Protección contra sobretensiones para sistemas de transporte ferroviario y de señalización: alimentación de tracción, armarios en el margen de la vía y líneas de señalización

Las redes de transporte ferroviario concentran infraestructuras eléctricas de alta energía y equipos electrónicos críticos para la seguridad en el mismo corredor. Las subestaciones de tracción, los sistemas de catenaria, los edificios de señalización, los armarios a lo largo de las vías y los largos tendidos de cables interactúan todos mediante rutas compartidas, bandejas comunes y referencias de tierra comunes. Por ello, una protección eficaz contra sobretensiones en el ferrocarril debe planificarse a nivel de sistema, y no dispositivo por dispositivo.

Este artículo recorre las principales zonas de una instalación ferroviaria y explica cómo se seleccionan y coordinan, por lo general, los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) en cada una de ellas. Distingue la alimentación de tracción en corriente continua de las fuentes auxiliares en corriente alterna, analiza las tensiones específicas a las que están sometidas las líneas de señalización y comunicación, y destaca los factores ambientales —vibraciones, variaciones de temperatura, longitud de los cables y trayectorias de retorno a tierra— que influyen en el diseño funcional.

Un enfoque zonificado para la protección contra sobretensiones en ferrocarriles

El marco más común para estructurar la protección es el concepto de zona de protección contra rayos definido en   IEC 62305-4 , que aborda los sistemas eléctricos y electrónicos dentro de las estructuras. En el contexto ferroviario, la zona exterior (LPZ 0) incluye el sistema de catenaria, los mástiles y las vías expuestas a lo largo de la línea; el LPZ 1 cubre los armarios, los refugios y el recinto del edificio de señalización; el LPZ 2 abarca los espacios interiores protegidos donde funcionan los módulos de enclavamiento y control.

Cada límite de zona es un punto en el que la energía de las sobretensiones debe reducirse de manera controlada. Los dispositivos supresores de sobretensiones (SPD) instalados en dichos límites desvían una parte de la sobretensión hacia la red de puesta a tierra y conexión equipotencial, de modo que los equipos situados aguas abajo perciben un nivel residual más bajo. El principio es sencillo, pero en los sistemas ferroviarios estos límites se extienden a lo largo de varios kilómetros, lo que hace que el diseño de la puesta a tierra y la conexión equipotencial sea tan importante como la selección de las características de los SPD.

Dado que cada operador y cada proyecto aplica sus propios estándares y normas de EMC sobre la base del marco de la IEC, el plan de zonificación suele quedar definido por la especificación del proyecto. La selección de los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) se deriva entonces de dicho plan. Una visión más amplia de cómo se aplica esto en las distintas aplicaciones del sector del transporte está disponible en nuestro…   soluciones de protección contra sobretensiones  page.

Potencia de tracción: tracción en corriente continua y suministros auxiliares en corriente alterna

Circuitos de tracción de corriente continua

Los sistemas de tracción en corriente continua, habitualmente a 750 V o 1500 V CC en aplicaciones de metro y tren ligero, se comportan de manera diferente a las redes de corriente alterna durante un evento de falla o de sobretensión. Un arco eléctrico en corriente continua no se extingue por sí mismo en el cruce por cero de la corriente; por ello, las operaciones de conmutación y la interrupción de la corriente de seguimiento imponen exigencias más elevadas a los dispositivos de protección. Por consiguiente, el protector contra sobretensiones para sistemas de tracción destinado a estos circuitos se selecciona entre las familias de SPD homologados para corriente continua, con una tensión máxima de servicio continua que abarque tanto el nivel nominal como las sobretensiones generadas por el frenado regenerativo.

Los puntos de instalación típicos incluyen el tablero de corriente continua de la subestación, los puntos de alimentación y de seccionamiento a lo largo de la línea, y los puntos de distribución de corriente continua en el margen de la vía. SPD de DC Los sistemas de baja tensión de hasta 1500 V CC están cubiertos por la familia de requisitos IEC 61643‑41, y las especificaciones del proyecto pueden añadir condiciones de ensayo específicas para el sector ferroviario.

Suministros auxiliares de CA

La alimentación auxiliar es un tema aparte. Los servicios de la estación, las fuentes de alimentación de señalización, la iluminación de los andenes y los alimentadores de los armarios a lo largo de las vías suelen suministrarse desde redes de corriente alterna convencionales, por ejemplo, sistemas de 230/400 V. Estos circuitos emplean dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) homologados para corriente alterna: dispositivos de tipo 1 en las entradas de servicio, donde se prevé una componente parcial de la corriente de rayo, y dispositivos de tipo 2 en los cuadros de distribución aguas abajo.

En el lado de corriente alterna, las comprobaciones clave son el voltaje máximo de operación continua del SPD en relación con el voltaje del sistema, la configuración de puesta a tierra (TN, TT o IT, según se indique en el diagrama unifilar del proyecto) y la coordinación entre los niveles aguas arriba y aguas abajo. Las familias de productos estándar, tales como   SPDs de alimentación de CA   Cubrir estas aplicaciones, tomando las calificaciones finales del diseño del proyecto en lugar de suposiciones.

Señalización de edificios y salas de enclavamiento

El edificio de señalización concentra la electrónica más sensible del sistema: procesadores de enclavamiento, unidades de evaluación de contadores de ejes, interfaces de control de trenes y pasarelas de comunicación. Asimismo, agrupa las líneas entrantes: alimentadores de energía, cables de señalización y enlaces de telecomunicaciones atraviesan el recinto del edificio, y cada uno de estos cruces constituye una posible vía de entrada para sobretensiones.

Una configuración habitual es una defensa escalonada en el lado de la red: un SPD de tipo 1 o un SPD combinado tipo 1+2 en la entrada principal, SPD de tipo 2 en los cuadros de distribución secundarios y protección en el punto de uso para las cargas críticas cuando el proyecto así lo exige. En el lado de la línea, cada cable que entra o sale del edificio suele equiparse con un SPD de señal adaptado a la interfaz, instalado en el marco de entrada mediante derivaciones de puesta a tierra cortas y directas.

Dos detalles suelen determinar si el diseño funciona en la práctica. En primer lugar, todos los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) del edificio deben estar conectados a la misma barra de puesta a tierra equipotencial, de modo que los niveles de protección se establezcan con respecto a una toma de tierra común y no a tierras separadas. En segundo lugar, la protección de las líneas de alimentación y de señal debe considerarse de manera conjunta: una sobretensión desviada en la línea de alimentación eléctrica sigue elevando el potencial de tierra local, y son los SPD instalados en las líneas de señal los que evitan que ese aumento se refleje en las interfaces sensibles.

Las fuentes de alimentación de señalización suelen incluir sistemas con UPS o respaldados por baterías, y la coordinación de los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) debe tenerlos en cuenta. Una sobretensión desviada aguas arriba del UPS aún puede someter a estrés su etapa de entrada; por ello, es habitual prever protección tanto en la entrada del UPS como en la distribución de salida crítica. Los contactos de estado de los SPD suelen conectarse al sistema de monitoreo del edificio, de modo que un módulo deteriorado activa una alarma de mantenimiento en lugar de fallar de forma silenciosa.

Armarios de bordo de vía: vibración, temperatura y cables largos

Los armarios de vía se encuentran en el entorno eléctrico más severo del sistema. Están a varios metros de las líneas de corriente de tracción, conectados mediante tendidos de cable que pueden extenderse por cientos de metros, y expuestos a las condiciones climáticas propias de la zona. La protección contra sobretensiones para estos emplazamientos suele especificarse teniendo en cuenta el entorno, y no únicamente las características eléctricas.

La vibración generada por los trenes que pasan es continua, y los equipos montados en armarios suelen estar sujetos a requisitos de vibración y choque a nivel de proyecto. En el caso de los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD), esto implica prestar especial atención a la construcción mecánica, al diseño de los terminales y al método de montaje, así como a aplicar el par de apriete adecuado y realizar verificaciones periódicas durante el mantenimiento. La temperatura constituye el segundo factor de estrés: las cajas instaladas junto a las vías pueden experimentar amplias variaciones estacionales; por ello, el rango de temperatura de funcionamiento declarado del SPD debe abarcar las condiciones del lugar con un margen suficiente.

Desde el punto de vista eléctrico, los cables de alimentación y de señalización de gran longitud constituyen la vía de acoplamiento predominante. Los rayos que impactan en el sistema de contacto o en el suelo cercano, así como las maniobras de tracción, pueden inducir sobretensiones significativas a lo largo de estas líneas. Por ello, los armarios suelen incorporar un dispositivo supresor de sobretensiones (SPD) de potencia en el cable de alimentación entrante y SPDs de señalización en cada línea externa, todos conectados mediante conexiones cortas a la barra de tierra del armario. Cuando el armario se encuentra alejado del edificio de señalización, la protección en ambos extremos de la línea es una exigencia habitual en los proyectos.

La disposición del armario también influye en el rendimiento de la protección. Mantener separados los cables de entrada y de salida, derivar los conductores de puesta a tierra de los dispositivos de supresión de sobretensiones directamente hacia la barra de tierra en lugar de conectarlos en cadena a través de otros equipos, y dejar espacio suficiente para el reemplazo de los módulos son detalles menores que suelen determinar si el nivel residual instalado coincide con las expectativas especificadas en la hoja técnica. Cuando los armarios se actualizan o reacondicionan a lo largo de la vida útil de una línea, documentar las ubicaciones de los dispositivos de supresión de sobretensiones y el trazado de los conductores en los planos del armario facilita que el mantenimiento posterior preserve la coordinación original.

Líneas de comunicación y señales

Las líneas de señalización y de comunicación son los puntos en los que la protección incide de manera más directa sobre la disponibilidad. Las conexiones de contadores de ejes, las alimentaciones de los circuitos de vía, el control de los aparatos de cambio de agujas, los enlaces de datos del sistema de enclavamiento, así como las redes de videovigilancia y de información al pasajero, dependen todos de interfaces que solo toleran sobretensiones limitadas. La selección de un SPD para señalización ferroviaria parte precisamente de la propia interfaz: tensión nominal, tipo de señal, velocidad de transmisión de datos y número de pares o conductores a proteger.

La pérdida de inserción y la pérdida de retorno son importantes en las líneas de datos de alta velocidad, mientras que en las líneas de control de baja frecuencia o de corriente continua pueden resultar más relevantes la resistencia en serie y el comportamiento de fuga del SPD. Los SPD destinados a redes de telecomunicación y señalización se abordan mediante   IEC 61643-21 , que define sus requisitos y métodos de ensayo. Familias de productos como   SPDs de señal y de datos   Luego se comparan con cada interfaz según la hoja de datos, en lugar de basarse en suposiciones.

Las trayectorias de retorno a tierra merecen una atención explícita en los sistemas ferroviarios. Los rieles de rodadura suelen transportar la corriente de retorno de tracción, y las diferencias de potencial a lo largo de la vía pueden manifestarse entre dos armarios durante el funcionamiento normal, elevándose de forma brusca en caso de fallas o de descargas atmosféricas. Los SPD de señal desvían las sobretensiones hacia el punto de puesta a tierra local; por ello, la calidad de dicha puesta a tierra —sección del conductor, trazado y separación respecto de los conductores de retorno, según lo establecido por las normas del proyecto— determina en gran medida el nivel residual de tensión en la interfaz.

Cabe señalar que la selección de SPD no sustituye los requisitos propios de protección contra rayos e inmunidad del fabricante del equipo de señalización. Los niveles de protección de las interfaces deben coordinarse con la documentación del equipo y, en los subsistemas relacionados con la seguridad, cualquier modificación de la protección de las líneas suele estar sujeta al proceso de aprobación del proyecto.

Plataformas y túneles

Los sistemas de plataformas y túneles combinan cargas de energía y señales en espacios confinados: iluminación, ventilación, videovigilancia, megafonía, pantallas de información para pasajeros, radio y telefonía. Los túneles añaden sus propias limitaciones: acceso restringido para el mantenimiento, alta humedad en algunos tramos y canaletas donde las líneas de alimentación y de comunicación se disponen paralelamente a lo largo de largas distancias.

La protección en este caso sigue, en términos generales, la misma lógica por etapas que en otros lugares. Los cuadros de distribución del túnel están equipados con descargadores de sobretensiones de tipo 2, coordinados con la protección de la subestación aguas arriba, mientras que las líneas de CCTV, de megafonía y de datos se instalan con descargadores de señal en las entradas de los armarios. Cuando las líneas de cámaras o sensores recorren largas distancias a lo largo del túnel, suele añadirse también protección en el extremo de campo.

Dado que las ventanas de acceso en los túneles son breves y poco frecuentes, la mantenibilidad se convierte en un criterio de selección. Los módulos SPD conectables con contactos de señalización remota permiten supervisar el estado desde la sala de control y programar su sustitución durante las ventanas de trabajo previstas, en lugar de después de una avería.

La disciplina en el uso de bandejas portacables también resulta relevante en este caso. Cuando las líneas de alimentación y de comunicación deben compartir los mismos recorridos, las normas de EMC del proyecto suelen establecer separaciones mínimas o medidas de apantallamiento; respetar estas disposiciones reduce, en primera instancia, la amplitud de las sobretensiones que los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) de señalización deben soportar. Los sistemas de control de las puertas de plataforma y los sistemas de emergencia, cuando están instalados, suelen considerarse circuitos independientes, con su propio análisis de protección, dado que sus requisitos de disponibilidad difieren de los de los servicios generales.

Lista de verificación de parámetros de CA / CC / señal

La tabla a continuación resume los principales parámetros que suelen verificarse al especificar los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) para cada familia de circuitos en un proyecto ferroviario. Los valores dependen del proyecto y deben confirmarse con base en las hojas de datos y la especificación del proyecto.

Nota: Los valores de los parámetros no se fijan deliberadamente en este documento; dependen del voltaje del sistema, del tipo de interfaz y de las normas del proyecto. Esta lista de verificación constituye una herramienta de revisión, no un sustituto de la especificación del proyecto.

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