Circuito de vías

Un circuito de vía generalmente tiene alimentación eléctrica en cada riel y una bobina de relé conectada entre ellos. Cuando no hay ningún tren, el relé se activa mediante la corriente que fluye desde la fuente de alimentación a través de los rieles. Cuando hay un tren, sus ejes cortocircuitan ( conectan en derivación ) los rieles. La corriente que llega a la bobina del relé de vía disminuye y esta se desactiva. Por lo tanto, los circuitos que pasan por los contactos del relé informan si la vía está ocupada o no.

Cada circuito detecta una sección definida de la vía, como un bloque . Estas secciones están separadas por juntas aisladas , generalmente en ambos rieles. Para evitar que un circuito alimente erróneamente a otro en caso de falla del aislamiento, la polaridad eléctrica suele invertirse de una sección a una adyacente. Los circuitos se alimentan con voltajes bajos (de 1,5 a 12  V CC). Los relés y la fuente de alimentación están conectados a los extremos opuestos de la sección para evitar que los rieles rotos aíslen eléctricamente parte de la vía del circuito. Una resistencia en serie limita la corriente cuando el circuito de la vía se cortocircuita.

En algunos proyectos de electrificación ferroviaria , uno o ambos raíles de rodadura se utilizan para conducir la corriente de tracción de retorno. Esto impide el uso del circuito básico de vía de corriente continua, ya que las considerables corrientes de tracción superan con creces las muy pequeñas corrientes del circuito de vía.

Cuando se utiliza tracción de CC en la vía principal o en vías muy próximas, no se pueden utilizar circuitos de vía de CC; del mismo modo, si se utiliza electrificación de CA de 50 Hz, no se pueden utilizar circuitos de vía de CA de  50 Hz. 

Para adaptarse a esto, los circuitos de vía de CA utilizan señales de corriente alterna (CA) en lugar de corriente continua (CC), pero normalmente, la frecuencia de CA se encuentra en el rango de las frecuencias de audio , desde 91  Hz hasta 10  kHz. Los relés están configurados para detectar la frecuencia seleccionada e ignorar las señales de frecuencia de tracción de CC y CA. Nuevamente, los principios de seguridad dictan que el relé interprete la presencia de la señal como una vía libre, mientras que la ausencia de señal indica la presencia de un tren. La señal de CA puede codificarse y las locomotoras pueden equiparse con captadores inductivos para crear un sistema de señalización en cabina .

Existen dos métodos comunes para proporcionar una trayectoria continua para la corriente de tracción que abarque varios bloques de circuito de vía. El método más sencillo consiste en instalar juntas de circuito de vía aisladas en solo uno de los dos rieles, mientras que el segundo sirve como vía para la corriente de retorno y como toma de tierra para el riel del circuito de vía. Esto tiene la desventaja de que solo permite detectar interrupciones en un riel, por lo que el sistema de dos rieles, más popular, utiliza conexiones de impedancia para permitir el paso de la corriente de tracción entre bloques de circuito de vía aislados, bloqueando la corriente a las frecuencias del circuito de vía.

En ocasiones, los circuitos de corriente alterna (CA) se utilizan en zonas donde las condiciones generan corrientes parásitas que interfieren con los circuitos de vía de corriente continua (CC).

"Empalmes" eléctricos de circuitos de vía sin empalmes en el metro de Shanghái . Izquierda: Empalme Wee-Z de un circuito de vía de audiofrecuencia GRS ; Derecha: Empalme S de un circuito de vía Alstom Digicode.

Las vías modernas suelen estar soldadas de forma continua , realizándose la soldadura de las juntas durante la instalación. Esto ofrece numerosas ventajas, salvo para el sistema de señalización, que ya no dispone de interrupciones naturales en el raíl para formar secciones de bloqueo. El único método para formar bloques discretos en este caso consiste en utilizar diferentes frecuencias de audio (FA) en cada sección. Para evitar que la señal de audio de una sección se transmita a una adyacente, se conectan pares de circuitos sintonizados a través de los raíles en el límite de la sección. El circuito sintonizado suele incorporar el circuito para aplicar la señal transmitida a la vía o para recuperar la señal recibida en el otro extremo de la sección.

Consideremos una vía férrea con dos secciones en bloque, como se muestra en el diagrama. En la sección 1, la frecuencia A se inyecta en el extremo izquierdo y se recibe en el extremo derecho. La sección 2 continúa desde el extremo derecho de la sección 1, donde se inyecta la frecuencia B y se recibe en el extremo derecho de la sección 2.

A menudo existe un intervalo entre la recepción de la frecuencia A y la inyección de la frecuencia B. Este intervalo se denomina «zona sintonizada» y corresponde a un tramo de vía donde la amplitud de la frecuencia A disminuye en la dirección de la sección 2 y la amplitud de la frecuencia B disminuye en la dirección de la sección 1. La zona sintonizada puede tener una  longitud aproximada de 20 metros.

Ventajas de los circuitos de vía sin juntas:

• Elimina las juntas de bloques aislados, un componente propenso a fallos mecánicos (tanto del aislamiento como por la introducción de tensiones en los raíles adyacentes) y a problemas de mantenimiento.
• En zonas electrificadas, los circuitos de vía sin juntas requieren menos conexiones de impedancia que cualquier otro circuito de vía de retorno de tracción de doble carril.

Desventajas de los circuitos de vía sin juntas:

• Existen restricciones para la colocación de conexiones de impedancia, y por lo tanto cualquier conexión para fines de electrificación, dentro o cerca de las zonas sintonizadas, ya que esto puede alterar las propiedades de filtrado de la zona sintonizada.
• Los circuitos electrónicos son más vulnerables a los rayos.

CSEE (ahora parte de MERMEC ) UM71 es otro tipo de circuito de vía sin juntas. Utiliza 1700  Hz y 2300  Hz en una vía y 2000  Hz y 2600  Hz en la otra. ^{[ 1 ]} Para reducir la posibilidad de que las corrientes parásitas provoquen una falla en el lado incorrecto, la frecuencia de modulación se calcula dividiendo la frecuencia base por 128. Los equipos en los trenes pueden detectar diferentes tasas de modulación y utilizarlas para el control automático del tren , siempre que el extremo transmisor (Tx) esté en la parte delantera del tren.

Los circuitos de vía sin juntas EBItrack (anteriormente TI21 ) y Westinghouse FS2500 son similares al UM71.

Unidad de captación de datos

Un circuito de vía sin juntas, como el CSEE, puede dividirse con una unidad de captación de datos (DPU), lo que resulta más económico que dividirlo en dos circuitos. Una DPU evita la necesidad de cambiar la frecuencia de toda una serie de circuitos de vía en cascada. La DPU consta de una bobina sintonizada que detecta la presencia o ausencia de corriente en el carril adyacente y activa o desactiva un relé según corresponda. Una de las aplicaciones de las DPU es la temporización de circuitos. Cada frecuencia de circuito de vía tiene su propia DPU sintonizada a dicha frecuencia. Las DPU pueden ubicarse prácticamente en cualquier lugar, superando la limitación de que las vías sin juntas tengan una longitud mínima.

En zonas no electrificadas, se pueden utilizar circuitos de vía con codificación de CC. Estos modulan la corriente que va desde la fuente de alimentación hasta el relé y controlan las señales y las señales de cabina sin necesidad de cables de línea. Las corrientes moduladas pueden ser detectadas por equipos conectados a la vía para proporcionar información de señalización e indicación y activar la señalización de cabina adecuada , si está disponible. ^{[ 2 ]} Se pueden superponer sistemas predictivos para operar pasos a nivel. ^{[ 3 ]}

Entre las marcas de circuitos de vías codificadas se incluyen:

• Alstom née GE Electrocode 5
• Microtrax/E-Code de Hitachi (anteriormente Union Switch & Signal)

Cuando la longitud de un tramo excede la longitud práctica de un circuito de vía, se pueden instalar vías con derivación. En este caso, el relé de la última vía interrumpe la alimentación de la penúltima vía, y así sucesivamente. Las vías con derivación solo son adecuadas para vías unidireccionales.

Los circuitos de vía con balasto contaminado serán más cortos que aquellos con balasto en buen estado, por lo que requerirán más tramos de vía cortados.

Una marca común de circuitos de seguimiento de impulsos de alto voltaje (HVIT) es la fabricada por Jeumont-Schneider . El alto voltaje penetra el óxido y otros problemas.

El HVIT transmite dos pulsos alternativamente: uno positivo estrecho de aproximadamente 100  V CC y uno negativo más ancho de aproximadamente 30  V CC. La energía de ambos pulsos es la misma. En el receptor, un circuito RC integra los dos pulsos, que deben tener las proporciones correctas para que el relé los detecte. Los circuitos RC verifican que los pulsos positivo y negativo estén en fase. Los dos pulsos operan a aproximadamente 1  Hz.

El circuito funciona con líneas electrificadas de corriente alterna y continua, con equipos adicionales.

En las zonas no electrificadas, las juntas de bloque aisladas vienen en pares, una en cada carril.

En zonas electrificadas, se requiere una solución alternativa para permitir que la corriente de tracción, del orden de miles de amperios, regrese a la subestación. Esto se puede lograr eliminando las juntas de bloqueo aisladas en uno de los rieles, denominado riel de retorno.

Si ambos rieles deben soportar la alta corriente de retorno de tracción, se instalan juntas de bloqueo aisladas en ambos rieles, y se colocan puentes de impedancia para conducir la corriente de tracción alrededor de dichas juntas. Los puentes de impedancia son esencialmente bobinas con toma central, que ofrecen baja impedancia a la corriente de tracción, por ejemplo, a 50  Hz, y alta impedancia a la corriente de señalización, por ejemplo, a 1,7  kHz.

Las ruedas de los ferrocarriles están hechas de acero y proporcionan un buen cortocircuito entre rieles ( resistencia de derivación ).

Los trenes más largos, con más ruedas, tienen mejor conductividad. Los trenes cortos, los automotores ligeros o las locomotoras individuales pueden presentar problemas. En Nueva Zelanda, se registraron problemas con los automotores ligeros de la clase Rm, que no siempre se detectaban; véase Señalización ferroviaria en Nueva Zelanda . Los trenes con un solo automotor Budd , que también son ligeros y cuentan con frenos de disco, presentaban algunos problemas al detenerse y debían realizar una doble parada para asegurar un buen contacto con los rieles.

Las zapatas de freno de hierro fundido tienden a limpiar las ruedas de residuos no conductores (como hojas y compuestos de tracción a base de arena), mientras que los frenos de disco no lo hacen. Por ello, algunos vehículos con frenos de disco incorporan almohadillas de limpieza que limpian las ruedas para facilitar el correcto funcionamiento del circuito de la vía.

Los relés de circuito de vía , denominados por los técnicos de señalización como "relés vitales", están especialmente diseñados para reducir la probabilidad de fallos en el lado incorrecto . Por ejemplo, pueden tener contactos de carbono-plata para disminuir la probabilidad de que estos se suelden tras sobretensiones y descargas atmosféricas.

El circuito está diseñado de tal manera que la gran mayoría de las fallas provocarán una indicación de "vía ocupada" (conocida como falla del lado derecho). Por ejemplo:

• Un cable o riel roto interrumpirá el circuito entre la fuente de alimentación y el relé, desenergizándolo. Véase la excepción a continuación.
• Un fallo en el suministro eléctrico desactivará el relé.
• Un cortocircuito a través de los rieles o entre secciones de vía adyacentes desenergizará el relé.

Por otro lado, son posibles modos de fallo que impiden que el circuito detecte trenes (conocido como fallo del lado incorrecto). Algunos ejemplos son:

• Fallo mecánico del relé, que provoca que este se quede atascado en la posición de "vía libre" incluso cuando la vía está ocupada.
  • Una de las carcasas de metacrilato se deformó con el calor y tocó los contactos del relé, impidiendo que se levantaran.
  • En otro relé "miniatura" de la serie Q, una arandela metálica se deslizó y atascó los contactos del relé; hubo que sustituir las medias arandelas por arandelas circulares completas.
• Condiciones que aíslan parcial o totalmente las ruedas del riel, como óxido, arena u hojas secas en los rieles. Esto también se conoce como "mala maniobra" ("fallo en la maniobra" en Norteamérica y Australia). El sistema de arenado que opera en todas las ruedas de una locomotora que viaja sin carga puede aislarla temporalmente de los rieles hasta que cesa el arenado y la locomotora se ha desplazado más adelante en la vía.
• Cuando existen múltiples vías paralelas para el retorno de tracción, se pierde la detección de rotura de riel en el riel utilizado para dicho retorno. Si se produce más de una rotura en ese riel, puede darse una falsa señal de vía libre cuando el tren se encuentre entre las roturas.
• Condiciones en la plataforma de la vía (lechada) que crean señales eléctricas parásitas, como balasto fangoso (que puede generar un "efecto batería") o corrientes eléctricas parásitas de líneas de transmisión de energía cercanas.
• Oscilaciones parásitas en el equipo que controla los circuitos de vía. ^{[ 4 ]}
• Equipos que no son lo suficientemente pesados ​​como para hacer un buen contacto eléctrico (fallo de derivación) o cuyas ruedas deben estar aisladas eléctricamente.
• Una rotura del raíl entre la junta aislada del raíl y el cableado de alimentación del circuito de vía no sería detectada.

Los fallos que dan lugar a una señal incorrecta de vía libre (conocida habitualmente en Norteamérica como «falsa vía libre») pueden permitir que un tren entre en un bloque ocupado, creando riesgo de colisión. La acumulación de material en las ruedas y los trenes cortos también pueden ser un problema. Asimismo, pueden provocar que los sistemas de advertencia en un paso a nivel no se activen. Por este motivo, en el Reino Unido, también se utiliza un pedal en los circuitos de los pasos a nivel.

Para responder a este tipo de fallos, se emplean diferentes métodos. Por ejemplo, los relés están diseñados para ofrecer una fiabilidad muy alta. En zonas con problemas eléctricos, se pueden utilizar circuitos de vía distintos, menos susceptibles a las interferencias. La velocidad puede restringirse cuando y donde la caída de hojas representa un problema. El tráfico puede restringirse para permitir el paso de equipos que no accionan correctamente las vías.

El sabotaje es posible. En el descarrilamiento de Palo Verde en 1995 , los saboteadores conectaron eléctricamente secciones de riel que habían desplazado para ocultar las roturas que habían provocado en la vía. Por lo tanto, el circuito de la vía no detectó las roturas y el maquinista no recibió la señal de "Alto". Otra forma de sabotaje, que no pretende provocar un accidente ferroviario sino simplemente hacer que los trenes se detengan y reduzcan la velocidad innecesariamente con el fin de perjudicar la economía o causar posibles lesiones, consiste en atar un cable entre los dos rieles, generando una falsa señal de obstrucción. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

El circuito de la vía depende de un contacto eléctrico adecuado entre el riel y la rueda; la contaminación puede aislarlos. Un problema común son las hojas caídas, aunque también se han dado casos en los que insectos aplastados han provocado fallos en la detección. ^{[ 7 ]}

Un problema más persistente es la corrosión. Normalmente, la cabeza de la vía se mantiene libre de óxido gracias al paso regular de las ruedas de los trenes. Las vías que no se utilizan con regularidad pueden oxidarse tanto que impiden la detección de los vehículos. Los desvíos y cruces poco utilizados, así como los extremos de las vías de los andenes terminales, también son propensos a la corrosión. Las medidas para solucionar este problema incluyen:

• Barras de presión o pedales para detectar vehículos; estos son mecánicos;
• Tiras de acero inoxidable (a menudo en forma de zigzag) soldadas en los extremos de los rieles; el acero inoxidable no se oxida;
• Circuitos de seguimiento de impulsos de alto voltaje ;
• Asistente de circuito de vía (TCA) : un sistema montado en el tren que reduce la resistencia de la capa de óxido;
• Contadores de eje sobre la sección afectada
• Sistemas de bloqueo de túneles mediante los cuales un circuito de vía no puede activarse a menos que se detecte un tren en el siguiente circuito de vía.

En ciertas circunstancias, las juntas de bloqueo aisladas pueden ser bloqueadas por la acumulación de material rodante, lo que provoca la falla de uno o dos circuitos de vía. Este problema puede mitigarse colocando un par de juntas de bloqueo en serie  separadas aproximadamente 4 m. El tramo corto de 4  m no estaría conectado a un circuito de vía. ^{[ 8 ]}

Las locomotoras eléctricas deben evitar generar ruido en las frecuencias que utilizan los circuitos de vía. La Clase 13 de la SNCB tenía este problema.

Un tren corto, ligero y rápido que pasa por una junta de bloqueo aislada puede desaparecer del circuito de vía de salida antes de aparecer en el circuito de vía de llegada, lo que puede dar lugar a señales de vía libre falsas. Este problema se puede solucionar introduciendo un retardo de tiempo de, por ejemplo, 1 o 2 segundos en el circuito de vía de salida. Los circuitos de vía electrónicos, como el CSEE, pueden incorporar fácilmente dicho retardo.

La instalación de circuitos de vía habría evitado numerosos accidentes, entre ellos:

• Accidente ferroviario de Norton Fitzwarren (1890)
• Accidente ferroviario en Hawes Junction (1910)
• Accidente ferroviario de Quintinshill (1915)
• Colisión en el bucle de Geurie (1963)

Son mucho menos frecuentes los accidentes causados ​​por fallos en los propios circuitos de la pista. Por ejemplo:

• El desastre ferroviario de Cowan se produjo cuando la arena sobre las vías aisló las ruedas de las mismas, provocando un fallo en la maniobra que permitió que una señal de bloqueo posterior mostrara incorrectamente un aspecto libre, lo que resultó en una colisión por alcance.
• El accidente ferroviario de Moravany ocurrió en la estación de tren de Moravany . Un dispensador de arena roto provocó la formación de una capa de arena sobre el riel, lo que hizo que este perdiera la maniobra. El equipo de la estación interpretó esto como que la vía estaba libre y permitió que otro tren entrara en la estación, el cual chocó por detrás con el tren anterior. ^{[ 12 ]}
• Colisión de trenes del metro de Washington el 22 de junio de 2009 , que ocurrió cuando se desarrolló una oscilación parásita en un módulo de control del circuito de vía. ^{[ 4 ]}

Debido a que los circuitos de vía funcionan haciendo pasar corriente a través de una o ambas vías, a veces pueden detectar si un riel se ha roto por completo. Sin embargo, si la rotura es solo parcial o se produce en un desvío (conjunto de agujas), la detección podría no ser posible.

• Accidente ferroviario de Hither Green (1967): descarrilamiento debido a la rotura de la parte superior del riel.
• Descarrilamiento de Weyauwega (1996): rotura de riel no detectada en un desvío.
• Accidente ferroviario de Big Bayou Canot (1993): un riel soldado continuo, intacto pero muy retorcido, no fue detectado en un puente, lo que aún indicaba que la señal estaba en buen estado.