25890008 la electrificacion ferroviaria

GIFGestor de Infraestructuras Ferroviarias Documentos de Formacin Ferroviaria 9 Energa.9.A La Electrificacin Ferroviaria

LA ELECTRIFICACIN (1 ) FERROVIARIA(1) Documento redactado en julio de 2002 por Jos Conrado Martnez Acevedo Estos Documentos se editan por el Gif para contribuir a la difusin de los conceptos ferroviarios, y para ayudar en la formacin de las personas que se acerquen al mundo del ferrocarril y deseen especializarse en alguna materia concreta. Se trata de una publicacin divulgativa, y por ello en ningn caso puede contradecir las normas reglamentarias, prevaleciendo siempre stas en caso de una eventual o aparente discrepancia

0. INTRODUCCINSe entiende por electrificacin ferroviaria el conjunto de las instalaciones necesarias para un sistema de traccin elctrica. En un sistema de electrificacin ferroviario pueden considerarse los elementos fundamentales siguientes: Fuentes de energa o centrales de generacin de energa elctrica. Lneas elctricas de transporte en alta tensin. Subestaciones de traccin elctrica, tanto para sistemas de corriente alterna como continua. Lnea Area de Contacto (Catenaria) y sus sistemas o elementos asociados. Feederes o cables de alimentacin entre la subestacin de traccin y la lnea area de contacto.

Documentos de formacin ferroviaria. 9 Energa

-

Componentes propios del material rodante motor, principalmente pantgrafos y motores elctricos de traccin.

En el esquema de la figura 1 se representa la disposicin de los elementos anteriores en el sistema elctrico ferroviario, as como sus tensiones elctricas nominales de funcionamiento ms frecuentes.Fuente de energa: central hidrulica, trmica, nuclear.

3000 V - 11000 VLneas de transporte y distribucin eldtrica

400 kV - 30 kVSubestacin elctrica de traccin

25 kV c/a - 3 kV c/cFeeders de alimentacin

Lnea area de contacto

Feeder de alimentacin

25 kV c/a - 3 kV c/c

VA I

VA II

A continuacin se comentar brevemente las caractersticas propias de cada uno de estos elementos.

Figura 1

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9.A. La Electrificacin Ferroviaria

1. FUENTES DE ENERGA DEL SISTEMA ELCTRICO FERROVIARIOEstas fuentes de energa, denominadas genricamente centrales elctricas, generan energa elctrica de forma masiva en determinados puntos geogrficos de acuerdo a las disponibilidades de energa mecnica que mueve el alternador, el cul representa el elemento fundamental de la central. Los generadores de corriente alterna o alternadores, son mquinas rotativas que transforman la energa mecnica en energa elctrica alternativa. Son ms sencillos de construir que los generadores de corriente continua o dinamos y tienen como principio de funcionamiento el que el nmero de lneas de induccin que atraviesan las bobinas est sometido a variaciones peridicas. La mayor parte de estas mquinas se construyen para 50 60 perodos por segundo o Hertzios (p.p.s 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 nmero de pares de polos). En Espaa la energa de salida en alternadores se hace a una frecuencia industrial de 50 Hz, en sistema trifsico y a tensiones que suelen estar comprendidas entre 3.000 y 11.000 V. Con relacin a la clasificacin de las centrales elctricas, sta se suele realizar atendiendo al origen de la energa motriz empleada: - Centrales Hidrulicas. Son aquellas que aprovechan un salto hidrulico. La potencia ideal es el producto del caudal del agua Q por la altura del salto H y por el peso especfico r. - Centrales Trmicas. Utilizan el carbn como energa motriz. - Centrales Nucleares. Utilizan la energa nuclear como motriz.

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La clasificacin anterior es algo genrica ya que existen muchos otros tipos de centrales (fuel, gas, energas alternativas, etctera) aunque para el estudio que aqu se realiza es suficiente el considerar los tres tipos anteriores. Cabra destacar como curiosidad, llegados a este punto, la manera de estructurarse el sistema energtico mundial y nacional segn muestran los diagramas inferiores.5 NuclearEstructura del consumo de energa en el mundo 5 Hidroelctrica 10 Madera, resduos Nuclear 5% 15 Gas Hidroelctrica 5% 25 40% Carbn Petrleo 40 Petrleo Resduos 10%

12 6 7 7 68

Gas 15%

Carbn 25%

Estructura del consumo de energa en Espaa

Nuclear 12% Petrleo 68%

Hidroelctrica 6%

Gas 7%

Carbn 7%

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Particularizando para el caso de la traccin ferroviaria en Espaa, cabra destacar que las altas potencias demandadas por las redes existentes, sobre todo lo que a lneas de Alta Velocidad se refiere (como son el AVE MadridSevilla y la lnea del Corredor Mediterrneo), hace que sean centrales trmicas (de fuel y carbn) y nucleares las principales fuentes de energa utilizadas en abastecer al sistema ferroviario espaol. Obsrvese que esta afirmacin se encuentra en sintona con el diagrama mostrado anteriormente pues indica que en Espaa la mayor parte de la energa consumida proviene del petrleo (fuel) y la energa nuclear. Las centrales hidrulicas suelen quedar relegadas a la alimentacin de las redes convencionales de RENFE, de corriente continua, ya que demandan una menor potencia. Como ejemplo de lo anterior se podra citar el caso de la lnea de Alta Velocidad MadridBarcelonaFrontera 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 circulacin implica que slo sea posible utilizar la Central Nuclear de Trillo (Guadalajara) como fuente de energa elctrica en el tramo MadridZaragoza. Actualmente todos los sistemas ferroviarios de alta velocidad precisan de electrificacin en sistemas de corriente alterna debido a las grandes potencias demandadas.

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2. LNEAS DE TRANSPORTE Y DISTRIBUCIN DE ENERGA ELCTRICASu funcin es transportar y distribuir la potencia generada en las centrales elctricas a las subestaciones de traccin ferroviaria. Cabra realizar una pequea matizacin antes de caracterizar a estos elementos del sistema. Para ello se olvida por un momento la electrificacin puramente ferroviaria y se estudia a continuacin las partes de las que consta generalmente cualquier sistema elctrico alterno: 1. Centrales generadoras, expuestas en el apartado anterior. 2. Estaciones transformadoras elevadoras de la tensin de salida de la central generadora. 3. Lneas de transporte o transmisin. 4. Estaciones de maniobra. 5. Estaciones transformadoras reductoras de la tensin de transporte. 6. Lneas o redes elctricas primarias de distribucin. 7. Bancos transformadores de servicio. 8. Lneas o redes secundarias. Esencialmente, los elementos 2, 3, 4 y 5 constituyen el sistema de transporte, mientras que los restantes (6, 7 y 8) representaran el sistema de distribucin.

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La diferencia entre ambos sistemas radicara en su funcin: la funcin del sistema de transmisin o transporte es, como se indic anteriormente, el transporte de grandes potencias a los centros de la carga y a los grandes consumidores industriales que sobrepasan los lmites corrientes y econmicos de las lneas primarias de distribucin, por ejemplo, las compaas ferroviarias. Es por ello por lo que algunas lneas elctricas de ferrocarril prescinden de los elementos del sistema de distribucin y utilizan directamente a las lneas de transporte como lneas de distribucin. Hoy da 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 transmisin puede ser adoptado a las necesidades de servicio con mayor sencillez y economa que en el caso de los sistemas de corriente continua. Por exigencias de transporte a grandes distancias, la tensin de salida de los alternadores es elevada mediante transformadores de potencia a otra tensin de mayor rango. El motivo es bien sabido: la potencia, y como consecuencia la prdida 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 tensin y por tanto se disminuye I para una potencia prefijada. Las lneas elctricas de transporte se clasifican en la forma siguiente: - Primera categora. Son aquellas cuya tensin nominal es superior a 66 KV. - Segunda categora. Tensin nominal comprendida entre 66 y 30 KV. - Tercera categora. Tensin 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 espaola: el sistema en corriente continua de 3.000 V (lneas convencionales de RENFE) utiliza por lo general lneas elctricas de 20/66 KV (aunque se pueden alcanzar valores de 132 KV). Por otra parte, toda la alimentacin

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de la lnea AVE MadridSevilla se realiza a 132 y 220 KV, mientras que casi la totalidad de las subestaciones de la nueva lnea de Madrid a Barcelona se abastecern a 400 KV. En Espaa las empresas ferroviarias (RENFE, FEVE, FGC, ET y Compaas Metropolitanas) no son propietarias de centrales elctricas por lo que la energa que consumen sus electrificaciones es contratada a las empresas suministradoras1. En cuanto a las lneas de transporte, son en algunos casos propiedad de la empresa suministradora, si bien, en el caso de RENFE, y por razones de garanta y disponibilidad de servicio, se tiende a instalar por cuenta propia estas lneas en forma de malla en los sistemas de corriente continua, interconectando entre s las subestaciones elctricas rectificadoras de un sector y con dos o ms puntos de suministro de las fuentes originales. En el caso de las lneas de Alta Velocidad (corriente alterna) lo anterior no se puede producir, siendo las lneas de transporte propiedad de Red Elctrica Espaola (REE).

Figura 2. Lnea elctrica llegando a la subestacin

1

Es importante destacar este hecho pues en Alemania la compaa ferroviaria DB s dispone de centrales

de generacin elctrica propias.

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3. SUBESTACIONES ELCTRICAS DE TRACCINComo se ha venido indicando hasta ahora, en Espaa, y a diferencia de lo que ocurre en otros pases, se presentan dos tipos de estructura de electrificacin ferroviaria: Aquel que alimenta al material rodante con corriente alterna. Aquel que lo hace con corriente continua.

Es por tanto que esta clasificacin conllevar tambin a la existencia de dos tipos principales de subestaciones elctricas de traccin: subestaciones elctricas para sistemas de corriente alterna y subestaciones para sistemas de corriente continua. Los niveles de tensin 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 subestacin de corriente continua es ms complejo que el correspondiente a una subestacin de corriente alterna.

3.1 SUBESTACIN DE TRACCIN DE CORRIENTE CONTINUALa experiencia ha demostrado que la corriente continua es conveniente para traccin ferroviaria por una serie de condiciones ventajosas que rene el motor serie: fuerte par de arranque, multiplicidad de marchas econmicas, fcil regulacin, etctera. Por otro lado, la corriente continua no presenta las ventajas de la corriente alterna: facilidad de produccin, facilidad de modificacin de sus tensiones con buen rendimiento y posibilidad de transportarla a grandes distancias con prdidas prcticamente despreciables. Para aunar las ventajas de ambos tipos de energa elctrica se instalan convenientemente repartidas a lo largo de la lnea ferroviaria, subestaciones

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rectificadoras que, tomando la energa alterna de las lneas de distribucin y transporte, la convierten en corriente continua que es dirigida a las lneas areas de contacto del ferrocarril (a travs de los feederes de alimentacin) siendo captada por el material rodante mediante sus pantgrafos. De esta forma, dentro de una subestacin de traccin de corriente continua se destacan dos instalaciones claramente diferenciadas: - Subestacin trifsica de corriente alterna. Es una subestacin trifsica alimentada por la red de corriente alterna que forma parte del mismo conjunto constructivo que el de la propia subestacin de traccin. La propiedad y competencia de explotacin y mantenimiento corresponde al gestor del ferrocarril y como cliente del suministrador dispondr de los equipos de medida de energa para facturacin. Los elementos fundamentales que son necesarios en la subestacin trifsica de traccin son: 1. Aparamenta de potencia: interruptores, seccionadores, transformadores de medida y proteccin, pararrayos autovlvulas, etctera. 2. Transformadores de potencia especiales para rectificacin. 3. Sistemas de servicios auxiliares en baja tensin alterna. 4. Sistema rectificadorbatera para mando y control. 5. Sistemas de control de proteccin y medida. 6. Sistemas de telemando y teleseal. - Subestacin de traccin de corriente continua. La subestacin de traccin propiamente dicha es la encargada de suministrar energa al material rodante por medio de la lnea area de contacto. Los elementos necesarios en la subestacin de corriente continua son: 1. Rectificadores de potencia, los cuales transforman la seal alterna en continua.

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2. Aparamenta unipolar de potencia para corriente continua: interruptores, seccionadores, transductores para medida y proteccin, pararrayos autovalvulares, etctera. Todos estos elementos forman los conjuntos de entrada a los grupos rectificadores, salidas de alimentacin a feederes, etctera. 3. Sistemas de tensin especiales para seales de va (control de trfico). 4. Sistemas de puesta a tierra y vigilancia de la misma. 5. Sistemas de comprobacin de fallo de catenaria. 6. Sistemas de control integrado, proteccin y medida. 7. Sistemas de telemando y teleseal. En las siguientes figuras se puede apreciar una instalacin de las caractersticas anteriores. En concreto se trata de la Subestacin Elctrica de Traccin de Pina de Ebro (Zaragoza), en la lnea convencional de Madrid a Barcelona.

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

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Figura 4. Parque elctrico de la S/E de traccin (RENFE)

Figura 5. Rectificador

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Se puede destacar en la primera figura (nmero 3) una panormica general del recinto, destacando la lnea de distribucin de energa, el edificio de control y el parque elctrico. La figura nmero 4 representa la disposicin general del parque elctrico. Por ltimo en la figura nmero 5 se puede apreciar el rectificador de la subestacin, que como se dijo anteriormente rectifica la tensin alterna de la lnea de distribucin (45 KV en esta subestacin) a tensin continua de la catenaria (3.000 V).

3.2 SUBESTACIN DE TRACCIN DE CORRIENTE ALTERNALa disposicin es prcticamente la misma que para el caso anterior. Evidentemente ahora no existe conversin de corriente alterna a corriente continua, sino que la propia tensin alterna absorbida de la red es transformada a otros valores de tensin menores tambin en sistema alterno. De nuevo se pueden diferenciar dos instalaciones: Subestacin trifsica de alimentacin. A diferencia de la subestacin trifsica de alimentacin del caso continuo, la cul perteneca al gestor del ferrocarril, aqu la subestacin trifsica de alimentacin forma parte de un conjunto constructivo independiente. La propiedad y competencia de explotacin y mantenimiento corresponde a la empresa suministradora. De nuevo, el gestor del ferrocarril dispone de los equipos de medida para facturacin. Los elementos necesarios de la subestacin trifsica son: 1. Aparamenta de potencia: interruptores, seccionadores, transformadores de medida y proteccin, pararrayos autovlvulas en caso de sobretensin, etctera, que REE (Red Elctrica de Espaa) o la empresa suministradora considere imprescindibles para la seguridad del suministro y calidad del servicio. 2. Sistema de coordinacin de protecciones y telemando necesarios para la explotacin de elementos comunes.

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- Subestacin de traccin. Al igual que en el sistema continuo, la subestacin de traccin suministra la energa a los trenes. El elemento principal del recinto es el transformador de potencia reductor de tensin, el cual establece la existencia de dos circuitos elctricos independientes a travs de sus dos devanados (pueden ser ms de dos), cada uno de los cuales con su aparamenta propia. Se tiene por tanto un circuito elctrico con muy alto nivel de tensin (MAT), 400 KV, alto nivel de tensin (AT), por lo general 220 132 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 proteccin, etctera.). El circuito elctrico del devanado secundario ser el de traccin propiamente dicho. El nivel de tensin tendr por lo general unos valores de 25 50 KV a una frecuencia industrial de 50 Hz2. Los elementos que dispone este circuito sern los mismos que en los otros casos: 1. Aparellaje monopolar o bipolar de alimentacin al feeder de catenaria (se ver en el siguiente punto), as como aparamenta de enlaces o acoplamiento de barras y para servicios auxiliares (por ejemplo, iluminacin de la propia instalacin). 2. Sistemas de control de proteccin y medida. 3. Sistemas de puesta a tierra y vigilancia de la misma. 4. Sistemas de telemando.

2

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

espaol, pues por ejemplo en Alemania existen circuitos de traccin en sistemas alternos a 16 2/3 Hz, 15 KV; 2) la distincin entre 25 50 KV hace referencia al tipo de sistema de electrificacin utilizado: 1x25 KV 2x25 KV respectivamente. Una salida de tensin 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.

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Las figuras siguientes representan la disposicin existente de instalaciones y aparellaje en la Subestacin de Traccin de corriente alterna de Pealba (Huesca) en la lnea de Alta Velocidad MadridBarcelonaFrontera Francesa.

Figura 6. Parque elctrico de la S/E trifsica (REE)

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Figura 7. Parque elctrico de la S/E de traccin (GIF)

Figura 8. Transformadores de traccin

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La figura nmero 6 muestra una panormica general de la lnea de 400 KV (lnea de transporte y distribucin al mismo tiempo) acoplndose al parque elctrico de REE. En la figura nmero 7 se aprecia el parque elctrico del gestor del ferrocarril (GIF para este caso) y que por tanto representa la subestacin de traccin propiamente dicha. El parque de REE estara 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 seal, en los sistemas alternos ambos complejos suelen ser independientes. Por ltimo en la figura nmero 8 se puede ver los dos transformadores de traccin de la subestacin de traccin. La entrada al devanado primario se hara en MAT (400 KV) siendo la salida por el devanado secundario de 50 KV (se ver ms adelante que se trata por tanto de un sistema 2x25 KV).

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4. LOS FEEDERES DE ALIMENTACINEn rigor, el feeder3 de alimentacin es el cable que partiendo de la subestacin de traccin va a alimentar en un punto determinado a la lnea area de contacto (observar esquema en la figura 2). Por extensin, se denomina tambin feeder a aquellos otros cables que, sin funcin mecnica alguna y solamente como refuerzo de seccin, discurren tendidos conjuntamente y de forma paralela a la lnea area de contacto. Por tanto, si bien el feeder es el cable de conexin desde el transformador a la catenaria, algunas veces suele acompaarla durante un nmero determinado de kilmetros, realizando la conexin a una distancia considerable de la subestacin elctrica (adems de la que se realiza en la propia subestacin). La ventaja de utilizar un feeder de alimentacin (tambin denominado feeder de refuerzo feeder positivo) se encontrar en la disminucin de la intensidad por la catenaria, lo que supondr a su vez una menor prdida y una menor cada de tensin medida desde la subestacin. En las figuras nmero 9/10 se puede observar la disposicin de los feederes de alimentacin en la Subestacin de Traccin de corriente continua de Pina de Ebro, vista anteriormente. Del mismo modo las figuras nmero 11/12 representan, de manera esquemtica, la futura situacin de los feederes de alimentacin en la Subestacin de Traccin de corriente alterna de Pealba, tambin vista en el apartado anterior.

3

Del ingls alimentar (To feed = alimentar).

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Feederes

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

FEEDERES

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

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Figura 11. Feederes de alimentacin (esquemtico) en la S/E de Pealba (I)

Figura 12. Feederes de alimentacin (esquemtico) en la S/E de Pealba (II)

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A modo de ejemplo y de forma que el lector se familiarice con lo visto en este captulo, en la pgina siguiente se puede observar el entorno elctrico existente en la lnea ferroviaria de Alta Velocidad MadridSevilla y en la lnea de ancho convencional RENFE MadridAndaluca, en las proximidades del municipio de Puertollano (Ciudad Real). Como puede apreciarse, aunque ambos ferrocarriles comparten y son abastecidos por la misma fuente de energa (Central Trmica de Puertollano; marca A en el dibujo), los dems elementos del sistema difieren para cada caso. La tabla inferior muestra la clasificacin realizada para ambos ferrocarriles:

Tabla 1. Entorno elctrico lneas AndalucaFuente de energa Lneas de transporte Subestaciones elctricasSubestaciones de transformacin 220 KV/25 KV, 50 Hz: Mora, El Emperador, Ciudad Real, La Nava por LN Venta de la Ins y Arroyo del Valle por LS Lnea principal de 132 KV (Central Trmica de Puertollano-S/E de Santa TeresaS/E La Paloma) Subestaciones rectificadoras:

Lnea A.V. MadridSevilla

Central Trmica de Puertollano

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

Lnea convencional MadridAndaluca

Central Trmica de Puertollano

Valdepeas, Santa Cruz Lneas secundarias de distribucin entre 45 de Mudela, Almuradiel y otras ms y 100 KV

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

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LN

LS

Figura 13

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5. LA LNEA AREA DE CONTACTOLa electrificacin de ferrocarriles ha sido llevada a cabo por diferentes mtodos y sistemas, caracterizados principalmente por la forma de distribuir la energa al material rodante desde la subestacin elctrica. Una clasificacin normalmente aceptada sera la siguiente:SISTEMA MONOFSICO DE LNEA AREA DE

CORRIENTE ALTERNA

CONTACTO

SISTEMA TRIFSICO DE LNEA AREA DE CONTACTO

SISTEMAS DE ELECTRIFICACIN CORRIENTE CONTINUAMEDIANTE LNEA AREA DE CONTACTO TERCER RAL PARALELO A LOS DE RODADURA

De los sistemas anteriores, el sistema monofsico de corriente alterna y el sistema de corriente continua son los ms utilizados por las administraciones ferroviarias. El sistema trifsico de corriente alterna, aunque ha sido experimentado en algunos pases 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 ral no suele utilizarse en las electrificaciones de ferrocarriles interurbanos, s suele darse en los sistemas metropolitanos, siendo su principal desventaja el peligro que conlleva el tener la tensin de traccin a nivel del suelo y por tanto, de los carriles4. Por lo general, la tensin hasta 750 V puede ser utilizada satisfactoriamente con el tercer carril, pero para tensiones ms elevadas se utilizan lneas areas de contacto. Si bien estas lneas suelen ir siempre formadas por un cable, existe ocasiones en las

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Este es el sistema utilizado en el metropolitano de Londres.

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que se utilizan barras metlicas conductoras constituyendo lo que se denomina catenaria rgida5. No obstante, el sistema de lnea area 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 circulacin de los trenes elctricos a medida que la velocidad aumenta se encuentra en la prdida de contacto del pantgrafo con el cable de contacto en torno a esos 400 Km/h.

5.1 EL CIRCUITO DE T RACCIN FERROVIARIASi se recuerda lo dicho en el captulo tercero del mdulo primero (Nociones bsicas de Electrotecnia) acerca del circuito elctrico, el lector podr darse cuenta que lo que se dijo all tiene aplicacin directa en la catenaria ferroviaria. Ntese que en realidad esta catenaria no deja de ser un circuito elctrico y por tanto tendr que disponer de todos los elementos y caractersticas mencionadas. As por ejemplo, la carga elctrica vendr representada por los trenes que alimente. El circuito de traccin puede considerarse dividido en dos partes fundamentales: Circuito areo positivo, constituido por la lnea area de contacto. Evidentemente, pertenecern a este circuito, no solo la lnea area de contacto, sino tambin 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. Ser el circuito encargado de retornar la corriente consumida por el tren a la subestacin elctrica de traccin. En las electrificaciones ferroviarias este circuito es extremadamente complejo de estudiar, sobre todo por la gran cantidad de elementos que lo configuran. Segn la corriente es absorbida por el pantgrafo y consumida por los motores

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El sistema de catenaria rgida es utilizado cada vez ms en el metropolitano de Madrid.

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elctricos de traccin, el camino de retorno seguido hasta la subestacin se forma a travs 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 va, conectado al circuito a travs 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 electrificacin ferroviaria es importante realizar estudios geoelctricos que caractericen la resistividad que posee el terreno por el que discurre la lnea frrea. 4. Un elemento de gran importancia es el cable de retorno o de guarda. Este conductor va tendido paralelo a la lnea area 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. Obsrvese por tanto que un poste de catenaria es parte activa del circuito de traccin. 5. Otros cables y elementos: pozos de toma de tierra de las subestaciones, conexiones transversales entre los carriles de diferentes vas, etctera. En la figura 15 se puede apreciar un esquema del circuito elctrico de traccin ferroviaria. Cabe destacar que la conexin realizada entre las subestaciones elctricas de traccin es diferente dependiendo del sistema de corriente que se est considerando. As se tiene que en un sistema de corriente continua las subestaciones elctricas siempre se conectan en paralelo, de forma que un tren que se encuentre situado entre dos de ellas recibir la corriente de alimentacin de una y otra, siendo cada una de las

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

al pantgrafo cable de guarda poste

rales

corriente consumidaterreno

corriente hacia el tren

SUBESTACIN

Figura 15

5.2 LA CONFIGURACI N DE LA CATENARIAComo se indic anteriormente, la catenaria o lnea area de contacto es el tendido areo que se monta sobre las vas del ferrocarril de forma aislada, permitiendo al material rodante la captacin de la energa. Por extensin, en el argot ferroviario catenaria representa tambin todos aquellos elementos relacionados con el cable de contacto: elementos de sujecin y herrajes, postes, aisladores, otros cables, circuito de retorno, etctera. En la figura 16 se representa de forma esquemtica los elementos principales que conforman el sistema catenaria. Segn puede apreciarse, el cable de contacto est suspendido de un cable sustentador de forma alternativa cada cierta distancia por medio de hilos de cobre denominados pndolas. A su vez, estos tres elementos (hilo de contacto, cable sustentador y pndolas) se apoyan, tambin de forma alternativa, en unos puntos de apoyo, que por lo general son postes, mediante las mnsulas y los herrajes necesarios (no representados en el dibujo).

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Figura 16

La configuracin del montaje que muestra el esquema de la figura superior, aunque suele ser abundante, no es nica, existiendo muchas ms. As 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 ms genricos, existiendo muchos ms que por su grado de especificidad no sern tratados aqu. De forma que el lector se familiarice a visualizar en campo los elementos anteriores, stos se han marcado en las figuras 17 y 18 las cuales representan sendas panormicas de la catenaria convencional de RENFE y de alta velocidad en la lnea MadridSevilla. Como se puede observar, las marcas numricas se corresponden con la siguiente leyenda: Marca 1 Poste Marca 2 Aislador de mnsula Marca 3 Cable sustentador o cable de sustentacin Marca 4 Hilo de contacto

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-

Marca 5 Pndola Marca 6 Cable de retorno o cable de guarda Marca 7 Carril de rodadura Marca 8 Conjunto de mnsula Marca 9 Brazo de atirantado

4

5

3 1

6

8 2 9

7 7

Figura 17. Elementos en catenaria convencional tipo RENFE

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3 4 5 1 6

8

9 2

7

7

Figura 18. Elementos en catenaria de alta velocidad (MadridSevilla)

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Si bien ambos conjuntos son funcionalmente similares, es fcil darse cuenta como la catenaria de la lnea de alta velocidad es un sistema ms 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 ms exigentes y seguras, de acuerdo a las elevadas velocidades de circulacin que los trenes alcanzan. Actualmente no podra concebirse un sistema de electrificacin para una lnea de alta velocidad con una disposicin del tipo RENFE convencional (apta para velocidades de hasta 160 Km/h). La experiencia ha demostrado que la geometra como la utilizada en el caso de la figura 18 es la ms adecuada para sistemas de velocidad alta y alta velocidad (mnsulas de tipo triangular).

5.3 PARMETROS B SICOS DEL SISTEMA CATENARIASon aquellos parmetros de tipo geomtrico considerados inicialmente en el momento de disear un sistema de catenaria. Su eleccin es importante desde el punto de vista de la explotacin de la lnea frrea 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 va. Esta altura siempre es medida en el apoyo de la catenaria (figura 19) y suele presentar un valor caracterstico 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).

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ALTURA DE CATENARIA

ALTURA DEL HILO DE CONTACTO

Figura 19

El vano es un parmetro geomtrico definido como la separacin existente entre dos apoyos consecutivos. El descentramiento se emplea para asegurar un desgaste uniforme de las pletinas del pantgrafo en su contacto con el hilo de contacto. Para ello el hilo de contacto se descentra respecto al eje de la va tomando la forma de una lnea quebrada. Si no existiese descentramiento, el pantgrafo siempre rozara al hilo de contacto por la misma zona, lo cual llevara a alguna de las siguientes situaciones: - Mayor desgaste del pantgrafo en menor tiempo de uso, produciendo por tanto unos costes de mantenimiento mayores. - Peligro de rotura (por particin) durante el funcionamiento, poniendo en peligro la seguridad del servicio y de la instalacin.

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5.4 LA CATENARIA DE SDE EL PUNTO DE VISTA MECNICOLos cables de la catenaria son tensados mecnicamente de forma que el pantgrafo circule de la manera ms uniforme posible, hecho que se consigue restringiendo la formacin de una flecha en el hilo de contacto la cual es menor cuanto mayor es la tensin mecnica utilizada. Conviene hacer la distincin entre la tensin de tendido de los cables y la tensin de trabajo. La tensin de trabajo es la tensin mecnica a la que se encuentran sometidos el hilo de contacto y el cable sustentador en las condiciones normales de explotacin de la lnea. La tensin de tendido es aquella tensin mecnica 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 todava suspendido sobre l el hilo de contacto, se ha de dar al sustentador menor flecha de la que deber tener en definitiva. Esto se debe a que al cargar el cable de contacto el sustentador experimentar un alargamiento, principalmente por el fenmeno de la elasticidad (consultar captulo cuarto en el mdulo primero). Los criterios empleados para disear y caracterizar a una catenaria desde el punto de vista mecnico seran los siguientes: Criterios dinmicos Criterios estticos Criterios de calidad de captacin de la corriente elctrica por los trenes

Si bien el criterio esttico es relativamente sencillo de estudiar, los criterios de tipo dinmico son extremadamente complejos pues necesitan de gran cantidad de ensayos reales as como la adopcin de unas ecuaciones matemticas que en la mayor parte de los casos no tienen nada que ver con los valores obtenidos en los ensayos.

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Todos estos estudios se han de realizar considerando a la catenaria y al pantgrafo del tren como un sistema fsico comn, conocido generalmente como sistema interaccin catenaria pantgrafo. Se podra considerar que el criterio de captacin de la corriente es una variante de los dos anteriores pues si los criterios estticos y dinmicos no se cumplen el pantgrafo no podr tener un comportamiento tcnicamente aceptable. Lo anterior se puede visualizar en la figura 20: En posicin de equilibrio (caso a), el tren se encuentra detenido y el pantgrafo ejerce una fuerza de valor positivo sobre el hilo de contacto establecindose por tanto la conexin elctrica. Esta fuerza se denomina fuerza de contacto y de ah que sea importante considerar la elasticidad en el estudio de la catenaria pues al estar sometida a dicha fuerza experimentar una serie de deformaciones que tendrn que ser elsticas y no permanentes. Al moverse el tren (caso b), se generan una serie de perturbaciones mecnicas que discurren por toda la catenaria. Estas perturbaciones, que son ondas, se reflejarn, sumarn o restarn, etctera, al interceptar con las discontinuidades producidas en los cables y al encontrar algunos puntos singulares como son los brazos de atirantado, pndolas, etctera. Por otra parte en el pantgrafo se generar una serie de movimientos verticales a causa de la oscilacin del hilo de contacto y que se compondrn 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 pantgrafo. Pueden ser tambin bajas, originando prdidas de contacto entre ambos elementos con el consiguiente empeoramiento de la calidad de captacin de la corriente. En este caso se producir un arco elctrico que suele ser muy daino para la instalacin elctrica, sobre todo en el caso de corriente alterna pues generar una serie de armnicos que pueden llegar a interferir con los sistemas de comunicaciones y telefona presentes en el entorno de la lnea ferroviaria.

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Caso a

Caso b

Generacin ARCO ELCTRICO

Caso c

Figura 20

Resumiendo, el pantgrafo siempre ha de permanecer en contacto con la catenaria, teniendo que ser la fuerza de contacto siempre positiva. Cabra destacar una caracterstica extremadamente importante sobre la disposicin de la catenaria y que condicionar en gran medida el funcionamiento de la misma. Todo se debe a la denominada pndola en Y. Cuando al principio de este apartado se introdujo la configuracin existente de la lnea area de contacto, se habl de la existencia de un hilo de contacto (o dos), un cable sustentador y las pndolas que sujetan al contacto a travs del sustentador, pero nada se dijo acerca de la pndola en Y. Ello se debe a que este elemento no siempre suele ir instalado en la catenaria, aunque s en aquellas instalaciones que sean proyectadas para funcionar en una lnea ferroviaria en la que se alcancen velocidades de circulacin elevadas. As por ejemplo la catenaria convencional de RENFE no adopta este tipo de pndola pero s existe en la lnea de alta velocidad MadridSevilla y en la nueva lnea de Barcelona y Francia. En la figura 21 se esquematiza la posicin de la pndola en Y. Aunque desde un punto de vista elctrico la pndola en Y no supone ninguna modificacin en la catenaria, el

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comportamiento mecnico se ver enormemente mejorado, sobre todo a lo que a la elasticidad se refiere.

Figura 21

5.5 LA COMPENSACI N DE TENSIONES MECNICASAl igual que ocurre en otros campos de la ingeniera, el cambio de condiciones fsicas 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 ms que un hilo o cable de contacto que pende por medio de pndolas del cable sustentador, estando sometidos ambos conductores a una tensin mecnica constante. Estos elementos, por su constitucin, sern muy dados a contraerse o dilatarse segn disminuya o aumente la temperatura por lo que habr de idearse un sistema que sea capaz de garantizar en todo momento la misma posicin del sustentador y sobre todo la del hilo de contacto. Por tanto los cambios de temperatura tendrn que ser independientes de las tensiones mecnicas de los conductores, las cuales habrn de seguir siendo constantes. Esta es la funcin de la compensacin mecnica de la catenaria.

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Un tendido elctrico ferroviario se va formando por la composicin de catenarias sucesivas, aproximadamente con longitudes mximas de 1.300 m. Cada una de estas catenarias sufrir los fenmenos fsicos anteriores (dilatacin y contraccin) por lo que tendrn que ser compensadas mecnicamente, formando lo que se denomina en el argot ferroviario un cantn de compensacin (cantn de compensacin @ 1.300 m). Resumiendo por tanto, en un trayecto ferroviario electrificado el pantgrafo del tren pasar 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 fenmenos fsicos producidos por cambio de temperatura disminuirn en importancia (se dilata o contrae menor longitud de cable). A modo de ejemplo se puede comentar que en RENFE los cantones de compensacin no son superiores a los 1.200 m, mismo valor que se da en la lnea de alta velocidad MadridSevilla. En la lnea de alta velocidad MadridBarcelona los cantones tendrn valores mximos de 1.280 m. Aunque existen sistemas que solo realizan compensacin del hilo de contacto (anclando rgidamente el sustentador) actualmente la mayor parte de las lneas ferroviarias realizan compensacin automtica mediante poleas para ambos conductores de manera independiente. Las catenarias para alta velocidad necesitan de este tipo de compensacin para garantizar que el hilo de contacto mantenga siempre la misma posicin, independientemente de la temperatura del mismo y de la temperatura del cable sustentador. La figura 22 representa de forma esquemtica el aspecto visual de las poleas y contrapesos utilizados en compensacin de catenaria ferroviaria. El sistema consta bsicamente de los siguientes elementos: a) b) Poleas. Herraje de sujecin de las poleas al poste.

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c)

Contrapesos (pesas o rodelas metlicas u hormign). Su nmero y peso depender de la tensin mecnica a la que se instalen los cables.

d) e)

Herraje de unin de las rodelas. Guas por las que se desliza el equipo de contrapesos, mantenindole centrado en todo momento respecto al poste. Si la catenaria se dilata el equipo se desplazar hacia abajo por las guas, ascendiendo en caso de contraccin.

CABLE SUSTENTADOR

POLEASHILO DE CONTACTO

RODELAS GUAS

Figura 22

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

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Figura 23. Compensacin mecnica en tnel

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

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S

S

Seccionamientos entre catenarias

Figura 24

Si existe continuidad elctrica entre catenarias consecutivas el seccionamiento se denomina seccionamiento de compensacin. Si no existe continuidad se tiene un seccionamiento de lmina de aire. Para este ltimo caso puede existir un interruptor seccionador que conecte elctricamente a ambas por lo que puede funcionar tambin como un seccionamiento de compensacin.

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6. OTROS ELEMENTOS ASOCIADOS6.1 EL PANTGRAFOEl pantgrafo es el dispositivo electromecnico mediante el cual los trenes absorben la energa elctrica de la catenaria procedente de la subestacin de traccin (figura 25). Por tanto es el nico elemento que conecta al tren con el resto del circuito positivo de traccin. El pantgrafo, por la funcin que desempea, ha de disearse con unos criterios ptimos de comportamiento entre los que se encuentran: - Estructura geomtrica adecuada a las necesidades de cada tren / instalacin. De esta forma los criterios dinmicos requeridos no sern iguales para un pantgrafo de tipo tranviario y un pantgrafo 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, adems con buen comportamiento al desgaste. - Poco mantenimiento y alta disponibilidad y fiabilidad. En la figura 25 se ha indicado las partes principales de un pantgrafo, que para el caso de la fotografa, corresponde a un tren de alta velocidad de la serie 100 de RENFE. De esta forma habra que volver a recalcar que dependiendo del tipo de tren e instalacin la estructura geomtrica y constructiva puede ser muy diferente si bien los elementos que lo constituyen tienen igual funcin. Se tendran los siguientes:

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1. Mesilla La mesilla es la parte del pantgrafo que est frotando al hilo de contacto de la catenaria. En concreto son los frotadores los elementos que formado parte de la mesilla realizan la funcin propia de contacto. 2. Brazo principal Es el elemento mecnico que sustenta toda la estructura. 3. Brazo secundario Tiene la funcin de mantener en posicin longitudinal constante (es decir, en el sentido del movimiento) al brazo principal de forma que no se tuerza. 4. Trenzas de conexin Son cables de cobre flexible que garantizan la conduccin de la corriente a lo largo del pantgrafo. 5. Cilindro de elevacin (no mostrado en la figura) El cilindro de elevacin es un elemento neumtico que, actuando sobre el brazo principal, eleva la estructura hacia la catenaria. Por tanto regulndole se ejercer 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 elctricamente al pantgrafo para lo cual descansa sobre un juego de aisladores que aseguran el aislamiento elctrico. En los ltimos aos el pantgrafo ferroviario ha sido objeto de un anlisis de funcionalidad en los pases de la Unin Europea, concretamente en relacin a una interoperabilidad futura. Ello significa que a partir de los prximos aos todos los trenes que circulen en la UE tendrn que llevar instalado como mnimo un pantgrafo

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que sea compatible en todas sus administraciones ferroviarias de forma que no existan restricciones de circulacin en lo que se refiere a los pantgrafos. Se denominar Europantgrafo y actualmente ya se encuentra definido geomtricamente en la normativa europea.

DETALLE A

11.

LEYENDAMesilla Brazo principal Trenzas de conexin Brazo secundario

3

3 4

2

2. 3.

DETALLE A4.

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

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6.2 LOS MOTORES EL CTRICOS DE TRACCINPor ltimo y segn se vio en la configuracin del circuito de traccin ferroviaria (figura 15), la energa captada por el pantgrafo de la catenaria es conducida a los motores elctricos de traccin del tren para ser devuelta posteriormente a la subestacin. El proceso es ms complejo que lo anterior pues entrarn a formar parte gran cantidad de dispositivos elctricos que, situados antes de los motores de traccin, realizarn diversas funciones sobre la corriente procedente de la catenaria: proteccin, corte, medida, rectificacin, ondulacin, transformacin, etctera. Dependiendo de cada tren, todas estas funciones se podrn realizar de una u otra manera pudiendo existir en una locomotora concreta muchas ms funciones a realizar que en otra versin diferente. As por ejemplo las locomotoras de la serie 252 de RENFE que circulan en la lnea de alta velocidad MadridSevilla son bitensin (25.000 V en corriente alterna y 3.000 V en corriente continua) teniendo mayor cantidad de dispositivos y funciones elctricas que las locomotoras 252 convencionales que son slo monotensin (3.000 V en corriente continua). En vehculos de nueva generacin, los motores elctricos de traccin 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 (stas podran repercutir en la transmisin existente entre el motor y el eje de rodadura). Actualmente la prctica totalidad de los nuevos vehculos ferroviarios introducen la traccin electrnica que alimenta a motores trifsicos, asncronos o sncronos. La traccin electromecnica se puede afirmar que ha pasado a la historia si bien todava muchas locomotoras y unidades de tren funcionan con ella.

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Documentos de formacin ferroviaria 9. Energa

Al igual que otros motores industriales, los utilizados para traccin ferroviaria pueden ser de los siguientes tipos: Motores de corriente continua. Motores asncronos de corriente alterna. Motores sncronos de corriente alterna.

6.2.1 Motores de corriente continua Los motores de corriente continua presentan una serie de ventajas que hace que sean vlidos para la traccin 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 aqul y seleccionar el valor requerido. De esta forma, para una velocidad baja del tren la resistencia presentara un valor elevado. Una velocidad mayor se correspondera con un valor ms pequeo de la resistencia que llegara incluso a desaparecer a la velocidad mxima del tren. El motor de corriente continua utilizado para ferrocarriles se caracteriza por su excitacin en serie. Entre las caractersticas 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, elevndose su velocidad. La regulacin de la velocidad de estos motores puede realizarse conectando un restato en paralelo con el inductor o variando la tensin en sus terminales de manera directa o introduciendo resistencias en serie con el inducido. El procedimiento de variar la tensin puede realizarse de manera econmica al disponer el tren, por lo general, de ms 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 variacin


de velocidad se consigue con la conexin serie-paralelo de ambos motores, consiguindose dos velocidades bsicas de trabajo con buen rendimiento energtico. En un principio, los motores estn conectados en serie a travs de una resistencia variable que se va eliminando gradualmente (mediante dispositivos electrnicos hoy en da) hasta que se obtiene una tensin en bornes de cada motor mitad de la lnea de contacto (1.500 V). Cuando se desea aumentar la velocidad de la locomotora, se cambia la conexin en serie de los motores y se pasa a una conexin en paralelo insertando al mismo tiempo entre ellos y entre la lnea de contacto una resistencia exterior. Esta resistencia se va eliminando poco a poco hasta que los motores funcionan a plena tensin de lnea (3.000 V) obteniendo la segunda posicin estable de funcionamiento. El motor de corriente continua precisa de dispositivos electromecnicos entre los que se encuentra el colector de delgas o conmutador, siendo ste un elemento propio de los motores de corriente continua. El colector de delgas es el rgano encargado de la conversin mecnica de la corriente alterna inducida en las bobinas en corriente continua de salida. La extraccin o suministro de corriente al colector se realiza por medio de escobillas de grafito que ejercen una presin sobre el colector mantenindose fijas respecto a ste. Las unidades elctricas de RENFE de la serie 440, 448 y 435/6/7/8, as como las locomotoras de la serie 269, 250 y 276, son ejemplos de material motor con traccin elctrica continua. Mientras que el motor de corriente continua precisa de colector y escobillas, los motores trifsicos no necesitan de estos componentes por lo que son ms robustos y por tanto ms 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 asncrono y sncrono.

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6.2.2 Motores Asncronos La diferencia del motor asncrono con los dems 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 accin del flujo del otro, denominndose por ello tambin motores de induccin. Reciben el nombre de motores asncronos debido a que la velocidad de giro del rotor no es la de sincronismo impuesta por la red. La importancia de los motores asncronos se debe a su construccin simple y robusta, sobre todo en el caso del rotor en forma de jaula, que les hace trabajar en las condiciones ms adversas, dando un excelente servicio con pequeo mantenimiento.

Figura 26. Motor asncrono de una locomotora RENFE serie 252

El inconveniente principal que poseen estos motores es la dificultad de regular su velocidad, de ah que hasta el desarrollo de la electrnica de potencia hayan sido los motores de corriente continua los ms utilizados para la traccin ferroviaria. Las unidades elctricas de RENFE de la serie 447 y 450, as como la locomotora serie 252, son ejemplos de material motor con traccin elctrica asncrona.

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6.2.3 Motores Sncronos Los motores sncronos son mquinas elctricas cuya velocidad de rotacin est vinculada rgidamente con la frecuencia de la red de corriente alterna con la cual trabaja. Si bien la mquina asncrona se utiliza en la mayor parte de los casos como generador de energa elctrica (alternadores en las centrales elctricas), es tambin extendido su uso como motor cuando se requieren velocidades de transmisin constantes, teniendo adems la ventaja frente a los motores asncronos de poder regular el factor de potencia con el cual trabaja evitando la colocacin de condensadores para reducir la potencia reactiva absorbida por la instalacin. El motor sncrono presenta el grave inconveniente de que el par presenta un sentido nico solamente cuando la mquina se halla ya sincronizada, es decir, cuando el rotor gira a la misma velocidad que el campo del inducido. Si el rotor est 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 aplicacin del motor sncrono a la traccin ferroviaria es la unidad autopropulsada espaola de alta velocidad AVE (RENFE serie 100). Por ltimo, cabra sealar la utilidad que presenta un motor elctrico de traccin ferroviario en la operacin de frenado del tren. Se dice que este frenado puede ser por recuperacin (o frenado regenerativo) y reosttico. En el primero, la energa cintica del tren (en aquellos tramos de la lnea en los que no demanda apenas potencia) puede ser convertida por los motores elctricos de traccin (al funcionar como generadores) en energa elctrica recuperada y mandada a la lnea area de contacto desde la cual se enva a la subestacin elctrica de traccin o es absorbida previamente por otros trenes. Este tipo de frenado es muy til para sistemas ferroviarios de alta velocidad.

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

6.3 LOS SECCIONADO RES DE ENERGAMediante los seccionadores de energa se es capaz de conectar o desconectar la alimentacin elctrica a la lnea area de contacto o de sta a una instalacin prxima determinada, pues como se ver ms adelante, es prctica extendida en las administraciones ferroviarias alimentar desde la catenaria otros elementos como son casetas de sealizacin y las luminarias de los tneles. De esta forma podra clasificarse a los seccionadores de energa atendiendo a la tipologa de elementos que conectan elctricamente: Seccionadores de lnea area de contacto o de catenaria. En ocasiones puede ser necesario el corte temporal de energa elctrica hacia la catenaria de una lnea ferroviaria determinada, por ejemplo durante trabajos de mantenimiento o reparacin 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 situacin geogrfica de los seccionamientos de lmina de aire (figura 27). Recurdese que los seccionamientos de lmina de aire se definan como un solapamiento de dos catenarias consecutivas que no posean continuidad elctrica si los seccionadores se encontraban abiertos y conexin en caso de estar cerrados. Tambin existirn seccionadores de catenaria enfrente de las subestaciones de traccin, concretamente entre los feederes de alimentacin procedentes del parque elctrico de media tensin y la lnea area de contacto. As si se quiere cortar la alimentacin elctrica con la subestacin no habr ms que abrir el seccionador correspondiente. Otra aplicacin de los seccionadores de catenaria es conectar en paralelo las catenarias de las vas de un trazado ferroviario con va mltiple y que discurren de manera paralela siendo el caso ms usual la va doble. La conexin en paralelo se

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suele realizar para mejorar el transporte de la corriente de traccin desde la subestacin hacia los trenes de forma que no sea una nica catenaria la que soporte el paso de corriente.

Detalle

Detalle

Figura 27. Seccionador en un seccionamiento de lmina de aire en Lrida

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Seccionadores de sistemas asociados a la catenaria. Cuando se proyecta una instalacin ferroviaria en las proximidades de una lnea frrea (electrificada) que demanda energa elctrica para su funcionamiento, es habitual que esta energa se obtenga de la catenaria sin perjuicio de poder alimentar esa instalacin mediante otros sistemas (grupos electrgenos, lnea pblica, etctera), si se trata sobre todo de una instalacin imprescindible para la explotacin de la lnea como son las instalaciones de sealizacin y comunicaciones. El circuito elctrico de la instalacin a alimentar se conecta a la catenaria mediante un seccionador de energa que suele permanecer en la mayor parte de los casos cerrado. Antes del seccionador existe un transformador reductor de la tensin de catenaria pues estas instalaciones precisan de tensiones no superiores a 380 V. Es fcil por tanto divisar en campo un seccionador de energa 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)

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Como se ver en el siguiente apartado, las instalaciones asociadas a la lnea area de contacto vienen definidas principalmente por instalaciones de sealizacin y comunicaciones, iluminacin de tneles y calefaccin de las agujas de va. Desde el punto de vista constructivo los seccionadores de energa estn 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 mvil, y que describe un movimiento giratorio de aproximadamente 80. En posicin abierto la parte mvil se encuentra girada estos 80 mientras que si el seccionador se encuentra cerrado estar describiendo un ngulo 0, estando ambas partes conectadas. Existen unas varillas metlicas denominadas cuernos cuya funcin es encaminar a la parte mvil 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 har que la parte mvil, en el momento de conectar, pueda fallar. Los seccionadores pueden ser seccionadores en carga o en vaco dependiendo si pueden o no romper el arco elctrico que se genera en el momento de separar ambas partes. As, si se tiene un seccionador en carga, la operacin de apertura o cierre del circuito se podr hacer de forma directa. Si el seccionador es en vaco no se podr maniobrar de manera directa pues de lo contrario se rompera el aparato. En este caso habr que operar primero sobre un interruptor o disyuntor que rompa el arco, situado en el parque de media tensin de la subestacin y posteriormente operar sobre el seccionador. Llegado a este punto el lector puede haberse dado cuenta de lo importante que es el seccionador de energa para la explotacin comercial de una lnea ferroviaria electrificada. Segn se ha visto anteriormente a travs de l se pueden realizar diversas operaciones que pueden ser necesarias para el correcto desarrollo de la actividad explotadora: Operaciones sobre tramos de catenaria. Desconexin elctrica para su mantenimiento o reparacin.

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-

Conexin elctrica de catenarias colaterales en caso que alguna de ellas se quede sin tensin porque, por ejemplo, la subestacin de la que se alimenta se estropee.

-

Conexin elctrica entre catenarias paralelas porque, por ejemplo, existan varios trenes en el trazado y desde el puesto de mando se quiera hacer un reparto ms uniforme en el transporte de la corriente de traccin entre la subestacin y los trenes de manera que no se sobrecargue una sola lnea area de contacto.

Operaciones entre las subestaciones elctricas y la catenaria. Conexin o desconexin de la alimentacin entre el parque de media tensin y la catenaria porque, por ejemplo, el transformador (o el rectificador en su caso) se haya averiado y haya que aislar esa subestacin alimentando el sistema de otra colateral.

Conexin o desconexin de sistemas asociados a catenaria. Conexin o desconexin elctrica del circuito de una caseta de sealizacin o comunicaciones, por ejemplo porque se vaya a cortar la tensin en la catenaria y la caseta tenga que pasar a funcionar con otra fuente de energa. Conexin o desconexin elctrica del circuito de alumbrado de un tnel, por ejemplo en casos de mantenimiento del mismo y haya por tanto que encender las luces. Conexin o desconexin elctrica del circuito de calefaccin de agujas de la va.

Es por lo anterior por lo que los seccionadores se encuentran telemandados desde el puesto de control y operaciones de la lnea, si bien pueden ser maniobrados tambin en el campo a travs del armario de control que llevan instalados. Se ver en otras secciones que estas operaciones forman parte del telemando de energa de la lnea.

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7. LA ALIMENTACIN ELCTRICA DE OTRAS INSTALACIONESSegn se coment en el apartado anterior, cuando existe una instalacin ferroviaria en las proximidades de la lnea frrea que demanda energa elctrica para su funcionamiento, es prctica extendida en las administraciones ferroviarias que esta energa se obtenga de la catenaria a travs de los seccionadores correspondientes. Estas instalaciones se clasifican generalmente en instalaciones de calefaccin de agujas, instalaciones de edificios e instalaciones de iluminacin de los tneles.

7.1 LA CALEFACCIN DE AGUJASPara garantizar el movimiento de los espadines de los desvos en perodos de nieve y hielo, las agujas han de llevar instalado el correspondiente sistema de calefaccin de agujas. Debido a que estas partes de los desvos estn formadas por elementos mviles, en caso que exista hielo en ellos, puede producirse una situacin en la que sea complicado o imposible iniciar el movimiento. En lneas de alta velocidad la calefaccin no slo afecta a los espadines de los desvos sino tambin a los corazones, que al ser mviles, tambin presentan el problema de la aparicin del hielo. El sistema consiste en hacer pasar una corriente elctrica procedente de la catenaria (a travs de un transformador reductor de tensin) por unos elementos calefactores en forma de varillas longitudinales con secciones diversas y que van adosados al propio carril de rodadura. Esta corriente elctrica produce un calentamiento que propicia la no formacin de hielo, siendo por tanto sistemas predictivos y no correctivos.

7.2 LA ALIMENTACIN A EDIFICIOSLos edificios situados a lo largo de la lnea ferroviaria obtienen la energa elctrica necesaria para su funcionamiento de la catenaria.

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Estos edificios pueden tener en ocasiones otros sistemas de alimentacin (red pblica, grupos electrgenos, etctera) 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 circulacin. Edificios tcnicos destinados a elementos de la sealizacin. Edificios tcnicos destinados a elementos de las comunicaciones. Edificios tcnicos para operacin de los trenes.

7.3 LA ILUMINACIN D E LOS TNELESLos tneles de las lneas ferroviarias, sobre todo lneas con mucho trfico, estn provistos de iluminacin interior para su mantenimiento o para caso de emergencia. Las luminarias necesarias, con configuracin y potencia variable segn cada caso, son alimentadas mediante la catenaria a travs de un nmero determinado de transformadores de potencia.

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