Los sistemas de electrificación ferroviaria que utilizan corriente alterna (CA) a 25 kilovoltios (kV) se utilizan en todo el mundo, especialmente para trenes de alta velocidad . Por lo general, se suministra a la frecuencia estándar de la red eléctrica (normalmente 50 o 60 Hz), lo que simplifica las subestaciones de tracción. El desarrollo de la electrificación de CA a 25 kV está estrechamente relacionado con el uso exitoso de la frecuencia de la red eléctrica.
Esta electrificación es ideal para ferrocarriles que cubren largas distancias o transportan mucho tráfico. Después de algunas pruebas 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 control y rectificación pequeños y ligeros adecuados antes del desarrollo de los rectificadores de estado sólido y la tecnología relacionada. Otra razón fue la mayor distancia de seguridad necesaria cuando pasaba por debajo de puentes y túneles, lo que habría requerido una importante ingeniería civil para proporcionar la mayor distancia de seguridad a las partes activas. En los casos en que los gálibos de carga preexistentes eran más generosos, esto no era un problema.
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 servicio público se remonta a 1931, y se han realizado pruebas desde 1922. Fue desarrollado por Kálmán Kandó en Hungría, que utilizó 16 kV CA a 50 Hz , tracción asincrónica y un número ajustable de polos (motores). 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 del Höllentalbahn entre Friburgo y Neustadt instalando un sistema de CA de 20 kV 50 Hz . Esta parte de Alemania estaba en la zona de ocupación francesa después de 1945. Como resultado de examinar el sistema alemán en 1951, la SNCF electrificó la línea entre Aix-les-Bains y La Roche-sur-Foron en el sur de Francia, inicialmente con los mismos 20 kV pero convertidos a 25 kV en 1953. El sistema de 25 kV se adoptó entonces como estándar en Francia, pero como ya se habían electrificado grandes cantidades de kilómetros al sur de París a 1,5 kV CC , la SNCF también continuó con algunos nuevos proyectos importantes de electrificación de CC, hasta que se desarrollaron locomotoras de doble voltaje en la década de 1960. [2] [3]
La principal razón por la que la electrificación con frecuencia de red no se había adoptado ampliamente hasta entonces era la falta de fiabilidad de los rectificadores de arco de mercurio que podían instalarse en el tren. Esto, a su vez, estaba relacionado con el requisito de utilizar motores de serie de CC , que requerían que la corriente se convirtiera de CA a CC y para ello se necesitaba 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 lo tanto, no eran adecuados para su uso en locomotoras de ferrocarril.
Se podían utilizar motores de corriente alterna (y algunos ferrocarriles lo hicieron, con distintos grados de éxito), pero sus características para la tracción no eran las ideales. 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 genera un par a cualquier velocidad dada que no es ideal. Por eso, los motores de corriente continua en serie fueron la opción más común para la tracción hasta la década de 1990, ya que se pueden controlar mediante voltaje y tienen una característica de par frente a 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 de CA monofásica en 1520 V de CA (a través de un transformador) a 3 kV de CC (a través de un rectificador controlado por fase con tiristor) a un máximo de 2300 V de CA trifásica (a través de un inversor de frecuencia variable y voltaje 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 se relacionó con la eficiencia de la transmisión de energía en función del voltaje y el costo, no con base en una relación clara y ordenada del voltaje de suministro. Para un nivel de potencia dado, un voltaje más alto permite una corriente más baja y, por lo general, una mejor eficiencia a un mayor costo para el equipo de alto voltaje. Se encontró 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 mayores costos incurridos por la necesidad de aisladores más grandes y mayor distancia de las estructuras.
Para evitar cortocircuitos , la alta tensión debe protegerse de la humedad. Los fenómenos meteorológicos, como " el tipo de nieve inadecuado ", 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 Túnel del Canal .
La energía eléctrica para la electrificación de 25 kV CA se toma generalmente directamente del sistema de transmisión trifásica . 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, este se alimenta, a veces a varios kilómetros de distancia, a una estación de alimentación ferroviaria ubicada al lado de las vías. Los cuadros de distribución en las estaciones de alimentación y en las cabinas de seccionamiento de vías ubicadas a medio camino entre las estaciones de alimentación, proporcionan conmutación para alimentar la línea aérea desde las estaciones de alimentación adyacentes si una estación de alimentación pierde el suministro de la red.
Dado que sólo se utilizan dos fases de la alimentación de alta tensión, el desequilibrio de fases se corrige conectando cada estación de alimentación a una combinación diferente de fases. Para evitar que el pantógrafo del tren conecte dos estaciones de alimentación que pueden estar desfasadas entre sí, se proporcionan secciones neutras en las estaciones de alimentación y en las cabinas de seccionamiento de vías. Se utilizan SVC para equilibrar la carga y controlar la tensión. [4]
En algunos casos se construyeron líneas eléctricas monofásicas de corriente alterna dedicadas a subestaciones con transformadores monofásicos de corriente alterna. Dichas líneas se construyeron para abastecer al TGV francés . [5]
La electrificación ferroviaria con corriente alterna de 25 kV y 50 Hz se ha convertido en un estándar internacional. Existen dos estándares principales que definen los voltajes del sistema:
El rango 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 forma parte ahora de las normas 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 normal de la red eléctrica, se utilizan 25 kV a 60 Hz para la electrificación ferroviaria.
En Japón, esto se utiliza en 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 eléctrica de 60 Hz, pero no requiere una mayor distancia entre cables para 25 kV 60 Hz ni requiere capacidad de doble voltaje para trenes que también operan en líneas de 11 kV 25 Hz . Algunos ejemplos son:
La primera electrificación ferroviaria de 50 Hz CA en el Reino Unido se planificó para utilizar secciones de 6,25 kV CA en las que había un espacio libre limitado bajo puentes y túneles. El material rodante era de doble voltaje con conmutación automática entre 25 kV y 6,25 kV . Las secciones 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 activos y los conectados a tierra se podía reducir de lo que originalmente se creía necesario.
La investigación se llevó a cabo utilizando una máquina de vapor debajo de un puente en Crewe . Una sección de la línea aérea de 25 kV se acercó gradualmente a la estructura metálica conectada a tierra del puente mientras se la sometía al vapor de la chimenea de la locomotora. Se midió la distancia a la que se produjo un descarga disruptiva y se utilizó como base a partir de la cual se derivaron nuevas distancias entre el equipo aéreo y las estructuras. [ cita requerida ]
En ocasiones, se duplica la tensión de 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. Algunos ejemplos son:
El sistema de autotransformadores de 2 × 25 kV es un sistema eléctrico 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 catenaria y una línea de transmisión de alimentación en lugar del riel. La catenaria (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 catenaria (3) y los rieles de rodadura (4) permanece en 25 kV. Los autotransformadores periódicos (9) desvían la corriente de retorno del riel neutro, la elevan y la envían a lo largo de la línea de alimentación.
Este sistema se implementó inicialmente en la entonces nueva línea ferroviaria de alta velocidad París-Lyon de Francia en 1981, [10] y luego lo utilizaron los ferrocarriles de Nueva Zelanda en 1988, [11] los ferrocarriles indios , [12] los ferrocarriles rusos , los ferrocarriles de alta velocidad italianos, la Alta Velocidad 1 del Reino Unido , la mayor parte de la línea principal de la costa oeste y Crossrail , [13] con algunas partes de líneas más antiguas que se están convirtiendo gradualmente, [ cita requerida ] las 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 los récords mundiales 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, como 3 kV y 25 kV, son tecnologías consolidadas. Algunas locomotoras en Europa son capaces de utilizar cuatro estándares de voltaje diferentes. [18]
Traxx MS (multisistema) para operar en redes de CA (15 y 25 kV) y CC (1,5 y 3 kV)