Catenaria (ferrocarril)

Línea aérea de contacto en la red de ADIF (España).

En ferrocarriles se denomina catenaria a la línea aérea de alimentación que transmite energía eléctrica a las locomotoras u otro material motor.

Algunos autores prefieren utilizar el término "Línea Aérea de Contacto" o abreviadamente L.A.C.,,[2] que puede incluir los sistemas denominados "línea tranviaria", "línea de trolebús", "catenaria flexible" y "catenaria rígida". Existen otros sistemas de alimentación eléctrica para ferrocarriles que no deben ser considerados como catenarias; los más importantes son el tercer carril y la levitación magnética.

Las tensiones de alimentación más comunes van desde 600 V a 3 kV en corriente continua, o entre 15 y 25 kV en corriente alterna. La mayor parte de las instalaciones funcionan con corriente continua o alterna monofásica, aunque existen algunas instalaciones de alterna trifásicas.

Pantógrafo ferroviario.

En las líneas aéreas, el polo positivo de la instalación es normalmente la catenaria y el negativo son los carriles sobre los que circula el tren. Las corrientes provenientes de la Subestación de tracción ( transformadora o rectificadora de la tensión de la red general) llegan al tren por la catenaria a través del pantógrafo y vuelven a la subestación a través de los carriles de la vía férrea.

Una excepción a esta norma son las líneas aéreas de contacto para trolebuses, donde al no existir carriles, la corriente de retorno circula hacia la subestación por un segundo cable paralelo al primero y en contacto con el vehículo por un segundo trole.

El nombre de catenaria proviene de la forma geométrica característica de la curva que forma un hilo flexible sometido a su propio peso, curva que se presenta en el caso de una línea tranviaria formada por un único cable. Sin embargo, en los casos en que se requiere una mayor velocidad del material rodante (cercanías, líneas suburbanas e interurbanas y, por supuesto, ferrocarriles de alta velocidad) se requiere que el conductor del que el pantógrafo toma la tensión abandone la geometría de la catenaria aproximándose a una recta paralela a la vía. Por ello, la solución a este problema pasa por instalar un segundo cable del que este se cuelga. La curva adoptada por este segundo cable tampoco será una catenaria, ya que soporta un peso variable por unidad de longitud (al soportar el peso del hilo de contacto). No obstante, se denomina catenaria a todo el conjunto formado por los cables alimentadores, apoyos y elementos de tracción y suspensión de los cables que transmiten la energía eléctrica.

Tipos de catenaria

Hay varios tipos de líneas aéreas de contacto para ferrocarriles y otros vehículos de tracción eléctrica, las principales serían las siguientes:

  • Línea tranviaria
  • Líneas de trolebús
  • Catenaria aérea flexible
  • Catenaria aérea rígida

Línea tranviaria

Línea tranviaria en Pozuelo de Alarcón. Madrid (España).

La línea tranviaria es la más sencilla de las aplicaciones de este tipo. Consiste en un hilo de contacto suspendido en apoyos consecutivos sobre la vía férrea. El tren toma energía de este hilo a través de un pantógrafo o de un trole.

La diferencia entre un pantógrafo y un trole consiste en que el pantógrafo tiene una pletina que "frota" el hilo por la parte inferior de este, mientras que el trole tiene una polea o roldana que rueda bajo el hilo.

Tranvías de dos pisos en Hong Kong (China).

La línea tranviaria tiene el inconveniente de que la flecha del hilo (distancia vertical entre el apoyo y el punto más bajo del hilo) es grande (cuadráticamente proporcional al vano). La introducción de un cable sustentador disminuye esta flecha mediante el uso de péndolas. (Ver catenaria flexible).

La velocidad que puede alcanzar un vehículo alimentado por línea aérea de contacto depende de la regularidad de la altura del hilo y de la uniformidad en la elasticidad de la línea, por lo cual la línea tranviaria sólo está aconsejada para velocidades bajas. Se emplea comúnmente en tranvías, metros ligeros, estaciones de carga, cocheras, etc.

Líneas de trolebús

Línea de trolebús en Hradec Králové (República Checa).

Las líneas de trolebús son una derivación de las líneas tranviarias, consistiendo la diferencia fundamental de las mismas en que debe existir un segundo hilo, paralelo al primero, para el retorno de la corriente (negativo).

Al carecer los vehículos de dispositivos de guiado, la línea debe ser capaz de absorber grandes desviaciones laterales que puede transmitir la roldana del trole hacia la misma. Para ello las suspensiones de la línea disponen de un sistema flexible que permite el "balanceo" del hilo de contacto en sentido transversal en un rango muy amplio.

Catenaria aérea flexible

Catenaria aérea flexible compuesta en la red de la RFF en Villeneuve-Saint-Georges (Francia).

La catenaria flexible consiste en dos cables principales, de los cuales el superior tiene aproximadamente la forma de la curva conocida como catenaria y se llama "sustentador"; en algunos países hispanohablantes se denomina también "cable portador" o "cable mensajero". Mediante una serie de elementos colgantes (péndolas) sostiene otro cable, el de contacto, llamado hilo de contacto, de modo que permanezca manteniéndose en un plano paralelo al plano de las vías. A veces hay un tercer cable intermedio para mejorar el trazado del de contacto, al que se suele llamar "falso sustentador" o "sustentador secundario".

Las catenarias con un segundo sustentador en todo lo largo de su recorrido se suelen llamar catenarias compuestas o "compound".

El hilo de contacto no es propiamente lo que se conoce como cable, con varios hilos o alambres enrollados en varias capas, sino un trefilado, es decir, un alambre macizo de una sola pieza.

Catenaria de Alta velocidad del Shinkansen

Este sistema de cables tiene una geometría compleja, que va variando a lo largo de la línea en función de los requerimientos que se exigen en cada punto. Los parámetros geométricos más importantes que definen esta geometría son los siguientes:

  • Vano.
  • Altura del hilo de contacto.
  • Altura de la catenaria.
  • Elevación.
  • Flecha de los hilos.
  • Longitud del cantón.
  • Descentramiento.

Catenaria aérea rígida

Catenaria aérea rígida en la estación España del Metro de Barcelona.

La catenaria rígida se distingue de las otras en que el elemento que transmite la corriente eléctrica no es un cable, sino un carril rígido. Lógicamente para mantener este carril rígido paralelo a la vía, ya que su peso es muy grande, no basta tensarlo o suspenderlo de otro cable con más flecha, sino que es necesario aumentar el número de apoyos en los que hay que suspenderlo, para disminuir la distancia entre ellos.

Como ejemplo diremos que para suspender una catenaria rígida se usan vanos (distancia entre apoyos) de 10 ó 12 m, mientras que el vano para catenarias flexibles está en torno a los 50 ó 60 m. Dicha limitación restringe su uso a los túneles, estructuras o sitios de muy escaso gálibo, donde otros sistemas se muestran ineficaces.[3]

El origen del sistema parte de una idea básica, y es solucionar el principal inconveniente del tercer carril, que es la peligrosidad de los contactos directos. La solución más simple a este problema pasaba por mover el tercer carril de contacto a la parte superior del tren. La solución en principio se practicó con el mismo carril (de acero), pero enseguida se desarrollaron carriles más avanzados, con menor peso y mayor conductividad.

Otra ventaja de la catenaria rígida frente al tercer carril (abajo) es su compatibilidad con sistemas de catenarias flexibles. El mismo tren con el mismo pantógrafo puede circular por la catenaria flexible y rígida sin equipar distintos dispositivos de captación de corriente. Las transiciones entre catenarias flexibles y rígidas han sido solucionadas en distintas administraciones ferroviarias con el uso de barras de elasticidad variable o estableciendo seccionamientos de transición (separación de sistemas).

El carril empleado actualmente consiste en una barra de aluminio que lleva en su parte inferior un hilo de contacto de cobre. La transmisión de energía se realiza por el aluminio y el cobre, pero sólo el cobre debe entrar en contacto con el pantógrafo.

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