El Ferrocarril de Nueva York, New Haven y Hartford fue pionero en la electrificación de los ferrocarriles principales utilizando catenaria aérea monofásica de corriente alterna y alto voltaje . Electrificó su línea principal entre Stamford, Connecticut , y Woodlawn, Nueva York , en 1907 y extendió la electrificación a New Haven, Connecticut , en 1914. Si bien la electrificación ferroviaria de CA monofásica se ha convertido en algo común, el sistema de New Haven no tenía precedentes en ese momento. de construcción. La importancia de esta electrificación fue reconocida en 1982 con su designación como Monumento Histórico de Ingeniería Mecánica por la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME).
New Haven intentó varios experimentos con electrificación de CC de bajo voltaje en la década anterior a la electrificación aérea de su línea principal. Estos incluyeron:
Como era de esperar, el tercer sistema ferroviario provocó numerosos accidentes. También resultó en un decreto de la Corte Suprema de Connecticut el 13 de junio de 1906 que prohibía el uso de electrificación por tercer carril dentro del estado. [2] Esta decisión obligó a New Haven a diseñar su sistema de electrificación de la línea principal utilizando catenaria aérea.
En el diseño inicial se consideraron varias combinaciones de sistemas diferentes de voltaje y frecuencia. Debido a las distancias relativamente grandes, se consideró inevitable la transmisión a altas tensiones mediante corriente alterna. Se consideró una arquitectura similar a las empresas de servicios públicos de CC comerciales y a los ferrocarriles urbanos utilizando líneas de transmisión de alto voltaje, convertidores rotativos y catenaria de CC aérea. Los estudios de la época suponían para esta arquitectura una eficiencia eléctrica de sólo el 75 por ciento.
El voltaje más alto para el cual se podían diseñar generadores de manera confiable en ese momento era de aproximadamente 22 kV. Se consideró un diseño intermedio utilizando líneas de transmisión de 22 kV, subestaciones para reducir la tensión de catenaria entre 3 y 6 kV y transformadores en los motores a los 560 V requeridos por los motores de tracción. [2] El ferrocarril se dio cuenta de que podría ahorrar importantes costes de capital si se omitiera la sustitución intermedia y las locomotoras recibieran una tensión de línea de alrededor de 11 kV.
La electrificación de New Haven fue la primera de su tipo; ningún ferrocarril anterior tenía experiencia práctica en la operación de un sistema de distribución de alto voltaje sobre un ferrocarril de vapor. Muchas de las especificaciones finales del sistema fueron el resultado de decisiones de diseño informadas basadas en el estado de la tecnología eléctrica en 1907.
Se obtuvieron propuestas de General Electric (GE) y Westinghouse . Ambas empresas presentaron una variedad de esquemas de CA y CC, aunque GE favoreció la electrificación de CC. Pero New Haven eligió CA monofásica a 11 kV, 25 Hz. según lo propuesto por Westinghouse, que había estado investigando la electrificación de ferrocarriles con corriente alterna desde 1895 y, en asociación con Baldwin, suministró locomotoras Baldwin-Westinghouse . [3] Posteriormente, GE también suministró algunas locomotoras.
Los diseñadores consideraron varios voltajes para el segmento de transmisión del sistema, incluidos 3 a 6 kV, 11 kV y 22 kV. En última instancia, los sistemas de transmisión y catenaria se combinaron en un sistema sin transformador, que utilizaba el mismo voltaje desde la salida del generador hasta la catenaria y el pantógrafo de la locomotora. Como 11 kV era el voltaje más alto que se podía obtener directamente de la salida de los generadores de 1907, se seleccionó 11 kV como voltaje de transmisión y catenaria del sistema.
New Haven había considerado dos frecuencias operativas diferentes para usar en su electrificación: 15 Hz y 25 Hz. Aunque 15 Hz era deseable desde una perspectiva de ingeniería, ya que permitiría un tamaño de motor reducido, pérdidas inductivas más bajas y un factor de potencia del motor más alto, el ferrocarril consideró que elegir esa frecuencia era similar a un "intervalo de ancho", limitando así las perspectivas comerciales de su sistema. En 1907, 25 Hz ya se había convertido en un estándar comercial, y el ferrocarril ya operaba varias centrales eléctricas de tranvía a 25 Hz y había equipado muchas de sus tiendas con motores de 25 Hz; por ello, el ferrocarril seleccionó el estándar de 25 Hz.
New Haven no tenía precedentes a seguir al diseñar su sistema de catenaria. La catenaria aérea había sido anteriormente dominio de los tranvías, excepto en algunos ferrocarriles trifásicos en Europa. No existía ninguna experiencia previa en la explotación de ferrocarriles de alta velocidad con sistema de contacto aéreo. La catenaria diseñada por New Haven tenía una sección transversal triangular única y relativamente rígida.
La sección triangular de catenaria utilizada en la electrificación original sólo fue repetida por otro ferrocarril. El ferrocarril de Londres, Brighton y la costa sur utilizó una catenaria triangular similar desde 1909 hasta 1929. [4] Las ampliaciones de New Haven de 1914 prescindieron del diseño de catenaria triangular.
El espacio entre los soportes de la catenaria se estableció en 300 pies (91 m). Esto se basó en mantener la desviación de la línea recta desde el centro de la vía dentro de 8,5 pulgadas (220 mm) con un radio de curva de 3 grados, que era la curva más cerrada entre las terminales del sistema original en Woodlawn y Stamford.
Los generadores de la Central Eléctrica de Cos Cob fueron diseñados para suministrar energía monofásica directamente a la catenaria. También se les pidió que suministraran energía trifásica tanto al propio New Haven para su uso a lo largo de las líneas, [5] como a la estación generadora Port Morris de New York Central (NYC) para compensar a la ciudad de Nueva York por la energía consumida por New Haven. "Haven entrena en la línea suministrada por el tercer carril de la ciudad de Nueva York hasta Grand Central Terminal" . [2] Los generadores Cos Cob eran máquinas trifásicas, pero conectadas para suministrar energía trifásica y monofásica simultáneamente.
Aunque el ferrocarril consideró que la electrificación de 1907 fue un gran éxito, dos problemas requirieron un rediseño definitivo del sistema de transmisión. La primera fue la interferencia electromagnética en cables telefónicos y telegráficos paralelos adyacentes causada por las altas corrientes en el sistema de energía de tracción.
La segunda fue que el crecimiento geográfico del sistema y la evolución de la tecnología eléctrica crearon la necesidad de voltajes de transmisión más altos. El ferrocarril podría simplemente haber aumentado el voltaje de operación de todo el sistema; sin embargo, esto habría requerido actualizar todos los aisladores de la catenaria para soportar un potencial más alto y reemplazar todo el equipo de alto voltaje de la locomotora. Y si bien los voltajes de transmisión más altos se habían vuelto comunes en los siete años transcurridos desde la electrificación inicial, los generadores todavía estaban limitados por razones económicas a un voltaje de salida máximo de alrededor de 11 kV.
La solución adoptada por el ferrocarril, tras varios años de estudio, fue un sistema de autotransformador equilibrado .
Sorprendentemente, el ferrocarril cambió la arquitectura del sistema de transmisión en cuatro horas, aunque los trabajos preliminares habían llevado los 18 meses anteriores. El domingo 25 de enero de 1914, el ferrocarril cortó todo el sistema eléctrico a las 2 de la madrugada. Grupos de trabajadores de todo el sistema reconfiguraron las líneas de transmisión durante los siguientes 70 minutos. Se inició la puesta en marcha del sistema y, a las 5:30 am, los trenes eléctricos circulaban por el nuevo sistema provisto de autotransformador. [6]
El sistema de New Haven se extendió a través del puente Hell Gate hasta el ferrocarril de conexión de Nueva York tras la construcción de la línea Hell Gate . El sistema de electrificación fue una extensión de la arquitectura revisada del autotransformador de 11/22 kV de New Haven. La electrificación original se extendía desde la línea principal de New Haven, a través del puente Hell Gate, hasta el patio de Bay Ridge. La línea al sur de Bowery Bay Junction se deselectrificó en la década de 1950. La línea entre New Rochelle y Harold Interlocking fue transferida a Amtrak en 1976 tras la disolución de Penn Central . El sistema de electrificación continuó siendo controlado como parte del antiguo sistema de New Haven hasta la conversión de 1987 a la operación de 60 Hz.
Cuando Metro-North convirtió la línea principal de New Haven a funcionamiento de 60 Hz, la sección Amtrak de la línea Hell Gate también se convirtió, pero como un sistema aislado alimentado desde la subestación Van Nest. El control del sistema de catenaria se transfirió de Cos Cob al Load Dispatcher en la estación Penn de Nueva York . Aunque la conversión se produjo después de la electrificación de la era PRR , se asignaron los números 45 a 47 de las subestaciones de Amtrak para mantener la coherencia con el resto del esquema de numeración del PRR.
Desde el año 2000, el sistema de energía de tracción de 60 Hz de Amtrak extiende la electrificación a lo largo del Corredor Noreste entre New Haven [nota 1] y Boston, Massachusetts . Este sistema fue construido por Amtrak a finales de la década de 1990 y suministra energía a las locomotoras desde un sistema de catenaria aérea a 25 kV de corriente alterna con 60 Hz, la frecuencia estándar en América del Norte. Su construcción permitió que trenes de pasajeros totalmente eléctricos operaran todo el trayecto entre Washington, DC y Boston, completando el proyecto iniciado en 1907 y eliminando una larga parada en la estación de New Haven para cambios de locomotora.