Skąd tramwaj bierze prąd i dlaczego iskrzy

W Płocku tramwajów nie ma, więc kiedy jadę z klasą na wycieczkę do Warszawy, część uczniów ogląda je z taką samą ciekawością jak muzea. W zeszłym roku, w listopadowe popołudnie, staliśmy na przystanku, gdy nad nadjeżdżającym składem strzeliła seria niebieskich błysków. Ktoś krzyknął, że się pali. Nic się nie paliło, ale pytanie „skąd te iskry” jechało z nami do autokaru i z powrotem do Płocka.

Najpierw rzecz, która zaskakuje prawie wszystkich. Do każdego urządzenia elektrycznego prowadzą dwa przewody, bo prąd musi dopłynąć i wrócić. Tramwaj ma nad sobą tylko jeden drut. Gdzie jest drugi?

Z czego się składa

1. Podstacja trakcyjna - budynek przy trasie, który zamienia prąd przemienny z sieci miejskiej na prąd stały dla tramwajów.
2. Kable zasilające - prowadzą prąd z podstacji do sieci nad torem, a kable powrotne z szyn z powrotem do podstacji.
3. Sieć jezdna - przewód jezdny z miedzi, zawieszony na linkach, wysięgnikach i słupach.
4. Odbierak prądu - pantograf albo pałąk na dachu, dociskany sprężynami do przewodu.
5. Nakładki ślizgowe - węglowe listwy na górze odbieraka, które ślizgają się po drucie.
6. Szyny - prowadzą koła i jednocześnie są drogą powrotną dla prądu.

Drugi przewód leży w torowisku

Drugim przewodem są szyny. W większości polskich miast sieć nad torem ma biegun dodatni, a szyny ujemny. Prąd stały, zwykle o napięciu 600 woltów, płynie z podstacji kablem do sieci jezdnej, z sieci przez odbierak do tramwaju, przez aparaturę sterującą do silników, z silników przez koła do szyn, a szynami i kablami powrotnymi wraca do podstacji. Obwód jest zamknięty i ma kilka kilometrów długości.

Dlaczego pieszego, który stoi na torze, nie poraża? Szyny mają potencjał bliski ziemi, a prąd ma do dyspozycji wygodną, grubą drogę w stali. Nie znaczy to, że przy torowisku można się bawić czymkolwiek. Sieć jezdna nad głową jest pod pełnym napięciem i ma dość energii, żeby zabić. Mam uprawnienia do eksploatacji urządzeń elektrycznych, a i tak do tej sieci nie podchodzę. To robota dla ludzi z innym przeszkoleniem, którzy mają wyłączenia i uziemiacze w ręku.

Węgiel po miedzi

Odbierak na dachu to przegubowa konstrukcja, którą sprężyny albo siłowniki dociskają od dołu do przewodu. Docisk musi być w sam raz. Za słaby, i odbierak podskakuje na nierównościach, gubiąc styk. Za mocny, i ciągnie drut do góry, szybciej go ściera i zrywa na każdej przeszkodzie w sieci.

Na samej górze są nakładki ślizgowe, najczęściej z węgla. Węgiel przewodzi prąd, sam się smaruje i jest bardziej miękki od miedzi. To ma znaczenie, bo wolimy, żeby zużywała się tania listwa na dachu, łatwa do wymiany, a nie kilometry przewodu nad ulicą. Przewód jezdny ma specjalny profil z dwoma rowkami po bokach. Za te rowki łapią go uchwyty, a od dołu zostaje gładka powierzchnia dla nakładki. Przekrój miedzi to według wytycznych co najmniej około 80 milimetrów kwadratowych, często więcej.

Przewód nie wisi dokładnie nad osią toru. Prowadzi się go lekko na boki, zygzakiem, żeby nakładka ścierała się na całej szerokości i nie wyżłobiła rowka w jednym miejscu. Z przystanku tego nie widać, ale na zdjęciu zrobionym z dołu, wzdłuż toru, zygzak widać dobrze.

Skąd te błyski

Iskra to prąd, który przeskakuje przez szczelinę w powietrzu. Pojawia się, kiedy nakładka na chwilę traci styk z drutem, a przez odbierak płynie akurat duży prąd. Robi się mały łuk elektryczny i widać błysk. Najczęstsze przyczyny są cztery.

Pierwsza to miejsca szczególne w sieci: rozjazdy sieci, skrzyżowania przewodów i izolatory sekcyjne, które dzielą sieć na odcinki zasilane osobno. Nakładka przejeżdża tam przez twardsze elementy i lekko podskakuje.

Druga to szron i lód. Jesienią i zimą przy wilgoci przewód pokrywa się cienką warstwą lodu, a lód jest izolatorem. Nakładka go zdrapuje, ale co chwila traci styk. Stąd efektowne serie błysków w mroźne poranki, często na pierwszych kursach, zanim ruch oczyści drut. Tak właśnie wyglądał nasz listopadowy pokaz.

Trzecia to duży pobór prądu. Tramwaj ruszający spod przystanku bierze dużo energii, a im większy prąd, tym łatwiej o łuk przy najmniejszej przerwie w styku.

Czwarta to ciekawostka dla uczniów mechatroniki. Nowsze tramwaje przy hamowaniu potrafią pracować silnikami jak prądnicami i oddawać energię z powrotem do sieci. Prąd płynie wtedy przez odbierak w drugą stronę i tak samo może iskrzyć. Iskra przy hamowaniu nie musi więc znaczyć, że tramwaj prąd pobiera. Czasem go oddaje.

Częste, silne iskrzenie w jednym miejscu to już sygnał dla służb sieciowych. Łuk nadtapia miedź i węgiel, na drucie robią się wżery, a nakładki się wykruszają. Takie miejsca się sprawdza, reguluje zawieszenie albo wymienia odcinek przewodu.

Sieć podzielona na odcinki

Sieć tramwajowa nie jest jednym ciągłym przewodem od pętli do pętli. Izolatory sekcyjne dzielą ją na odcinki, a każdy jest zasilany z podstacji osobnym kablem. Podstacji jest w mieście dużo, stoją wzdłuż tras. Przy zwarciu albo zerwanym drucie wyłącza się więc tylko jeden odcinek, a na pozostałych tramwaje jeżdżą dalej. Ten podział przydaje się też przy pracach: ekipa wyłącza swój kawałek, uziemia go i może spokojnie pracować bez zatrzymywania ruchu w całym mieście.

Podstacje mają jeszcze jedno, mniej widoczne zadanie. Pilnują, czy w sieci nie ma zwarcia, i wyłączają zasilanie w ułamku sekundy, gdy prąd zrobi się podejrzanie duży. Łatwe to nie jest, bo ruszający tramwaj też pobiera bardzo duży prąd, a zabezpieczenie musi odróżnić jedno od drugiego.