Los sistemas de electrificación ferroviaria que utilizan corriente alterna (CA) a 25 kilovoltios (kV) se utilizan en todo el mundo, especialmente para el ferrocarril de alta velocidad . Por lo general, se suministra a la frecuencia estándar de la red pública (normalmente 50 o 60 Hz), lo que simplifica las subestaciones de tracción. El desarrollo de la electrificación de 25 kV CA está estrechamente relacionado con el uso exitoso de la frecuencia del servicio público.
Esta electrificación es ideal para ferrocarriles que cubren largas distancias o transportan mucho tráfico. Después de algunos experimentos antes de la Segunda Guerra Mundial en Hungría y en la Selva Negra en Alemania , su uso se generalizó en la década de 1950.
Una de las razones por las que no se introdujo antes fue la falta de equipos de rectificación y control pequeños y livianos adecuados antes del desarrollo de los rectificadores de estado sólido y la tecnología relacionada. Otra razón fue el aumento de las distancias libres requeridas cuando pasaba debajo de puentes y túneles, lo que habría requerido una importante obra de ingeniería civil para proporcionar un mayor espacio libre a las partes vivas.
Los ferrocarriles que utilizan sistemas de corriente continua más antiguos y de menor capacidad han introducido o están introduciendo 25 kV CA en lugar de 3 kV CC/ 1,5 kV CC para sus nuevas líneas de alta velocidad.
El primer uso operativo y regular exitoso de un sistema de frecuencia de servicios públicos se remonta a 1931, y se han realizado pruebas desde 1922. Fue desarrollado por Kálmán Kandó en Hungría, quien utilizó 16 kV CA a 50 Hz , tracción asíncrona y un número ajustable de ( motor) polos. La primera línea electrificada para pruebas fue Budapest-Dunakeszi-Alag. La primera línea completamente electrificada fue Budapest-Győr-Hegyeshalom (parte de la línea Budapest-Viena). [1] Aunque la solución de Kandó mostró un camino para el futuro, los operadores ferroviarios fuera de Hungría mostraron una falta de interés en el diseño.
El primer ferrocarril que utilizó este sistema fue completado en 1936 por la Deutsche Reichsbahn , que electrificó parte de Höllentalbahn entre Friburgo y Neustadt instalando un sistema de CA de 20 kV y 50 Hz . Esta parte de Alemania estuvo en la zona de ocupación francesa después de 1945. Como resultado del examen del sistema alemán en 1951, la SNCF electrificó la línea entre Aix-les-Bains y La Roche-sur-Foron en el sur de Francia, inicialmente en el mismo 20 kV, pero convertido a 25 kV en 1953. El sistema de 25 kV se adoptó entonces como estándar en Francia, pero como una gran cantidad de kilómetros al sur de París ya habían sido electrificados con 1,5 kV CC , la SNCF también continuó con algunos nuevos proyectos importantes de electrificación CC. hasta que se desarrollaron las locomotoras de doble voltaje en la década de 1960. [2] [3]
La razón principal por la que la electrificación utilizando la frecuencia de la red pública no se había adoptado ampliamente antes era la falta de confiabilidad de los rectificadores de arco de mercurio que podían caber en el tren. Esto a su vez se relacionaba con el requisito de utilizar motores serie DC , lo que requería convertir la corriente de AC a DC y para ello se necesita un rectificador . Hasta principios de la década de 1950, los rectificadores de arco de mercurio eran difíciles de utilizar incluso en condiciones ideales y, por tanto, no eran adecuados para su uso en locomotoras ferroviarias.
Era posible utilizar motores de CA (y algunos ferrocarriles lo hicieron, con éxito variable), pero no han tenido características ideales para fines de tracción. Esto se debe a que el control de la velocidad es difícil sin variar la frecuencia y la dependencia del voltaje para controlar la velocidad produce un par a cualquier velocidad dada que no es ideal. Esta es la razón por la que los motores en serie de CC fueron la opción más común para fines de tracción hasta la década de 1990, ya que pueden controlarse mediante voltaje y tienen una característica de par versus velocidad casi ideal.
En la década de 1990, los trenes de alta velocidad comenzaron a utilizar motores de inducción de CA trifásicos más ligeros y de menor mantenimiento . El Shinkansen N700 utiliza un convertidor de tres niveles para convertir 25 kV CA monofásico a 1520 V CA (mediante transformador) a 3 kV CC (mediante rectificador controlado por fase con tiristor) a un máximo de 2300 V CA trifásico (mediante un Voltaje variable, inversor de frecuencia variable que utiliza IGBT con modulación de ancho de pulso ) para hacer funcionar los motores. El sistema funciona a la inversa para el frenado regenerativo .
La elección de 25 kV estaba relacionada con la eficiencia de la transmisión de energía en función del voltaje y el costo, no con una relación clara y ordenada del voltaje de suministro. Para un nivel de potencia determinado, un voltaje más alto permite una corriente más baja y, por lo general, una mejor eficiencia a un mayor costo para los equipos de alto voltaje. Se descubrió que 25 kV era un punto óptimo, donde un voltaje más alto aún mejoraría la eficiencia, pero no en una cantidad significativa en relación con los costos más altos incurridos por la necesidad de aisladores más grandes y una mayor separación de las estructuras.
Para evitar cortocircuitos , la alta tensión debe protegerse de la humedad. Los fenómenos meteorológicos, como " el tipo de nieve equivocado ", han provocado averías en el pasado. Un ejemplo de causas atmosféricas se produjo en diciembre de 2009, cuando cuatro trenes Eurostar se averiaron en el interior del Eurotúnel .
La energía eléctrica para la electrificación de 25 kV CA suele tomarse directamente del sistema de transmisión trifásico . En la subestación de transmisión, se conecta un transformador reductor a través de dos de las tres fases del suministro de alto voltaje y reduce el voltaje a 25 kV . Luego se conduce, a veces a varios kilómetros de distancia, a una estación alimentadora de ferrocarril situada junto a las vías. Los equipos de conmutación en las estaciones alimentadoras y en las cabinas de seccionamiento de vías ubicadas a medio camino entre las estaciones alimentadoras, proporcionan conmutación para alimentar la línea aérea desde estaciones alimentadoras adyacentes si una estación alimentadora pierde el suministro de la red.
Dado que sólo se utilizan dos fases del suministro de alto voltaje, el desequilibrio de fases se corrige conectando cada estación alimentadora a una combinación diferente de fases. Para evitar que el pantógrafo del tren una dos estaciones de alimentación que puedan estar desfasadas entre sí, se prevén secciones neutras en las estaciones de alimentación y en las cabinas de seccionamiento de vía. Los SVC se utilizan para equilibrio de carga y control de voltaje. [4]
En algunos casos, se construyeron líneas eléctricas de CA monofásicas dedicadas a subestaciones con transformadores de CA monofásicos. Estas líneas se construyeron para abastecer al TGV francés . [5]
La electrificación ferroviaria con 25 kV , 50 Hz CA se ha convertido en un estándar internacional. Hay dos estándares principales que definen los voltajes del sistema:
El rango permitido de voltajes permitidos es el establecido en las normas anteriores y tiene en cuenta el número de trenes que consumen corriente y su distancia a la subestación.
Este sistema ahora forma parte de los estándares de interoperabilidad ferroviaria transeuropea de la Unión Europea (1996/48/CE "Interoperabilidad del sistema ferroviario transeuropeo de alta velocidad" y 2001/16/CE "Interoperabilidad del sistema ferroviario transeuropeo convencional ").
Se han utilizado sistemas basados en este estándar pero con algunas variaciones.
En países donde 60 Hz es la frecuencia eléctrica normal de la red, se utilizan 25 kV a 60 Hz para la electrificación ferroviaria.
En Japón, se utiliza en las líneas ferroviarias existentes en la región de Tohoku , la región de Hokuriku , Hokkaido y Kyushu , de las cuales Hokuriku y Kyushu están a 60 Hz .
Algunas líneas en los Estados Unidos han sido electrificadas a 12,5 kV 60 Hz o convertidas de 11 kV 25 Hz a 12,5 kV 60 Hz . El uso de 60 Hz permite el suministro directo desde la red pública de 60 Hz, pero no requiere un mayor espacio libre para los cables para 25 kV 60 Hz ni requiere capacidad de doble voltaje para trenes que también operan en líneas de 11 kV 25 Hz . Ejemplos son:
Se planeó que la electrificación ferroviaria inicial de 50 Hz CA en el Reino Unido utilizara secciones de 6,25 kV CA donde había espacio limitado debajo de puentes y túneles. El material rodante era de doble voltaje con conmutación automática entre 25 kV y 6,25 kV . Los tramos de 6,25 kV se convirtieron a 25 kV CA como resultado de un trabajo de investigación que demostró que la distancia entre los equipos vivos y puestos a tierra se podía reducir de lo que originalmente se pensaba que era necesario.
La investigación se realizó utilizando una máquina de vapor debajo de un puente en Crewe . Un tramo de línea aérea de 25 kV se fue acercando progresivamente a la estructura metálica puesta a tierra del puente mientras era sometido al vapor de la chimenea de la locomotora. Se midió la distancia a la que se produjo una descarga disruptiva y esto se utilizó como base a partir de la cual se derivaron nuevos espacios libres entre los equipos aéreos y las estructuras. [ cita necesaria ]
Ocasionalmente se duplican 25 kV a 50 kV para obtener mayor potencia y aumentar la distancia entre subestaciones. Estas líneas suelen estar aisladas de otras líneas para evitar complicaciones por interconexión. Ejemplos son:
El sistema de autotransformador de 2 × 25 kV es un sistema de energía eléctrica de fase dividida que suministra energía de 25 kV a los trenes, pero transmite energía a 50 kV para reducir las pérdidas de energía. No debe confundirse con el sistema de 50 kV. En este sistema, la corriente se transporta principalmente entre la línea aérea y una línea de transmisión de alimentación en lugar del ferrocarril. La línea aérea (3) y el alimentador (5) están en fases opuestas por lo que la tensión entre ellos es de 50 kV, mientras que la tensión entre la línea aérea (3) y los carriles de rodadura (4) se mantiene en 25 kV. Los autotransformadores periódicos (9) desvían la corriente de retorno del carril neutro, la intensifican y la envían a lo largo de la línea de alimentación. Este sistema se implementó inicialmente, en 1981, en la entonces nueva línea ferroviaria de alta velocidad París-Lyon de Francia , [10] y pasó a ser utilizado por Ferrocarriles de Nueva Zelanda en 1988, [11] Ferrocarriles indios , [12] Ferrocarriles rusos , Ferrocarriles italianos de alta velocidad, Alta Velocidad 1 del Reino Unido, la mayor parte de la línea principal de la costa oeste y Crossrail, [13] con algunas partes de las líneas más antiguas convertidas gradualmente, [ cita necesaria ] líneas francesas (líneas LGV y algunas otras líneas [14] ) , la mayoría de las líneas ferroviarias de alta velocidad españolas, [15] Amtrak y algunas de las líneas finlandesas y húngaras.
Para las carreras de récord mundial de velocidad del TGV en Francia, el voltaje se aumentó temporalmente, a 29,5 kV [16] y 31 kV en diferentes momentos. [17]
Los trenes que pueden funcionar con más de un voltaje, digamos 3 kV/25 kV, son tecnologías establecidas. Algunas locomotoras en Europa son capaces de utilizar cuatro estándares de voltaje diferentes. [18]
Traxx MS (multisistema) para funcionamiento en redes CA (15 y 25 kV) y CC (1,5 y 3 kV)