elementos de la red electrica ferroviaria

ELEMENTOS DE LA RED ELECTRICA FERROVIARIA

ELEMENTOS DE LA ELECTRIFICACION FERROVIARIA. INTRODUCCION.

Se entiende por electrificación ferroviaria el conjunto de las instalaciones necesarias para un sistema de tracción eléctrica. Pudiéndose considerar los elementos fundamentales a los siguientes: • • •

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

En el esquema siguiente se representa la disposición de los elementos anteriores en el sistema eléctrico ferroviario, así como sus tensiones eléctricas nominales de funcionamiento más frecuentes.

Figura 3.1 Esquema general de la red eléctrica ferroviaria

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A continuación se comentará brevemente las características propias de cada uno de estos elementos. FUENTES DE ENERGIA DEL SISTEMA ELECTRICO FEROVIARIO.

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. 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, hace que sean centrales térmicas (de fuel y carbón) y nucleares las principales fuentes de energía utilizadas para abastecer al sistema ferroviario español. 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 (hasta 12 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. LINEAS DE TRANSPORTE Y DISTRIBUCION DE LA ENERGIA ELECTRICA.

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.

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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. 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. Las líneas eléctricas de transporte se clasifican en la forma siguiente:

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Primera categoría. Son aquellas cuya tensión nominal es superior a 66 KV.

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Segunda categoría. Tensión nominal comprendida entre 66 y 30 KV.

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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 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 suministradoras. 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). Este hecho es

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importante pues en Alemania la compañía ferroviaria DB sí dispone de centrales de generación eléctrica propias.

Figura 3.2 que representa la conexión de la línea a la subestación eléctrica.

SUBESTACIONES ELECTRICAS DE TRACCION

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 sistema 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. 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, entre otras. 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.

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Para aunar las ventajas de ambos tipos de energía eléctrica se instalan convenientemente repartidas a lo largo de la línea ferroviaria, subestaciones 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 (catenarias) 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. 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. •

2. Aparamenta unipolar de potencia para corriente continua: interruptores, seccionadores, transductores para medida y protección, pararrayos autovalvulares, 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. 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.

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Figura 3.3

Panorámica general de la subestación eléctrica de Pina de Ebro, Zaragoza

Figura 3.4 Parque eléctrico de la subestación eléctrica de tracción de RENFE

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Figura 3.5

Rectificador

Se puede apreciar en la figura 3.5 que 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). 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 cual 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.

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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 dicha. El nivel de tensión tendrá por lo general unos valores de 25 ó 50 KV a una frecuencia industrial de 50 Hz. 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. 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. 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 La figura 3.6 muestra una panorámica general de la línea de 400 KV (línea de transporte y distribución al mismo tiempo) acoplándose al parque eléctrico de REE.

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Figura 3.6 Parque eléctrico de la subestación trifásica

En la figura 3.7 se aprecia el parque eléctrico del gestor del ferrocarril 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.

Figura 3.7 Parque eléctrico de la subestación de tracción.

Por último en la figura 3.8 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).

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Figura 3.8 Transformadores

de tracción.

LOS FEEDERES DE ALIMENTACION

En rigor, el feeder (del inglés alimentar “FEED”) 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 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 siguientes (Figura 3.9 y 3.10) se puede observar la disposición de los feederes de alimentación en la Subestación de Tracción de corriente continua de Pina de Ebro, vista anteriormente.

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Figura 3.9

Feederes de alimentación en la subestación eléctrica de Pina de Ebro

Figura 3.10

Feederes de alimentación en la subestación de Pina de Ebro (2)

En la tabla 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;), los demás elementos del sistema difieren para cada caso.

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LA LINEA AEREA 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.

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 carriles (sistema utilizado en el metropolitano de Londres).

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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, existen ocasiones en las que se utilizan barras metálicas conductoras constituyendo lo que se denomina ‘catenaria rígida’ (utilizado en el metropolitano de Madrid). 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. EL CIRCUITO DE TRACCIÓN FERROVIARIA

En realidad la 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 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.

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En la figura 3.11 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 corrientes recibidas inversamente proporcionales a las distancias que hay a cada una de las subestaciones.

Figura 3.11

Circuito de tierra.

CONFIGURACIÓN 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 las figuras siguientes (3.12 y 3.13) se pueden apreciar los elementos principales que conforman el sistema catenaria. 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. Los distintos elementos de las figuras vienen reflejados en la siguiente leyenda: -

Marca 1: Poste. Marca 2: Aislador de ménsula. Marca 3: Cable sustentador o cable de sustentación. Marca 4: Hilo de contacto. Marca 5: Péndola. Marca 6: Cable de retorno o cable de guarda.

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-

Marca 7: Carril de rodadura. Marca 8: Conjunto de ménsula. Marca 9: Brazo de atirantado.

Figura 3.12

Catenaria correspondiente a un tramo de línea de RENFE para un tren convencional.

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Figura 3.13

Catenaria correspondiente a un tramo de línea de RENFE para un tren de alta velocidad.

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 para sistemas de velocidad alta y alta velocidad (ménsulas de tipo triangular). Los trenes de alta velocidad como el AVE Madrid-Barcelona están acotados por un límite físico de velocidad conocido como la “barrera de la catenaria”, al igual que los aviones con la barrera del sonido. Este límite es un auténtico desafío para los ingenieros en su propósito de batir récords de velocidad. La catenaria vibra cuando el tren se mueve, y si la velocidad del tren llegara a sobrepasar la velocidad de propagación de las ondas dentro de la catenaria, ésta se desconectaría interrumpiendo el flujo eléctrico. El uso de catenarias hechas de aleaciones de cobre que mejoran la conductividad eléctrica y soportan una mayor tensión mecánica reduciendo el movimiento oscilante, ha logrado llevar hasta nuevos límites la “barrera de la catenaria”. La catenaria instalada a lo largo de toda la línea del AVE está hecha de una aleación de cobre con magnesio,

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que permite alcanzar al tren velocidades puntas de hasta 400 km/h. La vida útil de este tipo de cable es cuatro veces mayor que la de los tradicionales. Normalmente la velocidad de propagación de las ondas mecánicas de la catenaria se encuentra cerca de los 500 km/h, lo que limita la velocidad que puede alcanzar como máximo un tren a unos 470 km/h. La magnitud del desplazamiento se incrementa con la velocidad y aumenta cada vez más conforme el tren va acercándose a la velocidad de propagación de las ondas. El movimiento oscilante, arriba y abajo, de la catenaria puede llegar a alcanzar de 30 a 35 cm en algunos lugares. Este fenómeno merma la energía capturada, lo que podría provocar una desconexión de las unidades de tracción, dañando el equipo o incluso haciendo que el tren se detenga bruscamente. PARÁMETROS BÁSICOS 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.

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 y suele presentar un valor característico de 5,3 m. La altura del hilo de contacto

La altura de la catenaria

es la distancia vertical entre el hilo de contacto y el cable

sustentador en el apoyo. es un parámetro geométrico definido como la separación existente entre dos apoyos consecutivos. El vano

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. El descentramiento

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.

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Figura 3.14

Parámetros básicos catenaria.

LOS SECCIONAMIENTOS DE LA CATENARIA.

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. 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, es lo que se denomina zona de seccionamiento de la catenaria o más coloquialmente, seccionamiento. 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. OTROS ELEMENTOS. PLANTÓGRAFO.

El pantógrafo es el dispositivo electromecánico mediante el cual los trenes absorben la energía eléctrica de la catenaria procedente de la subestación de tracción. Por tanto es el único elemento que conecta al tren con el resto del circuito positivo de tracción.

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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 3.15 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: 1. Mesilla. La mesilla es la parte del pantógrafo que está frotando al hilo de contacto de la catenaria. 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. 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. 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 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.

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Figura 3.15

Partes principales de un pantógrafo de un AVE

MOTORES ELECTRICOS DE TRACCION.

Por último y según se vio en la configuración del circuito de tracción ferroviaria (figura 3.11), 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 (Figura 3.16) de rodadura (un motor por cada eje

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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).

Figura 3.16

Bogie.

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. Al igual que otros motores industriales, los utilizados para tracción ferroviaria pueden ser de los siguientes tipos: -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. -Motores asíncronos de corriente alterna . 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) se 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 impuesto 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.

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Figura 3.17

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. -Motores síncronos de corriente alterna . 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). 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. Por último destacar que en algunas aplicaciones se utilizan motores de tracción diesel veamos las diferencias brevemente entre éstos y los eléctricos. TIPO DE MOTOR DE TRACCIÓN VENTAJAS ELECTRICO Bajo coste económico, velocidad mayor y menos contaminación. DIESEL Sin dificultades para proporcionar energía

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eléctrica en zonas de climatología extrema.

SECCIONADORES 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 entre otros vistos más adelante. 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. Veamos una imagen representativa:

Figura 3.18

Seccionadores de línea aérea.

-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.

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Figura 3.19

Seccionadores de sistemas asociados a la catenaria

ALIMENTACIÓN ELECTRICA DE OTRAS INSTALACIONES.

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.

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. Instalaciones de edificios e instalaciones de il uminación de 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. Alimentación de edificios.

Los edificios situados a lo largo de la línea ferroviaria obtienen la energía eléctrica necesaria para su funcionamiento de la catenaria.

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elementos de la red electrica ferroviaria

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