EL 6011 TRACCION ELECTRICA LINEAS DE CONTACTO

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1 UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS ESCUELA DE INGENIERIA Y CIENCIAS DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA INTRODUCCION EL 6011 TRACCION ELECTRICA LINEAS DE CONTACTO Las líneas de contacto aéreas o subterráneas tienen por objeto el transporte de la energía eléctrica desde un punto de producción a los puntos de utilización de esa energía. Esto siempre es así, pero lo que distingue esencialmente a las líneas de tracción es que el punto de utilización, es decir el o los vehículos, se desplazan a lo largo de ellas, por lo cual debe existir un contacto móvil para alimentar a los vehículos. Ese contacto móvil está constituido por los dispositivos denominados tomas de corriente que tiene diversas formas. El sistema de contacto móvil depende de las características del transporte a realizar y determina los diferentes tipos de instalación de líneas de alimentación tracción. Hay dos características esenciales del transporte: La velocidad El peso de los vehículos A mayor peso y mayor velocidad, más potencia se necesita. En definitiva, el objeto de las líneas de tracción es transmitir al motor una potencia adecuada, por intermedio del sistema de tomas de corriente. La potencia y la velocidad determinan los dispositivos de captación de la corriente y los tipos de líneas, llamadas comúnmente líneas de contacto. 1

2 DISPOSITIVOS DE TOMAS DE CORRIENTE Contacto por rueda acanalada La corriente es captada por la rueda sobre el hilo de contacto, rueda en bronce que gira sobre un eje horizontal por intermedio de cojinetes lubricados en base a grafito, asegurando un funcionamiento sin grasa. Línea de contacto Corte Contacto por rueda acanalada Este dispositivo basado en rueda acanalada es en general móvil sobre el vehículo alrededor de un eje vertical para permitir captar la corriente en líneas que estén desalineadas con respecto al trayecto del vehículo. Toma corriente Línea de contacto PLANTA Vehículo 2

3 La superficie de contacto de la rueda con el hilo es muy pequeña. Conviene sólo para intensidades de corrientes pequeñas. Al pasar sobre algún aparato de desvío se producen arcos que dañan el hilo. Velocidades: 20 a 60 km/h. Potencias: 15 a 100 KW. Aplicaciones: Tranvías pequeños (longitud 6,5 m. Medidos sobre el vehículo), instalaciones mineras de transporte no masivo. Longitud pescante: 1,5 m. Inclinación; 45º. Existe un sistema de resortes potentes que aseguran una presión constante sobre el hilo de contacto aprox 10 kg. Existe un dispositivo de desenganche que suprime la acción de los resortes. Contacto sobre la línea por frotador Difiere del anterior por la sustitución de la rueda acanalada por un frotador constituido por un bloque de grafito o de acero. Se usa grafito para disminuir el desgaste del conductor. Hilo de contacto Perfil Frente Está montado en un porta frotador móvil alrededor de un eje horizontal. 3

4 Para evitar el desgaste de los conductores se recubre con una película de grafito. Se emplea en trolebuses. Contacto por Archet (Arco) Banda de frotamiento Para trenes de poca capacidad. Velocidades entre 45 a 80 km/h Contacto por pantógrafo El pantógrafo está formado por paralelogramos articulados. Existe un sistema de resortes que empuja al pantógrafo contra la línea de contacto con una fuerza del orden de 10 kg. Un dispositivo mecánico o de aire comprimido permite hacerlo pasar desde la posición baja sin ningún contacto con el hilo a la posición en servicio. Se emplea en ferrocarriles. Velocidades mayores a 100 km/h. 4

5 Se presenta a continuación un esquema. Banda de frotamiento Hilo de contacto Está formado por paralelógramos articulados El pantógrafo debe captar sin interrupción de corriente hasta grandes velocidades. Tener un sistema articulado de masa y de inercia lo más reducido posible. Reducir al mínimo las pérdidas por frotamiento para facilitar la regulación del esfuerzo estático del pantógrafo sobre el hilo de contacto. Reducir mantenimiento. Disminuir costos de construcción. 5

6 Pantógrafo Moderno. Línea de Contacto Pantógrafo Moderno Ferrocarriles, Metro, Metro Ligero, Tranvías. El TGV francés usa este pantógrafo. Alcanzó en 1990 velocidad de prueba de 515,3 km/h. Y el 3 de abril de 2007, en Gare de Nancy el TGV alcanzó 574,8 km/h en velocidad de pruebas 6

7 Frotador a tercer riel Velocidades 45 a 80 km/h. (Metro). Aire comprimido Tercer riel (+) FROTADOR A TERCER RIEL, (EN LA FOTO EL TERCER RIEL ESTÁ DEL OTRO LADO) 7

8 DIFERENTES TIPOS DE LINEAS La línea más simple es la línea con suspensión simple. Está constituida por un hilo conductor suspendiso en cada soporte por un dispositivo aislante. Este hilo se llama hilo de contacto. Para los ferrocarriles y los tranvías, la alimentación del vehículo se hace por un hilo de contacto y como retorno se tienen los rieles de rodamiento. Para los trolebuses, la alimentación se hace por medio de dos hilos de contacto. Entre dos suspensiones, el hilo de contacto presenta una flecha mecánica. Si la colocación del hilo de contacto tiene lugar a una temperatura media, a la temperatura máxima la flecha crece y a la temperatura mínima ella decrece. Por ejemplo: Para una luz de 30 m. entre soportes, un hilo de contacto de 84 mm2 en cobre duro tiene una flecha de 34 cm. a +45º C y de 8 cm. a 15º C, para una flecha de colocación de 16 cm. A 15º C.. Para evitar variaciones demasiado grandes de flecha se está obligado a prever luces cortas y limitar el uso del hilo de suspensión simple a vehículos de velocidad media, tranvías, trolebuses y a tramos recorridos a débil marcha en la explotación de ferrocarriles (vías de patio por ejemplo). Alimentadores Los sistemas de líneas de contacto, deben presentar una conductibilidad suficiente para tener un buen funcionamiento. Si la conductividad es insuficiente, habría que aumentar la sección del hilo de contacto (sección máxima 150 mm 2 ). Por otra parte, si la sección de la línea en estudio se inserta en una red existente, hay interés desde el punto de vista de mantenimiento de utilizar una misma sección de manera de tener equipamientos iguales. Para llevar la conductividad al valor necesario se inserta a lo largo de la línea un conductor especial llamado alimentador, de sección tal que su conductividad sea igual a la que falta a la línea de tracción. Los alimentadores están en general colocados sobre los mismos apoyos que la línea de tracción y suspendidos de las mismas cadenas de aisladores que soportan la catenaria. 8

9 Se pueden poner también alimentadores negativos en los rieles, si los rieles presentan una resistencia demasiado elevada. TIPOS DE CONDUCTORES DE HILO DE CONTACTO Los primeros fueron de cobre cilíndricos, pero existía el problema que para su sujeción, las abrazaderas debían tomarlos en un ángulo > 180º y por lo tanto estorbaba al toma corriente o pantógrafo por choque al pasar el tomacorriente. Para no causar problemas al pantógrafo, entonces se hicieron así, que son los hilos de contacto que se emplean actualmente. Parte Al de 125 mm2 Parte Acero de 53 mm2 Aluminio o Cobre También se fabrican en Cu duro. La forma puede ser más circular Acero OTROS ELEMENTOS Hay todo un equipamiento para las líneas en cuanto a soportes, aisladores, postes, tirantes, contrapesos, pórticos, cruces, desviaciones. Catenaria Suspensión Simple Catenaria Compuesta 9

10 ECUACIONES DE CAMBIO DE ESTADO. CALCULO MECANICO DE LINEAS Para las líneas de tracción de suspensión simple el cálculo mecánico es idéntico a los conductores de líneas aéreas. La catenaria se puede asimilar a una prábola. T 2 { T + (p 2 a 2 E/24T 2 ) + α E (θ-θ ) - T } = p 2 a 2 E/24 T: tensión en kg/mm2 a Temperatura θ relativa a la carga p T : Tensión relativa a la Temperatura θ y a la carga p a: luz en metros E: módulo de elasticidad kg/mm2 α: coeficiente de dilatación Flecha: f = a 2 p/8t P: peso unitario del hilo en kg/m (cambia si hay viento y hielo) T: tensión total en kg f: flecha en metros PROBLEMA Para el ejemplo dado antes calcular la flecha y la tensión para una temperatura de 0º C sin viento y sin hielo. 10

11 CATENARIA RIGIDA O PERFIL AEREO DE CONTACTO La Catenaria Rígida es un sistema de alimentación eléctrica que comprende un perfil de aluminio en la base del cual está prensado elásticamente el hilo de contacto, sin pernos. La solución es un perfil en cuyo interior se fija el hilo de contacto y gracias a su rigidez se logra una posición constante. Tanto el hilo de contacto como el soporte no están solicitados por una fuerza de tracción, por esta razón como no hay esfuerzos, la Catenaria Rígida es menos vulnerable a las rupturas que una línea de contacto convencional. La Catenaria Rígida se compone principalmente de: Un perfil en el cual se prensa el hilo de contacto de cobre, con suspensiones aisladas y accesorios de anclaje, alimentación, seccionamiento, dilatación y montaje. Este perfil está suspendido por medio de elementos de suspensión sujetos bajo un aislador. Las diferentes barras del perfil aéreo de contacto consecutivas se unen las unas a las otras mediante eclisas de unión apernadas. 11

12 Características principales de la catenaria rígida Para una velocidad máxima de 110 km/h. En el mundo las más recientes son alimentadas en corriente continua de Voltios. Las más antiguas han sido renovadas y equipadas de catenaria rígida pero conservando su alimentación en corriente de tracción de 750 Voltios. El material rodante que circula por las líneas equipadas de catenarias rígidas tiene siempre dos pantógrafos, cualquiera sea su origen. El soporte perfil aéreo de contacto empleado tiene 110 mm de alto. Un hilo de contacto va insertado en el perfil y es conforme a la Norma EN 50149, de 107 mm2 de sección. Se usa actualmente hilo de contacto de 150 mm2, lo que prolonga considerablemente su vida útil. Al desenrollar el hilo, se emplea una grasa de contacto para insertar el hilo en el perfil. Existen sistemas de dilatación co0n seccionamientos mecánicos de lámina de aire formados por dos rampas paralelas. Electrificaciones realizadas tanto en corriente alterna 15 kv, 25 KV como en corriente continua 750 V, V, V. En el mundo, se han implementado o se están implementando kilómetros de catenaria rígida: - En Europa alrededor de km, - En Asia alrededor de 700 km, - En América latina 100 km. SÍNTESIS DE LAS PRINCIPALES VENTAJAS DE LA CATENARIA RÍGIDA El entusiasmo creciente que suscita entre los ferroviarios se debe a las ventajas que presenta el sistema, especialmente para la electrificación de líneas de transporte totalmente subterráneas, como es el caso del proyecto de las Línea 3 y Línea 6 del Metro de Santiago. 12

13 - Al requerirse una menor altura para el gálibo del túnel, se pueden reducir los costos de construcción. - La sección conductora en equivalente de cobre de alrededor de mm2 puede reducir, en condiciones de funcionamiento similares, la cantidad de subestaciones de alimentación tracción generalmente instaladas en los túneles. - Ahorro durante la construcción desde el punto de vista de las obras de ingeniería civil necesarias. - Ahorro en cuanto a equipamiento eléctrico, pues se requiere instalar menos estaciones de alimentación tracción durante la construcción. - Ahorro en términos de mantenimiento, pues las instalaciones eléctricas requieren menos mantenimiento. - La ausencia de tensión mecánica en el hilo de contacto es una ventaja importante con respecto a los anclajes que deben hacerse en los muros del túnel. En efecto, estos anclajes deben esencialmente sostener elementos de carga vertical por el propio peso de los equipamientos. - La fiabilidad del sistema, pues aún en la eventualidad de incidentes de tipo eléctrico o mecánico, nunca se produce una caída del hilo de contacto, cosa que al suceder podría impedir una puesta en funcionamiento rápido de la línea. - La simplicidad del sistema es otra ventaja importante de la catenaria rígida: - Diseño sencillo. La simplicidad de la instalación y de los ajustes es sin embargo contrarrestado en parte por la necesidad de un ajuste más fino. En este sentido, la instalación de un sistema de suspensión menos rígido que permita conferirle, aún de forma muy limitada, una cierta flexibilidad al sistema global podría ser una solución interesante. Cabe recordar que la principal ventaja de la catenaria tradicional es su flexibilidad al paso del pantógrafo. - El diseño e instalación simples hacen del mantenimiento una tarea fácil. La simplificación de las operaciones de mantenimiento se explica en especial por: - Incremento de aproximadamente 30 % de la vida útil del hilo de contacto en condiciones de uso similares. - Menor cantidad de piezas, lo que permite minimizar las operaciones de mantenimiento y el almacenamiento de repuestos. - Disminución del número de operaciones de mantenimiento. Las redes de transporte que migraron desde un sistema de catenaria tradicional a un sistema de catenaria rígida pudieron reducir los gastos de mantenimiento del sistema en un 30 a 40 %. Ref. catenaria rígida, documento ingeniería Consultor Systra, Metro S.A., ALA/Otoño de