Interferencia  Electromagnética generada por el Tren de Alta Velocidad en los Sistemas de Telefonía

 

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1-INTRODUCCIÓN

 

     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.

 

2 - LÍNEA PERTURBADORA

                                                                                                                                Ir al principio

     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.

 

                               

                                                     Figura 1a

                                                                                                                  Ir al principio

        - 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.

 

 

 

                               Figura 1b

 

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        - 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.

 

 

 

                         Figura 1c

                                                                                                              Ir al principio

         - 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

 

 * Armónicos: La máquina de tracción incluye un rectificador de la señal alterna que va a generar armónicos que se van a transmitir a la linea de tracción y se inducen  a través de esta en los circuitos de telecomunicación próximos  produciendo tensiones a dichas frecuencias en estos circuitos. La máquina debe incluir un filtro atenuador de interferencias que reduzca la emisión de los armónicos hacia la línea de tracción.

3 - EFECTOS PERTURBADORES                                                                                        Ir al principio    

 

     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.

                                                                                                                              Ir al principio

     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 ).

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4 – METODO DE CALCULO

    

      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.

  
- Inductancia mutua entre las líneas de tracción y telefónica.
     Se supone que la corriente de retorno por tierra está concentrada en un plano ficticio a una profundidad p (compleja) bajo la superficie real de la tierra, siendo:

                                                                                                              Ir al principio

       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:

                                                                                                                                      Ir al principio

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

                                                                                                                                  Ir al principio

     - 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.

 

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                  Figura 2. Subdivisión en células

 

 

     Cada célula se representa mediante un circuito en Õ, tal como se indica en la figura 3, siendo:

 

 

   

  Figura 3. Circuito equivalente de una célula

 

                                                                                                                                                                          Ir al principio

     [ | ] 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

                                                                                                                                                                         Ir al principio

     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.

 

5 - HERRAMIENTA DE CALCULO

 

     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.

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6 - APLICACIONES

 

      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

 

                                                                                                              Ir al principio

   

 

       

                    Figura 5. Capacidades distribuidas.

 

 

 

 

 

                    Figura 6. Impedancias terminales (cable)

                                                                                                                                        Ir al principio

 

     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)

       Los cálculos que se realizan se dividen en dos apartados:

        - 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.                                                                                                  Ir al principio

     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.

   

 

 

 

 

   Figura 8. Ruido/ desequilibrio capacitativo

                   (cable)

 

                                             

                                                                           Ir al principio

 

 

   Figura 9. Ruido/ desequilibrio capacitativo (hilo desnudo)

 

     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.

 

 

                                                                              Ir al principio

 

 

 

     Figura 10. Ruido/desequilibrio resistivo

   

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.

 

 

                                                                              Ir al principio

        

 

 

 

  Figura11.Ruido/Longitud

 

 

 

 

        

 

 

  Figura 12. Tensiones absolutas/longitud                                                                    Ir al principio

 

     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.

   

7 - CONCLUSIONES

 

     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.                                                         Ir al principio

     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

                                                                                                                                  Ir al principio

  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.

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