sistema alimentação metrôs

7/23/2019 Sistema Alimentao Metrs

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16 Semana de Tecnologia MetroferroviriaFrum Tcnico

Sis tema d e alimen tao de t rao eltr ic a em met rs parmetros imp ortantes naesc ol ha do barram ento de d ist rib uio

Cassiano Lobo Pires, Romeu Mantovani Junior e Jos Augusto Pereira da SilvaCompanhia do Metropolitano de So Paulo

1 Introduo

A alimentao de um sistema de trao eltrica feita, no caso do Metr de So Paulo, a partirda rede pblica de alimentao em 88 ou 138 kV. No outro extremo deste sistema de alimentao,esto os motores de trao instalados nos trens. Tradicionalmente, estes motores eramalimentados em 750 Vcca tenso de alimentao adotada nas Linhas 1, 2 e 3 da Companhia doMetropolitano de So Paulosendo este um nvel de tenso sensvel para um motor de correntecontnua dotado de comutador. Entre estes dois extremos est a linha de contato.

Ao longo do tempo, uma gama de tenses "padro" e diferentes arranjos de linhas de contatoforam desenvolvidos para diferentes aplicaes sendo difcil definir claramente as razes pelasquais tais escolhas foram feitas. Uma escolha fundamental est no fornecimento da energia ouatravs de condutores prximos ao solo ou atravs de condutores acima do trem.

A escolha da tenso de servio e do tipo de linha de contatorede area ou terceiro trilhoresultado de um estudo tcnico e econmico, cujos parmetros fundamentais so a segurana, aqueda de tenso permissvel, os raios de curvatura do traado das vias, confiabilidadeeletromecnica e interface com coletores dos trens.

Para as Linhas 1, 2 e 3, a Companhia do Metropolitano de So Paulo adotou uma linha decontato em terceiro trilho constitudo de uma viga "I" em ao e duas barras de alumnio alimentadoem 750 Vcc. J para as Linhas 4 e 5 o sistema adotado foi a alimentao em 1500 Vcc ecatenria rgida para a primeira e a rede area auto-compensada no primeiro trecho da Linha 5 ea catenria rgida para o segundo trecho da Linha 5.

Esta mudana foi motivada, na poca, por algumas premissas que visavam, sobretudo, areduo de custos. Tais premissas incluam o maior distanciamento entre subestaes (2 porestaes de passageiros), o que reduziria a rea total construda com a reduo do nmero decubculos de mdia tenso em 22 kV, e a adoo do nvel de tenso de 1500 Vcc que favoreciaeste espaamento para o headway projetado (123 s). Alm disto, pensou-se na economia decabos alimentadores em corrente contnua, uma vez que, para uma mesma potncia, um nvel detenso dobrado resultaria na diminuio da corrente pela metade e tambm na perspectiva deacesso s galerias pelas equipes de manuteno antes do desligamento da rede area.

2 Caractersticas desejveis de um sistema de alimentaoA adoo de um sistema de alimentao deve ser feita atravs de uma anlise das possveis

alternativas tecnolgicas que satisfaam tcnica e economicamente as caractersticas dedesempenho desejveis. Basicamente, estas caractersticas so:

segurana;

alta confiabilidade

alta disponibilidade;

durabilidade;

menor custo a longo prazo de implantao, operao e manuteno (menor TCO totalcost of ownership);

desenvolvimento tecnolgico.Quanto aos aspectos operacionais, a escolha do nvel de tenso de alimentao e a forma de

captao de energia para os trens deve levar em considerao:


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a segurana do usurio quanto aos riscos de contatos acidentais com equipamentosenergizados (atualmente muito reduzido com a implantao das portas de plataforma);

a segurana dos empregados da companhia e contratadas quanto aos riscos de choqueeltrico com partes normalmente energizadas;

a confiabilidade e disponibilidade operacional do sistema garantindo a regularidade dos

servios prestados. muito importante observar que, diferentemente de outros equipamentos eltricos, a linha de

contato no possui redundncia.

2.1 Requisitos e critrios futuros

Com a expanso do sistema, algumas caractersticas e portanto, alguns requisitos para aslinhas futuras foram modificados em relao s premissas adotadas para as Linhas 4 e 5. Aprimeira caracterstica modificada foi a carga a ser alimentada. As novas linhas esto sendoprojetadas para atenderem um baixo headway ( 90s) com trens de alta potncia tanto paraatenderem alta capacidade de transporte quanto pela introduo do ar condicionado nascomposies. Observa-se que h, portanto, uma alta transferncia de corrente entre os trens e as

linhas de contato.A segunda caracterstica do sistema eltrico a instalao de uma subestao retificadora por

estao de passageiros. Como ser mostrado no item6.1 ,com o aumento do nmero de trens dealta potncia nas linhas, e com o requisito de que no dever haver degradao de desempenhono caso da falta de uma subestao retificadora, a instalao de uma subestao retificadora porestao de passageiros absolutamente necessria pois, alm de diminuir as perdas no sistema,mantm as tenses acessveis dentro dos limites estabelecidos por norma.

3 Escolha da tenso de alimentao

Sistemas como tramways, VLTs, metrs leves e pesados possuem a tendncia de seremalimentados em corrente contnua nas tenses entre 600 e 1200 Vcc. Ocasionalmente, estes

sistemas de ferrovias urbanas de curta distncia podem tambm utilizar estes nveis de tenso porrazes histricas. Atualmente, a tendncia nos metrs de alta capacidade, nos metrs leves etrens metropolitanos a utilizao de dois nveis de tenso em corrente contnua: 750 e 1500 Vcc[3,6]. Em [3] afirmado textualmente que a alimentao em 1500 Vcc quase exclusividade dosbondes (tramways, Straenbahnen) e VLTs (Stadtbahnen).

Sendo o metr um transporte pblico de grande afluncia de pessoas e tendo em conta que oseu desenvolvimento ocorre em reas confinadas, para a garantia do requisito de segurana,quanto menor a tenso de servio utilizada, menor ser o risco de vida ou de outros efeitosfisiolgicos indesejveis produzidos por tenses de contato acidentais.

Os parmetros principais que devem ser levados em conta na escolha do nvel de tenso so:

capacidade de transporte das linhas do sistema;

a potncia unitria dos trens; o modo de captao;

tenso de maior segurana para usurios e empregados;

custo da obra civil;

interferncia eltrica com o ambiente.

A capacidade de transporte de uma linha nos horrios de pico, que expressa em passageirospor hora-sentido, um fator decisivo na carga eltrica a ser alimentada. Capacidades maiores,que impem nveis de corrente mais elevados, indicam que o terceiro trilho poderia ser a soluomais favorvel. Em uma primeira instncia isso poderia ser compensado caso a tenso fosseelevada para diminuir a corrente, levando a soluo para a rede area rgida ou convencional em

catenria.


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3.1 Nvel de tenso e economia

Os autores de [2,8]propem a reduo do nmero de subestaes atravs da concentrao dacarga e a construo de subestaes retificadoras de alta potncia a distncias entre 3.5 e 4 km(2 e 2.5 km para um nico grupo) entre elas. No entanto, admitem que mais subestaesdistribudas criam uma maior disponibilidade no caso da falha de alguma delas. Alm disso,

afirmam que, apesar do custo um "pouco maior" deste tipo de estrutura, traz vantagenssignificantes como:

uma excelente qualidade na tenso de alimentao, o que garante um desempenhoregular dos trens;

prdios de menor tamanho, sendo mais fceis de integrao com o ambiente urbano;

quedas de tenso menores nos trilhos, o que significa reduo das correntes de fuga.

Considerando-se que os cabos alimentadores utilizados em 750 Vcc so da classe da tensode 3000 Vcc, o mesmo tipo de cabo pode ser utilizado para o nvel de tenso de 1500 Vcc. Emuma primeira anlise, a elevao da tenso de 750 para 1500 Vcc acarretaria uma economia nocusto global de cabos de corrente contnua da ordem de 50%, decorrente da reduo metade dabitola dos circuitos alimentadores. Entretanto, como ser comentado adiante, este custo de

implantao poderia ser suplantado pela freqente troca de fios de contato em cobre e pela trocadas lminas do pantgrafo, caso a linha de contato adotada seja a rede area.

Um outro fator que pode ser preponderante para a adoo de tenses maiores a reduo donmero de subestaes, o que provocaria uma queda nos custos do equipamento de manobra darede de 22 kV, painis e equipamentos de controle e proteo de corrente contnua da ordem de40% [2]. Este argumento vlido para sistemas com headway elevado (acima de 120 s) nos quaisno h a ocorrncia de vrios trens de alta potncia entre subestaes. Para sistemas com umheadway baixo ( 90s), trens de alta potncia e continuidade de servio em caso de queda deuma subestao retificadora, como ser mostrado no item 6.1 , a reduo do nmero desubestaes no uma soluo vivel.

Na parte de transformadores e retificadores, pode-se considerar o acrscimo no sistema de

1500 Vcc, devido a utilizao de subestaes com dois grupos retificadores. Embora essesgrupos sejam de potncia menor, os dois grupos de uma subestao de 1500 V so mais carosque o grupo de uma subestao de 750 Vcc. Nas Linhas 4 e 5 da Companhia do Metropolitano deSo Paulo, alimentadas em 1500 Vcc, foram adotados, respectivamente, dois grupos de 3500 kWe 4000 kW por subestao retificadora ao passo que nas Linhas 2 e 3 cada subestaoretificadora em cada estao de passageiros possui um nico grupo de 4250 kW.

4 Linha de contato

4.1 Tipos de linha de contato

Os sistemas de metr esto completamente separados de todos os tipos de trfego existentes.Por este motivo, podem utilizar o terceiro trilho ou rede area. A alta densidade deste tipo detrfego, sobretudo nas horas de pico, faz com que a linha de contato tenha que transportarelevadas correntes.

Para sistemas de metrs de superfcie, a alternativa rede area a utilizao de um trilhocondutor em um nvel mais baixo. Para tenses de alimentao menores que 1500 Vcc, adistribuio de energia para os trens pode ser feita atravs de um trilho condutor montado sobreisoladores em um lado dos trilhos de rolamento. Este tipo de linha de contato prov uma formaconfivel de distribuio de potncia para um grande nmero de trens em uma pequena reageogrfica, alm de dar uma boa aparncia instalao. Por causa de sua simplicidade deconstruo, o terceiro trilho oferece uma grande confiabilidade e baixos custos de manuteno secomparado com a rede area, e esta uma importante razo pela qual tais sistemas continuem aser utilizados.


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At a segunda metade do sculo XX, utilizava-se unicamente terceiro trilhos condutores deao. Estes trilhos instalados at a metade dos anos 50 tinham uma resistncia especfica entre0.125 e 0.143 mm2/m. Esta resistncia era excessivamente elevada para as solicitaes dostrens modernos. Isso traz, como conseqncia, queda de tenso e perdas muito altas no terceirotrilho, alm de serem muito pesados. Para atender tais exigncias os trilhos de ao foramsubstitudos, na dcada de 60, por perfis bimetlicos de ao e alumnio, os quais permitiram umaconsidervel reduo da resistncia eltrica e de peso. Desde ento, as especificaes forammodificadas e o tipo de ao utilizado deve apresentar uma resistncia especfica inferior ou igual a0.119 mm2/m [15].

Os primeiros trilhos bimetlicos ainda apresentam uma proporo de ao excessiva, o quedeixa o terceiro trilho ainda pesado. Outro problema constatado nestes trilhos foi a corrosoeletroltica em alguns pontos da juno bimetlica, o que dificulta a passagem de corrente eprovoca aquecimento. Com o objetivo de solucionar estes problemas e incrementar a potncia dossistemas em corrente contnua, est sendo utilizado com mais freqncia o perfil inteiramente dealumnio, que aproveita as vantagens de baixa resistividade eltrica deste metal e do seu baixopeso especfico. Devido s caractersticas imprprias do alumnio para estabelecer um contatodeslizante com a sapata coletora do trem, foi associada ao trilho de alumnio uma chapa de ao

inoxidvel ou ao-cromo ao longo da superfcie de contato. Esta chapa , atualmente, prensadaao alumnio por extruso composta a quente, onde se verifica uma fuso entre os dois metais,atravs de um processo industrial especial.

O terceiro trilho compatvel somente com tenses entre 750 e 1500 Vcc. Sistemas utilizandoo terceiro trilho com uma tenso acima de 750 Vcc so muito poucos e freqentemente utilizamtenses intermedirias entre 750 e 1500 Vcc (900 ou 1200 Vcc) como forma de aumentar-se ofluxo de potncia, mantendo-se o condutor. Por causa das folgas eltricas dinmicas, no prtico o aumento do nvel de tenso para alm de 1500 Vcc. Segundo [6,15], por razes desegurana, com tenses superiores a 1500 Vcc utiliza-se unicamente redes areas de contato.

De fato, o S-Bahn de Hamburgo utiliza a alimentao em terceiro trilho com tenso de 1200Vcc e o metr de Barcelona (TMB) utilizava este mesmo sistema nas trs primeiras linhas que

foram convertidas para catenria rgida [22]. Vale observar que em [9] descrito que o terceirotrilho utilizado no metr de Barcelona era de alumnio e o contato era feito por uma fita de ao-cromo grampeada ao perfil de alumnio por fixao mecnica. Com relao alimentao em1500 Vcc, encontrado apenas em duas linhas em Guangzhou (Canto), na China.Provavelmente, esta escolha foi feita por causa de problemas de sobreaquecimento e fuso nocontato entre pantgrafo e fio de contato. Reproduz-se aqui tambm os argumentos mostradosem [23]: "alguns metrs chineses decidiram, sob presso poltica, usar o terceiro trilho para 1500Vcc ostensivamente por questes estticas mas tambm para minimizar o nmero desubestaes".

Uma alternativa rede area em catenria convencional ("flexvel"), a rede area rgida(catenria rgida) que possui a vantagem de no requer a introduo de um sistema de umtencionamento mecnico porm, requer um espaamento menor entre os suportes. Desta forma,

a grande maioria das instalaes de catenria rgida ocorre em tneis onde existe um meiouniforme para a fixao dos suportes de sustentao.

A catenria rgida reduz o p direito nos tneis requerido para a montagem em relao catenria convencional pois a altura nominal do perfil condutor necessita unicamente superar aaltura mnima da linha de contato somada s tolerncias do nvel da via e s tolerncias devidas sua instalao. Isto traz um menor custo na construo civil e na montagem da linha de contato.Vale observar que em [6], citado que catenrias convencionais atuais com alturas menoresconseguem os mesmos requisitos de espaamento.

Outra vantagem da catenria rgida em relao catenria convencional que a sua secotransversal permite correntes mais elevadas (aproximadamente 4000 A) e, em princpio, nonecessita de um alimentador de reforo. O limitante aqui ao fio de contato que pode ser de, no

mximo, 161 mm2

Somados a estes fatores, atribui-se tambm catenria rgida robustezmecnica, simplicidade de projeto, alta confiabilidade e baixos requerimentos de manuteno.


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A catenria rgida aplicada na Linha 4 da Companhia do Metropolitano de So Paulo possuiuma seco nominal de 1200 mm2 que, de acordo com os fabricantes [21], em redes de altotrfego e baixas tenses (750 ou 1500 Vcc) "permite uma operao intensiva deaproximadamente 2 minutos com baixas quedas de tenso e sem a necessidade de instalao dealimentadores adicionais".

No Japo, o sistema de catenria rgida foi desenvolvido como uma rede area para a ligaodireta entre metrs e ferrovias de subrbio. O sistema alimentado em 1500 Vcc para permitiresta conexo [18]. De fato, em [15] apontado que uma vantagem da linha de contato area parametrs que estes tm a tendncia de avanar alm do permetro urbano, ao tempo, onde a linhade contato , sem dvida, area.

J na Europa, com exceo dos metrs de Madri e Barcelona, a catenria rgida empregadaem instalaes de linhas de longa distncia em tneis ou ainda, na eletrificao das linhasexistentes nos antigos tneis, onde o gabarito no comportaria a instalao de rede area emcatenria convencional.

4.2 Vantagens e desvantagens

4.2.1 CustosDe acordo com a experincia da Companhia do Metropolitano de So Paulo, os custos de

aquisio de uma linha de contato em terceiro trilho em ao / alumnio e uma linha de contato emcatenria rgida, ambas instaladas em tnel, so semelhantes.

Entretanto, vias segregadas enterradas, a adoo do terceiro trilho permite um p direito menordas galerias que aquele se adotado a rede area, e isso produz uma expressiva reduo decustos em obras civis. A seco dos tneis em shieldde via singela e principalmente VCA (vala acu aberto) devero ser mais amplas e mais onerosas daquelas correspondentes a 750 Vcc comlinha de contato em terceiro trilho. Em contraste, com relao aos sistemas em superfcie quedividem espao com outros tipos de sistema de transporte ou um grande nmero de cruzamentosem nvel, somente linhas areas podem ser utilizadas. Um fator importante apontado em [11]

que o custo da construo civil cresce com o aumento do nvel de tenso devido tambm aoaumento das distncias eltricas permitidas.

Os fios de contato apresentam vida til entre 3 e 17 anos em funo do nmero de passagensde pantgrafo por ano que varia entre 120000 e 1150000. Alm do desgaste mecnico, deve-seconsiderar tambm o desgaste por eletroeroso, devido ao faiscamento. A experincia daCompanhia do Metropolitano de So Paulo na Linha 5 mostra uma troca de fio de contato a cada2-3 anos. J a experincia da Companhia Paulista de Trens Metropolitanos mostra uma troca defio de contato a cada 8 anos. O outro elemento de contato, as lminas coletoras, segundo [25],possuem uma durao entre 10 e 30 semanas.

Alm disto, de acordo com os autores de [15], nos sistemas de corrente contnua quefuncionam at 3000 Vcc, geralmente necessrio instalar dois fios de contato paralelos no caso

de demandas de potncia ou trfego elevados.Por sua vez, o terceiro trilho bimetlico instalado atualmente nas Linhas 1, 2 e 3 da Companhiado Metropolitano de So Paulo tem, at agora, uma vida til da superfcie de contato de 40 anos eo terceiro trilho de ao / alumnio tem uma expectativa de vida til da superfcie de contato deaproximadamente 90 anos.

Outro ponto a ser considerado so os isoladores. Em qualquer sistema os isoladores so umponto de falhas. Particularmente na catenria rgida, como a instalada na Linha 4 da Companhiado Metropolitano de So Paulo, o conjunto suspenso por dois isoladores.

4.2.2 Manuteno

A rede area exige veculos ferrovirios auxiliares com plataforma elevada para atividades de

inspeo e manuteno. No caso do Metr de Barcelona, em 1992 haviam 156 km de rede edispunha-se para a manuteno da rede area 21 agentes e 1 veculo ferrovirio. Em 2009, para195 km de rede area, o Metr de Barcelona dispunha de 11 agentes e 3 veculos ferrovirios[22].


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Figura 1 - Veculo ferrovirio utilizado na Linha 5

No caso de restabelecimento do sistema por causa de queda da rede area, os transtornosso maiores que no sistema de terceiro trilho, pois h a necessidade de entrada de veculosespeciais na via operacional para a substituio do trecho danificado. Essas dificuldades deacesso podem acarretar um tempo mdio de liberao maior do que seria necessrio para o

mesmo caso no terceiro trilho. Entretanto, a Companhia do Metropolitano de So Paulo no adotaesta prtica e o acesso via permanente de equipes treinadas s ocorre aps a desenergizaoda regio de trabalho.

Com relao ao acesso de equipes treinadas via permanente, a utilizao de uma rede areapermitiria, em princpio, o acesso mais rpido, pois a desenergizao da linha seria concomitantecom a entrada da equipe de manuteno. No caso do Metr de Barcelona [22], a entrada dasequipes de manuteno ocorre aps a sada do ltimo trem, sem o corte da tenso na catenriargida, salvo o caso de algumas avarias.

A experincia da Companhia do Metropolitano de So Paulo na manuteno de linhas decontato em rede area convencional em catenria e terceiro trilho mostra que a manutenopreventiva da rede area necessita de 155 homem-hora por quilmetro por ano, enquanto o

terceiro trilho necessita de 106. Para a manuteno em campo, so necessrias 4 horas para asubstituio do pantgrafo, enquanto a substituio do conjunto coletor do terceiro trilho necessitade 1 hora. A inspeo em campo de um trem com pantgrafos necessita de 3 horas e 2profissionais, enquanto que um trem com coletores do terceiro trilho necessita de 2 horas e 1profissional. J manuteno em oficina de um trem com 24 conjuntos coletores do terceiro trilhorequer 1 profissional e 16 horas enquanto um trem com seis pantgrafos requer 3 profissionais e48 horas, principalmente por conta da remoo, preparao e cura do lubrificante grafite / resina.

O Relatrio Tcnico Informativo RT MTT 6AB 045/09 Requisitos bsicos de infra-estruturapara manuteno Novas linhas e ptios apresenta como requisito bsico uma rea de 200 m 2para oficinas de pantgrafo.

O nmero de itens em estoque tambm um fator a ser observado. O pantgrafo necessita de

154 itens diferentes em estoque enquanto que o conjunto coletor do terceiro trilho necessita de 53itens diferentes.


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Figura 2 rea destinada preparao das canoas no pantgrafo

4.2.3 Segurana

A rede area rgida ou convencional em catenria possui a vantagem de afastar do nvel dosolo o risco de choque eltrico por contato direto com partes normalmente energizadas. Asmedidas de proteo para evitar o contato com as partes vivas do terceiro trilho condutor soconseguidas utilizando-se coberturas isolantes com propriedades dieltricas, trmicas emecnicas capazes de funcionar em ambientes de metr. Alm disto, a utilizao do terceiro trilho

com contato inferior possibilita a utilizao da capa protetora cobrindo as partes laterais e superiordo condutor e proporciona mais segurana contra contatos acidentais. Um fato que deve serobservado que nos 40 anos de operao do Metr, no houveram acidentes fatais nas linhasalimentadas por terceiro trilho.

Com tenso de 1500 Vcc os problemas de isolao da linha de contato no so maisimportantes que para 750 Vcc; porm com a finalidade de melhorar a segurana das pessoas, asinstalaes de metrovirias em 1500 Vcc so feitas em rede area, com excees vistasanteriormente.

No entanto, as correntes de falta em um sistema de terceiro trilho so potencialmente maiores,e grandes correntes de falta significam grandes esforos eletrodinmicos entre o condutor (circuitopositivo) e os trilhos de rolamento (circuito negativo). Um investimento maior deve ser feito para

isto em termos da resistncia mecnica dos isoladores e fixaes dos trilhos e suportes.A altura mnima dos fios de contato so dadas pela norma EN 50119 e tambm pela fichas da

UIC (Union internationale des chemins de fer) 505-4. Nelas, estipula-se uma altura mnima do fiode contato em 4900 mm para um gabarito cinemtico do tipo GCe 5000 mm para uma alturamnima esttica. Para catenrias rgidas em [21]cita-se uma altura de instalao entre 4.15 m(mnima) e 4.25 m (nominal).

4.2.4 Captao de corrente

A instalao do terceiro trilho requer raios mnimos de curvatura do traado maiores ou iguais a150 m para no interferir com o arranjo dos equipamentos dos carros, localizados abaixo doestrado do piso, entre os truques. Por sua vez, a catenria rgida, de acordo com [10], permite

raios mnimos de curvatura maiores ou iguais a 120 m.


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Entretanto, um ponto absolutamente crucial a interao entre pantgrafo e o fio de contato. Odesafio aqui lidar com nveis de corrente relativamente altas no pantgrafo e com a queda detenso ao longo da linha. bastante comum que um segundo fio de contato seja utilizado ou umcabo alimentador em paralelo seja instalado para minimizar as quedas de tenso. Uma interfaceapropriada entre pantgrafo e fio de contato minimiza o desgaste mecnico e eltrico erompimento do mesmo.

Fabricantes de lminas de contato [17,24] indicam valores mximos de densidade linear decorrente entre 10 e 14 A/mm para certos tipos de composio como grafite impregnada comalguma liga metlica; valores extremos de 18 e 20 A/mm tambm so encontrados. As lminas decontato variam entre 35 e 42 mm; para um fio de contato novo, a largura do contato varia entre 2 e3 mm. Destra forma, a rea de contato fica limitada em, aproximadamente, 1 cm. Considerando-se uma lmina de 42 mm e uma densidade linear de 14 A/mm tem-se, aproximadamente, 588A/cm. Para se ter uma noo de grandeza, o mesmo fabricante indica uma densidade de 25A/cm para um tipo de escova de carvo para anis deslizantes. A Tabela 1 [6] traz dadosbaseados em testes feitos por um fabricante de lminas coletoras. Deve-se observar que osvalores de pico referem-se a uma exposio mxima de 1 minuto.

Capacidadepermanente [A/mm]

Capacidade paravalor de pico [A/mm]

Carbono 7 10.5

Carbono impregnadode metal

12 18

Material composto 16 24

Tabela 1 Valores mximos das lminas de contato [6]

Se necessria uma corrente de valor maior, alm da utilizao de um fio de contato duplo,deve-se fazer uso de um maior nmero de pantgrafos com um maior nmero de lminas

coletoras, levando-se em conta que a largura mxima de uma lmina coletora de 65 mm.Entretanto, este aumento no nmero de pantgrafos possui um efeito negativo para ocomportamento pantgrafo-catenria nos sistemas de catenria convencional. importanteobservar tambm que os valor mximo permanente para um trem parado, segundo [15], bemmenor, estando em torno de 220 A. Para evitar que o fio de contato alcance o ponto de fuso, acorrente de alimentao dos servios auxiliares deve estar abaixo deste valor.

Os fabricantes indicam tambm em [17] que o valor mximo de densidade superficial decorrente para coletores do terceiro trilho est entre 10 e 12 A/cm.

5 Panorama mundial

Foi pesquisado em [28] as redes de metrovirias com extenso maior que a rede da

Companhia do Metropolitano de So Paulo (~60 km). ATabela 2 traz as redes encontradas, bemcomo a extenso de cada uma delas, totalizando 33 redes, 5314.33 km e 223 linhas.


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cidade extenso [km]Barcelona 195.08Berlim 144.20Boston 125.00

Bucareste 66.95Busan 95.00Chicago 358.20Cidade do Mxico 201.40Estocolmo 110.00Hamburgo 100.70Hong Kong 218.20Londres 402.00Madri 284.10Milo 74.10Moscou 292.20Montreal 71.00Munique 93.00Nagoya 83.50Nova Yorque 369.00Osaka 129.90Paris 201.80Pequim 200.00Santiago 74.20Seoul 134.90Shanghai 235.00Singapura 89.40So Francisco 167.00

So Petersburgo 110.20Taipei 90.60Teer 96.00Tquio 195.10Toronto 68.30Vancouver 68.70Washington 169.60

Tabela 2 Maiores redes metrovirias

AFigura 3 traz a proporo do nvel de tenso nominal encontrada para as redes metroviriasdaTabela 2.J aFigura 4 traz o tipo de rede de alimentao utilizada.


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600 V

16%

630 V15%

750 V

34%

825 V

8%

1000 V

3%

1200 V

3%

1500 V

21%

Figura 3 Nveis de tenso

catenria rgida

5%

rede area

23%

3o trilho72%

Figura 4 Linha de contato

A Figura 5 mostra o headway mnimo de cada sistema metrovirio declarado em [28]. Foramagrupados os sistemas por tipo de linha de contato.


11/20

0

50

100

150

200

250

300

Barcelona

Busan

HongKong

Madri

Seoul

Shanghai

Berlim

Bucareste

Chicago

CidadedoMxico

Estocolmo

Hamburgo

Londres

Moscou

Montreal

Munique

NovaYorque

Paris

Pequim

Santiago

Singapura

SoFrancisco

SoPetersburgo

Taipei

Teer

Toronto

Vancouver

Washington

Boston

Milo

Nagoya

Osaka

Tquio

158

210

120 120

150

270

180 180 180

115 120

150

120

90

120 120 12095

180

120 120

300

120

90

120 120

130

300

270

120 120 120 110

Headwaymnimo

Cidade

Figura 5 Headway mnimo dos sistemas (azul: rede area; laranja: terceiro trilho; verde: rede area e

terceiro trilho)

Foram pesquisadas tambm em [28] as redes metrovirias mais novas ou seja, as redesmetrovirias que se iniciaram do zero, a partir de 1990. A Tabela 3 traz as redes encontradas,bem como a extenso de cada uma delas, totalizando 18 redes, 610.86 km e 30 linhas.

cidade extenso [km]

Atenas 30.00Bangkok 23.50Braslia 40.40

Copenhagen 16.80Dubai 51.00Guangzhou (Canto) 157.56Izmir 11.60Kazan 8.40Kaohsiung 42.70Lima 9.80Maracaibo 6.90Nanjing 17.00San Juan 17.50

Santo Domingo 14.50Teer 90.00Tianjin 22.00Valencia 6.20Valparaso 45.00

Tabela 3 Redes metrovirias mais novas

AFigura 3 traz a proporo do nvel de tenso nominal encontrada para as redes metroviriasdaTabela 3.J aFigura 4 traz o tipo de rede de alimentao utilizada.


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750 V

65%

825 V

4%

1500 V

25%

3000 V

6%

Figura 6 Nveis de tenso

catenria rgida

0%

rede area

26%

3o trilho

74%

Figura 7 Linha de contato

Os resultados anteriores so sumarizados naFigura 8 quanto ao nvel de tenso e naFigura 9

quanto linha de contato utilizada.


13/20

0.00%

10.00%

20.00%

30.00%

40.00%

50.00%

60.00%

70.00%

80.00%

maiores mais novos

600 -1000 V

1200 -1500 V

Figura 8 Resumo - Nveis de tenso

0.00%

10.00%

20.00%

30.00%

40.00%

50.00%

60.00%

70.00%

80.00%

maiores mais novos

catenria rgida

rede area

3o trilho

Figura 9 Resumo - Linha de contato

6 Estudos realizados

6.1 Extenso da Linha 5 (Lils)

Com o propsito de avaliar a extenso da Linha 5 da Companhia do Metropolitano de SoPaulo, foram feitas simulaes para avaliar alguns parmetros como tenso mnima, corrente

eficaz e tenso entre o negativo e o terra.


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As condies impostas para o trecho futuro foram um trem equivalente aos trens adquiridospara as Linhas 1, 2 e 3 e uma retificadora de 4250 kW em cada estao de passageiros. A Figura10 traz a envoltria da tenso mnima na linha, considerando-se a queda de uma retificadora. AFigura 11 traz a envoltria da corrente eficaz, aFigura 12 e aFigura 13 trazem, respectivamente,as envoltrias de mxima tenso positiva e mxima tenso negativa para as mesmas condies.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

1000.00

1050.00

1100.00

1150.00

1200.00

1250.00

1300.00

1350.00

1400.00

1450.00

1500.00

1550.00

1600.00

1650.00

1700.00

1750.00

Tenso mnima

via 1

via 2

s [km]

Ud[V]

Figura 10 Envoltria de tenso mnima na linha de contato

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

0.00

500.00

1000.00

1500.00

2000.00

2500.00

3000.00

3500.00

4000.00

4500.00

5000.00

Corrente eficaz

via 1

via 2

s [km]

Id[A]

Figura 11 Envoltria de corrente eficaz na linha de contato


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0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

160,00

180,00

200,00

220,00

240,00

Tenso mxima negativo-estrutura adjacente

via 1

via 2

s [km]

Utvte[V]

Figura 12 Envoltria de mximo potencial positiva entre negativo e estrutura adjacente

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

-200,00

-180,00

-160,00

-140,00

-120,00

-100,00

-80,00

-60,00

-40,00

-20,00

0,00

Tenso mxima negativo-estrutura adjacente

via 1

via 2

s [km]

Utvte[V]

Figura 13

Envoltria de mximo potencial negativo entre negativo e estrutura adjacente

Nas figuras acima pode-se observar no trecho existente da Linha 5 (at aproximadamente oquilmetro 10) que a filosofia de retificadoras mais espaadas e um aumento de tenso noatende aos requisitos de trfego pesado, trens de alta potncia e o compromisso de se manter odesempenho dos trens no caso da falha de uma retificadora.

Observa-se ainda que nos piores casos a tenso mnima vista pelo trem fica perto do limiteestabelecido por norma e as correntes eficazes ultrapassam os valores limites para as redesareas. Nota-se tambm que os potenciais acessveis ultrapassam os valores estabelecidos pornormas para risco de choque eltrico.


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6.2 Potenciais negativo-estrutura adjacentes

Um ponto importante a ser investigado se o aumento da tenso da linha de contato diminuiriao potencial entre negativo e estrutura adjacente. Este fato foi investigado atravs de simulaesdas Linhas 3 e 5.

Para estas simulaes, foi considerado um headway de 90 s, e na extenso da Linha 5 (at

aproximadamente o quilmetro 10) foram consideradas retificadoras de mesma potncia dasretificadoras da Linha 3. importante observar que na Linha 3, a distncia mdia entre retornosdo negativo de 1.3 km e a resistncia de dois trilhos em paralelo de 0.0188 /km. J para aLinha 5, a distncia mdia entre retornos do negativo de 1,0 km e a resistncia de dois trilhosem paralelo de 0.0166 /km ou seja, 13% maior. Os resultados so apresentados naFigura 14e naFigura 15.

Figura 14 Potenciais negativo-estrutura adjacente na Linha 3 (750 V)


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Figura 15 Potenciais negativo-estrutura adjacente na Linha 5 (1500 V)

Nota-se atravs da Figura 14 e da Figura 15 que o potencial entre o negativo e a estruturaadjacente muito mais influenciado pela distncia entre subestaes retificadoras e resistncia docircuito de retorno que pelo nvel de tenso do sistema de alimentao.

7 Concluses

Pela leitura do relatrio, pde-se observar que, atualmente, existem dois tipos de alimentao

viveis para sistemas metrovirios: linha de contato em terceiro trilho e 750 Vcc e linha de contatoem catenria rgida e 1500 Vcc.

Aqui deve ser novamente frisado que independente da linha de contato e do nvel de tensoadotados, a configurao da alimentao da rede em corrente contnua ser a mesma, com umaretificadora de aproximadamente 4000 kW posicionada em cada estao de passageiros.

No quesito segurana, ambos sistemas possuem pontos positivos e negativos. Enquanto umarede area afasta do nvel do solo o risco de choque eltrico por contato direto, o terceiro trilhotrabalha com a metade da tenso. A adoo das portas de plataforma afasta ainda mais quaisquerriscos aos usurios. Em relao aos potenciais entre o negativo e a estrutura adjacente, osestudos mostraram que o mesmo depende muito mais da distncia entre retificadoras e daresistncia do circuito de retorno que do nvel de tenso adotado.

Tanto a linha de contato em terceiro trilho quanto em rede area rgida tm se mostrado de altaconfiabilidade e alta disponibilidade, como mostra a experincia da Companhia do Metropolitanode So Paulo e de outros metrs no mundo.

A ressalva que deve ser feita que a rede area rgida, por fatores econmicos, necessita deptios em rede area convencional. Deste modo, a confiabilidade e a disponibilidade da linhacomo um todo podem ser menores por conta deste ponto vulnervel.

Como foi comentado, a experincia da Companhia do Metropolitano de So Paulo mostra queos custos de implantao de uma rede area rgida e um terceiro trilho de ao / alumnio socompatveis. A longo prazo, a rede area seja rgida, seja convencional, pode trazer custosmaiores por conta das trocas dos fios de contato em cobre e das lminas coletoras dospantgrafos. Este custo suplantar a provvel economia com cabos de alimentao em corrente

contnua.


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Com relao manuteno, apesar do apelo inicial e das experincias de outros metrs nomundo, as equipes da Companhia do Metropolitano de So Paulo no trabalham em viaenergizada, independente do sistema de alimentao. Concentrando-se apenas no equipamentode coleo de corrente, a experincia da Companhia do Metropolitano de So Paulo mostra que opantgrafo um elemento que demanda maior manuteno e maior nmero de peas em estoqueque o conjunto coletor do terceiro trilho, o que pode, novamente, elevar o custo total a longoprazo.

A adoo da rede area na Linhas 5 e, principalmente, na Linha 4, trouxe um novo problema Companhia do Metropolitano de So Paulo e inerente a este tipo de sistema: a interao entrepantgrafo e fio de contato.

Como foi comentado no incio do trabalho, a tendncia da Companhia do Metropolitano de SoPaulo diminuir o headway e aumentar o peso dos trens com a adio de novos equipamentos,como o condicionador de ar. O primeiro requisito reflete no nmero de passadas dos pantgrafos,o que aumentaria o desgaste dos fios de contato. De fato, como observado no relatrio, oheadway mnimo em sistemas que adotam a rede area de 120 s.

O segundo requisito encontra na interao entre pantgrafo e fio de contato um limitante, comofoi visto anteriormente. Fabricantes de pantgrafos e lminas de contato limitam a correntemxima por pantgrafo. Mesmo que a corrente de operao esteja abaixo do limite recomendado,valores elevados de corrente aumentam o faiscamento e, conseqentemente, o desgaste do fio decontato por eletroeroso. E aqui o problema no s a corrente de trao mas, tambm, acorrente regenerada que para os trens atuais superior corrente de trao por causa dorequisito de freio eltrico (esforo constante) pleno entre 10 e 80 km/h.

Para contornar este problema, deve-se aumentar a rea de contato. Isto conseguido atravsdo aumento do nmero de fios de contato, do aumento do nmero de pantgrafos ou do aumentodo nmero de lminas de contato por pantgrafo.

O aumento do nmero de fios de contato leva a soluo para a rede area convencional emcatenria, como ocorreu no metr de Hong Kong. Mantendo-se a soluo em rede area rgidapode-se aumentar o nmero de pantgrafos em servio, ficando limitado a um mximo de 6 (um

por carro) ou aumentar o nmero de lminas de contato. Neste caso, a limitao a complexidadedo pantgrafo. Pantgrafos com mais de 2 lminas de contato devem possuir um sistema elsticoindependente por lmina para garantir que cada lmina esteja em contato com o fio de contato.No caso de mais de lminas de contato, a experincia mundial mostra que o contato das lminasposicionadas no meio do pantgrafo no garantido.

Um ltimo ponto a ser observado a questo do desenvolvimento tecnolgico. Pela leitura dorelatrio, nota-se que dentre as redes maiores que a rede da Companhia do Metropolitano de SoPaulo, 72% so alimentadas por terceiro trilho. O percentual entre as redes mais novas, commenos de 10 anos, continua na mesma faixa (74%). H, portanto, um mercado existente ecrescente para o desenvolvimento tecnolgico deste tipo de rede de alimentao. De fato, comopde-se observar pela leitura do relatrio, o terceiro trilho encontra-se atualmente em sua quarta

gerao sendo hoje mais leve e de menor resistncia eltrica, portanto, mais eficiente.Por outro lado, a catenria rgida como linha de contato tem encontrado um desenvolvimentomaior em aplicaes ferrovirias em linhas de longa distncia, quando em tneis e ptios. O maiordesenvolvimento para metrs tem ocorrido na Espanha por conta, principalmente, do metr deBarcelona (TMB).

8 Agradecimentos

Os autores gostariam de agradecer os seguintes profissionais pela ajuda durante a pesquisa:

Eng. Alberto Francisco Santos Filho

Tec. Alexandre Kolano

Eng. Gil Augusto Lago Mello Freire

Eng. Massaru Saito.


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9 Bibliografia

[1] ALOUCHE, P. L. Critrios adotados no projeto do sistema de alimentao eltrica da linhaLeste/Oeste. EngenhariaRevista do Instituto de Engenharia, n. 425, p. 82-88, 1980.

[2] ALOUCHE,P.L.;BENITES,P.A.Escolha do nvel de tenso de alimentao do material rodanteem metros e ferrovias de passageiros. Revista dos Transportes PblicosANTP, n. 63, p.

95-109, 2 trimestre 1994.[3] BAUER,E.H.;AST,D.Hhere Speisespannung fr Gleichstrom Nahverkehrsbahnen. Berichte

und Informationen - Hochschule fr Technik und Wirtschaft Dresden, 1/2001, p.84-88.

[4] BECKER, K.; RESCH, U.; RUKWIED, A.; ZWEIG, B. W. Lebensdauermodellierung vonOberleitungen. Elektrische Bahnen, v. 94, n. 11, p. 329-336, 1996.

[5] . . . : , 2005. 408 p.

[6] BRODKORB,A. Modern Rail Power supply for Urban Rail Systems.Trabalho apresentado aGerncia de Projetos e Concepo de Sistemas, 2010, Companhia do Metropolitano de SoPaulo. No publicado.

[7] DE CASTRO,F.E.B.;ALOUCHE,P.L. Planejamento e dimensionamento da eletrificao emsistemas de transporte de massa. Engenharia Revista do Instituto de Engenharia, n.431, p. 52-60, 1981.

[8] DELATTRE, D.; SEILER, W. Electrification of a urban transit system. Revue Gnrale desChemins de Fer, ano 102, p. 430-436, Juillet-Aot 1983.

[9] FIGUEIREDO FERRAZ. Concepo do Terceiro trilho. So Paulo: Companhia doMetropolitano de So Paulo, 1989. (Documento tcnico RT-1.81.05.XX/400-01 e 02)

[10] FURRER +FREY. The conductor rail system.8 p. 2005.

[11] GIURIATI,M.; FREIRE,G.A.L.M.Ponderaes para a escolha da tenso de servio, do

sistema de trao da 4 Linha do Metr.Documento tcnico RT-4.81.99.00/100-002. 1993.12p.

[12] HARTLAND, D. J. Electric contact systems passing power to the trains. In: 4th IETProfessional Development Course on Railway Electrification Infrastructure and Systems,London, 2009. Anais. London: IET, 2009, p. 70-82.

[13] HELLIGE. B. Fahrleitunsanlagen fr Gleichstrom-Nahverkehrssbahnen Berichte undInformationen - Hochschule fr Technik und Wirtschaft Dresden, 1/2001, .

[14] HILL, R. J. Electric railway traction Part 3: Traction power supplies. Power EngineeringJournal, p. 275-286, December 1994.

[15] KIESSLING, F.; PUSCHMANN, R.; SCHMIEDER,A.; VEGA, T. M. Lneas de contacto para

ferrocarriles electrificados.Erlangen: Siemens AG, 2008. 1010 p.[16] MALUSARDI, F. Linhas de contato para metrs e ferrovias. So Paulo: Companhia do

Metropolitano de So Paulo, 1974. 19 p.

[17] MORGAN CARBON. Morgan carbon current collector.12 p. 2004.

[18] OURA, Y.; MOCHINAGA, Y.; NAGASAWA, H. Railway Technology Today 3 Railway electricpower feeding systems. Japan Railway & Transport Review, n. 16, p. 48-58, June 1998.

[19] PATRASSI,A. La scelta della tensione di elettrificazione per le ferrovie urbane e suburbane aforte traffico.Ingegneria Ferroviaria, p. 297-310, Aprile 1964.

[20] PINTSCHER, F. Kontaktvorgnge und Verschleiverhalten des Systems Fahrdraht

Schleifleiste. 2003. 146p. Tese (Doutorado)

Fakultt Verkehrswissenschaften "FriedrichList" der Technischen Universitt Dresden. Dresden, 2003.


20/20

[21] RAILTECH INTERNATIONAL. Overhead contact system rigid catenary Railtech-Delachaux.44p.

[22] SAITO, M. Transports Metropolitano de Barcelona TMB. Trabalho apresentado aGerncia de Projetos e Concepo de Sistemas, 2010, Companhia do Metropolitano de SoPaulo. No publicado.

[23] SCHMID,F.;GOODMAN C.J. Electric railway systems in common use. In: 4th IET ProfessionalDevelopment Course on Railway Electrification Infrastructure and Systems, London, 2009.Anais. London: IET, 2009, p. 6-20.

[24] SCHUNK KOHLENSTOFFTECHNIK. Carbon sliding strips for pantographs and trolley polesystems.15 p. 2004.

[25] SHING,A. W. C.; WONG, P. P. L. Wear of pantograph collector strips. Proceeding of theInstitution of Mechanical Engineers Part F.v.222, n.2, p.169-176, 2008.

[26] STEMMANN-TECHNIK. Roof-mounted pantographs.13 p.

[27] WARBURTON, K. Overhead line equipment design and pantograph interface. In: 4th IETProfessional Development Course on Railway Electrification Infrastructure and Systems,London, 2009. Anais. London: IET, 2009, p. 127-133.

[28] WEBB, M. (Ed.). Janess Urban Transport Systems 2009-2010. 28 ed. Coulsdon, 2009.885p.

[29] WHITE,R.D.AC/DC Electrification and protection. In: IET Professional Development Courseon Electric Traction Systems, Birmingham, 2008. Anais. Birmingham: IET, 2008. p. 258-305.

[30] WILI, U.; FURRER, B. A rigid beam as an alternative to the conventional catenary. In:International conference on main line railway electrification, Birmingham, 1989. Anais.Birmingham: IEE, 1989, p.103-108.

Currculo dos autores

Cassiano Lobo Piresnasceu em So Paulo em 1976. engenheiro eletricista pela Escola deEngenharia da Universidade Presbiteriana Mackenzie, So Paulo, em 2000. Obteve o ttulo demestre e doutor e ps-doutor em engenharia eltrica pela Escola Politcnica da Universidade deSo Paulo (EPUSP), respectivamente, em 2002, 2006 e 2009. Atualmente engenheiro daCompanhia do Metropolitano de So Paulo e professor convidado do Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica da EPUSP.

Romeu Mantovani Junior nasceu em So Paulo em 1955. tecnlogo em hidrulica pelaFATEC/UNESP e engenheiro agrimensor pela FEAP. Atualmente analista de projetos na reade trao eltrica na Companhia do Metropolitano de So Paulo desde 1986.

Jos Augusto Pereira da Silvanasceu em 1951. Obteve os ttulos de engenheiro eletricista,mestre em engenharia eltrica e doutor em engenharia eltrica pela Escola Politcnica daUniversidade de So Paulo (EPUSP), respectivamente, em 1973, 1981 e 1997. Engenheiro daCompanhia do Metropolitano de So Paulo desde 1984, atualmente Professor Doutor naEPUSP e Assessor Tcnico da GCS/CSM.

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