Un circuito de vía es un dispositivo eléctrico que se utiliza para demostrar la ausencia de un tren en las vías a los señalizadores y controlar las señales pertinentes. Una alternativa a los circuitos de vía son los contadores de ejes .
El principio básico del circuito de vía consiste en la conexión de los dos raíles mediante las ruedas y los ejes de las locomotoras y el material rodante para cortocircuitar un circuito eléctrico. Este circuito es controlado por equipos eléctricos para detectar la ausencia de trenes. Como se trata de un dispositivo de seguridad, su funcionamiento a prueba de fallos es crucial. Por ello, el circuito está diseñado para indicar la presencia de un tren cuando se producen averías. Por otro lado, las lecturas de ocupación falsas son perjudiciales para las operaciones ferroviarias y deben minimizarse.
Los circuitos de vía permiten que los sistemas de señalización ferroviaria funcionen de forma semiautomática, mostrando señales para que los trenes reduzcan la velocidad o se detengan en presencia de vías ocupadas delante de ellos. Ayudan a evitar que los despachadores y operadores provoquen accidentes, tanto al informarles de la ocupación de las vías como al evitar que las señales muestren indicaciones inseguras.
En un circuito de vía, normalmente se aplica energía a cada riel y se conecta una bobina de relé entre ellos. Cuando no hay ningún tren presente, el relé se activa con la corriente que fluye desde la fuente de energía a través de los rieles. Cuando hay un tren presente, sus ejes provocan un cortocircuito ( derivación ) entre los rieles. La corriente que llega a la bobina del relé de vía disminuye y se desenergiza. Por lo tanto, los circuitos a través de 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 carriles. Para evitar que un circuito alimente falsamente a otro en caso de falla del aislamiento, la polaridad eléctrica generalmente se invierte de una sección a una sección adyacente. Los circuitos se alimentan a voltajes bajos (1,5 a 12 V CC). Los relés y la fuente de alimentación están conectados a extremos opuestos de la sección para evitar que los carriles rotos aíslen eléctricamente parte de la vía del circuito. Una resistencia en serie limita la corriente cuando el circuito de la vía está en cortocircuito.
En algunos esquemas de electrificación ferroviaria , uno o ambos rieles de rodadura se utilizan para transportar la corriente de tracción de retorno. Esto impide el uso del circuito básico de vía de CC porque las importantes corrientes de tracción superan las corrientes muy pequeñas del circuito de vía.
Cuando se utiliza tracción de CC en la línea de circulación o en vías cercanas, no se pueden utilizar circuitos de vía de CC; de manera similar, 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, por lo general, la frecuencia de CA está en el rango de las frecuencias de audio , desde 91 Hz hasta 10 kHz. Los relés están dispuestos 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 interpreta la presencia de la señal como una vía desocupada, mientras que la falta de una señal indica la presencia de un tren. La señal de CA se puede codificar y las locomotoras se pueden equipar con captadores inductivos para crear un sistema de señalización de cabina .
Existen dos métodos comunes para proporcionar una ruta continua para la corriente de tracción que abarca varios bloques de circuitos de vía. El método más simple instala juntas de circuitos de vía aisladas en solo uno de los dos rieles, y el segundo es una ruta para la corriente de retorno y una conexión a tierra para el riel del circuito de vía. Esto tiene la desventaja de que solo se pueden detectar roturas en un riel, por lo que el sistema de dos rieles más popular utiliza uniones de impedancia para permitir que la corriente de tracción pase entre bloques de circuitos de vía aislados mientras bloquea la corriente en las frecuencias del circuito de vía.
Los circuitos de CA a veces se utilizan en áreas donde las condiciones introducen corrientes parásitas que interfieren con los circuitos de CC.
Las vías modernas suelen estar soldadas de forma continua , y las juntas se sueldan durante la instalación. Esto ofrece muchos beneficios, excepto para el sistema de señalización, que ya no tiene cortes naturales en el raíl para formar secciones de bloque. El único método para formar bloques discretos en este escenario es utilizar diferentes frecuencias de audio (AF) en cada sección de bloque. Para evitar que la señal de audio de una sección pase a una sección adyacente, se conectan pares de circuitos sintonizados a través de los raíles en el límite de la sección. El circuito sintonizado a menudo incorpora el circuito para aplicar la señal transmitida a la vía o recuperar la señal recibida del otro extremo de la sección.
Consideremos un ferrocarril con dos secciones de bloques como en el diagrama. La sección 1 tiene la frecuencia A inyectada en el extremo izquierdo y recibida en el extremo derecho. La sección 2 continúa desde el extremo derecho de la sección 1, donde se inyecta la frecuencia B y luego se recibe en el extremo derecho de la sección 2.
A menudo existe un espacio entre el lugar donde se recibe la frecuencia A y el lugar donde se inyecta la frecuencia B. Esto se denomina "zona sintonizada" y es una sección de la vía donde la amplitud de la frecuencia A se reduce en la dirección de la sección 2 y la amplitud de la frecuencia B se reduce en la dirección de la sección 1. La zona sintonizada puede tener una longitud del orden de 20 m.
Ventajas de los circuitos de vías sin juntas:
Desventajas de los circuitos de vías sin juntas:
CSEE (ahora Ansaldo STS ) 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 equivocado, la frecuencia de modulación se calcula dividiendo la frecuencia base por 128. Los equipos en los trenes pueden detectar diferentes tasas de modulación y usarlas para el control automático del tren , siempre que el extremo del transmisor (Tx) esté en la parte delantera del tren.
Los circuitos de vías sin juntas EBItrack (anteriormente TI21 ) y Westinghouse FS2500 son similares al UM71.
Un circuito de vía sin juntas como el CSEE se puede dividir con una unidad de captación de datos (DPU), que es más barata que dividirlo en dos circuitos de vía. Una DPU evita la necesidad de cambiar la frecuencia de toda una serie de circuitos de vía en cascada. La DPU consiste en una bobina sintonizada que detecta la presencia o ausencia de corriente en el carril adyacente y activa o desactiva un relé en consecuencia. Uno de los usos de las DPU es para circuitos de temporización. Cada frecuencia de circuito de vía tiene su propia DPU sintonizada a esa frecuencia. Las DPU se pueden ubicar prácticamente en cualquier lugar; superan la limitación de que las vías sin juntas tienen una longitud mínima.
En áreas no electrificadas, se pueden utilizar circuitos de vía codificados con corriente continua. Estos modulan la corriente que va desde el extremo de la fuente de alimentación hasta el extremo del relé y controlan las señales y las señales de la 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 para activar la señalización adecuada de la cabina si está disponible. [2] Pueden superponerse a ellos sistemas de predicción para operar pasos a nivel. [3]
Las marcas de circuitos de vías codificadas incluyen:
Cuando la longitud de una sección excede la longitud práctica de un circuito de vía, se pueden proporcionar vías cortadas. Con una vía cortada, el relé de la última vía corta la alimentación de la fuente de energía del penúltimo circuito de vía, y así sucesivamente. Las vías cortadas solo son adecuadas para vías unidireccionales.
Los circuitos de vía con contaminación de balasto serán más cortos que aquellos con buen balasto, por lo que se necesitarán más vías cortadas.
Jeumont-Schneider fabrica una marca común de circuitos de vía de impulso de alto voltaje (HVIT) . El alto voltaje penetra el óxido y otros problemas.
El HVIT transmite dos pulsos de forma alternada, uno positivo estrecho de aproximadamente 100 VCC y uno negativo más amplio de aproximadamente 30 VCC. La energía de los dos pulsos es la misma. En el extremo del receptor, un circuito RC integra los dos pulsos que deben tener las proporciones correctas para que el relé los detecte. Los circuitos RC comprueban que los pulsos positivo y negativo estén en fase correcta. Los dos pulsos funcionan a aproximadamente 1 Hz.
El circuito funcionará con líneas electrificadas de CA y CC, con equipamiento adicional.
En áreas no electrificadas, las uniones en bloque aisladas vienen en pares, una en cada riel.
En las zonas electrificadas, es necesario encontrar una solución alternativa que permita que la corriente de tracción, del orden de miles de amperios, regrese a la subestación. Esto se puede lograr eliminando las juntas de los bloques aislados en uno de los rieles, llamado riel de retorno.
Si se necesitan ambos rieles para transportar la corriente de retorno de tracción pesada, se proporcionan juntas de bloque aisladas en ambos rieles y se proporcionan uniones de impedancia para transportar la corriente de tracción alrededor de las juntas aisladas. Las uniones de impedancia son esencialmente bobinas con toma central, que ofrecen baja impedancia a la corriente de tracción a, digamos, 50 Hz, mientras que ofrecen alta impedancia a la corriente de señalización a, digamos, 1,7 kHz.
Las ruedas del ferrocarril están hechas de acero y proporcionan un buen cortocircuito de riel a riel ( resistencia a la derivación ).
Los trenes más largos con más ruedas tienen mejor conductividad. Los trenes cortos, los locomotoras ligeras o las locomotoras individuales pueden ser un problema. En Nueva Zelanda hubo problemas con las locomotoras ligeras de la clase Rm que no siempre se detectaban; consulte Señalización ferroviaria en Nueva Zelanda . Los trenes con una locomotora Budd individual , que también son ligeras, y con frenos de disco, tuvieron algunos problemas cuando se detuvieron y tuvieron que hacer una doble parada para asegurar un buen contacto con los rieles. [ cita requerida ]
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. Como resultado, algunos vehículos con frenos de disco tienen "almohadillas de fregado" que limpian las ruedas para ayudar al funcionamiento correcto del circuito de pista. [ cita requerida ]
Los relés de circuito de vía , a los que los encargados del mantenimiento de señales llaman "relés vitales", están especialmente diseñados para reducir la posibilidad de fallos en el lado incorrecto . Por ejemplo, pueden tener contactos de carbono y plata para reducir la probabilidad de que los contactos incorrectos se cierren por soldadura después de picos de tensión o rayos.
El circuito está diseñado de modo que la gran mayoría de las fallas provoquen una indicación de "pista ocupada" (conocida como falla del lado derecho). Por ejemplo:
Por otra parte, son posibles los modos de fallo que impiden que el circuito detecte los trenes (conocidos como fallo del lado equivocado). Algunos ejemplos son:
Los modos de falla que resultan en una señal incorrecta de "vía libre" (conocidos generalmente en los EE. UU. como "falso despeje") pueden permitir que un tren ingrese a un bloque ocupado, creando el riesgo de una colisión. El desnivel de las ruedas y los trenes cortos también pueden ser un problema. También pueden hacer que los sistemas de advertencia en un paso a nivel no se activen. Es por eso que en la práctica del Reino Unido, también se utiliza un pedal en los circuitos de cruce.
Para responder a este tipo de fallos se utilizan diferentes medios. Por ejemplo, los relés están diseñados para un nivel muy alto de fiabilidad. En zonas con problemas eléctricos, se pueden utilizar diferentes tipos de circuitos de vía que sean menos susceptibles a las interferencias. Se pueden restringir las velocidades cuando y donde la caída de hojas sea un problema. Se puede prohibir el tráfico para dejar pasar el equipo que no desvíe los raíles de forma fiable.
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 en la vía que habían hecho. Por lo tanto, el circuito de la vía no detectó las roturas y el maquinista no recibió una indicación de "Alto". Otra forma de sabotaje, que no tiene como objetivo provocar un choque de trenes sino simplemente hacer que los trenes se detengan y disminuyan la velocidad innecesariamente en un intento de sabotear la economía o posibles lesiones, es atar un cable entre los dos rieles, lo que provoca una señal de obstrucción falsa. [5] [6]
El circuito de la vía depende de que haya un contacto eléctrico adecuado entre el raíl y la rueda; la contaminación puede aislarlos. Un problema habitual son las hojas caídas, aunque ha habido casos en los que los insectos aplastados también han provocado fallos de detección. [7]
Un problema más persistente es el óxido. Normalmente, la cabeza de la vía se mantiene limpia de óxido gracias al paso regular de las ruedas de los trenes. Las líneas que no se utilizan con regularidad pueden oxidarse tanto que impidan la detección de los vehículos. Los cambios de vía y los cruces que rara vez se utilizan y los extremos de las vías de los andenes terminales también son propensos a oxidarse. Las medidas para solucionar este problema incluyen:
En algunas circunstancias, las juntas de bloque aisladas se pueden unir con una calota de rueda, lo que provoca que uno o dos circuitos de vía fallen. Este problema se puede reducir si se colocan un par de juntas de bloque en serie con una separación de aproximadamente 4 m. La sección corta de 4 m no se convertiría en circuito de vía. [8]
Las locomotoras eléctricas deben evitar generar ruidos en las frecuencias que utilizan los circuitos de vía. La Serie 13 de la SNCB tenía este tipo de problemas.
Un tren corto, ligero y rápido que pasa por una vía de unión aislada puede desaparecer del circuito de vía de salida antes de aparecer en el circuito de vía de llegada, lo que permite que se emitan señales falsas de vía libre. 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 electrónicos de vía, como el CSEE, pueden incorporar fácilmente dicho retardo de tiempo.
A veces resulta conveniente conectar los detectores de un conjunto de puntos a través del circuito de vías sobre esos puntos. Esto se puede hacer de una de dos maneras:
Un elemento de seguridad sencillo que llevan todos los trenes pesados de Gran Bretaña es un clip de funcionamiento del circuito de vía (TCOC, por sus siglas en inglés) . [9] Se trata de un trozo de cable que conecta dos clips de resorte de metal que se sujetan a un riel. En caso de accidente u obstrucción, un clip aplicado a ambos rieles indicará que esa línea está ocupada, lo que pone en peligro la señal de esa sección.
El procedimiento de protección de emergencia [9] en el Reino Unido requiere que se coloquen TCOC en todas las líneas de circulación afectadas si no se puede establecer contacto inmediatamente con el señalizador después de un accidente en el que las líneas adyacentes estén bloqueadas.
Los TCOC son ineficaces cuando la detección de trenes no se realiza mediante circuitos de vía, como contadores de ejes o pedales .
El primer uso de circuitos de vía fue obra de William Robert Sykes en un tramo corto de vía del ferrocarril London Chatham and Dover Railway en Brixton en 1864. [10] El circuito de vía a prueba de fallos fue inventado en 1872 por William Robinson , un ingeniero eléctrico y mecánico estadounidense. Su introducción de un método confiable de detección de ocupación de bloques fue clave para el desarrollo de los sistemas de señalización automática que ahora se utilizan casi universalmente. [11] : 3ff
Las primeras señales ferroviarias eran operadas manualmente por encargados de señales o agentes de estación. La decisión de cuándo cambiar el aspecto de la señal solía quedar a criterio del operador. En ocasiones, errores humanos o desatenciones daban lugar a una señalización inadecuada y colisiones de trenes.
La introducción del telégrafo a mediados del siglo XIX demostró que era posible transmitir información eléctricamente a distancias considerables, lo que impulsó la investigación de métodos para controlar eléctricamente las señales ferroviarias. Aunque se desarrollaron varios sistemas antes del de Robinson, ninguno podía responder automáticamente a los movimientos del tren.
En 1870, Robinson demostró por primera vez un sistema de señalización ferroviaria totalmente automático en forma de modelo. Posteriormente, se instaló una versión de tamaño real en el ferrocarril de Filadelfia y Erie en Ludlow, Pensilvania (también conocida como Kinzua, PA), donde demostró ser práctica. Su diseño consistía en discos operados eléctricamente ubicados sobre pequeñas casetas de señalización junto a las vías y se basaba en un circuito de vía abierta. Cuando no había ningún tren dentro del bloque, no se aplicaba energía a la señal, lo que indicaba que la vía estaba despejada. [11] : 4
Una debilidad inherente de este sistema era que podía fallar en un estado inseguro. Por ejemplo, un cable roto en el circuito de la vía indicaría falsamente que no había ningún tren en el bloque, incluso si lo había. Reconociendo esto, Robinson ideó el circuito de vía de bucle cerrado descrito anteriormente y, en 1872, lo instaló en lugar del circuito anterior. El resultado fue un sistema de señalización totalmente automático y a prueba de fallas que fue el prototipo para el desarrollo posterior. [11] : 6–9
Aunque fue pionero en el uso de señales para controlar los trenes, el Reino Unido tardó en adoptar el diseño de Robinson. En ese momento, muchos vagones de los ferrocarriles británicos tenían ejes de madera o ruedas con bujes de madera, lo que los hacía incompatibles con los circuitos de vías.
Se habrían evitado numerosos accidentes con la instalación de circuitos de vías, entre ellos:
Accidente ferroviario de Norton Fitzwarren (1890) Accidente ferroviario en Hawes Junction (1910) Accidente ferroviario en Quintinshill (1915).svg/1280px-Flag_of_Australia_(converted).svg.png){kind=small}
Colisión en el cruce de Geurie (1963).svg/1280px-Flag_of_Canada_(Pantone).svg.png){kind=small}
Desastre ferroviario de Lac-Mégantic (2013)Mucho menos frecuentes son los accidentes provocados por fallos en los propios circuitos de la vía. Por ejemplo:
Desastre ferroviario de Cowan , que ocurrió cuando la arena en los rieles aisló las ruedas de los rieles, lo que provocó una falla en la derivación que permitió que una señal de bloque posterior mostrara incorrectamente un aspecto claro, lo que resultó en una colisión trasera.
Accidente ferroviario en Moravany, ocurrido en la estación de Moravany . Un dispensador de arena roto provocó que se formara una capa de arena sobre el raíl, lo que hizo que perdiera la derivación. El equipo de la estación interpretó esto como que la vía estaba libre y permitió que otro tren entrara en la estación, que luego chocó contra el tren anterior por detrás. [12]
Colisión de trenes del metro de Washington el 22 de junio de 2009 , que se produjo cuando se desarrolló una oscilación parásita en un módulo de control del circuito de vías. [4]Debido a que los circuitos de vía funcionan haciendo pasar una 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 encuentra en un desvío (conjunto de agujas), es posible que no sea posible detectarlo.
Accidente ferroviario de Hither Green (1967): descarrilamiento debido a que se rompió la parte superior del raíl Descarrilamiento de Weyauwega (1996): riel roto no detectado en un desvío. Accidente ferroviario de Big Bayou Canot (1993): riel soldado continuo, no detectado , intacto pero muy retorcido en un puente que aún indicaba una condición clara en la señal.