INTRODUZIONE
Una buona captazione di corrente in un sistema ferroviario rappresenta uno degli obiettivi di importanza fondamentale, specialmente su linee ad alta velocità, oltre i 250 Km/h, sulle quali si arriva a potenze trasferite di una decina di MW.
Nell’attuale sistema di alimentazione della rete ferroviaria italiana (3 kV c.c.), l’esercizio ad alta velocità comporta correnti assorbite su un solo pantografo dell’ordine di 2500 A e ciò rende critica la captazione, specialmente in presenza di perdita del contatto tra pantografo e catenaria.
In questo caso, infatti, la corrente non può annullarsi istantaneamente a causa della natura fortemente induttiva del carico (motori asincroni trifase). In conseguenza di ciò si origina un arco di elevata entità nella zona di distacco. Il problema è amplificato in alta velocità, soprattutto con i treni che hanno bisogno di un doppio pantografo (uno in testa treno e uno in coda) in quanto l’elemento posteriore incontra una catenaria già perturbata dal passaggio di quello anteriore.
La formazione di archi è un fenomeno particolarmente indesiderato per tre motivi fondamentali:
il primo è dovuto alla natura stessa dell’arco, il quale, affinché si possa stabilire, richiede una certa differenza di potenziale ai suoi capi, con conseguente dissipazione di un’aliquota dell’energia disponibile per la trazione e quindi con un decadimento delle prestazioni della motrice. Inoltre se questo si prolunga oltre un certo tempo può verificarsi l’apertura dell’interruttore extrarapido con successivo arresto della trazione e la conseguente perdita di tempo per il reset;
il secondo riguarda l’aspetto termico associato ad un arco elettrico, infatti, l’energia da esso dissipata si trasforma in calore che a sua volta aumenta notevolmente la temperatura degli elementi di captazione fino a provocare la fusione localizzata del metallo. Tale fenomeno determina sia l’usura precoce degli striscianti sia la perlinatura del filo di contatto (fig. I1) con conseguente aumento dei costi di manutenzione;
Fig. I1- Particolare di filo di contatto perlinato
il terzo aspetto, forse il più importante, riguarda la sicurezza della circolazione, infatti, in presenza di distacchi, la regolazione elettronica dei moderni sistemi di trazione, che è di tipo switching, subisce notevoli stress: ne deriva la generazione di elevate componenti armoniche sulla corrente di trazione, che si ripercuotono sia sulla coppia al cerchione, sia sull’inquinamento EMI ma soprattutto sul funzionamento dei sistemi di ripetizione dei segnali a bordo. Quest’ultimi, infatti, utilizzano i binari come circuito di trasmissione del segnale; tuttavia anche la corrente di trazione si richiude sul binario e la discriminazione dei due circuiti è fatta in base alla frequenza, in altre parole (nei sistemi a corrente continua), mentre i segnali sono modulati in alta frequenza, la corrente di trazione si deve
4
ritenere costante o a bassa frequenza. Si capisce quindi come l’introduzione di armoniche ad elevata dinamica nel circuito di trazione può portare ad un’interferenza con le correnti di segnale e ad una non corretta interpretazione dei segnali di distanziamento da parte dei dispositivi a bordo treno.
La causa principale della perdita di contatto fra striscianti e catenaria è associabile sostanzialmente al comportamento fortemente non lineare della catenaria; questo comportamento dipende dalla non uniforme elasticità della linea aerea. In conseguenza di ciò, per seguire il filo di contatto, il pantografo è costretto a compiere ampie escursioni verticali con frequenza e ampiezza che aumentano all’aumentare della velocità del treno.
La catenaria (fig. I2) si compone di una o più funi di contatto (a seconda delle diverse tipologie e dell’entità delle correnti da trasferire) e di una o due funi di sospensione.
Quest’ultime sono fissate a dei sostegni, la distanza reciproca dei quali (LC) è denominata campata, e sono disposte secondo una catenaria con freccia massima nell’ordine di 1 m. La corda portante sostiene la linea di contatto mediante pendini, situati a distanza LP l’uno dall’altro, la cui lunghezza è calcolata in modo tale che il filo di contatto si mantenga il più possibile parallelo ai binari. Le due corde sono sottoposte ad un tiro assiale (To e Tf) mediante un sistema di pesi e carrucole che, lasciando la necessaria libertà di scorrimento longitudinale, consente di mantenere costante il tiro al variare della temperatura. Un altro parametro fondamentale per le due tipologie di corde citate è la massa per unità di lunghezza (mo e mf).
I pendini costituiscono un vincolo monolatero e sono generalmente realizzati con un tondino metallico chiuso ad anello e bloccato con morsetti sulla fune portante. Dato che i pendini offrono un contatto tra corda portante e conduttrice solo se quest’ultima è tirata verso il basso, il medesimo potenziale elettrico tra i due cavi è assicurato da appositi collegamenti equipotenziali eseguiti in modo da non interferire con la dinamica verticale della catenaria.
Infine la corda di contatto è posta rispetto alla mezzeria del binario come una spezzata di periodo uguale a 4 volte la campata e ampiezza uguale a circa 20 cm per favorire l’usura omogenea degli striscianti (Poligonazione della linea di contatto).
Fig. I2- Schematizzazione della catenaria
Come mostrato in [1] l’elasticità della linea si può ritenere maggiore nel centro della campata e minore nei punti di ancoraggio e può essere descritta mediante le seguenti relazioni:
( )
max min
1 1
; 4 2
C P o
f P
P o f
o f
f o
C
L L T
T L
e e
L T T
T T T T
L
⎛ ⎞
+ ⎜ ⎟
⎜ ⎟
= =
+ ⎜⎜⎝ + + ⎟⎟⎠
+ ( I.1 )
5
Il rapporto (I.2) è definito come “fattore di disuniformità della linea” e rappresenta un indice concreto della possibilità che si origini un distacco:
max min max min
e e
i e e
= −
+ ( I.2 )
Un altro aspetto fondamentale che caratterizza il comportamento della catenaria consiste nella sua dinamica, infatti, essa presenta una frequenza propria f0 che dipende dai propri parametri costitutivi:
o f
o
c o f
f T T
L m m
α +
= + ( I.3 )
Dove α è un coefficiente compreso fra 0.4 e 0.5 dipendete dalle caratteristiche della catenaria.
La velocità “critica” del convoglio, a cui corrisponde un tempo di percorrenza della catenaria pari a 1 f , è: 0
o f
o o
o f
v Lc f T T
m m
α +
= ⋅ = ⋅
+ ( I.4 )
Nell’intorno della vo si manifesta un notevole incremento della deformata della catenaria dovuto a fenomeni di risonanza.
Infine un aspetto che determina la possibilità di distacchi con l’aumentare della velocità è dato dalla forma che assume la deformata della linea di contatto (fig. I3).
Per (in rosso) la deformata è approssimabile ad una sinusoide con massima freccia positiva al centro della catenaria e negativa sugli appoggi.
0< <v 0, 6v0
Per (in blu) non si ha più una sinusoide e la freccia positiva si sposta nella direzione di avanzamento del treno.
0, 6v0 < <v 1, 5v0
Per (in verde) la massima freccia positiva si sposta in prossimità dell’appoggio e questo provoca una maggiore inclinazione della deformata in quel punto con conseguente aumento dell’accelerazione verticale del pantografo, inoltre la eventuale presenza di una freccia negativa a riposo porta ad una condizione di maggiore rischio per un possibile contatto tra il pantografo e le parti fisse della linea aerea.
1, 5 0
v> v
Fig. I3- Deformazione della linea di contatto
6
Per una considerazione qualitativa delle velocità in gioco si riportano i valori numerici approssimativi calcolati con i parametri relativi alla direttissima Firenze-Roma:
60 6 34 30 3,0 2,7
C P f o f o
L m
L m
T kN T kN
m kg
m kg
⎧ =
⎪ =⎪
⎪ =⎪
⎨ =⎪
⎪ =
⎪ =
⎪⎩
m m
( I.5 )
Sostituendoli nella (I.4) si ottiene: v0 =172Km h da cui derivano gli altri due limiti di 100 Km h e 258 Km h.
Alla luce di quanto visto precedentemente, si è giunti alla definizione di diverse metodologie di intervento per rendere minimo il numero dei distacchi, fra cui le principali sono:
aumento della spinta statica del pantografo sul filo di contatto: questa metodologia, pur favorendo un migliore contatto tra pantografo e catenaria non è applicabile ai sistemi in alta velocità a causa dell’aumento dell’usura degli striscianti, con conseguente aumento dei costi di manutenzione, e dell’aumento del rischio di contatto con gli elementi fissi della linea;
interventi sulla linea aerea: con una migliore disposizione dei pendini si riuscirebbe a ridurre la disuniformità dell’elasticità della linea ma questo comporterebbe dei costi manutentivi elevati e una applicabilità solo a linee di nuova costruzione;
interventi sul pantografo: è la metodologia più usata e si basa sul presupposto di “captare bene spingendo poco” [2]. Tale obiettivo si può raggiungere in due modi:
riprogettando completamente il pantografo, sia per quanto riguarda la struttura sia per le molle e gli smorzatori, in modo da avere una massa equivalente all’archetto più bassa e una dinamica più veloce, tuttavia a causa delle elevate correnti che il pantografo deve trasferire, non si riesce a far scendere la massa al di sotto di un certo limite;
progettando dei pantografi attivi (un esempio possibile è ottenuto mediante il controllo a filo ed è mostrato in [1]).
Data l’elevata diversificazione delle soluzioni adottate per il contenimento dei distacchi è nata la necessità di definire dei parametri sintetici che permettano la comparazione delle diverse metodologie.
Nel capitolo 1 sono mostrate le normative che stabiliscono i criteri di scelta e i parametri da calcolare.
Nel capitolo 2 è illustrato l’hardware utilizzato da Trenitalia per effettuare le prove in linea.
Nel capitolo 3 è descritto il programma sviluppato, il quale permette di calcolare i parametri, relativi alle misure degli archi elettrici, richiesti dalla normativa. Tutti i calcoli sono eseguiti in tempo reale e in modo completamente automatico.
Successivamente, nel capitolo 4, sono riportate le prove effettuate per determinare il corretto funzionamento delle varie routine.
Infine, le conclusioni riassumono i risultati ottenuti e offrono uno spunto sui possibili sviluppi futuri.
7
