MÁS APUNTES SOBRE LA HISTORIA DE LA TRACCIÓN ELÉCTRICA: LA LÍNEA AÉREA Y LA TOMA DE CORRIENTE

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.

El primer tranvía eléctrico del mundo, establecido en el barrio berlinés de Lichterfelde, tomaba la corriente de los carriles, al igual que los trenes de juguete

 

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