GIF Gestor de Infraestructuras Ferroviarias Documentos de Formación Ferroviaria 9 Energía. 9.A La Electrificación Ferroviaria L L A A E E L L E E C C T T R R I I F F I I C C A A C C I I Ó Ó N N F F E E R R R R O O V V I I A A R R I I A A (1) (1) Documento redactado en julio de 2002 por José Conrado Martínez Acevedo Estos Documentos se editan por el Gif para contribuir a la difusión de los conceptos ferroviarios, y para ayudar en la formación de las personas que se acerquen al mundo del ferrocarril y deseen especializarse en alguna materia concreta. Se trata de una publicación divulgativa, y por ello en ningún caso puede contradecir las normas reglamentarias, prevaleciendo siempre éstas en caso de una eventual o aparente discrepancia 0. INTRODUCCIÓN Se entiende por electrificación ferroviaria el conjunto de las instalaciones necesarias para un sistema de tracción eléctrica. En un sistema de electrificación ferroviario pueden considerarse los elementos fundamentales siguientes: - Fuentes de energía o centrales de generación de energía eléctrica. - Líneas eléctricas de transporte en alta tensión. - Subestaciones de tracción eléctrica, tanto para sistemas de corriente alterna como continua. - Línea Aérea de Contacto (Catenaria) y sus sistemas o elementos asociados. - Feederes o cables de alimentación entre la subestación de tracción y la línea aérea de contacto.
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GIFGestor de Infraestructuras Ferroviarias
Documentos de Formación Ferroviaria9 Energía.9.A La Electrificación Ferroviaria
(1) Documento redactado en julio de 2002 por José Conrado Martínez Acevedo
Estos Documentos se editan por el Gif para contribuir a la difusión de los conceptos ferroviarios, y paraayudar en la formación de las personas que se acerquen al mundo del ferrocarril y deseen especializarseen alguna materia concreta. Se trata de una publicación divulgativa, y por ello en ningún caso puedecontradecir las normas reglamentarias, prevaleciendo siempre éstas en caso de una eventual o aparentediscrepancia
00.. IINNTTRROODDUUCCCCIIÓÓNN
Se entiende por electrificación ferroviaria el conjunto de las instalaciones necesarias
para un sistema de tracción eléctrica.
En un sistema de electrificación ferroviario pueden considerarse los elementos
fundamentales siguientes:
- Fuentes de energía o centrales de generación de energía eléctrica.
- Líneas eléctricas de transporte en alta tensión.
- Subestaciones de tracción eléctrica, tanto para sistemas de corriente alterna
como continua.
- Línea Aérea de Contacto (Catenaria) y sus sistemas o elementos asociados.
- Feederes o cables de alimentación entre la subestación de tracción y la línea
aérea de contacto.
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- Componentes propios del material rodante motor, principalmente pantógrafos y
motores eléctricos de tracción.
En el esquema de la figura 1 se representa la disposición de los elementos anteriores
en el sistema eléctrico ferroviario, así como sus tensiones eléctricas nominales de
funcionamiento más frecuentes.
A continuación se comentará brevemente las características propias de cada uno deestos elementos.
Figura 1
Subestación eléctrica de tracción
25 kV c/a - 3 kV c/cLínea aérea de contacto
3000 V - 11000 VFuente de energía: central hidráulica, térmica, nuclear.
energía eléctrica de forma masiva en determinados puntos geográficos de acuerdo a
las disponibilidades de energía mecánica que mueve el alternador, el cuál representa
el elemento fundamental de la central.
Los generadores de corriente alterna o alternadores, son máquinas rotativas que
transforman la energía mecánica en energía eléctrica alternativa. Son más sencillos de
construir que los generadores de corriente continua o dinamos y tienen como principio
de funcionamiento el que el número de líneas de inducción que atraviesan las bobinas
está sometido a variaciones periódicas. La mayor parte de estas máquinas se
construyen para 50 ó 60 períodos por segundo o Hertzios (p.p.s ó Hz). La velocidad de
giro n suele estar comprendida entre las 3.000 (turboalternadores) y 1.500
(hidroalternadores) revoluciones por minuto (r.p.m.) para frecuencias de la red
determinadas (n = frecuencia x 60 � número de pares de polos). En España la energía
de salida en alternadores se hace a una frecuencia industrial de 50 Hz, en sistema
trifásico y a tensiones que suelen estar comprendidas entre 3.000 y 11.000 V.
Con relación a la clasificación de las centrales eléctricas, ésta se suele realizar
atendiendo al origen de la energía motriz empleada:
- Centrales Hidráulicas. Son aquellas que aprovechan un salto hidráulico. La
potencia ideal es el producto del caudal del agua Q por la altura del salto H y por
el peso específico �.
- Centrales Térmicas. Utilizan el carbón como energía motriz.
- Centrales Nucleares. Utilizan la energía nuclear como motriz.
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La clasificación anterior es algo genérica ya que existen muchos otros tipos de
centrales (fuel, gas, energías alternativas, etcétera) aunque para el estudio que aquí
se realiza es suficiente el considerar los tres tipos anteriores.
Cabría destacar como curiosidad, llegados a este punto, la manera de estructurarse el
sistema energético mundial y nacional según muestran los diagramas inferiores.
5 Nuclear5 Hidroeléctrica
10 Madera, resíduos15 Gas25 Carbón40 Petróleo
12677
68
Estructura del consumo de energía en el mundo
Petróleo 40%
Nuclear 5%Hidroeléctrica 5%
Resíduos 10%
Gas 15%
Carbón 25%
Estructura del consumo de energía en España
Petróleo 68%
Nuclear 12%
Hidroeléctrica 6%
Gas 7%
Carbón 7%
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Particularizando para el caso de la tracción ferroviaria en España, cabría destacar que
las altas potencias demandadas por las redes existentes, sobre todo lo que a líneas de
Alta Velocidad se refiere (como son el AVE Madrid–Sevilla y la línea del Corredor
Mediterráneo), hace que sean centrales térmicas (de fuel y carbón) y nucleares las
principales fuentes de energía utilizadas en abastecer al sistema ferroviario español.
Obsérvese que esta afirmación se encuentra en sintonía con el diagrama mostrado
anteriormente pues indica que en España la mayor parte de la energía consumida
proviene del petróleo (fuel) y la energía nuclear.
Las centrales hidráulicas suelen quedar relegadas a la alimentación de las redes
convencionales de RENFE, de corriente continua, ya que demandan una menor
potencia.
Como ejemplo de lo anterior se podría citar el caso de la línea de Alta Velocidad
Madrid–Barcelona–Frontera Francesa. Las enormes potencias demandadas por los
trenes (aproximadamente, hasta 12 MW en llanta con una media de 8 MW) y las altas
frecuencias de circulación implica que sólo sea posible utilizar la Central Nuclear de
Trillo (Guadalajara) como fuente de energía eléctrica en el tramo Madrid–Zaragoza.
Actualmente todos los sistemas ferroviarios de alta velocidad precisan de
electrificación en sistemas de corriente alterna debido a las grandes potencias
demandadas.
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22.. LLÍÍNNEEAASS DDEE TTRRAANNSSPPOORRTTEE YYDDIISSTTRRIIBBUUCCIIÓÓNN DDEE EENNEERRGGÍÍAAEELLÉÉCCTTRRIICCAASu función es transportar y distribuir la potencia generada en las centrales eléctricas a
las subestaciones de tracción ferroviaria.
Cabría realizar una pequeña matización antes de caracterizar a estos elementos del
sistema. Para ello se olvida por un momento la electrificación puramente ferroviaria y
se estudia a continuación las partes de las que consta generalmente cualquier sistema
eléctrico alterno:
1. Centrales generadoras, expuestas en el apartado anterior.
2. Estaciones transformadoras elevadoras de la tensión de salida de la central
generadora.
3. Líneas de transporte o transmisión.
4. Estaciones de maniobra.
5. Estaciones transformadoras reductoras de la tensión de transporte.
6. Líneas o redes eléctricas primarias de distribución.
7. Bancos transformadores de servicio.
8. Líneas o redes secundarias.
Esencialmente, los elementos 2, 3, 4 y 5 constituyen el sistema de transporte, mientras
que los restantes (6, 7 y 8) representarían el sistema de distribución.
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La diferencia entre ambos sistemas radicaría en su función: la función del sistema de
transmisión o transporte es, como se indicó anteriormente, el transporte de grandes
potencias a los centros de la carga y a los grandes consumidores industriales que
sobrepasan los límites corrientes y económicos de las líneas primarias de distribución,
por ejemplo, las compañías ferroviarias. Es por ello por lo que algunas líneas
eléctricas de ferrocarril prescinden de los elementos del sistema de distribución y
utilizan directamente a las líneas de transporte como líneas de distribución.
Hoy día para el transporte de grandes potencias se usan universalmente los sistemas
de corriente alterna. Se ha llegado a ello como consecuencia de la simplicidad de los
grandes alternadores y transformadores de corriente alterna. Y es que el voltaje de
transmisión puede ser adoptado a las necesidades de servicio con mayor sencillez y
economía que en el caso de los sistemas de corriente continua.
Por exigencias de transporte a grandes distancias, la tensión de salida de los
alternadores es elevada mediante transformadores de potencia a otra tensión de
mayor rango. El motivo es bien sabido: la potencia, y como consecuencia la pérdida
producida por efecto Joule, es proporcional al cuadrado de la intensidad I, de forma
que en lugar de elevar la magnitud de esta variable se aumenta el valor de la tensión y
por tanto se disminuye I para una potencia prefijada.
Las líneas eléctricas de transporte se clasifican en la forma siguiente:
- Primera categoría. Son aquellas cuya tensión nominal es superior a 66 KV.
- Segunda categoría. Tensión nominal comprendida entre 66 y 30 KV.
- Tercera categoría. Tensión nominal inferior a 30 KV e igual o superior a 1 KV.
Suelen ser valores recomendados los siguientes: 20, 66, 132, 220 y 400 KV.
Precisamente estas suelen ser las tensiones utilizadas para abastecer a la red
ferroviaria española: el sistema en corriente continua de 3.000 V (líneas
convencionales de RENFE) utiliza por lo general líneas eléctricas de 20/66 KV
(aunque se pueden alcanzar valores de 132 KV). Por otra parte, toda la alimentación
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de la línea AVE Madrid–Sevilla se realiza a 132 y 220 KV, mientras que casi la
totalidad de las subestaciones de la nueva línea de Madrid a Barcelona se
abastecerán a 400 KV.
En España las empresas ferroviarias (RENFE, FEVE, FGC, ET y Compañías
Metropolitanas) no son propietarias de centrales eléctricas por lo que la energía que
consumen sus electrificaciones es contratada a las empresas suministradoras1. En
cuanto a las líneas de transporte, son en algunos casos propiedad de la empresa
suministradora, si bien, en el caso de RENFE, y por razones de garantía y
disponibilidad de servicio, se tiende a instalar por cuenta propia estas líneas en forma
de malla en los sistemas de corriente continua, interconectando entre sí las
subestaciones eléctricas rectificadoras de un sector y con dos o más puntos de
suministro de las fuentes originales. En el caso de las líneas de Alta Velocidad
(corriente alterna) lo anterior no se puede producir, siendo las líneas de transporte
propiedad de Red Eléctrica Española (REE).
Figura 2. Línea eléctrica llegando a la subestación
1 Es importante destacar este hecho pues en Alemania la compañía ferroviaria DB sí dispone de centrales
de generación eléctrica propias.
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33.. SSUUBBEESSTTAACCIIOONNEESS EELLÉÉCCTTRRIICCAASS DDEETTRRAACCCCIIÓÓNNComo se ha venido indicando hasta ahora, en España, y a diferencia de lo que ocurre
en otros países, se presentan dos tipos de estructura de electrificación ferroviaria:
� Aquel que alimenta al material rodante con corriente alterna.
� Aquel que lo hace con corriente continua.
Es por tanto que esta clasificación conllevará también a la existencia de dos tipos
principales de subestaciones eléctricas de tracción: subestaciones eléctricas para
sistemas de corriente alterna y subestaciones para sistemas de corriente continua.
Los niveles de tensión en cada uno de los dos tipos anteriores presentan algunas
variantes que afectan particularmente a la aparamenta y a los niveles de aislamiento
utilizados (mayores en las subestaciones de corriente alterna). Por lo general, el
funcionamiento de una subestación de corriente continua es más complejo que el
correspondiente a una subestación de corriente alterna.
3.1 SUBESTACIÓN DE TRACCIÓN DE CORRIENTE CONTINUA
La experiencia ha demostrado que la corriente continua es conveniente para tracción
ferroviaria por una serie de condiciones ventajosas que reúne el motor serie: fuerte par
de arranque, multiplicidad de marchas económicas, fácil regulación, etcétera.
Por otro lado, la corriente continua no presenta las ventajas de la corriente alterna:
facilidad de producción, facilidad de modificación de sus tensiones con buen
rendimiento y posibilidad de transportarla a grandes distancias con pérdidas
prácticamente despreciables.
Para aunar las ventajas de ambos tipos de energía eléctrica se instalan
convenientemente repartidas a lo largo de la línea ferroviaria, subestaciones
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rectificadoras que, tomando la energía alterna de las líneas de distribución y
transporte, la convierten en corriente continua que es dirigida a las líneas aéreas de
contacto del ferrocarril (a través de los feederes de alimentación) siendo captada por el
material rodante mediante sus pantógrafos. De esta forma, dentro de una subestación
de tracción de corriente continua se destacan dos instalaciones claramente
diferenciadas:
- Subestación trifásica de corriente alterna. Es una subestación trifásica
alimentada por la red de corriente alterna que forma parte del mismo conjunto
constructivo que el de la propia subestación de tracción. La propiedad y
competencia de explotación y mantenimiento corresponde al gestor del
ferrocarril y como cliente del suministrador dispondrá de los equipos de medida
de energía para facturación. Los elementos fundamentales que son necesarios
en la subestación trifásica de tracción son:
1. Aparamenta de potencia: interruptores, seccionadores, transformadores
de medida y protección, pararrayos autoválvulas, etcétera.
2. Transformadores de potencia especiales para rectificación.
3. Sistemas de servicios auxiliares en baja tensión alterna.
4. Sistema rectificador–batería para mando y control.
5. Sistemas de control de protección y medida.
6. Sistemas de telemando y teleseñal.
- Subestación de tracción de corriente continua. La subestación de tracción
propiamente dicha es la encargada de suministrar energía al material rodante
por medio de la línea aérea de contacto. Los elementos necesarios en la
subestación de corriente continua son:
1. Rectificadores de potencia, los cuales transforman la señal alterna en
continua.
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2. Aparamenta unipolar de potencia para corriente continua: interruptores,
seccionadores, transductores para medida y protección, pararrayos
autovalvulares, etcétera. Todos estos elementos forman los conjuntos
de entrada a los grupos rectificadores, salidas de alimentación a
feederes, etcétera.
3. Sistemas de tensión especiales para señales de vía (control de tráfico).
4. Sistemas de puesta a tierra y vigilancia de la misma.
5. Sistemas de comprobación de fallo de catenaria.
6. Sistemas de control integrado, protección y medida.
7. Sistemas de telemando y teleseñal.
En las siguientes figuras se puede apreciar una instalación de las características
anteriores. En concreto se trata de la Subestación Eléctrica de Tracción de Pina de
Ebro (Zaragoza), en la línea convencional de Madrid a Barcelona.
Figura 3. Panorámica general de la S/E de Pina de Ebro (Zaragoza)
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Figura 4. Parque eléctrico de la S/E de tracción (RENFE)
Figura 5. Rectificador
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Se puede destacar en la primera figura (número 3) una panorámica general del
recinto, destacando la línea de distribución de energía, el edificio de control y el parque
eléctrico.
La figura número 4 representa la disposición general del parque eléctrico. Por último
en la figura número 5 se puede apreciar el rectificador de la subestación, que como se
dijo anteriormente rectifica la tensión alterna de la línea de distribución (45 KV en esta
subestación) a tensión continua de la catenaria (3.000 V).
3.2 SUBESTACIÓN DE TRACCIÓN DE CORRIENTE ALTERNA
La disposición es prácticamente la misma que para el caso anterior. Evidentemente
ahora no existe conversión de corriente alterna a corriente continua, sino que la propia
tensión alterna absorbida de la red es transformada a otros valores de tensión
menores también en sistema alterno. De nuevo se pueden diferenciar dos
instalaciones:
- Subestación trifásica de alimentación. A diferencia de la subestación
trifásica de alimentación del caso continuo, la cuál pertenecía al gestor del
ferrocarril, aquí la subestación trifásica de alimentación forma parte de un
conjunto constructivo independiente. La propiedad y competencia de
explotación y mantenimiento corresponde a la empresa suministradora.
De nuevo, el gestor del ferrocarril dispone de los equipos de medida para
facturación. Los elementos necesarios de la subestación trifásica son:
1. Aparamenta de potencia: interruptores, seccionadores, transformadores
de medida y protección, pararrayos autoválvulas en caso de
sobretensión, etcétera, que REE (Red Eléctrica de España) o la
empresa suministradora considere imprescindibles para la seguridad del
suministro y calidad del servicio.
2. Sistema de coordinación de protecciones y telemando necesarios para
la explotación de elementos comunes.
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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
dicho. El nivel de tensión tendrá por lo general unos valores de 25 ó 50 KV a una
frecuencia industrial de 50 Hz2. Los elementos que dispone este circuito serán
los mismos que en los otros casos:
1. Aparellaje monopolar o bipolar de alimentación al feeder de catenaria
(se verá en el siguiente punto), así como aparamenta de enlaces o
acoplamiento de barras y para servicios auxiliares (por ejemplo,
iluminación de la propia instalación).
2. Sistemas de control de protección y medida.
3. Sistemas de puesta a tierra y vigilancia de la misma.
4. Sistemas de telemando.
2 Habría que indicar dos observaciones importantes respecto a estos valores: 1) el caso considerado es el
español, pues por ejemplo en Alemania existen circuitos de tracción en sistemas alternos a 16 2/3 Hz, 15
KV; 2) la distinción entre 25 ó 50 KV hace referencia al tipo de sistema de electrificación utilizado: 1x25
KV ó 2x25 KV respectivamente. Una salida de tensión del transformador de 25 KV corresponde a un tipo
1x25 KV, mientras que un nivel de 50 KV lo es a un sistema 2x25 KV.
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Las figuras siguientes representan la disposición existente de instalaciones y
aparellaje en la Subestación de Tracción de corriente alterna de Peñalba (Huesca) en
la línea de Alta Velocidad Madrid–Barcelona–Frontera Francesa.
Figura 6. Parque eléctrico de la S/E trifásica (REE)
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Figura 7. Parque eléctrico de la S/E de tracción (GIF)
Figura 8. Transformadores de tracción
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La figura número 6 muestra una panorámica general de la línea de 400 KV (línea de
transporte y distribución al mismo tiempo) acoplándose al parque eléctrico de REE.
En la figura número 7 se aprecia el parque eléctrico del gestor del ferrocarril (GIF para
este caso) y que por tanto representa la subestación de tracción propiamente dicha. El
parque de REE estaría situado al fondo, en el margen izquierdo de la figura. Si bien no
se aprecia con claridad existe un vallado que separa ambos recintos pues como ya se
señaló, en los sistemas alternos ambos complejos suelen ser independientes.
Por último en la figura número 8 se puede ver los dos transformadores de tracción de
la subestación de tracción. La entrada al devanado primario se haría en MAT (400 KV)
siendo la salida por el devanado secundario de 50 KV (se verá más adelante que se
trata por tanto de un sistema 2x25 KV).
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44.. LLOOSS FFEEEEDDEERREESS DDEE AALLIIMMEENNTTAACCIIÓÓNNEn rigor, el feeder3 de alimentación es el cable que partiendo de la subestación de
tracción va a alimentar en un punto determinado a la línea aérea de contacto (observar
esquema en la figura 2).
Por extensión, se denomina también feeder a aquellos otros cables que, sin función
mecánica alguna y solamente como refuerzo de sección, discurren tendidos
conjuntamente y de forma paralela a la línea aérea de contacto.
Por tanto, si bien el feeder es el cable de conexión desde el transformador a la
catenaria, algunas veces suele acompañarla durante un número determinado de
kilómetros, realizando la conexión a una distancia considerable de la subestación
eléctrica (además de la que se realiza en la propia subestación). La ventaja de utilizar
un feeder de alimentación (también denominado feeder de refuerzo ó feeder positivo)
se encontrará en la disminución de la intensidad por la catenaria, lo que supondrá a su
vez una menor pérdida y una menor caída de tensión medida desde la subestación.
En las figuras número 9/10 se puede observar la disposición de los feederes de
alimentación en la Subestación de Tracción de corriente continua de Pina de Ebro,
vista anteriormente.
Del mismo modo las figuras número 11/12 representan, de manera esquemática, la
futura situación de los feederes de alimentación en la Subestación de Tracción de
corriente alterna de Peñalba, también vista en el apartado anterior.
3 Del inglés ‘alimentar’ (To feed = alimentar).
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Feederes
Figura 9. Feederes de alimentación en la S/E de Pina de Ebro (I)
FEEDERES
Figura 10. Feederes de alimentación en la S/E de Pina de Ebro (II)
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Figura 11. Feederes de alimentación (esquemático) en la S/E de Peñalba (I)
Figura 12. Feederes de alimentación (esquemático) en la S/E de Peñalba (II)
9.A. La Electrificación Ferroviaria
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A modo de ejemplo y de forma que el lector se familiarice con lo visto en este capítulo,
en la página siguiente se puede observar el entorno eléctrico existente en la línea
ferroviaria de Alta Velocidad Madrid–Sevilla y en la línea de ancho convencional
RENFE Madrid–Andalucía, en las proximidades del municipio de Puertollano (Ciudad
Real). Como puede apreciarse, aunque ambos ferrocarriles comparten y son
abastecidos por la misma fuente de energía (Central Térmica de Puertollano; marca A
en el dibujo), los demás elementos del sistema difieren para cada caso. La tabla
inferior muestra la clasificación realizada para ambos ferrocarriles:
Tabla 1. Entorno eléctrico líneas Andalucía
Fuente deenergía Líneas de transporte Subestaciones
Dependiendo de cada tren, todas estas funciones se podrán realizar de una u otra
manera pudiendo existir en una locomotora concreta muchas más funciones a realizar
que en otra versión diferente. Así por ejemplo las locomotoras de la serie 252 de
RENFE que circulan en la línea de alta velocidad Madrid–Sevilla son bitensión (25.000
V en corriente alterna y 3.000 V en corriente continua) teniendo mayor cantidad de
dispositivos y funciones eléctricas que las locomotoras 252 convencionales que son
sólo monotensión (3.000 V en corriente continua).
En vehículos de nueva generación, los motores eléctricos de tracción se encuentran
generalmente suspendidos del bogie de rodadura (un motor por cada eje del bogie) lo
que mejora notablemente el comportamiento del motor ya que se reduce el efecto de
las vibraciones (éstas podrían repercutir en la transmisión existente entre el motor y el
eje de rodadura).
Actualmente la práctica totalidad de los nuevos vehículos ferroviarios introducen la
tracción electrónica que alimenta a motores trifásicos, asíncronos o síncronos. La
tracción electromecánica se puede afirmar que ha pasado a la historia si bien todavía
muchas locomotoras y unidades de tren funcionan con ella.
Documentos de formación ferroviaria 9. Energía
Al igual que otros motores industriales, los utilizados para tracción ferroviaria pueden
ser de los siguientes tipos:
� Motores de corriente continua.
� Motores asíncronos de corriente alterna.
� Motores síncronos de corriente alterna.
6.2.1 Motores de corriente continua
Los motores de corriente continua presentan una serie de ventajas que hace que sean
válidos para la tracción ferroviaria. Entre estas ventajas se encuentra su fuerte par de
arranque y la facilidad de regular la intensidad que absorbe el motor pues tan solo hay
que colocar una resistencia variable en serie con aquél y seleccionar el valor
requerido. De esta forma, para una velocidad baja del tren la resistencia presentaría
un valor elevado. Una velocidad mayor se correspondería con un valor más pequeño
de la resistencia que llegaría incluso a desaparecer a la velocidad máxima del tren.
El motor de corriente continua utilizado para ferrocarriles se caracteriza por su
excitación en serie. Entre las características principales de este tipo de motores se
encuentra su capacidad de soportar elevadas sobrecargas; Al disminuir el par
resistente, el motor reduce lentamente su consumo de corriente, elevándose su
velocidad.
La regulación de la velocidad de estos motores puede realizarse conectando un
reóstato en paralelo con el inductor o variando la tensión en sus terminales de manera
directa o introduciendo resistencias en serie con el inducido. El procedimiento de variar
la tensión puede realizarse de manera económica al disponer el tren, por lo general,
de más de un motor.
Si la locomotora dispone de un motor en el bogie delantero (que impulsa los ejes
delanteros) conectado en serie con el motor del bogie trasero (que impulsa los ejes
traseros), las velocidades de los motores son iguales en todo momento. La variación
9.A. La Electrificación Ferroviaria
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de velocidad se consigue con la conexión serie-paralelo de ambos motores,
consiguiéndose dos velocidades básicas de trabajo con buen rendimiento energético.
En un principio, los motores están conectados en serie a través de una resistencia
variable que se va eliminando gradualmente (mediante dispositivos electrónicos hoy
en día) hasta que se obtiene una tensión en bornes de cada motor mitad de la línea de
contacto (1.500 V). Cuando se desea aumentar la velocidad de la locomotora, se
cambia la conexión en serie de los motores y se pasa a una conexión en paralelo
insertando al mismo tiempo entre ellos y entre la línea de contacto una resistencia
exterior. Esta resistencia se va eliminando poco a poco hasta que los motores
funcionan a plena tensión de línea (3.000 V) obteniendo la segunda posición estable
de funcionamiento.
El motor de corriente continua precisa de dispositivos electromecánicos entre los que
se encuentra el colector de delgas o conmutador, siendo éste un elemento propio de
los motores de corriente continua. El colector de delgas es el órgano encargado de la
conversión mecánica de la corriente alterna inducida en las bobinas en corriente
continua de salida.
La extracción o suministro de corriente al colector se realiza por medio de escobillas
de grafito que ejercen una presión sobre el colector manteniéndose fijas respecto a
éste.
Las unidades eléctricas de RENFE de la serie 440, 448 y 435/6/7/8, así como las
locomotoras de la serie 269, 250 y 276, son ejemplos de material motor con tracción
eléctrica continua.
Mientras que el motor de corriente continua precisa de colector y escobillas, los
motores trifásicos no necesitan de estos componentes por lo que son más robustos y
por tanto más fiables que los primeros. Ello se debe a que las escobillas han de ser
cambiadas cada cierto tiempo, siendo el mantenimiento de un motor de corriente
continua mayor que uno asíncrono y síncrono.
Documentos de formación ferroviaria. 9 Energía
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6.2.2 Motores Asíncronos
La diferencia del motor asíncrono con los demás tipos de motores se debe a que no
existe corriente conducida a uno de los arrollamientos. La corriente que circula por uno
de los devanados (generalmente el situado en el rotor) de debe a la fuerza
electromotriz inducida por la acción del flujo del otro, denominándose por ello también
motores de inducción. Reciben el nombre de motores asíncronos debido a que la
velocidad de giro del rotor no es la de sincronismo impuesta por la red.
La importancia de los motores asíncronos se debe a su construcción simple y robusta,
sobre todo en el caso del rotor en forma de jaula, que les hace trabajar en las
condiciones más adversas, dando un excelente servicio con pequeño mantenimiento.
Figura 26. Motor asíncrono de una locomotora RENFE serie 252
El inconveniente principal que poseen estos motores es la dificultad de regular su
velocidad, de ahí que hasta el desarrollo de la electrónica de potencia hayan sido los
motores de corriente continua los más utilizados para la tracción ferroviaria.
Las unidades eléctricas de RENFE de la serie 447 y 450, así como la locomotora serie
252, son ejemplos de material motor con tracción eléctrica asíncrona.
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6.2.3 Motores Síncronos
Los motores síncronos son máquinas eléctricas cuya velocidad de rotación está
vinculada rígidamente con la frecuencia de la red de corriente alterna con la cual
trabaja.
Si bien la máquina asíncrona se utiliza en la mayor parte de los casos como generador
de energía eléctrica (alternadores en las centrales eléctricas), es también extendido su
uso como motor cuando se requieren velocidades de transmisión constantes, teniendo
además la ventaja frente a los motores asíncronos de poder regular el factor de
potencia con el cual trabaja evitando la colocación de condensadores para reducir la
potencia reactiva absorbida por la instalación.
El motor síncrono presenta el grave inconveniente de que el par presenta un sentido
único solamente cuando la máquina se halla ya sincronizada, es decir, cuando el rotor
gira a la misma velocidad que el campo del inducido. Si el rotor está parado o gira a
otra velocidad diferente a la de sincronismo, el par medio que desarrolla al conectarlo
a la red es nulo.
Un ejemplo de aplicación del motor síncrono a la tracción ferroviaria es la unidad
autopropulsada española de alta velocidad AVE (RENFE serie 100).
Por último, cabría señalar la utilidad que presenta un motor eléctrico de tracción
ferroviario en la operación de frenado del tren. Se dice que este frenado puede ser por
recuperación (o frenado regenerativo) y reostático.
En el primero, la energía cinética del tren (en aquellos tramos de la línea en los que no
demanda apenas potencia) puede ser convertida por los motores eléctricos de tracción
(al funcionar como generadores) en energía eléctrica recuperada y mandada a la línea
aérea de contacto desde la cual se envía a la subestación eléctrica de tracción o es
absorbida previamente por otros trenes. Este tipo de frenado es muy útil para sistemas
ferroviarios de alta velocidad.
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En el frenado reostático la energía no consumida por los motores no se devuelve a la
catenaria en forma de energía eléctrica sino que es disipada en unas resistencias
internas que la transforman en calor (efecto Joule).
6.3 LOS SECCIONADORES DE ENERGÍAMediante los seccionadores de energía se es capaz de conectar o desconectar la
alimentación eléctrica a la línea aérea de contacto o de ésta a una instalación próxima
determinada, pues como se verá más adelante, es práctica extendida en las
administraciones ferroviarias alimentar desde la catenaria otros elementos como son
casetas de señalización y las luminarias de los túneles.
De esta forma podría clasificarse a los seccionadores de energía atendiendo a la
tipología de elementos que conectan eléctricamente:
� Seccionadores de línea aérea de contacto o de catenaria.
En ocasiones puede ser necesario el corte temporal de energía eléctrica hacia la
catenaria de una línea ferroviaria determinada, por ejemplo durante trabajos de
mantenimiento o reparación de la misma. Ello se consigue operando sobre los
seccionadores de catenaria, repartidos convenientemente a lo largo del trazado
ferroviario y que necesariamente coinciden con la situación geográfica de los
seccionamientos de lámina de aire (figura 27). Recuérdese que los
seccionamientos de lámina de aire se definían como un solapamiento de dos
catenarias consecutivas que no poseían continuidad eléctrica si los seccionadores
se encontraban abiertos y conexión en caso de estar cerrados.
También existirán seccionadores de catenaria enfrente de las subestaciones de
tracción, concretamente entre los feederes de alimentación procedentes del
parque eléctrico de media tensión y la línea aérea de contacto. Así si se quiere
cortar la alimentación eléctrica con la subestación no habrá más que abrir el
seccionador correspondiente.
Otra aplicación de los seccionadores de catenaria es conectar en paralelo las
catenarias de las vías de un trazado ferroviario con vía múltiple y que discurren de
manera paralela siendo el caso más usual la vía doble. La conexión en paralelo se
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suele realizar para mejorar el transporte de la corriente de tracción desde la
subestación hacia los trenes de forma que no sea una única catenaria la que
soporte el paso de corriente.
Detalle
Detalle
Figura 27. Seccionador en un seccionamiento de lámina de aire en Lérida
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� Seccionadores de sistemas asociados a la catenaria.
Cuando se proyecta una instalación ferroviaria en las proximidades de una línea
férrea (electrificada) que demanda energía eléctrica para su funcionamiento, es
habitual que esta energía se obtenga de la catenaria sin perjuicio de poder
alimentar esa instalación mediante otros sistemas (grupos electrógenos, línea
pública, etcétera), si se trata sobre todo de una instalación imprescindible para la
explotación de la línea como son las instalaciones de señalización y
comunicaciones.
El circuito eléctrico de la instalación a alimentar se conecta a la catenaria mediante
un seccionador de energía que suele permanecer en la mayor parte de los casos
cerrado. Antes del seccionador existe un transformador reductor de la tensión de
catenaria pues estas instalaciones precisan de tensiones no superiores a 380 V.
Es fácil por tanto divisar en campo un seccionador de energía de sistemas
asociados ya que el transformador reductor destaca en el poste de catenaria o en
otro poste adyacente (figura 28).
Seccionador cerrado
Figura 28. Seccionador para sistemas asociados a catenaria (LAV Madrid-Barcelona)
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Como se verá en el siguiente apartado, las instalaciones asociadas a la línea
aérea de contacto vienen definidas principalmente por instalaciones de
señalización y comunicaciones, iluminación de túneles y calefacción de las agujas
de vía.
Desde el punto de vista constructivo los seccionadores de energía están formados por
un bastidor que se coloca sobre el poste de catenaria, presentando dos partes bien
diferenciadas; una de ellas es fija y esta constituida por una ranura en la que encaja o
conecta la otra parte, que es móvil, y que describe un movimiento giratorio de
aproximadamente 80º. En posición abierto la parte móvil se encuentra girada estos 80º
mientras que si el seccionador se encuentra cerrado estará describiendo un ángulo 0º,
estando ambas partes conectadas.
Existen unas varillas metálicas denominadas ‘cuernos’ cuya función es encaminar a la
parte móvil a la ranura de la parte fija. Ello se debe a que puede existir una
determinada holgura producida por el paso del tiempo y el uso que hará que la parte
móvil, en el momento de conectar, pueda fallar.
Los seccionadores pueden ser ‘seccionadores en carga’ o ‘en vacío’ dependiendo si
pueden o no romper el arco eléctrico que se genera en el momento de separar ambas
partes. Así, si se tiene un seccionador en carga, la operación de apertura o cierre del
circuito se podrá hacer de forma directa. Si el seccionador es en vacío no se podrá
maniobrar de manera directa pues de lo contrario se rompería el aparato. En este caso
habrá que operar primero sobre un interruptor o disyuntor que rompa el arco, situado
en el parque de media tensión de la subestación y posteriormente operar sobre el
seccionador.
Llegado a este punto el lector puede haberse dado cuenta de lo importante que es el
seccionador de energía para la explotación comercial de una línea ferroviaria
electrificada. Según se ha visto anteriormente a través de él se pueden realizar
diversas operaciones que pueden ser necesarias para el correcto desarrollo de la
actividad explotadora:
� Operaciones sobre tramos de catenaria.
- Desconexión eléctrica para su mantenimiento o reparación.
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- Conexión eléctrica de catenarias colaterales en caso que alguna de
ellas se quede sin tensión porque, por ejemplo, la subestación de la que
se alimenta se estropee.
- Conexión eléctrica entre catenarias paralelas porque, por ejemplo,
existan varios trenes en el trazado y desde el puesto de mando se
quiera hacer un reparto más uniforme en el transporte de la corriente de
tracción entre la subestación y los trenes de manera que no se
sobrecargue una sola línea aérea de contacto.
� Operaciones entre las subestaciones eléctricas y la catenaria.
- Conexión o desconexión de la alimentación entre el parque de media
tensión y la catenaria porque, por ejemplo, el transformador (o el
rectificador en su caso) se haya averiado y haya que aislar esa
subestación alimentando el sistema de otra colateral.
� Conexión o desconexión de sistemas asociados a catenaria.
- Conexión o desconexión eléctrica del circuito de una caseta de
señalización o comunicaciones, por ejemplo porque se vaya a cortar la
tensión en la catenaria y la caseta tenga que pasar a funcionar con otra
fuente de energía.
- Conexión o desconexión eléctrica del circuito de alumbrado de un túnel,
por ejemplo en casos de mantenimiento del mismo y haya por tanto que
encender las luces.
- Conexión o desconexión eléctrica del circuito de calefacción de agujas
de la vía.
Es por lo anterior por lo que los seccionadores se encuentran telemandados desde el
puesto de control y operaciones de la línea, si bien pueden ser maniobrados también
en el campo a través del armario de control que llevan instalados.
Se verá en otras secciones que estas operaciones forman parte del telemando de
energía de la línea.
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77.. LLAA AALLIIMMEENNTTAACCIIÓÓNN EELLÉÉCCTTRRIICCAA DDEEOOTTRRAASS IINNSSTTAALLAACCIIOONNEESSSegún se comentó en el apartado anterior, cuando existe una instalación ferroviaria en
las proximidades de la línea férrea que demanda energía eléctrica para su
funcionamiento, es práctica extendida en las administraciones ferroviarias que esta
energía se obtenga de la catenaria a través de los seccionadores correspondientes.
Estas instalaciones se clasifican generalmente en instalaciones de calefacción de
agujas, instalaciones de edificios e instalaciones de iluminación de los túneles.
7.1 LA CALEFACCIÓN DE AGUJASPara garantizar el movimiento de los espadines de los desvíos en períodos de nieve y
hielo, las agujas han de llevar instalado el correspondiente sistema de calefacción de
agujas.
Debido a que estas partes de los desvíos están formadas por elementos móviles, en
caso que exista hielo en ellos, puede producirse una situación en la que sea
complicado o imposible iniciar el movimiento.
En líneas de alta velocidad la calefacción no sólo afecta a los espadines de los
desvíos sino también a los corazones, que al ser móviles, también presentan el
problema de la aparición del hielo.
El sistema consiste en hacer pasar una corriente eléctrica procedente de la catenaria
(a través de un transformador reductor de tensión) por unos elementos calefactores en
forma de varillas longitudinales con secciones diversas y que van adosados al propio
carril de rodadura. Esta corriente eléctrica produce un calentamiento que propicia la no
formación de hielo, siendo por tanto sistemas predictivos y no correctivos.
7.2 LA ALIMENTACIÓN A EDIFICIOSLos edificios situados a lo largo de la línea ferroviaria obtienen la energía eléctrica
necesaria para su funcionamiento de la catenaria.
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Estos edificios pueden tener en ocasiones otros sistemas de alimentación (red pública,
grupos electrógenos, etcétera) en caso que la catenaria quede sin servicio.
La naturaleza de cada uno de ellos puede ser muy variada, destacando los siguientes:
- Edificios comerciales o estaciones.
- Edificios no comerciales de dependencias de circulación.
- Edificios técnicos destinados a elementos de la señalización.
- Edificios técnicos destinados a elementos de las comunicaciones.
- Edificios técnicos para operación de los trenes.
7.3 LA ILUMINACIÓN DE LOS TÚNELESLos 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