8. CARACTERÍSTICAS DE LA CATENARIA ADOPTADA
8.1. ASPECTOS MECÁNICOS GENERALES DE LA CATENARIA
La catenaria del ADIF para 350 km/h se equipa mediante postes metálicos con ménsulas giratorias que soportan los conductores de la catenaria propiamente dicha, sustentador e hilo de contacto, más los conductores auxiliares necesarios para su correcto funcionamiento eléctrico, es decir, el feeder de aumento de sección, el cable de retorno y el feeder negativo en su caso.
8.1.1. E
STÁTICOS8.1.1.1. Composición y disposición de los conductores
La catenaria propiamente dicha está formada por un sustentador de cobre de 100 mm que se instala con una tensión constante, compensada, de 1575 kgf y un hilo de contacto de 150 mm de una aleación Cu- Mg 0,6 de gran resistencia, instalado con una tensión mecánica de 3150 kgf, con tensión mecánica compensada. En las catenarias de vías secundarias y en zonas con curvas de menos de 3000 m de radio, se emplea una tensión del hilo de 1575 kgf para evitar esfuerzos radiales innecesarios.
Los estudios del perfil, con el tráfico que exige la norma CENELEC para líneas de primera categoría, es decir, trenes de 20.000 MW cada 3 minutos, dan como resultado que en el tramo de línea objeto del estudio, alimentado en el sistema 2x25, en condiciones normales de explotación, con todas las Subestaciones alimentando a la catenaria, bastaría con instalar una catenaria sencilla, sin feeder de aumento de sección, con un feeder negativo de cable LA-380 y un cable de retorno de cable LA-110.
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Por tanto la composición de la catenaria es la siguiente (Figura 8.1):
Catenaria (Sust 100+HC 150) Feeder negativo de cable LA-380 Feeder positivo de cable LA-180 Cable de retorno de cable LA-110
Sustentador Hilo de Contacto Feeder-
Cable Retorno
Feeder+
Figura 8.1. Composición de la Catenaria
En estaciones, y siempre que la disposición de las vías lo permita, se emplean perfiles de vía general o al menos independientes, con el número de ménsulas necesarias para la función que desarrolle el perfil.
No obstante, tanto en los cambios como en los perfiles próximos al arranque de vías secundarias, no siempre es posible el empleo de postes independientes, empleándose entonces pórticos rígidos.
En los viaductos los postes deben situarse sobre los pilares, o lo más próximo a ellos, para evitar vibraciones debidas a la flexión de las vigas.
8.1.1.2. Compensación de tensiones
La tensión mecánica de los conductores que componen la catenaria, es decir sustentador e hilo de contacto son fijas e independientes de la temperatura.
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Para ello, cada 1280 m como máximo, se anclan sustentador e hilo de contacto, independientemente, a una polea de contrapesos que mantiene la tensión de los cables en los valores de 1575 kgf y 3150 kgf respectivamente. Dada la diferencia de tensiones de sustentador e hilo, la polea del sustentador es de relación 1/3 y la del hilo de contacto, de relación 1/5. (Figura 8.2)
Figura 8.2. Equipo de Compensación
Este equipo de regulación de tensión permite la regulación de tensiones entre los –30ºC y los + 80ºC de temperatura del conductor, que se corresponden a temperaturas del ambiente entre –30º y +45º aproximadamente.
En el punto central entre dos equipos de contrapesos, se instala un punto fijo que hace que el sustentador no se mueva. Si el tramo es sensiblemente horizontal, normalmente no es necesario colocar fijaciones entre el sustentador y el hilo de contacto, y si hay una pendiente superior a 2 milésimas entre anclajes, se coloca una fijación del hilo de contacto al sustentador en el lado que impida el deslizamiento del hilo hacia la parte más baja. Cuando la distancia entre dos anclajes de una misma catenaria sea igual o inferior a los 640 m, situación que se presenta frecuentemente en Estaciones, se colocan contrapesos en un solo lado anclándose el otro lado sin compensar.
Al calentarse un cuerpo este experimenta un incremento de sus dimensiones, se produce un aumento de la longitud que, aproximadamente, es proporcional a su longitud inicial y al incremento de temperatura.
Si consideramos l1 y l2, las longitudes inicial y final, y α, la constante de proporcionalidad, se verifica que:
Variación de longitud:
∆l=α⋅l
1⋅∆t
La constante α se denomina coeficiente de dilatación lineal y depende de la naturaleza del cuerpo, representando físicamente la variación de longitud por unidad de longitud y grado de temperatura.
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Cobre: α = 1,69 x 10-5
⋅
C
m
m
º
Se ha adoptado el valor de 640 m como valor máximo del semicantón de compensación. Los límites de temperatura contemplados son -20ºC y 80ºC. Situándonos en el caso mas desfavorable, la variación máxima de longitud que sufren el sustentador y el hilo de contacto debido a la variación de temperatura es:
[
]
m
d=640⋅
80−(−20)
⋅16,9⋅10
−6=1,024
El hilo de contacto lleva una polea de relación 1:5, por lo que el desplazamiento del equipo de compensación será:
m
m
5
5,12
024
,
1
⋅
=
Sumando el recorrido de las 21 pesas (1,3 m) que proporcionan la tensión necesaria del hilo de contacto, se obtiene una altura libre de 6,42 m, que es asegurada por la altura de los postes de anclaje (9.45 m) y la configuración del equipo de compensación.
8.1.1.3. Seccionamientos de compensación
Cuando los vanos son mayores de 50 m, como es el caso de rectas y de curvas de radio 5000 m, los seccionamientos de compensación se confeccionan en cuatro vanos. En los tramos en curva de radio igual a 1200 m, donde el vano es menor de 50 m, el seccionamiento se haría en cinco vanos.
8.1.1.4. Seccionamientos eléctricos o de lámina de aire
El diseño de este seccionamiento de lámina de aire, se ha hecho de modo que todas las piezas sean iguales a las del seccionamiento de cantón, del que se diferencia en la existencia del seccionador y en la situación de los aislamientos de las colas. Con el fin de evitar que la cola aislada quede con una tensión flotante, se conecta a la catenaria próxima en tensión mediante una alimentación desde el sustentador en tensión a la ménsula que quedaría aislada y que, de este modo tiene la misma tensión que la situada en el mismo poste.
8.1.1.5. Zonas neutras
La posición de las zonas neutras, siempre que ha sido posible, se ha elegido coincidiendo con una vaguada para disminuir la pérdida de velocidad al quedar el tren sin alimentación.
Las zonas neutras proyectadas tienen una longitud de más de 402 m tal y como exige la Norma de Interoperabilidad de infraestructuras. [2002/732/CE]
8.1.1.6. Pendolado. Elasticidad de la catenaria
El hilo de contacto se suspende del sustentador por medio de péndolas. Con el fin de mejorar la homogeneidad de la elasticidad a lo largo del vano se recurre al empleo de péndola en Y, con lo que se
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ha conseguido un factor de irregularidad de menos del 10%, frente al 25% que resulta normal en catenarias sin péndola en Y. [SEMELCO, 2005].
Las péndolas son de trenza de bronce de 16 mm de sección y aseguran por su sistema de fijación, tipo lazo, una buena conexión eléctrica entre sustentador e hilo de contacto.
Para reducir la afección del viento sobre la catenaria se instalan péndolas antiviento en los brazos de atirantado en ménsulas de atirantado exterior (las ménsulas de atirantado interior disponen de brazo de triangulación).
8.1.1.7. Agujas
Para la confección de las agujas aéreas se han distinguido dos tipos:
Agujas para velocidad < 160 km/h
Las agujas para menos de 160 km/h son tangenciales y la catenaria de la vía desviada se atiranta de modo que el pantógrafo que pasa por la general no tiene ningún contacto con la catenaria de la vía desviada. Por el contrario, si se pretende entrar en la desviada, a velocidad inferior a los 160 km/h, el pantógrafo encuentra la catenaria de punta y elevada en el momento del contacto, con lo que entra en contacto de forma similar a como lo haría en un seccionamiento.
Cuando el ataque es desde la desviada a la general, este ataque es lateral y desde un plano más bajo, pues la catenaria desviada va 5 cm más baja que la general.
En una aguja para velocidades menores de 160 km/h hasta 100 km/h se colocará un aislador de sección en la vía desviada para separarla eléctricamente de la general, y si el cambio es de más de 100 km/h, es preciso instalar un seccionamiento de aire pues un aislador de sección a esas velocidades produce unas extracorrientes de ruptura que destruirían en pocas pasadas, aislador, contacto y pantógrafo.
Si se trata de un escape entre dos generales, y los cambios son de más de 100 km/h, el escape se forma con dos catenarias, cada una de las cuales hace la aguja de un lado del modo descrito anteriormente, y una y otra catenaria forman un seccionamiento de aire en el centro del escape.
Agujas para velocidad > 160 km/h
Las agujas de alta velocidad, para velocidades de más de 160 km/h, se construyen de modo que el pantógrafo, cualquiera que sea su trayectoria, bien desde la general hacia la desviada o viceversa, y en cualquier sentido, sólo es atacado por catenarias que vienen de arriba hacia abajo, nunca lateralmente. No existe, por tanto, por condicionantes de catenaria, ninguna limitación de velocidad.
8.1.2. D
INÁMICOSLa catenaria proyectada cumple con los requisitos de la ficha 799 OR del Grupo de Trabajo SC 57H3 de la UIC [UIC 799 OR, 2000], en cuanto a los requisitos dinámicos se refiere, para poder ser circulada a una velocidad de 350 km/h + 10%
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8.1.2.1. Parámetros dinámicos
El diseño de los equipos de la línea aérea de contacto se corresponde con los requisitos exigidos al comportamiento dinámico. La elevación a la velocidad de diseño de la línea cumplirá lo dispuesto en la norma EN-50 119 [UNE-EN-50119, 2002], y lo indicado en la E.T.I Subsistema Energía [2002/733/CE].
La calidad de captación de corriente tiene una repercusión fundamental sobre la vida útil de un hilo de contacto y debe cumplir parámetros acordados y medibles.
La calidad de captación de corriente puede evaluarse por la media Fm y la desviación estándar de los esfuerzos sobre la catenaria, medidos o simulados, o por el número de cebados.
En la Figura 8.3 se muestra la fuerza de contacto media Fm en función de la velocidad de circulación.
Figura 8.3 FM en función de la Velocidad de Circulación
Los valores de los distintos parámetros son:
La velocidad de propagación de ondas por los hilos de contacto es un parámetro característico para evaluar la idoneidad de una línea de contacto para un servicio de alta velocidad. Este parámetro depende de la masa específica y del esfuerzo del hilo de contacto. La velocidad máxima de explotación no será superior al 70% de la velocidad de propagación de ondas. Velocidad exigida por la Norma [2002/732/CE]: > Vmax+40 m/seg. (146,94 m/seg.).
La velocidad de propagación de la onda a lo largo del hilo de contacto es:
h
km
s
m
m
Kg
s
m
kgf
T
h
km
V
70%
106.5
/
383.4
/
/
335
.
1
/
81
.
9
3150
%
70
)
/
(
2 max⋅
=
=
⋅
=
⋅
=
µ
Donde T es la tensión en el hilo de contacto en kgf, y µ es el peso lineal de hilo de contacto en kg/m.
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Elasticidad y su uniformidad: La elasticidad y uniformidad en toda la luz son esenciales para que la captación de corriente sea de alta calidad y para reducir el desgaste. La uniformidad de la elasticidad puede evaluarse por el factor de uniformidad:
(%)
100
min max min max⋅
+
−
=
e
e
e
e
u
Donde:emax = elasticidad máxima en la luz
emin = elasticidad mínima en la luz
En las líneas de alta velocidad, la elasticidad a mitad de luz debe limitarse a valores inferiores a 0,5 mm/N.
Factor de reflexión: 0,37
Factor de reflexión exigido por la Norma: <0,4 Factor Doppler para 350 km/h: 0,22
Factor Doppler para 385 km/h: 0,18 Factor Doppler exigido por la Norma: >0,17 Factor de amplificación para 350 km/h: 1,65 Factor de amplificación para 385 km/h: 2,06 Factor de amplificación exigido por la Norma: <2,10
Desviación estándar a la velocidad máxima exigida por la Norma: 3,3 Fm.
Desviación lateral admisible del hilo de contacto por efecto de un viento cruzado, según la norma: <400 mm
8.1.2.2. Pruebas de validación
La evolución de la confirmad, según la E.T.I., puede basarse en los resultados de los ensayos realizados en un sistema similar de línea aérea de contacto.
Todos estos valores teóricos, que indican el probable buen comportamiento de la catenaria, se han confirmado con las pruebas efectuadas en el tramo Madrid-Barcelona.