tensão fique muito acima do terra (zero volts), funciona muito bem e foi tem sido assim desde o último século. Claro, muitas ferrovias usam trilhos para circuitos de sinalização também, e precauções especiais devem ser tomadas para protegê-los de interferências.
O circuito elétrico no trem é completado conectando-se o retorno às escovas de borracha nas pontas dos eixos. As rodas, sendo de aço, levam-na para os trilhos. Esses são conectados à subestação fornecendo a energia isso tudo faz o circuito. A mesma técnica é usada no fornecimento de linhas de corrente contínua ou alternada.
Tração em corrente contínua ou alternada?
Realmente não importa se você tem motores de corrente contínua ou alternada, atualmente qualquer um funciona com fontes de eletricidade de corrente contínua ou alternada. Você só precisa pôr o tipo certo de sistema de controle entre a fonte e o motor e funcionará. Entretanto, a escolha do sistema de transmissão ser de corrente contínua ou alternada ao longo da via é importante. Geralmente, é uma questão de que tipo de ferrovia você tem. Podemos resumir como sendo ideal utilizar corrente alternada para longas distâncias e corrente contínua para distâncias mais curtas. Claro que existem exceções e veremos algumas delas mais tarde.
É mais fácil aumentar a tensão com corrente alternada do que de com corrente contínua, portanto é mais fácil transmitir mais energia em linhas de transmissão de corrente alternada. É por isso que as fontes de energia nacionais são distribuídas a até 765.000Vca (volts em corrente alternada). Como a corrente alternada é mais fácil de transmitir em longas distâncias, é o meio ideal para ferrovias eletrificadas. Somente os problemas de convertê-la nos trens para alimentar os motores de corrente contínua é que restringiram sua adoção generalizada até os anos 1960.
Por outro lado, a corrente contínua era a opção preferida para linhas mais curtas, sistemas urbanos e bondes. No entanto, também foi usada em elevado número dos principais sistemas de linhas ferroviárias, e ainda é usada em algumas regiões da Europa continental, por exemplo. Além de apenas precisar de um sistema de controle simples para os motores, o tamanho menor dos sistemas urbanos significava que os trens eram mais leves e necessitavam de menos eletricidade. Claro, eles precisavam de um meio de transmissão mais pesado, um terceiro trilho ou de um cabo mais grosso para conduzir a eletricidade, mas perdiam uma boa quantidade de tensão conforme a distância entre as conexões com fontes de eletricidade aumentava. Isso era resolvido colocando subestações em intervalos menores, a cada três ou quatro quilômetros, atualmente, duas ou três no sistema de 750Vcc – comparado com cada 20km ou mais para 25 kv em uma linha de corrente alternada.
Neste ponto, deve ser mencionado que a corrosão é sempre um fator a ser considerado em sistemas de fornecimento de energia, particularmente sistemas de corrente contínua. A tendência da corrente de retorno de sair dos trilhos e ir para o solo pode provocar a eletrólise com canos de água e metais similares. Isso foi bem compreendido no século XIX e foi uma das razões na qual as linhas do Metrô de Londres adotarem um sistema de corrente contínua totalmente isolado com o trilho de retorno negativo separado, bem como o trilho positivo, o sistema de quatro trilhos. Contudo, alguns incidentes embaraçosos na Ásia envolvendo desabamento das coberturas de poços próximos a uma linha de metrô tão relativamente recentes, anos 80, significam que o problema ainda existe e nem sempre é bem compreendido. A preparação cautelosa de proteções de aterramento em estruturas e túneis é parte essencial do processo de planejamento de ferrovias e negligenciá-la é um perigo.
Alimentação aérea (Catenária)
Figura 7 – diagrama de um sistema típico de alimentação por catenária
A mecânica da fiação do sistema de alimentação elétrica aéreo não é tão simples quanto parece (figura 7). Pendurar um cabo acima da via, provê-lo de corrente elétrica e passar trens sob ele não é tão fácil se for para fazer seu trabalho direito e durar o tempo necessário para justificar o custo de sua instalação. O cabo deve estar apto a transmitir a corrente (milhares de ampéres), se manter alinhado com a via, resistir a ventos (em Hong Kong ventos de tufões podem alcançar 200 km/ h), frio e calor extremos, e outras condições adversas de tempo.
Sistemas de catenária, chamados de "catenária" pela curva formada pelo cabo de suporte (cabo mensageiro), têm geometria complexa, e atualmente costumam ser desenhadas por computador. O cabo de contato (cabo trolley) deve ser preso em tensão horizontal e puxado lateralmente para transpor curvas na via. A tensão do cabo de contato é da ordem de 2 toneladas. O comprimento do cabo é, geralmente, entre 1000 e 1500 metros, dependendo da variação da temperatura. O cabo é ziguezagueado em relação ao centro da via para acompanhar a curva do pantógrafo do trem conforme este passa.
Figura 8 – seção típica de um cabo trolley
O cabo trolley tem ranhuras para permitir que um grampo seja fixado em seu topo. Grampos são utilizados para prender os cabos suspensórios, que conectam o cabo trolley ao cabo mensageiro. A tensão do cabo trolley é mantida por pesos suspensos nas duas extremidades. Cada trolley é sobreposto por seu vizinho para assegurar uma passagem suave para o pantógrafo. Tensão incorreta, combinada com a velocidade errada do trem causará balanços à canoa do pantógrafo. Um arco elétrico ocorre com cada balanço. Ambos, cabo e pantógrafo, logo ficarão desgastados em tais condições.
Mais de um pantógrafo em um trem pode causar um problema similar, quando a canoa do primeiro pantógrafo provoca uma onda no fio e a canoa de trás não consegue manter contato com o fio. Altas velocidades pioram o problema. A formação do TGV francês (trem de alta velocidade) tem um carro de motor nas pontas de cada trem, mas ele anda somente com um pantógrafo levantado em linhas de alta velocidade de 25 kVca. O carro motor traseiro é alimentado por um cabo de 25 kV que atravessa todo o trem. Isto poderia ser proibido na Inglaterra devido às normas de segurança vigentes no país.
Um cabo ondulando causará outro problema. Pode fazer com que os cabos verticais, os quais sustentam cabo trolley, se enrosquem e fiquem unidos. O cabo trolley então fica muito alto e agrava o mau contato.
Figura 9 – juntas isolantes na rede aérea
A rede aérea é alimentada em seções como no sistema de terceiro trilho, mas as seções de catenária de corrente alternada são, geralmente, muito maiores. Cada subseção está isolada das subseções vizinhas por isoladores de seção no contato aéreo como mostrado na figura 9. As subseções podem ser unidas através de interruptores de seção especiais de alta velocidade.
Para reduzir os arcos elétricos na seção neutra na catenária, alguns sistemas usam imãs de via para desligar automaticamente a energia no trem ao se aproximar da seção neutra. Um segundo conjunto de imãs restaura a energia imediatamente após sair da seção neutra. A próxima foto mostra o conjunto de imãs.
Figura 10 – conjuntos de imãs de via
Sistemas de Suspensão da Catenária
Figura 11 – diversos sistemas de suspensão catenária
Várias formas de suspensão catenária são usadas (figura 11), dependendo do sistema, sua idade, localização e velocidade dos trens que a utilizam. De modo geral, quanto maiores as velocidades, mais complexas as malhas, todavia a catenária simples bastará se os postes estiverem juntos o suficiente numa rota de alta velocidade. Geralmente, instalações modernas usam catenárias simples, levemente afrouxada para permitir um bom contato. Elas mostraram desempenhar-se bem em velocidades de até 200 km/h.
Na outra ponta da escala, um bonde pode ter apenas um cabo único suspenso diretamente por suportes com isoladores. Conforme o pantógrafo passa por ele, o cabo pode ser visto subindo e descendo. Isto é tudo o que é necessário em um ambiente de velocidades baixas em um pátio de estacionamento. Não havia mencionado ainda as hastes coletoras do trolley como método de captação de eletricidade. Elas foram usadas como coletores de eletricidade em redes aéreas de eletricidade de baixa velocidade e eram comuns em VLTs e bondes, mas atualmente são obsoletas.
Os cabos suspensos de corrente contínua são normalmente grossos e, em alguns casos extremos, cabos duplos são usados como no sistema de alimentação de 1500Vcc do Hong Kong Mass Transit. Redes aéreas de até 3000Vcc são utilizadas nas linhas principais de vários sistemas (por exemplo, partes da França, Bélgica e Itália), mas abaixo de 1500 volts um terceiro trilho pode ser usado. Em termos operacionais, um terceiro trilho é inconveniente por causa do grande risco de ser tocado em solo. Isto também significa que se trens forem parados e precisarem ser evacuados, a energia deve ser desligada antes de ser permitido aos passageiros transitarem na via. Linhas com terceiro trilho necessitam de proteção especial para serem completamente seguras, por outro lado algumas pessoas consideram o sistema de catenária esteticamente ruim. Singapura, por exemplo, baniu seu uso fora dos túneis.
Transformadores Amplificadores
Em linhas equipadas com rede aérea de corrente alternada, precauções especiais são tomadas para reduzir a interferência nos cabos de comunicação. Se um cabo de comunicação é instalado ao lado dos trilhos, que conduzem a corrente de retorno para a fonte de eletricidade da rede aérea, podem haver voltagens desiguais induzidas nele. Em longas distâncias, voltagens diferentes podem representar risco à segurança. Para resolver este problema, transformadores amplificadores são providenciados. Estes são posicionados nos postes de sustentação da rede aérea em intervalos ao longo da rota, e são conectados à subestação alimentadora por um cabo condutor de retorno também suspenso nos postes, estando, portanto, aproximadamente à mesma distância da via que a rede aérea. O cabo de retorno é conectado aos trilhos em intervalos para fazer circuitos paralelos formados pelo cabo retorno e os trilhos. O efeito deste arranjo é a redução do nível de ruído nos cabos de comunicações e assegurar que as voltagens sem mantenham em níveis seguros.
Pantógrafos
Figura 12 – Exemplo de pantógrafo
A corrente elétrica é coletada da rede aérea por pantógrafos. Eles são simples em termos de isolamento: você apenas abaixa o pantógrafo para interromper o fornecimento energia ao veículo. Todavia, eles são mais complicados em outras características.
Uma vez que o pantógrafo é o único ponto contato de energia da locomotiva ou carro motor, deve manter bom contato em todas as condições. Quanto mais alta a velocidade, maior a dificuldade de manter um bom contato. Nós já mencionamos o problema (na seção de alimentação aérea acima) de uma onda sendo formada no cabo trolley por um pantógrafo movendo-se em alta velocidade.
O contato do pantógrafo é mantido por molas ou pressão de ar comprimido. A pressão de ar comprimido é preferível em operações de alta velocidade. O pantógrafo é conectado a um pistão em um cilindro e a pressão do ar no cilindro mantém o pantógrafo levantado.
Originalmente, os pantógrafos eram apenas isto, um "pantógrafo" (instrumento de ampliação/redução de desenhos) em forma de losango com a canoa no topo, e a canoa possui duas faces de contato. Os sistemas mais modernos utilizam pantógrafos de apenas um braço – metade do formato original – um design mais limpo (Figura 12).
As lâminas de contato do pantógrafo são suportadas uma estrutura transversal leve que tem "chifres" em cada ponta. Estes são virados pra baixo para reduzir o risco do pantógrafo ficar enganchado no topo do cabo trolley enquanto o trem anda. Esta é um das causas mais comuns de quedas de rede aérea. Um trem movendo-se em alta velocidade com seu pantógrafo enganchado no cabo trolley pode trazer abaixo quilômetros de rede aérea antes que o problema seja detectado e o trem pare. Os pantógrafos mais sofisticados possuem chifres que são desenhados para abaixarem o pantógrafo quando atingidos, por exemplo, por um cabo suspensório ou braço de suporte da catenária. Estes chifres especiais têm um pequeno tubo de pressão de ar, e se a pressão for perdida, e fará o pantógrafo se abaixar automaticamente e reduzir um possível dano aos cabos.
Mais de uma tensão/tipo de corrente
Alguns serviços de trem operam em linhas que utilizam mais de um tipo de corrente. Em cidades como Londres, Nova Iorque e Boston, os trens utilizam rede aérea em parte da linha e terceiro trilho no restante. Na Europa algumas locomotivas são equipadas para operar em quatro voltagens – 25 kVca, 15 kVca, 3000 Vcc e 1500 Vcc. A eletrônica moderna torna isso possível com relativa facilidade e viagens em linhas de várias voltagens são possíveis sem troca de locomotivas.
