Compatibilidad electromagnética y seguridad en los ferrocarriles

La Directiva de compatibilidad electromagnética (CEM) afecta a todos los equipos electrónicos, por lo que la industria ferroviaria también queda sujeta a ella. Hace unos treinta años cualquier función de control ferroviario se realizaba todavía con dispositivos electromecánicos; hoy en día la mayoría de las funciones ferroviarias se llevan a cabo mediante dispositivos electrónicos, tanto en funciones lógicas, de control y de seguridad, como en sensores y en la alta potencia de tracción, es decir, en la conversión de energía mediante convertidores conmutados de alta potencia empleados en las locomotoras eléctricas de alta velocidad y en los trenes de mercancías de alta potencia.

Otra razón del uso de los convertidores de potencia es la necesidad de poder cambiar entre dos o más tipos de líneas de suministro de energía, característica extremadamente importante en la Unión Europea, donde las redes ferroviarias utilizan varios tipos de fuentes de alimentación. Como ejemplos de sistemas de alimentación de líneas de ferrocarril en Europa se citan: 600 V CC, 750 V CC, 1,5 kV CC, 3 kV CC, 3 kV CA a 16 2/3 Hz, 3 kV CA a 50 Hz, 15 kV CA a 50 Hz y 25 kV CA a 50 Hz. Un tren puede consumir varios MW de potencia, lo que implica algunos miles de amperios.

La conmutación entre sistemas de alimentación se realiza en unos pocos nanosegundos, con el fin de limitar la energía perdida durante las transiciones de tensión y corriente, y genera niveles muy importantes de interferencias electromagnéticas (EMI). Estas EMI son, en parte, directamente radiadas por el cableado del convertidor de potencia, induciendo tensiones y corrientes en todo el cableado vecino, aunque los peores efectos se deben a las perturbaciones conducidas hacia la alimentación de la línea aérea, es decir, la catenaria.

Dado que el nivel de estas EMI podría ser catastrófico, a todos los convertidores se les añaden filtros para atenuarlas. El diseño de estos filtros no es sencillo, debido a que la amplitud de las transiciones de conmutación puede variar en varios miles de amperios en pocos nanosegundos, lo que produce EMIs con un espectro muy rico que alcanza el rango de los GHz.

El convertidor del tren está conectado inevitablemente a una línea externa, de modo que parte de las EMI producidas se inyectan en la catenaria por conducción. Dado que una catenaria es prácticamente una antena de cable horizontal, las EMIs conducidas se propagan a lo largo de su longitud y emiten campos electromagnéticos, lo que supone una amenaza para las líneas de telecomunicación cercanas y puede contaminar el espectro de frecuencias utilizado por las emisoras de radio y televisión.

La línea de ferrocarril también puede considerarse una línea de transmisión multiconductor que permite la propagación de las EMIs: los disturbios generados en un punto pueden perturbar el funcionamiento de otros dispositivos conectados a la misma línea de alimentación, incluso a muchos kilómetros de distancia de la fuente. Además, una línea ferroviaria puede presentar una sola vía o varias vías paralelas (dos, cuatro o incluso más) próximas entre sí, lo que puede provocar acoplamientos entre líneas, es decir, diafonía, abriendo así otro posible camino de las EMIs para perturbar, por ejemplo, las señales de control a lo largo de las vías.

Estos fenómenos requieren controles y limitaciones para las EMIs generadas por un tren, con el fin de asegurar que el sistema ferroviario y los equipos cercanos funcionen correctamente. Las EMIs conducidas pueden perturbar los circuitos electrónicos dedicados al control y la seguridad en el interior del tren, así como los circuitos de señalización conectados a los carriles, afectando a la seguridad general de la línea ferroviaria. Los fallos en la detección de la posición del tren y de su estado podrían provocar resultados catastróficos, consideración que resulta aún más crítica en las líneas de alta velocidad.

Por ello es de suma importancia aplicar un conjunto de reglas de buen diseño en todos los elementos que constituyen una línea ferroviaria; esta es precisamente la razón de ser de los organismos de normalización de CEM. En el ámbito ferroviario, la norma más importante en la Unión Europea, y también fuera de ella, es la norma CENELEC EN 50121, que describe las pruebas a realizar para evitar los problemas de CEM dentro de un sistema ferroviario.

Existen varios aspectos que afectan a la CEM en el entorno ferroviario. El aspecto legal implica que las radiocomunicaciones no deben ser perturbadas; por razones de seguridad, tampoco puede perturbarse la señalización ferroviaria, y debe asegurarse el mantenimiento de la funcionalidad de toda la red en todos sus elementos. Al mismo tiempo, la red ferroviaria está integrada en el entorno y debe tener una buena coexistencia con otros vehículos o equipos; por último, a nivel biológico, los pasajeros y el personal no deben estar expuestos a campos magnéticos demasiado altos.

El circuito de potencia equivalente de un sistema eléctrico ferroviario está constituido por las subestaciones, los motores y los accionamientos del tren, así como por la catenaria, el pantógrafo y los raíles; los sistemas de señalización comparten parcialmente la misma infraestructura. Entre las distintas partes del sistema, igual que con otros sistemas cercanos, existen acoplamientos inductivos y capacitivos.

El entorno ferroviario se considera generalmente un entorno electromagnético severo. En un ferrocarril electrificado se requieren megavatios (MW) de potencia para la propulsión de los trenes que transportan pasajeros o carga, y el ferrocarril presenta un entorno complejo compuesto por muchos sistemas, entre ellos la señalización, la tracción y las comunicaciones. La CEM entre los sistemas eléctricos y electrónicos es un requisito esencial para el funcionamiento fiable y seguro de la red, ya que las EMIs de los equipos de tracción pueden afectar a los sistemas de señalización con consecuencias potencialmente graves.

Además, una instalación ferroviaria está al aire libre, por lo que puede ser perturbada por rayos durante una tormenta si no está debidamente protegida; la industria ferroviaria se esfuerza por reducir el riesgo de este tipo de incidentes. La CEM constituye una parte esencial de los procesos de análisis de la seguridad, por lo que debe incluirse como requisito en el estudio de seguridad al introducir nuevo material rodante, locomotoras o vehículos de mantenimiento.

En relación con una instalación fija (IF), deben documentarse las buenas prácticas de ingeniería de CEM utilizadas para la instalación de sus equipos, y esa documentación debe estar en poder de una persona responsable, a disposición de las autoridades de la Unión Europea mientras la IF permanezca en funcionamiento. La definición de persona responsable afecta a los contratistas y a los controladores de las infraestructuras, y esta responsabilidad debe quedar clara en los contratos y en la documentación de entrega de los equipos fijos y del material rodante. Para una IF, persona responsable significa la persona que, en virtud de su control sobre la instalación, es capaz de determinar que la configuración de esta cumple los requisitos esenciales cuando se usa.

La autoridad competente puede solicitar pruebas del cumplimiento de la IF con los requisitos de protección y, si procede, realizar una evaluación. Si una IF se identifica como fuente inaceptable de emisiones, la autoridad competente puede solicitar a la persona responsable que la mejore para que sea conforme con los requisitos de protección de la seguridad y de la CEM.

Los aparatos que constituyen una IF deben ajustarse a la Directiva de CEM, conformidad que probablemente puede demostrarse mediante el cumplimiento de las normas armonizadas, lo que facilita el proceso de conformidad. Aunque la Directiva de CEM no es propiamente una directiva de seguridad, la gestión de su documentación aporta a la instalación ferroviaria una documentación que debe mantenerse.

La Directiva de CEM también afecta a los fabricantes de equipos ferroviarios: todo equipo está obligado a llevar el Marcado CE para poder venderse en la Unión Europea y requiere documentación técnica, equivalente al expediente técnico de construcción. El fabricante puede elegir voluntariamente que su producto sea evaluado por un Organismo Notificado, auto-certificarlo si dispone de los instrumentos adecuados, o subcontratar un laboratorio de CEM externo. Por ello es esencial gestionar la CEM mediante la preparación de un Plan de Gestión de la CEM y, posteriormente, llevar a cabo las pruebas de CEM que verifiquen que el equipo o la instalación fija es conforme con la Directiva.

La Directiva de CEM es jurídicamente vinculante y ha obligado a numerosos sectores de la industria eléctrica y electrónica a revisar sus procedimientos para garantizar la CEM en sus sistemas y productos, sin que la industria ferroviaria sea una excepción. Sobre la base de las normas RIA 12 ("General specification for protection of traction and rolling stock electronic equipment from transients and surges in DC control systems") y RIA 18 ("General specification for interference testing on electronic equipment used on traction and rolling stock") de la Asociación de la Industria Ferroviaria, CENELEC (Comité Européen de Normalisation ELECtrotechnique) generó toda una serie de normas de CEM para los ferrocarriles.

La norma europea EN 50121, con sus partes 1 a 5, se introdujo en 1995 como norma previa y fue adoptada definitivamente en el año 2000; la versión de 2006 entró plenamente en vigor a partir de julio de 2009, y la versión española UNE_EN_50121 se presentó en 2007. El objetivo clave de la norma es lograr la conformidad de CEM dentro del entorno ferroviario y entre la red del ferrocarril y el mundo exterior, si bien se advierte que, debido a la complejidad del entorno, no se puede garantizar la CEM al 100 % aunque se cumpla la norma.

El problema clave de la CEM en la industria ferroviaria es el multi-uso funcional del propio carril. En su origen, en la década de 1840, los raíles eran simplemente un sistema de guiado mecánico. El advenimiento de la electricidad impulsó a la ingeniería de la señalización a desarrollar sistemas de detección de trenes dentro de las secciones de vía, usando el carril como conductor eléctrico. Actualmente el carril es, a la vez, el sistema de guía, el conductor de retorno de potencia en los esquemas de electrificación en corriente alterna y continua, y el conductor de las señales codificadas de bajo nivel en el sistema de señalización, es decir, en los circuitos de vía.

El problema de las EMIs se complica con el uso de unidades de motor de tracción en corriente alterna con inversores de frecuencia, que deben ser compatibles con el resto de equipos e instalaciones. Los ferrocarriles con locomotoras diésel de tracción eléctrica también pueden ser fuentes de EMIs.

La vigente Directiva de CEM 2004/108/CE se publicó en el DOUE el 15 de diciembre de 2004, y el Real Decreto 1580/2006 de transposición se publicó en el BOE del 22 de diciembre de 2006, entrando en vigor el régimen regulatorio de las instalaciones fijas, que también afecta a todos los ferrocarriles, a sus sistemas de señalización y a sus instalaciones. La nueva Directiva de compatibilidad electromagnética, 2014/30/UE, se publicó el 29 de marzo de 2014 y entrará en vigor el 20 de abril de 2016, sin aportar cambios a nivel técnico respecto a la anterior.

La norma se estructura en 6 partes, traspasadas por AENOR a normas españolas UNE: UNE_EN50121-1, Generalidades; UNE_EN50121-2, Emisión del sistema ferroviario completo al mundo exterior; UNE_EN50121-3-1, Material rodante, tren y vehículo completo; UNE_EN50121-3-2, Material rodante, aparatos; UNE_EN50121-4, Emisión e inmunidad de los aparatos de señalización y de telecomunicación; y UNE_EN50121-5, Emisión e inmunidad de las instalaciones fijas de suministro de energía y de los equipos asociados. Las partes 2, 3-1 y 5 requieren pruebas in situ, con menor grado de control que las realizadas en laboratorio. La norma EN 50121 representa la propuesta de CENELEC, mientras que la serie IEC 62236-x representa la propuesta equivalente de la IEC (International Electrotechnical Commission) a nivel internacional, como requisito mínimo que puede completarse con normas locales.

La norma EN 50155 (UNE EN 50155: Aplicaciones ferroviarias. Equipos electrónicos utilizados sobre material rodante), en su última versión de 2007 con una corrección de 2010, ha causado confusión porque también contiene requisitos de CEM; a diferencia de la norma EN 50121, la EN 50155 está enfocada al funcionamiento del producto y no se utiliza para obtener el Marcado CE, aunque para algunos fabricantes ha sido un requisito contractual que obligaba a cumplir simultáneamente ambas normas.

El sub-comité técnico de CENELEC CLC/TC 9X desarrolla la serie de la norma EN 50121 y es el órgano encargado de la estandarización de los sistemas eléctricos y electrónicos, equipos y software asociado para todas las aplicaciones ferroviarias, tanto en material rodante como en instalaciones fijas, incluido el transporte urbano. Se compone de tres sub-comités: CLC/TC 9XA, comunicación, señalización y sistemas de procesamiento; CLC/TC 9XB, material rodante; y CLC/TC 9C, instalaciones fijas. Entre las normas que este sub-comité publica y mantiene destacan EN50261, sobre montaje de equipos electrónicos; EN50207, sobre convertidores electrónicos de potencia para el material rodante; EN50126-1 y TR50126-2, sobre fiabilidad, disponibilidad, mantenibilidad y seguridad; ET50128, sobre software para el control de trenes; EN50129, sobre seguridad de los sistemas electrónicos de señalización; EN50124-1 y EN50124-2, sobre coordinación de aislamiento; EN50125-1, EN55125-2 y EN50125-3, sobre condiciones ambientales del equipo; EN 50500, sobre exposición humana a campos electromagnéticos; EN 50463, sobre medida de energía a bordo de trenes; EN 50159-1 y EN 50159-2, sobre comunicación de seguridad en sistemas de transmisión cerrados y abiertos; EN 50238-1, EN 50238-2 y EN 50238-3, sobre compatibilidad entre material rodante y detección de trenes, circuitos de vía y contadores de ejes; CLC/TR 50507, sobre límites de interferencia de los circuitos de vía existentes; EN 50239, sobre control remoto de radio del vehículo de tracción; EN 50163, sobre tensiones de alimentación de los sistemas de tracción; UIC 737-3, sobre aplicación de tiristores en tecnología ferroviaria; y UIC 550, sobre instalaciones de suministro de energía para pasajeros.

Las instalaciones fijas (IFs) son montajes de diversos aparatos y dispositivos que llevan el Marcado CE, instalados y construidos aplicando las buenas prácticas de ingeniería, destinados a un uso permanente en un lugar predefinido, por ejemplo redes de distribución de electricidad, redes de telecomunicaciones o grandes máquinas en centros de fabricación. El ferrocarril se ajusta claramente a esta definición, y una IF debe cumplir los requisitos de protección de la seguridad y de la CEM; la documentación, basada en las buenas prácticas de ingeniería, debe incluir estudios del ambiente electromagnético, planes de gestión de la CEM, identificación de riesgos y matrices de cumplimiento.

Cuando un aparato está diseñado y fabricado para su incorporación en una IF específica y no está disponible en el mercado fuera de ella, no está obligado a someterse a los procedimientos formales de evaluación de la conformidad; el fabricante puede optar por seguirlos o por proporcionar documentación que detalle el nombre y lugar de la IF y las precauciones de CEM adoptadas. Las autoridades pueden exigir ver la Documentación Técnica y no solo una declaración de conformidad (DoC). En la construcción de una nueva línea, la persona responsable es el contratista principal; tras la puesta en marcha y el traspaso, esa condición pasa al controlador de la infraestructura, por ejemplo el Ingeniero Jefe o Director Técnico, que debe mantener la documentación como un documento vivo. En instalaciones ya construidas la Directiva de CEM no es retroactiva, por lo que la documentación se acumula con el tiempo, y la acción legal de inspección resulta poco probable salvo que se produzca un accidente.

Las normas EN 50121-2 y EN 50121-3-1 establecen las emisiones que deben medirse a partir de los movimientos de los trenes desde un único punto de observación situado a 10 metros al lado de la vía férrea. Las mediciones se realizan con un detector de pico, porque el tiempo disponible es muy corto y depende de la anchura del haz de la antena, de la velocidad de barrido del instrumento y de la velocidad del tren, de modo que se incluyen transitorios como los debidos a los rebotes del pantógrafo. Las pruebas se realizan con varias antenas a la vez, entre 2 y 3 según el tipo, para cubrir todo el ancho de banda requerido.

Los límites de las normas se derivan de estas mediciones, lo que implica que el material rodante puede producir emisiones continuas hasta esos límites, por lo que puede haber trenes más ruidosos que en el pasado. Las normas también exigen pases individuales del tren para los distintos rangos de frecuencia, operación costosa y larga que suele requerir una vía de pruebas o el cierre temporal de la red real. Los límites de las emisiones radiadas según la norma EN 50121-3-1 dependen de si las pruebas se realizan a nivel estacionario o en movimiento lento.

Para lograr el cumplimiento de la CEM es necesario incluirla como parámetro de diseño desde la fase conceptual del proyecto, comenzando por incorporarla como requisito en la convocatoria de licitación, definiendo la norma EN 50121 junto con normas adecuadas a la infraestructura, como las normas de grupo de la RSSB ("Rail Safety and Standards Board") GM/RC 1500 y GM/RT8015, o el manual de buenas prácticas 5-01018-001/G-222 A1 del Metro de Londres. El contratista principal debe entonces preparar un Plan de Gestión de la CEM al comienzo del proyecto, que incluye la identificación de peligros, un listado de referencias, la definición de responsabilidades del contratista y sus proveedores, el control de los proveedores, la gestión de la CEM a nivel de sistema completo, la documentación entregable y la planificación temporal, incluidos hitos como las pruebas de emisión in situ. Cada proveedor debe demostrar que su equipo cumple los requisitos de CEM especificados mediante su Plan de Control de CEM, sus Planes de Pruebas y el informe de resultados, y las prácticas de instalación deben asegurar la inmunidad del subsistema mediante cables apantallados, separación de cables, conexión a tierra y buenas técnicas de unión de chasis y armarios.

En España, la evaluación de la CEM en los ferrocarriles es doble: el Ministerio de Fomento, como Autoridad Nacional de Seguridad (NSA), expide la autorización de puesta en servicio, y el Administrador de Infraestructuras Ferroviarias (ADIF) emite la autorización de funcionamiento al confirmar la compatibilidad con la red. Los procesos legales se establecen mediante Órdenes Ministeriales, y las especificaciones técnicas de homologación mediante las Especificaciones Técnicas de Homologación (ETH), disponibles en la página web del Boletín Oficial del Estado (www.boe.es). La evaluación se apoya en resultados de pruebas, cálculos o simulaciones, comparación con trenes existentes y certificación de terceros, y la lleva a cabo un panel externo de organismos de certificación y organismos notificados que emite un certificado basado en las normas TSI ("rail Technical Specification Interoperability") y en las ETH.

• La norma CENELEC EN 50121 es la referencia clave de CEM en el ámbito ferroviario europeo, estructurada en 6 partes (1, 2, 3-1, 3-2, 4 y 5) traspasadas a UNE (apartado sobre la estructura de la norma EN 50121).
• Sistemas de alimentación ferroviaria en Europa: 600 V CC, 750 V CC, 1,5 kV CC, 3 kV CC, 3 kV CA a 16 2/3 Hz, 3 kV CA a 50 Hz, 15 kV CA a 50 Hz y 25 kV CA a 50 Hz (apartado sobre la Directiva de CEM y la industria ferroviaria).
• La conmutación de potencia se produce en unos pocos nanosegundos y genera EMIs con un espectro que alcanza el rango de los GHz (apartado sobre generación de EMI y filtrado).
• Las mediciones de emisiones radiadas del material rodante se hacen a 10 metros de la vía, con detector de pico y entre 2 y 3 antenas simultáneas (apartado sobre el material rodante).
• La Directiva de CEM vigente es la 2004/108/CE (DOUE 15/12/2004, transpuesta por el RD 1580/2006, BOE 22/12/2006); la nueva Directiva 2014/30/UE entra en vigor el 20/04/2016 (apartado sobre las directivas de CEM).
• La norma EN 50121 se introdujo en 1995 como norma previa, se adoptó definitivamente en 2000, su versión de 2006 entró plenamente en vigor en julio de 2009, y la UNE_EN_50121 se presentó en 2007 (apartado sobre RIA 12, RIA 18 y EN 50121).
• El sub-comité CENELEC CLC/TC 9X, dividido en CLC/TC 9XA, CLC/TC 9XB y CLC/TC 9C, desarrolla y mantiene la serie EN 50121 (apartado sobre la norma EN 50155).
• La norma EN 50155 está enfocada al funcionamiento del producto y no al Marcado CE, a diferencia de la EN 50121 (apartado sobre la norma EN 50155).
• En España la evaluación de CEM es doble: el Ministerio de Fomento expide la autorización de puesta en servicio y ADIF la autorización de funcionamiento (apartado sobre gestión de la CEM en España).
• La serie IEC 62236-x es la propuesta equivalente de la IEC a nivel internacional frente a la EN 50121 de CENELEC (apartado sobre la estructura de la norma EN 50121).