Prezentacja Instytutu Kolejnictwa 05 marca 2013r. Zastosowania nakładek węglowych w odbierakach prądu Zakład Elektroenergetyki Wiesław Majewski
Prezentacja: 1. Wstęp 2. Badania nakładek 3. Wymagane własności nakładek 4. Podstawy prawne zastosowania nakładek 5. Wykaz typów nakładek dopuszczonych do zastosowania 6. Zalety nakładek węglowych 7. Wyniki i wnioski z wdrażania nakładek
Wstęp Do roku 2010r. ślizgacze odbieraków prądu taboru kolejowego PKP wyposażone były w miedziane nakładki stykowe, W CNTK badano już od połowy lat 70 możliwości zastosowania nakładek węglowych, wyniki badań były zachęcające, Rozpoczęcie badań nakładek węglowych w roku 2004, które można uważać za początek ich wdrożenia w PKP.
Wytyczne konstrukcyjne ślizgaczy odbieraków wyposażonych w nakładki węglowe - Masa całkowita ślizgaczy węglowych:...12 ± 1,2 kg - Liczba rzędów nakładek węglowych:...2 - Długość robocza listwy węglowej:...1050 1100 mm - Szerokość stykowa nakładek węglowych:...40 60 mm - Rozstaw rzędów nakładek:...300 350 mm - Rezystywność materiału węglowego:...3 5 µωm - Gęstość materiału.. max 2,5 g/cm 3 - Twardość materiału :...max 120 HRB - Wytrzymałość na zginanie min 65 N/mm 2
Dana techniczne nakładek węglowych impregnowanych domieszkami metali Właściwości Lp. Producent Typ Rezystyw- Gęstość Twardość Wytrzymałość na ność zginanie [µωm] [g/cm3] [HRB] [N/mm2] 1 Morganite MY7A2 5 2,40 ------------ 85 2 PanTrac GmbH RH83M6 7 3,40 105 102 3 Elektrokarbon a.s. SK181 ----------- 2,20 90 --------- 4 Mersen (Francja) P5696 7 2,30 90 85 5 Wartość wymagana ------------ Max 5 Max 2,50 Max 120 Min 65
Ogólny wygląd z boku węglowej nakładki stykowej
Wygląd nakładki węglowej z przodu
Wygląd nowej powierzchni stykowej nakładki węglowej
L150 2 DjpS100 0 C P Oznaczenia: - P + I 0 C temperatura zestyku: nakładki węglowe przewody jezdne Schemat elektryczny stanowiska w laboratorium do badania nagrzewania P prądnica prądu stałego I prąd DC 200A L150 lina nośna 2 Djp100 dwa przewody jezdne
Termograf z kamery termowizyjnej procesu nagrzewania nakładek węglowych
90 80 70 60 Przyrost temperatury [ 0 C] 50 40 30 styk 1 styk 2 styk 3 styk 4 dop.przyrost 20 10 0 0:00:00 0:07:12 0:14:24 0:21:36 0:28:48 0:36:00 Czas nagrzewania [gg:mm:ss] Przebiegi nagrzewania przewodów, nacisk 110N
Widok lokomotyw z pantografami wyposażonymi w ślizgacze węglowe
Powierzchnia ślizgowa nakładki węglowej z nalepami miedzianymi
Widok nakładki węglowej z nalepami miedzianymi
Nakładki węglowe ze śladami działania łuku elektrycznego
Połączenie ślizgowe nabieżnika z nakładką węglową pantografu
Oderwany fragment materiału węglowego od aluminiowej podstawy nakładki
Zniszczony ślizgacz węglowy po zdjęciu z pantografu
Analizując wyniki przeprowadzonych badań, pomiarów i obserwacji w ramach pracy CNTK nr 3084 stwierdzono: przeciętnie największe zużycie wystąpiło w okresie: grudzień marzec w porównaniu do okresu późniejszego. W tym czasie pojawiały się zużycia dochodzące do wartości powyżej 2 mm/103 km niezależnie od typu nakładki. Jedynym wytłumaczeniem mogło być poruszanie się pantografu po oblodzonej sieci trakcyjnej, występowały wykruszenia (wyszczerbienia) krawędzi nabiegowych każdej eksploatowanej nakładki, spowodowane prawdopodobnie uderzeniem w bliżej nieokreślone elementy sieci trakcyjnej lub inne przypadkowe przedmioty, stwierdzono w okresie zimowym oszronienie i oblodzenie pantografów oraz nakładek ślizgowych. W tym okresie pojawiły się tzw. nalepy na powierzchniach ślizgowych i bocznych nakładek węglowych, będące płatkami miedzi trwale przylepionymi do tych powierzchni. Nalepy powstały prawdopodobnie wskutek nadtapiania przewodów jezdnych podczas iskrzenia w styku między nimi a nakładkami, większy stopień zużycia wykazywały nakładki pierwsze niż drugie ślizgacza, licząc w kierunku jazdy, po skończeniu się okresu zimowego, zaobserwowano zmniejszenie sięśredniego zużycia wszystkich nakładek (w mm/103 km), eksploatowanych niezależnie od miejsca. Różnica zużycia była ok. 2 2,5 krotna,
nie stwierdzono zależności tempa zużywania się nakładek od serii lokomotyw, decydującym czynnikiem była długość drogi przebiegu lokomotyw, stwierdzono ślady wytopień na bocznych powierzchniach aluminiowych podstaw nakładek. Ślady powstały prawdopodobnie wskutek pojawiania się łuku elektrycznego pomiędzy przewodami jezdnymi a podstawą z pominięciem materiału węglowego, skład chemiczny materiału węglowego wszystkich producentów nie stwarza zagrożenia ekologicznego, podczas jednoczesnej eksploatacji, przeciętne zużycie bezwzględne nakładek miedzianych było ok. 3-krotnie mniejsze od węglowych, zaburzenia elektromagnetyczne pochodzące od lokomotyw wyposażonych w pantografy z nakładkami węglowymi i miedzianymi nie przekraczają wartości dopuszczalnych, nagrzewanie się przewodów jezdnych od przepływu prądu 200 A DC przez styk z pantografem podczas postoju lokomotywy zależne jest od typu nakładek węglowych.
ZALETY NAKŁADEK WĘGLOWYCH W PORÓWNANIU DO MIEDZIANYCH: Dłuższy czas eksploatacji nakładek węglowych przy porównywalnych kosztach wymiany. Dłuższa żywotność przewodów jezdnych, co zmniejsza ogólne koszty utrzymania sieci. Właściwości węgla eliminują zjawisko spiekania się nakładek z przewodami jezdnymi (węgiel nie wchodzi w reakcje z miedzią). Możliwość eksploatacji przy większych prędkościach jazdy (240 km/h i większych). Eliminacja zakłóceń elektrycznych, mających wpływ na sygnały telefoniczne i radiotelekomunikacyjne oraz na obwody sterowania. Brak hałasu powstającego od procesu tarcia nakładki o przewód jezdny. Brak potrzeby smarowania powierzchni styku nakładka-przewód.
Podstawy prawne zastosowania nakładek: Decyzja Komisji UE z dnia 26 kwietnia 2011 r. dotycząca technicznej specyfikacji interoperacyjności podsystemu Energia transeuropejskiego systemu kolei konwencjonalnych, Ustawa z dnia 28 marca 2003r. o transporcie kolejowym (Dz. U. z 2007 r. Nr 16 poz. 94 ze zm.), Obwieszczenie Prezesa Urzędu Transportu Kolejowego Dz. Urzędowy Ministra Infrastruktury Nr 9 poz. 62 z dnia 8 sierpnia 2005r., Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 października 2005r. w sprawie ogólnych warunków technicznych eksploatacji pojazdów kolejowych (Dz. U. Nr 212 poz. 1771), Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 27 lutego 2009 r. w sprawie warunków dostępu i korzystania z infrastruktury kolejowej (Dz. U. Nr 35 poz. 274), Polska Norma PN-EN 50367. Zastosowania Kolejowe. Systemy odbioru prądu. Kryteria techniczne dotyczące wzajemnego oddziaływania między pantografem a siecią jezdną górną (w celu uzyskania wolnego dostępu),
Decyzja Komisji z dnia 26 kwietnia 2011 r. w sprawie technicznej specyfikacji interoperacyjności odnoszącej się do podsystemu Tabor Lokomotywy i tabor pasażerski w transeuropejskim systemie kolei konwencjonalnych. 5.3 Specyfikacja składników interoperacyjności 5.3.8 Pantograf 5.3.8.1 Nakładki stykowe Nakładki stykowe to wymienialne części ślizgacza pantografu, które stykają się z przewodem jezdnym. Nakładki stykowe powinny być zaprojektowane i oceniane pod kątem obszaru stosowania, określonego przez: -Ich geometrię, -Materiał nakładek stykowych, -Typ systemu napięcia, -Obciążalność stykową, -Prąd maksymalny w trakcie postoju dla systemów DC, -Ponadto w przypadku nakładek stykowych wykonanych z węgla lub z węgla impregnowanego należy wykonać ocenę zgodności według EN 50405:2006
Warunki, które muszą spełnione aby nakładka węglowa mogła być eksploatowana na sieci PKP 1) przyrost temperatury przewodów jezdnych w miejscu styku podczas postoju przez minimum 30 minut: 80 C; 2) zawartość wagowa metalu w materiale węglowym: < 40 %; 3) twardość materiału węglowego: 120 HRB; 4) szerokość nakładek węglowych: 60 mm.
PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. Regulamin przydzielania tras pociągów i korzystania z przydzielonych tras pociągów przez licencjonowanych przewoźników kolejowych w ramach rj 2012/2013 (w.0) Wykaz materiałów z których mogą być wykonane nakładki ślizgowe odbieraka prądu (pantografu) pojazdu trakcyjnego do kontaktu z siecią trakcyjną PKP Polskie Linie Kolejowe S.A.
Lp Symbol Producent Ograniczenia. materiału 1 MY7A2 Morganite Electrical Carbon Ltd. Wielka Brytania bez ograniczeń 2 P8511 MERSEN France Amiens S.A.S. Francja bez ograniczeń 3 SK-162 Elektrokarbon a.s. Słowacja bez ograniczeń 4 RH83 M6 PanTrac GmbH Niemcy bez ograniczeń 5 SK85ACu Hoffmann & Co Elektrokohle AG Austria bez ograniczeń 6 SK01Cu Hoffmann & Co Elektrokohle AG Austria typ materiału może być stosowany na sieci PLK z zastrzeżeniem, że podczas postoju pod siecią 7 SK85Cu Hoffmann & Co Elektrokohle AG Austria jednoprzewodową muszą być podniesione i załączone dwa pantografy 8 MY131 Morganite Electrical Carbon Ltd. Wielka Brytania bez ograniczeń typ materiału może być stosowany na sieci PLK z zastrzeżeniem, że podczas postoju pod siecią 9 S4202 Morganite Electrical Carbon Ltd. Wielka Brytania jednoprzewodową muszą być podniesione i załączone dwa pantografy 10 P5696 MERSEN France Amiens S.A.S. Francja bez ograniczeń 11 SK07Cu Hoffmann & Co Elektrokohle AG Austria bez ograniczeń
Wykruszony bok nakładki węglowej
Wyłamany koniec nakładki węglowej przy nabieżniku
Celem ustalenia przyczyn powstawania uszkodzeń na styku sieć trakcyjna odbieraki prądu powołano Zespół Kontrolny sprawdzający sieć trakcyjną i odbieraki prądu. W skład Zespołu wchodzą przedstawiciele: Cargo, IC, PR, CTL Logistics, PKP Energetyka S.A. i PKP PLK S.A.
Złączka klinowa wmontowana w przewód jezdny
Izolator sekcyjny wmontowany w sieć trakcyjną
Kanał powietrzny w nakładce węglowej układu zabezpieczającego ADD
Istnieje wiele czynników wpływających na czas eksploatacji nakładek węglowych, dlatego też dokładne przewidywanie ich żywotności jest trudne. Istnieją różne czynniki wpływające na czas eksploatacji nakładek: Warunki pogodowe Nacisk odbieraka na przewody jezdne Prędkość jazdy taboru Kształt ślizgacza i nabieżników Wymiary nakładek Szerokość odbieraka prądu Gęstość prądu na jednostkę długości styku Hamowanie odzyskowe Stan przewodów jezdnych i sposób mocowania Stan techniczny odbieraka prądu Stan techniczny pojazdu trakcyjnego
Podsumowanie Dłuższy czas eksploatacji nakładek węglowych niż miedzianych Większa żywotność przewodów jezdnych Czas eksploatacji nakładek węglowych zależy od stanu sieci trakcyjnej i odbieraków prądu Czas eksploatacji nakładek węglowych zależy od warunków atmosferycznych, pory roku, Odporność nakładek węglowych na zespawanie z przewodami jezdnymi
Dziękuję Państwu za uwagę