Electrificación del ferrocarril de Nueva York, New Haven y Hartford - Electrification of the New York, New Haven, and Hartford Railroad

Una locomotora eléctrica New Haven EP-1 , alrededor de 1907. Observe el pequeño pantógrafo de CC entre los dos pantógrafos de CA más grandes.

El ferrocarril de Nueva York, New Haven y Hartford fue pionero en la electrificación de las líneas ferroviarias principales utilizando catenaria aérea monofásica de corriente alterna y alto voltaje . Electrificó su línea principal entre Stamford, Connecticut y Woodlawn, Nueva York , en 1907, y extendió la electrificación a New Haven, Connecticut , en 1914. Si bien la electrificación del ferrocarril de CA monofásica se ha convertido en algo común, el sistema de New Haven no tenía precedentes en el tiempo de construcción. La importancia de esta electrificación fue reconocida en 1982 por su designación como Monumento Histórico Nacional de Ingeniería por la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME) .

Experimentos iniciales

New Haven intentó varios experimentos con electrificación de CC de bajo voltaje en la década anterior a la electrificación aérea de la línea principal. Estos incluyeron:

• 1895 electrificación de 11 km (6,8 mi) de línea entre Nantasket Junction y Pemberton, Massachusetts, utilizando cable de contacto de cobre aéreo a 600-700 Vdc.
• Esta línea se extendió 3.4 mi (5.5 km) adicionales al este de Weymouth alrededor de 1896.
• Electrificación del tercer carril entre Hartford , New Britain y Berlín , un total de 12 millas (20 km) en 1896. Este sistema de tercer carril era único; consistía en un riel de sección transversal en V invertida ( ángulo ), montado en las traviesas entre los rieles de rodadura , y estaba totalmente expuesto.

El tercer sistema ferroviario resultó, como era de esperar, en varios accidentes. También resultó en un decreto de la Corte Suprema de Connecticut el 13 de junio de 1906 que prohibía el uso de electrificación de tercer carril dentro del estado. New Haven se vio obligado por esta decisión a diseñar su sistema de electrificación de la línea principal utilizando catenaria aérea.

En el diseño inicial se consideraron varias combinaciones de sistemas diferentes de voltaje y frecuencia. Debido a las distancias relativamente grandes involucradas, la transmisión a altos voltajes usando corriente alterna se reconoció como inevitable. Se consideró una arquitectura similar a los servicios públicos de CC comerciales y los ferrocarriles urbanos utilizando líneas de transmisión de alto voltaje, convertidores rotativos y catenaria aérea de CC. Los estudios de la época asumieron una eficiencia eléctrica de solo el 75 por ciento para esta arquitectura.

El voltaje más alto para el que se podían diseñar generadores de manera confiable en este momento era de aproximadamente 22 kV. Se consideró un diseño intermedio utilizando líneas de transmisión de 22 kV, subestaciones para reducir la tensión de catenaria entre 3 y 6 kV y transformadores en los motores a los 560 V requeridos por los motores de tracción. El ferrocarril se dio cuenta de que podría ahorrar un costo de capital significativo si se omitía la sustitución intermedia y las locomotoras recibían un voltaje de línea de alrededor de 11 kV.

Arquitectura de alimentación directa original de 1907

Arquitectura de alimentación directa implementada en 1907 y esquema de interruptores de circuito de puente de catenaria en el diseño de 1907.

La electrificación de New Haven fue la primera de su tipo; Ningún ferrocarril anterior tenía experiencia práctica en la operación de un sistema de distribución de alto voltaje por encima de un ferrocarril de vapor. Muchas de las últimas especificaciones del sistema fueron el resultado de decisiones de diseño informadas basadas en el estado de la tecnología eléctrica en 1907.

Las propuestas se obtuvieron de General Electric (GE) y Westinghouse . Ambas empresas presentaron una variedad de esquemas de CA y CC, aunque GE favoreció la electrificación de CC. Pero New Haven eligió CA monofásica a 11 kV, 25 Hz. según lo propuesto por Westinghouse, que había estado investigando la electrificación de CA de los ferrocarriles desde 1895 y, en asociación con Baldwin, suministró locomotoras Baldwin-Westinghouse . Más tarde, GE también suministró algunas locomotoras.

Voltaje

Los diseñadores consideraron varios voltajes para el segmento de transmisión del sistema, incluidos 3-6 kV, 11 kV y 22 kV. Finalmente, los sistemas de transmisión y catenaria se combinaron en un sistema sin transformador, que utilizaba el mismo voltaje desde la salida del generador hasta la catenaria y el pantógrafo de la locomotora. Como 11 kV era el voltaje más alto que se podía obtener directamente de la salida de los generadores de 1907, se seleccionaron 11 kV como voltaje de transmisión y catenaria del sistema.

Frecuencia

New Haven había considerado dos frecuencias de funcionamiento diferentes para su electrificación: 15 Hz y 25 Hz. Aunque 15 Hz era deseable desde una perspectiva de ingeniería, ya que permitiría un tamaño de motor reducido, pérdidas inductivas más bajas y un factor de potencia del motor más alto, la elección de esa frecuencia fue considerada por el ferrocarril como similar a una "ruptura en el calibre", lo que limita las perspectivas comerciales de su sistema. 25 Hz ya se había convertido en 1907 en un estándar comercial, y el ferrocarril ya operaba varias casas eléctricas de carros a 25 Hz y había equipado muchas de sus tiendas con motores de 25 Hz; por lo tanto, el ferrocarril seleccionó el estándar de 25 Hz.

De cadena

Catenaria abandonada a lo largo de la línea principal del ferrocarril de New Haven en Mount Vernon, Nueva York . El segmento al sur de Pelham ahora usa un tercer carril.

New Haven no tenía ningún precedente a seguir a la hora de diseñar su sistema de catenaria. La catenaria aérea había sido anteriormente el dominio de los carros, a excepción de algunos ferrocarriles trifásicos en Europa. No existía experiencia previa con la operación de ferrocarriles de alta velocidad con un sistema de contacto aéreo. La catenaria diseñada por New Haven era una sección transversal triangular única y relativamente rígida.

La sección transversal triangular de la catenaria utilizada en la electrificación original solo fue repetida por otro ferrocarril. El ferrocarril de Londres, Brighton y la costa sur utilizó una catenaria triangular similar desde 1909 hasta 1929. Las extensiones de 1914 de New Haven prescindieron del diseño de catenaria triangular.

El espacio entre los soportes de la catenaria se fijó en 91 m (300 pies). Esto se basó en mantener la desviación en línea recta desde el centro de la vía dentro de 8.5 pulgadas (220 mm) con un radio de curva de 3 grados, que era la curva más cerrada entre los extremos del sistema original en Woodlawn y Stamford.

Generadores

Los generadores de la central eléctrica Cos Cob fueron diseñados para suministrar energía monofásica directamente a la catenaria. También se les exigió que suministraran energía trifásica tanto al propio New Haven para su uso a lo largo de las líneas, como a la estación generadora de Port Morris de New York Central (NYC) para compensar a NYC por la energía consumida por los trenes de New Haven en la línea de suministro de tercer carril de la ciudad de Nueva York a Grand Central Terminal . Los generadores Cos Cob eran máquinas trifásicas, pero conectadas para suministrar energía trifásica y monofásica simultáneamente.

Arquitectura de autotransformador revisada en 1914

Diagrama del sistema New Haven después de la implementación de subestaciones autotransformadoras en 1914.

Aunque el ferrocarril consideró que la electrificación de 1907 fue un gran éxito, dos problemas requirieron un rediseño final del sistema de transmisión. La primera fue la interferencia electromagnética en cables de teléfono y telégrafos paralelos adyacentes causada por las altas corrientes en el sistema de potencia de tracción.

El segundo fue que el crecimiento geográfico del sistema y el estado en evolución de la tecnología eléctrica crearon la necesidad de mayores voltajes de transmisión. El ferrocarril podría simplemente haber elevado el voltaje de operación de todo el sistema, sin embargo, esto habría requerido que todos los aisladores de catenaria fueran mejorados para soportar un potencial más alto y el reemplazo de todo el equipo de alto voltaje de la locomotora. Y aunque los voltajes de transmisión más altos se habían vuelto comunes en los siete años desde la electrificación inicial, los generadores todavía estaban limitados por razones económicas a un voltaje de salida máximo de alrededor de 11 kV.

La solución que decidió el ferrocarril, después de varios años de estudio, fue un sistema de autotransformador equilibrado .

Sorprendentemente, el ferrocarril cambió la arquitectura del sistema de transmisión en cuatro horas, aunque el trabajo preliminar había tomado los 18 meses anteriores. El domingo 25 de enero de 1914, el ferrocarril cerró todo el sistema eléctrico a las 2 am. Grupos de trabajadores en todo el sistema reconfiguraron las líneas de transmisión durante los siguientes 70 minutos. Se inició la puesta en marcha del sistema y, a las 5:30 am, los trenes eléctricos estaban funcionando sobre el nuevo sistema provisto por autotransformador.

Subestaciones

Esquema de los disyuntores de puente de catenaria y el autotransformador después de la actualización de 1914.

Línea Hell Gate

Mapa que muestra las ubicaciones de las subestaciones a lo largo del ferrocarril de conexión de Nueva York.

Esquema de la subestación New Lots a lo largo del ferrocarril de conexión de Nueva York.

El sistema de New Haven se extendió a través del puente Hell Gate hasta el ferrocarril de conexión de Nueva York tras la construcción de la línea. El sistema de electrificación fue una extensión de la arquitectura de autotransformador de 11/22 kV revisada de New Haven. La electrificación original se extendió desde la línea principal de New Haven, a través del puente Hell Gate Bridge, hasta el patio de Bay Ridge. La línea al sur de Bowery Bay Junction se descargó en la década de 1950. La línea entre New Rochelle y Harold Interlocking se transfirió a Amtrak en 1976 tras la disolución de Penn Central . El sistema de electrificación continuó siendo controlado como una parte del antiguo sistema de New Haven hasta la conversión de 1987 a una operación de 60 Hz.

Cuando Metro-North convirtió la línea principal de New Haven a una operación de 60 Hz, la línea Amtrak Hell Gate también se convirtió, pero como un sistema aislado alimentado desde la subestación Van Nest. El control del sistema de catenaria se transfirió de Cos Cob al Load Dispatcher en New York Penn Station . Aunque la conversión ocurrió después de la electrificación de la era PRR , se asignaron los números de subestación 45-47 de Amtrak para mantener la coherencia con el resto del esquema de numeración PRR.

Ver también

Notas al pie

Referencias

Ordenado por fecha de publicación.

Experimentos iniciales con tracción eléctrica

1907 Electrificación

1914 Mejora del autotransformador

Artículos posteriores