La electrificación ferroviaria

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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.

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-

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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9.A. La Electrificacin Ferroviaria

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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9.A. La Electrificacin Ferroviaria

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