Sistema de electrificación ferroviaria para niños

Un sistema de electrificación ferroviaria es como el sistema nervioso de un tren eléctrico. Su trabajo es darle la energía necesaria a los trenes para que puedan moverse sin usar motores de gasolina o diésel. La gran ventaja de los trenes eléctricos es que son muy potentes para su tamaño, mucho más que los trenes diésel o de vapor.

Los sistemas de electrificación se clasifican según tres cosas principales:

• La tensión eléctrica (o voltaje): Es como la "fuerza" con la que viaja la electricidad.
• El tipo de corriente: Puede ser corriente continua (CC), que fluye en una sola dirección, o corriente alterna (CA), que cambia de dirección constantemente.
• El sistema de alimentación: Esto se refiere a cómo el tren recibe la electricidad. Los dos tipos principales son el tercer carril (un carril especial en el suelo) y la línea aérea de contacto (conocida como catenaria, que es un cable por encima del tren).

Además, los elementos más importantes de un sistema de electrificación ferroviaria son:

• Las centrales que generan la electricidad y las líneas que la transportan.
• Las subestaciones de tracción, que transforman la electricidad.
• El circuito ferroviario, que incluye los cables y carriles por donde viaja la energía.

Locomotoras eléctricas en Suecia.

¿Cómo se genera y transporta la energía para los trenes?

Generación de energía

El sistema eléctrico de un tren necesita mucha energía. Esta energía se puede obtener de dos maneras:

• Conectado a la red eléctrica del país: Esta es la forma más común. Los trenes toman la energía de la misma red eléctrica que usamos en nuestras casas y ciudades. La electricidad se produce en grandes centrales eléctricas, que transforman la energía mecánica en energía eléctrica. En España, por ejemplo, los trenes usan una pequeña parte de toda la electricidad que se produce en el país. Las líneas de alta velocidad, que necesitan mucha energía, suelen usar electricidad de centrales térmicas o nucleares.

Generación de energía eléctrica en España (2014)

• Sistema eléctrico propio del ferrocarril: Esto es menos común hoy en día, pero antes tenía más sentido cuando no había redes eléctricas tan grandes. Algunas empresas de trenes, como Deutsche Bahn en Alemania, tienen sus propias empresas que generan y transportan la electricidad solo para sus trenes. También hay ejemplos en India, donde se usan paneles solares en los techos de los trenes para generar energía en lugares remotos. Otros países, como Bélgica y los Países Bajos, están usando energías renovables, como paneles solares en túneles o energía eólica, para alimentar sus redes ferroviarias.

Líneas de transporte de energía

Las líneas de transporte son como grandes autopistas para la electricidad. Llevan la energía desde las centrales eléctricas hasta las subestaciones de los trenes. Para evitar que se pierda mucha energía en el camino, la electricidad se transporta a voltajes muy altos.

Estas líneas se clasifican según el voltaje que transportan:

• Primera categoría: Más de 66.000 voltios (66 kV).
• Segunda categoría: Entre 30.000 y 66.000 voltios (30-66 kV).
• Tercera categoría: Entre 1.000 y 30.000 voltios (1-30 kV).

En España, las líneas de trenes más antiguas usan voltajes de 20 kV o 66 kV, mientras que las líneas de alta velocidad usan 132 kV.

Tren eléctrico de Deutsche Bahn

¿Qué hacen las subestaciones de tracción?

Una subestación de tracción es una instalación que conecta la red eléctrica general con el sistema de electrificación del tren. Su función principal es transformar el alto voltaje de las líneas de transporte a un voltaje más bajo y adecuado para la catenaria (el cable que alimenta al tren).

Hay dos tipos principales de subestaciones:

• Subestaciones para corriente alterna.
• Subestaciones para corriente continua.

La diferencia principal es que las de corriente continua tienen unos aparatos llamados rectificadores, que cambian la corriente alterna a corriente continua.

El circuito ferroviario: ¿cómo llega la energía al tren?

El circuito ferroviario es el conjunto de elementos que llevan la electricidad directamente al tren.

Cables de alimentación (Feeder)

Los "feeder" son cables eléctricos que van junto a la vía y alimentan los tramos de catenaria. Estos tramos están separados para que, si hay que hacer un mantenimiento, se pueda cortar la electricidad en una zona sin afectar a toda la vía.

Hay tres tipos principales de cables feeder:

Feeder Positivo

Es el cable principal que le da energía al tren. Está en la parte de abajo de la catenaria y es donde el pantógrafo (un brazo en el techo del tren) hace contacto. Su función es llevar la energía eléctrica para que el tren se mueva. Se usa tanto en sistemas de corriente continua como de corriente alterna.

Feeder de acompañamiento

Es un cable secundario que va paralelo al feeder positivo. Ayuda a que el cable principal tenga suficiente energía, especialmente cuando el tren necesita mucha potencia, y asegura que el suministro de electricidad sea estable. También se usa en sistemas de corriente continua y alterna.

Feeder Negativo

Este cable se encarga de recoger la electricidad que el tren ya usó y devolverla a la subestación. Ayuda a que se pierda menos energía en el retorno. Solo se usa en sistemas de corriente alterna, donde se manejan mayores potencias.

Línea aérea de contacto

La línea aérea es el sistema de cables que está por encima de la vía y por donde el tren toma la electricidad.

Metro Málaga, detalle de catenaria libre sin péndolas.

Catenaria flexible

Para que los trenes puedan ir muy rápido, la catenaria flexible se construye de forma que el cable de contacto (el que toca el tren) se mantenga recto y tenso. Para lograr esto, se cuelga un cable "sustentador" de los postes de la vía, y de este cable se cuelgan unas "péndolas" que sujetan el cable de contacto en posición horizontal.

La catenaria se apoya en aisladores para que la electricidad no se escape a los postes. Además, el cable de contacto se coloca en forma de "zigzag" para que el pantógrafo del tren se desgaste de manera uniforme.

Es muy importante que la catenaria esté bien tensa. Cuando el pantógrafo del tren pasa, el cable se mueve. Si el cable no está lo suficientemente tenso, estas ondas podrían dañar los cables o hacer que el pantógrafo pierda contacto.

• Para trenes rápidos: Se usan sistemas de pesos o hidráulicos para mantener la tensión.
• Para trenes lentos o en túneles: Se usan sistemas fijos.

En algunos casos, como en el metro de Málaga, se puede usar un sistema más simple sin el cable sustentador ni las péndolas, pero esto limita la velocidad del tren y requiere postes más cercanos.

Catenaria rígida

Ejemplo de catenaria rígida, estación de Nuevos Ministerios, Madrid

Este sistema se creó para evitar los problemas de seguridad del tercer carril (que explicaremos más adelante). En lugar de un cable, el elemento conductor es un carril rígido. Como es más pesado, necesita más soportes que la catenaria flexible, por lo que se usa en lugares con poco espacio, como túneles o estaciones de metro.

Una ventaja es que los trenes pueden usar el mismo pantógrafo para la catenaria flexible y la rígida. El carril rígido suele ser de aluminio con un hilo de cobre incrustado, y ambos conducen la electricidad.

Sus ventajas son:

• Conduce muy bien la electricidad, sin necesidad de cables adicionales.
• Es fácil de instalar.
• Necesita poco mantenimiento.
• Es ideal para lugares con poco espacio.

Tercer carril

Esquema Constructivo del tercer carril ferroviario

Este sistema se usa mucho en metros y trenes urbanos, especialmente donde no hay espacio para la catenaria aérea. Consiste en un carril adicional que se coloca a un lado de las vías principales. El tren toma la electricidad de este carril con un dispositivo especial.

Si este sistema se usa en zonas donde la gente puede acceder, debe estar muy bien señalizado y cercado, ya que tocar el carril puede ser peligroso.

Alternativas al carril conductor tradicional

Existe un sistema llamado "Alimentación por el suelo" (APS) que es más seguro. En este sistema, el tercer carril está entre las vías, pero solo tiene electricidad el tramo que está justo debajo del tren. Esto es muy útil en ciudades o zonas históricas, donde no se quiere que haya cables aéreos.

Aunque es más seguro, los sistemas APS son más caros de mantener y no siempre están disponibles al 100% porque son una tecnología más nueva. Se usa, por ejemplo, en el tranvía de Burdeos.

Cuarto carril

Este es otro carril que se coloca entre las vías. A diferencia del tercer carril que da energía, el cuarto carril se encarga de recoger la corriente de vuelta. Esto ayuda a que la electricidad no pase por las vías principales, lo que alarga su vida útil y evita problemas. Este sistema se usa en metros como el de Londres, Milán o París.

Barras guía

Este sistema usa dos perfiles de acero a los lados de la vía. El tren toma la electricidad de estas barras con unos dispositivos llamados "escobillas". Además, el tren tiene ruedas de goma que se apoyan en estas barras para guiarlo y mantenerlo estable. Es el sistema que usa el Metro de la Ciudad de México.

Suspensión tranviaria

Este sistema es más simple y se usa en tranvías y trolebuses. Es un cable conductor que va paralelo a la vía y se sujeta con otros cables. No se usa para trenes rápidos porque el cable se "cuelga" un poco por su propio peso, lo que dificulta que el pantógrafo lo siga a altas velocidades.

Otros sistemas de captación de energía

Los sistemas que hemos visto (catenaria y carriles) tienen un problema: el contacto constante entre el tren y el cable o carril causa desgaste y necesita mucho mantenimiento. Por eso, se están investigando nuevos sistemas que eviten este contacto o lo hagan de forma más eficiente, especialmente para tranvías en zonas urbanas donde los cables aéreos pueden afectar la vista.

Algunos de estos sistemas son:

• Sistema “Aliss”: La energía se da en segmentos de 5 metros solo cuando el tren pasa por encima, usando tecnología electrónica.
• Sistema de tecnología inductiva “Primove”: Permite que los tranvías funcionen sin catenaria, usando el principio de transferencia de energía por inducción (como la carga inalámbrica de un teléfono, pero a lo grande).
• Sistema “Stream”: El tren toma corriente de una banda conductora en el suelo, que solo se activa en el tramo donde el tren está haciendo contacto.

Voltaje de alimentación

Al principio, los trenes eléctricos usaban corriente continua con voltajes bajos (entre 600 y 1.500 voltios). Pero para ir más rápido, fue necesario usar corriente alterna y voltajes más altos, lo que reduce las pérdidas de energía y permite usar catenarias más ligeras.

Aquí tienes algunos ejemplos de voltajes usados en diferentes tipos de trenes:

Corriente continua

La corriente continua se usa principalmente en redes de trenes de cercanías, metros y tranvías. Las subestaciones de tracción transforman la corriente alterna de la red general en corriente continua para estos trenes. Para ello, usan transformadores y rectificadores (aparatos que cambian la corriente alterna a continua).

Corriente alterna

La corriente alterna monofásica es la que alimenta las líneas de alta velocidad. Es muy usada porque permite transportar grandes cantidades de energía a voltajes altos, lo que es ideal para trenes muy rápidos. En España, se usan sistemas de 3 kV CC y 25 kV CA a 50 Hz.

Pantógrafo

Ejemplo del pantógrafo de forma Brazo Trole, Plzeň

El pantógrafo es un dispositivo que está en el techo del tren. Su función principal es hacer contacto eléctrico con la catenaria para tomar la energía. Es muy importante que el pantógrafo pueda seguir los movimientos de la catenaria sin perder el contacto, especialmente a altas velocidades. Hoy en día, los trenes pueden circular sin problemas de contacto eléctrico hasta 400 km/h.

Hay diferentes tipos de pantógrafos. Los más antiguos, como el "Brazo de Trole", se usaban en trenes urbanos o metros. Hoy en día, se usan más los pantógrafos de "Brazo Articulado", que son asimétricos y se adaptan mejor. Es importante que la fuerza con la que el pantógrafo presiona el cable sea constante, sin importar la altura o la velocidad del tren.

Pantógrafo de Forma Brazo Articulado

Los materiales más usados para el pantógrafo son:

• Carbón: Es el más común. Ayuda a que el cable de la catenaria se desgaste menos y no causa interferencias de radio.
• Aluminio: Es muy ligero, ideal para alta velocidad.
• Cobre: Bueno para corrientes altas y cuando la catenaria está congelada.

Para reducir el desgaste, es mejor usar siempre el mismo material para la catenaria y el pantógrafo.

Seccionadores

Los seccionadores son como interruptores de seguridad en las instalaciones eléctricas. Su función principal es cortar o aislar el paso de la corriente eléctrica. Esto es muy útil para proteger la instalación o para que los trabajadores puedan hacer mantenimiento de forma segura, ya que se puede ver si el seccionador está abierto o cerrado.

Hay tres tipos de seccionadores:

1. Seccionador de cuchillas giratorias: Se usan para voltajes medios, pero necesitan mucho espacio.
2. Seccionador de cuchillas deslizantes: Necesitan menos espacio y se usan para una variedad de voltajes y corrientes.
3. Seccionador de columna giratoria: Son los más usados en ferrocarriles porque están diseñados para estar al aire libre y soportan un gran rango de voltajes y corrientes.

Tracción ferroviaria: ¿cómo se mueve el tren?

La tracción ferroviaria se refiere a cómo el tren usa la electricidad para moverse. Los elementos principales son:

• El motor eléctrico (que puede ser de corriente continua o alterna).
• Componentes electrónicos que controlan la energía.
• El sistema de control del tren.
• El freno regenerativo.

El freno regenerativo es un sistema muy interesante. Cuando el tren frena, en lugar de simplemente gastar la energía en calor, la convierte de nuevo en electricidad. Esta energía se puede usar para alimentar los propios servicios del tren, devolverla a la red eléctrica para que otros trenes la usen, o almacenarla en baterías.

Antes se usaban motores de corriente continua, pero con los avances tecnológicos, ahora se usan motores de corriente alterna. Una gran ventaja de este tipo de freno es que no hay rozamiento, lo que significa menos desgaste. Además, cuanto más rápido va el tren, mayor es la potencia de frenado.

El único inconveniente es que a velocidades muy bajas (menos de 5 km/h), este freno no es eficaz, por lo que el tren necesita usar otro tipo de freno para detenerse por completo.

Véase también

En inglés: Railway electrification system Facts for Kids