Transport szynowy - energoelektronika, automatyka, komunikacja

Część 1: Energoelektronika na kolei

Urządzenia energoelektroniczne zaczęto wykorzystywać na kolei w latach 30. zeszłego wieku. Początkowo były to na przykład rtęciowe prostowniki łukowe i cyklokonwertery. Wraz z rozwojem energoelektroniki, która ewoluowała od tyrystorów przez tranzystory mocy po tranzystory IGBT i wreszcie urządzenia energoelektroniczne na bazie węglika krzemu SiC, również kolej korzystała na postępie w tej dziedzinie. W efekcie zakres zastosowań energoelektroniki w transporcie szynowym jest obecnie bardzo szeroki.

Przykładem są oparte na urządzeniach energoelektronicznych transformatory trakcyjne. Również podłączone do nich pomocnicze układy zasilania zasilają wyposażenie pokładowe pociągów, w tym oświetlenie, ogrzewanie, klimatyzację i automatykę wagonową za pośrednictwem przekształtników energoelektronicznych. Urządzenia energoelektroniczne stanowią także ważny element zaliczanych do systemów FACTS (Flexible AC Transmission Systems) kompensatorów mocy, poprawiających współczynniki mocy układów zasilania trakcji. W obszarze zastosowań energoelektroniki mieszczą się ponadto napędy silników trakcyjnych oraz układy hamowania regeneracyjnego. Wybrane z nich przedstawiamy dalej szerzej.

Transformatory trakcyjne

W początkach historii kolei elektrycznych najpopularniejszym źródłem ich zasilania był prąd stały. W związku z tym, że wówczas nie było możliwości obniżenia napięcia prądu stałego na pokładzie pociągu, transmisja z podstacji musiała odbywać się przy niskim napięciu (typowo 75 V‒3000 V). W przeciwnym razie nie mogłoby być podawane bezpośrednio do silników trakcyjnych. Negatywną konsekwencją takiego rozwiązania były znaczące straty przewodzenia w liniach napowietrznych. W miarę postępu elektryfikacji transportu szynowego pociągi zaczęto zasilać prądem zmiennym przy wyższych napięciach (15 kV/16,7 Hz, 25 kV/50 Hz). Wprawdzie zmniejszyło to straty przesyłowe, ale pociągami trzeba było przewozić duże, ciężkie transformatory.

Początkowo, kiedy wagony były ciągnięte przez lokomotywę, jej dodatkowe obciążenie nie było problemem. Wręcz przeciwnie, okazywało się przydatne ze względu na zależność przyczepności lokomotywy, która wpływa na siłę, z jaką ciągnie wagony, od jej ciężaru. Jednak w nowoczesnych pociągach, w których wyposażenie trakcyjne nie jest instalowane wyłącznie w lokomotywie, bo wagony mają własny napęd, przyczepność nie ogranicza już możliwości rozpędzania się pociągu. W związku z tym rozmiary i waga transformatorów trakcyjnych stały się kłopotliwe. Potrzeba ich ograniczenia doprowadziła do opracowania transformatorów nawet kilkaset razy mniejszych oraz lżejszych niż tradycyjne. Pracują one przy wyższych częstotliwościach i wykorzystują przekształtniki energoelektroniczne.

Transformatory energoelektroniczne

Na rysunku 1 został przedstawiony obwód zasilania pociągu prądem zmiennym. W tym schemacie prąd z sieci trakcyjnej płynie przez uzwojenia pierwotne transformatora niskiej częstotliwości do szyny, która zapewnia ścieżkę powrotną. Obniżone napięcie z uzwojeń wtórnych jest podawane na czterokwadrantowy przerywacz, który przekształca je na napięcie obwodu pośredniczącego. Te następnie falownik przekształca w prąd przemienny zasilający silniki trakcyjne. Aby wykorzystać transformator średniej częstotliwości, obwód należy uzupełnić o przekształtniki włączone przed i za tym transformatorem, jak pokazano na rysunku 2.

 

Rys. 1. Obwód zasilania pociągu prądem zmiennym

 

Rys. 2. Obwód zasilania pociągu z transformatorem energoelektronicznym

Na rysunku 3 przedstawiono przykład schematu układu transformatora energoelektronicznego SN/nN. Po stronie średniego napięcia wyposażony został w szeregowo połączone przekształtniki AC/DC. Zapewnia to odpowiednio wysokie napięcie w obwodzie pośredniczącym dla strony SN. Do przeniesienia energii na stronę niskiego napięcia wykorzystywane są przekształtniki DC/AC i transformatory średniej częstotliwości. Na wyjściu umieszczony jest przekształtnik DC/AC, który umożliwia zasilenie sieci nN. Układ uzupełniono o dodatkowy przekształtnik DC/DC, który zasila magazyn energii. Dzięki temu jej nadmiar można gromadzić, a potem wykorzystywać w razie braku zasilania z sieci trakcyjnej.

 

Rys. 3. Transformator energoelektroniczny SN/nN

W praktyce transformatory energoelektroniczne mają postać kaskady modułów konwerterów (rys. 4). Przykład zestawu modułów przekształtników po stronie wysokiego napięcia, z wyjściami połączonymi równolegle po stronie prądu stałego, przedstawia rysunek 5. Zaletą tej architektury jest możliwość korekcji współczynnika mocy. Ważne jest także niezależne przełączanie poszczególnych modułów. Jeżeli są załączane naprzemiennie w odpowiedni sposób dzięki ich pozornej, wysokiej częstotliwości przełączania, można ograniczyć zniekształcenia harmoniczne.

 

Rys. 4. Moduł przekształtników transformatora energoelektronicznego

 

Rys. 5. Kaskada modułów przekształtników transformatora energoelektronicznego

Kompensatory mocy

Kolejny przykład to statyczne kompensatory mocy biernej, zaliczane do elastycznych systemów przesyłowych prądu przemiennego FACTS. W porównaniu z kompensatorami tradycyjnymi, które wykorzystują łączniki elektromechaniczne, kompensatory z komponentami półprzewodnikowymi zapewniają płynniejszą regulację, są dokładniejsze oraz szybsze. Wyróżnia się dwa ich typy. W wersji podstawowej są to układy SVC (Static Var Compensator), zbudowane z kondensatorów, dławików i kluczy tyrystorowych. W oparciu na komponentach pasywnych pierwszego typu realizowane są układy typu TSC (Thyristor Switched Capacitors). W przypadku kondensatorów załączanych tyrystorowo nie jest możliwa płynna regulacja. Ograniczenie to dotyczy też dławików załączanych tyrystorowo TSR (Thyristor Switched Reactor). Regulacja ciągła, dzięki sterowaniu kątem załączenia tyrystora, jest z kolei możliwa w dławikach regulowanych tyrystorowo TCR (Thyristor Controlled Reactor). Wymagają jednak dodatkowych filtrów, ponieważ są źródłem harmonicznych. Na rysunku 6 przedstawiamy zasadę pracy układu TCR. Składa się on z dławika połączonego szeregowo z kluczem tyrystorowym. Prąd, który płynie przez cewkę, jest regulowany w zależności od kąta fazowego impulsów załączania tyrystora – przy 90° na dławiku odkłada się maksymalne napięcie, a przy 180º spada do zera.

 

Rys. 6. Układ TCR

W rezultacie prąd można zmieniać między wartością zależną od impedancji cewki a zerem. Z modułów TSC, TSR i TCR komponuje się układy SVC (rys. 7).

 

Rys. 7 Układ SVC

Co wyróżnia kompensatory STATCOM?

Alternatywą dla nich są układy STATCOM (Static Synchronous Compensator), czyli statyczne kompensatory synchroniczne. Wyróżnia je lepsza w porównaniu do SVC płynność regulacji oraz mniejsza emisja zaburzeń harmonicznych. Przewagę tę uzyskują dzięki temu, że opierają się na tranzystorowych przekształtnikach energoelektronicznych, Choć statyczne kompensatory są droższe, sprawdzają się szczególnie tam, gdzie można się spodziewać dużych wahań w przepływie mocy, na przykład właśnie na podstacjach trakcyjnych. Wykorzystywane są również układy hybrydowe, które stanowią połączenie układów SVC i STATCOM – zwykle wówczas te drugie w pierwszych stanowią alternatywę dla sekcji TCR.

Kompensatory obu typów mają wiele zalet. Najważniejsze z nich to możliwość: dynamicznego równoważenia obciążeń niesymetrycznych zasilanych z dwóch faz trójfazowej sieci zasilającej, dynamicznego łagodzenia wahań napięcia w sieci zasilającej spowodowanych dużymi wahaniami obciążeń charakterystycznych dla ruchu kolejowego i eliminacji harmonicznych, które są wprowadzane do sieci zasilającej z urządzeń trakcyjnych. Oprócz tego kluczowa jest niezależna od zmian i wahań obciążenia korekcja współczynnika mocy. Dzięki układom SVC i STATCOM można też łatwiej zaspokoić potrzeby w zakresie zasilania lokomotyw dużej mocy bez obaw o wystąpienie spadków napięcia w sieci trakcyjnej.

Hamowanie regeneracyjne

Kolej jest znaczącym odbiorcą energii elektrycznej. I chociaż w przeliczeniu na pasażera jej zużycie jest stosunkowo małe w porównaniu do energochłonności innych środków transportu, ciągle istnieje spory potencjał, jeżeli chodzi o poprawę sprawności energetycznej taboru kolejowego. Jednym ze sposobów jest tytułowa technika.

Aby tę metodę wyjaśnić, warto na wstępie przypomnieć, że ruszając ze stacji, pociąg najpierw przyspiesza, pobierając energię z sieci trakcyjnej albo trzeciej szyny (szyny zasilającej, znajdującej się obok szyn trakcyjnych). Następnie, gdy prędkość pociągu jest prawie stała, pobiera on znikomą ilość energii. W trybie hamowania natomiast zwalnia aż do zatrzymania.

Podczas hamowania regeneracyjnego pociąg zwalnia przez odwrócenie działania swoich silników – wówczas działają one jak generatory, przetwarzając energię mechaniczną na elektryczną. Energia ta jest wykorzystywana do zasilania obciążeń pomocniczych pociągu, zaś jej nadwyżka jest kierowana z powrotem do trzeciej szyny. W bardzo gęsto zaludnionych regionach, w których odległość między stacjami jest niewielka, cykle przyspieszania/hamowania pociągów często się powtarzają. Można zatem odzyskać w ten sposób znaczącą ilość energii.

Jak odzyskać najwięcej energii?

Energia hamowania regeneracyjnego przekazywana z powrotem do trzeciej szyny przez hamujący pociąg może być wykorzystana przez sąsiednie pociągi, które akurat nabierają prędkości w obrębie tego samego odcinka zasilania, co hamujący. Wiąże się to jednak z dużym poziomem niepewności, ponieważ nie ma gwarancji, że dwa takie składy "spotkają się" w odpowiednim miejscu i czasie, gdy dostępna będzie odzyskana energia i jednocześnie wystąpi na nią zapotrzebowanie. Ponadto jej ilość, która może być ponownie wykorzystana przez inne pociągi, zależy od wielu czynników, w tym ich prędkości i możliwości sieci trakcyjnej.

Jeżeli akurat nie ma składów, które mogłyby wykorzystać tę odzyskaną energię, napięcie trzeciej szyny wzrośnie. Sieć trakcyjna, w celu ochrony podłączonego do niej obciążenia, jest oczywiście przed tym zabezpieczona. Wówczas nadmiar tej energii jest rozpraszany na ciepło. Powoduje to jej stratę i zwiększa obciążenie termiczne infrastruktury kolejowej – dodatkowe ciepło na przykład w tunelu musi zostać rozproszone przez system wentylacji.

Na różne sposoby próbuje się zwiększyć wykorzystanie energii odzyskiwanej podczas hamowania regeneracyjnego. Przykładowe rozwiązania obejmują: optymalizowanie rozkładu jazdy pociągów w celu zsynchronizowania zwalniania i przyspieszania różnych składów, systemy magazynowania, w których gromadzi się energię hamowania odzyskowego i dopiero w razie potrzeby przekazuje ją do trzeciej szyny, podstacje trakcyjne rewersyjne ze ścieżką przepływu energii w odwrotnym kierunku w celu oddania tej odzyskanej z powrotem do sieci energetycznej oraz systemy hybrydowe, które wykorzystują jednocześnie dwa ostatnie rozwiązania.

Podstacje rewersyjne

Schemat blokowy podstacji odwracalnej (dwukierunkowej) został przedstawiony na rysunku 8. Jak pisaliśmy wyżej, zapewnia ona drogę powrotną dla energii odzyskanej podczas hamowania, która jest przekierowywana do głównej sieci zasilającej. Podstacje tego typu projektowane są pod kątem utrzymania akceptowalnego poziomu jakości energii elektrycznej i maksymalnego wykorzystania energii z hamowania regeneracyjnego. To drugie sprawia, że choć są zaprojektowane tak, by mogły przekazywać nadmiar odzyskiwanej energii z powrotem do sieci energetycznej, priorytetem jest jednak jej wymiana między pociągami.

 

Rys. 8. Schemat blokowy podstacji odwracalnej

Istnieją dwa popularne sposoby uzyskania odwrotnej ścieżki dla przepływu energii. W pierwszym wykorzystywana jest przetwornica DC/AC w połączeniu z prostownikiem diodowym, zaś w drugim odwracalny prostownik sterowany tyrystorem. Pierwszą konfigurację opiera się przeważnie na przetwornicy z modulacją szerokości impulsu albo na połączonym przeciwrównolegle prostowniku sterowanym tyrystorem. W tym drugim przypadku wymagany jest autotransformator i dławik prądu stałego w celu zwiększenia napięcia oraz ograniczenia prądów krążących pomiędzy prostownikiem sterowanym tyrystorem a prostownikiem diodowym. Aby ograniczyć harmoniczne, wykorzystuje się przykładowo układ 12-pulsowy. Przetwornice PWM mają natomiast tę zaletę, że pracują przy współczynniku mocy równym jedności. Aby je wykorzystać, w podstacji odwracalnej należy jednak wstawić przetwornicę podwyższającą napięcie DC/DC między przetwornicę PWM a szynę DC. Dodatkowo, żeby zredukować poziom harmonicznych oraz uniknąć cyrkulacji prądu, na wyjściu przetwornicy należy dodać filtr.

Część 2: Pociągi autonomiczne. łączność nowej generacji

Transport szynowy można zautomatyzować na kilku poziomach (Grade of Automation, GoA), które zostały zestandaryzowane w normie IEC 62267 Railway applications, Automated urban guided transport, Safety requirements. Na poziomie zerowym według tej klasyfikacji maszynista prowadzi i obsługuje pojazd, m.in. otwiera i zamyka drzwi wagonów, samodzielnie, w oparciu tylko o własną obserwację i ocenę sytuacji na linii i w pociągu oraz sygnalizację przytorową. Poziom pierwszy (GoA 1) oznacza, że kierujący prowadzi i hamuje pociąg ręcznie, jego działania nadzoruje jednak system ATP (Automatic Train Protection). Zapewnia on podstawowe bezpieczeństwo, zapobiegając kolizjom i nie dopuszczając do tego, aby kierujący ignorował sygnały ostrzegawcze i przekraczał dopuszczalną prędkość, dzięki temu, że uruchamia w razie potrzeby automatyczne hamowanie.

W stopniu GoA 2 maszynista jest wspomagany przez automatyczne systemy ATP i ATO (Automatic Train Operation), które razem tworzą system ATC (Automatic Train Control). Oznacza to, że jego rola ogranicza się do uruchomienia pojazdu i zamknięcia jego drzwi. Za przejazd między stacjami, zatrzymanie pociągu i otwieranie jego drzwi odpowiada system ATO. Kierujący może ewentualnie ingerować w sytuacji awaryjnej.

Na poziomie GoA 3 (Driverless Train Operation, DTO) natomiast pociąg jest sterowany, a jego ruch nadzorowany automatycznie, bez udziału człowieka. Zautomatyzowany jest więc rozruch, przejazd między stacjami, hamowanie, otwieranie drzwi. Obsługa pociągu zamyka drzwi i interweniuje w sytuacji awaryjnej. Na poziomie GoA 4 (Unattended Train Operation, UTO) wszystkie zadania są zautomatyzowane, a na pokładzie nie ma maszynistów ani innej obsługi. Kierującego na pokładzie pociągu UTO zastępuje system ATO, nadzorowany przez system ATP.

Wyzwania do pokonania

Zanim pojazdy poruszające się po torach bez maszynistów będą rzeczywistością, należy rozwiązać szereg kwestii technicznych. Chociaż mogłoby się wydawać, iż fakt, że pociągi przemieszczają się w sposób zorganizowany, po szynach, znacznie usprawni wdrażanie w nich najwyższego poziomu zautomatyzowania sterowania, nie jest to wcale takie oczywiste, poza tym wiele czynników sprawia bowiem, że sterowanie takim pojazdem jest nietypowym zagadnieniem. Dlatego niestety nie można go rozwiązać przez przeniesienie wprost rozwiązań opracowanych na potrzeby innych systemów z pełną autonomią, jak na przykład autonomiczne samochody.

Jedną z głównych trudności jest konieczność zintegrowania wielu podsystemów, które odpowiadają za różne aspekty ruchu kolejowego, jak: monitorowanie stanu torów, kontrolowanie pozycji innych pociągów i fizycznej integralności składu czy określenie odległości wymaganej do bezpiecznego hamowania. W przypadku, gdy którykolwiek z nich nie będzie w stanie, z jakiegokolwiek powodu, dokładnie ocenić sytuacji, a tym samym podjąć decyzji co do dalszych działań, będzie zmuszony prewencyjnie zwolnić albo nawet zatrzymać skład. Taka zawodność systemu sterowania pociągiem i będące jej konsekwencją opóźnienia i przestoje z pewnością szybko zniechęciłyby pasażerów.

Kolejne wyzwanie to interpretacja sygnalizacji kolejowej. W niektórych państwach w tym zakresie przewidziano wiele różnych kombinacji stanów sygnalizatorów, znacznie więcej niż w sygnalizacji ulicznej. To z pewnością wpłynie na stopień skomplikowania systemów ich analizy. Różnorodność typów pociągów i standardów infrastruktury kolejowej również utrudnia prace nad uniwersalnym systemem autonomicznym. W tym zakresie jednak jest nadzieja na ułatwienia wraz z postępem we wdrażaniu systemu ERTMS (European Rail Traffic Management System). Jest to wprowadzany od kilku lat w Europie system zarządzania ruchem kolejowym, który zapewnia interoperacyjność transportu kolejowego na różnych poziomach, od taboru, przez infrastrukturę (tory), zasilanie (sieć trakcyjną), systemy sterowania, nadzoru nad pracą maszynistów i łączności, po przepisy regulujące ruch pociągów.

Oprócz tego środowisko kolei jest trudniejsze z punktu widzenia sterowania autonomicznego niż metro ze względu na m.in.: duże odległości między stacjami w otwartej przestrzeni, rozbudowaną sieć stacji oraz eksploatację przez wiele przedsiębiorstw kolejowych, pasażerskich i towarowych. Ważna jest również specyfika samych pojazdów. Na przykład droga hamowania pociągu, która jest funkcją jego wagi, ładunku oraz prędkości, w przypadku pociągu pasażerskiego składającego się z dziesięciu wagonów, poruszającego się z prędkością 100 km/h, wynosi aż około pół kilometra. Wykrywanie przeszkód i analizowanie stanu sygnalizatorów z takim wyprzedzeniem nie są proste do realizacji. Ponadto pod uwagę trzeba wziąć trudności w dostępie do infrastruktury kolejowej, które są nieporównywalnie większe niż w przypadku zwykłych dróg. Tymczasem nie może być mowy o certyfikowaniu ani komercjalizacji systemu autonomicznego, który wcześniej nie zostanie starannie przetestowany pod kątem jego niezawodności i bezpieczeństwa pasażerów i otoczenia.

Nowe technologie na kolei

Systemy autonomiczne opierają się na schemacie działania, który obejmuje trzy etapy, powtarzające się cyklicznie. Są to: pozyskanie informacji, ich przetwarzanie, podjęcie na tej podstawie decyzji i konkretnych działań. Pierwsze to dane dotyczące m.in. stanu składu i sytuacji na trasie. Ich źródłem mogą być inne systemy i bezpośrednio czujniki na pokładzie pociągu i w elementach infrastruktury kolejowej. W procesie przetwarzania ważne jest to, jak skutecznie system autonomiczny jest w stanie rozpoznać wśród surowych informacji te użyteczne i je zinterpretować, by uzyskać obraz świata rzeczywistego wystarczająco dokładny do jego potrzeb. Przykładowo autonomiczny system sterowania pociągiem musi być w stanie bezbłędnie rozpoznać różnicę między zwierzęciem a człowiekiem czy dostrzec różnicę między robotnikiem torowym a intruzem. Kolejny aspekt etapu przetwarzania informacji to podejmowanie decyzji w reakcji na bieżące okoliczności. Do tego niezbędne są kryteria, które znajdą zastosowanie do pozyskanych danych, wiedza w konkretnej dziedzinie oraz zdolność do uczenia się. W ten sposób system może podjąć decyzję samodzielnie. Ta następnie powinna zostać wdrożona przez wydanie instrukcji dla elementów automatyki, które decyzje systemu sterowania, jak hamowanie czy rozpędzenie pociągu, wprowadzą w życie.

Żeby osiągnąć pełną autonomię, pociągi będą musiały być naszpikowane czujnikami. Do obróbki danych i podejmowania samodzielnych decyzji wymagane będzie wykorzystanie technik sztucznej inteligencji, jak uczenie maszynowe. Niezbędna będzie też szybka i niezawodna łączność, dlatego sieci GSM-R prawdopodobnie w nieodległej przyszłości zastąpią sieci 5G, zapewniające większą prędkość transmisji i mniejsze opóźnienia. Dostrzegając ich potencjał, Międzynarodowy Związek Kolei UIC (Union internationale des chemins de fer) już rozpoczął prace nad standardem Future Railway Mobile Communications System (FRMCS). Pierwszych wdrożeń FRMCS będzie można oczekiwać prawdopodobnie około 2025 roku. Oznacza to, że przez pewien czas GSM-R i FRMCS będą działać równolegle. Operatorzy kolejowi już zaczynają planować migrację istniejących sieci do nowego standardu.

Niepewna przyszłość FRMCS

Przejście na FRMCS jest konieczne z dwóch powodów. Po pierwsze umożliwi cyfryzację kolei. Naciski na to pojawiają się już od dawna wraz z nowymi pomysłami na zagospodarowanie sieci o większej przepustowości, m.in. do automatyzacji pociągów, monitorowania infrastruktury w czasie rzeczywistym oraz strumieniowania rozrywki dla pasażerów. Po drugie, technologia 2G, na której bazuje GSM-R, jest już przestarzała i wkrótce dostawcy rozwiązań telekomunikacyjnych nie będą zapewniać dla niej wsparcia.

Z drugiej jednak strony spodziewany jest opór przed wdrażaniem standardu FRMCS. Jest bowiem jasne, że w obecnej globalnej sytuacji charakteryzującej się ciągłą niepewnością związaną z wojną i pandemią operatorzy kolejowi i zarządcy infrastruktury muszą wybierać między konkurencyjnymi potrzebami inwestycyjnymi. Istnieją w związku z tym obawy, że wydatki na ulepszenie majątku trwałego, modernizowanie infrastruktury, taboru kolejowego i systemów sygnalizacji mogą mieć wyższy priorytet niż inwestycje w łączność nowej generacji.

Część 3: Komponenty heavy duty

Wyposażenie pociągów i infrastruktury kolejowej musi spełniać specjalne wymagania w zakresie wytrzymałości fizycznej oraz projektu nakierowanego na eliminowanie błędów ludzkich, co jest gwarancją niezawodnej oraz bezpiecznej pracy taboru. Dotyczy to m.in. komponentów układów zasilania i paneli operatorskich – wytyczne dla tych grup produktów przedstawiamy w ramkach. Elementem krytycznym systemów sterowania pociągami są również złącza, które doprowadzają zasilanie oraz zapewniają łączność w urządzeniach przytorowych i pokładowych. Wymagania im stawiane różnią się w zależności od miejsca ich montażu.

Generalnie można podzielić je na dwie grupy. Do pierwszej zaliczane są złącza, z których korzysta się na zewnątrz pojazdów szynowych, tzn. montowane na przykład między wagonami, pod nimi lub na dachu i przytorowo. Wymaga się od nich przede wszystkim wysokiej odporności na uciążliwe warunki pracy. Wśród najbardziej niekorzystnych czynników, na które są narażone, wymienia się: silne wibracje, uderzenia na przykład drobin piasku i kamieni, opady atmosferyczne (deszcz, śnieg), oblodzenie oraz nasłonecznienie, a zatem skrajnie niskie oraz ekstremalnie wysokie temperatury.

Jeżeli natomiast chodzi o złącza oraz przewody, które są montowane wewnątrz lokomotywy oraz w wagonach, w tym w przedziałach pasażerskich, wymaga się m.in., by były wykonane z materiałów niepalnych, nierozprzestrzeniających ognia oraz niewydzielających w czasie spalania szkodliwych substancji. Podwyższa to poziom bezpieczeństwa, ogień oraz dym w zamkniętych pomieszczeniach stanowią bowiem śmiertelne zagrożenie dla osób w nich przebywających. Ponadto, ze względu na ograniczenia przestrzenne wewnątrz pociągów, instaluje się tam głównie złącza o jak najmniejszych rozmiarach, jak najlżejsze i o jak największej gęstości upakowania przewodów. Ważna jest również łatwość odłączania i podłączania złączy, najlepiej bez używania narzędzi. Na przykład w kabinie maszynisty wszelkie opóźnienia w tym zakresie mogą mieć bardzo poważne skutki.

Materiały obudów

Przed destrukcyjnym wpływem czynników zewnętrznych złącza chronią obudowy. Kluczowy jest materiał, z którego są wykonane. Obudowy metalowe sprawdzają się w przypadku narażenia złączy na duże siły ciągnące i ekstremalne temperatury. Popularnym materiałem jest aluminium. Obudowy z niego są zwykle wykonywane w formie odlewów ciśnieniowych. Popularność aluminium wynika z jego właściwości. Jest to materiał o gęstości i sztywności równej jednej trzeciej tych parametrów stali, plastyczny i łatwy w obróbce. Czyste aluminium charakteryzuje duża odporność na korozję. Wynika to stąd, że jego powierzchnia samoczynnie pokrywa się bardzo cienką, o grubości zaledwie kilku nanometrów, lecz równocześnie szczelną, ściśle przylegającą do podłoża, warstwą ochronną tlenku. Powłoka ta przeciwdziała postępowi utleniania, a w przypadku uszkodzenia następuje jej szybka odbudowa.

W agresywniejszych środowiskach nie stanowi ona jednak wystarczającego zabezpieczenia przed rozwojem korozji. Dlatego obudowy aluminiowe poddaje się dodatkowej obróbce. Przykładem jest anodowanie. Ta metoda obróbki polega na wytworzeniu powłoki tlenkowej w procesie elektrolizy. Anodą jest w tym przypadku powierzchnia aluminiowa, natomiast katodę stanowi metal, który jest odporny na działanie elektrolitu. Na właściwości powstałej powłoki wpływa skład elektrolitu – na przykład porowate antykorozyjne warstwy tlenku glinu tworzą się w roztworach kwasu siarkowego, chromowego albo szczawiowego.

Malowanie proszkowe i powlekanie

Alternatywa dla anodowania to malowanie proszkowe, czyli aplikacja sproszkowanej farby metodą natrysku elektrostatycznego. W tym celu uziemiona powierzchnia jest spryskiwana przy użyciu specjalnego pistoletu naelektryzowanymi w nim cząstkami farby, które dzięki temu się na niej osadzają. Następnie malowany przedmiot jest umieszczany w piecu nagrzewanym do wysokiej temperatury, rzędu kilkuset °C. W nim proszek ulega stopieniu, polimeryzuje się oraz utwardza, tworząc powłokę malarską. Ważną zaletą tej techniki jest możliwość ponownego użycia proszku, który nie osiadł na malowanym przedmiocie. Nie są również potrzebne rozpuszczalniki. Powłoka powstała w ten sposób jest odporna na korozję, chemikalia, wysoką temperaturę (około +100°C) i uszkodzenia mechaniczne, wilgoć i promieniowanie UV.

Aluminium jest także pokrywane powłokami, na przykład kadmową, niklową, niklowo-teflonową, cynkowo-niklową albo cynkowo-kobaltową. Trzy ostatnie charakteryzuje większa odporność na zarysowania w porównaniu do kadmu. Obudowy aluminiowe pokrywa się oprócz tego powłokami tytanowymi. Przykładowym rozwiązaniem jest powlekanie osłon tlenkiem tytanu metodą natrysku plazmowego, która polega na stopieniu materiału powłoki w plazmie łuku elektrycznego w atmosferze gazu obojętnego. Technikę tę wyróżnia wszechstronność pod względem materiałów powłok i podłoży. Powłoki z tytanu natryskiwane plazmowo charakteryzuje duża wytrzymałość na oddziaływania mechaniczne, na przykład na uderzenia kamieniami.

Ochrona przed wibracjami, wodą i pyłem

Jeżeli chodzi o ochronę złączy przed drganiami, dostępnych jest kilka mechanizmów blokujących, w zależności od wymagań. Standardowy pojedynczy system blokujący ma dźwignię (rygiel) z przodu albo z boku obudowy. Ruch dźwigni powoduje zamknięcie obudowy i osłony. Podwójne systemy blokowania mają dwie dźwignie.

Wodoodporność i pyłoszczelność zapewniają uszczelnienia z tworzyw sztucznych. Ich skuteczność charakteryzuje dwucyfrowy stopień ochrony IP. Pierwsza cyfra w jego zapisie, z przedziału 0–6, opisuje pyłoszczelność, zaś druga, z zakresu 0–9, charakteryzuje wodoszczelność przy różnym nasileniu oddziaływania wody, od opadów pojedynczych kropel, przez polewanie strugą, aż po zanurzenie. Przykładowo stopień ochrony IP67 w porównaniu z IP68 oznacza, że chociaż oba złącza są pyłoszczelne, pierwsze jest odporne na krótkotrwałe zanurzenie w wodzie, a drugie pozostanie szczelnie nawet przy ciągłym zanurzeniu.

Kompatybilność elektromagnetyczna złączy zależy od właściwości ekranujących obudowy wtyczki, obudowy gniazda i dławnicy kablowej. Wpływ na właściwości ekranujące mają przede wszystkim: przewodność elektryczna materiału i grubość ekranu. Ważna jest także ciągłość połączeń pomiędzy wymienionymi elementami złączy. Dlatego by zwiększyć powierzchnię kontaktową na styku gniazda z wtykiem, m.in. wykonuje się je w taki sposób, żeby nachodziły na siebie. Korzysta się również z przewodzących uszczelnień. By ekranowanie było skuteczne, trzeba się upewnić, że wszystkie komponenty złącza zapewniają zbliżony poziom tłumienia zaburzeń elektromagnetycznych.

Monika Jaworowska