APUNTES HISTÓRICOS SOBRE LOS DISTINTOS SISTEMAS DE ELECTRIFICACIÓN

Locomotora eléctrica de la serie 7.400 de Renfe, alimentadas a 1.500 voltios en corriente continua

 

El nacimiento de la tracción eléctrica ferroviaria está íntimamente ligado a la propia evolución decnológica de esta fuente de energía, tanto en lo que respecta a su producción como a la distribución y consumo final. De hecho, algo tan común como encender una bombilla apretando un interruptor era hace poco más de un siglo una experiencia realmente revolucionaria. Así, la tecnología disponible en el momento de la realización de las electrificaciones ferroviarias, ha sido el principal condicionante en la elección de los diversos sistemas existentes en la actualidad.

Las primeras electrificaciones ferroviarias se realizaron con la tecnología más común en la época, en corriente continua y con equipos idénticos a los utilizados en los tranvías. Ferrocarril de San Sebastián a Hernani, inaugurado en 1903

 

Los primeros pasos de la electricidad se realizaron de la mano de la corriente continua, producida mediante dinamos acopladas a turbinas hidráulicas o a máquinas de vapor. Uno de los mayores inconvenientes de la corriente continua se encuentra en la dificultad de variar su tensión, por lo que la generación sólo podía realizarse en el mismo valor que el que sería empleado en su posterior utilización, normalmente a tensiones medias o bajas, con valores máximos de unos 600 voltios a finales del siglo XIX. Sin embargo, como es sabido, a menor tensión, mayores son las pérdidas energéticas en el transporte de la electricidad, por lo que las instalaciones de generación debían encontrarse lo más próximas posibles a los centros de consumo. Así, las primeras redes de tranvías y ferrocarriles electrificados debieron construir sus propias centrales de producción eléctrica en las inmediaciones de sus líneas.

Central de generación eléctrica de los tranvías de Bilbao. Se aprecian tres motores de vapor que, mediante correas, accionan las dinamos que directamente generaban la corriente continua que empleaban los tranvías. Archivo de Georges Muller

 

Un paso fundamental en el desarrollo de la industria eléctrica fue la invención de los transformadores de tensión, en corriente alterna, patentados por primera vez en 1885 por la casa austrohungara GANZ de Budapest. Gracias a estos aparatos era posible generar electricidad a altas tensiones en puntos cada vez más alejados de los centros de consumo, ya que se reducían notablemente las pérdidas en el transporte. Este hecho fue fundamental para poder aprovechar los grandes recursos hidráulicos, situados habitualmente lejos de los potenciales centros de consumo, así como para el desarrollo de las redes de distribución eléctrica que en la actualidad garantizan un suministro eficaz a la industria, el transporte y las ciudades.

La invención del transformador permitió aprovechar los recursos hidroeléctricos, generalmente alejados de los principales centros de consumo, al facilitar el transporte de la electricidad en alta tensión, aunque en corriente alterna. Central hidroeléctrica del tranvía de Bilbao a Durango y Arratia

 

La implantación de las grandes redes de generación y distribución de energía eléctrica en corriente alterna trifásica permitió garantizar un suministro de energía seguro y a bajo coste, lo que a su vez favoreció el desarrollo de diferentes sistemas de electrificación: 

-          Corriente continua en media y alta tensión, desde 600 hasta 6.000 voltios. Para su producción era preciso disponer de subestaciones rectificadoras donde poder convertir la corriente alterna en corriente continua. La utilización de voltajes más elevados permitía reducir las caídas de tensión y por tanto aumentar el rendimiento. Sin embargo, técnicamente no era posible elevar el voltaje a valores superiores a los 6.000 voltios debido a las dificultades existentes para la construcción de equipos, principalmente interruptores de alta tensión a tensiones más elevadas. Este sistema es el que mayor difusión alcanzó en las primeras electrificaciones ferroviarias, gracias a la perfecta adaptación del motor de corriente continua a la tracción ferroviaria, siendo empleado en países como Francia, Italia, Bélgica, Polonia, Holanda, Estados Unidos, Japón o España.

Aunque la mayor parte de los ferrocarriles suizos emplean en sus electrificaciones la corriente alterna monofásica en frecuencia especial, la línea del ferrocarril de Montreux al Oberland Bernois utiliza la corriente continua a 850 voltios

 

-          Aplicación directa de la corriente trifásica, con valores entre los 3.000 y los 10.000 voltios, con el empleo de motores de inducción. Este sistema simplificaba notablemente las instalaciones de suministro eléctrico, pero su aplicación en las locomotoras era poco flexible, ya que la regulación de la velocidad dependía de la posibilidad de variar progresivamente la tensión y la frecuencia, siendo ésta última muy difícil de modificar con los medios tecnológicos de principios del siglo XX. Por otra parte, la electrificación resultaba sumamente compleja al precisar la instalación de una línea aérea doble, con un hilo para cada fase, correspondiendo los carriles a la tercera. Por ello, su utilización no tuvo un amplio desarrollo, salvo en los ferrocarriles italianos y en algunas líneas de montaña. La primera electrificación de un ferrocarril de vía ancha en el Estado español, entre Gergal y Santa Fe, se realizó en este sistema, sin que esta experiencia tuviera más descendencia. En el País Vasco, la única realización de estas características es la del ferrocarril de cremallera de La Rhune, que en la actualidad continúa prestando servicio con las instalaciones y vehículos originales con los que fue inaugurada en 1924.

Locomotoras trifásicas utilizadas en la electrificación de Gergal a Santa Fe (Almería) inaugurada en 1911. Fotografía de Peter Willen

 

Tren de cremallera de La Rhune que, en la actualidad, sigue funcionando con corriente alterna trifásica

 

-          Electrificaciones en corriente alterna monofásica, lo que permitía su realización en alta tensión, con valores entre 5.000 y 15.000 voltios, reduciendo al máximo las perdidas en el transporte. Sin embargo, la frecuencia habitualmente empleada en las redes de generación y distribución (en Europa a 50 Hertzios), no podía ser aplicada directamente en los motores de colector entonces disponibles, por lo que era preciso utilizar frecuencias de valores más bajos (entre 15 y 25 Hertzios). Este hecho exigía la creación de instalaciones de generación y distribución específicas para este tipo de electrificaciones. A pesar de este grave inconveniente, la corriente alterna monofásica ha alcanzado un importante desarrollo en el norte y centro de Europa, principalmente en Alemania, Suiza, Austria y Suecia. En España únicamente el Ferrocarril del Irati (Pamplona-Aoiz-Sangüesa) fue electrificado en este sistema, en concreto a la tensión de 6.000 voltios a la frecuencia de 25 Hertzios.

La mayor parte de los ferrocarriles suizos utilizan en sus electrificaciones la corriente alterna monofásica en frecuencia especial. En la imagen, un tren de los ferrocarriles Réticos

 

El ferrocarril el Irati fue el único en España en emplear la corriente alterna monofásica en frecuencia especial

 

La posterior evolución tecnológica permitió el desarrollo de un nuevo sistema de electrificación, también en corriente alterna monofásica en alta tensión, generalmente a 25.000 voltios, pero utilizando la frecuencia industrial de 50 Hertzios, lo que simplificó sobre manera los equipos de transformación y línea aérea. Las primeras experiencias en este campo se desarrollaron en Hungría a partir de 1935, pero no fue hasta finalizada la Segunda Guerra Mundial cuando los ferrocarriles franceses emprendieron un ambicioso programa de electrificación en este nuevo sistema, que posteriormente se ha extendido a otros países como Portugal, Turquía, Gran Bretaña, Rusia y China. En España este sistema se utiliza en las líneas de alta velocidad, incluida la de Orense a La Coruña, aunque en ésta se emplea el ancho de vía ibérico.

Los ferrocarriles portugueses emplean la corriente alterna monofásica en frecuencia industrial

 

Aunque las ventajas de las electrificaciones en corriente alterna en alta tensión y frecuencia industrial son innegables, su aplicación solamente ha sido posible en las en líneas no electrificadas anteriormente ya que el coste de transformación de las antiguas no justificaría económicamente la operación. Por otra parte, muchos países han optado por mantener en sus nuevas electrificaciones los valores utilizados en las restantes líneas, con el fin de poder compatibilizar sus instalaciones y material móvil. Por ejemplo, en Francia, la mayor parte de las electrificaciones situadas al sur de París se implantaron antes de 1950 en corriente continua a 1.500 voltios, mientras que las que se encuentran al norte de la capital, realizadas a partir de esa fecha, así como las nuevas líneas de alta velocidad, se alimentan en corriente alterna monofásica a 25.000 voltios y frecuencia industrial de 50 Hertzios. Ello ha exigido el desarrollo de vehículos bitensión capaces de circular con similares prestaciones bajo los dos sistemas.

Todos los trenes de alta velocidad franceses pueden circular, tanto bajo catenarias alimentadas a 1.500 voltios en corriente continua como a 25.000 voltios en corriente alterna monofásica a frecuencia industrial. Además, también disponen composiciones que pueden funcionar a 3.000 voltios en corriente continua y a 15.000 voltios en corriente alterna monofásica de frecuencia especial