Schaltschränke und Abzweigdosen für den Tunnelbau

Trånga skåp och uttag för den nya Gotthard järnvägstunneln

Höga sug- och tryckbelastningar i järnvägstunnlar är en stor utmaning för elinstallationen

Gigantiska byggprojekt

Den nya järnvägstunneln genom St. Gotthard Massif kastar en skugga över alla strukturer som tidigare byggts i Europa. Tro det eller ej, det drevs 57 km genom bergsmassivet i de schweiziska Alperna (bild 1). Det är världens längsta järnvägstunnel och dess tunnelavsnitt med alla tvär- och förbindelsestunnlar sträcker totalt 154 km. Testtåg körs i båda tunnelrören med hastigheter upp till 275 km/h. Sedan ska tågen använda den nya tunneln med hastigheter upp till 250 km/h, från och med 1 juni 2016 – tidigare än planerat. Därmed är restiden mellan Milano och Zürich reducerad till mindre än 3 timmar och transporten på den schweiziska nord-syd-axeln kan nästan fördubblas med 40 miljoner ton varor. Med en kostnad på 12 miljarder CHF är den det största byggprojektet för en ny nord-sydlig-anslutning för höghastighetståg genom Alperna.

Raffinerat säkerhetskoncept i planeringen

Med dessa dimensioner lämnas ingenting åt slumpen. Säkerhet var högsta prioritet. Konceptet för den nya Gotthard-grundtunneln är två rör anordnade ca 40 m från varandra och förbundna med så kallade tvärorter på ett avstånd av ca 325 m. Genom två dubbelspårväxlingar kan

hela tåg växla från ett rör till det andra, vilket är kan komma till användning vid underhållsarbete eller i nödsituationer. Dessa spårväxlar är belägna i två så kallade multifunktionspunkter, som också rymmer delar av ventilationsanläggningarna och nödstoppspunkter. De är utformade för ett nödstopp på ett tåg och tillhandahålls som flykt- och evakueringsplatser för resenärer som kan avlägsnas från tunneln med ett evakueringståg. Det är inte nödvändigt att korsa spår via trappor eller hissar på räddningsvägen till andra tunnelröret. Nödstoppspunkterna och deras sido- och anslutningstunnlar förses med frisk luft i händelse av en nödsituation. Medan rök utvinns från nödröret är ett lågt tryck i nödstoppspunkten tillräckligt för att räddningsvägen ska rensas. Tvärorterna fungerar som en flyktväg utöver nödstoppspunkterna.

Höga säkerhetsstandarder för produkter

Liknande i skala till det gigantiska byggprojektet och dess säkerhetskoncept är kraven på de produkter som används, vilket långt överstiger den tidigare kända omfattningen. Deutsche Bahn definierade de särskilda säkerhetsstatusinspektionerna för den befintliga och planerade järnvägstunneln i Tyskland, som avser alla tekniska detaljer i systemet och de effekter som kan förväntas. Särskilt inflytelserika faktorer är sug och tryck, som fungerar på alla komponenter som installeras i tunneln. De definierade kraven är baserade på huruvida komponenterna kan klara aerodynamiska krafter för sug- och tryckspänningar, att de förblir i sin position och fortsätter att fungera. Lika viktigt är frågan huruvida produkten faktiskt förblir tät mot bakgrund av de höga krafterna eller om kapslingens tak är kanske lyft så högt så att dammpartiklar och fukt kan tränga in och leda till försämringar av systemdelarna. I slutändan skulle varje misslyckande och allt underhåll leda till driftstopp i ett rör, vilket skulle resultera i smärtsamma fördröjningar i driften med avseende på användningen av linjen som förväntat och därmed resultera i förlorad vinst. Byggherren "AlpTransit Gotthard AG" har definierat strängare standarder och ställt höga krav på hållbarheten hos alla berörda produkter. Även om tunneln inte antar dessa extrema dimensioner i Tyskland, gäller liknande förhållanden och tas redan med i planeringen. Det finns ingen standard eller något direktiv för dessa ytterligheter. Därför utvecklades en kravlista från resultaten i tidigare tunnelprojekt, som ska användas för alla tunnelprojekt. 

Utmaning för elektrisk installation

Komponenterna för elinstallation är huvudsakligen belägna i 176 tvärorter (fig 2) mellan de två rören. Förhållandena här kunde knappast vara svårare, eftersom när tåget kör in i tunneln vid hastigheter högre än 160 km/h komprimeras luften och lufttrycket stiger i enlighet därmed. Trots att tågets luftflöde från korsgångarna i stor utsträckning förhindras pressar över- resp undertryck ändå in luftkompressionen i tvärorterna och applicerar en spänning av upp till +/- 1 t/m² på ytorna på det installerade ihåliga elementet. Det måste också säkerställas att all utrustning kan motstå denna tryckförändring mekaniskt och att den höga kapslingsklassen IP 67 (damm och vattentät) bibehålls. Liksom Lötschberg-bastunneln som redan togs i drift 2007 har två långvariga partners deltagit i Gotthards bastunnel. Kopplingsskåpspecialisten Swibox AG i Balterswil (Schweiz) tillhandahöll skåpkonceptet och projektledningen, och Pfannenberg GmbH i Hamburg, specialiserat på kylsystem, hanterade byggandet av den skåpklimatkontroll som krävs för byggandet. Swibox AG utvecklade ett helt nytt skåpsystem med ett förseglat kabelgränssnitt i skåpbasen för Lötschberg-bastunneln 2003, vilket konstruerades för +/- 5 kPa eller 500 kg/ m² tryckbelastning. Eftersom Gotthards bastunnel ökade kraven till +/-10 kPa eller 1 t/m² måste hela systemet revideras och testas. Lösningen är baserad på ett sinnrikt skåpstöd för vilken en patentansökan lämnades in. 2880 av dessa skåp har utvecklats av Swibox för Gotthard tunnel och installerats i tvärorterna. 

Luftkonditionerade skåp

Dock kvarstod den extra utmaningen i tunnlar som är den omgivande luften. Stora temperaturskillnader på -20 °C till + 40 °C, maximal luftfuktighet på 100 %, järnskräp från bromsar och skenor och koppar från kontaktledningen i luften ökar risken för korrosion betydligt. Ett speciellt klimatkontrollkoncept behövs. Detta var Pfannenbergs uppgift. I detta fall överträffades den moderna trafiken en gång till med utvecklingen av ett helt nytt koncept specifikt för Gotthard-tunneln. Det genomgick omfattande testning som ett komplett system tillsammans med kopplingsskåp från Swibox i ett testlaboratorium utvecklat för sådana projekt och klarade 200 000 tryckförändringar på +/-10 kPa. Det övergripande provningsförfarandet genomfördes av en neutral inspektionsmyndighet och övervakades av den schweiziska ackrediteringstjänsten för standarder (SAS). Förutom kylenheterna Pfannenberg, som nu används huvudsakligen inne i berget (miljötemperaturer upp till +40 °C), behövdes också värmare i portalerna (omgivningstemperaturer så låga som -20 °C). Dessa värmare säkerställer att temperaturen i växellådan inte faller under daggpunkten. Daggpunkten är temperaturen av fuktig luft som måste understigas vid oförändrat tryck så att vattnet i luften avsätts som kondensat. Den relativa luftfuktigheten vid daggpunkten är 100 %, vilket betyder att luften är helt mättad med vattenånga. 

Förseglade kopplingsdosor

Komponenterna (bild 3) som är belägna omedelbart i tunnelrören utsätts för ännu större nedsmutsning och aerodynamisk påverkan. Till exempel monteras flyktvägsbelysningen här, som måste skyddas individuellt för att säkerställa att i händelse av skada endast en lampa slocknar när den är skadad och strömförsörjningen till återstående lampor förblir intakt. Med en tunnellängd på 57 km finns det en hel del kabel, kopplingsdosor och automatiska styrenheter, så möjligheten till snabb och säker installation var en viktig faktor vid valet av leverantör. Valet föll slutligen på Rapid-Box (bild 4) från tyska kapslingsspecialisten Spelsberg. Kapslingssystemet utvecklades speciellt för att säkert installera okapade ledare upp till 50 mm² (Cu). Den säkra kopplingen sker med en ledare på 2,5 mm² eller via CEE-uttag (3-polig eller 5-polig) i kapslingskåpan. Säkringar och uttag förses med förkoppling. Installation vid kopplingspunkten sker utan att huvud- eller matarledningen måste separeras (bild 5). Denna teknik möjliggör en flexibel installation som kan förlängas även efter idrifttagning. Huvudplinten kan också användas som en anslutningsklämma för två skurna ledare. Med hjälp av CEE-uttag kan utrustning som armaturer anslutas och underhållas snabbt och effektivt. Installationen tar inte mer än 15 minuter, så systemet minskar arbetet drastiskt. Denna snabba installation är också en viktig fördel när det gäller underhållstider, vilket direkt påverkar tillgången på anläggningen. På så sätt minskas inte bara monteringstider och kostnader, utan även cykliskt återkommande underhållskostnader - t.ex. för byte eller förlängning av kopplingsdosor minskas. Förutom tunnelsystem är andra konstruktioner med långa kabelbanor, såsom industrihallar eller höghus, idealiska applikationer för det nya systemet. Rapid-Box har en modulär design för att erbjuda rätt lösning för alla möjliga applikationer. Det finns två huvudversioner: Standardvarianter enligt EN 61439-2 (VDE) och varianterna för brandskyddsanläggning med funktionell integritet i E30, E60 eller E90 i enlighet med DIN 4102 och EN 1363, som också används i Gotthard-tunneln. Beroende på den specifika uppgiften kan individuella komponenter i Rapid-Box kombineras individuellt. Till exempel finns uttag i kåpan eller kabelförskruvningarna på kapslingssidan tillgängliga. Det finns möjlighet till extern jordning och olika automatiska brytare. Alla kopplingsutrustningar är VDE- och MPA-certifierade. Även när det gäller plintar kan du välja. Den underhållsfria, upphöjda kopplingsplinten kan vara variabelt anpassad för 1 till 5 stift. Den fjädrande hylsmuttern för genomföringsledningar garanterar felfri drift även vid utsättning för stora vibrationer. Förgreningen själv görs via en fjäderplint. Olika tvärsnitt och nominella strömmar är möjliga, så det inre av Rapid-Box kan skräddarsys exakt för att passa uppgiften. Även den variabla utrustningen för locket möter kundernas behov. Sju olika tätningsstorlekar, inklusive kabelgenomföring, finns tillgängliga beroende på ledardiameter. Höljet är extremt slitstarkt och UV-beständigt och klarar mycket stora belastningar på grund väderförhållanden eller smuts, så det är också möjligt att installera i korrosiva miljöer som Gotthard-tunneln. Materialets lågrökegenskaper garanterar också minimalt utsläpp av skadliga ämnen och rökutveckling vid brand. Den nya Rapid-Box kan antingen installeras på tak, väggar eller kabelbrickor. Fästpunkterna är placerade på utsidan av kapslingen, så Rapid-Box kan installeras utan att behöva öppna den. Kåpor och skruvar är också fästa, så installation för hand är särskilt lätt - en stor fördel när du arbetar på en stege eller över huvudet. Rapid-Boxen har certifierats i hela Europa: Apparatkombinationen överensstämmer med EN 61439, brandbeständighetsprovningen är EN 1363-kompatibel. För att uppfylla de extremt höga säkerhetsstandarderna för AlpTransit Gotthard AG, genomgick Rapid-Box ytterligare test före installationen. Det var särskilt viktigt att kapslingsklassen också behölls med hänsyn till höga tryck- och suglaster. Ett praktiskt laboratorietest gav visshet: Även efter 200 000 cykler, där Rapid-Boxen utsattes för ett tryck på +/-10 kPa, var kapslingen och dess silikonförsegling stabil och ingen tryckförlust detekterades även efter 30 minuter. Därför uppfylldes de strikta kraven för de schweiziska tunnelbyggarna och Rapid-Box kunde användas. Det beskrivna systemet för kopplingsdosor är universellt och mycket mångsidigt och används, inte bara vid belysning av flykt- och räddningsvägar, som nämns i exemplet, utan också i fördelarsystem för mobila enheter med användning av standardiserade plugganslutningar för underhåll eller för utryckningspersonal. 

Resumé

Säkerhetskraven för konstruktion och drift av järnvägstunnlar är särskilt strikta. I den nya Gotthard-bastunneln, sina över 57 km världens längsta järnvägstunnel, ökade kraven ytterligare. Eftersom tåg passerar genom tunneln med en hastighet av 250 km/h, utsätts alla installerade komponenter för enorma drag- och sugkrafter. Det finns också dramatiska temperaturskillnader, hög luftfuktighet och extrema dammbelastningar. Speciella lösningar garanterar tillförlitlig funktionell integritet och skydd för alla komponenter: Klimatstyrningssystem från Pfannenberg i kopplingsskåp med hög densitet från Swibox och kopplingsdosor från Spelsberg uppfyller krävande tester och garanterar säker drift under extrema förhållanden med bibehållen hög variabel flexibilitet.

Sammanfattning

Trånga skåp och uttag för den nya Gotthard järnvägstunneln

De miljöförhållanden som förekommer i tunnlar är annorlunda än förhållandena utanför. Dessa speciella villkor har inte reglerats av standarder. För att säkerställa driften och erbjuda en hög säkerhetsnivå är det nödvändigt att känna till och ta hänsyn till dessa extrema förhållanden. I artikeln beskrivs dessa extrema influenser på elektriska system med Gotthard tunnelprojekt som exempel och illustrerar erfarenheter som hittills samlats in.