Una subestación de tracción se encuentra en una línea ferroviaria electrificada. Permite el suministro de energía eléctrica a un tramo de esta línea. En general, una línea tiene varias subestaciones de tracción, lo que permite el funcionamiento de los trenes que captan la energía eléctrica entre una línea de contacto y los raíles de circulación . Por lo general, están conectados a una red eléctrica de CA de alto voltaje. Su función es bajar esta tensión a un valor que pueda ser utilizado por los vehículos de motor y, en determinados casos, modificar la frecuencia de la tensión o convertirla en tensión continua.
Una primera distinción está ligada a la forma de electricidad utilizada, directa o alterna. En la forma continua, la electricidad siempre fluye en la misma dirección. En la forma alternativa cambia regularmente de dirección lo que genera inducción electromagnética , base del efecto transformador y máquinas de inducción rotativas.
Recordemos algunos datos eléctricos básicos:
Dependiendo de la forma de electricidad y los valores de voltaje utilizados, podemos distinguir varios sistemas de electrificación.
Una observación semántica: en general, se ha tomado la mala costumbre de llamar a la electrificación "a" o "en" " corriente continua " o " corriente alterna ". Mientras que la línea de contacto, por tanto, a las unidades de tracción, se alimenta de una tensión y dicha electrificación se designa por el valor de esta tensión en voltios o en kilovoltios (1500 V, 15 kV, etc.). La corriente así distinguida es solo consecuencia de la presencia de un receptor bajo dicha tensión. Por tanto, sería preferible hablar de electrificación "en" o "bajo" " tensión continua " o " alterna ".
Para cuestiones de aislamiento eléctrico, en la geometría estrecha de un motor de tracción, es difícil construirlo para más de 2000 V. Bajo voltaje alterno, es posible proporcionar este nivel desde un voltaje a la línea de contacto superior usando un transformador en subir a la unidad de tracción. De ahí los altos valores de los voltajes alternos utilizados (3600 a 50,000 V con algunas excepciones menores). Bajo tensión continua este proceso no es posible, por lo que debemos suministrar a la línea de contacto una tensión del orden de magnitud del valor de definición para el motor de tracción, por tanto valores bajos, inferiores a 2000 V Para la electrificación por debajo de 3000 V, bastante frecuente , uno tenía originalmente (década de 1920) siempre dos motores en serie, funcionando por debajo de 1500 V, y se debían utilizar dispositivos particulares para los auxiliares, lo que hacía que las unidades de tracción fueran más pesadas, más caras y menos eficientes.
Para la línea de contactoPara que se suministre una potencia determinada, cuanto mayor sea el voltaje, menor será la intensidad de la corriente. Sin embargo, las caídas de voltaje de la línea (línea de contacto, rieles, tierra, unidades de tracción) son proporcionales a esta intensidad. De ahí la ventaja de tener valores lo más bajos posible de la intensidad, lo que lleva a tener tramos de hilos y cables más pequeños y por tanto una línea de contacto más ligera y económica. Esto también es lo que justificó la electrificación por debajo de 3000 V permitiendo una línea de contacto más ligera que bajo tensiones más bajas justificadas por el límite a 2000 V.
Pero, ¿por qué la electrificación bajo voltajes directos?Al comienzo del desarrollo de la gran electrificación (años 1910-1920) el mejor motor de tracción era el motor colector. Éste funciona idealmente bajo tensión continua pero también bajo tensión alterna aunque menos bien con el aumento de la frecuencia (fenómeno de conmutación). En ese momento, la frecuencia para el desarrollo de redes de transmisión y distribución eléctrica se generalizó a 50 Hz en Europa y 60 Hz en América del Norte, bajo el nombre de "frecuencia industrial". Sin embargo, no sabíamos cómo hacer funcionar un motor de conmutador a estas frecuencias. De ahí la adopción de frecuencias menos críticas para este tipo de motor, en particular 16,66 Hz o 16 2/3 (50/3) y 25 Hz (50/2).
En la década de 1950, después de medio siglo de experimentación, fue posible construir unidades de tracción que funcionaban a 50 Hz, lo que allanó el camino para una electrificación más simple y barata. Este sistema se adoptará internacionalmente con la definición de voltaje de 25.000 V.
A partir de la década de 1980, gracias a los desarrollos en la electrónica de potencia, el uso de motores de inducción trifásicos, generalmente abandonados sesenta años antes, hizo posible operar unidades de tracción en todos los sistemas existentes.
Las unidades de tracción detectan un voltaje eléctrico entre los rieles y un conductor aislado eléctricamente, parte de un dispositivo llamado "línea de contacto". Una segunda distinción entre los diferentes tipos de electrificación está relacionada con la naturaleza de la línea de contacto.
Dos categorías principales de líneas de contacto: aérea, terrestre.
Líneas aéreas de contactoGracias a un dispositivo de toma de corriente (pantógrafo, poste), las unidades de tracción detectan la tensión entre, por un lado, uno o dos hilos de contacto suspendidos y, por el otro, los raíles. Para tener la menor resistencia eléctrica, los cables de contacto generalmente están hechos de cobre electrolítico con un alto grado de pureza.
Se pueden utilizar varias configuraciones:
En el mundo de los ferrocarriles, se ha vuelto habitual simplificar la "línea de contacto de suspensión de catenaria" en "catenaria". Esto conduce a un uso incorrecto y abusivo cuando se trata de un simple carro de alambre o un PAC (¡algunos luego hablan de “catenaria rígida”!). Cuando no se trata de una suspensión por catenaria, sería preferible, por tanto, hablar de "línea de contacto".
Líneas de contacto con el sueloCompuesto por uno o más conductores aislados dispuestos en paralelo a los carriles de rodadura y en contacto con los que las unidades de tracción recogen la tensión mediante limpiaparabrisas. Normalmente se utiliza un tercer raíl , lateral a la vía, pero en determinadas aplicaciones es posible tener un cuarto raíl, dispuesto entre los raíles de rodadura.
Estos sistemas se aplican a menudo en redes urbanas subterráneas, del tipo “metro”, teniendo las líneas aéreas de contacto un volumen importante por encima de los vehículos. Sin embargo, la presencia de un carril eléctricamente vivo cerca de las vías constituye un peligro para el personal y el público (en estaciones y pasos a nivel). Por esta razón, estos sistemas se utilizan para tensiones bajas, inferiores a 1000 V, que generalmente es el dominio de las tensiones directas. Existió una excepción de 1928 a 1976, en la línea francesa Chambéry - Modane, con un tercer carril bajo tensión continua de 1500 V.
También es necesario mencionar, para que conste, los sistemas de alimentación terrestre para tramos de tranvías sin línea aérea de contacto.
Electrificación no ferroviariaLos vehículos eléctricos neumáticos utilizan sistemas de energía similares a los vehículos ferroviarios.
Por lo tanto, tenemos diferentes definiciones de electrificación ferroviaria:
Los sistemas de transporte electrificado no ferroviario también requieren subestaciones de tracción:
Una unidad de tracción eléctrica es alimentada por un circuito eléctrico cerrado, el circuito de tracción comprende los siguientes elementos:
Este circuito es deformable con el movimiento de los trenes.
Su propósito es conectar la subestación (la fuente) a la unidad de tracción (el receptor) constituyendo un circuito cerrado.
En el caso más común, las unidades de tracción tienen dos polos eléctricos (tensión continua o alterna monofásica).
Los componentes de la función "línea" del circuito de tracciónSe trata de elementos conductores dispuestos a lo largo de las vías o existentes en las cercanías.
Los rieles, la línea de tierra y el entorno conductor constituyen el segundo polo de suministro eléctrico para la unidad de tracción. Para mayor comodidad, tomamos otro mal hábito al darle a este conjunto la función de " retorno de corriente ", como si dicha corriente saliera de la subestación a la unidad de tracción para regresar por los rieles. Lo cual es físicamente inexacto, particularmente en CA donde la corriente cambia continuamente de dirección. Continuamente, esto es correcto en el caso de que la línea de contacto esté conectada al polo positivo de la subestación, lo que no es sistemático (es, por ejemplo, al revés en la red de tranvías de Ginebra). Por tanto, esta expresión aproximada debe evitarse en favor de " cerrar el circuito de tracción ".
En el caso de las fuentes de alimentación trifásicas con línea de contacto de 2 hilos, la función “línea de contacto” se duplica, tenemos un sistema eléctrico de tres polos,
Corrientes perdidasPor tanto, parte de la corriente entre las subestaciones y las unidades de tracción circula en el entorno inmediato de las vías. Es necesario sumar, en la electrificación en tensión alterna, las corrientes inducidas por la línea de contacto. Estas corrientes parásitas pueden alcanzar el 20% de la corriente total suministrada a las unidades de tracción.
Pueden causar molestias o incluso daños.
La circulación de estas corrientes puede provocar importantes diferencias de potencial, incluso peligrosas, en puntos de transición brusca de resistividad del medio. De ahí la necesidad de aterrizar objetos metálicos cerca de pistas electrificadas como soportes de líneas de contacto y señalización, vallas, marcos metálicos, etc. El capítulo de "puesta a tierra" es una parte importante de las especificaciones para la electrificación.
El fenómeno adquiere aún más importancia para la electrificación de voltaje directo. Los bajos voltajes practicados (máximo 3000 V) conducen a altas corrientes que pueden llegar a varios miles de amperios, lo que amplifica las posibles perturbaciones. Además, estas corrientes directas pueden provocar fenómenos de electrólisis provocando la corrosión de las piezas metálicas en contacto con la humedad o incluso la perforación de tuberías metálicas enterradas. Estos deben ser objeto de medidas de protección específicas.
Los cálculos correspondientes a este apartado se detallan en el libro Tracción eléctrica , capítulo 10.1.3.
La subestación aplica un voltaje U ss entre la línea de contacto y los rieles (por lo tanto, el ambiente conductor).
Entre la subestación y la unidad de tracción, la línea descrita anteriormente tiene una impedancia Z variable con la distancia que también provoca una caída de tensión variable égalementU . A medida que la unidad de tracción se aleja de la subestación, el voltaje que detecta entre la línea de contacto y los rieles disminuye a un mínimo aceptable por el equipo.
El folleto UIC n ° 600 (norma europea EN 50-163) establece los valores límite que deben observarse para los diferentes tipos de alimentación.
| Tensiones en voltios |
Voltaje nominal |
Mínimo permanente |
Voltaje de caída máximo |
Máximo permanente |
|---|---|---|---|---|
| Voltajes continuos | ||||
| 600 V | 600 | 400 | 200 | 720 |
| 750 V | 750 | 500 | 250 | 900 |
| 1500 V | 1500 | 1000 | 500 | 1800 |
| 3000 V | 3000 | 2000 | 1000 | 3600 |
| Voltajes alternativos | ||||
| 15 kV 16,7 Hz | 15000 | 12000 | 3000 | 17250 |
| 25 kV (50/60 Hz) | 25000 | 19000 | 6000 | 27500 |
Dado que la longitud del circuito de tracción se mide en kilómetros, los cálculos de caída de voltaje utilizan la impedancia en kilómetros de este circuito. Esto es complejo de determinar porque se relaciona con la línea de contacto, los rieles y el entorno conductor.
Bajo voltaje directo, en un estado estabilizado, esta impedancia se limita a la resistencia óhmica, luego se recurre a la resistencia de kilómetros del circuito. Para aplicaciones actuales, se puede usar el valor de 0.05 Ω / km.
En tensión alterna, para tener en cuenta los efectos de la inducción y la capacitancia, es necesario trabajar en una cantidad compleja, expresando el módulo la resistencia óhmica y el término imaginario el desfase. Además, el efecto piel da como resultado un aumento de la resistencia óhmica con la frecuencia. De 16,7 a 50 Hz, la impedancia kilométrica se multiplica por aproximadamente 2,5, lo que justifica la elección de la tensión de línea de 25 kV a 50 Hz en lugar de 15 kV a 16,7 Hz.
Caídas de voltaje de líneaProducto de la impedancia del circuito de tracción por la corriente máxima entregada en la línea de contacto, esta cantidad permite predecir el espaciamiento entre las subestaciones y determinar su ubicación.
Características de las caídas de tensión.
La caída de tensión calculada en función del desplazamiento de la unidad de tracción depende de la configuración de la línea y de su alimentación.
A la potencia requerida para la tracción hay que sumar la absorbida por los auxiliares de las unidades de tracción y los vehículos de pasajeros, que da la potencia total.
| Tipo de tren | Rendimiento | Potencia kW |
Corriente absorbida bajo voltaje de línea |
|||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Tracción | Total | 1500 V | 15000 V | 25000 V | ||
| Tren de pasajeros de 600 t 1 locomotora 6 MW 84 t |
Nivel 140 km / h | 1330 | 1880 | 1253 | 125 | 75 |
| Tren de mercancías de 700 t 2 locomotoras de 6 MW 84 t |
75 km / h en rampa de 27 ‰ | 5625 | 5725 | 3817 | 382 | 229 |
| TGV Red de una sola unidad, 2 motores 4400 kW, 8 remolques, más de 383 t | Nivel de 200 km / h | 1784 | 2284 | 1523 | 152 | 91 |
| Nivel de 300 km / h | 5338 | 5838 | 234 | |||
El cálculo de las caídas de tensión de la línea en función de las características de la línea y del tráfico proporcionado permite determinar los intervalos entre subestaciones para cumplir con los mínimos de tensión presentados anteriormente.
| Intervalos entre subestaciones km |
Potencia por subestación MW o MVA |
|
|---|---|---|
| Continuo 1500 V | 8 a 14 25 en líneas de tráfico ligero |
3 hasta 12 |
| Monofásico 16,7 Hz 15 kV | 30 hasta 60 | 10 hasta 30 |
| Monofásico 50 Hz 25 kV | 30 hasta 60 | 10 hasta 30 |
Por debajo de 50 Hz 25 kV, vemos resultados idénticos a 16.7 Hz 15 kV. Esto se debe a dos cosas: