Podkłady betonowe z przytwierdzeniem sprężystym typu SB – parametry elektryczne

Zarówno pojazdy kolejowe, jak i tramwaje poruszają się po szynach stanowiących element składowy torowiska, które wytycza szlak przemieszczania się tych pojazdów oraz zmniejsza ich opory ruchu. Zabudowa klasycznych torowisk tramwajowych oraz kolejowych wykonanych na podsypce tłuczniowej jest zbliżona. Torowiska tramwajowe w Polsce są zelektryfikowane prądem stałym o napięciu 600 V prawie w całości, poza specjalnymi odcinkami na terenach zajezdni. W przypadku torowisk kolejowych w Polsce spotkać można szlaki zelektryfikowane także prądem stałym o napięciu wyższym, bo 3 kV jak również niezelektryfikowane, których długość jest porównywalna do tych pierwszych. Stosowane w Polsce sterowanie ruchem kolejowym wymaga od torowiska zapewnienia izolacji szyn danego toru od siebie [1, 2]. W przypadku zelektryfikowanych torowisk prądem stałym pojawia się dodatkowo wymaganie odpowiedniej jednostkowej konduktancji przejścia szyny-ziemia dla pojedynczego toru [3], czyli obu szyn, ponieważ stanowią element sieci powrotnej w zasilaniu pojazdu z podstacji trakcyjnej.

Torowisko – mocowanie szyn do podłoża i ich posadowienie

W każdym z rozwiązań torowisk przeznaczonych dla taboru zasilanego autonomicznie, np. spalinowego czy zelektryfikowanego, zasilanego z sieci trakcyjnej, wykorzystane jest to, że szyny posadowione na podkładach (w początkowym okresie rozwoju transportu szynowego stosowano tylko podkłady drewniane) są izolowane od siebie i od otaczającego gruntu (elektrolitu glebowego), zwłaszcza gdy tłuczeń stanowiący podsypkę nie dotyka materiału szyn. Nasycanie drewnianych podkładów środkami chemicznymi niezbyt bezpiecznymi dla zdrowia zwiększało trwałość podkładów oraz rezystancję między szynami danego toru, a także tego toru z ziemią [4]. Woda stanowi zagrożenie dla konstrukcji torowiska [5] oraz w istotnym stopniu zmniejsza rezystancję między szynami toru a ziemią. Aby zminimalizować destrukcyjne oddziaływanie wody na torowiska, w ich konstrukcjach znajdują się rozwiązania zapewniające drenaż wody szczególnie opadowej.

Później do produkcji podkładów tramwajowych i kolejowych – ogólnie zwanych betonowymi [6] – zastosowano żelbet i strunobeton. Brak konieczności suszenia i nasycania drewnianych podkładów syciwami oraz lepsza ostatecznie odporność betonu na destrukcję wynikającą z czynników atmosferycznych przyczyniły się do szerokiego stosowania betonowych podkładów. W związku z nowym materiałem podkładu węzeł mocowania szyny do podkładu (tj. przytwierdzenie) ulegał poważnym modyfikacjom i na świecie spotyka się wiele różnych rozwiązań. W zasadzie we wszystkich wprowadzono dodatkowe przekładki podszynowe, aby wytłumić drgania przenoszone ze stopki szyny na podkład. Materiały zapewniające wibroizolację i odpowiednio wysoką trwałość mechaniczną okazały się zapewniać również izolację elektryczną szyny od podkładu. Warunkiem prawidłowej pracy sterowania ruchem kolejowym jest stałość parametrów elektrycznych torowiska, czyli rezystancji wzdłużnej szyn, oraz najbardziej wrażliwego na warunki atmosferyczne parametru, czyli konduktancji przejścia pomiędzy szynami oraz między szynami a ziemią (elektrolitem glebowym).

Rys. 1 Idea mocowania sprężystego typu SB szyny: a) rowkowej, b) kolejowej

W okresie 2005-2017 autor miewał sposobność, najczęściej przy okazji pomiarów konduktancji przejścia torowisk tramwajowych budowy zamkniętej, trafiać na modernizowane fragmenty torowisk klasycznych podsypkowych z betonowymi podkładami. Zaobserwowano, że rezystancja mierzona między kotwami w tym okresie uległa zwiększeniu co do wartości i co jest równie istotne w danej próbie nastąpiła stabilizacja wartości tego parametru – odnotowano znacznie mniejsze odchyłki. O ile wyniki pomiarów rezystancji między kotwami, na przełomie wieków, mieściły się w granicach od kilkudziesięciu mΩ do bez mała 1 kΩ [7], tyle później odnotowywano wyniki od kilkuset Ω do kilku, a nawet kilkunastu kΩ. Producenci zespołu podkładu z przytwierdzeniem typu SB podają już wartości rzędu 15,3-21,6 kΩ [8]. Niestety liczba zmierzonych rezystancji między kotwami podkładów na danej budowie z dostępnej partii nie przekraczała 30 sztuk. Jest to graniczna minimalna liczba egzemplarzy niezbędnych do zbadania w celu dokonania statystycznej oceny jakości dostarczonej partii wyrobu [9], w tym przypadku podkładów. Z tego powodu ograniczono się do podania zakresu pomierzonych wartości bez podawania rozkładu wyników oraz zaobserwowanej tendencji zmian. W pracy [7] proponowano, aby kotwy osadzane w betonie pokrywać materiałem izolacyjnym. Odnotowywane wartości rezystancji między kotwami sugerują, że propozycja została zrealizowana, a dodatkowo oglądając i dotykając betonu podkładów z przełomu wieków oraz obecnie, widoczna jest, a także odczuwalna zmiana gładkości powierzchni zewnętrznej podkładów.

Rys. 2 Punkty pomiaru rezystancji między kotwami/dyblami (1,2, 3, 4) i wystającymi końcami prętów zbrojeniowych (5, 6) podkładu betonowego

W Polsce początkowo stosowano podkłady betonowe z przytwierdzeniem typu K przeniesionym bezpośrednio z podkładów drewnianych, a następnie rozpowszechniono mocowanie sprężyste szyny do podkładu zwane przytwierdzeniem typu SB (rys. 1). Istotą tego ostatniego rozwiązania są dwie ukształtowane kotwy (dyble stalowe/sworznie) zagłębione w podkład betonowy, do których zapinane są sprężyny dociskające stopkę szyny do podkładu. Elastyczne posadowienie szyny zapewniają podkładki podszynowe układane na podkładzie między sworznie. Sprężyny dociskają stopkę szyny przez specjalnie kształtowany element z tworzywa (wkładka elektroizolacyjna). Na fot. 1a i 1b pokazano podkłady tramwajowe z przytwierdzeniem typu SB wykonane w latach 90. XX w. i w 2016 r. Widoczna jest zasadnicza różnica polegająca na tym, że wcześniej nie zwracano uwagi na końce prętów wystające z zewnętrznych bocznych powierzchni widocznych na fot. 1a. W efekcie wdrażania do kolejnictwa interoperacyjności także w obszarze infrastruktury dostęp do prętów zbrojeniowych został zupełnie ograniczony.

Fot. 1 Fragment rusztu torowego z podkładem PT49 po lewej i PST11 po prawej stronie

Wobec tego wykonanie pomiarów rezystancji między zbrojeniem a kotwami realizowane w pracy [6] stało się niemożliwe. Pozostały jedynie pomiary pomiędzy kotwami/dyblami (1-4 z rys. 2).

Zmniejszenie chropowatości powierzchni podkładów sprzyja łatwiejszemu spływaniu wody po powierzchni
oraz zmniejszeniu chłonności wody przez beton i większej mrozoodporności. Osłonięcie prętów zbrojenia w pod
kładach betonowych ma również wpływ na konduktancję przejścia szyny-ziemia torowiska na takich podkładach.

Jednostkowa konduktancja przejścia szyny – ziemia

W 1998 r. ukazała się norma europejska [3] dotycząca ograniczania upływu prądów błądzących z torowisk zelektryfikowanych prądem stałym. W normie rozróżnia się tylko dwa rozwiązania torowiska: budowy otwartej i zamkniętej (zabudowanej). Przez torowisko otwarte rozumie się takie, w którym widoczna jest cała szyna wraz z jej przytwierdzeniem do podłoża. W torowisku zamkniętym ze względu na zabudowę szyny widoczna jest jedynie część toczna główki szyny. Tak zabudowane torowiska występują na przejazdach kolejowych/tramwajowych oraz w przypadku torowiska tramwajowego wspólnego z jezdnią. Współcześnie torowiska tramwajowe nawet na odcinkach wydzielonych coraz częściej są budowy zamkniętej, przy czym główkę szyny otacza zieleń, np. trawa. Według [3] torowisko otwarte, jakim jest torowisko w tłuczniu na podkładach typu SB, powinno się charakteryzować jednostkową konduktancją przejścia szyny -ziemia nie większą niż 0,5 S/km dla pojedynczego toru. Zalecaną metodę pomiaru pokazano na rys. 4. Wymaga ona złączy izolujących w obu szynach jednego toru, a zatem odcinki zajętości toru kolejowego wykorzystywane w srk mogą być przedmiotem pomiaru konduktancji zalecaną metodą. W przypadku torów tramwajowych pomiary zalecaną metodą można wykonywać jedynie przy okazji remontów torowiska, ale zawsze przy odpowiednio ustawionym demontażu starego i budowie nowego.

Rys. 4 Idea pomiaru konduktancji przejścia szyny-ziemia odcinka toru o długości L

Na szlakach podkłady drewniane podpierają szyny co 65 cm, a podkłady betonowe układane są pod szyną co 75 cm. Wobec tego na jeden kilometr pojedynczego toru przypada 1333 podkładów betonowych. Aby spełnione były wymagania normy [3], konduktancja przejścia odcinka szyn z jednym podkładem nie powinna być większa niż 0,375 mS. Przeliczając to na rezystancję, otrzymujemy wartość nie mniejszą niż 2,66 kΩ. W przypadkach gdy podsypka nie dotyka szyn, obliczona rezystancja przypada tylko na podkład. Jeżeli przyjmiemy za [4] rezystancyjny model podkładu, to aby rezystancja podkładu między torem a ziemią była nie mniejsza niż 2,66 kΩ, rezystancja między tymi szynami na podkładzie powinna być nie mniejsza niż 5,32 kΩ. Wartości rezystancji pomiędzy kotwami mierzone na podkładach betonowych z przytwierdzeniem typu SB w czasie ulegały zwiększeniu i zaczęły przekraczać wartość graniczną 5,32 kΩ, co oznacza, że torowiska mogą spełniać konduktancyjne wymagania normy [3]. Deklaracje producentów [8] co do uzyskiwanych parametrów rezystancji podkładów również przekraczają graniczną wartość nawet i czterokrotnie, a zatem torowiska zbudowane na takich podkładach mają szansę spełniać wymagania normy [3], mimo że nie spełniają wymagań z normy [10]. W pracy [11] zwrócono uwagę na pewne nie przez wszystkich oczekiwane skutki, jakie przynosi torowisko względnie dobrze izolowane od elektrolitu glebowego. Badania sztucznego zawilgacania podkładów ze sprężystym przytwierdzeniem typu SB wskazują, że warunki pogodowe nadal będą utrudniać pracę torowym obwodom srk ze względu na wrażliwość na konduktancję przejścia szyny-ziemia [2]. Czynnik ten jest przyczyną poszukiwania innych systemów zajętości toru nieopartych na prądzie w szynach nałożonym na prądy trakcyjne, np. liczniki osi.

Podsumowanie

W okresie kilkunastu lat stwierdzono, że rezystancje między dyblami w betonowych podkładach ze sprężystym przytwierdzeniem typu SB ulegają zwiększeniu. Zjawisko to jest korzystne ze względu na srk oraz ograniczenie upływu prądu trakcyjnego z szyn do ziemi (elektrolitu glebowego). Rozrzut technologiczny wartości rezystancji jest podstawową przyczyną wrażliwości tego parametru podkładów na czynnik atmosferyczny (mgła, mżawka i wszelkie opady deszczu). Doświadczenie z pomiarów rezystancji przejścia szyny – konstrukcja w metrze warszawskim, gdzie torowisko jest również budowy otwartej, ale posadowione na podlewie betonowym, a nie w tłuczniu, wskazuje, że konduktancje poszczególnych szyn danego toru bywają różne, a wypadkowa konduktancja toru jest zawsze sumą tych składowych. Natomiast rezystancja między szynami jest zbliżona do sumy rezystancji poszczególnych szyn względem odniesienia, jakim była konstrukcja tunelu. Oznacza to, że wykonany tylko pomiar rezystancji między dwiema szynami czy kotwami na podkładzie nie daje jednoznacznego przeliczenia na rezystancję przejścia szyny-ziemia, poza przypadkiem gdy konduktancje każdej szyny z toru będą jednakowe.

Z punktu widzenia obwodów srk nie jest widoczne zwarcie pojedynczej szyny z ziemią czy konstrukcją. Z tego też powodu nie należy spełnienia warunku jednostkowej konduktancji przejścia szyna-szyna pojedynczego toru utożsamiać ze zlikwidowaniem prądów błądzących upływających z torowiska zelektryfikowanego prądem stałym. Zjawisko to zostaje w istotny sposób ograniczone, ale nadal występuje. Zakłada się, że spełnienie wymagań normy [3] zapewnia ograniczenie szybkości korozji podziemnych metalowych konstrukcji do poziomu technicznie akceptowalnego.

mgr inż. Józef Dąbrowski

Literatura

1. Wł. Dziuba, Sieć powrotna i prądy błądzące, Wydawnictwo Instytutu Elektrotechniki, Seria A, Prace oryginalne, 1995.
2. K. Bargiel, T Solarek, Wpływ parametrów toru na warunki pracy układów separacji kodowanych obwodów torowych, IV Międzynarodowa Konferencja „Napędy i zasilanie systemów nowoczesnej trakcji elektrycznej w integrowanej Europie XXI wieku”, MET'99, Warszawa 1999.
3. PN-EN 50122-2 Zastosowanie kolejowe. Urządzenia stacjonarne. Część 2: Środki ochrony przed oddziaływaniem prądów błądzących wywołanych przez trakcję elektryczną prądu stałego.
4. J. Podoski, Badanie oporu doziemnego torów kolejowych, Zeszyty Naukowe Politechniki Warszawskiej nr 21, Elektryka nr 12, 1956.
5. E. Skrzyński, Odwodnienie i jego wpływ na stabilność podtorza kolejowego, Prace Instytutu Kolejnictwa, z. 153, 2017.
6. http://www.transportszynowy.pl/torykolpodkladyrodz.php#betonowe dn. 06.09.2017.
7. J. Dąbrowski, Wł. Dziuba, Badanie jednostkowej konduktancji przejścia torów tramwajowych w Warszawie, X Jubileuszowa Ogólnopolska Konferencja Naukowa z zakresu Trakcji Elektrycznej i II Szkoła Kompatybilności Elektromagnetycznej w Transporcie SEMTRAK 2002, Zakopane 2002.
8. Konferencja Naukowo-Techniczna „Techniczno-organizacyjne aspekty inwestycji na przykładzie linii kolejowej E59 Wrocław – Poznań”, Wrocław 2013.
9. PN-ISO 2859-1+AC1 Procedury kontroli wyrywkowej metodą alternatywną. Plany badania na podstawie akceptowalnego poziomu jakości [AQL] stosowanych podczas kontroli partii za partią, maj 1996.
10. PN-K-02101 Nawierzchnia kolejowa. Podkłady betonowe. Wymagania i metody badań, 1998.
11. J. Dąbrowski, O przyczynach i skutkach spełnienia wymagań normy PN-EN 50122-2 na torowiskach kolejowych, INFRASZYN, 2017.