Køretråd

Køretråd – Konstruktion, funktion og historisk udvikling på elektrificerede jernbaner

Køretråd er den elektrisk ledende metaltråd, der er ophængt over sporet på en elektrificeret jernbane, og som overfører elektrisk energi til toget gennem dets strømaftager. Køretråden udgør den nederste og direkte strømførende del af køreledningssystemet og er den del af anlægget, som togets pantograf har fysisk kontakt med under kørslen. Køretråden fremstilles normalt af kobber eller en kobberlegering, der kombinerer god elektrisk ledningsevne med høj mekanisk styrke og slidbestandighed. Den er udformet med en særlig profil, der gør det muligt at ophænge tråden uden at beskadige den nederste kontaktflade, som strømaftageren glider imod. På de danske fjernbaner anvendes et kørestrømssystem med en nominel spænding på 25.000 volt vekselstrøm og en frekvens på 50 Hz, mens Københavns S-bane anvender 1.650 volt jævnstrøm. Begge systemer anvender køretråd over sporet, men deres elektriske forsyningsanlæg, dimensionering og tekniske indretning er forskellige. Køretråden er normalt ophængt under et bæretov ved hjælp af hængere, så den holdes i en tilnærmelsesvis konstant højde over skinnerne og kan sikre en stabil strømoverførsel ved forskellige hastigheder. For at fordele slitagen på strømaftagerens kontaktstykke placeres tråden i et kontrolleret siksakforløb i forhold til sporets midterlinje. Køretrådens mekaniske spænding reguleres i mange anlæg gennem efterspændingssystemer, som kompenserer for temperaturændringer og begrænser variationer i trådens placering. Køretråden er dermed en af de mest centrale komponenter i jernbanens elektrificering og har afgørende betydning for eltogenes driftssikkerhed, hastighed, energiforsyning og vedligeholdelse.

Køretrådens funktion i elektrisk jernbanedrift

Køretrådens grundlæggende opgave er at skabe en kontinuerlig elektrisk forbindelse mellem jernbanens faste strømforsyning og det elektriske tog, mens toget er i bevægelse. Elektriske lokomotiver og togsæt har normalt en eller flere strømaftagere på taget. Strømaftageren, der også betegnes som en pantograf, kan hæves, så dens kontaktstykke presses mod undersiden af køretråden med en kontrolleret kraft. Når toget bevæger sig fremad, glider kontaktstykket langs køretråden og optager den elektriske energi, som toget skal bruge til fremdrift og forskellige hjælpefunktioner. Strømmen føres fra strømaftageren gennem togets elektriske installationer til det udstyr, der forsyner banemotorerne. På fjernbanens vekselstrømssystem sker dette blandt andet gennem en hovedafbryder, en transformator og de nødvendige effektelektroniske omformere. På S-banens jævnstrømssystem er den elektriske indretning anderledes, fordi toget modtager jævnstrøm direkte fra køreledningsanlægget. Strømmen reguleres og omformes efter behov i togets elektriske udstyr. I begge systemer indgår skinnerne og andre returstrømsforbindelser i det elektriske kredsløb, så strømmen kan føres tilbage til forsyningsanlægget. Køretråden er således ikke blot en ledning, der hænger over jernbanen. Den indgår i et samlet elektrisk og mekanisk system, hvor strømforsyning, ophæng, trækspænding, strømaftager og returstrømsvej skal fungere sammen. En fejl på køretråden kan derfor medføre, at elektriske tog ikke længere kan gennemføre normal kørsel på den berørte strækning.

Den historiske udvikling af køretråden

Udviklingen af køretråden hænger tæt sammen med jernbanernes elektrificering i slutningen af 1800-tallet. De første elektriske jernbaner anvendte forskellige metoder til at overføre strøm til køretøjerne. På nogle anlæg blev strømmen tilført gennem en særskilt strømskinne, mens andre benyttede luftledninger over sporet. Luftledningen havde den fordel, at de spændingsførende dele kunne placeres i større afstand fra jordoverfladen og fra personer, som færdedes langs banen. De tidligste køreledningsanlæg var ofte forholdsvis enkle. En ledning blev spændt op mellem master eller andre faste konstruktioner, og togets strømaftager fulgte ledningen under kørslen. Efterhånden som hastighederne steg, blev det tydeligt, at en enkelt ophængt ledning havde mekaniske begrænsninger. Ledningen ville hænge mellem ophængningspunkterne, og variationer i højden kunne give ustabil kontakt mellem køretråd og strømaftager. Dette førte til udviklingen af mere avancerede ophængssystemer, hvor køretråden blev understøttet af et særskilt bæretov. Princippet blev inspireret af kabel- og hængekonstruktioner, hvor en bærende ledning optager en stor del af den mekaniske belastning, mens den egentlige kontaktledning fastholdes i en mere ensartet højde. Med udviklingen af højere hastigheder blev kravene til køretrådens spænding, kontaktkraft og dynamiske egenskaber stadig større. Moderne køreledningsanlæg er derfor resultatet af en lang teknologisk udvikling, hvor materialer, ophæng, efterspænding og strømaftagere er blevet forbedret for at muliggøre drift ved stadig højere hastigheder.

Elektrificeringen af de danske jernbaner

Elektrisk jernbanedrift blev for alvor introduceret på de danske statsbaner med åbningen af Københavns S-bane i 1934. Den første S-banelinje mellem Frederiksberg, Vanløse, Nørrebro, Hellerup og Klampenborg blev åbnet den 3. april 1934. S-banen blev indrettet med køreledninger over sporene og anvendte oprindeligt en jævnstrømsspænding på 1.500 volt, som senere blev forhøjet til 1.650 volt. Elektrificeringen gjorde det muligt at anvende elektriske motorvognstog med hurtig acceleration og gode egenskaber ved de hyppige standsninger, der kendetegner nærbanetrafik. I de følgende årtier blev S-banen udbygget til flere forstadsområder omkring København, og køreledningssystemet blev en fast del af det københavnske jernbanelandskab. Elektrificeringen af de danske fjernbaner kom betydeligt senere. I 1979 vedtog Folketinget det lovgivningsmæssige grundlag for indførelse af elektrisk drift på de vigtigste fjernbanestrækninger. Til fjernbanen blev der valgt et system med 25 kV vekselstrøm og en frekvens på 50 Hz. Denne løsning var velegnet til længere afstande og til tog med et stort energiforbrug. Den første elektrificerede fjernbanestrækning var Kystbanen mellem København og Helsingør, hvor den ordinære elektriske togdrift begyndte den 11. marts 1986. De første elektriske fjernbanelokomotiver hos DSB var litra EA, som blev leveret fra 1984 og indsat i den elektriske drift. I de følgende år blev elektrificeringen udvidet til flere sjællandske hovedstrækninger og senere til Fyn og Jylland. Med åbningen af jernbaneforbindelsen over Storebælt i 1997 blev elektrisk togdrift mulig på en sammenhængende forbindelse mellem Sjælland og Fyn samt videre til Fredericia. Den senere elektrificering af blandt andet strækningen Lunderskov-Esbjerg og andre dele af det danske jernbanenet har yderligere udvidet køretrådens betydning som en grundlæggende del af jernbaneinfrastrukturen.

Køretrådens materiale og profil

Køretråden skal opfylde en række forskellige krav, som ikke altid er lette at forene. Materialet skal have høj elektrisk ledningsevne, så energien kan overføres til toget med begrænsede tab. Samtidig skal tråden have tilstrækkelig mekanisk trækstyrke til at kunne holdes under betydelig spænding over lange afstande. Tråden skal også være slidstærk, fordi strømaftagerens kontaktstykke konstant glider mod dens underside, når toget bevæger sig. Kobber har historisk været et af de mest anvendte materialer, fordi det har meget gode elektriske egenskaber og samtidig kan bearbejdes til en passende mekanisk profil. På moderne jernbaner anvendes også forskellige kobberlegeringer, eksempelvis kobbersølv, hvor små mængder legeringsmateriale kan forbedre visse mekaniske egenskaber og slidbestandigheden. Køretråden er normalt ikke en almindelig rund ledning. Den har en særlig profil med en afrundet nedre kontaktflade og to langsgående riller i den øverste del. Rillerne anvendes til fastgørelse af ophængsklemmerne, så køretråden kan fastholdes uden at skabe uregelmæssigheder på den nederste kontaktflade. Denne udformning er vigtig, fordi selv små ujævnheder på kontaktfladen kan give stød og vibrationer, når pantografen passerer ved høj hastighed. På danske køreledningsanlæg findes blandt andet køretråde med et nominelt tværsnitsareal på 100 og 120 kvadratmillimeter. Den konkrete dimension afhænger af anlægstypen og de tekniske krav. Det er derfor ikke korrekt at antage, at samtlige danske køretråde har samme tværsnit eller materialesammensætning.

Forskellen mellem køretråd, køreledning og køreledningsanlæg

Begreberne køretråd, køreledning og køreledningsanlæg anvendes ofte i forbindelse med elektriske jernbaner, men de har ikke helt samme tekniske betydning. Køretråden er den konkrete strømførende metaltråd, som togets strømaftager har direkte kontakt med. Betegnelsen køreledning anvendes i almindeligt jernbanesprog ofte som synonym for køretråd, men kan i tekniske beskrivelser også anvendes om en større del af det ophængte ledningssystem. Køreledningsanlægget er derimod den samlede konstruktion, der omfatter køretråd, bæretov, hængere, ledningsophæng, master, portaler, isolatorer og andre tilhørende komponenter. Kørestrømsanlægget er et endnu bredere begreb, som også omfatter strømforsyningen, den elektriske returstrømsvej og relevante installationsdele til beskyttelse og styring. Denne sondring er vigtig ved læsning af Banedanmarks tekniske instrukser, hvor betegnelserne anvendes med særskilte definitioner. En beskadigelse af køretråden er eksempelvis ikke nødvendigvis det samme som en beskadigelse af hele køreledningsanlægget. Omvendt kan en fejl på et ophæng eller en isolator påvirke køretrådens placering og dermed skabe alvorlige problemer for strømoverførslen.

Bæretov og hængere

På mange elektrificerede jernbaner er køretråden ophængt under et bæretov, som løber over den i en større højde. Bæretovet understøttes af master og ledningsophæng og har til opgave at bære og stabilisere køretråden mellem de enkelte ophængningspunkter. Mellem bæretovet og køretråden findes hængere, som er korte forbindelser, der holder køretråden i den ønskede højde. Hængernes længde tilpasses den lokale geometri, så køretråden får et kontrolleret forløb, selv om bæretovet hænger i en karakteristisk kurve mellem masterne. Denne ophængstype betegnes ofte som et kædeophæng eller et katenarieophæng. Fordelen er, at køretråden kan holdes næsten vandret mellem ophængningspunkterne, hvilket forbedrer kontakten med strømaftageren. Uden bæretov og hængere ville en lang køretråd have en større nedhængning mellem masterne. Dette kunne medføre betydelige variationer i kontaktkraften, når strømaftageren bevægede sig langs ledningen. Ved moderne køreledningsanlæg indgår bæretovets og køretrådens mekaniske egenskaber derfor i den samlede dimensionering af systemet. Hængernes placering og længde har også betydning for anlæggets dynamiske egenskaber, fordi både køretråd og bæretov bevæger sig, når pantografen passerer.

Køretrådens siksakforløb

Køretråden er normalt ikke placeret i en fuldstændig lige linje over sporets midte. Den ophænges i et kontrolleret siksakforløb, også betegnet zigzag, hvor dens placering skifter gradvist fra den ene side af spormidten til den anden. Formålet er at sikre en mere jævn fordeling af slitagen på pantografens kontaktstykke. Hvis køretråden konstant berørte præcis det samme punkt på kontaktstykket, ville der efterhånden blive dannet en dyb slidrille. En sådan rille kunne beskadige både kontaktstykket og køretråden og i værste fald medføre, at pantografen hængte fast i ledningsanlægget. Ved at lade køretråden bevæge sig fra side til side i forhold til togets bevægelsesretning bliver kontaktpunktet fordelt over en større del af kontaktstykkets bredde. Siksakforløbet skabes gennem ledningsophængenes placering og justering ved de enkelte master. I kurver skal køretrådens sideværts placering tilpasses både sporets geometri og strømaftagerens bevægelse, så tråden forbliver inden for det område, hvor pantografen sikkert kan optage strøm. Det tilladte zigzag afhænger derfor af anlægstypen, sporforholdene og de tekniske krav til togene. Banedanmarks vedligeholdelsesregler omfatter kontrol af køretrådens zigzag, og på visse strækninger kan målingerne udføres med særlige målevogne. Korrekt zigzag er således både et spørgsmål om slidfordeling og om sikker kontakt mellem køretråd og strømaftager.

Køretrådens højde over sporet

Køretrådens højde over skinneoverkant er en vigtig konstruktionsparameter for elektrificerede jernbaner. Højden skal være tilpasset strømaftagerens arbejdsområde, så toget kan opretholde en stabil kontakt med køretråden under hele kørslen. Hvis køretråden ligger for højt, kan strømaftageren få vanskeligt ved at nå den med korrekt kontaktkraft. Hvis den ligger for lavt, kan der opstå problemer med strømaftagerens mekaniske bevægelse og de nødvendige elektriske og fysiske sikkerhedsafstande. På danske køreledningsanlæg er køretrådshøjden derfor fastlagt inden for bestemte tolerancer og grænseværdier. Højden kan variere efter anlægstypen og de lokale forhold. På den fri bane kan køreledningen ofte placeres relativt ensartet, mens broer, tunneler og andre bygværker kan stille særlige krav til ophængets geometri. Ved stationer kan der desuden være behov for at tilpasse køretrådens placering til sporskifter og flere parallelle spor. På S-banen viser Banedanmarks tekniske sikkerhedsdokumentation blandt andet køretrådshøjder omkring 5,0-5,5 meter over skinneoverkant i de illustrerede anlægstyper. Dette er ikke en universel højdeangivelse for samtlige danske køreledningsanlæg. Køretrådshøjden skal derfor vurderes ud fra den konkrete anlægstype og de gældende tekniske bestemmelser.

Efterspænding og temperaturudvidelse

Køretråden er påvirket af temperaturændringer gennem hele året. Når temperaturen stiger, udvider metallet sig, og når temperaturen falder, trækker det sig sammen. Hvis en lang køretråd var fastgjort uden mulighed for at kompensere for disse ændringer, ville dens mekaniske spænding og nedhængning variere betydeligt. Dette kunne give uregelmæssig kontakt med strømaftageren og øge risikoen for beskadigelse af køreledningsanlægget. For at begrænse disse problemer anvendes efterspænding på mange køreledningsanlæg. Ved et traditionelt efterspændingssystem forbindes køretråden og eventuelt bæretovet med vægte gennem et system af wirer og trisser. Vægtene sikrer, at der opretholdes en tilnærmelsesvis konstant mekanisk trækkraft i ledningerne. Når temperaturen ændrer sig, kan lodderne bevæge sig op eller ned og dermed kompensere for ændringer i ledningernes længde. Køreledningsanlægget opdeles derfor i efterspændingsfelter, som hver har en bestemt længde og mekanisk afgrænsning. I klassiske danske køreledningsanlæg har der eksempelvis været anvendt efterspændingsfelter på op til omkring 1,6 kilometer, men de konkrete længder afhænger af anlæggets konstruktion. På nyere systemer kan efterspændingen være udført med andre mekaniske løsninger, og det nødvendige træk i køretråden kan være større for at opnå stabile dynamiske egenskaber ved høje hastigheder. Efterspændingen er særlig vigtig, fordi en korrekt strammet køretråd giver mere ensartet kontakt mellem køreledning og pantograf.

Strømaftagerens kontakt med køretråden

Strømaftageren er den bevægelige forbindelse mellem toget og den faste køretråd. På moderne elektriske lokomotiver og togsæt anvendes normalt en pantograf, som løftes fra togets tag og presser et kontaktstykke mod køretrådens underside. Kontaktstykket er ofte fremstillet af kulbaserede materialer eller andre materialer, som er velegnede til glidende elektrisk kontakt. Under kørslen skal pantografen følge køretrådens højdevariationer og samtidig bevare en passende kontaktkraft. Hvis kontaktkraften er for lille, kan pantografen miste kontakten med køretråden. Dette kan medføre elektriske lysbuer, som skaber varme, gnister og lokal beskadigelse af både kontaktstykke og køretråd. Hvis kontaktkraften er for stor, øges den mekaniske belastning og slitagen på ledningsanlægget. Korrekt strømoptagning kræver derfor en nøje afstemning af pantografens mekaniske egenskaber og køretrådens spænding, masse, ophæng og geometri. Ved høj hastighed bliver samspillet mere kompliceret, fordi pantografen skaber bølgebevægelser i køretråden. Disse bevægelser kan påvirke kontaktkraften og dermed kvaliteten af strømoverførslen. Moderne højhastighedsbaner stiller derfor særligt store krav til både køreledningsanlæg og strømaftagere.

Kontaktkraft, bølger og høje hastigheder

Når pantografen presses mod køretråden, løfter den tråden en smule. Denne påvirkning breder sig som mekaniske bølger langs ledningen. Bølgebevægelsernes hastighed afhænger blandt andet af køretrådens mekaniske spænding og masse pr. længdeenhed. Hvis et tog kører med meget høj hastighed i forhold til bølgeudbredelsen i køretråden, kan kontaktforholdene blive ustabile. Dette kan give større variationer i kontaktkraften og øge risikoen for, at pantografen mister kontakten med tråden. For at muliggøre drift ved højere hastigheder kan køreledningsanlæg derfor være konstrueret med større mekanisk trækkraft, særlige ophæng og køretråde med forbedrede materialeegenskaber. Også afstanden mellem ophængningspunkterne og bæretovets egenskaber har betydning for anlæggets dynamiske opførsel. En køretråd til en højhastighedsbane kan således være dimensioneret anderledes end en køretråd til en ældre nærbane med lavere maksimalhastighed. Den tekniske udvikling inden for elektrisk jernbanedrift har derfor ikke alene handlet om at øge spændingen eller lokomotivernes motoreffekt. Det mekaniske samspil mellem køretråd og pantograf har været en lige så væsentlig forudsætning for udviklingen af stadig hurtigere elektriske tog.

Fjernbanens køretråd og 25 kV-vekselstrøm

På de danske fjernbaner anvendes et elektrisk forsyningssystem med en nominel spænding på 25 kV vekselstrøm og en frekvens på 50 Hz. Den elektriske energi leveres fra det overordnede elforsyningsnet gennem særlige forsyningsstationer og banetransformere, som tilpasser spændingen til jernbanedriften. Fra forsyningsanlægget føres strømmen til køreledningssystemet og videre til toget gennem pantografen. Den relativt høje spænding gør det muligt at overføre store energimængder uden de samme høje strømstyrker, som ville være nødvendige ved et lavere spændingsniveau. Dette reducerer de elektriske tab og gør systemet velegnet til længere hovedbanestrækninger og kraftige elektriske lokomotiver. Fjernbanens køreledningsanlæg kan være opbygget med flere forskellige tekniske systemer afhængigt af strækningens alder og elektrificeringsprojekt. På nyere elektrificerede strækninger anvendes blandt andet autotransformersystemer, som forbedrer mulighederne for at overføre energi over længere afstande. I disse systemer indgår særlige fødeledninger og autotransformere, men køretråden er fortsat den del, som togets pantograf har direkte kontakt med. Fjernbanens kørestrømsforsyning overvåges og styres af Banedanmarks kørestrømsorganisation, hvor Kørestrømscentralen indgår i den operative koblingsledelse.

S-banens køretråd og jævnstrømssystem

S-banen anvender et andet elektrisk system end fjernbanen. Siden elektrificeringens begyndelse i 1934 har strømforsyningen været baseret på jævnstrøm. Den oprindelige nominelle spænding var 1.500 volt, mens systemet senere blev ændret til 1.650 volt. Den elektriske energi leveres gennem omformerstationer, hvor vekselstrøm fra det offentlige elforsyningsnet transformeres og ensrettes til den nødvendige jævnstrøm. Fra omformerstationerne ledes strømmen til køreledningsanlægget og videre til S-togenes strømaftagere. Da S-banens spænding er væsentligt lavere end fjernbanens, kan strømstyrkerne være tilsvarende større ved samme overførte effekt. Dette stiller særlige krav til de elektriske lederes dimensionering og til forsyningssystemets opbygning. På S-banen anvendes derfor blandt andet forstærkningsledninger, som hjælper med at overføre elektrisk energi langs banen og begrænse spændingsfald. S-banens køretråd har i princippet samme funktion som fjernbanens, men de to systemer er ikke direkte elektrisk kompatible. Et almindeligt S-tog kan derfor ikke blot fortsætte ind på fjernbanens køreledningssystem, og et almindeligt fjernbanelokomotiv kan ikke uden videre anvende S-banens strømforsyning. Der findes dog internationalt jernbanekøretøjer, som er konstrueret til flere forskellige strøm- og spændingssystemer.

Køretråd ved sporskifter og stationsområder

Køretrådens placering bliver særlig kompliceret på større stationer, hvor sporene deles og samles gennem mange sporskifter. Ved et sporskifte skal togets pantograf kunne følge den relevante køretråd, uanset hvilket af de tilladte sporforløb toget benytter. Det kræver en nøje tilpasning af køretrådenes indbyrdes placering og ophæng. I et sporskifteområde kan flere køretråde derfor løbe tæt på hinanden eller krydse hinandens projektioner, så pantografen kan overgå mellem forskellige ledningsafsnit uden at miste kontakten. Konstruktionen skal samtidig sikre, at pantografens kontaktstykke ikke rammer ophængsklemmer, sideholdere eller andre dele af ledningsanlægget. Dette er særlig vigtigt, fordi en mekanisk kollision mellem pantograf og ophæng kan medføre omfattende skader på køretråden og det øvrige anlæg. På større stationer anvendes ofte portaler eller tværgående ophængskonstruktioner, som kan bære køreledninger over flere parallelle spor. Sådanne konstruktioner kan være nødvendige, hvor det ikke er hensigtsmæssigt at opstille en selvstændig mast ved hvert enkelt spor. Køretrådens geometri i sporskifter og stationsområder er derfor ofte mere kompleks end på den fri bane.

Sektionering af køretråden

Køreledningsanlægget på en elektrificeret jernbane er normalt opdelt i flere elektriske sektioner, som kan tilkobles og frakobles strømforsyningen efter behov. Denne opdeling betegnes som sektionering og har stor betydning for både driftssikkerheden og vedligeholdelsen. Hvis der opstår en fejl på en bestemt del af køreledningsanlægget, kan det være muligt at afbryde strømforsyningen til den berørte sektion uden nødvendigvis at afbryde strømmen på hele banestrækningen. Sektioneringen gør det også muligt at gennemføre planlagte arbejder på afgrænsede dele af kørestrømsanlægget. En sektion kan være adskilt fra en anden gennem særlige isolerende komponenter eller gennem en mekanisk opdeling af ledningssystemet. Ved nogle sektionsovergange findes der flere køretråde, som overlapper hinanden over et kortere område. Køretrådene er mekanisk placeret, så pantografen kan overgå fra den ene til den anden uden et væsentligt spring i kontaktforholdene. Der skal skelnes mellem den mekaniske overgang og den elektriske forbindelse mellem ledningsafsnittene. To ledningsafsnit kan være mekanisk indrettet til en glidende overgang, uden at de nødvendigvis har en permanent elektrisk forbindelse. I sådanne områder kan der være etableret sektionsisolatorer, ledningskoblere og andre installationer, der indgår i den samlede styring af kørestrømsforsyningen. Den konkrete opbygning afhænger af anlæggets elektriske system og dets sikkerhedsmæssige krav.

Neutralsektioner i fjernbanens køreledningssystem

På fjernbanens vekselstrømsanlæg findes der særlige elektrisk adskilte områder, som betegnes neutralsektioner. En neutralsektion anvendes blandt andet til at adskille forskellige forsyningsområder, der ikke må sammenkobles direkte gennem togets strømaftager. På et 25 kV-vekselstrømssystem kan tilstødende forsyningsområder være tilsluttet forskellige dele af det overordnede elektriske net. Det kan derfor være nødvendigt at sikre, at toget ikke utilsigtet etablerer en elektrisk forbindelse mellem områderne. Neutralsektionen er udformet, så toget kan passere den, uden at der etableres en uønsket strømforbindelse. Ved passage skal toget følge de regler og tekniske procedurer, som gælder for den pågældende installation. Det kan blandt andet indebære, at togets hovedafbryder åbnes, så der ikke optages trækkraft gennem strømaftageren under passagen. I moderne tog kan dele af denne funktion være automatiseret ved hjælp af togkontrol- og køretøjsudstyr. En neutralsektion skal ikke forveksles med et almindeligt efterspændingsfelt. Efterspændingen vedrører primært køretrådens mekaniske træk, mens neutralsektionen har til formål at skabe en nødvendig elektrisk adskillelse. De to funktioner kan forekomme i samme område, men de løser forskellige tekniske opgaver.

Returstrøm og det elektriske kredsløb

Køretråden fungerer som en del af et større elektrisk kredsløb. Den elektriske energi føres fra forsyningsanlægget til toget gennem køreledningen og strømaftageren. Efter at energien er anvendt i togets elektriske udstyr, føres returstrømmen tilbage gennem de relevante returstrømsforbindelser. På jernbaner indgår skinnerne normalt i returstrømsvejen, men anlægget kan også være udstyret med særlige returledere, kabler og andre forbindelser. På fjernbanens vekselstrømsanlæg har udformningen af returstrømsvejen betydning for både energiforsyningen og påvirkningen af de omgivende elektriske installationer. På S-banens jævnstrømsanlæg er returstrømssystemet tilsvarende en nødvendig del af den samlede elforsyning. Der skal samtidig tages hensyn til jording og potentialudligning, som har stor betydning for beskyttelsen af personer og installationer. En køretråd kan derfor ikke betragtes som et isoleret elektrisk anlæg. Dens funktion afhænger af, at både forsynings- og returstrømssystemet er korrekt dimensioneret og vedligeholdt.

Slitage på køretråden

Køretråden bliver udsat for mekanisk slid, hver gang en strømaftager passerer. Slitagen opstår som følge af den glidende kontakt mellem køretrådens underside og pantografens kontaktstykke. Selv om kontaktstykkerne er fremstillet af materialer, som er beregnet til formålet, vil gentagne passager over tid reducere køretrådens tykkelse. Slitagen afhænger blandt andet af antallet af togpassager, togenes hastighed, kontaktkraften, køretrådens materiale og tilstanden af strømaftagernes kontaktstykker. Også strømstyrken og forekomsten af elektriske lysbuer kan påvirke slitagen. Hvis kontakten mellem pantograf og køretråd bliver ustabil, kan der opstå lokale temperaturpåvirkninger, som beskadiger kontaktfladen. Køretrådens kontrollerede siksakforløb er derfor vigtigt, fordi det bidrager til at fordele slitagen på pantografens kontaktstykke og dermed begrænse dannelsen af lokale slidriller. Ved vedligeholdelse måles køretrådens resterende tykkelse eller andre relevante slidmål, så det kan vurderes, om den fortsat har tilstrækkelig mekanisk styrke. I Banedanmarks vedligeholdelsesnorm BN1-82-1 er der eksempelvis angivet kontrol- og slidgrænser for køretråde med nominelle tværsnit på 100 og 120 kvadratmillimeter. Grænseværdierne er afhængige af køretrådens type og profil. De skal derfor anvendes i forhold til den konkrete konstruktion og den gældende udgave af vedligeholdelsesreglerne.

Målevogne og kontrol af køreledningsanlægget

Vedligeholdelse af køretråden omfatter både visuelle inspektioner og tekniske målinger. På elektrificerede jernbaner anvendes særlige målevogne og målesystemer til at undersøge køretrådens geometri og tilstand. Målingerne kan blandt andet omfatte køretrådshøjde, zigzag, slitage og andre forhold, som har betydning for strømoptagningen. Ved at gennemføre målinger over tid kan infrastrukturforvalteren følge udviklingen i anlæggets tilstand og identificere områder, hvor der er behov for justering eller udskiftning. På stationer, depotspor og andre steder, hvor almindelige målevogne ikke nødvendigvis kan gennemføre alle nødvendige målinger, kan der være behov for særskilte manuelle eller specialiserede kontroller. En væsentlig del af vedligeholdelsen består også i at undersøge hængere, ophæng, strømforbindelser og efterspændingssystemer. Hvis et ophæng eksempelvis bliver forskudt, kan køretrådens højde eller sideværts placering ændre sig, selv om selve tråden ikke er beskadiget. Vedligeholdelse af køretråden omfatter derfor både kontrol af materialets tilstand og kontrol af hele ophængssystemets geometri.

Fejl på køretråden og nedrevne køreledninger

En af de alvorligste fejl på elektrificerede jernbaner er en nedrevet køreledning. En sådan hændelse kan opstå, hvis et togs strømaftager bliver beskadiget og griber fat i køreledningsanlægget. Fejlen kan også skyldes beskadigede ophæng, væltede træer, fremmedlegemer eller andre påvirkninger af anlægget. Når køretråden bliver revet ned, kan skaderne brede sig over en længere strækning, fordi tråden er spændt op under betydelig mekanisk kraft. En beskadigelse kan derfor påvirke flere ophæng, hængere, master og andre komponenter, før toget bringes til standsning. Nedrevne køreledninger kan medføre omfattende driftsforstyrrelser, fordi den berørte strækning må sikres, før den normale togtrafik kan genoptages. Ved fejl på kørestrømsanlægget kan beskyttelsesudstyr automatisk afbryde strømforsyningen. Det betyder dog ikke, at en nedfalden ledning uden videre kan betragtes som spændingsløs. En nedrevet køretråd skal altid betragtes som potentielt livsfarlig, indtil den er sikret af kvalificeret personale efter de gældende bestemmelser. Reparationen kan omfatte udskiftning af beskadigede ledningsdele, hængere, ophæng og andre komponenter samt efterfølgende kontrol af køretrådens højde, zigzag og mekaniske spænding.

Elektrisk sikkerhed ved køretråden

Køretråden er en uisoleret spændingsførende leder og udgør derfor en alvorlig elektrisk fare. På fjernbanen er den nominelle spænding 25.000 volt, og den elektriske påvirkning kan være livsfarlig, selv uden direkte fysisk berøring. Ved højspænding kan der under bestemte forhold opstå elektrisk overslag gennem luften, hvis afstanden til en spændingsførende del bliver for lille. Dette betyder, at personer, maskiner og værktøj ikke må komme inden for de fastsatte sikkerhedsafstande. På S-banen er spændingen lavere, men 1.650 volt jævnstrøm er ligeledes livsfarlig. Arbejde på eller i nærheden af køreledningsanlæg kræver derfor særlige sikkerhedsforanstaltninger og personale med den nødvendige uddannelse. Ved planlagte arbejder kan det være nødvendigt at afbryde kørestrømmen, kontrollere at anlægget er spændingsløst og etablere den nødvendige arbejdsjording. Den tekniske koblingsledelse udføres efter de gældende kørestrømsinstrukser i samarbejde med den ansvarlige kørestrømsorganisation. På fjernbanen indgår Kørestrømscentralen, Kc, i denne operative funktion. Det er vigtigt at skelne mellem en sporspærring og en kørestrømsafbrydelse. En sporspærring sikrer ikke i sig selv, at køretråden er gjort spændingsløs. Tilsvarende betyder afbrudt kørestrøm ikke automatisk, at et spor er sikret mod togbevægelser. Disse forhold skal derfor håndteres hver for sig efter de relevante sikkerhedsregler.

Køretråd og jernbanebroer

Elektrificeringen af en eksisterende jernbane kan stille store krav til den frie plads under broer og andre konstruktioner over sporet. Køretråden skal placeres i en højde, som gør det muligt for strømaftageren at fungere korrekt, samtidig med at der skal være tilstrækkelig elektrisk afstand til de omgivende konstruktioner. På ældre jernbaner kan broer være opført med en frihøjde, der var tilstrækkelig til datidens damplokomotiver og dieseltog, men ikke til et moderne køreledningsanlæg. Elektrificering kan derfor kræve ombygning eller udskiftning af broer, sænkning af sporet eller anvendelse af særlige ophængskonstruktioner. Banedanmarks elektrificeringsprojekter omfatter derfor ofte omfattende forberedende arbejder, før selve køreledningsanlægget kan monteres. Også ved tunneler og overdækkede stationer kan pladsforholdene kræve særlige tekniske løsninger. I nogle tilfælde anvendes mere kompakte ophæng eller faste strømførende profiler, der kan mindske den nødvendige konstruktionshøjde. Disse løsninger adskiller sig fra den traditionelle frit ophængte køretråd, men har den samme grundlæggende funktion med at levere elektrisk energi til togets strømaftager.

Køretråden og elektrisk regenerativ bremsning

Køretråden anvendes ikke udelukkende til at levere elektrisk energi fra forsyningsnettet til toget. Moderne elektriske tog kan i mange tilfælde anvende regenerativ bremsning, hvor togets banemotorer fungerer som generatorer under nedbremsningen. Når motorerne arbejder som generatorer, kan en del af togets bevægelsesenergi omdannes til elektrisk energi. Denne energi kan under egnede forhold føres tilbage gennem togets elektriske udstyr og strømaftager til køreledningssystemet. Energien kan derefter anvendes af andre tog eller tilbageføres til det overordnede elektriske forsyningssystem, hvis anlæggets tekniske indretning tillader det. Mulighederne afhænger blandt andet af strømforsyningssystemet, om der er andre tog, som kan aftage energien, og om forsyningsanlæggene kan håndtere tilbageført energi. Allerede DSB's elektriske lokomotiver litra EA var konstrueret med mulighed for regenerativ bremsning. Køretråden indgår dermed i et energisystem, hvor den elektriske energistrøm under visse driftsforhold kan gå begge veje.

Køretrådens betydning i dansk jernbanehistorie

Køretråden er et af de mest karakteristiske synlige elementer ved en elektrificeret jernbane og repræsenterer en grundlæggende ændring i jernbanernes teknologiske udvikling. Med indførelsen af elektrisk togdrift blev det muligt at føre energiforsyningen frem gennem faste installationer langs banen i stedet for at medføre hele energiforrådet i toget. Dette ændrede både lokomotivernes konstruktion og den nødvendige infrastruktur. På de danske jernbaner begyndte udviklingen med S-banens elektrificering i 1934 og fortsatte med fjernbanens elektrificering fra 1986. Køretrådens udformning har gennem denne periode udviklet sig i takt med stigende krav til hastighed, driftssikkerhed, energieffektivitet og vedligeholdelse. De grundlæggende principper er dog i vidt omfang bevaret. Køretråden skal fortsat sikre en stabil elektrisk forbindelse til en bevægelig strømaftager, og dens mekaniske ophæng skal kunne modstå påvirkninger fra togtrafik, temperaturændringer og vejrforhold. Køretråden skal derfor forstås som en specialiseret elektrisk og mekanisk komponent, ikke blot som en almindelig strømledning ophængt over jernbanesporet. Dens betydning ligger i samspillet mellem materialevalg, trækspænding, ophæng, kontaktkraft og den elektriske forsyning. Disse forhold er afgørende for, hvor hurtigt og stabilt elektriske tog kan køre, og for hvor omfattende vedligeholdelsen af jernbanens køreledningsanlæg bliver.

Historiske kilder og dokumentation

Følgende kilder dokumenterer køretrådens konstruktion, elektriske funktion og historiske anvendelse på de danske jernbaner.

Lex – Køreledning. Faglig beskrivelse af køretrådens materiale, særlige profil og typiske tværsnitsareal på 100-120 kvadratmillimeter. Artiklen er skrevet af Niels Fischer-Nielsen og forklarer blandt andet anvendelsen af kobberlegeringer og riller til fastgørelse af ophængsbeslag. Lex – Køreledning
Lex – Elektriske jernbaner. Teknisk og historisk gennemgang af de danske elektrificeringssystemer, herunder 25 kV vekselstrøm på fjernbanen, 1.650 volt jævnstrøm på S-banen, bæretov, hængere, zigzag, efterspændingssystemer, neutralsektioner og returstrøm. Lex – Elektriske jernbaner
Danmarks Jernbanemuseum – S-tog år for år. Historisk dokumentation for elektrificeringen af Københavns S-bane med den første linjes åbning den 3. april 1934 og den efterfølgende udbygning af S-banen. Danmarks Jernbanemuseum – S-tog år for år
Danmarks Jernbanemuseum – De vigtigste milepæle i DSB's historie. Dokumenterer blandt andet leveringen af DSB's første elektriske lokomotiver litra EA og begyndelsen på ordinær elektrisk fjernbanedrift på Kystbanen den 11. marts 1986. Danmarks Jernbanemuseum – De vigtigste milepæle
Banedanmark – BN1-82-1, Vedligeholdelse af kørestrømsanlæg, 2012. Teknisk banenorm med beskrivelser af kontrol af køretråd, bæretov, hængere, efterspænding, køretrådshøjde, zigzag og køreledningsslitage. Dokumentet er relevant som historisk teknisk dokumentation; ved praktisk vedligeholdelse skal den gældende regeludgave anvendes. Banedanmark – BN1-82-1, Vedligeholdelse af kørestrømsanlæg
Banedanmark – GAB Kørestrøm, 2014. Teknisk beskrivelse af køreledningsanlæg på S-banen, blandt andet dimensionering af køretråd, bæretov, hængere og forstærkningsledning. Dokumentet er også relevant for historiske oplysninger om udskiftning og bortskaffelse af ældre cadmiumholdige køretråde. Banedanmark – GAB Kørestrøm
Banedanmark – BN1-214-3, Kørestrømsinstruktion for Sicat-kørestrømsanlæg, 2026. Indeholder definitioner af køreledninger, køreledningsanlæg, kørestrømsanlæg og kørestrømscentral samt bestemmelser om den tekniske organisation omkring fjernbanens kørestrømsanlæg. Banedanmark – Kørestrømsinstruktion BN1-214-3
Banedanmark – Sådan elektrificerer vi jernbanen. Beskriver de praktiske arbejder ved elektrificering, herunder ombygning af broer, etablering af master, transformerstationer, autotransformere og opsætning af køreledninger. Banedanmark – Sådan elektrificerer vi jernbanen
Banedanmark – Strøm og sikkerhed. Officiel sikkerhedsinformation om farerne ved køreledningsanlæg, herunder risikoen for elektrisk overslag uden direkte berøring. Banedanmark – Strøm og sikkerhed