miniaturadeimagen|Locomotoras eléctricas en Suecia.
Un sistema de electrificación ferroviaria es aquel que provee energía a las unidades de tracción eléctrica de un ferrocarril, sean éstas locomotoras o formaciones autopropulsadas, para que puedan desplazarse sin utilizar motores de combustión. La principal ventaja de los locomotoras eléctricas es la alta relación potencia-peso, en comparación con otros tipos de locomotoras como las diésel o a vapor, que tienen acoplados los generadores a bordo. miniaturadeimagen|Sistemas de electrificación ferroviaria en Europa:
Las líneas de alta velocidad en Bélgica, España, Francia, Italia, Países Bajos, Reino Unido y Turquía operan a 25 kV CA.
Los sistemas de electrificación están clasificados de acuerdo a tres parámetros básicos: Tensión eléctrica Tipo de corriente: Corriente continua (CC) o Corriente alterna (CA) con frecuencia monofásica (por defecto) o multi-fásica. Sistema de alimentación: Que determina como se alimentan eléctricamente las unidades de tracción. Existen dos tipos fundamentales: (riel conductor y línea aérea de contacto, denominada catenaria).
Por otro lado, los principales elementos de un sistema de electrificación ferroviaria son: Generadores y líneas de transporte Subestación de tracción Circuito ferroviario
Configuraciones En el sistema de electrificación 1 x 25 kV en corriente alterna, adicionalmente, también se pueden añadir transformadores de succión (Booster). Este tipo de transformadores se caracterizan por tener una relación de transformación 1:1, y permiten tener un mejor retorno de la corriente. Este caso presenta el inconveniente de que encarece la instalación, al tener que situarlos cada 3-8 km, y aumenta la impedancia de la línea.
En el sistema de electrificación 2 x 25 kV en corriente alterna, también denominado sistema bifásico en corriente alterna, que se caracteriza porque el retorno se produce por feeder negativo, en lugar del carril. Para que este sistema pueda funcionar correctamente, es necesario situar una serie de centros de autotransformación distribuidos a lo largo de la línea, habitualmente cada 10 o 15 km. La función de estos centros es evitar el retorno de corriente por la vía en los tramos donde no circula el tren. Existen dos tipo de centros de autotransformación, final e intermedio, en función de la ubicación de los mismos.
Generadores y líneas de transporte Generación El sistema eléctrico ferroviario consume o genera energía para suministrar electricidad a los trenes. Para ello se define un Sistema Eléctrico de Potencia (SEP) para adecuar la energía eléctrica, adquiriendo unas características específicas para el sistema ferroviario.
El SEP ferroviario puede estar definido de dos maneras: Interconectado al SEP general del país. miniaturadeimagen|Generación de energía eléctrica en España (2014) Siendo la más común, es un sistema que consume energía proveniente de la red eléctrica del país, compartiendo líneas de transporte e instalaciones de generación. La energía que alimenta todo el SEP se produce en centrales eléctricas, instalaciones provistas de un alternador o generador de corriente alterna, el cual transforma la energía mecánica en energía eléctrica. Esta generación de energía se produce a una frecuencia específica, siendo en España de 50 Hz, y las tensiones varían entre 3.000 y 11.000 V.
En España la red ferroviaria absorbe un 1,4% (dato del año 2005) de la generación nacional de electricidad.Álvarez; Mª del Pilar Martín Cañizares Cuantificación del consumo de energía eléctrica del ferrocarril español Debido a las grandes demandas de potencia de esta red por las líneas de alta velocidad, son centrales térmicas y nucleares las principales fuentes suministradoras. Las centrales hidráulicas satisfacen las redes convencionales de RENFE, en corriente continua, las cuales demandan menor potencia.
miniaturadeimagen|Tren eléctrico de Deutsche Bahn SEP ferroviario propio. Este sistema es menos común ya que normalmente existen redes eléctricas distribuidas por todo el país, como por ejemplo, en España. Antiguamente, sí tenía sentido, debido a la escasez de redes y potencia localizada. Ejemplo de ello en España fue la central eléctrica de Santa Fe (Almería). Esta central alimentaba en exclusiva el primer tramo ferroviario electrificado de España, entre las estaciones almerienses de Sante Fe-Alhama y Gérgal.
En la actualidad, podemos encontrar otros casos, como en Alemania, donde la empresa ferroviaria Deutsche Bahn (la que tiene mayor cuota de mercado en el país) tiene su propia empresa suministradora con instalaciones de generación y transporte propias, DB Netze Energie.
Otro ejemplo de generación propia se encuentra en India, donde debido a las dificultades para abastecer lugares remotos con centrales eléctricas se ha tomado como solución la instalación de placas fotovoltaicas en el techo de los trenes.
Actualmente existen países que fomentan el uso de energías renovables, como Bélgica y su proyecto del "Túnel del sol", que consiste en un falso túnel cubierto de placas fotovoltaicas, o la generación de energía eólica para abastecer toda la red ferroviaria en los Países Bajos, que actualmente se abastecen al 70%.
Debido a que este apartado es de generación propia, aunque no se produzca energía para consumirla en la red ferroviaria, sí existen instalaciones pertenecientes a la red ferroviaria que producen energía, aprovechando los sistemas regenerativos de los trenes. Ejemplo de ello en España son las ferrolineras y las metrolineras.
Líneas de transporte Las líneas de transporte se encargan de transportar y distribuir la potencia producida en las centrales eléctricas a las subestaciones de tracción ferroviaria. De forma generalizada, transportan grandes potencias en corriente alterna. Además, para evitar pérdidas por efecto Joule, se aumenta las tensiones mediante transformadores después de su generación y antes de su transporte.
Las líneas eléctricas de transporte pueden clasificarse del siguiente modo: Primera categoría: Tensión nominal superior a 66 kV. Segunda categoría: tensión nominal comprendida entre 30 y 66 kV. Tercera categoría: tensión nominal inferior a 30 kV, e igual o superior a 1 kV.
En el caso de España, el sistema de corriente continua de 3.000 V de las líneas convencionales de RENFE se alimenta con líneas de 20/66 kV (también es posible a 132 kV) y las líneas de alta velocidad se alimentan con líneas de 132 kV.
Subestación de tracción Una subestación de tracción es la instalación encargada de realizar la conexión de los tramos de electrificación ferroviario a la red trifásica de transporte. Para ello, transforman tensiones desde niveles de la red, generalmente a 66 kV, a los de la catenaria.
Las subestaciones de tracción se clasifican en función del tipo de electrificación de la vía: Subestaciones de tracción en corriente alterna. Subestaciones de tracción en corriente continua. La principal diferencia entre las subestaciones de continua y de alterna está en que estas últimas disponen de elementos rectificadores de la tensión, para poder alimentar en corriente continua a la vía.
Circuito ferroviario Feeder El feeder de acompañamiento es un cable eléctrico que acompaña a la vía y alimenta los tramos de catenarias, los cuales están aislados entre sí para, en caso de mantenimiento, poder aislar una zona de la vía sin afectar a la vía entera.
Los feeder son los cables o conductores que conectan la subestación con la catenaria. Deben tener característica mecánicas (esfuerzos), eléctricas (resistividad, conductividad).
Los materiales más usados son: Cu, Cu-Ag, Cu-Mg y suelen utilizar diferentes secciones 107 – 150 – 250 mm². Existen tres tipos de feeder para las instalaciones ferroviaria.
Feeder Positivo El feeder positivo es el conductor principal que suministra potencia eléctrica al tren. Está situado en la parte inferior de la catenaria y hará contacto con el pantógrafo situado en el tren. También es conocido como LAC (línea aérea de contacto). La función principal es conducir la energía eléctrica por el conductor para alimentar al tren mediante el pantógrafo. Este feeder se encuentran en instalaciones ferroviarias con alimentación en corriente continua y corriente alterna.
Feeder de acompañamiento Es un conductor secundario que está instalado paralelamente al feeder positivo. Normalmente se encuentra situado en la parte superior de la estructura que soporta la catenaria y está conectado al feeder positivo cada cierta distancia. La función principal es alimentar al conductor principal para alimentar picos de demanda así como garantizar y dar estabilidad al suministro eléctrico de la instalación ferroviaria. Este feeder también se puede encontrar en instalaciones ferroviarias con alimentación en corriente continua y corriente alterna.
Feeder Negativo Es el conductor que se encarga de recoger la corriente de retorno de la instalación hacia la subestación. El principal objetivo es disminuir las pérdidas de la energía de retorno. Esto se debe a que la sección del feeder negativo es menor que si retorna la energía por el carril y tierra. Resaltar que este feeder solo se encuentra en instalaciones de corriente alterna donde las potencias suministradas son mayores y por tanto se ven más afectadas las pérdidas de retorno.
Línea aérea miniaturadeimagen|Metro Málaga, detalle de catenaria libre sin péndolas. Catenaria flexible Para asegurar buena captación de electricidad a velocidades elevadas, las catenarias flexibles se construyen de manera que la geometría del hilo de contacto quede dentro de ciertos límites, es decir, que se mantenga recta, paralela a la vía y en tensión. Para lograr esto se cuelga un cable “sustentador” de los postes de la vía. Dicho cable describe una catenaria, es decir, un coseno hiperbólico. Se requiere que el hilo de contacto sea recto, por lo tanto, se cuelgan del sustentador “péndolas” que sujetan el hilo de contacto en una posición horizontal.
La catenaria se apoya sobre aisladores de suspensión, que aíslan eléctricamente la catenaria de la ménsula.
El conjunto de atirantado sirve para fijar la dirección del hilo de contacto con el fin de describir un "zigzag" para mejorar el desgaste del frotador de los pantógrafos. Así el hilo de contacto no fricciona en un único punto del frotador. Dicho conjunto de atirantado también lleva un aislador eléctrico.
El poste se conecta a tierra mediante el cable de tierra que también acompaña a la vía.
Se debe mantener la tensión mecánica de la catenaria ya que el paso del pantógrafo produce oscilaciones mecánicas en el hilo de contacto. Estas oscilaciones deben propagarse a más velocidad que la velocidad de circulación del tren para evitar la aparición de ondas estacionarias que pueden dañar los cables y ocasionar el despegue del pantógrafo. Al tensionar el cable las ondas se propagan a mayor velocidad.
Para velocidades medias/altas: Se tensiona mediante sistemas de peso u ocasionalmente sistemas hidráulicos. Para velocidades bajas y túneles (donde la temperatura es constante): se utilizan terminaciones fijas a 10 kN de tensión mecánica.
En algunas ocasiones (como en el metro de Málaga) se puede prescindir del sustentador y de las péndolas y dejar que el hilo de contacto describa una catenaria. Este sistema presenta algunas limitaciones como la limitación de la velocidad del ferrocarril y la necesidad de una distancia entre postes menor que en otros casos.
Catenaria rígida miniaturadeimagen|Ejemplo de catenaria rígida, estación de Nuevos Ministerios, Madrid