Sistema de tracción eléctrica de 25 Hz de Amtrak

El sistema de energía de tracción de 25 Hz de Amtrak es una red de energía de tracción para la parte sur del Corredor Noreste (NEC), el Corredor Keystone y varias líneas secundarias entre la ciudad de Nueva York y Washington DC. El sistema fue construido por el ferrocarril de Pensilvania entre 1915 y 1938 antes de que se estableciera por completo la red de transmisión eléctrica de América del Norte . Esta es la razón por la que el sistema utiliza 25 Hz, en lugar de 60 Hz, que es la frecuencia estándar para la transmisión de energía en América del Norte. El sistema también se conoce como Southend Electrification , en contraste con el sistema de energía de tracción de 60 Hz de Amtrak que funciona entre Boston y New Haven, que se conoce como el sistema Northend Electrification.

En 1976, Amtrak heredó el sistema de Penn Central , el sucesor del Pennsylvania Railroad, junto con el resto de la infraestructura del NEC.

Amtrak utiliza sólo alrededor de la mitad de la capacidad eléctrica del sistema; el resto se vende a los ferrocarriles regionales que operan sus trenes a lo largo del corredor, incluidos NJ Transit , SEPTA y MARC .

El sistema alimenta 226,6 millas (364,7 km) del NEC entre la ciudad de Nueva York ^[a] y Washington, DC, ^[b] todo el Corredor Keystone de 104 millas (167 km), una parte de la Línea de la Costa Norte de Jersey de NJ Transit (entre el NEC y Matawan), junto con la totalidad de las líneas Airport , Chestnut Hill West , Cynwyd y Media/Wawa de SEPTA .

en a mi Fuentes de alimentación de 25 Hz en el sistema ex-PRR
Sistema de 12,5 kV 60 Hz Bahía Bowery Lado soleado Ciudad de Long Island Orilla del agua n.º 1 Estación Penn de Nueva York Kearny NJT M&E 25 kV 60 Hz Frente al mar NJT M&E 25 kV 60 Hz Matawan NJT NJCL 25 kV 60 Hz Metuchen Richmond Richmond Voltereta Línea Cynwyd de SEPTA Unión del zoológico Sistema de 12 kV y 25 Hz de SEPTA Avenida Girard Estación de la calle 30 de Filadelfia Línea SEPTA Media/Wawa Línea del aeropuerto SEPTA Lamokin Subdirección de Parkesburg Presa de Safe Harbor Centro de transporte de Harrisburg Subsecretaría de Perryville Parque de Jericó Central generadora de Benning Estación de la Unión de Washington Patio de Potomac
Leyenda
Ruptura de fase Estación Convertidor estático Convertidor rotatorio Convertidor rotatorio (fuera de uso) Estación generadora (fuera de uso) Presa

El ferrocarril de Pensilvania (PRR) comenzó a experimentar con tracción eléctrica en 1910, coincidiendo con la finalización de los túneles trans-Hudson y la estación Penn de Nueva York . Estos sistemas iniciales eran sistemas de tercer carril de corriente continua (CC) de bajo voltaje . Si bien funcionaban adecuadamente para el servicio en túneles, el PRR finalmente los consideró inadecuados para la electrificación de alta velocidad y larga distancia.

Otros ferrocarriles habían experimentado, para ese momento, con sistemas de corriente alterna (CA) de baja frecuencia (menos de 60 Hz). Estos sistemas de baja frecuencia tenían la ventaja de la CA de voltajes de transmisión más altos, lo que reducía las pérdidas resistivas en largas distancias, así como la ventaja típica de la CC de un fácil control del motor, ya que los motores universales podían emplearse con equipos de control de cambiador de tomas de transformador. El contacto del pantógrafo con el cable del trolebús también es más tolerante a altas velocidades y variaciones en la geometría de la vía . El ferrocarril de Nueva York, New Haven y Hartford ya había electrificado una parte de su línea principal en 1908 a 11 kV 25 Hz CA y esto sirvió como modelo para el PRR, que instaló su propia electrificación de línea principal de prueba entre Filadelfia y Paoli, Pensilvania, en 1915. La energía se transmitía a lo largo de las partes superiores de los soportes de la catenaria utilizando cuatro circuitos de distribución monofásicos de dos cables de 44 kV. Las pruebas en la línea con locomotoras eléctricas experimentales como la PRR FF1 revelaron que las líneas de distribución de 44 kV serían insuficientes para cargas más pesadas en distancias más largas.

En la década de 1920, el PRR decidió electrificar grandes partes de su red ferroviaria oriental y, como en ese momento no existía una red eléctrica comercial, el ferrocarril construyó su propio sistema de distribución para transmitir energía desde los sitios de generación hasta los trenes, posiblemente a cientos de millas de distancia. Para lograrlo, el PRR implementó un sistema pionero de líneas de transmisión de alto voltaje monofásicas de 132 kV, que se reducían a 11 kV en subestaciones espaciadas regularmente a lo largo de las vías.

La primera línea que se electrificó utilizando este nuevo sistema fue entre Filadelfia y Wilmington, Delaware a fines de la década de 1920. Para 1930, la catenaria se extendió desde Filadelfia a Trenton, Nueva Jersey , para 1933 a la ciudad de Nueva York y para 1935 al sur a Washington, DC Finalmente, en 1939, la línea principal desde Paoli al oeste hasta Harrisburg se completó junto con varias líneas solo de carga. También se incluyeron el Trenton Cutoff y el Port Road Branch . Superpuesta a estas líneas electrificadas había una red eléctrica independiente que entregaba corriente de 25 Hz desde el punto de generación a locomotoras eléctricas en cualquier lugar de casi 500 millas de ruta (800 km) de vía, todo bajo el control de despachadores de energía eléctrica en Harrisburg, Baltimore, Filadelfia y la ciudad de Nueva York.

Los ferrocarriles del noreste se atrofiaron en los años posteriores a la Segunda Guerra Mundial ; el PRR no fue una excepción. La infraestructura del Corredor Noreste permaneció esencialmente sin cambios a través de la serie de fusiones y quiebras, que terminaron en la creación y adquisición por parte de Amtrak de las antiguas líneas del PRR, que llegaron a conocerse como el Corredor Noreste. El Proyecto de Mejora del Corredor Noreste de alrededor de 1976 había planeado originalmente convertir el sistema del PRR al estándar de la red eléctrica de 60 Hz. Finalmente, este plan fue archivado por ser económicamente inviable, y la infraestructura de tracción eléctrica se dejó en gran parte sin cambios con la excepción de un aumento general del voltaje de tracción a 12 kV y un aumento correspondiente del voltaje de transmisión a 138 kV.

Durante la década de 1970, se cerraron varias de las estaciones convertidoras o generadoras originales que originalmente suministraban energía al sistema. Además, el fin del servicio de transporte de carga electrificado en la línea principal a Paoli permitió que las subestaciones originales de 1915 y sus líneas de distribución de 44 kV se desmantelaran, y que esa sección de 32 km (20 millas) de vía se alimentara desde subestaciones de la década de 1930 en ambos extremos. En la década entre 1992 y 2002, se pusieron en servicio varias estaciones convertidoras estáticas para reemplazar las estaciones que se habían cerrado o estaban siendo cerradas. Los convertidores de Jericho Park, Richmond y Sunnyside Yard se instalaron durante este período. Esto reemplazó gran parte del equipo de conversión de frecuencia eléctrica, pero el equipo de transmisión y distribución del lado de la línea no se modificó.

En 2003, Amtrak inició un plan de mejoras de capital que incluía el reemplazo planificado de gran parte de la red de vías, incluidos transformadores de 138/12 kV , disyuntores y cables catenarios. Estadísticamente, esta mejora de capital ha dado como resultado significativamente menos demoras, aunque todavía se han producido paradas dramáticas del sistema.

El sistema de 25 Hz fue construido por el ferrocarril de Pensilvania con un voltaje nominal de 11 kV. Los voltajes nominales de funcionamiento se aumentaron en 1948 y ahora son: ^[1]

• Tensión de catenaria (tracción): 12 kV
• Tensión de transmisión: 138 kV
• Potencia de señal:
  • 2,2 kV 91⅔ Hz – Área de Pensilvania, Nueva York. Se utilizaron 60 Hz entre 1910 y 1931. Se instalaron 100 Hz, pero se cambiaron rápidamente para evitar interferencias causadas por la electrificación simultánea de CA y CC.
  • 3,3 kV 100 Hz – Paoli/Chestnut Hill. 60 Hz utilizados entre 1915/18 y 1930
  • 6,9 kV 91⅔ Hz: todos los trabajos de electrificación a partir de 1930

En 1997, el sistema incluía 1.530 kilómetros de líneas de transmisión de 138 kV, 55 subestaciones, 147 transformadores y 1.777 kilómetros de catenaria de 12 kV.

Las locomotoras del sistema consumen anualmente más de 550 GWh de energía. ^[2] Si este consumo se mantuviera constante durante todo el año (aunque en la práctica no es así), la carga media del sistema sería de aproximadamente 63 MW.

El factor de potencia del sistema varía entre 0,75 y alrededor de 0,85.

La energía eléctrica se origina en siete instalaciones de generación o plantas de conversión de corriente de tracción . La capacidad nominal de todas las fuentes de energía en el sistema es de aproximadamente 354 MW. La carga máxima instantánea en el sistema es de 210-220 MW (a partir de 2009 ) durante la hora pico de la mañana y hasta 225 MW durante la tarde. ^[3] La carga máxima ha aumentado significativamente con el tiempo. En 1997, la carga máxima fue de 148 MW. ^[2]

Independientemente de la fuente, todas las plantas de conversión y generación suministran energía al sistema de transmisión a 138 kV, 25 Hz, monofásica , mediante dos cables. Por lo general, al menos dos circuitos separados de 138 kV siguen cada derecho de paso para abastecer las subestaciones del lado de la línea.

En la actualidad, las siguientes plantas convertidoras y generadoras se encuentran operativas, aunque rara vez todas están en funcionamiento simultáneamente debido a paradas de mantenimiento y revisiones:

Actualmente se encuentran en funcionamiento varios tipos de equipos: inversores estáticos , motores-generadores (a veces llamados convertidores de frecuencia rotativos), turbinas hidráulicas (generadores hidroeléctricos) y un cicloconvertidor estático .

• Presa Safe Harbor, PA – La presa Safe Harbor tiene dos turbinas monofásicas de 28 MW dedicadas a la generación de energía de 25 Hz. También está instalado un convertidor de frecuencia de tipo generador de motor bidireccional de 25 MW. La capacidad total de 25 Hz de la presa es de 81 MW. La energía de Safe Harbor se transmite a través de la subestación Conestoga a Royalton, Pensilvania , Parkesburg, Pensilvania (dos circuitos) y Perryville, Maryland (cuatro circuitos), donde se alimenta a la red de 138 kV del lado de la línea.

Las turbinas de 25 Hz de la presa están programadas por Amtrak, pero son operadas por Safe Harbor Water Power Company. Al igual que otras plantas hidroeléctricas, tiene una excelente capacidad de arranque en negro , que se demostró recientemente durante un apagón en 2006. Después de que un apagado en cascada de los convertidores dejara la red sin energía, se recuperó utilizando los generadores de Safe Harbor y, posteriormente, los demás convertidores volvieron a funcionar.

Durante el período de doce meses que finalizó en agosto de 2009, Safe Harbor suministró alrededor de 133 GWh de energía a la subestación de Amtrak en Perryville. ^[4] Normalmente, dos tercios de la producción de Safe Harbor se envía a través de Perryville y el resto a través de Harrisburg o Parkesburg. Esto sugiere que Safe Harbor suministra alrededor de 200 GWh de energía anualmente a la red de 25 Hz.

Los generadores de motor y los generadores de turbina de vapor fueron las fuentes de energía originales en la red de energía de tracción de PRR. La última turbina de vapor dejó de funcionar en 1954, pero algunos de los generadores de motor originales permanecen. Aunque las máquinas de conversión se denominan con frecuencia "convertidores rotativos" o "convertidores de frecuencia rotativos", no son los convertidores rotativos que se utilizan con frecuencia en los subterráneos para convertir la corriente alterna de baja frecuencia en energía de CC. Los convertidores utilizados se describen con mayor precisión como generadores de motor y consisten en dos máquinas de CA sincrónicas en un eje común con diferentes relaciones de polos; no están conectados eléctricamente como en un verdadero convertidor rotativo.

Las principales ventajas de los motogeneradores incluyen valores nominales de corriente de falla muy altos y una corriente de salida limpia. La electrónica de estado sólido puede dañarse muy rápidamente, por lo que los sistemas de control de microprocesador reaccionan muy rápidamente a las condiciones de sobrecorrección para colocar el convertidor en un modo seguro e inactivo o para disparar el disyuntor de salida . Los motogeneradores, al ser de diseño de la década de 1930, están muy sobreconstruidos. Estas máquinas robustas pueden absorber grandes transitorios de carga y condiciones de falla exigentes mientras continúan en línea. Su forma de onda de salida también es perfectamente sinusoidal sin ruido ni salida de armónicos más alta. De hecho, pueden absorber el ruido armónico producido por los dispositivos de estado sólido, sirviendo efectivamente como un filtro. Estos atributos, combinados con su alta capacidad de corriente de falla, los hacen deseables en un papel estabilizador dentro del sistema de energía. Amtrak ha conservado dos de las plantas convertidoras originales y planea revisarlas y continuar su operación indefinidamente.

Las desventajas de los motogeneradores incluyen una menor eficiencia, generalmente entre el 83% (máquina con carga ligera) y el 92% (máquina con carga completa). En comparación, la eficiencia del cicloconvertidor puede superar el 95%. Además, los motogeneradores requieren un mayor mantenimiento de rutina debido a su naturaleza de máquinas rotativas, dados los cojinetes y anillos rozantes. Hoy en día, el reemplazo total de los motogeneradores también sería difícil debido al alto costo de fabricación y la demanda limitada de estas grandes máquinas de 25 Hz.

• Metuchen, NJ – Generador de motor de 25 MW. Se prevén mejoras en las líneas de transmisión y los disyuntores para 2010. ^[5] 40°31′51″N 74°20′50″O / 40.530743, -74.347281 (Convertidor de frecuencia rotatorio de Metuchen)
• Lamokin ( Chester ), Pensilvania – La planta de Lamokin se construyó en la década de 1920 y tiene una capacidad neta de 48 MW y consta de tres generadores de motor de 16 MW. Las tres unidades serán revisadas, incluido el rebobinado de rotores y estatores, y el reemplazo de conjuntos de anillos colectores. También está previsto reemplazar los disyuntores y cables asociados. ^[5] 39°50′36″N 75°22′38″O / 39.843241, -75.377225 (Convertidor de frecuencia rotativo Lamokin)

Los convertidores estáticos del sistema se pusieron en servicio durante la década comprendida entre 1992 y alrededor de 2002. Los convertidores estáticos utilizan electrónica de estado sólido de alta potencia con pocas piezas móviles. Las principales ventajas de los convertidores estáticos sobre los generadores de motor incluyen un menor costo de capital, menores costos operativos y una mayor eficiencia de conversión. El convertidor de Jericho Park supera sus criterios de diseño de eficiencia del 95%. Las principales desventajas de los convertidores de estado sólido incluyen la generación de frecuencia armónica tanto en el lado de 25 Hz como en el de 60 Hz, y una menor capacidad de sobrecarga.

• Sunnyside Yard ( Long Island City ), NY – Inversor estático de 30 MW encargado a ABB en 1993 por 27 millones de dólares. Este convertidor es operado por Amtrak y generalmente funciona con carga continua baja para proporcionar potencia reactiva y de pico al área de Nueva York. 40°45′02″N 73°55′18″O / 40.750499, -73.921753 (Convertidor estático Sunnyside Yard)
• Richmond (Filadelfia), PA – La planta de convertidores estáticos de Richmond consta de cinco módulos de 36 MW y tiene una capacidad neta de 180 MW. Se encargó a Siemens en 1999 por 60 millones de dólares y la instalación se completó alrededor de 2002. La planta recibe energía trifásica de 69 kV y 60 Hz de PECO Energy Company . Aunque se desconoce la arquitectura eléctrica exacta de los módulos convertidores, se supone que son de la variedad de enlace de CC (rectificador, capacidad de filtrado e inversor colocados uno detrás del otro) basados ​​en otros convertidores de potencia de tracción de Siemens. El apagado de la red de tracción de 2006 se originó en uno de los módulos convertidores de esta planta. La potencia de salida de Richmond está programada con PECO, aunque las unidades en sí son operadas por Amtrak de forma remota desde Filadelfia. En general, los tres convertidores suministrados por PECO (Richmond, Metuchen y Lamokin) están programados como un bloque con PECO. 39°59′1″N 75°4′41″O / 39.98361, -75.07806 (Convertidor estático de Richmond)
• Jericho Park, MD – Convertidor estático de 20 MW. Jericho Park se construyó para reemplazar la capacidad perdida cuando BG&E se negó a renovar el contrato del convertidor rotativo de Benning. BG&E propuso un convertidor estático para reemplazar a Benning, y Jericho Park entró en servicio seis años después. Consta de dos módulos de cicloconvertidor de 10 MW suministrados por GE. 39°0′56″N 76°46′09″O / 39.01556, -76.76917 (Convertidor estático de Jericho Park)
  Jericho Park fue la primera fuente de alimentación de estado sólido introducida en la red de Amtrak. Sufría algunos problemas de red de filtrado causados ​​por el voltaje altamente distorsionado presente en la catenaria y finalmente se redujo de su capacidad de diseño original de 25 MW a 22 MVA. ^[6] Amtrak ha solicitado fondos para rehabilitar partes del convertidor en una solicitud ARRA . ^[5] Durante el período de doce meses que terminó en agosto de 2009, el convertidor de Jericho Park utilizó alrededor de 70 GWh de energía. Tenga en cuenta que la planta de convertidor estático de SEPTA en Wayne Junction también se basa en esta tecnología, aunque fue suministrada por una empresa diferente; consulte el sistema de energía de tracción de 25 Hz de SEPTA . 39°0′56″N 76°46′9″O / 39.01556, -76.76917. -76.76917 (Convertidor estático de Jericho Park)
• Metuchen – En octubre de 2014, Amtrak firmó un contrato con Siemens para dos convertidores de 30 MW para complementar el motor-generador de 25 MW existente de 1933. ^[7] El proyecto se completó en 2017 y forma parte del Programa de Mejora del Ferrocarril de Alta Velocidad de Nueva Jersey (NJHSRIP).

La mayoría de las fuentes de energía en la electrificación original del ferrocarril de Pensilvania se construyeron antes de 1940. Algunas se han retirado por completo, otras se han reemplazado por convertidores de frecuencia estáticos ubicados en el mismo lugar y otras permanecen en servicio y se renovarán y operarán indefinidamente.

Las siguientes tablas enumeran las fuentes que ya no están en servicio:

A principios del siglo XX, la energía de 25 Hz era mucho más fácil de conseguir en las empresas eléctricas comerciales. La gran mayoría de los sistemas de metro urbanos utilizaban energía de 25 Hz para alimentar los convertidores rotativos de las líneas de tren que se utilizaban para generar el voltaje de CC que se suministraba a los trenes. Como los convertidores rotativos funcionan de manera más eficiente con fuentes de alimentación de menor frecuencia, 25 Hz era una frecuencia de suministro común para estas máquinas. Los convertidores rotativos han sido reemplazados de manera constante durante los últimos 70 años, primero por rectificadores de arco de mercurio y, más recientemente, por rectificadores de estado sólido. Por lo tanto, la necesidad de energía de frecuencia especial para la tracción urbana ha desaparecido, junto con la motivación financiera de las empresas de servicios públicos para operar generadores en estas frecuencias.

La central eléctrica de Long Island City en Hunter's Point, Nueva York, fue construida por el ferrocarril de Pensilvania en 1906 como preparación para los túneles del río Norte y la apertura de la estación de Pensilvania en Manhattan. La estación constaba de 64 calderas de carbón y tres generadores de turbina de vapor con una capacidad total de 16 MW. En 1910, la estación se amplió con dos generadores de turbina adicionales para una capacidad total de 32,5 MW. La energía se transmitía a convertidores rotativos (máquinas de CA a CC) para su uso en el esquema original de electrificación del tercer carril del PRR. Como la mayoría de los sistemas de distribución eléctrica de CC de la época ( el de Thomas Edison era el más famoso), se utilizaba energía de 25 Hz para impulsar convertidores rotativos en subestaciones a lo largo de la línea. Algunas fuentes afirman que la estación estaba en gran parte inactiva en la década de 1920. ^[8] Cuando se amplió la electrificación aérea de CA en la década de 1930, Long Island City se conectó al sistema de distribución catenaria de 11 kV. ^[10] La operación de la estación fue transferida a Consolidated Edison en 1938, aunque ConEd comenzó a suministrar energía desde la adyacente Central generadora Waterside, probablemente debido a la disminución de la demanda general de energía de 25 Hz. La estación quedó en desuso y se vendió a mediados de la década de 1950. 40°44′35″N 73°57′29″O / 40.7430, -73.9581 (Central generadora de Long Island City (en desuso))

Originalmente construida por Consolidated Edison para suministrar energía a su sistema de distribución de CC en Manhattan, Waterside comenzó a suministrar energía al sistema de CA de PRR alrededor de 1938 cuando ConEd asumió la operación de la estación de Long Island City. Los generadores de turbina monofásicos se retiraron a mediados de la década de 1970 debido a problemas de seguridad. Se instalaron dos transformadores para suministrar energía catenaria desde las partes restantes (trifásicas) del sistema de 25 Hz todavía relativamente extenso de ConEd. Los problemas de gestión del flujo de energía impidieron el uso de esta fuente en condiciones que no fueran de emergencia. ^[9] 40°44′47″N 73°58′15″O / 40.7464, -73.9707 (Estación generadora Waterside (demolida))

En 1986, Baltimore Gas and Electric decidió no renovar el contrato bajo el cual había operado el cambiador de frecuencia de la Central Eléctrica Benning en nombre de Amtrak. Propusieron un cambiador de frecuencia estático, que se construyó en Jericho Park ( Bowie, Maryland ) y se puso en servicio en la primavera de 1992. ^[11] 38°53′51″N 76°57′33″O / 38.897534, -76.959298 (Cambiador de frecuencia de Benning (demolido))

Aunque la potencia reactiva se ha suministrado principalmente junto con la potencia real por las turbinas de vapor y los generadores de motor del sistema, el PRR utilizó brevemente dos condensadores síncronos . Poco después de poner en servicio la electrificación de 1915, el ferrocarril descubrió que los alimentadores de 44 kV y las grandes cargas inductivas del sistema estaban provocando una caída de tensión significativa. La empresa eléctrica suministradora ( Philadelphia Electric ) también descubrió que era necesaria la corrección del factor de potencia . En 1917, el PRR instaló dos convertidores síncronos de 11 kV y 4,5 MVA en Radnor , el punto central aproximado de la carga del sistema. ^[12] Esta subestación estaba situada en el sitio de los tanques de agua utilizados para suministrar agua a las bandejas de las vías, que suministraban agua a las locomotoras de vapor convencionales. En algún momento posterior, los convertidores se apagaron y se retiraron. Posteriormente, ni el PRR ni Amtrak han utilizado máquinas dedicadas al soporte de potencia reactiva. 40°02′41″N 75°21′34″O / 40.044725°N 75.359463°W / 40.044725; -75.359463 ( Radnor )

La electrificación original de la PRR en 1915 hizo uso de cuatro subestaciones en Arsenal Bridge , West Philadelphia , Bryn Mawr y Paoli . ^[13] La subestación Arsenal Bridge aumentó la energía de 13,2 kV, 25 Hz suministrada desde la central eléctrica Schuylkill de PECO en Christian Street a 44 kV para distribución. Las tres subestaciones restantes redujeron la tensión de distribución de 44 kV a una tensión de catenaria de 11 kV. Las subestaciones se operaban desde torres de señalización adyacentes. ^[14] Utilizaron edificios de hormigón típicos de la época para albergar los transformadores y la aparamenta mientras que los terminales de línea estaban en el techo. A partir de 1918, se utilizaron estaciones al aire libre y, cuando comenzó la electrificación de la línea principal en 1928, las estaciones se convirtieron en grandes estructuras al aire libre que utilizaban marcos de acero enrejado para montar las terminaciones y la aparamenta de 132 kV . En 1935, las nuevas estaciones se conectaron a sistemas de supervisión remota, lo que permitía a los directores de energía abrir y cerrar interruptores y disyuntores desde las oficinas centrales sin tener que pasar por los operadores de la torre.

En la actualidad, la red de Amtrak cuenta con unas 55 subestaciones ^[2] . Las subestaciones están espaciadas unas 8 millas (13 km) entre sí y alimentan circuitos de catenaria de 12 kV en ambas direcciones a lo largo de la línea. Por lo tanto, la catenaria está segmentada (mediante cortes de sección, también llamados "seccionalizaciones" por el PRR) en cada subestación, y cada subestación alimenta ambos lados del corte de sección de una catenaria. Un tren que viaja entre dos subestaciones obtiene energía a través de ambos transformadores.

Una subestación típica incluye de dos a cuatro transformadores de 138/12 kV, interruptores de aire de 138 kV que permiten aislar transformadores individuales, apagar uno de los dos alimentadores de 138 kV o realizar una conexión cruzada de un alimentador a otro. La salida de los transformadores se dirige a la catenaria a través de disyuntores de 12 kV e interruptores de desconexión de aire. Los interruptores de conexión cruzada permiten que un transformador alimente todas las líneas de catenaria.

La arquitectura de la subestación del PRR se basó en un ferrocarril de alta velocidad y larga distancia. La separación entre subestaciones garantiza que ningún tren se encuentre a más de 4 o 5 millas de la subestación más cercana, lo que minimiza la caída de tensión. Una desventaja del diseño de la subestación tal como fue construida originalmente por el PRR es la falta de disyuntores de 138 kV. Básicamente, toda la segmentación del sistema de 138 kV debe realizarse manualmente, lo que dificulta el aislamiento rápido de una falla en la línea de 138 kV.

Las fallas en una parte de la línea también afectan a todo el sistema de distribución, ya que es imposible que el sistema de transmisión de 138 kV se proteja o reconfigure durante una condición de falla. Las fallas de alto voltaje generalmente se eliminan abriendo los interruptores de salida del convertidor, lo que causa una pérdida simultánea del convertidor. El sistema no se degrada adecuadamente bajo fallas de alto voltaje. En lugar de aislar, por ejemplo, el alimentador sur de 138 kV entre Washington y Perryville, el sistema requeriría abrir los interruptores de salida del convertidor en Jericho Park y Safe Harbor. Esto da como resultado la pérdida de una parte mucho mayor de la red de la que se requiere simplemente para aislar la falla.

Todas las líneas de transmisión dentro del sistema de 25 Hz son monofásicas, de dos cables y 138 kV. La toma central de cada transformador de 138 kV/12 kV está conectada a tierra; por lo tanto, las dos líneas de transmisión están conectadas a ±69 kV con respecto a tierra y a 138 kV entre sí.

Generalmente, dos circuitos separados de dos cables recorren la línea ferroviaria entre las subestaciones. Un circuito se monta en la parte superior de los postes de la catenaria en un lado de la vía; el segundo circuito recorre el otro lado.

La disposición de los soportes de catenaria y los cables de transmisión le da a la estructura aérea a lo largo de las antiguas líneas de ferrocarril de Pensilvania su característica estructura en forma de H de 80 pies (24 m) de altura. Son mucho más altas que las estructuras de electrificación aérea de otros ferrocarriles estadounidenses electrificados debido a las líneas de transmisión de 138 kV. Las torres de catenaria y las líneas de transmisión a lo largo de las antiguas líneas de ferrocarril de Nueva York, New Haven y Hartford y la división de Nueva Inglaterra de Amtrak son mucho más bajas y son reconocibles debido a su diseño y construcción diferentes.

Si bien la mayor parte de la infraestructura de transmisión está ubicada directamente sobre las líneas ferroviarias en la misma estructura que sostiene el sistema de catenaria, algunas líneas están ubicadas sobre líneas que han sido deselectrificadas o abandonadas o, en algunos casos, en derechos de paso completamente independientes.

A continuación se incluye una lista de todos los segmentos principales de la infraestructura de transmisión de 138 kV y 25 Hz, en la que se indican las subestaciones (SS o Sub) o las estaciones de conmutación de alta tensión (HT Sw'g) como terminales. Para mayor claridad, en esta tabla no se repiten las posiciones de las subestaciones. A continuación se incluye una lista de las estaciones de conmutación de alta tensión.

El programa de mejoras de capital de Amtrak, que comenzó en 2003, ha continuado hasta el día de hoy y desde 2009 ha recibido apoyo adicional de fuentes de financiación de estímulo económico (Ley de Recuperación y Reinversión Estadounidense de 2009 o ARRA).

Las principales mejoras en 2010 incluyeron: ^[23]

• Finalización de la subestación Ivy City y la línea de transmisión de 138 kV.
• Reemplazar cinco transformadores de potencia de tracción.
• Renovar 40 millas de catenaria en Maryland.
• Renovar 18 millas de catenaria en Pensilvania.
• Continúan las renovaciones de la catenaria a lo largo de la línea Hell Gate en Nueva York.
• Reemplazar la línea de transmisión de 138 kV entre Safe Harbor (subestación Conestoga) y Atglen, PA (justo al oeste de Parkesburg, PA ).

Las principales mejoras planificadas para el futuro incluyen:

• Actualice el convertidor de frecuencia Metuchen.
• Construcción de una nueva subestación, denominada Hamilton (Sub 34A), entre Morrisville y Princeton.
• Modernización de la catenaria y el sistema eléctrico para operación de alta velocidad en Nueva Jersey.

El proyecto de la subestación Ivy City marcó la primera extensión de la línea de transmisión de 138 kV desde que se construyó la presa Safe Harbor en 1938. En el esquema de electrificación original de PRR, las líneas de transmisión de 138 kV iban hacia el sur desde Landover hasta la subestación Capital South en lugar de seguir la línea a través de Ivy City hasta el acceso norte a Union Station . Las dos vías entre Landover y Union Station no tenían una línea de transmisión de alto voltaje sobre ellas; la catenaria de Union Station se alimentaba a 12 kV desde las subestaciones Landover y Capitol (esta última a través de los túneles de First Street ). Cuando se abandonó la subestación Capitol South, coincidiendo con la deselectrificación de la vía entre Landover y Potomac Yard , Union Station y sus accesos se convirtieron en una sección de vía alimentada por un solo extremo. Esto, combinado con el aumento de los niveles de tráfico, resultó en condiciones de bajo voltaje en los accesos a Union Station y una disminución de la confiabilidad del sistema. ^[24]

El proyecto de Ivy City dio como resultado la instalación de dos transformadores de 4,5 MVA en una subestación de 138/12 kV en el extremo noreste del complejo de patios de Ivy City y 5,2 millas (8,4 km) de línea de transmisión de 138 kV para aumentar las instalaciones sobrecargadas en Landover. Dado que los soportes de catenaria originales a lo largo de esta sección de la vía solo eran lo suficientemente altos para el cable de catenaria de 12 kV, las líneas de 138 kV se instalaron en nuevos postes monopie de acero instalados a lo largo del derecho de paso. Excepto por el hecho de que los nuevos postes solo llevan cuatro conductores en lugar de los seis típicos para una línea de servicios públicos, la nueva línea parece una línea eléctrica de media tensión típica en lugar de la típica estructura en forma de H de estilo PRR.

En 2011, Amtrak reemplazó las líneas de transmisión que unen la subestación Conestoga con Parkesburg vía Atglen. Estas líneas se instalaron originalmente sobre el ramal Atglen y Susquehanna . Posteriormente, Conrail abandonó la línea y se quitaron las vías, pero Amtrak ha conservado una servidumbre para operar sus líneas de transmisión de 138 kV sobre la plataforma de la vía. Se reemplazaron torres, conductores y cables a lo largo de 24 millas (39 km) de la ruta; el trabajo se completó en septiembre de 2011. ^[25] El alcance del trabajo incluyó:

• Retirada del portal original y del soporte de catenaria en voladizo (~450 estructuras).
• Instalación de 257 nuevas estructuras monopolares.
• 96 millas (154 km) de instalación de conductor de transmisión ACSR (dos circuitos, dos cables cada uno).
• 24 millas (39 km) de línea de tierra de fibra óptica.

La financiación de este proyecto se incluyó en el programa ARRA. La cantidad especificada de postes espaciados aproximadamente a 500 pies (150 m) por torre es aproximadamente el doble de la distancia entre ellos que la longitud del tramo entre las estructuras de la década de 1930, que tenía un promedio de 270 pies (82 m). ^[18]

A fines de 2010, Amtrak solicitó servicios de diseño para nuevas líneas de transmisión entre las subestaciones de Paoli y Zoo. Los objetivos principales de esta expansión incluyen mejorar la confiabilidad de la transmisión entre Safe Harbor y Filadelfia y reducir los costos de mantenimiento. Este proyecto complementa el reemplazo de la línea de transmisión de Safe Harbor a Atglen, que ya se completó.

La línea de transmisión de Zoo a Paoli reemplazaría el esquema de suministro actual, que utiliza líneas de 138 kV que corren en forma tortuosa a lo largo de la línea Cynwyd de SEPTA, los senderos ferroviarios de Schuylkill Branch y el Trenton Cut-off entre las subestaciones de Zoo y Frazer. La nueva ruta reducirá los costos de mantenimiento, ya que Amtrak debe mantener los postes de transmisión y controlar la vegetación a lo largo del derecho de paso, que no posee ni utiliza para el servicio de ingresos. La línea conceptual se extenderá desde la subestación Paoli existente hasta la unión de la línea principal de Harrisburg a Filadelfia y la línea Cynwyd de SEPTA en 52nd Street en West Philadelphia. 39°58′43″N 75°13′41″O / 39.9785, -75.2280 -75.2280 (Fin de la nueva construcción de las líneas de transmisión Paoli-Zoo) .

Las nuevas líneas se conectarían a los circuitos 1ED y 2ED existentes, que quedarían abandonados entre el cruce y su terminal actual en el conmutador de alta tensión de Earnest Junction. El plan también incluye la construcción de una subestación de 138/12 kV en Bryn Mawr para reemplazar la estación de conmutación existente. Se planea reemplazar las estructuras de catenaria existentes de 1915 y los nuevos soportes de transmisión serán compatibles con el reemplazo de la catenaria. ^[26] Sin embargo, nada de esto se hizo debido a la oposición local. ^[27]

Se construyó una nueva subestación (número 34A) llamada Hamilton en el condado de Mercer, Nueva Jersey. Las obras en el lugar comenzaron a principios de 2013 y la subestación se puso en servicio a principios de 2015.

Las subestaciones Morton #01 y Lenni #02 son propiedad de SEPTA y abastecen a la línea Media/Wawa ; por lo tanto, no están cubiertas por los programas de financiación de capital de Amtrak. El propio plan de mejora de capital de SEPTA, formulado a fines de 2013 después de la aprobación de la legislación de financiación en Pensilvania , permitió la renovación de todos los componentes en Morton y Lenni. ^{[28] [29]}

En octubre de 2014, SEPTA solicitó a los contratistas interesados ​​que presentaran ofertas para la rehabilitación de la subestación Lenni. ^[30] En diciembre de 2014, SEPTA adjudicó un contrato de 6,82 millones de dólares a Vanalt Electrical para el trabajo. ^[31] El trabajo se completó a fines del otoño de 2016. ^[32]

En febrero de 2014, SEPTA adjudicó un contrato de 6,62 millones de dólares a Philips Brothers Electrical Contractors Inc. ^[33] para la rehabilitación de la subestación Morton. ^[34] El trabajo se completó a fines del otoño de 2016. ^[35]

A pesar de las recientes mejoras de capital en todo el sistema, en los últimos años se han producido varios cortes de energía de alto perfil a lo largo del NEC.

El 25 de mayo de 2006, durante la restauración de uno de los módulos inversores de Richmond después del mantenimiento, no se ejecutó un comando para restaurar la capacidad de salida total del módulo. El sistema toleró esta capacidad reducida durante aproximadamente 36 horas, durante las cuales el problema pasó desapercibido. Durante la hora pico de la mañana siguiente (26 de mayo), la capacidad general se sobrecargó:

• A las 7:55 am, los dos disyuntores del convertidor de Jericho Park se dispararon.
• Poco después, el convertidor Sunnyside se disparó.
• A las 8:02 am, saltaron tres de los disyuntores de los módulos convertidores de Richmond. Poco después, saltó un cuarto disyuntor. Después de que saltara el cuarto disyuntor de Richmond, el sistema comenzó a desestabilizarse. Los operadores humanos reconocieron el daño inminente del sistema y saltaron manualmente las fuentes de alimentación restantes, apagando toda la red de 25 Hz. ^[36]

A las 8:03 am, todo el sistema de 25 Hz, que se extendía desde Washington, DC a Queens, Nueva York, fue cerrado. Alrededor de 52.000 personas quedaron varadas en los trenes o afectadas de otra manera. Dos trenes de New Jersey Transit varados bajo el río Hudson fueron recuperados por locomotoras diésel. La restauración se vio obstaculizada por políticas que permitieron que las estaciones de conversión funcionaran sin supervisión durante los períodos de hora punta. ^[37] El sistema de 25 Hz fue restaurado mediante un " arranque en negro " utilizando las turbinas de agua de Safe Harbor, y la mayoría de los servicios a lo largo del sistema volvieron a la normalidad a media tarde. Posteriormente, Amtrak mejoró su sistema de mantenimiento de locomotoras diésel de "rescate" cerca de los túneles del río Hudson. ^[38]

El bajo voltaje del sistema en la ciudad de Nueva York provocó la interrupción de los trenes en la zona de Nueva York y sus alrededores a las 8:45 am del miércoles 23 de diciembre de 2009. El suministro eléctrico nunca se perdió por completo y el voltaje se restableció por completo a las 11:30 am. Amtrak afirmó que un problema eléctrico en North Bergen, Nueva Jersey (cerca del portal occidental y la subestación de Union City) causó el problema, pero no dio más detalles sobre la naturaleza del mal funcionamiento. ^[39]

El martes 24 de agosto de 2010, a las 7:45 horas, se registró un bajo voltaje en el sistema que provocó que Amtrak ordenara la suspensión de todos los trenes de la red de tracción de 25 Hz. El servicio de baja velocidad se restableció gradualmente y el problema de energía se corrigió a las 9:00 horas, aunque los retrasos persistieron durante el resto de la mañana. ^[40]

El 29 de octubre de 2012, el huracán Sandy golpeó la costa noreste de los EE. UU. Aumentada por un nordeste, la marejada ciclónica de Sandy atravesó Hackensack Meadows, dañando gravemente (entre otras infraestructuras ferroviarias) la subestación Kearney # 41 y dejándola fuera de línea. Esta pérdida de capacidad eléctrica obligó a Amtrak y New Jersey Transit a operar menos trenes, utilizando horarios de fin de semana modificados. Con la ayuda del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de EE. UU ., la subestación fue aislada de las aguas de la inundación y luego desagotada. ^[16] Después de probar los componentes de la subestación, se determinó que el grado de daño era menor de lo que se temía inicialmente, y después de más reparaciones, la subestación Kearney volvió a funcionar el viernes 16 de noviembre, lo que permitió el regreso inmediato de todos los trenes eléctricos de Amtrak y el regreso gradual de todos los trenes eléctricos de NJ Transit a Penn Station a través de los túneles de North River desagotados . ^[41]

Desde entonces, Amtrak ha solicitado financiación federal para mejorar la subestación Kearny para que sea lo suficientemente alta como para no verse afectada por las aguas de la inundación. ^[42]

• Electrificación ferroviaria de 25 kV CA
• El sistema de tracción eléctrica de 60 Hz de Amtrak opera a lo largo de las partes norte del Corredor Noreste desde New Haven hasta Boston.
• Electrificación del ferrocarril de Nueva York, New Haven y Hartford , electrificación entre Nueva York y New Haven.
• Sistema de tracción eléctrica de 25 Hz de SEPTA , también utilizado por trenes de cercanías en el área de Filadelfia.
• Lista de sistemas de electrificación ferroviaria
• Electrificación ferroviaria en Estados Unidos