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Una línea aérea o cable aéreo es un cable eléctrico que se utiliza para transmitir energía eléctrica a locomotoras eléctricas , unidades eléctricas múltiples , trolebuses o tranvías . El término genérico utilizado por la Unión Internacional de Ferrocarriles para la tecnología es línea aérea . [1] Se conoce de diversas formas como catenaria aérea , línea aérea de contacto ( OCL ), sistema de contacto aéreo ( OCS ), equipo aéreo ( OHE ), equipo de línea aérea ( OLE u OHLE ), líneas aéreas ( OHL ), cableado aéreo ( OHW ), cable de tracción y cable de trolebús .
Una línea aérea consiste en uno o más cables (o rieles , particularmente en túneles) situados sobre vías ferroviarias , elevados a un alto potencial eléctrico mediante la conexión a estaciones de alimentación a intervalos regulares a lo largo de la vía. Las estaciones de alimentación generalmente se alimentan desde una red eléctrica de alto voltaje .
Los trenes eléctricos que recogen su corriente de las líneas aéreas utilizan un dispositivo como un pantógrafo , un colector de proa o un poste de trolebús . Presiona contra la parte inferior del cable aéreo más bajo, el cable de contacto. Los colectores de corriente son conductores de electricidad y permiten que la corriente fluya a través del tren o tranvía y de regreso a la estación de alimentación a través de las ruedas de acero en uno o ambos rieles de rodadura. Las locomotoras no eléctricas (como los diésel ) pueden pasar por estas vías sin afectar la línea aérea, aunque puede haber dificultades con el espacio libre superior . Los esquemas alternativos de transmisión de energía eléctrica para trenes incluyen el tercer riel , el suministro de energía a nivel del suelo , las baterías y la inducción electromagnética .
Los vehículos como los autobuses, que tienen neumáticos de caucho, no pueden proporcionar una ruta de retorno para la corriente a través de sus ruedas y, en su lugar, deben utilizar un par de cables aéreos para proporcionar tanto la corriente como su ruta de retorno.
Para lograr una buena captación de corriente a alta velocidad, es necesario mantener la geometría del hilo de contacto dentro de límites definidos. Esto se logra generalmente sujetando el hilo de contacto con un segundo hilo conocido comoalambre mensajero ocatenaria. Este alambre se aproxima al recorrido natural de un alambre tendido entre dos puntos, unacurva catenaria, de ahí el uso de "catenaria" para describir este alambre o, a veces, todo el sistema. Este alambre está unido al alambre de contacto a intervalos regulares mediante alambres verticales conocidos como "droppers" o "drop wires". Se sostiene regularmente en estructuras, mediante unapolea, un enlace ouna abrazadera. A continuación, todo el sistema se somete atensión.
A medida que el pantógrafo se desplaza bajo el hilo de contacto, el inserto de carbono situado en la parte superior del pantógrafo se desgasta con el tiempo. En vías rectas, el hilo de contacto zigzaguea ligeramente hacia la izquierda y la derecha del centro desde cada soporte hasta el siguiente, de modo que el inserto se desgasta de manera uniforme, evitando así las muescas. En las curvas, el hilo "recto" entre los soportes hace que el punto de contacto cruce la superficie del pantógrafo a medida que el tren recorre la curva. El movimiento del hilo de contacto a lo largo del cabezal del pantógrafo se denomina "barrido".
En el caso de los postes de trolebús, no es necesario el zigzag de la catenaria. En el caso de los tranvías , se utiliza un cable de contacto sin cable guía.
Las áreas de depósito suelen tener un solo cable y se conocen como "equipos simples" o "cable de trolebús". Cuando se concibieron por primera vez los sistemas de líneas aéreas, solo era posible una buena recolección de corriente a bajas velocidades, utilizando un solo cable. Para permitir velocidades más altas, se desarrollaron dos tipos de equipos adicionales:
Los primeros cables de conexión proporcionaban soporte físico al cable de contacto sin unir eléctricamente la catenaria y los cables de contacto. Los sistemas modernos utilizan cables de conexión que transportan corriente, lo que elimina la necesidad de cables separados.
El sistema de transmisión actual se originó hace unos 100 años. En la década de 1970, la empresa constructora Pirelli propuso un sistema más sencillo, que consistía en un único cable incrustado en cada soporte a lo largo de 2,5 metros (8 pies 2 pulgadas) de su longitud en una viga de aluminio extruido y recortada con la cara de contacto del cable expuesta. Una tensión algo mayor que la utilizada antes de recortar la viga produjo un perfil desviado para el cable que podía ser manejado fácilmente a 400 km/h (250 mph) por un pantógrafo neumático con una aceleración de solo 3 g . [ cita requerida ]
Un circuito eléctrico requiere al menos dos conductores. Los tranvías y los ferrocarriles utilizan la línea aérea como un lado del circuito y los rieles de acero como el otro lado del circuito. Para un trolebús o un camión con ruedas , no hay rieles disponibles para la corriente de retorno, ya que los vehículos usan neumáticos de caucho en la superficie de la carretera. Los trolebuses utilizan una segunda línea aérea paralela para el retorno y dos postes de trolebús , uno en contacto con cada cable aéreo. ( Los pantógrafos generalmente son incompatibles con líneas aéreas paralelas). El circuito se completa utilizando ambos cables. Los cables aéreos paralelos también se utilizan en los raros ferrocarriles con electrificación ferroviaria de CA trifásica .
En la Unión Soviética se utilizaban los siguientes tipos de cables. [2] Para el cable de contacto, se utilizaba cobre macizo estirado en frío para garantizar una buena conductividad . El cable no es redondo, sino que tiene ranuras en los lados para permitir que se le coloquen las perchas. Los tamaños eran (en área de sección transversal) 85, 100 o 150 mm2 . Para hacer que el cable sea más resistente, se podría añadir un 0,04 % de estaño. El cable debe resistir el calor generado por el arco eléctrico y, por lo tanto, dichos cables nunca deben empalmarse por medios térmicos.
El cable mensajero (o catenario) debe ser resistente y tener buena conductividad. Utilizaron cables multifilares (o cables) con 19 hebras en cada cable (o alambre). Se utilizaron cobre, aluminio y/o acero para los hilos. Los 19 hilos podían estar hechos del mismo metal o de una mezcla de metales según las propiedades requeridas. Por ejemplo, se utilizaron cables de acero para la resistencia, mientras que se utilizaron cables de aluminio o cobre para la conductividad. [3] Otro tipo parecía tener todos los cables de cobre, pero dentro de cada cable había un núcleo de acero para la resistencia. Los hilos de acero estaban galvanizados, pero para una mejor protección contra la corrosión podían recubrirse con una sustancia anticorrosión.
En Eslovenia , donde se utiliza el sistema de 3 kV, los tamaños estándar para los cables de contacto son 100 y 150 mm2 . El cable de catenaria está hecho de cobre o aleaciones de cobre de 70, 120 o 150 mm2 . Las secciones transversales más pequeñas están hechas de 19 cordones, mientras que las más grandes tienen 37 cordones. Dos configuraciones estándar para líneas principales consisten en dos cables de contacto de 100 mm2 y uno o dos cables de catenaria de 120 mm2 , con un total de 320 o 440 mm2 . A menudo se utiliza un solo cable de contacto para las vías secundarias. [4]
En el Reino Unido y los países de la UE , el cable de contacto suele estar hecho de cobre aleado con otros metales. Los tamaños incluyen áreas de sección transversal de 80, 100, 107, 120 y 150 mm2 . Los materiales comunes incluyen cobre de resistencia normal y alta, cobre-plata, cobre-cadmio, cobre-magnesio y cobre-estaño, cada uno de los cuales se puede identificar por ranuras de identificación distintivas a lo largo del lóbulo superior del cable de contacto. Estas ranuras varían en número y ubicación en el arco de la sección superior. [5] El cobre se elige por su excelente conductividad, con otros metales agregados para aumentar la resistencia a la tracción. La elección del material se elige en función de las necesidades del sistema particular, equilibrando la necesidad de conductividad y resistencia a la tracción.
Los cables de la catenaria se mantienen en tensión mecánica porque el pantógrafo provoca oscilaciones mecánicas en el cable. Las ondas deben viajar más rápido que el tren para evitar la producción de ondas estacionarias , que podrían romper el cable. Tensar la línea hace que las ondas viajen más rápido y también reduce la flecha de la gravedad.
Para velocidades medias y altas, los cables se tensan generalmente con pesos o, ocasionalmente, con tensores hidráulicos. Ambos métodos se conocen como "autotensado" (AT) o "tensión constante" y garantizan que la tensión sea prácticamente independiente de la temperatura. Las tensiones suelen estar entre 9 y 20 kN (2000 y 4500 lbf ) por cable. Cuando se utilizan pesos, estos se deslizan hacia arriba y hacia abajo sobre una varilla o tubo unido al mástil, para evitar que se balanceen. Recientemente, se han comenzado a utilizar tensores de resorte. Estos dispositivos contienen un resorte de torsión con una disposición de levas para garantizar una tensión aplicada constante (en lugar de variar proporcionalmente con la extensión). Algunos dispositivos también incluyen mecanismos para ajustar la rigidez del resorte para facilitar el mantenimiento.
Para velocidades bajas y en túneles donde las temperaturas son constantes, se pueden utilizar equipos de terminación fija (FT), con los cables terminados directamente en estructuras en cada extremo de la línea aérea. La tensión es generalmente de alrededor de 10 kN (2200 lbf). Este tipo de equipo se comba en condiciones de calor y se tensa en condiciones de frío.
En el caso de AT, la longitud continua de la línea aérea está limitada debido al cambio en la altura de los pesos a medida que la línea aérea se expande y se contrae con los cambios de temperatura. Este movimiento es proporcional a la distancia entre los anclajes. La longitud de tensión tiene un máximo. Para la mayoría de los equipos de OHL de 25 kV en el Reino Unido, la longitud de tensión máxima es de 1970 m (6460 pies). [6]
Un problema adicional con los equipos AT es que, si se fijan contrapesos a ambos extremos, toda la longitud de tensión puede moverse libremente a lo largo de la vía. Para evitar esto, un anclaje de punto medio (MPA), cerca del centro de la longitud de tensión, restringe el movimiento del cable mensajero/catenario anclándolo; el cable de contacto y sus colgadores de suspensión solo pueden moverse dentro de las limitaciones del MPA. Los MPA a veces se fijan a puentes bajos o se anclan a postes de catenaria verticales o soportes de catenaria de pórtico. Una longitud de tensión puede verse como un punto central fijo, con las dos longitudes de media tensión expandiéndose y contrayéndose con la temperatura.
La mayoría de los sistemas incluyen un freno para evitar que los cables se desenrollen por completo si se rompe un cable o se pierde la tensión. Los sistemas alemanes suelen utilizar una única polea tensora grande (básicamente un mecanismo de trinquete ) con un borde dentado, montada en un brazo articulado al mástil. Normalmente, la tracción hacia abajo de los pesos y la tracción reactiva hacia arriba de los cables tensados levantan la polea de modo que sus dientes quedan bien alejados de un tope en el mástil. La polea puede girar libremente mientras los pesos se mueven hacia arriba o hacia abajo a medida que los cables se contraen o se expanden. Si se pierde la tensión, la polea cae hacia el mástil y uno de sus dientes se atasca contra el tope. Esto detiene la rotación adicional, limita el daño y mantiene intacta la parte no dañada del cable hasta que se pueda reparar. Otros sistemas utilizan varios mecanismos de frenado, generalmente con múltiples poleas más pequeñas en una disposición de poleas y aparejos .
Las líneas se dividen en secciones para limitar el alcance de una interrupción y permitir el mantenimiento.
Para permitir el mantenimiento de la línea aérea sin tener que apagar todo el sistema, la línea se divide en partes separadas eléctricamente, conocidas como "secciones". Las secciones a menudo corresponden a longitudes de tensión. La transición de una sección a otra se conoce como "ruptura de sección" y está configurada de manera que el pantógrafo del vehículo esté en contacto continuo con un cable o con el otro.
En el caso de los colectores de proa y los pantógrafos, esto se hace colocando dos cables de contacto uno al lado del otro a lo largo de la longitud entre 2 o 4 soportes de cables. Uno nuevo desciende y el viejo sube, lo que permite que el pantógrafo pase suavemente de uno al otro. Los dos cables no se tocan (aunque el colector de proa o el pantógrafo están brevemente en contacto con ambos cables). En condiciones normales de servicio, las dos secciones están conectadas eléctricamente; según el sistema, esto puede ser un aislador, un contacto fijo o un transformador elevador. El aislador permite interrumpir la corriente de la sección para realizar tareas de mantenimiento.
En los cables aéreos diseñados para postes de trolebús, esto se logra colocando una sección neutra entre los cables, lo que requiere un aislador. El conductor del tranvía o trolebús debe reducir temporalmente el consumo de energía antes de que pase el poste de trolebús, para evitar que el arco eléctrico dañe el aislador.
Las locomotoras equipadas con pantógrafo no deben pasar por una sección rota cuando un lado está desenergizado. La locomotora quedaría atrapada, pero al pasar por la sección rota el pantógrafo cortocircuita brevemente las dos líneas catenarias. Si la línea opuesta está desenergizada, este transitorio de voltaje puede disparar los disyuntores de suministro. Si la línea está en mantenimiento, puede ocurrir una lesión cuando la catenaria se energice repentinamente. Incluso si la catenaria está correctamente conectada a tierra para proteger al personal, el arco generado a través del pantógrafo puede dañar el pantógrafo, el aislador de la catenaria o ambos.
En ocasiones, en sistemas de ferrocarril, tranvía o trolebús electrificados de mayor tamaño, es necesario suministrar energía a distintas zonas de la vía desde distintas redes eléctricas, sin garantizar la sincronización de las fases. Es posible que las líneas largas estén conectadas a la red nacional del país en varios puntos y en distintas fases (en ocasiones, las secciones se alimentan con diferentes voltajes o frecuencias). Las redes pueden estar sincronizadas de forma normal, pero los eventos pueden interrumpir la sincronización. Esto no es un problema para los sistemas de CC . Los sistemas de CA tienen una implicación particular en materia de seguridad, ya que el sistema de electrificación ferroviaria actuaría como una conexión de "puerta trasera" entre diferentes partes, lo que daría lugar, entre otras cosas, a que una sección de la red que se desenergiza por mantenimiento se vuelva a energizar desde la subestación ferroviaria, lo que crearía un peligro.
Por estas razones, se colocan secciones neutras en la electrificación entre las secciones alimentadas desde diferentes puntos de una red nacional, o diferentes fases, o redes que no están sincronizadas. Es altamente indeseable conectar redes no sincronizadas. Una simple interrupción de sección no es suficiente para protegerse contra esto, ya que el pantógrafo conecta brevemente ambas secciones. [7]
En países como Francia, Sudáfrica, Australia y el Reino Unido, un par de imanes permanentes situados junto a los raíles a cada lado de la sección neutra hacen funcionar un transductor montado en el bogie del tren que hace que un gran disyuntor eléctrico se abra y se cierre cuando la locomotora o el vehículo pantógrafo de una unidad múltiple pasa sobre ellos. [8] En el Reino Unido se utiliza un equipo similar al Sistema de Advertencia Automática (AWS), pero con pares de imanes colocados fuera de los raíles de rodadura (a diferencia de los imanes AWS colocados a mitad de camino entre los raíles). Las señales a los lados de la vía en la aproximación a la sección neutra advierten al maquinista que apague la energía de tracción y avance por la sección muerta.
Una sección neutra o una interrupción de fase consisten en dos cortes aislados uno detrás del otro con una sección corta de línea que no pertenece a ninguna red. Algunos sistemas aumentan el nivel de seguridad mediante la conexión a tierra del punto medio de la sección neutra. La presencia de la sección conectada a tierra en el medio es para garantizar que, si falla el aparato controlado por el transductor y el controlador tampoco corta la energía, la energía del arco generado por el pantógrafo al pasar a la sección neutra se conduce a tierra, haciendo funcionar los disyuntores de la subestación, en lugar de que el arco conecte los aisladores a una sección que se deja sin corriente para realizar tareas de mantenimiento, a una sección alimentada desde una fase diferente o estableciendo una conexión de puerta trasera entre diferentes partes de la red nacional del país.
En el ferrocarril de Pensilvania , las interrupciones de fase se indicaban mediante una luz de posición en la cara frontal, con las ocho posiciones radiales con lentes y sin luz central. Cuando la interrupción de fase estaba activa (las secciones de la catenaria estaban desfasadas), se encendían todas las luces. El aspecto de la señal de luz de posición fue ideado originalmente por el ferrocarril de Pensilvania y fue continuado por Amtrak y adoptado por Metro North . Se colgaban señales de metal de los soportes de la catenaria con las letras "PB" creadas mediante un patrón de agujeros perforados.
En Estados Unidos se desarrolló una categoría especial de interrupción de fase, principalmente por parte de la Pennsylvania Railroad. Dado que su red de energía de tracción se abastecía de forma centralizada y solo se segmentaba en caso de condiciones anormales, las interrupciones de fase normales generalmente no se activaban. Las interrupciones de fase que siempre se activaban se conocían como "secciones muertas": se utilizaban a menudo para separar sistemas de energía (por ejemplo, el límite del puente Hell's Gate entre las electrificaciones de Amtrak y Metro North ) que nunca estarían en fase. Dado que una sección muerta siempre está muerta, no se desarrolló ningún aspecto de señal especial para advertir a los conductores de su presencia, y se colgó un cartel de metal con "DS" en letras perforadas de los soportes de la catenaria.
Ocasionalmente, pueden existir huecos en las líneas aéreas, al cambiar de un voltaje a otro o para proporcionar espacio libre a los barcos en puentes móviles, como una alternativa más simple para los rieles de energía aérea móviles. Los trenes eléctricos pasan por los huecos. Para evitar la formación de arcos eléctricos, se debe cortar la energía antes de llegar al hueco y, por lo general, se baja el pantógrafo.
En caso de espacio libre limitado , como en los túneles , el cable aéreo puede sustituirse por un riel aéreo rígido. Un ejemplo temprano fue en los túneles de la Baltimore Belt Line , donde se utilizó una barra de sección Π (fabricada a partir de tres tiras de hierro y montadas sobre madera), con el contacto de latón corriendo dentro de la ranura. [9] Cuando se elevó la línea aérea en el túnel Simplon para dar cabida a material rodante más alto, se utilizó un riel. Un riel aéreo rígido también puede utilizarse en lugares donde tensar los cables no es práctico, por ejemplo en puentes móviles . En los usos modernos, es muy común que las secciones subterráneas de tranvías, metros y ferrocarriles principales utilicen un cable aéreo rígido en sus túneles, mientras que se utilizan cables aéreos normales en sus secciones sobre el suelo.
En un puente móvil que utiliza un raíl aéreo rígido, existe la necesidad de realizar una transición desde el sistema de cables catenarios a un raíl conductor aéreo en el portal del puente (el último pilono de corriente de tracción antes del puente móvil). Por ejemplo, el suministro de energía puede realizarse a través de un sistema de cables catenarios cerca de un puente giratorio . El cable catenario generalmente comprende un cable mensajero (también llamado cable catenario) y un cable de contacto donde se encuentra con el pantógrafo. El cable mensajero termina en el portal, mientras que el cable de contacto se extiende hacia el perfil del raíl conductor aéreo en la sección del extremo de transición antes de que termine en el portal. Existe un espacio entre el raíl conductor aéreo en la sección del extremo de transición y el raíl conductor aéreo que recorre todo el tramo del puente giratorio. El espacio es necesario para abrir y cerrar el puente giratorio. Para conectar los raíles conductores entre sí cuando el puente está cerrado, existe otra sección de raíl conductor llamada "superposición giratoria" que está equipada con un motor. Cuando el puente está completamente cerrado, se acciona el motor del traslapo giratorio para girarlo desde una posición inclinada a la posición horizontal, conectando los rieles conductores en la sección del extremo de transición y el puente para suministrar energía. [10]
En las paradas de tranvía se instalan catenarias cortas, como en el Combino Supra . [11]
Los tranvías se alimentan de un único cable aéreo de entre 500 y 750 V de corriente continua. Los trolebuses se alimentan de dos cables aéreos de tensión similar y al menos uno de los cables del trolebús debe estar aislado de los cables del tranvía. Esto se hace normalmente mediante cables del trolebús que pasan continuamente por el cruce, con los conductores del tranvía unos centímetros más abajo. Cerca de la unión de cada lado, el cable del tranvía se convierte en una barra sólida que corre paralela a los cables del trolebús durante aproximadamente medio metro. Otra barra con un ángulo similar en sus extremos está colgada entre los cables del trolebús, conectada eléctricamente por encima al cable del tranvía. El pantógrafo del tranvía cubre el espacio entre los diferentes conductores, proporcionándole una captación continua.
Donde se cruza el cable del tranvía, los cables del trolebús están protegidos por un canal invertido de material aislante que se extiende 20 o 30 mm (0,79 o 1,18 pulgadas) por debajo.
Hasta 1946, un paso a nivel en Estocolmo , Suecia, conectaba el ferrocarril al sur de la Estación Central de Estocolmo y un tranvía. El tranvía funcionaba con 600–700 V CC y el ferrocarril con 15 kV CA. En el pueblo suizo de Oberentfelden , la línea Menziken–Aarau–Schöftland, que funciona a 750 V CC, cruza la línea SBB a 15 kV CA; solía haber un cruce similar entre las dos líneas en Suhr, pero fue reemplazado por un paso subterráneo en 2010. En Alemania existen algunos cruces entre tranvías/trenes ligeros y ferrocarriles. En Zúrich , Suiza, la línea 32 de trolebuses VBZ tiene un paso a nivel con la línea ferroviaria Uetliberg de 1200 V CC ; en muchos lugares, las líneas de trolebuses cruzan el tranvía. En algunas ciudades, los trolebuses y los tranvías compartían un cable positivo (de alimentación). En tales casos, se puede utilizar una rana de trolebús normal.
Como alternativa, se pueden ubicar cortes de sección en el punto de cruce, de modo que el cruce quede sin electricidad.
En muchas ciudades había tranvías y trolebuses que utilizaban postes para trolebuses. Utilizaban cruces aislados, lo que obligaba a los conductores de tranvía a poner el controlador en punto muerto y avanzar por inercia. Los conductores de trolebuses tenían que levantar el pie del acelerador o cambiar a la alimentación auxiliar.
En Melbourne , Victoria, los conductores de tranvía colocan el controlador en punto muerto y avanzan a través de los aisladores de sección, indicados por marcas de aisladores entre los rieles.
Melbourne tiene varios pasos a nivel restantes entre líneas de tranvía y ferrocarriles suburbanos electrificados. Tienen dispositivos de conmutación mecánica (interruptor de cambio) para conmutar la línea aérea de 1500 V CC del ferrocarril y la línea aérea de 650 V CC de los tranvías, llamada Tram Square. [12] Varios de estos cruces se han separado a nivel en los últimos años como parte del Proyecto de eliminación de pasos a nivel .
Atenas cuenta con dos cruces de líneas de tranvía y trolebús, en la avenida Vas. Amalias y la avenida Vas. Olgas, y en la calle Ardittou y la calle Athanasiou Diakou. Se utiliza la solución antes mencionada.
En Roma , en el cruce entre Viale Regina Margherita y Via Nomentana, se cruzan las líneas de tranvía y trolebús: tranvía en Viale Regina Margherita y trolebús en Via Nomentana. El cruce es ortogonal, por lo que no se disponía de la disposición típica.
En Milán , la mayoría de las líneas de tranvía se cruzan con la línea circular de trolebuses una o dos veces. Los cables de trolebuses y tranvías corren en paralelo en calles como Viale Stelvio, Viale Umbria y Viale Tibaldi.
Algunos ferrocarriles utilizaban dos o tres líneas aéreas, normalmente para transportar corriente trifásica . Esto se utiliza únicamente en el ferrocarril Gornergrat y el ferrocarril Jungfrau en Suiza, el Petit train de la Rhune en Francia y el tren cremallera Corcovado en Brasil. Hasta 1976, se utilizaba ampliamente en Italia. En estos ferrocarriles, los dos conductores se utilizan para dos fases diferentes de la corriente alterna trifásica, mientras que el raíl se utilizaba para la tercera fase. No se utilizaba el neutro.
Algunos ferrocarriles trifásicos de corriente alterna utilizaban tres cables aéreos: se trataba de una línea ferroviaria experimental de Siemens en Berlín-Lichtenberg en 1898 (longitud de 1,8 kilómetros), el ferrocarril militar entre Marienfelde y Zossen entre 1901 y 1904 (longitud de 23,4 kilómetros) y un tramo de 800 metros de un ferrocarril de carbón cerca de Colonia entre 1940 y 1949.
En los sistemas de corriente continua, a veces se utilizaban líneas aéreas bipolares para evitar la corrosión galvánica de las piezas metálicas cercanas a la vía, como en el Chemin de fer de la Mure .
Todos los sistemas con múltiples líneas aéreas tienen un alto riesgo de cortocircuitos en los cambios de agujas y, por lo tanto, tienden a ser poco prácticos en su uso, especialmente cuando se utilizan altos voltajes o cuando los trenes pasan por los puntos a alta velocidad.
La línea Sihltal Zürich Uetliberg Bahn tenía dos líneas con diferente electrificación. Para poder utilizar diferentes sistemas eléctricos en vías compartidas, la línea Sihltal tenía su catenaria justo encima del tren, mientras que la línea Uetliberg tenía su catenaria a un lado. Esta configuración se utilizó hasta el verano de 2022, desde entonces la línea Uetliberg ha cambiado a la configuración estándar de 15 kV 16,7 Hz. [13]
Una catenaria es un sistema de cables aéreos que se utiliza para suministrar electricidad a una locomotora , tranvía o vehículo ferroviario ligero equipado con un pantógrafo .
A diferencia de los cables aéreos simples, en los que el cable sin aislamiento se fija mediante abrazaderas a cables transversales espaciados de manera cercana y sostenidos por postes, los sistemas de catenaria utilizan al menos dos cables. El cable de catenaria o cable mensajero se cuelga a una tensión específica entre las estructuras de la línea, y un segundo cable se mantiene en tensión mediante el cable mensajero, unido a él a intervalos frecuentes mediante abrazaderas y cables de conexión conocidos como goteros . El segundo cable es recto y nivelado, paralelo a la vía del tren , suspendido sobre ella como la calzada de un puente colgante está sobre el agua.
Los sistemas de catenaria son adecuados para operaciones de alta velocidad, mientras que los sistemas de cables simples, que son menos costosos de construir y mantener, son comunes en las líneas de trenes ligeros o tranvías, especialmente en las calles de la ciudad. Estos vehículos pueden estar equipados con un pantógrafo o un poste de trolebús .
El Corredor Noreste de los Estados Unidos tiene catenaria a lo largo de los 970 km (600 millas) entre Boston , Massachusetts y Washington, DC , para los trenes interurbanos de Amtrak . Las agencias de trenes de cercanías , como MARC , SEPTA , NJ Transit y Metro-North Railroad , utilizan la catenaria para brindar servicio local.
En Cleveland, Ohio , las líneas de tren ligero/interurbano y la línea de tren pesado utilizan los mismos cables aéreos, debido a una ordenanza municipal destinada a limitar la contaminación del aire de la gran cantidad de trenes de vapor que pasaban por Cleveland entre la costa este y Chicago. Los trenes cambiaron de locomotoras de vapor a eléctricas en los patios ferroviarios de Collinwood a unas 10 millas (16 km) al este del centro de la ciudad y en Linndale en el lado oeste. Cuando Cleveland construyó su línea de tránsito rápido (tren pesado) entre el aeropuerto, el centro de la ciudad y más allá, empleó una catenaria similar, utilizando equipo de electrificación que quedó después de que los ferrocarriles cambiaran de vapor a diésel. El tren ligero y el pesado comparten vías durante aproximadamente 3 millas (4,8 km) a lo largo de la línea roja (tren pesado) del Aeropuerto Internacional Cleveland Hopkins , las líneas de tren ligero/interurbano azul y verde entre Cleveland Union Terminal y justo después de la estación East 55th Street, donde las líneas se separan.
Parte de la Línea Azul de Boston que atraviesa los suburbios del noreste utiliza líneas aéreas, al igual que la Línea Verde.
La línea amarilla de la línea "L" de Chicago utilizó un sistema de catenaria aérea para la mitad oeste de la ruta y luego se cambió al tercer riel para la mitad este. Esto se interrumpió en 2004 cuando toda la ruta se convirtió al tercer riel.
En la península de San Francisco, en California , el sistema ferroviario de cercanías Caltrain completó la instalación de un sistema de contacto aéreo (OCS) en 2023, para preparar la conversión de su corredor de 160 años de antigüedad de San Francisco a la península de San José a un servicio comercial totalmente electrificado en septiembre de 2024.
La altura de la línea aérea puede crear peligros en los pasos a nivel , donde puede ser golpeada por vehículos de carretera. En los accesos se han colocado señales de advertencia que informan a los conductores sobre la altura máxima segura.
En la mayoría de los países, el cableado es demasiado bajo para permitir el paso de trenes de contenedores de doble pila . El túnel del Canal tiene una línea aérea de mayor altura para dar cabida a transportadores de automóviles y camiones de doble altura. China y la India operan líneas electrificadas con cableado de mayor altura y pantógrafos para permitir el paso de trenes de contenedores de doble pila. [14] [15] [16]
Las líneas aéreas pueden verse afectadas negativamente por fuertes vientos que hacen que los cables se balanceen. [17] Las tormentas eléctricas pueden dejar sin electricidad a los sistemas con cables aéreos [18] que caen sobre los rayos , deteniendo los trenes después de una subida de tensión .
Durante el tiempo frío o helado, el hielo puede cubrir las líneas aéreas. Esto puede provocar un mal contacto eléctrico entre el colector y la línea aérea, lo que puede provocar arcos eléctricos y sobretensiones. [19] Las capas de hielo también añaden peso adicional, además de aumentar su superficie expuesta al viento, lo que aumenta la carga sobre los cables y sus soportes.
Las líneas pueden combarse durante el tiempo caluroso y, si un pantógrafo se enreda, esto puede provocar que se desenrollen los cables. De manera similar, en un clima muy frío pueden contraerse y romperse.
La instalación de líneas aéreas puede requerir la reconstrucción de puentes para proporcionar un espacio libre eléctrico seguro. [20]
Las líneas aéreas, como la mayoría de los sistemas electrificados, requieren una mayor inversión de capital para su construcción que un sistema equivalente no eléctrico. Mientras que una línea ferroviaria no electrificada sólo requiere la rasante, el balasto, las traviesas y los rieles, un sistema aéreo también requiere un sistema complejo de estructuras de soporte, líneas, aisladores, sistemas de control de energía y líneas eléctricas, todo lo cual requiere mantenimiento. Esto hace que los sistemas no eléctricos sean más atractivos a corto plazo, aunque los sistemas eléctricos pueden amortizarse con el tiempo. Además, el costo adicional de construcción y mantenimiento por milla hace que los sistemas aéreos sean menos atractivos en los ferrocarriles de larga distancia ya existentes, como los que se encuentran en América del Norte, donde las distancias entre ciudades suelen ser mucho mayores que en Europa. Esas líneas largas requieren una enorme inversión en equipos de líneas aéreas, en los que es poco probable que estén interesadas las compañías ferroviarias privadas, y se enfrentan a grandes dificultades para energizar tramos largos de cables aéreos de forma permanente, especialmente en áreas donde la demanda de energía ya supera la oferta.
Mucha gente considera que las líneas aéreas son una " contaminación visual ", debido a las numerosas estructuras de soporte y al complicado sistema de cables que llenan el aire. Tales consideraciones han impulsado la tendencia a sustituir las líneas aéreas de electricidad y comunicaciones por cables enterrados siempre que sea posible. El problema llegó a un punto crítico en el Reino Unido con el plan de electrificación de la Great Western Main Line , especialmente a través de Goring Gap . Se ha formado un grupo de protesta con su propio sitio web. [21]
El valioso conductor de cobre también puede ser objeto de robo, como por ejemplo la línea Lahore-Khanewal en Pakistán y el tramo Gweru-Harare en Zimbabwe .
El primer tranvía con catenaria fue presentado por Werner von Siemens en la Exposición Internacional de Electricidad de 1881 en París : la instalación fue retirada después de ese evento. En octubre de 1883, el primer servicio de tranvía permanente con catenaria fue el Tranvía de Mödling y Hinterbrühl en Austria. Los tranvías tenían catenarias bipolares, que consistían en dos tubos en U, en los que colgaban los pantógrafos y corrían como lanzaderas. De abril a junio de 1882, Siemens había probado un sistema similar en su Electromote , un precursor temprano del trolebús .
Mucho más sencillo y funcional era un cable aéreo combinado con un pantógrafo que se apoyaba en el vehículo y se presionaba contra la línea desde abajo. Este sistema, para el tráfico ferroviario con línea unipolar, fue inventado por Frank J. Sprague en 1888. A partir de 1889 se utilizó en la Richmond Union Passenger Railway en Richmond, Virginia , siendo pionera en la tracción eléctrica.
