Electrificación ferroviaria de 25 kV AC - 25 kV AC railway electrification

Sistemas de electrificación ferroviaria en Europa:
  No electrificado
  750 V CC
  1,5 kV CC
  3 kV CC
  15 kV CA
  25 kV CA
Las líneas de alta velocidad en Francia, España, Italia, el Reino Unido, los Países Bajos, Bélgica y Turquía operan por debajo de 25 kV , al igual que las líneas de alta tensión en la ex Unión Soviética.

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 .

Visión general

Una UEM RSE en la Línea Roca de Buenos Aires , utilizando 25 kV AC.

Esta electrificación es ideal para ferrocarriles que cubren largas distancias o tienen mucho tráfico. Después de algunos experimentos antes de la Segunda Guerra Mundial en Hungría y en la Selva Negra en Alemania , 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 de espacio libre requeridas cuando corría debajo de puentes y túneles, lo que habría requerido obras de ingeniería civil importantes para proporcionar un mayor espacio libre a las partes activas.

Los ferrocarriles que utilizan sistemas de corriente continua más antiguos y de menor capacidad han introducido o están introduciendo 25 kV de CA en lugar de 3 kV de CC / 1,5 kV de CC para sus nuevas líneas de alta velocidad.

Historia

El primer uso operacional y regular exitoso del sistema de 50 Hz se remonta a 1931, habiéndose realizado pruebas desde 1922. Fue desarrollado por Kálmán Kandó en Hungría, quien usó 16 kV AC 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). Aunque la solución de Kandó mostró un camino hacia el futuro, los operadores ferroviarios fuera de Hungría mostraron una falta de interés en el diseño.

El primer ferrocarril en utilizar este sistema fue completado en 1936 por la Deutsche Reichsbahn que electrificó parte de la 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 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 utilizando el Los mismos 20 kV pero convertidos a 25 kV en 1953. El sistema de 25 kV se adoptó entonces como estándar en Francia, pero dado que ya se habían electrificado cantidades sustanciales de kilometraje al sur de París a 1,5 kV CC , SNCF también continuó con algunos importantes proyectos nuevos de electrificación CC. , hasta que se desarrollaron las locomotoras de doble voltaje en la década de 1960.

La principal razón por la que la electrificación a este voltaje no se había utilizado antes era la falta de confiabilidad de los rectificadores de arco de mercurio que podían caber en el tren. Esto, a su vez, se relaciona con el requisito de utilizar motores de la serie DC , que requiere que la corriente se convierta de AC a DC y para eso se necesita un rectificador . Hasta principios de la década de 1950, los rectificadores de arco de mercurio eran difíciles de operar incluso en condiciones ideales y, por lo tanto, no eran adecuados para su uso en locomotoras de ferrocarril.

Era posible usar motores de CA (y algunos ferrocarriles lo hicieron, con éxito variable), pero tienen características menos que 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 da un par a cualquier velocidad dada que no es ideal. Es por eso que los motores de la serie DC son la mejor opción para fines de tracción, ya que pueden controlarse por voltaje y tienen una característica de par vs 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 N700 Shinkansen utiliza un convertidor de tres niveles para convertir CA monofásica de 25 kV a CA de 1.520 V (mediante transformador) a CC de 3 kV (mediante un rectificador controlado por fase con tiristor) a CA trifásica máxima de 2.300 V (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 se relacionó con la eficiencia de la transmisión de energía en función del voltaje y el costo, no en función de una relación ordenada 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 costo mayor para los equipos 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 costos más altos incurridos por la necesidad de aisladores más grandes y mayor espacio libre de las estructuras.

Para evitar cortocircuitos , la alta tensión debe protegerse de la humedad. Los eventos climáticos, como " el tipo incorrecto de nieve ", han causado fallas en el pasado. Un ejemplo de causas atmosféricas ocurrió en diciembre de 2009, cuando cuatro trenes Eurostar se averiaron dentro del Túnel del Canal de la Mancha .

Distribución

La energía eléctrica de una estación generadora se transmite a las subestaciones de la red mediante un sistema de distribución trifásico.

En la subestación de la red, se conecta un transformador reductor en dos de las tres fases del suministro de alto voltaje. El transformador reduce la tensión a 25 kV que se suministra a una estación de alimentación ferroviaria ubicada al lado de las vías. Los SVC se utilizan para equilibrar la carga y controlar el voltaje.

En algunos casos, se construyeron líneas de energía CA monofásicas dedicadas a subestaciones con transformadores CA monofásicos. Estas líneas se construyeron para abastecer al TGV francés .

Estandarización

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:

  • EN 50163: 2004 + A1: 2007 - "Aplicaciones ferroviarias. Tensiones de alimentación de los sistemas de tracción".
  • IEC 60850 - "Aplicaciones ferroviarias. Tensiones de alimentación de los sistemas de tracción"

El rango permisible de voltajes permitidos son los establecidos en las normas anteriores y tienen en cuenta el número de trenes que consumen corriente y su distancia desde la subestación.


Sistema de electrificación
Voltaje
Min.
no permanente
Min.
permanente
Nominal Max.
permanente
Max.
no permanente
25 kV 50 Hz 17,5 kV 19 kV 25 kV 27,5 kV 29 kV

Este sistema ahora forma parte de los estándares de interoperabilidad ferroviaria transeuropea de la Unión Europea (1996/48 / EC "Interoperabilidad del sistema ferroviario transeuropeo de alta velocidad" y 2001/16 / EC "Interoperabilidad del sistema ferroviario transeuropeo convencional ").

Variaciones

Se han utilizado sistemas basados ​​en este estándar pero con algunas variaciones.

25 kV CA a 60 Hz

En países donde 60 Hz es la frecuencia eléctrica normal de la red, se utilizan 25 kV a 60 Hz para la electrificación ferroviaria.

20 kV CA a 50 o 60 Hz

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 .

12,5 kV CA a 60 Hz

Algunas líneas en los Estados Unidos se han electrificado a 12,5 kV 60 Hz o se han convertido 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 una mayor separación de cables para 25 kV 60 Hz ni requiere capacidad de voltaje dual para trenes que también operan en líneas de 11 kV 25 Hz . Algunos ejemplos son:

12 kV en 25 Hz

6,25 kV CA

Se planificó la electrificación de ferrocarriles de CA de 50 Hz en el Reino Unido para utilizar secciones a 6,25 kV de CA donde había un espacio libre limitado debajo de 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 AC como resultado de un trabajo de investigación que demostró que la distancia entre los equipos activos y conectados a tierra podría reducirse de lo que originalmente se pensó que era necesario.

La investigación se realizó utilizando una máquina de vapor debajo de un puente en Crewe . Poco a poco se acercó un tramo de la línea aérea de 25 kV a la carpintería metálica puesta a tierra del puente mientras se sometía al vapor de la chimenea de la locomotora. Se midió la distancia a la que se produjo un flameo y se utilizó como base a partir de la cual se derivaron nuevos espacios libres entre los equipos aéreos y las estructuras.

50 kV CA

Ocasionalmente se duplican 25 kV a 50 kV para obtener mayor potencia y aumentar la distancia entre subestaciones. Por lo general, estas líneas se aíslan de otras líneas para evitar complicaciones derivadas de la interrelación. Algunos ejemplos son:

Sistema de autotransformador 2 × 25 kV

1. Transformador de alimentación
2. Suministro de energía
3. Línea aérea
4. Carril de
rodadura 5. Línea de alimentación
6. Pantógrafo
7. Transformador de locomotora
8. Línea aérea
9. Autotransformador
10. Carril de rodadura
Sistema de línea aérea 2 × 25 kV en Francia entre París y Caen

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 riel. 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 rieles de rodadura (4) permanece en 25 kV. Los autotransformadores periódicos (9) desvían la corriente de retorno del carril neutro, la aumentan y la envían a lo largo de la línea de alimentación. Este sistema es utilizado por Indian Railways , Russian Railways , Italian High Speed ​​Railways, UK High Speed ​​1, la mayor parte de la West Coast Main Line y Crossrail, y algunas partes de las líneas más antiguas se están convirtiendo gradualmente, las líneas francesas (líneas LGV y algunas otras líneas). ), la mayoría de las líneas ferroviarias de alta velocidad españolas, Amtrak y algunas de las líneas finlandesas y húngaras.

Voltaje aumentado

Para los récords mundiales de velocidad de TGV en Francia, el voltaje se elevó temporalmente, a 29,5 kV y 31 kV en diferentes momentos.

25 kV en líneas de ancho ancho

25 kV en líneas de vía estrecha

Otros voltajes en electrificación de 50 Hz

Locomotoras y trenes multisistema

Los trenes que pueden operar 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.

Ver también

Referencias

Otras lecturas

  • Keenor, Garry. Electrificación de líneas aéreas para ferrocarriles.
  • Boocock, Colin (1991). Electrificación de la costa este . Ian Allan. ISBN 0-7110-1979-7.
  • Gillham, JC (1988). La era del tren eléctrico: trenes eléctricos en Gran Bretaña desde 1883 . Ian Allan. ISBN 0-7110-1392-6.
  • Glover, John (2003). Eastern Electric . Ian Allan. ISBN 0-7110-2934-2.
  • Machefert-Tassin, Yves; Nouvion, Fernand; Woimant, Jean (1980). Histoire de la Traction Electrique, vol . 1 . La Vie du Rail. ISBN 2-902808-05-4.
  • Nock, OS (1965). El nuevo ferrocarril de Gran Bretaña: electrificación de las líneas principales de Londres-Midland desde Euston a Birmingham, Stoke-on-Trent, Crewe, Liverpool y Manchester . Londres: Ian Allan. OCLC  59003738 .
  • Nock, OS (1974). Electric Euston a Glasgow . Ian Allan. ISBN 0-7110-0530-3.
  • Actas de la Conferencia de Electrificación de Ferrocarriles Británicos, Londres 1960 - Electrificación de Ferrocarriles a Frecuencia Industrial . Londres: British Railways Board. 1960.
  • Semmens, Peter (1991). Electrificando la ruta de la costa este . Patrick Stephens Ltd. ISBN 0-85059-929-6.