ES2355681B1 - Descargador de intervalos y sobretensiones polarizado para líneas de ferrocarril electrificadas en corriente continua. - Google Patents

Abstract

Dispositivo de protección de equipos eléctricos ferroviarios y de las personas, contra los efectos producidos por contactos eléctricos de la catenaria con cualquier elemento de la infraestructura de la línea de ferrocarril.#Constituido por un rectificador de alta potencia (R) polarizado entre red de tierras y carril, equipado con disipador de calor (DS). Conjunto de varistores ignífugos escalonados de potencia (V), descargador de gas metalcerámico energético (DG) y seccionador de seguridad (S).#Instalado en intervalos regulares en la línea , ante un contacto de la catenaria con cualquier elemento de la infraestructura, ocasiona un cortocircuito direccional tierra-carril provocando el disparo seguro de los disyuntores extrarrápidos de las subestaciones colindantes, interrumpiendo automáticamente la alimentación de catenaria. Las sobretensiones transitorias tierra-carril son absorbidas de modo que permanezcan dentro de los márgenes tolerables por los equipos y las personas.#Elimina todo riesgo eléctrico derivado del contacto eléctrico entre la catenaria y la infraestructura férrea.

Description

Descargadorde intervalosysobretensiones polarizadopara líneasde ferrocarril electrificadasen corriente continua.

Sector de la técnica

La presenteinvenciónse refiereaunequipo electrónicoparala proteccióndelosequipos eléctricosydelas personas usuarias de las instalaciones ferroviarias electrificadas en corriente continua, contra los cortocircuitos producidos por contactos eléctricos accidentales o permanentes de la catenaria de las líneas de ferrocarriles, tranvías, metros, etc., con los elementos de la infraestructura férrea. Así como para la protección de las mismas contra las sobretensiones transitorias.

El dispositivo se instala a intervalos regulares a lo largo de la línea de ferrocarril, entre la red de tierras de la infraestructuraylos raíles, graciasal cual anteun cortocircuitodela catenaria (+1500Vcc) con cualquier elementode la infraestructura se desconectan automáticamenteyde manera totalmente segura las alimentaciones eléctricas dela líneade ferrocarril, eliminando completamente todaslas tensiones peligrosasytransferenciasde potencialquepuedan aparecer entre los carriles, las tierras colindantes, las personas, vehículos, etc., eliminando el riesgo de electrocución yno quedando afectados por estos cortocircuitos las instalaciones cuyas líneas dispongan de estos equipos.

Todaslas sobretensionesde origen atmosféricoylas transitoriaslas tierra-carrilode cualquier otrotipo peligrosas, son eliminadasydisipadasa travésde tierra, no afectandoa los equiposelectrónicosnial restode las instalaciones protegidas por los mismos.

Estado de la técnica

Las líneasde ferrocarril, metropolitanosyde tranvías están alimentadas en corriente continuaa tensionesde 3500 Vcc,1500Vccy750Vcc respectivamente,pormediode subestacionesequipadascon rectificadoresdegranpotencia, capaces de suministrar intensidades de corriente del orden de 2500 A.

El polo positivode los rectificadores se conectaala catenariayel negativo se conectaa los carrilesa travésde los “feeders”, alimentandodeeste modoa las locomotorasymáquinasde tracción.

Los rectificadores de las subestaciones disponen de disyuntores extrarrápidos tarados a intensidades del orden de 2000 A, cuya misión es la de desconectar la alimentación de la línea férrea en caso de circular por la catenaria intensidades superiores. Su tiempo de actuación es de 0,2 segundos.

La catenaria se suspende por mediode aisladores,de los postes metálicosóde hormigón instalados regularmente a lo largo de las vías.

Alo largo de la línea dispone de un cable de tierra, que suele ser de cobre de 95 mm2 de sección, al cual se conectan todoslos postesyelementos metálicosque soportanlas catenariasyel restodelasestructuras metálicasexistentesa lo largo de las vías. La instalación del mismo se realiza en aéreo, soportado por los mismos postes de la catenaria, o en subterráneo, directamente enterrado en zanja. Se encuentra conectado a tierra a por medio de electrodos verticales de toma de tierra a intervalos regulares.

Cuando se producen incidencias de descargas de origen atmosférico (rayos) en las partes metálicas de la infraestructura, estas se canalizan a tierra, a través de esta red de tierra.

En este sentido, pueden producirse:

a) Perforaciones de un aislador de la catenaria.

b) Contactos directos de estas con los soportes metálicos de la línea o elementos de la infraestructura.

c) Caídas de catenaria, pértigas de puesta a tierra.

d) Defectos interno de un motor de tracción. Etc.

En estos casosse produceun cortocircuito entrela catenariayelsistemade tierras, dandolugara una circulación de corriente continua, peligrosaydeelevadovalor,que circulaentreelpolo positivoyelnegativodelos rectificadores, a través de las siguientes resistencias:

1) La resistencia de la catenaria hasta el punto del defecto.

2) Resistencia del cabledetierra desdeel punto del defecto hastael puntode puestaa tierra mas próximo.

3) ResistenciadeTomadeTierrade los electrodosdela redde tierras.

4) ResistenciadelaTomadeTierra del negativode los rectificadores.

Estas corrientesde cortocircuito(del ordende 1000Apor ejemplo), provocan diferenciasde potencial peligrosas entre las tierras,la infraestructura metálicaylos raíles.

Sinembargo,nosonde suficiente intensidadpara desconectarlos disyuntoresextrarrápidosdeproteccióndelas subestaciones, manteniéndose por tiempo indefinido la circulación de las mismas, con el consiguiente peligro que este fenómeno conlleva.

Es frecuente el empleo de limitadores de sobretensiones de sobretensiones transitorias exclusivamente, a base de semiconductoresódescargadoresdegas.

Losprimerosporsímismos,no constituyenunaproteccióneficaz,porquesonincapacesdesoportarestas corrientes de cortocircuito sin deteriorarse.

Los segundostampoco, porque antelapresenciade una corriente continua se quedan cebados permanente, debido aquenoexisteinversióndela polaridadenla corrienteyaquelas tensionesdeextincióndel arcodelos descargadores son bajas. Por otra parte, tampoco son capaces de soportar estas corrientes de cortocircuito.

Para evitar estos inconvenientesy asegurar una protección eficaz de las personasy de los equipos eléctricosy electrónicos asociados a las instalaciones ferroviarias, se ha desarrollado unos equipos de protección contra los cortocircuitos entre catenariaytierra polarizados, muy potentesyeficientes (4000 A), teniendo en cuenta la naturaleza de los fenómenos que los originan, que instalados a intervalos regulares, provocan el disparo cierto de los disyuntores extrarrápidos de las subestaciones colindantes sin deteriorarseyque desconectan la instalación automáticamentela alimentación de la línea.

Todas las sobretensiones de origen atmosféricoylas transitorias las tierra-carrilyviceversaó de cualquier otro tipo peligrosas, son eliminadasydisipadasa travésde tierra, no afectandoa los equipos electrónicosnial restodelas instalaciones protegidas por los mismos.

Por todo ello el descargador de intervalosy sobretensiones polarizado para líneas de ferrocarril electrificadas en corriente continua,esun eficaz protectordelas instalaciones ferroviariasydel personal contralos citados cortocircuitosylas sobretensiones transitorias.

Descripción de la invención

En las líneas de ferrocarril electrificadas en corriente continua, las tensiones de trabajo son de 3500 Vcc para trenes de larga distancia, 1500 Vccpara ferrocarriles metropolitanosy750 Vcc para tranvías.

La alimentacióndelos trenesse efectúaentrela catenariayelraílpor mediode rectificadores trifásicosdealto rendimiento, ubicadosenlassubestaciones,quedisponende disyuntoresextrarrápidos taradosaintensidadesdelorden de 2000 A, que desconectan automáticamente la línea en caso de circular por la catenaria intensidades superiores, con un tiempo de actuación de 0.2 segundos.

Antelaexistenciade contactos, defectos francosóesporádicosdela catenaria con cualquier partedela infraestructura de la instalación ferroviaria, o defectos internos por avería de los motores eléctricos, se producen unas corrientes continuasde cortocircuito,delpolopositivodel rectificadoralnegativo,cuyovalordependedelasumade resistencias que intervienen en el circuito:

-

Resistenciadela catenaria hastael punto del defectoRL.

-

Resistencia del cablede tierra desdeel punto donde se produceel defecto hastaelpuntodepuestaatierra mas próximoRT.

-

ResistenciadeTomadeTierrade los electrodosdela redde tierrasRTT.

-

ResistenciadelaTomadeTierra del negativode los rectificadores.

De todas estas resistencias que intervienen enel cortocircuito, las resistenciasde las catenariasylasde los cables de la red de tierras tienen unos valores despreciables con respecto a las resistencias telúricas de las tomas de tierra del negativodelos rectificadoresydelaredde tierras(10 Ω), motivo por el cual ante un contacto directo de la catenaria con cualquier elemento de le infraestructura metálica puesto a tierra, el valor de la intensidad de cortocircuito está limitado por estas ResistenciasdeTomasdeTierra.

Estodalugaraque muchasvecesse produzcan cortocircuitos entrela catenariaytierra(ó infraestructura porque están unidas) por los motivos expuestos, y que no actúen los disyuntores ultrarrápidos de desconexión, porque la intensidad de cortocircuito es extremadamente inferior a la de tarado de los mismos.

Loque significaamodode ejemplo,que podemostener pasosde corrientesdel ordende1200Aporla catenaria, con retornoalnegativodel rectificadoratravésdelas tierrasdela líneapermanentementesinquese desconectenlos disyuntoresde2500Apor ejemplo.),apareciendo tensionesyacoplamientosgalvánicosquedanlugara transferencias de potencialesentre carriles, tierras colindantesyelementosdela infraestructura ferroviaria,así como interacciones (como puede ser la corrosión) con otras infraestructuras metálicas enterradas ajenas a la línea, con el consiguiente peligro de electrocución que esto conlleva en zonas urbanas (tranvías), pasos a nivel (tren) ó zonas accesibles (metro).

Las corrientes de retorno de los motores de tracción al polo negativo de la subestación de ferrocarril a través de las puestasa tierra, corrientesvagabundas, provocan corrosión electrolítica en las infraestructuras metálicas enterradas próximas, en cuanto a distancia eléctrica se refiere.

Las descargasde origen atmosféricoylas causadas por maniobras del propio sistemade tracción provocan sobretensiones transitoriasdecorta duracióny valoresde cresta elevados.

Las descargas directas del rayoala catenaria,a los ralles,al suelo circundanteó a elementosdela infraestructura, provocan una sobre-elevación del potencial de la instalaciones con relación a las partes mas alejadas, dando lugar a la aparición de elevadas d.d.p. entre las mismas.

Cuando una descarga impactaenel suelooen otraestructura metálica diferentedeladel ferrocarrilen cuestión,se produceuna distribucióndepotencialensueloenesepuntoquedependedela resistividaddelmismoydela intensidad dela descarga,porloque todaslas infraestructuras metálicas están sometidasa potencialesdiferentes,en funciónde la distancia, longitudde las mismas, resistividadyestratificación del suelo, etc.

El gradodeexposiciónal rayoylas sobretensiones en laslíneasdeferrocarril para formasde onda 8/20y10/350 µseg. es extremadamente elevado, lo que provoca frecuentes averías en el equipamiento eléctrico sensible conectado a los feeders.

Con objeto proteger los equipos eléctricosylas personas usuariasde las instalaciones ferroviarias electrificadas en corriente continua, contra estos fenómenos seha desarrolladoel descargadorde intervalosysobretensiones polarizado para líneas de ferrocarril electrificadas en corriente continua, en adelante descargador, que instalado a intervalos regulares enlas líneasde ferrocarril,canaliza estos cortocircuitosa travésde los raílesyelimina completamente todas las tensiones peligrosasytransferenciasde potencialquepuedan aparecer entrelos carriles,las tierras colindantes,las personas, vehículos, etc, siendo por otra parte un eficiente sistema de protección catódica.

Todaslas sobretensionesde origen atmosféricoylas transitoriasque puedan aparecer entrelas tierrayel carrilo de cualquier otro tipo peligrosas, son eliminadasydisipadas, no afectandoa los equipos electrónicosnial restodelas instalaciones protegidas por los mismos.

Está constituidoporun armariode acero(1)de600x400x300mmencuyo interiorse ubican sobreplaca aislante cinco conjuntos bien diferenciados: Rectificador de alta potencia constituido por diodos (2) polarizados entre tierras ycarril, equipado con disipador de Calor (3), conjunto varistores metal-óxido ignífugos escalonados de gran potencia

(4) Descargadordegas metal cerámicodealta potencia (5), seccionadorde seguridad (6), borna conexiónala redde tierrasdela infraestructura férrea (7). borna conexiónal raíl (8), taly como se puede observar enla figura1.

Eléctricamente el descargador está constituido por un rectificador alta potencia (2) constituido por diodos de idénticas características, equipado con un disipadorde calor (3), instaladoentrelaredde tierrasdela líneaférreayel raíl que al producirse un contacto de la catenaria con cualquier elemento de la infraestructura, da lugar a un cortocircuito a través cable de tierrayde los raíles de la línea férrea, cortocircuitandoyeliminando las resistencias de las puestas atierra(20)enelcaminode retornoyportantocon intensidadsuficienteparaprovocareldisparodelosdisyuntores extrarrápidos de las subestaciones colindantes. Este rectificador conduce la corriente en el sentido red de tierras-carril ynoen sentido contrario,porloquelaredde tierrasnoqueda afectadaporlasvariacionesde tensiónquese produzcan en los raíles, tal como muestran las figuras1y2.

En derivación con el rectificador dispone de dos conjuntos de protección, uno de varistores escalonados en tensión de alta potencia (4)y otro de descargadores metal cerámicos de alta potencia (5), cuya misión es la de proteger al rectificador, alas personasy alos equipos asociados contralas sobretensiones transitorias(verfigura1).

En casode producirse un contactoypor tanto un cortocircuito entrela catenaria(+)ycualquier elementodela infraestructura conectadoalaredde tierras,segúnla figura2,la corrientede cortocircuito circularádesdela subestación (10), a través de los fedders (14), de la catenaria (15) hasta el punto donde se ha producido el defecto (17), el cable de cobre de tierra de la instalación (16) hasta la ubicación de los descargadores, siguiendo a través del raíl (18), hasta el rectificador (-) de la subestación (11). (ver figura 2).

Siemprequelas resistenciasylos elementosque intervienenenelcircuito permitanelpasode corrientes superiores a las del tarado de los disyuntores extrarrápidos, estos desconectaran la instalación en caso de cortocircuito.

El descargador provoca la desconexión de las subestaciones cuando un defecto se produce en un entorno concreto, respectoala ubicacióndel mismo.La longituddel entorno dependedela distanciaalas subestacionesyfundamentalmentedela resistenciadelos conductoresde tierra, puestoquesuresistencia kilométricaesmuy superioraladela catenariay alade los raíles.Enla realidad estosvalores quevaríande unas instalacionesa otras son del orden de:

Como orden de magnitud, los intervalos de protección son de 800 m.

Fórmulas generales para el dimensionado de la protección en los tramos

Vs esla tensiónde alimentacióndela catenaria enVoltios. Io es el tarado del disyuntor extrarrápido en Amperios. rL es la resistencia de la línea/catenaria en Ω/Km. rc es la resistencia del carril Ω/Km. rT es la resistencia del cable de tierras en Ω/Km.

Distancia máxima de separación entre Subestación (10) y (11) -Primer DI

Ala hora de dimensionar la distancia de separación del equipo a la subestación, deberá calcularse del siguiente modo:

dondeL esla distancia entre subestaciones en Km.

Distancia máxima de separación entre descargadores de intervalos DI-DI

Ala hora de dimensionar la distancia de separación entre equipos, deberá calcularse delsiguiente modo:

dondeLesla distanciaen kilómetros desdela subestaciónhastael defectoenelpeor caso (habitualmentela mitad de la distancia entre subestaciones).

El rectificador(2)deldescargadorescapazdesoportar corrientesdecortocircuitosuperioresa4000Aconunarespuesta instantánea que proporcionan los semiconductores, suficientes para provocar la desconexión de los disyuntores de las subestaciones sin deteriorarseydisponede tensionesinversasde 5000V.

Este drenaje polarizado que constituye el rectificador impide la circulación de corrientes en el sentido raílescatenaria aunqueel potencialdelraílsea superioradelaredde tierras,evitandola circulaciónde corrientesvagabundas atravésdelaredde tierrasypor tanto corrosión electrolíticaenlas infraestructuras metálicasycables enterrados,al constituirse estos como conductores de las corrientes vagabundas en su retorno al negativo del rectificador de la subestación.

Esta funciónde drenaje eléctrico polarizadode que disponeel descargador, constituyeel mas eficiente sistemade protección catódicayanticorrosivaparalas instalaciones metálicas enterradas, canalizael desplazamientodelosiones positivos causantesdela corrosión electrolíticaenlasmismasatravésdelos cablesde conexión,enunasola dirección.

Para esta funciónel positivo del descargador se conectaala instalacióna protegeryel negativoala instalación causantedela misma, por mediode cablede cobre,evitandola corrosión electrolíticade las instalacionesy redes metálicas enterradas ocasionadaspor corrientes telúricasyvagabundas,fugaseléctricasatravésdel suelodelíneasde trenyotrostiposde industrias, fundamentalmentelasque funcionanen corriente continua, aunqueno estánexentas las de corriente alterna, porque el fenómeno de la corrosión no es reversible.

Cuando se emplea como sistema protección catódica, se suele ubicar en el punto de la infraestructura subterránea donde el potencial electrolítico respecto al suelo es mayor, que suele coincidir con las proximidades de los polos negativos de los generadores causantes de la corrosión.

Descripción de los dibujos

Para una mejor comprensióndelo descrito enla presente memoria, se acompañan dos dibujosque representan un caso practico de construcción, en los dos dibujos los números representan elementos equivalentesyque realizan la misma función.

La Figura Nº1representa con detalle el esquema eléctrico del descargadory en el están representados todos los elementos quelo componenyla formade interconectarse.

La Figura Nº 2 facilita la comprensión del funcionamiento de varios descargadores instalados en las líneas de ferrocarril,los intervalosde protección,ynossirveparaexplicarsu funcionamientode manera coordinadaconelresto delas instalaciones. Permite identificarla ubicacióndelosmismos respectoalas subestaciones,verla ubicaciónde lastomasde tierradela infraestructura férrea, disyuntoresextrarrápidosytodosloselementosqueintervienensufuncionamientoyen esenciasu aplicación industrial.Paraunamayor claridaddeinterpretación,solosehan representado los conjuntos que forman parte del descargador.

Modo de realización

Tal como muestra la figura 1, en paralelo con el rectificador (2) se dispone un conjunto de varistores ignífugos escalonados en tensión (4), de alta potencia, gracias al los cuales se mantienen las tensiones transitorias inversas dentro deunvalor máximode615Vccpara formasdeonda8/20 µseg., tensiones inversas de pico asumibles perfectamente por los componentes sin deteriorarse (5000Vpico),yque constituye una eficaz protección para las personas.

En derivación con los conjuntos anteriores (2)y (4) dispone de un descargador degas metal cerámico de alta potencia(5)cuya misióneslade mantenerlas tensiones dentrodeunvalor máximode1000Vparaformadeonda tipo rayo 10/350 µseg. Este conjunto de descargadores tienen una tensión de cebado tal que permite el funcionamiento delosvaristoressiempreenlaparteplanadesucurva característicaV =f(i),antesdelpuntoderupturadelosmismos, gracias a los cuales se evita el deterioro de estos.

Ante fenómenos de origen atmosférico, será suficiente la protección que proporcionan los varistores, pero si su intensidad sobrepasael funcionamiento nominalde estos, secebael descargadordegas complementandola acción delos mismosy evitandosu destrucciónypor tantoel alcancedelas sobretensionesal rectificador. Manteniendolas diferenciasde potencial entreraílytierrasdentrodelos limites tolerablesparalas personassegúnla normativavigente ITC MIE-BT 023.

De este modo se prolonga también la vida del descargador al actuar en menos ocasiones.

Con objetodefacilitarlas laboresdemantenimientoylaseguridaddel personalensu manipulación, disponedeun seccionador(6)cuya misiónesladeproporcionar continuidad entrela tierrayel carrilymantener ambosalamisma tensión mientras se realicen estas labores.

Los dispositivos de protección contra sobretensiones que tiene el D.I. disponen gracias al conjunto de varistores

(4) de una velocidad de respuesta inferior 0,020 µseg.El descargadordegas metal cerámico disponende una elevada capacidadde disipaciónde energíaconunaIimp=100KAondarayo10/350. Combinando unagranvelocidadde respuestafrentealassobretensiones transitoriasconunagrancapacidadpara canalizarlasdescargasatierra,altiempo que proporciona una doble protección derivada de estos dos conjuntos de protección, tal como muestra la figura 1.

Es por todo esto por lo que el descargador combina una gran capacidad de conducción de corrientes de cortocircuito tierra-carril, conelevadas tensionesinversas carril-tierraque impidenel acceso directodelas corrientesdel carrilalas tierrasdela infraestructura,altiempoque proporcionaunagran protección frentealas sobretensiones transitoriasyde origen atmosférico, carril-tierra,conunagrancapacidadpara canalizarlasdescargasatierraderivadadel acoplamiento de los componentes que lo integran, constituyendo además un eficaz sistema de protección catódica contra la corrosión electrolítica, tal como muestra la figura 1.

Dispone de lo siguientes conjuntos:

1)El constituido rectificadordealta potencia(2)yel disipadorde calor(3).

2) Conjunto de varistores ignífugos, escalonados en tensión de alta potencia (4).

3)El constituido por los descargadoresdegas metal cerámicosde alta potencia.(5)

3) Seccionador de seguridad (6).

(1) Armario metálicode 600x400x 300 mm.

(2)El rectificador esta compuesto por unoovarios diodosde alta potenciaacoplados en paraleloyroscados sobre un mismo disipador de calor.

(3)

El disipador de aluminio estriado, tiene un volumen de 40 x 32 cm lo que permite el funcionamiento de rectificador para las máximas intensidades nominales durante5 segundos sin deteriorarse, tiempo mas que suficiente para el disparo seguro de lo disyuntores extrarrápidos.

(3)

El anclaje del conjunto rectificador a la placa de montaje del armario se realiza por medio del disipador, atornillado por la parte posterior.

(4)

El conjunto varistor instalado en un cubículo de fibra de vidrio, se conecta directamente a la placa de montaje, disponede conexionesde aluminio.Al ser elementosde altapotencia todas las conexiones internasy externas son atornilladas.

(5)

El descargador de gas metal cerámico dispone de terminales para rosca métrica 8, se instala directamente atornillado a las pletinas de aluminio de conexión.

(6)

El seccionador de continuidad tierra-carril se ubica en la parte inferior de la placa de montaje. Gracias al mismo en se pueden realizar las labores de mantenimiento del equipo en cualquier momento, pudiendo manipular sus componentes contotalgarantía para la seguridad física para el personal de acuerdo con laReglamentación Nacional deSeguridade Higiene enelTrabajo.

(7)Bornadeconexióndelpolopositivodeldescargadoralainstalacióndel sistemadetierras,paracable150mm2 de sección.

(8) Borna de conexión del polo negativo del descargador al carril, para cable 150 mm2 de sección.

Todasla conexionesde aluminio por subuen comportamiento anticorrosivoysobredimensionadas constituyen un radiadorde calor adicional. Evitandode este modolaexistencia diferenciasde potencialesgalvánicosenlas mismas que producirían corrosión. Entre conexiones de diferente potencial se mantienen separaciones de 100 mm.

Teniendo en cuenta todo lo considerado, se ha desarrolladoun equipo con unas características técnicas muy superiores a todos los existentes hasta este momento en lo que a estos tipos de protección se refiere, que instalados en intervalos adecuados,garantizan siempre la desconexión segura de las subestaciones en caso de defecto, dispone de una respuesta instantánea frente a los cortocircuitos de catenaria, sin inercia mecánica, soporta grandes intensidades de cortocircuito, tensiones inversas muy elevadas, que dispone de unagran protección contra las sobretensiones transitorias, derivadaslaexistenciade dos conjuntosde protección,varistoresydescargadoresdegas, efectivos independientemente por sí mismos.

Es un eficiente sistema de protección catódica, minimizando las fugas de corrientes vagabundas incluso cuando se utiliza para otras funciones diferentes.

Superiores bajo elpunto de vista de seguridad personalyde funcionamiento, por su robustez,facilidad de reparación sin cortar el servicio de las instalaciones, en caso de avería de alguno de sus componentes se sustituye solo el averiado.Su instalación puede ser, mural, en posteósobre pedestal.

Deformamás concreta,yamododeejemplo,se describenseguidamentelas características técnicasdeunmodelo descargador de intervalosy sobretensiones polarizado para líneas de ferrocarril electrificadas en corriente continua realizado de acuerdo con el objeto de la presente invención:

Características eléctricas

Valores nominales sobretensiones transitorias Conjunto varistores ignífugos metal-oxido

Descargador metal-cerámico

Enel ejemplode realización nos referimosa un descargadorde 4000Ay5000Vcuyas características técnicas especificamos en la presente memoria.

Empleamos un armario metálico de 600 x 400 x 300 mm como envolvente, acoplada al fondo se instala la placa de montajede poliésterde10mmde espesor adaptadaal armario.

En la parte inferior del armario se practican dos agujeros de 50 mm de ∅ yse montan los prensaestopas para la entradadedos cablesde cobrede150mm2de conexión, unode accesoala tierradela instalaciónqueeselpolo+y otro para la conexión al carrilque es el polo -, en este caso.

En los lateralesdel armario se practican dos oberturas rectangulares para instalar las rejillasdeventilación del equipo.

Sobrelaplacademontajeycentradoenlepartesuperiorseanclaeldisipadordecalorque soportaal rectificador con cuatro tornillos pasantes M8. En la parte inferior de la placa para un acceso fácil se instala el seccionador de maneta, para puestaatierra en laboresde mantenimiento, enel centro derechadela misma se atornillael conjuntode varistores escalonados.Eldescargadordegas se conecta directamentea las pletinas.

Los varistores se montan en una caja de fibra de vidrio construida para tal efecto cerrados, las conexiones externas sonde aluminioyel conjunto disponede agujeros para su fijación.

Una vez fijados todos los conjuntos a la placa de montaje, se procede a la instalación de los elementos de interconexión, todos construidos con pletinade aluminiode10mmde espesor, dimensionadosexproceso, con objeto obtener interconexionesrígidas, habida cuentadelas intensidadestanelevadasquevanacircular.Las separaciones entrelos elementos conectadosalatierrayal raíl son siempre superioresa 100 mm.

Dispone de una borna de conexión a tierra de rosca M12 al igual que la borna de conexión al carril. Se ubican una ala derechayotraala izquierdadela placade montaje.

Soldado al armario se fija el elemento de instalación del equipo a poste de la línea de ferrocarril, con objeto de por medio de bridas atornilladas poder fijarlo de manera totalmente segura.

El armario disponede cerradura conllave, conelfindeevitarel accesoal mismopor personalno cualificadoy debido a que su instalación es exterior.

Instalación

El descargadorseinstalaa intervalosregularesquedependendelas característicasdela catenaria,del cablede tierra, tensión de trabajo de la subestación, tarado de los disyuntores, etc. en los postes que soportan la catenaria. Dependiendo del tipode línea férreayde las características antes mencionadas, se instala en los puntos dondeelnivel de riesgo es mayor, como son los pasos a nivel, paradas de tranvías, apeaderos, etc. puesto que dispone de un entorno de protección determinadoyla protección es mas eficaz cuanto mas cerca se está del mismo.

El dimensionamientodelos intervalosde protecciónse realizade acuerdo conlas ecuacionesycriteriosexpresados en esta memoria.

Enel poste que delimitael intervalodeprotección se anclaal mismo en posiciónvertical mediante bridas semicircularesósemicuadradasqueseacoplanalpostemediante tornillos.Tambiéndepuede instalar directamentealapared con tacos de expansión, puesto que el contenedor es un armario metálico.

La entradade cables en los armarios se realiza porla parte inferior por mediode prensaestopasinstalados para tal fin que proporcionan una gran estanqueidad al equipo con objeto de mantener el grado IP delarmario.

Cuando se emplea como sistema protección catódica, se suele ubicar en el punto de la infraestructura subterránea donde el potencial electrolítico respecto al suelo es mayor, que suele coincidir con las proximidades de los polos negativos de los generadores causantes de la corrosión.

Enuna instalacióntipoparaesta función,se instalael descargadorenposteópedestal,quesuele coincidirconel punto mas próximo de la tubería o red metálica enterrada a las subestaciones de alimentación del ferrocarril. El polo positivo del descargador se conecta a la estructura metálica enterrada a proteger con cable de cobre de 50 mm2 de secciónyel polo negativo conelmismo tipode cableal polo negativodela subestaciónóal carril.

Aplicación industrial

Su aplicación esta indicada para la protección de las líneas de ferrocarrilesinterurbanos, metros, tranvíasycualquier tipo de sistema de tracción eléctrica en corriente continua frente cortocircuitos de la catenaria con el sistema de tierras de de la infraestructura férrea como son:

e) Perforación de un aislador de la catenaria.

f) Contacto directo de esta con los soportes metálicos de la línea o elementos de la infraestructura.

g) Caída de catenaria, pértigas de puesta a tierra.

h) Defecto interno un motor de tracción. Etc.

Indicado parala protecciónde las líneasde ferrocarriles interurbanos, metros, tranvíasycualquier tipode sistema de tracción eléctrica en corriente continua frente sobre tensiones de origen atmosféricoytransitorios producidospor las propias instalacionesymaterial rodante.

Como sistemade protección catódica,paraevitarla corrosión electrolíticasen instalaciones subterráneas metálicas, producidasporelpasodelas corrientesvagabundasatravésdel suelo. Corrientesqueenla mayoríadeloscasosestán producidas por los sistemas de tracción eléctrica, tanto en corriente continua como en alterna.

En general su aplicación es imprescindible para instalaciones en donde se quieran canalizar grandes corrientes continuas, de cortocircuito, corrientes de drenaje, protección catódica, etc. Así como en Instalaciones metálicas superficiales o enterradas de grandes dimensiones, en donde ante fenómenos de origen atmosférico aparecen grandes diferenciasde potencial entre diferentes partesdela instalaciónyel suelo.

El campo de aplicación entre otros es el siguiente:

1) Líneas de ferrocarril electrificadas en corriente continua

2) Líneas de ferrocarril electrificadas en corriente alterna.

3) Sistemas de tracción eléctrica, tranvías, ferrocarriles, metros, etc.

4) Refinerías.

5) Gaseoductosyoleoductos.

6) Redes de distribución metálicas aguas potables.

7) Redes de telecomunicaciones de cables metálicos.

7) Presas, pantanos. Etc.

Claims (16)

1. REIVINDICACIONES

   1. Descargadorde intervalosysobretensionespolarizadopara líneasde ferrocarril electrificadas en corriente continua, caracterizado porque está constituido por un rectificador con varios diodos de elevada intensidad nominal acoplados en paralelo,de idénticas característicasy conla misma polarización, montados sobre un disipadorde calor

   (3) dimensionado para soportar un cortocircuito entre catenariayraíles, que dispone de una elevada tensión inversa, cuyopolo positivose conectaalaredde tierrasyelnegativoalos rallesaintervalosregulares, habiéndoseprevisto queel descargador incorporeun conjuntodevaristores ignífugos, escalonados en tensión(4)de mantenimientode las sobretensiones transitorias entre carril, catenariay tierra que se generan en el momento que se produce el cortocircuito, dentrodeunvalor máximo asumibleporlosrectificadores(2)y las personas usuariasdela instalación ferroviaria, habiéndoseprevisto asimismola incorporacióndeun descargadordegasdealta potencia conectadotambién entreel sistemade tierrasyel raíl (5), conla particularidad asimismode queel dispositivo incorpora un sistema de seccionamiento (6) de conexión del carril tierra directamente en caso de avería.

2. 2.

   Descargadorde intervalosysobretensiones polarizadopara líneasde ferrocarril electrificadasen corriente continua, según reivindicación 1ª, caracterizado porque el rectificador está constituido por un disipador de aluminio sobre el que se montan unoó varios diodos según potencias,de idénticas características eléctricasygeométricas, acoplados en paraleloy con idénticapolarización.

3. 3.

   Descargadorde intervalosysobretensionespolarizadopara líneasde ferrocarril electrificadas en corriente continua, según reivindicación 1ª, caracterizado porque incorpora un conjunto de varistores escalonados en tensión, de metal-oxido,ignífugosde disipaciónde140KAparaformasdeonda8/20,conunumbraldeprotecciónde650V,con una velocidad de respuesta de 0.20 µseg.

4. 4.

   Descargadorde intervalosysobretensionespolarizadopara líneasde ferrocarril electrificadas en corriente continua, según reivindicación 1ª, caracterizado porque incorpora un descargadordegas metalcerámico con un umbral de protecciónde 1000V,de disipaciónde 400KA para ondas 8/20y100KA para ondas cuyaforma es 10/350.

5. 5.

   Descargadorde intervalosysobretensiones polarizadopara líneasde ferrocarril electrificadasen corriente continua, segúnreivindicación1ª, caracterizado porque el sistema de seccionamiento incorpora un seccionador de cuchilla de sección de 200 mm2.

6. 6.

   Descargadorde intervalosysobretensionespolarizadopara líneasde ferrocarril electrificadas en corriente continua, según reivindicación 1ª, caracterizado porque entre conexiones de diferente potencial se definen, separaciones de 100 mm.

7. 7.

   Descargadorde intervalosysobretensionespolarizadopara líneasde ferrocarril electrificadas en corriente continua, según reivindicación 1ª, caracterizado porque el dispositivo se instalar en un poste, se fija muralmente sobre pared o sobre basamento de hormigón.

8. 8.

   Descargadorde intervalosysobretensiones polarizadopara líneasde ferrocarril electrificadasen corriente continua, según reivindicación 1ª, caracterizado porque los componentes del mismo presentan un carácter intercambiable.

9. 9.

   Descargadorde intervalosysobretensionespolarizadopara líneasde ferrocarril electrificadas en corriente continua, según reivindicación 1ª, caracterizado porque el rectificador (2) montado sobre el disipador de aluminio (3), estriado, tiene unas dimensiones externas de 400x320 mm, dispone de agujeros roscados de 50 mm de ∅, donde se albergan los diodos, se conectan todos los polos positivos a una pletina de aluminio al igual que todos los negativos, en funciones de medios de conexión a todo el rectificador.

10. 10.

    Descargador de intervalos y sobretensiones polarizado para líneas de ferrocarril electrificadas en corriente continua, según reivindicación 1ª, caracterizado porque el conjunto rectificador se ancla a la placa de montaje de un armario, por medio del disipador (3), atornillado por la parte posterior.

11. 11.

    Descargador de intervalos y sobretensiones polarizado para líneas de ferrocarril electrificadas en corriente continua, según reivindicación 1ª, caracterizado porque el conjunto varistor (4) queda instalado en un cubículo de fibrade vidrio con pestañas, con agujerosde5 mm ∅ atornillándose directamente a la placa de montaje, disponiendo de conexionesde aluminio, así comode conexiones internasy externasa basede pletinas atornilladas, determinantes de disipadores de calor.

12. 12.

    Descargadorde intervalosysobretensiones polarizadopara líneasde ferrocarril electrificadasen corriente continua, según reivindicación 1ª, caracterizado porqueel descargadordegas metal cerámico(5) disponede terminales para rosca métrica 8, quedando atornillado a las pletinas de aluminio de conexión.

13. 13.

    Descargador de intervalos y sobretensiones polarizado para líneas de ferrocarril electrificadas en corriente continua, según reivindicaciones1ªy5ª, caracterizado porque el seccionador con sus cuchillas de continuidad tierracarril (6), se establece en la parte inferior de la placa de montaje.

14. 14.

    Descargador de intervalos y sobretensiones polarizado para líneas de ferrocarril electrificadas en corriente continua, según reivindicación 1ª, caracterizado porque la borna de conexión (7) del polo positivo del dispositivo a la instalación del sistema de tierras está dimensionalmente adecuada para cable de 150 mm2 de sección, al igual que la borna de conexión del polo negativo al carril (8).

15. 15.

    Descargadorde intervalosysobretensiones polarizadopara líneasde ferrocarril electrificadasen corriente continua, según reivindicación 1ª, caracterizado porque todas las conexiones entre los diferentes elementos que participan enel dispositivo sonde aluminioyestán sobredimensionadas, constituyen un disipadorde calor adicional.

    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS

    N.º solicitud: 200800540

    ESPAÑA

    Fecha de presentación de la solicitud: 15.02.2008

    Fecha de prioridad:

    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA

    51 Int. Cl. : Ver Hoja Adicional

    DOCUMENTOS RELEVANTES

    Categoría

    Documentos citados Reivindicaciones afectadas

    X

    ORTS "Disposiciones A Aplicar Para La Protección Contra Los Riesgos Eléctricos En Las Catenarias Alimentadas con Corriente Continua" 23.06.2004 URL:http://www.railforum.net/PresentacionesPonencias/2004/13%20-%20Electrificacion%20 Ferroviaria%20-%20Junio%202004/FGV.pdf 1-15

    A

    US 5222010 A (CAPAN RONALD R) 22.06.1993, resumen; figuras 1,2. 1-15

    A

    GB 2268344 A (MEIDENSHA ELECTRIC MFG CO LTD) 05.01.1994, todo el documento. 1-15

    Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud

    El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones □ para las reivindicaciones nº:

    Fecha de realización del informe 09.03.2011

    Examinador M. López Sábater Página 1/4

    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA

    Nº de solicitud: 200800540

    CLASIFICACIÓN OBJETO DE LA SOLICITUD H02H9/00 (01.01.2006)

    H02H1/04 (01.01.2006) H02H3/05 (01.01.2006) Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación)

    H02H

    Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC

    Informe del Estado de la Técnica Página 2/4

    OPINIÓN ESCRITA

    Nº de solicitud: 200800540

    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 09.03.2011

    Declaración

    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)

    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-15 SI NO

    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)

    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-15 SI NO

    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).

    Base de la Opinión.-

    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.

    Informe del Estado de la Técnica Página 3/4

    OPINIÓN ESCRITA

    Nº de solicitud: 200800540

    1. Documentos considerados.-

    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.

    Documento

    Número Publicación o Identificación Fecha Publicación

    D01

    ORTS "Disposiciones A Aplicar Para La Protección Contra Los Riesgos Eléctricos En Las Catenarias Alimentadas con Corriente Continua" 23.06.2004 URL:http://www.railforum.net/PresentacionesPonencias/2004/13%20%20Electrificacion%20Ferroviaria%20-%20Junio%202004/FGV.pdf

    D02

    US 5222010 A (CAPAN RONALD R) 22.06.1993

    D03

    GB 2268344 A (MEIDENSHA ELECTRIC MFG CO LTD) 05.01.1994

16. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración

    Reivindicación 1:

    En la diapositiva 20 del documento del estado de la técnica D01 puede verse un descargador de intervalos y sobretensiones polarizado para líneas de ferrocarril electrificadas en corriente continua constituido por un rectificador de diodos montado sobre un disipador de calor dimensionado para soportar un cortocircuito entre catenaria y raíles cuyo polo positivo se conecta a la red de tierras y el negativo a los raíles a intervalos regulares, habiéndose previsto que el descargador incorpore un descargador de gas conectado también entre el sistema de tierras y el raíl así como un sistema de seccionamiento de conexión del carril tierra. La única diferencia entre el dispositivo del documento D01 y el descargador de esta reivindicación consiste en que, en el documento base también se incorpora un conjunto de varistores cuya acción se suma a la del dispensador de gas para la protección del rectificador. Sin embargo, este elemento es conocido en el estado de la técnica anterior, como se demuestra en el documento D02. Y su incorporación al aparato que se desea proteger es una mera yuxtaposición de elementos. Por lo tanto, esta primera reivindicación carece de actividad inventiva según el artículo 8 de la Ley de Patentes 11/86.

    Reivindicación 2:

    Ésta reivindicación dependiente tampoco tiene actividad inventiva porque, como se ha indicado al estudiar la primera reivindicación, en la diapositiva 20 del documento D01 se ilustra que la incorporación de un disipador de calor a un diodo es algo conocido del estado de la técnica.

    Reivindicaciones 3 a 6 y reivindicaciones 9 a 15:

    A lo largo de estas reivindicaciones dependientes se enumeran distintas opciones de diseño del aparato que van desde las características físicas del mismo hasta las magnitudes de tensión o corriente que pueden manejar sus distintos componentes. El conjunto resultante no requiere que un experto en la materia ejerza actividad inventiva alguna para su implementación.

    Reivindicación 7:

    Documentos como D03 ilustran que este tipo de equipos de protección contra descargas transitorias y sobretensiones se puede anclar a bases de hormigón. Por lo tanto, esta reivindicación dependiente de la primera tampoco tiene actividad inventiva.

    Reivindicación 8:

    En esta reivindicación, también dependiente de la primera, se establece que todos los componentes del descargador son intercambiables. Este rasgo no confiere actividad inventiva al aparato y además, es un argumento a favor del hecho de que las reivindicaciones 3 a 6 y 9 a 15 tampoco la tienen.

    Informe del Estado de la Técnica Página 4/4