Zasilanie energią elektryczną tuneli

Fot. © Dmytro – stock.adobe.com

Pod pojęciem „tunel” ukryta jest przeważnie budowla transportowa z reguły w postaci długiego korytarza. Budowla ta znajduje się najczęściej pod powierzchnią ziemi, nad którą może występować woda, góry lub zabudowa miejska. Jedną z podstawowych klasyfikacji tuneli jest ich bezpośrednie przeznaczenie (tunel drogowy, kolejowy, metra, tramwajowy). Oddzielną grupę stanowią tunele kanałowe, w których się przemieszczają jednostki pływające. Jednymi z najmniejszych tuneli są wszelkiego rodzaju podziemne przejścia dla pieszych. Niezależnie od przeznaczenia tunele charakteryzują się parametrami technicznymi, z których najczęściej wymieniana jest długość, czyli odległość od wlotu lub inaczej wjazdu/wejścia do wylotu zwanego też wyjazdem/wyjściem z tunelu. Parametry geometryczne, jak wysokość czy szerokość, w powiązaniu z kształtem sufitu tunelu decydują nie tylko o gabarytach przemieszczających się w nim obiektów, ale również o prędkości ich ruchu wewnątrz obiektu. Praktycznie w każdym tunelu przeznaczonym do transportu ludzi muszą być spełnione wymagania bezpieczeństwa, co w przeważającej części tych budowli wymagało zabudowania wewnątrz lub okolicach tunelu stosownego wyposażenia.

Zasilanie energią elektryczną tuneli – szczegóły

W dobie pełnego zelektryfikowania przestrzeni życiowej ludzi wyposażenie służące bezpieczeństwu w tunelach zasilane jest energią elektryczną. Moc urządzeń, aparatów i maszyn/napędów elektrycznych niezbędna do zapewnienia właściwego poziomu bezpieczeństwa w oczywisty sposób jest zależna od wewnętrznych gabarytów danego tunelu. Dodatkowo tunele przeznaczone dla zelektryfikowanego transportu szynowego muszą być zasilane z podstacji trakcyjnych. Z elektrycznego punktu widzenia poziom zapotrzebowania na moc przez zainstalowane odbiory decyduje o napięciu zasilania głównej rozdzielnicy. Na sumaryczną zastępczą moc zainstalowaną w obiektach tunelowych wpływ mają urządzenia wentylacji i odwadniania, a niekiedy i odladzania wjazdów do obiektu, następnie oświetlenia oraz wszelkie zastosowane systemy alarmowe, wizyjnej obserwacji i wizualizacji stanu oraz sterowania ruchem wewnątrz tunelu. Ilość i moc poszczególnego wyposażenia powiązana jest z gabarytami tunelu. Dlatego też wraz z tymi gabarytami rośnie zapotrzebowanie na energię i niezbędną moc zasilania. Powoduje to, że ze względów ekonomicznych zasilanie jednej, a niekiedy i większej liczby rozdzielnic, obsługujących zasilanie wyposażenia wewnątrz tunelu, realizowane jest z systemu elektroenergetyki zawodowej i odbywa się z sieci dystrybucyjnej o parametrach napięć SN (średniego napięcia – w Polsce to najczęściej napięcie 15 kV). W terenach zurbanizowanych do rozdzielnic energia doprowadzana jest kablami SN, w sporadycznych przypadkach mogą to być linie napowietrzne. Na słupach linii napowietrznych zawieszone są przewody trzech faz z reguły rozłożonych w układzie wierzchołków trójkąta. Oznacza to, że wzdłuż takiej linii nie jest prowadzony przewód zerowy ani odgromowy. Cechą charakterystyczną linii SN jest praca z izolowanym albo uziemionym przez dławik lub rezystor punktem zerowym uzwojenia transformatora połączonego w gwiazdę. Transformator ten znajduje się w rejonowym lub głównym punkcie zasilania. W przypadkach izolowanego punktu zerowego napowietrznej sieci SN wszelkie pojedyncze, z reguły krótkotrwałe, doziemienia dowolnej z faz powodowały pojemnościowy prąd zwarcia, nie przerywając trójfazowego przesyłu energii. Przy zasilaniu napowietrzną siecią SN punkt odbioru (rozdzielnia) ma transformator z górnym napięciem SN połączony w trójkąt, dolne zaś uzwojenie w gwiazdę. Punkt zerowy tej gwiazdy połączony jest bezpośrednio z własnym (lokalnym) uziomem rozdzielnicy zapewniającym bezpieczeństwo porażeniowe na rozdzielni wraz z polem transformatora.

Zasilanie linią kablową ze względu na charakterystyczną konstrukcję tego przewodu elektrycznego [1] wymaga przyłączenia ekranu kabli do uziomu. Zaletą linii kablowej jest możliwość ukrycia jej w kanałach kablowych lub bezpośrednie ułożenie w ziemi, a dodatkowo zgodnie z [2] linie kablowe SN wykazują się mniejszą awaryjnością w eksploatacji od napowietrznych linii SN.

Zobacz:

Zachodnia Obwodnica Szczecina z najdłuższym tunelem w Polsce

Tunele Północnej Obwodnicy Krakowa – wyzwania realizacyjne i zakres prac wykonawcy fundamentowania

Tunel Południowej Obwodnicy Warszawy. FILM

Trzeba zwrócić uwagę na fakt, że ekrany kabli SN przyłączonych do danej rozdzielni SN/nn zabudowanej w tunelach można przyłączyć na wyizolowanej od konstrukcji rozdzielnicy do szyny uziomowej ekranów kabli. Dzięki temu od strony zasilania z RPZ (rozdzielczego punktu zasilania) lub GPZ (głównego punktu zasilania) ekrany kabli są połączone z obu stron do uziomów. Po stronie zasilania ekrany kabli SN połączone są poprzez uziom na polach rozdzielni SN w GPZ lub RPZ. Proponowany uziom ekranów kabli zasilania SN na rozdzielnicy SN/nn znajduje się w normalnych warunkach pracy w „powietrzu” i zwiera same ekrany wszystkich kabli SN wchodzących i wychodzących z rozdzielnicy. W przypadku wystąpienia różnicy napięcia między szyną uziomu ekranów kabli a uziomem rozdzielni powyżej wartości większej od dopuszczalnych wartości napięcia rażenia powinno nastąpić połączenie między tymi uziomami na rozdzielnicy. Elementem umożliwiającym dokonanie tego jest niskonapięciowy warystor lub dwukierunkowy ogranicznik napięcia typu TZD. Czas trwania takiego połączenia można ograniczyć np. minimalną graniczną wartością prądu rozłączania wynikającą ze zdolności łączeniowej zastosowanej aparatury. W przypadkach sprzęgania systemów energetyki zawodowej z energetyką trakcyjną niezależnie od faktu, czy podstacja trakcyjna jest zbudowana na powierzchni ziemi czy też pod powierzchnią, w [3] proponowana jest separacja tych uziomów na czas bezpiecznych różnic napięć pomiędzy tymi uziomami. Należy podkreślić, że przy tradycyjnym połączeniu bezpośrednio ekranów kabli SN do najbliższej magistrali uziomowej już z chwilą tego metalicznego podłączenia ekranu pojawiają się prądy wyrównawcze, zwłaszcza jeżeli ten kabel SN wychodzi z rozdzielni 15 kV na RPZ lub GPZ, gdzie jego ekran został wcześniej połączony z tamtym uziomem. Część prądów wyrównawczych występujących w ziemi popłynie między uziomami, pojawiając się w ekranach kabli SN jeszcze bez załączonego napięcia sieci SN na polu rozdzielni SN w GPZ czy RPZ. Wartość tego prądu z reguły nie jest znana, ponieważ nie jest mierzona – autorowi nie są znane żadne przepisy ani norma wymuszająca takie pomiary. W czasie normalnej eksploatacji – przy przesyle energii w linii SN – składowej stałej (wolnozmiennej) może towarzyszyć także składowa przemienna wynikająca z asymetrii fazowej obciążenia danego kabla.

Tunele z trakcją szynową zelektryfikowaną prądem stałym, w zależności od znamionowego napięcia trakcyjnego i długości budowli, nie zawsze muszą być wyposażone w podstację trakcyjnego zasilania. Przykładem w Polsce są tunel tramwajowy na Trasie W-Z i kolejowy tunel Średnicowy, obydwa w Warszawie. Podobnie nie ma dodatkowego zasilania wykonany ze zbrojonego betonu tunel kolejowy na lotnisko Okęcie lub też tunel prowadzący na stację Łódź Fabryczna. Długości tych podziemnych obiektów są relatywnie krótkie w porównaniu z przeciętnymi odcinkami zasilania trakcyjnego odpowiednio tramwajów czy kolei.

Zasilanie energią elektryczną tuneli metra

W przypadku metra doświadczenie wykazuje, że odcinki dwustronnego zasilania powinny mieć długości ok. 2 km.

Moc zainstalowana na składach metra (napędów trakcyjnych to 2240–2880 kW w zależności od typu pociągu w Warszawie) i częstość kursowania składów w godzinach szczytu komunikacyjnego co ok. 90 sekund powodują, że podstacje trakcyjne metra muszą być zasilane z sieci elektroenergetycznej z poziomu średniego napięcia. Podstacje te mogą być wbudowane w korpusy stacji pasażerskich, jak zrealizowano to na obu liniach metra w Warszawie, ale spotyka się przypadki budowy wolno stojących podstacji metra w pobliżu przebiegu jego trasy. Układ zasilania na pierwszej linii warszawskiego metra (w początkowym okresie jej działania) został zaprezentowany w [4].

Przy zasilaniu podziemnych podstacji trakcyjnych metra, którego cała podziemna konstrukcja jest izolowana od zewnętrznego gruntu, proponowany jest dodatkowy uziom wyprowadzany na zewnątrz konstrukcji – patrz rys. 1 [5]. W tym przypadku pojawia się izolowana od konstrukcji szyna ZZ (ziemi zewnętrznej), do której uziemiana jest część rozdzielni zasilanych napięciem SN, czyli obudowy aparatury, maszyn i urządzeń SN. Podstacja ta ma wydzielone izolowane od zbrojenia konstrukcji i jej magistrali uziomowej miejsca, w których instalowana jest aparatura SN zasilana z sieci zewnętrznej lub rezerwowej SN z sąsiednich podstacji. Bezpieczeństwo przeciwporażeniowe w tych miejscach zapewnia lokalna izolacja, izolatory wsporcze, dodatkowa izolacja szaf aparaturowych oraz instalacja uziomowa połączona wysokonapięciowymi kablami z zewnętrznym uziomem. Zalecane jest instalowanie takiego uziomu minimum 20 m od zewnętrznej ściany podziemnej konstrukcji. Warto zwrócić uwagę na zastosowanie w ścianach podziemnej konstrukcji takich samych przepustów dla kabla łączącego uziom z szyną ZZ jak dla kabli zasilających SN. W warunkach miejskich wymaganie odsunięcia uziomu od ściany jest kłopotliwe do realizacji ze względu na gęstą infrastrukturę podziemną, nawet w przypadkach głębszej zabudowy konstrukcji korpusu stacji metra poniżej poziomu gruntu jak i większości podziemnej miejskiej infrastruktury. W dostępnych materiałach dotyczących wiedeńskiego metra brak informacji o konstrukcji tego zewnętrznego uziomu, a tym bardziej o technice sprawdzania jego skuteczności, a zwłaszcza co czynić w czasie eksploatacji, aby utrzymać poziom rezystancji uziomu.

Zastosowanie szyn ZZ w systemie trzech ziem odniesienia nie powoduje dodatkowych zmian w zabezpieczeuniach po stronie prądu stałego na terenie podstacji. Niezależnie od systemu ziem odniesienia w obszarach przystanków lub stacji pasażerskich należy stosować (zgodnie z normą PN-EN 50122-1 dotyczącą bezpieczeństwa porażeniowego w zelektryfikowanych systemach trakcyjnych) urządzenie kontroli napięć rażenia, które musi być odpowiednio rozbudowaną wersją niskonapięciowego ogranicznika napięcia między szynami (pojazdem stojącym na torowisku) a pasażerami przemieszczającymi się z peronu do pociągu lub odwrotnie. Powierzchnie peronów pasażerskich, po których się przemieszczają ludzie, nie powinny być metalowe, aby bezpośrednio nie wynosić potencjału zbrojenia na płaszczyznę peronu. Dzięki temu unika się przypadkowych zwarć między pojazdem a wierzchnią płytą spowodowanych metalowymi przedmiotami opartymi o peron i np. wejście do wagonu.

W metrze praktycznie na każdej stacji pasażerskiej występuje zasilanie potrzeb własnych (takich jak m.in. oświetlenie stacji, dźwigi osobowe, schody ruchome, wentylacja, klimatyzacja, bramki, kasowniki, nagłośnienie, aparatura kontrolno-wizyjno-detekcyjno-pomiarowa, odwodnienie). Te potrzeby to swoisty odpowiednik potrzeb w tunelach drogowych lub kanałowych, które zapewniają bezpieczeństwo i względny komfort użytkownikom tych tuneli. Dodatkowo przestrzenie występujące w budynkach stacji metra są wykorzystywane przez firmy zewnętrze do działalności handlowo-usługowej, co wymaga zasilania w energię elektryczną tych obszarów. Na rys. 2 pokazano strukturę obwodów zasilania niskiego napięcia w korpusie stacji metra wykonanej w systemie trzech ziem odniesienia. Aparatura SN na podobieństwo podstacji trakcyjnej zainstalowana jest na wyizolowanych miejscach. Instalacja nn jest pięcioprzewodowa zgodnie z zaleceniami z 1993 r.

Zastosowanie szyny uziomowej ekranów kabli SN na rozdzielnicy SN/nn podobnie do szyny ZZ z rys. 1 i 2 powoduje zmiany w rozwiązaniach konstrukcyjnych części SN rozdzielni – w tym dodatkowo takiego wydzielenia, aby obsługa wchodząca w obszar SN automatycznie dokonywała zwierania tej szyny z uziomem podstacji/rozdzielni. Oznacza to, że należy starannie przeszkolić i zmienić przyzwyczajenia pracowników utrzymania ruchu w rozdzielniach zainstalowanych w podziemnych konstrukcjach. Bez wątpienia ten czynnik stał na przeszkodzie w zastosowaniu szyny uziomowej ekranów kabli SN na II linii warszawskiego metra, ponieważ rozwiązanie to zaproponowano dopiero w momencie realizacji II etapu rozbudowy centralnego odcinka II linii warszawskiego metra. Powtarzalność rozwiązań konstrukcyjnych na długich obiektach ułatwia rotację personelu przy ustawianiu składu osobowego obsługi na dyżury i konieczności spełnienia jednocześnie dwóch wymagań: prawa pracy oraz wiedzy posiadanej przez poszczególnych pracowników wśród będącej do dyspozycji kadry. Niestety, przyzwyczajenia to druga natura człowieka, a rutyna to jedna z najczęstszych przyczyn wypadków przy pracy.

mgr inż. Józef Dąbrowski
Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Elektrotechniki

Literatura

1. J. Gromnicki, M. Fermata, Przewody i kable elektroenergetyczne, PWN, Warszawa 2019.
2. E. Niewiedział, R. Niewiedział, Charakterystyka sieci dystrybucyjnych XXI wieku, „Elektro info” 9/2017 https://www.elektro.info.pl/artykul/instalacje-elektroenergetyczne/68917,charakterystyka-krajowej-sieci-dystrybucyjnej-XXI-wieku, stan 15.10.2021.
3. J. Dąbrowski, Z. Kulawik, Ograniczenie prądów błądzących przez rozdzielenie uziomów systemu energetyki zawodowej od energetyki kolejowej, tramwajowej i metra, SEMTRAK, 2016.
4. P. Ber, System zasilania elektroenergetycznego w metrze, TTS nr 10/1995.
5. J. Dąbrowski, W. Dziuba, System 2 lub 3 ziem odniesienia w metrze warszawskim – ocena porównawcza, Dokument IEl nr arch.: NTE/58/2007.

Normy

PN-EN 50122-1 Zastosowania kolejowe. Urządzenia stacjonarne. Część 1: Zalecenia ochronne odnoszące się do bezpieczeństwa elektrycznego i uziemień w urządzeniach stacjonarnych.

PN-EN 50122-2 Zastosowania kolejowe. Urządzenia stacjonarne. Część 2: Środki ochrony przed oddziaływaniem prądów błądzących wywołanych przez trakcję elektryczną prądu stałego.

PN-EN 50162 Ochrona przed korozją powodowaną przez prądy błądzące z układów prądu stałego.

Sprawdź:

Czy tunele drogowe w Polsce są dobrze zabezpieczone przed pożarami?

Produkty budowlane