Resumen
Este curso explica de forma sistemática los fundamentos de la catenaria de los ferrocarriles electrificados y se articula en torno a 112 diapositivas didácticas que cubren cuatro módulos: la estructura básica, los equipos que la componen, los tipos de suspensión y los modos de alimentación. Parte del circuito de alimentación completo del sistema de tracción eléctrica y descompone uno por uno los cuatro componentes principales —suspensión de contacto, dispositivos de soporte, dispositivos de posicionamiento, y postes y cimentaciones—; a continuación detalla el principio de funcionamiento y los parámetros técnicos de los componentes esenciales, como el aislador de sección neutra, el aislador de sección, el hilo portante, el cable de contacto, las péndolas, las conexiones eléctricas, las articulaciones de sección de tensión, el anclaje central, los dispositivos de compensación y el cruce de catenaria. Por último, compara de forma sistemática la suspensión simple con la catenaria encadenada, las diferencias entre la catenaria encadenada no compensada, semicompensada y totalmente compensada, y los escenarios de aplicación de los cuatro modos de alimentación: alimentación directa, alimentación directa con línea de retorno, alimentación AT y alimentación BT. Está dirigido a la formación inicial de los trabajadores de catenaria, al estudio profesional de los alumnos de especialidades eléctricas ferroviarias y a la consulta de ingenieros y técnicos.
Palabras clave: fundamentos de la catenaria; suspensión de contacto; catenaria encadenada; dispositivo de compensación; modos de alimentación; alimentación AT; aislador de sección neutra; aislador de sección; articulación de sección de tensión; anclaje central
—— El contenido siguiente consta de 112 diapositivas didácticas que explican de forma sistemática los fundamentos de la catenaria ——
Portada
Índice del curso
Este curso se divide en cuatro partes:
- Primera sección: estructura básica de la catenaria
- Segunda sección: composición de la catenaria
- Tercera sección: tipos de suspensión de la catenaria
- Cuarta sección: modos de alimentación de la catenaria
I. Estructura básica de la catenaria
Productos relacionados:Dispositivos de soporte · Dispositivo de posicionamiento · Dispositivo de soporte y posicionamiento
La catenaria es una línea de transporte de energía de forma especial, tendida sobre la vía férrea, que alimenta a las locomotoras eléctricas. Consta de suspensión de contacto, dispositivos de soporte, dispositivos de posicionamiento, y postes y cimentaciones, además de suspensiones auxiliares y retorno de corriente por tierra. En esta sección se comienza por la estructura global del sistema de tracción eléctrica y se presentan después los cuatro componentes básicos de la propia catenaria.
1.1 Composición del sistema de tracción eléctrica
La corriente generada en la central eléctrica se eleva de tensión mediante transformadores elevadores y se transporta por líneas de alta tensión (110 kV) hasta las subestaciones de tracción situadas a lo largo del ferrocarril. En la subestación de tracción la corriente se convierte en la corriente o la tensión requeridas (27,5 kV) y, a través de los alimentadores, se traslada a la catenaria de los cantones y estaciones próximos para su uso por las locomotoras eléctricas. La corriente utilizada por la locomotora regresa a la subestación por los carriles, la línea de retorno y la red de puesta a tierra, cerrando así el circuito de alimentación completo.
1.2 Composición básica de la catenaria
La catenaria es una línea de transporte de energía de forma especial, tendida sobre la vía férrea, que alimenta a las locomotoras eléctricas. Consta de suspensión de contacto, dispositivos de soporte, dispositivos de posicionamiento, y postes y cimentaciones. Además cuenta con suspensiones auxiliares y retorno de corriente por tierra.
1.3 Dispositivo de posicionamiento
El dispositivo de posicionamiento comprende el tubo de posicionamiento, el brazo de posicionamiento, el soporte de posicionamiento, el gancho de posicionamiento y la grapa de posicionamiento, entre otros elementos. Su función es fijar la posición del cable de contacto, transmitir la carga horizontal de este y garantizar que el cable permanezca dentro de la trayectoria de la placa del pantógrafo. Por lo general se monta sobre el brazo de soporte del poste y queda aislado de este mediante aisladores.
1.4 Dispositivos de soporte
Los dispositivos de soporte sirven para sustentar la suspensión de contacto y transmitir las cargas; incluyen el brazo de soporte, la base, los aisladores y las piezas de unión. Según su estructura de montaje se dividen en soporte de un brazo, de dos brazos y de tres brazos, y se emplean en distintas situaciones de la línea.
II. Composición de la catenaria
Productos relacionados:Aislador de sección neutra · Aislador de sección · Aisladores · Suspensión de contacto · Dispositivo de compensación · Conexión eléctrica · Anclaje central · Cruce de catenaria · Elementos de unión y fijación · Postes y cimentaciones
Esta sección es la parte central del curso: se explican en detalle el principio de funcionamiento, los parámetros técnicos y la aplicación en obra de cada componente de la catenaria. El contenido abarca los equipos (aislador de sección neutra, aislador de sección, aisladores), la suspensión de contacto (hilo portante, cable de contacto, péndolas, conexión eléctrica, cruce de catenaria, anclaje central, dispositivo de compensación, articulación de sección de tensión), los dispositivos de soporte y posicionamiento, y los postes y cimentaciones.
2.1 Equipos
2.1.1 Aislador de sección neutra
En los ferrocarriles electrificados la locomotora eléctrica se alimenta con corriente monofásica procedente de la catenaria. Para equilibrar las cargas de las fases A, B y C del sistema eléctrico, la catenaria suele alimentar la locomotora alternando las fases A y B, por lo que es necesario separar ambas fases; a esto se le denomina seccionamiento de fases. El aislador de sección neutra se emplea allí donde la subestación de tracción alimenta la catenaria con fuentes de distinta fase y es preciso dividir la alimentación por fases. Normalmente se instala entre brazos de alimentación de fases diferentes de la subestación: soporta la tensión de fases distintas presente en los equipos de la catenaria y, al mismo tiempo, cumple una función de unión mecánica. Al pasar por el seccionamiento, el pantógrafo no toma corriente y la locomotora avanza por inercia con la alimentación cortada.
El seccionamiento de fases de la catenaria adopta diversas formas: de siete vanos, de ocho vanos, de nueve vanos, etc. La más habitual es la de siete vanos con articulación, formada por un tramo neutro (vanos 2 a 8) y una zona sin tensión (vanos 3 a 7). El aislador de sección neutra XTK es uno de los tipos mecánicos más comunes.
2.1.2 Aislador de sección
El aislador de sección se utiliza para dividir la catenaria de una misma fase y separarla eléctricamente en tramos independientes, lo que facilita el mantenimiento y limita el alcance de los incidentes. Por el material se distinguen aisladores de sección de resina epoxi, de cerámica de alta alúmina, de fibra de vidrio compuesta y de barra aislante de caucho de silicona; por sus características estructurales, aisladores de sección romboidales convencionales y aisladores de sección de extinción de arco para líneas de alta velocidad.
2.1.3 Aisladores
Los aisladores sirven para suspender los elementos conductores y mantener el aislamiento eléctrico respecto a las partes puestas a tierra. Los aisladores empleados en la catenaria se clasifican por su estructura en aisladores de suspensión y aisladores de barra; por su material, en aisladores de porcelana, de caucho de silicona y de vidrio templado.
2.2 Suspensión de contacto
La suspensión de contacto es la parte esencial de la catenaria: está en contacto directo con el pantógrafo de la locomotora eléctrica y le suministra corriente de forma continua. Se compone de múltiples elementos: cable de contacto, hilo portante, péndolas, conexión eléctrica, cruce de catenaria, anclaje central, dispositivo de compensación y articulación de sección de tensión.
2.2.1 Hilo portante
La función del hilo portante es suspender el cable de contacto mediante las péndolas y conducir parte de la corriente. Según su material se distinguen hilos portantes de cobre, de acero y de acero recubierto de aluminio.
2.2.2 Cable de contacto
El cable de contacto es el conductor que roza directamente con el pantógrafo; su altura, su tensión y su pendiente están sujetas a requisitos estrictos. Tanto la pendiente del cable entre dos puntos de posicionamiento como la pendiente entre dos puntos de péndola tienen valores normalizados.
2.2.3 Péndolas
La péndola es el elemento intermedio que une el hilo portante y el cable de contacto y se encarga de mantener suspendido el cable de contacto del hilo portante. Existen varios tipos: péndola de eslabones, péndola elástica y péndola de polea.
2.2.4 Conexión eléctrica
La conexión eléctrica garantiza la continuidad de la corriente entre los conductores de la suspensión de contacto; comprende conexiones eléctricas transversales y longitudinales y es un componente clave para la conducción de corriente en la catenaria.
2.2.5 Articulación de sección de tensión
Para satisfacer los requisitos de seccionamiento eléctrico y mecánico, la catenaria se divide en tramos de longitud determinada e independientes entre sí; cada tramo se denomina sección de tensión. La unión entre dos secciones de tensión contiguas se denomina articulación de sección de tensión. Sus funciones son: (1) limitar el alcance de los incidentes; (2) mejorar el estado de solicitación de los conductores; (3) incorporar dispositivos de compensación; (4) facilitar el seccionamiento mecánico y eléctrico.
2.2.6 Anclaje central
En las secciones de tensión provistas de compensadores en ambos extremos es obligatorio instalar un anclaje central. El criterio de disposición consiste en procurar que las tensiones en ambos extremos del anclaje central sean iguales. En los tramos rectos el anclaje central se sitúa en el centro de la sección de tensión; en los tramos curvos, en el centro de toda la sección de tensión con radio de curva uniforme. Según su estructura se distinguen el anclaje central antivibración y antirrotura de plena vía y el anclaje central antidesplazamiento de estaciones.
2.2.7 Dispositivo de compensación
El dispositivo de compensación regula automáticamente la tensión de los conductores para mantener la tensión del cable de contacto o del hilo portante dentro del rango prescrito. Se clasifican en: de poleas, de trinquete, de resorte, hidráulicos y de tambor.
2.2.8 Cruce de catenaria
En las estaciones de los tramos electrificados, allí donde se cruzan dos vías, se instala un dispositivo que une y fija ambas catenarias en el punto de cruce mediante un tubo limitador, con el fin de que el pantógrafo pase sin dificultad de una vía a la otra; este dispositivo se denomina cruce de catenaria. La proyección sobre el plano de la vía del punto de cruce de los dos cables de contacto debe situarse en la posición transversal intermedia entre los dos contracarriles de la curva de desvío del aparato de vía, a 630~1085 mm (V≤160 km/h).
2.3 Dispositivos de soporte y posicionamiento
Los dispositivos de soporte y posicionamiento son las estructuras mecánicas de la catenaria encargadas del soporte y del posicionamiento; incluyen el brazo de soporte, el tubo de posicionamiento, el brazo de posicionamiento y los aisladores, entre otros. Según su estructura de montaje se dividen en soporte de un brazo, de dos brazos y de tres brazos.
2.4 Postes y cimentaciones
Por el material empleado, los postes se dividen en postes de hormigón y postes de acero. Los de hormigón presentan las ventajas de bajo coste, resistencia a la corrosión y larga vida útil; los de acero, alta resistencia y facilidad de transporte. Por su función en la catenaria se distinguen: poste intermedio, poste de transición, poste central, poste de anclaje, poste de aparato de vía, poste de viga transversal flexible, poste de viga transversal rígida y poste de puente, entre otros.
III. Tipos de suspensión de la catenaria
Productos relacionados:Suspensión de contacto · Dispositivo de compensación · Dispositivo de posicionamiento
La clasificación de la catenaria se establece en la mayoría de los casos según el tipo de suspensión de contacto. Por la estructura de la suspensión se distinguen dos grandes grupos: la suspensión simple (sin hilo portante) y la catenaria encadenada (formada por hilo portante, péndolas y cable de contacto). La catenaria encadenada se subdivide además de varias maneras:
- Según la compensación del cable de contacto y del hilo portante: no compensada, semicompensada y totalmente compensada
- Según la posición relativa del cable de contacto y del hilo portante: encadenada recta, semidiagonal y diagonal
- Según el número de hilos portantes: simple (1), doble (2) y múltiple (3 o más)
- Según se instale o no péndola elástica en el punto de posicionamiento: encadenada simple y encadenada elástica
3.1 Catenaria encadenada simple
La catenaria encadenada simple es una forma simplificada de la catenaria encadenada. Está compuesta principalmente por hilo portante, péndolas y cable de contacto, sin péndola elástica; su estructura es sencilla y su coste bajo, y se emplea sobre todo en estaciones y en tramos de velocidad reducida.
3.2 Catenaria encadenada elástica
La catenaria encadenada elástica añade a la encadenada simple una péndola elástica (tipo Y o tipo Π) en el punto de posicionamiento, lo que mejora la elasticidad del cable de contacto en ese punto y hace más uniforme la presión de contacto entre el pantógrafo y el cable, favoreciendo la toma de corriente cuando la locomotora eléctrica circula a alta velocidad.
3.3 Catenaria encadenada semidiagonal
En la catenaria encadenada semidiagonal el hilo portante se dispone a lo largo del eje de la vía y el cable de contacto se coloca en zigzag en cada punto de posicionamiento mediante el dispositivo correspondiente. Este tipo presenta buena estabilidad frente al viento; antes de las renovaciones para aumentar la velocidad, en China se empleó ampliamente en los tramos rectos.
3.4 Catenaria encadenada diagonal
En la catenaria encadenada diagonal tanto el cable de contacto como el hilo portante se disponen en zigzag en sentidos opuestos. La estabilidad frente al viento es buena, pero la estructura es compleja y hoy apenas se utiliza en China.
3.5 Catenarias encadenadas según el tipo de compensación
Según la compensación, la catenaria encadenada se clasifica en:
- Catenaria encadenada no compensada: ni el hilo portante ni el cable de contacto disponen de dispositivo de compensación en sus extremos, ambos van anclados de forma rígida. La estructura es sencilla, la altura exigida a los postes es menor, la inversión inicial es baja y la ejecución y el mantenimiento resultan cómodos; sin embargo, la tensión y la flecha de los conductores varían mucho con la temperatura, lo que perjudica la toma de corriente a alta velocidad.
- Catenaria encadenada semicompensada: el cable de contacto lleva dispositivos de compensación de tensión en ambos extremos y el hilo portante va anclado de forma rígida.
- Catenaria encadenada totalmente compensada: tanto el cable de contacto como el hilo portante llevan dispositivos de compensación en ambos extremos, lo que permite regular automáticamente la tensión de los conductores. El comportamiento en servicio es bueno, pero la estructura es compleja y el coste elevado.
IV. Modos de alimentación de la catenaria
Productos relacionados:Aislador de sección neutra · Aislador de sección · Seccionador · Suspensión de contacto
La catenaria es una línea de transporte de energía de forma especial que alimenta a las locomotoras eléctricas. Algunos parámetros: tensión del alimentador 27,5 kV, tensión nominal de servicio 25 kV, tensión de servicio máxima 29 kV y tensión de servicio mínima 19 kV. La catenaria admite cuatro modos de alimentación: unilateral, bilateral, de socorro entre secciones y en paralelo.
4.1 Alimentación directa (TR)
En el modo de alimentación directa no se instala ningún equipo de protección contra interferencias entre la subestación de tracción y la catenaria. El circuito de alimentación es sencillo y de bajo coste, pero la interferencia sobre las líneas de comunicación es considerable.
4.2 Alimentación directa con línea de retorno (TRNF)
El modo de alimentación directa con línea de retorno añade una línea de retorno (conductor N) paralela a la catenaria, con lo que se reduce la interferencia sobre las líneas de comunicación.
4.3 Alimentación AT (mediante autotransformador)
En el modo de alimentación con autotransformador, el transformador de tracción reduce la tensión trifásica de 110 kV a 55 kV monofásicos; entre la catenaria y el alimentador positivo se conecta en paralelo un autotransformador cuyo punto medio se une al carril. Este modo ofrece brazos de alimentación largos, alta calidad de suministro y escasa interferencia sobre las comunicaciones, y es el modo predominante en los ferrocarriles electrificados de alta velocidad.
4.4 Alimentación BT (mediante transformador de absorción)
Cuando la corriente de tracción circula por el primario del transformador de absorción, se fuerza a que la mayor parte de la corriente que circula por la vía pase por el hilo de succión hasta la línea de retorno y regrese a la subestación de tracción. Como la corriente de la línea de retorno compensa la mayor parte del efecto de inducción electromagnética generado por la corriente de la catenaria, la influencia sobre las líneas de comunicación se reduce notablemente.
4.5 Tipos de alimentación: unilateral, bilateral, de socorro y en paralelo
La catenaria admite cuatro modos de alimentación:
- Alimentación unilateral: cada subzona de alimentación recibe energía de un solo extremo de la subestación de tracción. Los brazos de alimentación contiguos son eléctricamente independientes, la explotación es flexible y el alcance de los fallos reducido, y las protecciones del alimentador son relativamente sencillas; es el modo principal empleado en China.
- Alimentación bilateral: ambos extremos de la subzona de alimentación están conectados a subestaciones de tracción, lo que aporta una alta fiabilidad de suministro.
- Alimentación de socorro: cuando una subestación de tracción falla, la subestación contigua alimenta la zona afectada.
- Alimentación en paralelo: en las estaciones de enlace o en las estaciones, varios brazos de alimentación funcionan en paralelo.
4.6 Influencia del sistema de alimentación de tracción sobre las líneas próximas
El sistema de alimentación de tracción puede influir en las líneas próximas de las siguientes formas:
- Tensión de inducción electrostática: las líneas aéreas de comunicación situadas en el campo eléctrico adquieren un potencial por inducción electrostática
- Influencia por inducción electromagnética: en el ensayo de Guanyinba, con la catenaria y la línea aérea separadas 100 m y una longitud paralela de 18,3 m, una corriente de cortocircuito en la catenaria Ik=1140 A, se midió una fuerza electromotriz longitudinal de 787~824 V
- Interferencia por ruido: los armónicos generan tensiones inducidas en las comunicaciones y producen ruido en las mismas
4.7 Protección de los alimentadores de catenaria
Los modos de protección de los alimentadores de catenaria incluyen la protección de impedancia, la protección de sobreintensidad instantánea y la protección de sobreintensidad, entre otros.
2.5 Equipos (aislador de sección neutra y aislador de sección): ejemplos complementarios
A continuación se muestran más imágenes de campo del aislador de sección neutra y del aislador de sección:
2.6 Complemento sobre la suspensión de contacto
A continuación se muestran más esquemas de la suspensión de contacto:
Conclusión
Con el estudio sistemático de este curso hemos conocido los cuatro módulos esenciales: la estructura básica de la catenaria, los equipos que la componen, los tipos de suspensión y los modos de alimentación. La catenaria, como instalación esencial de suministro de los ferrocarriles electrificados, exige que su diseño, su ejecución y su mantenimiento sigan estrictamente las normas técnicas, a fin de garantizar la circulación segura y fiable de las locomotoras eléctricas.
Este curso está dirigido a:
- Formación inicial de trabajadores de catenaria
- Estudio de conocimientos profesionales de los alumnos de especialidades eléctricas ferroviarias
- Material de consulta para ingenieros y técnicos
- Material didáctico complementario para centros de formación ferroviaria
Total de 112 diapositivas didácticas · Explicación sistemática de los fundamentos de la catenaria
Uso y notas
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- Este curso reúne 112 diapositivas didácticas, ordenadas en cuatro módulos: «estructura básica — equipos componentes — tipos de suspensión — modos de alimentación».
- Bajo cada diapositiva se indican el número de página original y el capítulo al que pertenece; al hacer clic en la imagen se abre la imagen original en una pestaña nueva, lo que facilita la comparación en obra y la consulta de detalles.
- Los parámetros clave que aparecen en las figuras (tensiones, pendientes, niveles de tensión, etc.) se ajustan a las normas técnicas sectoriales más recientes; en caso de discrepancia con la reglamentación vigente, prevalece esta última.
- Se recomienda estudiar el material junto con los documentos de proceso de mantenimiento y los modelos de equipo vigentes en cada empresa; puede utilizarse como material de formación inicial de trabajadores de catenaria y de incorporación de nuevo personal.
