Wpływ systemów trakcyjnych AC i DC na konstrukcję zbrojenia tuneli kolejowych
The impact of AC and DC traction systems on the design of reinforcement in railway tunnels
Słowa kluczowe:
transport szynowy, efektywność energetyczna, budowa tuneli metodą TBM, zakłócenia elektromagnetyczne, prądy błądzące, trakcja elektryczna (AC/DC), beton zbrojony włóknami, nakładka stykowa pantografuKeywords:
rail transport, energy efficiency, tunnel construction (TBM), electromagnetic interference (EMI), stray currents, electric traction (AC/DC), fiber-reinforced concrete, pantograph sliding contactStreszczenie
Przedstawiono analizę porównawczą systemów zelektryfikowanej trakcji szynowej prądu stałego (DC) oraz przemiennego (AC) ze szczególnym uwzględnieniem ich oddziaływania na infrastrukturę tunelową oraz ograniczeń fizycznych wynikających z dużych prędkości jazdy. Omówiono parametry znamionowe napięć w kontekście historycznym i nowoczesnych wymagań eksploatacyjnych. Szczególną uwagę poświęcono zjawiskom termicznym i mechanicznym na styku pantografu z przewodem jezdnym, wskazując na limity prądowe ograniczające moc dostarczaną do pojazdów. Autorzy przeanalizowali różnice w stratach energii wynikające z upływności izolacji oraz zjawiska indukcyjne towarzyszące przepływowi prądu trakcyjnego. Na podstawie doświadczeń z eksploatacji warszawskiego metra wykazano wpływ prądu rozruchowego na indukowanie napięć w konstrukcjach podziemnych. Wskazano, że o ile w systemach DC kluczowym wyzwaniem jest rezystancja wzdłużna konstrukcji, o tyle w systemach AC dominuje strumień transformacji. Wyciągnięto wniosek, że ewolucja technologii budowy tuneli (metoda TBM) i wprowadzenie nowoczesnych materiałów zbrojeniowych pozwoliły na zminimalizowanie niekorzystnych oddziaływań elektromagnetycznych i strat wiroprądowych, zwłaszcza w kontekście projektowania linii dużych prędkości.
Abstract
Presented is a comparative analysis of direct current (DC) and alternating current (AC) electrified rail traction systems, with particular emphasis on their impact on tunnel infrastructure and physical limitations resulting from high speeds. The rated voltage parameters are discussed in the context of historical and modern operational requirements. Particular attention is paid to thermal and mechanical phenomena at the contact point between the pantograph and the contact wire, pointing to the current limits restricting the power supplied to vehicles. The authors analyzed differences in energy losses resulting from insulation leakage and inductive phenomena accompanying the flow of traction current. Based on experience from the operation of the Warsaw metro, the influence of starting current on the induction of voltages in underground structures was demonstrated. It was pointed out that while in DC systems the key challenge is the longitudinal resistance of the structure, in AC systems the transformation flux dominates. It was concluded that the evolution of tunnel construction technology (TBM method) and the introduction of modern reinforcement materials have made it possible to minimize adverse electromagnetic effects and vibroacoustic eddy current losses, especially in the context of high-speed line design.
Bibliografia
[1] PN-EN 50163:2006 Zastosowania kolejowe – Napięcia zasilania systemów trakcyjnych.
[2] PKP Polskie Linie Kolejowe S.A., Standardy Techniczne – Szczegółowe warunki techniczne dla modernizacji lub budowy linii kolejowych do prędkości Vmax ≤ 250 km/h, Warszawa, 2021.
[3] Szeląg A., Trakcja elektryczna – podstawy, Warszawa: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2019.
[4] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 2 marca 2011 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać obiekty budowlane metra i ich usytuowanie (Dz.U. z 2011 r. nr 65 poz. 344).
[5] PN-EN 50388-1:2023 Zastosowania Kolejowe – Urządzenia stacjonarne i tabor – Warunki techniczne koordynacji pomiędzy systemem zasilania trakcji elektrycznej i taborem w celu osiągnięcia interoperacyjności – Cz. 1: Postanowienia ogólne.
[6] Dąbrowski J., „Ewolucje systemu rejestracji i monitoringu prądów błądzących w metrze warszawskim” w: Prace Instytutu Elektrotechniki, t. 64, nr 277, 2017, s. 5–31.
[7] „Seria 81”, [dostęp: 15.02.2026], w: Wikipedia, wolna encyklopedia, https://pl.wikipedia.org/wiki/Seria_81.
[8] Keenor G., Overhead line electrification for railways, London: Permanent Way Institution, 2022.
[9] Rojek A., Majewski W., „Zasilanie linii kolejowych dużych prędkości” w: VII Lubuska Konferencja Naukowo-Techniczna i-MITEL 2012, Zielona Góra: Uniwersytet Zielonogórski, 2012.
[10] Dąbrowski J., „Zjawisko prądów błądzących w przypadku torowiska niezabudowanego” w: Biuletyn Komunikacji Miejskiej BKM, nr 174 s. 63–74.
[11] PN-EN 50122-2:2023 Zastosowania kolejowe – Urządzenia stacjonarne – Bezpieczeństwo elektryczne, uziemianie i sieć powrotna – Część 2: Środki ochrony przed skutkami prądów błądzących wywołanych przez układy trakcji prądu stałego.
[12] PN-EN 15280:2013 Ocena prawdopodobieństwa wystąpienia korozji rurociągów ułożonych w ziemi wywołanej prądem przemiennym – Zastosowanie do rurociągów chronionych katodowo.
[13] PN-EN 50443:2012 Skutki zakłóceń elektromagnetycznych w rurociągach wywoływane oddziaływaniem wysokonapięciowych systemów kolejowej trakcji elektrycznej prądu przemiennego i/lub wysokonapięciowych systemów zasilania prądu przemiennego.
[14] PN-ISO 18086:2021 Korozja metali i stopów – Wyznaczanie korozji wywołanej prądem przemiennym – Kryteria ochrony.
[15] „Materiały konferencyjne dotyczące technologii TBM w budowie tuneli”, Warszawa, 8 marca 2020.
