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Los sistemas de electrificación ferroviaria que utilizan corriente alterna (CA) a 25 kilovoltios (kV) se utilizan en todo el mundo, especialmente para trenes de alta velocidad .
Resumen [ editar ]
Esta electrificación es ideal para ferrocarriles que cubren largas distancias o tienen mucho tráfico. Después de algunos experimentos antes de la Segunda Guerra Mundial en Hungría y en la Selva Negra en Alemania , se generalizó el uso en la década de 1950.
Una de las razones por las que no se introdujo antes fue la falta de equipos de rectificación y control pequeños y livianos adecuados antes del desarrollo de los rectificadores de estado sólido y la tecnología relacionada. Otra razón fue el aumento de las distancias de espacio libre requeridas donde corría debajo de puentes y túneles, lo que habría requerido una gran ingeniería civil para proporcionar un mayor espacio libre a las partes vivas.
Los ferrocarriles que utilizan sistemas de corriente continua más antiguos y de menor capacidad han introducido o están introduciendo 25 kV de CA en lugar de 3 kV de CC / 1,5 kV de CC para sus nuevas líneas de alta velocidad.
Historia [ editar ]
El primer uso operacional y regular exitoso del sistema de 50 Hz se remonta a 1931, habiéndose realizado pruebas desde 1922. Fue desarrollado por Kálmán Kandó en Hungría, quien utilizó 16 kV AC a 50 Hz , tracción asíncrona y un número ajustable de ( motor) polos. La primera línea electrificada para pruebas fue Budapest – Dunakeszi – Alag. La primera línea completamente electrificada fue Budapest-Győr-Hegyeshalom (parte de la línea Budapest-Viena). Aunque la solución de Kandó mostró un camino hacia el futuro, los operadores ferroviarios fuera de Hungría mostraron una falta de interés en el diseño.
El primer ferrocarril en utilizar este sistema fue completado en 1936 por la Deutsche Reichsbahn que electrificó parte de la Höllentalbahn entre Friburgo y Neustadt instalando un sistema de CA de 20 kV y 50 Hz . Esta parte de Alemania estaba en la zona de ocupación francesa después de 1945. Como resultado del examen del sistema alemán en 1951, la SNCF electrificó la línea entre Aix-les-Bains y La Roche-sur-Foron en el sur de Francia, inicialmente utilizando el mismo 20 kV pero convertido a 25 kV en 1953. El sistema de 25 kV se adoptó entonces como estándar en Francia, pero dado que cantidades sustanciales de kilometraje al sur de París ya se habían electrificado a 1.500 V CC, SNCF también continuó con algunos importantes proyectos nuevos de electrificación de CC, hasta que se desarrollaron las locomotoras de doble voltaje en la década de 1960. [1] [2]
La principal razón por la que la electrificación a este voltaje no se había utilizado antes era la falta de confiabilidad de los rectificadores de arco de mercurio que podían caber en el tren. Esto, a su vez, se relaciona con el requisito de utilizar motores de la serie DC , que requiere que la corriente se convierta de AC a DC y para eso se necesita un rectificador . Hasta principios de la década de 1950, los rectificadores de arco de mercurio eran difíciles de operar incluso en condiciones ideales y, por lo tanto, no eran adecuados para su uso en locomotoras de ferrocarril.
Era posible usar motores de CA (y algunos ferrocarriles lo hicieron, con éxito variable), pero tienen características menos que ideales para fines de tracción. Esto se debe a que el control de la velocidad es difícil sin variar la frecuencia y la dependencia del voltaje para controlar la velocidad da un par a cualquier velocidad dada que no es ideal. Es por eso que los motores de la serie DC son la mejor opción para fines de tracción, ya que pueden controlarse por voltaje y tienen una característica de par vs velocidad casi ideal.
En la década de 1990, los trenes de alta velocidad comenzaron a utilizar motores de inducción de CA trifásicos más ligeros y de menor mantenimiento . El N700 Shinkansen utiliza un convertidor de tres niveles para convertir 25 kV de CA monofásica a 1.520 V CA (mediante transformador) a 3.000 V CC (mediante rectificador controlado por fase con tiristor) a un máximo de 2.300 V CA trifásica (mediante un Voltaje variable, inversor de frecuencia variable que utiliza IGBT con modulación de ancho de pulso ) para hacer funcionar los motores. El sistema funciona a la inversa para un frenado regenerativo .
La elección de 25 kV se relacionó con la eficiencia de la transmisión de energía en función del voltaje y el costo, no en función de una relación ordenada y ordenada del voltaje de suministro. Para un nivel de potencia dado, un voltaje más alto permite una corriente más baja y, por lo general, una mejor eficiencia a un costo mayor para los equipos de alto voltaje. Se encontró que 25 kV era un punto óptimo, donde un voltaje más alto aún mejoraría la eficiencia, pero no en una cantidad significativa en relación con los costos más altos incurridos por la necesidad de aisladores más grandes y mayor espacio libre de las estructuras.
Para evitar cortocircuitos , la alta tensión debe protegerse de la humedad. Los eventos climáticos, como " el tipo incorrecto de nieve ", han causado fallas en el pasado. Un ejemplo de causas atmosféricas ocurrió en diciembre de 2009, cuando cuatro trenes Eurostar se averiaron dentro del Túnel del Canal de la Mancha .
Distribución [ editar ]
La energía eléctrica de una estación generadora se transmite a las subestaciones de la red mediante un sistema de distribución trifásico.
En la subestación de la red, se conecta un transformador reductor en dos de las tres fases del suministro de alto voltaje. El transformador reduce la tensión a 25 kV que se suministra a una estación de alimentación ferroviaria ubicada al lado de las vías. Los SVC se utilizan para equilibrar la carga y controlar el voltaje. [3]
En algunos casos, se construyeron líneas de energía CA monofásicas dedicadas a subestaciones con transformadores CA monofásicos. Estas líneas se construyeron para abastecer al TGV francés . [4]
Estandarización [ editar ]
La electrificación ferroviaria con 25 kV , 50 Hz CA se ha convertido en un estándar internacional. Hay dos estándares principales que definen los voltajes del sistema:
- EN 50163: 2004 + A1: 2007 - "Aplicaciones ferroviarias. Tensiones de alimentación de los sistemas de tracción" [5]
- IEC 60850 - "Aplicaciones ferroviarias. Tensiones de alimentación de los sistemas de tracción" [6]
El rango permisible de voltajes permitidos son los establecidos en las normas anteriores y tienen en cuenta el número de trenes que consumen corriente y su distancia desde la subestación.
Sistema de electrificación | Voltaje | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| Min. no permanente | Min. permanente | Nominal | Max. permanente | Max. no permanente | |
| 25 000 V , CA, 50 Hz | 17 500 V | 19 000 V | 25 000 V | 27 500 V | 29 000 V |
Este sistema es ahora parte de los estándares de interoperabilidad ferroviaria transeuropea de la Unión Europea (1996/48 / EC "Interoperabilidad del sistema ferroviario transeuropeo de alta velocidad" y 2001/16 / EC "Interoperabilidad del sistema ferroviario transeuropeo convencional ").
Variaciones [ editar ]
Se han utilizado sistemas basados en este estándar pero con algunas variaciones.
25 kV CA a 60 Hz [ editar ]
En países donde 60 Hz es la frecuencia eléctrica normal de la red, se utilizan 25 kV a 60 Hz para la electrificación ferroviaria.
- En Argentina en Roca Line (usando 1.676 mm o 5 pies 6 pulg .).
- En Canadá en la línea Deux-Montagnes de la Agencia de Transporte Metropolitano de Montreal .
- En Japón, las líneas Tokaido, Sanyo y Kyushu Shinkansen (usando 1.435 mm o 4 pies 8+1 ⁄ 2 decalibre).
- En Corea del Sur en Korail .
- En Taiwán, en la línea ferroviaria de alta velocidad de Taiwán (utilizando 1.435 mm o 4 pies 8+1 / 2 enmanómetro) y enTaiwan administración ferroviarialíneas electrificadas 's (usando1,067 mmo3 pies 6 encalibre).
- En los Estados Unidos, porciones electrificadas más nuevas del Corredor Noreste (es decir, el segmento New Haven-Boston), líneas de pasajeros interurbanos, líneas de pasajeros de New Jersey Transit, tren de cercanías de Denver RTD y líneas cortas aisladas selectas.
20 kV CA a 50/60 Hz [ editar ]
En Japón, se utiliza en las líneas ferroviarias existentes en la región de Tohoku , la región de Hokuriku , Hokkaido y Kyushu , de las cuales Hokuriku y Kyushu están a 60 Hz .
12,5 kV CA a 60 Hz [ editar ]
Algunas líneas en los Estados Unidos se han electrificado a 12,5 kV 60 Hz o se han convertido de 11 kV 25 Hz a 12,5 kV 60 Hz . El uso de 60 Hz permite el suministro directo desde la red pública de 60 Hz, pero no requiere una mayor separación de cables para 25 kV 60 Hz ni requiere capacidad de voltaje dual para trenes que también operan en líneas de 11 kV 25 Hz . Algunos ejemplos son:
- Ferrocarril del Metro-Norte 's Línea New Haven de Pelham, Nueva York a New Haven, CT (desde 1985; anteriormente 11 kV 25 Hz).
12 kV a 25 Hz [ editar ]
- Línea de la costa de Jersey del norte de New Jersey Transit desde Matawan, Nueva Jersey a Long Branch, Nueva Jersey (1988–2002; cambiado a 25 kV 60 Hz).
- Amtrak
6.25 kV AC [ editar ]
Se planificó la electrificación de ferrocarriles de CA de 50 Hz en el Reino Unido para utilizar secciones a 6,25 kV de CA donde había un espacio libre limitado debajo de puentes y túneles. El material rodante era de doble voltaje con conmutación automática entre 25 kV y 6,25 kV . Las secciones de 6.25 kV se convirtieron a 25 kV AC como resultado de un trabajo de investigación que demostró que la distancia entre los equipos activos y conectados a tierra podría reducirse de lo que originalmente se pensó que era necesario.
La investigación se realizó utilizando una máquina de vapor debajo de un puente en Crewe . Poco a poco se acercó un tramo de la línea aérea de 25 kV a la carpintería metálica puesta a tierra del puente mientras se sometía al vapor de la chimenea de la locomotora. Se midió la distancia a la que se produjo un flameo y se utilizó como base a partir de la cual se derivaron nuevos espacios libres entre los equipos aéreos y las estructuras. [ cita requerida ]
50 kV CA [ editar ]
Ocasionalmente se duplican 25 kV a 50 kV para obtener mayor potencia y aumentar la distancia entre subestaciones. Por lo general, estas líneas se aíslan de otras líneas para evitar complicaciones derivadas de la interrelación. Algunos ejemplos son:
- El Sishen-Saldanha tren de mineral de hierro ( 50 Hz ).
- El Deseret Power Railway, que era un ferrocarril aislado del carbón. ( 60 Hz ) [7]
- El ahora cerrado Black Mesa y Lake Powell Railroad, que también era un ferrocarril de carbón aislado ( 60 Hz ).
- La subdivisión Tumbler Ridge ahora cerrada de BC Rail ( 60 Hz ). [8]
Sistema de autotransformador de 2 x 25 kV [ editar ]
2. Suministro de energía
3. Línea aérea
4. Carril de
rodadura 5. Línea de alimentación
6. Pantógrafo
7. Transformador de locomotora
8. Línea aérea
9. Autotransformador
10. Carril de rodadura
El sistema de autotransformador de 2 × 25 kV es un sistema de energía eléctrica de fase dividida que suministra energía de 25 kV a los trenes, pero transmite energía a 50 kV para reducir las pérdidas de energía. No debe confundirse con el sistema de 50 kV. En este sistema, la corriente se transporta principalmente entre la línea aérea y una línea de transmisión de alimentación en lugar del riel. La línea aérea (3) y el alimentador (5) están en fases opuestas, por lo que la tensión entre ellos es de 50 kV, pero la tensión entre la línea aérea (3) y los rieles de rodadura (4) permanece en 25 kV. Los autotransformadores periódicos (9) desvían la corriente de retorno del carril neutro, la aumentan y la envían a lo largo de la línea de alimentación. Este sistema es utilizado por Indian Railways , Russian Railways, Ferrocarriles italianos de alta velocidad, Reino Unido de alta velocidad-1, la mayor parte de la línea principal y el cruce de la costa oeste, con algunas partes de las líneas más antiguas que se están convirtiendo gradualmente, [ cita requerida ] líneas francesas (líneas LGV y algunas otras líneas [9] ), la mayoría de las líneas ferroviarias de alta velocidad españolas, [10] Amtrak y algunas de las líneas finlandesas y húngaras.
Voltaje aumentado [ editar ]
Para las carreras récord de velocidad mundial de TGV en Francia, la tensión se elevó temporalmente, a 29,5 kV [11] y 31 kV en diferentes momentos. [12]
25 kV en líneas de ancho ancho [ editar ]
- En Australia :
- Adelaide : parte de la red suburbana. ( 50 Hz )
- Finlandia : ver transporte ferroviario en Finlandia ( 50Hz )
- India : ver transporte ferroviario en India y Organización Central para la Electrificación Ferroviaria ( 50Hz )
- Portugal : ver lista de líneas ferroviarias en Portugal ( 50Hz )
- ex Unión Soviética : partes de la red ( 50Hz )
25 kV en líneas de vía estrecha [ editar ]
- En Australia :
- Perth : toda la red suburbana, ver Trenes Transperth ( 50 Hz ).
- Queensland : ver electrificación ferroviaria en Queensland ( 50 Hz ).
- En Japón : ver electrificación ferroviaria en Japón ( 20 kV 50 o 60 Hz ).
- en Malasia : véase transporte ferroviario en Malasia ( 50 Hz ).
- En Nueva Zelanda : ver North Island Main Trunk y Electrificación ferroviaria de Auckland ( 50 Hz ).
- En Sudáfrica : ver transporte ferroviario en Sudáfrica (25 y 50 kV 50 Hz ).
- En Taiwán : ver transporte ferroviario en Taiwán ( 60 Hz ).
- En Túnez ( 50 Hz ): ver transporte ferroviario en Túnez ( 50 Hz ).
Otros voltajes en la electrificación de 50 Hz [ editar ]
- En Francia , Mont Blanc Tramway y Chemin de fer du Montenvers : 11 kV
- En Alemania , Hambachbahn y Nord-Süd-Bahn : 6,6 kV
Locomotoras y trenes multisistema [ editar ]
Los trenes que pueden operar con más de un voltaje, digamos 3 kV / 25 kV, son tecnologías establecidas. Algunas locomotoras en Europa son capaces de utilizar cuatro estándares de voltaje diferentes. [13]
Ver también [ editar ]
- Electrificación ferroviaria de 15 kV AC
- Lista de sistemas de electrificación ferroviaria
- Convertidor de fase rotatorio
Referencias [ editar ]
- ^ Haydock, David (1991). SNCF . Especial "Ferrocarriles Modernos". Londres: Ian Allan. ISBN 978-0-7110-1980-5
- ^ Cuynet, Jean (2005). La traction électrique en France 1900-2005 . París: La Vie du Rail. ISBN 2-915034-38-9
- ^ SVC para equilibrio de carga y control de voltaje en tierra , ABB Power Technologies. [1] Archivado el 6 de febrero de 2007 en la Wayback Machine.
- ↑ TGV power Archivado el 4 de mayo de 2009 en Wayback Machine.
- ^ Institución de estándares británica (enero de 2005). BS EN 50163: 2004 + A1: 2007 Aplicaciones ferroviarias. Voltajes de alimentación de los sistemas de tracción . doi : 10.3403 / 30103554 .
- ^ IEC 60850 - "Aplicaciones ferroviarias. Voltajes de suministro de los sistemas de tracción"
- ^ "Manual de instrucción de coordinación ferroviaria, sección 2.1.5 Deseret Power Railway" (PDF) . Departamento de Transporte de Utah. Mayo de 2015. p. 102 . Consultado el 8 de noviembre de 2016 .
- ^ "GF6C # 6001 CONSERVADO" . Asociación de Ferrocarriles de la Costa Oeste, BC. Mayo de 2004. Archivado desde el original el 18 de febrero de 2009 . Consultado el 9 de enero de 2011 .
- ^ El resto de las líneas francesas utilizan un sistema de refuerzo-transformador de 1 × 25 kV.
- ^ Estudio comparativo de los sistemas de electrificación 1 × 25 kV y 2 × 25 kV (PDF) (Informe). Madrid: Ineco . Junio de 2011 . Consultado el 30 de marzo de 2017 .
- ^ "Las pistas de prueba: una descripción general" .
- ^ "Tren francés alcanza 357 MPH batiendo récord mundial de velocidad" . 4 de abril de 2007.
- ^ "La familia de locomotoras Traxx satisface las necesidades europeas" . Railway Gazette International . 2008-01-07 . Consultado el 27 de septiembre de 2019 .
Traxx MS (multisistema) para funcionamiento en redes de CA (15 y 25 kV) y CC (1 · 5 y 3 kV)
Lectura adicional [ editar ]
- Boocock, Colin (1991). Electrificación de la costa este . Ian Allan. ISBN 0-7110-1979-7.
- Gillham, JC (1988). La era del tren eléctrico: trenes eléctricos en Gran Bretaña desde 1883 . Ian Allan. ISBN 0-7110-1392-6.
- Glover, John (2003). Eastern Electric . Ian Allan. ISBN 0-7110-2934-2.
- Machefert-Tassin, Yves; Nouvion, Fernand; Woimant, Jean (1980). Histoire de la Traction Electrique, vol.1 . La Vie du Rail. ISBN 2-902808-05-4.
- Nock, OS (1965). El nuevo ferrocarril de Gran Bretaña: electrificación de las líneas principales de Londres-Midland desde Euston a Birmingham, Stoke-on-Trent, Crewe, Liverpool y Manchester . Londres: Ian Allan. OCLC 59003738 .
- Nock, OS (1974). Electric Euston a Glasgow . Ian Allan. ISBN 0-7110-0530-3.
- Actas de la Conferencia de Electrificación de Ferrocarriles Británicos, Londres 1960 - Electrificación de Ferrocarriles a Frecuencia Industrial . Londres: British Railways Board. 1960.
- Semmens, Peter (1991). Electrificando la Ruta de la Costa Este . Patrick Stephens Ltd. ISBN 0-85059-929-6.
