La electrificación ferroviaria

GIF Gestor de Infraestructuras Ferroviarias Documentos de Formación Ferroviaria 9 Energía. 9.A La Electrificación Ferroviaria

LA ELECTRIFICACIÓN (1 ) FERROVIARIA (1) Documento redactado en julio de 2002 por José Conrado Martínez Acevedo Estos Documentos se editan por el Gif para contribuir a la difusión de los conceptos ferroviarios, y para ayudar en la formación de las personas que se acerquen al mundo del ferrocarril y deseen especializarse en alguna materia concreta. Se trata de una publicación divulgativa, y por ello en ningún caso puede contradecir las normas reglamentarias, prevaleciendo siempre éstas en caso de una eventual o aparente discrepancia

0. INTRODUCCIÓN Se entiende por electrificación ferroviaria el conjunto de las instalaciones necesarias para un sistema de tracción eléctrica. En un sistema de electrificación ferroviario pueden considerarse los elementos fundamentales siguientes: -

Fuentes de energía o centrales de generación de energía eléctrica.

-

Líneas eléctricas de transporte en alta tensión.

-

Subestaciones de tracción eléctrica, tanto para sistemas de corriente alterna como continua.

-

Línea Aérea de Contacto (Catenaria) y sus sistemas o elementos asociados.

-

Feederes o cables de alimentación entre la subestación de tracción y la línea aérea de contacto.

Documentos de formación ferroviaria. 9 Energía

-

Componentes propios del material rodante motor, principalmente pantógrafos y motores eléctricos de tracción.

En el esquema de la figura 1 se representa la disposición de los elementos anteriores en el sistema eléctrico ferroviario, así como sus tensiones eléctricas nominales de funcionamiento más frecuentes. Fuente de energía: central hidráulica, térmica, nuclear.

3000 V - 11000 V Líneas de transporte y distribución elédtrica

400 kV - 30 kV Subestación eléctrica de tracción

25 kV c/a - 3 kV c/c Feeders de alimentación

Línea aérea de contacto

Feeder de alimentación

25 kV c/a - 3 kV c/c

VÍA I

VÍA II

A continuación se comentará brevemente las características propias de cada uno de estos elementos.

Figura 1

Página 2 de 54

9.A. La Electrificación Ferroviaria

1. FUENTES DE ENERGÍA DEL SISTEMA ELÉCTRICO FERROVIARIO Estas fuentes de energía, denominadas genéricamente centrales eléctricas, generan energía eléctrica de forma masiva en determinados puntos geográficos de acuerdo a las disponibilidades de energía mecánica que mueve el alternador, el cuál representa el elemento fundamental de la central. Los generadores de corriente alterna o alternadores, son máquinas rotativas que transforman la energía mecánica en energía eléctrica alternativa. Son más sencillos de construir que los generadores de corriente continua o dinamos y tienen como principio de funcionamiento el que el número de líneas de inducción que atraviesan las bobinas está sometido a variaciones periódicas. La mayor parte de estas máquinas se construyen para 50 ó 60 períodos por segundo o Hertzios (p.p.s ó Hz). La velocidad de giro n suele estar comprendida entre las 3.000 (turboalternadores) y 1.500 (hidroalternadores) revoluciones por minuto (r.p.m.) para frecuencias de la red determinadas (n = frecuencia x 60 ¸ número de pares de polos). En España la energía de salida en alternadores se hace a una frecuencia industrial de 50 Hz, en sistema trifásico y a tensiones que suelen estar comprendidas entre 3.000 y 11.000 V. Con relación a la clasificación de las centrales eléctricas, ésta se suele realizar atendiendo al origen de la energía motriz empleada: - Centrales Hidráulicas. Son aquellas que aprovechan un salto hidráulico. La potencia ideal es el producto del caudal del agua Q por la altura del salto H y por el peso específico r. - Centrales Térmicas. Utilizan el carbón como energía motriz. - Centrales Nucleares. Utilizan la energía nuclear como motriz.

Página 3 de 54

Documentos de formación ferroviaria. 9 Energía

La clasificación anterior es algo genérica ya que existen muchos otros tipos de centrales (fuel, gas, energías alternativas, etcétera) aunque para el estudio que aquí se realiza es suficiente el considerar los tres tipos anteriores. Cabría destacar como curiosidad, llegados a este punto, la manera de estructurarse el sistema energético mundial y nacional según muestran los diagramas inferiores. 5 NuclearEstructura del consumo de energía en el mundo 5 Hidroeléctrica 10 Madera, resíduos Nuclear 5% 15 Gas Hidroeléctrica 5% 25 Carbón Petróleo 40% 40 Petróleo Resíduos 10%

12 6 7 7 68

Gas 15%

Carbón 25%

Estructura del consumo de energía en España

Nuclear 12% Petróleo 68%

Hidroeléctrica 6%

Gas 7%

Carbón 7%

Página 4 de 54

9.A. La Electrificación Ferroviaria

Particularizando para el caso de la tracción ferroviaria en España, cabría destacar que las altas potencias demandadas por las redes existentes, sobre todo lo que a líneas de Alta Velocidad se refiere (como son el AVE Madrid–Sevilla y la línea del Corredor Mediterráneo), hace que sean centrales térmicas (de fuel y carbón) y nucleares las principales fuentes de energía utilizadas en abastecer al sistema ferroviario español. Obsérvese que esta afirmación se encuentra en sintonía con el diagrama mostrado anteriormente pues indica que en España la mayor parte de la energía consumida proviene del petróleo (fuel) y la energía nuclear. Las centrales hidráulicas suelen quedar relegadas a la alimentación de las redes convencionales de RENFE, de corriente continua, ya que demandan una menor potencia. Como ejemplo de lo anterior se podría citar el caso de la línea de Alta Velocidad Madrid–Barcelona–Frontera Francesa. Las enormes potencias demandadas por los trenes (aproximadamente, hasta 12 MW en llanta con una media de 8 MW) y las altas frecuencias de circulación implica que sólo sea posible utilizar la Central Nuclear de Trillo (Guadalajara) como fuente de energía eléctrica en el tramo Madrid–Zaragoza. Actualmente todos los sistemas ferroviarios de alta velocidad precisan de electrificación en sistemas de corriente alterna debido a las grandes potencias demandadas.

Página 5 de 54

Documentos de formación ferroviaria. 9 Energía

2. LÍNEAS DE TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA Su función es transportar y distribuir la potencia generada en las centrales eléctricas a las subestaciones de tracción ferroviaria. Cabría realizar una pequeña matización antes de caracterizar a estos elementos del sistema. Para ello se olvida por un momento la electrificación puramente ferroviaria y se estudia a continuación las partes de las que consta generalmente cualquier sistema eléctrico alterno: 1. Centrales generadoras, expuestas en el apartado anterior. 2. Estaciones transformadoras elevadoras de la tensión de salida de la central generadora. 3. Líneas de transporte o transmisión. 4. Estaciones de maniobra. 5. Estaciones transformadoras reductoras de la tensión de transporte. 6. Líneas o redes eléctricas primarias de distribución. 7. Bancos transformadores de servicio. 8. Líneas o redes secundarias. Esencialmente, los elementos 2, 3, 4 y 5 constituyen el sistema de transporte, mientras que los restantes (6, 7 y 8) representarían el sistema de distribución.

Página 6 de 54

9.A. La Electrificación Ferroviaria

La diferencia entre ambos sistemas radicaría en su función: la función del sistema de transmisión o transporte es, como se indicó anteriormente, el transporte de grandes potencias a los centros de la carga y a los grandes consumidores industriales que sobrepasan los límites corrientes y económicos de las líneas primarias de distribución, por ejemplo, las compañías ferroviarias. Es por ello por lo que algunas líneas eléctricas de ferrocarril prescinden de los elementos del sistema de distribución y utilizan directamente a las líneas de transporte como líneas de distribución. Hoy día para el transporte de grandes potencias se usan universalmente los sistemas de corriente alterna. Se ha llegado a ello como consecuencia de la simplicidad de los grandes alternadores y transformadores de corriente alterna. Y es que el voltaje de transmisión puede ser adoptado a las necesidades de servicio con mayor sencillez y economía que en el caso de los sistemas de corriente continua. Por exigencias de transporte a grandes distancias, la tensión de salida de los alternadores es elevada mediante transformadores de potencia a otra tensión de mayor rango. El motivo es bien sabido: la potencia, y como consecuencia la pérdida producida por efecto Joule, es proporcional al cuadrado de la intensidad I, de forma que en lugar de elevar la magnitud de esta variable se aumenta el valor de la tensión y por tanto se disminuye I para una potencia prefijada. Las líneas eléctricas de transporte se clasifican en la forma siguiente: - Primera categoría. Son aquellas cuya tensión nominal es superior a 66 KV. - Segunda categoría. Tensión nominal comprendida entre 66 y 30 KV. - Tercera categoría. Tensión nominal inferior a 30 KV e igual o superior a 1 KV. Suelen ser valores recomendados los siguientes: 20, 66, 132, 220 y 400 KV. Precisamente estas suelen ser las tensiones utilizadas para abastecer a la red ferroviaria española: el sistema en corriente continua de 3.000 V (líneas convencionales de RENFE) utiliza por lo general líneas eléctricas de 20/66 KV (aunque se pueden alcanzar valores de 132 KV). Por otra parte, toda la alimentación

Página 7 de 54

Documentos de formación ferroviaria. 9 Energía

de la línea AVE Madrid–Sevilla se realiza a 132 y 220 KV, mientras que casi la totalidad de las subestaciones de la nueva línea de Madrid a Barcelona se abastecerán a 400 KV. En España las empresas ferroviarias (RENFE, FEVE, FGC, ET y Compañías Metropolitanas) no son propietarias de centrales eléctricas por lo que la energía que consumen sus electrificaciones es contratada a las empresas suministradoras1. En cuanto a las líneas de transporte, son en algunos casos propiedad de la empresa suministradora, si bien, en el caso de RENFE, y por razones de garantía y disponibilidad de servicio, se tiende a instalar por cuenta propia estas líneas en forma de malla en los sistemas de corriente continua, interconectando entre sí las subestaciones eléctricas rectificadoras de un sector y con dos o más puntos de suministro de las fuentes originales. En el caso de las líneas de Alta Velocidad (corriente alterna) lo anterior no se puede producir, siendo las líneas de transporte propiedad de Red Eléctrica Española (REE).

Figura 2. Línea eléctrica llegando a la subestación

1

Es importante destacar este hecho pues en Alemania la compañía ferroviaria DB sí dispone de centrales

de generación eléctrica propias.

Página 8 de 54

9.A. La Electrificación Ferroviaria

3. SUBESTACIONES ELÉCTRICAS DE TRACCIÓN Como se ha venido indicando hasta ahora, en España, y a diferencia de lo que ocurre en otros países, se presentan dos tipos de estructura de electrificación ferroviaria: ·

Aquel que alimenta al material rodante con corriente alterna.

·

Aquel que lo hace con corriente continua.

Es por tanto que esta clasificación conllevará también a la existencia de dos tipos principales de subestaciones eléctricas de tracción: subestaciones eléctricas para sistemas de corriente alterna y subestaciones para sistemas de corriente continua. Los niveles de tensión en cada uno de los dos tipos anteriores presentan algunas variantes que afectan particularmente a la aparamenta y a los niveles de aislamiento utilizados (mayores en las subestaciones de corriente alterna). Por lo general, el funcionamiento de una subestación de corriente continua es más complejo que el correspondiente a una subestación de corriente alterna.

3.1 SUBESTACIÓN DE TRACCIÓN DE CORRIENTE CONTINUA La experiencia ha demostrado que la corriente continua es conveniente para tracción ferroviaria por una serie de condiciones ventajosas que reúne el motor serie: fuerte par de arranque, multiplicidad de marchas económicas, fácil regulación, etcétera. Por otro lado, la corriente continua no presenta las ventajas de la corriente alterna: facilidad de producción, facilidad de modificación de sus tensiones con buen rendimiento y posibilidad de transportarla a grandes distancias con pérdidas prácticamente despreciables. Para aunar las ventajas de ambos tipos de energía eléctrica se instalan convenientemente repartidas a lo largo de la línea ferroviaria, subestaciones

Página 9 de 54

Documentos de formación ferroviaria. 9 Energía

rectificadoras que, tomando la energía alterna de las líneas de distribución y transporte, la convierten en corriente continua que es dirigida a las líneas aéreas de contacto del ferrocarril (a través de los feederes de alimentación) siendo captada por el material rodante mediante sus pantógrafos. De esta forma, dentro de una subestación de tracción de corriente continua se destacan dos instalaciones claramente diferenciadas: - Subestación trifásica de corriente alterna. Es una subestación trifásica alimentada por la red de corriente alterna que forma parte del mismo conjunto constructivo que el de la propia subestación de tracción. La propiedad y competencia de explotación y mantenimiento corresponde al gestor del ferrocarril y como cliente del suministrador dispondrá de los equipos de medida de energía para facturación. Los elementos fundamentales que son necesarios en la subestación trifásica de tracción son: 1. Aparamenta de potencia: interruptores, seccionadores, transformadores de medida y protección, pararrayos autoválvulas, etcétera. 2. Transformadores de potencia especiales para rectificación. 3. Sistemas de servicios auxiliares en baja tensión alterna. 4. Sistema rectificador–batería para mando y control. 5. Sistemas de control de protección y medida. 6. Sistemas de telemando y teleseñal. - Subestación de tracción de corriente continua. La subestación de tracción propiamente dicha es la encargada de suministrar energía al material rodante por medio de la línea aérea de contacto. Los elementos necesarios en la subestación de corriente continua son: 1. Rectificadores de potencia, los cuales transforman la señal alterna en continua.

Página 10 de 54

9.A. La Electrificación Ferroviaria

2. Aparamenta unipolar de potencia para corriente continua: interruptores, seccionadores, transductores para medida y protección, pararrayos autovalvulares, etcétera. Todos estos elementos forman los conjuntos de entrada a los grupos rectificadores, salidas de alimentación a feederes, etcétera. 3. Sistemas de tensión especiales para señales de vía (control de tráfico). 4. Sistemas de puesta a tierra y vigilancia de la misma. 5. Sistemas de comprobación de fallo de catenaria. 6. Sistemas de control integrado, protección y medida. 7. Sistemas de telemando y teleseñal. En las siguientes figuras se puede apreciar una instalación de las características anteriores. En concreto se trata de la Subestación Eléctrica de Tracción de Pina de Ebro (Zaragoza), en la línea convencional de Madrid a Barcelona.

Figura 3. Panorámica general de la S/E de Pina de Ebro (Zaragoza)

Página 11 de 54

Documentos de formación ferroviaria. 9 Energía

Figura 4. Parque eléctrico de la S/E de tracción (RENFE)

Figura 5. Rectificador

Página 12 de 54

9.A. La Electrificación Ferroviaria

Se puede destacar en la primera figura (número 3) una panorámica general del recinto, destacando la línea de distribución de energía, el edificio de control y el parque eléctrico. La figura número 4 representa la disposición general del parque eléctrico. Por último en la figura número 5 se puede apreciar el rectificador de la subestación, que como se dijo anteriormente rectifica la tensión alterna de la línea de distribución (45 KV en esta subestación) a tensión continua de la catenaria (3.000 V).

3.2 SUBESTACIÓN DE TRACCIÓN DE CORRIENTE ALTERNA La disposición es prácticamente la misma que para el caso anterior. Evidentemente ahora no existe conversión de corriente alterna a corriente continua, sino que la propia tensión alterna absorbida de la red es transformada a otros valores de tensión menores también en sistema alterno. De nuevo se pueden diferenciar dos instalaciones: -

Subestación trifásica de alimentación. A diferencia de la subestación trifásica de alimentación del caso continuo, la cuál pertenecía al gestor del ferrocarril, aquí la subestación trifásica de alimentación forma parte de un conjunto constructivo independiente. La propiedad y competencia de explotación y mantenimiento corresponde a la empresa suministradora. De nuevo, el gestor del ferrocarril dispone de los equipos de medida para facturación. Los elementos necesarios de la subestación trifásica son: 1. Aparamenta de potencia: interruptores, seccionadores, transformadores de medida y protección, pararrayos autoválvulas en caso de sobretensión, etcétera, que REE (Red Eléctrica de España) o la empresa suministradora considere imprescindibles para la seguridad del suministro y calidad del servicio. 2. Sistema de coordinación de protecciones y telemando necesarios para la explotación de elementos comunes.

Página 13 de 54

Documentos de formación ferroviaria. 9 Energía

- Subestación de tracción. Al igual que en el sistema continuo, la subestación de tracción suministra la energía a los trenes. El elemento principal del recinto es el transformador de potencia reductor de tensión, el cual establece la existencia de dos circuitos eléctricos independientes a través de sus dos devanados (pueden ser más de dos), cada uno de los cuales con su aparamenta propia. Se tiene por tanto un circuito eléctrico con muy alto nivel de tensión (MAT), 400 KV, ó alto nivel de tensión (AT), por lo general 220 ó 132 KV, que se encuentra conectado al primario del transformador y que suele ir formado por aparellaje bipolar de potencia para corriente alterna (interruptores, seccionadores, transformadores de medida y protección, etcétera.). El circuito eléctrico del devanado secundario será el de tracción propiamente dicho. El nivel de tensión tendrá por lo general unos valores de 25 ó 50 KV a una frecuencia industrial de 50 Hz2. Los elementos que dispone este circuito serán los mismos que en los otros casos: 1. Aparellaje monopolar o bipolar de alimentación al feeder de catenaria (se verá en el siguiente punto), así como aparamenta de enlaces o acoplamiento de barras y para servicios auxiliares (por ejemplo, iluminación de la propia instalación). 2. Sistemas de control de protección y medida. 3. Sistemas de puesta a tierra y vigilancia de la misma. 4. Sistemas de telemando.

2

Habría que indicar dos observaciones importantes respecto a estos valores: 1) el caso considerado es el

español, pues por ejemplo en Alemania existen circuitos de tracción en sistemas alternos a 16 2/3 Hz, 15 KV; 2) la distinción entre 25 ó 50 KV hace referencia al tipo de sistema de electrificación utilizado: 1x25 KV ó 2x25 KV respectivamente. Una salida de tensión del transformador de 25 KV corresponde a un tipo 1x25 KV, mientras que un nivel de 50 KV lo es a un sistema 2x25 KV.

Página 14 de 54

9.A. La Electrificación Ferroviaria

Las figuras siguientes representan la disposición existente de instalaciones y aparellaje en la Subestación de Tracción de corriente alterna de Peñalba (Huesca) en la línea de Alta Velocidad Madrid–Barcelona–Frontera Francesa.

Figura 6. Parque eléctrico de la S/E trifásica (REE)

Página 15 de 54

Documentos de formación ferroviaria. 9 Energía

Figura 7. Parque eléctrico de la S/E de tracción (GIF)

Figura 8. Transformadores de tracción

Página 16 de 54

9.A. La Electrificación Ferroviaria

La figura número 6 muestra una panorámica general de la línea de 400 KV (línea de transporte y distribución al mismo tiempo) acoplándose al parque eléctrico de REE. En la figura número 7 se aprecia el parque eléctrico del gestor del ferrocarril (GIF para este caso) y que por tanto representa la subestación de tracción propiamente dicha. El parque de REE estaría situado al fondo, en el margen izquierdo de la figura. Si bien no se aprecia con claridad existe un vallado que separa ambos recintos pues como ya se señaló, en los sistemas alternos ambos complejos suelen ser independientes. Por último en la figura número 8 se puede ver los dos transformadores de tracción de la subestación de tracción. La entrada al devanado primario se haría en MAT (400 KV) siendo la salida por el devanado secundario de 50 KV (se verá más adelante que se trata por tanto de un sistema 2x25 KV).

Página 17 de 54

Documentos de formación ferroviaria. 9 Energía

4. LOS FEEDERES DE ALIMENTACIÓN En rigor, el feeder3 de alimentación es el cable que partiendo de la subestación de tracción va a alimentar en un punto determinado a la línea aérea de contacto (observar esquema en la figura 2). Por extensión, se denomina también feeder a aquellos otros cables que, sin función mecánica alguna y solamente como refuerzo de sección, discurren tendidos conjuntamente y de forma paralela a la línea aérea de contacto. Por tanto, si bien el feeder es el cable de conexión desde el transformador a la catenaria, algunas veces suele acompañarla durante un número determinado de kilómetros, realizando la conexión a una distancia considerable de la subestación eléctrica (además de la que se realiza en la propia subestación). La ventaja de utilizar un feeder de alimentación (también denominado feeder de refuerzo ó feeder positivo) se encontrará en la disminución de la intensidad por la catenaria, lo que supondrá a su vez una menor pérdida y una menor caída de tensión medida desde la subestación. En las figuras número 9/10 se puede observar la disposición de los feederes de alimentación en la Subestación de Tracción de corriente continua de Pina de Ebro, vista anteriormente. Del mismo modo las figuras número 11/12 representan, de manera esquemática, la futura situación de los feederes de alimentación en la Subestación de Tracción de corriente alterna de Peñalba, también vista en el apartado anterior.

3

Del inglés ‘alimentar’ (To feed = alimentar).

Página 18 de 54

9.A. La Electrificación Ferroviaria

Feederes

Figura 9. Feederes de alimentación en la S/E de Pina de Ebro (I)

FEEDERES

Figura 10. Feederes de alimentación en la S/E de Pina de Ebro (II)

Página 19 de 54

Documentos de formación ferroviaria. 9 Energía

Figura 11. Feederes de alimentación (esquemático) en la S/E de Peñalba (I)

Figura 12. Feederes de alimentación (esquemático) en la S/E de Peñalba (II)

Página 20 de 54

9.A. La Electrificación Ferroviaria

A modo de ejemplo y de forma que el lector se familiarice con lo visto en este capítulo, en la página siguiente se puede observar el entorno eléctrico existente en la línea ferroviaria de Alta Velocidad Madrid–Sevilla y en la línea de ancho convencional RENFE Madrid–Andalucía, en las proximidades del municipio de Puertollano (Ciudad Real). Como puede apreciarse, aunque ambos ferrocarriles comparten y son abastecidos por la misma fuente de energía (Central Térmica de Puertollano; marca A en el dibujo), los demás elementos del sistema difieren para cada caso. La tabla inferior muestra la clasificación realizada para ambos ferrocarriles:

Tabla 1. Entorno eléctrico líneas Andalucía Fuente de energía

Línea A.V. Madrid–Sevilla

Central Térmica de Puertollano

Líneas de transporte

Línea Norte de 220 KV (Marca LN en el dibujo) Línea Sur de 220 KV (Marca LS en el dibujo)

Subestaciones eléctricas Subestaciones de transformación 220 KV/25 KV, 50 Hz: Mora, El Emperador, Ciudad Real, La Nava por LN Venta de la Inés y Arroyo del Valle por LS

Línea convencional Madrid–Andalucía

Central Térmica de Puertollano

Línea principal de 132 KV (Central Térmica de Puertollano-S/E de Santa Teresa–S/E La Paloma)

Subestaciones rectificadoras:

Valdepeñas, Santa Cruz Líneas secundarias de distribución entre 45 de Mudela, Almuradiel y otras más y 100 KV

Como es de esperar, el dibujo mostrado no representa los elementos restantes del sistema (feederes de alimentación, catenaria y componentes del material rodante).

Página 21 de 54

Documentos de formación ferroviaria. 9 Energía

LN

LS

Figura 13

Página 22 de 54

9.A. La Electrificación Ferroviaria

5. LA LÍNEA AÉREA DE CONTACTO La electrificación de ferrocarriles ha sido llevada a cabo por diferentes métodos y sistemas, caracterizados principalmente por la forma de distribuir la energía al material rodante desde la subestación eléctrica. Una clasificación normalmente aceptada sería la siguiente: SISTEMA MONOFÁSICO DE LÍNEA AÉREA DE

CORRIENTE

CONTACTO

ALTERNA SISTEMA TRIFÁSICO DE LÍNEA AÉREA DE CONTACTO

SISTEMAS DE ELECTRIFICACIÓN CORRIENTE

MEDIANTE LÍNEA AÉREA DE CONTACTO

CONTINUA

TERCER RAÍL PARALELO A LOS DE RODADURA

De los sistemas anteriores, el sistema monofásico de corriente alterna y el sistema de corriente continua son los más utilizados por las administraciones ferroviarias. El sistema trifásico de corriente alterna, aunque ha sido experimentado en algunos países europeos, es un sistema en desuso debido sobre todo a la complejidad existente durante su montaje. Por otra parte, si bien el sistema de corriente continua mediante tercer raíl no suele utilizarse en las electrificaciones de ferrocarriles interurbanos, sí suele darse en los sistemas metropolitanos, siendo su principal desventaja el peligro que conlleva el tener la tensión de tracción a nivel del suelo y por tanto, de los carriles4. Por lo general, la tensión hasta 750 V puede ser utilizada satisfactoriamente con el tercer carril, pero para tensiones más elevadas se utilizan líneas aéreas de contacto. Si bien estas líneas suelen ir siempre formadas por un cable, existe ocasiones en las

4

Este es el sistema utilizado en el metropolitano de Londres.

Página 23 de 54

Documentos de formación ferroviaria. 9 Energía

que se utilizan barras metálicas conductoras constituyendo lo que se denomina ‘catenaria rígida’5. No obstante, el sistema de línea aérea de contacto o catenaria presenta dificultades para alcanzar velocidades del orden de 400 Km/h. En efecto, una de las mayores limitaciones existente en la circulación de los trenes eléctricos a medida que la velocidad aumenta se encuentra en la pérdida de contacto del pantógrafo con el cable de contacto en torno a esos 400 Km/h.

5.1 EL CIRCUITO DE T RACCIÓN FERROVIARIA Si se recuerda lo dicho en el capítulo tercero del módulo primero (Nociones básicas de Electrotecnia) acerca del circuito eléctrico, el lector podrá darse cuenta que lo que se dijo allí tiene aplicación directa en la catenaria ferroviaria. Nótese que en realidad esta catenaria no deja de ser un circuito eléctrico y por tanto tendrá que disponer de todos los elementos y características mencionadas. Así por ejemplo, la carga eléctrica vendrá representada por los trenes que alimente. El circuito de tracción puede considerarse dividido en dos partes fundamentales: · Circuito aéreo positivo, constituido por la línea aérea de contacto. Evidentemente, pertenecerán a este circuito, no solo la línea aérea de contacto, sino también todos aquellos cables que la alimentan o la ayudan a transportar la corriente, es decir, los feederes de refuerzo o positivos. · Circuito negativo o de tierra. Será el circuito encargado de retornar la corriente consumida por el tren a la subestación eléctrica de tracción. En las electrificaciones ferroviarias este circuito es extremadamente complejo de estudiar, sobre todo por la gran cantidad de elementos que lo configuran. Según la corriente es absorbida por el pantógrafo y consumida por los motores

5

El sistema de catenaria rígida es utilizado cada vez más en el metropolitano de Madrid.

Página 24 de 54

9.A. La Electrificación Ferroviaria

eléctricos de tracción, el camino de retorno seguido hasta la subestación se forma a través de diferentes partes: 1. El propio circuito de retorno del tren, formado por cables que unen la salida de los motores a las llantas de rodadura. 2. Los carriles de la vía, conectado al circuito a través de las llantas de rodadura. 3. El terreno, que conduce la corriente que se deriva de los carriles por la capa de balasto. Es por ello que en los proyectos de electrificación ferroviaria es importante realizar estudios geoeléctricos que caractericen la resistividad que posee el terreno por el que discurre la línea férrea. 4. Un elemento de gran importancia es el cable de retorno o de guarda. Este conductor va tendido paralelo a la línea aérea de contacto, yendo sujeto del lateral de los postes. Por tanto, existe corriente que no retorna a la S/E por los carriles y el terreno, sino que ascendiendo por los postes de la catenaria discurre por el cable de guarda. Obsérvese por tanto que un poste de catenaria es parte activa del circuito de tracción. 5. Otros cables y elementos: pozos de toma de tierra de las subestaciones, conexiones transversales entre los carriles de diferentes vías, etcétera. En la figura 15 se puede apreciar un esquema del circuito eléctrico de tracción ferroviaria. Cabe destacar que la conexión realizada entre las subestaciones eléctricas de tracción es diferente dependiendo del sistema de corriente que se esté considerando. Así se tiene que en un sistema de corriente continua las subestaciones eléctricas siempre se conectan en paralelo, de forma que un tren que se encuentre situado entre dos de ellas recibirá la corriente de alimentación de una y otra, siendo cada una de las

Página 25 de 54

Documentos de formación ferroviaria. 9 Energía

corrientes recibidas inversamente proporcionales a las distancias que hay a cada una de las subestaciones. Por el contrario, se verá en el siguiente anexo como en un sistema de corriente alterna las subestaciones eléctricas se alimentan de fases diferentes de la red, lo cual implica que no puedan conectarse eléctricamente en paralelo. corriente por el feeder positivo

al pantógrafo

corriente por el hilo de contacto

cable de guarda poste

raíles

corriente consumida terreno

corriente hacia el tren

SUBESTACIÓN

Figura 15

5.2 LA CONFIGURACIÓ N DE LA CATENARIA Como se indicó anteriormente, la catenaria o línea aérea de contacto es el tendido aéreo que se monta sobre las vías del ferrocarril de forma aislada, permitiendo al material rodante la captación de la energía. Por extensión, en el argot ferroviario catenaria representa también todos aquellos elementos relacionados con el cable de contacto: elementos de sujeción y herrajes, postes, aisladores, otros cables, circuito de retorno, etcétera. En la figura 16 se representa de forma esquemática los elementos principales que conforman el sistema catenaria. Según puede apreciarse, el cable de contacto está suspendido de un cable sustentador de forma alternativa cada cierta distancia por medio de hilos de cobre denominados péndolas. A su vez, estos tres elementos (hilo de contacto, cable sustentador y péndolas) se apoyan, también de forma alternativa, en unos puntos de apoyo, que por lo general son postes, mediante las ménsulas y los herrajes necesarios (no representados en el dibujo).

Página 26 de 54

9.A. La Electrificación Ferroviaria

Figura 16

La configuración del montaje que muestra el esquema de la figura superior, aunque suele ser abundante, no es única, existiendo muchas más. Así por ejemplo, RENFE emplea en toda la red nacional catenaria en corriente continua con dos hilos de contacto (catenaria doble) y no uno como aparece en el dibujo (catenaria sencilla). Por otra parte, los elementos que aparecen en la figura 16 son los más genéricos, existiendo muchos más que por su grado de especificidad no serán tratados aquí. De forma que el lector se familiarice a visualizar en campo los elementos anteriores, éstos se han marcado en las figuras 17 y 18 las cuales representan sendas panorámicas de la catenaria convencional de RENFE y de alta velocidad en la línea Madrid–Sevilla. Como se puede observar, las marcas numéricas se corresponden con la siguiente leyenda: -

Marca 1 Þ Poste

-

Marca 2 Þ Aislador de ménsula

-

Marca 3 Þ Cable sustentador o cable de sustentación

-

Marca 4 Þ Hilo de contacto

Página 27 de 54

Documentos de formación ferroviaria. 9 Energía

-

Marca 5 Þ Péndola

-

Marca 6 Þ Cable de retorno o cable de guarda

-

Marca 7 Þ Carril de rodadura

-

Marca 8 Þ Conjunto de ménsula

-

Marca 9 Þ Brazo de atirantado

4

3

5

6 1

8 2

9

7 7

Figura 17. Elementos en catenaria convencional tipo RENFE

Página 28 de 54

9.A. La Electrificación Ferroviaria

3 4 5 1 6

8

9 2

7

7

Figura 18. Elementos en catenaria de alta velocidad (Madrid–Sevilla)

Página 29 de 54

Documentos de formación ferroviaria. 9 Energía

Si bien ambos conjuntos son funcionalmente similares, es fácil darse cuenta como la catenaria de la línea de alta velocidad es un sistema más complejo que en el caso RENFE convencional. Lo anterior se debe entre otros factores a que los nuevos sistemas de alta velocidad precisan de configuraciones constructivas más exigentes y seguras, de acuerdo a las elevadas velocidades de circulación que los trenes alcanzan. Actualmente no podría concebirse un sistema de electrificación para una línea de alta velocidad con una disposición del tipo RENFE convencional (apta para velocidades de hasta 160 Km/h). La experiencia ha demostrado que la geometría como la utilizada en el caso de la figura 18 es la más adecuada para sistemas de velocidad alta y alta velocidad (ménsulas de tipo triangular).

5.3 PARÁMETROS BÁ SICOS DEL SISTEMA CATENARIA Son aquellos parámetros de tipo geométrico considerados inicialmente en el momento de diseñar un sistema de catenaria. Su elección es importante desde el punto de vista de la explotación de la línea férrea en la que se vayan a aplicar. Se consideran los siguientes: -

Altura del hilo de contacto

-

Altura de la catenaria

-

Vano

-

Descentramiento

La altura del hilo de contacto es la altura existente entre el hilo de contacto y el carril de rodadura de la vía. Esta altura siempre es medida en el apoyo de la catenaria (figura 19) y suele presentar un valor característico de 5,3 m. La altura de la catenaria es la distancia vertical entre el hilo de contacto y el cable sustentador en el apoyo (ver figura 19).

Página 30 de 54

9.A. La Electrificación Ferroviaria

ALTURA DE CATENARIA

ALTURA DEL HILO DE CONTACTO

Figura 19

El vano es un parámetro geométrico definido como la separación existente entre dos apoyos consecutivos. El descentramiento se emplea para asegurar un desgaste uniforme de las pletinas del pantógrafo en su contacto con el hilo de contacto. Para ello el hilo de contacto se descentra respecto al eje de la vía tomando la forma de una línea quebrada. Si no existiese descentramiento, el pantógrafo siempre rozaría al hilo de contacto por la misma zona, lo cual llevaría a alguna de las siguientes situaciones: - Mayor desgaste del pantógrafo en menor tiempo de uso, produciendo por tanto unos costes de mantenimiento mayores. - Peligro de rotura (por partición) durante el funcionamiento, poniendo en peligro la seguridad del servicio y de la instalación.

Página 31 de 54

Documentos de formación ferroviaria. 9 Energía

5.4 LA CATENARIA DE SDE EL PUNTO DE VISTA MECÁNICO Los cables de la catenaria son tensados mecánicamente de forma que el pantógrafo circule de la manera más uniforme posible, hecho que se consigue restringiendo la formación de una flecha en el hilo de contacto la cual es menor cuanto mayor es la tensión mecánica utilizada. Conviene hacer la distinción entre la tensión de tendido de los cables y la tensión de trabajo. La tensión de trabajo es la tensión mecánica a la que se encuentran sometidos el hilo de contacto y el cable sustentador en las condiciones normales de explotación de la línea. La tensión de tendido es aquella tensión mecánica a la que se montan cada uno de los cables que, finalizado el montaje, han de constituir la catenaria. Es importante diferenciar estos dos conceptos pues ha de tenerse presente que cuando se tiende el cable sustentador, al no estar todavía suspendido sobre él el hilo de contacto, se ha de dar al sustentador menor flecha de la que deberá tener en definitiva. Esto se debe a que al cargar el cable de contacto el sustentador experimentará un alargamiento, principalmente por el fenómeno de la elasticidad (consultar capítulo cuarto en el módulo primero). Los criterios empleados para diseñar y caracterizar a una catenaria desde el punto de vista mecánico serían los siguientes: -

Criterios dinámicos

-

Criterios estáticos

-

Criterios de calidad de captación de la corriente eléctrica por los trenes

Si bien el criterio estático es relativamente sencillo de estudiar, los criterios de tipo dinámico son extremadamente complejos pues necesitan de gran cantidad de ensayos reales así como la adopción de unas ecuaciones matemáticas que en la mayor parte de los casos no tienen nada que ver con los valores obtenidos en los ensayos.

Página 32 de 54

9.A. La Electrificación Ferroviaria

Todos estos estudios se han de realizar considerando a la catenaria y al pantógrafo del tren como un sistema físico común, conocido generalmente como sistema interacción catenaria – pantógrafo. Se podría considerar que el criterio de captación de la corriente es una variante de los dos anteriores pues si los criterios estáticos y dinámicos no se cumplen el pantógrafo no podrá tener un comportamiento técnicamente aceptable. Lo anterior se puede visualizar en la figura 20: En posición de equilibrio (caso a), el tren se encuentra detenido y el pantógrafo ejerce una fuerza de valor positivo sobre el hilo de contacto estableciéndose por tanto la conexión eléctrica. Esta fuerza se denomina fuerza de contacto y de ahí que sea importante considerar la elasticidad en el estudio de la catenaria pues al estar sometida a dicha fuerza experimentará una serie de deformaciones que tendrán que ser elásticas y no permanentes. Al moverse el tren (caso b), se generan una serie de perturbaciones mecánicas que discurren por toda la catenaria. Estas perturbaciones, que son ondas, se reflejarán, sumarán o restarán, etcétera, al interceptar con las discontinuidades producidas en los cables y al encontrar algunos puntos singulares como son los brazos de atirantado, péndolas, etcétera. Por otra parte en el pantógrafo se generará una serie de movimientos verticales a causa de la oscilación del hilo de contacto y que se compondrán con los movimientos impuestos por el tren. Las perturbaciones anteriores originan variaciones de la fuerza de contacto que pueden llegar a ser muy altas, originando grandes desgastes en el hilo de contacto y en las pletinas del pantógrafo. Pueden ser también bajas, originando pérdidas de contacto entre ambos elementos con el consiguiente empeoramiento de la calidad de captación de la corriente. En este caso se producirá un arco eléctrico que suele ser muy dañino para la instalación eléctrica, sobre todo en el caso de corriente alterna pues generará una serie de armónicos que pueden llegar a interferir con los sistemas de comunicaciones y telefonía presentes en el entorno de la línea ferroviaria.

Página 33 de 54

Documentos de formación ferroviaria. 9 Energía

Caso a

Caso b

Generación ARCO ELÉCTRICO

Caso c

Figura 20

Resumiendo, el pantógrafo siempre ha de permanecer en contacto con la catenaria, teniendo que ser la fuerza de contacto siempre positiva. Cabría destacar una característica extremadamente importante sobre la disposición de la catenaria y que condicionará en gran medida el funcionamiento de la misma. Todo se debe a la denominada péndola en Y. Cuando al principio de este apartado se introdujo la configuración existente de la línea aérea de contacto, se habló de la existencia de un hilo de contacto (o dos), un cable sustentador y las péndolas que sujetan al contacto a través del sustentador, pero nada se dijo acerca de la péndola en Y. Ello se debe a que este elemento no siempre suele ir instalado en la catenaria, aunque sí en aquellas instalaciones que sean proyectadas para funcionar en una línea ferroviaria en la que se alcancen velocidades de circulación elevadas. Así por ejemplo la catenaria convencional de RENFE no adopta este tipo de péndola pero sí existe en la línea de alta velocidad Madrid–Sevilla y en la nueva línea de Barcelona y Francia. En la figura 21 se esquematiza la posición de la péndola en Y. Aunque desde un punto de vista eléctrico la péndola en Y no supone ninguna modificación en la catenaria, el

Página 34 de 54

9.A. La Electrificación Ferroviaria

comportamiento mecánico se verá enormemente mejorado, sobre todo a lo que a la elasticidad se refiere.

Figura 21

5.5 LA COMPENSACIÓ N DE TENSIONES MECÁNICAS Al igual que ocurre en otros campos de la ingeniería, el cambio de condiciones físicas debido a variaciones de la temperatura (externas, es decir, producidas en el ambiente, o internas por funcionamiento de los elementos que componen el sistema) es un factor a tener muy en cuenta en una catenaria ferroviaria. En realidad no se tiene más que un hilo o cable de contacto que pende por medio de péndolas del cable sustentador, estando sometidos ambos conductores a una tensión mecánica constante. Estos elementos, por su constitución, serán muy dados a contraerse o dilatarse según disminuya o aumente la temperatura por lo que habrá de idearse un sistema que sea capaz de garantizar en todo momento la misma posición del sustentador y sobre todo la del hilo de contacto. Por tanto los cambios de temperatura tendrán que ser independientes de las tensiones mecánicas de los conductores, las cuales habrán de seguir siendo constantes. Esta es la función de la compensación mecánica de la catenaria.

Página 35 de 54

Documentos de formación ferroviaria. 9 Energía

Un tendido eléctrico ferroviario se va formando por la composición de catenarias sucesivas, aproximadamente con longitudes máximas de 1.300 m. Cada una de estas catenarias sufrirá los fenómenos físicos anteriores (dilatación y contracción) por lo que tendrán que ser compensadas mecánicamente, formando lo que se denomina en el argot ferroviario un ‘cantón de compensación’ (cantón de compensación @ 1.300 m). Resumiendo por tanto, en un trayecto ferroviario electrificado el pantógrafo del tren pasará de forma sucesiva a intervalos determinados de un hilo de contacto a otro, o dicho de otra forma, de una catenaria a otra. A medida que la longitud de la catenaria es menor, los fenómenos físicos producidos por cambio de temperatura disminuirán en importancia (se dilata o contrae menor longitud de cable). A modo de ejemplo se puede comentar que en RENFE los cantones de compensación no son superiores a los 1.200 m, mismo valor que se da en la línea de alta velocidad Madrid–Sevilla. En la línea de alta velocidad Madrid–Barcelona los cantones tendrán valores máximos de 1.280 m. Aunque existen sistemas que solo realizan compensación del hilo de contacto (anclando rígidamente el sustentador) actualmente la mayor parte de las líneas ferroviarias realizan compensación automática mediante poleas para ambos conductores de manera independiente. Las catenarias para alta velocidad necesitan de este tipo de compensación para garantizar que el hilo de contacto mantenga siempre la misma posición, independientemente de la temperatura del mismo y de la temperatura del cable sustentador. La figura 22 representa de forma esquemática el aspecto visual de las poleas y contrapesos utilizados en compensación de catenaria ferroviaria. El sistema consta básicamente de los siguientes elementos: a)

Poleas.

b)

Herraje de sujeción de las poleas al poste.

Página 36 de 54

9.A. La Electrificación Ferroviaria

c)

Contrapesos (pesas o rodelas metálicas u hormigón). Su número y peso dependerá de la tensión mecánica a la que se instalen los cables.

d)

Herraje de unión de las rodelas.

e)

Guías por las que se desliza el equipo de contrapesos, manteniéndole centrado en todo momento respecto al poste. Si la catenaria se dilata el equipo se desplazará hacia abajo por las guías, ascendiendo en caso de contracción.

CABLE SUSTENTADOR

POLEAS HILO DE CONTACTO

RODELAS GUÍAS

Figura 22

Si los equipos de compensación se han de montar en el interior de un túnel, el sistema sigue siendo funcionalmente el mismo aunque constructivamente diferente debido al gálibo existente en el interior (figura 23).

Página 37 de 54

Documentos de formación ferroviaria. 9 Energía

Figura 23. Compensación mecánica en túnel

5.6 LOS SECCIONAMIE NTOS DE CATENARIA Como se ha indicado en el apartado anterior, el pantógrafo del tren durante su recorrido y cada 1.300 metros va pasando de una catenaria a otra, es decir, de un cantón a otro a efectos de poder realizar una compensación mecánica de la tensión de los conductores de forma más efectiva. Como se puede observar en la figura 24, en el paso de uno a otro cantón existe un solapamiento de ambas catenarias durante un espacio determinado. Es decir el pantógrafo no pasa de forma instantánea de una a otra sino que durante varios metros va frotando a las dos; por una de ellas seguirá circulando mientras que a la otra la abandonará. Esta distancia de solapamiento de catenarias, designada por S en el esquema es lo que se denomina zona de seccionamiento de la catenaria o más coloquialmente, seccionamiento.

Página 38 de 54

9.A. La Electrificación Ferroviaria

S

S

Seccionamientos entre catenarias

Figura 24

Si existe continuidad eléctrica entre catenarias consecutivas el seccionamiento se denomina seccionamiento de compensación. Si no existe continuidad se tiene un seccionamiento de lámina de aire. Para este último caso puede existir un interruptor ó seccionador que conecte eléctricamente a ambas por lo que puede funcionar también como un seccionamiento de compensación.

Página 39 de 54

Documentos de formación ferroviaria. 9 Energía

6. OTROS ELEMENTOS ASOCIADOS 6.1 EL PANTÓGRAFO El pantógrafo es el dispositivo electromecánico mediante el cual los trenes absorben la energía eléctrica de la catenaria procedente de la subestación de tracción (figura 25). Por tanto es el único elemento que conecta al tren con el resto del circuito positivo de tracción. El pantógrafo, por la función que desempeña, ha de diseñarse con unos criterios óptimos de comportamiento entre los que se encuentran: - Estructura geométrica adecuada a las necesidades de cada tren / instalación. De esta forma los criterios dinámicos requeridos no serán iguales para un pantógrafo de tipo tranviario y un pantógrafo de un tren de alta velocidad. - Materiales con buen comportamiento a la fatiga y condiciones ambientales. En el caso de la zona que frota a la catenaria, además con buen comportamiento al desgaste. - Poco mantenimiento y alta disponibilidad y fiabilidad. En la figura 25 se ha indicado las partes principales de un pantógrafo, que para el caso de la fotografía, corresponde a un tren de alta velocidad de la serie 100 de RENFE. De esta forma habría que volver a recalcar que dependiendo del tipo de tren e instalación la estructura geométrica y constructiva puede ser muy diferente si bien los elementos que lo constituyen tienen igual función. Se tendrían los siguientes:

Página 40 de 54

9.A. La Electrificación Ferroviaria

1. Mesilla La mesilla es la parte del pantógrafo que está frotando al hilo de contacto de la catenaria. En concreto son los frotadores los elementos que formado parte de la mesilla realizan la función propia de contacto. 2. Brazo principal Es el elemento mecánico que sustenta toda la estructura. 3. Brazo secundario Tiene la función de mantener en posición longitudinal constante (es decir, en el sentido del movimiento) al brazo principal de forma que no se tuerza. 4. Trenzas de conexión Son cables de cobre flexible que garantizan la conducción de la corriente a lo largo del pantógrafo. 5. Cilindro de elevación (no mostrado en la figura) El cilindro de elevación es un elemento neumático que, actuando sobre el brazo principal, eleva la estructura hacia la catenaria. Por tanto regulándole se ejercerá mayor o menor fuerza de contacto sobre el hilo. 6. Aisladores (no mostrados en la figura) De forma que la carcasa de la locomotora no se energice, es necesario aislar eléctricamente al pantógrafo para lo cual descansa sobre un juego de aisladores que aseguran el aislamiento eléctrico. En los últimos años el pantógrafo ferroviario ha sido objeto de un análisis de funcionalidad en los países de la Unión Europea, concretamente en relación a una interoperabilidad futura. Ello significa que a partir de los próximos años todos los trenes que circulen en la UE tendrán que llevar instalado como mínimo un pantógrafo

Página 41 de 54

Documentos de formación ferroviaria. 9 Energía

que sea compatible en todas sus administraciones ferroviarias de forma que no existan restricciones de circulación en lo que se refiere a los pantógrafos. Se denominará Europantógrafo y actualmente ya se encuentra definido geométricamente en la normativa europea.

DETALLE A

LEYENDA

1 3

3

2 4

1.

Mesilla

2.

Brazo principal

3.

Trenzas de conexión

4.

Brazo secundario

DETALLE A

Figura 25. Pantógrafo de un tren de la serie 100 de RENFE (trenes AVE)

Página 42 de 54

9.A. La Electrificación Ferroviaria

6.2 LOS MOTORES EL ÉCTRICOS DE TRACCIÓN Por último y según se vio en la configuración del circuito de tracción ferroviaria (figura 15), la energía captada por el pantógrafo de la catenaria es conducida a los motores eléctricos de tracción del tren para ser devuelta posteriormente a la subestación. El proceso es más complejo que lo anterior pues entrarán a formar parte gran cantidad de dispositivos eléctricos que, situados antes de los motores de tracción, realizarán diversas funciones sobre la corriente procedente de la catenaria: protección, corte, medida, rectificación, ondulación, transformación, etcétera. Dependiendo de cada tren, todas estas funciones se podrán realizar de una u otra manera pudiendo existir en una locomotora concreta muchas más funciones a realizar que en otra versión diferente. Así por ejemplo las locomotoras de la serie 252 de RENFE que circulan en la línea de alta velocidad Madrid–Sevilla son bitensión (25.000 V en corriente alterna y 3.000 V en corriente continua) teniendo mayor cantidad de dispositivos y funciones eléctricas que las locomotoras 252 convencionales que son sólo monotensión (3.000 V en corriente continua). En vehículos de nueva generación, los motores eléctricos de tracción se encuentran generalmente suspendidos del bogie de rodadura (un motor por cada eje del bogie) lo que mejora notablemente el comportamiento del motor ya que se reduce el efecto de las vibraciones (éstas podrían repercutir en la transmisión existente entre el motor y el eje de rodadura). Actualmente la práctica totalidad de los nuevos vehículos ferroviarios introducen la tracción electrónica que alimenta a motores trifásicos, asíncronos o síncronos. La tracción electromecánica se puede afirmar que ha pasado a la historia si bien todavía muchas locomotoras y unidades de tren funcionan con ella.

Página 43 de 54

Documentos de formación ferroviaria 9. Energía

Al igual que otros motores industriales, los utilizados para tracción ferroviaria pueden ser de los siguientes tipos: ·

Motores de corriente continua.

·

Motores asíncronos de corriente alterna.

·

Motores síncronos de corriente alterna.

6.2.1 Motores de corriente continua Los motores de corriente continua presentan una serie de ventajas que hace que sean válidos para la tracción ferroviaria. Entre estas ventajas se encuentra su fuerte par de arranque y la facilidad de regular la intensidad que absorbe el motor pues tan solo hay que colocar una resistencia variable en serie con aquél y seleccionar el valor requerido. De esta forma, para una velocidad baja del tren la resistencia presentaría un valor elevado. Una velocidad mayor se correspondería con un valor más pequeño de la resistencia que llegaría incluso a desaparecer a la velocidad máxima del tren. El motor de corriente continua utilizado para ferrocarriles se caracteriza por su excitación en serie. Entre las características principales de este tipo de motores se encuentra su capacidad de soportar elevadas sobrecargas; Al disminuir el par resistente, el motor reduce lentamente su consumo de corriente, elevándose su velocidad. La regulación de la velocidad de estos motores puede realizarse conectando un reóstato en paralelo con el inductor o variando la tensión en sus terminales de manera directa o introduciendo resistencias en serie con el inducido. El procedimiento de variar la tensión puede realizarse de manera económica al disponer el tren, por lo general, de más de un motor. Si la locomotora dispone de un motor en el bogie delantero (que impulsa los ejes delanteros) conectado en serie con el motor del bogie trasero (que impulsa los ejes traseros), las velocidades de los motores son iguales en todo momento. La variación

9.A. La Electrificación Ferroviaria

de velocidad se consigue con la conexión serie-paralelo de ambos motores, consiguiéndose dos velocidades básicas de trabajo con buen rendimiento energético. En un principio, los motores están conectados en serie a través de una resistencia variable que se va eliminando gradualmente (mediante dispositivos electrónicos hoy en día) hasta que se obtiene una tensión en bornes de cada motor mitad de la línea de contacto (1.500 V). Cuando se desea aumentar la velocidad de la locomotora, se cambia la conexión en serie de los motores y se pasa a una conexión en paralelo insertando al mismo tiempo entre ellos y entre la línea de contacto una resistencia exterior. Esta resistencia se va eliminando poco a poco hasta que los motores funcionan a plena tensión de línea (3.000 V) obteniendo la segunda posición estable de funcionamiento. El motor de corriente continua precisa de dispositivos electromecánicos entre los que se encuentra el colector de delgas o conmutador, siendo éste un elemento propio de los motores de corriente continua. El colector de delgas es el órgano encargado de la conversión mecánica de la corriente alterna inducida en las bobinas en corriente continua de salida. La extracción o suministro de corriente al colector se realiza por medio de escobillas de grafito que ejercen una presión sobre el colector manteniéndose fijas respecto a éste. Las unidades eléctricas de RENFE de la serie 440, 448 y 435/6/7/8, así como las locomotoras de la serie 269, 250 y 276, son ejemplos de material motor con tracción eléctrica continua. Mientras que el motor de corriente continua precisa de colector y escobillas, los motores trifásicos no necesitan de estos componentes por lo que son más robustos y por tanto más fiables que los primeros. Ello se debe a que las escobillas han de ser cambiadas cada cierto tiempo, siendo el mantenimiento de un motor de corriente continua mayor que uno asíncrono y síncrono.

Página 45 de 54

Documentos de formación ferroviaria. 9 Energía

6.2.2 Motores Asíncronos La diferencia del motor asíncrono con los demás tipos de motores se debe a que no existe corriente conducida a uno de los arrollamientos. La corriente que circula por uno de los devanados (generalmente el situado en el rotor) de debe a la fuerza electromotriz inducida por la acción del flujo del otro, denominándose por ello también motores de inducción. Reciben el nombre de motores asíncronos debido a que la velocidad de giro del rotor no es la de sincronismo impuesta por la red. La importancia de los motores asíncronos se debe a su construcción simple y robusta, sobre todo en el caso del rotor en forma de jaula, que les hace trabajar en las condiciones más adversas, dando un excelente servicio con pequeño mantenimiento.

Figura 26. Motor asíncrono de una locomotora RENFE serie 252

El inconveniente principal que poseen estos motores es la dificultad de regular su velocidad, de ahí que hasta el desarrollo de la electrónica de potencia hayan sido los motores de corriente continua los más utilizados para la tracción ferroviaria. Las unidades eléctricas de RENFE de la serie 447 y 450, así como la locomotora serie 252, son ejemplos de material motor con tracción eléctrica asíncrona.

Página 46 de 54

9.A. La Electrificación Ferroviaria

6.2.3 Motores Síncronos Los motores síncronos son máquinas eléctricas cuya velocidad de rotación está vinculada rígidamente con la frecuencia de la red de corriente alterna con la cual trabaja. Si bien la máquina asíncrona se utiliza en la mayor parte de los casos como generador de energía eléctrica (alternadores en las centrales eléctricas), es también extendido su uso como motor cuando se requieren velocidades de transmisión constantes, teniendo además la ventaja frente a los motores asíncronos de poder regular el factor de potencia con el cual trabaja evitando la colocación de condensadores para reducir la potencia reactiva absorbida por la instalación. El motor síncrono presenta el grave inconveniente de que el par presenta un sentido único solamente cuando la máquina se halla ya sincronizada, es decir, cuando el rotor gira a la misma velocidad que el campo del inducido. Si el rotor está parado o gira a otra velocidad diferente a la de sincronismo, el par medio que desarrolla al conectarlo a la red es nulo. Un ejemplo de aplicación del motor síncrono a la tracción ferroviaria es la unidad autopropulsada española de alta velocidad AVE (RENFE serie 100). Por último, cabría señalar la utilidad que presenta un motor eléctrico de tracción ferroviario en la operación de frenado del tren. Se dice que este frenado puede ser por recuperación (o frenado regenerativo) y reostático. En el primero, la energía cinética del tren (en aquellos tramos de la línea en los que no demanda apenas potencia) puede ser convertida por los motores eléctricos de tracción (al funcionar como generadores) en energía eléctrica recuperada y mandada a la línea aérea de contacto desde la cual se envía a la subestación eléctrica de tracción o es absorbida previamente por otros trenes. Este tipo de frenado es muy útil para sistemas ferroviarios de alta velocidad.

Página 47 de 54

Documentos de formación ferroviaria. 9 Energía

En el frenado reostático la energía no consumida por los motores no se devuelve a la catenaria en forma de energía eléctrica sino que es disipada en unas resistencias internas que la transforman en calor (efecto Joule).

6.3 LOS SECCIONADO RES DE ENERGÍA Mediante los seccionadores de energía se es capaz de conectar o desconectar la alimentación eléctrica a la línea aérea de contacto o de ésta a una instalación próxima determinada, pues como se verá más adelante, es práctica extendida en las administraciones ferroviarias alimentar desde la catenaria otros elementos como son casetas de señalización y las luminarias de los túneles. De esta forma podría clasificarse a los seccionadores de energía atendiendo a la tipología de elementos que conectan eléctricamente: ·

Seccionadores de línea aérea de contacto o de catenaria. En ocasiones puede ser necesario el corte temporal de energía eléctrica hacia la catenaria de una línea ferroviaria determinada, por ejemplo durante trabajos de mantenimiento o reparación de la misma. Ello se consigue operando sobre los seccionadores de catenaria, repartidos convenientemente a lo largo del trazado ferroviario y que necesariamente coinciden con la situación geográfica de los seccionamientos

de

lámina

de

aire

(figura

27).

Recuérdese

que

los

seccionamientos de lámina de aire se definían como un solapamiento de dos catenarias consecutivas que no poseían continuidad eléctrica si los seccionadores se encontraban abiertos y conexión en caso de estar cerrados. También existirán seccionadores de catenaria enfrente de las subestaciones de tracción, concretamente entre los feederes de alimentación procedentes del parque eléctrico de media tensión y la línea aérea de contacto. Así si se quiere cortar la alimentación eléctrica con la subestación no habrá más que abrir el seccionador correspondiente. Otra aplicación de los seccionadores de catenaria es conectar en paralelo las catenarias de las vías de un trazado ferroviario con vía múltiple y que discurren de manera paralela siendo el caso más usual la vía doble. La conexión en paralelo se

Página 48 de 54

9.A. La Electrificación Ferroviaria

suele realizar para mejorar el transporte de la corriente de tracción desde la subestación hacia los trenes de forma que no sea una única catenaria la que soporte el paso de corriente.

Detalle

Detalle

Figura 27. Seccionador en un seccionamiento de lámina de aire en Lérida

Página 49 de 54

Documentos de formación ferroviaria. 9 Energía

·

Seccionadores de sistemas asociados a la catenaria. Cuando se proyecta una instalación ferroviaria en las proximidades de una línea férrea (electrificada) que demanda energía eléctrica para su funcionamiento, es habitual que esta energía se obtenga de la catenaria sin perjuicio de poder alimentar esa instalación mediante otros sistemas (grupos electrógenos, línea pública, etcétera), si se trata sobre todo de una instalación imprescindible para la explotación de la línea como son las instalaciones de señalización y comunicaciones. El circuito eléctrico de la instalación a alimentar se conecta a la catenaria mediante un seccionador de energía que suele permanecer en la mayor parte de los casos cerrado. Antes del seccionador existe un transformador reductor de la tensión de catenaria pues estas instalaciones precisan de tensiones no superiores a 380 V. Es fácil por tanto divisar en campo un seccionador de energía de sistemas asociados ya que el transformador reductor destaca en el poste de catenaria o en otro poste adyacente (figura 28).

Seccionador cerrado

Figura 28. Seccionador para sistemas asociados a catenaria (LAV Madrid-Barcelona)

Página 50 de 54

9.A. La Electrificación Ferroviaria

Como se verá en el siguiente apartado, las instalaciones asociadas a la línea aérea de contacto vienen definidas principalmente por instalaciones de señalización y comunicaciones, iluminación de túneles y calefacción de las agujas de vía. Desde el punto de vista constructivo los seccionadores de energía están formados por un bastidor que se coloca sobre el poste de catenaria, presentando dos partes bien diferenciadas; una de ellas es fija y esta constituida por una ranura en la que encaja o conecta la otra parte, que es móvil, y que describe un movimiento giratorio de aproximadamente 80º. En posición abierto la parte móvil se encuentra girada estos 80º mientras que si el seccionador se encuentra cerrado estará describiendo un ángulo 0º, estando ambas partes conectadas. Existen unas varillas metálicas denominadas ‘cuernos’ cuya función es encaminar a la parte móvil a la ranura de la parte fija. Ello se debe a que puede existir una determinada holgura producida por el paso del tiempo y el uso que hará que la parte móvil, en el momento de conectar, pueda fallar. Los seccionadores pueden ser ‘seccionadores en carga’ o ‘en vacío’ dependiendo si pueden o no romper el arco eléctrico que se genera en el momento de separar ambas partes. Así, si se tiene un seccionador en carga, la operación de apertura o cierre del circuito se podrá hacer de forma directa. Si el seccionador es en vacío no se podrá maniobrar de manera directa pues de lo contrario se rompería el aparato. En este caso habrá que operar primero sobre un interruptor o disyuntor que rompa el arco, situado en el parque de media tensión de la subestación y posteriormente operar sobre el seccionador. Llegado a este punto el lector puede haberse dado cuenta de lo importante que es el seccionador de energía para la explotación comercial de una línea ferroviaria electrificada. Según se ha visto anteriormente a través de él se pueden realizar diversas operaciones que pueden ser necesarias para el correcto desarrollo de la actividad explotadora: ·

Operaciones sobre tramos de catenaria. -

Desconexión eléctrica para su mantenimiento o reparación.

Página 51 de 54

Documentos de formación ferroviaria. 9 Energía

-

Conexión eléctrica de catenarias colaterales en caso que alguna de ellas se quede sin tensión porque, por ejemplo, la subestación de la que se alimenta se estropee.

-

Conexión eléctrica entre catenarias paralelas porque, por ejemplo, existan varios trenes en el trazado y desde el puesto de mando se quiera hacer un reparto más uniforme en el transporte de la corriente de tracción entre la subestación y los trenes de manera que no se sobrecargue una sola línea aérea de contacto.

·

Operaciones entre las subestaciones eléctricas y la catenaria. -

Conexión o desconexión de la alimentación entre el parque de media tensión y la catenaria porque, por ejemplo, el transformador (o el rectificador en su caso) se haya averiado y haya que aislar esa subestación alimentando el sistema de otra colateral.

·

Conexión o desconexión de sistemas asociados a catenaria. -

Conexión o desconexión eléctrica del circuito de una caseta de señalización o comunicaciones, por ejemplo porque se vaya a cortar la tensión en la catenaria y la caseta tenga que pasar a funcionar con otra fuente de energía.

-

Conexión o desconexión eléctrica del circuito de alumbrado de un túnel, por ejemplo en casos de mantenimiento del mismo y haya por tanto que encender las luces.

-

Conexión o desconexión eléctrica del circuito de calefacción de agujas de la vía.

Es por lo anterior por lo que los seccionadores se encuentran telemandados desde el puesto de control y operaciones de la línea, si bien pueden ser maniobrados también en el campo a través del armario de control que llevan instalados. Se verá en otras secciones que estas operaciones forman parte del telemando de energía de la línea.

Página 52 de 54

9.A. La Electrificación Ferroviaria

7. LA ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA DE OTRAS INSTALACIONES Según se comentó en el apartado anterior, cuando existe una instalación ferroviaria en las proximidades de la línea férrea que demanda energía eléctrica para su funcionamiento, es práctica extendida en las administraciones ferroviarias que esta energía se obtenga de la catenaria a través de los seccionadores correspondientes. Estas instalaciones se clasifican generalmente en instalaciones de calefacción de agujas, instalaciones de edificios e instalaciones de iluminación de los túneles.

7.1 LA CALEFACCIÓN DE AGUJAS Para garantizar el movimiento de los espadines de los desvíos en períodos de nieve y hielo, las agujas han de llevar instalado el correspondiente sistema de calefacción de agujas. Debido a que estas partes de los desvíos están formadas por elementos móviles, en caso que exista hielo en ellos, puede producirse una situación en la que sea complicado o imposible iniciar el movimiento. En líneas de alta velocidad la calefacción no sólo afecta a los espadines de los desvíos sino también a los corazones, que al ser móviles, también presentan el problema de la aparición del hielo. El sistema consiste en hacer pasar una corriente eléctrica procedente de la catenaria (a través de un transformador reductor de tensión) por unos elementos calefactores en forma de varillas longitudinales con secciones diversas y que van adosados al propio carril de rodadura. Esta corriente eléctrica produce un calentamiento que propicia la no formación de hielo, siendo por tanto sistemas predictivos y no correctivos.

7.2 LA ALIMENTACIÓN A EDIFICIOS Los edificios situados a lo largo de la línea ferroviaria obtienen la energía eléctrica necesaria para su funcionamiento de la catenaria.

Página 53 de 54

Documentos de formación ferroviaria. 9 Energía

Estos edificios pueden tener en ocasiones otros sistemas de alimentación (red pública, grupos electrógenos, etcétera) en caso que la catenaria quede sin servicio. La naturaleza de cada uno de ellos puede ser muy variada, destacando los siguientes: -

Edificios comerciales o estaciones.

-

Edificios no comerciales de dependencias de circulación.

-

Edificios técnicos destinados a elementos de la señalización.

-

Edificios técnicos destinados a elementos de las comunicaciones.

-

Edificios técnicos para operación de los trenes.

7.3 LA ILUMINACIÓN D E LOS TÚNELES Los túneles de las líneas ferroviarias, sobre todo líneas con mucho tráfico, están provistos de iluminación interior para su mantenimiento o para caso de emergencia. Las luminarias necesarias, con configuración y potencia variable según cada caso, son alimentadas mediante la catenaria a través de un número determinado de transformadores de potencia.

Página 54 de 54