Schaltschränke und Abzweigdosen für den Tunnelbau

Dichte Schränke und Dosen für den neuen Gotthard-Eisenbahntunnel

Die hohen Sog- und Druckbelastungen in Eisenbahntunneln stellen für die Elektro­installation eine große Herausforderung dar

Gigantisches Bauvorhaben

Der Eisenbahntunnel durch das St. Gotthardmassiv stellt alles bisher in Europa Gebaute in den Schatten. Sage und schreibe 57 km wurde er durch das Bergmassiv in den Schweizer Alpen getrieben (Abb. 1). Damit ist er der längste Eisenbahntunnel der Welt und seine Tunnelstrecke mit allen Quer- und Verbindungsstollen erstreckt sich über rund 154 km. Seit dem 1. Juni 2016 – früher als ursprünglich geplant –  nutzen dann Züge mit bis zu 250 km/h den neuen Tunnel. Damit sinkt die Reisezeit zwischen Mailand und Zürich auf weniger als 3 Stunden, während die Transportleistung auf der Schweizer Nord-Süd-Achse mit 40 Mio. Tonnen Güter nahezu verdoppelt werden kann. Mit Kosten von 12 Mrd. CHF ist es das größte Bauvorhaben einer neuen Nord-Süd-Verbindung für Hochgeschwindigkeitszüge durch die Alpen.

Ausgefeiltes Sicherheitskonzept bei der Planung

Bei diesen Dimensionen wurde nichts dem Zufall überlassen. Sicherheit war oberstes Gebot. So sieht das Konzept des neuen Gotthard-Basistunnels zwei Röhren vor, die rund 40 m weit auseinander liegen und durch sogenannte Querschläge, die in einem Abstand von rund 325 m vorhanden sind, miteinander verbunden werden. Durch zwei doppelte Spurwechsel können

dabei ganze Züge von einer Röhre in die andere wechseln, welche bei Wartungsarbeiten oder im Ereignisfall zur Anwendung kommen. Diese Spurwechselpunkte liegen in zwei sogenannten Multifunktionsstellen, die auch Teile der Lüftungsinstallationen und Nothaltestellen beherbergen. Sie sind für einen Nothalt eines Zuges konzipiert und dienen als Flucht- und Evakuierungsort für die Reisenden, die von hier mit einem Evakuierungszug aus dem Tunnel gebracht werden können. Auf dem Rettungsweg in die andere Tunnelröhre müssen weder Gleise überquert noch Treppen oder Lifte benutzt werden. Die Nothaltestellen und ihre Seiten- und Verbindungsstollen werden im Ereignisfall mit Frischluft versorgt. Während in der Ereignisröhre der Rauch abgesaugt wird, genügt in der Nothaltestelle ein geringer Überdruck, um den Fluchtweg rauchfrei zu halten. Außerhalb der Nothaltestellen dienen die Querschläge als Fluchtweg.

Hohe Sicherheitsstandards für Produkte

Ähnlich gigantisch wie das Bauprojekt und sein Sicherheitskonzept sind auch die Anforderungen an die eingesetzten Produkte, die über das bisher gekannte Maß weit hinausgehen. So hat die Deutsche Bahn für die in Deutschland befindlichen und geplanten Eisenbahntunnel spezielle Standsicherheitsuntersuchungen definiert, die alle technischen Details der Anlage und die zu erwartenden Einwirkungen betreffen. Besonders heftige Einflussgrößen hier sind Sog und Druck, die auf alle im Tunnel verbauten Komponenten wirken. Die definierten Anforderungen beziehen sich darauf, ob die Komponenten die aerodynamischen Kräfte der Sog- und Druckbelastungen unbeschadet überleben, an ihrem Platz bleiben und weiterhin funktionieren. Genauso wichtig ist aber auch die Frage, ob das Produkt angesichts der hohen Kräfte auch tatsächlich dicht bleibt, oder ob der Gehäusedeckel sich vielleicht so weit anhebt, dass Staubpartikel und Feuchtigkeit eindringen und im Inneren zu Beeinträchtigungen der Anlagenteile führen können. Schließlich würde jeder Ausfall und jede Wartung einen Stillstand des Betriebs in einer Röhre verursachen, was angesichts der zu erwartenden Frequentierung der Strecke zu schmerzhaften Betriebsverzögerungen und somit zu Gewinneinbußen führen würde. Die Bauherrin „AlpTransit Gotthard AG“ hat darum noch strengere Standards definiert und stellt höchste Ansprüche an die Langlebigkeit aller eingesetzten Produkte. Auch wenn in Deutschland die Tunnel nicht diese extremen Dimensionen annehmen, gelten ähnliche Verhältnisse und sind bereits bei der Planung zu berücksichtigen. Für diese Extrema ist keine Norm oder Richtlinie verfügbar, deshalb ist aus den Erkenntnissen der zurückliegenden Tunnelprojekte in Europa ein Anforderungskatalog entstanden, der in allen Tunnelprojekten Anwendung finden sollte. 

Herausforderung für die Elektro­installation

Die Komponenten der Elektro­installation befinden sich vor allem in den insgesamt 176 Querschlägen (Abb. 2) zwischen den beiden Fahrröhren. Die Rahmenbedingungen hier könnten kaum schwieriger sein, denn beim Einfahren des Zuges in die Tunnelröhre mit Geschwindigkeiten größer 160 km/h wird die Luft komprimiert und der Luftdruck steigt entsprechend an. Zwar wird die Luftströmung des fahrenden Zuges von den Querschlagtüren zum großen Teil abgehalten, der Über- resp. Unterdruck der Luftkomprimierung dringt jedoch in den Querschlag ein und belastet die Oberflächen der verbauten Hohlkörper mit bis zu +/- 1 t/m². Es musste also sichergestellt werden, dass alle Geräte diesem Druckwechsel mechanisch standhalten und die hohe Schutzart IP 67 (staub- und wasserdicht) dabei erhalten bleibt. Wie bereits beim 2007 in Betrieb genommenen Lötschberg-Basistunnel, haben sich auch für den Gotthard-Basistunnel zwei langjährige Partner zusammengetan. Der Schaltschrankspezialist Swibox AG aus Balterswil (Schweiz) für das Schrankkonzept und die Leitung des Projektes sowie die auf Kühlsysteme spezialisierte Pfannenberg GmbH aus Hamburg für den Bau der den Anforderungen entsprechenden Schrankklimatisierung. Für den Lötschberg-Basistunnel hatte die Swibox AG im Jahr 2003 ein völlig neues Schranksystem mit einer hochdichten Kabelschnittstelle im Schranksockel entwickelt, welches für +/- 5 kPa oder 500 kg/ m² Druckbelastung ausgelegt war. Da beim Gotthard-Basistunnel die Anforderungen auf +/-10 kPa oder 1 t/m² erhöht wurden, musste das komplette System grundlegend überarbeitet und geprüft werden. Die Lösung bestand in einer ausgeklügelten inneren Schrankverstrebung, die zum Patent angemeldet wurde. 2880 dieser Schränke wurden seither für den Gotthard von Swibox entwickelt, projektiert und in den Querschlägen in Betrieb genommen. 

Klimatisierte Schränke

Doch damit war es nicht getan, denn eine weitere Herausforderung in Tunneln ist die Umgebungsluft. Große Temperaturunterschiede von - 20° C bis zu + 40° C, maximale Luftfeuchtigkeit von 100% sowie eisenhaltiger Abrieb der Bremsen und Schienen und Kupfer der Fahrleitung in der Umgebungsluft erhöhen die Korrosionsgefahr ganz erheblich. Es musste also ein spezielles Klimakonzept erstellt werden. Das war die Aufgabe der Firma Pfannenberg. Auch hier ließ man den Stand der Technik hinter sich und entwickelte speziell für den Gotthard ein neues Konzept. Dieses wurde als Komplettsystem zusammen mit dem Schaltschrank von Swibox im extra für solche Projekte entwickelten Prüflabor ausgiebig getestet und durchlief erfolgreich 200 000 Druckwechselbelastungen +/- 10kPa. Das gesamte Prüfprozedere wurde dabei durch eine neutrale Prüfstelle durchgeführt und von der schweizerischen Akkreditierungsstelle für Normen (SAS) überwacht. Neben den Kühlgeräten von Pfannenberg, welche nun vor allem im Berginneren (Umgebungstemperaturen bis + 40° C) zum Einsatz kommen, mussten in den Portalbereichen (Umgebungstemperaturen bis – 20° C) auch Heizungen des gleichen Herstellers verbaut werden. Diese Heizungen stellen sicher, dass die Temperatur im Schaltschrank nicht unter den sogenannten Taupunkt fällt. Der Taupunkt beschreibt die Temperatur von feuchter Luft, die bei unverändertem Druck unterschritten werden muss, damit sich die in der Luft gelöste Menge an Wasser als Kondensat abscheidet. Am Taupunkt beträgt die relative Luftfeuchtigkeit 100 %, d. h. die Luft ist dann mit Wasserdampf gesättigt. 

Dichte Abzweigdosen

Noch stärkerer Verschmutzung und aerodynamischen Einflüssen ausgesetzt sind die Bauteile, die sich unmittelbar in den Fahrröhren (Abb. 3) befinden. Hier werden beispielsweise Fluchtwegbeleuchtungen montiert, die einzeln abgesichert sein müssen, damit im Schadensfall immer nur eine Leuchte ausfällt und alle weiteren sicher mit Strom versorgt werden. Bei 57 km Tunnellänge kommt hier einiges an Kabeln, Abzweigdosen und Automaten zusammen, so dass es bei der Auswahl der Lieferantenauch auf die Möglichkeit der schnellen, sicheren Montage ankam. Die Wahl fiel auf die Rapid-Box (Abb. 4) des deutschen Gehäusespezialisten Spelsberg. Das Gehäusesystem wurde speziell für den abgesicherten Abzweig ungeschnittener Leiter bis 50 mm² (Cu) entwickelt. Der abgesicherte Abzweig erfolgt entweder mit einer 2,5 mm²-Leitung oder über CEE-Steckdosen (3-polig oder 5-polig) im Gehäusedeckel. Sicherungen und Steckdosen werden vorverdrahtet geliefert. Die Montage am Abzweigpunkt erfolgt, ohne dass die Haupt- oder Zuleitung getrennt werden muss (Abb. 5). Diese Technologie lässt eine flexiblere und erweiterungsfähige Montage auch nach der Inbetriebnahme zu. Die Hauptklemme ist zusätzlich auch als Verbindungsklemme von zwei geschnittenen Leitern verwendbar. Durch die Verwendung von CEE-Steckdosen sind Betriebsmittel, wie z. B. Leuchten, besonders schnell und effizient anzuschließen und instand zu setzen. Für die Montage braucht man nicht länger als 15 Minuten, so dass das System den Aufwand erheblich reduziert. Diese schnelle Montagezeit ist auch ein wesentlicher Vorteil im Hinblick auf die Wartungszeiten, die unmittelbar Auswirkungen auf die Verfügbarkeit der Anlage haben. So werden nicht nur die Montagezeiten und -kosten gesenkt, sondern auch die zyklisch wiederkehrenden Instandhaltungskosten, wie zum Beispiel beim Austausch oder bei der Erweiterung der Abzweigdosen. Neben Tunnelanlagen sind damit auch andere Objekte mit langen Kabelstrecken, wie Industriehallen oder Hochhäuser, ideale Einsatzgebiete für das neue System. Um für jeden erdenklichen Anwendungsfall die passende Lösung zu bieten, ist die Rapid-Box modular aufgebaut. Es gibt zwei Grundversionen: Die Standardvariante nach EN 61439-2 (VDE) und die Varianten für die Brandschutzinstallation mit Funktionserhalt in E30, E60 oder E90 nach DIN 4102 und EN 1363, wie sie auch am Gotthard zum Einsatz kommen. Je nach konkreter Aufgabe kann man die einzelnen Bestandteile der Rapid-Box individuell kombinieren. So stehen wahlweise Steckdosen im Deckel oder Kabelverschraubungen an der Gehäuseseite zur Verfügung. Es gibt die Möglichkeit der Außenerdung und unterschiedlich abgesicherter Automaten. Alle Schaltgerätekombinationen sind VDE- und MPA-zertifiziert. Auch was die Klemmen betrifft hat man die Wahl. Der wartungsfreie, hochgesetzte Klemmenblock kann variabel 1- bis 5-polig bestückt werden. Die gefederte Mantelmutter für die Durchgangsverdrahtung sorgt auch bei starken Vibrationen für einen störungsfreien Betrieb. Der Abzweig selbst erfolgt über eine Federzugklemme. Unterschiedliche Querschnitte und Bemessungsströme sind hier möglich, so dass das Innere der Rapid-Box exakt zur Aufgabenstellung passend konfektioniert werden kann. Auch die variable Bestückung des Deckels trägt dem Kundenwunsch Rechnung. Je nach Leitungsdurchmesser stehen sieben unterschiedliche Dichtungsgrößen inklusive Leitungseinführung zur Wahl. Das Gehäuse ist äußerst robust und UV-beständig und hält auch größten Belastungen durch Witterung oder Schmutz problemlos Stand, so dass die Installation auch in korrosionsgefährdeten Bereichen, wie dem Gotthard-Tunnel, möglich ist. Im Brandfall sorgen die low-smoke Eigenschaften des Materials für eine geringe Schadstoffbelastung und Rauchentwicklung. Installiert werden kann die neue Rapid-Box wahlweise an Decken, Wänden und auch an Kabeltrassen. Die Befestigungsstellen sind außen am Gehäuse angebracht, so dass die Rapid-Box montiert werden kann, ohne sie dafür öffnen zu müssen. Deckel und Schrauben sind zudem unverlierbar, so dass die Montage besonders leicht von der Hand geht - ein großer Vorteil vor allem bei Arbeiten auf der Leiter oder über Kopf. Die Rapid-Box wurde europaweit zertifiziert: Die Schaltgerätekombination entspricht der EN 61439, die Feuerwiderstandsprüfung ist EN 1363-konform. Um die extrem hohen Sicherheitsstandards der AlpTransit Gotthard AG zu erfüllen, wurde die Rapid-Box vor der Montage weiteren Tests unterzogen. Wichtig war vor allem, dass die Schutzart auch angesichts der hohen Druck- und Sog-Lasten erhalten bleibt. Ein Praxistest im Labor brachte hier Sicherheit: Auch nach 200 000 Zyklen, bei denen jeweils +/-10 kPa Druck auf die Rapid-Box einwirkten, blieb das Gehäuse inklusive seiner Silikondichtung stabil und selbst 30 Minuten später konnte kein Druckverlust festgestellt werden. Damit waren die strengen Anforderungen der schweizer Tunnelbauer erfüllt – die Rapid-Box konnte verwendet werden. Das beschriebene System der Abzweigdosen ist universell und hoch variabel einsetzbar, nicht nur, wie im Beispiel genannt, in der Beleuchtung der Flucht- und Rettungswege, sondern auch in Verteilungsanlagen für mobile Geräte unter Einsatz genormter Steckverbindungen für die Wartung oder für Rettungskräfte. 

Resümee

Die Sicherheitsvorschriften für den Bau und Betrieb von Eisenbahntunneln sind besonders streng. Im neuen Gotthard-Basistunnel, mit 57 km der längste Eisenbahntunnel der Welt, wurden die Anforderungen noch einmal verschärft. Da Züge ihn künftig mit 250 km/h passieren werden, kommt es zu enormen Zug- und Sogbelastungen für alle eingesetzten Bauteile. Hinzu kommen dramatische Temperaturunterschiede, hohe Luftfeuchtigkeit und eine extreme Staubbelastung. Für zuverlässigen Funktionserhalt und Schutz aller Komponenten sorgen hier Speziallösungen: Klimatisierungssysteme von Pfannenberg in hochdichten Schaltschränken von Swibox und Abzweigdosen von Spelsberg erfüllten die anspruchsvollen Tests und gewährleisten einen sicheren Betrieb unter extremen Bedingungen und unter Beibehaltung einer hohen variablen Flexibilität.

Zusammenfassung

Dichte Schränke und Dosen für den neuen Gotthard-Eisenbahntunnel

In Tunneln herrschen andere Umgebungsbedingungen als außerhalb. Diese besonderen Bedingungen sind noch nicht in einer Norm erfasst. Um den Betrieb sicher zu gewährleisten und ein hohes Sicherheitsniveau zu bieten, ist es notwendig, diese extremen Bedingungen zu kennen und zu berücksichtigen. Der Beitrag beschreibt diese extremen Einflüsse auf die Elektroanlagen am Beispiel des Projektes Gotthard-Tunnel und legt auch die bis heute gemachten Erfahrungen dar.