La instalación del Tren de Alta Velocidad (TAV) presenta una problemática
de Compatibilidad Electromagnética (EMC) con su entorno, debido a que su red de
tracción eléctrica interfiere con
las líneas de telecomunicación próximas.
El problema a resolver es entre dos sistemas que deben compartir un
cierto espacio físico. Por una parte el elemento perturbador, la línea de
tracción eléctrica, y por otra el elemento perturbado, la línea de
telecomunicación.
La alimentación del TAV se va a realizar a una tensión de 25 Kvolts, 50
Hz. y su consumo es del orden de 720 Amp.
Estos datos han sido determinados en el Dpto. de Tecnología y Normativa
Técnica de Telefónica, y ha dado origen a un proyecto que se ha insertado
dentro del conjunto de actividades que en EMC se desarrollan en Telefónica I+D.
Los objetivos del proyecto en curso, son los siguientes:
- Desarrollar un programa de EMC que pueda ser integrado en el sistema gráfico
que Telefónica está usando para la digitalización de su Planta y que sirva de
soporte para el diseño de nuevas redes.
- Investigar la influencia de los diferentes parámetros involucrados y
contrastarla con los
resultados de un plan de medidas. El presente artículo
describe los diferentes efectos perturbadores, su análisis, la influencia de
alguno de sus parámetros y un ejemplo de aplicación a un tramo de la línea
del TAV Madrid-Sevilla.
En nuestro caso, el elemento perturbador va a ser
la línea de tracción eléctrica del TAV.
La solución es reducir en lo posible la generación de interferencias y
que sea menos afectado el funcionamiento del elemento perturbado.
Los sistemas para reducir el nivel de perturbaciones tienen
como objetivo el proporcionar a la corriente de retorno un camino definido y próximo
al de la corriente de la catenaria De esta forma, al sumarse los efectos
inductores de ambas corrientes y tener estas sentidos opuestos, se restan,
minimizando el efecto final.
Existen cuatro posibles esquemas de la línea de tracción eléctrica,
que se describen a continuación:
- Sistema básico:
La
figura l.a muestra un esquema del sistema básico de alimentación. Incluye únicamente
la catenaria que proporciona la corriente necesaria a la máquina del tren,
siendo el camino de retorno de la corriente por los raíles y tierra. La
diferencia entre la corriente por la catenaria y la de los raíles (componente
de corriente que retorna por tierra) es la que contribuye principalmente a la
generación de perturbaciones. Este sistema de alimentación tan simple no
incluye ninguna medida reductora de interferencias.
- Conductor de retorno: La
figura l.b muestra el esquema de este sistema de alimentación de la máquina
del tren.
Se añade un conductor de retorno conectado a los raíles a intervalos
regulares, proporciona un camino de baja impedancia a la corriente de retorno.
La corriente por el conductor de retorno circula en sentido contrario a
la de la catenaria, por tanto contribuye a reducir la interferencia.
En la medida en que su impedancia sea lo suficientemente reducida como
para canalizar la máxima cantidad de corriente de retorno, será mayor su
eficacia reductora de interferencia.
El hilo de retorno se sitúa próximo al de la catenaria para reducir el
tamaño del bucle que forman ambos hilos.
- Transformadores con conductor de retorno: La
figura 1.c muestra el esquema general de la línea de tracción. Este sistema
incluye un hilo de retorno de corriente, conectado a los raíles en una posición
intermedia entre los transformadores. Esta conexión proporciona el camino para
que la corriente que retorna por los raíles pase a circular por el hilo de
retorno.
El transformador obliga a que la corriente circule por el conductor de
retorno, ya que la corriente de alimentación que va por la catenaria induce una
corriente de sentido contrario en el secundaria del transformador, que a su vez
está conectado a los raíles. En este sistema se produce un cortocircuito al
puentear el pantógrafo de la máquina la discontinuidad de la catenaria.
El hilo de retorno debe situarse lo más próximo posible de la
catenaria, para que se reduzca el efecto inductor.
- Utilización de autotransformadores. Un
esquema del sistema se muestra en la figura 1.d.
La línea de tracción eléctrica incluye, además de la catenaria y los
raíles, un conductor de alimentación y cada cierta distancia unos
autotransformadores, conectados como se indica en la figura 1.d.
Los autotransformadores obligan a que la corriente retorne por el
conductor de alimentación, por lo que circula en sentido contrario a la de la
catenaria. Su efecto es similar al del sistema descrito en tercer lugar. La
catenaria es continua, por tanto no se produce el cortocircuito descrito en el
sistema 3.
El conductor de alimentación debe situarse lo más próximo posible de
la catenaria, de forma que se minimice el área del bucle formado por ambos
hilos.
Figura 1d
a) Potencial de tierra. La
circulación de una corriente por tierra, procedentes de corrientes provocadas
por un cortocircuito entre la catenaria y el suelo, origina una incremento del
potencial de tierra que puede afectar a las tomas de tierra próximas.
La variación de potencial, disminuye al alejarse del punto donde se
produce la corriente a tierra.
El potencial es función de la distancia entre el lugar donde se ha
producido el fallo y la toma de masa, de la corriente inyectada a tierra y de la
conductividad del terreno. Tiene un valor máximo que es el del potencial del
punto donde se produce la introducción de la corriente hacia tierra.
Además debe añadirse que las masas metálicas próximas, con una
conductividad superior a la del terreno, sirven de camino más fácil para la
corriente, modificando por tanto la distribución de corrientes por el suelo.
b) Efecto eléctrico. El
potencial elevado que hay en un conductor provoca la aparición de una cierta
distribución de cargas en los conductores próximos.
Este efecto es importante únicamente en el caso de paralelismo muy largo
(varios km) y distancias muy cortas entre las líneas de tracción y
comunicaciones.
c) Efecto magnético. El
bucle formado por un conductor de telecomunicación, sus admitancias terminales
y el plano efectivo de masa está sometido a la acción de un campo variable
procedente de la línea inductora. Por tanto, de acuerdo con la ley de Lenz, se
induce en el una fuerza electromotriz. Es el efecto perturbador más importante
(aunque, por supuesto, todos deben tenerse en cuenta).
Las diferentes situaciones que se consideran son las siguientes:
- Cortocircuito:
En el caso de un cortocircuito entre la catenaria y el suelo las corrientes que
circulan por la línea de tracción inducen tensiones elevadas en la de
comunicaciones, con riesgo para las personas.
-
Régimen permanente: Durante el funcionamiento normal se estudian los dos
casos siguientes:
(a) La
tensión inducida respecto del suelo a 50
Hz.
(b) El
ruido sofométrico, considerando los armónicos generados por la máquina.
Los limites admisibles están regulados por las recomendaciones del CCITT
[5 ).
Las simplificaciones adoptadas son las siguientes:
(a) Las
líneas, tanto del ferrocarril como telefónicas, se consideran como líneas
quebradas a una altura constante sobre el nivel del suelo.
(b) La
resistividad del suelo se considerara constante en cada segmento.
(c) Se
considerara despreciable el efecto de la línea perturbada sobre la
perturbadora.
(d) Se
asume una situación cuasiestática, que equivale a despreciar los retardos
debidos a la velocidad finita de propagación de las ondas electromagnéticas.
p = 6( l - j ) / 2
(6 = profundidad de penetración)
La expresión de la inductancia mutua por unidad de longitud es:
h
i = Altura del hilo sobre el nivel del suelo
d
k | = distancia horizontal entre los hilos k y I
- Cálculo de la tensión por cortocircuito.
La fuerza electromotriz inducida en cada tramo de la línea telefónica
[7]
viene expresada por:
E = | Z m | J I
siendo:
Zm =
Inductancia mutua por unidad de
longitud
J
= Corriente inductora en cortocircuito
I
= longitud del tramo inductor
El cálculo debe repetirse para todas las posibles posiciones del
cortocircuito
- Cálculo de la tensión en régimen
permanente
El cálculo es análogo al anterior, sin más que sustituir la corriente
inductora por su valor en régimen permanente a 50 Hz y repetido para las
posibles posiciones de la máquina del tren.
- Circuito equivalente de la línea
perturbada
La línea telefónica se modeliza mediante un circuito, que representa a
los conductores y su retorno por tierra, más las impedancias y admitancias
terminales. La longitud total se divide en n - I células (ver fig. 2) de
longitud inferior a 500 m. y con longitudes y parámetros diferentes.
Cada célula se representa mediante un circuito en Õ,
tal como se indica en la figura 3, siendo:
[ | ] k Vector de corrientes longitudinales en
la sección k.
[ V ] k Vector de potenciales en la sección k
[ F ] k Vector de fe m longitudinales
inducidas en la sec k
[ Z ] k Matriz de impedancias en la sección k
[
Y ] k Matriz de coeficientes de admitancia
en la sección k
El vector de f.e m. Longitudinales correspondientes a cada armónico se
calcula con el mismo procedimiento que el indicado en el cálculo de la tensión
en régimen permanente, considerando que la impedancia mutua y la corriente
inductora dependen de la frecuencia y por tanto serán distintas para cada uno
de los armónicos [6].
Los elementos pasivos del circuito equivalente, matrices [Z] e [Y1, se
calculan siguiendo el criterio de comparación de energía, es decir, la energía
del sistema real, expresada mediante la formulación de campos, debe coincidir
con la del circuito equivalente expresada mediante sus parámetros.
Relacionando ambas formulaciones aplicadas a la geometría del cable
telefónico, y con las simplificaciones antes indicadas, se obtienen [4] [6] los
valores de los diferentes elementos pasivos del circuito equivalente.
Los cálculos de los diferentes efectos perturbadores, se han
implementado en un programa de ordenador, denominado TAV - SUR, escrito en
FORTRAN - VAX.
Este programa de ordenador permite, a partir de los datos de entrada
(geometría, cable telefónico, admitancias terminales, corrientes
perturbadoras, conductividad del terreno, etc.), calcular la tensión inducida
para las diferentes posiciones del cortocircuito y de la máquina, el ruido
sofométrico en ambos extremos de la línea y el potencial de tierra a una
cierta distancia de la línea de tracción.
En el documento [2], denominado Manual de Utilización, se describe el método
para efectuar los cálculos y el formato de los ficheros correspondientes.
La fig. 4 muestra la disposición de la línea de tracción eléctrica (TAV)
y la telefónica (TZ-3) en un tramo de la futura línea Madrid Sevilla.
En
este tramo se han realizado los estudios que se describen a continuación, lo
cual constituye un ejemplo de aplicación del método de cálculo.
Figura 4. Disposición relativa TAV/ Línea
Telefónica
Figura 5. Capacidades distribuidas.
Figura 6. Impedancias
terminales (cable)
Se han supuesto los casos de cable (fig. 5 y fig. 6) y de línea aérea
de hilo desnudo (fig. 7).
Figura 7. Impedancias terminales (hilo desnudo)
- En el primero se estudia la influencia sobre el ruido sofométrico del
desequilibrio terminal o de línea (capacitivo o resistivo).
- En el segundo se estudia la distribución de tensiones a lo largo de
los nodos en los que se ha dividido la línea de telecomunicación.
Estudio del ruido sofométrico: Las fig. 8 y 9 muestran los valores de
ruido sofométrico en función del desequilibrio capacitivo La fig. 10 muestra
dicho ruido sofométrico en función del desequilibrio terminal.
(cable)
De las gráficas anteriores se deduce que:
(a) El
ruido es nulo cuando la situación es de equilibrio. Era previsible ya que es
precisamente el desequilibrio el que transforma las tensiones longitudinales en
transversales, que son las percibidas en el terminal del usuario.
(b) Se
puede observar la importancia que va a tener el desequilibrio terminal o de las
líneas de las instalaciones situadas en las proximidades del trazado del TAV.
El ruido es mayor en la situación de línea aérea de hilo desnudo que
en el caso de cable.
Estudio de las
tensiones a lo largo de la línea.
La fig. 11 muestra los valores de ruido sofométrico entre los hilos del
par a lo largo de la línea de telecomunicación, en el caso de un cable con
desequilibrio terminal ( Y (8) = I / 154,5 mho.) y de línea(Cx= 138nF).
La fig. 12 muestra los valores de tensión respecto de tierra en los
diferentes nodos de la línea en los casos de cable e hilo desnudo, para la
frecuencia de 50 Hz. y de 850 Hz.
El programa de cálculo permite evaluar la distribución de tensiones a
lo largo de la línea.
Esto es especialmente importante a la hora de definir las necesarias
protecciones frente a elevaciones de potencial superiores a las indicadas en los
limites definidos por el CCITT, ya que permite detectar el tramo y zona
realmente problemático, optimizando la solución.
El objetivo final del programa es obtener un soporte adecuado para
evaluar las interferencias y las soluciones adoptadas para cumplir los limites
especificados.
Se ha realizado un estudio teórico de los diferentes efectos
perturbadores y del procedimiento de cálculo. Y se ha utilizado un programa de
ordenador que permite calcular los niveles de interferencia.
Actualmente se están estudiando las protecciones idóneas frente a cada
tipo de problema y en las diferentes situaciones posibles en planta, y está
prevista la realización de medidas de campo.
De los primeros estudios se deduce que se van a obtener en muchos casos
niveles de tensión y/o de ruido sofométrico superiores a los permitidos por el
CCITT, lo que obligara a modificar en su caso la red telefónica incluyendo
elementos de protección.
En relación con el ruido sofométrico, el estudio realizado demuestra
que es posible evaluar de forma cuantitativa la importancia del desequilibrio
terminal o de línea en una caso practico.
Es fundamental poder realizar un cálculo productivo que permita
localizar el posible lugar y tipo de problema, sirviendo de soporte a la
planificación de nuevas líneas, optimizando su diseño tanto desde el punto de
vista técnico como económico.
8 - REFERENCIAS
1.
Telefónica I+D: "Proyecto de estudio de la compatibilidad
electromagnética en el entorno del Tren de Alta Velocidad", Informe de la
Fase 1, Sep. , 1989
2.
Telefónica I+D”: T.A.V. - SUR, Manual de uso provisional", Sep. , 1989
3. A. Deri y G. Tevan, "Mathematical verification of Dubanton's
simplified calculations of overhead transmission line parameters and its
physical interpretation", Archiv f,r Elektrotechnick 63 ( 1981 ) pp.
191-198.
4.
Ramo, "Campos y Ondas", Pirámide SA, 1974
5. CCITT: "
Directives concemant la protection des lignes de Telecomunication contre les
actions nuisibles des lignes electriques ", ed. 1963
6. CCITT: " Directives concerning the protection of
Telecommunication lines against harmful effects from electric power and
electrified railways lines ", volumen III, draft 1988.
7. Telefónica Sub. Gen. Tecnología "Protección
de las líneas de telecomunicación contra las inducciones originadas por la
corriente de cortocircuito entre una fase de una línea de energía y
tierra", Norma técnica nt.f7.00 1, dic. 1985.