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Una subestación de tracción , planta convertidora de corriente de tracción , estación rectificadora o subestación de potencia de tracción ( TPSS , por sus siglas en inglés) es una subestación eléctrica que convierte la energía eléctrica suministrada por la industria eléctrica o la red de tracción ferroviaria a un voltaje , tipo de corriente y frecuencia adecuados para alimentar trenes, tranvías o trolebuses con corriente de tracción . El término subestación de potencia de tracción también puede referirse a una instalación que suministra energía a una red de tracción ferroviaria desde la compañía eléctrica pública.
Función
Las funciones exactas y las conversiones de potencia que realiza una subestación de tracción dependen del tipo de sistema de electrificación que se utilice. En términos generales, existen tres categorías de sistemas de electrificación, cada una con arquitecturas diferentes: electrificación de CC de baja tensión (mediante riel conductor de línea aérea ), electrificación de CA de alta tensión y baja frecuencia con línea aérea, y electrificación de CA de frecuencia de red de 25 kV con línea aérea.
Sin embargo, en todos los sistemas, las subestaciones de tracción se pueden definir como cualquier sitio donde múltiples circuitos de líneas aéreas o rieles conductores están conectados a través de (generalmente) interruptores automáticos a una barra colectora . Esto permite dos funciones.
- Proporcionar la capacidad de aislar secciones específicas de la electrificación, ya sea automáticamente (debido a condiciones de falla detectadas por el interruptor u otro equipo) o de forma remota mediante la acción de un operador de control eléctrico para situaciones de emergencia en trabajos de ingeniería.
- Para reducir la caída de tensión total del sistema mediante la conexión en paralelo de los circuitos de electrificación.
Además, muchas subestaciones tendrán funciones adicionales para suministrar energía a los circuitos de electrificación (desde conexiones a la red, otros cables de alta tensión, un transformador reductor o un transformador con rectificador) o para separar diferentes suministros mediante interruptores automáticos instalados entre secciones de la barra colectora que están normalmente abiertas (en adelante, "puntos normalmente abiertos").
En esencia, todas las subestaciones realizan al menos esas dos funciones iniciales y vuelven a ese estado básico en caso de funcionamiento deficiente, como si un transformador de suministro o reductor en una ubicación específica deja de funcionar. Debido a estos dos principios básicos, las subestaciones suelen ubicarse en o cerca de estaciones principales y puntos de unión entre múltiples líneas electrificadas para permitir flexibilidad en la conmutación y la alimentación. Además, las subestaciones regulares se distribuyen a lo largo de grandes distancias de línea recta para reducir la caída de tensión.
En lo que respecta a la configuración de las barras colectoras, las subestaciones ferroviarias son casi siempre radiales, el tipo más sencillo.
Línea aérea o riel conductor de 600–3000 V CC
Los sistemas de CC de baja tensión fueron el primer tipo de electrificación que surgió a finales del siglo XIX, utilizando tanto catenarias como raíles conductores. Aunque muchos países (especialmente en Japón y en toda Europa) implementaron redes de catenarias de CC de 1,5 kV o 3 kV en redes principales de tráfico mixto, el sistema se utiliza hoy en día principalmente en sistemas de transporte rápido o suburbanos de corta distancia y alta frecuencia , así como en trenes ligeros , tranvías y trolebuses . 750 V es el estándar para metros que utilizan raíles conductores y tranvías o trenes ligeros (que utilizan catenarias ), mientras que 1,5 kV es el estándar para metros y sistemas de cercanías que utilizan catenarias.
La principal ventaja de estos sistemas es la relativa falta de equipo de conversión a bordo requerido por el tren, siendo posible conectar la corriente de tracción directamente al equipo de control del motor de tracción . Esto contrasta con la electrificación de CA, que requiere transformación de voltaje y (normalmente) rectificación a bordo de cada tren. Sin embargo, el menor voltaje de línea implica que se debe construir un mayor número de subestaciones de tracción, ya que la corriente continua debe ser soportada a intervalos regulares de entre 2 y 12 km (1,2 y 7,5 millas) dependiendo del voltaje exacto del sistema y los niveles de tráfico/velocidad de la línea. Aunque un voltaje de línea más alto disminuiría el número de subestaciones necesarias, el voltaje máximo de tracción de un sistema de CC está limitado por
- el tamaño físico que pueden tener los motores de tracción a bordo (los voltajes más altos requieren componentes de aislamiento más grandes)
- el coste y la complejidad de los equipos de rectificación para voltajes más altos (especialmente desde una perspectiva histórica).
- la dificultad de interrumpir las corrientes de falla de CC
- Si se prefiere la electrificación del carril conductor, esto limita el voltaje a un máximo de 1200 V debido a los requisitos de aislamiento.
La frecuente separación entre subestaciones y la relativa falta de equipos a bordo de los trenes hacen que los sistemas de CC de bajo voltaje se utilicen con regularidad en ferrocarriles de corta distancia y alta frecuencia (como los metros), ya que el número de trenes en circulación será mayor que el número de transformadores y rectificadores instalados en las subestaciones de tracción cuando las distancias de las rutas son cortas y la frecuencia de los trenes es alta.
Arquitectura
Fuente: [ 1 ]
Esta necesidad de muchos puntos de suministro de CC regulares significa que los sistemas de CC de bajo voltaje probablemente utilicen una red de tracción de CA trifásica de alto voltaje , aunque no siempre es así. En términos generales, la electrificación de CC que utiliza redes de tracción suele darse en las grandes áreas metropolitanas y redes suburbanas, que comenzaron a principios del siglo XX cuando la infraestructura eléctrica pública no estaba tan fácilmente disponible (ya que la electrificación de CC se remonta a finales del siglo XIX). Mientras que las instalaciones de electrificación de CC que se conectan a la red de servicios públicos en cada subestación de tracción se instalaron más recientemente o son sistemas de tranvía, dado que la infraestructura eléctrica pública es más densa en las áreas urbanas.
Las redes de tracción eléctrica para electrificación de CC utilizan corriente alterna trifásica de alta tensión a la frecuencia de la red eléctrica (50 o 60 Hz) y a tensiones comunes de 11, 22, 33 o 66 kV, aunque históricamente se han utilizado tensiones más bajas. La corriente alterna trifásica de 50-60 Hz se utiliza no solo por su eficiente transmisión de potencia, sino también por su fácil integración con la red eléctrica local , gracias a que los rectificadores CA/CC pueden alimentarse fácilmente con corriente alterna trifásica. La red de tracción ferroviaria principalmente da soporte a múltiples subestaciones de tracción de CC (TSS) donde la corriente se convierte a CC de baja tensión para el sistema de electrificación ferroviaria. Los trenes recogen la corriente continua de baja tensión, que puede alimentarse directamente a un sistema de control de motores, ya sea mediante bancos de resistencias para motores de CC o mediante un variador de frecuencia para motores de CA trifásicos.
Tipos de subestaciones
Punto de Suministro de la Red (GSP)
Esta es una subestación donde la red de tracción ferroviaria se alimenta de la red eléctrica local. Dado que las redes de tracción para ferrocarriles de corriente continua pueden ser trifásicas y tener niveles de tensión similares a los de la red eléctrica local, los puntos de suministro de la red suelen ser simplemente estaciones de conmutación donde los circuitos de la red entrantes se recogen en una barra colectora y luego se distribuyen en el lado ferroviario. O bien, si la carga ferroviaria es especialmente alta, el proveedor de electricidad puede proporcionar transformadores específicos para uso ferroviario que alimentan la red de tracción ferroviaria con una tensión de red más alta (como ~132 kV). Normalmente, los suministros de los diferentes puntos de suministro de la red se mantienen separados dentro de la red de tracción mediante interruptores automáticos normalmente abiertos. Esto se hace para limitar el impacto de una falla de alta tensión y para asegurar que se extraiga la carga correcta de cada punto de suministro de la red para evitar sobrecorrientes (cada punto de la red en un sistema ferroviario normalmente tiene una capacidad de consumo de energía diferente).
Subestación de Tracción (TSS)
Aquí es donde la alta tensión de CA trifásica de la red de tracción se reduce primero a la tensión de corriente de tracción (600–3000 V) mediante un transformador de potencia, luego se rectifica a CC antes de distribuirse a la línea aérea o a los circuitos de riel conductor. El cuadro de distribución de CA de una subestación de tracción de CC típica normalmente se conecta a múltiples circuitos de CA, lo que permite que la subestación se alimente desde dos puntos diferentes para mayor resiliencia, y la capacidad de mover el punto normalmente abierto entre diferentes suministros de la red de tracción. También puede dar soporte a otros transformadores auxiliares para alimentar sistemas de señalización ferroviaria, bombas de drenaje de túneles o suministros domésticos de la estación. Cuando no se utiliza una red de tracción, la tensión trifásica de la compañía eléctrica local se reduce y rectifica en las subestaciones de tracción para proporcionar la tensión de CC requerida. El espaciamiento físico típico de las subestaciones de tracción de CC depende principalmente de la tensión de tracción suministrada a los trenes, pero también de la demanda de tráfico y la velocidad media de la línea.
Potencia de señalización
Los sistemas de señalización y telecomunicaciones ferroviarias generalmente cuentan con su propio suministro de baja tensión proveniente de la red eléctrica local. Sin embargo, para mayor seguridad en el suministro, es común que los sistemas de señalización también se alimenten de la red de tracción de corriente alterna trifásica en las subestaciones de tracción, que disponen de uno o dos transformadores dedicados al suministro de señalización. [ 3 ]
Caseta de seguimiento de vías (TPH)
La distancia entre subestaciones de tracción puede incrementarse instalando una o más casetas de paralelismo de vías entre subestaciones adyacentes. Una caseta de paralelismo de vías permite conectar eléctricamente cada línea aérea o circuito de riel conductor en paralelo a una barra colectora de CC compartida . Esto posibilita un uso más eficiente de la energía disponible al conectar más trenes en paralelo a los puntos de suministro, reduciendo así la caída de tensión.
Subestación en T
Esto es similar a una TSS, pero se refiere a una situación en la que la subestación de CC no tiene capacidad para conmutar circuitos de CA de alta tensión y está permanentemente conectada a un circuito específico de la red de tracción, a diferencia de una subestación de tracción normal que puede conmutar circuitos de CA hasta cierto punto. Las subestaciones en T tienen menor resiliencia operativa que las TSS normales, pero ahorran en costos de instalación y operación, ya que no se construye ningún cuadro de distribución de CA, salvo un único interruptor automático. Las casetas de paralelismo de vías a menudo se convierten en subestaciones en T como una forma rentable de aumentar la potencia disponible para una línea ferroviaria.
Línea aérea de corriente alterna de 12–15 kV
La electrificación de CA de alta tensión a baja frecuencia es casi tan antigua como los sistemas de CC de baja tensión, que se implementaron ya en 1904. Originalmente, el sistema de CA de baja frecuencia se basaba fundamentalmente en el uso de motores universales con corriente alterna de una frecuencia de entre 16 y 25 Hz. A principios del siglo XX, no existía la tecnología para implementar rectificadores o electrónica de potencia a bordo de los trenes, por lo que los ingenieros tenían limitaciones en los métodos para hacer funcionar los motores de tracción. Se descubrió que las frecuencias más altas (como las que se utilizaban en la red eléctrica) creaban arcos eléctricos intolerables entre los componentes del motor, pero a frecuencias más bajas estos problemas se resolvieron. Esto permitió alimentar los trenes con una alta tensión de línea, que luego se podía reducir mediante un transformador a bordo a una tensión adecuada para un motor de tracción, y posteriormente alimentar directamente los motores con CA. Casi todos los sistemas de CA que se han implementado a gran escala utilizan CA monofásica debido a las complejidades mecánicas y prácticas de duplicar los sistemas de catenaria, como se requiere para la electrificación con CA trifásica.
En los primeros años de la electrificación ferroviaria, la principal ventaja de los sistemas de CA de baja frecuencia era que la CA podía alimentarse a los trenes con un voltaje mucho mayor que el óptimo para los motores de tracción, ya que el voltaje de CA podía reducirse a bordo del tren en lugar de ajustarse exactamente al requerido por el motor de tracción (como en la electrificación de CC, donde la CC no puede aumentarse ni disminuirse mediante transformadores). Esto conlleva varias ventajas adicionales de un sistema de electrificación de CA.
- Se puede aumentar considerablemente el voltaje de línea, lo que permite construir muchas menos subestaciones, ya que la transmisión de electricidad de alto voltaje es más eficiente a larga distancia.
- El mayor voltaje de línea permite suministrar mucha más energía a los trenes, lo que posibilita el transporte ferroviario de alta velocidad y el tráfico de mercancías pesadas.
- Un voltaje de línea más alto significa que los cables de la catenaria pueden ser más delgados, ya que la energía se transmite mediante alto voltaje en lugar de alta corriente, lo que reduce el costo de los materiales no solo por el cableado más delgado, sino también por la reducción del peso de las estructuras de soporte de la línea aérea, ya que ahora soportan una instalación más ligera.
La electrificación de corriente alterna y baja frecuencia se convirtió en el sistema estándar para líneas suburbanas, de tráfico mixto y de alta velocidad en Alemania, Austria y Suiza a 15 kV 16,7 Hz; Suecia y Noruega a 15 kV 16 + 2/3 ; y algunas partes del noreste de EE. UU. a 12 kV 25 Hz. Históricamente, se implementaron voltajes de línea de entre 6,6 kV y 11 kV.
Arquitectura
La principal desventaja de la electrificación con corriente alterna de baja frecuencia radicaba en que requería alimentación monofásica de corriente alterna a una frecuencia específica no estándar (entre 16,667 y 25 Hz). Tanto los sistemas de corriente alterna de baja frecuencia como los de corriente continua de baja tensión necesitaban originalmente implementar sus propias redes de tracción y centrales de generación eléctrica , principalmente porque a principios del siglo XX no existían redes eléctricas nacionales . Sin embargo, a medida que las redes de suministro eléctrico de uso general crecieron en tamaño y alcance a lo largo del siglo XX, se estandarizaron en la transmisión trifásica de corriente alterna a 50 o 60 Hz . Los sistemas de corriente continua de baja tensión podían integrar fácilmente sus redes de tracción con la industria del suministro eléctrico, ya que eran trifásicas y no requerían una frecuencia específica, lo que permitía a los ferrocarriles de corriente continua prescindir, en general, de las centrales de tracción . No obstante, los sistemas de corriente alterna de baja frecuencia se volvieron no estándar e incompatibles con la industria del suministro eléctrico en general debido a que eran monofásicos y tenían una frecuencia diferente. Por lo tanto, las interacciones entre la electrificación de CA de baja frecuencia y las redes eléctricas nacionales requieren maquinaria compleja y costosa (y posteriormente electrónica de potencia) para convertir la corriente alterna (CA) trifásica de 50 Hz o 60 Hz para el suministro de sistemas de electrificación ferroviaria de CA a una frecuencia más baja y monofásica .
De forma similar a los sistemas de CC, los sistemas de CA de baja frecuencia pueden utilizar una red de tracción eléctrica con tensiones de entre 55 kV y 138 kV para alimentar líneas aéreas de 12 kV o 15 kV. Sin embargo, a diferencia de los sistemas de CC, estas redes de tracción eléctrica son necesariamente monofásicas y de baja frecuencia. Por otro lado, algunos sistemas de CA de baja frecuencia (como en Noruega, algunas zonas de Suecia y el noreste de Alemania) están descentralizados , lo que significa que las subestaciones de tracción de las líneas aéreas se conectan directamente a la red eléctrica, y cada subestación requiere un equipo individual de conversión de frecuencia y fase.
Para las administraciones que utilizan redes de tracción eléctrica centralizadas, la tensión de distribución es de 55 kV en algunas partes de Austria, 66 kV en algunas partes de Suiza, 110 kV en Alemania y la mayor parte de Austria, 132 kV en la mayor parte de Suiza y Suecia, y 138 kV en la sección sur del Corredor Noreste en los EE. UU. Tanto en sistemas centralizados como descentralizados, es común que la red de tracción eléctrica y la electrificación de la línea aérea correspondiente utilicen alimentación mediante autotransformadores (a veces denominada transmisión de línea balanceada ), lo que significa que una vía férrea de 15 kV se alimenta en realidad mediante un transformador de 30 kV con +15 kV conectados al hilo de contacto , una toma central conectada a tierra en los raíles y -15 kV conectados a los hilos de alimentación externos. En los puntos entre subestaciones ferroviarias, los hilos de alimentación negativos se conectan a los hilos de contacto positivos mediante autotransformadores para permitir una mayor corriente en el hilo de contacto. De manera similar, una línea de transmisión de 110 kV está compuesta en realidad por tres cables a +55 kV, 0 V y -55 kV, lo que da un total de 110 kV entre todos los conductores.
En ambos casos, los trenes recogen 12 kV o 15 kV de corriente alterna y un transformador a bordo la reduce a un voltaje adecuado para los motores de tracción. En los trenes más modernos, también puede rectificarse a corriente continua para alimentar motores de tracción trifásicos mediante un variador de frecuencia.
Subestaciones
Estación convertidora centralizada
Estas subestaciones convierten la energía trifásica de 50 Hz o 60 Hz proveniente de la industria de suministro eléctrico en energía monofásica de baja frecuencia para su uso en una red de tracción de alta tensión (55 kV-138 kV) . También pueden suministrar directamente a la línea aérea de 12 kV-15 kV si la subestación se encuentra cerca de una línea ferroviaria. Las estaciones convertidoras pueden utilizar maquinaria de motor-generador o electrónica de potencia de estado sólido .
Subestación de tracción
En el contexto de una red de tracción ferroviaria con subestaciones de tracción o estaciones convertidoras centralizadas, esto se refiere a un lugar donde la red de tracción alimenta un transformador reductor para alimentar las líneas aéreas a 12 kV o 15 kV, según el país.
Estación convertidora descentralizada
Esto se refiere a un sitio donde la industria de suministro eléctrico proporciona energía trifásica de 50 o 60 Hz, la cual se convierte en corriente alterna monofásica de baja frecuencia y se transforma directamente en voltaje de corriente de tracción para ser suministrado a las líneas aéreas locales a esa subestación.
Sitio web del autotransformador
Estas subestaciones se ubican a nivel de 12-15 kV en el equipo de la línea aérea y sirven para conectar los cables de alimentación negativa a los cables de contacto mediante autotransformadores, con el fin de aumentar la distancia posible entre las subestaciones de suministro. Estas subestaciones no son exclusivas de los sistemas de CA de baja frecuencia y también se pueden encontrar en ferrocarriles de CA de frecuencia de red (véase más abajo) que utilizan alimentación mediante autotransformadores.
Línea aérea de 25 kV CA (50 Hz o 60 Hz)
Este es el tipo de electrificación más común para los ferrocarriles modernos de tráfico mixto, larga distancia y alta velocidad, y se utiliza en todo el mundo. Si bien suele considerarse el estándar actual, solo estuvo disponible a partir de finales de la década de 1950, por lo que se observa con frecuencia en países cuyas redes ferroviarias comenzaron a electrificarse más tarde. Algunas administraciones utilizan voltajes alternativos de 20 kV o 12,5 kV , pero el sistema es funcionalmente el mismo.
El uso de corriente alterna de 50 o 60 Hz indica que el sistema conecta directamente la red eléctrica local a los circuitos de la línea aérea, lo que le confiere una arquitectura más simple que no requiere equipos complejos de conversión de frecuencia o corriente en las subestaciones y, al ser siempre descentralizado, no requiere red de tracción eléctrica . Sin embargo, en comparación con la electrificación de CC, requiere más equipo a bordo del tren, generalmente transformadores y rectificadores, para convertir la corriente a un voltaje de CC más bajo (normalmente alrededor de 800 V) para alimentar motores de CC o motores de CA trifásicos mediante un variador de frecuencia . Además, en comparación con los sistemas de CC y CA de baja frecuencia, la CA de 25 kV de frecuencia de red tiene la desventaja de requerir secciones neutras en la línea aérea por las que los trenes deben circular por inercia. Las secciones neutras representan una limitación compleja que debe planificarse cuidadosamente para garantizar que los trenes no queden atrapados en una de ellas. Pero al igual que la CA de baja frecuencia, el sistema de 25 kV disfruta de las mismas ventajas de la transmisión de CA de alto voltaje: menor número de subestaciones, diseños de líneas aéreas más simples y ligeros en comparación con la CC y mayor potencia disponible.
Arquitectura
La electrificación de corriente alterna (CA) de 25 kV es arquitectónicamente más similar a la de corriente continua (CC) que a la de baja frecuencia. Mientras que la electrificación de CC cuenta con subestaciones muy próximas entre sí, equipadas con transformadores y rectificadores alimentados por una fuente de CA de alta tensión (CA), en la electrificación de 25 kV los trenes individuales funcionan como subestaciones móviles con sus propios transformadores y rectificadores, y la catenaria cumple la doble función de red eléctrica de tracción y sistema de suministro de corriente de tracción, ambos equipos independientes en un sistema de CC. La electrificación de 25 kV traslada la interfaz entre la infraestructura y el tren al punto de la red de CA de alta tensión, mientras que la electrificación de CC la sitúa mucho más abajo en la cadena, entre el control del motor y la fuente de alimentación de CC.
En comparación directa con la electrificación de CC, la corriente alterna de 25 kV resulta más económica para sistemas de larga distancia con frecuencias relativamente bajas, ya que el número total de transformadores y rectificadores es menor si se instalan en los trenes en lugar de en subestaciones cada pocos kilómetros, especialmente en trayectos largos. Además, la corriente alterna de 25 kV es la opción más viable para suministrar suficiente potencia a los trenes para operaciones de carga pesada a alta velocidad.
Secciones neutras de líneas aéreas
La principal diferencia entre la arquitectura de la electrificación de CC y la de CA de 25 kV de frecuencia de red radica en que la red de distribución de CA de alta tensión del ferrocarril es monofásica en 25 kV CA, a diferencia de la trifásica. Esto se debe a las dificultades prácticas de duplicar el equipo de catenaria que requeriría la catenaria trifásica. Esto complica las conexiones a la red, ya que el ferrocarril debe conectarse a una red eléctrica local con un voltaje suficientemente alto para soportar la carga ferroviaria altamente desequilibrada. Además, implica que las conexiones a la red adyacentes deben estar siempre aisladas entre sí dentro del sistema de catenaria, y no es posible realizar ningún tipo de paralelismo mediante el uso de secciones neutras de la catenaria.
El tipo más común y sencillo de sección neutra consiste en una disposición de cable de contacto permanentemente conectado a tierra con aisladores en línea en ambos extremos. Un sistema de balizas junto a la vía activa los interruptores del tren justo antes de entrar en la sección neutra para evitar arcos eléctricos dañinos que se producirían si el pantógrafo perdiera repentinamente el contacto con el conductor energizado. Tras atravesar la sección neutra por inercia, otras balizas en el otro lado cierran automáticamente el interruptor en la nueva zona de alimentación. Un método alternativo consiste en accionar automáticamente interruptores dentro del sistema OLE que gestionan la transferencia entre suministros dentro de un área corta de OLE que puede alimentar siempre el tren. La conmutación automática requiere un equipo de control complejo que debe implementarse con el equipo de detección de trenes. [ 4 ]
Las secciones neutras de la OLE son exclusivas del sistema de 25 kV, pero su arquitectura es equivalente a los puntos normalmente abiertos que se encuentran en la red de tracción eléctrica de la electrificación de CC. Sin embargo, las redes de tracción eléctrica de CA trifásicas utilizadas en la electrificación de CC permiten la conexión en paralelo de las redes, al menos hasta cierto punto. Esto suele ser imposible en 25 kV CA, aunque la reciente utilización de la electrónica de potencia en el sistema de tracción eléctrica abre la posibilidad de eliminar las secciones neutras.
Sistema de tracción eléctrica
En la electrificación de 25 kV, el "Sistema de Energía de Tracción" se refiere al equipo propiedad del proveedor de la red y operado por este, que proporciona una conexión monofásica de muy alta tensión (EHV) para un ferrocarril hasta los transformadores de suministro inclusive. [ 5 ] Para un sistema estándar que utiliza alimentación "clásica", el lado primario del transformador de suministro normalmente se conecta a un suministro de al menos 100 kV para mitigar el desequilibrio de la carga monofásica. El lado secundario de 25 kV generalmente tiene una potencia nominal entre 10 MVA y 26,5 MVA, estableciendo la corriente de falla del sistema en 6 kA. [ 2 ]
Algunos ferrocarriles de 25 kV utilizan alimentación mediante autotransformador (AT), donde se instala un conductor adicional a -25 kV como parte de la línea aérea de emergencia (OLE) adyacente a las líneas de contacto y catenaria. La corriente adicional del conductor negativo alimenta la línea de contacto a intervalos regulares (normalmente cada 10 km (6,2 millas) ) donde los autotransformadores conectan ambos conductores. El sistema de autotransformador tiene un rango de 50 kV en comparación con las configuraciones de alimentación clásicas y es común, aunque no exclusivo, de los ferrocarriles de alta velocidad. Debido a que los ferrocarriles con AT consumen 50 kV, el lado primario del transformador de suministro suele conectarse a la red a voltajes más altos que los sistemas convencionales. Esto también permite a los ferrocarriles con alimentación mediante AT especificar transformadores de suministro con potencias mucho mayores, normalmente de 40 MVA a 80 MVA para ferrocarriles pesados convencionales y hasta 150 MVA en sistemas de alta velocidad. Los ferrocarriles con AT suelen proporcionar una corriente de cortocircuito de 12 kA. [ 2 ]
En tiempos más recientes, algunos sistemas de tracción eléctrica de 25 kV han implementado electrónica de potencia capaz de manipular dinámicamente la tensión, la fase y la corriente para alimentar la línea aérea monofásica con las tres fases de la red eléctrica pública. Esto presenta tres ventajas principales: mayor potencia disponible gracias al uso de una conexión más robusta y al control activo de la tensión, equilibrio de la demanda de la red eléctrica pública, lo que reduce significativamente las externalidades negativas asociadas al suministro ferroviario, y la posibilidad de eliminar secciones neutras, ya que todas las salidas de 25 kV pueden sincronizarse. [ 6 ]
Punto de Suministro de la Red (GSP)
Un punto de suministro a la red se refiere a una subestación donde la industria nacional de suministro eléctrico reduce las tensiones de transmisión o subtransmisión a 25 kV (o 50 kV para el sistema AT) mediante transformadores de suministro dedicados al uso ferroviario. El punto de suministro a la red suele constar de uno o dos transformadores dentro de un complejo más grande que realiza diversas operaciones para dicho proveedor de la red. Los circuitos alimentadores de 25 kV se conectan desde el punto de suministro a una estación alimentadora ferroviaria cercana (véase más abajo). Los alimentadores de 25 kV suelen ser cables subterráneos, aunque en ocasiones pueden ser líneas eléctricas aéreas. A veces, el punto de suministro a la red es una subestación dedicada, construida específicamente para suministrar una conexión de 25 kV y conectada a una línea eléctrica de transmisión, ya sea aérea o subterránea. En este caso, la estación alimentadora ferroviaria asociada se encuentra físicamente junto a las instalaciones del proveedor de la red, todo dentro del mismo complejo.
Energía y distribución
La Energía y Distribución (EPD) se refiere a la infraestructura entre los transformadores de suministro y el equipo de línea aérea que gestiona y distribuye el suministro de tracción, incluyendo todas las subestaciones ferroviarias. A diferencia del sistema de energía de tracción, siempre es propiedad de la autoridad ferroviaria y está operada por ella. [ 5 ] Para la electrificación de 25 kV CA, el equipo de EPD es sustancialmente menos extenso que el de los ferrocarriles de CC que operan redes de energía de tracción de CA de alta tensión y múltiples subestaciones reductoras entre cada 2 a 7 km (1,2 a 4,3 millas) .
Los activos de distribución y suministro de 25 kV normalmente consistirán en subestaciones de tracción de distintos tipos y algunos cables de alta tensión individuales ( líneas de alimentación ) para proporcionar rutas alternativas para la energía, evitando así ciertas secciones de la línea aérea que podrían aislarse con frecuencia, o para proporcionar enlaces dedicados a lugares que siempre la necesiten (normalmente depósitos de mantenimiento de trenes).
Subestaciones
Estación de alimentación (FS)
Una subestación alimentadora es una estación de conmutación de 25 kV que recibe energía de cables de 25 kV, la transfiere a través de una barra colectora y la distribuye a los circuitos de la línea aérea mediante interruptores automáticos. En la mayoría de los casos, una subestación alimentadora está directamente conectada a un punto de suministro de la red cercano, por lo que introduce energía nueva al sistema ferroviario. Sin embargo, en raras ocasiones, varias subestaciones alimentadoras geográficamente distantes pueden alimentarse desde un único punto de suministro de la red mediante largos cables alimentadores independientes que pueden alcanzar varias decenas de kilómetros.
La mayoría de las estaciones de alimentación tendrán dos suministros de red (provenientes de dos transformadores separados), los cuales operan simultáneamente alimentando en direcciones diferentes desde la ubicación de la estación de alimentación. En este caso, la estación de alimentación estará equipada con una o más secciones de neutro de línea aérea (OHNS) y disyuntores de barra colectora normalmente abiertos asociados dentro de la subestación. Estos sirven para mantener separadas las diferentes alimentaciones de red dentro de la estación de alimentación y dentro del sistema OLE, ya que a menudo están desfasadas entre sí. Normalmente, se espera que las estaciones de alimentación con suministro dual puedan proporcionar su rango de alimentación completo y el horario completo desde un transformador si el otro no está disponible. Esto se conoce como primera alimentación de emergencia (N-1). [ 7 ]
En ocasiones, una subestación alimentadora dispone de dos suministros, pero está configurada para operar con uno a la vez, mientras que el otro sirve de respaldo. O bien, la subestación alimentadora solo dispone de un suministro a la red. En cualquiera de estos casos, la línea de transmisión aérea (OLE) puede tener una sección neutra en la subestación alimentadora, a menos que esta también actúe como límite de un área de suministro adyacente.
Generalmente, los puntos de suministro de la red y sus estaciones alimentadoras adyacentes se ubican cada 40 km (25 millas) . [ 7 ]
En los sistemas AT de 2 x 25 kV, una estación alimentadora se denomina estación alimentadora de autotransformador (ATFS) y puede estar espaciada hasta 60 km (37 millas) de la siguiente ATFS. [ 8 ]
Cabina de control de vías (TSC)
Una cabina de seccionamiento de vía es el tipo más básico de subestación, donde los circuitos de catenaria se conectan a una barra colectora mediante interruptores automáticos. Pueden ser útiles para seccionar vías (por lo que se colocan cerca de cruces y desvíos ) o simplemente para conectar circuitos en paralelo a lo largo de grandes distancias (de forma similar a una caseta de paralelismo de vías en sistemas de corriente continua).
Si un TSC se construyó con aparamenta exterior , se le puede denominar ubicación de seccionamiento de vía (TSL) o (raramente) sitio de seccionamiento de vía (TSS).
Las TSC pueden ubicarse hasta cada 15 km (9,3 millas) de otras subestaciones. [ 7 ]
En los sistemas AT de 2 x 25 kV, la subestación equivalente se denomina Sitio de Autotransformador de Seccionamiento (SATS).
TSC de punto medio (MPTSC)
Una cabina de seccionamiento de vía de punto medio (MPTSC) es un tipo específico de TSC que actúa como límite entre diferentes suministros de red (proporcionados por estaciones alimentadoras). Por lo tanto, una MPTSC siempre estará equipada con secciones neutras en la OLE y disyuntores normalmente abiertos entre las secciones de la barra colectora. Si dos suministros de red dejan de estar disponibles en una estación alimentadora doble estándar, el disyuntor normalmente abierto de una MPTSC se cierra para permitir que la energía de la siguiente estación alimentadora se extienda alrededor del punto medio. Esto se conoce como alimentación de emergencia secundaria y tendrá un impacto en la circulación de trenes que normalmente requieren velocidades más bajas y/o servicios cancelados. [ 7 ]
En ocasiones, entre dos estaciones de alimentación se encuentran varios TSC equipados con secciones neutras y disyuntores de barra abierta. Esto permite desplazar parcialmente la interrupción de fase entre estaciones en determinadas situaciones de alimentación degradada, específicas de cada ubicación. En condiciones normales de alimentación, algunos de estos TSC se omiten y uno de ellos actúa como punto medio. Además, los TSC en los puntos de unión pueden delimitar una zona de suministro en una línea, pero no en otra, y pueden o no tener secciones neutras en ambas ramas. Las estaciones de alimentación de suministro único también complican la situación, ya que pueden estar equipadas con secciones neutras para delimitar una zona de suministro e introducir una nueva zona de alimentación para otra. Por estos motivos, los términos TSC y MPTSC se utilizan de forma imprecisa en la práctica.
En un escenario genérico, un MPTSC se ubica a unos 20 km (12 millas) de las estaciones alimentadoras adyacentes.
En contraposición a las subestaciones de punto medio o de punto medio "alternativo", una TSC sin OHNS a veces se denomina TSC intermedia (ITSC).
Los MPTSC con aparamenta exterior pueden denominarse ubicación de seccionamiento de vía de punto medio (MPTSL) o sitio de seccionamiento de vía de punto medio (MPTSS).
La subestación AT equivalente se denomina sitio de autotransformador de punto medio (MPATS, por sus siglas en inglés) y se encuentra a unos 20 km (12 millas) de las subestaciones ATFS adyacentes.
Sitio de autotransformadores (ATS)
Un sitio de autotransformador (ATS) es un tipo específico de subestación utilizada en ferrocarriles alimentados por AT de 2 x 25 kV, donde el cable ATF de -25 kV y el cable de contacto de +25 kV están conectados entre sí a través de uno o más autotransformadores, lo que permite utilizar la corriente adicional del cable ATF en el cable de contacto. Son aproximadamente equivalentes a los ITSC, excepto que un ATS normalmente no tiene interruptores automáticos y, por lo tanto, no puede aislar corrientes de falla ni utilizarse para seccionar líneas en las uniones. Un ATS tendrá interruptores seccionadores de operación remota que pueden o no interrumpir la corriente de carga, pero que también pueden utilizarse junto con los interruptores automáticos de otras subestaciones para aislar fallas. Los ATS se instalan cada 5-10 km (3,1-6,2 millas), a menos que haya otras subestaciones (ATFS, SATS, MPATS), ya que todas ellas estarán alimentadas con autotransformadores entre sus barras colectoras de -25 kV y +25 kV. [ 2 ]
Otros equipos de P&D
Punto de Suministro Principal (PSP)
Dado que la línea de 25 kV es arquitectónicamente similar a una red de tracción de CA de alta tensión de un sistema de CC, también se utiliza para alimentar equipos de señalización a 400 V o 650 V. A diferencia de los sistemas de CC, estos no solo se ubican en subestaciones de 25 kV, sino que también pueden ser transformadores independientes conectados a uno de los cables de contacto de 25 kV. [ 9 ]
Equipo
Giratorio
Originalmente, el equipo de conversión solía consistir en uno o más grupos electrógenos que contenían motores síncronos de CA trifásicos y generadores de CA monofásicos , acoplados mecánicamente a un eje común. También se utilizaban convertidores rotativos , especialmente cuando la salida deseada era corriente continua a partir de una fuente de CA.
Estático
En la década de 1920, la corriente continua (CC) se obtenía mediante válvulas electrónicas ( rectificadores de arco de mercurio ). En los sistemas modernos, se utilizan estaciones de CC de alta tensión ( HVDC ) en configuración "en cadena" en lugar de equipos mecánicos para convertir entre diferentes frecuencias y fases de la corriente alterna (CA), y se emplean sistemas rectificadores de tiristores de estado sólido para la conversión de CA a corriente continua para la tracción eléctrica.
Ubicación
Las plantas convertidoras de corriente de tracción pueden ser descentralizadas (donde una planta suministra directamente las líneas aéreas o el tercer carril del sistema de tracción, sin conexión a una red de distribución de corriente de tracción) o centralizadas (para el suministro de la red eléctrica de tracción , generalmente además del suministro directo de las líneas aéreas o el tercer carril).
Las centrales convertidoras de corriente de tracción se encuentran generalmente en Alemania (principalmente en las ciudades de Neckarwestheim , Ulm y Núremberg ), Austria y Suiza , mientras que las centrales convertidoras de corriente de tracción descentralizadas se encuentran generalmente en Noruega , Suecia y los estados alemanes de Mecklemburgo-Pomerania Occidental y Brandeburgo , así como en algunas zonas de Gran Bretaña . Una lista de sistemas de electrificación ferroviaria ofrece información más detallada.
Véase también
Referencias
- ↑ Keenor, Garry (2021). Electrificación de líneas aéreas para ferrocarriles (6.ª ed.). págs. 47–48 .
- 1 2 3 4 White, David. "Electrificación y protección de ferrocarriles CA/CC" . Conferencia: Sistemas de infraestructura de electrificación ferroviaria del IET .
- ↑ FIRSE, Paul Darlington CEng FIET (2019-07-09). "Puesta a tierra del sistema de alimentación de equipos de señalización ferroviaria" . Rail Engineer . Consultado el 2025-09-06 .
- ↑ Keenor, Gary (2021). Electrificación de líneas aéreas para ferrocarriles (6.ª ed.). pág. 123.
- 1 2 Keenor, Garry (2021). Electrificación de líneas aéreas para ferrocarriles (6.ª ed.). pág. 242.
- ↑ Kessell, Clive (21-12-2022). "Convertidores de frecuencia estáticos que mejoran los 25kV" . Rail Engineer . Recuperado el 06-09-2025 .
- 1 2 3 4 Keenor, Garry (2021). Electrificación de líneas aéreas para ferrocarriles (6.ª ed.). págs. 28–29 .
- ↑ Baxter, Alan (febrero de 2015). "Network Rail: Guía para la electrificación aérea (10.ª revisión) 132787-ALB-GUN-EOH-000001" (PDF) . pág. 10. Archivado del original (PDF) el 8 de marzo de 2025.
- ↑ Keenor, Garry (2021). Electrificación de líneas aéreas para ferrocarriles (6.ª ed.). pág. 235.
- subestaciones eléctricas
- Transporte ferroviario eléctrico
- Redes de tracción eléctrica