Invitación: Se lee en el prologo: El transporte sobre rieles moderno es con tracción eléctrica, de donde la importancia de este tema para los que estudian como realizar sus instalaciones eléctricas.

Hay interés en desarrollar esta capitulo? Quien tiene ganas de hacerlo... Comencemos!

Cuando se enfoca este tema se observa inmediatamente gran cantidad de puntos a tratar y aspectos muy distintos a considerar, no olvidemos entonces que este capitulo esta incluido dentro un apunte de instalaciones eléctricas, y lógicamente deberá ser breve..

El tema ferroviario abarca el vehículo, con su instalación de tracción (motor) y servicios auxiliares de bordo (eventualmente transformación y/o conversión de la energía)

La energía debe ser transmitida por la línea de contacto, y tomada por el vehículo, este es otro enfoque necesario.

La alimentación de la línea de contacto se hace mediante subestaciones eléctricas, con eventuales instalaciones de transformación y/o conversión, eventualmente una red de distribución acompaña a la línea de contacto.

El sistema eléctrico debe alimentar las subestaciones antes nombradas, para lo que se usa la red publica, o una red especial con dicha función.

Observando distintas instalaciones ferroviarias de distintos países, actuales, y de un pasado ya distante se encuentra una variedad de combinaciones de sistemas eléctricos que llega al limite de lo casi increíble.

Los motores de tracción utilizados y utilizables son de corriente continua, de corriente alterna a colector (monofasicos, con eventual transformador sobre el vehículo), motores asincronicos (alimentados por un sistema trifasico, con variación de la velocidad por cambio del numero de polos, y modernamente alimentados a frecuencia variable con oportuna transformación y/o conversión), sincrónicos (alimentados también a frecuencia variable, con oportuna transformación y/o conversión).

La línea de contacto puede ser tercer riel, en corriente continua, baja tensión (hasta 800 V) con línea aérea, un conductor, en corriente continua o alterna de baja tensión hasta varios kV, con línea aérea de dos conductores para transmitir tensión alterna trifasica (3.6 kV sistemas de alimentación hoy desaparecidos).

Cuando la tensión en la línea de contacto es alterna su frecuencia no necesariamente es la frecuencia normal para la distribución de energía del país, también puede ser mitad o un tercio, obteniéndose para 50 Hz las frecuencias de 25 y 16,67 Hz que causan cierta sorpresa en quienes se acercan a estos temas. En el pasado centrales generadoras especiales, y maquinas rotantes convertidoras de frecuencia cumplieron la función de generar (a 25, 42, 45 Hz) o mantener interconectados sistemas con tremendas diferencias.

Una red de distribución mallada puede llegar a ser necesaria para alimentar las líneas de contacto en distintos puntos, puede tenerse una red de transmisión combinada con la línea de contacto, o completamente separada.

La instalación eléctrica ferroviaria (desde nuestro punto de vista de instalación eléctrica) debe transmitir energía desde el sistema eléctrico (de alta tensión, red publica) hasta el motor de tracción, y las soluciones que se buscan, combinando técnicas disponibles tienden a la optimización que luego, al transcurrir el tiempo quizás se alejen de una solución optima moderna pero la mejora ya es difícil si no imposible.

Siendo un ejemplo hoy histórico, puede servir relatarlo para que se comprendan las grandes decisiones que se debieron tomar modificando el sistema que en su momento había sido lo mejor posible.

En el norte de Italia se construyo una red con alimentación de los vehículos trifasica, dos conductores aéreos y los rieles, en 3.6 kV y 15 Hz, los vehículos a bordo tenían motores asincronicos con dos arrollamientos, la gran ventaja era la recuperación de energía cuando descendían en los recorridos montañosos, circulaban a velocidades fijas, 25, 50, 100 km/h, la línea de contacto era complicada, podía haber fallas entre conductores de la línea de contacto.

La interconexión con la red publica hizo que la frecuencia tuviera que cambiar a 16,67 Hz, para aumentar la potencia se estudio un desarrollo tifasico a 10 kV, que fue destruido en 1945 por la guerra, y el progreso de los motores de corriente continua marco un nuevo rumbo.

Al convivir instalaciones en cc 3 kV con el sistema trifasico 3,6 kV hizo que aparecieran medios bicorriente, que pasaban de una instalación a otra sin que el pasajero notara el cambio de tensión de alimentación, pero el sistema trifasico ya no crecía, y se decidió su conversión a corriente continua en 3 kV. Hoy la necesidad de mas potencia para alcanzar mayores velocidades pone en evidencia los limites de la solución de cc 3 kV que indudablemente resultaba optima cuando se la adopto.

Echemos un vistazo superficial a las instalaciones de tracción eléctrica que hubo y hay en argentina.

Tranvías, los hubo en varias ciudades, con tensiones de 500 - 600 V cc hoy en Buenos Aires, en Caballito circula su recuerdo y algún vehículo mas moderno, el llamado premetro es la versión actualizada de aquel noble medio, y con la técnica tranviaria también estaban desarrolladas las líneas ferroviarias urbanas que salían de estación Federico Lacroze (hoy con tercer riel). Todas estas instalaciones se alimentan (o alimentaban) con línea de contacto aérea.

Subterráneos, alimentados con tercer riel algunas líneas y con línea de contacto aérea otras 600 - 700 V cc, y una alimentada a 1000 otra a 1500 Vcc (línea de contacto aérea), Hay varias subestaciones que se alimentan de la red publica (MT 50 Hz) y convierten a corriente continua adecuada para los vehículos.

Los trenes que salen de las estaciones Retiro y Once que cubren recorridos urbanos de 30 40 km están alimentados por tercer riel a la tensión continua de 800 V, para uno de estos sistemas la distribución a varias subestaciones convertidoras se hace desde un sistema de corriente alterna trifasico de 20 kV que recibe energía desde la red publica a través de transformadores dedicados.

Una instalación ferroviaria reciente, el tren de la costa, se alimenta con línea de contacto en 1500 Vcc.

Otra instalación de electrificación ferroviaria reciente que sale de Constitución en dirección a Temperley y se ramifica (Ezeiza y Glew) esta realizada en 50 kV, 50 Hz, y combina la tensión de alimentación de la línea de contacto, con un conductor de transmisión de energía, donde los rieles a tierra son el punto medio del sistema eléctrico, 25 kV a la línea de contacto y 25 kV al conductor de transmisión. Autotransformadores distribuidos en la red, entre conductor de contacto, y conductor de transmisión, generan el punto medio, conectado a rieles, y así se inyecta energía en varios puntos.

La alimentación de este sistema monofasico esta realizada por transformadores en conexión Scott que transforman el sistema trifasico (de la red publica) en un sistema bifásico (en rigor dos monofasicos a 90 grados), logrando de esta manera una repartición trifasica de las cargas monofasicas.

A la época que se hizo el proyecto original, por el bajo nivel de cortocircuito en el punto de alimentación era indispensable la solución con los transformadores Scott, pero un mayor nivel de cortocircuito en el punto de alimentación, permite la alimentación de cargas monofasicas sin que esto cause problemas a otros usuarios, y ya no se justifica la complicación.

Las originalidades o complicaciones que plantean estas distintas instalaciones son: sistemas monofasicos de distribución de gran potencia, sistemas en corriente continua, problemas de armónicas en la red debidas a conversiones a corriente continua o por convertidores de frecuencia variable, parámetros (resistencia y reactancia) de las líneas con valores fuera de lo común, problemas eléctricos y mecánicos del contacto entre zapata y riel, o línea y pantógrafo, características especiales de los motores, colectores, alta tensión, etc.

Sin duda es difícil seleccionar algunos temas importantes para llenar unas 15 paginas limitando a lo esencial lo que se escribe....

Prescindiendo de la solución constructiva, los motores utilizados deben presentar las siguientes características:

Máxima cupla motriz en el arranque (sin requerir excesivas complicaciones para limitar las corrientes).

Fácil regulación de velocidad extendida a todo el campo, desde velocidades de maniobra a elevadas velocidades de crucero.

Pasaje automático del funcionamiento como motor, al funcionamiento como generador, a fin de lograr acción frenante, y recuperación de energía.

Solidez, robustez, rendimiento, en todas las condiciones de funcionamiento, incluidas las de arranque y marcha a velocidad reducida.

Se propone un análisis del comportamiento de los distintos tipos de motores que la técnica ofrece, discutiendo la calificación que merecen desde estos puntos de vista.

Para lograr las condiciones de arranque aparecen elementos auxiliares, de control, que intercalan resistores y combinan conexiones serie y paralelo de motores, o varían la tensión con autotransformadores.

El ingreso de la electrónica en la técnica de los dispositivos de control ha logrado sistemas motores que se comportan en forma casi ideal, independizando el sistema de alimentación del vehículo de la aplicación del motor de tracción.

Este es el sistema mas difundido. La línea de contacto se hace con un alambre de cobre semicrudo (duro) de diámetro 9 a 11 mm conformado adecuadamente, a veces dos alambres paralelos.

La línea de contacto debe seguir el eje de la vía, apartándose en lo que permite el órgano de toma, que es el elemento que se desgasta mas, y debe desgastarse uniformemente, por lo que se la tiende con un ligero zigzag.

La línea de contacto debe mantenerse a altura constante sobre la vía, esto no es fácil, debe estar tensada y suspendida con frecuencia, tomando siempre la forma de catenaria entre puntos de suspensión, la limitación de la flecha fija la distancia entre suspensiones.

La flecha fija la amplitud del movimiento que el órgano de contacto debe absorber, y esta relacionada con la velocidad, al aumentar la velocidad se produce despegue del contacto, y arco eléctrico, lo cual no es aceptable.

La cantidad de puntos de suspensión se incrementa mediante la suspensión indirecta, una cuerda de acero hace de catenaria con flecha relativamente importante, y de ella se suspende el conductor mediante cables verticales que lo sostienen y en cantidad conveniente para limitar la flecha del conductor al valor deseado. Esta solución permite alejar los soportes de la catenaria a distancias económicamente convenientes.

Si fuera necesario dar rigidez transversal al conductor de contacto, la catenaria se hace doble, y con cuerdas de suspensión en forma de V.

Los tranvías utilizaron como órgano de toma el trolley, una asta metálica con una roldana en un extremo, con garganta profunda que se encuentra en contacto con el cable conductor, y en el otro extremo un dispositivo de resortes que fija la presión de contacto.

La ventaja de esta solución es que el contacto por rodamiento no desgasta prácticamente el cable, el inconveniente es que la rueda descarrila frecuentemente, impidiendo la alta velocidad.

La solución de arco resuelve este inconveniente, el contacto se hace con una vaina de aleación que se desgasta, y para evitar el desgaste en un punto, el hilo de contacto se tiende con un ligero zigzag respecto del eje de la vía.

El pantógrafo constituido por dos paralelogramos articulados que sostienen el contacto y lo presiona contra el cable es la evolución final del contacto móvil (de arco). Los detalles y variantes constructivas son muchas.

La línea de retorno son los rieles, que se encuentran sobre la tierra, y debe evitarse que deriven corrientes vagantes por el terreno, que si continuas producen inconvenientes de corrosión en otros elementos metálicos (tuberías) enterrados en contacto con el terreno, si alternas generan disturbios en las comunicaciones que también utilizan el terreno como conductor.

Si la corriente pasa al terreno, y luego de el vuelve, debe vencer la fuerza contraelectromotriz de electrólisis de 1,5 V que se presenta dos veces, la resistencia de los rieles debe ser tal que la caída te tensión en ellos este limitada a 3 volt (admitendose hasta 5), de manera que no se derive corriente al terreno

Para garantizar la baja resistencia de los rieles, es necesario que estén soldados, realizando verdadera continuidad metálica. Algunas soluciones proponen aislar los rieles del suelo.

La línea de contacto aérea no puede (naturalmente) superar los 100 mm2 de sección (de cobre) y con corriente continua en baja tensión la solución (cuando hay potencias importantes) se hace imposible, con el limite de sección.

Se sustituye entonces el cable aéreo, con un tercer riel de acero aislado del suelo, montado sobre un pie de fundición, mediante un aislador, las corrientes de dispersión del aislamiento aunque elevadas son aceptadas en relación a las elevadas potencias en juego.

El tercer riel puede ser un riel de perfil normal, o un perfil en forma de L invertida, la zapata puede presionar el riel hacia abajo, o tender a elevarlo, según sea su mecanismo de presión.

El tercer riel presenta peligro para las personas y animales, se lo recubre con aislantes (maderas) para impedir al menos el contacto casual, en los pasos a nivel el tercer riel esta interrumpido, la longitud de la interrupción debe permitir el paso de la formación de longitud mínima, generalmente dos o tres vehículos (50 60 m) sin que se interrumpa la alimentación, a riesgo de que la formación se detenga en la zona de interrupción.

El sistema de tercer riel solo se utiliza con corriente continua, con corriente alterna las grandes corrientes debidas a las bajas tensiones presentarían inconvenientes (el tercer riel es de hierro).

La zapata de contacto debe estar estudiada para entrar suavemente en contacto con el riel cuando este se interrumpe, vinculada para mantener en contacto con el movimiento del vehículo, soportar condiciones con hielo (donde se presentan).

En algunas instalaciones (subterráneos generalmente) para evitar el inconveniente de las corrientes de retorno, este se hace por un cuarto riel aislado (lo que indudablemente implica costos a tener en cuenta).

Supongamos una línea de contacto alimentada desde un extremo (por analogía a las vigas se la llama en voladizo), con un vehículo que se aleja, la caída de tensión en la línea se hace mayor (proporcional a la longitud) la tensión de alimentación del vehículo se reduce.

Se puede observar que las normas son generosas en cuanto a las variaciones de tensión que admiten para estas aplicaciones (10 20%), de todos modos la distancia desde el punto de alimentación hasta el vehículo queda limitada a un cierto radio de acción. Si en la línea hay mas vehículos (con una distribución cualquiera) el radio de acción se reduce.

Se observa ventaja de alimentar la línea desde los dos extremos, a medida que el vehículo se desplaza reduce la carga que toma de un extremo, e incrementa la que toma del otro con lo que a los fines de definir un radio de acción de un centro de alimentación es como si la carga fuera la mitad.

El inconveniente de una línea alimentada de los dos extremos se presenta cuando ocurre una falla, siendo mas dificultosa la correcta actuación de las protecciones.

Una forma de mejorar el comportamiento de la línea de contacto es disponer una conducción el paralelo, parte de la corriente circulara por la línea de contacto, y parte por la linea de refuerzo distribuyéndose en función de las impedancias.

La solución aplicada desde Temperley en 25 / 50 kV corriente alterna combina la alimentación de la línea de contacto con la transmisión a un segundo centro de alimentación en la siguiente forma:

Próximo al transformador Scott de alimentación, con secundario de 50 kV, se encuentra un autotransformador de 2 x 25 kV con punto medio a tierra, los rieles cumplen la función de retorno y punto medio, el conductor de contacto se encuentra a 25 kV y alimenta los vehículos, otro conductor a 25 kV forma una línea que acompaña al conductor de contacto, hasta un punto de la línea donde otro autotransformador se encuentra conectado con su punto medio a los rieles, y sus extremos a la línea de contacto y la línea de acompañamiento que así cumple función de transmisión (esto puede verse a la salida de la estación Constitución).

Cuando la alimentación se hace en corriente continua, en el centro de distribucion además están las instalaciones de conversión de corriente alterna a continua (rectificadores)

Cuando la alimentación se hace en corriente alterna, este centro recibe potencia trifasica y debe alimentar cargas monofasicas, si la potencia de cortocircuito es suficientemente elevada, es admisible con dos transformadores en conexión V alimentar dos líneas ferroviarias y lograr contener el desequilibrio a valores aceptables.

En los sistemas con bajas potencias de cortocircuito es necesario adoptar la conexión Scott de los transformadores, que transforma un sistema trifasico en un sistema bifásico (a 90 grados). Esta solucion puede verse a la salida de la estacion Tempeley.

Se ha hablado del radio de acción de la línea de contacto de alimentación de los trenes, este radio fija la distancia entre centros de alimentación (dos veces el radio), los sucesivos centros de alimentación pueden estar unidos a la red publica, cuando esta ofrece condiciones suficientemente seguras de alimentación.

Cuando la confianza en la red de alimentación es baja, una red (línea eléctrica) puede acompañar la línea ferroviaria entregando energía en los centros de alimentación.