Schaltschränke und Abzweigdosen für den Tunnelbau

Armarios herméticos y cajas eléctricas para el nuevo túnel ferroviario de San Gotardo

Las elevadas cargas de presión y succión existentes en los túneles ferroviarios suponen un gran desafío para la instalación eléctrica

Un proyecto de construcción gigantesco

El túnel ferroviario a través del macizo de San Gotardo eclipsa a todo lo construido anteriormente en Europa. El túnel atraviesa este macizo de los Alpes suizos en una longitud de nada menos que 57 km (fig. 1). Ello le convierte en el túnel ferroviario más largo del mundo con un trayecto total de unos 154 km, incluyendo todas sus galerías transversales y de enlace. En un principio, por los dos canales del túnel circularon solo trenes de verificación a una velocidad de hasta 275 km/h. A partir del 1 de junio de 2016, el túnel ya pudo ser utilizado por trenes normales con velocidades de hasta 250 km/h. Eso reduce el tiempo de viaje entre Milán y Zúrich a menos de 3 horas y permite casi doblar el volumen del transporte de mercancías por el eje norte-sur suizo, elevándolo a unos 40 millones de toneladas. Con un coste total de doce mil millones de francos suizos, éste es el mayor proyecto de construcción de enlace norte-sur para trenes de alta velocidad a través de los Alpes.

Un esquema de seguridad sofisticado en la fase de planificación

En un proyecto de estas dimensiones no podía dejarse nada al azar. La seguridad era la mayor prioridad. El túnel de base de San Gotardo consta de dos canales tubulares separados entre sí unos 40 m, los cuales son enlazados por galerías transversales a intervalos de unos 325 m. Los dos puestos dobles de cambio de carril permiten

el cambio de trenes de un canal a otro y son utilizados para trabajos de mantenimiento o en caso de emergencia. Estos puntos de cambio de carril están situados en dos "zonas multifunción", las cuales también albergan partes de las instalaciones de ventilación y áreas de parada de emergencia. Estas zonas han sido concebidas para la parada de emergencia de trenes y sirven de lugar de escape y evacuación para los viajeros, los cuales pueden ser transportados desde aquí al exterior del túnel con un tren de evacuación. La vía de rescate en dirección al segundo canal no atraviesa ninguna vía ni contiene escaleras o ascensores. En caso de accidentes, las áreas de parada de emergencia y sus galerías transversales y de enlace son abastecidas de aire fresco. Mientras que el humo se aspira en el canal en el que se ha producido el accidente, en el área de parada de emergencia basta una ligera sobrepresión para mantener la vía de escape libre de humo. Las galerías transversales sirven de vía de escape fuera de las áreas de parada de emergencia.

Niveles de seguridad elevados para los productos

Tan enormes como el proyecto de construcción y su esquema de seguridad son los requisitos con respecto a los productos utilizados, los cuales son mucho más estrictos de lo habitual. Para los túneles ferroviarios existentes y planeados en Alemania, la empresa ferroviaria alemana Deutsche Bahn ha establecido una serie de inspecciones de seguridad especiales que abarcan todos los detalles de la instalación y las influencias esperadas. Los factores de influencia más importantes a este respecto son la succión y la presión ejercidas sobre todos los componentes instalados en el túnel. Los requisitos definidos determinan si los componentes son capaces de resistir las fuerzas aerodinámicas de las cargas de succión y presión sin sufrir daños, permanecer en su lugar y seguir funcionando. La misma importancia tiene el determinar si el producto conserva realmente su estanqueidad frente a dichas fuerzas elevadas o si, por el contrario, la tapa de la caja se eleva lo suficiente para permitir la penetración de partículas de polvo y humedad que en el interior podrían causar desperfectos de los componentes de la instalación. A fin de cuentas, cualquier avería y cualquier trabajo de mantenimiento harían necesario la detención del funcionamiento en el canal correspondiente, lo cual –teniendo en cuenta la gran frecuencia de uso estimada de este tramo– causaría dolorosos retrasos operativos e importantes pérdidas de beneficios. Por ese motivo, la empresa constructora "AlpTransit Gotthard AG" estableció unas normas aún más estrictas y aplicó los requisitos más elevados con respecto a la durabilidad de los productos empleados. Aun si en Alemania los túneles no alcanzan estas dimensiones extremas, se dan unas circunstancias similares que deben ser tenidas en cuenta durante la planificación. Tales circunstancias extremas no están reguladas por ninguna norma o directiva, por lo que los conocimientos derivados de la realización de pasados proyectos de construcción de túneles en Europa ha dado como resultado un catálogo de requisitos que ha de ser utilizado en todos los proyectos futuros. 

Todo un reto para la instalación eléctrica

La mayoría de los componentes de la instalación eléctrica están colocados en las 176 galerías transversales (fig. 2) situadas entre los dos canales de transporte. En estas las condiciones no podrían ser más difíciles, ya que cuando un tren accede al canal a velocidades mayores de 160 km/h, el aire se comprime y su presión aumenta progresivamente. Ciertamente, la corriente de aire del tren en marcha es aislada en su mayor parte por las puertas de las galerías. No obstante, la sobrepresión y la presión negativa resultantes de la compresión del aire penetran en la galería transversal y someten a las superficies de los cuerpos huecos instalados a una carga de +/- 1 t/m². Ello hace necesario garantizar que todos los aparatos puedan resistir mecánicamente este cambio de presiones y que se conserve el alto grado de protección IP 67 (estanqueidad al polvo y al agua). Al igual que en el túnel de base de Lötschberg inaugurado en 2007, la dotación técnica del túnel de San Gotardo fue realizada por dos empresas asociadas desde hace años. La especialista en armarios de distribución Swibox AG de la localidad de Balterswil (Suiza) se encargó del diseño del conjunto de armarios y de la dirección del proyecto, mientras que la empresa Pfannenberg GmbH de Hamburgo, especializada en sistemas de refrigeración, se ocupó de la construcción de la climatización de los armarios teniendo en cuenta los requisitos específicos. Para el túnel de base de Lötschberg, Swibox AG desarrolló en 2003 un sistema de armarios totalmente nuevo dotado de una interfaz de cables de extrema hermeticidad situada en el zócalo de los armarios y diseñada para soportar una carga de presión de +/- 5 kPa o 500 kg/m². El hecho de que los requisitos se aumentaran a +/-10 kPa o 1 t/m² en el túnel de San Gotardo hizo necesario revisar y comprobar a fondo todo el sistema. La solución consistió en un sofisticado arriostramiento interior de los armarios que se registró como patente. Desde entonces, 2880 de estos armarios han sido desarrollados y proyectados por Swibox para el túnel de San Gotardo y también puestos en funcionamiento por esta misma empresa en las galerías transversales. 

Armarios climatizados

Pero ahí no acabó la cosa, ya que el aire ambiental de los túneles planteaba otra dificultad. Unas grandes fluctuaciones de temperatura de - 20° C a + 40° C, una humedad máxima del aire del 100 % y la presencia de partículas metálicas en el aire procedentes de la abrasión de los frenos y los carriles y del cobre de la línea de contacto aumentaban considerablemente el peligro de corrosión. Por tanto, hubo que elaborar un esquema especial de climatización, de lo que se encargó la empresa Pfannenberg. También aquí se dejó atrás el estado actual de la técnica y se desarrolló un sistema totalmente nuevo para el túnel de San Gotardo. El sistema completo (junto con el armario de distribución de Swibox) fue comprobado minuciosamente en un laboratorio de pruebas creado especialmente para este tipo de proyectos, superando un ensayo en el que fue sometido a 200.000 cambios de presión de +/- 10kPa. El procedimiento de ensayo completo fue realizado por un centro de verificación independiente vigilado por el Servicio de Acreditación Suizo (SAS). Junto a los equipos de refrigeración de Pfannenberg, utilizados sobre todo en el interior de la montaña (temperatura ambiente de hasta + 40 °C), en las zonas de entrada (temperatura ambiente de hasta – 20 °C) hubo que instalar calefacciones del mismo fabricante. Estas calefacciones garantizan que la temperatura en el armario de distribución no caiga por debajo del denominado punto de rocío. El punto de rocío indica el grado de descenso de la temperatura del aire húmedo que debe alcanzarse sin cambios de presión para que el agua disuelta en el aire se separe como condensado. La humedad relativa del aire en el punto de rocío es del 100 %, es decir, el aire está entonces saturado de vapor de agua. 

Cajas de derivación estancas

Los componentes situados justo en los canales de transporte (fig. 3) están expuestos a un ensuciamiento y a unas influencias aerodinámicas aún mayores. Aquí se montan entre otras cosas las luces de las vías de escape, las cuales han de ser protegidas eléctricamente una por una para que, en caso de producirse la avería de una lámpara, las demás sigan recibiendo suministro eléctrico de un modo seguro. En 57 km de túnel se necesita una cantidad nada despreciable de cables, cajas de derivación e interruptores automáticos, de modo que la posibilidad de un montaje rápido y seguro se tuvo muy en cuenta a la hora de seleccionar los sistemas y los proveedores. La elección recayó en la Rapid-Box (fig. 4) de la empresa especialista alemana Spelsberg. Este sistema de envolventes ha sido concebido especialmente para la derivación con protector eléctrico de conductores sin cortar hasta 50 mm² (Cu). La derivación con protector eléctrico se efectúa con un cable de 2,5 mm² o a través de tomas de enchufe CEE (de 3 o 5 pines) en la tapa de la caja. Los protectores eléctricos y las tomas de enchufe se entregan precableados. El montaje en el punto de derivación se produce sin necesidad de quitar el cable principal o el cable de suministro (fig. 5). Esta tecnología admite un montaje más flexible y es ampliable aun tras la puesta en servicio. El borne principal puede utilizarse además como borne de conexión de dos conductores cortados. La utilización de tomas de enchufe CEE permite conectar equipos eléctricos tales como lámparas, etc., y efectuar reparaciones de un modo muy rápido y eficiente. El montaje no requiere más de 15 minutos, de modo que el sistema ahorra un tiempo considerable. Este montaje rápido también supone una ventaja importante con respecto a la duración de los trabajos de mantenimiento, la cual determina directamente la disponibilidad de la instalación. No solo se reducen los tiempos y costes de montaje, sino también los costes de mantenimiento recurrentes, tales como los necesarios para el reemplazo o la ampliación de las cajas de derivación. Además de su empleo en túneles, edificios tales como naves industriales o rascacielos –donde son necesarios largos tramos de cable– son lugares ideales para la implantación de este nuevo sistema. Con el fin de ofrecer la solución adecuada para cualquier caso de aplicación, Rapid-Box posee una estructura modular. Existen dos variantes básicas: la variante estándar según EN 61439-2 (VDE) y las variantes para la instalación a prueba de incendios con conservación del funcionamiento en las clases E30, E60 o E90 según DIN 4102 y EN 1363, del mismo tipo que las utilizadas en San Gotardo. Los distintos componentes de la Rapid-Box pueden combinarse a voluntad para adaptarse a la tarea concreta. Existen tomas de enchufe en la tapa y racores de cable en la base que pueden utilizarse según las preferencias. Además es posible efectuar la puesta a tierra externa y emplear interruptores automáticos de distintas capacidades. Todos los conjuntos de aparamenta están certificados por la VDE y por un instituto alemán de ensayo de materiales (MPA). Con respecto a los bornes también existen varias posibilidades. El bloque de terminales elevado puede dotarse de 1 a 5 cables. La tuerca revestida elástica para la sujeción del cableado de paso asegura un funcionamiento exento de mantenimiento aun en caso de fuertes vibraciones. La derivación propiamente dicha se efectúa por medio de un borne tensado por resorte. Es posible utilizar secciones y valores de corriente distintos, de modo que el interior de la Rapid-Box puede adaptarse perfectamente a la tarea concreta. La dotación variable de componentes de la tapa también permite satisfacer los deseos del cliente. Según el diámetro del cable, existen siete tamaños distintos de junta con pasaje para cable incluido. La caja es extremadamente robusta y resistente a la radiación UV y además resiste sin dificultades cargas elevadas producidas por condiciones ambientales extremas o entornos muy polvorientos, lo que hace posible su instalación también en zonas con riesgo de explosión, tales como el túnel de San Gotardo. En caso de incendio, la baja generación de humo del material asegura una emisión reducida de sustancias contaminantes y una mínima formación de gases de combustión. La nueva Rapid-Box puede instalarse en techos, paredes y bandejas portacables. Los puntos de fijación están situados en el exterior de la caja, lo que permite montar la Rapid-Box sin necesidad de abrirla. Además, la tapa y los tornillos son imperdibles, de modo que el montaje puede efectuarse de un modo rápido y sencillo: una gran ventaja sobre todo al trabajar encima de una escalera o en posición invertida. La Rapid-Box ha sido certificada para el uso en toda Europa: el conjunto de aparamenta cumple la norma EN 61439, y la comprobación de resistencia al fuego es conforme con EN 1363. Con el fin de satisfacer las normas de seguridad enormemente estrictas de AlpTransit Gotthard AG, la Rapid-Box fue sometida a pruebas adicionales antes del montaje. Lo esencial era lograr mantener el grado de protección del sistema frente a las enormes cargas de presión y succión existentes. Una prueba práctica en el laboratorio nos proporcionó la certeza necesaria: aun tras 200 000 ciclos en los cuales se ejerció una presión de +/-10 kPa sobre la Rapid-Box, la caja con junta de silicona se mantuvo estable y 30 minutos después no se pudo apreciar ninguna pérdida de presión. Con ello se cumplieron los estrictos requisitos de la constructora de túneles suiza y la Rapid-Box pudo utilizarse. El sistema de cajas de derivación descrito es universal y puede utilizarse con un alto grado de variabilidad, no solo en la iluminación de vías de escape y salvamento, como en el ejemplo, sino también en sistemas de distribución para dispositivos móviles, empleando conectores normalizados para el mantenimiento, o para equipos de salvamento. 

Resumen

Las normas de seguridad para la construcción y la puesta en funcionamiento de túneles ferroviarios son muy estrictas. En el túnel de base de San Gotardo –el túnel ferroviario más largo del mundo con 57 km de longitud– los requisitos se intensificaron aún más. Debido a que este túnel es atravesado por trenes a una velocidad de 250 km/h, los componentes utilizados se ven sometidos a enormes cargas de presión y succión. A esto se unen unas tremendas fluctuaciones de la temperatura, una humedad del aire elevada y una extremada carga de polvo. Para una conservación fiable del funcionamiento y la protección de todos los componentes, existen una serie de soluciones especiales: los sistemas de climatización de Pfannenberg en armarios de distribución de alta estanqueidad de Swibox y las cajas de derivación de Spelsberg han superado las elevadas exigencias de las pruebas realizadas y garantizan un funcionamiento seguro a condiciones extremas, a la vez que conservan una gran flexibilidad y variabilidad.

Sumario

Armarios herméticos y cajas eléctricas para el nuevo túnel ferroviario de San Gotardo

En los túneles existen condiciones ambientales distintas a las existentes en otros tipos de construcciones. Estas condiciones especiales aún no están reflejadas en la normativa. Con el fin de garantizar el funcionamiento de un modo seguro y ofrecer un nivel de seguridad elevado, es necesario conocer y tener en cuenta tales condiciones extremas. Utilizando el proyecto del túnel de San Gotardo como referencia, este artículo describe tales influencias extremas sobre los sistemas eléctricos y expone las experiencias obtenidas hasta la fecha.