Schaltschränke und Abzweigdosen für den Tunnelbau

Těsné skříně a krabice pro nový Gotthardský železniční tunel

Vysoká zatížení sáním a tlakem v železničních tunelech jsou velkou výzvou pro elektrickou instalaci

Gigantický stavební záměr

Železniční tunel procházející napříč Gotthardským masivem zastiňuje veškeré stavby, které byly dosud postaveny v Evropě. Skrz horský masiv ve švýcarských Alpách si razil cestu dlouhých 57 km (obr. 1). Tak se stal nejdelším železničním tunelem na světě a jeho tunelová trať se všemi příčnými a spojovacími štolami se rozprostírá na úseku přibližně 154 km. Oběma tunelovými troubami jezdí v současné době testovací vlaky rychlostí až 275 km/h. Vlaky projíždějí od 1. června 2016 – dříve než bylo původně plánováno – novým tunelem rychlostí až do 250 km/h. Tím se zkrátila doba jízdy z Milána do Curychu na méně než 3 hodiny, zatímco přepravní výkon na švýcarské ose sever-jih se může se 40 miliony tun zboží téměř zdvojnásobit. Jedná se o největší stavební záměr za 12 miliard CHF na trase mezi severem a jihem pro vysokorychlostní vlaky projíždějící Alpami.

Vypilovaná bezpečnostní koncepce při plánování

U těchto dimenzí nebylo nic přenecháno náhodě. Nejvyšší prioritou byla bezpečnost. Koncepce nového Gotthardského patního tunelu zahrnuje dvě trouby které jsou od sebe vzdáleny přibližně 40 m a jsou spojeny takzvanými příčnými průchody, které se nacházejí ve vzdálenosti přibližně 325 m. Díky dvěma dvojitým výhybnám mohou

přitom celé vlaky přejíždět z jedné trouby do druhé, která se používá v případě údržbových prací nebo v případě nehody. Tyto výhybny se nacházejí na dvou takzvaných multifunkčních místech, kde jsou též umístěny větrací instalace a stanoviště nouzového zastavení. Jsou koncipována pro nouzové zastavení vlaku a slouží jako úniková a evakuační místa pro cestující, kteří odsud mohou být přepraveni evakuačním vlakem ven z tunelu. Na únikové cestě do druhé tunelové trouby se nemusí překračovat koleje ani schody a nemusí se používat ani výtahy. Stanoviště nouzového zastavení a jejich boční a spojovací štoly jsou v případě nehody zásobeny čerstvým vzduchem. Zatímco je z trouby, kde se stala nehoda, odsáván kouř, je mírný přetlak na stanovišti nouzového zastavení dostatečný k tomu, aby byla úniková cesta zcela bez kouře. Mimo stanovišť nouzového zastavení slouží příčné průchody jako únikové cesty.

Vysoké bezpečnostní standardy pro výrobky

Podobně gigantické jako je stavební projekt a jeho bezpečnostní koncepce jsou také požadavky kladené na použité výrobky, které přesahují běžně známý rámec. Tak se Německé dráhy rozhodly definovat speciální analýzy stability pro stávající a plánované železniční tunely, které se týkají všech technických detailů zařízení a očekávaných dopadů. Obzvláště silnými ovlivňujícími faktory jsou sání a tlak, které působí na všechny komponenty instalované v tunelu. Definované požadavky se vztahují na to, zda komponenty, které zůstanou nepoškozené při působení aerodynamických sil při zatížení sáním a tlakem, zůstanou na svém místě a nadále fungují. Stejně důležitá je však také otázka, zda zůstane výrobek při působení tak vysokých sil skutečně těsný, nebo zda se víko skříně nadzvedne tak vysoko, že mohou začít pronikat prachové částice a vlhkost a mohou poškodit části zařízení nacházející se uvnitř. Koneckonců, jakýkoli výpadek a jakákoli údržba by způsobovaly zastavení provozu v jedné troubě, což by vedlo k bolestivým zpožděním provozu a tím ke ztrátě zisku vzhledem k očekávané frekvenci trasy. Investorská společnost „AlpTransit Gotthard AG“ proto definovala ještě přísnější standardy a klade nejvyšší nároky na dlouhou životnost všech používaných výrobků. Přestože se u tunelů v Německu nepředpokládají tyto extrémní dimenze, platí obdobné podmínky a je třeba je při plánování brát v úvahu. Pro tyto extrémní případy není k dispozici žádná norma nebo směrnice, a z toho důvodu vznikl na podkladě těchto poznatků již zrealizovaných tunelových projektů v Evropě požadavkový katalog, který by měl najít využití u všech tunelových projektů. 

Výzva pro elektrickou instalaci

Komponenty elektroinstalací se nacházejí především v celkem 176 příčných průchodech (obr. 2) mezi oběma jízdními troubami. Zdejší rámcové podmínky by mohly být sotva obtížnější, neboť při vjíždění vlaku do tunelové trouby rychlostmi vyššími než 160 km/h, je stlačen vzduch a tlak vzduchu se zvýší odpovídajícím způsobem. Proud vzduchu jedoucího vlaku je sice z velké části zadržován dveřmi příčných průchodů, přetlak, příp. podtlak komprese vzduchu však pronikne do příčného průchodu a zatěžuje povrchy instalovaných dutých těles až do +/- 1 t/m². Bylo tedy třeba zajistit, aby všechny přístroje dokázaly mechanicky čelit této změně tlaku a aby přitom zůstal zachován vysoký stupeň ochrany IP 67 (pracho- a vodotěsný). Stejně jako v případě Lötschberského úpatního tunelu, který byl uveden do provozu již v roce 2007, spojily dva dlouholetí partneři své síly také pro stavbu Gotthardského úpatního tunelu. Specialista přes skříňové rozvaděče, společnost Swibox AG z Balterswilu (Švýcarsko) odpovědná za koncepci skříní a vedení projektu, jakož i společnost Pfannenberg GmbH z Hamburku specializovaná na chladicí systémy odpovědná za konstrukci klimatizačního zařízení skříní, která je v souladu s příslušnými požadavky. Společnost Swibox AG vyvinula v roce 2003 pro Lötschberský úpatní tunel v zcela nový skříňový systém s vysoce těsným kabelovým rozhraním v soklu skříně, který byl dimenzován na tlakové zatížení +/- 5 kPa nebo 500 kg/ m². Jelikož byly požadavky týkající se Gotthardského úpatního tunelu zvýšeny na +/-10 kPa nebo 1 t/m², bylo třeba kompletní systém od základu přepracovat a zkontrolovat. Řešení sestávalo z promyšleného vnitřního vyztužení skříně, které bylo přihlášeno k patentování. Společnost Swibox od té doby vyvinula, vyprojektovala a v příčných průchodech Gotthardu uvedla do provozu 2880 kusů těchto skříní. 

Klimatizované skříně

To však ještě nebylo dostačující, neboť další výzvou v tunelech je okolní vzduch. Velké teplotní rozdíly od - 20° C až do + 40° C, maximální vlhkost vzduchu ve výši 100% a opotřebení brzd a kolejí a mědi jízdního vedení s obsahem železa v okolním vzduchu značně zvyšují nebezpečí vzniku koroze. Proto musela být vypracována speciální klimatická koncepce. To bylo úkolem společnosti Pfannenberg. Také zde se nikdo neřídil momentálním stavem techniky a byla vyvinuta zcela nová koncepce speciálně pro Gotthard. Tato koncepce byla jako kompletní systém společně se skříňovým rozvaděčem od společnosti Swibox podrobně testována ve zkušební laboratoři vyvinuté speciálně pro projekty takového typu a úspěšně absolvovala 200 000 střídavých tlakových cyklů +/- 10kPa. Kompletní testovací procedura byla přitom prováděna v neutrálním zkušebním institutu a byla monitorována švýcarským akreditačním institutem pro normy (SAS). Kromě chladicích jednotek od společnosti Pfannenberg, které se nyní používají především uvnitř horského masivu (okolní teploty do + 40° C), musely být v prostorách portálu (okolní teploty do – 20° C) nainstalována také topná zařízení od stejného výrobce. Tato topná zařízení zajišťují, aby teplota ve skříňovém rozvaděči neklesla pod takzvaný rosný bod. Rosný bod popisuje teplotu vlhkého vzduchu, která se musí při nezměněném tlaku snížit, aby množství vody vysrážené ve vzduchu mohlo být odvedeno v podobě kondenzátu. V rosném bodě činí relativní vlhkost 100 %, tzn. že vzduch je pak nasycen vodními parami. 

Těsné odbočné krabice

Ještě silnějšímu znečištění a aerodynamickým vlivům jsou vystavovány konstrukční díly, které se nacházejí přímo v jízdních troubách (obr. 3). Zde se montují například osvětlení pro únikové cesty, která musí být jednotlivě jištěna, aby v případě poškození, kdy by mohlo dojít k výpadku jednoho světla, i nadále svítila ostatní světla. Při délce tunelu 57 km je třeba použít velké množství kabelů, odbočných krabic a automatů, takže se při výběru dodavatelů také přihlíželo k možnosti rychlé a bezpečné montáže. Byl vybrán Rapid-Box (obr. 4) od německého specialisty na výrobu skříní, společnosti Spelsberg. Systém skříní byl vyvinut speciálně pro bezpečné rozbočování neřezaných vodičů do 50 mm² (Cu). Bezpečné rozbočování se provádí buďto s vedením 2,5 mm² nebo pomocí zásuvek CEE (3-pólových nebo 5-pólových) ve víku skříně. Pojistky a zásuvky jsou dodávány pevně zapojené. Montáž v rozbočovacím bodě se provádí bez odpojení hlavního vedení nebo přívodu (obr. 5). Tato technologie umožňuje flexibilnější a rozšiřitelnou montáž také po uvedení do provozu. Hlavní svorka je dodatečně použitelná také jako spojovací svorka dvou řezaných vodičů. Při používání zásuvek CEE lze obzvláště rychle a efektivně připojit a opravovat provozní prostředky jako jsou např. světla. Montáž netrvá déle než 15 minut, takže systém značně redukuje vynaloženou práci. Tato rychlá doba montáže je také podstatnou výhodou, co se týče dob údržby, které mají bezprostřední vliv na disponibilitu zařízení. Tak se sníží nejen doby montáže a náklady na montáž, ale také cyklicky se opakující náklady na údržbu, jako například při výměně nebo rozšiřování odbočných krabic. Kromě tunelů jsou tak také další objekty s dlouhými kabelovými trasami, jako jsou průmyslové haly nebo mrakodrapy, ideálními oblastmi pro použití nového systému. Aby bylo možné nabídnout správné řešení pro jakýkoliv myslitelný případ použití, má Rapid-Box modulární konstrukci. K dispozici jsou dvě základní verze: Standardní varianta podle EN 61439-2 (VDE) a varianty pro protipožární instalace se zachováním funkčnosti v E30, E60 nebo E90 podle DIN 4102 a EN 1363, jak jsou používány také v Gotthardu. V závislosti na konkrétním úkolu lze jednotlivé součásti skříně Rapid-Box individuálně kombinovat. Tak jsou volitelně k dispozici zásuvky ve víku nebo v kabelových šroubeních na boku skříně. Existuje možnost vnějšího uzemnění a různě jištěných automatů. Všechny kombinace rozvaděčů jsou opatřeny certifikací VDE a MPA. Také v případě svorek máte na výběr. Bezúdržbová, vysoko osazená svorkovnice může být variabilně 1- až 5-pólová. Odpružená plášťová matice pro průchozí kabeláž zajišťuje i při silných vibracích bezporuchový provoz. Rozbočení jako takové se provádí pomocí pružinové svorky. Jsou zde možné různé průřezy a jmenovité proudy, takže vnitřní prostor skříně Rapid-Box lze konfekcionovat přesně tak, aby odpovídal danému zadání. Také variabilní osazení víka přispívá ke spokojenosti zákazníků. V závislosti na průměru kabelu je na výběr ze sedmi různých velikostí těsnění včetně kabelového vstupu. Skříň je extrémně robustní a odolná vůči UV záření a odolává i nejtěžším povětrnostním vlivům nebo nečistotám, takže instalace je možná také v oblastech ohrožených korozí, jako je Gotthardský tunel. Při požáru nedochází díky vlastnostem materiálu low-smoke k téměř žádnému zatížení znečišťujícími látkami a netvoří se kouř. Nová skříň Rapid-Box může být volitelně instalována na stropy, stěny a také na kabelové trasy. Místa určená k upevnění jsou nainstalována na vnější straně skříně, takže lze skříň Rapid-Box namontovat, aniž by se musela otevřít. Víko a šrouby jsou navíc neztratitelné, takže montáž jde obzvlášť lehce od ruky - to je velkou výhodou především při provádění prací na žebříku nebo s rukama nad hlavou. Certifikace skříně Rapid-Box platí po celé Evropě: Kombinace rozvaděčů odpovídá EN 61439, zkouška požární odolnosti vyhovuje normě EN 1363. Aby mohly být splněny extrémně vysoké bezpečnostní standardy společnosti AlpTransit Gotthard AG, byla skříň Rapid-Box před montáží podrobena dalším testům. Především bylo důležité, aby zůstal zachován také stupeň ochrany vzhledem k vysokému tlakovému zatížení a zatížení sáním. Praktický test provedený v laboratoři vedl k bezpečnému výsledku: I po 200 000 cyklech, během kterých byl vždy na skříň Rapid-Box vyvíjen tlak +/-10 kPa, zůstala skříň včetně svého silikonového těsnění stabilní a dokonce o 30 minut později nedošlo k žádné ztrátě tlaku. Tím byly splněny přísné požadavky švýcarských stavitelů tunelů - skříň Rapid-Box se mohla začít používat. Popsaný systém odbočných krabic je univerzální a má velmi variabilní použití, nejen takové, které je uvedené v příkladu, v osvětlení únikových a záchranných cest, nýbrž také v rozvodných zařízeních pro mobilní přístroje při použití normalizovaných konektorů pro údržbu nebo záchranné pracovníky. 

Resumé

Bezpečnostní předpisy pro stavbu a provoz železničních tunelů jsou obzvláště přísné. V novém Gotthardském úpatním tunelu, který je díky své délce 57 km nejdelším železničním tunelem na světě, byly požadavky ještě více zpřísněny. Jelikož jím budou vlaky v budoucnu projíždět rychlostí 250 km/h, budou všechny používané konstrukční díly namáhány enormním tahem a sáním. Navíc na ně budou působit dramatické teplotní rozdíly, vysoká vlhkost vzduchu a extrémní prachové zatížení. Pro zachování spolehlivé funkčnosti a ochrany všech komponent jsou zde připravena speciální řešení: Klimatizační systémy od společnosti Pfannenberg ve vysoce těsných skříňových rozvaděčích od společnosti Swibox a odbočné krabice od společnosti Spelsberg obstály při provádění nejnáročnějších testů a zaručují bezpečný provoz za extrémních podmínek a při zachování vysoké variabilní flexibility.

Shrnutí

Těsné skříně a krabice pro nový Gotthardský železniční tunel

V tunelech převažují jiné okolní podmínky než venku. Tyto zvláštní podmínky ještě nejsou zahrnuty v normě. Aby mohl být zajištěn bezpečný provoz a vysoká úroveň bezpečnosti, je zapotřebí, aby se o těchto extrémních podmínkách vědělo a byly zohledňovány. V příspěvku jsou popsány tyto extrémní vlivy na elektrická zařízení na příkladu projektu Gotthardského tunelu a jsou v něm uvedeny dosud nastřádané zkušenosti.