Wtorek, 12 wrzesień 2017

Zasilanie, komunikacja i sterowanie w transporcie szynowym

W transporcie szynowym kluczowe znaczenie ma szybkość i bezpieczeństwo jazdy, i aby to zapewnić - ze względu na specyfikę pojazdów, które poruszają się po torach - w tytułowych dziedzinach stosuje się specjalne rozwiązania techniczne. Jakie - to wyjaśniamy w artykule na przykładzie zasilania tramwajów, łączności z pociągami, a także sterowania i automatyki w metrze.

Zasilanie, komunikacja i sterowanie w transporcie szynowym

CZĘŚĆ 1. ZASILANIE TRAMWAJÓW

Tramwaje pasażerskie zostały wprowadzone do użytku na początku XIX wieku. Początkowo były one ciągnięte przez konie, a później przez parowozy. Pod koniec XIX wieku w Niemczech została uruchomiona pierwsza linia tramwajów elektrycznych.

Obecnie tramwaje elektryczne w dalszym ciągu są popularnym środkiem transportu zbiorowego w wielu krajach. W Polsce można nimi podróżować na przykład w takich miastach, jak: Warszawa, Gdańsk, Kraków, Łódź czy Wrocław, natomiast na świecie tramwaje kursują m.in. we: Francji, Anglii, Szwecji, Japonii czy Australii.

TRAMWAJOWA A KOLEJOWA SIEĆ TRAKCYJNA

Tramwaje elektryczne zasilane są z sieci trakcyjnej. W Polsce płynie nią prąd stały o napięciu 600 V. Dla porównania, w kolejowej sieci trakcyjnej są to 3 kV. Inaczej niż w przypadku tej ostatniej, która stanowi w skali całego kraju system połączony, tramwajowe sieci trakcyjne są rozproszone. Dzięki temu są od siebie niezależne.

Z tego powodu,pod względem konstrukcji bardziej różnią się one pomiędzy sobą niż segmenty kolejowej sieci trakcyjnej. Za to ich rozbudowa, przebudowa czy modernizacja są dzięki temu łatwiejsze do realizacji.

Wykorzystując ten fakt oraz środki pozyskiwane z Unii Europejskiej w ostatnich latach w większości polskich miast dokonano znaczących inwestycji. Fundusze z UE przeznaczano przeważnie na budowę od podstaw nowych linii tramwajowych i wymianę starego taboru na nowoczesne składy, w których udogodnienia dla pasażerów, takie jak na przykład klimatyzacja, dźwiękowe i wizualne systemy informacji i strefy niskopodłogowe, są standardem. Remontowano również infrastrukturę tramwajową.

BUDOWA SIECI TRAKCYJNEJ I KLASYFIKACJA SIECI JEZDNYCH

Sieć trakcyjna wraz z tramwajem tworzą obwód elektryczny. Urządzenia elektryczne znajdujące się na pokładzie tego pojazdu są odbiornikami prądu, który płynie przez nie z sieci jezdnej zasilanej z podstacji trakcyjnej do sieci powrotnej.

Sieć jezdna trakcji ma charakter napowietrzny, natomiast sieć powrotną tworzą szyny. Zamykają one obwód przez połączenie z podstacją trakcyjną.

Część napowietrzna sieci trakcyjnej jest zawieszona nad torami na wysokości zwykle 5,5 metra, mierząc od górnej krawędzi (główki) szyny. W szczególnych przypadkach może być ona niższa. Przykładowo, na terenie zajezdni albo jeśli trasa tramwaju przebiega pod mostem, tunelem czy inną tego typu budowlą, minimalna wysokość zawieszenia sieci jezdnej to 4,2 metra.

Wyróżnia się kilka rodzajów sieci jezdnych. Podstawowa klasyfikacja dzieli je na sieci płaskie i łańcuchowe. Te pierwsze składają się z samych przewodów jezdnych. Sieci płaskie stosuje się na przykład wówczas, gdy nie można zbudować wyższej sieci trakcyjnej. Z kolei w przypadku sieci łańcuchowych przewody jezdne podwieszane są do linii nośnej. Do przymocowania ich do niej używane są specjalne linki, tzw. wieszaki. Innym kryterium klasyfikacji sieci jezdnych jest sposób ich naprężania.

SIECI SKOMPENSOWANE I NIESKOMPENSOWANE

Naprężanie jest konieczne, ponieważ z powodu rozszerzalności cieplnej metali, pod wpływem skrajnych temperatur otoczenia, bardzo wysokich podczas upałów oraz bardzo niskich w czasie mrozów, przewody jezdne rozciągają się, co przy nadmiernym wydłużeniu powiększa ich zwis lub kurczą się, co z kolei przy nadmiernym ich ściągnięciu grozi ich zerwaniem. Pod tym względem sieci jezdne dzielone są na sieci: skompensowane łańcuchowe, półskompensowane oraz bez kompensacji (nieskompensowane).

W tych pierwszych naciąg przewodu jezdnego reguluje się samoczynnie, dzięki zamontowaniu na końcach odcinków sieci mechanizmów z ciężarami, które działają na zasadzie przekładni. W zależności od tego, czy przewody się skracają, czy wydłużają, naprężacze, odpowiednio, poluzowują je albo naciągają.

W sieciach nieskompensowanych, którymi mogą być zarówno sieci płaskie, jak i łańcuchowe, takich mechanizmów się nie stosuje. Trzeci typ, czyli sieci półskompensowane, są rozwiązaniem pośrednim. W ich przypadku naprężaniu stosownemu do aktualnie panujących warunków atmosferycznych podlegają tylko przewody jezdne.

Sieci bez kompensacji powinno się budować na odcinkach, po których tramwaj porusza się z małą prędkością (do 30 km/h). Tam, gdzie pojazd będzie przyspieszał, powinno się natomiast korzystać z sieci pół- i w pełni skompensowanych.

Przykład: Przewody jezdne

Rys. 1. Wymiary przewodów Djp100 i DjpS100: D = 12 mm, a = 8,7 mm, (a-b)/2 min = 1,25 mm, r = 0,38 mm, α = 51, β = 27

Profilowane przewody jezdne wykonane z miedzi (Djp) albo stopu miedź-srebro Cu/Ag 0,1 (DjpS), o przekroju znamionowym 100 lub 150 mm², przeznaczone do użytku w napowietrznych sieciach trakcyjnych kolejowych, tramwajowych i podobnych, przy prędkościach maksymalnych 160 km/h (Djp) i 250 km/h (DjpS).

Minimalna przewodność elektryczna: 56,3 m/Ω·mm², moduł Younga: 120 kN/mm², minimalna wytrzymałość na rozciąganie: 375 N/mm² (DjpS), 355 N/mm² (Djp), minimalne wydłużenie przy zerwaniu: 3%, maksymalna rezystancja przewodu: 0,183 Ω/km, dopuszczalna tolerancja przekroju: ±2,5%, waga: 889 kg/km.

Przewody spełniają normy: PN-E-90090 pt. Przewody jezdne z miedzi i miedzi modyfikowanej oraz PN-EN 50149 pt. Zastosowania kolejowe - Urządzenia stacjonarne - Trakcja elektryczna - Profilowane przewody jezdne z miedzi i jej stopów.

www.nkt.com.pl

Z CZEGO WYKONUJE SIĘ PRZEWODY JEZDNE?

Przewody jezdne, które określa się skrótem Djp, czyli druty jezdne profilowane, mają postać okrągłych prętów metalowych o przekroju w przedziale 50-120 mm², najczęściej 100 mm², z wyżłobieniami w postaci symetrycznych rowków w górnej części. Taki kształt umożliwia ich pewne zamocowanie i podwieszenie oraz prawidłową współpracę z odbierakiem prądu.

Przewody jezdne są bardzo ważnym elementem sieci trakcyjnej. Od nich bowiem w dużym stopniu zależy niezawodność oraz sprawność energetyczna zasilania tramwajów. W związku z tym dwie najważniejsze cechy, którymi powinien charakteryzować się materiał, z którego wykonuje się te elementy sieci trakcyjnej, to: niska rezystancja oraz wysoka wytrzymałość mechaniczna.

Materiałami, które najlepiej spełniają powyższe wymagania w zakresie właściwości elektryczno-mechanicznych, dzięki czemu są najczęściej wykorzystywane do produkcji przewodów jezdnych, są miedź i jej stopy.

ZALETY PRZEWODÓW TYPU DJPS100

Inne metale dodaje się do miedzi, ponieważ w wysokich temperaturach, około +80°C, pogarsza się jej wytrzymałość. Dodatki, chociaż nieznaczenie zwiększają rezystancję drutów jezdnych, bardzo poprawiają ich wytrzymałość i zwiększają temperaturę pracy.

Popularnym materiałem jest na przykład stop miedzi ze srebrem, w którym zawartość Ag wynosi 0,1%. Przewody jezdne wykonane z niego, o przekroju 100 mm², określane są skrótem DjpS100.

W porównaniu do drutów miedzianych, przewody z miedzi srebrowej charakteryzuje kilkakrotnie większa odporność na ścieranie i trochę większa wytrzymałość na zerwanie. Rekrystalizacji ulegają w temperaturze o kilkaset stopni wyższej.

Ponadto DjpS100 rzadziej ulegają uszkodzeniu w skrajnie niskich czy wysokich temperaturach. Wszystko to składa się na to, że ich żywotność jest nawet kilkakrotnie dłuższa niż miedzianych przewodów jezdnych, zwłaszcza na trasach, na których są one bardziej obciążone. W ramce przedstawiamy wybrane parametry przewodów jezdnych typu Djp i wykonanych z miedzi srebrowej (DjpS), na przykładzie produktów z oferty firmy NKT.

SEKCJONOWANIE SIECI TRAKCYJNEJ I PODSTACJE

Jak napisaliśmy wyżej, tramwajowa sieć trakcyjna w Polsce zasilana jest prądem stałym o napięciu 600 V. Do przewodów jezdnych jest on doprowadzany za pośrednictwem punktów zasilających. Każdy z nich zasila jedną sekcję sieci trakcyjnej.

Odcinki te są od siebie oddzielone izolatorami sekcyjnymi. Dzięki podzieleniu sieci trakcyjnej na części unika się dużych spadków napięć na całej jej długości oraz zyskuje możliwość odłączenia w razie potrzeby danego fragmentu, na przykład podczas awarii.

Punkty zasilające są podłączone do kabli zasilających, które z kolei są wyprowadzane z podstacji trakcyjnych. Analogicznie zorganizowany jest przepływ prądu powrotnego, który płynie z szyn do punktów powrotnych, a z nich kablami powrotnymi do podstacji trakcyjnej.

Podstacje trakcyjne są podłączone do sieci elektroenergetycznej średniego napięcia, przeważnie 15 kV. Są to zazwyczaj wolno stojące, ogrodzone budynki, działające w trybie bezobsługowym. Za ich zdalne sterowanie i monitorowanie odpowiadają pracownicy centrum dyspozytorskiego.

Podstacje trakcyjne stanowią nagromadzenie różnych urządzeń. Odpowiadają one za przetwarzanie i rozdział energii elektrycznej oraz realizują funkcje pomiarowe i zabezpieczające.

Urządzenia, które są standardowo na wyposażeniu każdej tramwajowej podstacji trakcyjnej, to: rozdzielnica średniego napięcia, transformator, prostowniki i rozdzielnica prądu stałego. Dalej przedstawiamy typową konstrukcję oraz parametry urządzeń ostatniego typu, na przykładzie wnętrzowej rozdzielnicy prądu stałego typu RT-1 z oferty firmy Elektrobudowa.

ROZDZIELNICA PRĄDU STAŁEGO TYPU RT-1

Tytułowe urządzenie przeznaczone jest do zasilania sieci trakcyjnej trolejbusowej, tramwajowej lub metra. Może pracować w podstacjach bezobsługowych. Inne ważne cechy rozdzielnicy typu RT-1 to: zwarta konstrukcja dzięki zastosowaniu izolacji powietrznej, ochrona przed skutkami łuku elektrycznego dzięki budowie przedziałowej, system blokad, dzięki któremu trudniej o pomyłki łączeniowe, i możliwość przestawiania członu wysuwnego przy zamkniętych drzwiach w miejscu albo zdalnie.

Wyposażono ją również w przegrody osłaniające styki stałe, zaś skręcana konstrukcja szkieletowa ułatwia jej modernizację i rozbudowę. Jeżeli chodzi o zgodność z normami, to spełnia ona wymogi opisane w częściach 1, 2, 3 i 6 dokumentu PN-EN 50123 pt. Zastosowania kolejowe - Urządzenia stacjonarne - Aparatura łączeniowa prądu stałego.

Rozdzielnica typu RT-1 zbudowana jest z następujących prefabrykowanych części: dwuczłonowego, przedziałowego pola zasilacza trakcyjnego, jednoczłonowego, przedziałowego pola zespołów prostownikowych, pola kabli powrotnych, pola wyłącznika rezerwowego i jednoczłonowego, przedziałowego pola odłącznika sekcyjnego.

Jeżeli chodzi o pola dwuczłonowe, to składają się one z części stałej oraz członu ruchomego. Połączenia pomiędzy nimi wykonywane są jako: najazdowe do szyny zbiorczej i przyłącza kablowego, najazdowe do połączenia uziemiającego i wtykowe do kabla sterowniczego i sygnalizacyjnego.

W ramce szczegółowo opisujemy konstrukcję poszczególnych pól rozdzielnicy RT-1. W zamieszczonej w niej tabeli przedstawiamy również jej najważniejsze parametry.

Przykład: Rozdzielnica elektryczna

Rys. 2. Rozdzielnica typu RT-1

Rodzielnica typu RT-1 zbudowana jest z następujących prefabrykowanych części:
  • dwuczłonowego, przedziałowego pola zasilacza trakcyjnego, wyposażonego w: wyłącznik szybki typu UR produkcji firmy Secheron, aparaturę próby linii na członie ruchomym z szyną obejściowa, odłącznik szyny obejściowej typu SWS produkcji Secheron z napędem silnikowym, przedział przyłączy kablowych i przedziały obwodów pomocniczych,
  • jednoczłonowego, przedziałowego pola zespołów prostownikowych, zasilającego rozdzielnicę zespołu prostownikowego, wyposażonego w odłącznik dwubiegunowy SWS z napędem silnikowym, z wnęką obwodów sterowniczo-pomiarowych zespołu prostownikowego i potrzeb własnych podstacji trakcyjnej,
  • pola kabli powrotnych łączonych z szyną poprzez odłączniki typu OJON produkcji firmy ABB (każdy kabel ma pomiar prądu),
  • pola wyłącznika rezerwowego,
  • jednoczłonowego, przedziałowego pola odłącznika sekcyjnego, przeznaczonego do sekcjonowania szyny głównej rozdzielnicy bez szyny obejściowej, wyposażonego w odłącznik jednobiegunowy SWS z napędem silnikowym.

www.elbudowa.com.pl

Polecane

Nowe produkty