Una subestación de tracción es aquella subestación eléctrica que convierte la energía eléctrica desde la forma provista por la red general a unas condiciones de voltaje, corriente y frecuencia apropiada para su uso en medios de transporte como el ferrocarril (incluyéndose tranvías y medios relacionados) o trolebuses.
Esto puede involucrar la conversión de un sistema trifásico a frecuencia industrial (50 Hz o 60 Hz) a frecuencias más reducidas, su conversión a un sistema de una única fase en corriente alterna o su rectificado para proporcionar corriente continua según los requerimientos del motor eléctrico a alimentar.
Un sistema de electrificación ferroviaria comprende el conjunto de elementos que hacen posible que la energía eléctrica llegue a la unidad móvil, con la potencia necesaria para que pueda alcanzar las prestaciones a las cuales ha sido diseñado.
Por tanto, un sistema de electrificación comprende tres grandes bloques:
La clasificación de las subestaciones atiende a diferentes criterios:
De forma genérica, una subestación de tracción es la instalación encargada de realizar la conexión de los tramos de electrificación a la red trifásica de transporte. Para ello, transforman tensiones desde niveles de la red trifásica a los de la catenaria, con previa rectificación en el caso de sistemas de corriente continua.
Generalmente, las subestaciones de tracción presentan una topología en barra simple. Los motivos de ello, responden a las principales ventajas de este tipo de topología frente a otras más complejas. Estas ventajas suponen un menor coste y mayor flexibilidad. No obstante, cuando se pretenda alimentar a varias líneas desde una misma subestación, es aconsejable emplear topologías más complejas como en anillo o en doble barra.
Respecto a la forma de conexión de la subestación al sistema trifásico de la red pública, se distinguen dos formas de conectarse:
Por lo general, las subestaciones de tracción de corriente continua, alimentan catenarias a tensiones que van desde los 600 V a los 3.000 V, aunque realmente las tensiones de alimentación son ligeramente superiores a estas teóricas, ya que hay que considerar las pérdidas en las líneas (p. ej. tener una tensión de 3.300 V a la salida de la subestación de tracción para alimentar una línea convencional de 3.000 V). Los componentes de las mismas son muy similares a las subestaciones de tracción de alterna. Sin embargo, se incluye el puente rectificador que las hacen ser un poco más complejas. Además, si se trata de una subestación reversible, esta debe poseer un equipo inversor que permita devolver la energía eléctrica desde la catenaria hasta la red de distribución.
El principal inconveniente frente las subestaciones de tracción en alterna es que la distancia entre subestaciones ha de ser menor. Esto es debido a que las tensiones empleadas son menores y, por lo tanto, las pérdidas por unidad de distancia son mayores. Por ejemplo, para redes metropolitanas de 600 V, la distancia entre subestaciones varía entre los 2 y los 3 km. Por otra parte, para una red de cercanías con tensión en catenaria de 3.000 V esta se eleva hasta los 10 km.
Las subestaciones de tracción en corriente continua se pueden clasificar en dos tipos: según si la energía eléctrica puede ser devuelta a la red eléctrica (subestaciones reversibles) o no (subestaciones no reversibles).
Permiten exclusivamente la conversión unidireccional de corriente alterna de la red de distribución a corriente continua de servicio de las catenarias.
El proceso de tratamiento de la energía elétrica en estas subestaciones es el siguiente:
Estas subestaciones están controladas telemáticamente, lo que permite controlar la apertura o cierre de interruptores de forma segura. Además, permite satisfacer la demanda en tiempo real de forma más eficiente. Por lo tanto, las subestaciones pueden operarse de forma centralizada un ordenador de control.
En aspectos constructivos, las subestaciones de tracción reversibles son similares a las no reversibles con la única diferencia de que este permite la circulación de la corriente aguas arriba al poseer un inversor en el circuito de retorno. Usualmente, se emplean convertidores trifásicos controlados de puente completo, ya que permiten el funcionamiento tanto de rectificador como de inversor mediante el correcto ángulo de disparo usado en los tiristores. Estas subestaciones pueden ser construidas como tales originalmente o bien modificar las no reversibles para alcanzar la categoría de reversibles.
Pueden estar constituidos por un convertidor bidireccional (infraestructura de nueva construcción) o bien utilizar uno en paralelo con otro unidireccional (subestaciones reformadas). Estas últimas permiten dimensionar óptimamente el convertidor, ya que la potencia procedente del tren es inferior a la suministrada por la red.
En este sistema siempre se destina prioritariamente la energía al mantenimiento de los servicios auxiliares de las estaciones y a la demanda de corriente de los trenes que se encuentren más cercanos.
Cuando exista un exceso puntual de potencia en el sistema, el inversor (cuyo funcionamiento está basado en tiristores) permitirá convertir la corriente continua, proveniente del frenado regenerativo, en alterna. De esta forma, esta puede ser devuelta a la red de distribución de la compañía suministradora previa transformación de la misma hasta la tensión correspondiente.
Las Subestaciones Eléctricas de Tracción (SET) están alimentadas generalmente por dos acometidas trifásicas, que tendrán su origen en la subestación más próxima propiedad de Red Eléctrica de España. Estas acometidas se conectan a la subestación mediante el pórtico de entrada.
Las SET en Corriente Alterna se dividen principalmente en las siguientes zonas:
Los parques están formados por elementos de protección, para salvaguardar a los equipos y a la instalación en caso de sobrecargas o sobretensiones, así como elementos de medida, para controlar en cada instante los niveles de tensión e intensidad que hay en la instalación.
Podemos destacar los siguientes: seccionadores, interruptores automáticos, transformadores de medida y protección (de tensión y de intensidad), autoválvulas y red de tierras.
Es un componente electromecánico que permite conectar o desconectar circuitos o líneas para efectuar maniobras o bien por el hecho de hacer mantenimiento.
No tienen poder de corte, es decir, no pueden abrir o cerrar un circuito en carga. Simplemente se utilizan para hacer un corte “visible”, para que si un operario está trabajando puede comprobar que el circuito está abierto. De esta forma se reduce la posibilidad de accidentes por electrocuciones.
Hay muchos tipos de seccionadores: de cuchillas giratorias, de cuchillas deslizantes, de columnas giratorias, tipo pantógrafo, etc.
Los interruptores son unos dispositivos que, al igual que los seccionadores, permiten conectar o desconectar circuitos o líneas. La gran diferencia se encuentra en que son capaces de efectuar la maniobra en carga, es decir, en condiciones de suministro nominales (con paso de corriente). También permite realizar aperturas y cierres en condiciones de cortocircuito. Son capaces de extinguir el arco eléctrico que se genera al abrir un circuito bajo estas condiciones de potencia y nivel de tensión.
Se utilizan fundamentalmente para la protección de equipos, como los transformadores, y circuitos (líneas eléctricas) frente a sobrecargas o cortocircuitos.
Existen varios tipos de interruptores en función del mecanismo para extinguir el arco: de pequeño volumen de aceite, de gran volumen de aceite, neumáticos, de vacío y de hexafluoruro de azufre o SF6. Los más efectivos para eliminar el arco son los de SF6, ya que tienen una alta rigidez dieléctrica, aunque hay que prestar cuidado para su eliminación, puesto que es un gran contaminante.
Son dispositivos que se utilizan para medir las 2 magnitudes eléctricas fundamentales (tensión e intensidad) y para proteger la instalación.
En cuanto a la medición, la medida directa de tensiones o intensidades elevadas exigiría disponer de un voltímetro con unos aislamientos enormes y, además, resultaría peligroso que alguien se acercara a él para realizar la lectura. Por esta razón, se utilizan transformadores de tensión e intensidad. Estos elementos reducen el valor de la tensión y la intensidad y su secundario se conecta a los aparatos de medida.
En el caso de transformadores de protección, su secundario no alimenta aparatos de medida sino aparatos de protección, tales como relés magnetotérmicos, relés diferenciales, etc.
Se trata de resistencias no lineales conectadas a tierra que en condiciones normales de operación no conducen pero, en caso de una sobretensión producida por una maniobra incorrecta o descargas atmosféricas, conducen a tierra, protegiendo los transformadores y el resto de la instalación.
Se distinguen dos tipos fundamentales:
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