En la anterior entrada a este blog hablamos sobre las centrales de generación y las subestaciones de tracción. Desde éstas se alimentan los diversos sistemas empleados para la distribución
de la energía eléctrica hasta los
vehículos. Los primeros experimentos realizados en 1881 en Berlín utilizaron
las propias vías, de forma análoga a la de los trenes de juguete pero, a pesar
de haber sido realizada en baja tensión, pronto se comprobó que el sistema
resultaba muy peligroso. Posteriormente se desarrollaron sistemas de
electrificación con tercer carril y sobre todo mediante línea aérea.
La principal ventaja del
tercer carril frente a la línea aérea estriba en que ocupa poco espacio y
permite su utilización en zonas de gálibo muy ajustado como es el caso de los túneles. Sin
embargo, su utilización es extremadamente peligrosa, ya que al encontrarse en el suelo, existe
el permanente peligro de un contacto involuntario. Por ello, su uso se ha
limitado preferentemente a ferrocarriles metropolitanos, donde ha permitido una
importante economía al reducir la sección de túnel a excavar, frente a la que
sería necesaria en caso de emplear una línea aérea convencional. Por otra
parte, al encontrarse aislados del exterior, el acceso de personas y animales a
la vía está restringido, por lo que es difícil que se produzca un accidente.
Sin embargo, este sistema también se ha aplicado en algunos ferrocarriles
convencionales como es el caso de las líneas que parten de Londres hacia el sur
de Inglaterra,
así como en el pintoresco “Tren amarillo” de la Cerdanya francesa.
El famoso "Tren Amarillo" se alimenta mediante tercer carril, tal y como se aprecia en la imagen captada por Hodei Goldarazena Biela
Frente al tercer carril, los sistemas de alimentación más comunes en los ferrocarriles son los de línea aérea, de los que existen varios tipos:
Imagen del "trenet" de Valencia. Se aprecia que algunos tramos, como la playa de vías de la estación de Valencia-Pont de Fusta, estaba nelectrificados con línea aérea simple
Línea
aérea simple o “trolley”: Las primeras electrificaciones, tanto tranviarias
como ferroviarias, se realizaron en este sistema, formado por un solo hilo
de contacto, suspendido sobre el eje de la vía. Su geometría, muy variable, hace que
solamente sea posible su utilización en bajas velocidades.
Trabajo de montaje de la catenaria del ferrocarril Vasco-Navarro. Fotografía de Liberto Macazaga. Cedida por Javier Suso
Catenaria:
La suspensión simple de un hilo por dos puntos situados a la misma
altura, da lugar a que éste adopte en el aire una forma geométrica denominada
catenaria, cuya flecha disminuye al aumentar la tensión mecánica del hilo. Esta
disposición, que es la que adopta la línea aérea simple, no resulta
satisfactoria para asegurar el correcto contacto de los equipos de toma de
corriente del tren, ya que se encuentran con una flecha y elasticidad vertical
variable.
Trabajos de montaje de catenaria de Renfe. Archivo del Museo del Ferrocarril de Vilanova i la Geltrú
Para
solucionar este problema se procedió al diseño de una línea aérea compuesta,
formada por un cable de trabajo suspendido mediante enlaces verticales, denominados
péndolas, desde un segundo cable, llamado sustentador. Este sistema permite que
el hilo de trabajo se encuentre sensiblemente paralelo a la vía, con lo que el
contacto con los equipos de toma de corriente de los trenes mejora considerablemente, lo que a su vez
favorece el desarrollo de mayores velocidades.
Catenaria compensada del ferrocarril de Bilbao a Las Arenas y Plencia. Se aprecia el contrapeso del sistema de compensación
Catenaria
compensada: Al estar formada por cables metálicos (cobre, aluminio y acero principalmente),
la catenaria está sometida a las dilataciones y contracciones que padecen estos
materiales en función de la temperatura ambiental. Esto hace que los hilos de
trabajo pierdan su tensión mecánica original y se produzcan irregularidades que
varían su horizontalidad, impidiendo una correcta captación de la corriente.
Esquema del sistema de catenaria autocompensada de los Ferrocarriles Vascongados. En el centro de cada vano, el hilo de contacto se convertía en sustentador y viceversa. De este modo se esperaba que, al tener la misma longitud, la superficie de contacto subiría o bajaría por efecto de la contracción o la dilatación del material manteniendo un plano horizontal sobre la vía. En la práctica, el resultado del sistema fue muy mediocre
Para evitar este fenómeno,
se han diseñado diversos métodos de compensación automática de la tensión
mecánica de la catenaria mediante sistemas de contrapesos. Un caso aparte ha
sido el sistema de catenaria autocompensada empleado por los Ferrocarriles
Vascongados y, curiosamente, también en el ferrocarril suizo de vía métrica Montreaux Oberland Bernois. En España, la primera catenaria con compensación mecánica fue implantada por los Ferrocarriles de Santander a Bilbao, en la
sección de Bilbao a Las Arenas, en 1928.
Detalle de la catenaria rígida utilizada por Metro Bilbao
Catenaria
rígida: A partir de la última década del siglo XX se ha desarrollado un nuevo
tipo de catenaria que consiste en un perfil, normalmente de aluminio
extrusionado, que en su parte inferior aloja el hilo de contacto de cobre. Este
sistema elimina los problemas de captación generados en las catenarias
convencionales, debidas a las variaciones de flecha y verticalidad. Sin embargo,
su coste económico es más elevado que el de las líneas aéreas convencionales,
por lo que su utilización se limita, al menos por el momento, a tramos muy
concretos, principalmente líneas de Metro y túneles con limitaciones de gálibo,
gracias a su reducida sección vertical.
Vista de la catenaria tipo Renfe. Archivo del Museo del Ferrocarril de Vilanova i la Geltrú
Normalmente,
la catenaria no se instala exactamente sobre el eje de la vía, sino que adopta
en planta una forma de ligero zig-zag, a fin de que el desgaste de los
frotadores de los pantógrafos se lo más uniforme posible.
Detalle de la electrificación del ferrocarril de Bilbao a Lezama
Todos los tipos de línea
aérea antes señalados son válidos para alimentación en corriente continua y en
alterna monofásica (tanto en frecuencia especial como en industrial). Sin
embargo, estas últimas son más ligeras, ya que al realizarse en alta tensión
requieren menores secciones de cable, con la consiguiente economía de
construcción. Evidentemente, a mayor voltaje, más complejos serán los equipos
que aíslan las ménsulas de sustentación de la catenaria.
Electrificación trifásica de Gergal a Almería, única en su género en España, dotada de línea aérea simple doble. Archivo de José Antonio Gómez Martínez
En las electrificaciones en
corriente alterna trifásica se ha empleado habitualmente la línea aérea tipo
“trolley” duplicada, ya que dos de las fases circulan por ella, mientras que la
tercera lo hace por los carriles. En Italia, país donde el sistema alcanzó su máximo
desarrollo, también llegó a utilizarse la catenaria convencional,
convenientemente duplicada.
Los sistemas de toma de corriente
Otro elemento característico
de los ferrocarriles explotados con tracción eléctrica es el de los sistemas
utilizados para la transmisión de la corriente eléctrica desde la línea aérea
hasta el vehículo. Los más utilizados son los siguientes:
Tranvía eléctrico de Valencia, dotado de toma de corriente mediante trole. Fotografía de Christian Schnabel
Trole: Sistema
desarrollado a partir de 1885 por el ingeniero norteamericano de origen belga
Charles J. Van Depoele, consiste en una pértiga metálica, situada sobre el
techo del vehículo, la cual, mediante un sistema de muelles se eleva hasta
contactar con la línea aérea mediante una pequeña polea o un frotador. La
captación de energía mediante trole tiene como principal ventaja, en las
explotaciones tranviarias, el hecho de favorecer el montaje de una línea aérea
muy sencilla, ya que puede descentrarse notablemente respecto al eje de la vía,
simplificando su instalación en las curvas más cerradas. En contrapartida, su
comportamiento a velocidades elevadas es muy deficiente y, además, requiere el
establecimiento de agujas aéreas en los desvíos. Por ello ha sido
preferentemente empleado en la electrificación de tranvías, aunque también se
ha utilizado en los primeros ferrocarriles eléctricos, como es el caso de Monte
Ulía, San Sebastián-Hernani y Barcelona-Sarriá entre otros.
Locomotora Nº 102 del ferrocarril de San Sebastián a la frontera francesa, dotada de toma mediante arco o lira. Fotografía de Christian Schnabel
Arco
o Lira: Se trata de una evolución del trole. Su forma recuerda la de una lira
invertida, de ahí su nombre. Un conjunto de muelles, similar al del anterior
sistema, permite su elevación vertical. Respecto al trole requiere que la línea
aérea se encuentre centrada sobre el eje de la vía, lo que exige una
instalación más compleja. Sin embargo, con este sistema es posible
prescindir de las complejas agujas aéreas necesarias con los troles, por lo que
admite mayores velocidades. En España se ha empleado preferentemente en tranvías como los de Santander, Cartagena o La Coruña, aunque también se ha utilizado en algunos ferrocarriles como el de Linares a Úbeda y Baeza o el de San Sebastián a Hendaya.
Locomotora de la serie 7100 de la Compañía del Norte, dotada de pantógrafos romboidales
Pantógrafo: Es en la actualidad el sistema de captación más habitual.
Consiste en un conjunto tubular articulado, que permite una translación
vertical del frotador así como su mantenimiento horizontal constante. Su
elevación puede realizarse mediante muelles (en este caso, al igual que con el trole y el arco será preciso disponer de una cuerda para poder bajarlo), cilindros neumáticos o
pequeños motores eléctricos. Su forma ha variado a lo largo del tiempo, ya que
inicialmente eran romboidales. Posteriormente se han aligerado pasando a ser
semiromboidales, siendo este el tipo más común en los ferrocarriles modernos.
Electrotrén de la serie 432 de Renfe, dotado de dos semipantógrafos
Al igual que los sistemas de
electrificación, estas tres modalidades de captación de corriente son válidas
tanto para corriente continua como en alterna monofásica. En el caso de
utilizar energía trifásica, troles, arcos o pantógrafos deberán ser dobles para poder captar la
corriente de cada una de las fases de la línea aérea.
Locomotora del ferrocarril de cremallera de La Rhune, electrificado en corriente alterna trifásica. Se aprecian los pantógrafos dobles