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Testes de Pantógrafo e Catenária com Dewesoft e CETEST
No dinâmico mundo dos testes ferroviários, a inovação prospera com a colaboração. Há mais de uma década, a CETEST e a Dewesoft exemplificam o poder da parceria, trabalhando lado a lado para ampliar os limites dos testes ferroviários—seja nos trilhos ou no laboratório. O compromisso compartilhado com a precisão, adaptabilidade e excelência transformou desafios em marcos, elevando os padrões de testes ferroviários em toda a indústria. Os testes e o monitoramento ferroviários multiatributo estão evoluindo além da medição simples. O objetivo é obter insights mais profundos e acelerar a inovação, seja para desenvolver novos produtos ou alcançar a excelência operacional.
Introdução
A CETEST é um centro de testes e análise com sede em Espanha. Está acreditada segundo a norma ISO/IEC 17025 e tem mais de 30 anos de experiência em tecnologia ferroviária. Trabalhou com e ajudou os principais fabricantes globais de material circulante, incluindo Alstom, CAF, Hitachi, Stadler e Siemens. A CETEST possui uma experiência de referência na interação entre pantógrafos e linhas aéreas. Para além de ser crítica para fornecer energia ao veículo, a interação entre o pantógrafo e a OHL também afeta os custos de manutenção.
Carlos Carmuega Tena, responsável de Testes e Medição na CETEST, desempenha um papel central nestes esforços. Ele e a sua equipa desenvolveram um sistema de instrumentação de alta precisão para medições de força de contacto e aceleração. Esta solução foi testada com centenas de variáveis em numerosos sistemas ferroviários.
A Dewesoft é um dos nossos principais fornecedores, fornecendo-nos software e hardware que nos ajudam a realizar testes em prazos muito curtos e a oferecer grande flexibilidade na instrumentação, graças à modularidade dos seus produtos, que nos permite expandir ou reduzir facilmente o número de canais.
Graças à Dewesoft, conseguimos realizar configurações e instrumentação complexas em tempos reduzidos, sincronizando múltiplos canais e colocando o equipamento em ambientes hostis, como áreas de alta tensão, enquanto continuamos a obter todos os dados de forma sincronizada, como no caso dos testes de pantógrafos, onde isolamos os dados através de fibra ótica.
O software permite-nos visualizar os dados em tempo real e realizar análises rápidas enquanto testamos o veículo.
A Dewesoft é uma empresa tecnológica que projeta e fabrica sistemas avançados de DAQ (aquisição de dados) para diversas aplicações de I&D e monitorização nas indústrias ferroviária, engenharia civil, energia e potência, automóvel e veículos comerciais, e aeroespacial. A Dewesoft apoia a CETEST na resolução de inúmeras aplicações de teste e monitorização ferroviária elétrica. Esta parceria permite aos operadores ferroviários e fabricantes de veículos transitar sem problemas de ambientes laboratoriais controlados para testes reais em via, oferecendo segurança, fiabilidade e eficiência incomparáveis, e ajudando-os a conquistar mais projetos com desempenho comprovado.
O desafio
Os desafios na medição da interação entre o pantógrafo e a linha de catenária em veículos ferroviários são multifacetados. O pantógrafo é um componente que liga um comboio à linha aérea (OHL), retirando energia de 15.000 V ou mesmo 25.000 V para alimentar o motor elétrico do veículo. Independentemente da velocidade do comboio, deve manter uma ligação elétrica segura, estável e fiável. O ambiente ferroviário de alta velocidade é o mais dinâmico, caracterizado por elevada interferência eletromagnética (EMI e RFI), fatores mecânicos dinâmicos e desgaste. Os comboios operam em todas as condições meteorológicas possíveis, incluindo vento, chuva, neve, gelo, humidade e temperaturas extremas. Superar estes desafios requer tecnologia avançada de sensores e medição, interpretação precisa de dados e sistemas e sensores robustos concebidos para lidar com as complexidades do ambiente ferroviário real.
Com instrumentos DAQ da Dewesoft e vários sensores especializados, a CETEST desenvolveu uma solução de teste e monitorização de pantógrafos e linhas aéreas. Este artigo explica os principais subsistemas ferroviários envolvidos e como são testados.
O que é um pantógrafo?
Os comboios utilizam frequentemente sistemas aéreos para se ligarem à energia elétrica. Estes sistemas incluem um pantógrafo, um mecanismo articulado com mola montado no teto do comboio que recolhe energia elétrica das linhas aéreas (OHL). A interação suave e consistente entre o pantógrafo e a OHL é fundamental nos comboios convencionais, mas torna-se ainda mais crítica em comboios de alta velocidade que circulam a 350 km/h (~217 mph).
Normalmente construídos com materiais leves, mas robustos, como polímeros reforçados com fibra de carbono e ligas de alumínio. Geralmente incluem um braço inferior, um braço superior e uma tira de contacto, frequentemente feita de carbono ou de um compósito carbono-cobre, para minimizar arco elétrico e desgaste. Ajustes em tempo real da força de contacto são controlados por sistemas pneumáticos ou acionados eletronicamente para compensar a sustentação aerodinâmica, a pressão do vento e variações na altura do fio. A precisão no design e controlo do pantógrafo é fundamental para minimizar a perda de contacto e evitar danos no pantógrafo e no sistema de catenária.
O que é o sistema de catenária?
Este artigo foca-se nos testes de pantógrafos, mas é essencial compreender o que é o sistema de catenária e como interage.
Um sistema de catenária aérea (OCS) consiste em fios tensionados que são algo flexíveis e numa linha aérea principal (OHL) que fornece eletricidade a locomotivas elétricas, elétricos ou veículos de metro ligeiro. É composto por um ou mais condutores não isolados (ou fios de contacto) suspensos sobre os carris e suportados por estruturas como postes, mastros ou pontes. O fio de contacto é normalmente feito de uma liga de cobre trefilado a frio, que proporciona elevada condutividade e resistência ao desgaste. Um sistema de pesos ou molas mantém-no sob tensão constante para garantir um bom contacto com o pantógrafo do veículo elétrico.
Em alguns sistemas de catenária, um segundo fio, chamado fio mensageiro ou fio de catenária, é suspenso acima e em paralelo com o fio de contacto. O fio de contacto é então suspenso a partir do fio mensageiro por uma série de fios verticais, conhecidos como pendurais. Este design permite maior espaçamento entre as estruturas de suporte. Proporciona melhor captação de corrente a altas velocidades ao reduzir a flecha do fio de contacto e melhorar a sua elasticidade vertical.
Os sistemas de catenária são essenciais para os caminhos-de-ferro elétricos, proporcionando um meio fiável e eficiente de transmissão de energia aos comboios. O design e a manutenção destes sistemas são críticos para garantir operações ferroviárias seguras e ininterruptas. Fatores como tensão, capacidade de corrente, velocidade do comboio e condições ambientais são considerados no design destes sistemas.
Por que uma ligação ótima entre o pantógrafo e a OHL é crucial para a operação ferroviária?
Uma ligação fiável entre o pantógrafo e o sistema de catenária garante um fornecimento elétrico contínuo e estável ao comboio. Uma interação deficiente pode levar a arco elétrico, perdas de energia ou até desconexão completa, causando atrasos e falhas operacionais. Uma boa ligação também evita danos na infraestrutura e no equipamento.
Desgaste excessivo, esforço mecânico ou forças de contacto irregulares podem danificar tanto as tiras de carbono do pantógrafo como os fios aéreos. Isto leva a custos de manutenção mais elevados, reparações frequentes e potenciais interrupções de serviço. Uma boa ligação também aumenta a segurança e a fiabilidade ao minimizar o risco de “desengate” do fio, quando o pantógrafo se separa do cabo. Isto pode levar a acidentes graves ou danos na infraestrutura. Um desempenho consistente também assegura operações fiáveis a altas velocidades, reduzindo a probabilidade de interrupções de serviço.
Problemas elétricos
Arco elétrico e faíscas
O contacto intermitente provoca arcos elétricos, danificando as tiras do pantógrafo e os fios OCS.
Gera interferência eletromagnética (EMI), perturbando a eletrónica a bordo.
Quedas de tensão e interrupções de energia
A recolha inconsistente de corrente leva à perda de potência de tração, o que reduz a velocidade ou pode até fazer os comboios parar.
Pode acionar travagem de emergência, causando atrasos.
Desgaste mecânico e danos
Desgaste acelerado das tiras de carbono do pantógrafo
Abrasão ou fragmentação devido a forças de contacto desiguais
Aumenta a frequência e os custos de manutenção.
Danos no fio de catenária
Ranhuras, cortes ou ruturas nos fios aéreos requerem reparações dispendiosas.
Riscos de segurança
Risco de incêndio
Arcos elétricos sustentados podem incendiar materiais inflamáveis perto da via (por exemplo, vegetação seca).
Enredamento ou rutura do pantógrafo
Casos graves podem causar falha do pantógrafo, o que pode levar ao colapso ou descarrilamento do sistema OCS.
Perda de desempenho e eficiência
Restrições de velocidade
Um mau contacto obriga os comboios a abrandar, perturbando os horários.
Ineficiência energética
Flutuações de energia aumentam o consumo (por exemplo, falhas na travagem regenerativa).
Impacto financeiro e operacional
Custos de manutenção mais elevados
Substituição frequente de pantógrafos e fios de catenária.
Interrupções de serviço
A desconexão causa atrasos e falhas operacionais.
Tempo de inatividade não planeado afeta operadores ferroviários e logística de carga.
Penalizações regulatórias
Não conformidade com normas de segurança (por exemplo, EN 50367, UIC 794).
Estes fatores afetam coletivamente a eficiência, os custos e a segurança dos passageiros, tornando a interação ótima entre pantógrafo e catenária vital para os sistemas ferroviários modernos.
Testes de pantógrafos e monitorização da rede de catenária
Testar o desempenho e a fiabilidade de pantógrafos ferroviários que operam a 15 kV e 25 kV AC requer instrumentação robusta com conversores analógico-digitais (ADC) de alta resolução. Vários sensores são colocados estrategicamente para medir parâmetros críticos relacionados com a interação do pantógrafo com a linha aérea.
O principal objetivo é garantir uma força de contacto consistente, minimizar o desgaste do pantógrafo e da OHL e prevenir interrupções no fornecimento de energia ao comboio. As normas relacionadas com estes testes incluem EN 50317 e EN 50367.
Sensores utilizados para testes de pantógrafos e análise da rede de catenária
Acelerómetros
Os acelerómetros são cruciais para medir a vibração e a aceleração em todos os pontos da cabeça do pantógrafo. Os engenheiros medem o comportamento dinâmico sob diferentes condições de operação, como velocidade e geometria da via, e depois analisam a frequência e a amplitude da vibração para identificar saltos excessivos, instabilidade dinâmica ou ressonâncias estruturais.
Os dados dos acelerómetros ajudam a avaliar a capacidade do pantógrafo de manter um contacto estável com o OCS e a identificar áreas propensas a fadiga ou danos.
Sensores de força
Os sensores de força são instalados em cada ponto do pantógrafo para quantificar a força de contacto vertical entre a cabeça do pantógrafo e o fio de catenária. Manter uma força de contacto ótima é essencial, uma força insuficiente pode levar a arco elétrico e perda de contacto, enquanto uma força excessiva pode causar desgaste indevido tanto no pantógrafo como na catenária.
A cadeia de medição de força fornece dados em tempo real sobre a força de contacto, permitindo aos engenheiros avaliar o desempenho do pantógrafo em condições dinâmicas e verificar a eficácia dos seus sistemas de controlo de força ativos ou passivos.
Sensores de deslocamento
A monitorização do deslocamento vertical e da altura do pantógrafo em relação à via e à OHL é vital para compreender o seu movimento dinâmico e garantir que opera dentro de limites seguros. Para passar da aceleração à velocidade e ao deslocamento, a função de aceleração é integrada em relação ao tempo.
Muito mais diretos são os sensores de deslocamento, como potenciómetros ou encoders de cabo, porque podem ser utilizados para medir a posição vertical da cabeça do pantógrafo. Estes dados ajudam a avaliar a capacidade do pantógrafo de seguir as ondulações do fio de catenária e a identificar qualquer movimento vertical excessivo que possa levar à perda de contacto ou a esforço mecânico. Para além das forças de contacto e acelerações globais, compreender a distribuição da força ao longo do comprimento da tira de contacto é essencial para otimizar o desgaste e a captação de corrente.
Além disso, medir a altura total do pantógrafo fornece informação crítica para uma operação segura, garantindo que permanece dentro dos limites de folga permitidos sob pontes e túneis.
Câmaras infravermelhas (IR)
As câmaras IR podem, por exemplo, medir a temperatura da cabeça do pantógrafo, particularmente a tira de contacto e a área de contacto com o fio de catenária. Temperaturas elevadas podem indicar fricção excessiva devido a alta força de contacto, má lubrificação ou arco elétrico causado por contacto intermitente.
A monitorização da temperatura em tempo real permite aos engenheiros detetar potenciais problemas de sobreaquecimento que podem levar a desgaste prematuro, danos no pantógrafo ou na catenária e até interrupções de energia. As imagens térmicas captadas pela câmara IR podem fornecer informação valiosa sobre o estado e o desempenho da interface de contacto do pantógrafo.
As câmaras da marca OPTRIS são ideais para esta aplicação e são totalmente compatíveis com os sistemas DAQ da Dewesoft. Ao contrário dos sensores de temperatura convencionais, como termopares, RTD e termístores, as câmaras IR podem medir sem contacto com a unidade em teste.
Sonda UV
As sondas UV são úteis para a deteção de arco. Por exemplo, o sensor UV-Arc mede a intensidade e a duração de um evento de arco UV. Medir a qualidade do contacto entre um pantógrafo e o fio de contacto permite localizar defeitos no fio. Cumpre a norma EN 50317. O sensor UV-Arc contém um fotodíodo com um filtro adicional para suprimir a radiação UV solar.
Os dados recolhidos destes sensores são normalmente enviados para um sistema DAQ da Dewesoft para monitorização, registo e análise em tempo real. Esta instrumentação abrangente permite aos engenheiros avaliar detalhadamente o desempenho dos pantógrafos ferroviários de 15 kV e 25 kV sob uma ampla gama de condições de operação, contribuindo para melhorar a fiabilidade, reduzir os custos de manutenção e aumentar a segurança nas operações ferroviárias. A análise destes dados pode informar melhorias de design, otimizar planos de manutenção e fornecer informações valiosas sobre o comportamento a longo prazo dos pantógrafos e a sua interação com o sistema de catenária aérea.
Topologia DAQ em rede da Dewesoft
O sistema DAQ está centrado nos modelos OBSIDIAN da Dewesoft, que estão configurados tanto para medições de pantógrafos (orientadas para o topo) como para medições a bordo (orientadas para o ferroviário). Os modelos OBSIDIAN reforçados são utilizados devido à sua resistência a choques, vibrações e temperaturas extremas. Aceitam cartões modulares isolados de condicionamento de sinal com a conversão analógico-digital adequada para analisar o comportamento global. Além disso, possuem as interfaces digitais necessárias para ligar câmaras, interfaces GNSS de posição e velocidade, unidades de medição inercial (IMU) e dados de bus de MVB, CAN ou até Ethernet.
No coração do OBSIDIAN está um processador ARM incorporado que executa um sistema operativo LINUX altamente estável e o software DAQ incorporado DewesoftRT. O sistema é concebido para máxima estabilidade em aplicações de medição de longa duração e pode enviar dados para a cloud ou para um servidor SFTP tradicional.
Um router de rede móvel liga a unidade DAQ central e o registador ao mundo exterior, suportando 5G, 4G LTE, 3G e WiFi 5 (802.11b/g/n/ac).
Download e visualização de dados
O software DewesoftX é utilizado para reproduzir, validar e analisar ficheiros de dados carregados a partir do instrumento Dewesoft OBSIDIAN. O DewesoftX é fornecido gratuitamente com todos os instrumentos Dewesoft. Não são necessárias licenças nem taxas de manutenção ao longo de toda a vida útil do sistema. Algumas funcionalidades avançadas de análise são opções pagas, mas o pacote básico está incluído no sistema. O DewesoftX pode ser instalado em vários computadores com Windows, permitindo que cada engenheiro aceda aos dados.
Visualize dados em qualquer lugar, a qualquer momento
O software Dewesoft Historian permite a visualização de todos os dados a partir de um servidor e de uma plataforma web, a partir de qualquer lugar.
Resumo dos benefícios da solução escalável da CETEST e Dewesoft
A medição da interação entre o pantógrafo e a linha aérea e da catenária completa em níveis de alta tensão permite a análise do comportamento em operação e da infraestrutura da catenária, incluindo:
Medição de força para análise da posição de contato e análise de resistência à fadiga
(pronta para ser utilizada também para fins de controlo do pantógrafo)Medição de deslocamento e movimento
(pronta para ser complementada com medição e análise de potência elétrica no veículo),Medição de vibração para análise de oscilação e frequência
(pronta para ser complementada por medição do quadro do bogie ou roda instrumentada),Medição de temperatura no ponto de contacto baseada em câmaras IR.
Além disso, o compromisso da CETEST com a precisão e exatidão estende-se à calibração meticulosa e à rastreabilidade dos dados de medição. No seu laboratório certificado ISO 17025, calibram o pantógrafo instrumentado completo.
Ao combinar metodologia especializada, equipamentos de última geração e conformidade com normas internacionais como a EN 50317, a norma europeia para aplicações ferroviárias que especifica os requisitos para medir e validar a interação dinâmica entre um pantógrafo e a linha de contacto aérea, a CETEST desempenha um papel vital na melhoria da operação ferroviária segura.
Pode adicionar o Dewesoft Power Analyzer, que fornece medição precisa da potência elétrica para transformadores e máquinas elétricas.
O registo autónomo de dados em rede para testes e monitorização a longo prazo fornece:
Upload automático de ficheiros de dados para a cloud (SFTP) e análise de infraestrutura
Fluxo contínuo de dados para software de monitorização web em tempo real
Análise de dados baseada em mapas geográficos, localizando secções críticas
Conclusão
A parceria entre a CETEST e a Dewesoft oferece uma solução de medição escalável para engenheiros ferroviários, permitindo a aquisição abrangente de sinais multifísicos. Esta capacidade fornece informações precisas sobre a infraestrutura ferroviária, elementos individuais do sistema (como bogies e motores de tração), componentes críticos (como pantógrafos e rodas) e o comportamento global do veículo. Ao escalar esta solução integrada, os engenheiros ferroviários podem tomar decisões baseadas em dados para melhorar a segurança, a eficiência operacional e prolongar a vida útil dos ativos ferroviários, contribuindo, em última análise, para uma rede ferroviária mais fiável e eficiente.
Por favor, contacte a CETEST ou a Dewesoft para avançar com o seu próximo projeto ferroviário.
