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Catenaria (ferrocarril)

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Catenaria
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Concepto:Línea aérea de contacto que permite la captación de potencia eléctrica.

Catenaria. En ferrocarriles se denomina catenaria a la línea aérea de contacto tendida longitudinalmente sobre las vías que permite a los vehículos provistos de pantógrafo la captación de potencia eléctrica.

Catenaria

El nombre de catenaria proviene de la forma geométrica característica de la curva que forma un hilo flexible sometido a su propio peso, que es la que tiene el cable del que cuelga la verdadera línea de alimentación, que debe quedar casi perfectamente paralela al plano de los carriles. No obstante, se denomina comúnmente así a todo el conjunto formado por los cables alimentadores, apoyos y elementos de tracción y suspensión de los cables que transmiten la energía eléctrica.

Las tensiones de alimentación más comunes están comprendidas entre 600 V y 3 kV en corriente continua, o bien 15 ó 25 kV si se trata de electrificación en corriente alterna. En este último caso (CA), la mayor parte de las instalaciones funcionan con corriente monofásica, aunque existen algunas instalaciones trifásicas. La frecuencia de esta corriente suele ser de 50 ó 60 Hz en el caso de 25 kV, y de 50/3 (16 2/3) Hz para 15 kV.

Algunos autores prefieren utilizar el término "Línea Aérea de Contacto" o abreviadamente L.A.C., que puede incluir los sistemas denominados "Línea Tranviaria", "Línea Trolebús", "Catenaria Flexible" y "Catenaria Rígida". Existen otros sistemas de suministro de potencia para ferrocarriles que no deben ser considerados como catenarias; los más importantes son el "tercer carril" y la levitación magnética.

En las líneas aéreas, normalmente el polo positivo de la instalación es la catenaria y el negativo son los carriles sobre los que circula el tren (En caso de electrificaciones en corriente alterna, la fase es la catenaria y el neutro los carriles). Las corrientes provenientes de la subestación (transformadora o rectificadora de la tensión de la red general) llegan al tren por la catenaria y vuelven a la subestación a través de los carriles de la vía férrea.

Una excepción a esta norma son las líneas aéreas de contacto para Trolebuses, donde al no existir carriles, la corriente de retorno circula hacia la subestación por un segundo cable paralelo al primero, y en contacto con el vehículo por un segundo trole.

Tipos de catenaria

Hay varios sistemas de alimentación eléctrica para ferrocarriles:

  • Línea Tranviaria
  • Líneas de Trolebús
  • Catenaria aérea flexible
  • Catenaria aérea rígida
  • Sistema de alimentación por tercer carril

Linea Tranviaria

La línea tranviaria es la más sencilla de las aplicaciones de este tipo. Consiste en un hilo de contacto suspendido en apoyos consecutivos sobre la vía férrea. El tren toma energía de este hilo a través de un Pantógrafo o de un Trole.

La diferencia entre un pantógrafo y un trole consiste en que el pantógrafo tiene una pletina que "frota" el hilo por la parte inferior de este, mientras que el trole tiene una polea o Roldana que rueda bajo el hilo.

La línea tranviaria tiene el inconveniente de que la flecha del hilo (distancia vertical entre el apoyo y el punto mas bajo del hilo) es grande (cuadráticamente proporcional al vano). La introducción de un cable sustentador disminuye esta flecha mediante el uso de péndolas.

La velocidad que puede alcanzar un vehículo alimentado por Línea Aérea de Contacto, depende de la regularidad de la altura del hilo y de la uniformidad en la elasticidad de la línea, por lo cual la Línea Tranviaria solo esta aconsejada para velocidades bajas. Se emplea comúnmente en tranvías, metros ligeros, estaciones de carga, etc...

Líneas de Trolebus

Las líneas de trolebús son una derivación de las líneas tranviarias, consistiendo su diferencia fundamental de las mismas en que debe existir un segundo hilo, paralelo al primero, para el retorno de corriente.

Al carecer los vehículos de dispositivos de guiado, la línea debe ser capaz de absorber grandes desviaciones laterales que puede transmitir la roldana del trole hacia la misma, Para ello la suspensiones de la línea disponen de un sistema flexible que permite el "balanceo" del hilo de contacto en sentido transversal en un rango muy amplio.

Catenaria aérea flexible

La catenaria flexible consiste en dos cables principales, el superior tiene aproximadamente la forma de la curva conocida como catenaria y se llama "Sustentador"; en algunos países hispanohablantes puede llamarse también "Cable Portador". Mediante una serie de elementos colgantes (péndolas) sostiene otro cable, el de contacto, llamado hilo de contacto, de modo que permanezca manteniéndose en un plano paralelo al plano de las vías. A veces hay un tercer cable intermedio para mejorar el trazado del de contacto, este cable se suele llamar "falso sustentador" o "sustentador secundario".

Las catenarias con un segundo sustentador en todo lo largo de su recorrido se suelen llamar catenarias compuestas o "compound". El hilo de contacto no es propiamente lo que se conoce como cable, con varios hilos o alambres enrollados en varias capas, sino un trefilado, es decir, un alambre macizo de una sola pieza.

Este sistema de cables tiene una geometría compleja, que va variando a lo largo de la línea en función de los requerimientos que se exigen en cada punto. Los parámetros geométricos más importantes que definen esta geometría son los siguientes:

  • Vano.
  • Altura del hilo de contacto.
  • Altura de catenaria.
  • Elevación.
  • Flecha de los hilos.
  • Longitud del cantón.
  • Descentramiento.

Sistema de alimentación por tercer carril

El sistema de alimentación por tercer carril consiste en un conductor (perfiles de acero laminado) sobre apoyos en traviesas.

En un principio se utilizó el mismo carril que se usa para la vía pero, al igual que sucede con la catenaria rígida, el carril ha ido evolucionando hacia aleaciones mas ligeras y con mejor conductividad, sobre todo aleaciones de aluminio.

El tren alimentado de esta manera dispone de un captador en la parte baja del mismo que hace contacto con este carril, de igual manera que un pantógrafo lo hace con la línea aérea.

Sus ventajas incluyen la rigidez, la fácil captación, su facilidad de colocación y su bajo costo, pero la tensión de la línea no puede ser muy elevada por su proximidad a tierra, no siendo de esta forma segura ni eficiente.

El sistema de alimentación por tercer carril implica más subestaciones eléctricas, debido al menor voltaje, y por lo tanto aumenta el coste de la instalación y el coste energético, lo cual contrarresta el bajo coste del montaje de la línea. Además obliga a los coches a tener un sistema de alimentación autónoma por un determinado tiempo, ya que la catenaria aérea siempre está, pero el tercer carril a veces debe faltar (ej: aparatos de vía, áreas de paso a nivel, etc.). También se ve muy afectada por los agentes atmosféricos, al estar muy próxima a tierra.

Elementos de una catenaria

  • Estructuras de soporte
  • Conductores
  • Regulación de la tensión mecánica
  • Protecciones
  • Sistemas asociados

Estructuras de soporte de catenaria

Las estructuras de soporte tienen como fin sotener los cables (conductores) sobre el tren de la manera adecuada.

La estructura de soporte de la catenaria consta, en el caso más sencillo, de dos partes, el poste y la ménsula. Evidentemente el poste debe fijarse al terreno, ya sea este natural o no.

En el caso de terreno natural se suele fundamentar con una zapata de hormigón que en el argot ferroviario se denomina "Macizo", "Macizo de fundación" o "Fundación". En el caso de fijarse sobre estructuras, existen múltiples métodos, siendo algunos de los más comunes los anclajes gewi, anclajes express, resinas epoxi, etc.

Los postes son pilares verticales que se levantan desde la altura del terreno hasta la altura adecuada para soportar la línea aérea de contacto. Existen infinidad de tipos, siendo los más comunes los metálicos y los de hormigón armado. Los de madera están actualmente casi olvidados, salvo en alguna línea minera de baja tensión.

Las ménsulas son elementos estructurales, en voladizo desde el poste, que tienen como función sostener la línea aérea de contacto en su posición correcta sobre el tren.

Otras estructuras de soporte pueden ser los pórticos. Estos Pueden dividirse en Flexibles y Rígidos.

Los pórticos flexibles (comúnmente llamados "funiculares") se componen de dos postes a ambos lados de las vías y uno o más cables que cruzan sobre estas transversalmente, amarrándose a los postes. Las catenarias cuelgan de estos cables, paralelas al trazado de las vías.

Los pórticos rígidos se componen igualmente de dos postes y en este caso de un dintel rígido entre ambos postes, que será el encargado de soportar las catenarias.

Conductores

Llamamos conductores a los cables que conducen la corriente eléctrica desde la subestación al tren. Los conductores normalmente asociados al sistema de línea aérea de contacto, o catenaria, pueden ser los siguientes:

  • Hilo de contacto
  • Sustentador
  • Feeder positivo o Feeder de Subestación
  • Feeder de acompañamiento
  • Feeder negativo

Regulación de la tensión mecánica

Los cables conductores que forman la catenaria (Sustentador e hilo[s] de contacto) se ven sujetos a variaciones de longitud debidas a la dilatación térmica producida por los cambios de temperatura. Al variar la longitud de los cables la geometría de la catenaria varía, aumentando la flecha de los cables al aumentar la temperatura.

Este efecto es indeseable para la calidad de captación del pantógrafo por lo cual se instalan elementos de regulación automática de la tensión mecánica. El elemento mas sencillo para evitar este efecto (y el ms efectivo) es la instalación de un equipo de contrapesos que tiran del cable manteniendo constante su tensión mecánica, lo cual mantiene constante la geometría del mismo.

Para disminuir el número de contrapesos necesarios se instala algún dispositivo que multiplique la efectividad del contrapeso. Los dispositivos utilizados fundamentalmente en este método son las poleas de ejes solidarios (concéntricas) y los sistemas de poleas de ejes paralelos (polipastos).

El principio de acción para las poleas de ejes solidarios se basa en que al estar unidas a un mismo eje , componen un Sólido Rígido. Para que se mantenga el equilibrio en el mismo, debe cumplirse que la suma de momentos respecto al centro del eje es cero, por lo tanto la fuerza que ejercen los contrapesos multiplicada por la distancia desde su línea de acción hasta el eje es igual a la tensión (mecánica) de la línea por la distancia desde su línea de acción hasta el eje. Por lo tanto la razón entre las fuerzas en ambos cables es inversamente proporcional a los radios de las poleas sobre las que se arrollan. Esta Razón se conoce como Factor de Multiplicación o Relación de compensación. Valores usuales están entre 1:3 y 1:5.

Para los polipastos el principio de acción se basa igualmente en que todos los elementos que componen el sistema son sólidos rígidos. Cada polea se encuentra sujeta por su eje a algún elemento rígido, o a otro de los cables que componen el polipasto, y la vez sobre ella se encuentra arrollado alguno de los cables. Para cada una de las poleas las fuerzas ejercidas en los distintos puntos de la misma deben cumplir el primer principio de Newton (Acción /Reacción) de tal manera que la suma vectorial de todas estas fuerzas debe ser nula. En este caso existe también el Factor de Multiplicación o Relación de compensación, si bien esta vez no tiene que ver con el tamaño de las poleas sino con el número de estas y la forma en que se fijan entre sí, y al poste o elemento de estructura sobre el que se ancla el conjunto.

Protecciones

Entendemos por protecciones los elementos de la instalación de la línea aérea de contacto no asociados a la transmisión de la corriente, sino que ejercen funciones de protección de la instalación frente a eventuales problemas como pueden ser: Cortocircuitos, Derivaciones, Sobretensiones, Vandalismo, etc... Las protecciones instaladas en las líneas aéreas de contacto dependen en gran medida de si la corriente que circula por dicha línea es alterna o continua y de la tensión de las mismas.En corriente continua las protecciones más comunes son:

  • Cable Tierra, también llamado Cable Guarda.
  • Pararrayos (descargadores de intervalo)
  • Tomas de tierra.
  • Viseras, pantallas y barreras mecánicas.

Sistemas asociados

Se agrupan en este campo los sistemas cuya finalidad principal no es conducir la corriente ni proteger la instalación, pero cuyo objeto va asociado a la gestión de la línea aérea de contacto.

En esta categoría podrian agruparse sistemas de medida y monitorización, sistemas de telemando de seccionadores, sistemas de reaprovechamiento de la energía de la frenada, etc...

Geometría de la catenaria

Para tener una idea general de la geometría de la catenaria debemos en primer lugar definir los términos comunes para referirse a sus valores geométricos.

Vano: Distancia entre dos apoyos consecutivos en el sentido de avance de la línea.

Altura del hilo de contacto: Distancia vertical entre el plano de rodadura del tren, definido por los carriles, y el punto mas bajo del hilo de contacto.

Altura de catenaria: Distancia entre el hilo de contacto y el sustentador (En las catenarias que disponen de este) medida en el apoyo.

Descentramiento: Distancia horizontal, medida a la altura del hilo de contacto y en el plano paralelo al de rodadura, que existe entre el eje de la vía y la posición del hilo de contacto.

Flecha de los hilos de Contacto: Distancia vertical medida en el centro de un vano entre la cota del hilo de contacto en ese punto y en los apoyos anterior y posterior. Si en estos la cota es diferente, la flecha se estalecerá como la semidiferencia de ambas cotas.

Fuentes