Tercer riel

• Descripciones
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  Disposición del tercer carril: 1: tablero de cubierta 2: carril de alimentación 3: aislante 4: traviesa 5: carril     
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  Tercer riel (arriba) en la estación Bloor-Yonge ( Línea 1 ) del metro de Toronto . Alimentado a 600 voltios CC, el tercer riel proporciona energía eléctrica al sistema de propulsión y a los sistemas auxiliares de los vagones del metro.
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  Metro de París . Los rieles guía de las vías con ruedas de goma también funcionan como conductores de corriente . El contacto horizontal se encuentra entre el par de ruedas de goma.
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  Tren de pasajeros del aeropuerto de Londres Stansted , mostrando el cambio de vía.
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  Metro de Budapest

Para el mismo tamaño de vehículo, la electrificación mediante tercer riel requiere un ancho de vía vertical menor en comparación con la electrificación mediante catenaria. ^{[ 5 ]} Esta consideración cobra especial importancia para los ferrocarriles subterráneos urbanos , donde un ancho de vía menor permite secciones transversales de túnel más pequeñas y los consiguientes ahorros en los costos de construcción.

Debido a que los sistemas de tercer riel, ubicados cerca del suelo, presentan riesgos de descarga eléctrica  , no se consideran seguros los voltajes elevados (superiores a 1500 V). Por lo tanto, se debe utilizar una corriente muy alta para suministrar la potencia adecuada al tren, lo que genera grandes pérdidas resistivas y requiere puntos de alimentación ( subestaciones eléctricas ) relativamente cercanos entre sí.

El riel electrificado representa un peligro para cualquier persona que se encuentre en las vías. El riesgo puede mitigarse utilizando puertas de andén , colocando el riel conductor a un lado de la vía, alejado del andén, cuando lo permita el diseño de la estación, o cubriéndolo con una plancha de protección , un tablón sostenido por soportes. Sin embargo, las planchas de protección a menudo no se pueden usar porque reducen el gálibo estructural cerca de la parte superior del riel y, por lo tanto, también el gálibo de carga . Los terceros rieles del tren elevado de Chicago no están cubiertos.

También existe el riesgo de que los peatones caminen sobre las vías en los cruces a nivel y toquen el tercer riel, a menos que se implemente completamente la separación de niveles . En Estados Unidos, una decisión de la Corte Suprema de Illinois de 1992 confirmó un veredicto de 1,5  millones de dólares contra la Autoridad de Tránsito de Chicago por no impedir que una persona ebria caminara sobre las vías en un cruce a nivel en la estación Kedzie en un aparente intento de orinar. ^{[ 6 ]}

Las rampas de los extremos de los rieles conductores (donde se interrumpen o cambian de lado) presentan una limitación práctica de velocidad debido al impacto mecánico de la zapata, y 161 km/h (100 mph) se considera el límite superior de la operación práctica con tercer riel. El récord mundial de velocidad para un tren con tercer riel es de 175 km/h (109 mph) , alcanzado el 11 de abril de 1988 por una unidad eléctrica múltiple británica Clase 442. ^{[ 7 ]}    

En caso de colisión con un objeto extraño, las rampas biseladas de los sistemas de rieles inferiores pueden aumentar el riesgo de que el tercer riel penetre en el interior de un vagón de pasajeros. Se cree que esto contribuyó a la muerte de cinco pasajeros en el accidente ferroviario de Valhalla en 2015. ^{[ 8 ]}

Los sistemas modernos, como el suministro de energía a nivel del suelo (utilizado por primera vez en el tranvía de Burdeos en 2003), evitan el problema de seguridad segmentando el riel electrificado, de modo que cada segmento recibe energía solo cuando está completamente cubierto por el vehículo que utiliza dicha energía. ^{[ 2 ]}

Los sistemas de tercer riel con contacto superior son propensos a la acumulación de nieve o hielo formado por nieve recongelada, lo que puede interrumpir las operaciones. Algunos sistemas utilizan trenes antihielo específicos para depositar un fluido aceitoso o anticongelante (como propilenglicol ) en el riel conductor y evitar la acumulación de hielo. El tercer riel también puede calentarse para mitigar el problema del hielo.

A diferencia de los sistemas de catenaria, los sistemas de tercer riel no son susceptibles a los fuertes vientos ni a la lluvia helada , que pueden derribar los cables aéreos e inutilizar todos los trenes. Las tormentas eléctricas también pueden provocar cortes de energía por rayos en los sistemas con catenaria , dejando los trenes fuera de servicio si se produce una sobrecarga o una rotura en los cables.

Depending on train and track geometry, gaps in the conductor rail (e.g., at level crossings and junctions) could allow a train to stop in a position where all of its power pickup shoes are in gaps, so that no traction power is available. The train is then said to be "gapped". Another train must then be brought up behind the stranded train to push it on to the conductor rail, or a jumper cable may be used to supply enough power to the train to get one of its contact shoes back on the live rail. Avoiding this problem requires a minimum length of trains that can be run on a line. Locomotives have either had the backup of an on-board diesel engine system (e.g., British Rail Class 73), or have been connected to shoes on the rolling stock (e.g. Metropolitan Railway).

The first idea for feeding electricity to a train from an external source was by using both rails on which a train runs, whereby each rail is a conductor for each polarity, and is insulated by the sleepers. This method is used by most scale model trains; however, it does not work as well for large trains as the sleepers are not good insulators. Furthermore, the electric connection requires insulated wheels or insulated axles, but most insulation materials have poor mechanical properties compared with metals used for this purpose, leading to a less stable train vehicle. Nevertheless, it was sometimes used at the beginning of the development of electric trains. The oldest electric railway in the world, Volk's Railway in Brighton, England, was originally electrified at 50 volts DC using this system (it is now a three-rail system). Other railway systems that used it were the Gross-Lichterfelde Tramway and the Ungerer Tramway.

El tercer carril suele estar situado fuera de los dos carriles de rodadura, pero en algunos sistemas se monta entre ellos. La electricidad se transmite al tren mediante una zapata deslizante, que se mantiene en contacto con el carril. En muchos sistemas, se proporciona una cubierta aislante sobre el tercer carril para proteger a los empleados que trabajan cerca de la vía; a veces, la zapata está diseñada para contactar con el lateral (denominado "rodamiento lateral") o la parte inferior (denominado "rodamiento inferior" o "rodamiento bajo") del tercer carril, lo que permite montar la cubierta protectora directamente en su superficie superior. Cuando la zapata se desliza a lo largo de la superficie superior, se denomina "rodamiento superior". Cuando la zapata se desliza a lo largo de la superficie inferior, se ve menos afectada por la acumulación de nieve, hielo u hojas, ^{[ 4 ]} y reduce las posibilidades de que una persona se electrocute al entrar en contacto con el carril. Ejemplos de sistemas que utilizan un tercer carril de rodadura bajo incluyen Metro-North en el área metropolitana de Nueva York ; ^{[ 9 ]} la línea SEPTA Market-Frankford en Filadelfia ; ^{[ 4 ]} y el Docklands Light Railway de Londres . ^{[ 10 ]}

Los trenes de tracción eléctrica (que utilizan energía eléctrica generada en una central eléctrica remota y transmitida a los trenes) son considerablemente más rentables que los trenes diésel o de vapor, donde se requiere transportar unidades de potencia independientes en cada tren. Esta ventaja es especialmente notable en sistemas de transporte urbano y de alta densidad de tráfico.

Debido a las limitaciones mecánicas en el contacto con el tercer riel, los trenes que utilizan este método de alimentación eléctrica alcanzan velocidades más bajas que los que usan catenarias y pantógrafo . Sin embargo, pueden ser preferibles dentro de las ciudades, ya que no se requiere una velocidad muy alta y generan menos contaminación visual .

El tercer carril es una alternativa a las líneas aéreas que transmiten energía a los trenes mediante pantógrafos instalados en ellos. Mientras que los sistemas de catenaria pueden operar a 25  kV o más, utilizando corriente alterna (CA), la menor distancia de seguridad alrededor de un carril activo impone un máximo de aproximadamente 1200  V, aunque algunos sistemas utilizan 1500  V ( Línea 4, Metro de Guangzhou ; Línea 5, Metro de Guangzhou ; Línea 3, Metro de Shenzhen ), y se utiliza corriente continua (CC). En algunas líneas o redes, los trenes utilizan ambos modos de alimentación (véase el apartado « Sistemas mixtos» más adelante). 

Todos los sistemas de tercer carril del mundo se alimentan con corriente continua (CC). Algunas de las razones son históricas. Las primeras locomotoras eran de CC, y el equipo rectificador disponible en aquel entonces era grande, caro y poco práctico para instalar a bordo de los trenes. Además, la transmisión de las corrientes relativamente altas requeridas produce mayores pérdidas con corriente alterna (CA) que con CC. ^{[ 12 ]} Las subestaciones para un sistema de CC deben estar separadas (normalmente) unos 2 kilómetros (1,2 millas) , aunque el espaciamiento real depende de la capacidad de carga, la velocidad máxima y la frecuencia de servicio de la línea.

Un método para reducir las pérdidas de corriente (y, por lo tanto, aumentar la distancia entre alimentadores y subestaciones, un costo importante en la electrificación con tercer carril) consiste en utilizar un carril conductor compuesto de diseño híbrido de aluminio y acero. El aluminio es un mejor conductor de electricidad, y la superficie de rodadura de acero inoxidable ofrece una mayor resistencia al desgaste.

Existen varias formas de unir el acero inoxidable al aluminio. La más antigua es la coextrusión, donde el acero inoxidable se extruye junto con el aluminio. Este método ha sufrido, en casos aislados, deslaminación (separación del acero inoxidable del aluminio); se dice que este problema se ha eliminado en los rieles coextruidos más recientes. Un segundo método consiste en un núcleo de aluminio, sobre el cual se colocan dos secciones de acero inoxidable a modo de tapa y se sueldan linealmente a lo largo del eje central del riel. Debido a que el aluminio tiene un coeficiente de dilatación térmica mayor que el acero, ambos deben estar firmemente unidos para garantizar una buena captación de corriente. Un tercer método consiste en remachar tiras conductoras de aluminio al alma del riel de acero.

Al igual que con los cables aéreos, la corriente de retorno generalmente fluye a través de uno o ambos rieles de rodadura, y la fuga a tierra no se considera grave. Donde los trenes circulan sobre neumáticos de caucho, como en partes del Metro de Lyon , el Metro de París , el Metro de Ciudad de México , el Metro de Santiago , el Metro Municipal de Sapporo y en todo el Metro de Montreal y algunos sistemas de transporte guiado automatizado (por ejemplo, la Línea Astram ), se debe proporcionar un riel energizado para alimentar la corriente. El retorno se efectúa a través de los rieles de la vía convencional entre estas barras guía ( véase metro con neumáticos de caucho ).

Otro diseño, con un tercer carril (alimentación de corriente, fuera de los raíles de rodadura) y un cuarto carril (retorno de corriente, a medio camino entre los raíles de rodadura), se utiliza en algunos sistemas de ruedas de acero. El metro de Londres es el mayor de ellos (véase electrificación ferroviaria en Gran Bretaña ). La principal razón para utilizar el cuarto carril para transportar la corriente de retorno es evitar que esta fluya a través del revestimiento metálico original del túnel, que nunca se diseñó para transportar corriente y que sufriría corrosión electrolítica si dicha corriente circulara por él.

Otro sistema de cuatro raíles es la línea M1 del metro de Milán , donde la corriente se extrae mediante una barra plana lateral con contacto lateral, y el retorno se realiza a través de un raíl central con contacto superior. En algunos tramos de la parte norte de la línea también hay una catenaria, que permite a los trenes de la línea M2 (que utilizan pantógrafos y mayor voltaje, y no tienen patines de contacto) acceder a un depósito situado en la línea M1. En los depósitos, los trenes de la línea M1 utilizan pantógrafos por motivos de seguridad, y la transición se realiza cerca de los depósitos, lejos de las vías principales.

La electrificación mediante tercer carril es menos intrusiva visualmente que la electrificación aérea. ^{[ 13 ]}

Varios tipos de trenes británicos han operado tanto en sistemas de catenaria como de tercer carril, incluyendo las unidades múltiples eléctricas (EMU) British Rail Clase 313 , 319 , 325 , 350 , 365 , 375/6 , 377/2 , 377/5, 377/7 , 378/2 , 387 , 373 , 395 , 700 y 717 , así como las locomotoras Clase 92 .

Network Rail afirma operar la red de tercer carril más grande del mundo. ^{[ 14 ]}

En la región sur de British Rail, los patios de carga tenían cables aéreos para evitar los riesgos de electrocución de un tercer riel. ^{[ 15 ]} Las locomotoras estaban equipadas con un pantógrafo y patines de captación.

Línea North Downs

La línea North Downs no está electrificada en aquellos tramos donde el servicio North Downs tiene uso exclusivo.

Las secciones electrificadas de la línea son:

• Redhill a Reigate: Permite que los servicios de Southern Railway lleguen hasta Reigate. Esto evita tener que dar la vuelta a los trenes que terminan su recorrido en Redhill, ya que, debido a la disposición de la estación, la maniobra de inversión bloquearía casi todas las vías en circulación.
• Línea que conecta Shalford Junction con Aldershot South Junction, compartida con los servicios eléctricos de South Western Railway a Portsmouth y Aldershot.
• Línea de Wokingham a Reading, compartida con los servicios eléctricos de South Western Railway procedentes de Waterloo.

El nuevo tranvía de Burdeos (Francia) utiliza un novedoso sistema con un tercer carril en el centro de la vía. Este tercer carril se divide en segmentos conductores de 10 m (32 pies 9 + 3/4 pulgadas ) de longitud y segmentos aislantes de 3 m (9 pies 10 + 1/8 pulgadas ) . Cada segmento conductor está conectado a un circuito electrónico que lo activa una vez que se encuentra completamente bajo el tranvía (mediante una señal codificada enviada por el tren) y lo desactiva antes de que vuelva a quedar expuesto. Este sistema (denominado Alimentación por Sol (APS), que significa «suministro de corriente a través del suelo») se utiliza en varios puntos de la ciudad, especialmente en el centro histórico; en el resto de la ciudad, los tranvías utilizan las catenarias convencionales (véase también suministro eléctrico a nivel del suelo ). En el verano de 2006 se anunció que dos nuevos sistemas de tranvía franceses utilizarían APS en parte de sus redes. Estos serán los de Angers y Reims , y se esperaba que ambos sistemas entraran en funcionamiento entre 2009 y 2010.      

El ferrocarril francés Culoz-Modane se electrificó con  un tercer carril de 1500 V CC, que posteriormente se convirtió a catenaria del mismo voltaje. Las estaciones contaban con catenaria desde el principio.

La línea ferroviaria francesa que da servicio a Chamonix y la región del Mont Blanc ( de Saint-Gervais-le-Fayet a Vallorcine ) utiliza tercer carril (contacto superior) y ancho de vía métrico. Continúa en Suiza, en parte con el mismo sistema de tercer carril y en parte con catenaria.

La línea Train Jaune, de 63 km (39 millas) de longitud , que discurre por los Pirineos , también cuenta con un tercer raíl.  

Muchas líneas suburbanas que partían de la estación Paris Saint Lazare utilizaban alimentación por tercer carril (contacto inferior).

Para mitigar los costos de inversión, el metro de Rotterdam , un sistema alimentado por tercer riel, cuenta con tramos en ramales periféricos construidos sobre vías de superficie como tren ligero (conocido como sneltram en neerlandés), con numerosos pasos a nivel protegidos con barreras y semáforos. Estos ramales disponen de catenaria. El proyecto RandstadRail también exige que los trenes del metro de Rotterdam circulen bajo catenaria a lo largo de las antiguas líneas ferroviarias principales hacia La Haya y Hook of Holland.

De manera similar, en Ámsterdam una ruta de Sneltram discurría por las vías del metro y pasaba a la superficie en los suburbios, donde compartía vías con los tranvías estándar. En Ámsterdam , el tren ligero Sneltram utiliza un tercer carril y cambia a catenaria cuando pasa a la vía tradicional compartida con los tranvías en Ámsterdam . La línea 51 a Amstelveen operaba el servicio de metro entre Amsterdam Centraal y Station Zuid. En Amsterdam Zuid cambiaba del tercer carril al pantógrafo y a la catenaria. Desde allí hasta Amstelveen Centrum compartía sus vías con la línea de tranvía 5. Los vehículos de tren ligero en esta línea podían utilizar tanto 600  V CC como 750  V CC. A partir de marzo de 2019, esta línea de metro fue desmantelada, en parte debido a problemas relacionados con el cambio entre el tercer carril y la catenaria. Su número de línea 51 ha sido asignado a una nueva línea de metro que recorre parcialmente la misma ruta desde la estación de tren Amsterdam Central hasta Station Zuid y luego sigue la misma ruta que la línea de metro 50 hasta la estación de tren Amsterdam Sloterdijk .

En la ciudad de Nueva York, la línea New Haven de Metro-North Railroad opera trenes eléctricos desde la Grand Central Terminal que utilizan el tercer riel en la antigua línea New York Central Railroad, pero cambian a catenarias en Pelham para operar en la antigua línea New York, New Haven and Hartford Railroad . El cambio se realiza sobre la marcha (a velocidad) y se controla desde la cabina del maquinista.

Las dos estaciones principales de la ciudad de Nueva York —Grand Central y Pennsylvania Station— no permiten que las locomotoras diésel operen en sus túneles debido al riesgo para la salud que representan los gases de escape. Por lo tanto, el servicio diésel de Metro-North, Long Island Rail Road y Amtrak utiliza locomotoras diésel/electrodiésel de modo dual ( P32AC-DM y DM30AC ) que pueden usar la alimentación del tercer riel en las estaciones y accesos. Cuando operan con el tercer riel, estas locomotoras son menos potentes, por lo que en vías al aire libre (fuera de túneles) los motores suelen funcionar en modo diésel, incluso donde hay alimentación de tercer riel disponible. New Jersey Transit también utiliza locomotoras de modo dual ALP-45DP para operar en Penn Station junto con su flota eléctrica habitual. Sin embargo, sus locomotoras de modo dual utilizan la alimentación de catenaria, ya que está disponible en gran parte de su red. ^{[ 16 ]}

En la ciudad de Nueva York (en la mayor parte de la isla de Manhattan ) y en Washington, D.C., las ordenanzas locales exigían que los tranvías electrificados tomaran corriente de un tercer riel y la devolvieran a un cuarto riel, ambos instalados en una bóveda continua bajo la calle y accesibles mediante un colector que pasaba por una ranura entre los rieles de circulación. Cuando los tranvías de estos sistemas entraban en territorio donde se permitían las líneas aéreas, se detenían sobre un foso donde un operario desconectaba el colector ( arado ) y el conductor colocaba un trole en la línea aérea. En Estados Unidos, todos estos sistemas de alimentación por conductos se han descontinuado y han sido reemplazados o abandonados por completo.

Algunos tramos del antiguo sistema de tranvías de Londres también utilizaban el sistema de captación de corriente por conductos , e incluso algunos tranvías podían captar energía tanto de fuentes aéreas como subterráneas.

La Línea Azul del MBTA de Boston utiliza electrificación por tercer riel desde el inicio de la línea en el centro hasta la estación del Aeropuerto , donde cambia a catenaria aérea para el resto de la línea hasta la estación Wonderland . La sección más externa de la Línea Azul pasa muy cerca del Océano Atlántico , y existía preocupación por la posible acumulación de nieve y hielo en un tercer riel tan cerca del agua. La catenaria aérea no se utiliza en la sección subterránea debido a las estrechas gálibos en el túnel de 1904 bajo el puerto de Boston. Los vagones de tránsito rápido Hawker Siddeley serie 01200 de la Línea Naranja del MBTA (esencialmente una versión más larga de los 0600 de la Línea Azul) vieron sus puntos de montaje del pantógrafo retirados durante un programa de mantenimiento a mitad de su vida útil; estos soportes se habrían utilizado para pantógrafos que se habrían instalado si la Línea Naranja se hubiera extendido al norte de su terminal actual.

El método de alimentación dual también se utilizó en algunos ferrocarriles interurbanos de EE. UU . que empleaban el nuevo tercer riel en las zonas suburbanas y la infraestructura existente de tranvías aéreos para llegar al centro de la ciudad. Por ejemplo, la Línea Amarilla del metro elevado de Chicago (que utiliza vías originalmente usadas por la Línea North Shore ) utilizaba catenarias en la mitad occidental de la ruta, que se convertían en tercer riel en la mitad oriental. Toda la línea se adaptó al tercer riel en 2004 para reducir los costos de mantenimiento y permitir una mejor compatibilidad con el material rodante.

En los países que formaron parte de la Unión Soviética , el tercer carril se denomina carril de contacto. Se fabrica según una norma única con acero de bajo contenido de carbono para mejorar sus propiedades conductoras. La corriente se recoge desde abajo y el tercer carril está cubierto por encima con una carcasa de plástico. La longitud estándar de un carril de contacto es de 12,5 metros. En tramos rectos y curvos con un radio de 300 metros o más en túneles, los carriles de contacto se sueldan en tramos de 100 metros de longitud; en tramos en superficie, la longitud del tramo es de 37,5 metros; y en vías de maniobra y curvas con un radio inferior a 300 metros, la longitud es de 12,5 metros. El tercer carril se monta mediante soportes.