Návrh ochranných opatření před účinky bludných proudů pro vozovny a depa

S výstavbou a rekonstrukcí vozoven se pojí nutnost věnovat péči komplexní ochraně stavby před účinky bludných proudů. Dlouholeté provozní zkušenosti dokládají, že se v těchto stavbách kloubí všechny pohledy na danou korozní problematiku.

Je nutno věnovat především péči systému kolejí ve vozovnách a depech – tedy kvalitě zpětné trakční cesty, je nutno se zabývat systémem trakčního napájení, napájení vlastní spotřeby areálu, potrubními systémy a přípojkami v areálu, ale i blízkými elektrizovanými tratěmi, které do vozovny či depa vedou, cizími trakčními soustavami v blízkosti posuzovaných tratí a konečně cizími liniovými stavbami. Všechny uvedené oblasti vyžadují znalosti a součinnost se stavbou, a to jak pro primární návrhy ochranných opatření, tak později pro měření při realizaci stavby a po jejím dokončení pro provoz. Jak se v posledních letech ukazuje, jsou tyto znalosti nezbytné pro hodnocení korozního chování ve stávajících provozovaných depech a vozovnách při hledání příčin korozních vad.

Problematikou jsou dotčeny zejména stavby vozoven a dep, jejichž součástí jsou trakční soustavy elektrizované stejnosměrnou proudovou trakční soustavou s velkou četností kolejí nejméně zčásti uložených ve stavbách. Zákon o drahách č. 266/1994 Sb. a prováděcí vyhlášky, zejména vyhl. č. 177/1995 Sb., stanovují povinnost provozovatelům drah učinit taková opatření, aby nedocházelo k šíření bludných proudů do okolí a ke škodám na cizím majetku korozními vlivy bludných proudů. Opatření pro samotnou trakční soustavu pak stanovuje zejména norma ČSN EN 50122-2, ed. 2, nově ed. 3.

Stavby vozoven a dep z hlediska železobetonových konstrukcí se řídí resortními předpisy navazujícími jak na citovanou normu, tak na normu ČSN EN 50162. Pro stavby tramvajových tratí jsou využívány předpisy TP 124 MD ČR a od roku 2023 předpis SŽ S13. Stavby metra jsou doplněny vnitřními předpisy pro stavbu metra.

Liniová zařízení – tj. potrubní zařízení plynovodů, vodovodů, horkovodů a produktovodů vedená ve vozovnách a depech či v jejich okolí, se řídí normami řady ČSN 03 83XX a například předpisy TPG. Koordinace mezi jednotlivými sektory nabývá v posledních letech na významu zejména v Praze, kde například zástupci plynáren velmi pečlivě dbají na vlivy zdrojů bludných proudů na jejich zařízení a výstavbu podmiňují požadavky na kontrolu a měření a případná dodatečná ochranná opatření.

Opatření pro zajištění omezení úniku zpětných trakčních proudů z kolejí

Pro koleje zaústěné do dep a dílen platí zvláštní opatření proti účinkům bludných proudů uvedené v normě ČSN EN 50122-2, kapitole 9.

Z bezpečnostních důvodů (z důvodu ochrany proti nebezpečnému dotykovému napětí) je proto v depech a dílnách za určitých jednoznačně definovaných podmínek povolené přímé spojení mezi uzemněnými konstrukcemi a zpětným obvodem pro vyrovnání potenciálu (mezi kolejí a zemí). Kromě přímého spojení musí být v depech a v dílnách realizována další dvě opatření proti účinkům bludných proudů:

• jízdní kolejnice depa (dílny) musí být odděleny od hlavní tratě izolovanými kolejnicovými styky,
• trakční napájení hnacích kolejových vozidel v depu (dílně) musí být zajištěno ze samostatné usměrňovací jednotky.

V depech (dílnách) jsou povoleny výjimky z výše uvedených požadavků za předpokladu, že korozní studie bludných proudů neprokáže negativní účinky navrženého řešení. Možnosti výjimek nejsou v normě blíže popsány.

V případě, že jsou jízdní kolejnice v prostoru depa (dílny) připojené k hlavní trati (izolované styky nejsou instalovány), musí být izolování zpětného obvodu v depu (dílně) stejné jako na hlavní trati.

Pro splnění ochranných opatření může být v depu (dílně) použité zařízení omezující napětí VLD-O. Nastavení tohoto zařízení musí splňovat hodnoty pro depa a dílny uvedené v ČSN EN 50122-1, ed. 2, čl. 9.3.2.3. V čl. 6.4.2 ČSN EN 50122-1 ed. 2 je však uvedeno, že v depech a dílnách může být ochrana proti nedovolenému dotykovému napětí (omezení potenciálu kolejnice) zajištěna jen přímým uzemněním jízdních kolejnic při zvýšeném výskytu bludných proudů.

Praxe zavedená v ČR v jednotlivých dopravních podnicích je mírně odlišná. Jednotlivé dopravní podniky provozující tramvajové tratě v naprosté většině dodržují systém propojení kolejnic v hale a mimo halu bez izolačních styků a bez oddělených napájecích jednotek. Zachovává se systém elektrického izolačního uložení kolejnic od stavby vozovny s uzemněním a vyrovnáním potenciálu pro halu samotnou. Pro tato uspořádání by měly být zpracovávány pro konkrétní případy staveb korozní studie.

Korozní studie

Korozní studie je speciální součástí projektové dokumentace, která se zabývá elektrickými parametry kolejí v depu, dimenzováním zpětných odsávacích kabelů, které vedou trakční proudy zpět do měnírny, a stanovuje, zda navržené uspořádání nezpůsobuje větší úniky zpětných trakčních proudů (měnících se v bludné proudy), než připouští norma a zároveň, zda napěťové poměry na kolejích budou dosahovat bezpečných hodnot. V dalším kroku korozní studie se navrhují dodatečné úpravy napájecího vedení nebo zpětné trakční cesty – posílením napájecích bodů či posílením kvality zpětné trakční cesty.

Příkladem aplikace korozní studie je stavba vozovny Pisárky v Brně.

Stávající stav vozovny byl zpracován do náhradního elektrického schématu. Ve schématu se stanovují místa zatížení trakčním proudem a pro tato místa vstupu trakčního proudu se provádí výpočty úniku bludných proudů, rozložení proudů a napěťových poměrů.

Následně je provedeno sestavení výpočtové matice a proveden výpočet v jednotlivých uzlech. Výsledkem jsou hodnoty proudu vtékajícího do kolejnicového vedení v nově navrhované hale, proud tekoucí do uzemňovací soustavy přes přechodový odpor kolejí nové haly a proudy ostatních zpětných kabelů.

Výsledné bludné proudy jsou pak přiřazovány dotčeným částem betonových konstrukcí, kde se posuzuje množství a plochy výztuže a hodnotí se dovolené proudové hustoty vystupující z betonové konstrukce do okolí. Hodnotícím kritériem je dovolená proudová hustota 60 až 120 mA/m2 jako mezní pro narušení pasivační vrstvy výztuže v betonu.

Dále se hodnotí unikající proud z koleje dle ČSN EN 50122-2, ed. 2, resp. ed. 3. Toto kritérium pro hodnocení kolejnicového vedení bylo stanoveno na základě dlouholetých zkušeností, které prokázaly, že ke koroznímu poškození jízdních kolejnic působením bludných proudů (působením svodových proudů vytékajících z kolejnic do země) nedojde během období 25 let, jestliže průměrný bludný (svodový) proud na jednotku délky (proud vytékající z úseku kolejnic koleje dlouhého 1 m) nepřesáhne na jednokolejné trati 2,5 mA/m a na dvojkolejné trati 5 mA/m. Jedná se tedy o ochranu trakčního zařízení. Kritérium je doplněno hodnocením potenciálu kolejnice vůči vzdálené zemi dle dalších ustanovení normy. Praxe ukazuje, že zatímco toto kritérium je významné pro železnici, v podmínkách městské dopravy, kdy dochází k častější výměně kolejnic, kritériu není přikládán zásadní význam.

Zpracování projektové dokumentace

Při zpracování projektové dokumentace je postupováno jak dle normy ČSN EN 50122-2, ed. 2, resp. ed. 3, tak dle požadavků na ochranu stavby definovaných předpisem TP 124 MD ČR, resp. SŽ S13.

Obr. 3 – Typické „vyzobání“ kovu patních plechů kolejnic železniční trati bludným proudem protékajícím mezi železniční kolejí a kolejí tramvaje přes mostní objekt v Praze. Kolejnice bylo nutno nahradit novými.

Návrh ochranných opatření je rozdělen na část „zdrojovou“, kde bludné proudy vznikají, tj. kolej a obvody související s provozem koleje (výhybky, stykové transformátory apod.), a část „spotřebičovou“, kterou bludné proudy nežádoucím způsobem prochází a mohou korozně působit.

Péče o část „zdrojovou“ znamená snížení úniku bludných proudů na úroveň nižší, než stanovuje norma ČSN 33 3516 s aktualizací dle ČSN EN 50122-2, ed. 3. Jedná se o volbu průřezu kolejnic, spojování kolejnic, návrh posílení zpětných trakčních kabelů, způsob uložení kolejnic na terénu a v betonových konstrukcích se zajištěním dostatečně malé svodové vodivosti (admitanci) kolejí vůči zemi a také o volbu připojovacích míst zpětného trakčního vedení apod.

Volba způsobu elektrického izolačního uložení kolejnic je klíčovým ochranným opatřením, ale zároveň velmi citlivou otázkou z hlediska mechanických požadavků na kolej. Zatímco na železničních tratích jsou požadavky na provedení elektrických izolačních úchytů jednoznačně definovány, u městských tratí jsou požadavky rozdílné v jednotlivých městech, a ne vždy se daří prosadit požadavek na kvalitní elektrické uložení kolejnic, zejména pokud se jedná o pevnou jízdní dráhu. Zkušenosti s návrhy a projektováním tramvajových tratí však jednoznačně ukazují, že všechny dopravní podniky měst v ČR, které provozují tramvajové dráhy, ve všech případech problematice věnují velkou péči (Praha, Liberec, Brno, Olomouc, Plzeň).

Důsledky unikajících proudů z kolejnice pak lze demonstrovat obrázky 2, 3 a 4 zachycenými v terénu.

Opatření na straně „spotřebičové“ pak představuje návrh souboru pasivních ochranných opatření jak pro železobetonové stavby, tak ostatní (ocelové) konstrukce v zemi uložené – včetně zemnicí soustavy. Samostatně jsou definovány požadavky na ochranu potrubních systémů (nekovové potrubí nebo speciální druhy elektricky izolačního uložení potrubí).

Systém pasivních ochranných opatření zejména u železobetonových staveb je přísnou kombinací primární ochrany (tedy kvality navrhovaných betonů a souvisejících detailů) a sekundární ochrany (tj. systému vodotěsných izolací). Tato základní opatření jsou pak doplněna požadavky na konstrukční opatření (rozsah systému provaření výztuže, elektrické izolační dělení stavebních celků, elektricky izolované předpětí a zemní kotvy, uzemnění).

Obr. 2 – Pata nosníku ocelové konstrukce v myčce tramvajové vozovny se zřetelným úbytkem ocelového nosníku vlivem bludných proudů.

Velmi důležitým bodem je při návrhu ochranných opatření řešení uzemňovací soustavy, která se lehce stává transportní cestou pro bludné proudy a sama může být korozí poškozena. S tím souvisí volba napájecí soustavy elektrických instalací. Obecně v trakčních soustavách je upřednostňována soustava TT, ne vždy je však přijatelná pro provoz a proveditelná ve vozovnách a depech.

V oblasti trakčních soustav se setkáváme s ochranou proti dotyku ukolejněním (ČSN EN 50122-1, ed. 3). Z hlediska ochrany před účinky bludných proudů může být tento bezpečnostní prvek zároveň nebezpečný, neboť při poruše se toto zařízení (průrazka s opakovatelnou funkcí, nyní VLD) otevře a přes průrazku může protékat velká část zpětného trakčního proudu do chráněných (betonových) konstrukcí. Takový stav může vést k velmi rychlému poškození výztuže betonové konstrukce. Například při nevhodně navržené průrazce vlivem vysokých napětí na koleji došlo k opakovanému proražení průrazky a proud v řádu 80 až 120 A zničil na novém mostním objektu mostní závěry se škodou v objemu cca 10 mil. Kč (obr. 5).

Jedná se o důsledek nesprávně koncipovaného systému napájení a zpětné trakční cesty na „zdrojové“ straně. Příčinou může být na straně trakční soustavy kvalita a četnost propojek v kolejnicích, nedostatečné zajištění minimálního podélného elektrického odporu ve zpětné trakční cestě, ale i délka napájecího úseku, kdy velkou vzdáleností měníren může vznikat vysoké napětí na koleji s následkem chybného působení průrazek s opakovatelnou funkcí (VLD). Nízká svodová vodivost koleje (tj. kvalitní elektrické izolační uložení koleje vůči zemi) by pak i při chybném působení průrazky omezila unikající proud z koleje a procházející proud mostní konstrukcí by mohl být řádově nižší s malým nebo žádným poškozením stavby. Riziko poškození konstrukce daným jevem lze v současnosti řešit i v souladu s ČSN EN 50122-1, ed. 3, vhodným typem průrazky, nyní VLD-O vyšší kategorie (2 nebo 4), jak je nyní připravováno například pro stavbu platformy na Masarykově nádraží v Praze.

Obr. 4 – Stav ocelových sloupů v tramvajové vozovně po obnažení při rekonstrukci vozovny – bludný proud „vyzobává“ materiál paty sloupu. Žlutě jsou vyznačeny plochy typicky poškozené vystupujícími bludnými proudy.

Praxe dále ukazuje, že jeden z významných bodů systému ochranných opatření ve vozovnách a depech je způsob napájení trakční soustavy v objektu budovy. Norma ČSN EN 50122-2, kap. 9, stanovuje povinnost používat pro vozovny a depa samostatné usměrňovací jednotky, které budou pracovat pouze pro samotnou halu vozovny či depa, tj. v malém uzavřeném elektrickém stejnosměrném obvodu, kdy nedochází k zásadnímu šíření bludných proudů do okolí. Toto řešení pak umožňuje pro provoz provést zásadní bezpečnostní opatření, a to je spojit kolejnice s konstrukcí haly a uzemněním haly a vytvořit tak bezpečné prostředí pro pracovníky servisu v hale. Nezbytnou podmínkou tohoto řešení jsou izolační styky na vstupu do haly (v současné době je vedena diskuse, zda do haly patří v této souvislosti i zhlaví před vozovnou) a správně dimenzované (předimenzované) odsávací kabely tak, aby proudy z kolejí odcházely přednostně odsávacími kabely zpět do měnírny, a nikoli konstrukcí stavby a uzemněním přes nedostatečně izolovanou kolej v depu. Takový postup je například nyní uplatňován na stavbě nového železničního depa v Bohumíně a měl by se postupně znovu vrátit do DPM (trasa metra D, depo Písnice).

Obr. 5 – Vada v ukolejnění způsobila dlouhodobý průtok proudu o velikosti cca 100 A z koleje nosné konstrukce mostní stavby s následkem zničení zcela nových mostních závěrů (doba působení cca měsíce až jeden rok).

Na výše popsaná řešení napájení vozoven a dep však nebyly v ČR vytvořeny podmínky a řešení se v ČR používá jen v omezeném rozsahu. Na tramvajových tratích, především z toho důvodu, že koleje jsou svařované v celém městě, řada měst nepoužívá nebo nepoužívala izolační styky na vstupu do vozoven. Rovněž je třeba připustit, že kvalita elektrického izolačního uložení tramvajových kolejí, i přes snahu problematiku řešit, má svá výše zmíněná omezení. Tramvajové trati v ČR mnohem snadněji zvládají problematiku bezpečnosti, protože četnost měníren je ve městech poměrně velká, napětí na kolejích dosahuje obvykle do ± 10 V. Na tratích železnic a metra není výjimkou napětí na kolejích v řádu 50 až 100 V, tedy mimo meze bezpečných napětí pro depa a vozovny. V ČR je dlouhodobě ve městech zavedeno společné napájení z měnírny jak pro širou trať, tak pro vozovny a depa s tím, že se kolejnice izolují v halách od stavby a uzemnění a v době montáží či údržby je ta která kolej zkratována (čili zpětné proudy odchází masivně do konstrukce nebo spíše z konstrukce zpět do koleje a do měnírny). Metro používá v současné době systém napájení podobný, avšak s kabelovými propojkami kolejnic v trase (stejně jako železnice), je však vybaveno izolovanými styky na vstupu do vozovny a zdvojením zpětných kabelů před a za izolačním stykem. Je vhodné poznamenat, že při měřeních bylo zjištěno, že měnírny metra v Praze Kačerov (1974) a Hostivař (cca 1985) byly navrženy původně s odděleným napájením, samostatnou usměrňovací jednotkou (dle současné normy ČSN EN 50122-2, ed. 2 a 3!) a společným uzemněním kolejí se stavbou depa. Tato řešení však byla vzápětí po uvedení do provozu eliminována zabezpečovacími obvody a systémem napájení elektrických instalací. V důsledku těchto zanesených vad jsou dlouhodobě řešeny problémy s vyskytujícím se napětím v depu Kačerov a opalováním nákolků na izolačních stycích. Náprava negativních vlivů masivního průtoku bludných proudů trvá roky a vyžaduje součinnost všech složek DPM, včetně zásahu do stavebních řešení a instalací, když klíčové hledisko je zachování bezpečnosti provozu. DPM tuto problematiku v současné době aktivně řeší v depu Hostivař.

V posledních letech se podařilo prolomit při návrhu ochranných opatření bariéru nevole statiků a podařilo se do dep a vozoven navrhovat betonové konstrukce bez výztuže či s nekovovou výztuží. V Brně-Pisárky byly instalovány do nové i stávající vozovny vláknobetony bez kovové výztuže, pro vozovnu Hloubětín v Praze byly navrženy původně nekovové výztuže, realizován je rovněž vláknobeton bez kovové výztuže. Není již výjimkou použití kompozitních roštů a lávek ve styku s kolejí, zejména pro myčky. Využívání kompozitních KARI sítí je možno rovněž vidět častěji (tramvajové depo Plzeň Slovany). Podobné řešení je uvažováno pro návrh některých částí budoucích železnic na trase Praha – Veleslavín – Praha Letiště Václava Havla. Volby nových materiálů vyžadují především spolupráci statika a ochotu věnovat se novým technologiím z hlediska statických výpočtů a přijmutí rizika funkce takových statických prvků. Rovněž je nutná spolupráce s investory dráhy, protože ti musí přijmout, že vyšší investice bude garantovat mnohaletý bezúdržbový provoz stavby.

Autor: Ing. Bohumil Kučera,
JEKU s.r.o.