Sieć trakcyjna. Budowa i projektowanie sieci trakcyjnej

2018-08-02 10:29 mgr inż. Marek Kaniewski, Instytut Kolejnictwa w Warszawie
Trakcja
Autor: M. Kaniewski Połowa sześciosłupowego przęsła naprężenia sieci trakcyjnej łańcuchowej o sumarycznym przekroju poprzecznym 320 mm2, uelastyczniona, z ciężarowym urządzeniem naprężającym, zawieszeniem rurowym, uszynieniem grupowym oraz słupami indywidualnymi o nr 1611 posadowionymi na palach

Sieć trakcyjna definiowana jest jako zespół przewodów i szyn służący do bezpośredniego zasilania energią elektryczną taboru kolejowego o napędzie elektrycznym (nie zalicza się do niej przewodów zasilaczy i powrotnych). Jakie są rodzaje sieci trakcyjnych i ich elementy konstrukcyjne? Jakie wymagania obowiazują przy projektowaniu sieci trakcyjnej?

Artykuł ukazał się w publikacji „Sektor Elektroenergetyczny” 2017
Zobacz e-wydanie

Sieć trakcyjna składa się z sieci jezdnej – zespołu przewodów sieci trakcyjnej zawieszonych nad torami lub obok nich, odpowiada ona definicji overhead contact line, zawartej w normie [PN-EN 50119:2012 (wersja angielska) „Zastosowania kolejowe. Urządzenia stacjonarne. Sieć jezdna górna trakcji elektrycznej”.], a także powrotnej, w skład której wchodzą szyny kolejowe oraz ich połączenia. 

W artykule:

Sieć trakcyjna - rodzaje sieci trakcyjnych

  • Płaska sieć trakcyjna – to najprostszy typ sieci trakcyjnej, składająca się z pr zewodu jezdnego zawieszonego na słupach; wykorzystywana jest w miastach jako sieć tramwajowa (np. ul. Floriana w Krakowie i ul. Ratuszowa w Warszawie) lub trolejbusowa (np. w Lublinie).
  • Łańcuchowa pojedyncza – najczęściej stosowana w Europie, m.in. w PKP. Składa się z co najmniej jednej liny nośnej i przewodu jezdnego. Jest używana w systemie zasilania prądem stałym 3 kV i przemiennym 25 kV (50 Hz) oraz 15 kV (16,7 Hz).
Sieć trakcyjna
Autor: M. Kaniewski Sieć trakcyjna typu YC150-2CS150, łańcuchowa pojedyncza, pionowa, uelastyczniona, składająca się z liny nośnej L150 mm² i dwóch przewodów jezdnych o przekroju 150 mm²

Sieć trakcyjna łańcuchowa wielokrotna – wykorzystuje się ją rzadziej niż pojedynczą (nie używa się jej w PKP, ale znajduje zastosowanie np. we Francji na liniach kolejowych zasilanych prądem stałym 1,5 kV), składa się z liny nośnej i pomocniczej (z ang. auxiliary line), do której przymocowany jest co najmniej jeden przewód jezdny.

  • Łańcuchowa o scalonym układzie dwóch lin nośnych – w obrębie słupa jedną z nich mocuje się do wysięgnika, a druga tworzy uelastycznienie sieci; długość uelastycznienia jest zmienna i zależna od wariantu sieci (np. zaprojektowanej i zbudowanej dla Centralnej Magistrali Kolejowej w latach 1979–1980; w wariancie podstawowym i trzecim (2C120-2C120-3) uelastycznienie w obszarze słupa wynosi 22 m).
  • Pionowa – to rozwiązanie, w którym odsuw pod słupem liny nośnej i przewodu jezdnego jest taki sam; sieci te mogą być wykonane jako półpochyłe (odsuw tylko przewodu jezdnego, lina nośna w osi toru) lub pochyłe (odsuw przewodu w kierunku przeciwnym do liny nośnej).
  • Sztywna (z ang. overhead conductor rail) – składa się z profilu aluminiowego o wysokości 80 lub 110 mm i zakleszczonego w nim przewodu jezdnego. Łączny przekrój takiej sieci wynosi 2220 mm² Al + 100 mm² Cu. W Polsce rozwiązanie to wdrożono m.in. w dwóch tunelach: znajdującym się koło stacji PKP Tunel oraz prowadzącym do stacji Łódź Fabryczna. Badania dynamiczne tego rodzaju sieci wykazały, że pociągi mogą się nią poruszać z maksymalną prędkością 250 km/h przy zastosowaniu odbieraka DSA250 i spełnieniu wymagań TSI „Energia”.

Ze względu na sposób zawieszenia w obszar ze słupa sieci jezdne można podzielić na: nieuelastycznione (przewody jezdne w obrębie konstrukcji wsporczej są mocowane bezpośrednio do liny nośnej) i uelastycznione (wieszaki podtrzymujące przewód jezdny przytwierdza się do dodatkowej liny – Y, podłączonej do liny nośnej w obrębie konstrukcji wsporczej (rysunek)). W stosowanych w PKP sieciach długość liny uelastycznienia może wynosić od 14 do 22 m. Ponadto sieć może być nieskompensowana (naciąg w przewodzie jezdnym i linie nośnej zależy od temperatury otoczenia), półskompensowana (naciąg w przewodzie nie wynika z temperatury otoczenia, dla której została zaprojektowana sieć, natomiast w linie nośnej tak) oraz skompensowana (naciągi w przewodzie jezdnym i linie nośnej nie zależą od temperatury otoczenia w zakresie, w którym zaprojektowano sieć). Stałość siły naciągu w przewodzie jezdnym lub linie nośnej uzyskuje się przez zastosowanie urządzenia naprężającego.

Łańcuchowa sieć jezdna
Autor: M. Kaniewski Łańcuchowa prosta sieć jezdna, tramwajowa, zawieszona na słupach stalowych o zmiennym przekroju; mocowana do słupa przy pomocy sprężynowego urządzenia kotwiącego; elementy zawieszenia sieci są wykonane z materiału izolacyjnego; w przewodzie jezdnym zainstalowano izolator sekcyjny, a w linie nośnej – cięgnowy

Sieć trakcyjna - rodzaje sieci w PKP i sposoby ich oznaczania

Podaje się następujące typy sieci jezdnych wykorzystywanych w PKP: C120-2C, C95-2C, C95-C, YC120-2C150, YwsC120-2C, YwsC120-2C-M, 2C120-2C-3 oraz 2C120-2C-4.
Litera Y w symbolu oznacza, że sieć jest uelastyczniona, jej bra wskazuje na rozwiązanie nieuelastycznione. Litera C na początku symbolu i dwie lub trzy cyfry za nią określają rodzaj użytej liny nośnej, np. C120 to lina miedziana o pr zekroju 120 mm². Występowanie litery C po myślniku oznacza, że zastosowano przewód lub dwa przewody jezdne (2C) z miedzi gatunku CuETP o przekroju 100 mm². Jeżeli w sieci znajdzie się inny przekrój, np. 150 mm², po myślniku pojawi się C150 lub 2C150 (w przypadku dwóch przewodów).
Oprócz symbolu każdemu typowi sieci przypisany jest kod liczbowy od 1 do 37. Numerami 36 i 37 oznaczono najnowsze konstrukcje trójprzewodowych sieci trakcyjnych o symbolach YC150-2CS150 i YC120-2CS150. Są to sieci uelastycznione z liną nośną 120 lub 150 mm² i o dwóch przewodach jezdnych o przekroju 150 mm², wykonanych z miedzi z domieszką srebra 0,10% (oznaczenie S po literze C).

Sieć trakcyjna - elementy sieci jezdnej

Przewody jezdne

Najbardziej istotnym składnikiem sieci trakcyjnej w procesie przekazywania prądu do silników pojazdu szynowego jest przewód jezdny. Dla elektryków to jedna z części ruchomego zestyku elektrycznego, dla mechaników natomiast układ cierny, który stanowi przewód jezdny i nakładka stykowa. O szybkości jego zużycia decydują materiały zastosowane w zestyku. W Polsce funkcjonują dwie normy (PN-E-90090:1996 i PN-EN 50149:2012) oraz dokument normatywny Iet-113, w których podano wymagania dotyczące przewodu jezdnego. Wykorzystywane są rozwiązania profilowane (oznaczenie Djp) o przekroju 100 i 150 mm². W odpowiedniej normie podaje się skład chemiczny miedzi, z jakiej wykonuje się przewody jezdne: M1E (elekrolityczna) i M1M (modyfikowana). Stanowi ona 99,9% przewodu, a zanieczyszczenia 0,1%. Modyfikantami mogą być nikiel (Ni) i cyna (Sn). W normie dpowiednikiem M1E jest miedź o oznaczeniu Cu-ETP, o zawartości miedzi 99,9%, a modyfikantami może być srebro (Ag) do 0,1%, cyna (Sn) do 0,2% i magnez CuMg 0,2 lub CuMg 0,5%. Przewody z Cu-ETP i CuAg 0,1 mają prawie identyczne właściwości elektryczne i mechaniczne – rezystancja 1 km przewodu o średnicy 100 mm² w temperaturze 20ºC wynosi od 0,182 do 0,183 Ω, a wytrzymałość na rozciąganie 355–360 MPa. Przewód jezdny z domieszką srebra (Ag 0,1) charakteryzuje się wyższą temperaturą rekrystalizacji o ok. 100ºC, co powoduje, że można go obciążyć większym prądem i dlatego jest powszechnie stosowany przy modernizacji sieci trakcyjnej. Przewód CuMg 0,5 ma natomiast większą wytrzymałość na rozciąganie (510 MPa), ale jednocześnie wyższą rezystancję, która dla odcinka 1 km wynosi 0,286 Ω. Wykorzystywany jest w sieciach systemu prądu przemiennego, gdzie występują maksymalne prądy rzędu 600 A, a co za tym idzie – spadki napięcia w przewodzie są stosunkowo niskie.

Średnica przewodu jezdnego Djp 100 wynosi 12 mm (±0,16 mm), a Djp 150 – 14,5 mm (±0,2 mm). Jeden metr pr zewodu Djp 100 mm², wykonanego z Cu-ETP lub modyfikowanego, ma masę 0,89 kg. Kształt przekroju poprzecznego przewodu jezdnego 100 mm², podany w normie PN-EN 50149:2012, został pokazany na rysunku.
W projekcie wykonawczym powinna być zawarta informacja o rodzaju użytego przewodu jezdnego. W przypadku realizowania go według wymogów TSI podsystemu „Energia” musi spełniać wymagania normy PN-EN 50149:2012.

Przekrój poprzeczny przewodu jezdnego AC 100
Autor: M. Kaniewski Przekrój poprzeczny przewodu jezdnego AC 100 według normy PN-EN 50149:2012 (wersja angielska) „Zastosowania kolejowe. Urządzenia stacjonarne. Trakcja elektryczna. Profilowane przewody jezdne z miedzi i jej stopów ”.

Liny

Do budowy sieci jezdnej powinno używać się lin (gołych pr zewodów wielodrutowych), których parametry zostały przedstawione w normie PN-E-90081:1996 i dokumencie normatywnym Iet-114, czyli:

  • nośnych: L150, L120, L95,
  • wieszakowych: L10,
  • w uelestycznieniu i odciągach: L25, L35.

W oznaczeniu liczba wskazuje przekrój poprzeczny liny podany w mm². Liny nośne cechują się następującymi parametrami:

  • L150: średnica d = 15,82 mm², rezystancja 1 km w temperaturze 20ºC: R = 0,1237 Ω, masa 1 m: 1,345 kg,
  • L120: średnica d = 14 m², rezystancja 1 km w temperaturze 20ºC: R = 0,1570 Ω, masa 1 m: 1,060 kg,
  • L95: średnica d = 12,60 mm², rezystancja 1 km w temperaturze 20ºC: R = 0,1938 Ω, masa 1 m: 0,859 kg.

W uszynieniach grupowych stosuje się liny stalowo-aluminiowe AFL6 o przekroju znamionowym 120 mm². Składają się one z rdzenia stalowego z oplotem z aluminiowych drutów. Parametry obliczeniowe są następujące: przekrój całkowity 143 mm², siła rozrywająca 44,5 kN, rezystancja 1 km w temperaturze 20ºC – mR = 0,2288 Ω, masa 1 m: 0,505 kg.

Zawieszenie poprzeczne linowe z wykorzystaniem wież
Autor: M. Kaniewski Zawieszenie poprzeczne linowe z wykorzystaniem wież, z liną nośną poprzeczną uziemioną

Konstrukcje wsporcze

Do konstrukcji wsporczych zalicza się słupy pojedyncze oraz bramki (słupy połączone ze sobą poziomymi segmentami dźwigarów) i wieże zawieszenia poprzecznego. Przy budowie sieci trakcyjnych stosowane są słupy kratowe, dwuteownikowe i betonowe, wykonywane techniką wirowaną (ETG). Mogą być mocowane w ziemi przy użyciu fundamentu prefabrykowanego betonowego lub pala. W zależności od sposobu przytwierdzenia mają inną konstrukcję. Najczęściej wykorzystuje się słupy i bramki kratowe ze stopą do fundamentów polowych. Niektóre słupy od bramek mocowane są do dwóch pali wbitych obok siebie. Na dużych stacjach montuje się wieże i pomiędzy nimi rozpina się (na wiele torów) liny zwieszenia poprzecznego (stacje: Warszawa Wschodnia, Kutno).
Ze względu na spełniane funkcje w sieci trakcyjnej słupy można podzielić na: indywidualne, kotwienia środkowego, krzyżowe, kotwowe, odciągowe, przelotowe, rozjazdowe, z wysięgnikiem przez dwa tory. Te stosowane poza terenem szkód górniczych są zbieżne ku górze. Konstruuje się je w czterech podstawowych wykonaniach do wykorzystania: 1 – na szlaku, 2 – w międzytorzu, 3 i 4 – na peronach w zależności od ich wysokości.
Katalog sieci trakcyjnej określa karty słupów indywidualnych stalowych do fundamentów betonowych (różnią się między sobą długością): 1601–1605, 1607, 1608, 1617, wykonane z ceowników: 120, 140, 160 i 180 mm; pr zeznaczone do stosowania na terenach ze szkodami górniczymi: 1682, 1684 (nie są zbieżne, bo w przypadku gdy słup pogrąży się w ziemi, możliwe jest jego przedłużanie poprzez dołączenie segmentu (nr karty 1689) długości 1,8 m; wykonane z ceowników od 120 do 200 mm, łączonych wygiętym prętem okrągłym lub kratą trójkątną, zakończonych stopą służącą do mocowania do pali betonowych wbijanych w ziemię (ułatwiają budowę, ponieważ są krótsze od słupów do fundamentów prefabrykowanych): 1611, 1613, 1614; w kształcie litery H (opisane w katalogu jako dwuteownikowe): 1665, 1665 i 1667.
Słup o numerze 1665 dostępny jest w ośmiu wersjach dla dwóch rodzajów stóp i przeznaczony do mfundamentów o numerach: 1491, 1492 i 1493.

Zawieszenie sieci trakcyjnej
Autor: M. Kaniewski Zawieszenie sieci trakcyjnej nad czterema torami, na konstrukcjach bramkowych z pojedynczymi wysięgnikami ruchomymi; każdy słup bramki posadowiony jest na dwóch palach; na dalszym planie konstrukcje wsporcze i wysięgi przez dwa tory

W katalogu „Katalog sieci trakcyjnej”, Torprojekt sp. z o.o. i PKP PLK S.A ., Warszawa 2012 przedstawiono opisy słupów trakcyjnych strunobetonowych wirowanych: 1721 i 1722, wykonywanych w trzech odmianach. Mają one stopy przystosowane do fundamentów palowych, producent określa ich nośność poprzez wartość zastępczej siły wierzchołkowej. Zależność siły od wykonania podano w tabeli.

Wartość siły zastępczej wierzchołkowej w zalezności od typu słupa

Numer katalogowy 1721-1 1722-1 1721-2 1722-2 1721-3 1722-3
Zastępcza siła
wierzchołkowa
[kN]
6,4 5,7 8 7,1 10 8,9

W ww. katalogu znajdują się również karty katalogowe osprzętu stosowanego do montowania sieci jezdnej do słupów wirowanych. Słupy tworzące nogi bramki mocowane do jednego pala, wykorzystywane na szlaku oraz na stacji i peronach, mają numery katalogowe: 3111–3113, 3115–3117, natomiast te tworzące nogi bramki przytwierdzone do dwóch pali mają numery: 3121–3123, 3125–3127.
Numery katalogowe produkowanych dźwigarów bramek: 3013, 3017–3025. Najdłuższe z nich dostępne są w 5 wersjach, różniących się przekrojem kątownika, z którego zostały wykonane (kątowniki od 45/5 do 75/8 mm).

Sieć trakcyjna - bramka
Autor: M. Kaniewski Nowa konstrukcja bramki podczas badań eksploatacyjnych
Ważne!

Słupy trakcyjne dobiera się na podstawie wielkości momentu zginającego w miejscu mocowania słupa w fundamencie przez siły pochodzące od ciężaru liny nośnej, przewodu jezdnego i wieszaków, lin uszynienia grupowego lub uszynienia i wysięgnika. Do obliczeń przyjmuje się ciężary przewodów powiększone o sadź, a także siły parcia wiatru na elementy sieci trakcyjnej i słup oraz siły od załomów. Wybrane rozwiązanie powinno być również sprawdzone na wyboczenie od siły zastępczej pionowej działającej na słup, będącej sumą wszystkich składowych pionowych sił.
Obliczając obciążenie fundamentu, bierze się pod uwagę wpływ sił pionowych i poziomych, jak przy obliczeniu obciążenia słupa, powiększone o jego ciężar, a także parametry geotechniczne gruntu (konieczne są badania), w jakim będą posadowione fundamenty.
Według katalogu sieci trakcyjnej można stosować fundamenty prefabrykowane betonowe o numerach: 1422 (cztery wersje) i 1462. W tablicy 7. dokumentu normatywnego Iet-112 określono dopuszczalne momenty zginające i siłę zastępcza pionową dla fundamentów palowych o numerach katalogowych: m1491–1495 i 1497.

Wymagania technicznych specyfikacji interoperacyjności (TSI) podsystemu „Energia”

Podstawowymi parametrami sieci trakcyjnej systemów prądu stałego, ocenianymi w procesie weryfikacji według wymagań TSI podsystemu „Energia”, są: napięcie i częstotliwość, wydajność systemu zasilania, obciążalność prądowa dla pociągów na postoju, hamowanie odzyskowe, organizacja koordynacji zabezpieczeń elektrycznych, geometria sieci trakcyjnej (wysokość zawieszenia przewodów jezdnych, wywianie wiatrowe), skrajnia pantografu, średnia siła nacisku, charakterystyka dynamiczna i jakość odbioru prądu, przestrzeń na uniesienie przewodu jezdnego i rozstaw pantografów na potrzeby konstrukcji sieci trakcyjnej, materiał przewodu jezdnego, sekcje separacji systemów, środki ochrony przed porażeniem elektrycznym, zasady utrzymania. Jeżeli projekt wykonawczy jest oceniany pod względem zgodności z TSI „Energia”, powinien odnosić się do wszystkich wymagań za wyjątkiem organizacji koordynacji zabezpieczeń elektrycznych, gdyż jest ona brana pod uwagę, gdy projekt obejmuje sieć trakcyjną i system zasilania począwszy od GPZ Energetyki Przemysłowej.

Sieć trakcyjna podlega ocenie za pomocą programu do symulacji średniej siły stykowej i jej odchylenia standardowego. Symulacja musi być zgodna z normą EN 50318:2002 i walidowana przez pomiar wykonany według EN 50317:2012. Jeżeli istniejąca sieć trakcyjna jest eksploatowana przez co najmniej 20 lat, to ww. czynności nie są obowiązkowe. Następny etap sprawdzenia sieci stanowią badania dynamiczne na reprezentatywnym odcinku (nie są obowiązkowe dla systemów prądu stałego o prędkości do 160 km/h; w takim przypadku należy wprowadzić alternatywną metodę identyfikacji błędów konstrukcji – pomiar geometrii sieci trakcyjnej).

Sieć trakcja
Autor: M. Kaniewski Po prawej stronie zdjęcia – czterosłupowe przęsła naprężenia sieci trakcyjnej łańcuchowej o sumarycznym przekroju poprzecznym 320 mm2, bez uelastycznienia, z ciężarowym urządzeniem naprężającym, zawieszeniem rurowym, uszynieniem grupowym oraz słupami indywidualnymi posadowionymi na palach

Sieć trakcyjna - zasada projektowania

Jeśli projekt wykonawczy realizowany jest dla PKP zgodnie z przepisami krajowymi, to należy stosować wymagania podane w aktach prawnych PKP PLK S.A. Przygotowany zaś w oparciu o przepisy europejskie, obliguje do przestrzegania wytycznych TSI podsystemu „Energia”: Rozporządzenia Komisji (UE) nr 1301/2014 i 1302/2014.
W projektach sieci trakcyjnej na szlaku wykorzystuje się sieć z jedną liną nośną i dwoma przewodami jezdnymi lub sieć z dwiema linami nośnymi i dwoma pr zewodami jezdnymi. Sumaryczny przekrój poprzeczny tych sieci to 320 i 420/450 mm².
Na stacjach stosowana jest jedna lina nośna i jeden przewód jezdny. Ze względu na wymaganą przez TSI podsystemu „Energia” wydajność systemu zasilania i wartość napięcia na pantografie, na torach głównych będzie budowana sieć typu YC120-2CS150 lub YC150-2CS150.
Dla sieci trakcyjnych o maksymalnej prędkości jazdy: 120 km/h stosuje się uelastycznienie długości 14 m, dla 160 km/h – 16 m, natomiast dla 250 km/h – 22 m oraz sieć ze scalonym układem lin nośnych.

Podstawową częścią składową sieci trakcyjnej jest odcinek naprężenia zakończony z obu stron przęsłami naprężenia (przewody są w nich naciągane za pomocą odpowiednich urządzeń i mocowane na słupach). Długość pr zęsła nie powinna być większa od 1400 m. W połowie odcinka należy zastosować kotwienie środkowe (składające się ze słupa kotwowego i lin nośnych mocowanych na sąsiednich słupach) oraz połączenie dodatkową liną przewodu jezdnego z liną nośną (jak pokazano w kar cie katalogowej 0408).
Przewód jezdny w procesie przekazywania energii elektrycznej do pojazdu szynowego współpracuje z pantografem. Aby zużycie ślizgacza pantografu było w miarę równomierne, przewód jezdny jest pod słupami przesunięty w stosunku do osi toru w sposób naprzemienny o wartość odsuwu przewodu jezdnego.
Według instrukcji Iet-2 dla sieci do prędkości jazdy mniejszej bądź równej 160 km/h odsuw wynosi:

  • na prostej: 300 mm (±20 mm),
  • na łuku: 400 mm (+20 mm na zewnątr z łuku i 60 mm do wewnątrz łuku, przy czym oś symetrii przewodu musi być styczna do osi toru w środku przęsła zawieszenia, w stanie bez wywiania wiatrowego),
  • pod słupem krzyżowym: 150 mm.

Dla prędkości jazdy większej od 160 km/h odsuw wynosi:

  • na prostej: 200 mm (±30 mm),
  • na łuku: 300 mm (±30 mm).

Dla sieci trakcyjnej na łukach o dużym promieniu odsuw nie musi się zamykać w obszarze jednego przęsła.
Maksymalne odległości posadowienia konstrukcji wsporczych zależą od typów sieci trakcyjnych i prędkości jady. Projektując sieć trakcyjną, należy dbać o to, żeby odległość między sąsiednimi słupami nie była większa niż 18 m (zalecenie UIC 799-1). Odległość między słupami na łuku można określić na podstawie wykresu podanego w katalogu („Katalog sieci trakcyjnej PKP PLK S.A.”, opracowanie Kolprojekt sp. z o.o., Warszawa 2004) w karcie nr 0008.

Artykuł ukazał się w publikacji „Sektor Elektroenergetyczny” 2017
Zobacz e-wydanie

Czy artykuł był przydatny?
Przykro nam, że artykuł nie spełnił twoich oczekiwań.
Czytaj więcej