Schaltschränke und Abzweigdosen für den Tunnelbau

Tætte kabinetter og dåser til den nye Gotthard-jernbanetunnel

De høje træk- og trykbelastninger i jernbanetunneller er en stor udfordring for den elektriske installation

Gigantisk byggeprojekt

Om kun et par måneder åbnes den nye jernbanetunnel ved St. Gotthard-massivet, som overskygger alt, hvad der er bygget i Europa. Så meget som 57 km blev der boret gennem massivet i de schweiziske alper (figur 1). Dette gør det til den længste jernbanetunnel i verden, og dens tunnelafsnit med alle tværgående og forbundne tunneler strækker sig over cirka 154 km. I øjeblikket kører testtog op til 275 km/t gennem de to tunnelrør. Fra 1. juni 2016 – tidligere end oprindeligt planlagt – skal tog med hastigheder på op til 250 km/t kunne bruge den nye tunnel. Dette reducerer rejsetiden mellem Milano og Zürich til mindre end 3 timer, mens transportydelsen på den schweiziske nord-syd-akse næsten kan fordobles med 40 millioner tons varer. Med en pris på 12 mia. CHF er det det største byggeprojekt for en ny nord-syd-forbindelse til højhastighedstog gennem Alperne.

Sofistikeret sikkerhedskoncept under planlægning

Intet blev overladt til tilfældighederne med disse dimensioner. Sikkerhed var topprioritet. Konceptet for den nye Gotthard-bundtunnel omfatter for eksempel to rør, der ligger omkring 40 m fra hinanden og forbundet med såkaldte tværtunneler, der ligger i en afstand på omkring 325 m. Ved to dobbelte sporskift kan

hele tog skifte fra et rør til et andet, hvilket skal bruges ved vedligeholdelse eller i tilfælde af en hændelse. Disse sporskiftningspunkter er placeret i to såkaldte multifunktionspunkter, som også rummer dele af ventilationsinstallationerne og nødstoppene. De er designet til nødstop af et tog og fungerer som flugt- og evakueringssted for de rejsende, der herfra kan bringes med et evakueringstog ud af tunnelen. På flugtvejen ind i det andet tunnelrør må der ikke krydses spor eller anvendes trapper eller elevatorer. Nødstoppene og deres side- og tilslutningstunneler forsynes med frisk luft i tilfælde af en hændelse. Mens røgen i hændelsesrøret bliver suget ud, er et lille overtryk i nødstoppet tilstrækkeligt til at holde flugtvejen fri for røg. Udenfor nødstoppet fungerer tværvejen som en flugtvej.

Høje sikkerhedsstandarder for produkter

Lige så gigantisk som byggeprojektet og dets sikkerhedskoncept er, går også kravene til de anvendte produkter langt ud over det, der tidligere var kendt. For eksempel har Deutsche Bahn defineret særlige stabilitetsundersøgelser for de jernbanetunneller, der er placeret og planlagt i Tyskland, som vedrører alle tekniske detaljer af anlægget og de forventede påvirkninger. Særligt stærke indflydelsesfaktorer her er sug og tryk, som indvirker på alle komponenter installeret i tunnelen. De definerede krav vedrører, om komponenterne overlever de aerodynamiske kræfter i sug- og trykbelastningen uden skade, forbliver på deres plads og fortsætter med at fungere. Men lige så vigtigt er spørgsmålet om, hvorvidt produktet faktisk forbliver tæt under de store kraftpåvirkninger, eller om kabinetdækslet kan løfte sig så langt, at støvpartikler og fugt kan trænge ind og forårsage skade på systemkomponenterne indeni. Enhver fejl og vedligeholdelse vil trods alt føre til et driftstop i et rør, hvilket vil medføre forsinkelser i driften, og dermed tabt fortjeneste i forhold til den forventede driftfrekvens på ruten. Kunden »AlpTransit Gotthard AG« har derfor defineret endnu strengere standarder og stiller de højeste krav til lang levetid for alle anvendte produkter. Selvom tunnellerne i Tyskland ikke antager disse ekstreme dimensioner, gælder tilsvarende betingelser og dette skal tages i betragtning ved planlægningen. Der findes ingen standard eller retningslinje for disse ekstremer, så der er opstået en liste over krav fra resultaterne fra de tidligere tunnelprojekter i Europa, som bør gælde for alle tunnelprojekter. 

Udfordring for den elektriske installation

Komponenterne i den elektriske installation er hovedsageligt placeret i de 176 tværgående passager (fig. 2) mellem de to kørerør. Betingelserne her kunne næppe være vanskeligere, for når toget kører ind i tunnelrøret med hastigheder på over 160 km/t, komprimeres luften og lufttrykket stiger tilsvarende. Selv om størstedelen af luftstrømmen fra det kørende tog tilbageholdes af tværpassagedørene, trænger luftkomprimeringens over- henholdsvis undertryk imidlertid ind i tværpassagen og belaster de installerede hule legemers overflader med op til +/- 1 t/m². Man var derfor nødt til at sikre, at alle enheder mekanisk modstår denne trykændring, og at den høje beskyttelsegrad IP 67 (støvtæt og vandtæt) derved opretholdes. Som det var tilfældet med Lötschberg-basistunnelen, der blev taget i drift i 2007, er to langvarige partnere også gået sammen om Gotthard-basistunnelen. Specialisten i afbryderskabe Swibox AG, fra Balterswil (Schweiz), til kabinetkonceptet og projektledelsen, såvel som Pfannenberg GmbH fra Hamburg, der specialiserer sig i kølesystemer, til opførelse af kabinetternes klimaanlæg i overensstemmelse med kravene. Til Lötschberg-basistunnelen har Swibox AG i 2003 udviklet et helt nyt kabinetsystem med kabeldiameter med høj densitet i kabinettet, der blev designet til +/- 5 kPa eller 500 kg/m² trykbelastning. Da kravene til Gotthard-basistunnel blev øget til +/- 10 kPa eller 1 t/m², skulle hele systemet grundlæggende revideres og testes. Løsningen var en gennemtænkt indvendig kabinetafstivning, der blev patentanmeldt. Siden da er 2880 af disse skabe blevet udviklet, projiceret og sat i drift af Swibox i Gotthard-tværtunnelerne. 

Klimatiserede kabinetter

Men det var dog ikke det eneste, for en anden udfordring i tunneller er den omgivende luft. Store temperaturforskelle på fra -20° C til +40° C, maksimal luftfugtighed på 100% og bremserne og skinnernes jernholdige afslidning, samt kobber fra køreledningen i luften øger risikoen for korrosion betydeligt. Det var derfor nødvendigt at skabe et specielt klimakoncept. Det var virksomheden Pfannenbergs opgave. Igen lagde man den nyeste teknologi bag sig, og udviklede et nyt koncept specielt til Gotthard-projektet. Dette blev i vid udstrækning testet i testlaboratoriet som et komplet system sammen med Swibox-kontrolskabet, der er specielt udviklet til sådanne projekter, og gik succesfuldt gennem 200.000 vekslende trykskiftbelastninger +/- 10 kPa. Hele testproceduren blev udført af et neutralt testcenter og overvåget af det schweiziske akkrediteringsorgan for standarder (SAS). Udover Pfannenberg-køleenheder, som nu hovedsagelig anvendes inden i bjerget (omgivelsestemperaturer op til + 40° C), skulle varmeapparater fra samme fabrikant installeres i portalområderne (omgivelsestemperaturer ned til -20° C). Disse varmelegemer sikrer, at temperaturen i kontrolskabet ikke falder under det såkaldte dugpunkt. Dugpunktet beskriver den temperatur for fugtig luft, som temperaturen skal falde til ved uforandret tryk, så mængden af vand opløst i luften udskilles som kondens. Ved dugpunktet er den relative luftfugtighed 100 %, dvs. luften mættes derefter med vanddamp. 

Tætte forgreningsdåser

Komponenterne udsættes for endnu kraftigere tilsmudsninger og aerodynamiske påvirkninger direkte i kørerørene (figur 3). Her er for eksempel flugtvejsbelysninger monteret, som skal sikres individuelt, således at kun en lampe fejler i tilfælde af skade, og alle andre forsynes sikkert med strøm. Med 57 km tunnellængde samles mange kabler, forgreningsdåser og automater, så der ved udvalget af leverandøren også kom an på muligheden for hurtig og sikker installation. Valget faldt på Rapid-Box fra den tyske kabinetspecialist Spelsberg (figur 4). Kabinetsystemet blev specielt udviklet til den sikrede forgrening af ubeskyttede ledere op til 50 mm² (Cu). Den sikrede forgrening er lavet enten med et 2,5 mm² kabel eller via CEE-stikdåser (3-pin eller 5-pin) i kabinetdækslet. Sikringer og stikdåser leveres kablet. Installationen ved forgreningspunktet foregår uden at hoved- eller forsyningsledningen skal afbrydes (fig. 5). Denne teknologi giver mulighed for en mere fleksibel og udvidelig samling, selv efter idriftsættelse. Hovedterminalen kan også bruges som forbindelsesterminal til to skårne ledere. Gennem brug af CEE-stikdåser kan driftsmidler, som f.eks. lys, forbindes og repareres hurtigt og effektivt. Monteringen tager ikke mere end 15 minutter, så systemet reducerer indsatsen betydeligt. Denne hurtige monteringstid er også en betydelig fordel med hensyn til vedligeholdelsestider, som direkte påvirker systemets tilgængelighed. Dette reducerer ikke kun monteringstider og omkostninger, men også cyklisk tilbagevendende vedligeholdelsesomkostninger, som f.eks. udskiftning eller udvidelse af forgreningsdåser. Ud over tunneler er andre objekter med lange kabelbaner, såsom industrihaller eller skyskrabere, ideelle indsatsområder for det nye system. For at kunne tilbyde den rigtige løsning til enhver tænkelig anvendelse har Rapid-Box et modulært design. Der findes to grundversioner: Standardversionen iht. EN 61439-2 (VDE) og versionen til brandbeskyttelsesinstallation med funktionsintegritet i E30, E60 eller E90 i henhold til DIN 4102 og EN 1363, som anvendt i Gotthard. Afhængig af den konkrete opgave kan de enkelte komponenter i Rapid-Box kombineres individuelt. For eksempel er der valgfri stikdåser i dækslet eller kabelforskruninger på siden af kabinettet. Der er mulighed for ekstern jordforbindelse og forskellige sikrede automater. Alle kombinationer af koblingsaggregater er VDE- og MPA-certificerede. Også med hensyn til terminalerne har man noget at vælge imellem. Den vedligeholdelsesfrie, hævede terminalblok kan variabelt udstyres med 1 til 5 poler. Den fjederbelastede kappemøtrik til gennemgående ledninger sikrer problemfri drift, selv ved stærke vibrationer. Selve forgreningen foregår via en fjederbelastet terminal. Her er forskellige tværsnit og nominelle strømme mulige, så indersiden af Rapid-Box kan skræddersyes nøjagtigt til opgaven. Dækslets variable montering opfylder også kundernes krav. Afhængig af kabeldiameteren findes der syv forskellige pakningsstørrelser, herunder kabelindgang, man kan vælge imellem. Kabinettet er ekstremt robust og UV-bestandigt, og modstår selv det kraftigste uvejr eller smuds, så installationen også er mulig i områder med risiko for korrosion, som f.eks. Gotthard-tunnelen. I tilfælde af brand tilvejebringer materialets lave røgegenskaber lav forureningsbelastning og røggenerering. Den nye Rapid-Box kan installeres på lofter, vægge og på kabelbakker. Fastgørelsespunkterne er placeret uden for kabinettet, så Rapid-Box kan monteres uden at åbne den. Dækslet og skruerne er også i fanget, , så montering er særlig let - en stor fordel, især , ved arbejde på en stige eller over hovedet.  Rapid-Box er certificeret i hele Europa: Kombinationen af koblingsenheder overholder EN 61439, brandmodstandstesten er kompatibel med EN 1363. For at opfylde de meget høje sikkerhedsstandarder fra AlpTransit Gotthard AG's blev der udført yderligere tests på Rapid-Boxen inden montering. Vigtigst er at beskyttelsesgraden opretholdes på trods af de høje tryk- og sugbelastninger. En praktisk laboratorietest gav sikkerhed for dette: Selv efter 200.000 cyklusser hver med +/-10 kPa tryk på Rapid-Box , forblev kabinettet, inklusive dens silikoneforsegling, stabil og selv 30 minutter senere kunne der ikke påvises noget trykfald . Dermed blev de strenge krav fra de schweiziske tunnelbyggere overholdt – Rapid-Box kunne anvendes. Det beskrevne system af forgreningsdåser er universelt og meget variabelt anvendeligt, ikke kun som nævnt i eksemplet med  flugtvejsbelysningen, , men også ved distributionsanlæg til mobile enheder ved hjælp af en standard stikforbindelse til vedligeholdelse eller redningsarbejdere. 

Overblik

Sikkerhedsforskrifterne for konstruktion og drift af jernbanetunneller er særligt strenge. I den nye Gotthard-basistunnel, der med sine 57 km er den længste jernbanetunnel i verden, er kravene blevet strammet igen. Da togene i fremtiden vil passere den med 250 km/t, vil der være enorme træk- og sugebelastninger på alle anvendte komponenter. Hertil kommer også dramatiske temperaturforskelle, høj luftfugtighed og ekstreme støvbelastninger. Specielle løsninger sørger for pålidelig funktionsintegritet og beskyttelse af alle komponenter: Pfannenbergs klimatiseringsanlæg i skabe med høj densitet fra Swibox og Spelsbergs forgreningsdåser opfyldte de krævende testkrav for at sikre sikker drift under ekstreme forhold og samtidig opretholde høj variabel fleksibilitet.

Sammenfatning

Tætte kabinetter og dåser til den nye Gotthard-jernbanetunnel

I tunneler hersker der andre miljøforhold end udenfor. Disse særlige betingelser er endnu ikke omfattet af en standard. For at sikre sikker drift og et højt sikkerhedsniveau er det nødvendigt at kende og tage højde for disse ekstreme forhold. Artiklen beskriver disse ekstreme påvirkninger på de elektriske systemer med projektet fra Gotthard-tunellen som eksempel, og præsenterer også de hidtidige erfaringer.