Suchen

Elektromotoren Automatisierung und Antriebstechnik für den Gotthard-Basistunnel

Redakteur: Karl-Ullrich Höltkemeier

Ein SMM-Redakteur Matthias Böhm durfte den Bau des Gotthard-Basistunnels in über 800 m Tiefe begutachten. Besonderes Augenmerk wurde zum einen auf die Liftanlage und das Entwässerungssystem gelegt. Letzteres muss bei einem möglichen Wassereinbruch immense Wassermengen aus dem Tunnel durch einen 850 m langen, senkrechten Schacht nach oben pumpen.

Firma zum Thema

Einsichten: Verladestation am Schachtende des Service-Aufzugs.
Einsichten: Verladestation am Schachtende des Service-Aufzugs.
( Archiv: Vogel Business Media )

Von 2011 an werden Bahnreisende die Strecke Zürich–Mailand mit Hochgeschwindigkeitszügen in 2 Stunden und 40 Minuten zurücklegen können. Später werden sie für diese Strecke sogar nur 2 Stunden und 10 Minuten benötigen. Ermöglicht wird dies durch den Bau einer neuen transalpinen Schienenachse in der Schweiz. Teil der Strecke sind drei Haupttunnel: der Zimmerberg-Basistunnel, der Gotthard- und der Ceneri-Basistunnel.

Der Bau des Basistunnels am Gotthard – mit 57 km bei Fertigstellung der längste Eisenbahntunnel der Welt – hat bereits begonnen. Dabei erfolgt ein gleichzeitiger Vortrieb in fünf Teilstücken. In Sedrun, welches etwa in der Mitte der Tunnelstrecke liegt, kommen zwei Schachtförder-Anlagen der Firma ABB zum Einsatz: Diese befördern einerseits Ausbruchmaterial und andererseits alle Baumaterialien und Maschinen sowie Personen. Zudem hat ABB das in diesem Teilstück höchst anspruchsvolle Entwässerungssystem realisiert.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 5 Bildern

6 km langes Teilstück mit besonderen Anforderungen

Das zentrale Teilstück, der 6 Kilometer lange Sedrun-Abschnitt, bietet eine spezielle Herausforderung: Hier wird auf Grund der instabilen Beschaffenheit des Felsens mit konventionellen Sprengungen anstatt mit Tunnelbohrmaschinen gearbeitet. Außerdem ist der Sedrun-Abschnitt im Gegensatz zu den anderen Abschnitten nicht horizontal zugänglich, sondern über zwei 850 m tiefe vertikale Schächte.

Im Mai 1999 erhielt ein Konsortium, bestehend aus der Siemag Transplan und ABB, von der AlpTransit Gotthard, einer Tochter der Schweizerischen Bundesbahnen (SBB), den Auftrag, eine Förderkorbanlage sowie einen Service-Aufzug zu liefern.

Beginn der gewerblichen Nutzung der beiden Anlagen war Ende 2002. ABB war dabei für die Entwicklung und Bereitstellung aller elektrischen Komponenten und Steuerungen zuständig, während Siemag Transplan den Bau aller mechanischen Teile der Anlagen übernahm. Nach Abschluss des Tunnelbaus wird der Aufzug für Service- und Wartungszwecke weiter bestehen bleiben.

Technische Daten der beiden Förderanlagen

Beim Förderkorb handelt es sich um eine 4-Seil-Friktionswinde mit einer

4,8-m-Rolle. Korb und Gegengewicht haben eine Kapazität von 38,4 t. Neben seinem Einsatz zur Förderung von Ausbruchmaterial wird dieser Förderkorb dazu verwendet, Verstrebungen und anderes Material auf Basistunnel-Niveau zu transportieren. Das Antriebssystem des Förderkorbs besteht aus einem „ACS 6000 SD“-System mit einem „AMZ 2000 KK16“-Synchronmotor. Beim Service-Aufzug handelt es sich um eine Trommeleinheit mit einer 2-m-Trommel; der Antrieb erfolgt über einen 270-kW-DC-Motor. Mit einer Kapazität von 1,6 t wird der Service-Aufzug hauptsächlich für die Personenbeförderung genutzt werden.

Es gibt keine Aussenaufbauten. Beide Anlagen sind mit ihrem gesamten technischen Zubehör und der kompletten Steuerung unter der Erde installiert. Der Zugang von aussen erfolgt über einen 1 km langen Zugangsstollen.

Beim Synchronmotor für die Förderkorbanlage in Sedrun handelt es sich um

einen 16-Pol-Motor mit Nennwerten von 4176 kW, 3150 V, 0–8,4 Hz und einer Drehzahl von 0–63 U/min. Er ist direkt, ohne zusätzliches Getriebe mit der Rolle der Förderanlage verbunden. Sowohl Motor als auch Leistungsendstufen sind wassergekühlt.

Förderanlagen-Steuerungskonzept und -Überwachung

Die Steuerungen der beiden Schachtanlagen in Sedrun basieren auf den Systemen „Control-IT“ und „Operate-IT“ von ABB: zwei leistungsstarke und benutzerfreundliche Systeme, die rund um die AC-110-Prozesssteuerung aufgebaut sind und die Gleichstromversorgung für das Human System Interface (HSI) liefern.

Mithilfe der Advant-Software AdvaSoft optimieren diese Steuerungen die Fahrzeiten, wodurch die Produktivität gesteigert und der Wartungsaufwand minimiert werden kann. Die Bedienung des Förderkorbs erfolgt vollautomatisch, während die Bedienung des Service-Aufzugs über Drucktaster erfolgt.

Die elektronische, digitale Anlagenüberwachung Advant Hoist Monitor «AHM 110» dient primär dazu, die Schächte in Sedrun zu überwachen und zu sichern. Das System ermöglicht eine sehr genaue Überwachung der Förderanlagendaten wie Geschwindigkeit, Beschleunigung, Abbremsung und Förderposition.

Multiple-Check-Point-Sicherheitssystem PHM

Die Schachtanlagen in Sedrun wurden so ausgelegt, dass sie die deutschen Sicherheitsrichtlinien (gemäss TAS) erfüllen, die zu den strengsten der Welt gehören. Als Ergänzung zum Advant Hoist Monitor entschloss sich ABB daher für den Einsatz eines speziell entwickelten Multiple-Check-Point-Hoist-Monitor (PHM). Dieser baut auf der Schaltrelais-Technologie auf und enthält unter anderem einen Tachogenerator zur Messung der Fördergeschwindigkeit sowie 12 Magnetsensoren im Schacht: sechs am unteren Ende und sechs am oberen Ende des Schachts. Der PHM ermöglicht auf diese Weise sowohl eine Geschwindigkeitskontrolle als auch eine punktgenaue Positionsüberwachung.

Das Wasserproblem: bis 1000 Liter pro Sekunde

Auf ihrem Weg durch die verschiedenen geologischen Zonen der Alpen müssen die Tunnelbohrmaschinen verschiedene Schwierigkeiten bewältigen. Eine dieser Schwierigkeiten sind größere Wassermengen, die in den Felsen eingeschlossen sind. Geologen schätzen, dass im schlimmsten Fall 1000 Liter Wasser pro Sekunde durchbrechen und in den Tunnel gelangen könnten. Um eine Überflutung des Tunnels zu verhindern, muss dieses Wasser über die Schächte 850 m nach oben abgepumpt werden.

Gesucht wurde ein Lieferant von Pumpensystemen, der einerseits einschlägige Erfahrungen in der Abwicklung komplexer Projekte wie diesem nachweisen kann und andererseits über die notwendigen Technologien für eine herausragende Automatisierungslösung verfügt. ABB Schweiz in Baden erhielt schließlich den Auftrag zur Bereitstellung des kompletten Systems einschließlich Pumpen, Rohrleitungen, elektrischer Anlagen und Automatisierungstechnik.

Pumpen für eine Förderhöhe von 850 m: 85 bar

Das Herzstück des Systems ist eine Pumpstation mit acht Hochdruckpumpen, die einen Mindestdruck von 85 bar liefern, der erforderlich ist, um das Wasser in den Schächten 850 m in die Höhe zu pumpen. Oben angekommen, wird das Wasser aufbereitet und in den Oberrhein geleitet. Die Installation von zwei unabhängigen Anlagen mit je vier Pumpen (eine Anlage redundant ausgeführt), sichert eine hohe Zuverlässigkeit des Systems. Jede Anlage verfügt über ein eigenes unabhängiges mechanisches, elektrisches, hydraulisches und automatisierungstechnisches System.

Neben den Hochdruckpumpen und -rohrleitungen wurde ABB auch mit der Bereitstellung aller zum Betrieb der Station erforderlichen elektrischen Betriebsmittel einschließlich Frequenzumrichter, Einspeisetransformatoren und Verkabelung beauftragt.

Ein modularer Aufbau der Anlagen (siehe Kasten) ermöglicht eine schnelle und sichere Errichtung einer neuen identischen Station bei fortschreitenden Arbeiten.

Automatisierung – eine besondere Herausforderung

Die Auslegung des Automatisierungssystems stellte eine besondere Herausforderung dar, da sich die Leitstationen nicht nur in Größe und Komplexität, sondern auch im Hinblick auf die erforderliche Redundanz unterscheiden und weit verteilt sind. Hinzu kommt, dass die Leitstationen in einer rauen Umgebung mit einer Durchschnittstemperatur von 35°C, einer sehr hohen Feuchtigkeit und einem extrem hohen Staubaufkommen funktionieren müssen.

Das Industrial-IT-System erfüllt diese Bedingungen. Vier «AC800M-Controller» wurden in der Hochdruckpumpstation installiert, zwei für jede der 4 Pumpenanlagen. Jede Niederdruckstation ist mit einem «AC800M» zur Steuerung der Pumpen ausgestattet. Die gesamte Anlage ist standardisiert, um die Installation vorkonfigurierter Pakete beim Bau jeder neuen Pumpstation entlang des Tunnels zu vereinfachen.

Um sicherzustellen, dass das System auch dann noch ordnungsgemäß funktioniert, wenn der letzte Controller in fünf Jahren installiert wird, werden alle Controller im selben Labor bei ABB in Baden konfiguriert und getestet. So können neue Niederdruckanlagen installiert werden, ohne dass bereits installierte Einrichtungen geändert werden müssen.

Die für dieses Projekt erforderliche modulare Systemarchitektur wird wirksam unterstützt durch die Industrial-IT-Technologie von ABB. Die einzelnen Pumpen, bis hin zur gesamten Pumpstation, werden als Objekte dargestellt und in einer Library gespeichert. Sobald die erste Niederdruckpumpstation erfolgreich in Betrieb genommen ist, werden alle Änderungen, die während der Inbetriebnahme erforderlich sind, automatisch auf die Systeme übertragen, deren Installation für einen späteren Zeitpunkt geplant ist.

Und nach der Fertigstellung?

Sobald der Tunnel fertig gestellt ist, werden die Pumpenanlagen nicht mehr benötigt. Nach Abschluss der Arbeiten sollte der Tunnel so gut isoliert sein, dass sämtliches Wasser, das durch die Wände sickert, durch die Tunnelportale abfliessen kann. Die Hilfsstation, die jetzt die Hochdruckpumpen enthält, wird dann in einen so genannten «Multifunktionsbau» umgewandelt, in den im Notfall Passagiere evakuiert werden können. (böh)

(ID:216568)