Tangentiell ledningsføring over sporveksler

Ledningsføring

Innledning

Ved prosjektering og bygging av kontaktledningsanlegg er man nødt til å ta hensyn til tvangspunkter i forholdet mellom spor og kontaktledningsanlegget. Med tvangspunkter mener man her steder der sporet binder både master og ledningsføring opp mot en bestemt plassering. Eksempler på tvangspunkter kan være signaler, sporveksler, sporsløyfer, kurvatur, plattformer og lignende. En god tommelfingerregel ved prosjektering av kontaktledningsanlegg vil naturligvis være å identifisere alle slike tvangspunkter før selve prosjekteringen starter. Det er viktig å ta hensyn til alle disse punktene. Det er eksempler på at slike punkter i ettertid har medført problemer med ekstra kostnader i forbindelse med større feilfrekvens enn normalt, samt mer eller mindre ombygginger av ferdige anlegg.

Ledningsføring over sporveksler

Et av de viktigste og vanskeligste tvangspunktene for kontaktledningsanlegg er sporveksler. Dette kapitlet vil forsøke å beskrive ledningsføring og masteplassering ved sporveksler og sporsløyfer. Før det gås inn på den rent prosjekteringsfaglige biten er det nødvendig å kjenne til noen begreper og begrensninger som påvirker ledningsføringen ved sporveksler og sporsløyfer.

Tangentiell og kryssende ledningsføring

Uavhengig av hvilket prinsipp det velges for ledningsføring over sporveksler vil kontakttråden heves ved strømavtakerpassering. Hevingen er avhengig av type kontaktledningssystem og toghastighet.

Kapasitetsfaktor benyttet for levetidsbetraktning av kontaktledningsanlegg

7 tog i timen og 20 timers driftsdøgn, vil for et livsløp på 50 år gi 2 000 000 strømavtakerpassasjer. Ved bruk av kontakttråd i ren kobber (Cu-ETP) gir laboratorieforsøk en jevn slitasje på kontakttrådprofilet som tilsvarer 20% (punktslitasje tillates opp til 30 %). Denne slitasjen er satt som en grense for hvor mye kontakttrådprofilet kan slites før tverrsnittsarealet gjør at bruddstyrken og strømføringskapasiteten til lederen ikke lenger sikrer feilfri operasjon. Dvs. slites kontakttråden ytterligere vil lederen enten overopphetes og glødes ut som forårsaker brudd i leder, eller mekanisk påvirkning kan forårsake brudd i leder. Dette livsløpet på 50 år benyttes som bakteppe når en skal tenke FDV og komponentutvikling, det gjelde seg deler eller utforminger. Med tiden har det kommet nye legeringer på markedet som gjør det mulig å utvide livsløpet på 50 år og for kontaktledningsutforminger generelt har vi i dag løsninger som kan ha et livsløp på 120-150 år. Dette er gunstig med hensyn på ressursutnyttelse og negative utslipp av drivhusgasser og metaller, samt at levetidskostnaden reduseres.

Teori og prosjekteringsregler

Sammendrag

For sporveksler med samme lengde og lengre enn R1200 m skal avstanden x4 og x3 beregnes. Denne avstanden er større enn 1200 mm. For sporveksler med samme lengde og kortere enn R1200 m er avstanden x4 og x3 henholdsvis 1500 mm og 1200 mm. Kontakttrådhøyden ved støttepunktene og referansepunktene, se <xr id="tab:Kontakttrådhøyden"/>Tabell 1.

<figtable id="tab:Kontakttrådhøyden">

Kontakttrådhøyden ved støttepunktene og referansepunktene

Sporvekseltype	Ref 3	Ref 2	Ref 1	Støttepunkt 2
R1200	+100 (130)	-30	-30	-30
R760	+100 (130)	-30	-30	-30
R500	+70 (100)	0	0	0
R300	+70 (100)	0	0	0
R190	+70 (100)	0	0	0

</figtable>

For sporveksler med samme lengde og kortere enn R1200 m er ikke referansepunkt 4 nødvendig fordi minste avstand x3 = 1200 mm skal brukes. Det skal ikke brukes nedheng på kontakttråd i hovedsporet ved kontaktledningsutforming S20. Hvis krysshengetrådene er plassert i klemmefritt rom, må hellingen til hengetrådklemmen beregnes (se ACAD-tegning for Flury-hengetrådklemme). For Flury-hengetrådklemmer er denne vinkelen 50°. Vinklede hengetrådklemmer som vist i Figur 1 kan også brukes.

Fil:Xxx

Figur 1: Hengetrådklemme for bruk i klemfritt rom.

Ved minste spennlengde l_min er heving av avviksporets kontakttråd 200 mm ved støttepunkt 1 (UP1). I dette tilfellet festes kontaktledningen til horisontalstaget med fastklemme.

Det høyeste løftet av avviksporets kontakttråd på 100 mm skjer ved referansepunkt 3. Ved referansepunkt 3 kan kontakttråden berøre vippen under dette løftet. Dette betyr at kontaktledningen i det minste skal berøre det blå området på vippen. Dette kan oppnås ved å skråstille avviksporets kontaktledning litt mot hovedsporet. Dette tilfellet oppstår ved mindre sporveksler som har avviksporradier mindre enn 1200 m.

For sporvekslene med 500 m, 300 m til 190 m radius må avviksporkontaktledningen skråstilles slik at avviksporskontakttråden er minst over vippas entringsgrense for av-/på løping.

En kontaktledningsutforming S35, som har en innspenningskraft på 7,06 kN, kan også brukes i avviksporet. I dette tilfellet må det tas hensyn til den større vindutblåsingen.

Prosjektering av tangentiell ledningsføring over sporveksel

Introduksjon

Jernbanene i Europa og over hele verden bruker forskjellige typer ledningsføring over sporveksler. Som beskrevet i (Puschmann & Behrends, 2022) kan det ved ledningsføring over sporveksler skilles mellom kryssende og tangentielle ledningsføringer. Ved kryssende ledningsføring krysser hoved- og avviksporets kontaktledninger hverandre i sporvekselfeltet. Kontakttrådene er koblet sammen med en kryssende stang (Kießling, et al., 2014). Det kan skilles mellom to varianter når det gjelder tangentielle ledningsføringer. Dette er den tangentielle ledningsføringen med kontakt med avviksporets kontakttråd når strømavtakeren går på hovedsporet og den tangentielle ledningsføringen uten kontakt med avviksporets kontakttråd. Den følgende beskrivelsen av prosjekteringen refererer til tangentiell ledningsføring uten å berøre avviksporets kontakttråd. Fordelene med denne typen ledningsføring er spesielt tydelige i høyhastighetsområdet fra 200 km/t i det dynamiske samspillet mellom hovedsporets kontaktledning og strømavtakeren.

Tangentiell ledningsføring kan benyttes i eksisterende kontaktledninger med faste masteplasseringer eller i nye prosjekter med fri valgbar masteplassering for sporveksler i hoved- og avvik spor. I motsetning til andre føringsmetoder er det kun en kontaktledning som styrer strømavtakeren på hovedsporet og en kontaktledning styrer strømavtakeren på avviksporet (Figur 2).

Fil:Xxx

Figur 2: Betegnelser for en tangentiell ledningsføring uten å berøre avviksporets kontakttråd.

Siden kontaktledningene i vekselfeltet ikke krysser hverandre, men løper tangentielt forbi hverandre, kan det benyttes kontaktledningstyper med lavere innspenningskrefter i avvik spor. Kravet til kryssende ledningsføringer om at kun likeverdige typer kan krysse hverandre kan sløyfes med tangentielle ledningsføringer uten å berøre avviksporets kontakttråd. Dette betyr at en kompleks typeendring utenfor vekselområdet kan unngås.

Manglende kontaktledningskryss, unødvendig kryssingsstang og endring av utforming gjør at byggekostnadene kan reduseres. På grunn av det mindre antallet komponenter, kan det forventes en høyere tilgjengelighet av kontaktledningen med denne typen ledningsføring.

Krav og implementering av disse

Grunnleggende

Infrastrukturforvalteren spesifiserer kravene til interoperabilitet og de tillatte vippetypene. I Norge skal kontaktledningene prosjekteres for vippetype 1950 mm i henhold til EN 50367:2020.

For å gjøre prosjekteringen enklere er modulbasert planlegging med ideell spennlengde fornuftig, slik at den kan brukes til andre typer sporveksler på de ulike strekningene. Til dette formålet er det fornuftig å bruke den lengste tillatte spennlengden på 64 m for kontaktledningsutformingene S25/S20 i hovedsporet. Denne trådføringen kan overføres til kortere vekslingsfelt i hovedsporet.

Følgende krav er basert på dokumentert erfaring fra kryssende ledningsføring og de første tangentielle ledningsføringene over sporveksler i Tyskland. For implementering av følgende krav 2.1 til 2.23 er sporvekseltypen EW 60-1200-1:18.4 for ledningsføringer egnet som eksempel.

Overbygningstype

Sidebevegelsen til strømavtakeren som følge av den respektive overbygningstypen, sporgeometrien og sporvekseltypen skal beregnes i samsvar med EN 15273.

Sportypen som sporvekselen EW 60-1200-1:18.4 hvor ledningsføringen befinner seg er et fastspor. Fastspor gir lavere sportoleranser, også omtalt som tilfeldige sportillegg, og dermed lavere sidebevegelser for strømavtakeren enn i ballastspor.

Overhøyde og manglende overhøyde i sporveksler

Den respektive sporvekselgeometrien med radius, overhøyde og manglende overhøyde påvirker den tilgjengelige kontaktledningens sikk-sakk. Selv om det ikke er overhøyder i sporvekslene, må i det minste manglende overhøyde avhengig av maksimal driftshastighet tas i betraktning ved beregning av tilgjengelig sikk-sakk for kontaktledningen.

For sporvekseltypen EW 60 - 1200 - 1:18,5 (EW 60-2500-1:26,5) er det ingen overhøyde D i avviksporet, men den er for 1200 m-radius (2500 m) med maksimal hastighet på 100 km/t (130 km/t) 100 mm manglende overhøyde i henhold til (EBO, 1967 und 2012) gitt av

$I=11,8\cdot {\frac {v_{max}^{2}}{R}}-D=11,8\cdot {\frac {130^{2}}{2500}}-0=79,8mm\approx 80mm$

$I=11,8\cdot {\frac {v_{max}^{2}}{R}}-D=11,8\cdot {\frac {100^{2}}{1200}}-0=98,3mm\approx 100mm$

som skal tas i betraktning. Det skal imidlertid benyttes overhøydeverdi angitt av sporplanlegger i strekningsplanen. Manglende overhøyde resulterer i en sideforskyvning av vippen i avviksporet og i henhold til EN 50367, en reduksjon i den tilgjengelige sikk-sakken til kontaktledningen i avviksporet med 9 mm (11 mm), noe som er ubetydelig.

Kontaktledningsutforminger

Prosjekteringen av det tangentielle vekslingsfeltet tar hensyn til de eksisterende kontaktledningsutformoingene i hoved- og avviksporene, samt skal beregne kontaktledningens vindutblåsing og mulige høyde for avviksporskontakttråden til støttepunkt 1. Dette krever at det antas en spennlengde på 64 m.

I det valgte eksemplet er utformingene S20 / S25 (Re 330 og Re 200) tilgjengelige på hoved- og avvikspor. Ved prosjektering av kontaktledningen skal det tas hensyn til problemfri drift med 1950 mm vippe for hoved- og avvikspor. Vekslingsfeltet bør ha en spennlengde på 64 m (65 m).

Grenselinje for strømavtakere

Spesifikasjonene til TSI-energi for interoperable ruter og maksimal linjehastighet resulterer i at kravene til strømavtakertypene skal hensyntas i samsvar med EN 50367, for hvilke grenselinjen skal beregnes i samsvar med EN 15273. Beregningen av sideveis forskyvning av kontakttråd gjøres i henhold til EN 50367.

Sporene til HGV-linjen og avviksporet er beregnet for drift med 1950 mm vippe. Grunnleggende data for beregning av grenselinjen finner du i Tabell 5.

Grenselinjen for 1950 mm vippe kan sees i Figur 3 ved referansehøyden 5,34 m for S25-utformingen og 5,84 m for S20-utformingen (5,53 m).

Fil:Xxx

Figur 3: Grenselinje for 1950 mm i hovedspor for fastsporet i en referansehøyde på 5,33 m iht. EN 50367 og EBO (EBO, 1967 und 2012).

Sideavbøyning av strømavtakeren

I henhold til EN 15273 skal maksimal sideavbøyning til strømavtakeren beregnes for referansehøyden til kontaktledningen i hoved- og avviksporene. Beregningen skal baseres på toleransene, også kjent som tilfeldige tillegg, for kjørebanetypen i henhold til EN 15273 og EBO. For å beregne en sideavbøyning til strømavtakeren som samsvarer med virkeligheten, er det mulig å konsekvent bruke geometrisk gjennomsnittsberegning.

Beregningen av sideforskyvningen til strømavtakeren bruker tilsvarende det geometriske gjennomsnittet ved de nedre 5,0 m og øvre 6,5 m verifikasjonspunkter i samsvar med EN 15273. Derfor, i henhold til EN 15367, gjelder den usannsynlige samtidige forekomsten av påvirkningene sp,z’ og ϑ eksentrisiteten til strømavtakeren e_p ved nedre (u) og øvre (o) arbeidshøyde

for fastspor

$e_{pu}={\sqrt {sp^{2}+z'^{2}+\vartheta _{u}^{2}}}={\sqrt {0,038^{2}+0,045^{2}+0,027^{2}}}=0,065m$	(1)
$e_{po}={\sqrt {sp^{2}+z'^{2}+\vartheta _{o}^{2}}}={\sqrt {0,038^{2}+0,060^{2}+0,044^{2}}}=0,084m$	(2)

for ballastspor

$e_{pu}={\sqrt {sp^{2}+z'^{2}+\vartheta _{u}^{2}}}={\sqrt {0,038^{2}+0,045^{2}+0,027^{2}}}=0,065m$	(1)
$e_{po}={\sqrt {sp^{2}+z'^{2}+\vartheta _{o}^{2}}}={\sqrt {0,038^{2}+0,060^{2}+0,044^{2}}}=0,084m$	(2)

Beregningen av strømavtakerens sideforskyvning er basert på summen av de tilfeldige tilleggene T ved øvre (o) og nedre (u) arbeidshøyde i henhold til EN 15273 for fastspor. Den største sideforskyvningen av vippen D_u ved nedre arbeidshøyde og D_o ved øvre arbeidshøyde følger

for fastspor

$D'_{u}=e'_{pu}+S'+qs'+{\sqrt {\sum }}T_{u}^{2}=0,065+0,028+0+{\sqrt {0}},002=0,138m$	(3)
$D'_{o}=e'_{po}+S'+qs'+{\sqrt {\sum }}T_{o}^{2}=0,084+0,028+0+{\sqrt {0}},004=0,174m$	(4)

for ballastspor

$D'_{u}=e'_{pu}+S'+qs'+{\sqrt {\sum }}T_{u}^{2}=0,065+0,028+0+{\sqrt {0}},006=0,170m$	(3)
$D'_{o}=e'_{po}+S'+qs'+{\sqrt {\sum }}T_{o}^{2}=0,084+0,028+0+{\sqrt {0}},010=0,212m$	(4)

og med sporposisjonstoleransene ved referansehøyden på 5,34 m, resulterer dette i 0,011 m

$D'_{ref}=0,180m$ for utforming S25 og $D'_{ref}=0,194m$ for utforming S20

Siden sporvekslen ligger i den rette linjen av sporet, blir $qs'=0$. Kontaktledningens referansehøyde er 5,34 m for S 25 og 5,84 m for S 20 (Re 330 er 5,53 m). I denne høyden gjelder $D'_{ref}$ for ballast spor (fast spor)

$D'_{ref}=x_{T}=D'_{u}+{\frac {h_{ref}-h'_{u}}{h'_{o}-h'_{u}}}\cdot (D'_{o}-D'_{u})=0,138+{\frac {5,53-5,00}{6,50-5,00}}\cdot (0,174-0,138)=0,151m$	(5)
$D'_{ref}=x_{T}=D'_{u}+{\frac {h_{ref}-h'_{u}}{h'_{o}-h'_{u}}}\cdot (D'_{o}-D'_{u})=0,170+{\frac {5,34-5,00}{6,50-5,00}}\cdot (0,212-0,170)=0,194m$	(5)

hvor

$e_{pu}/e_{po}$	Eksentrisiteten til strømavtakeren ved den nedre arbeidshøyden (u) eller ved den øvre arbeidshøyden (o) grunnet forskyvningen til omdreiing av vertikal akse
$sp$	Fleksibilitet mellom kjøretøyets hjulsett og kjøretøyets kropp
$z'$	Forskyvning fra kvasistatisk helning som skal tas med i betraktning på kjøretøysiden
$\vartheta _{u}/\vartheta _{o}$	Forskyvning fra sideavbøyning, posisjonstoleranse og asymmetri på kjøretøyet ved strømavtakerens nedre (u) og øvre (o) arbeidshøyde
$D'_{u}/D'_{o}$	Strømavtakerens sideveis bevegelse ved nedre (u) og øvre (o) arbeidshøyde
$D'_{ref}$	Strømavtakerens sideveis bevegelse ved referansehøyden ($h_{ref}$)
$h_{ref}$	Kontakttrådens referansehøyde
$h'_{u}/h'_{o}$	Kontakttrådens nedre arbeidshøyde (u) og øvre arbeidshøyde (o)
$S'$	Strømavtakerens forskyvning på grunn av ekstra kast i kurven
$qs'$	Kvasistatisk forskyvning grunnet rulling av strømavtakeren i kurven
$\sum T_{u}/\sum T_{o}$	Summen av sportoleransene ved nedre arbeidshøyde (u) og ved øvre arbeidshøyde