Ajojohdin

Ajojohdin on sähköjohdin, jonka tarkoitus on välittää sähköenergiaa raitiovaunuille, johdinautoille ja junille. Sitä kutsutaan myös:

ratajohdoksi, joka viittaa koko rakennelmaan kannatusrakenteineen kaikkineen ajolangaksi, joka tarkoittaa virallisesti ainoastaan sitä johdinta, josta virroitin ottaa virtansa, mutta sitä voidaan puhekielessä käyttää laajemminkin.

Artikkelissa käytetään käsitettä ajojohdin, joka tarkoittaa Suomen rautateillä kannattimen ja ajolangan muodostamaa kokonaisuutta.

Ratajohdossa (tai johdinautojen ajojohtimissa) on yksi tai kaksi ajolankaa, jotka sijaitsevat raiteen yläpuolella ja ovat suurjännitteisiä. Jännite saadaan syöttömuuntajista, joita on säännöllisin välein. Syöttömuuntaja-asemilla käytetään tavallisesti suurjännitteistä sähkönjakelua.

Kuvia

Yleiskatsaus Sähköjunat ottavat virran ajojohtimesta käyttäen virroitinta, esimerkiksi saksi-, lyyra- tai tankovirroitinta. Se painuu vasten alinta ajojohdinta eli ajolankaa. Virroittimet johtavat sähköä, ja virta pääsee kulkemaan junan tai raitiovaunun kautta takaisin syöttöasemalle teräspyörien ja -kiskojen kautta. Muut kuin sähköveturit, kuten dieselveturit, voivat kulkea tällaisilla raiteilla koskematta ajojohtimeen, tosin ajolangan turvavälissä voi olla ongelmia. Junien vaihtoehtoisia virroitustapoja ovat virtakisko, maahan upotettu virtakisko, akut ja sähkömagneettinen induktio.

Rakenne alt=|vasen|pienoiskuva|Radan kunnossapidon sähkömiehiä korjaamassa ratajohtoa Puolassa. alt=|vasen|pienoiskuva|Ajojohdinten risteys Torontossa: kaksi saksivirroittimia varten käytettävää palkkia, joiden välistä tankovirroittimet kulkevat. Jotta suurnopeusjunien hyvä virroitus olisi mahdollista, ajolangan on tärkeä olla tietyissä geometrisissä rajoissa. Tämä tehdään yleensä tukemalla ajolankaa toisella langalla, jota kutsutaan kannatinlangaksi eli kannattimeksi. Kannatin on ripustettu luonnollisesti kahden pisteen välille, ja se on kiinnitetty ajolankaan säännöllisin välein olevilla pystysuorilla langoilla, joita kutsutaan ripustimiksi. Kannatinta tuetaan erilaisilla rakenteilla kuten taljoilla, siteillä tai puristimilla. Tällöin koko järjestelmä altistuu mekaaniselle jännitykselle.

Kun ajolanka muodostaa kytkennän saksivirroittimen kanssa, virroittimen yläosassa olevat hiilet kuluvat. Suoralla radalla ajolanka kulkee siksak-muodossa vasemmalle ja oikealle virroittimen keskikohtaan nähden, jotta virroitin kuluu tasaisesti eikä lovia pääse muodostumaan virroittimeen. Kaarteissa ripustinten väliset ajolangan osat ovat suoria eivätkä radan tavoin kaarevia, jolloin muodostuu samanlainen siksak-liike kuin suorallakin. Ajolangan liikettä saksivirroittimen hiilissä kutsutaan lakaisemiseksi.

Ajojohtimen siksak-rakennetta ei tarvita tankovirroittimia käytettäessä.

Varikkoalueilla on usein ainoastaan yksi johdin (ajolanka ilman kannatinta). Kun ensimmäiset ratajohtojärjestelmät rakennettiin, hyvä virroitus onnistui ainoastaan pienissä nopeuksissa pelkkää ajolankaa käyttäen. Suurempia nopeuksia varten kehitettiin kaksi erilaista ajojohdinjärjestelmää:

Ensimmäisessä järjestelmässä jokaisessa tukirakenteessa on ylimääräinen johdin, joka päättyy kannattimen molemmille puolille. Yhdistetyssä järjestelmässä käytetään toista tukevaa lankaa kannattimen ja ajolangan välissä. Kyseinen lanka on kiinnitetty kannattimeen ripustimilla, ja ajolanka on puolestaan kiinnitetty tähän lankaan toisilla ripustimilla. Välilanka voi olla paremmin sähköä johtavaa, mutta huonommin kulumista kestävää metallia, mikä parantaa virransyötön hyötysuhdetta.

Vanhanmalliset ripustimet ainoastaan tukivat ajolankaa mekaanisesti eivätkä muodostaneet sähkökytkentää ajolangan kanssa. Nykyaikaiset ripustimet johtavat sähköä, jolloin ei tarvita erillisiä johtimia.

Nykyisin käytettävä sähköistysjärjestelmä on peräisin noin sadan vuoden takaa. Pirelli Construction Company ehdotti 1970-luvulla yksinkertaisempaa järjestelmää, jossa oli yksittäinen johdin, joka oli upotettu koko pituudeltaan 2,5 metrin välein alumiiniorteen ajolangan kosketuspinnan ollessa paljaana. Taipuisaa ajolankaa esijännitettiin hieman ennen orteen kiinnittämistä, jolloin voitiin ajaa 400 km/h käyttäen paineilmatoimista servosaksivirroitinta 3 G:n kiihtyvyydellä.  

Raitioteillä käytetään yleensä pelkkää ajolankaa kannattimetta.

Kahden ajojohtimen käyttö oikea|pienoiskuva| Rinnakkaisten ajojohdinten ajolankavaihde alt=|vasen|pienoiskuva|Johdinautojen ajolankavaihde Virtapiirissä on oltava vähintään kaksi johdetta. Raitio- ja rautateillä käytetään ajojohdinta virtapiirin toisena napana ja teräsraiteita toisena. Johdinautot kulkevat kumipyörillä tietä pitkin eivätkä raiteilla, joten paluuvirtaa ei voi johtaa kiskoihin. Johdinautolinjoilla käytetään toista ajolangan vieressä olevaa johdinta paluujohtimena ja kahta tankovirroitinta: yhtä kummallekin johtimelle. Saksivirroittimet ovat yleensä yhteen sopimattomia kahden johtimen järjestelmien kanssa. Virtapiireissä käytetään molempia johtimia. Myös rautateillä käytetään joskus harvoin kahta vierekkäistä ajojohdinta kolmivaiheisen vaihtovirtasähköistysjärjestelmän kanssa.

Ajojohdinten tyypit Neuvostoliitossa käytettiin seuraavan tyyppisiä johtimia.Исаев, И. П.; Фрайфельд, А. В.; "Беседы об электрической железной дороге" (Discussions about the electric railway) Москва, "Транспорт", 1989. sivut 186-7 Ajolanka oli kylmävedettyä kuparijohdinta, jolla saavutettiin hyvä sähkönjohtavuus. Johdin ei ole pyöreä, mutta sen sivuissa on uurteet, jotta ripustimet voivat tarttua siihen. Ajolangan pinta-alat olivat vaihdealueilla 85, 100 tai 150 mm². Johtimen vahventamiseksi voidaan lisätä 0,04% tinaa. Ajojohtimen on kestettävä valokaarten muodostama lämpö, joten niissä ei tulisi koskaan käyttää lämpöliitoksia.

Kannattimen tulee olla sekä vahva että sähkönjohtavuudeltaan hyvä. Niissä käytettiin monisäikeisiä johtimia, joissa oli 19 säiettä johdinta kohden. Säikeet oli tehty kuparista, alumiinista ja/tai teräksestä. Kaikki säikeet voivat olla samaa metallia tai osa säikeistä terästä vahvuuden parantamiseksi ja loput alumiinia tai kuparia sähkönjohtavuuden parantamiseksi.See previous reference and Ботц Ю. В., Чекулаев, В. Е., Контактная сеть. Москва "Транспорт" 1976 s. 54 Toisessa tyypissä käytettiin kuparijohtimia, mutta niiden sisällä oli teräsytimet johdinten vahventamiseksi. Teräsytimet oli galvanoitu, mutta jotta niiden korroosionkesto olisi parempi, ne saatettiin pinnoittaa korroosiolta suojaavalla aineella.

Kiristys alt=|pienoiskuva|Ratajohdon kiristyspyörästö Saksassa Ajojohtimet pidetään mekaanisessa jännityksessä, koska saksivirroitin aiheuttaa ajojohtimeen mekaanista värähtelyä ja aallon tulee kulkea junaa nopeammin, jotta ei synny seisovia aaltoja, jotka voisivat hajottaa johtimen. Ajojohdinten esijännittäminen saa aallot kulkemaan nopeammin.

Keskinopeiden junien ja nuolijunien käyttämät ajojohtimet jännitetään yleensä painojen avulla tai toisinaan hydraulisilla jännittimillä. Molempia menetelmiä kutsutaan vakiokiristämiseksi eli -kiristykseksi, ja menetelmillä taataan näennäisesti, että jännityksen suuruus ei riipu lämpötilasta. Kiristyksessä käytetään yleensä 9-20 kN:n voimaa johdinta kohden. Käytettäessä kiristyspainoja, painot liikkuvat ylös ja alas pylvääseen kiinnitetyssä tangossa tai putkessa, mikä vähentää niiden huojumista.

Käytettäessä alhaisia nopeuksia sekä tunneleissa, joiden lämpötila on vakio, voidaan käyttää kiinteitä kiinnityksiä, jolloin ajojohtimet on kiristetty ja kiinnitetty suoraan ratajohdon rakenteisiin. Jännityksen suuruus on yleensä noin 10 kN. Tällainen laitteisto taipuu kuumina päivinä ja kiristyy kylminä päivinä.

Vakiokiristystä käytettäessä painojen aseman muutos lämpötilan mukaan rajoittaa ajojohdinten yhtenäisen osan pituutta, koska ajojohtimet laajenevat ja supistuvat. Painojen siirtymä on verrannollinen kiristettävän ajojohtimen pituuteen eli ankkurointien väliseen etäisyyteen. Kiristettävän johtimen pituudella on yläraja; esimerkiksi Yhdistyneen kuningaskunnan 25 kV OHL-järjestelmän yläraja on 1 970 m.

Vakiokiristystä käytettäessä toisena ongelmana on se, että jos kiristyspainot on kiinnitetty ajojohtimen molempiin päihin, kiristetty johdin pääsee liikkumaan raiteen yllä koko pituudeltaan. Tämän välttämiseksi ajojohdin kiinnitetään myös kiristettävän osan keskeltä keskiankkuroinnilla, mikä rajoittaa kannattimen liikettä. Ajolanka ja ripustimet liikkuvat vain silloin, kun keskiankkurointi ei rajoita niiden liikettä.  Matalissa silloissa on joskus kiinteä keskiankkurointi, mutta muuten ankkuroinnissa käytetään pystysuoria ratajohtopylväitä tai portaaleja sekä kääntöorsia. Kiristysväli tarkoittaa keskiankkuroinnin ja pääteankkurointien välisiä ajojohdinosuuksia, joiden molemmat puolikkaat pitenevät ja lyhenevät lämpötilan mukaan.

Useimpiin järjestelmiin kuuluu laite, joka pysäyttää ajojohdinten putoamisen, jos johdin katkeaa tai jännitys menetetään. Saksalaisissa ratajohdoissa on yleensä yksittäinen iso kiristysväkipyörä, jossa hyödynnetään räikkämekanismia. Väkipyörän reuna on hammastettu, ja siihen on upotettu varsi, joka on saranoitu pylvääseen. Tavallisesti painojen alaspäin kohdistuva voima ja kiristetyn ajojohtimen ylöspäin kohdistuva vastavoima vetävät siten, että hampaat ovat kaukana pysäytyskohdasta. Pyörä pääsee pyörimään vapaasti, kun painot laskevat ja nousevat lämpölaajenevan ajojohtimen mukana. Jos jännitys katoaa, väkipyörä putoaa pylvästä vasten ja joku hampaista painuu räikän kieltä vasten. Tällöin liike pysähtyy, vahingot vähenevät ja ajojohtimen vahingoittumattomat osat pysyvät ehyenä korjaukseen asti. Muissa järjestelmissä käytetään erilaisia jarrukoneistoja, joissa on yleensä useasta pienemmästä pyörästä koostuva kiristyspyörästö taljan muodossa.

Erotusjaksot Ajojohtimet jaetaan erotusjaksoihin, jotta sähkökatkoksen vaikutusaluetta saadaan rajattua ja huolto mahdollistettua.

Erotusjakso alt=|pienoiskuva|Erotin Amtrakin 12 kV:n ajojohtimen erotusjaksossa Jotta ratajohtoa voidaan huoltaa ilman, että koko järjestelmästä pitää katkaista jännite, ajojohdin jaetaan sähköisesti osuuksiin, joita kutsutaan erotusjaksoiksi. Erotusjaksot vastaavat usein kiristysosuuksien pituuksia. Siirtymää erotusjaksolta toiselle kutsutaan erotusjaksoalueeksi, ja se on toteutettu siten, että kulkuneuvon virroitin on jatkuvasti kytkeytyneenä ajolankaan.

Erotusjaksoalue on toteutettu lyyra- ja saksivirroittimia varten siten, että siinä on kaksi rinnakkaista ajolankaa kahden tai neljä ripustimen matkalla. Uusi ajolanka laskee alas ja vanha nousee ylös, jolloin virroitin pääsee pehmeästi siirtymään käyttämään toista ajolankaa. Ajolangat eivät koske toisiinsa (vaikka lyyra- tai saksivirroitin koskee lyhyesti molempiin lankoihin). Tavallisesti erotusjaksot on sähköisesti yhdistetty, mutta järjestelmästä riippuen voidaan käyttää myös jaksoerotinta, kiinteää kytkentää tai tehostinmuuntajaa. Jaksoerotin mahdollistaa erotusjakson virransyötön keskeyttämisen huoltoa varten.

Tankovirroittimille suunniteltujen ajojohdinten erotusjaksoissa on erotusjaksoalue johdinten välillä, ja siihen tarvitaan jaksoerotin. Raitiovaunun tai johdinauton kuljettajan täytyy katkaista virta tankovirroittimen kulkiessa erotusjaksoalueen läpi, jotta valokaari ei vahingoittaisi erotinta.

Saksivirroitinta käyttävien vetureiden ei tule ajaa erotusjaksoalueen läpi silloin, kun toinen puoli on jännitteettömänä. Veturi olisi voinut jäädä jumiin, mutta kun se kulkee erotusjaksoalueen läpi, virroitin oikosulkee hetkeksi kaksi ajojohdinta. Jos vastakkainen ajojohdin on jännitteetön, hetkellinen jännite voisi rikkoa pääkatkaisijan. Jos ajojohdinta huolletaan, yhtäkkinen ajojohtimen tuleminen jännitteelliseksi voisi aiheuttaa loukkaantumisen. Vaikka ajojohdin olisi maadoitettu oikein, virroittimen yli kulkeva valokaari voi vahingoittaa virroitinta, ajojohtimen eristintä tai molempia.

Erotuskenttä