Transport kolejowy: Zasilanie i energetyka

Podobnie jak w poprzednich artykułach, przypominam, że niniejszy tekst ma za zadanie przybliżyć szerokiej publiczności najbardziej podstawowe funkcje podsystemu. Dzieje się to kosztem detali i szczegółowych zagadnień technicznych. Ekspertów proszę o punktowanie w komentarzach nieścisłości mających wpływ na ogólne zrozumienie tematu.

#1 Sieć trakcyjna (transport szynowy)

Na początku kwestia nazewnictwa. „Trakcja” to rodzaj napędu. Mamy trakcję parową, spalinową i trakcję elektryczną. W dzisiejszym artykule mówimy o sieci trakcyjnej (ST).


W polskiej sieci kolejowej mamy napięcie 3kV prądu stałego (DC). W Niemczech jeździ się na prądzie przemiennym (AC) 15kV i częstotliwości 16,7Hz.
Zasadniczo system 3 kV DC pozwala jeździć z prędkością do 250 km/h. Tak więc szybciej w Polsce jeszcze długo nie pojedziemy, chociaż CMK jest już przygotowywana do napięcia 25 kV AC (przy modernizacjach stosuje się izolatory na 25 kV). Żeby nie było tak kolorowo, to system 25 kV AC też ma swoje wady. Największą jest nierównomierność obciążenia. Lokomotywy to odbiorniki jednofazowe o bardzo dużej mocy – na podstacjach trakcyjnych trzeba montować specjalne transformatory wyrównujące obciążenia każdej fazy.


Zaczynając od początku, ST podwieszana jest na konstrukcjach wsporczych (słupy) lub bramkach trakcyjnych. Jedne i drugie osadzone są na fundamentach palowych, wbijanych w nasyp przez specjalną kolejową palownicę.


Na Śląsku na terenach, gdzie występują szkody górnicze, stosuje się fundamenty betonowe wylewane i słupy, do których na górze można zamontować kolejny element słupa (na Lk 142 prognozowane osiadanie gruntu pod torami to jakieś 6 m w ciągu 2 lat). Kiedy grunt osiada, to tor trzeba co jakiś czas przywrócić do stanu pierwotnego. Przy odbudowie nasypu słupy trakcyjne odkopuje się, oblewa się betonem, zakopuje, a na górze montuje kolejny 2-metrowy element słupa.





Sama sieć składa się z:

• przewodu jezdnego – miedzianego przewodu, po którym przesuwa się odbierak prądu (pantograf). Nad torami głównymi podwiesza się dwa przewody jezdne, a sam przewód ułożony jest zygzakiem. Chodzi o to, żeby odbieraki nie wycierały się w jednym miejscu, tylko równomiernie, na całej szerokości. Obecnie na przewody jezdne stosowany jest stop miedzi z 0,1% dodatkiem srebra. PLK dopuszcza obecnie magnez zamiast srebra, ale w Polsce jeszcze nikt takich przewodów nie produkuje. Drodzy złomiarze, pieniądze wiszą na słupie...

• Liny nośnej –rozpiętej pomiędzy konstrukcjami nośnymi w formie krzywej łańcuchowej. Do liny nośnej za pomocą wieszaków podwiesza się przewody jezdne.

• Sieci powrotnej – minusem w całym tym wielkim obwodzie jest szyna. Do szyny przy pomocy uszynień przyłączone są wszelkie metalowe elementy w obrębie toru. Całość połączona jest z podstacją trakcyjną w celu zamknięcia obwodu przez uszynienie grupowe, czyli linę napowietrzną oraz poprzez zwierniki tyrystorowe.

Kompensacja sieci

W celu zapewnienia prawidłowego naprężenia sieci niezależnie od temperatury otoczenia, stosuje się odpowiednie urządzenia do utrzymania prawidłowego naciągu przewodu jezdnego i liny. Najpopularniejszym tego typu urządzeniem jest naprężacz w postaci obciążnika na rolce.



Dawniej ciężary były żeliwne, dlatego dosyć często znikały. Od jakichś 20 lat stosuje się ciężary polimerowo-betonowe. Na złomie tego nie przyjmą. Obecnie stosuje się też kotwienia bezciężarowe (sprężyna i bęben).
ST na długości linii kolejowej (bądź stacji) składa się z wielu odcinków naprężenia (od naprężacza do naprężacza), natomiast na styku odcinków zabudowuje się przęsła naprężenia, których zadaniem jest zapewnienie łagodnego przejścia odbieraka pomiędzy odcinkami.


Izolatory

W celu odizolowania sieci od innych elementów stosuje się izolatory.


Można je spotkać pomiędzy siecią a konstrukcją wsporczą, pomiędzy sieciami nad kilkoma torami pod jedną bramką lub pomiędzy sekcjami zasilania wzdłuż jednego toru.

#2. Zasilanie (źródło)

ST na swojej długości podzielona jest na odcinki sekcjonowania, czyli odizolowane względem siebie fragmenty sieci. W wypadku awarii można wyłączyć tylko jeden odcinek sieci i normalnie jeździć na pozostałych. Przede wszystkim jednak pociągi jadące po jednym sekcjonowaniu wywołują spadki napięcia tylko w rejonie swojej podstacji trakcyjnej i nie wpływają tym samym na składy zasilane z innych podstacji (wspomniane wcześniej Pendolino miały problem w obrębie jednej podstacji).
Zasadniczo każdy odcinek sekcjonowania zasilany jest przez podstację trakcyjną na każdym ze swoich końców. Podstacja trakcyjna to budynek mieszczący w sobie urządzenia zamieniające prąd przemienny średniego lub wysokiego napięcia (z elektrowni) na prąd trakcyjny.



Do podstacji doprowadza się jedną lub dwie niezależne linie zasilające, w celu zmniejszenia ryzyka zaniku zasilania ST w wyniku awarii sieci zasilającej.
Pomiędzy podstacjami na liniach dwutorowych zabudowuje się kabiny sekcyjne. Są to urządzenia redukujące spadki mocy (spadki napięcia i straty energii) wynikające z przesyłu (kabina wykorzystuje sieć nad oboma torami). Dodatkowo kabiny dzielą odcinek międzypodstacyjny na dwa odcinki sekcjonowania.

#3. Elektroenergetyka nietrakcyjna

Zasilanie odbiorów innych niż sieć trakcyjna nazywa się elektroenergetyką nietrakcyjną. Do tej grupy zalicza się wszystkie urządzenia związane z prowadzeniem ruchu (sygnalizacja i napędy rozjazdów), oświetlenie głowic rozjazdowych i peronów oraz dostarczenie energii do budynków obsługi pasażerów.

LPN

Za przesył energii wzdłuż linii kolejowej odpowiedzialne są linie potrzeb nietrakcyjnych (LPN). Są to osobne linie energetyczne podwieszone na samodzielnych konstrukcjach lub „doczepione” do bramek i słupów trakcyjnych.


LPN-ka zasilana jest z podstacji sekcyjnej prądem przemiennym 0,4kV, 15kV lub sporadycznie 6 kV, a odpowiedzialność za jej utrzymanie ponosi PKP Energetyka. Jeżeli po silnym wietrze występują opóźnienia w ruchu kolejowym, to możliwe, że winę za taką sytuację ponosi właśnie zerwana LPN-ka (drzewa strasznie lubią rosnąć w jej sąsiedztwie).

EOR

Zastanawialiście się kiedyś, czy rozjazdy zamarzają? Otóż zamarzają i często zasypywane są śniegiem. Ze świeżym puchem można poradzić sobie przy pomocy specjalistycznej miotły kolejowej obsługiwanej przez nastawniczego bądź zwrotniczego. Lód można usunąć metodą ogniową…


...a śnieg przy pomocy pługów, które jednak nie sprawdzają się w sąsiedztwie delikatnych urządzeń, takich jak napędy czujniki i elektromagnesy shp.


Dobra, do rzeczy. Na nowoczesnych liniach kolejowych rozjazdy wyposażone są w elektryczne ogrzewanie rozjazdów (EOR). EOR to zestaw grzałek elektrycznych przyklejonych do szyn w rejonie zwrotnicy (iglice i opornice). Zadaniem EOR jest rozmrozić zwrotnicę (lub nie dopuścić do jej zamarznięcia). Oczywiście rozjazd nie jest ogrzewany cały dzień. ISEDR ma na nastawni szafę sterowniczą EOR i kilka razy na dzień (przy mrozach) prewencyjnie odpala grzałki. Jeżeli rozjazd jest przestawiany wystarczająco często, to nie ma czasu zamarznąć i nie ma potrzeby uruchamiania systemu bez przerwy.


Oświetlenie

Nie będę się tu rozpisywał, bo sprawa jest w miarę oczywista. Oprócz oświetlenia peronów i przejazdów kolejowych, należy zapewnić odpowiednią widoczność w nocy również na głowicach rozjazdowych. Do ciekawych rozwiązań należy zaliczyć wieże i maszty oświetleniowe. Są to wysokie konstrukcje kratowe lub słupowe (nawet kilkadziesiąt metrów), dobrze widoczne z daleka. Służą do oświetlania dużych stacji, na których praca manewrowa trwa całą dobę.

#4. Napędy rozjazdowe (Link)

Gwoli wyjaśnienia do wcześniejszych artykułów. Napędy rozjazdowe dzielą się na wiele różnych odmian. Możemy podzielić je ze względu na rodzaj zamknięcia:


Oraz ze względu na rodzaj napędu. Przełożenie ręczne było już omówione. Drugi typ, mechaniczny scentralizowany, obsługiwany jest za pomocą pędni, a sam napęd wygląda tak:


Napęd elektryczny to zwykle skrzynka zlokalizowana w rejonie iglic:


W rozjazdach dostosowanych do dużych prędkości stosuje się też ruchome dzioby krzyżownic. Jest to jeszcze dość egzotyczne rozwiązanie i spotykane tylko na CMK, ale warto o nim wiedzieć.


Rozjazd taki można łatwo rozpoznać po blaszanych osłonach krzyżownicy oraz dodatkowych napędach zlokalizowanych przy samym dziobie (Uwaga: niektóre większe rozjazdy mają po dwa lub trzy napędy do iglic, ale krzyżownice dalej są stałe).

#5. Dławiki torowe (Link)

Wiemy już, że tory podzielone są na odcinki izolowane. Wiemy też, że szyna jest przewodem powrotnym (minusem) dla sieci trakcyjnej. Jak pogodzić te dwa przeciwstawne fakty? Rozwiązaniem są dławiki torowe (potocznie zwane garnkami).


Prąd sygnałowy (srk) jest prądem zmiennym (AC), a prąd zasilający jest stały (DC). Garnek to cewka, która wytłumia prąd AC i jednocześnie przepuszcza prąd DC. Zachęcam bojowników – elektryków do dokładnego wyjaśnienia tego zjawiska w komentarzach.

Większość obrazków pochodzi ze stron: trakcja.one.pl oraz transportszynowy.pl . Do tych też stron odsyłam w celu pogłębienia wiedzy i weryfikacji tego, co napisałem powyżej :)
Swoją wiedzą w zakresie sieci trakcyjnej i zasilania wsparł mnie Bojownik Wochus.

Na zakończenie małe podsumowanie dotychczasowego materiału. Jakie elementy linii kolejowej potrafimy rozpoznać na zdjęciu?



Dwutorowa linia kolejowa w wykopie z szyn 60E1 (wysoka główka), na podkładach strunobetonowych. Rozjazdy z widocznymi ruchomymi dziobami (czyli będzie to CMK). Tory główne zasadnicze (dwa przewody jezdne). Sieć trakcyjna na bramkach i słupach, skompensowana (widać naprężacz na drugim planie). Uszynienie grupowe widoczne na szczytach konstrukcji. Rozjazdy są oświetlone (widoczne lampy). Pendolino jedzie w kierunku wiaduktu (czerwone lampy – sygnały końca pociągu). (zdjęcie: Wochus)