Catenaria (ferrocarril) para niños
En los ferrocarriles, la catenaria es el sistema de cables aéreos que lleva la energía eléctrica a las locomotoras y otros vehículos de tren. Es como el "enchufe" gigante que permite que los trenes eléctricos se muevan.
Algunas personas prefieren llamarla "Línea Aérea de Contacto" (L.A.C.). Este nombre incluye diferentes tipos de sistemas, como las líneas de tranvía o de trolebús, y las catenarias flexibles o rígidas. Es importante saber que hay otros modos de dar energía a los trenes que no son catenarias, como el tercer carril o la levitación magnética.
La electricidad que usan estos sistemas puede ser de diferentes voltajes. Lo más común es que sea de 600 V a 3.000 V (3 kV) en corriente continua, o entre 15.000 V (15 kV) y 25.000 V (25 kV) en corriente alterna. La mayoría de las veces se usa corriente continua o alterna monofásica.
En los cables aéreos, la electricidad viaja desde una subestación de tracción hasta el tren a través de la catenaria. El tren la recoge con un aparato llamado pantógrafo. Luego, la electricidad regresa a la subestación por los carriles de la vía férrea.
Una excepción son los trolebuses. Como no tienen carriles, usan un segundo cable paralelo para que la corriente regrese a la subestación.
El nombre "catenaria" viene de la forma de curva que toma un cable que cuelga por su propio peso. Esto se ve en las líneas de tranvía o trolebús, que usan un solo cable. Sin embargo, para trenes más rápidos, como los de cercanías o los de alta velocidad, el cable de contacto debe estar lo más recto posible. Para lograr esto, se usa un segundo cable del que se cuelga el primero. Aunque la forma de este segundo cable no es una catenaria perfecta, a todo el conjunto de cables, soportes y elementos que transmiten la energía eléctrica se le sigue llamando catenaria.
Tipos de Catenaria
Existen varios tipos de líneas aéreas de contacto para trenes y otros vehículos eléctricos. Los principales son:
- Línea tranviaria
- Líneas de trolebús
- Catenaria aérea flexible
- Catenaria aérea rígida
Línea Tranviaria
La línea tranviaria es el tipo más sencillo. Consiste en un solo cable de contacto que cuelga de soportes sobre la vía. El tren toma la energía de este cable con un pantógrafo o un trole.
La diferencia entre un pantógrafo y un trole es que el pantógrafo tiene una pieza de carbón o grafito que se desliza por debajo del cable. El trole, en cambio, tiene una polea que rueda bajo el cable. Ambos sistemas tienen mecanismos que los mantienen en contacto con el cable.
La línea tranviaria tiene un inconveniente: el cable se curva mucho entre los soportes. Esto limita la velocidad del vehículo. Por eso, se usa principalmente en tranvías, metros ligeros, estaciones de carga y cocheras, donde las velocidades son bajas.
Líneas de Trolebús
Las líneas de trolebús son parecidas a las tranviarias, pero con una diferencia clave: necesitan un segundo cable paralelo. Este segundo cable es para que la corriente regrese al punto de origen, ya que los trolebuses no usan carriles para el retorno.
Como los trolebuses no van sobre rieles, la línea debe poder moverse un poco de lado. Para esto, los soportes de la línea son flexibles, permitiendo que el cable de contacto se balancee.
Catenaria Aérea Flexible
La catenaria flexible usa dos cables principales. El de arriba, llamado "sustentador" o "cable portador", tiene una forma parecida a la curva de una catenaria. De este cable cuelgan unas piezas llamadas "péndolas" que sostienen un segundo cable, el "hilo de contacto". Este hilo de contacto es el que toca el pantógrafo del tren y se mantiene casi paralelo a la vía. A veces, se añade un tercer cable intermedio para que el hilo de contacto esté aún más recto.
Las catenarias con un segundo sustentador a lo largo de todo el recorrido se llaman catenarias compuestas.
El hilo de contacto no es un cable trenzado, sino un alambre macizo de una sola pieza.
Este sistema tiene una forma compleja que cambia según las necesidades de cada punto de la vía. Algunos aspectos importantes de su forma son:
- Vano: La distancia entre dos soportes.
- Altura del hilo de contacto: La distancia desde el carril hasta el punto más bajo del hilo.
- Altura de la catenaria: La distancia entre el hilo de contacto y el sustentador en el soporte.
- Flecha de los hilos: La curvatura del cable entre los soportes.
Catenaria Aérea Rígida
La catenaria rígida es diferente porque el elemento que lleva la corriente no es un cable, sino un carril rígido. Como este carril es muy pesado, necesita muchos más soportes para mantenerse recto y paralelo a la vía. La distancia entre los soportes es mucho menor que en las catenarias flexibles.
Debido a esto, la catenaria rígida se usa principalmente en túneles, estructuras o lugares con poco espacio, donde otros sistemas no funcionarían bien.
Este sistema surgió para solucionar un problema del tercer carril: su peligrosidad. La idea fue mover el carril de contacto a la parte superior del tren. Al principio se usaban carriles de acero, pero luego se desarrollaron carriles más ligeros y que conducen mejor la electricidad.
Una ventaja de la catenaria rígida es que es compatible con la catenaria flexible. El mismo tren con el mismo pantógrafo puede usar ambos sistemas. El carril que se usa hoy en día es una barra de aluminio con una sección de cobre en la parte inferior. El aluminio y el cobre conducen la energía, pero solo el cobre toca el pantógrafo.
Partes de una Catenaria
Una catenaria está compuesta por varios elementos clave:
- Estructuras de soporte
- Conductores
- Regulación de la tensión mecánica
- Protecciones
- Sistemas asociados
Estructuras de Soporte
Las estructuras de soporte tienen la función de mantener los cables conductores en la posición correcta sobre el tren.
Postes de madera y línea trifásica en el tren de La Rhune (Francia).
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La estructura más simple tiene dos partes: el poste y la ménsula. El poste se fija al suelo, a menudo con una base de hormigón. Los postes pueden ser de metal o de hormigón armado. Los de madera son menos comunes hoy en día.
Las ménsulas son piezas que sobresalen del poste y sostienen la línea aérea de contacto en su lugar.
También existen los pórticos, que pueden ser flexibles o rígidos. Los pórticos flexibles (o "funiculares") tienen dos postes a los lados de la vía y cables que cruzan por encima, de los cuales cuelgan las catenarias. Los pórticos rígidos tienen un dintel (una viga horizontal) entre los dos postes que soporta las catenarias.
Conductores Eléctricos
Los conductores son los cables que llevan la corriente eléctrica desde la subestación hasta el tren. Los principales conductores en una catenaria son:
- Hilo de contacto
- Sustentador
- Feeder positivo (o de subestación)
- Feeder de acompañamiento
- Feeder negativo
Regulación de la Tensión
Los cables de la catenaria se alargan o encogen con los cambios de temperatura. Esto podría cambiar la forma de la catenaria y afectar cómo el pantógrafo recoge la energía. Para evitarlo, se usan sistemas que mantienen la tensión de los cables constante.
Sistemas con Contrapesos
La forma más común y efectiva de mantener la tensión es usando contrapesos. Estos tiran del cable para que su tensión mecánica no cambie, manteniendo así su forma.
Para que los contrapesos sean más eficientes, se usan dispositivos que multiplican su fuerza, como poleas. Esto significa que un peso pequeño puede ejercer una fuerza mucho mayor sobre el cable.
En las poleas, la fuerza de los contrapesos se multiplica por la relación de los radios de las poleas. En los polipastos, la multiplicación depende del número de poleas y cómo están conectadas.
Sistemas con Resortes
Otro sistema usa resortes (muelles). Los resortes cambian su fuerza según cuánto se estiren. Para que la tensión sea constante, se usa una pieza llamada leva, que es una polea con un radio variable. La leva se ajusta para compensar los cambios de fuerza del resorte.
Protecciones de Seguridad
Las protecciones son elementos que cuidan la instalación de la catenaria de problemas como cortocircuitos, sobretensiones o vandalismo. El tipo de protección depende de si la corriente es alterna o continua y de su voltaje.
En corriente continua, las protecciones comunes son:
- Cable tierra (o cable guarda)
- Descargadores de sobretensiones (para rayos)
- Tomas de tierra
- Conexiones que igualan el potencial eléctrico entre estructuras y el carril
- Viseras, pantallas y barreras mecánicas
- Frenos y bloqueos que evitan que la línea se caiga si se rompe un cable.
En corriente alterna, las protecciones son similares:
- Cable de tierra
- Tomas de tierra
- Conexiones que igualan el potencial eléctrico
- Descargadores de sobretensiones
- Viseras, pantallas y barreras mecánicas
- Frenos y bloqueos de caída de la línea
Sistemas Adicionales
En esta categoría se incluyen sistemas que no conducen electricidad ni protegen directamente la catenaria, pero que están relacionados con su funcionamiento o con servicios que usan su energía.
Por ejemplo, sistemas para medir y monitorear la catenaria, sistemas para controlar a distancia los seccionadores (interruptores), sistemas que aprovechan la energía del frenado de los trenes, o la alimentación de otros equipos como antenas de comunicación o calefacción de agujas (cambios de vía).
La Geometría de la Catenaria
Para entender cómo se ve una catenaria, es útil conocer algunos términos:
- Vano: Es la distancia entre dos soportes seguidos de la línea.
- Altura del hilo de contacto: Es la distancia vertical desde la parte superior del carril hasta el punto más bajo del hilo de contacto.
- Altura de la catenaria: Es la distancia entre el hilo de contacto y el cable sustentador (si lo hay) en el punto del soporte.
- Descentramiento: Es la distancia horizontal entre el centro de la vía y la posición del hilo de contacto.
- Flecha de los hilos de contacto: Es la distancia vertical en el centro de un vano entre la altura del hilo en ese punto y la altura en los soportes de los extremos.
- Cantón: Es una sección de la vía donde el mismo hilo conductor está tendido. En los extremos de un cantón, donde un hilo termina y otro empieza, hay dos hilos conductores.
Véase también
En inglés: Overhead lines Facts for Kids
