Teknistä tietoa kaksivirtajärjestelmän raitiovaunuista

Markku Nummelin (keskellä) Saksassa Tampereen kaavoitusjohtaja Jyrki Laihon (vas.) ja raideliikenneselvitystä tekevän konsultin Heimo Rintamäen seurassa.

Saksassa järjestettiin lokakuussa Tram Train 2002 –konferenssi, johon osallistui Tampereen kaupungin raideliikenneselvitystä tekevän työryhmän jäseniä ja lisäksi muun muassa Ratahallintokeskuksen kunnossapitoyksikön päällikkö Markku Nummelin.
Seuraavassa hänen kirjoituksensa kaksijärjestelmän tekniikasta ja toteutuksesta.

Matkan tarkoituksena oli hankkia uusin tietämys rautateillä ja raitioteillä käytettävästä kaksijärjestelmäkalustosta, siihen liittyvästä ratatekniikasta ja kaluston hyväksymiskriteereistä. Tietoa tarvitaan erityisesti Tampereella käynnissä olevaan TamTrain-selvitykseen, jossa myös RHK on kiinteästi mukana. Matkan ohjelman perusrungon muodosti Saksan Karlsruhessa 17.–18.10.2002 pidetty TramTrain 2002 -kongressi. Ennen ja jälkeen kongressin tutustuimme liikkuvaan kalustoon, käytettyyn tekniikkaan sekä ratkaisujen soveltamiseen yhdyskuntarakenteeseen Saarbrückenissä, Karlsruhessa ja Heilbronnissa.

Pyöräprofiilit ja urakiskot

Normaali rautatiepyöräprofiili on paras ratkaisu. Kaupungeissa, joissa kaksijärjestelmäliikenne on rakennettu jo aikaisemmin olemassa olleeseen raitiotieinfraan, kuten Karlsruhessa, on jouduttu käyttämään kapeita erikoisprofiileita (GT8-100C/25). Ne sopivat raitioteiden kapeisiin urakiskojen uriin, mutta rautateiden puolella on jouduttu lieviin kompromisseihin. Sisäpuolelta jyrkät laipat eivät toimi tiukoissa kaarteissa suurehkoilla nopeuksilla yhtä hyvin kuin varsinainen rautatieprofiili. Saarbrückenissä on puolestaan rakennettu täysin uusin kaupunkiraitiotie, mikä on voitu suunnitella rautateiden urakiskoilla. Siellä käytetäänkin normaalia rautateiden pyöräprofiilia. Ratkaisuun on oltu täysin tyytyväisiä. Leveä urakisko ei ole aiheuttanut kadulla ongelmia. On kuitenkin huolehdittava, ettei raitiotiekaistalla ole samansuuntaista pyöräilyä ja että suojatiet risteävät raiteen mahdollisimman kohtisuoraan. Leveä urakisko on myös puhtaanapidon kannalta edullinen. Kun pyöräprofiili on normaali, voidaan kalustoa käyttää periaatteessa koko rataverkolla.

Telit

Kaksivirtaliikenteessä, jossa nopeudet voivat olla varsin suuriakin, perinteiset telit ovat osoittautuneet hyväksi ratkaisuksi. Yksittäispyöräkerrat sopivat paremmin perinteisille katuraitioteille.

Kevyen kaluston turvallisuus

Turvallisuus taataan aktiivisella turvallisuudella, ei raskaan rautatiekaluston passiivisella turvallisuudella. Passiivisuudella tarkoitetaan tässä niin suuria lujuusvaatimuksia, että kalusto kestää kovankin törmäyksen. Aktiiviseen turvallisuuteen vaikutetaan puolestaan erityisen suurella hidastuvuudella ja liikenteen turvaamisella erilaisilla turvalaitteilla. Kevyen kaluston hidastuvuuden tulee olla noin 2,75 m/s2 , kun se rautateillä on yleensä 1,0  m/s2.

Pikaraitioteiden vaunujen tulee olla mahdollisimman kevyitä. Jokainen säästetty painotonni säästää energiaa 2 % (noin 0,13 kWh/km).

Ranskassa kevyen kaluston turvallisuustarkasteluissa on noudatettu periaatetta, että kokonaisvaikutukseltaan turvallisuuden on oltava vähintään aikaisempaa yleistä tasoa. Eri turvallisuusaspekteja voi kompensoida keskenään.

Turvallisuuslaitteet

Saksassa kaksijärjestelmäraitiovaunuissa on normaalit rautateiden tunnusvalot ja viheltimet. Etupään kolmiovalon ylävaloa käytetään myös kadulla. Se on kuitenkin Suomessa vaadittua merkittävästi heikkotehoisempi.

Vaunuihin tarvitaan rautateillä käytettävät JKV-laitteet (ETCS-veturilaitteet + STM-adapteri Suomen ratalaitteisiin) ja radio (Suomessa GSM-R).

Erotusjaksot

Rautateiden vaihtovirtajärjestelmän ja tasavirtajärjestelmän välille tulee rakentaa virraton erotusjakso. Virrattoman osuuden tulee olla niin pitkä, että koko juna on samanaikaisesti virrattomalla osuudella. Tähän lisätään pääkatkaisijan ym. laukeamisaika. Jakson kokonaispituus riippuu siten junan pituudesta ja käytettävästä nopeudesta. Karlsruhen alueella jakson pituus on 60 m (20 km/h) – 170 m (100 km/h). Systeeminvaihdon tulee tapahtua tasaisella osuudella, jossa koskaan ei tarvitse kiihdyttää junaa. Jakso ei voi siten olla esimerkiksi opastimen lähellä, nousussa tai katuosuudella, missä muu liikenne saattaa joutua pakottamaan vaunun hidastamaan ja taas kiihdyttämään.

Varoituslaitteet esim. suojateillä

Saksassa uusilla järjestelmillä valo on aina pimeänä, kun vaunua ei ole tulossa. Vaunun lähestyessä syttyy suurikokoinen punainen valo. Järjestely pitää jalankulkijat tarkkaavaisempina kuin vihreään valoon perustuva systeemi.

Seisakevalo

Seisakkeilla, joilla pikaraitiovaunut pysähtyvät vain tarvittaessa, on laiturilla matkustajien painettavissa erityinen pysäytysvalo. Kuljettaja näkee merkkivalosta pysähtymistarpeen jo kaukaa.

Standardisointi

Euroopassa ei ole valitettavasti yhtenäisiä määräyksiä kaksivirtaraitiotiekalustolle.

Saksassa käytetään hankinnoissa LNT-spesifikaatiota (Leichter Nahverkehrs Triebwagen). Seuraavia normeja on sovellettu:

• paloturvallisuus DIN 551054
• törmäyskesto DIN 5560
• lujuus EN 12663, kategoria III
• turvallisuustodistus EN 50126

Standardisointityö on kuitenkin käynnistymässä; jostain syystä työtä tehdään kuitenkin ainakin kolmen eri yhteisön voimin ja toimeksiannosta. Koordinointi olisi tärkeää. Yhtenäiset eurooppalaiset normit antavat odottaa itseään ainakin pari–kolme vuotta. Siksi esimerkiksi Tampereen hanketta varten Suomessa on tehtävä kansalliset spesifikaatiot.

Saksassa seuraavat lait ja asetukset ohjaavat kevyen kaluston ratkaisuja ja hyväksyntöjä:

• rautatielaki
• rautateiden rakentamis- ja liikennöintijärjestys (EBO); pikaraitiovaunut eivät kuitenkaan täytä EBO:n määräyksiä
• raitioteiden liikennöintijärjestys (koskee katuraitiovaunuja)

Saksan rautatieturvallisuusviranomaisen (Eisenbahnbundesamt) mukaan EBO:sta voidaan poiketa, jos turvallisuus saadaan taattua muutoin. Systeemin sisällä on mahdollista tehdä riskikompensaatioita. Tekniikalla varmistetaan, että kevyt kalusto ei törmää raskaaseen kalustoon. Mm. vaihtotöitä ei sallita kevyen kaluston käyttämillä raiteilla silloin, kun vaunussa on matkustajia. Liitynnät on varustettava turvavaihteilla. Kevyen kaluston turvallisuutta lisäävät erityisen hyvät jarrutusominaisuudet (moninkertaiset perinteiseen kalustoon verrattuna).

Hyväksyntämalli on nykyisin Saksassa seuraava:

Operaattoreilla tulee olla erityisohjeet miten esim. rikkoutunut junayksikkö poistetaan valtion radalta.

Levein standardisoitu vaunumalli on tieliikennesäännöksistä johtuen 2,65 metriä leveä. Tämä mitta tulisi ottaa käyttöön Tampereellakin.

Laiturikorkeudet

Laituriratkaisut ovat Saksassa erityisen kirjavia. Laiturikorkeus on kaksijärjestelmäradoilla 0–760 mm. Uudet laiturit rakennetaan kuitenkin kaupunkien ydinkeskustoissa 180–300 mm:n korkeuksille, hieman syrjempänä  mm:n korkeudelle. Suomessa sopiva laiturikorkeus olisi 265 mm, joka sopii hyvin kuormittamattoman vaunun noin 300–310 mm:n lattiakorkeudelle. Tämän laiturin ja vaunun välistä 275 mm:n rakoa suojaa vaunun alta esiin tuleva noin 200 mm syvä lippa. Tätä ratkaisua käytetään Saksassakin. Yhteiskäyttöalueen ulkopuolella raitiotielaituri voi olla lähempänä kalustoa, esim. 1400 mm raiteen keskilinjasta, kun se valtion radalla on 1600 mm:n etäisyydellä. Lipan ohjaus voidaan yhdistää esim. käytettävään jännitteeseen; 25 kV:n alueella lippa tulisi esiin, mutta ei 750 V:n alueella.

Tällä hetkellä Suomessa suurin sallittu nopeus 265 mm korkeiden laitureiden ohi on 140 km/h. Tampereen ympäristössä pikaraitioteitä suunnitellaan kuitenkin käytettävän rautatien nopeuteen 160 km/h asti. Matalien laitureiden käyttö näillä osuuksilla – ja toki muuallakin – vaatii erityiset turvallisuusjärjestelyt laiturilla. Hyvä vaihtoehto voisi olla laituriin upotetut lämmitetyt vilkkuvat varoitusvalot. Lisäksi ohikulkevista junista tulee varoittaa ääni- ja tekstivaroituksilla

Liikennemallit Karlsruhessa ja Saarbrückenissä

Kummassakin kaupungissa katuosuuksilla käytetään 750 V:n tasavirtaa ja rautateillä 15 kV:n vaihtovirtaa. Kaksijärjestelmäliikenne aloitettiin Karlsruhessa 1992 ja Saarbrückenissä 1997. Kumpaakin järjestelmää on laajennettu vaiheittain ja työ jatkuu edelleen. Karlsruhessa kaksivirtavaunuja on nykyisten toimitusten valmistuttua 99, optioineen 120. Kummankin kaupungin uudet liikennejärjestelmät ovat olleet matkustajamäärissä ilmiömäisiä menestyksiä. Karlsruhessa 40 % pikaraitioteiden nykyisistä matkustajista on siirtynyt henkilöautoista. Karlsruhessa on kaksijärjestelmäkaluston lisäksi runsaasti perinteisiä raitiovaunuja, joita käytetään kaupunkilinjoilla. Sen sijaan Saarbrückenissä koko kalustossa on kaksijärjestelemätekniikka. Karlsruhessa on Siemensin toimittamaa kalustoa, kun taas Saarbrückeniin vaunut on toimittanut Bombardier Transportation. Karlsruhessa ydinkeskustassa tarvittava hyvin tiheä vuoroväli saavutetaan kaksijärjestelmäjunien välillä keskusta-alueella kulkevilla raitiovaunuilla. Saarbrückenissä kaksivirtajunien vuoroväli on ydinkeskustassa 7,5 minuuttia, keskustan ulkopuolella 15 minuuttia ja ääripisteeseen Ranskan puolelle Sarrequeminesiin ajetaan 30 minuutin välein.

Kaupungin ulkopuolella vaunuilla ajetaan usein varsin suurella nopeudella. Erittäin hyvien jarrutusominaisuuksien johdosta jarrutus asemalle tultaessa tarvitse aloittaa merkittävästi perinteistä rautatiekalustoa myöhemmin. Kiihtyvyydenkin ollessa hyvä nämä yhdessä lisäävät merkittävästi radan kapasiteettia rautateiden paikallisjunaan verrattuna.

Karlsruhen pikaraitiotiejärjestelmä on kesästä 2001 alkaen palvellut myös Heilbronnin kaupunkia. Heilbronnissa tilanne on varsin Tampereen kaltainen; päärata kiertää kehässä ydinkeskustan, jonka läpi on rakennettu ja rakennetaan kadulla kulkeva pikaraitiotie. Karlsruhen vaunut kulkevat Heilbronniin, mutta vuoroväliä ovat tihentämässä myös paikalliset lyhytmatkaiset vuorot. Radan arkkitehtoniseen sijoitteluun katutilaan on kiinnitetty erityistä huomiota.

Saksassa on käynnistymässä kaksijärjestelmäliikenne lukuisissa muissakin kaupungeissa. Liikennejärjestelmä on käytössä tai suunnitteilla 16 eri kaupungissa. Liikkuva kalusto on jo tilattu Kasseliin (Alstom) ja Nordhauseniin (Siemens). Jälkimmäinen poikkeaa muista sikäli, että järjestelmänä on 750 V/diesel.

Kalustokustannukset

Euroopassa vuonna 2002 tilatut kaksijärjestelmävaunut maksavat 2,9–3,5 milj. euroa/yksikkö.

Johtopäätöksiä ja jatkotoimenpiteitä

Kaksijärjestelmäpikaraitiotie voi menestyä, kun

• matka-ajat ovat lyhyet
• kaluston on miellyttävää
• lippujärjestelmä on yksinkertainen (esim. Karlsruhessa lipun saa yhdellä napinpainalluksella)

Tampereen pikaraitiotie tulee toteuttaa normaalilla rautatiepyöräprofiililla ja kaduilla Ph 37a -  urakiskoilla.

Pyörän halkaisijan tulee olla uutena vähintään 660 mm ja loppuun kuluneena vähintään 580 mm. Tämän pienipyöräisen kaluston kulku 2-kärkisten risteysten ohi on tutkittava erikseen.

Kiihtyvyyden tulee olla vähintään 0,80 m/s2.

Hidastuvuusvaatimuksen tulee olla vähintään 2,75 m/s2.

Törmäyslujuuden tulee olla vähintään 600 kN.

Suurimman akselipainon tulee olla 10–11 tonnia.

Pienin kaarresäde rautatiellä on 200 metriä ja raitiotiellä noin 25 metriä.

Pikaraitiovaunun suurimman sallitun nopeuden tulee olla 100 km/h, mutta vaunun on kestettävä vastaan tulevan 160 km/h kulkevan junan paineisku. Tuulilasin tulee kestää 1 kg painavan esineen isku 260 km/h nopeudella (tämä vastaa kaksivirtaraitiovaunun ja junan kohtausnopeutta ja silloin lentävää kappaletta (esim. sepeli)).

Etupään merkkien osalta on selvitettävä erityisesti ylävalonheittimen tehovaatimukset.

Vaunun tulee olla mieluiten 100 % matalalattiallinen (lattian korkeus ovien luona 300–310 mm).

Jos yksikön pituus on noin 37 metriä, tulee sillä olla kokonaistehoa vähintään 600 kW.

Matalan laiturin turvallisuusjärjestelyt 160 km/h nopeudella on selvitettävä.

RHK:n tulee laatia kaksivirtaraitiovaunuja varten rautatiekäytön edellyttämät tekniset hyväksyntävaatimukset.

Sivun alkuun