Herramienta para el replanteo de postes y sus componentes para catenarias de alta velocidad

Texto completo

(1)Iñigo Larman Eizmendi. HERRAMIENTA PARA EL REPLANTEO DE POSTES Y SUS COMPONENTES PARA CATENARIAS DE ALTA VELOCIDAD. FEBRERO 2020. TRABAJO FIN DE MASTER PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE MASTER EN INGENIERÍA INDUSTRIAL. Iñigo Larman Eizmendi DIRECTOR DEL TRABAJO FIN DE MASTER:. Juan de Dios Sanz Bobi.

(2) Agradecimientos. 1 AGRADECIMIENTOS En primer lugar, me gustaría agradecer a mi tutor Juan de Dios Sanz por la oportunidad que me ha dado para realizar este proyecto y por su dedicación y tiempo para ayudarme con sus conocimientos en la materia. Quiero agradecer también a toda la gente que está involucrada en el departamento de ingeniería mecánica, en especial a Álvaro Calvo y Javier Gómez, los cuales han estado siempre dispuestos a ayudarme en todo momento. Finalmente, quiero agradecer el apoyo de mi familia y de Carmen, los cuales me han apoyado en todo momento.. 2. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(3) Herramienta para el replanteo de postes y sus componentes para catenarias de A.V.. 2 RESUMEN El objetivo del proyecto es realizar un programa que automatice la realización del replanteo de los postes para catenarias de alta velocidad. El proyecto se ha realizado en el departamento de ingeniería mecánica de la Universidad Politécnica de Madrid. Este proyecto surge de la necesidad del departamento para programar una herramienta automatizada para la realización de replanteos para catenarias de alta velocidad. La función de este programa será leer el trazado definido por el usuario y mediante una interfaz gráfica en el cual el usuario podrá ajustar ciertos parámetros, el programa calculará automáticamente el replanteo para dicho trazado siguiendo la normativa correspondiente a la catenaria. Hacer un replanteo completo para un tramo de vía ferroviaria es una tarea tediosa que tiene que cumplir una normativa. Para ello, hay que definir dónde iría cada poste con todas sus características como las longitudes de vano, descentramientos, compensaciones mecánicas etc. Debido a la elevada cantidad de parámetros físicos que hay que definir para realizar un replanteo completo, tener que hacer esta tarea para un trayecto de kilómetros de largo supone numerosas horas de trabajo de ingeniería. Este proyecto está pensado para ayudar a los usuarios que no conozcan bien la normativa. Gracias a esta herramienta, sabrán que han realizado un replanteo correcto que siga la normativa. Una vez calculado el replanteo, el usuario puede realizar todos los cambios que desee para modificar el replanteo. El proyecto se ha dividido en tres apartados principales: El estado del arte, la metodología y los resultados y discusión. 1. Estado del arte En este apartado se ha comenzado estudiando la historia de la alta velocidad en España para comprender mejor la tecnología utilizada en las primeras líneas de AV y la evolución de esta tecnología. La primera línea de AV, la línea Madrid – Sevilla, se realizó con una electrificación de 1x25 kV a corriente alterna, pero todas las demás líneas y las futuras se instalarán con una electrificación a 2x25 kV a C.A. Dentro de este apartado, se han explicado todos los conceptos básicos que definen una vía y la electrificación de la catenaria que han sido necesarios para la realización de esta herramienta de replanteo. Se han explicado terminologías básicas de la vía como el ancho de vía, los diferentes tipos de obras de fábrica, la terminología usada para definir el trazado en planta tanto en el perfil longitudinal como en el perfil transversal, la superestructura y los aparatos de vía. Se han explicado también los diferentes tipos de electrificación que se han utilizado en este proyecto y las partes de las que están compuestas desde la alimentación de energía eléctrica de la red hasta la recepción de esta por el tren. Los tipos de electrificación que se han utilizado en este proyecto han sido a 3 kV en corriente continua y 1x25 kV y 2x25 kV a corriente alterna. Aunque el programa solo se ha realizado para líneas aéreas de contacto flexibles, se han explicado también los diferentes tipos de tecnología de líneas aéreas de contacto que más se emplean. Se han explicado los elementos de los que están compuestos las líneas aéreas de contacto como los postes, los conjuntos de atirantado, las ménsulas etc. ya que son una parte fundamental de los parámetros de replanteo del programa. Finalmente, se han explicado los distintos parámetros geométricos como el vano, descentramiento, altura de hilo de contacto etc. que definen un replanteamiento. 3.

(4) Resumen El programa del replanteamiento se ha realizado en Matlab, principalmente por el conocimiento previo en este lenguaje de programación y porque el programa del que se extraen los datos del trazado también está basado en Matlab. 2. Metodología En este apartado se ha explicado la normativa en la que se ha basado el proyecto para realizar el replanteamiento, la interfaz de usuario del programa, un diagrama de funciones para ver cómo actúan las diferentes funciones y las relaciones entre ellas. Finalmente, se ha explicado con más detalle la estructura de cada función. El proyecto está enfocado para las vías de alta velocidad, por lo que el programa se ha realizado para las catenarias CA 160, CA 220 y EAC 350. Todos los valores y parámetros que se han utilizado para la realización del programa han sido basados en los siguientes tres documentos: • • •. Memoria descriptiva de la línea aérea de contacto tipo CA 160/3KV – Adif. Memoria descriptiva de la línea aérea de contacto tipo CA 220/3KV – Adif. Manual de catenaria EAC 350 – Gestor de infraestructuras ferroviarias (GIF).. Las dos primeras normas son para catenarias homologadas por Adif y en los documentos vienen detallados todos los valores geométricos y tipos de componentes que hay que instalar en función de la situación de la vía. El tercer documento describe la especificación técnica para la realización de instalaciones para catenarias con velocidades de circulación de hasta 350 km/h con una electrificación de 25 kV en corriente alterna. La catenaria de 350 se encuentra todavía sin normalizar, es por ello por lo que todavía Adif no dispone de una norma oficial. Debido a que hay menos información sobre este tipo de catenaria, algunos apartados del programa contienen menos datos en comparación con la CA 160 y CA 220. La interfaz de usuario se ha realizado mediante el módulo de Matlab conocido como GUIDE. Todas las interacciones que realiza el usuario con el programa de replanteo se llevarán a cabo mediante la ventana de la interfaz gráfica. La interfaz dispone de unos botones y listas desplegables con los que se podrán configurar los parámetros de la vía y la catenaria antes de realizar el cálculo del replanteo (Figura 1).. Figura 1. Interfaz gráfica del programa. 4. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(5) Herramienta para el replanteo de postes y sus componentes para catenarias de A.V. La interfaz se encuentra dividida en dos partes: en la parte superior se recogen y configuran los datos del trazado y en la parte de abajo se recogen los resultados del replanteamiento, se configuran las secciones de los cables y tipo de cimentación, y está el botón de exportar los resultados a una hoja de cálculo Excel. La función de exportar los resultados a una hoja de cálculo se ha incluido pensando en que el usuario pueda editar con mayor facilidad el replanteo que realiza el programa para que efectúe los cambios que vea oportunos hasta llegar al diseño final. En este apartado se ha tratado también cómo se han programado las funciones principales y mediante un diagrama de flujo, se han explicado las interacciones principales entre ellos (Figura 2).. Figura 2. Diagrama de funciones. Finalmente, se han explicado las variables de salida y entrada que utiliza cada función y la estructura principal de cada función. En la memoria del proyecto no se ha incluido el código del programa porque no se ha visto que aporte información comprensible, en su lugar, se ha explicado cómo se han programado las funciones principales. 3. Resultados y discusión En este apartado se ha realizado un replanteo de una parte de un trayecto real y se han comparado los resultados teóricos obtenidos con los instalados en el plano real. Por motivos de confidencialidad, no se han incluido los planos del tramo, ni se han dicho a qué trayecto pertenece ni su punto kilométrico. Los puntos kilométricos se han indicado relativos al principio del trayecto. Todos los demás datos del replanteo real son verídicos.. 5.

(6) Resumen El trayecto real se trata de una parte de un tramo ya comenzado de alta velocidad con una electrificación de 2x25 kV. Tiene una longitud total de 1.215 m y conforma un cantón de principio a fin. El tramo se trata de una curva con giro a izquierda con un radio de curvatura de 7.202 m en un tramo y de 7.250 m en otro, por lo que se trata de una curva muy abierta. Este trayecto comienza con un seccionamiento al principio y acaba con otro seccionamiento. Se han introducido los datos del trazado real en la interfaz del programa y se han comparado los resultados teóricos obtenidos con los datos de los postes reales. Tras el análisis, se ha visto que hay diferencias entre el replanteo real y el teórico, pero la principal diferencia ha sido debida a la distinta longitud de los vanos. El programa ha seguido la situación indicada por la normativa y en el caso real, se ha variado la longitud del vano debido a la condición de mucho gradiente de la vía en la que se requería infraestructura adicional. Este caso no está contemplado por el programa, pero se tendrá en cuenta para añadirlo en el futuro. A pesar de esa diferencia, todos los demás parámetros que da el programa coinciden con el caso real como la altura de catenaria, descentramientos, seccionamientos, punto fijo, número de ménsulas, tipos de poste y cimentaciones. A pesar de la diferencia, cada una de las partes analizadas en el replanteo teórico cumplen con lo estipulado por la normativa y además las características coinciden con el replanteo real, por lo que ha quedado validado el programa de replanteamiento.. Código UNESCO: 3323 Palabras clave: Línea aérea de contacto, catenaria, electrificación ferroviaria, replanteo de postes, Matlab, alta velocidad, ferrocarril. 6. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(7) Herramienta para el replanteo de postes y sus componentes para catenarias de A.V.. 3 ÍNDICE DE CONTENIDO 1. Agradecimientos..............................................................................................................2. 2. Resumen .........................................................................................................................3. 3. Índice de contenido .........................................................................................................7. 4. Índice de figuras ............................................................................................................10. 5. Índice de tablas .............................................................................................................12. 6. Introducción...................................................................................................................13. 7. Objetivos del proyecto ...................................................................................................14. 8. Estado del arte ..............................................................................................................15 8.1. La alta velocidad en España: Su historia ................................................................15. 8.1.1 8.2. Historia ............................................................................................................15. Terminología básica de una línea ferroviaria ..........................................................17. 8.2.1. Ancho de vía ...................................................................................................17. 8.2.2. Infraestructura .................................................................................................17. 8.2.3. Superestructura...............................................................................................20. 8.3. Electrificación .........................................................................................................22. 8.3.1. Subestaciones de tracción ..............................................................................23. 8.3.2. Feeders de alimentación .................................................................................24. 8.3.3. Línea aérea de contacto ..................................................................................25. 8.3.4. Sistema de alimentación por corriente continua ..............................................26. 8.3.5. Sistema de alimentación por corriente alterna .................................................27. 8.4. Tipos de alimentación ............................................................................................32. 8.4.1. Línea tranviaria ...............................................................................................32. 8.4.2. Línea de trolebús ............................................................................................33. 8.4.3. Catenaria aérea flexible ..................................................................................33. 8.4.4. Catenaria aérea rígida.....................................................................................34. 8.4.5. Tercer carril .....................................................................................................35. 8.5. Elementos de la línea aérea de contacto ................................................................36. 8.5.1. Conjunto de soporte ........................................................................................36. 8.5.2. Conjunto de atirantado ....................................................................................39. 8.5.3. Conjunto de suspensión ..................................................................................40. 8.5.4. Conjunto de compensación mecánica .............................................................42. 8.6. Geometría de la línea aérea de contacto ................................................................43. 8.6.1. Vano ...............................................................................................................43. 8.6.2. Altura del hilo de contacto ...............................................................................44. 8.6.3. Altura de la catenaria ......................................................................................44 7.

(8) Índice de contenido 8.6.4. Gálibo de poste ...............................................................................................44. 8.6.5. Descentramiento .............................................................................................44. 8.6.6. Cantón ............................................................................................................44. 8.6.7. Seccionamiento...............................................................................................45. 8.6.8. Zona neutra .....................................................................................................47. 8.6.9. Aguja aérea .....................................................................................................48. 8.7 9. Herramienta de programación utilizada: Matlab .....................................................49. Metodología ..................................................................................................................50 9.1. Normativa utilizada en el proyecto ..........................................................................50. 9.2. Interfaz de usuario..................................................................................................51. 9.2.1. Datos del trazado ............................................................................................52. 9.2.2. Replanteo de postes .......................................................................................55. 9.3. Diagrama de funciones...........................................................................................63. 9.4. Variables de entrada y salida del programa............................................................65. 9.5. Diccionario de funciones ........................................................................................68. 10. Resultados y discusión ..............................................................................................85. 10.1. Guía de uso del programa ......................................................................................85. 10.2. Ejemplo de un replanteo.........................................................................................94. 10.3. Comparación con un trayecto real ........................................................................105. 10.3.1. Trazado real ..................................................................................................105. 10.3.2. Trazado teórico ............................................................................................. 108. 10.4. Errores y diferencia con trayecto real ...................................................................119. 10.4.1. Longitud del vano .......................................................................................... 119. 10.4.2. Altura de la catenaria ....................................................................................120. 10.4.3. Descentramiento ........................................................................................... 121. 10.4.4. Cantón de compensación y seccionamientos ................................................122. 10.4.5. Punto fijo .......................................................................................................123. 10.4.6. Numero de ménsulas ....................................................................................123. 10.4.7. Tipo de poste ................................................................................................ 124. 10.4.8. Tipo de cimentación ......................................................................................126. 10.4.9. Conclusiones.................................................................................................128. 11. Planificación temporal .............................................................................................. 129. 11.1. Estructura de descomposición del proyecto .........................................................129. 11.1.1 12. 8. Diagrama de Gantt ........................................................................................131. Presupuesto ............................................................................................................133. 12.1. Coste personal .....................................................................................................133. 12.2. Coste de software ................................................................................................ 133. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(9) Herramienta para el replanteo de postes y sus componentes para catenarias de A.V. 12.3. Coste de equipo ...................................................................................................133. 12.4. Resumen de costes.............................................................................................. 134. 13. Líneas futuras ..........................................................................................................135. 14. Conclusiones ...........................................................................................................136. 15. Glosario y abreviaturas ............................................................................................ 137. 16. Bibliografía...............................................................................................................138. 9.

(10) Índice de figuras. 4 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Interfaz gráfica del programa ...................................................................................4 Figura 2. Diagrama de funciones ............................................................................................5 Figura 3. Trenes TALGO III y locomotora 2000 -T ................................................................15 Figura 4. 25 aniversario del AVE Madrid - Sevilla .................................................................16 Figura 5. Ancho de vía .........................................................................................................17 Figura 6. Los distintos tipos de obras de fábrica ...................................................................18 Figura 7. Clotoide en tramo recta-curva................................................................................19 Figura 8. Características del perfil longitudinal .....................................................................19 Figura 9. Tipos de explanaciones .........................................................................................20 Figura 10. Partes de carril ....................................................................................................20 Figura 11. Traviesas de hormigón armado, balasto, placas de asiento y tirafondos .............21 Figura 12. Partes de la aguja ................................................................................................22 Figura 13. Tipos de desvíos .................................................................................................22 Figura 14. Desvío mixto y traviesa........................................................................................22 Figura 15. Esquema de la electrificación ferroviaria..............................................................23 Figura 16. Subestación de tracción ......................................................................................24 Figura 17. Pórtico con seccionadores...................................................................................25 Figura 18. Electrificación en España ....................................................................................26 Figura 19. Esquema de electrificación 3 kV a corriente continua ..........................................27 Figura 20. Sistema de electrificación 1x25 kV ......................................................................28 Figura 21. Retorno de corriente para electrificación 1x25 kV ................................................28 Figura 22. Montaje de transformadores booster para 1x25 kV .............................................29 Figura 23. Sistema de electrificación 2x25 kV ......................................................................30 Figura 24. Reparto de corriente para 2x25 kV ......................................................................31 Figura 25. Línea de tranvía de Tenerife ................................................................................32 Figura 26. Trolebús histórico de Madrid................................................................................33 Figura 27. Catenaria aérea compuesta ................................................................................34 Figura 28. Catenaria rígida, metro de Madrid .......................................................................35 Figura 29. Frotador de tercer carril .......................................................................................36 Figura 30. Conjunto de soporte y conjunto de atirantado ......................................................37 Figura 31. Macizo de anclaje y macizo de poste ..................................................................38 Figura 32. Ménsula tubular de alta velocidad .......................................................................38 Figura 33. Amarre del hilo de contacto y su sección .............................................................40 Figura 34. Conjunto de suspensión ......................................................................................40 Figura 35. Péndola ...............................................................................................................41 Figura 36. Comparación entre la catenaria simple, con péndola en Y y compuesta .............42 Figura 37. Péndola en Y .......................................................................................................42 Figura 38. Equipo de compensación mecánica ....................................................................43 Figura 39. Descentramiento de la catenaria .........................................................................44 Figura 40. Cantón de compensación ....................................................................................45 Figura 41. Seccionamiento de compensación en 4 vanos ....................................................46 Figura 42. Seccionamiento de compensación en 5 vanos ....................................................46 Figura 43. Seccionamiento de lámina de aire .......................................................................47 Figura 44. Zona neutra .........................................................................................................48 Figura 45. Aguja tangencial ..................................................................................................48 Figura 46. Aguja cruzada .....................................................................................................48 Figura 47. Interfaz de usuario del programa de replanteo ....................................................51 Figura 48. Interfaz de los datos del trazado ..........................................................................52 Figura 49. Tabla con los datos del trazado de la interfaz ......................................................52 10. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(11) Herramienta para el replanteo de postes y sus componentes para catenarias de A.V. Figura 50. Botones de la parte de datos del trazado.............................................................54 Figura 51. Desplegables de la parte de datos del trazado ....................................................55 Figura 52. Interfaz de los resultados del replanteo de postes ...............................................55 Figura 53. Tabla de los resultados del replanteo ..................................................................57 Figura 54. Criterio de signos del descentramiento ................................................................58 Figura 55. Desplegables para configurar las secciones de los hilos y cimentaciones ...........61 Figura 56. Opciones que se actualizan dinámicamente para las secciones de los hilos .......62 Figura 57. Función para exportar los resultados a Excel ......................................................62 Figura 58. Hoja Excel con los datos exportados ...................................................................63 Figura 59. Diagrama de funciones ........................................................................................64 Figura 60. Diagrama de flujo de la utilización del programa. Parte 1 ....................................85 Figura 61. Diagrama de flujo de la utilización del programa. Parte 2 ....................................86 Figura 62. Diagrama de flujo de la utilización del programa. Parte 3 ....................................87 Figura 63. Iniciar programa en Matlab ..................................................................................87 Figura 64. Interfaz cuando se inicia ......................................................................................88 Figura 65. Importar datos del trazado ...................................................................................88 Figura 66. Desplegables dentro de la tabla ..........................................................................89 Figura 67. Asignar subestaciones.........................................................................................90 Figura 68. Configuración mediante los desplegables............................................................90 Figura 69. Desplegables a modificar ....................................................................................91 Figura 70. Calcular replanteo ...............................................................................................92 Figura 71. Modificar nombre del archivo Excel .....................................................................92 Figura 72. Exportar resultados a Excel .................................................................................93 Figura 73. Resultados del replanteo en la hoja de cálculo ....................................................93 Figura 74. Configuración del replanteo real ........................................................................108 Figura 75. Estructura de descomposición del proyecto (EDP) ............................................130 Figura 76. Planificación temporal........................................................................................131 Figura 77. Diagrama de Gantt ............................................................................................ 132. 11.

(12) Índice de tablas. 5 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Electrificación de catenarias en Europa ..................................................................26 Tabla 2. Electrificación de catenarias en España .................................................................26 Tabla 3. Características principales de los sistemas 1x25 kV y 2x25 kV ..............................31 Tabla 4. Secciones del hilo de contacto................................................................................39 Tabla 5. Secciones del hilo sustentador ...............................................................................41 Tabla 6. Variables de entrada ...............................................................................................66 Tabla 7. Variables de salida .................................................................................................68 Tabla 8. Tabla de datos del trazado de ejemplo ...................................................................94 Tabla 9. Ejemplo de un replanteo. Parte 1 ............................................................................96 Tabla 10. Ejemplo de un replanteo. Parte 2 ..........................................................................97 Tabla 11. Ejemplo de un replanteo. Parte 3 ..........................................................................98 Tabla 12. Ejemplo de un replanteo. Parte 4 ..........................................................................99 Tabla 13. Ejemplo de un replanteo. Parte 5 ........................................................................100 Tabla 14. Ejemplo de un replanteo. Parte 6 ........................................................................101 Tabla 15. Ejemplo de un replanteo. Parte 7 ........................................................................102 Tabla 16. Ejemplo de un replanteo. Parte 8 ........................................................................103 Tabla 17. Ejemplo de un replanteo. Parte 9 ........................................................................104 Tabla 18. Datos del trazado real .........................................................................................105 Tabla 19. Datos del replanteo real. Parte 1 ........................................................................106 Tabla 20. Datos del replanteo real. Parte 2 ........................................................................107 Tabla 21. Tabla del trazado real .........................................................................................109 Tabla 22. Resultado del replanteo teórico. Parte 1 ............................................................. 110 Tabla 23. Resultado del replanteo teórico. Parte 2 ............................................................. 111 Tabla 24. Resultado del replanteo teórico. Parte 3 ............................................................. 112 Tabla 25. Resultado del replanteo teórico. Parte 4 ............................................................. 113 Tabla 26. Resultado del replanteo teórico. Parte 5 ............................................................. 114 Tabla 27. Resultado del replanteo teórico. Parte 6 ............................................................. 115 Tabla 28. Resultado del replanteo teórico. Parte 7 ............................................................. 116 Tabla 29. Resultado del replanteo teórico. Parte 8 ............................................................. 117 Tabla 30. Resultado del replanteo teórico. Parte 9 ............................................................. 118 Tabla 31. Comparativa de la longitud de vanos ..................................................................119 Tabla 32. Comparativa de la altura de la catenaria ............................................................. 121 Tabla 33. Comparativa del descentramiento ......................................................................121 Tabla 34. Comparación de los cantones de compensación y seccionamientos ..................122 Tabla 35. Comparativa de punto fijo ...................................................................................123 Tabla 36. Comparativa de número de ménsulas ................................................................ 124 Tabla 37. Comparativa de tipo de postes ...........................................................................125 Tabla 38. Comparativa de situaciones según tipo de poste ................................................126 Tabla 39. Comparativa del tipo de cimentación ..................................................................126 Tabla 40. Comparativa de situaciones según tipo de poste y cimentación .........................128 Tabla 41. Coste de personal............................................................................................... 133 Tabla 42. Coste de software ............................................................................................... 133 Tabla 43. Coste de equipo .................................................................................................133 Tabla 44. Resumen de costes ............................................................................................ 134. 12. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(13) Herramienta para el replanteo de postes y sus componentes para catenarias de A.V.. 6 INTRODUCCIÓN El proyecto se ha realizado en el departamento de ingeniería mecánica de la Universidad Politécnica de Madrid. Este proyecto surge de la necesidad del departamento para programar una herramienta automatizada para la realización de replanteos para catenarias de alta velocidad. Hacer un replanteo completo para un tramo de vía ferroviaria es una tarea tediosa que tiene que cumplir una normativa. Para ello, hay que definir dónde iría cada poste con todas sus características como las longitudes de vano, descentramientos, compensaciones mecánicas etc. Debido a la elevada cantidad de parámetros físicos que hay que definir para realizar un replanteo completo, tener que hacer esta tarea para un trayecto de kilómetros de largo supone numerosas horas de trabajo de ingeniería. En el departamento se dispone de un programa de cálculo de catenarias en el que el usuario tiene que definir el trazado de la vía e introducir manualmente la posición de cada poste. Es por ello por lo que el objetivo de este proyecto será la creación de una herramienta complementaria que automatice este proceso de replanteamiento, dándole al usuario una interfaz gráfica en la que podrá definir ciertos parámetros y el replanteo se realice automáticamente respetando la normativa correspondiente. Este proyecto está pensado para ayudar a los usuarios que no conozcan bien la normativa. Gracias a esta herramienta, sabrán que han realizado un replanteo correcto que siga la normativa. Una vez calculado el replanteo, el usuario puede realizar todos los cambios que desee para modificar el replanteo.. 13.

(14) Objetivos del proyecto. 7 OBJETIVOS DEL PROYECTO El objetivo del proyecto es realizar un programa que automatice la realización del replanteo de los postes para catenarias de alta velocidad. La función de este programa será leer el trazado definido por el usuario y mediante una interfaz gráfica en el cual el usuario podrá ajustar ciertos parámetros, el programa calculará automáticamente el replanteo para dicho trazado siguiendo la normativa correspondiente a la catenaria. El proyecto tiene los siguientes objetivos: • • • • •. 14. Realizar el replanteo automatizado para distintos tipos de catenarias. Dar al usuario una interfaz gráfica sencilla e intuitiva. Dar al usuario la opción de ajustar parámetros de la catenaria para la realización del cálculo del replanteamiento. Permitir la modificación del replanteamiento calculado al usuario. Permitir exportar los resultados a una hoja de cálculo Excel.. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(15) Herramienta para el replanteo de postes y sus componentes para catenarias de A.V.. 8 ESTADO DEL ARTE En este apartado se va a analizar la situación actual del sistema ferroviario de alta velocidad en España. Se van a explicar los distintos tipos de catenarias que se han incluido en la herramienta de replanteo y se va a explicar su electrificación. Por otro lado, se van a explicar todos los componentes de la catenaria y sus parámetros mecánicos utilizados para el replanteamiento. Finalmente, se explicará el lenguaje de programación seleccionado para llevar a cabo el proyecto.. 8.1 La alta velocidad en España: Su historia Actualmente España es el país europeo con mayor número de kilómetros de alta velocidad y 2º en el mundo después de China. Los 3.410 km Se encuentran repartidos en cuatro corredores principales. Dentro de las líneas de alta velocidad se incluyen las vías equipadas para poder circular a más de 250 km/h y las líneas especialmente acondicionadas para velocidades del orden de 200 km/h. Dadas las circunstancias adecuadas, los vehículos preparados para ello pueden alcanzar velocidades de 300 km/h.. 8.1.1 Historia 8.1.1.1 Inicio de la alta velocidad El 7 de junio de 1966 la locomotora 2000-T de Talgo logró alcanzar por primera vez en España los 202 km/h remolcando el Talgo III realizando unas pruebas en el trayecto Sevilla y los Rosales.. Figura 3. Trenes TALGO III y locomotora 2000 -T. El ímpetu de los constructores por fabricar trenes más rápidos hizo que cada vez se consiguiesen velocidades punta más altos. El siguiente récord se estableció en otro ensayo el 20 de mayo de 1972 cuando la locomotora 3005-T bautizada como la Virgen de la bien aparecida alcanzó los 222 km/h en la línea Madrid-Barcelona constituyendo un récord mundial para la tracción diésel. Sin embargo, no fue hasta la década de los años 90 hasta que se consolidó la alta velocidad.. 15.

(16) Estado del arte 8.1.1.2 Nacimiento de la Alta Velocidad Española: AVE Fue Francia el primero en inaugurar la primera línea de alta velocidad Europea denominada TGV Europa en 1981. España escogió como primera línea de alta velocidad el nuevo acceso ferroviario a Andalucía, la línea entre Getafe y Córdoba de la que ya había tramos en construcción. Se decidió abandonar el ancho ibérico que tenían todas las vías españolas y se adoptó el ancho de vía estándar UIC. Para esta nueva línea, el Gobierno español adquirió 24 trenes de alta velocidad y 75 locomotoras de gran potencia compradas a los fabricantes Alsthom y Siemens lo que fue conocido como el contrato del siglo. Tras 5 años de obras y 471 km, la línea Madrid - Sevilla se inauguró en abril de 1992. Esta línea permitía velocidades máximas de 300 km/h y Renfe comenzó la explotación de la vía bajo la marca AVE (Alta Velocidad Española).. Figura 4. 25 aniversario del AVE Madrid - Sevilla. Cuando se inauguró la línea, los trenes podían circular a 250 km/h realizando el trayecto Madrid – Sevilla en 2 horas y 45 minutos. La velocidad máxima se fue aumentando con el tiempo y en septiembre de 1994, se alcanzó el récord de 356 km/h, lo que comenzó la explotación comercial de los 300 km/h del AVE.. 16. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(17) Herramienta para el replanteo de postes y sus componentes para catenarias de A.V.. 8.2 Terminología básica de una línea ferroviaria En este apartado se van a describir las terminologías básicas para poder definir el trazado ferroviario.. 8.2.1 Ancho de vía El ancho de vía se trata de la distancia entre las caras internas de los carriles medidas 14 mm por debajo del plano de rodadura en alineación recta (Figura 5).. Figura 5. Ancho de vía. En las líneas españolas se encuentran instalados los siguientes anchos de vías: •. •. •. Vía ancha o ancho ibérico: Se trata del ancho con mayores kilómetros instalados en la península. Tiene un ancho de 1.668 mm y también es conocido como el ancho RENFE. Vía de ancho estándar: Es el ancho más utilizado por las redes europeas y con mayor tasa de adopción mundial (entorno al 60%). Por ello y porque se trata del ancho definido por el UIC, todas las líneas de alta velocidad que se construyen en España se hacen bajo este ancho de vía. Tiene un ancho de 1.435 milímetros y también es conocido como ancho internacional, europeo o estándar. Vía estrecha: Esta categoría recoge todas las vías inferiores a los 1.435 milímetros del ancho estándar. En la península la mayoría de las vías estrechas son de 1.000 milímetros, pero existen excepciones como el ferrocarril de Sóller con 914 milímetros o el desaparecido tranvía de Arratia con 1.365 milímetros.. Para que el tren pase entre distintos anchos de vías, existen instalaciones conocidas como cambiadores que se lo permiten a los trenes equipados con la tecnología de cambio de ancho.. 8.2.2 Infraestructura La infraestructura se trata del terreno sobre el que está asentado la vía. Se compone tanto de las obras de defensa (pilares, drenajes, muros de contención etc.) como de las obras de fábrica. 8.2.2.1 Obras de fábrica Las obras de fábrica son las partes de la infraestructura que se construyen para sortear los obstáculos naturales del terreno. Los principales tipos son los siguientes: • •. Paso a distinto nivel: Cruce a altura superior o inferior de dos vías que permite su cruzamiento. Se puede dar entre ferrocarril-ferrocarril o carretera-ferrocarril. Paso a nivel: Cruce de dos vías a la misma altura. Se puede dar entre ferrocarrilferrocarril o carretera-ferrocarril.. 17.

(18) Estado del arte • • •. Puente: Se trata de la construcción que permite salvar una dificultad geográfica como un río, valle, carretera etc. Túnel: Obra subterránea que comunica dos puntos que garantiza la circulación entre estos dos. Viaducto: Construcción utilizada para salvar la totalidad del valle. La diferencia con el puente es la larga distancia.. Figura 6. Los distintos tipos de obras de fábrica. 8.2.2.2 Trazado El trazado es la trayectoria que sigue la vía. Las características que definen la trayectoria son las siguientes: •. Perfil en planta: La proyección del trazado en planta se realiza mediante tramos y arcos de circunferencia. Un tramo recto siempre va a ser seguido de una circunferencia de determinado radio y viceversa, el tramo curvo será seguido por una recta de determinada dirección. Cuando el tren está circulando por la recta y llega al punto donde comienza la circunferencia de curvatura, aparece en ese instante una fuerza centrífuga perpendicular a la recta. Esta fuerza centrífuga tendrá su valor máximo desde el primer instante, lo que puede empeorar el confort de los usuarios o en su peor caso, causar un descarrilamiento. Para evitar la aparición instantánea del valor máximo de esta fuerza centrífuga, entre la recta y la curva se realiza una curva de transición de radio variable. Existen muchos tipos de curvas, pero la más utilizada en las vías ferroviarias es la curva conocida como clotoide o espiral de Cornú (Figura 7). Esta se trata de una curva de radio variable, que irá progresivamente aumentando hasta llegar al valor del radio de curvatura de la circunferencia. De esta manera, se consigue que la fuerza centrífuga vaya aumentando progresivamente.. 18. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(19) Herramienta para el replanteo de postes y sus componentes para catenarias de A.V.. Figura 7. Clotoide en tramo recta-curva. Dentro del trazado en planta, también se usan los peraltes para contrarrestar la fuerza centrífuga. •. Perfil longitudinal: El perfil longitudinal se trata de la línea que une los diferentes planos conocidos como rasantes. Estas rasantes se expresan con su altura respecto al nivel del mar y tiene las siguientes características (Figura 8): o Rampa: Plano inclinado con sentido ascendente. o Pendiente: Plano inclinado con sentido descendente. o Horizontal: Plano sin inclinación. o Cambio de rasante: Punto donde cambia la inclinación. Este punto se encuentra señalizada en la línea ferroviaria. o Acuerdo: Unión curva entre rasantes. Puede ser cóncavo o convexo.. Figura 8. Características del perfil longitudinal. •. Perfil transversal: El perfil transversal se trata del plano perpendicular al sentido de circulación de la vía. En la vista transversal existen cuatro tipos de explanaciones (Figura 9): o En trinchera: Se necesita vaciar la tierra. o En terraplén: Se necesita aportar material. o Mixto: Sucede en las laderas de las montañas, en las que hay que aportar material y quitarlo. o En línea: Solamente requieren material para la nivelación del terreno.. 19.

(20) Estado del arte. Figura 9. Tipos de explanaciones. 8.2.3 Superestructura La superestructura está compuesta por todos los componentes de la vía que hacen posible que el tren circule sobre ella. Los componentes principales son los siguientes: 8.2.3.1 Vía La vía está compuesta por los componentes como los carriles, contracarriles, traviesas y material de sujeción. •. Carril: El carril o raíl se trata de una barra de acero con sección en forma de seta. Su función principal es la de sustentar y guiar el tren y en el caso de que la tracción sea eléctrica, servirá también de circuito de retorno. Cada tramo de carril tiene una longitud máxima de 288 m y se encuentra soldada en cada extremo. El carril está compuesto por las siguientes partes (Figura 10): o Cabeza: Parte sobre la que se realiza la rodadura. o Alma: Sección delgada que une el patín y la base del carril. o Patín: Base del carril apoyada al suelo.. Figura 10. Partes de carril. 20. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(21) Herramienta para el replanteo de postes y sus componentes para catenarias de A.V. •. Traviesas: Son los elementos transversales que unen los dos carriles y se fijan al balasto. Suelen estar fabricados de distintos materiales como madera o hormigón armado. Sirven para mantener fija la distancia entre los carriles y transmitir los esfuerzos provocados por el material rodante al balasto.. Figura 11. Traviesas de hormigón armado, balasto, placas de asiento y tirafondos. •. Balasto: Se trata de un elemento árido y granular utilizado como base de pavimentaciones (Figura 11). Su función principal es dar estabilidad a la vía férrea, haciendo que conserve su geometría cuando se le aplican esfuerzos. También tiene que distribuir las presiones transmitidas a la vía por el terreno, ofreciendo una amortiguación a las vibraciones generadas por el tren. No se suele emplear el balasto para las líneas de alta velocidad ya que los granos se desprenden (fenómeno conocido como vuelo de balasto) pudiendo causar daños al tren. En este caso, se construye una plataforma de hormigón, lo que incrementa el coste.. •. Placas de asiento y tirafondos: Son los elementos que se usan para fijar el carril a la traviesa.. 8.2.3.2 Aparatos de vía Los aparatos de vía son los elementos qué posibilitan la ramificación y el cruzamiento de distintas vías de ferrocarril. •. Cambios de agujas: Son los elementos usados para realizar los cambios de vías. Las agujas están compuestas por dos elementos (Figura 12): o Corazón: Es la parte fija en la conexión entre las dos vías. o Espadín: Son las partes móviles en la conexión entre las dos vías.. 21.

(22) Estado del arte. Corazón. Espadín. Figura 12. Partes de la aguja. •. Desvíos: El desvío permite el cambio entre diferentes vías mediante la aguja. Se categoriza según la velocidad máxima de paso y existen los siguientes tipos (Figura 13): o Desvío sencillo: La vía principal se conoce como vía directa y la segunda como vía desviada. o Escape o diagonal: se trata de la combinación de dos desvíos sencillos situadas sobre vías contiguas en sentido opuesto. o Doble diagonal o Bretelle: Se compone por dos diagonales superpuestas que se intersectan.. Figura 13. Tipos de desvíos. o o. Desvíos mixtos: sirven para que puedan circular sobre él diferentes anchos de vías (Figura 14). Traviesa: Permite que se crucen dos vías oblicuas o perpendiculares y garantizar la continuidad entre ellas (Figura 14).. Figura 14. Desvío mixto y traviesa. 8.3 Electrificación En este apartado se va a describir el funcionamiento de los elementos más importantes que hacen posible el suministro de la energía eléctrica necesaria para traccionar el tren. También se van a describir los sistemas de electrificación más utilizados para las vías por Adif. El sistema de electrificación ferroviario se compone de las siguientes partes: 22. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(23) Herramienta para el replanteo de postes y sus componentes para catenarias de A.V. • • • • • •. Central generadora de energía eléctrica. Líneas de transporte de la energía eléctrica. Subestaciones de tracción. Línea aérea de contacto o catenaria. Feeders de alimentación y de retorno. Tren que consume la energía mediante un motor eléctrico.. En la Figura 15 se puede ver reflejado el esquema de la electrificación.. Figura 15. Esquema de la electrificación ferroviaria. 8.3.1 Subestaciones de tracción La subestación es la parte de la instalación encargada de hacer la conexión eléctrica entre la línea ferroviaria y la compañía suministradora de energía. En esta instalación se recibe la tensión trifásica de las líneas de transporte de alta tensión y se adecúa a los niveles de tensión requeridos mediante transformadores. Normalmente, se suele conectar a la red a tensiones de 132 kV, 220 kV o 400 kV. En el caso de tratarse de un sistema de corriente continua, se usará también un rectificador (Figura 16).. 23.

(24) Estado del arte. Figura 16. Subestación de tracción. A la salida del rectificador, se conectan los interruptores de alimentación donde se instalan tanto los elementos de medida como las protecciones para garantizar la seguridad de los usuarios y la infraestructura frente a picos de tensión y sobrecorrientes. Las subestaciones se controlan a distancia desde un centro de mando para poder coordinarse con las distintas subestaciones de tracción y ajustarse a las demandas de la infraestructura.. 8.3.2 Feeders de alimentación Los feeders son los cables que salen de los interruptores de la subestación y alimentan a la línea aérea de contacto. En función del tipo de explotación, los feeders pueden atacar directamente a la catenaria o se conectan a unos seccionadores que pueden estar en un cuarto cerrado o a la intemperie (Figura 17).. 24. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(25) Herramienta para el replanteo de postes y sus componentes para catenarias de A.V.. Figura 17. Pórtico con seccionadores. Existen tres tipos de feeders: • •. •. Feeder positivo: Se trata del conductor principal encargado de suministrar energía eléctrica a la línea aérea de contacto. Feeder de acompañamiento: Se trata de un conductor secundario instalado en paralelo junto al feeder positivo y conectado eléctricamente cada cierta distancia. Su función principal es garantizar la demanda en los picos de potencia y garantizar estabilidad en el suministro de la energía eléctrica. Feeder negativo: Este feeder solamente se instala para sistemas de corriente alterna. Se trata del conductor encargado de retornar parte de la corriente de retorno para disminuir la resistencia del circuito de retorno.. 8.3.3 Línea aérea de contacto La catenaria o línea aérea de contacto (LAC) es la parte de la infraestructura que se encarga de dar la energía eléctrica con la potencia requerida necesaria por el tren. Las tensiones de alimentación más comunes para las LAC en España son de 600 V a 3 kV en corriente continua. Actualmente, las líneas de la alta velocidad en España se realizan en corriente alterna a 50 Hz a una tensión de 25 kV en dos configuraciones monofásicas: 1x25 kV y 2x25 kV. Hoy en día, la electrificación a corriente continua sigue siendo la más usada en el mundo. Una de las principales desventajas es que las corrientes son muy elevadas cuando se requieren altas potencias debido a la baja tensión. Los tipos de tracción eléctrica presentes en Europa son los siguientes: Tipo Corriente continua. Tensión (kV) 0,6 0,75. Frecuencia (Hz) -. 25.

(26) Estado del arte Tipo. Tensión (kV) 1,5 3 15 25. Corriente alterna. Frecuencia (Hz). 16 2/3 50. Tabla 1. Electrificación de catenarias en Europa. En España la distribución de la electrificación es la siguiente: Ancho de vía. Tensión 3 kV C.C.. Ancho ibérico Sin electrificar Ancho internacional. 25 kV 50 Hz A.C.. Nº de vías Vía doble Vía única Vía doble Vía única Vía doble Vía única Vía triple. Longitud (km) 2.914 3.576 74 5.191 1.548 68 20. Tabla 2. Electrificación de catenarias en España. Figura 18. Electrificación en España. 8.3.4 Sistema de alimentación por corriente continua Históricamente la tecnología usada en España para las líneas electrificadas ha sido mediante corriente continua. Como principal ventaja presenta que los motores a C.C. presentaban un mayor par de arranque que los de C.A. en la época en la que se hicieron las instalaciones. Sumándole la mayor facilidad para el control del motor a corriente continua, se empezaron a electrificar las líneas a 1500 V a C.C. 26. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(27) Herramienta para el replanteo de postes y sus componentes para catenarias de A.V. Una de las mayores desventajas es que debido a la baja tensión, cuando se requiere mayor potencia aumenta mucho la corriente, lo que hace que aumenten las pérdidas. Es por ello por lo que cuando aumentó la demanda ferroviaria, se decidió aumentar la tensión a los 3000 V. Actualmente, la mayoría de las líneas de corriente continua son de 3 kV, por lo que solamente estas serán objeto de estudio en el proyecto. Debido al inconveniente de las altas corrientes, para mejorar la situación se han adoptado las siguientes soluciones: • • •. Se instalan feeders positivos. En los tramos de vía doble se realizan las conexiones eléctricas en paralelo. Se instalan subestaciones menos espaciadas entre ellas con una distancia media entre 10 y 20 km.. Figura 19. Esquema de electrificación 3 kV a corriente continua. El sistema de alimentación está dividido en tramos eléctricos denominados cantones. Un cantón (Figura 19) está alimentado por dos subestaciones a la vez.. 8.3.5 Sistema de alimentación por corriente alterna En España todas las nuevas líneas de alta velocidad que se están instalando son de corriente alterna monofásica. Una de las mayores ventajas es la posibilidad de poder transportar mucha potencia a menores corrientes debido a la alta tensión utilizada. Actualmente se instalan dos tipos de configuraciones: 1x25 kV y 2x25 kV. 8.3.5.1 Sistema 1x25 kV a corriente alterna La energía monofásica a 50 Hz se obtiene con la conexión de una de las salidas del secundario del transformador de la subestación de tracción a la línea aérea de contacto y la otra salida conectándola al carril. Debido a que en la entrada del transformador se trabaja con una configuración trifásica, la carga bifásica de esta configuración produce desequilibrios de tensión en la red trifásica. Es por ello por lo que es necesario compensar el desequilibrio. Para el equilibrado de la red, las subestaciones se conectan alternativamente en las fases de la red de suministro, lo que genera los siguientes inconvenientes: • • •. Necesidad de instalar zonas neutras que aíslen las secciones de la catenaria eléctricamente entre subestaciones. Diferencia de tensión entre subestaciones de √3 · 25 𝑘𝑉 = 43,3 𝑘𝑉 Elevadas caídas de tensión en los extremos de las subestaciones. 27.

(28) Estado del arte •. Peor rendimiento en la recuperación de frenada del motor eléctrico. Esto se debe a que los seccionamientos eléctricos son más cortos por las zonas neutras, por lo tanto, circulan menos trenes en un mismo seccionamiento que puedan aprovechar la energía producida por frenado.. La función de la zona neutra en la separación de fases es la de hacer una desconexión eléctrica entre las dos fases para evitar que se cortocircuiten, por lo que en ese tramo el tren. Figura 20. Sistema de electrificación 1x25 kV. no estará conectado a la red. También se instalan zonas neutras en los puntos intermedios de las subestaciones de tracción para aislar eléctricamente los tramos alimentados por los distintos transformadores. Las subestaciones se suelen situar distanciadas entre 30 km y 40 km. Para este tipo de configuración, el retorno de corriente (Figura 21) se encuentra repartido por: • • •. 70% por el carril. 10% por las capas profundas del terreno. 20% por las capas superficiales del terreno.. Figura 21. Retorno de corriente para electrificación 1x25 kV. Debido a las corrientes que retornan por la superficie, se producen perturbaciones electromagnéticas en los alrededores, lo que puede afectar al sistema de señalización y comunicaciones ferroviarios. Por ello, se implementa un sistema de circuito con cable de retorno para disminuir estas perturbaciones.. 28. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(29) Herramienta para el replanteo de postes y sus componentes para catenarias de A.V. Otra manera de evitar las perturbaciones electromagnéticas es la instalación de transformadores booster cada cierto intervalo. Fue implementado por 1ª vez en la línea japonesa Tokaido-Shinkansen en 1964 y se instalaron estos transformadores cada 3 y 4 km. De esta forma, el primario del transformador se conecta a la línea aérea de contacto y el secundario a una sección aislada del cable de retorno. (Figura 22). Figura 22. Montaje de transformadores booster para 1x25 kV. De esta manera, la catenaria se secciona cada 3 o 4 kilómetros y se obliga a la corriente a circular por el devanado primario. Este devanado tiene una relación de transformación 1/1, lo que permite repartir las corrientes de las vías y la tierra hacia el cable de retorno. El inconveniente de este tipo de montaje es que se aumenta la impedancia del circuito de tracción por lo que hay un aumento en la caída de tensión. Es por eso por lo que sería necesario disminuir la distancia entre las subestaciones de tracción. 8.3.5.2 Sistema 2x25 kV a corriente alterna El sistema 2x25 kV se utiliza principalmente para alimentar tramos más largos de la línea aérea de contacto sin tener caídas de tensión superiores a los permitidos por la normativa. Este tipo de configuración se ha implementado principalmente en España, Francia, Italia Japón y Rusia y cada vez se está extendiendo más para alimentaciones de alta tensión. Con este tipo de instalación, se instalan dos conductores: la catenaria y el feeder de retorno de 25 kV, también conocido como feeder negativo o feeder -25 kV. La tensión entre el feeder negativo y el carril es de 25 kV con un desfase de 180º. (Figura 23). 29.

(30) Estado del arte. Figura 23. Sistema de electrificación 2x25 kV. La toma central del transformador de la subestación está conectada al carril. Como la tensión entre la toma del transformador y la toma de tierra son 25 kV nominales, hay una diferencia de tensión de 50 kV nominales en el secundario del transformador. Por lo tanto, la diferencia de tensión entre la línea aérea de contacto y el feeder de retorno son de 50 kV y la diferencia de tensión entre la línea aérea de contacto y el carril son 25 kV como en el caso de 1x25 kV. Es necesaria la instalación de autotransformadores cada cierta distancia para poder mantener la tensión en la línea. Los autotransformadores se suelen situar cada 10 o 15 km. Una toma se conecta a la línea aérea de contacto, el extremo al feeder negativo y la toma central al carril. Gracias a que el sistema funciona a 50 kV nominales, a misma potencia que la configuración 1x25 kV, este sistema necesitará la mitad de corriente, consiguiendo una menor caída de tensión. Gracias a que la caída de tensión es menor, las subestaciones se pueden instalar a mayores distancias entre ellos. Lo normal es situarlas entre 60 y 80 km, el doble de distancia que en el sistema 1x25 kV. Como se puede observar en la Figura 24, la mayor parte de la corriente de retorno vuelve por el feeder negativo, lo que genera menores interferencias electromagnéticas comparadas con el sistema 1x25 kV.. 30. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(31) Herramienta para el replanteo de postes y sus componentes para catenarias de A.V.. Figura 24. Reparto de corriente para 2x25 kV. 8.3.5.3 Ventajas e inconvenientes de los sistemas 1x25 kV y 2x25 kV En la Tabla 3 se encuentran resumidas las características principales de las dos configuraciones para corriente alterna: Características Complejidad de la instalación Distancia entre subestaciones Potencia instalada Autotransformadores Impedancia en LAC Caída de tensión en LAC Perturbaciones electromagnéticas Complejidad de mantenimiento. 1x25 kV Baja 30 – 40 km 2x30 MVA No Alta Alta. 2x25 kV Alta 60 – 80 km 2x60 MVA Cada 10 - 15 km Baja Baja. Alta. Baja. Baja. Alta. Tabla 3. Características principales de los sistemas 1x25 kV y 2x25 kV. El sistema 1x25 kV tiene la ventaja de que gracias a su simplicidad eléctrica es más fácil de explotar. Sin embargo, tiene como inconvenientes la alta circulación de corriente de retorno por la superficie exterior terrestre, lo cual genera perturbaciones electromagnéticas que pueden afectar a los aparatos de señalización. Hay que sumarle también la menor distancia permitida entre subestaciones de 30 km - 40 km para conseguir una caída de tensión admisible. Una de las ventajas del sistema 2x25 kV es la baja perturbación electromagnética que causa. Además, la distancia entre las subestaciones es mucho mayor, entre 60 km y 80 km. Como desventaja nos encontramos la necesidad de instalar un feeder negativo y autotransformadores cada 10 km - 15 km. Además, debido a que las tensiones son mayores, los aparatos de protección también son más costosos. Gracias a las ventajas del sistema 2x25 kV, en España todas las líneas de alta velocidad son de 2x25 kV exceptuando la primera línea de alta velocidad, Madrid – Sevilla, instalada en 1992 con el sistema 1x25 kV.. 31.

(32) Estado del arte. 8.4 Tipos de alimentación En este apartado se van a describir los distintos tipos de líneas aéreas de contacto que se utilizan para alimentar los ferrocarriles y a otros tipos de vehículos con tracción eléctrica. Los principales tipos de catenarias son los siguientes: • • • • •. Línea tranviaria. Línea de trolebús. Catenaria aérea flexible. Catenaria aérea rígida. Tercer carril.. 8.4.1 Línea tranviaria La línea tranviaria se trata de la aplicación más sencilla de los distintos tipos de catenaria y es utilizado principalmente por tranvías, metros ligeros, estaciones de carga y cocheras. Este tipo de línea se encuentra compuesto por un hilo de contacto suspendido por postes que alimentan al vehículo que circula por vías ferroviarias (Figura 25).. Figura 25. Línea de tranvía de Tenerife. La alimentación entre el vehículo y el hilo de contacto se realiza mediante pantógrafos o troles. La diferencia entre estos dos es que la catenaria tiene una pletina que frota con el hilo de contacto y el trole usa una polea que rueda sobre el hilo de contacto para disminuir el rozamiento. Uno de los principales inconvenientes de este tipo de catenarias es la flecha que sufre el hilo de contacto. Al no disponer de un hilo sustentador con péndolas como en el caso de las catenarias aéreas flexibles (apartado 8.4.3), por lo que la distancia de separación entre los postes de elevación se encuentra limitada. Debido a que la velocidad máxima de los vehículos se encuentra condicionada por la uniformidad de la altura del hilo de contacto y la uniformidad de la elasticidad, para este tipo de catenaria, la velocidad de circulación recomendada es baja.. 32. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(33) Herramienta para el replanteo de postes y sus componentes para catenarias de A.V.. 8.4.2 Línea de trolebús La línea de trolebús se utiliza para los vehículos que no circulan por vías ferroviarias como los trolebuses (Figura 26). Se trata de una línea similar a las líneas de tranvía con la diferencia de que incluyen un segundo hilo de contacto para el retorno de corriente, ya que en el anterior caso se realiza por las vías férreas.. Figura 26. Trolebús histórico de Madrid. Debido a que el vehículo no dispone de carriles de guiado, la catenaria tiene que estar adaptada para soportar los movimientos laterales. Para ello, las suspensiones de la catenaria permiten flexibilidad en un rango amplio en el movimiento del hilo de contacto.. 8.4.3 Catenaria aérea flexible La catenaria aérea flexible se trata del tipo de catenaria más utilizada por los trenes convencionales. Está compuesta por dos cables que se encuentran en el mismo plano vertical. El cable superior es conocido como catenaria y su función principal es la de sostener el hilo de contacto. El nombre de catenaria es debido a la curvatura física que adquiere el cable al estar suspendido entre dos apoyos, coincidiendo con la forma geométrica de la catenaria.. 33.

(34) Estado del arte El segundo cable se trata del hilo de contacto, el cual se encuentra sujetado a la catenaria por unos cables verticales denominados como péndolas, los cuales garantizan que el hilo de contacto se mantenga en el mismo plano vertical. Se puede dar el caso de utilizar un segundo cable portador para mejorar el trazado de contacto. Este cable se conoce por falso sustentador o sustentador secundario y a las catenarias que utilizan este sistema en todo su recorrido se les conoce como catenarias compuestas (Figura 27).. Figura 27. Catenaria aérea compuesta. Los parámetros geométricos que definen la catenaria varían a lo largo de toda la línea y se encuentran explicados en el apartado 8.6.. 8.4.4 Catenaria aérea rígida La catenaria aérea rígida se diferencia de la flexible por el uso de un perfil sólido como elemento de transmisión de potencia eléctrica en vez de usar un cable. Debido a que el peso por unidad de longitud es mucho mayor que en el caso del hilo, los apoyos se tienen que realizar a distancias mucho menores. Como ejemplo, los vanos (distancia entre postes de apoyo) para catenarias flexibles se realizan entorno a los 60 m y en el caso de catenarias. 34. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(35) Herramienta para el replanteo de postes y sus componentes para catenarias de A.V. rígidas cada 10-12 m. Debido a esta condición, este tipo de catenarias es más adecuada para túneles o zonas de gálibo reducido debido a criterios económicos.. Figura 28. Catenaria rígida, metro de Madrid. Este tipo de catenaria se implementa para paliar el problema de seguridad de la alimentación por tercer carril. En el caso del tercer carril, al tener la vía de alimentación y retorno en el suelo, es más fácil que una persona tenga un accidente cortocircuitando estos dos. Para que no se dé este caso, la alimentación de la catenaria rígida se encuentra elevada en vez de en el suelo (Figura 28). Además de ser más segura que el sistema de tercer carril, la catenaria rígida permite que el tren circule tanto por catenarias flexibles como rígidas, lo cuál no sería posible con el tercer carril. El carril que se emplea en la actualidad se trata de un perfil de aluminio extruido y se le encastra un conductor de cobre en la parte inferior que hace de función de hilo de contacto. Solamente este conductor de cobre hace contacto con el pantógrafo. Las principales ventajas de este tipo de sistemas son los siguientes: •. •. •. •. Mayor capacidad de transmisión de la corriente: Gracias a la gran sección transversal que posee esta configuración, se reducen las caídas de tensión y se pueden transportar corrientes más elevadas. Menor probabilidad de rotura: Gracias a que la catenaria no toca el perfil de aluminio, ya que solo puede tocar el hilo de contacto, hay menos probabilidad de que el perfil sufra una rotura, lo cual lo hace más seguro. Fácil operación y mantenimiento: Debido a que el único elemento de desgaste se trata del cable de cobre encastrado, su mantenimiento es más económico debido a la facilidad de la sustitución del conductor. Menor coste de construcción: Para los casos de túneles o zonas de gálibo reducido, la instalación de catenarias rígidas supone un coste menor que los de catenaria flexible.. 8.4.5 Tercer carril El sistema de tercer carril alimenta al tren mediante un conductor apoyado en las traviesas de las vías. Para que el tren reciba la potencia eléctrica, dispone de unos frotadores en la parte baja del tren que hacen contacto con el conductor (Figura 29).. 35.