Parametry elektryczne torowisk zabudowanych – konduktancja toru

Artykuł nawiązuje do zagadnień przedstawionych w tekście pt. „Parametry elektryczne torowisk zabudowanych – rezystancja toru”, który ukazał się w nr. 2/2023 „Inżyniera Budownictwa”.

Na przełomie wieków XX i XXI pojawiła się w Polsce konstrukcja torowiska zelektryfikowanego, tzw. toru węgierskiego [1]. Jest to konstrukcja torowiska zamkniętego składającego się z płyt torowych o kilku oferowanych długościach, w których się znajdują rowki szynowe w kształcie jaskółczego ogona. Płyty powinny być układane na przygotowanym podłożu w sposób uniemożliwiający ich klawiszowanie – pionowe przemieszczanie się pod wpływem nacisku kół tramwaju poruszającego się wzdłuż płyty. W jaskółczym ogonie instalowana była specjalna blokowa szyna rowkowa pozbawiona szyjki. Jednostkowa waga zastosowanej szyny blokowej jest mniejsza niż szyn rowkowych, a zatem torowisko z szyn blokowych charakteryzuje się większą jednostkową rezystancją wzdłużną. Jeżeli nie zastosuje się dodatkowych środków technicznych w postaci łączników poprzecznych − szczególnie międzytorowych − to rezystancja wymienionego odcinka torowiska będzie większa niż torowiska z szyn rowkowych (nawet mocno zużytych). Pod stopkę szyny układano warstwy materiału tłumiącego drgania, a po obu bokach między szynę a ściany wciskano profilowane gumowane wypełnienia, tworząc ciągłe elastyczne przytwierdzenie położenia szyn. Pierwsze pomiary konduktancji przejścia tego typu torowiska wykonali autorzy publikacji [4−6]. Wyniki skłoniły ich do wyrażenia zastrzeżeń wobec sposobu zrealizowania torowiska w konstrukcji szyny blokowej [6], a po ok. 12 latach pracy, w związku z wysokimi letnimi temperaturami, wystąpiły liczne wybrzuszenia, z reguły pojedynczych szyn w dwutorowych torowiskach. Nie rozstrzygnięto wówczas, jaka była przyczyna tych awarii, ale wielu specjalistów stawiało na starzenie się gumowego uszczelnienia. Nie zwrócono uwagi na fakt, że między szyną a betonowymi ściankami rowka w kształcie jaskółczego ogona znajdowała się blacha dociskana do dna rowka szyną poprzez izolujące elektrycznie wkładki tłumiące drgania, zaś po bokach pod gumowymi uszczelkami występowały kieszenie powietrza, które w trakcie eksploatacji wypełniały się błotem (wodą wraz z pyłem − kurzem – i piaskiem dostającym się przez nieszczelności na stykach dwóch gumowych dystansowych uszczelnień). Długość gumowych uszczelek – wypełnień była ograniczona do ok. kilkudziesięciu metrów, a zatem co kilkadziesiąt metrów woda wraz z zanieczyszczeniami mogła się dostawać do wnętrza komory powietrznej, wypychając samo powietrze. Ten powstały elektrolit po wypełnieniu przestrzeni powietrznej dotykał metalu szyny, przejmując jego zmienny w czasie potencjał. Strefy, jakie się pojawiają w torowisku na obszarze zasilania każdej podstacji trakcyjnej, sprzyjają korozji elektrolitycznej blach wewnątrz rowka na jego zaokrąglonych końcach, a perforacja żelaza osłabiała przyczepność blachy do pochyłych ścianek rowka szynowego. Zjawiska perforacji występowały przeważnie na końcach płyt, między którymi znajdowało się uszczelnienie. Powodowało to, że ciągłości metalicznej szyn nie odpowiada ciągłość metaliczna blach w płytach torowych. Ładunek elektryczny drogą jonową jest w stanie przenikać przez wilgotne ściany płyt betonowych. Rozszerzanie termiczne materiału szyny zwiększa lokalnie nacisk na blachę, tracącą w wyniku perforacji możliwość utrzymania położenia równowagi w jaskółczym ogonie.

>>> Zielone torowiska podstawą nowoczesnej infrastruktury miejskiej

>>> System pomiaru obciążeń pionowych typu SMCV

>>> Georuszty heksagonalne w stabilizacji podtorza

Fot. stock.adobe.com/Paylessimages

W literaturze na początku XXI w. pojawia się informacja [7] o coraz powszechniejszym zastosowaniu tworzyw w konstrukcji torowisk, zwłaszcza tramwajowych. Zapowiedź ta stała się faktem, materiały z tworzyw w torowiskach stosowano w celach wibroizolacji przed przenoszeniem drgań mechanicznych gruntem i hałasu w powietrzu. Dodatkowo konstrukcja nowoczesnych tramwajów osłaniała koła i wózki tych pojazdów w celu minimalizacji emisji hałasu. Tak się składa, że materiały wibroizolacyjne stosowano jako okładziny powierzchni szyn poza tą toczną na główce, przeznaczonej do toczenia się obręczy kół pojazdów. Większość z używanych tworzyw sztucznych charakteryzowała się także własnościami elektroizolacyjnymi. Torowiska zabudowane oraz zamknięte otrzymały dodatkową bierną ochronę przed upływem prądu trakcyjnego z szyn. Już w 2004 r. w artykule [8] znalazł się przegląd poprzecznych przekrojów występujących wówczas konstrukcji nowoczesnych torowisk zabudowanych i zamkniętych. W [9] znalazł się obszerny rozdział z przeglądem konstrukcji torowisk tramwajowych zastosowanych w Polsce do 2017 r. Na łamach „Inżyniera Budownictwa” w roku 2016 i 2017 ukazał się cykl artykułów [10, 11], w których autor prezentuje wszystkie zagadnienia związane z projektowaniem i remontem oraz budową drogi zawierającej torowisko tramwajowe.

W dalszej części artykułu:

Metody pomiaru jednostkowej konduktancji przejścia szyny−ziemia

Konduktancja – wyniki badań torowisk o różnej budowie

Cały artykuł dostępny jest w numerze 5/2023 miesięcznika „Inżynier Budownictwa”.

mgr inż. Józef Dąbrowski Sieć Badawcza Łukasiewicz Instytut Elektrotechniki

Literatura

1. Wł. Dziuba, Sieć powrotna i prądy błądzące, Wydawnictwo Książkowe Instytutu Elektrotechniki, seria A, 1995.
2. J. Dąbrowski, P. Szostak, R. Szyszko, Elektrochemiczne zużycie szyn w torowiskach tramwajowych, Prace IEl z. 278, 2018.
3. PN-EN 50122-2 Zastosowanie kolejowe. Urządzenia stacjonarne − Część 2: Środki ochrony przed oddziaływaniem prądów błądzących wywołanych przez trakcję elektryczną prądu stałego.
4. M. Popczyk, J. Prusak, W. Zając, Pomiary oporności układu szyny tramwajowe−ziemia dla torów wykonanych w technologii płyt monolitycznych, V Krajowa Konferencja „Pomiary korozyjne w ochronie elektrochemicznej” Jurata 1998, www.pkeopk.sep.com.pl/jurata1998/materialy.html.
5. M. Popczyk, J. Prusak, W. Zając, Tramwajowa sieć powrotna wykonana w technologii płyt monolitycznych, jako źródło prądów błądzących, VIII Konferencja Naukowa „Trakcja elektryczna”, SEMTRAK’98, Zakopane 1998.
6. M. Popczyk, J. Prusak, W. Zając, Nowa technologia budowy torów tramwajowych w aspekcie ograniczenia prądów błądzących, „Technika Transportu Szynowego” nr 12/1998.
7. J. Makuch, Zastosowanie tworzyw sztucznych w nowoczesnych rozwiązaniach konstrukcji torowisk tramwajowych w Polsce, XLVII Konferencja Naukowa, Opole–Krynica 2001.
8. T. Czauderna, Konstrukcje torów tramwajowych, „Technika Transportu Szynowego” nr 9/2004.
9. Praca zbiorowa, Pojazdy tramwajowe z niezależnie obracającymi się kołami. Wybrane zagadnienia w zakresie modelowania i badania układu pojazd szynowy–tor w zastosowaniu od pojazdów tramwajowych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2019.
10. G. Dąbrowski, Torowiska tramwajowe – roboty budowlane, cz. 1 i 2, „Inżynier Budownictwa” nr 6 i 7−8/2017.
11. G. Dąbrowski, Torowiska tramwajowe – projektowanie, cz. 1 i 2, „Inżynier Budownictwa” nr 9 i 10/2016.