Schaltschränke und Abzweigdosen für den Tunnelbau

Tette skap og bokser for den nye Gotthard-jernbanetunnelen

De høye dragsug- og trykkbelastningene i jernbanetunneler er en stor utfordring for elektroinstallasjonen

Gigantisk byggeprosjekt

Jernbanetunnelen gjennom St. Gotthard-fjellmassivet setter alle tidligere konstruksjoner i Europa i skyggen. Så mye som 57 km går den gjennom massivet i de sveitsiske alpene (fig. 1). Dermed er det den lengste jernbanetunnelen i verden, og tunnelstrekningen med alle tverr- og forbindelsesganger strekker seg over ca. 154 km. Testtog hadde en hastighet på opptil 275 km/t gjennom de to tunnelrørene. 1. juni 2016 – tidligere enn opprinnelig planlagt – begynte det å kjøret tog gjennom nye tunnelen i opptil 250 km/t. Det reduserer reisetiden mellom Milano og Zürich til under 3 timer, mens transportytelsen på den sveitsiske nord-sør-aksen nesten kan fordobles med 40 millioner tonn varer. Med en kostnad på 12 milliarder CHF er det det største byggeprosjektet for en ny nord-sør-forbindelse for høyhastighetstog gjennom Alpene.

Sofistikert sikkerhetskonsept under planleggingen

Med disse dimensjonene ble ingenting overlatt til tilfeldighetene. Sikkerheten var topp prioritet. Konseptet med den nye Gotthard-basaltunnelen inkluderer for eksempel to rør som er ca. 40 m fra hverandre og forbundet med såkalte tverrslag som ligger i en avstand på rundt 325 m. Med to doble sporvekslinger kan

hele tog veksle fra ett rør til det andre, noe som er nyttig ved vedlikeholdsarbeid eller i tilfelle en hendelse. Disse sporvekslingspunktene ligger i to såkalte multifunksjonssteder, som også skjuler deler av ventilasjonsinstallasjonen og nødstoppestedene. De er designet for nødstopp av et tog og er også flukt- og evakueringssted for reisende, som herfra kan fraktes ut av tunnelen med et evakueringstog. På redningsveien inn i det andre tunnelrøret må ikke sporet krysses eller trapper eller heiser brukes. Nødstoppestedene samt side- og forbindelsesgangene forsynes i nødstilfeller med frisk luft. Mens røyk suges ut i hendelsesrøret, holder det med et lite undertrykk på nødstoppestedet for å holde fluktveien røykfri. Utenfor nødstoppestedene brukes tverrslagene som fluktveier.

Høye sikkerhetsstandarder for produkter

Like gigantisk som byggeprosjektet og dets sikkerhetskonsept, er også kravene til produktene som er brukt, som går langt utover det som tidligere var kjent. For eksempel har Deutsche Bahn definert spesielle stabilitetsundersøkelser for jernbanetunneler som befinner seg i og er planlagt i Tyskland, som angår alle tekniske detaljer for anlegget og forventede virkninger. Spesielt voldsomme påvirkninger her er dragsug og trykk, som virker på alle komponenter installert i tunnelen. De definerte kravene går ut på om komponentene kan overleve de aerodynamiske kreftene fra dragsug- og trykkbelastningene uten skader, blir værende på plass og fortsetter å fungere som de skal. Like viktig er imidlertid spørsmålet om produktet også faktisk forblir tett med de høye kreftene, eller om kapslingslokket kanskje løftes så mye at støvpartikler og fuktighet kan trenge inn og påvirke anleggsdelene som befinner seg inni kapslingene. Uansett vil feil og vedlikehold føre til at driften stoppes i et rør, noe som vil føre til plagsomme forsinkelser i driften når det gjelder den forventede bruken av ruten, og dermed tap av fortjeneste. Byggherren «Alp Transit Gotthard AG» har definert strenge standarder rundt dette og stiller høye krav til levetiden til alle produkter som brukes. Selv om ikke tunnelen antar disse ekstreme dimensjonene i Tyskland, gjelder lignende forhold, og disse ble tatt med i planleggingen. Det finnes ingen standard eller direktiv for disse ytterpunktene, så det har blitt laget en liste over krav ut fra funnene fra tidligere tunnelprosjekter i Europa, som bør gjelde for alle tunnelprosjekter. 

Utfordringer for den elektriske installasjonen

Komponentene i den elektriske installasjonen befinner seg fremfor alt i de totalt 176 tverrslagene (fig. 2) mellom de to kjørerørene. Rammebetingelsene her kan knapt være vanskeligere, for når togene kjører inn i tunnelrøret med hastigheter på over 160 km/t, blir luften komprimert og lufttrykket stiger tilsvarende. Selv om luftstrømmen fra det bevegelige toget for det meste holdes tilbake av tverrslagdørene, trenger imidlertid over- eller undertrykket av luftkomprimeringen inn i tverrslaget og belaster overflatene av de installerte hule legemene med opptil +/- 1 t/m². De måtte altså sørges for at alle enheter kunne holde stand mekanisk til denne trykkvekslingen og at den høye beskyttelsesgraden IP67 (støv- og vanntett) ble opprettholdt. Som med Lötschberg-basistunnelen, som ble tatt i bruk i 2007, slo to langvarige partnere seg også sammen for Gotthard-basistunnelen. Koblingsskap-spesialisten Swibox AG fra Balterswil (Sveits) for skapkonseptet og ledelsen av prosjektet samt kjølesystem-spesialisten Pfannenberg GmbH fra Hamburg for konstruksjonen av skapklimatiseringen i henhold til kravene. For Lötschberg-basistunnelen hadde Swibox AG i 2003 utviklet et helt nytt skapsystem med et svært tett kabelgrensesnitt i skapsokkelen, som var designet for +/- 5 kPa eller 500 kg/m² trykkbelastning. Siden kravene for Gotthard-basistunnelen ble økt til +/-10 kPa eller 1 t/m², måtte hele systemet prinsipielt bearbeides og testes på nytt. Løsningen var en sofistikert innvendig skapavstivning, som ble registrert for patent. 2880 av disse skapene har siden blitt utviklet av Swibox, prosjektert og tatt i drift i tverrslagene for Gotthard. 

Klimatiserte skap

Men det var ikke ferdig med det, for en annen utfordring i tunnelene er omgivelsesluften. Store temperaturforskjeller fra -20 °C til +40 °C, maksimal luftfuktighet på 100 % samt jernholdig avsliting fra bremsene og skinnene og kobber fra kjøreledningen i omgivelsesluften, øker korrosjonsfaren betraktelig. Det måtte altså opprettes et spesielt klimakonsept. Det var oppgaven til firmaet Pfannenberg. Også her ble dagens teknikk forlatt, og det ble utviklet et nytt konsept for Gotthard. Dette ble grundig testet som et komplett system sammen med Swibox koblingsskapet i et testlaboratorium spesielt utviklet for slike prosjekter, og besto vellykket 200 000 trykkvekslingsbelastninger +/- 10 kPa. Hele testprosedyren ble utført av et nøytralt testingssenter og overvåket av Swiss Accreditation Service (SAS). I tillegg til kjøleaggregatene fra Pfannenberg, som nå hovedsakelig brukes inne i fjellet (omgivelsestemperaturer opptil +40 °C), måtte det installeres varmeovner fra samme produsent i gulvområdet (omgivelsestemperaturer ned til -20 °C). Disse varmeovnene sørger for at temperaturen i koblingsskapet ikke faller under det såkalte duggpunktet. Duggpunktet beskriver temperaturen til fuktig luft, som må underskrides ved uendret trykk slik at mengden vann oppløst i luften skilles ut som kondens. Ved duggpunktet er den relative luftfuktigheten 100 %, dvs. luften er da mettet med vanndamp. 

Tette forgreningsbokser

Komponentene midt i kjørerørene (fig. 3) utsettes for enda kraftigere forurensning og aerodynamiske påvirkninger. Her monteres for eksempel fluktveisbelysning, som må sikres enkeltvis, slik at det alltid kun er ett lys som svikter ved skader og alle de andre forsynes sikkert videre med strøm. For 57 km tunnellengde brukes det en del kabel, forgreningsbokser og automatsikringer, så ved valg av leverandører kom det også an på muligheten for rask og sikker installasjon. Valget falt på Rapid-Box (fig. 4) fra den tyske kapslingsspesialisten Spelsberg. Kapslingssystemet er spesielt utviklet for sikret forgrening av ukuttede ledere inntil 50 mm² (Cu). Den sikrede forgreningen skjer enten med en 2,5 mm² ledning eller via CEE-stikkontakter (3-polede eller 5-polede) i kapslingslokket. Sikringene og stikkontaktene leveres forhåndskablet. Monteringen på forgreningspunktet skjer uten at hoved- eller forsyningsledningen må kobles fra (fig. 5). Denne teknologien tillater en mer fleksibel og utvidbar montering, selv etter idriftssetting. Hovedklemmen kan også i tillegg brukes som forbindelsesklemme mellom to kuttede ledere. Ved å bruke CEE-stikkontakter, kan driftsmidler, som f.eks. lys, kobles til og repareres spesielt raskt og effektivt. Monteringen tar ikke mer enn 15 minutter, så systemet reduserer forbruket betraktelig. Den raske monteringstiden er også en vesentlig fordel når det gjelder vedlikeholdstidene, som har en direkte effekt på anleggets tilgjengelighet. Dermed reduseres ikke bare monteringstidene og -kostnadene, men også de syklisk tilbakevendende reparasjonskostnadene, som for eksempel ved utskifting eller utvidelse av forgreningsboksene. I tillegg til tunnelanlegg, er dermed også andre objekter med lange kabelstrekninger, som industrihaller eller høyhus, ideelle bruksområder for det nye systemet. For å tilby en egnet løsning for hvert tenkelige brukstilfelle, er Rapid-Box bygd opp modulært. Det finnes to grunnversjoner: Standardvarianten iht. NEK EN 61439-2 (VDE) og variantene for brannverninstallasjon med opprettholdelse av funksjon i E30, E60 eller E90 iht. DIN 4102 og NS-EN 1363, slik de også brukes for Gotthard. Alt etter konkrete oppgaver, kan de enkelte bestanddelene til Rapid-Box kombineres individuelt. Stikkontakter i lokket eller kabelskruforbindelser på siden av kapslingen er tilgjengelig. Det er mulighet for utvendig jording og automatsikringer med ulik sikring. Alle koblingsanleggskombinasjonene er VDE- og MPA-sertifisert. Det fantes også valg når det gjaldt klemmene. Den vedlikeholdsfrie, hevede klemmeblokken kan utstyres variabelt med 1 til 5 poler. De fjærede mantelmutrene for gjennomgangskabling sørger for feilfri drift, også ved kraftige vibrasjoner. Selve forgreningen skjer via en fjærklemme. Ulike tverrsnitt og nominelle strømstyrker er mulig, slik at Rapid-Box kan tilpasses nøyaktig til oppgaven på riktig måte. Det variable utstyret i lokket oppfyller også kundens krav. Alt etter ledningsdiameter, er det mulig å velge mellom sju ulike tetningsstørrelser inkludert ledningsinnføring. Kapslingen er ytterst robust og UV-bestandig, og kan også uten problemer motstå de største belastninger fra vær eller smuss, slik at installasjonen også kan brukes i korrosjonsutsatte områder, som i Gotthard-tunnelen. Ved brann sørger materialenes lave røykegenskaper for lavere skadestoffbelastning og røykutvikling. De nye Rapid-Box kan enten installeres i tak, vegger eller på kabeltraseer. Festestedene er plassert på utsiden av kapslingen, slik at Rapid-Box kan monteres uten at den trengs å åpnes. Lokk og skruer kan heller ikke mistes, så monteringen kan utføres særdeles enkelt – en stor fordel, fremfor alt ved arbeid på stiger eller over hodet. Rapid-Box er europeisk sertifisert: Koblingsanleggkombinasjonen oppfyller NEK EN 61439, brannmotstandstesten samsvarer med NS-EN 1363. For å oppfylle de ekstremt høye sikkerhetsstandardene til Alp Transit Gotthard AG, ble Rapid-Box utsatt for ytterlige tester før montering. Det var fremfor alt viktig at beskyttelsesgraden også ble opprettholdt når det gjaldt de høye trykk- og dragsuglastene. En praktisk test i laboratoriet bekreftet dette: Etter 200 000 sykluser der Rapid-Box ble utsatt for +/-10 kPa trykk, forble kapslingen inkludert silikontetningen stabil, og selv 30 minutter senere kunne det ikke påvises noe trykktap. Dermed var de strenge kravene til den sveitsiske tunnelbyggeren oppfylt – Rapid-Box kunne brukes. Systemet med forgreningsbokser som er beskrevet, er universalt anvendelig og svært fleksibelt, ikke bare som i eksemplet, i belysning for flukt- og rømningsveier, men også i fordelingsystemer for mobile enheter som bruker standardiserte kontakter for vedlikehold eller nødtjenester. 

Resymé

Sikkerhetsforskriftene for konstruksjon og drift av jernbanetunneler er særdeles strenge. I den nye Gotthard-basistunnelen på 57 km, verdens lengste jernbanetunnel, ble kravene ytterligere skjerpet. Siden tog skulle passere i 250 km/t, blir alle anvendte komponenter utsatt for enorme trekk- og dragsugbelastninger. I tillegg kommer de dramatiske temperaturforskjellene, den høye luftfuktigheten og en ekstrem støvbelastning. Spesialløsninger sørger her for pålitelig opprettholdelse av funksjon og beskyttelse av alle komponentene: Klimatiseringssystemer fra Pfannenberg i ytterst tette koblingsskap fra Swibox og forgreningsbokser fra Spelsberg oppfylte de krevende testene og garanterer sikker drift under ekstreme betingelser og opprettholdelse av svært variabel fleksibilitet.

Sammendrag

Tette skap og bokser for den nye Gotthard-jernbanetunnelen

I tunneler hersker det andre omgivelsesforhold enn utenfor. Disse spesielle forholdene er fremdeles ikke skrevet ned i en standard. For å garantere sikker drift og tilby et høyt sikkerhetsnivå, er det nødvendig å kjenne til og ta hensyn til disse ekstreme forholdene. Artikkelen beskriver disse ekstreme påvirkningene på de elektriske systemene ved hjelp av eksempelet med Gotthard-tunnelprosjektet, og presenterer også erfaringene til dags dato.