Johdanto

Helsingin kaupungin liikennelaitoksella on runsaan kymmenen vuoden ajan käytetty ja kehitetty raitiotievaihteiden sähkölämmityslaitteita vaihteiden toimintakuntoisena pitämiseksi talvisin.
Helsingin talviolosuhteet ovat vaihteiden toimintaa ajatellen siinä määrin ankarat, että liikennelaitoksella on vaikeuksista ja lukuisista epäonnistumisista huolimatta pyritty viemään vaihteiden sähkölämmityshanke päätökseen, joka takaa vaihteiden sulana pysymisen.
Vaihteiden sähkölämmityslaitteiden kehittäminen on pääasiassa suoritettu liikennelaitoksen sähkötoimistossa allekirjoittaneen ja teknikko Olli Pönnin toimesta. Työn erinomaisena vauhdittajana ja kannustajana on mainittava ratatoimiston päällikkö Erik Durchman.
Tämä kehitystyö on nyt saatu päätökseen ja tässä raportissa esitetään pääpiirteet raitiotievaihteiden sähkölämmityksestä Helsingissä.
Helsingissä 14.04.1973
Pentti Santaharju (dipl.ins. HKL)

1. Yleistä
Helsingin kaupunki käsittää 46 km kaksisuuntaista raitiotierataa hallikilometrit mukaanluettuna. Tässä raitiotieverkossa on sähkölämmitteisiä vaihteita 143 kpl. Kaikki hallipihavaihteetkin mukaanlukien vaihteita on 272 kpl. Linjalla olevista on 42 kpl sähkökäyttöisellä vaihteenkääntökoneistolla varustettuja (Siemens-magneettikääntökoneistoja).
Vuoden 1950 puoliväliin saakka kaikki vaihteet pidettiin puhtaina lumesta ja jäästä miesvoiman. Vaihteiden sulanapitämiseen käytettiin maantiesuolaa sekä suurilla pakkasilla paloöljyä. Vaihteiden toimintakuntoisena pitäminen vaati näin ollen talviaikoina suuren miesmäärän.
Vaihteiden koneellinen puhdistaminen imuriautoilla on mahdollista vain silloin jos vaihteet pidetään sähkölämmitteisesti sulina.
Liikennelaitoksella ryhdyttiinkin kokeilemaan 1950-luvulla raitiotievaihteiden sähkölämmitystä käyttäen lämmityssauvojen jännitteenä ajojohtoverkosta saatavaa 600 V:n tasasähköä. Ajojohtoverkon jännite osoittautui kuitenkin liian suureksi. Sauvoja ei saatu kestämään ja vaihteiden sähkölämmityksestä talvikautena ei ollut ratkaisevaa hyötyä vaan vaihteita jouduttiin edelleen suolaamaan ja pitämään miesvoiman puhtaina.
Moninaisten 600 V:n sauvakokeilujen jälkeen ryhdyttiin vaihteiden sähkölämmitysasiaa voimakkaasti tutkimaan uudelleen 1960-luvun alussa. Tavoitteeksi otettiin matalalla jännitteellä (40-60 V) toimivan itse valmistettavan lämpösauvan kehittäminen. Tässä kehittämistyössä onnistuttiinkin.

2. Vaihteiden sähkölämmitystarve
Helsingissä Vaihteiden sähkölämmitystarvetta ajatellen Helsingin talvikausi on seitsemän kuukautta. Tämä vaikuttaa ensi kuulematta yllättävän pitkältä ajalta kun ottaa huomioon, että suuria pakkaslukemia (-15...-30 'C) on verrattain vähän. Vaihteet jäätyvät kuitenkin kostean sään jälkeen helposti lämpötilan laskiessa nollan alapuolelle. Tästä johtuen vaihteiden sähkölämmitys joudutaan ottamaan Helsingissä käyttöön jo lokakuussa ja pitämään käytössä huhtikuun loppuun saakka.
Sähkölämmitteisten vaihteiden sähkönkulutus kilowattitunteina vaihdetta kohden: Keskiarvot vuosien 1968-1972 sähkönkulutuksen perusteella:
lokakuu:120, marraskuu: 680, joulukuu: 890, tammikuu:1400, helmikuu: 1500, maaliskuu: 1170, huhtikuu: 290.

3. Sähkölämmityslaitteet
Matalajännitteen (40-60 V) käyttäminen vaihteiden sähkölämmitykseen edellyttää normaalin pienjännitteen (380/220 V) alentamista muuntajan avulla käyttötarkoitukseen soveltuvaksi. Sähkönsyöttö otetaan sähkölaitoksen pienjännitejakeluverkosta kaapelilla. Risteysalueen läheisyyteen on asennettu sähkölämmitystä varten pääkeskus, joka käsittää termistoriohjatun kelakytkimen, termistorilaitteen säätöreleineen, jännitteenalennusmuuttajat sekä kW/h-mittarin.
Lämpösauvojen tehoa voidaan portaallisesti asetella vaihteen sijainnin mukaan rajoissa 1800 2400 W.

Lämpösauvat työnnetään vaihteen rungossa olevaan onteloon vaihteessa olevan laatikon kautta. Termistori asennetaan saman laatikon kautta. Vaihteen kielen kohdalle on termistoria varten hitsattu lisäkappale ja termistori sijaitsee vaihteen kielenpään tasalla.

4. Lämmityssauvojen rakenne
Helsingin kaupungin liikennelaitoksella suoritettiin 1950-luvulla ja vielä osaksi 1960-luvun alussa kotimaisten ja ulkomaisten lämpösauvavalmistajien 600 V:n lämpösauvoilla lukuisasti kokeiluja. Nämä kokeilut toisensa jälkeen kuitenkin osoittivat, että 600 V:n jännitteelle valmistetut sauvaerät olivat kestoisuudeltaan varsin epähomogeenisia. Suurin osa kustakin erästä vioittui ensimmäisen talven aikana. Vioittumisen syynä oli joko sauvarakenteen syöpyminen tai vastuslangan syöpyminen, josta molempien seurauksena oli sauvan tuhoutuminen. Kun 600 V:n sauvoilla suoritetut kokeet osoittivat, ettei tällä tavoin toteutettuun vaihteiden sähkölämmitykseen voida luottaa, ryhdyttiin liikennelaitoksella kokeilemaan ja valmistamaan matalajännitteisiä sauvoja.
Matalajännitteisistä sauvoista saadut kokemukset olivat alusta pitäen muuten hyviä, mutta sauvamateriaalina käytetty kupari syöpyi muutaman vuoden käytön jälkeen. Tästä syystä siirryttiinkin käyttämään Oy Vuoksenniska Ab:n valmistamaa haponkestävää, ruostumatonta terässauvaa. Nykyisten sauvojen lasketaan kestävän 5 - 10 vuotta.
(Vuonna 1962 oli n 110 sähkölämmitteistä vaihdetta. Noin 10:ssä oli 60 V:n sauvat, n. 25:ssä 220 V:n sauvat ja muissa 600 V:n. Vuonna 1972 yhteensä 143:sta sähkölämmitteisestä vaihteesta parissakymmenessä oli 600 V:n sauvat, muutamassa 220 V:n ja muissa 60 V:n sauvat.)
Ylläoleva kuvaa sitä kehitystä, jonka mukaan Helsingin kaupungin liikennelaitoksella on siirrytty käyttämään omatekoisia, matalajännitteisiä sauvoja: Loputkin 600 V:n ja 220 V:n lämpösauvat tullaan risteyksissä suoritettavien ratatöiden yhteydessä muuttamaan lähivuosina matalajännitteisiksi.
Vastuslankana lämpösauvassa on käytetty Kanthal'in AI-lankaa ja eristiminä on käytetty Stettner-kaksoiseristyshelmiä. Lämpösauvan teho 60 V;n jännitteellä on 2000 W. Lämpösauvojen pituus on 3,3 m ja poikkileikkaus 19 mm. Liikennelaitoksella on myös eräissä vaihteissa ns. ylipitkiä lämpösauvoja, joiden pituus on 5,0 m ja teho sama.

5. Sähkölämmityksen käyttö ja termistoriohjaus
Koska talvi - ensimmäiset pakkaset ja lumi - pyrkii tulemaan aina yllättäen on vaihteiden sähkölämmityksen suhteen otettava ennakkoa. Kun sähkölämmitettäviä vaihteita on 143 kpl aiheuttaa lämmityksen kytkeminen käsikäyttöisesti suuren ja hitaasti toteutettavan työmäärän.
Mikäli sähkölämmitystä lokakuusta lähtien pidettäisiin jatkuvasti kytkettynä, aiheuttaisi tämä sähkönkulutuksen muodossa suuria kustannuksia. Sähkölämmityksen päälläpitäminen tarpeettomasti aiheuttaa myös vaihteiden liiallista kuivumista omine haittoineen.
HKL:llä ryhdyttiinkin vuoden 1965 jälkeen kehittämään termistoriohjausta. Tavoitteena oli automatisoida sähkölämmityksen ohjaus. Tässä onnistuttiinkin. (Vuonna 1967 termistoriohjattuja vaihteita oli n 10 mutta jo vuonna 1972 n 100.)
Periaatteena termistoriohjauksessa on se, että vaihteen kylkeen on hitsattu termistorikotelo, johon termistorisauva sijoitetaan. Termistori ohjaa säätöreleellä jännitteenalennusmuuntajan kelakytkintä siten, että termistorin lämpötila pysyy +3 - ± 0,5 'C lämpötila-alueella. Termistorilaite on siinä määrin herkkä, että se pystyy tuntemaan myös lumisateen ja kytkee tällöin muutaman minuutin kuluttua vaihteenlämmityksen päälle. Termistoreilla varustetut lämmityslaitteet toimivat automaattisesti. Täten vältytään miesvoiman käyttämisestä. Samoin vältytään vaihteiden ylikuumenemiselta ja tarpeettomalta lämmittämiseltä.
Termistoriohjauksella saadaan aikaan huomattava sähköenergian säästö (keskimäärin 47%).
Sähkön kulutus vaihdetta kohden kuukausittain (kWh)

 
                      käsiohjaus           termistoriohjaus
lokakuu               190                  60
marraskuu             910                  510
joulukuu              1140                 710
tammikuu              1710                 1140
helmikuu              1930                 1160
maaliskuu             1550                 880
huhtikuu              460                  170

6. Yhteenveto
Raitiovaunuliikenteen häiriintymättömän toiminnan kannalta on vaihteen sähkölämmityksellä talviaikana keskeinen merkitys. Hkl:llä on suoritettu varsin mittava ja laaja kokeilu ja kehitystyö vaihdesähkölämmityksen alueella. Tämän kehitystyön tuloksena on hankittu vaihdelämmityslaitteet, joiden avulla vaihteet pysyvät luotettavasti toimintakuntoisina myös talvella. Vaihteiden sulanapysymisen ansiosta on voitu rationalisoida ja koneellistaa myös vaihteiden puhtaanapito.
Kehitetyistä vaihdelämmityslaitteista ja termistoriohjauksesta saadut käyttökokemukset ovat varsin vakuuttavia ja myönteisiä, joten edellä esitettyjä vaihteen sähkölämmityslaitteita voidaan varsin hyvin suositella myös muuallekin.