Electrificación

Antes de seguir hablando de sistemas de tracción siguiendo por la tracción eléctrica, tenemos que echar un vistazo a la infraestructura que nos permite usar la electricidad en los trenes. En esta entrada vamos a tratar sobre la electrificación. Es algo muy complejo, pero intentaré resumirlo todo lo que pueda y hacerlo entendible, porque algunos conceptos son muy "eléctricos".

Puede parecer que publico esta entrada porque la actualidad manda (hace unos días un chaval quedó gravemente herido en Madrid por tocar la catenaria), pero lo cierto es que esta entrada la tenía preparada desde hace un par de semanas.

Antes de nada, un poquito de historia. Lo que voy a contar está basado en la vía ancha, que es sobre la que más información podéis encontrar aquí.

La primera electrificación en España (en vía ancha, insisto) se hizo para un tramo de la línea Linares-Almería, concretamente entre Gérgal y Santa Fe en el año 1911 (o sea, hace 102 años) de la Compañía de los Caminos de Hierro del Sur de España, debido a que era el tramo con mayor pendiente de toda la red ferroviaria de España en aquel momento, y que por él transitaban todos los trenes cargados de minerales de las minas de la zona para embarcarlos en Almería. El consumo de carbón de las locomtoras era desorbitado, y las velocidades que alcanzaban eran irrisorias (del orden de unos vertiginosos ¡12 km/h!). Por ello se decidió implantar este sistema de tracción que ya operaba con éxito en otros países.

Se trataba de una línea eléctrica trifásica (tres fases, o tres cables) a 6.000 Voltios y 25 Hertzios. De los tres cables, dos iban en tendido aéreo por encima de las vías, y el tercero lo constituían los propios carriles. Para ello se construyeron 7 locomotoras eléctricas, que podían desarrollar, cada una, una potencia máxima de 440 CV (aunque la normal era de 160 CV) y como curiosidad, debido al sistema de control de los motores, sólo podían circular a 12,5 o a 25 km/h. Normalmente circularon siempre en doble tracción (dos locomotoras juntas) quedando la que hace el número impar de reserva. Con este novedoso sistema, los trenes que bajaban de las minas hacia Almería generaban electricidad gracias a que sus motores se convertían en generadores, y esa misma energía la aprovechaban los trenes vacíos que subían desde Almería a las minas. Pero como la energía no es gratis ni aparece de la nada, hubo que construir una central eléctrica en Santa Fe, que era un motor de vapor que movía un generador eléctrico.

Nave de motores de Pacífico del Metro de Madrid. Foto mía en abril de 2008.

En esta foto vemos unos enormes motores diesel que el Metro de Madrid instaló en una nave cerca de la estación de Pacífico que se usaban para generar electricidad para los trenes cuando el suministro normal fallaba, lo cual era muy habitual. Son motores marinos, y según cuentan los ancianos del barrio, cada vez que los arrancaban, vibraba el suelo de las calles colindantes. Hoy día están fuera de servicio y forman parte del Centro de Interpretación Andén 0 del Metro de Madrid.

En la siguiente dirección (http://www.patrimonioandaluz.com/al_27/al_27_electrificacionsantafe.htm) tenéis algo más de información y fotos de esta primera electrificación (en vía ancha) de España. Y como curiosidad, en el Museo del Ferrocarril de Madrid podéis ver un ejemplar de estas locomotoras, que fue restaurada con motivo del Centenario de la electrificación de la línea. Pero vamos, que si no queréis daros el paseo hasta el Museo, aquí va una fotito.

Locomotora Nº 3 del Gérgal-Santa Fe. Observad los dos captadores en el pantógrafo para las dos líneas aéreas. Foto mía en el Museo del Ferrocarril de Madrid - Fundación de los Ferrocarriles Españoles en enero de 2013. La foto es repetida de la entrada Sistemas de tracción de este blog.

Posteriormente a esta electrificación vinieron otras (siempre en líneas con perfiles duros), aunque se eligieron otros sistemas. Por ejemplo, la rampa de Pajares (Asturias) en 1925 y en Ripoll (Gerona) en 1928 se electrificó a 3.000 Voltios de tensión continua, mientras que en Alsasua (Navarra) en 1929 se electrificó a 1.500 Voltios también en continua. Estos sistemas tienen la ventaja de que sólo necesitan un cable y el retorno de la corriente eléctrica se hace a través de los carriles. También tienen la ventaja de que, con los medios de que se disponían entonces, la tensión continua permitía un control de la velocidad de los motores más sencillo. En la zona Norte de España, en las líneas que pertenecieron a la Compañía de Caminos del Hierro del Norte (más conocida como Norte), se electrificó casi todo a 1.500 Voltios (excepto Pajares), y en el resto se electrificó a 3.000 Voltios. A lo largo de los años, desde 1945 hasta 1984 se van cambiando todas las líneas de 1.500 a 3.000.

Poco a poco, las líneas electrificadas en España van aumentando hasta constituir casi el 50 % de la red en 1992, cuando se inauguró el AVE Madrid-Sevilla. A partir de ahí no se ha electrificado ninguna línea más, pero sí se han construido muchos kilómetros de vías (sobre todo de alta velocidad) que ya estaban electrificadas de origen. Por ejemplo, y según datos de la Declaración sobre la Red de ADIF y la antigua página web de Feve, la Red Ferroviaria de Interés General tiene casi 15.000 km de los cuales están electrificados, con diferentes sistemas, más de 8.000. Hoy día existen (en la red de ADIF, que desde el 1 de enero de 2013 incluye a Feve) líneas de 3.000 Voltios en continua (la red convencional), líneas de 25.000 Voltios en alterna a 50 Hertzios (la red de alta velocidad) y líneas de 1.500 Voltios en continua que es la  red de ancho métrico.

Bueno, vamos al lío. Realmente, ¿qué es la electrificación?

Como habréis podido adivinar, por lo que hemos hablado aquí atrás, se trata de mover trenes gracias a la electricidad. Para ello, lo primero es tener trenes eléctricos, evidentemente. Y lo segundo es llevar la electricidad a las vías, para que los trenes puedan captarla.

La primera electrificación del mundo, la realizó Werner von Siemens en Alemania. El problema de la transmisión de la energía al tren se solucionó montando un carril electrificado en el medio de la vía. La máquina captaba esa corriente con un patín instalado por debajo y así podía andar. Pero el problema del tercer carril en el centro de la vía estaba en qué hacer con el carril cuando llegaba un desvío. Así que la solución fue sacar el tercer carril de ahí y situarlo por fuera de la vía. Y aquí hubo dos soluciones: una "por arriba" y otra "por abajo".

La solución "por abajo". El tercer carril.

La solución de alimentar a los trenes por debajo consiste en instalar un carril electrificado en el suelo al lado de la vía. Los trenes van equipados con un patín o un frotador en el lateral a través del cual captan la electricidad para moverse. No son pocos los ferrocarriles que han optado por esta solución, como por ejemplo los metros de Berlín, Munich, no pocas líneas en Gran Bretaña, el metro de Nueva York... Curiosamente, ninguno en España. El grandísimo inconveniente de este sistema es que el carril electrificado está muy "a mano", y cualquier persona, animal o cosa que llegue a tocar el carril y el suelo a la vez, se queda instantáneamente pegado. No obstante, con las debidas medidas de seguridad, es un sistema perfectamente válido y seguro.

Unidad del metro de Mnich (U-Bahn). Foto mía en el Deutsches Museum de Munich en septiembre de 2010.

En la foto vemos una unidad del metro de Munich que se encuentra en el Deutsches Museum von Meisterwerken der Naturwissenschaften und Technik, el Museo Alemán de las Obras Maestras de la Ciencia y la Técnica en Munich (mucho más conocido como el Deutsches Museum a secas). Abajo a la derecha vemos un carril gris con un cartel blanco. Ese es el tercer carril. Y lo rojo que tiene justo delante es el captador de corriente.

La solución "por arriba". La Línea Aérea de Contacto

Es la solución más comunmente adoptada para electrificar ferrocarriles. Se trata de instalar por encima de la vía, a una altura determinada, uno o varios cables electrificados de los cuales los trenes tomarán la energía para poder moverse. Es la llamada "catenaria" o Línea Aérea de Contacto.

Su nombre proviene del latín catenarius que significa "propio de la cadena" y es el nombre que recibe la curva que describe una cadena (o una cuerda) cuando se la suspende de sus dos extremos. Si queréis ver exactamente lo que es, coged un cordón cualquiera, y lo sujetáis por las dos puntas sin tensarlo. Eso es una curva catenaria. A la catenaria ferroviaria se le llama así porque las primeras consistían en sólo un cable colgado de varios postes y debido a que la curva que formaban en cada vano era una curva catenaria. Se utilizó muy habitualmente en redes tranviarias o ferrocarriles económicos.

Antes de seguir, un pequeño paréntesis para explicar los diferentes sistemas de captación a través de la catenaria.

Tenemos, principalmente, dos sistemas. 

El primero, y sólamente utilizado por tranvías y trolebuses es el "trole". El trole no es más que un palo que tiene en el extremo una rueda metálica que rueda (valga la redundancia) por debajo del cable, tomando la corriente directamente de ahí. 

El Tramvía Blau de Barcelona en el Tibidabo. Obsérvese el trole, y aunque se vea muy pequeñita, la rueda por debajo del cable. Foto mía en febrero de 2012.

El segundo, mucho más complejo es el "pantógrafo". Un pantógrafo es un aparato compuesto por varios brazos con articulaciones y que en su parte superior tiene un frotador o una mesilla con unas pletinas metálicas o de grafito (sólo en alta velocidad) que se "frota" por debajo de la catenaria para hacer contacto.

Pantógrafo de un tren ICE de la DB alemana en el Museo del Ferrocarril de la DB de Nuremberg. Foto mía en septiembre de 2010.

Pantógrafo de tren AVE Serie 102 de Talgo. Obsérvense las pletinas de grafito de la mesilla. Foto mía en Las Matas (Madrid) en abril de 2004.

La catenaria tranviaria presenta el problema de que la curva que describe el cable es tanto más pronunciada cuanto más separados estén los postes de los que cuelga, y eso provoca que no se puedan conseguir grandes velocidades, ya que se produciría el despegue del pantógrafo o la salida del trole.

Por eso, se desarrolla la catenaria compuesta. Ésta está formada por una serie de cables (ya no es uno solo) que tienen diferentes funciones. La siguiente foto la he elegido porque se ven muy bien los diferentes cables de la catenaria, aunque el tren que sale no es eléctrico.

Talgo a su paso por Guimorcondo (Ávila). Foto mía en julio de 2004.

El cable que va más arriba, el que va haciendo las curvas, es el sustentador. Es el que soporta todo el peso del resto del conjunto. El cable recto que está por debajo es el hilo de contacto. Es contra el que roza el pantógrafo y que debe mantenerse siempre a la misma altura sobre el carril dentro de unos márgenes. Para ello, cuelga del sustentador a través de todos esos cablecitos verticales que unen el sustentador y el hilo de contacto. Son las péndolas.

Además, en el caso de la foto se trata de un tendido de catenaria con hilos funiculares entre las columnas. Este sistema era muy usado hace años en las estaciones donde había que poner varias líneas de contacto en paralelo. Poco a poco se han ido sustituyendo por pórticos que hacen la misma función y soportan más peso.

Tren Talgo a su paso por la estación de Pinar de las Rozas. Foto mía en julio de 2004.

En esta otra imagen se ven perfectamente los pórticos de los que hablaba antes.

Pero la catenaria tiene más cosas.

Tren Talgo a su paso por Las Matas. Foto mía en junio de 2004.

Aquí se ven los diferentes elementos de la catenaria. Ya reconocemos el sustentador, el hilo de contacto y las péndolas (casi no se ven, pero se adivinan). Las columnas o postes, aunque no he dicho qué son, creo que las veréis. Y luego, esos brazos que están sujetos a las columnas que es de donde cuelgan el sustentador y el hilo de contacto, son las ménsulas. Si os fijáis, de izquierda a derecha, la primera sujeta la catenaria por la derecha de la vía, la segunda lo hace por la izquierda y la tercera de nuevo por la derecha. Si viéramos la cuarta, veríamos que la sujeta por la izquierda otra vez, y así, sucesivamente.

La catenaria va siempre siguiendo a la vía, pero con un pequeño matiz. Si la vía es recta, la catenaria no lo es. La catenaria va haciendo un zig-zag de derecha a izquierda. Esto es para que el hilo de contacto no esté siempre tocando la misma zona de la mesilla del pantógrafo, ya que así se desgastaría por el rozamiento sólo esa zona, mientras que el resto estaría intacta. Al ir en zig-zag, la catenaria va desplazándose de un lado al otro de la mesilla. En este vídeo podéis verlo perfectamente (http://www.youtube.com/watch?v=3UzO7dAQzus). En las curvas, la catenaria traza la curva mediante una serie de tramos rectos (de columna a columna) y así es como conseguimos el mismo efecto.

Por cierto, por los chispazos que se ven en el vídeo cuando el tren pasa por los túneles, no os preocupéis, porque en alta velocidad es de lo más normal. La razón es que los trenes de alta velocidad tienen el pantógrafo a una altura fija, y los movimientos de la catenaria originan esos microdespegues que, a las tensiones a las que trabaja la catenaria (los 25.000 V), provocan esos arcos tan espectaculares.

Pero la catenaria, tal cual la he contado hasta ahora, tiene un problema importante. Al colgar el hilo de contacto del sustentador, hemos conseguido que el primero esté bastante paralelo a la vía y no haya grandes diferencias del altura, pero no hemos conseguido que esté perfectamente recto. Cuando hace calor, el cable se dilata (como todos los materiales) y entonces la longitud del cable aumenta. Y si la longitud de cable aumenta, la gravedad tira de él hacia abajo (bueno, eso siempre lo hace) y va a provocar que ese cable recto que teníamos describa una curva (una catenaria). Y cuando llegue el frío y el material se contraiga, se tensará el cable. Y si hace mucho frío y se contrae mucho, al final se romperá. Este sistema es el que llamamos "catenaria no compensada", y esto es porque no tenemos ningún sistema que compense las diferencias de temperatura. ¿Y qué problemas puede traer ésto? Los temidos enganchones. Un enganchón de catenaria es cuando el pantógrafo se enreda con la catenaria. Suele ocurrir cuando el hilo de contacto no está suficientemente tenso, o cuando se descuelga una péndola, o cuando el hilo se rompe y un trozo se queda colgando y el pantógrafo lo golpea. Con la catenaria no compensada no se puede circular a más de 120 km/h, aparte de lo que hemos dicho, porque, al pasar el tren, el pantógrafo hace fuerza contra la catenaria y se genera una onda que se transmite por los cables y hace que todo el conjunto se mueva. En este vídeo, podéis ver esa onda de la que hablo (http://www.youtube.com/watch?v=eSTZug3TiII).

Como con cada uno de los problemas que nos han ido surgiendo, llamamos a nuestros ingenieros y les decimos que es intolerable que ocurran estas cosas cuando nosotros queremos poder correr más con nuestros trenes. Así que les ponemos a trabajar en una catenaria que sea capaz de absorber esas diferencias de longitud provocadas por los cambios de temperatura. Y estos señores nos inventan la "catenaria compensada".

La catenaria compensada es, básicamente, lo mismo que la no compensada. Seguimos teniendo columnas, ménsulas, sustentador, hilo de contacto, péndolas, porticos, funiculares, aisladores... La única diferencia es que, en lugar de un solo tendido de principio a fin, vamos a dividir la catenaria en secciones más pequeñas y a ponerlas una tras otra. En cada una de las secciones montamos un conjunto de compensación.

El conjunto de compensación son una serie de elementos que hacen que, cuando la catenaria dilate por el calor, se mantenga la tensión mecánica en los cables, y que cuando la catenaria encoja, se mantenga la tensión mecánica en los cables. Es decir, que sea capaz de absorber las diferencias de longitud que aparecen en los cables con la temperatura. Para ello, nuestros ingenieros pensaron que sería buena idea (y de hecho lo es), colgar unos pesos enormes en ambos lados de la sección de catenaria, pasar el cable del que cuelgan esos pesos por una polea (por eso de cambiar la dirección del cable), y unir el extremo de ese cable a la catenaria. Así, los pesos estarán siempre tirando de la catenaria para que se mantenga la tensión. Si hace calor y los cables dilatan y se alargan, los pesos bajan. Si hace frío y los cables se contraen y se acortan, los pesos suben. Pero siempre tendremos la misma tensión mecánica en la sección de catenaria.

Tren auscultador ultrasónico de carril de ADIF pasando por la Bifurcación Fuencarral unos meses antes de instalar la vía de la LAV Madrid-Segovia-Valladolid. En las columnas que están a la altura del tren se pueden ver los contrapesos de compensación. Foto mía en abril de 2006.

Ese sistema se ha modificado y adaptado para mejorarlo y que ocupe menos espacio en zonas en las que no disponemos de todo el sitio del mundo, como en los túneles, pero al final, es lo mismo. No obstante, una de las modificaciones más importantes que se le han hecho a este sistema es cambiar los contrapesos y las poleas por unos muelles enormes que hacen la misma función.

Unidad de Cercanías serie 446 pasando por los talleres de Fuencarral. Igual que en la anterior, se pueden ver los conjuntos de compensación en las columnas. Foto mía en junio de 2006.

Aquí, os muestro un vídeo editado por Renfe en el año 1987 con una serie de pruebas que hicieron sobre la catenaria para circular a 200 km/h (http://www.youtube.com/watch?v=0IYxouSD8mo). Docuemnto excepcional, sin duda.

Una de las últimas novedades en catenaria es un invento del cual una de las patentes más importantes la tiene Metro de Madrid. Es la catenaria rígida. Se trata de una viga de aluminio (por eso de reducir el peso) colgada que lleva unido por debajo un hilo de contacto. Se suele utilizar en túneles porque reduce muchísimo el espacio necesario. La ventaja es que la altura del hilo de contacto no varía ni por frío ni por calor. La desventaja es que no permite velocidades muy elevadas.

Como no tengo fotos de la catenaria rígida, os muestro una pequeña curiosidad que me encontré de cómo se sujeta la catenaria en un túnel con el gálibo justito.

Sujeción de catenaria en la bóveda de un túnel de la línea Madrid-Irún en algún sitio entre Vitoria y San Sebastián. Foto mía en julio de 2005.

Subestaciones

Para alimentar a la catenaria (y por consiguiente a los trenes) debemos suministrar electricidad a esos cables. Inicialmente se hacía generando la electricidad cerca de las propias líneas ferroviarias, en centrales eléctricas propiedad del ferrocarril. Pero cuando se difundió más ampliamente la electricidad y se comenzó a desarrollar su uso en las ciudades y para la industria, se vio que era más efectivo que la energía de los trenes proviniera de la misma red eléctrica que el resto. Así que hubo que crear unas infraestructuras llamadas subestaciones para transformar esa electricidad a la forma en que el ferrocarril la necesitaba. Por ejemplo, en España se usa (mayoritariamente) tensión continua de 3.000 Voltios, pero la energía que circula por la red eléctrica es tensión alterna, con ciclo de 50 Hertzios. Y dependiendo de en qué punto de la red estemos, tendremos desde 350.000 hasta 220 Voltios.

Lo que vamos a hacer es coger una línea de media tensión (entre 50.000 y 15.000 Voltios), pasarla por unos transformadores que nos bajen esa tensión a en torno a 3.000 y luego la pasamos por unos rectificadores. Los rectificadores son, a grosso modo unos diodos (unos componentes electrónicos basados en semiconductores) que son capaces de convertir una corriente alterna en una corriente continua. No voy a entrar más en detalle en esto porque van a ser demasiadas alforjas para tan poco viaje. Pero bueno, el caso es que las subestaciones son las que nos convierten la energía eléctrica de la red a la que nosotros necesitamos para nuestro tren. Un símil interesante sería como decir que el cargador de vuestros teléfonos móviles es una subestación en miniatura. Convierte los 220 V en alterna en 5 V en continua para la batería del móvil.

Las subestaciones (como los cargadores de los móviles, o los transformadores que podemos tener por casa) tienen una capacidad limitada para alimentar trenes. Por eso se instalan subestaciones cada pocos kilómetros. Lógicamente, en zonas en las que hay muchos trenes se ponen más, y en zonas en las que hay menos trenes se ponen menos. Por ejemplo, alrededor de Madrid, en la línea de Madrid a Irún hay subestaciones en Chamartín, Pitis, El Tejar, Las Matas, Villalba y Las Zorreras (cada 6-10 km). Sin embargo, más adelante, entre Ávila y Medina del Campo hay subestaciones en Ávila, Velayos, Adanero, Ataquines y Medina del Campo (cada 20 km).


Sistemas de seguridad

Hay que tener en cuenta que estamos hablando de tensiones y corrientes muy altas. Una simple unidad de Cercanías puede consumir, en el momento del arranque, del orden de 300 ó 400 Amperios (o más incluso). Para que os hagáis una idea de la magnitud de esta medida, los diferenciales que tenéis en casa saltan con una derivación de sólo 30 mA (miliamperios), es decir, 10.000 veces menos. Y esos mismos 30 mA con los que salta el diferencial en casa, bien colocados en el cuerpo, pueden matar a una persona. Así que tenemos que tener unos sistemas de seguridad bastante importantes.

El principal sistema de seguridad que tenemos está en la subestación. En cuanto la subestación detecta que algo no está bien (desde una derivación de corriente a tierra, una sobretensión, una bajada de tensión, o incluso que no se puede comunicar con la subestación colateral, un exceso de demanda de corriente), abre sus disyuntores (los interruptores) e interrumpe el suministro. Luego comprueba hasta tres veces si sigue habiendo un problema, y si lo hay, se desconecta del todo hasta que el equipo de mantenimiento comprueba cuál era el error, el fallo o la avería y la repara.

Otro de los sistemas de seguridad está embarcado el en tren. Son los disyuntores extrarrápidos. Son como los de las subestaciones pero en pequeñito para que quepan dentro del tren. Y funcionan muy parecido. En cuanto detectan cualquier fallo, se abren y dejan el tren sin tensión. Pero éstos no se rearman solos, sino que tiene que ser el maquinista el que los rearme.

Además, de esto, tanto los trenes como las subestaciones, pasando por la catenaria, están dotados de pararrayos, por eso de que los rayos tienen una especial simpatía por caer en sitios puntiagudos (los postes de la catenaria) o en sitios donde hay electricidad (las subestaciones, los tendidos o los pantógrafos de los trenes). El funcionamiento de estos pararrayos es exactamente el mismo que el de los pararrayos normales de cualquier edificio. Además, los postes de catenaria están unidos entre sí mediante un "cable de guarda", que es un cable de acero que está físicamente conectado a todos los postes, de tal forma que si cae un rayo en un poste, la energía que se descarga se reparte por todos los postes cercanos minimizando los daños, aparte de igualar el potencial de todos los postes para intentar evitar que caigan los rayos justamente ahí.

Dicho esto, que sepáis que es más probable que caiga un rayo en cualquier árbol cerca de la vía antes que en la vía o en el tren.

Además, aunque no es un sistema de seguridad propiamente dicho, hay unas normas que tiene que seguir todo el personal acreditado para poder trabajar en la LAC (línea aérea de contacto) muy estrictas. Es importante saber que, a las tensiones tan altas a las que funcionan los trenes, os puede dar calambre incluso sin tocar la catenaria, ya que el arco voltaico puede saltar a distancia (para los técnicos, se rompe la rigidez dieléctrica del aire, éste se convierte en conductor, y la electricidad buscará el camino más corto a tierra, es decir, vuestro cuerpo). Por eso, la principal norma de seguridad es que no se puede trabajar con tensión en la catenaria. Además, el personal de mantenimiento tiene prohibido trabajar a menos de 80 cm de distancia de la catenaria. Y aparte de todo eso, para poder hacer un corte de tensión y trabajar con la debida seguridad, es absolutamente necesario establecer un protocolo para garantizar que no hay tensión en el cable y se puede trabajar. Entre otras cosas, ese protocolo dice que hay que enviar varios telefonemas para pedir el corte de tensión, que hay que comprobar que no hay tensión, que hay que "poner a tierra" la catenaria (poner un cable que una directamente la catenaria y los carriles) y que hay que señalizar que se ha cortado la tensión intencionadamente porque hay gente trabajando.

Para terminar, os voy a dejar un vídeo grabado en Alemania desde la cámara de un vehículo auscultador de catenaria. Ya me diréis qué os parece. http://www.youtube.com/watch?v=XgCPPeYmyKw

Y por hoy, creo que basta de hablar de voltios, pero antes, una bonita imagen de catenarias varias al atardecer en las proximidades de Zaragoza, en una calurosísima tarde de verano.

Estación de La Cartuja (Zaragoza) una tarde de julio de 2008. Foto mía.