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eb - Elektrische Bahnen Obeleitungsanlagen (Vorschau)

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B 2580<br />

4-5/2011<br />

April/Mai<br />

<strong>Elektrische</strong><br />

B ahnen<br />

Elektrotechnik<br />

im Verkehrswesen<br />

acrps 2011<br />

a. c. rail power supply<br />

Planen, Einrichten und Betreiben von<br />

AC-<strong>Bahnen</strong>ergieversorgungsanlagen<br />

Beiträge der Fachtagung am 10. und<br />

11. März 2011 in Leipzig zu den Themen<br />

Energie<br />

International Projects<br />

<strong>Obeleitungsanlagen</strong><br />

Zulassung und Normen<br />

Elektrotechnische Anlagen und Systeme<br />

Historie<br />

Journal<br />

Umrichter in der <strong>Bahnen</strong>ergieversorgung –<br />

Chancen weltweit<br />

Mauerwerkschornsteine des Bahnkraftwerks<br />

Muldenstein gesprengt<br />

<strong>Bahnen</strong>, Unternehmen, Personen, Produkte<br />

und Lösungen, Medien, Kommentare,<br />

Termine<br />

Erste Fachzeitschrift für Elektrotechnik<br />

im öffentlichen Verkehr


2<br />

Ausgaben<br />

gratis<br />

Die Fachzeitschrift<br />

für Elektrotechnik<br />

im Verkehrswesen<br />

Die führende Publikation für Entwicklung, Bau,<br />

Betri<strong>eb</strong> und Instandhaltung elektrischer <strong>Bahnen</strong><br />

und Verkehrssysteme.<br />

Mit detaillierten Fachberichten über Tri<strong>eb</strong>fahrzeuge,<br />

Fahrzeugausrüstung, Infrastruktur<br />

und Energieversorgung.<br />

<strong>eb</strong> – <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> erscheint in der Oldenbourg Industrieverlag GmbH, Rosenheimerstr. 145, 81671 München<br />

Oldenbourg-Industrieverlag<br />

www.<strong>eb</strong>-info.eu<br />

Vorteilsanforderung per Fax: +49 (0) 931 / 4170 - 492 oder im Fensterumschlag einsenden<br />

Ja, schicken Sie mir die nächsten beiden Ausgaben des Fachmagazins <strong>eb</strong> – <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> gratis zu.<br />

Nur wenn ich überzeugt bin und nicht innerhalb von 14 Tagen nach Erhalt des zweiten Hefts schriftlich<br />

absage, bekomme ich <strong>eb</strong> - <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> für zunächst ein Jahr (12 Ausgaben)<br />

o als Heft für 289,- zzgl. Versand (Deutschland: € 30,- / Ausland: € 35,-) pro Jahr.<br />

o als Heft + ePaper (PDF-Datei) für 375,70 zzgl. Versand (Deutschland: € 30,- / Ausland: € 35,-)<br />

pro Jahr.<br />

Für Schüler und Studenten (gegen Nachweis) zum Vorzugspreis<br />

o als Heft für 144,50 zzgl. Versand (Deutschland: € 30,- / Ausland: € 35,-) pro Jahr.<br />

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pro Jahr.<br />

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Leserservice <strong>eb</strong><br />

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97091 Würzburg<br />

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PAEBAH0211<br />

Absendung des Widerrufs oder der Sache an den Leserservice <strong>eb</strong> – <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong>, Fichtestr. 9, 97074 Würzburg.<br />

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Oldenbourg Industrieverlag oder vom Vulkan-Verlag per Post, per Telefon, per Telefax, per E-Mail, nicht über interessante Fachang<strong>eb</strong>ote informiert und beworben werde. Diese Erklärung kann ich mit Wirkung für die Zukunft jederzeit widerrufen.<br />

<br />

Telefax


WISSEN für die ZUKUNFT<br />

Mit vielen, bisher<br />

unveröffentlichten Bildern<br />

Wechselstrom-<br />

Zugbetri<strong>eb</strong><br />

in Deutschland<br />

Band 1: Durch das mitteldeutsche<br />

Braunkohlerevier – 1900 bis 1947<br />

Eine einzigartige, chronologische Beschreibung der<br />

Entwicklung der Tri<strong>eb</strong>fahrzeuge, Bahnstromversorgungsund<br />

Fahrleitungsanlagen sowie des Werkstättenwesens<br />

dieser Zeit.<br />

Vor mehr als 100 Jahren legten weitsichtige Techniker wie<br />

Gustav Wittfeld den Grundstein für den Aufbau eines elektrischen<br />

Zugbetri<strong>eb</strong>s mit Einphasen-Wechselstrom in Preußen<br />

– es war der Beginn einer unvergleichlichen Erfolgsgeschichte.<br />

Der erste Band beschreibt die Pionierarbeit der frühen<br />

Jahre – von der Finanzierung bis zur Inbetri<strong>eb</strong>nahme erster<br />

Teststrecken, über die schwere Wiederinbetri<strong>eb</strong>nahme in den<br />

Zwanzigern und die kurze Blütezeit in den Dreißigerjahren, bis<br />

hin zur Phase des Wiederaufbaus und der Demontage nach<br />

dem zweiten Weltkrieg.<br />

Dieses Werk veranschaulicht ein Stück Zeitgeschichte und<br />

beschreibt die Zusammenhänge zwischen den technischen<br />

und wirtschaftlichen sowie den gesellschaftlichen und<br />

politischen Entwicklungen dieser Epoche.<br />

P. Glanert / T. Scherrans / T. Borbe / R. Lüderitz<br />

1. Aufl age 2010, 258 Seiten mit CD-ROM, Hardcover<br />

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1. Aufl age 2010, ISBN: 978-3-8356-3217-2<br />

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Die bequeme und sichere Bezahlung per Bankabbuchung wird<br />

mit einer Gutschrift von € 3,- auf die erste Rechnung belohnt.<br />

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Vulkan-Verlag GmbH<br />

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45039 Essen<br />

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WZD1<strong>eb</strong>2010<br />

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Oldenbourg Industrieverlag oder vom Vulkan-Verlag per Post, per Telefon, per Telefax, per E-Mail, nicht über interessante Fachang<strong>eb</strong>ote informiert und beworben werde. Diese Erklärung kann ich mit Wirkung für die Zukunft jederzeit widerrufen.


HOCHLEISTUNG I PRÄZISION I ZUVERLÄSSIGKEIT<br />

Fahrleitungsbau auf höchstem Niveau.<br />

Fahrleitungsumbaumaschinen von Plasser & Theurer haben den Vorteil, dass Fahrdraht und Tragseil<br />

gleichzeitig, mit der endgültigen Zugspannung und im korrekten Zick-Zack-Verlauf verlegt werden.<br />

Nur diese Technologie gewährleistet die sofortige Befahrbarkeit ohne Nacharbeiten mit der zulässigen<br />

Streckenhöchstgeschwindigkeit nach Arbeitsende. Geringer Personalbedarf und die vollständige<br />

Bearbeitung einer Sektion innerhalb weniger Stunden sorgen für einen wirtschaftlichen Um- und<br />

Neubau von Fahrleitungen.<br />

Plasser & Theurer I Export von Bahnbaumaschinen Gesellschaft m.b.H. I A-1010 Wien I Johannesgasse 3 I Tel. (+43) 1 515 72 - 0 I export@plassertheurer.com<br />

Plasser & Theurer and Plasser sind international eingetragene Marken


Inhalt<br />

<strong>eb</strong> – <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 4-5/2011<br />

Elektrotechnik im Verkehrswesen<br />

Hauptbeiträge Seite Hauptbeiträge Seite<br />

Editorial<br />

Ein wesentliches Ziel des DB-Technikressorts:<br />

Verbessern der Qualitätsprozesse<br />

für das System Bahn 171<br />

Energie<br />

U. Halfmann, W. Recker<br />

Modularer Multilevel-Bahnumrichter 174<br />

Modular multilevel converter for railway<br />

applications<br />

Convertisseurs modulaire multiniveaux pour les<br />

chemins de fer<br />

E. Sternberg, Th. Walther<br />

Netzleittechnik in der 16,7 Hz-<strong>Bahnen</strong>ergieversorgung<br />

– Trends und Perspektiven 180<br />

News in substation control and control centre<br />

technology for 16.7 Hz railway power supply<br />

Tendances et perspectives des systèmes de contrôle du<br />

réseau d’alimentation électrique en 16,7 Hz<br />

H. Voegeli<br />

Unkonventionelle Verbesserung der<br />

Bahnstromversorgung Visp – Zermatt<br />

der Matterhorn Gotthard Bahn 184<br />

Unconventional improvement of the power supply<br />

between Visp and Zermatt of the Matterhorn<br />

Gotthard Railway<br />

Renforcement non conventionnel de l‘approvisionnement<br />

en énergie de traction de la ligne Visp – Zermatt<br />

du Matterhorn Gotthard Bahn<br />

International Projects<br />

R. Schmedes<br />

Traction electrification system planning<br />

for California high-speed train project 193<br />

Planung der Bahnstromversorgung für das<br />

kalifornische Hochgeschwindigkeitsbahn-Projekt<br />

Le système d’alimentation électrique pour le<br />

projet de LGV en Californie<br />

A. Bastian, Ch. Courtois, A. Machet<br />

Phase separation sections – passing<br />

with minimum constraits 197<br />

Phasentrennstellen – Befahrung mit kleinsten<br />

Einschränkungen<br />

Sections de séparation de phase – comment les<br />

franchir avec un minimum de contraintes?<br />

D. Pfeffermann<br />

AC 25 kV traction power supply for<br />

Airport Rail Link Bangkok 204<br />

AC-25-kV-Stromversorgung für die neue<br />

Bahnstrecke zum Flughafen Bangkok<br />

Alimentation de la traction en 25 kV pour<br />

la ligne de l’aéroport de Bangkok<br />

Oberleitungsanlagen<br />

W. Krötz, U. Resch<br />

Oberleitungen und Stromabnehmer –<br />

Entwicklungen bei der Deutschen Bahn 211<br />

Development of overhead contact lines and<br />

pantograph components at Deutsche Bahn<br />

Développements techniques aux caténaires et aux<br />

composants de pantographes à la Deutsche Bahn<br />

R. Furrer, U. Wili<br />

Reduktion der Bauteile-Vielfalt in<br />

Oberleitungsanlagen 216<br />

Reducing the diversity of overhead contact line<br />

components<br />

Réduction de la diversité des composants d’une<br />

caténaire<br />

Zulassung und Normen<br />

K. Schnadhorst, H. Tessun<br />

Oberleitungsanlagen nach TSI Energie –<br />

Planung und Abnahme 220<br />

Overhead contact lines according to TSI Energy,<br />

installation design and technical acceptance<br />

Installations caténaires en conformité avec TSI Energie,<br />

conception et réception<br />

Th. Reichmann, J. Raubold<br />

Tri<strong>eb</strong>fahrzeugzulassung mithilfe der<br />

Simulation Fahrdraht/Stromabnehmer 225<br />

Approval of multiple unit trains by means of the<br />

simulation of contact wire/pantograph<br />

Homologation de trains en unités multiples au<br />

moyen de simulation fil de contact/pantographe<br />

Ch. Budde, G. Hofmann, J. Thiemig,<br />

L. Westphal<br />

Konformität der DB-Richtlinie 997.02<br />

mit EN 50122-1 231<br />

Conformity of DB Guideline 997.02 with EN 50122-1<br />

Conformité de la directive DB 997.02 avec<br />

la norme EN 50122-1<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

169


Inhalt<br />

Impressum<br />

Hauptbeiträge<br />

Elektrotechnische Anlagen und Systeme<br />

K. Leithner<br />

Messungen an Teilen geringer Abmessung<br />

hinsichtlich Spannungsverschleppung 236<br />

Parasitic voltage formation measurements on<br />

components of small dimensions<br />

Mesures du reste de tension sur les pièces de<br />

petite dimension<br />

A. Zynovchenko<br />

Verfahren zur Verbesserung der Span -<br />

nungshaltung bei Wechselstrombahnen 242<br />

Technology to improve catenary voltage stability<br />

for a.c. railways<br />

Technologie pour améliorer la stabilité de tension<br />

pour les chemins de fer électrifiés en c. a.<br />

Historie<br />

P. Glanert, S. Graßmann, Th. Scherrans<br />

100 Jahre Fernbahnelektrifizierung<br />

in Deutschland 247<br />

Centenary of long distance railway electrification<br />

in Germany<br />

Un siècle d’électrification de lignes à grand<br />

parcours en Allemagne<br />

Journal<br />

Journal extra<br />

Seite<br />

Umrichter in der <strong>Bahnen</strong>ergieversorgung –<br />

Chancen weltweit 254<br />

Mauerwerkschornsteine des Bahnkraftwerks<br />

Muldenstein gesprengt 258<br />

<strong>Bahnen</strong> ∙ Railways ∙ Chemins de fer 260<br />

Unternehmen ∙ Companies ∙ Sociétés 265<br />

Personen ∙ Persons ∙ Personnes 265<br />

Produkte und Lösungen ∙ Products and solutions ∙<br />

Produits et solutions 266<br />

Medien ∙Media ∙ Media 267<br />

Kommentare ∙ Comments ∙ Commentaires 267<br />

Termine ∙ Dates ∙ Dates 268<br />

<strong>eb</strong> – <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong><br />

Gegründet 1903 von Prof. Wilhelm Kübler, Königlich Sächsische Technische Hochschule<br />

zu Dresden.<br />

Herausg<strong>eb</strong>er:<br />

Dr. Klaus Baur, Vorsitzender der Geschäftsführung, Bombardier Transportation GmbH, Berlin<br />

Dr. Ansgar Brockmeyer, Leiter Business Segment Public Transit, Siemens Mobility, Erlangen<br />

Dipl.-Ing. Thomas Groh, Geschäftsführer, DB Energie GmbH, Frankfurt am Main (federführend)<br />

Dr.-Ing. Friedrich Kießling, Baiersdorf<br />

Prof. Dr.-Ing. Peter Mnich, Fachg<strong>eb</strong>iet Betri<strong>eb</strong>ssysteme elektrischer <strong>Bahnen</strong>, Technische<br />

Universität Berlin<br />

Dr.-Ing. Steffen Röhlig, ELBAS <strong>Elektrische</strong> Bahnsysteme Ingenieur-Gesellschaft mbH,<br />

Dresden<br />

Prof. Dr.-Ing. Andreas Steimel, Lehrstuhl für elektrische Energietechnik und Leistungselektronik,<br />

Ruhr-Universität, Bochum<br />

Beirat:<br />

Dipl.-Ing. Christian Courtois, Leiter des Geschäftsg<strong>eb</strong>ietes Traktionsenergie-Versorgungssysteme<br />

in der Direction de l‘ingéniere der SNCF<br />

Dr.-Ing. Thomas Dreßler, Experte für Energie, Schieneninfrastruktur-Dienstleistungsgesellschaft<br />

mbH, Abteilung Benannte Stelle, Wien<br />

Dr.-Ing. Gert Fregien, Leiter Fahrzeugtechnik, DB Fernverkehr, Frankfurt am Main<br />

Dr. Andreas Fuchs, Leiter Vorentwicklung Traktion, Siemens Mobility, Erlangen<br />

Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtschaftsing. Wolfgang Harprecht, Senior Consultant, Marburg an der Lahn<br />

Dipl.-Ing. Alfred Hechenberger, Standortverantwortlicher München und Leiter<br />

Öffentlich keitsarbeit, DB Systemtechnik, München<br />

Dr. Dieter Klumpp, Geschäftsführer Alstom LHB GmbH, Salzgitter<br />

Dipl.-Ing. Manfred Lörtscher, Geschäftsführer, LOITS GmbH, Wettswil am Albis<br />

Prof. Dr.-Ing. Adolf Müller-Hellmann, Geschäftsführer VDV-Förderkreis e.V., Köln<br />

Dipl.-Ing. (FH) Peter Schließmann, Leiter Consulting Services Ausrüstungstechnik, DB International,<br />

Frankfurt am Main<br />

Dipl.-Ing. Udo Stahlberg, Fachbereichsleiter Nahverkehrs-Schienenfahrzeuge, elektrische<br />

Energieanlagen und Standseilbahnen, Verband Deutscher Verkehrsunternehmen<br />

(VDV), Köln<br />

Dipl.-Ing. (FH) Mike Walter, Leiter Kompetenzcenter Elektrotechnik, Balfour Beatty Rail<br />

GmbH, Offenbach am Main<br />

Dipl.-Wirtschaftsing. Michael Witt, Lahmeyer International GmbH, Bad Vilbel<br />

Dr. Dipl.-Ing. Alfred Zimmermann, Vorstandsdirektor Infrastruktur, Österreichische Bundes -<br />

bahnen, Wien<br />

Redaktion:<br />

Eberhard Buhl, M.A. (verantwortlich), Fon: +49 711 33-7977, Fax: -3022,<br />

E-Mail: redaktion@<strong>eb</strong>-elektrische-bahnen.de, Postanschrift siehe Verlag.<br />

Dipl.-Ing. Dirk Behrends, Eisenbahn-Bundesamt, Bonn<br />

Dipl.-Ing. Martin Binswanger, Mering<br />

Dipl.-Ing. Erich Braun, Schwalbach<br />

Dipl.-Ing. (FH) Bodo Ehret, DB AG, Vorstandsressort Technik, Frankfurt am Main<br />

Dipl.-Ing. Roland Granzer, Dresden<br />

Dipl.-Ing. Walter Gunselmann, Siemens Mobility, Erlangen<br />

Dr.-Ing. Friedrich Kießling, Baiersdorf<br />

Dipl.-Ing. Wolfgang Kropp, Balfour Beatty Rail GmbH, Offenbach am Main<br />

Verlag:<br />

Oldenbourg Industrieverlag GmbH, Rosenheimer Straße 145,<br />

81671 München, Deutschland, Fon: +49 89 45051-0, Fax: -207<br />

Internet: http://www.oldenbourg.de<br />

Geschäftsführer:<br />

Carsten Augsburger, Jürgen Franke, Hans-Joachim Jauch<br />

Mediaberatung:<br />

Inge Matos Feliz, Fon: +49 89 45051-228, Fax: -207,<br />

E-Mail: matos.feliz@oiv.de, Anschrift siehe Verlag.<br />

Zurzeit gilt Anzeigenpreisliste Nr. 57.<br />

Redaktionsbüro:<br />

Ursula Grosch, Fon: +49 89 3105499<br />

E-Mail: ulla.grosch@seccon-group.de<br />

Abonnement/Einzelheftbestellungen:<br />

Leserservice <strong>eb</strong> − <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong><br />

Postfach 9161<br />

97091 Würzburg,<br />

Fon: +49 931 4170-1615, Fax: +49 931 4170-492,<br />

E-Mail: leserservice@oldenbourg.de<br />

Bezugsbedingungen:<br />

„<strong>eb</strong> – <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong>“ erscheint 10 x jährlich (davon 2 Doppelhefte).<br />

Jahresinhaltsverzeichnis im Dezemberheft<br />

Jahresabonnement 289,00 € (inkl. MwSt.)<br />

Porto Inland 30,00 € (inkl. MwSt.) / Porto Ausland 35,00 €<br />

Einzelheft 33,00 € (inkl. MwSt.), Porto (Deutschland 3,00 € / Ausland 3,50 €)<br />

Einzelausgabe als ePaper 33,00 €<br />

Abo Plus (Print plus ePaper) 375,70 €<br />

Porto Inland 30,00 € (inkl. MwSt.) / Porto Ausland 35,00 €<br />

Die Preise enthalten bei Lieferung in EU-Staaten die Mehrwertsteuer, für das übrige<br />

Ausland sind sie Nettopreise.<br />

Studentenpreis: 50 % Ermäßigung gegen Nachweis.<br />

Bestellungen über jede Buchhandlung oder direkt an den Verlag.<br />

Abonnements-Kündigungen 8 Wochen zum Ende des Kalenderjahres.<br />

Jahresinhaltsverzeichnis im Dezemberheft. – Mikrofilmausgaben ab 44. Jahrgang, 1973,<br />

sind durch University Mikrofilms Ltd., St. John‘s Road Tylers Green High Wycombe, Buckinghamshire,<br />

England, HP 108 HR, zu beziehen.<br />

Diese Zeitschrift und alle in ihr enthaltenen Beiträge und Abbildungen sind urh<strong>eb</strong>errechtlich<br />

geschützt. Mit Ausnahme der gesetzlich zugelassenen Fälle ist eine Verwertung<br />

ohne Einwilligung des Verlages strafbar.<br />

ISSN 00 13-5437<br />

Gedruckt auf chlor- und säurefreiem Papier<br />

170 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – Editorial<br />

Ein wesentliches Ziel des DB-Technikressorts:<br />

Verbessern der Qualitätsprozesse<br />

für das System Bahn<br />

Gerne habe ich die diesjährige<br />

Schirmherrschaft<br />

für die 5. acrps-Fachtagung<br />

in Leipzig übernommen.<br />

Der Internationale Kongress<br />

der Wechselstrom- und Bahnstromversorgung<br />

fällt 2011 in ein besonderes<br />

Jubiläumsjahr. Vor 100 Jahren<br />

– am 1. April 1911 – wurde zwischen<br />

Bitterfeld und Dessau der erste<br />

26 km lange zweigleisige elektrifizierte<br />

Fernbahnabschnitt in Betri<strong>eb</strong><br />

genommen. Damals entschied man<br />

sich für ein System mit Einphasenwechselstrom<br />

mit einer Spannung<br />

von 15 000 V und einer Frequenz<br />

von 16 2 / 3 Hz. Dieses System ist noch<br />

heute in Deutschland im Einsatz.<br />

Die Elektrifizierung hat dem System Bahn ökologische<br />

und ökonomische Vorteile gegenüber anderen<br />

Verkehrsträgern verschafft. Sie ist zugleich<br />

auch ein wesentlicher Treiber für die Renaissance<br />

der Schiene, und dieser Erfolg ist nachhaltig. Das<br />

zeigt die Bilanz des DB-Konzerns für das Geschäftsjahr<br />

2010. Die Bahn hat die weltweite Wirtschaftskrise<br />

gut überwunden und ihre Geschäfte haben<br />

sich über alle Felder hinweg positiv entwickelt.<br />

Die DB hat seit rund 15 Monaten ein Technikressort<br />

in ihre Konzernstruktur implementiert und<br />

diesen Bereich auf Basis von umfassenden Analysen<br />

neu ausgerichtet. Notwendig wurde die Neuausrichtung<br />

im Wesentlichen aus den bekannten Technikund<br />

Qualitätsproblemen heraus.<br />

Bei Lieferverträgen verankern wir jetzt Qualitätsmeilensteine<br />

bezüglich Prüfungsnachweisen und<br />

Vollständigkeit von Unterlagen.<br />

Dieser Prozess ist mit eindeutigen<br />

Eskalationsmechanismen hinterlegt.<br />

Ziel ist – zum Beispiel bei der<br />

Fertigung neuer Fahrzeuge – Komponenten<br />

erst dann einzubauen,<br />

wenn der Erstmusterprozess durchlaufen<br />

ist. Rollkuren noch während<br />

der laufenden Fertigung, die der<br />

DB in der Vergangenheit qualitativ<br />

massive Probleme bereitet haben,<br />

sollen somit beseitigt werden. Auch<br />

unsere Zahlungsmodalitäten werden<br />

so ausgerichtet, dass wir beim<br />

Thema Qualität eine Risikominimierung<br />

betreiben.<br />

Die DB setzt auf eine partnerschaftliche<br />

Zusammenarbeit mit der Industrie. Daher<br />

richten wir unser Augenmerk auf die Weiterentwicklung<br />

unseres Lieferantenmanagements. Um<br />

unser Leistungsversprechen gegenüber täglich rund<br />

si<strong>eb</strong>en Millionen Kunden zu erfüllen, brauchen wir<br />

engagierte und qualifizierte Partner. Gemeinsam<br />

gilt es, Sicherheit, Qualität und Effizienz des Rad-<br />

Schiene-Systems zu gewährleisten.<br />

Dr. Volker Kefer<br />

Vorstand Technik, Systemverbund und Dienstleistungen<br />

der Deutschen Bahn AG und DB Mobility Logistics AG<br />

Vorstand Infrastruktur der Deutschen Bahn AG<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

171


acrps 2011 – Branchentreff<br />

der Wechselstrom-<br />

<strong>Bahnen</strong>ergieversorgung<br />

Die Nachfrage für die fünfte acrps-Fachtagung war überwältigend:<br />

Bereits im November 2010 war die Tagung, die am 10. und 11. März 2011<br />

in Leipzig stattfand, ausg<strong>eb</strong>ucht. In diesem Jahr kamen fast 500 Fachleute<br />

aus Japan, China und den Vereinigten Staaten sowie aus den europäischen<br />

Staaten Dänemark, den Niederlanden, Frankreich, Großbritannien,<br />

Österreich, Polen, Schweden, der Schweiz, aus der Slowakei und natürlich<br />

aus Deutschland. Die Teilnehmer vertraten Bahnunternehmen, die Bahnindustrie,<br />

Behörden, Hochschulen sowie Beratungs- und Planungsfirmen.<br />

Die Idee für diese Tagung ist ziemlich genau zehn Jahre alt. Es war ein<br />

Wunsch der Veranstalter, eine Tagungsreihe ins L<strong>eb</strong>en zu rufen, die mit<br />

aktuellen Themen besetzt ist, ein Forum für Gedankenaustausch bietet<br />

und für die Teilnehmer bezahlbar ist. Was die Organisatoren damals<br />

nicht ahnten, ist die gewaltige Resonanz und die Akzeptanz, die diese<br />

Veranstaltung mittlerweile bekommen hat. Mehr als drei Viertel der Teil-<br />

109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011<br />

nehmer besuchten mindestens schon eine der Vorgängerveranstaltungen.<br />

Und so dient dieses Treffen nicht nur der<br />

Wissensvermittlung, sondern ist mittlerweile auch wichtiger<br />

Branchentreffpunkt. Man kann mit Bestimmtheit sagen: Es<br />

ist der Treffpunkt der Wechselstrom-Bahningenieure.<br />

Der Erfolg dieses Treffens ist dem Engagement der<br />

beteiligten Unternehmen zu verdanken. Die Einnahmen<br />

dieser Tagung decken deren Organisationskosten. Alle<br />

Referenten treten ohne Honorar auf. Die im Foyer ausstellenden<br />

Firmen tragen außerdem mit ihrem Beitrag zum<br />

Gelingen der Tagung bei.<br />

Schirmherr der diesjährigen Tagung war Dr. Volker<br />

Kefer, Vorstand Infrastruktur der Deutschen Bahn AG. In<br />

seinem einleitenden Vortrag skizzierte er die Neuausrichtung<br />

der Technik bei der Bahn und erläuterte die künftige<br />

Zusammenarbeit mit externen Partnern.<br />

N<strong>eb</strong>en dem Eröffnungsblock wurden fünf Tagungsblöcke<br />

behandelt, welche die Themen<br />

• Energie,<br />

• Internationale Projekte,<br />

• Oberleitungsanlagen,<br />

• Normen und Zulassung sowie<br />

• Elektrotechnische Ausrüstung<br />

behandelten. Ergänzt wurde dieses Programm erstmalig<br />

durch eine Podiumsdiskussion zum Thema „Funktionale<br />

Sicherheit in der <strong>Bahnen</strong>ergieversorgung“; ein in den<br />

letzten Jahren heiß und kontrovers diskutiertes Thema.<br />

Die acrps 2011 war ein voller Erfolg. So ist es folgerichtig,<br />

dass bereits die sechste Ausgabe geplant wird:<br />

Am 8. und 9. März 2013 wird sich die Wechselstrombahn-<br />

Fachwelt erneut in Leipzig treffen.<br />

In dieser Ausgabe der Zeitschrift <strong>eb</strong> – <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong><br />

ist ein Großteil der in Leipzig gehaltenen Vorträge<br />

wiedergeg<strong>eb</strong>en. Den Referenten ist hoch anzurechnen,<br />

dass sie zusätzlich zur Vorbereitung der Vorträge die<br />

Zeit aufbrachten und die Beiträge schriftlich verfasst<br />

haben, um diese so einem breiten Leserkreis zugänglich<br />

zu machen.<br />

Dr. Steffen Röhlig<br />

Weitere Fotos der acrps 2011 sowie Hinweise für die nächste<br />

Konferenz 2013 finden sich unter www.acrps.info.<br />

(Fotos: Erwin Weilbächer, Marcel Quietzsch)<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

173


Energie – acrps 2011<br />

Modularer Multilevel-Bahnumrichter<br />

Ulrich Halfmann, Wolfgang Recker, Erlangen<br />

Eine innovative Bauart für Statische Bahnumrichter sind Modulare Multilevel-Direktumrichter<br />

(MMD). Sie zeichnen sich durch einfachen und modularen Aufbau sowie Netzfreundlichkeit aus<br />

und können flexibel an die geforderte Versorgungsleistung angepasst werden. Die Bauweise<br />

eignet sich besonders für hohe Leistungen. Gegenüber bisherigen Lösungen sind Lärmemission<br />

und Platzbedarf geringer. Zurzeit werden Umrichter dieser neuen Generation an Standorten in<br />

Deutschland und Schweden errichtet.<br />

Modular Multilevel Converter for railway applications<br />

Modular Multilevel Direct Converters are an innovative type of static frequency converters for<br />

traction power supply. They are characterized by their simple and modular design as well as<br />

by their system friendliness. They can be easily adjusted to the required power of supply. This<br />

technology is especially suited for high power. Compared to existing designs noise emission and<br />

required space are reduced. Static frequency converters of this new generation are actually under<br />

construction at locations in Germany and Sweden.<br />

Convertisseurs modulaire multiniveaux pour les chemins de fer<br />

Les convertisseurs directs modulaires multiniveaux sont un type innovant de convertisseurs statiques<br />

utilisés pour les chemins de fer. Ils se caractérisent par une structure simple et modulaire<br />

ainsi que par leur compatibilité avec le réseau et peuvent être facilement adaptés à la puissance<br />

d’alimentation requise. Leur conception se prête particulièrement aux puissances élevées. Ils sont<br />

moins bruyants et moins encombrants que les solutions proposées jusqu’à présent. Les convertisseurs<br />

de cette nouvelle génération sont actuellement implantés en Allemagne et en Suède.<br />

1 Einführung<br />

1.1 <strong>Bahnen</strong>ergieversorgung mit<br />

Sonderfrequenzen<br />

Einphasen-Wechselstrombahnen werden aufgrund der<br />

historischen Entwicklung in den einzelnen Ländern und<br />

der verfügbaren Technologien unterschiedlich gespeist.<br />

Bild 1: Einspeisealternativen für 16,7-Hz-<strong>Bahnen</strong>.<br />

In einigen Ländern Europas sowie Teilen der USA werden<br />

die Bahnnetze mit Sonderfrequenzen wie 16 2 / 3<br />

Hz, 16,7 Hz<br />

und 25 Hz betri<strong>eb</strong>en.<br />

Die Energie für die Bahnnetze wird entweder aus Kraftwerken<br />

oder aus Drehstromnetzen bezogen. Bei Bahnnetzen<br />

mit vom Drehstromnetz abweichender Frequenz sind<br />

Umformeinrichtungen erforderlich, die die Umformung<br />

in Bezug auf Frequenz, Spannung und Phasenzahl durchführen<br />

(Bild 1). Bereits seit knapp<br />

40 Jahren sind hierzu statische Frequenzumrichter<br />

sowohl für die direkte<br />

Speisung der Fahrleitung als<br />

auch zur Speisung von bahneigenen<br />

Hochspannungsnetzen der zentralen<br />

Bahnstromversorgung im Einsatz<br />

[1]. Abgesehen von Neuinvestitionen<br />

ersetzen sie in den letzten Jahren<br />

vermehrt rotierende Umformer, da<br />

diese am Ende ihrer L<strong>eb</strong>ensdauer angelangt<br />

sind und oft einen hohen<br />

Instandhaltungsaufwand erfordern.<br />

Zudem ist der Wirkungsgrad statischer<br />

Bahnumrichter mit typisch 96<br />

bis 98 % deutlich höher als der der<br />

rotierenden Umformer mit typisch<br />

90 bis 92 %. Modulare Multilevel-Direktumrichter<br />

sind die neueste Entwicklungsstufe<br />

statischer Umrichter.<br />

174 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – Energie<br />

1.2 Netzgeführte Direktumrichter<br />

Die ersten statischen Umrichter mit Leistungshalbleitern waren<br />

netzgeführte Direktumrichter mit schaltungstechnisch<br />

einfachem Aufbau und mit robuster Thyristortechnik (Bild 2).<br />

Bild 3 zeigt die 16,7-Hz-Ausgangsspannung und den 16,7-Hz-<br />

Ausgangsstrom dieser Umrichterbauart. Allerdings konnten<br />

diese Direktumrichter die mit doppelter Netzfrequenz<br />

pulsierende Leistung nicht speichern, die bei Einphasen-<br />

Wechselstrombahnen physikalisch geg<strong>eb</strong>en ist. Analog zu<br />

einer Anbindung von Einphasenlasten an das Drehstromnetz<br />

wie sie bei 50-Hz-<strong>Bahnen</strong> üblich ist, führt der Einsatz dieser<br />

Direktumrichter <strong>eb</strong>enfalls zu pulsierenden Belastungen der<br />

Drehstromnetze. Weiterhin werden Oberschwingungen aus<br />

dem Bahnnetz in das Drehstromnetz eingekoppelt.<br />

Trotz dieser Nachteile behaupteten sich netzgeführte<br />

Direktumrichter wegen ihrer hohen Zuverlässigkeit und<br />

ihres guten Wirkungsgrades bis in die 90er Jahre am<br />

Markt. Der letzte Direktumrichter wurde 1992 in Baltimore,<br />

USA, in Betri<strong>eb</strong> genommen [1].<br />

Bild 2: Netzgeführter Direktumrichter als Netzkupplungsumformer.<br />

1.3 Gleichspannungs-<br />

Zwischenkreisumrichter<br />

Statische Umrichter mit Gleichspannungs-Zwischenkreis<br />

wurden in den 80er und 90er Jahren entwickelt und sind bis<br />

heute, bestückt mit verschiedensten Leistungshalbleitern,<br />

Stand der Technik. In Bild 4 ist das Prinzipschaltbild des statischen<br />

Netzkupplungsumrichters im Umformerwerk (Ufw)<br />

Nürnberg-G<strong>eb</strong>ersdorf gezeigt [2]. Der Umrichter wurde im<br />

September 1994 im Kraftwerk (Kw) Muldenstein in Betri<strong>eb</strong><br />

genommen und 1996 nach Nürnberg-G<strong>eb</strong>ersdorf umgesetzt,<br />

wo er 1997 wieder seinen Betri<strong>eb</strong> aufnahm.<br />

Diese Umrichter formen die Energie in zwei Schritten um:<br />

• Im ersten Schritt wird die drehstromseitige Wechselspannung<br />

in eine Gleichspannung umgewandelt, entweder<br />

durch netzgeführte Gleichrichter oder, wie in<br />

Bild 4 gezeigt, über Pulswechselrichter, die eine Energieübertragung<br />

vom Drehstromnetz ins Bahnnetz und<br />

umgekehrt zulassen.<br />

• Im zweiten Schritt wird die Gleichspannung über Vierquadrantensteller<br />

wieder in eine einphasige Wechselspannung<br />

umgewandelt.<br />

Bild 3: 16,7-Hz-Spannung (grün) und 16,7-Hz-Strom (rot) eines netzgeführten<br />

Direktrichters.<br />

Im Vergleich mit den Direktumrichtern bedingt der<br />

Aufbau eines Gleichspannungs-Zwischenkreisumrichters<br />

den Einsatz verschiedener Hardwarekomponenten, wie<br />

Saugkreise, Filterkreise sowie Bremssteller und Kurzschließereinheiten<br />

als Schutzorgane.<br />

2 Modulare Multilevel-Direktumrichter<br />

2.1 Hintergrund<br />

Für selbstgeführte Umrichter im Bereich hoher Leistungen<br />

wie statische Frequenzumrichter, selbstgeführte Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen<br />

und selbstgeführte<br />

Blindleistungskompensatoren verwendet Siemens eine<br />

neue Stromrichtertechnik, die Modulare Multilevel-Converter-Technologie<br />

(MMCD) [4]. Diese Umrichterbauart ist<br />

für Leistungen zwischen 10 MVA und 1 GVA geeignet.<br />

Dabei entkoppelt der Gleichspannungszwischenkreis<br />

mit seinen<br />

Kondensatoren und Saugkreisen<br />

die beiden Netze. Die Sinusform der<br />

Ausgangsspannung wird durch mehrere<br />

Vierquadrantensteller-Spannungen<br />

erzielt, die über einen Summiertransformator<br />

addiert werden. Je<br />

nach Stufenzahl und Schaltfrequenz<br />

sind Netzfilter notwendig, um die<br />

gewünschte Spannungsqualität zu<br />

erreichen [3]. Bild 5 zeigt die Sekundärspannung<br />

eines Gleichspannungs-Zwischenkreisumformers.<br />

Bild 4: Prinzipschaltbild eines Gleichspannungs-Zwischenkreisumrichters in Dreipunkttechnik.<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

175


Energie – acrps 2011<br />

Bild 5: Sekundärspannung eines Gleichspannungs-Zwischenkreisumrichters<br />

in Dreipunkttechnik.<br />

1<br />

2<br />

n<br />

1<br />

2<br />

n<br />

Bild 6: Prinzipschaltbild eines Umrichters in MMDC-Technologie.<br />

a) b)<br />

Bild 7: Submodul mit Kondensator.<br />

a) Schaltbild mit Kondensator, b) Ausführung<br />

1<br />

2<br />

n<br />

1<br />

2<br />

n<br />

1<br />

2<br />

n<br />

1<br />

2<br />

n<br />

Auf dieser Basis wurde für statische Bahnumrichter<br />

ein selbstgeführter Direktumrichter entwickelt, der die<br />

Energie in nur einem Schritt umwandelt. Der 3AC-Wechselstrom<br />

wird direkt in einen bahnseitigen 1AC-Wechselstrom<br />

umgeformt. Im Gegensatz zu den bisherigen fremdgeführten<br />

Direktumrichtern formen diese neuen selbstgeführten<br />

Direktumrichter (Modular Multilevel Direct Converter,<br />

MMDC) die Energie nahezu ohne Netzrückwirkungen um.<br />

2.2 Aufbau<br />

Als Innovation werden bei den selbstgeführten Direktumrichtern<br />

für die <strong>Bahnen</strong>ergieversorgung mehrere Stromrichtermodule,<br />

die jeweils als schaltbare Spannungsquelle<br />

aufgefasst werden können, direkt in Reihe geschaltet.<br />

Bild 6 zeigt das Prinzipschaltbild. Die Stromrichter-Struktur<br />

entspricht der bekannten B6-Brückenschaltung. Sie<br />

besteht aus drei Stromrichterphasen mit je einem oberen<br />

und unteren Zweig. Jeder Zweig enthält eine bestimmte<br />

Anzahl Submodule, die unabhängig voneinander geschaltet<br />

werden können und ihre Kondensatorspannung je<br />

nach Schaltzustand an den Anschlussklemmen abbilden.<br />

Das Niveau der Bahn- und der Drehspannung wird im<br />

Wesentlichen durch die Anzahl der in Reihe geschalteten<br />

Submodule bestimmt. Dadurch können Anschlussspannungen<br />

im Mittel- und sogar im Hochspannungsbereich<br />

realisiert werden. Diese im Vergleich zur Sperrspannung<br />

der einzelnen Halbleiter hohen Spannungen lassen auch<br />

bei relativ niedrigen Strömen im Bereich zwischen 1 und<br />

2 kA große Umrichterleistungen zu.<br />

Die Submodule (Bild 7) sind als Vollbrückenmodule ausgeführt.<br />

Sie bestehen aus IGBT-Leistungshalbleitern (Insulated<br />

Gate Bipolar Transistor) mit integrierten Freilaufdioden,<br />

dem Submodulkondensator und der Ansteuer- und Überwachungselektronik<br />

als eigenständige Einheit. Hieraus ergibt<br />

sich ein weiterer Vorteil dieser MMD-Stromrichtertopologie:<br />

Die im Umrichter gespeicherte Energie ist auf viele Submodule<br />

verteilt. Damit ist die Energie eines Submoduls verglichen<br />

mit der in einem gemeinsamen Zwischenkreis gespeicherten<br />

Energie gering, sodass bei einem Stromrichterfehler<br />

die Auswirkungen auf das Submodul begrenzt und gut beherrschbar<br />

bleiben. Bei einem Halbleiterschaden ist ein Betri<strong>eb</strong><br />

ohne Unterbrechung möglich, indem das Modul über<br />

einen Schalter an den Leistungsanschlüssen kurzgeschlossen<br />

wird. Wenn gewünscht, kann Redundanz im Stromrichter<br />

durch zusätzliche Submodule geschaffen werden.<br />

Durch die direkte Reihenschaltung der Submodule erübrigt<br />

sich eine Summierung einzelner Stromrichterspannungen<br />

über Transformatoren und es können einfache<br />

Trafoschaltungen verwendet werden. Auf der 50-Hz-Seite<br />

wird zum Beispiel ein Transformator mit der Schaltgruppe<br />

Yy0 eingesetzt, der zur Anpassung an die jeweilige<br />

Netzspannung und zur galvanischen Trennung der Netze<br />

verwendet wird. Zur direkten Speisung in die Oberleitung<br />

kann bei geeigneter Leistungswahl der Umrichter auch<br />

auf den bahnseitigen Transformator verzichtet werden,<br />

ansonsten werden Bahntransformatoren mit der Schaltgruppe<br />

Ii0 eingesetzt, um die Stromrichterausgangsspannung<br />

an die Bahnnetzspannung anzupassen. Diese auch<br />

in Verteilnetzen eingesetzten Trafovarianten ermöglichen<br />

die Anwendung klassischer Schutzkonzepte wie den Transformatordifferentialschutz.<br />

Diese Schutzkonzepte sind bereits<br />

seit langem bei den Netzbetreibern etabliert. Die in<br />

176 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – Energie<br />

den Zweigen eingesetzten Kreisstromdrosseln verbessern<br />

die Regelfähigkeit der Anlagen und sorgen für die Kurzschlussfestigkeit<br />

des Stromrichters bei internen Fehlern.<br />

2.3 Spannungserzeugung<br />

Die sechs Zweigspannungen können als steuerbare Spannungsquellen<br />

angesehen werden, die durch die in Reihe<br />

geschalteten Submodule erzeugt werden. Die sechs<br />

Zweigspannungsquellen erzeugen gleichzeitig die Spannungen<br />

für die 3AC-Seite und 1AC-Bahnspannungsseite.<br />

Resultierend erhält man die in Bild 8 dargestellten Zeitverläufe<br />

der Zweigspannungen, wobei die Spannungen<br />

einer Stromrichterphase im Bild die gleiche Farbe haben.<br />

Es ergibt sich dann zwischen den Sternpunkten der oberen<br />

und unteren Stromrichterbrücke die 1AC-Bahnspannung,<br />

hier in schwarz dargestellt.<br />

Jede Zweigspannungsquelle wird gleichzeitig anteilig<br />

von Drehstrom und von Bahnstrom durchflossen. Daraus<br />

resultiert, dass der Kurzschlussstrom, den der Umrichter auf<br />

der Bahnseite führen kann, prinzipbedingt – und im Gegensatz<br />

zu Gleichspannungs-Zwischenkreisumrichtern – deutlich<br />

größer sein kann als sein Nennstrom. Bei Kurzschlüssen<br />

auf der Bahnseite überwiegt meistens der induktive<br />

gegenüber dem resistiven Stromanteil. Dies bedeutet, dass<br />

dem 50-Hz-Netz während der Kurzschlussdauer weniger<br />

Wirkleistung als bei Nennbetri<strong>eb</strong> entnommen wird. Damit<br />

ist der 50-Hz-Strom im Stromrichter kleiner und bei gleicher<br />

Stromrichterbelastung kann ein größerer Bahnstrom<br />

geführt werden. Bei direkter Speisung in die Fahrleitung,<br />

also bei schwachen Netzen, werden das Erkennen von Fehlerströmen<br />

und damit der Fahrleitungsschutz vereinfacht. Ist<br />

ein hoher Kurzschlussstrom nicht gewünscht, begrenzt die<br />

Umrichterregelung den Ausgangsstrom auf zulässige Werte.<br />

Da Modulare Multilevel-Direktumrichter keine komplementären<br />

Energiespeicher, also keine Saugkreise, enthalten,<br />

können Netzfehler einfacher beherrscht werden<br />

als mit konventionellen Gleichspannungs-Zwischenkreisumrichtern.<br />

Die Energie wird nur in Kondensatoren gespeichert<br />

und kann über den Stromrichter direkt geregelt<br />

werden. Das unkontrollierte Schwingen von Saugkreisen<br />

bei transienten Übergangsvorgängen verursacht durch<br />

schnelle Leistungsänderungen bei Netzfehlern oder bei<br />

Lastabwurf tritt nicht auf. Im Dauerbetri<strong>eb</strong> werden die mit<br />

doppelter Frequenz pulsierenden Leistungen der Grundund<br />

Oberschwingungen von den Submodulkondensatoren<br />

aufgenommen. Auf diese Weise können beide Netze<br />

auch bei der MMDC-Technologie entkoppelt werden.<br />

Bild 8: Verlauf der Zweigspannungen eines MMDC-Umrichters.<br />

Mit der Errichtung des MMD in Nürnberg wird die Tradition<br />

eines wichtigen Einspeiseknotens der Deutschen Bahn<br />

fortgesetzt. Im Jahr 1938 wurde am Standort Nürnberg-G<strong>eb</strong>ersdorf<br />

das erste Umformerwerk Bayerns mit rotierenden<br />

Maschinen, geliefert von Siemens-Schuckert, in Betri<strong>eb</strong> genommen.<br />

Die Anlage wurde in den 90er Jahren mit einem<br />

Gleichspannungs-Zwischenkreisumrichter erweitert. Dieser<br />

erste von Siemens g<strong>eb</strong>aute statische Netzkupplungsumformer<br />

mit Gate-Turn-Off-Thyristoren (GTO) wurde zuerst<br />

in Muldenstein ans Bahnnetz geschaltet und später nach<br />

Nürnberg-G<strong>eb</strong>ersdorf umgesetzt [2]. Der Bau des ersten<br />

Modularen Multilevel-Direktumrichters für die zentrale<br />

Einspeisung in das 110-kV-Netz der DB Energie GmbH ist<br />

ein weiterer zukunftsweisender Schritt zur Energieversorgung<br />

der DB.<br />

3.2 Projekthintergrund<br />

Im Januar 2009 beauftragte E.ON die Firma Siemens mit<br />

dem Bau des ersten Modularen Multilevel-Direktumrichters<br />

für die Einspeisung in das 110-kV-Netz der DB aus<br />

3 Umrichter Nürnberg<br />

3.1 Standort<br />

Bild 9: Umrichteranlage mit zwei 37,5-MVA-Umrichterblöcken im<br />

Urw Nürnberg.<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

177


Energie – acrps 2011<br />

dem Kraftwerk Franken in Nürnberg-G<strong>eb</strong>ersdorf. N<strong>eb</strong>en<br />

dem Umrichterwerk (Urw) wird zeitgleich durch die DB<br />

Energie ein neues Unterwerk (Uw) mit einer 110-kV-Freiluft-Schaltanlage<br />

errichtet, an die die zwei Umrichterblöcke<br />

mit je 37,5 MVA Nennleistung angeschlossen werden.<br />

Der Drehstrom wird über eine 800 m lange 110-kV-Kabelstrecke<br />

von einer bestehenden Schaltanlage auf dem<br />

Kraftwerksgelände der E.ON zugeführt.<br />

3.3 Anlagen-Layout<br />

Die Umrichteranlage besteht aus den 50-Hz- und<br />

16,7-Hz-Transformatoren, den Kreisstromdrosseln und<br />

Containern für Stromrichter, Regelung und Eigenbedarf<br />

sowie Leittechnik.<br />

Die Container sind in U-Form angeordnet (Bild 9), um die<br />

Wohng<strong>eb</strong>iete in der nahen Umg<strong>eb</strong>ung vor Geräuschen zu<br />

schützen. Sowohl die Rückkühler der Stromrichterkühlanlage<br />

als lauteste Komponenten als auch die Kreisstromdrosseln<br />

wurden im Innenbereich platziert. Durch diese Anordnung<br />

kann trotz hoher Anforderung an die Schallemission auf<br />

weitergehende Schallschutzmaßnahmen verzichtet werden.<br />

Da dieser Umrichter im Mittelspannungsbereich arbeitet<br />

und im Vergleich zu Gleichspannungs-Zwischenkreisumrichtern<br />

die Anzahl an Leistungsverbindungen stark<br />

reduziert wurde, konnte in Nürnberg ein kompakter<br />

Aufbau auf 34 m mal 27 m Fläche erreicht werden, rund 30<br />

bis 40 % weniger als bei Gleichspannungs-Zwischenkreisumrichtern<br />

nötig wären.<br />

3.4 Stromrichter<br />

Der Stromrichter (Bild 10) wurde teilausg<strong>eb</strong>aut in zwei<br />

Transporteinheiten auf die Anlage g<strong>eb</strong>racht. Hierdurch<br />

waren die Montagezeiten ver gleichsweise kurz. Die Verschaltung<br />

der Submodule findet sich auch im physikalischen<br />

Aufbau des Stromrichters wieder. Gemäß der<br />

Bild 10: Blick in den Stromrichtercontainer im Urw Nürnberg.<br />

B6-Brückenstruktur (Bild 6) sind die<br />

Submodule der drei Stromrichterphasen<br />

jeweils übereinander angeordnet.<br />

Die beiden Bahnpotenziale<br />

befinden sich an den jeweiligen Enden<br />

des Stromrichters.<br />

Die autarken Submodule führten<br />

zu einem übersichtlichen Aufbau des<br />

Stromrichters. Nach außen weisen sie<br />

n<strong>eb</strong>en den zwei Leistungsanschlüssen<br />

Bild 11: Schaltbild beim stoßfreien Zuschalten des Umrichters über Kabel.<br />

und der Kühlwasserversorgung nur<br />

eine Lichtwellenleiterverbindung auf, über die die Module<br />

mit dem Regelungssystem kommunizieren. Eine externe<br />

Energieversorgung wird nicht benötigt, was die Modularität<br />

des Umrichters und den kompakten Aufbau möglich macht.<br />

3.5 Stoßfreies Zuschalten<br />

Bild 12: 110-kV-seitiger Spannungsverlauf beim Zuschalten des<br />

50-Hz-Netzes eines MMDC-Umrichters.<br />

Da die Umrichterspannung aus vergleichsweise vielen<br />

kleinen Spannungsstufen g<strong>eb</strong>ildet wird, kann bei dem<br />

Modularen Multilevel-Umrichter nicht nur auf Netzfilter<br />

verzichtet, sondern auch ein stoßfreies Zuschalten beider<br />

Netze erreicht werden. Dazu erzeugt der Umrichter bei<br />

noch bei offenem Leistungsschalter die entsprechende<br />

Netzspannung. Die lange Kabelstrecke zwischen Umrichter<br />

und Drehstromschaltanlage stellt für konventionelle<br />

Gleichspannungs-Zwischenkreisumrichter eine besondere<br />

Herausforderung dar, weil sich zusammen mit der Streuinduktivität<br />

des Transformators ein Schwingkreis bildet, der<br />

178 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – Energie<br />

durch die Taktung des Umrichters angeregt wird. Bild 11<br />

zeigt das Prinzipschaltbild vor dem Zuschalten des Kabels.<br />

Mit dem Modularen Multilevel-Umrichter ist das Synchronisieren<br />

auf der Drehstromseite trotz der langen Kabelstrecke<br />

ohne besondere Maßnahmen möglich. Bild 12<br />

zeigt den 110-kV-seitigen Spannungsverlauf beim Zuschalten<br />

des 50-Hz-Netzes. Vor dem Einschalten des<br />

Leistungsschalters zeigen die oberen Kurven die Spannungen<br />

am offenen Kabelende an, nach dem Schließen<br />

entsprechen sie den Sammelschienenspannungen. Hierbei<br />

ist zu erkennen, dass vor dem Schließen des Schalters<br />

die ungedämpfte Resonanzstelle kaum angeregt wird.<br />

Literatur<br />

[1] Lönhard, D.; Northe, J.; Wensky, D.: Statische Bahnstromumrichter<br />

– Systemübersicht ausgeführter Anlagen. In: <strong>Elektrische</strong><br />

<strong>Bahnen</strong> 93 (1995), H. 6, S. 179–190.<br />

[2] Schneider, E.; Schuster, R.: Zwischenkreisumrichter, Energieversorgung<br />

von Wechselstrom-Bahnnetzen aus dem Landesnetz.<br />

In: Eisenbahningenieur 45 (1994) 2, S. 106–112.<br />

[3] Schneider, E.; Schuster, R.; Weschta, A.: Statische Umrichter für die<br />

15 kV Bahnstromversorgung – Anlagenkonzept und Betri<strong>eb</strong>serfahrungen.<br />

In: ETG-Fachbericht 54, VDE-Verlag (1994), S. 87–100.<br />

[4] Claus, M.; Retzmann, D., Uecker, K.; Zenkner, A.: Mehr Spannungsqualität<br />

im Netz: Innovatives Blindleistungskompensationssystem<br />

mit Modularer Multilevel Stromrichtertechnik auf VSC-Basis für<br />

Windparknetzanbindungen. In: ETG-Kongress 2009, Paper 2.21.<br />

Dipl.-Ing. Ulrich Halfmann (40), Studium der Elektrotechnik<br />

an der Ruhr-Universität Bochum, seit<br />

1996 bei der Siemens AG, zunächst im Bereich<br />

Energieübertragung und -verteilung, seit 2002<br />

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E-Mail: ulrich.halfmann@siemens.com<br />

Dipl.-Ing.(FH) Wolfgang Recker (42), Studium der<br />

Elektrotechnik an der Fachhochschule Osnabrück,<br />

seit 1994 bei der Siemens AG im Bereich<br />

Bahnelektrifizierung, Projektleiter für verschiedene<br />

Bahnstromversorgungsprojekte weltweit.<br />

Adresse: Siemens AG, I MO CT EL S-2,<br />

Werner-von-Siemens-Str. 67, 91052, Erlangen,<br />

Deutschland; Fon: +49 9131 7-46719,<br />

Fax: +49 9131 828-46719;<br />

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21.04.2009 13:05:13 Uhr<br />

179


Energie – acrps 2011<br />

Netzleittechnik in der 16,7 Hz-<strong>Bahnen</strong>ergieversorgung<br />

– Trends und<br />

Perspektiven<br />

Eberhard Sternberg, Thomas Walther, Frankfurt/Main<br />

DB Energie erneuert seit 2001 die Netzleitsysteme zur Überwachung und Steuerung der Hochund<br />

Mittelspannungsnetze zur <strong>Bahnen</strong>ergieversorgung. Dieser Prozess basiert auf der Ausrüstung<br />

aller Unterstationen mit digitaler Stationsleittechnik, der Prozessdatenkommunikation mit<br />

IEC 60870-5-104 sowie der flächendeckenden Nutzung von TCP/IP als Übertragungsprotokoll.<br />

News in substation control and control centre technology for 16.7 Hz railway power supply<br />

Since 2001 DB Energie has renewed SCADA systems and control centres for the 16.7 Hz high and<br />

middle voltage grids supplying the German railways. This renewal based on digital substation<br />

automation, standardized data communication (IEC 60870-5-104) and the protocol TCP/IP.<br />

Tendances et perspectives des systèmes de contrôle du réseau d’alimentation électrique<br />

en 16,7 Hz<br />

DB Energie renouvelle depuis 2001 les systèmes de contrôle et de commande des réseaux<br />

d’alimentation électrique haute et moyenne tension. Ce processus repose sur l’équipement<br />

de toutes les sous-stations en technologie numérique de contrôle, sur la communication des<br />

données de processus par IEC 60870-5-104 ainsi que l’utilisation généralisée du protocole de<br />

transmission TCP/IP.<br />

1 Einleitung<br />

Bild 1: Standorte der Netzleitstellen von DB Energie.<br />

Seit 14 Jahren verantwortet die DB Energie die Energieversorgung<br />

für die Deutsche Bahn: DB Energie versorgt<br />

Eisenbahnverkehrsunternehmen mit 16,7 Hz-<strong>Bahnen</strong>ergie,<br />

Gleichstrom und Dieselkraftstoff, betreibt aber<br />

auch 50 Hz-Mittelspannungsnetze zur Versorgung von<br />

Eisenbahn-Betri<strong>eb</strong>sanlagen sowie Handel und Gewerbe<br />

in Bahnhöfen. Ein wesentliches Standbein von DB<br />

Energie ist das Energi<strong>eb</strong>eschaffungs- und Risikomanagement.<br />

Dazu verfügt das Unternehmen, das 2009 mit<br />

rund 1 600 Mitarbeitern einen Umsatz von 2,3 Mrd. EUR<br />

erzielte, über Werkzeuge für die strukturierte Energi<strong>eb</strong>eschaffung<br />

und das Liefermanagement. Das <strong>Bahnen</strong>ergienetz<br />

der DB Energie hat eine Trassenlänge von<br />

7 754 km, die an diesem Netz installierte Leistung beträgt<br />

2 962 MW. Sie wird durch Kraft-, Umformer- und Umrichterwerke<br />

bereitgestellt. Zum Anlagenbestand gehören<br />

ferner 181 Unterwerke, 170 Mittelspannungsnetze und<br />

200 Tankstellen [4].<br />

Die Überwachung und Steuerung aller Anlagen erfolgt<br />

im Normalfall ausschließlich aus den eigenen Netzleitstellen.<br />

Auch die unternehmenseigenen Kraft-, Umformer-<br />

und Umrichterwerke werden unbesetzt betri<strong>eb</strong>en.<br />

Die Konzentration der Betri<strong>eb</strong>sführung und die damit<br />

verbundene Optimierung haben sich bewährt, die Verfügbarkeit<br />

der <strong>Bahnen</strong>ergieversorgung lag auch im Jahr 2010<br />

bei mehr als 99 %.<br />

180 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – Energie<br />

2 Netzleittechnik<br />

Für die Netzführung im 110-kV-<strong>Bahnen</strong>ergienetz sowie in<br />

den insgesamt si<strong>eb</strong>en 15-kV-Oberleitungsnetzen betreibt<br />

DB Energie acht Netzleitstellen. Eine neunte Leitstelle,<br />

auf die dieser Beitrag nicht eingeht, ist in Hamburg für<br />

die Betri<strong>eb</strong>sführung in den <strong>Bahnen</strong>ergieversorgungsanlagen<br />

der S-Bahn verantwortlich (Bild 1).<br />

2.1 Hauptschaltleitung (HSL)<br />

Das 110-kV-<strong>Bahnen</strong>ergienetz erstreckt sich über die gesamte<br />

Bundesrepublik. Es ist galvanisch mit dem 110-kV-<br />

Netz der ÖBB und induktiv über Kuppelumspanner mit<br />

dem 132-kV-Netz der SBB verbunden. Das gesamte Netz<br />

einschließlich der Kuppelumspanner zur SBB wird aus der<br />

HSL geführt.<br />

Bild 2: Planungsstufen in der <strong>Bahnen</strong>ergieerzeugung.<br />

2.1.1 Funktionsumfang<br />

110-kV-Netzführung<br />

Das Leitsystem stellt dem Bediener alle Funktionen zur<br />

Überwachung und Steuerung des <strong>Bahnen</strong>ergienetzes<br />

zur Verfügung. Dazu gehören n<strong>eb</strong>en der Meldungs-,<br />

Befehls- und Messwertverarbeitung weiterführende<br />

Funktionen, beispielsweise eine topologische Netzeinfärbung<br />

oder eine automatische Erdschlusssuche. Die<br />

Erstellung von Schaltfolgen für komplexe Netzschaltungen<br />

ist <strong>eb</strong>enso möglich wie deren Test im Studienmodus.<br />

Für wiederkehrende Schaltungen wie beispielsweise das<br />

Ausschalten und Erden einer Freileitung stehen Schaltprogramme<br />

zur Verfügung. Generell kann vor jeder erforderlichen<br />

Schaltung eine Netzsicherheitsrechnung gestartet<br />

werden, um immer eine maximale Verfügbarkeit<br />

des Netzes zu wahren. Außergewöhnliche Netz- und Anlagenzustände<br />

lösen Alarme aus. Der Simulations- und<br />

der Trainingsmodus basieren auf Netzberechnungen, die<br />

mit Onlinedaten durchgeführt werden. Selbstverständlich<br />

wird der gesamte Betri<strong>eb</strong>sablauf manipulationssicher<br />

dokumentiert und archiviert [5].<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

Energiemanagement<br />

In der HSL werden n<strong>eb</strong>en der Netzführung auch die<br />

Aufgaben der klassischen Lastverteilung sowie der physikalische<br />

Anteil des Energiehandels wahrgenommen. Die<br />

Lastverteilung folgt dem Optimierungsziel minimierter<br />

Betri<strong>eb</strong>skosten. Dafür stellt das Leitsystem einen großen<br />

Funktionsumfang zur Verfügung. Die <strong>Bahnen</strong>ergieerzeugung<br />

wird mit verschiedenen Zeithorizonten prognostiziert<br />

und optimiert (Bild 2) [1].<br />

Für die sekundäre Frequenz-Leistungs-Regelung im<br />

<strong>Bahnen</strong>ergienetz werden hauptsächlich Umformer- und<br />

Umrichterwerke eingesetzt. Ein aufwändiges Optimierungstool<br />

steuert den wirtschaftlichen Einsatz der Regelwerke.<br />

Es ermittelt im 15-min-Zyklus die Energi<strong>eb</strong>ezugspreise<br />

der verfügbaren Regelwerke, errechnet nutzbare<br />

Leistungs- sowie Arbeitsmengen und übergibt diese Informationen<br />

an den Netzregler. Der Netzregler setzt die<br />

Regelwerke gemäß den Vorgaben des Netzleitsystems<br />

ein, um die Regelgröße Netzfrequenz bei schwankender<br />

<strong>Bahnen</strong>ergi<strong>eb</strong>elastung möglichst konstant zu halten.<br />

Im störungsfreien Betri<strong>eb</strong> kann das <strong>Bahnen</strong>ergienetz in<br />

jedem 15-min-Abschnitt mit den jeweils minimalen Betri<strong>eb</strong>skosten<br />

gefahren werden.<br />

2.1.2 Systemtechnik<br />

Gegenwärtig läuft bei DB Energie ein Projekt zur Erneuerung<br />

des Netzleitsystems. N<strong>eb</strong>en dem Netzleitsystem<br />

wird im Rahmen des Projektes auch der Netzregler<br />

erneuert. Die Endabnahme des Gesamtsystems soll im<br />

September 2013 stattfinden. Die Erneuerung umfasst ein<br />

System-Upgrade des vorhandenen SINAUT Spectrum auf<br />

die aktuelle Systemversion 4.6. Funktional wird das neue<br />

System <strong>eb</strong>enfalls erweitert. So wird künftig auch ein umfangreiches<br />

Tool zur Auswertung und Dokumentation<br />

von Störungen zur Verfügung stehen, die Netzreglerfunktionen<br />

werden erweitert und umfangreiche Schnittstellen<br />

sowie Reportingfunktionen kommen hinzu. In<br />

den Systemverbund integriert wird eine Demilitarisierte<br />

Zone (DMZ) mit einer Austauschdatenbank, über die der<br />

Datenaustausch mit der Büro-IT sowie mit anderen IT-Anwendungen<br />

(Energiehandel, Fahrplanmanagement, ...)<br />

realisiert wird. Durch diese Öffnung des Netzleitsystems<br />

für breiten Datenaustausch rücken Fragen der IT-Sicherheit<br />

stark in den Vordergrund. Eine Lastenheftforderung<br />

ist deshalb die Umsetzung des bdew-Whitepaper Anforderungen<br />

an sichere Steuerungs- und Telekommunikationssysteme<br />

(Bild 3) [3].<br />

Das Leitsystem [2] wird auf zwei Standorte verteilt<br />

und ist komplett redundant aufg<strong>eb</strong>aut. Beide Standorte<br />

verfügen über eine Prozessankopplung und sind somit<br />

völlig unabhängig. Anders als beim Vorgängersystem gibt<br />

es nur eine einzige Datenbank, sodass keine Kopplung erforderlich<br />

ist und an beiden Standorten zu jeder Zeit das<br />

aktuelle Datenmodell zur Verfügung steht.<br />

181


Energie – acrps 2011<br />

2.2 Zentralschaltstellen (Zes)<br />

Die si<strong>eb</strong>en 15-kV-Oberleitungsnetze erstrecken sich jeweils<br />

über einen definierten Bereich des elektrifizierten Streckennetzes<br />

der DB Netz. Die Führung der Netze erfolgt im<br />

Auftrag von DB Netz aus jeweils einer Zentralschaltstelle.<br />

2.2.1 Funktionsumfang<br />

Die Zes müssen die ständige Verfügbarkeit der elektrotechnischen<br />

Anlagen des jeweiligen Versorgungsbereiches<br />

gewährleisten. Schwerpunkte der Betri<strong>eb</strong>sführungsfunktionen<br />

einer Zes sind das schnelle Wiedereinschalten<br />

ausgelöster Oberleitungsleistungsschalter zum Beispiel in<br />

Bild 3: Konfigurator des neuen Netzleitsystems der HSL [2].<br />

den Unterwerken beziehungsweise die Ersatzversorgung<br />

von Oberleitungsabschnitten nach Kurzschlussauslösungen<br />

und das Schalten im Oberleitungsnetz für Instandhaltungsarbeiten<br />

in der Oberleitung. Darüber hinaus sind<br />

die Zes für die Betri<strong>eb</strong>sführung von 3 AC 50 Hz-Mittel- und<br />

Niederspannungsanlagen und -netzen verantwortlich [6].<br />

Bild 4 zeigt das Übersichtsschaltbild eines Unterwerkes<br />

mittlerer Leistung im Stichanschluss.<br />

2.2.2 Systemtechnik<br />

Alle si<strong>eb</strong>en Zentralschaltstellen wurden als Konvoi geplant<br />

und verg<strong>eb</strong>en. Es entstanden si<strong>eb</strong>en baugleiche<br />

Netzleitsysteme PSIcontrol-EE der Firma PSI. Es handelt<br />

sich um hochverfügbare Systeme<br />

auf UNIX-Basis, besonders geeignet<br />

für große Datenmengen und<br />

schnelle grafische Darstellung von<br />

großen Versorgungsnetzen. Dabei<br />

sind die Zeiten für Bildaufbau, Netzberechnungen<br />

und Suchfunktionen<br />

äußerst kurz.<br />

Den Aufbau und das Systemkonzept<br />

einer Zes zeigt Bild 5. Die Leitplatzrechner,<br />

Koppelrechner und Datenbankrechner<br />

sind Workstations<br />

von der Firma SUN Microsystems. Alle<br />

Rechner haben redundante Standard-Ethernet-LAN-Verbindungen.<br />

Die Betri<strong>eb</strong>sführung mit der Leitstelle<br />

ist möglich, wenn mindestens ein<br />

Rechner jeder Verarbeitungs<strong>eb</strong>ene<br />

und eine LAN-Verbindung vorhanden<br />

sind. Die ersten drei Leitplatzrechner<br />

können ihre Bilder auf einer<br />

Rückprojektionswand darstellen [6].<br />

2.3 Zentrales<br />

Datenbanksystem<br />

Bild 4: Detailbild Uw Neudietendorf.<br />

Am Standort der HSL entstand 2010<br />

ein zentrales Datenbanksystem, das<br />

online zunächst nur mit den Zes kommuniziert.<br />

In diesem PSIcommand<br />

Datenbanksystem werden alle Betri<strong>eb</strong>sjournale<br />

der Zentralschaltstellen<br />

abgelegt, <strong>eb</strong>enso für das externe Berichtswesen<br />

relevante Daten. Es hält<br />

außerdem Telefon- und Bereitschaftslisten<br />

zentral vor. Die Hauptfunktion<br />

dieses Systems ist die zentrale Kopplung<br />

zum Instandhaltungs- und Planungssystem<br />

(SAP PM) der DB Energie.<br />

In den Netzleitsystemen auflaufende<br />

Störungsinformationen werden zur<br />

Anlage von Störungsmeldungen an<br />

SAP PM überg<strong>eb</strong>en. Das System wird<br />

derzeit in Betri<strong>eb</strong> genommen.<br />

182 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – Energie<br />

3 Prozessdatenübertragung<br />

Die gesamte Prozessdatenübertragung zwischen den<br />

Unterstationen und Netzleitsystemen wird mit dem<br />

Fernwirkprotokoll IEC 60870-5-104 realisiert. Als Übertragungsprotokoll<br />

wird Telecontrol Protocol/Internet<br />

Protocol (TCP/ IP) in einem DB-eigenen Wide Area Network<br />

(WAN) eingesetzt. Für dieses Virtual Private Network<br />

(VPN) wurde zwischen dem bahninternen Provider<br />

und dem Anwender ein speziell auf die Anforderungen<br />

der Prozessdatenübertragung abgestimmtes IP-Adresskonzept<br />

entwickelt. N<strong>eb</strong>en der Prozessdatenübertragung<br />

wird über das VPN unter Berücksichtigung von<br />

Aspekten der IT-Security auch Fernwartung an den<br />

Netzleitsystemen und an den Stationsleittechnik-Anlagen<br />

durchgeführt.<br />

Der unter Abschnitt 2.1.1. genannte Netzregler verfügt<br />

mit dem Ziel maximaler Verfügbarkeit über eine<br />

eigene Infrastruktur zur Datenübertragung. Es handelt<br />

sich dabei um dezidierte Ende-zu-Ende-Verbindungen,<br />

über die mit dem Fernwirkprotokoll IEC 60870-5-101<br />

kommuniziert wird.<br />

Um bei Netzausfällen im Datenübertragungsnetz weiterhin<br />

handlungsfähig zu bleiben, betreibt DB Energie<br />

seit 2007 ein Funk-VPN, über das die Unterstationen<br />

zunächst nur mit den Zes verbunden werden können. In<br />

der vorhandenen HSL wird die Funkkommunikation nicht<br />

nachgerüstet, da die Zes im Bedarfsfall als Notsteuerstellen<br />

für die 110-kV-Spannungs<strong>eb</strong>ene des <strong>Bahnen</strong>ergienetzes<br />

fungieren können.<br />

4 Ausblick<br />

Mit dem neuen Netzleitsystem der HSL wird ein zusätzliches<br />

VPN für den Netzregler als separate Datenübertragungsmöglichkeit<br />

eingeführt. Dieses Netz wird<br />

von ausgewählten Unterstationen als Ersatzweg zur Prozessdatenübertragung<br />

genutzt. Die neue HSL wird auch<br />

online mit dem zentralen Datenbanksystem (siehe Abschnitt<br />

2.3) verbunden sein, um dort wichtige Prozessinformationen<br />

zu archivieren beziehungsweise Störungsmeldungen<br />

an SAP PM zu überg<strong>eb</strong>en.<br />

Das zentrale Datenbanksystem ist nach aktuellen<br />

strategischen Überlegungen der konzeptionelle Grundstein<br />

für die nächste Generation der Netzleittechnik bei<br />

DB Energie. Ziel der Konzeptarbeit ist ein auf mehrere<br />

Standorte verteiltes Leitsystem mit einem gemeinsamen<br />

Datenmodell für alle zu führenden Netze und Prozesse.<br />

Das VPN der DB Energie wird künftig durch Beschränkung<br />

der möglichen Routen und durch zusätzliche<br />

Verschlüsselung der übertragenen Daten noch besser<br />

gegen unbefugtes Eindringen sowie missbräuchliche<br />

Nutzung geschützt.<br />

In der Unterstationstechnik geht der Trend zu fabrikfertig<br />

lieferbaren 15-kV-Abzweigmodulen mit bereits<br />

integrierten Feldmodulen der Stationsleittechnik und<br />

Schutzgeräten. Mit dem Standard IEC 61850 soll künftig<br />

Bild 5: Konfigurator der Zentralschaltstelle Berlin (Quelle: PSI).<br />

die gesamte Kommunikation auf der Stations<strong>eb</strong>ene einschließlich<br />

der Schaltgeräte und Wandler möglich sein.<br />

Gegenwärtig wird ein Konzept erarbeitet, auch Störund<br />

Diagnosedaten sowie Messwerte und andere Prozessdaten<br />

zentral zu archivieren und einem breiten Anwenderkreis<br />

zur Verfügung zu stellen.<br />

Literatur<br />

[1] Lastenheft für die Erneuerung der Hauptschaltleitung der<br />

DB Energie, Frankfurt am Main, 2008.<br />

[2] Pflichtenheft für die Erneuerung der Hauptschaltleitung der<br />

DB Energie, Frankfurt am Main, 2010.<br />

[3] bdew-Whitepaper Anforderungen an sichere Steuerungsund<br />

Telekommunikationssysteme, Berlin 2008.<br />

[4] Weiland, K.; Falkenhagen, T.: Die Bahnstromversorgung der<br />

Deutschen Bahn – aktuelle Entwicklungen In: Eisenbahntechnische<br />

Rundschau, 10/2007.<br />

[5] Schaarschmidt, J.; Sternberg, E.: Hauptschaltleitung der DB<br />

Energie. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 99 (2001), H. 6-7, S. 247–254.<br />

[6] Lange, U., Walther, J. T.: New power supply control centres<br />

of Deutsche Bahn. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 104 (2006), H. 5,<br />

S. 209–216.<br />

Dipl.-Ing. Eberhard Sternberg (52), Studium an der Hochschule für<br />

Verkehrswesen „Friedrich List“ Dresden; Arbeitsg<strong>eb</strong>ietsleiter Netzleittechnik<br />

und Netzregelung bei der DB Energie GmbH.<br />

Adresse: DB Energie GmbH, Abteilung Energieverteilungssysteme<br />

und Netzleittechnik, Pfarrer-Perabo-Platz 2, 60326, Frankfurt,<br />

Deutschland;<br />

Fon: +49 69 265-23365, Fax: -23368;<br />

E-Mail: <strong>eb</strong>erhard.sternberg@deutsch<strong>eb</strong>ahn.com<br />

Dipl.-Ing. Jan-Thomas Walther (45), Studium an der Hochschule für<br />

Verkehrswesen „Friedrich List“ Dresden; Arbeitsg<strong>eb</strong>ietsleiter Energieverteilungssysteme<br />

bei der DB Energie GmbH.<br />

Adresse: wie oben;<br />

Fon: +49 69 265-23362, Fax: -23368;<br />

E-Mail: jan-thomas.walther@deutsch<strong>eb</strong>ahn.com<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

183


Energie – acrps 2011<br />

Unkonventionelle Verbesserung der<br />

Bahnstromversorgung Visp – Zermatt<br />

der Matterhorn Gotthard Bahn<br />

Heinz Voegeli, Thun<br />

Wegen ansteigenden Verkehrsleistungen musste die Energieversorgung der Strecke Brig – Zermatt<br />

durch eine Spannungserhöhung der Anspeisung des Unterwerks Herbriggen auf 66 kV verbessert<br />

werden. Besondere Rahmenbedingungen führten zu einer unkonventionellen Lösung, deren Planung<br />

und Umsetzung mit großen aber auch interessanten Herausforderungen verbunden war.<br />

Unconventional improvement of the power supply between Visp and Zermatt of the Matterhorn<br />

Gotthard Railway<br />

Due to rising train traffic on the route Brig – Zermatt a voltage increase of the supply of the substation<br />

Herbriggen on 66 kV had to be implemented. Special conditions resulted in an unconventional<br />

solution; its planning and implementation were a big but also interesting challenge.<br />

Renforcement non conventionnel de l’approvisionnement en énergie de traction de la ligne<br />

Visp – Zermatt du Matterhorn Gotthard Bahn<br />

En raison de l’augmentation du trafic, l’approvisionnement en énergie électrique de la ligne<br />

Brig – Zermatt a du être améliorée par l’augmentation à 66 kV de la tension d’alimentation de la<br />

sous-station d’Herbriggen. Les conditions liées au projet ont conduit à une solution particulière,<br />

dont le développement fut complexe mais hautement intéressant.<br />

1 Einführung<br />

Die 140 km lange Matterhorn Gotthard Bahn (MGB) ist<br />

eine Meterspurbahn, sie führt von Zermatt über Visp, Brig<br />

und Andermatt nach Disentis (Bild 1). Hier ist die MGB<br />

Bild 1: Strecke der MGB Zermatt – Disentis mit den bisherigen Einspeisepunkten der Energieversorgung,<br />

blau markiert sind die Zahnstangenabschnitte.<br />

mit der Rhätischen Bahn (RhB) verbunden, die die gleiche<br />

Spurweite und mit 1 AC 11 kV 16,7 Hz die gleiche Fahrleitungsspannung<br />

aufweist. International bekannt sind die<br />

Direktverbindungen des Glacier Express von Zermatt nach<br />

St. Moritz und Davos, die auf dieser Strecke verkehren.<br />

Zwischen Visp und Zermatt überwindet<br />

die MGB auf einer Strecke<br />

von 35 km 950 Höhenmeter. Davon<br />

sind fünf Streckenabschnitte mit<br />

Zahnstange vorhanden. Die maximale<br />

Steigung beträgt auf den Zahnstangenabschnitten<br />

125 ‰, auf Adhäsionsabschnitten<br />

28 ‰. N<strong>eb</strong>en den<br />

täglich bis zu vier Zugpaaren des Glacier<br />

Express werden planmäßig Regionalzüge<br />

geführt, für welche in den<br />

nächsten Jahren sukzessive ein 30-Minutentakt<br />

eingeführt wird. Im oberen<br />

Streckenteil zwischen Täsch und<br />

Zermatt wird überdies im 20-Minutentakt<br />

ein Shuttledienst ang<strong>eb</strong>oten.<br />

Die Glacier Express-Züge bestehen<br />

aus einer Lokomotive des Typs<br />

HGe 4 / 4<br />

II<br />

mit Anschnittsteuerung und<br />

sechs relativ schweren Panoramawagen.<br />

Die Zugmasse einer solchen<br />

Komposition beträgt 200 t, die Maximalleistung<br />

der Lok 2,9 MW/3,6 MVA.<br />

184 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


Energie – acrps 2011<br />

Bild 2: Erg<strong>eb</strong>nisse der Simulationen mit FABEL, minimal auftretende Oberleitungsspannung zwischen Brig und Zermatt.<br />

oben künftiger Betri<strong>eb</strong> mit bestehender Energieversorgung<br />

unten künftiger Betri<strong>eb</strong> mit 66-kV-Anspeisung des UW Herbriggen<br />

Die Regionalzüge können eine ähnliche Masse erreichen,<br />

oder sie bestehen aus bis zu zwei Einheiten des Typs Komet<br />

mit einer gesamten Traktionsleistung von 2 x 1,3 MW. Der<br />

Shuttledienst wird von Tri<strong>eb</strong>zügen der Baureihe BDSeh 4 / 8<br />

gefahren, deren Antri<strong>eb</strong>sleistung <strong>eb</strong>enfalls 1,3 MW beträgt.<br />

Außerdem kommt eine beträchtliche Leistung für<br />

die Klimatisierung der Züge dazu.<br />

Zwischen Visp und Brig verläuft die Strecke ohne große<br />

Steigung. Ab Brig führen auch die Normalspurstrecken<br />

der SBB ins Rhônetal und durch den Simplontunnel, ferner<br />

die BLS-Strecke via Lötschberg nach Thun und Bern. Die<br />

MGB steigt von Brig bis nach Oberwald wieder stetig an.<br />

Auf 41 km werden 700 Höhenmeter überwunden, was<br />

drei Zahnstangenabschnitte erfordert. Zwischen Visp und<br />

Fiesch wird ab 2014 <strong>eb</strong>enfalls ein 30-Minutentakt mit Regionalzügen<br />

ang<strong>eb</strong>oten. Zwischen Oberwald und Realp befindet<br />

sich der Furka-Basistunnel, durch welchen zusätzlich<br />

zum Reiseverkehr Autozüge im Halbstundentakt geführt<br />

werden. Der Furka-Basistunnel ist einspurig und hat zwei<br />

Kreuzungsstellen, er ist 15,8 km lang und hat eine Steigung<br />

von 16,5 und 3 ‰. Ab Realp bis Andermatt fällt die Strecke<br />

geringfügig. In Andermatt zweigt die Schöllenenbahn<br />

Richtung Norden ab; sie führt über ein maximales Gefälle<br />

von 179 ‰ nach Göschenen am Nordportal des heutigen<br />

Gotthardtunnels. Die Glacier Express-Strecke steigt in Andermatt<br />

weiter Richtung Osten über den Oberalppass von<br />

1 436 m.ü.M. auf 2 033 m.ü.M. Der größte Teil der Steigung<br />

wird mittels Zahnstange überwunden. Mehrere Zahnstangenabschnitte<br />

befinden sich auch auf der anderen Seite<br />

des Oberalppasses bis nach Disentis, Höhendifferenz 900 m<br />

auf eine Streckenlänge von 19,3 km. N<strong>eb</strong>en den Glacier Express<br />

verkehren auf den Strecken Fiesch – Andermatt und<br />

Andermatt – Disentis Regionalzüge im Stundentakt wie<br />

auch zwischen Andermatt und Göschenen. Dazu kommen<br />

im Winter zwischen Andermatt und Nätschen am Oberalppass<br />

zusätzliche Züge für den Wintersport.<br />

2 Ausgangslage für die<br />

Energieversorgung<br />

Drei Unterwerke in Massaboden (Brig), Herbriggen und<br />

Andermatt speisen das MGB-Fahrleitungsnetz mit 1 AC<br />

11 kV 16,7 Hz. Die Energie wird von den Schweizerischen<br />

Bundesbahnen (SBB) bezogen: in Massaboden ab der<br />

15-kV-Sammelschiene zur Speisung der Oberleitungen von<br />

SBB und BLS und über drei parallele Autotransformatoren<br />

15/11 kV sowie in Andermatt ab einer 2 AC 66 kV Übertragungsleitung<br />

von Göschenen her. Die Anspeisung des<br />

186 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – Energie<br />

Bild 3: Erg<strong>eb</strong>nisse der Simulationen mit FABEL, Zugfahrt eines Glacier Express von Brig nach Zermatt.<br />

oben Spannungen am Stromabnehmer, schwarz bei durchgehender 66-kV-Anspeisung des UW Herbriggen, blau mit der heute umgesetzten<br />

Übergangslösung (gemischte 15- und 66-kV-Anspeisung)<br />

unten Geschwindigkeitsdiagramm des Zuges<br />

Unterwerks Herbriggen war bislang etwas speziell – sie<br />

erfolgte über eine separate Übertragungsleitung von Massaboden<br />

her, die jedoch nur mit 15 kV betri<strong>eb</strong>en wurde. In<br />

Herbriggen wurde die Spannung über zwei parallele Autotransformatoren<br />

auf 11 kV reduziert. In Massaboden steht<br />

eine SBB-Anlage, bestehend aus Kraftwerk, Frequenzumformerwerk<br />

und Unterwerk (UW), verbunden mit zwei<br />

Übertragungsleitungen 2 AC 132 kV. Die Oberleitung der<br />

MGB besteht aus einem Kettenwerk mit einem Fahrdraht<br />

107 mm 2 Cu und einem Tragseil 50 mm 2 StCu. Parallel dazu<br />

verläuft ein abschaltbarer Hilfsleiter, womit die Leitungsimpedanz<br />

reduziert wird und temporär ausgeschaltete<br />

Oberleitungsabschnitte überbrückt werden können.<br />

Die Anlage Massaboden liegt östlich von Naters-Brig,<br />

die Streckenspeisungen SBB, BLS und MGB befinden sich<br />

aber westlich davon. Dies bedeutet, dass insgesamt vier<br />

Speiseleitungen und die Übertragungsleitung nach Herbriggen<br />

durch heute dicht besiedeltes G<strong>eb</strong>iet führen. Die<br />

Leitungen bestehen schon seit Jahrzehnten und es wurde<br />

im Laufe der Zeit immer näher an sie herang<strong>eb</strong>aut. Am<br />

01.02.2000 ist in der Schweiz die Verordnung über den<br />

Schutz vor nichtionisierender Strahlung (NISV) in Kraft<br />

getreten. Damit ist zu befürchten, dass eine Änderung<br />

dieser Leitungen nicht mehr bewilligt würde und neue<br />

Leitungstrassen gefunden werden müssten.<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

3 Netzberechnungen<br />

Bereits im Jahre 2001 wurden, damals noch für die BVZ<br />

Zermatt-Bahn, mit dem Simulationsprogramm FABEL<br />

Netzuntersuchungen für den Streckenabschnitt Brig – Visp<br />

– Zermatt im Hinblick auf dichtere Zugfolgen, schwerere<br />

Zugkompositionen und neuem Rollmaterial durchgeführt.<br />

Insbesondere stand auch eine Erhöhung der Transportleistung<br />

zwischen Täsch und Zermatt im Fokus. Als besondere<br />

Herausforderung entpuppte sich dabei die Bestimmung<br />

der Impedanzwerte für das Netzmodell, im Speziellen für<br />

die auf zwei parallelen Trassen durchs G<strong>eb</strong>irge verlaufende<br />

15-kV-Übertragungsleitung mit der Stromrückleitung<br />

über die Fahrschienen und das Erdreich. Wegen ihrer<br />

zentralen Bedeutung wurden die rechnerisch bestimmten<br />

Schleifenimpedanzen noch mit Messungen validiert.<br />

Die Erg<strong>eb</strong>nisse der Netzsimulationen zeigten, dass sich<br />

die bereits unbefriedigende Spannungsstabilität mit zunehmendem<br />

Betri<strong>eb</strong> derart verschlechtern wird, dass mit<br />

Fahrzeitverlängerungen und Hauptschalterauslösungen<br />

auf den Tri<strong>eb</strong>fahrzeugen wegen Unterspannung gerechnet<br />

werden muss (Bild 2). Ein wesentlicher Grund für<br />

diese Situation liegt in der weichen Einspeisung im UW<br />

Herbriggen. Es wurde aufgezeigt, dass mit einer harten<br />

Einspeisung durch eine 66-kV-Übertragungsleitung nach<br />

187


Energie – acrps 2011<br />

zu realisieren. Es musste nach Sofortmaßnahmen<br />

und Zwischenlösungen<br />

gesucht werden. Solche wurden<br />

<strong>eb</strong>enfalls mittels Netzsimulationen<br />

hinsichtlich ihrer Wirksamkeit untersucht<br />

(Bild 3). Das Computermodell<br />

wurde schließlich noch auf die ganze<br />

MGB erweitert, und es wurden damit<br />

mögliche Netzverstärkungen im Hinblick<br />

auf Betri<strong>eb</strong>sentwicklungen bis<br />

ins Jahr 2030 untersucht.<br />

Bild 4: Heute realisierte Übergangslösung für die Netzspeisung der Strecke Brig – Zermatt.<br />

Bild 5: Übersichtsschaltbild der Anspeisung des Unterwerks Herbriggen.<br />

Herbriggen die Oberleitungsspannung deutlich stabilisiert<br />

wird. Die Stromtragfähigkeit aller bestehenden elektrischen<br />

Anlagen erwies sich in den Simulationen auch für<br />

einen künftigen Betri<strong>eb</strong> als unkritisch.<br />

Es folgten Diskussionen mit den SBB über mögliche Lösungen,<br />

Finanzierung und Zuständigkeiten, Standort abklärungen<br />

für ein neues UW zwischen Brig und Visp sowie die Beurteilung<br />

der Machbarkeit verschiedener Leitungstrassen.<br />

Gleichzeitig mit der Regelung der Verantwortlichkeiten<br />

wurden auch die Vorstellungen über den künftigen<br />

Betri<strong>eb</strong> revidiert. Im Hinblick auf die Eröffnung des<br />

Lötschberg-Basistunnels im Dezember 2007 war ein stark<br />

erweitertes Zugang<strong>eb</strong>ot geplant, es wurden neue Züge<br />

eingesetzt und weitere Beschaffungen vorbereitet. Die<br />

Netzberechnungen mussten daher aktualisiert und dem<br />

Fahrplan 2007/2008 angepasst werden. Die Rahmenbedingungen<br />

erlaubten es jedoch nicht, innert nützlicher<br />

Frist eine durchgängige 66-kV-Anspeisung für Herbriggen<br />

4 Risiken und<br />

Verfügbarkeit<br />

Die MGB ist eine G<strong>eb</strong>irgsbahn und<br />

das Bahntrassee ist dementsprechend<br />

durch Lawinen, Erdrutsche,<br />

Steinschlag und Überschwemmungen<br />

gefährdet. Damit sind aber auc h<br />

die elektrischen Leitungen einem<br />

Risiko ausgesetzt. Der Fremdenverkehrsort<br />

Zermatt am Ende der Strecke<br />

ist autofrei und kann ab Täsch<br />

nur über die Bahn erreicht werden.<br />

Deshalb muss die Verfügbarkeit dieser<br />

Bahnverbindung sehr hoch sein.<br />

Da diese Strecke im Stich gespeist<br />

wird, kann bereits ein einziger Unterbruch<br />

der Energieversorgung zu<br />

einer Betri<strong>eb</strong>sunterbrechung führen.<br />

Auf dem besonders gefährdeten Abschnitt<br />

Stalden – Mattsand wurde<br />

deshalb die Übertragungsleitung<br />

einerseits entlang dem Bahntrassee<br />

und andererseits auf einem parallelen<br />

Leitungstrassee über den Berg<br />

auf der gegenüberliegenden Talseite<br />

geführt. Diese zweite Leitung war<br />

allerdings eine alte, zweckentfremdete dreiphasige Leitung,<br />

deren drei Leiter parallel geschaltet wurden, der<br />

Rückstrom floss über das Gleis und das Erdreich. Diese<br />

Leitung konnte für eine zweipolige 66-kV-Anspeisung<br />

nicht verwendet werden. Nun wurde, <strong>eb</strong>enfalls auf der<br />

gegenüberliegenden Talseite, auf dem heiklen Abschnitt<br />

ein 2,3 km langer, neuer Straßentunnel g<strong>eb</strong>aut, Stägjitschuggentunnel<br />

genannt. Durch den dazu parallelen<br />

Dienst- und Rettungsstollen, sowie im offenen Bereich<br />

entlang der Straße, konnte eine insgesamt rund 8 km lange<br />

66-kV-Kabelverbindung errichtet werden, welche die<br />

alte Dreiphasenleitung über den Berg ersetzte.<br />

Im UW Herbriggen sind die Autotransformatoren und<br />

auch die Leistungsschalter redundant vorhanden. Trotz<br />

der neuen 66-kV-Anspeisung sollte die 15-kV-Anspeisemöglichkeit<br />

mittels Umschaltungen als sofort aktivierbare<br />

Rückfall<strong>eb</strong>ene erhalten bleiben, beispielsweise bei einem<br />

Transformatordefekt.<br />

188 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – Energie<br />

Zukunft bewegen.<br />

5 Realisierung<br />

5.1 Konzept<br />

Die vorgängig beschri<strong>eb</strong>enen Rahmenbedingungen machten für die Anspeisung<br />

des Unterwerks Herbriggen eine Übergangslösung notwendig.<br />

Diese besteht darin, dass die Leitung ab Massaboden bis westlich von<br />

Brig weiterhin mit 15 kV betri<strong>eb</strong>en wird und in Gamsen, zwischen Brig<br />

und Visp, die Spannung über ein fahrbares Unterwerk (fUW) der SBB auf<br />

66 kV hochtransformiert wird. Ab fUW Gamsen erfolgt die Übertragung<br />

mit 66 kV über die in Abschnitt 4 beschri<strong>eb</strong>enen definitiven Übertragungsleitungen<br />

(Bilder 4 und 5).<br />

5.2 Fahrbares Unterwerk Gamsen<br />

Die SBB besitzen insgesamt 18 fUW, die über das gesamte Netz verteilt zum<br />

Teil langfristig und zum Teil nur kurzzeitig, beispielsweise bei Umbauarbeiten<br />

zur Überbrückung von Außerbetri<strong>eb</strong>nahmen, eingesetzt werden. Das fUW<br />

Gamsen steht direkt an der Strecke Brig – Visp auf der hierfür erforderlichen<br />

Betonplatte mit Gleis und Ölwanne (Bild 6).<br />

Ein fUW der SBB besteht aus zwei Eisenbahnwagen. Auf dem einen<br />

stehen ein Transformator 132-66/15 kV mit einer Leistung von 21,8 MVA<br />

sowie die Hochspannungsschalter und Wandler. Im anderen Wagen, einem<br />

umg<strong>eb</strong>auten Personenwagen, sind die gesamte Leittechnik und die Eigenbedarfsversorgung<br />

unterg<strong>eb</strong>racht.<br />

Das Spezielle ist nun, dass das fUW Gamsen „rückwärts“ betri<strong>eb</strong>en wird,<br />

die von Massaboden kommenden 15 kV werden auf 66 kV transformiert.<br />

Schutz- und steuerungstechnisch erforderte dies einige Anpassungen<br />

innerhalb des fUW.<br />

5.3 Unterwerk Herbriggen<br />

Das ursprüngliche UW Herbriggen bestand aus zwei Autotransformatoren<br />

15/11 kV von je 4 MVA Leistung, zwei 11-kV-Speisepunktschaltern<br />

und einem 15-kV-Leistungsschalter. Diese Anlagen sind als Rückfall<strong>eb</strong>ene<br />

weiterhin betri<strong>eb</strong>sbereit. Der 11-kV-Teil bli<strong>eb</strong> beim Umbau unverändert.<br />

Zusätzlich wurde ein 10-MVA-Transformator 66/11 kV mit einem<br />

66-kV-Eingangsfeld aufgestellt. Der Transformator konnte von der RhB<br />

übernommen werden, er wurde vor der Überfuhr nach Herbriggen einer<br />

Totalrevision unterzogen. Wegen der Masse und den Abmessungen konnte<br />

der Transformator nicht per Bahn, sondern er musste auf der Straße transportiert<br />

werden. Dabei kam sehr zu Hilfe, dass der kurz vor der Eröffnung<br />

stehende Stägjitschuggentunnel genutzt werden konnte. Dafür waren<br />

dann das Abladen und die Platzierung des Transformators im UW eine große<br />

Herausforderung. Der Transformator hat eine manuell zu betätigende<br />

Stufenschaltung und der Mittelpunkt ist geerdet. Im fUW Gamsen gibt es<br />

keine Mittelpunkterdung, was spezielle Anforderungen an den Leitungsschutz<br />

hinsichtlich Erkennung von Erdschlüssen stellte, und die Leitung<br />

musste für 66 kV, nicht nur 33 kV, gegen Erde isoliert und die Überspannungsableiter<br />

entsprechend dimensioniert werden.<br />

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5.4 Übertragungsleitungen<br />

Beim Start der Projektierungsarbeiten entpuppten sich die zur Verfügung<br />

stehenden Übertragungsleitungen zwischen Massaboden und Herbriggen<br />

als Flickwerk. Sie wurden nur mit 15 kV betri<strong>eb</strong>en und Anpassungen<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

MadAngels


Energie – acrps 2011<br />

Bild 6: Fahrbares Unterwerk Gamsen (links), Unterwerk Herbriggen (rechts).<br />

wurden dann nur noch für das 15-kV-Niveau ausgeführt.<br />

So mussten als Erstes alle Leitungen, Mast für Mast, auf<br />

deren Zustand und Spannungsfestigkeit überprüft werden.<br />

Damit wurde folgende Situation angetroffen und<br />

nachstehende Maßnahmen festgelegt:<br />

• Leitung Massaboden – Brig (Eigentum SBB): sehr alte<br />

Leitung, Masten teilweise in schlechtem Zustand und<br />

nur für 15 kV isoliert, führt direkt an Häusern vorbei.<br />

Ein Umbau war undenkbar, die NISV hätte nicht eingehalten<br />

werden können und mit Opposition der Anwohner<br />

musste gerechnet werden, langwieriges Genehmigungsverfahren<br />

mit höchst ungewissem Ausgang.<br />

• Leitung Brig – Gamsen (Eigentum SBB): ehemalige<br />

66-kV-Leitung der SBB, die Leitung verläuft entlang<br />

dem SBB Bahntrassee, diverse Straßenüberführungen<br />

wurden neu g<strong>eb</strong>aut und die dafür notwendigen Kabelunterquerungen<br />

wurden teilweise nur für 15 kV<br />

ausgeführt, <strong>eb</strong>enso die Überspannungsableiter. Zum<br />

Bild 7: Glacier Express mit Lok HGe 4 / 4<br />

II<br />

und 6 Panoramawagen. Die<br />

Übertragungsleitung ist das obere Leiterpaar. Im Hintergrund ist<br />

zu sehen, wie nahe die Leitung zum Teil an Häusern vorbei führt<br />

(Streckenabschnitt oberhalb St. Niklaus).<br />

Einschlaufen des fUW Gamsen musste die Leitungsführung<br />

angepasst werden.<br />

• Leitung Gamsen – Stalden: Die Leitung verläuft entlang<br />

dem Bahntrassee und wurde ursprünglich für 66 kV<br />

projektiert, viele Isolatoren und Kabelabschnitte waren<br />

jedoch nur für 15 kV ausgelegt, <strong>eb</strong>enso die Überspannungsableiter.<br />

Die Abstände der Leiterseile waren bei<br />

diversen Masten für 66 kV zu gering.<br />

• Für die Verzweigung auf die Kabelleitung durch den<br />

Straßentunnel (Stägjitschuggenleitung) und die Übertragungsleitung<br />

entlang dem Bahntrassee musste in<br />

Merje (Stalden) und Mattsand (bei Herbriggen) ein<br />

66-kV-Schaltposten (Sp) g<strong>eb</strong>aut werden.<br />

• Die 66-kV-Stägjitschuggenleitung wurde neu g<strong>eb</strong>aut,<br />

2,3 km als Kabel durch den Stägjitschuggentunnel,<br />

5,7 km als Kabel entlang der Hauptstraße und querfeldein<br />

bis zum <strong>eb</strong>enfalls neu zu bauenden Kabelendmast<br />

als Verbindung zur bestehenden Freileitung (4 km).<br />

• Leitung Stalden – Herbriggen entlang dem Bahntrassee:<br />

Die Leitung war ursprünglich für 66 kV projektiert,<br />

auch hier waren aber viele Isolatoren, Leiter- und Kabelabschnitte<br />

nur für 15 kV ausgeführt. Über den oberhalb<br />

Stalden gelegenen Bahnhof St. Niklaus hinweg<br />

wurde die Leitung größtenteils neu g<strong>eb</strong>aut.<br />

Nachdem der Handlungsbedarf festgestellt war, konnte<br />

ein Projekt erarbeitet und das Plangenehmigungsverfahren<br />

(PGV) eingeleitet werden. Dazu gehörte der<br />

Nachweis, dass die NISV eingehalten wird. Dies erforderte<br />

einerseits die Bestimmung der resultierenden nichtionisierenden<br />

Strahlung mittels Computerberechnungen mit<br />

den Programmen SIMNET und EMFCALC. Andererseits<br />

mussten entlang der gesamten Leitung die möglichen so<br />

genannten Orte mit empfindlicher Nutzung (OMEN), also<br />

G<strong>eb</strong>äude, in denen sich Menschen regelmäßig während<br />

längerer Zeit aufhalten und die noch nicht überbauten<br />

Grundstücke der Bauzonen, aufgenommen werden.<br />

Schließlich wurde geprüft, ob bei den OMEN die NISV<br />

eingehalten wird. Dies war insofern aufwändig, weil<br />

das Bahntrassee an manchen Stellen entlang von steilen<br />

Hängen verläuft und die 1-μT-Kurve in Relation zur G<strong>eb</strong>äudekontur<br />

zu setzen war (Bild 7). Dies machte die genaue<br />

Vermessung jedes einzelnen G<strong>eb</strong>äudes entlang dem<br />

Bahntrassee erforderlich. Die Nachweisführung zeigte,<br />

190 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – Energie<br />

Bild 8: Messungen während des Betri<strong>eb</strong>s, Aufzeichnungen im UW Herbriggen. Der Spannungseinbruch um 09.07 Uhr stammt von der Überlagerung<br />

einer niedrigen Sammelschienenspannung im KW Massaboden mit einem hohen Strombezug in Herbriggen.<br />

I 1001 Strom Richtung Stalden<br />

I 1002 Strom Richtung Zermatt<br />

I 4010 Strom 66-kV-Übertragungsleitung (gemessen 11-kV-seitig)<br />

U SS11 Spannung Sammelschiene 11 kV<br />

U 6010 Spannung 66 kV<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

dass an einzelnen Stellen die Lage der bestehenden Übertragungsleitung<br />

geändert werden musste.<br />

Der Bau der Stägjitschuggenleitung war ein eigenständiges<br />

Projekt, und eine Abstimmung mit dem Bahnbetri<strong>eb</strong><br />

war deshalb nicht notwendig. Die Leitung wurde jedoch<br />

zusammen mit weiteren 50-Hz- und Telecom-Leitungen auf<br />

demselben Trassee realisiert, was zu einem größeren Koordinationsbedarf,<br />

auch mit dem Straßenbau, führte. Nachdem<br />

die Leitung fertig gestellt und die Spannungsprüfung<br />

erfolgreich durchgeführt war, wurde die Straße zusammen<br />

mit dem Leitungstrassee bei Unwettern weggespült. Dadurch<br />

wurden zusätzlich noch aufwändige und zeitraubende<br />

Reparaturarbeiten nötig. Insbesondere nahm die Nachlieferung<br />

der Hochspannungskabel einige Zeit in Anspruch.<br />

Der zeitlichen Planung des gesamten Projektablaufs<br />

kam eine wesentliche Bedeutung zu. Gewisse Zeitfenster<br />

durften unter keinen Umständen verpasst werden. Die<br />

für die Spannungserhöhung notwendigen Umbauten an<br />

der Freileitung konnten nur nachts in den Betri<strong>eb</strong>spausen<br />

durchgeführt werden. Selbst da gab es aber Einschränkungen,<br />

weil die Anspeisung des UW Herbriggen wegen<br />

des Fahrbetri<strong>eb</strong>s zwischen Täsch und Zermatt in den Nächten<br />

Donnerstag bis Sonntag und der in Zermatt abgestellten<br />

Züge in Betri<strong>eb</strong> bleiben musste. Ein weiteres Problem<br />

bei der Umsetzung war die Witterung. So konnten<br />

Betonierarbeiten nicht während der langen Winterzeit<br />

ausgeführt werden, die Montagearbeiten wurden durch<br />

große Schneemengen behindert. Diese Erschwernisse galten<br />

<strong>eb</strong>enso beim Bau der Unterwerkserweiterung und<br />

beim Transport des Transformators.<br />

5.5 Netzstabilität<br />

Mit der Stägjitschuggenleitung wurde eine bedeutende<br />

zusätzliche Kabelkapazität ins Übertragungsleitungsnetz<br />

eing<strong>eb</strong>racht. Im Wallis sind mit den 132-kV-Kabeln durch<br />

den Simplontunnel und durch den Lötschberg-Basistunnel,<br />

sowie dem 15-kV-Kabel im Lötschberg-Basistunnel<br />

bereits ansehnliche Längen von Hochspannungskabeln<br />

vorhanden. Es musste deshalb mit Netzmodellrechnungen<br />

sichergestellt werden, dass mit dem Stägjitschuggenkabel<br />

und der Spannungserhöhung nicht instabile Netzzustände<br />

eintreten können [1].<br />

Die beiden MGB-Fahrzeugtypen Shuttle und KOMET<br />

sind in Umrichtertechnik ausgeführt. Um die zu erwarten-<br />

191


Energie – acrps 2011<br />

de Netzstabilität abschließend beurteilen zu können, mussten<br />

der Frequenzgang und das Eingangsadmittanzverhalten<br />

dieser Fahrzeuge mit Messungen ermittelt werden.<br />

6 Messungen und Nachweisführung<br />

Im Rahmen der Inbetri<strong>eb</strong>setzung wurden während zweier<br />

Nächte im Juni 2009 Versuche und Messungen mit dem<br />

Gesamtsystem durchgeführt, unter anderem mit den folgenden<br />

Zielen:<br />

• Messung der Impedanzen der Übertragungsleitungen<br />

ab UW Herbriggen für die Einstellung des Leitungsund<br />

Anlagenschutzes<br />

• Inbetri<strong>eb</strong>nahme der Anlagen schrittweise bis zur Nominalspannung<br />

von 66 kV<br />

• Messung der Stromverteilung auf die Übertragungsleitung<br />

entlang dem Bahntrassee und auf die Stägjitschuggenleitung<br />

(Abschnitt Merje (Stalden) – Mattsand)<br />

• Messung der Rückstromverteilung<br />

• Messung der Schleifenimpedanzen der Oberleitung ab UW<br />

Herbriggen für die Einstellung des Oberleitungsschutzes<br />

• Betri<strong>eb</strong>sversuche unter Last<br />

• Testen der Umschaltungen zwischen 66-kV- und 15-kV-<br />

Betri<strong>eb</strong> gemäß Checkliste für das Personal der MGB-<br />

Betri<strong>eb</strong>sleitzentrale.<br />

Die NISV konnte an einigen Stellen nur sehr knapp<br />

eingehalten werden, weshalb der Stromaufteilung bei<br />

der Übertragungsleitung auf jene entlang des Bahntrassees<br />

und auf die Stägjitschuggenleitung eine wesentliche<br />

Bedeutung zukam. Eine Auflage des Bundesamts für Verkehr<br />

(BAV) forderte eine Validierung dieser Aufteilung<br />

mittels Messungen. Diese wurden am Schaltposten Merje<br />

vorgenommen, wobei auch die Rückstromverteilungen<br />

für die verschiedenen Speisearten (66/15/11 kV) umfassend<br />

ermittelt wurden. Die für die Plangenehmigung berechneten<br />

Stromverteilungen wurden mit den Messungen<br />

präzis bestätigt.<br />

Im März 2010 wurden an fünf Tagen (Donnerstag –<br />

Montag) durchgehend Messungen während des Betri<strong>eb</strong>s<br />

durchgeführt. Dabei wurden sämtliche Ströme und Spannungen<br />

im UW Herbriggen, im fUW Gamsen und im KW/<br />

UW Massaboden zeitsynchron aufgezeichnet (Bild 8). Die<br />

Messungen bezweckten<br />

• die Verifikation des Nutzens durch die 66-kV-Einspeisung<br />

mittels Spannungsmessungen,<br />

• die Verifikation der Stromverteilung auf die beiden<br />

Übertragungsleitungen, punktuell mit einem Bezug<br />

zur Betri<strong>eb</strong>slage,<br />

• die Verifikation der Größenordnungen bei den Extremwerten<br />

von Strom und Spannung,<br />

• die Ermittlung der Ursachen von Spannungsschwankungen<br />

(SBB, BLS, MGB) und<br />

• das Identifizieren allfälliger eigenartiger Phänomene.<br />

Es zeigte sich, dass hohe Belastungen im KW Massaboden<br />

durch die Simplon- und Lötschberglinie sich merklich auf die<br />

Sammelschienenspannung im UW Herbriggen auswirken.<br />

7 Ausblick<br />

Die realisierte gemischte 15-kV- und 66-kV-Anspeisung<br />

des UW Herbriggen mit dem dazwischen liegenden fahrbaren<br />

Unterwerk ist nur eine Übergangslösung, weil die<br />

Rahmenbedingungen noch keine definitive durchgehende<br />

66-kV-Anspeisung erlauben (Bild 5). Eine solche muss<br />

nun bis 2016 realisiert werden, weil dann eine Korrektion<br />

des Flusses Rotten erfolgt, die den Standort des fUW Gamsen<br />

tangiert. Die Variantenevaluation ist derzeit im Gange,<br />

welche die gesamte Bahnstromversorgung im Raum<br />

Brig – Visp inklusive der Anspeisung der Simplon- und<br />

Lötschberglinie umfasst.<br />

Bei der Bahnstromversorgung der MGB bestehen aber<br />

noch weitere Schwachpunkte, die in den kommenden<br />

Jahren behoben werden müssen. So ist im oberen Goms<br />

zwischen Fiesch und Oberwald der Bau eines Unterwerks<br />

132/11 kV vorgesehen, das an eine neue SBB-Übertragungsleitung<br />

zwischen dem Tessin und dem Wallis angeschlossen<br />

werden soll. Eine weitere Schwachstelle besteht östlich des<br />

Oberalppasses in der Surselva. Mögliche Netzverstärkungen<br />

befinden sich derzeit in der Evaluationsphase.<br />

Literatur<br />

[1] A<strong>eb</strong>erhard, M.; Duron, J.; Lörtscher, M.; Meyer, M.: Stabilitätsuntersuchungen<br />

im 132-kV-Netz der SBB. In: <strong>Elektrische</strong><br />

<strong>Bahnen</strong> 107 (2009), H. 6, S. 267–273.<br />

Dipl. El.-Ing. ETHZ Heinz Voegeli (55), Studium<br />

Elektrotechnik an der Eidgenössischen Technischen<br />

Hochschule (ETH) Zürich bis 1981; 1987<br />

Gründung und seither Geschäftsleitung ENO-<br />

TRAC AG, Engineering – Organisation – Traction.<br />

Adresse: ENOTRAC AG, Seefeldstr. 8, 3600 Thun,<br />

Schweiz;<br />

Fon +41 33 34 66-611, Fax: -612;<br />

E-Mail: heinz.voegeli@enotrac.com<br />

192 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – International Projects<br />

Traction electrification system planning<br />

for California high-speed train project<br />

Richard Schmedes, San Fancisco<br />

The California High-Speed Train Project will be a $ 43 Billion dedicated 1 300 km (800 miles) system<br />

and will connect California’s major metropolitan centers with completely new dedicated tracks<br />

and infrastructure which will support train operations at up to 400 km/h (250 mph). It will be electrified<br />

with a 2 AC 25 kV autotransformer configuration with 50 km (30 miles) spacing between<br />

utility connections. The planning of 115 kV and 230 kV connections involves coordination with<br />

four utility companies and completion of five-year permitting and planning processes by 2016.<br />

Planung der Bahnstromversorgung für das kalifornische Hochgeschwindigkeitsbahnprojekt<br />

Das kalifornische Hochgeschwindigkeitsbahnprojekt ist eine rd. 32,5 Mrd. EUR teure, 1 300 km<br />

lange, vollständig neue Bahnstrecke, welche die Metropolregionen in Kalifornien mit Geschwindigkeiten<br />

bis zu 400 km/h miteinander verbindet. Die Strecke wird mit einem 2 AC 25 kV Autotransformatorsystem<br />

mit 50 km Unterwerksabständen elektrifiziert. Die Planung der 115- kVund<br />

230- kV-Anbindungen erfordert die Koordination mit vier Versorgungsunternehmen und<br />

den Abschluss des Genehmigungs- und Planungsverfahrens innerhalb von fünf Jahren bis 2016.<br />

Le système d’alimentation électrique pour le projet de LGV en Californie<br />

Le projet de LGV en Californie se chiffre à quelque 32,5 Mrd. EUR. Cette ligne entièrement nouvelle<br />

longue de 1 300 km reliera les métropoles californiennes avec des vitesses jusqu’à 400 km/h.<br />

Elle sera électrifiée avec un système autotransformateur 2 AC 25 kV avec des sous-stations distantes<br />

de 50 km. La planification des connections aux lignes 115 kV et 230 kV nécessite la coordination<br />

avec quatre compagnies électriques et la conclusion de la procédure d’autorisation et de<br />

planification dans les cinq années à venir jusqu’en 2016.<br />

1 Introduction<br />

The California High-Speed Rail Authority (CHSRA) is<br />

designing and building the California High-Speed Train<br />

Project (CHSTP) to meet the State of California’s growing<br />

public transportation needs. This project encompasses<br />

the planning, environmental approval, design<br />

and construction of a 1 300 km (800 miles) long highspeed<br />

rail system that will connect California’s major<br />

metropolitan centers with completely new dedicated<br />

tracks and infrastructure which will support train operations<br />

at up to 400 km/h (250 mph). The CHSTP is the<br />

largest infrastructure project in the history of California<br />

with an estimated cost of $ 43 Billion ($ 32,5 Billion<br />

EUR), and is the leading program for the United<br />

States Department of Transportation’s and the Federal<br />

Railroad Administration’s initiatives to develop worldclass,<br />

safe and reliable high-speed rail transportation in<br />

the United States.<br />

An important component of the CHSTP high-speed<br />

rail network is the traction electrification system (TES).<br />

Its planning and development are fundamental steps<br />

to the successful implementation and operation of<br />

high-speed rail in California. Although they present significant<br />

challenges to the Project Management Team,<br />

the engineering, environmental, and utility interface<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

aspects of the TES design process are being planned<br />

concurrently throughout the route. With the successful<br />

Figure 1: California high-speed train project route map – phases I<br />

and II and its regional delivery structure. white dots planned stations<br />

193


International Projects – acrps 2011<br />

management of these elements, the Engineering Team<br />

will ensure the detailed design, permitting and construction<br />

of the TES will result in a robust, reliable and<br />

secure system to support the first modern high-speed<br />

rail operation in the U.S.<br />

2 Project overview<br />

The CHSTP’s initial phase includes the 800 km (500 miles)<br />

long segment from San Francisco to Anaheim/Los Angeles.<br />

As it can be seen in Figure 1, the route connects<br />

smaller cities in the Central Valley by crossing two mountainous<br />

regions in the northern and southern portions<br />

of the State. Phase l is scheduled to begin construction<br />

in 2012 and will support train service of up to 350 km/h<br />

(220 mph) with a journey time from Los Angeles to San<br />

Francisco in less than 2 hours and 40 minutes by the<br />

year 2020. Phase II will follow, stretching north to Sacramento<br />

and south to San Diego for a total of 1 300 km<br />

(800 miles), and provide service of twelve trains per hour<br />

in each direction by the year 2035.<br />

3 Regional delivery organization<br />

In order to deliver a project of this scale, the Program<br />

Management Team (PMT) has split the project into<br />

Regions of lengths from 80 to 240 km (50 to 150 miles),<br />

as shown in Figure 1. Each region has an individual<br />

Consultant Manage ment Team with its own schedule<br />

of preliminary engineering and planning milestones.<br />

These regional teams receive guidance documents in<br />

the form of Technical Memorandum from the PMT’s<br />

Engineering Team to instruct them on the project criteria<br />

and the application of the engineering standards to<br />

their sections.<br />

The individual regional contractors then have the<br />

responsibility to apply the guidelines and standards in<br />

their territories. They will select the route alignments<br />

and facility sites and produce 15 % and 30 % infrastructure<br />

designs as well as supporting Environmental Impact<br />

Reports (EIR) for approval of the high-speed rail system<br />

through the State and Federal environmental processes.<br />

4 Traction electrification system<br />

description<br />

The planning of the TES for the project is being done<br />

centrally by the Program Management Team to ensure a<br />

cohesive system results across the Regional Boundaries.<br />

Consistent with the regional approach, the TES system<br />

parameters are then transferred to the consultant teams<br />

for local applications, site specific design, and environmental<br />

analysis.<br />

During the conceptual planning of the project, a 2 AC<br />

25 kV traction power system configuration was selected<br />

to supply power to the high-speed trains. The 2 AC<br />

25 kV configuration of railway electrification is well established<br />

around the world as the modern standard for<br />

regional and high-speed rail lines. It allows for greater<br />

spacing be-tween utility connection points, and has the<br />

added benefit of minimizing the electromagnetic field<br />

along the rail line with the negative feeder wire running<br />

parallel to the overhead contact system (OCS). Initial<br />

load flow analysis studies indicate a 50 km (30 miles)<br />

spac ing of supply substations was appropriate for the<br />

CHSTP’s operational load. In Figure 2 a typical design<br />

of a supply section between two substations is shown.<br />

Since the type of high-speed train has not been determined,<br />

the traction power load flow analysis was performed<br />

using a representative electro motive unit (EMU)<br />

of approximately 10 MW for an eight-car, 200 m long<br />

configuration and 20 MW for a sixteen-car, 400 m long<br />

trainset. The operational loads of three 200 m trains and<br />

nine 400 m trains per hour per direction were applied.<br />

Further analysis yielded results that showed redundant<br />

60 MVA main transformers in the substations (SS) and<br />

20 MVA transformers in the parallel ing stations (PS) and<br />

switching stations (SWS) at eight km (five miles) intervals<br />

were appropriate for the loads.<br />

It was also determined that redundant 115 kV or<br />

220/230 kV transmission line connections would be required<br />

at each interconnection point to ensure the capacity<br />

and reliability of the network could support the operational<br />

demands of the high-speed rail system. This is due to<br />

the highly fluctuating power demand generated by the<br />

fast moving trains, the two-phase unbalanced connection<br />

to the utility, and the contingency criteria which dictate<br />

full service operations under the loss of a single transformer<br />

or incoming supply.<br />

Figure 2: Typical CHSTP traction power supply section. Station intervals in miles.<br />

194 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – International Projects<br />

5 Utility company interfaces<br />

The results of the traction power system simulations are<br />

also important data inputs into the utility interface process.<br />

The first step toward finding suitable power sources at<br />

approximately 50 km (30 miles) spacing was to investigate<br />

the state-wide transmission network. California is primarily<br />

served by the extensive transmission networks of Pacific Gas<br />

and Electric (PG&E) in the northern part of the state and<br />

Southern California Edison (SCE) in the south. These two<br />

companies are investor owned utilities (IOUs) and are regulated<br />

by the California Public Utilities Commission (CPUC).<br />

However, the utility power grid in California is divided<br />

into territories, and Phase I of the CHSTP passes through<br />

the territories of four utility companies with the appropriate<br />

115 kV or 230 kV transmission networks. The two other<br />

utilities with which the project intersects are smaller municipal<br />

agencies with the right and/or obligation to supply<br />

power to customers in their coverage areas if they have<br />

the necessary capability. Los Angeles Department of Water<br />

and Power (LADWP) serves greater Los Angeles County,<br />

and Anaheim Public Utilities (Anaheim) serves customers<br />

within its city boundary. Both of these municipal agencies<br />

have 115 kV networks sufficient to supply the project’s<br />

needs, and neither is subject to CPUC regulations.<br />

Therefore, the TES planning for the 800 km (500 miles) of<br />

phase I of the CHSTP requires coordination with all four utilities.<br />

Based on the 50 km (30 miles) spacing, there will be a<br />

total of 18 traction power substations (Figure 3), and based<br />

on the eight-km (five-miles) paralleling station spacing there<br />

will be approximately 82 smaller facilities. To determine<br />

the starting locations where the utility interface coordination<br />

should commence, the Engineering Team overlaid<br />

the track alignment onto the transmission network and<br />

indentified possible connection points in the vicinity of<br />

the future tracks. The breakdown by utility territory of the<br />

number of proposed interface points is as follows:<br />

• Pacific Gas and Electric twelve substation interconnections<br />

• Southern California Edison three substation interconnections<br />

• Los Angeles Department of Water and Power two substation<br />

interconnections and<br />

• Anaheim one substation interconnection<br />

Each of the locations was mapped and the coordinates<br />

were given to the Regional Teams for site investigation.<br />

6 Electrical facility site planning and<br />

simulations<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

As the regional teams undertook field work to identify properties<br />

for facility sites at eight-km (five-mile) intervals, the<br />

physical constraints of the alignment geography became<br />

evident. Due to track alignment passing through challenging<br />

terrain, the regional teams were in certain areas forced<br />

to design the track with gradients up to 3,5 %, viaduct approaches<br />

to the mountains and tunnels over 10 km (six miles)<br />

long. In other<br />

sections, wetlands,<br />

parks and<br />

densely populated<br />

areas presented<br />

difficulties to<br />

finding suitable<br />

properties for<br />

electrical facilities.<br />

The track<br />

alignment was<br />

also continually<br />

being re-engineered<br />

due to<br />

public pressure,<br />

environmental<br />

constraints, and<br />

political wills.<br />

Further traction<br />

Figure 3: CHSTP utility interface locations,<br />

power simulations<br />

were, there-<br />

red PG&E, blue LADWP,<br />

phase I.<br />

fore, performed green SCE, purple City of Anaheim<br />

to determine if<br />

there were fatal flaws with the rail alignments or electrical<br />

facility locations being proposed by the regional teams.<br />

Particular focus was placed on finding the limits of electrical<br />

section length and the possible effect of extreme grades<br />

on the sub station load ing. Several what if scenarios were<br />

simulated to determine the maximum fa cility spacing without<br />

compromis ing the voltage drop criteria or load rating<br />

of the trans formers, even under contingency conditions.<br />

Furthermore, in order to avoid underground facilities or<br />

phase breaks near tunnels, gradients, and switching points,<br />

additional scenarios were simulated to provide guidance on<br />

where the limits to electrical section lengths existed.<br />

The resulting data from these what-if simulations indicated<br />

that the length of an electrical section could be<br />

stretched to 29 km (18 miles) with the addition of another<br />

paralleling station. Also, the distance between paralleling<br />

stations could be increased to ten km (six miles) without<br />

violating any of the traction power system requirements or<br />

criteria. This information was transmitted to the regional<br />

consultants, and they were subsequently given some additional<br />

leeway in their site planning. As they perform property<br />

identification, they are able to accommodate the infrastructure<br />

and geographic constraints with a flexible and compliant<br />

TES design. This assists the project’s engineering and<br />

environmental efforts in several ways. In order to minimize<br />

biological, historical or other impacts, and to minimize the<br />

mitigation required for electrical facility construction in an<br />

area, several alternative sites are being carried in the preliminary<br />

engineering and environmental documents.<br />

7 Utility study coordination process<br />

Concurrent with the site work to determine appropriate<br />

locations for the facilities, the coordination with the<br />

utility companies is ongoing. The broad identification<br />

195


International Projects – acrps 2011<br />

of potential high-voltage interconnection points along<br />

the alignment at approximately 50-km (30-mile) intervals<br />

has now been followed by more detailed discussions on<br />

a location by location basis. The first formal step to be<br />

taken with each of the four companies was the execution<br />

of a Non-Disclosure or Confidentiality Agreement. This<br />

standard agreement provides the framework under which<br />

detailed transmission network and facility information<br />

can be shared by the utility. Thereafter, a Feasibility Study<br />

Agreement must be put in place as a formal request<br />

for the utility to perform an analysis on each connection<br />

point of their network to determine the effect of the proposed<br />

high-speed rail traction power load. In some cases,<br />

the utility may require special software tools or outside<br />

expertise to perform the analysis on their network, since<br />

the unbalanced and highly fluctuating load of 60 MVA is<br />

unique to the electrified rail industry.<br />

In California, railroads electrified with AC 25 kV do not<br />

currently exist, so it is difficult to determine if the utility<br />

networks may require strengthening or modifying in<br />

some way. This possibility will be determined in the final<br />

stage of the studies – the Impact Analysis. In this study, a<br />

radius of 8 to 16 km (5 to10 miles) around the intended<br />

interconnection point is analyzed for potential harmful<br />

effects on the network or other customers by the future<br />

railway load. If any significant impacts are determined,<br />

the mitigations will be included in the interconnection designs<br />

and carried in the CHSTP environmental documents.<br />

The costs of both the feasibility studies and the impact<br />

analyses performed by the utilities on their own networks<br />

will be borne by the project.<br />

8 Utility permit process<br />

The interconnection requirements determined by the impact<br />

analyses may often involve transmission line extensions,<br />

substation modifications, line strengthening, or even<br />

new line construction. It is important to include the environmental<br />

impacts of these utility interconnections in the<br />

project level EIR documents as it can substantially compress<br />

the time schedule for obtaining utility interconnection permits.<br />

As discussed, the IOUs are under the regulatory jurisdiction<br />

of the CPUC, and must therefore file for permits to<br />

modify the transmission network. These companies are also<br />

required to follow the regulations of the local counties and<br />

cities where their transmission network is located. While<br />

less restrictive to modification, the municipal utilities must<br />

also follow these local planning and permitting practices<br />

to accommodate the CHSTP interconnections. Typically, for<br />

new construction to the supply of power to the CHSTP, two<br />

types of permits may be required by the IOUs<br />

• a Permit to Construct (PTC) applies to electric power lines<br />

at voltages 50 kV to 200 kV; approximate timeframe<br />

9 to 12 months and<br />

• a Certificate of Public Convenience and Necessity<br />

(CPCN) applies to transmission lines above 200 kV;<br />

approximate timeframe 12 to 18 months<br />

Beyond these durations, the utility also has to schedule<br />

the interconnection facility work into its capital program<br />

and perform the construction. All together, the lead time for<br />

utility modification to supply power to the CHSTP may require<br />

five years of planning, engineering and construction.<br />

In an effort to minimize the duration for utility interconnection<br />

and facilitate the design and construction of<br />

the Traction Electrification System to the aggressive CHSTP<br />

schedule, close coordination of the interconnection design<br />

and environmental processes is required. Also, significant<br />

effort will be made to minimize new transmission line<br />

construction by siting CHSTP substations close to existing<br />

high-voltage sources or providing flexible arrangements in<br />

difficult areas. As the designs are progressed to the 30 %<br />

level, identified transmission line extensions and other<br />

modifications will be captured in the CHSTP project EIR<br />

and engineering drawings to streamline the permitting<br />

requirements and provide a coordinated design.<br />

9 Planning results<br />

The planning of the traction electrification system is a fundamental<br />

element to the preliminary engineering and environmental<br />

phase of the California High-Speed Train Project.<br />

The size of the project, the number of utilities with which to<br />

coordinate, and the lengthy permitting processes for new<br />

electrical facilities make diligent planning of the interconnection<br />

to the 115 kV or 230 kV network vitally important. To<br />

ensure the traction electrification system is constructed and<br />

connected to secure, redundant sources of power at 50 km<br />

(30 miles) spacing along the 800 km (500 miles) of phase I of<br />

the project, coordination of engineering studies, regional<br />

consultant field investigations, and utility impact analyses<br />

must be handled concurrently. These planning and coordination<br />

elements all present significant challenges to the CHSTP<br />

Program Management Engineering Team. The proper execution<br />

of them will result in an efficient design, cost savings<br />

and the timely construction of 100 railway electrical facilities<br />

and the interconnection of 18 high-voltage utility lines to<br />

support system energizing and testing in the year 2016, and<br />

high speed operations at 350 km/h (220 mph) by 2020.<br />

BSc. (Eng.), MBA Richard Schmedes (45), received<br />

a Bachelor of Science Degree in Electrical Engineering<br />

from Virginia (USA) Polytechnic University<br />

in 1988 and a Masters of Business Administration<br />

in International Business from the University<br />

of Connecticut in 1995. Since 2000 he has been<br />

with Parsons Brinckerhoff Inc., five years in London<br />

with PB International, five years in California<br />

with PB Americas, as Assistant Vice President and<br />

Senior Engineering Manager.<br />

Address: Parsons Brinckerhoff, Inc., Transit and<br />

Rail Division, 303 Second Street, 94107,<br />

San Francisco, USA;<br />

phone: +1 415 243-4621, fax: -679;<br />

e-mail: SchmedesR@pbworld.com<br />

196 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – International Projects<br />

Phase separation sections – passing<br />

with minimum constraints<br />

Arnaud Bastian, Christian Courtois, Alexandre Machet, La Plaine Saint Denis<br />

Phase separation sections in AC 50 Hz electrified railway networks are critical. As a matter of<br />

fact, a lack of respect by the engine driver with regard to the signalling could lead to damage<br />

the infrastructure integrity. The regularity of the traffic could be strongly impacted in such a<br />

case. Therefore, SNCF Fixed Installation for Electric Traction has worked for years to improve the<br />

reliability of these specific equipments with many solutions based on infrastructure and/or rolling<br />

stock equipment. Some of these solutions are presented.<br />

Phasentrennstellen – Befahrung mit kleinsten Einschränkungen<br />

Die Phasentrennstellen in mit AC 50 Hz elektrifizierten Netzen können Schwierigkeiten bereiten.<br />

In der Tat kann das Nichtbeachten der Signalg<strong>eb</strong>ung durch den Tri<strong>eb</strong>zugführer zu Schäden<br />

der Infrastruktur führen. Der Betri<strong>eb</strong>sablauf kann in einem solchen Fall erh<strong>eb</strong>lich gestört werden.<br />

Daher hat sich der Bereich Feste Anlagen der <strong>Elektrische</strong>n Traktion der SNCF seit Jahren mit<br />

der Verbesserung der Zuverlässigkeit dieser Einrichtungen befasst und viele Lösungen sowohl<br />

auf der Seite der Infrastruktur als auch auf der Fahrzeugseite entwickelt. Einige dieser Lösungen<br />

werden beschri<strong>eb</strong>en.<br />

Sections de séparation de phase – comment les franchir avec un minimum de contraintes<br />

Les sections de séparation de phase sur les réseaux ferroviaires électrifiés en courant alternatif<br />

50 Hz constituent des points critiques. En effet, un manque de respect de la signalisation ferroviaire<br />

par le conducteur pourrait conduire à endommager l’intégrité des Installations Fixes<br />

de Traction Électrique. Dans un tel cas, la régularité du trafic pourrait être fortement impactée.<br />

Ainsi, le département des Installations Fixes de Traction Électrique de l’Ingénierie SNCF travaille<br />

depuis des années sur l’augmentation de la fiabilité de ces «points singuliers», en mettant<br />

en œuvre des solutions tant au niveau de l’infrastructure que du matériel roulant. Certaines<br />

d’entre elles sont présentées dans cet article.<br />

1 Introduction<br />

In France, the energy for electrified railway lines is mainly<br />

fed under two main voltage systems: DC 1 500 V and<br />

AC 25 kV 50 Hz. As DC supplies are concerned, there is no<br />

matter on this subject because all substations feed the<br />

Overhead Contact Lines (OCL) in parallel. As AC supplies<br />

are concerned, a specific phase separation needs to be<br />

installed between two feeding points for preventing<br />

electrical interconnection between the two substation<br />

supply sections. This is needed because of the phase displacement<br />

between the two voltage systems. The phase<br />

displacement could be from 30 to 180°. To pass the transition<br />

between two different supply sections, a phase separation<br />

section, without bridging, is required. For reliability<br />

reasons, the different sections need to be separated by a<br />

neutral section which in Europe shall conform to the TSI<br />

requirements – for high speed lines as well as for conventional<br />

lines – and European Standards EN 50119, EN 50367<br />

and EN 50388. The separation sections form critical points<br />

in a railway network, implying that careful attention is<br />

paid for insuring both availability and reliability.<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

First, the origin and the consequences will be presented.<br />

Current solutions will be described and then new solutions<br />

operated in the French network will be presented.<br />

Finally, in a conclusion, all solutions will be summed up in<br />

a global synthesis.<br />

2 Origin of the problem<br />

Phase separation sections traversed by electric traction traffic<br />

form the origin of numerous contact line incidents when all<br />

signaling rules of traversing are not properly respected. These<br />

separation sections are announced by an appropriate switchoff-power<br />

execution signal which imposes the driver to open<br />

one or several circuit breakers. The phase separation section<br />

can then safely be traversed with the pantograph uplifted.<br />

In spite of the adapted signal and the awareness-raising<br />

activities made with drivers, several lack of respect of switchoff-power<br />

execution signals still occur, with all risks and incidents<br />

they engender. Indeed, any failure in this procedure<br />

generates, in the majority of the cases, an arcing between the<br />

197


International Projects – acrps 2011<br />

pantograph and<br />

the contact line<br />

(Figure 1). The<br />

main danger results<br />

in the electric<br />

arc generated by<br />

the passage of a<br />

Figure 1: Arcing under a section insulator.<br />

raised pantograph<br />

(Photo: Arthur Flury AG).<br />

when it crosses<br />

the section insulator, separating the live and the neutral<br />

section. This arc can damage the messenger wire, and finally<br />

lead to its break and the falling of the contact line. It entails<br />

heavy damage on the infrastructure with very important consequences<br />

on the regularity and the engendered costs.<br />

For example in 2004, an incident lead to a total of more<br />

than 4 400 lost minutes. The lost minutes are the sum of<br />

the total duration of the train delays caused by the incident.<br />

About 400 m of overhead contact line had to be<br />

completely r<strong>eb</strong>uild, including the separation section, for a<br />

global cost for the infrastructure of 35 k€.<br />

Today, the number to lacks of respect of the switchoff-power<br />

execution signal amounts to about 400 per<br />

year. Every lack of respect does not cause systematically<br />

an incident. Indeed, it is the repetition of these incidents<br />

which damages the installation in an irremediable way<br />

and which leads, at the end, to an incident on the infrastructure.<br />

Therefore, on the 400 lacks of respect, approximately<br />

only ten of them actually end up with an incident,<br />

resulting in 2 000 to 4 000 lost minutes.<br />

The experience feedback allows to conclude that these<br />

abnormalities are generally connected with:<br />

• the setting-up of the separation sections<br />

• the length of these separation sections<br />

• the voltage of the contact line<br />

• the geometry of the line<br />

• the geometry of the contact line<br />

• the mechanical tensile load of the contact line<br />

• the climatic conditions such as temperature and ice accretion<br />

• the quality of the pantograph – contact line interaction<br />

• the setting-up of the electrical traction signals<br />

• the lack of respect of the signals by the drivers<br />

From this report, the Fixed Installations for Electric<br />

Traction Department of SNCF’s Engineering Headquarters<br />

came up with different solutions for increasing the reliability<br />

of this component with minimum constraints and<br />

implemented them.<br />

3 Solutions<br />

3.1 Current solutions<br />

3.1.1 Currently adopted operating modes<br />

The French National Railway Network (RFN) is equipped<br />

with about 300 phase separation sections on AC 25 kV<br />

lines half of them being on the high-speed network. Their<br />

constitutions are heterogeneous. The origin takes place<br />

in numerous material configurations and the network<br />

regional history. Their lengths are adapted to the speed<br />

limit and the composition of the rolling stock: multiple<br />

units, new material etc. They are implemented by using<br />

several insulated overlaps or by using section insulators.<br />

Section separation with section insulators are mainly concerned<br />

by these problems, but not solely.<br />

All the ways to prevent an incident when passing<br />

through a phase separation section consist either in an<br />

infrastructure based solution, or a rolling stock based solution,<br />

or also a solution involving both the infrastructure<br />

and the rolling stock.<br />

Currently, three operating modes are in function on<br />

the French National Railway Network:<br />

• Completely manual management by the engine driver<br />

The driver is completely responsible of the driving operation<br />

on its rolling stock. Any negligence in the signal<br />

respect could provoke an irreparable incident. This is<br />

the case of the majority of phase separation sections on<br />

the French National Railway Network.<br />

• Manual management by the engine driver with backup<br />

The backup automatically performs any needed switchoff-power<br />

emergency operation in case of a driver’s<br />

failure. The return into the nominal situation after traversing<br />

the neutral section has to be made by the driver<br />

who is informed about his error.<br />

• Full automation<br />

The procedure called wave crossing is a full automation<br />

of the actions that could have been performed by the<br />

driver. No intervention of the driver is necessary.<br />

Among the solutions presented here after, some of<br />

them are dedicated to the French network, some can be<br />

found in other European countries, and others are even<br />

shared outside Europe.<br />

3.1.2 TVM-based system<br />

In a high-speed line, signals are repeated in the engine<br />

driver’s cab using the Track-to-Train Transmission (TVM)<br />

system. This transmission is made by beacons located on<br />

the track and information is given to the train. For the<br />

oldest high-speed lines South East and Atlantic, TVM 300<br />

is operated. The only information given to the engine<br />

driver is that he will soon pass through a phase separation<br />

section. Thus he has to manually decrease the traction<br />

power and switch-off the power of the train. If, after a<br />

specified time, the engine driver hasn’t reacted, a backup<br />

loop will automatically switch it off. For the latest highspeed<br />

lines, TVM 430 is associated with new automatisms<br />

that enable the system to work in a full automation<br />

mode. During the traversing of a phase separation section,<br />

the train will automatically reduce its power then<br />

switches off its circuit breakers. And then finally it will<br />

resume its power consumption as soon as it has left the<br />

neutral section. The engine driver only has to check if the<br />

operations are normally made.<br />

198 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – International Projects<br />

These technologies have been<br />

completely mastered in operation<br />

for thirty years. The main advantage<br />

of the TVM based solutions is<br />

that infrastructure equipments are<br />

minimal. Although some drawbacks<br />

should be pointed out: rolling stock’s<br />

equipment is very important; The<br />

engine driver may have to deal with<br />

two different operation modes on a<br />

single journey on high-speed lines.<br />

3.1.3 Elementary section of<br />

detection<br />

The principle of Elementary Section of Detection (ESD)<br />

consists in creating a supervised zone carried out by an<br />

elementary section of the overhead contact line. This ESD<br />

is located downstream the neutral section and supervised<br />

by a current transformer associated with a protection<br />

relay installed a few meters after the switch-off-power execution<br />

signal (Figure 2). This protective solution works as<br />

a backup loop which takes over the lack of respect of the<br />

switch-off-power execution signal by the engine driver.<br />

When the system is set on and an engine enters the<br />

supervised zone, the protection relay detects a higher<br />

Figure 2: Elementary section of detection (ESD) layout.<br />

CT current transformer, VT voltage transformer<br />

current, then sends an opening order to a switchgear located<br />

downstream, thus leading to the opening of the on<br />

board cir cuit-breaker of the engine by lack of voltage. It is<br />

the responsibility of the en gine driver to switch it back on<br />

after the neutral section has been passed by. The Remote<br />

Control Centre turns on and off the local system.<br />

By such a system arcing will be prevented when entering<br />

the neutral section. Moreover, the same high level of availability<br />

will be kept on the rest of the line, since the same<br />

system makes it totally transparent for the substation.<br />

The automatic reclosing control equipment of the<br />

switchgear after a few seconds limits the overall impact<br />

on the traffic.<br />

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International Projects – acrps 2011<br />

Table 1: Number of releases of the EDS<br />

system in the East Paris region during the<br />

past four years.<br />

Year<br />

Number<br />

2007 67<br />

2008 78<br />

2009 69<br />

2010 61<br />

The first systems<br />

were set into service<br />

in 1998. The<br />

return of experience<br />

shows that<br />

the system is reliable<br />

and mastered.<br />

Table 1 shows that<br />

the operational<br />

system works well<br />

and prevents every year the consequences of an engine<br />

traversing the elementary section with circuit-breaker still<br />

on. This system is implemented on three regions of the<br />

French National Railway Network in North of France.<br />

Figure 3: Scheme of an automatically switched bidirectional phase<br />

separation.<br />

1 neutral section, 2 section insulator, 3 section insulator with additional<br />

information rod<br />

Figure 4: Installation of an automatically switched phase separation.<br />

Figure 5: Section insulator.<br />

Figure 6: Section insulator with additional information rod.<br />

3.2 Innovative and new solutions<br />

3.2.1 Automatic switched phase separation section<br />

including coil and vacuum tube<br />

This development was made by a close collaboration between<br />

SNCF and the Swiss Arthur Flury AG company. It<br />

represents a curative solution of the source of an incident.<br />

The testing phase separation section is located on the<br />

railway line from Moret sur Loing to Clermont-Ferrand. This<br />

phase separation section lies between the substations of<br />

Garchizy and Billy. Initially, it was constituted with only two<br />

section insulators.<br />

The Clermont Ferrand region required an increase of<br />

the reliability of this phase separation section. An opportunity<br />

appeared when it was decided to increase the line<br />

speed up to 200 km/h. A new solution had to be found,<br />

because the initial installation did not fit with this newly<br />

required speed; the current section insulators were not<br />

suited for this speed.<br />

The new design is an automatically switched and bidirectional<br />

phase separation. It consists of four sections insulators<br />

(Figure 3). Figure 4 shows the installation. The neutral section<br />

is constituted by two section insulators<br />

(Figure 5) of about 7,5 m length in glass<br />

fiber covered by PTFE. The characteristic<br />

of the automatic phase separation<br />

of Arthur Flury AG is that the neighboring<br />

insulators have a conductive part<br />

between the insulating synthetic rods<br />

(Figure 6). This conductive part is connected<br />

to a magnetic coil linked to<br />

a switch in a vacuum chamber. This<br />

device avoids arcing by preventing potential<br />

differences, thus preventing any<br />

current flowing between the adjacent<br />

circuits if the driver does not respect<br />

the switch-off-power signal. Figure 7a)<br />

to d) describes how the system works:<br />

In Figure 7a), normal condition<br />

is shown, there is no current flowing<br />

in the magnetic coil and the<br />

vacuum switch stays in the open<br />

position. The parts in black connected<br />

to the switch are neutral zones<br />

without supply.<br />

In Figure 7b) the pantograph passes<br />

from phase 1 to the first section<br />

insulator and a current circulates<br />

through magnetic coil (red) and the<br />

vacuum switch closes automatically<br />

within 15 ms producing an equipotential<br />

of the neutral section.<br />

In Figure 7c) the pantograph<br />

moved to the neutral section without<br />

arcing. When the pantograph<br />

left the preceding section insulator<br />

with all its conductive parts no current<br />

flows anymore in the magnetic<br />

200 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – International Projects<br />

coil (red) and the vacuum switch reopened automatically<br />

after 15 ms (Figure 7d)). So, the neutral part is disconnected<br />

from phase 1 feeding again. The circuit breaker<br />

onboard will then consecutively open and the train will<br />

cruise through the phase separation section.<br />

The working range of the electromagnetic coil is between<br />

20 A and 1 000 A.<br />

The automatically switched phase separation is a completely<br />

passive system; it does not require additional<br />

power supply for its activation. There is no need to modify<br />

the rolling stock. The adopted materials and technology<br />

make the whole system light and flexible. At the same<br />

time it proved to be extremely resistant to the trains passing,<br />

even at high speed.<br />

The provisional maintenance and monitoring of the<br />

system consist of:<br />

• Section insulators<br />

After pantographs passed more than 300 000 times, it is<br />

necessary to check the wear of runners. If the maximum<br />

permissible wear of only 1 to 2 mm is reached, the runners<br />

need to be replaced. The insulator rods are checked<br />

at the same time. If the wear exceeded 2 mm, then the<br />

rod would be rotated by one fifth of a complete turn.<br />

After five rotations, the rod needs to be replaced.<br />

• Vacuum circuit breaker<br />

After pantographs passed more than 300 000 times, the<br />

number of switchings should be checked on the device.<br />

An analogical meter is installed inside the vacuum<br />

circuit breaker which records each time the switch<br />

automatically closes. The life cycle of the vacuum circuit<br />

breaker is about 200 000 operations. Beyond this<br />

number, the switch has to be replaced.<br />

In order to validate this installation, several test runs<br />

using freight convoys as well as commercial trains were<br />

performed. During these experiments the drivers were<br />

asked not to respect the switch-off-power signal and so<br />

enter the phase separation section by maintaining a traction<br />

current. The results of the mechanical and electric<br />

tests were very satisfactory. Neither pendulum‘s swing<br />

of section insulators nor pantograph mechanical shocks<br />

were observed. A little arcing could, however, be seen<br />

when the pantograph leaves the live part, but it remained<br />

really insignificant compared with the situation without<br />

backup device. The system of<br />

detection worked correctly and the<br />

arc was switched-off in the vacuum<br />

chamber.<br />

After a two years experience<br />

return, with circulations up to<br />

200 km/h, no incident was registered<br />

on this new installation.<br />

Obviously, a special equipment<br />

has to be installed in the overhead<br />

contact line, but this system proposes<br />

a key advantage: no arcing<br />

between the different phases of<br />

power supply is the best guarantee<br />

of safety and efficiency. Besides, the<br />

Figure 7: Functioning<br />

of an automatically<br />

switched phase<br />

separation section.<br />

a) normal condition,<br />

vacuum switch<br />

open,<br />

b) vacuum switch<br />

closed after<br />

pantograph has<br />

passed,<br />

c) neutral section<br />

is fed,<br />

d) vacuum switch is<br />

open again, train<br />

can cruise without<br />

arcing<br />

necessary minimal maintenance and the high strength<br />

materials make this device representing an optimal solution.<br />

It implies a considerable reduction of Life Cycle<br />

Costs (LCC) with regard to the traditional solutions.<br />

3.2.2 Elementary changeover section<br />

In order to enable traversing of sectioning posts for phases<br />

separation without switching-off the engine circuit<br />

breakers, SNCF and ALSTOM Transport SA developed<br />

together an Elementary Changeover Section (ECS) device,<br />

partly on behalf of Réseau Ferré de France (RFF), with<br />

Figure 8: Elementary changeover section (ECS) layout.<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

201


International Projects – acrps 2011<br />

Figure 9: Overhead contact line section insulator, current transformer<br />

and vacuum high-speed circuit breaker.<br />

respect to a global partnership protocol. There are many<br />

interests in such a project:<br />

• to improve the trains dynamic efficiency of several<br />

minutes on conventional and high-speed lines even for<br />

traffic grid at three minutes apart<br />

• to respect the theoretical grids of traffic on railway<br />

lines with heavy traffic: Example: Line C of Regional<br />

Express, Underground, EOLE<br />

• to make automatic sectioning posts transparent from a<br />

rolling stock point of view<br />

• to develop an innovative system which has an impact<br />

on the regularity of traffic<br />

• to develop a device that doesn’t imply any modification<br />

on the engines and that has no side effects on the<br />

infrastructure<br />

• to enable the installation of the ECS at station exit, or<br />

at any stop downstream or on a steep slope<br />

Figure 10: Dynamic testing of ECS.<br />

The initial idea of this project was to realize an elementary<br />

section which can be fed automatically by one source<br />

to the other according to the direction of traffic of rolling<br />

stock, through a pair of high speed vacuum circuit breakers<br />

(see Figure 8).<br />

The principle is the following:<br />

• when there is no train downstream the elementary section,<br />

the circuit breakers are open<br />

• when the train passes through the incoming beacon B,<br />

the circuit breaker A switches-on<br />

• when the first pantograph of the train enters the elementary<br />

section, the first current transformer in series<br />

detects it and the circuit breaker A remains closed<br />

during a specified period. At the end of the specified<br />

period, the circuit-breaker A opens again<br />

• as soon as the circuit-breaker A is open and no current<br />

is measured in the elementary section, the circuit breaker<br />

B switches on<br />

• when the train passed through the exit beacon, the<br />

sequence is then reset<br />

The beginning of the project was devoted to a benchmark<br />

and the definition of technical principles. The analysis<br />

has led to plan tests to clarify and confirm some conclusions.<br />

Working in tight links with ALSTOM Transport SA enables to<br />

get a good understanding of phenomena likely to occur on<br />

the engines during the tests and to eventually find solutions.<br />

The aim of these tests was double. On the one hand,<br />

their aim was to identify and analyse the real behaviour<br />

of the power electronics equipment on board the engine<br />

at the time of fast variations of voltage or phase<br />

created by the commutation of the switchgears. On<br />

the other hand, it was necessary to validate the different<br />

possibilities of current picking-up and information<br />

transmissions required for the ground equipment to<br />

work properly.<br />

During the first stage, five years ago, static tests have<br />

been performed in the SNCF Laboratory of Vitry. Phase<br />

displacements from 10 ° to 160 ° were simulated on BB<br />

27 000 engines in simple unit and<br />

multiple unit configurations. The<br />

analysis of the results permitted to<br />

conclude positively with regard to<br />

the behaviour of this type of traction<br />

unit using Pulse With Modulation<br />

(PWM).<br />

During the second stage, dynamic<br />

tests were performed on site in Ribécourt<br />

where an elementary changeover<br />

section layout with vacuum circuit<br />

breakers had been installed (see<br />

Figure 9 and Figure 10). The tests<br />

lasted three years. Each type of traction<br />

unit was tested: PWM, mixed<br />

bridge connection, diode bridge<br />

connection, complete bridge connection.<br />

This solution is then totally<br />

transparent with regard to rolling<br />

stocks architecture. All the tests were<br />

202 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – International Projects<br />

Table 2: Criteria for the characterization of solutions.<br />

Operation mode<br />

for the engine<br />

driver<br />

Impact<br />

Costs<br />

TVM 300 based TVM 430 based ESD<br />

Solution of protection<br />

Automaticially<br />

switched with VCB<br />

Backup loop included included included included included<br />

Fully transparent<br />

not<br />

included<br />

included<br />

not<br />

included<br />

not<br />

included<br />

ECS<br />

included<br />

with no traction power<br />

interruption<br />

Infrastructure <br />

Rolling stock <br />

<br />

initial investment<br />

<br />

initial investment<br />

Feasibility of technology mastered mastered mastered<br />

<br />

<br />

2 years experience<br />

return<br />

<br />

(LCC)<br />

5 years experience<br />

return but alternative<br />

technology possible to<br />

reduce LCC<br />

performed in one direction of traffic, at various speeds, in<br />

simple unit and double unit configurations.<br />

These first stages revealed that there was no constraint<br />

in the electrotechnical point of view, the system worked<br />

fine and reliable. The development was thought to impact<br />

neither the engines nor the power supply infrastructure.<br />

However, as the circuit breakers have to work for each passing<br />

train, it is important to point out that a very close maintenance<br />

is needed, all the more on lines with heavy traffic.<br />

Thus, this equipment would have to be changed after a<br />

few years, or even a few months on lines with heavy traffic.<br />

The overall cost of the system is clearly to be considered<br />

on a life cycle cost approach rather than only on an investment<br />

approach. Currently SNCF is investigating an alternative<br />

type of switch which would enable to lower these<br />

constraints on maintenance while maintaining regularity<br />

and preventing accelerated ageing. The lifetime expected<br />

for this new device should be 30 years.<br />

4 Conclusion<br />

This article presents the state of the art of design of phase<br />

separation sections used or in way of use to improve<br />

the reliability and the availability of the French Railway<br />

Network. Many solutions exist nowadays in the French<br />

Railway Network. Every new solution needs to be validated<br />

considering electrical and mechanical characteristics,<br />

pantograph – contact line dynamic behaviour, standards<br />

and TSI conformity. In this paper a functional level is emphasized<br />

without getting into technical details. Table 2<br />

provides a global synthesis of the presentation. Among<br />

the solutions displayed, those whose cost is important,<br />

being LCC or initial investment, would ensure the best<br />

compromise between reliability and regularity. Obviously<br />

these questions of optimization need to be solved at the<br />

level of the French Railway Infrastructure Manager (RFF).<br />

Acknowledgements<br />

The authors would like to thank the following colleagues<br />

for their collaboration:<br />

• Lionel Cadio, Hervé Caron, Jean Chabas, Gérard Josse<br />

and Alexandre Mendeiros from SNCF Infra Engineering,<br />

• Christian Laurencin, Frédéric Bruder and Didier Frugier<br />

from SNCF Rolling Stock Engineering Centre,<br />

• Daniel Binzegger and Karl Kofmel from Arthur Flury<br />

AG Company,<br />

• Marc D<strong>eb</strong>ruyne and Daniel Cornic from ALSTOM Transport<br />

SA.<br />

Dipl.-Ing. Arnaud Bastian (28), Engineer graduate<br />

Master’s Degree from ENSIEG of INPG (National<br />

Polytechnic Institute of Grenoble) in Power Transmission<br />

and Distribution of Electricity. Since 2006,<br />

Traction Power Engineer in the Power Supply Division<br />

within SNCF Fixed Installations for Electric<br />

Traction Department.<br />

Address: SNCF, Direction de l’Ingénierie,<br />

Département des Installations Fixes de Traction<br />

Electrique, 6 Avenue François Mitterrand, 93574<br />

La Plaine Saint Denis, France;<br />

phone +33 1 4162-0688, fax: -4891;<br />

e-mail: arnaud.bastian@sncf.fr<br />

Dipl.-Ing. Christian Courtois (52), studied electrical<br />

engineering at Ecole Spéciale de Mécanique et<br />

d’Electricité in Paris. Since 1984 in Power Supply<br />

Division of SNCF. Since 2011, head of the SNCF Fixed<br />

Installations for Electric Traction Department.<br />

Address: SNCF, Direction de l’Ingénierie,<br />

Département des Installations Fixes de Traction<br />

Electrique, 6 Avenue François Mitterrand, 93574<br />

La Plaine Saint Denis, France;<br />

phone +33 1 4162-0659, fax: -4893;<br />

e-mail: christian.courtois@sncf.fr<br />

Dr. Alexandre Machet (36), Materials and metallurgy<br />

PhD, Pierre et Marie Curie University of Paris<br />

(Paris VI). Since 2006, R&D Engineer in charge of<br />

technical developments in Overhead Contact<br />

Line components and systems in the OCL design<br />

office within SNCF Fixed Installation for Electrical<br />

Traction Department.<br />

Address: SNCF, Direction de l’Ingénierie,<br />

Département des Installations Fixes de Traction<br />

Electrique, 6 Avenue François Mitterrand, 93574<br />

La Plaine Saint Denis, France;<br />

phone +33 1 4162-0578, fax: -4895;<br />

e-mail: alexandre.machet@sncf.fr<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

203


International Projects – acrps 2011<br />

AC 25 kV traction power supply for<br />

Airport Rail Link Bangkok<br />

Detlef Pfeffermann, Erlangen<br />

In order to cope with the rapidly increasing number of passengers, the government of Thailand<br />

erected a new airport hub for South-East Asia. This new Suvarnabhumi Airport is situated approximately<br />

30 km east from the centre of Bangkok. The Airport Rail Link Bangkok (ARL Bangkok)<br />

connects the airport with downtown Bangkok. By the new express service it takes only<br />

fifteen minutes to the City Air Terminal. The railway line is electrified with 1 AC 25 kV power<br />

supply and overhead contact lines.<br />

AC-25-kV-Stromversorgung für die neue Bahnstrecke zum Flughafen Bangkok<br />

Um den sprunghaft steigenden Passagierzahlen gerecht zu werden, errichtete die thailändische<br />

Regierung den Flughafen Suvarnabhumi 30 km östlich vom Stadtzentrum als Flughafendrehkreuz<br />

für den südöstlichen asiatischen Raum. Die Bahn Airport Rail Link Bangkok (ARL Bangkok)<br />

verbindet den Flughafen mit dem Stadtzentrum in nur fünfzehn Minuten Fahrzeit. Die Bahnlinie<br />

wird mit 1 AC 25 kV über Oberleitungen gespeist.<br />

Alimentation de la traction en 25 kV pour la ligne de l’aéroport de Bangkok<br />

Dans le but de répondre à une croissance toujours plus forte du nombre de voyageurs, le gouvernement<br />

thaïlandais a construit un nouvel aéroport hub pour le sud est asiatique. Ce nouvel<br />

aéroport nommé Suvarnabhumi est localisé approximativement à 30 km à l’est du centre<br />

de Bangkok. La liaison rail aéroport de Bangkok (ARL Bangkok) relie l’aéroport avec le centre<br />

ville en seulement quinze minutes. La ligne est électrifiée en 25 kV simple par caténaire<br />

1 Project environment<br />

1.1 Rail transport systems<br />

in Bangkok<br />

Figure 1: Mass transit systems in operation in Bangkok (2010).<br />

The mass transit systems now in<br />

operation in Bangkok are shown<br />

in Figure 1. Details of the Airport<br />

Rail Link are given in Figure 2.<br />

The Suvarnabhumi Airport Express<br />

connects the airport nonstop with<br />

the City Airport Terminal Makkasan<br />

in just fifteen minutes. On<br />

the same tracks the Suvarnabhumi<br />

Airport City Line serves as a mass<br />

transit system with eight passenger<br />

stations. Some are transfer<br />

stations to the already existing<br />

mass transit systems in Bangkok.<br />

At Makkasan station passengers<br />

are able to change to the subway<br />

MRTA (Mass Rapid Transit Authority<br />

of Thailand) and at Phaya Thai<br />

station they can change to the skytrain<br />

Bangkok Mass Transit System<br />

(BTS) [1; 2]).<br />

204 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – International Projects<br />

1.2 History<br />

The airport link contract was signed<br />

in January 2005 and construction began<br />

in July 2005. The line was built<br />

by a consortium of B. Grimm, STE-<br />

CON and Siemens AG and is owned<br />

and operated by the State Railway<br />

of Thailand (SRT). The line runs on<br />

a viaduct along the same alignment<br />

as the failed Bangkok Elevated Road<br />

and Train System (BERTS) project,<br />

stopped in 1997 during the Asian financial crisis.<br />

While originally scheduled to be completed by 2006, an<br />

extended bidding process and a series of legal challenges<br />

by property owners who had encroached on SRT’s land,<br />

repeatedly delayed the project. Initial test runs were conducted<br />

in October 2009, with a free limited trial service<br />

open to the public running from April 2010 and full commercial<br />

service launched on August 23, 2010.<br />

1.3 Turnkey project and scope of supply<br />

Figure 2: Schematic track layout of the Airport Rail Link.<br />

The B. Grimm Group with its long lasting good relationships<br />

within Thai economy took over the consortium lead<br />

mainly responsible for project management and financial<br />

services. The complete E&M-part of the project was under<br />

Siemens responsibility, wher<strong>eb</strong>y Siemens Ltd. Thailand<br />

worked closely together with Siemens AG in Germany.<br />

For the complete civil work part Sino Thai Engineering<br />

and Construction Public Company Ltd. (STECON) were<br />

responsible. In order to consult SRT in technical aspects<br />

Construction Supervision Consultant (CSC), consisting of<br />

seven different companies, was in charge.<br />

Within the Airport Rail Link project Siemens AG was the<br />

leader of the E&M-Consortium. The project scope covered<br />

the railway electrification consisting of traction power<br />

supply and overhead contact line system including the<br />

three-phase power supply for the eight passenger stations.<br />

Uninterrupted power supply equipment and Diesel<br />

generators were supplied to serve as backup power<br />

supply in case of failures. Moreover, the Siemens contract<br />

included the trains, signalling- and telecommunication<br />

systems, the SCADA system, automatic fare collection,<br />

track work, depot- and maintenance equipment, baggage<br />

and check-in systems and platform screen doors.<br />

1.4 Operation schedule<br />

Prior to the detailed engineering stage of the project, the<br />

operation schedule, which was a part of the scope, was<br />

calculated based on the contractual requirements.<br />

The requirements were to link the Airport Terminal<br />

with the City Air Terminal by an express service in less than<br />

fifteen minutes with a fifteen minute interval and with an<br />

operation period from 05:00 a.m. to 01:00 a.m. The City<br />

Line service should be a mass transit route with stops at<br />

all eight stations and with transfer stations at Makkasan<br />

to MRTA and at Phaya Thai to BTS with a journey time less<br />

than 30 minutes, also run at fifteen minute peak intervals,<br />

but operated 24 hours.<br />

1.6 Line configuration<br />

According to Figure 2, the line consists of two tracks<br />

start ing at kilometric point 0.0 near Phaya Thai and<br />

ending in the tunnel under the Suvarnabhumi Airport<br />

at kilometric point 28.8. The terminal stations of the<br />

express trains in Makkasan (Figure 3) and Suvarnabhumi<br />

as well as at Hua Mak have two siding tracks each. The<br />

route is mainly elevated (Figure 4). At Phaya Thai the<br />

viaduct crosses even over BTS-Phaya Thai station at a<br />

height of approximately 20 m. Approaching the airport,<br />

the route goes down at grade for 900 m and finally ends<br />

in a 900 m long tunnel section under the airport building.<br />

Due to the fact, that almost all tracks of the system<br />

were electrified, the length of the electrified tracks is<br />

66 km. Only some tracks in the maintenance buildings<br />

are not electrified.<br />

1.5 Project organisation<br />

Owner and operator of the complete system is the State<br />

Railway of Thailand (SRT), which is the governmental<br />

own ed Thai railway company.<br />

Figure 3: Entrance to Makkasan Station.<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

205


International Projects – acrps 2011<br />

2 Railway electrification design<br />

2.1 System overview<br />

Siemens AG as the consortium leader of the E&M-part<br />

of the project was responsible for the system design of<br />

the project including internal and external interfaces.<br />

The coupling point to the local Power Supply Authority<br />

was determined to be at Bangkapi, approximately at kilometric<br />

point 8 (Figure 5). The power supply is provided<br />

from diverse grid sources of the Metropolitan Electricity<br />

Authority (MEA) to ensure an availability of 99, 98 %. The<br />

traction substation includes two traction transformers,<br />

each capable of supporting the full load. Traction power<br />

is provided to the trains as single phase AC 25 kV 50 Hz<br />

via the Overhead Contact Line (OCL). A 24 kV three-phase<br />

electric power supply is provided by MEA from local substations<br />

to each above ground station and in the depot,<br />

located approximately at kilometric point 6.<br />

2.2 System design<br />

Figure 4: Contact line of a viaduct section.<br />

Figure 5: Schematic traction power supply.<br />

A prerequisite of the correct rating of the Traction Power<br />

Supply (TPS) was the simulation of the operation and<br />

calculating the capacities, ratings and numbers of the<br />

TPS equipment with Sitras ® Sidytrac of Siemens Complete<br />

Transportation in Erlangen. The main components were<br />

sized to operate the ARL system under normal and congested<br />

situations for the forecast ridership in the year 2022.<br />

The traction substation is designed completely redundant.<br />

The full operation is ensured also in case of an outage of<br />

one MEA AC feeding point.<br />

As a result of the different studies it was determined,<br />

that the complete route could be supplied with one 25 kV<br />

traction substation only. This substation is equipped with<br />

two power transformers and is fed by two incoming<br />

feeders from two independent sources of the 69 kV MEA<br />

grid. The two single-phase power transformers 69/25 kV<br />

in the substation are connected to different phases of the<br />

three-phase network. Moreover, it was verified that the<br />

minimum contact line voltage is clearly beyond 19 kV, as<br />

required in IEC 60850.<br />

Besides of this traction power study different other<br />

studies were conducted:<br />

• Harmonic study at point of common coupling: individual<br />

harmonic voltages as well as the total harmonic<br />

voltage distortion are below the specified<br />

limits of engineering recommendation<br />

G 5/4.<br />

• Relay coordination study: Results<br />

of calculation of the different cases<br />

were compared and integrated<br />

to the relay setting parameters.<br />

• Voltage fluctuations (flicker) at<br />

point of common coupling: Values<br />

are well within the range given by<br />

IEC 61000-4-15.<br />

• Three-phase unbalance: Calculations<br />

showed that the permissible<br />

voltage unbalance admitted by<br />

MEA will be complied with under<br />

all conditions.<br />

Moreover, the dynamic interaction<br />

between the pantographs and the<br />

206 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – International Projects<br />

OCL was simulated by means the program Sicat ® Dynamic [3].<br />

The simulation confirmed that no stitch wires are necessary.<br />

3 Traction power supply system<br />

The traction power supply system was designed in order<br />

to be supplied by MEA at the 69 kV level, and to convert<br />

the power supply to the single-phase 25 kV voltage used<br />

for the electric traction of the trains. The power supply<br />

extends between the point of coupling with the MEA<br />

network to the feeding point of the OCL disconnector at<br />

the OCL pole and the point of connection of the traction<br />

return current cables at the running rails in the vicinity of<br />

the OCL feeding points.<br />

Coordination meetings with MEA were held. Based on<br />

the MEA’s recommendation, the TPS system is designed to<br />

rely on one primary source, with one back-up source as<br />

follows: During normal operation, one incoming MEA line<br />

supplies power to both transformers in the substation. In<br />

case of outage of this MEA line, the supply of the transformers<br />

is automatically changed over to the other stand-by<br />

69 kV transmission line.<br />

In case of outage of one of the two transformers or<br />

one of the circuit breakers on the transformers’ primary<br />

and secondary sides, the remaining transformer feeds all<br />

sections in parallel. Each transformer is sized to take the<br />

full traction load of the system. Thus, the failure of one of<br />

the two transformers does not affect the normal railway<br />

operations, not even during peak hours. The technical<br />

feasibility of the traction power supply for the railway<br />

with 1 AC 25 kV 50 Hz had been investigated by means of<br />

an electrical network analysis with train operation simulation<br />

with Sitras ® Sidytrac.<br />

Using a time step procedure, Sitras ® Sidytrac determines<br />

the speed profile of the trains. In each time step, all voltages<br />

and currents in the network are calculated. By means<br />

of this calculation procedure, the speed profile and the<br />

power intake of the trains are determined, taking into<br />

account all effects from and on the traction network. TPS<br />

equipment is designed to satisfy the power demand until<br />

the year 2022 as requested by the contract. The substation<br />

is placed underneath the viaduct (Figure 6).<br />

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<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

207


International Projects – acrps 2011<br />

Figure 6: Traction<br />

power substation<br />

underneath the<br />

viaduct.<br />

Table 1: System characteristics of the<br />

OCL system.<br />

Nominal contact wire height<br />

4,90 m<br />

System height<br />

1,60 m<br />

Maximum span<br />

67 m<br />

Maximum tensioning length<br />

1,500 m<br />

Stagger<br />

± 0,35 m<br />

4 Overhead contact line<br />

4.1 System engineering and simulations<br />

4.1.1 Current carrying capacity of the OCL<br />

The OCL system within the project scope is first Thailand.<br />

Figure 4 shows the line running on a viaduct section. According<br />

to the performed electrical calculations the current<br />

carrying capacity of the OCL fulfils the criteria to supply<br />

the trains with the required currents for the scenarios with<br />

respect of line service of SA City Line and SA Express Line,<br />

headways and train configurations. The requirements are<br />

given for normal operation, outage of one traction transformer<br />

and maximum speed of 160 km/h. Moreover, the<br />

OCL is capable of carrying the short circuit currents.<br />

The ambient conditions and the permissible maximum<br />

temperature of the conductors determine the long-term<br />

electrical load during continuous operation, assuming a wind<br />

velocity of not less than 1 m/s. Wear and tear has to be expected<br />

during operation thus reducing the cross-section available<br />

for conducting of the current. A reduction in cross-section of<br />

20 % was assumed when determining the long-term electrical<br />

capacity. The OCL is capable for 650 A under continuous operation.<br />

The voltage of the OCL-System will fulfil the requirements<br />

stipulated in IEC 60850 and EN 50163 standards.<br />

4.1.2 Dynamic mechanical simulation<br />

A detailed simulation of the OCL/pantograph interface<br />

was undertaken by the contractor to determine the OCL<br />

wire sizes and tensions using Sicat ® Dynamic. As a result of<br />

this simulation the following configuration showed excellent<br />

dynamic properties and suits to the requirements for<br />

this application:<br />

• Contact wire Cu AC-107 according to EN 50149<br />

• Messenger wire 70 mm 2 bronze 0,5<br />

• Droppers 10 mm 2 bronze 0,5<br />

It was verified, that the use of an additional supporting<br />

wire at the cantilevers, a stitch wire, is not necessary.<br />

Stitch wires are used e. g. at German Railway’s Re 160 OCL<br />

for the same speed requirements. Contact wire and messenger<br />

wire are auto-tensioned.<br />

4.1.3 System character istics<br />

As a result of the above mentioned simulations and calculations<br />

and in accordance with various reference systems<br />

already in operation the main system characteristics of the<br />

OCL were determined as shown in Table 1. The minimum<br />

dropper length at the mid-span normally amounts to<br />

500 mm. The maximum permissible contact wire sag of the<br />

single trolley wire in the depot area amounts to 150 mm.<br />

4.2 OCL types<br />

The equipment for each track was designed to be mechanically<br />

independent from that of the parallel track such<br />

that trains may continue to run on one track even though<br />

the OCL system is switched off or damaged on the other<br />

track. Hence, the poles were generally placed at both<br />

outer sides of the viaduct. In general, the poles consist of<br />

steel H-beams and cantilevers made of Aluminium and<br />

insulators made of Silicone. The contact line consists of a<br />

contact wire Cu AC-107 and a messenger wire bronze 0,5<br />

70 mm 2 . Additionally, a return conductor per track is installed<br />

along the total line. Figure 7 shows a typical cross<br />

section of the OCL on the viaduct.<br />

In the Klongton depot area a trolley-type OCL was installed.<br />

This system is suitable for the maximum allowed<br />

speed of 25 km/h. It is designed without a messenger wire<br />

and a return conductor. However, the test track within<br />

the depot area was equipped with the OCL of the main<br />

line due to the required maximum train speed of up to<br />

80 km/h. Ramps connecting the viaduct with the at-grade<br />

depot area are shown in Figure 8. A section insulator<br />

within the depot is shown in Figure 9. Due to consideration<br />

of future extensions, the OCL was tensioned with<br />

standard tensioning equipment located at the outer side<br />

of the viaduct respectively at the tunnel wall.<br />

208 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – International Projects<br />

4.3 Supply and control of<br />

the OCL network<br />

4.3.1 Feeding<br />

The overhead contact line is fed by<br />

the circuit breakers located in the<br />

traction substation. It is subdivided<br />

into a west and an east section separated<br />

by the neutral zone. The total<br />

network is subdivided into electrical<br />

sections for maintenance purposes.<br />

4.3.2 Sectioning<br />

The electrical sectioning is arranged<br />

such that the overhead contact line<br />

can be isolated on any track, leaving<br />

an adjacent track energized and in<br />

full operation. Additionally, longitudinal<br />

sectioning at the main line<br />

allows selectively de-energized line<br />

sections. The longitudinal isolation is<br />

achieved either by section insulators<br />

or by insulated overlaps.<br />

Section insulators in the overhead<br />

contact line were strategically placed<br />

in side tracks, e. g. at crossovers<br />

to ensure a selective de-energization of the sectioning<br />

groups, i. e. permitting single line operation in the event<br />

of a fault on one of the overhead contact line sections.<br />

The special design of these section insulators minimizes<br />

the dynamic impact on the pantograph-contact line interaction.<br />

The section insulators were used at locations<br />

where the restricted space available prevents the use of<br />

insulated overlaps.<br />

In comparison to section insulators the insulating overlaps<br />

in the OCL are designed to provide a smooth transition<br />

between tensioning sections and are optimized in<br />

respect of the current collection criteria. The proposed<br />

Figure 7: Cross section of the overhead contact line on a standard viaduct segment.<br />

1 messenger wire, 2 contact wire, 3 return conductor, 4 stagger, 5 system height, 6 contact<br />

wire height, 7 track center line, 8 distance between center line and face of pole, 9 distance<br />

between cantilever brackets<br />

overlaps guarantee a smooth transition between the adjacent<br />

line sections obeying the specifications for contact<br />

forces as proven in similar applications.<br />

By the cross connections of the OCLs of both mainline<br />

tracks the current distribution is improved and selectivity<br />

is achieved, e. g. for maintenance activities.<br />

4.3.3 Neutral zone<br />

The two feeding sections of the traction power substation<br />

in the area of kilometric point 8.0 are fed from different<br />

Figure 8: Ramps connecting the viaduct with the depot area.<br />

Figure 9: Section insulator in the depot area.<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

209


International Projects – acrps 2011<br />

phases of the MEA three-phase public network. Therefore,<br />

they are operated with different phase angles and had<br />

to be electrically separated from each other under all operational<br />

conditions including passing of trains and under<br />

fault conditions by a neutral zone near kilometric point<br />

9.340. The location was chosen considering rolling stock<br />

requirements regarding acceleration and deceleration. In<br />

case of transformer or cable outages, bridging of the neutral<br />

zone is possible for feeding both sections from one<br />

substation transformer. Figure 5 shows the power supply<br />

system schematically.<br />

The neutral zone is being passed by trains with main<br />

circuit breaker off and pantograph up at operation speed<br />

of the line. This operation philosophy reduces maintenance<br />

requirements to a minimum and forms a considerable<br />

contribution for a reliable operation. Malfunction,<br />

e. g. by passing with main circuit breaker on, will not lead<br />

to damage the equipment.<br />

The two feeding sections besides the neutral zone<br />

are separated by an intermediate contact line section of<br />

about 10 m in length. Separation is achieved by pairs of<br />

section insulators Sicat 8WL5545-4D. The intermediate<br />

section is earthed. This installation is called shortened<br />

neutral section.<br />

When a train stops within the neutral zone one of the<br />

switches of one track can be activated, depending on<br />

running direction and position of the stopped train. The<br />

OCL design ensures that energizing of this section can be<br />

carried out for running in normal or opposite direction.<br />

An interlocking mechanism avoids activation of both switches<br />

at one track at the same time.<br />

4.3.4 SCADA interface<br />

Remote control for the OCL disconnectors from and to<br />

the Airport Rail Link Operation Control Centre is provided<br />

via SCADA. As a part of the E&M system it was carried out<br />

under the responsibility of Siemens. All disconnectors for<br />

OCL operation are remote controlled except those feeding<br />

the tracks equipped with a movable conductor rail in<br />

the workshop area. They are operated manually only for<br />

safety reasons.<br />

5 Auxiliary power supply<br />

Beside the traction power and OCL supply the railway<br />

electrification contract covered the auxiliary power supply<br />

for the passenger stations as well as for the depot.<br />

Each at-grade station and the depot receive a 24 kV threephase<br />

connection from MEA via cables or overhead lines. The<br />

Suvarnabhumi station is fed by two power circuits from the<br />

independent New Bangkok International Airport Authority<br />

(NBIA) at 24 kV. The 24 kV medium voltage is transformed to<br />

three-phase 400 V to provide power for essential systems, e.<br />

g. train control, security systems, emergency lighting and nonessential<br />

loads e. g. elevators, depot workshop equipment,<br />

baggage handling system, under normal operation conditions.<br />

Equipment for safety-functions and essential operation<br />

is additionally supported by an Uninterruptible Power Supply<br />

(UPS), which is equipped with a battery support for four hours<br />

operation at full load such that any loss of normal power will<br />

be covered. To supply long-lasting interruptions of normal power,<br />

Diesel generator sets are installed to back-up operation<br />

on the essential equipment. They start automatically and take<br />

over the full load within 30 seconds. The largest generator at<br />

Makkasan station has a rated power of 1 200 kW.<br />

References<br />

[1] Weitlaner, E.; Schneider, E.: Bahnstromversorgung für die<br />

Stadtbahn BTS Bangkok. In: Glasers Annalen, 123 (1999)<br />

Vol. 6, pp. 253–260.<br />

[2] Weitlaner, E.: Bahnstromversorgung für das Bangkok Mass Transit<br />

System. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong>, 97 (1999) Vol. 6, pp. 187–194.<br />

[3] Reichmann, T.: Simulation des Systems Oberleitungskettenwerk<br />

und Stromabnehmer mit der Finite-Elemente-Methode.<br />

In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 103 (2005), Vol. 1-2, pp. 69–75.<br />

Dipl.-Ing. Detlef Pfeffermann (46), studies of<br />

electrical engineering at Friedrich-Alexander<br />

Universität Erlangen; at Siemens AG in the area of<br />

railway electrification since 1994, Project manager<br />

for various railway electrification projects<br />

worldwide; Senior Project Manager IPMA.<br />

Address: Siemens AG, IMO CT EL S-2,<br />

Mozartstr. 33b, 91052, Erlangen, Germany;<br />

phone: +49 9131 7-25979, fax: 828-25979;<br />

e-mail: detlef.pfeffermann@siemens.com<br />

210 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – Oberleitungsanlagen<br />

Oberleitungen und Stromabnehmer –<br />

Entwicklungen bei der Deutschen Bahn<br />

Werner Krötz, Uwe Resch, Frankfurt<br />

Oberleitungen und Stromabnehmer bei der DB werden seit vielen Jahrzehnten in Zusammenarbeit<br />

mit der Industrie kontinuierlich weiterentwickelt und so an betri<strong>eb</strong>liche Anforderungen<br />

und gesetzliche Rahmenbedingungen angepasst. Für Mehrsystemfahrzeuge im DC-Betri<strong>eb</strong> mit<br />

den Niederlanden wurden Schleifstücke für Betri<strong>eb</strong> bei Raureif neu gestaltet. Die Zuverlässigkeit<br />

und Montagefreundlichkeit der Armaturen für Rohrschwenkausleger wurden verbessert.<br />

Die TSI-Zertifizierung einer seit 40 Jahren verwendeten seitenhalterlosen Oberleitung wurde<br />

vorbereitet. Zur Lokalisierung von Kurzschlüssen im Oberleitungsnetz wurde eine alternative<br />

Lösung mit Komponenten aus der 50-Hz-Energieversorgung entwickelt.<br />

Development of overhead contact lines and pantograph components at Deutsche Bahn<br />

For many decades overhead contact lines and pantographs have been steadily developed and<br />

adjusted to the needs of operation and legal provisions by DB Engineering in cooperation with<br />

the industry. For multi-system vehicles operated at DC to the Netherlands contact strips were<br />

designed which are suited to operation with ice accretion at the contact wire. The reliability<br />

and installation friendliness of fittings for cantilevers were improved. The TSI certification of a<br />

contact line design without steady arms which has been utilized for forty years was initiated. To<br />

localize short circuits in overhead contact lines an alternative procedure adopting components<br />

from 50 Hz engineering was developed.<br />

Développements techniques aux caténaires et aux composants de pantographes à la Deutsche Bahn<br />

Depuis des dizaines d’années, la DB développe de manière continue ses caténaires et ses pantographes<br />

en collaboration avec l’industrie, afin de les adapter aux exigences de l’exploitation<br />

et aux dispositions légales. Pour les véhicules polycourants qui sont exploités en courant DC sur<br />

les relations avec les Pays-Bas, des frotteurs ont été développés pour fonctionner sur des caténaires<br />

givrés. La fiabilité et la facilité de montage des raccords des consoles articulées ont été<br />

améliorées. La certification TSI d’une caténaire sans bras de rappel utilisée depuis 40 ans a été<br />

préparée. Une solution alternative avec des composants de l’alimentation en 50 Hz a été mise<br />

au point pour localiser les courts-circuits sur le réseau caténaires.<br />

1 Einführung<br />

Oberleitungen und Stromabnehmer bei der Deutschen<br />

Bahn (DB) werden seit vielen Jahrzehnten kontinuierlich<br />

weiterentwickelt und so an betri<strong>eb</strong>liche Anforderungen<br />

und gesetzliche Rahmenbedingungen angepasst. In diesem<br />

Artikel werden aktuelle Entwicklungen der letzten<br />

Jahre anhand der Schleifstücke für den DC-Betri<strong>eb</strong>, des<br />

Ersatzes von Gewinden durch kraftschlüssige Verbindungen,<br />

einer seitenhalterlosen Oberleitung und der Kurzschlussanzeige<br />

dargestellt.<br />

2 Schleifstücke für den DC-Betri<strong>eb</strong><br />

Im ICE-Verkehr mit den Niederlanden kam es auf dem<br />

Abschnitt Arnheim – Emmerich in den letzten Jahren<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

während der Wintermonate durch Raureif immer wieder<br />

zu erh<strong>eb</strong>lichen Schäden an den DC-Schleifstücken der<br />

Stromabnehmer. Die Folge war auf diesem Abschnitt bei<br />

diesen Bedingungen eine nicht akzeptable Häufung von<br />

Zugausfällen, so 26 Tri<strong>eb</strong>züge im Winter 2008/2009. Liegen<br />

g<strong>eb</strong>li<strong>eb</strong>ene Züge mussten auf der Strecke evakuiert<br />

und abgeschleppt werden.<br />

Ursache der Raureifbildung ist die durch die zahlreichen<br />

Gewässer in diesem G<strong>eb</strong>iet bedingte hohe Luftfeuchtigkeit,<br />

die bei Temperaturen um den Gefrierpunkt<br />

und insbesondere bei wenig Betri<strong>eb</strong> zu starkem Raureif<br />

an den Oberleitungsanlagen führt. Verstärkt wird dieser<br />

Effekt dadurch, dass auf diesem Streckenabschnitt nur der<br />

ICE3 elektrisch verkehrt. Die Folge wiederum ist starke<br />

Lichtbogenbildung zwischen Schleifstück und Oberleitung,<br />

die aerodynamisch bedingt vorzugsweise an der<br />

ablaufenden Seite des nachlaufenden Schleifstücks auftritt.<br />

Dabei entstehen im Schleifstück – beschleunigt durch<br />

211


Oberleitungsanlagen – acrps 2011<br />

Bild 1: Schnitt durch<br />

ein zerstörtes Schleifstück<br />

(Foto: Hoffmann<br />

Elektrokohle).<br />

die hohen Ströme im DC-Betri<strong>eb</strong> – Temperaturen über<br />

2 000 °C (Bild 1). Dadurch löst sich die Kl<strong>eb</strong>ung zwischen<br />

der Schleifleiste aus Hartkohle und dem Trägerstück des<br />

Strom abnehmers, das Schleifstück bricht und der Träger<br />

aus Aluminium schmilz laut Hersteller im Intervall zwischen<br />

620 und 650 °C. In Bild 2 ist das Erg<strong>eb</strong>nis zu sehen.<br />

Die ablaufseitige äußere Trägerkammer ist geschmolzen<br />

und vom Kl<strong>eb</strong>er finden sich ablaufseitig nur noch verbrannte<br />

Reste. Die galvanische Kupferschicht ist einerseits<br />

teilweise mit dem Aluminiumträger verschmolzen und<br />

hat sich andrerseits teilweise vom Kohlematerial gelöst.<br />

Die Abdichtung des Sensorkanals im Schleifstück, der Teil<br />

der automatischen Senkeinrichtung AS aller Stromabnehmer<br />

des ICE3 ist, ist damit zerstört und es tritt Luft aus.<br />

Dadurch senkt sich der Stromabnehmer, um Schäden an<br />

der Oberleitung zu vermeiden, und der Stromabnehmer<br />

ist nicht mehr funktionstüchtig.<br />

Wegen der Vielzahl der Zugausfälle wurde DB Systemtechnik<br />

von DB Fernverkehr beauftragt, hier eine Lösung zu<br />

entwickeln. In enger Abstimmung mit der Niederländischen<br />

Bahn und dem Schleifstückhersteller wurden verschiedene<br />

Lösungsvarianten untersucht und bewertet. Wegen der<br />

Bild 2: Durch Lichtbögen zerstörtes Schleifstück nach der Öffnung<br />

beim Hersteller (Foto: Hoffmann Elektrokohle).<br />

Bild 3: Vergleich bisherige (links) und neue Ausführung (rechts).<br />

1 Hartkohle, 2 Aluminiumträger, 3 Beplankung aus rostfreiem Stahl<br />

deutlich höheren Ströme und der generell erh<strong>eb</strong>lich geringeren<br />

Laufleistungen von Schleifstücken im DC-Betri<strong>eb</strong> waren<br />

hierbei gänzlich andere Randbedingungen verglichen<br />

mit Raureifproblemen im Wechselstrombetri<strong>eb</strong> zu betrachten.<br />

Hinzu kam die Vorgabe der Niederländischen Bahn,<br />

grundsätzlich Oberleitungen bei Raureif nicht zu beheizen,<br />

sondern eine Lösung zu suchen, die universell im gesamten<br />

DC-Netz zum Tragen kommt und keine zusätzlichen<br />

Infrastrukturmaßnahmen erfordert. Zusätzlich wurde gefordert,<br />

die TSI-Vorgaben hinsichtlich einer erforderlichen<br />

Schnellabsenkung bei Bruch des Schleifstücks einzuhalten.<br />

Außerdem bestand der Niederländische Infrastrukturbetreiber<br />

darauf, dass zusätzlich zur Kl<strong>eb</strong>ung das Schleifstück<br />

geklemmt wird, da bei Raureif die hohen Temperaturen im<br />

Schleifstück auch auf der vergleichsweise kurzen Strecke<br />

zwischen Arnheim und Emmerich in jedem Fall zur Zerstörung<br />

der Kl<strong>eb</strong>ung in der Mitte des Schleifstücks führen würden.<br />

Wegen der generell deutlich geringeren Laufleistung<br />

im DC-Betri<strong>eb</strong> wurde dies <strong>eb</strong>enso wie regelmäßige Inspektionen<br />

der Schleifstücke nach Fahrten bei Raureif in Kauf<br />

genommen. Die Modifikationen am Schleifstück sollten nur<br />

sicher stellen, dass Fahrten des ICE3 im DC-Bereich ohne<br />

Totalausfall zu Ende geführt werden konnten.<br />

Aufgrund dieser Vorgaben konzentrierten sich die<br />

Modifikationen auf ein Verstärken des Schleifstücks insbesondere<br />

zum Schutz des Aluminiumträgers und der<br />

Verbindung Schleifstück – Träger.<br />

Bild 3 zeigt die bisherige und die neue Ausführung. In<br />

Bild 4 ist in der neuen Ausführung der komplett aus der Kohle<br />

in den Aluminiumträger verlegte Luftkanal der automatischen<br />

Senkeinrichtung zu erkennen. Zusätzlich zur Kl<strong>eb</strong>ung<br />

wird das Schleifstück auf dem Träger geklemmt. Dadurch<br />

war aber die im AC-Betri<strong>eb</strong> mittlerweile erfolgreiche Ausführung,<br />

den Träger auf drei Seiten mit Kohle zu umschließen<br />

und damit Schäden durch Einwirken der Lichtbögen direkt<br />

auf den Aluminiumträger zu vermeiden, nicht mehr möglich.<br />

Deshalb wurde hier abweichend eine Beplankung des<br />

Trägers mit Blechen aus nichtrostendem Stahl, die geg<strong>eb</strong>enenfalls<br />

zusätzlich mit Aluminiumoxid als Schutz gegen die<br />

Lichtbögen beschichtet werden können, gewählt. In der Praxis<br />

zeigte sich, dass diese Stahlbleche bei den entstehenden<br />

Temperaturen und der langen Einwirkdauer im DC-Betri<strong>eb</strong><br />

durch die Lichtbögen <strong>eb</strong>enfalls zerstört werden. Durch das<br />

höhere Gewicht der DC-Schleifstücke infolge der Stahlbeplankung<br />

verschlechtert sich das dynamische Verhalten des<br />

Stromabnehmers. Wegen der vergleichsweise niedrigen Geschwindigkeiten<br />

auf den betroffenen DC-Strecken wirkt sich<br />

dies allerdings nur gering aus. Das deutlich reduzierte Ansprechverhalten<br />

der automatischen Senkeinrichtung wurde<br />

vom Niederländischen Infrastrukturbetreiber in Kauf genommen.<br />

Anders als beim bisherigen Schleifstück löst diese<br />

Ausführung der Senkeinrichtung nicht bereits bei Bruch oder<br />

Verlust der Kohle, sondern erst bei Bruch des Trägers oder<br />

Durchschleifen des Luftkanals nach Verlust der Kohle aus.<br />

Insgesamt ist diese Lösung an die Besonderheiten des<br />

DC-Betri<strong>eb</strong>s mit hohen Strömen im Lichtbogen, vergleichsweise<br />

kurzer Standzeit im Normalbetri<strong>eb</strong> und Anforderungen<br />

des Infrastrukturbetreibers angepasst. Bei Betri<strong>eb</strong><br />

unter Raureifbedingungen sind aber auch an den neuen<br />

212 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – Oberleitungsanlagen<br />

Schleifstücken die Schäden erh<strong>eb</strong>lich (Bild 5). Das Ziel,<br />

die Standzeit bei Raureif für den Verkehr auf der Strecke<br />

Arnheim – Emmerich so weit zu verlängern, dass die Züge<br />

nicht bereits bei einer Fahrt ausfallen, wurde erreicht.<br />

Bild 4: Geändertes<br />

Schleifstück für<br />

DC-Anwendungen<br />

(Foto: Hoffmann<br />

Elektrokohle).<br />

3 Anwendung von<br />

Gewindeersatzarmaturen<br />

Bei der Entwicklung der Rohrschwenkausleger aus Aluminium<br />

wurden für die Befestigung der Armaturen an<br />

den Rohren die Gewindeverbindungen der bisherigen<br />

Stahlausleger beibehalten. Bei dieser konstruktiven Ausführung<br />

wird ein Zoll-Gewinde auf ein metrisches Rohr<br />

geschnitten. Durch den erforderlichen Kerndurchmesser<br />

des Gewindes entsteht eine Schwächung des Rohres. Um<br />

diese Schwächung zu begrenzen, muss die nicht genutzte<br />

Gewindelänge minimiert werden. Bei der Herstellung<br />

muss zudem der Auslauf des Gewindes sorgfältig ausgeführt<br />

werden, da sich sonst an dieser Stelle Risse bilden<br />

können. Die Herstellung und die Montage dieser Verbindung<br />

sind dadurch zeitintensiv und aufwändig.<br />

Zur Verbesserung dieser Konstruktion kann die formschlüssige<br />

Verbindung durch eine kraftschlüssige Verbindung<br />

ersetzt werden. Die Bilder 6 und 7 zeigen verschiedene<br />

konstruktive Lösungen. Bei der Montage muss<br />

das Rohr nur auf die entsprechende Länge geschnitten<br />

werden und kann direkt an der Armatur befestigt werden.<br />

Die Herstellung des Gewindes entfällt, wodurch ein<br />

Arbeitsgang eingespart wird. Bei der Beh<strong>eb</strong>ung von Störungen<br />

ergibt sich dadurch ein kleiner Zeitgewinn.<br />

Bei der Verwendung einer kraftschlüssigen Verbindung<br />

ist zu beachten, dass die Spannkraft sich nicht verringern<br />

darf und die Verbindung sich dadurch lockert. Für die<br />

vorgestellten Lösungen wurden daher Schwingungs- und<br />

Rutschprüfungen durchgeführt. Dabei wurde geprüft, ob<br />

sich die Schraubverbindungen lockern und bei welcher<br />

Kraft das Rohr aus der Armatur heraus rutscht.<br />

Nach erfolgreicher Entwicklung wurde auf verschiedenen<br />

Strecken die Betri<strong>eb</strong>serprobung durchgeführt. Die regelmäßige<br />

Prüfung ergab keine Lockerung der Klemmverbindungen,<br />

sodass die technische Freigabe ausgesprochen<br />

wurde. Die Strecke Lauf (Pegnitz) – Hartmannsdorf wurde<br />

mit den neuen Bauteilen ausgerüstet.<br />

Bild 5: Geändertes Schleifstück nach Fahrt bei Raureif<br />

(Foto: Hoffmann Elektrokohle).<br />

Bei der Elektrifizierung der Strecke<br />

Frankfurt – Fulda wurde im<br />

Schlüchterner Tunnel eine seitenhalterlose<br />

Oberleitung errichtet.<br />

Mit dieser speziellen Konstruktion<br />

konnte im vorhandenen Tunnelprofil<br />

eine Oberleitung angeordnet werden. Der alte<br />

Schlüchterner Tunnel steht zur Sanierung an. Dazu wurde<br />

eine zweite neue Tunnelröhre errichtet. Der alte Tunnel<br />

wird im Rahmen der Sanierung in einen eingleisigen<br />

Tunnel umg<strong>eb</strong>aut.<br />

Im bisherigen Schlüchterner Tunnel war auch nach<br />

mehr als 40 Jahren Betri<strong>eb</strong> kein Fahrdrahtwechsel erforderlich.<br />

Die Stützpunkte der seitenhalterlosen Oberleitung<br />

sind einfach aufg<strong>eb</strong>aut und können direkt an der<br />

Tunneldecke befestigt werden. Es sind keine Hängesäulen<br />

erforderlich, wodurch die Anzahl der Bauteile stark<br />

reduziert wird. Durch die guten Betri<strong>eb</strong>serfahrungen und<br />

die einfache Bauweise soll im alten Tunnel wieder eine<br />

seitenhalterlose Oberleitung errichtet werden. Durch<br />

den Verzicht auf Seitenhalter kann die Oberleitung nur<br />

auf der geraden Strecke ausgeführt werden. Dieser Nachteil<br />

ist aber im geraden bisherigen Schlüchterner Tunnel<br />

nicht von Bedeutung.<br />

4 TSI-Zertifizierung<br />

der seitenhalterlosen<br />

Oberleitung<br />

Bild 6: Gewindeersatzarmatur mit Bügelschraube.<br />

Bild 7: Gewindeersatzarmatur mit Klemmdeckel.<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

213


Oberleitungsanlagen – acrps 2011<br />

Tabelle 1: Aufbau der seitenhalterlosen Oberleitung.<br />

zwei Fahrdrähte Cu AC-100, Spannkraft je 10 kN<br />

Tragseil BzII 50, Spannkraft 10 kN<br />

maximale Fahrgeschwindigkeit 160 km/h<br />

Fahrdrahtspreize im Stützpunktbereich<br />

kleinste Systemhöhe 680 mm<br />

Stützpunktabstand 28 m bis 40 m<br />

Bild 8: Aufbau der seitenhalterlosen Oberleitung.<br />

Kein Radius<br />

Die wesentlichen Parameter der Oberleitung sind<br />

in Tabelle 1 zusammengefasst. Die beiden Fahrdrähte<br />

werden an einem Tragseil mit Hängern befestigt. Um<br />

einen Zick-Zack des Fahrdrahtes zu erreichen, wird im<br />

Bereich des Stützpunktes eine Spreize zwischen den<br />

beiden Fahrdrähten eing<strong>eb</strong>aut. Bild 8 zeigt den grundsätzlichen<br />

Aufbau.<br />

Der alte Schlüchterner Tunnel liegt auf einer TSI-ENE-<br />

HGV-Strecke der Kategorie III, sodass eine TSI-Zertifizierung<br />

der Oberleitung erforderlich ist. Zur Zertifizie-<br />

Bild 9: Lokalisierung von Kurzschlüssen mit Kurzschlussmeldewandlern.<br />

rung wurde die spezielle Anordnung der Oberleitung<br />

nachg<strong>eb</strong>ildet und Simulationsrechnungen mit zwei verschiedenen<br />

Stromabnehmertypen und 160 km/h Fahrgeschwindigkeit<br />

durchgeführt. Weiterhin wurden an der<br />

bestehenden Oberleitung Messfahrten durchgeführt und<br />

die Erg<strong>eb</strong>nisse der Simulationsrechnung grundsätzlich<br />

bestätigt. Die Kriterien gemäß TSI ENE HGV, Abschnitt<br />

4.2.16.1, für die Kontaktkräfte werden eingehalten.<br />

Der Raum für den Anhub des Seitenhalters (TSI ENE HGV,<br />

Abschnitt 4.2.16.1) und die maximale Bewegung der Kontaktpunkte<br />

(TSI ENE HGV, Abschnitt 4.2.17) kann anhand<br />

der statischen Eigenschaften der Oberleitung geprüft werden.<br />

Die maximale Elastizität der seitenhalterlosen Oberleitung<br />

beträgt beim maximalen Stützpunktabstand in<br />

Feldmitte 0,33 mm/N. Bei 95 N mittlerer Andruckkraft des<br />

Stromabnehmers ergibt sich maximal 31 mm Anhub. Im<br />

Stützpunktbereich ist durch die höhere Steifigkeit ein kleinerer<br />

Anhub zu erwarten. Für die Konformitätsbewertung<br />

kann der ungünstige Wert 31 mm verwendet werden.<br />

An den Stützpunkten der seitenhalterlosen Oberleitung<br />

ist kein Seitenhalter vorhanden, sodass die Forderungen<br />

der TSI immer erfüllt werden. Es muss jedoch ein<br />

ausreichender Raum für den Durchgang des Stromabnehmers<br />

vorhanden sein. Die Systemhöhe der seitenhalterlosen<br />

Oberleitung beträgt mindestens 680 mm. Für<br />

die Aufhängung des Tragseils mit einer Rolle ist 290 mm<br />

Raumbedarf erforderlich, sodass mit mindestens 390 mm<br />

ausreichend Raum zum Durchgang des Stromabnehmers<br />

zu Verfügung steht.<br />

Die vertikale Bewegung des Kontaktpunktes darf bei<br />

Strecken der Kategorie III nicht mehr als 80 mm betragen.<br />

Der Anhub in Feldmitte beträgt rund 31 mm und ist am<br />

Stützpunkt geringer. Die zulässige vertikale Bewegung<br />

wird nicht einmal zu 50 % ausgenutzt, sodass die Kriterien<br />

nach TSI ENE HGV, Abschnitt 4.2.17, erfüllt werden.<br />

5 Lokalisierung von Kurzschlüssen im<br />

Oberleitungsnetz<br />

Bild 10: Anwendung von Kurzschlussanzeigern bei Oberleitungsanlagen.<br />

1 Oberleitungsmast, 2 Schalterantri<strong>eb</strong>, 3 Masttrennschalter, 4 Wandler,<br />

5 Kurzschlussanzeiger, 6 Radio-GSM-Reporter<br />

Im Oberleitungsnetz der DB treten durch Blitzeinschläge,<br />

umherfliegende Teile oder durch Tiere rund 15 000 Kurzschlusswischer<br />

je Jahr auf. Beschädigungen durch den<br />

Lichtbogen können an Isolatoren oder anderen Bauteilen<br />

214 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


nicht ausgeschlossen werden, sodass eine Begehung der<br />

Strecke zur Lokalisierung des Kurzschlussortes und Prüfung<br />

der Anlage erforderlich ist.<br />

Zur Reduzierung des Aufwandes für die Begehung der<br />

Strecke werden im Oberleitungsnetz Wandler eingesetzt<br />

(Bild 9). Diese Wandler können an den Querkupplungen<br />

der beiden Richtungsgleise eing<strong>eb</strong>aut werden.<br />

Zur Reduzierung des Aufwandes für die Begehung der<br />

Strecke könnten die Wandler verdichtet angeordnet werden,<br />

Diese Verdichtung kann nur dort vorgenommen werden,<br />

wo die zur Übertragung der Meldung erforderlichen<br />

Kabel vorhanden sind. Weiterhin ist eine Traverse zur Befestigung<br />

des Wandlers am Oberleitungsmast notwendig.<br />

In der 50-Hz-Energieversorgung werden zur Lokalisierung<br />

von Kurzschlüssen kleine Kurzschlussanzeiger<br />

verwendet. Die Geräte werden einfach auf das Leiterseil<br />

geklemmt. Meldungen werden drahtlos zu einer Sendeund<br />

Empfangseinheit übertragen. Diese Einheit sendet<br />

bei einem Ereignis die Meldung über GSM zur Leitstelle,<br />

sodass keine Verlegung zusätzlicher Kabel erforderlich<br />

ist. Bild 10 zeigt die bisherige Ausführung und die<br />

vorgesehene Anwendung der Kurzschlussanzeiger bei<br />

Oberleitungsanlagen.<br />

Nachteil dieser Art der Übertragung ist die Energieversorgung<br />

durch Batterie. Für die Batterien werden mehr<br />

als fünf Jahre L<strong>eb</strong>ensdauer angeg<strong>eb</strong>en. Ein Wechsel der<br />

Batterien kann im Rahmen der normalen Fristen durchgeführt<br />

werden. Eine zusätzliche Inspektion ist dadurch<br />

nicht erforderlich.<br />

Für den Einsatz der Kurzschlussanzeiger im Oberleitungsnetz<br />

müssen die spezifischen Ansprechwerte festgelegt<br />

und die Betri<strong>eb</strong>stauglichkeit nachgewiesen werden.<br />

Die Ansprechwerte und Einstellungen wurden mit dem<br />

Hersteller abgestimmt, sodass als nächster Schritt die Betri<strong>eb</strong>serprobung<br />

an auffälligen Stellen im Oberleitungsnetz<br />

durchgeführt werden kann.<br />

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Oberleitungsanlagen – acrps 2011<br />

Reduktion der Bauteile-Vielfalt<br />

in Oberleitungsanlagen<br />

Rico Furrer, Urs Wili, Bern<br />

Eine Verringerung der Bauteile-Vielfalt bei Oberleitungsanlagen kann Vorteile bringen, wobei<br />

dennoch auch mit der kleineren Zahl von Bauteilen die meisten Anwendungsfälle abgedeckt und<br />

auch neue Anforderungen erfüllt werden können. Bauteile-Lieferanten, Infrastruktur-Ersteller<br />

und Infrastruktur-Betreiber haben dabei ganz unterschiedliche Ziele und Anforderungen. Bis<br />

auf wenige Ausnahmen fehlt eine Vereinheitlichung der Schnittstellen der Oberleitungsbauteile.<br />

Reducing the diversity of overhead contact line components<br />

Reducing the number and the diversity of components in an overhead contact line system can be<br />

beneficial, and even with a reduced number of parts a variety of applications can be covered. Aims<br />

and objectives of suppliers, sponsors and maintainers may be different. With some exceptions a<br />

harmonisation of interfaces between the modules of an overhead contact line is still missing.<br />

Réduction de la diversité des composants d’une caténaire<br />

Une réduction du nombre et de la diversité des composants d’une caténaire peut être utile tout<br />

en sauvegardant la possibilité de couvrir un vaste champ d’applications. Les exigences et les objectifs<br />

des fournisseurs du matériel, des réalisateurs des installations ainsi que des services d’entretien<br />

peuvent être divergents. À certaines exceptions près, une harmonisation de différentes<br />

interfaces entre les modules d’une caténaire fait encore défaut.<br />

1 Einführung<br />

Technische Systeme kennen bestimmte L<strong>eb</strong>ensphasen, die in<br />

ähnlicher Form und Abfolge immer wieder einmal vorkommen:<br />

Ein neues System wird technisch machbar, wie zum<br />

Beispiel die elektrische Zugförderung vor 130 Jahren [1],<br />

es wird an Prototypanlagen ausprobiert (Beispiel Siemens,<br />

1879), es erreicht eine gewisse Betri<strong>eb</strong>stauglichkeit (Beispiel<br />

Versuche Marienfelde – Zossen), wird verfeinert und verbessert,<br />

bis es einen Stand der technischen Reife erlangt, in<br />

dem weitere Verbesserungen schwierig oder teuer werden<br />

(Beispiel Einheitsfahrleitung 1930). Dann wird das System<br />

nur noch betri<strong>eb</strong>en, wobei versucht wird, den Aufwand für<br />

Betri<strong>eb</strong> und Erhaltung auf ein Minimum zu reduzieren.<br />

In den ersten L<strong>eb</strong>ensphasen wird die Zahl der Bauteile,<br />

aus denen das System aufg<strong>eb</strong>aut ist, ständig zunehmen,<br />

weil die Anforderungen noch unzureichend erfüllt sind<br />

oder weil neue Forderungen auftauchen, die man auch<br />

noch abdecken möchte.<br />

Sobald das System einigermaßen komplett und betri<strong>eb</strong>ssicher<br />

ist, wird man versuchen, die L<strong>eb</strong>ensdauer seiner<br />

Komponenten zu erhöhen und die Zahl verschiedener<br />

Komponenten zu verringern, um die<br />

Lagerbestände zu reduzieren und<br />

schneller umzuschlagen sowie die Störungsintervention<br />

zu vereinfachen.<br />

Neue, gesteigerte Anforderungen<br />

rufen nach neuen Systemen und damit<br />

meist anderen Bauteilen.<br />

2 L<strong>eb</strong>ensphasen bei<br />

Oberleitungen<br />

Bild 1: Objekt-Bauteile und deren Einzelteile am Beispiel eines Fahrleitungs-Schwenkaus legers.<br />

Die technischen L<strong>eb</strong>ensphasen bei<br />

Oberleitungen folgen durchaus<br />

<strong>eb</strong>enfalls den genannten Grundsätzen:<br />

Höhere Fahrgeschwindigkeiten<br />

verlangen voll-nachgespannte<br />

Kettenwerke, und diese neuen Sys-<br />

216 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – Oberleitungsanlagen<br />

teme verwenden neue Bauteile wie die Re 160 mit<br />

ihren Rohr-Schwenk-Auslegern. Das „stabil“ gehaltene<br />

Bauteilsortiment der Re 75 muss erweitert werden um<br />

die neuen Bauteile der Re 160, der Re 200, der Re 250,<br />

der Re 330 und so weiter. Damit sind die Entwicklungsabteilungen<br />

angesprochen.<br />

Der Infrastruktur-Betreiber hat möglicherweise eine<br />

andere Sicht der Dinge: Er möchte ein Minimum verschiedener<br />

Bauteile am Lager halten; und den beschränkten<br />

Platz auf dem Störungsinterventions-Fahrzeug möchte er<br />

mit Komponenten belegen, mit denen er möglichst jeden<br />

Fall abdecken kann.<br />

Ganz andere Ziele hat der Hersteller und Lieferant<br />

von Bauteilen. Je größer sein Sortiment ist, desto mehr<br />

Umsatz kann er machen, weil er mehr Kundenwünsche<br />

zu erfüllen in der Lage ist. Immerhin hat auch er ein Interesse,<br />

nur gängige Artikel am Lager zu halten und den<br />

Lagervorrat rasch umzuschlagen.<br />

Daraus sind also folgende, zum Teil widersprüchliche<br />

Ziele für neue oder zu modifizierende technische Systeme<br />

zu erkennen:<br />

• möglichst wenige, dafür universell einsetzbare Bauteile<br />

mit dem Ziel kleinerer Lager und einfacherer Störungsintervention<br />

• möglichst gut an den Verwendungszweck angepasste<br />

Bauteile für Zuverlässigkeit und lange L<strong>eb</strong>ensdauer<br />

zum Preis einer Vielzahl von Bauteilen<br />

• ein großes Sortiment, um viele Kundenwünsche abzudecken<br />

Alle diese Forderungen sind „berechtigt“, aber wie<br />

bringt man sie unter einen Hut?<br />

3 Was ist Bauteile-Vielfalt überhaupt?<br />

Für die folgenden Betrachtungen lässt sich die Oberleitung<br />

darstellen als ein G<strong>eb</strong>ilde, das zusammengesetzt ist<br />

aus verschiedenen Baugruppen oder Komponenten, aus<br />

Fundamenten, Masten, Auslegern und Querträgern sowie<br />

Kettenwerken und Leitungen.<br />

Diese Objekte bestehen aus mehreren Bauteilen. Bei<br />

dem Beispiel eines Auslegers (Bild 1) sind dies Auslegerrohr,<br />

Stützrohr, Str<strong>eb</strong>enrohr, Seitenhaltertragrohr, Rohrverbindungen,<br />

Drehgelenk Ausleger, Isolator, Tragseilbock,<br />

Abzugarm, Seitenhalter.<br />

Auch diese Bauteile können wieder aus verschiedenen<br />

Einzelteilen bestehen, wie am Beispiel der Tragseilklemme<br />

dargestellt.<br />

Bauteile oder Einzelteile können in einer Baugruppe<br />

mehrfach, an verschiedenen Stellen und in verschiedener<br />

Funktion vorkommen. Die Zahl der Bauteil-Typen kann<br />

dann kleiner sein als die Zahl der Bauteile in einer Baugruppe.<br />

So kommt zum Beispiel im Schwenkausleger nach<br />

Bild 1 der Isolator zweimal vor, wobei er einmal auf Druck<br />

und das andere Mal auf Biegung und Zug beansprucht ist.<br />

An Bauteile werden mehrere Anforderungen gestellt,<br />

nämlich<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

• physikalische Anforderungen, wie mechanische, thermische,<br />

elektrische Eigenschaften,<br />

• Marktanforderungen nach L<strong>eb</strong>ensdauer, Sicherheit,<br />

Zuverlässigkeit, Ästhetik, Kosten,<br />

• Funktionsanforderungen, wie Modularität, Größe,<br />

Stückzahl, und<br />

• Forderungen nach Qualität, Servicefreundlichkeit, Rezyklierbarkeit.<br />

Die Gestaltung der Bauteile versucht, diesen Forderungen<br />

gerecht zu werden. Dabei werden die verschiedensten<br />

Werkstoffe und Bearbeitungs- und Verbindungsmethoden<br />

angewendet.<br />

4 Reduktion der Bauteile-Vielfalt – wozu?<br />

Das Beherrschen der Produktkomplexität ist ein anerkanntes<br />

Mittel zur Kostensenkung. So beschäftigt sich zum Beispiel<br />

bei BMW ein Vollzeit-Ingenieur mit der Aufgabe, die<br />

1,3 Mio. verschiedenen Schraubverbindungen in Produkten<br />

des Konzerns auf 2 500 zu reduzieren [2]. Und der bedeutende<br />

Schraubenhersteller Bossard bietet auf dem Internet<br />

eine W<strong>eb</strong>-Applikation, welche die möglichen Einsparungen<br />

durch eine Verringerung der Schraubentypen errechnet [3].<br />

Der Komplexitätsgrad eines Systems bemisst sich einerseits<br />

nach seiner Veränderlichkeit und Vieldeutigkeit, anderseits<br />

nach der Vielzahl und Vielfalt seiner Elemente [4].<br />

Im Vergleich zu den Produkten der Automobil-Industrie<br />

oder zu den Eisenbahn-Sicherungsanlagen haben Oberleitungsanlagen<br />

einen geringeren Komplexitätsgrad und,<br />

in Bild 2 durch die Größe der Ellipsen angedeutet, als Produkt<br />

eine geringere wirtschaftliche Bedeutung.<br />

Dennoch muss die Verringerung der Komplexität auch<br />

bei Oberleitungen ein Thema sein! Im DB-Zeichnungswerk<br />

umfasst jede der Regelbauarten zwischen 2 000 und 3 000<br />

Zeichnungen; selbst in einer Firma der KMU-Kategorie<br />

(kleine und mittlere Unternehmen) entstehen jedes Jahr<br />

zwischen 500 und 800 neue Zeichnungen (Bild 3), und die<br />

Zahl der in der Lagerdatei gespeicherten Artikel ist inzwischen<br />

auf über 15 000 gewachsen.<br />

Bild 2: Beispielhafte Darstellung des Komplexitätsgrads von Systemen.<br />

F Fahrleitungen<br />

S Eisenbahn-Sicherungsanlagen<br />

„Autos“ Kraftfahrzeuge<br />

217


Oberleitungsanlagen – acrps 2011<br />

durch den technischen Fortschritt, zum<br />

Beispiel durch neuartige Werkstoffe<br />

oder neue Bearbeitungsmethoden.<br />

Eher selbst gemachte Treiber sind:<br />

• Anwendung verschiedener Werkstoffe<br />

– Cu/Al Verdoppelung der Klemmensortimente<br />

– Stahl/Beton/Holz bei Masten<br />

Ver vielfachung der Befestigungselemente<br />

• Unterschiedliche Bauformen für<br />

gleichartige Bauteile<br />

– je Rohrdurchmesser andere Klemmen<br />

– jede Jochbauart mit anderen Befestigungsteilen<br />

Bild 3: Zunahme der Anzahl der Oberleitungs-Bauteile, gemessen an der Zahl der jährlich<br />

erstellten Zeichnungen einer auf Oberleitungen spezialisierten KMU im Vergleich zur Anzahl<br />

Oberleitungs-Zeichnungen in Deutschland 1947 [5].<br />

6 Verringerung der<br />

Vielfalt – wie?<br />

Dabei ist der Begriff „Zeichnung“ noch etwas näher zu<br />

betrachten:<br />

Häufig wird in einer einzigen Zeichnung eine ganze<br />

Reihe von gleichartigen Bauteilen verschiedener Größe<br />

zusammen mit dazu gehörigen Anschlussteilen zusammengefasst.<br />

Früher ergaben sich so großformatige Blätter<br />

der Größe A2 bis A0, heute umfasst eine Zeichnungsnummer<br />

mehrere Seiten, meist vom Format A3 oder A4.<br />

5 Treiber der Vielfalt<br />

Treiber dieser Vielfalt sind einerseits echte Notwendigkeiten,<br />

anderseits sind sie von den Fachleuten des Oberleitungsbaus<br />

aus verschiedenen Gründen selbst gemacht.<br />

Zu den ersteren zählen veränderte Anforderungen an die<br />

Oberleitungen und ihre Funktion durch die Vielzahl der Stromsysteme,<br />

unterschiedliche Wippenbreiten der Stromabnehmer,<br />

eine Erhöhung der Fahrgeschwindigkeit, Zahl und Abstand<br />

der Stromabnehmer und so weiter sowie neue Möglich keiten<br />

Tabelle 1: Wege zur Senkung der Bauteile-Vielfalt und deren<br />

Umsetzung.<br />

Wege nach [6]<br />

Umsetzung bei Oberleitungen<br />

Modularisierung der Produkte Module könnten etwa sein:<br />

tragen, halten, isolieren, spannen,<br />

leiten<br />

Aufbau eines Baukasten systems<br />

Erhöhung des Anteils der<br />

Gleichteile und Mehrfach-Verwendungsteile<br />

Verschi<strong>eb</strong>ung des Freeze Points<br />

an das Ende der Wertschöpfungskette<br />

Entwicklung von Plattformstrategien<br />

Sortimente von Fundamenten,<br />

Masten, Querträgern etc.<br />

einheitliche Schraubengrößen,<br />

im Übrigen noch Optimierungspotenzial<br />

Oberleitungssysteme l<strong>eb</strong>en<br />

Jahrzehnte wird Freeze Point<br />

je erreicht?<br />

nach Speisesystem AC, DC;<br />

nach Spannung, nach Fahrgeschwindigkeit<br />

Wege zur Reduktion der Vielfalt sind in der Literatur zu<br />

finden. Tabelle 1 zeigt eine Auswahl solcher Wege nach<br />

[6] und Möglichkeiten zur Umsetzung.<br />

Als Lösungsvarianten bieten sich bei Oberleitungen an:<br />

• „Einfrieren“ einer technischen Lösung über längere Zeit<br />

und dann Einführung einer neuen Lösung mit „Quantensprung“;<br />

Beispiel SNCF, die „französische Lösung“<br />

• verstellbare, anpassbare Bauteile, die ganze Anwendungsbereiche<br />

abdecken; Beispiel SBB, verstellbare Spurhalter<br />

• modulartiger Aufbau der Systeme, sodass eine Anlage<br />

aus den am besten geeigneten Modulen zusammengesetzt<br />

werden kann; Beispiel SBB, Rohrausleger mit<br />

Rohrdurchmesser 70 mm für Bauart mit festem (N-Fl)<br />

und Bauarten mit nachgespanntem (R-Fl) Tragseil<br />

• einheitliche Schnittstellen zwischen den Komponenten;<br />

Beispiel Fahrdraht nach EN 50149; aber „Sündenfall“:<br />

Typen A und B<br />

Für die Lieferanten gilt eine andere Fragestellung:<br />

• Welches ist das kleinste Sortiment, das die größte Zahl<br />

der Kundenwünsche abdeckt? (Beispiel: Hänger)<br />

• Für welche Normteile, also Teile, die beim betreffenden<br />

Kunden Norm sind, ist der Kunde bereit, Alternativen<br />

einzusetzen? (Beispiele: Ausleger, Kunststoff-Isolatoren)<br />

• Welche Neuerungen sind Erfolg versprechend? Ist ihr Nutzen<br />

so offensichtlich, dass der Kunde sofort zugreift oder<br />

sind zuerst Versuche nötig? Welcher Kunde ist zu welchen<br />

Bedingungen bereit, solche Versuche durchzuführen?<br />

(Beispiel: Stromschiene für hohe Geschwindigkeiten)<br />

Einheitliche Schnittstellen zwischen den Modulen fördern<br />

die Verwendung von Gleichteilen. Im Bereich der<br />

Normung sind bereits große Anstrengungen in dieser<br />

Richtung unternommen worden. So kennt die EN 50149<br />

noch zwei verschiedene Rillenformen für Fahrdrähte, aber<br />

immerhin noch fünf verschiedene Querschnittsflächen und<br />

zwei verschiedene Formen, rund und flach. Wenn auch<br />

218 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – Oberleitungsanlagen<br />

Bild 4: Rillenfahrdrähte nach EN 50149 und,<br />

farblich hervorgehoben, Möglichkeiten zur<br />

Reduktion der Artenvielfalt auf drei Querschnitte<br />

flacher Form.<br />

Bild 5: Feld an Auslegerbauarten nach Anzahl von Bauteilen und Bauteiltypen.<br />

anzuerkennen ist, dass eine Sortimentsreduktion während<br />

einer mehrjährigen Übergangsfrist zu neuen Schnittstellen<br />

führte, wäre langfristig dennoch eine Reduktion auf eine<br />

Form und vielleicht drei Querschnitte anzustr<strong>eb</strong>en (Bild 4).<br />

Ein weiteres Beispiel sind Ausleger. Hier hat die Kreativität<br />

der Fahrleitungskonstrukteure freie Bahn, und so ist<br />

eine große Vielzahl von Bauarten entstanden. Wenn es nur<br />

schon gelänge, die Rohrdurchmesser zu vereinheitlichen,<br />

ließe sich das Sortiment der Klemmen drastisch verkleinern!<br />

Bild 5 zeigt die „Auslegerlandschaft“, die Vielfalt nach<br />

Anzahl und Typen von Bauteilen für ausgewählte Auslegerbauarten<br />

aus Deutschland und der Schweiz.<br />

[2] Schuh & Co GmbH.: Beherrschen Sie Ihre Produktkomplexität!<br />

http://www.schuh-group.com/de/Broschueren/Beherrschen_<br />

Sie_Ihre_Produktkomplexit%C3%A4t.pdf<br />

[3] Bossard Group: http://www.bossard.com/tools/cost_savings/<br />

index.cfm<br />

[4] Grossmann, Ch.: Komplexitätsbewältigung im Management,<br />

Anleitungen, integrierte Methodik und Anwendungsbeispiele,<br />

Dissertation Hochschule St. Gallen, 1992.<br />

[5] Schwach, G.: Oberleitungen für hochgespannten Einphasenwechselstrom<br />

in Deutschland, Österreich und der Schweiz,<br />

Eigenverlag Furrer+Frey, Bern, und Wetzel-Druck, Villingen-<br />

Schwenningen, 1989.<br />

[6] Gerberich, C. W.: Neue Herausforderungen an das Management<br />

und das Unternehmenscontrolling. In: Praxishandbuch<br />

Controlling, Betri<strong>eb</strong>swirtschaftlicher Verlag Dr. Th. Gabler/GWV<br />

Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2005.<br />

7 Schlussfolgerungen<br />

Eine Reduktion der Bauteile-Vielfalt ist auch bei Oberleitungsanlagen<br />

sinnvoll. Sie kann zu Kostensenkungen und<br />

Vereinfachungen führen.<br />

Bei den Oberleitungen ist der größte Nutzen wohl zu<br />

erwarten durch<br />

• weniger Nachweise,<br />

• geringere Modellkosten,<br />

• einfachere Lagerhaltung,<br />

• geringeren Instruktionsaufwand für Montage und Instandhaltung<br />

sowie<br />

• einfachere Störungsbeh<strong>eb</strong>ung.<br />

Zur Umsetzung sind Schnittstellen zu reduzieren und<br />

zu vereinheitlichen, die Wippenbreiten zu vereinheitlichen<br />

und die Normen zu straffen.<br />

Literatur + Links<br />

[1] Li<strong>eb</strong>ig, A.: Geschichtliche Entwicklung der Fahrleitung. In: Der<br />

Eisenbahningenieur (2010), H. 9/10, S. 132−140.<br />

Dipl.-Elektroingenieur ETHZ Urs Wili (67),<br />

Studium an der ETH Zürich; ab 1970 Ingenieur<br />

bei der Brown Boveri AG in Oerlikon und 1973<br />

bei der Sektion Fahrleitungen des Kreises 2 der<br />

SBB in Luzern; ab 1976 Sektionschef Fahrleitungen,<br />

später Chef der Abteilung elektrische<br />

Anlagen bei der Baudirektion SBB in Bern; 1999<br />

Leiter Kundenbeziehungen bei Telecom SBB; ab<br />

2000 Leiter des Ingenieurbüros und seit 2004<br />

Senior Consultant und Mitglied der Geschäftsleitung<br />

der Furrer+Frey AG, Bern; Mitglied der<br />

Expertenkammer von Swiss Engineering STV.<br />

Adresse: Furrer+Frey AG, Thunstr. 35, 3000 Bern<br />

6, Schweiz;<br />

Fon: +41 31 357-6132, Fax: -6100;<br />

E-Mail: ubwili@furrerfrey.ch<br />

Dipl.-Ing. Rico Furrer (33), Studium an der ETH<br />

Zürich; ab 2004 Bauleitender Ingenieur bei<br />

Losinger Construction AG in Bern, dann<br />

Projektleiter; seit 2009 Bereichsleiter Entwicklung<br />

und Konstruktion und Mitglied der<br />

Geschäftsleitung der Furrer+Frey AG, Bern.<br />

Adresse: wie oben;<br />

Fon: +41 31 357-6176, Fax: -6100;<br />

E-Mail: rfurrer@furrerfrey.ch<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

219


Zulassung und Normen – acrps 2011<br />

Oberleitungsanlagen nach TSI Energie<br />

– Planung und Abnahme<br />

Kai Schnadhorst, Essen; Heinz Tessun, München<br />

Vergleich der Ausgaben 2002 und 2008 der technischen Spezifikation für die Interoperabilität<br />

(TSI) des Teilsystems „Energie“ des transeuropäischen Hochgeschwindigkeitsbahnsystems, Auswirkungen,<br />

besonders des zulässigen Windabtri<strong>eb</strong>es, auf die Standardoberleitungen der Deutschen<br />

Bahn (DB). Planung, Genehmigung, Ausführung und Abnahme einer Oberleitung nach der TSI.<br />

Overhead contact lines according to TSI Energy, installation design and technical acceptance<br />

Comparison of the issues of 2002 and 2008 of the technical specification for interoperability relating<br />

to the „energy” sub-system of the trans-European high-speed rail system (TSI) influences,<br />

especially of the permissible wind deviation to the standard overhead contact line of Deutsche<br />

Bahn (DB). Installation design, acceptance, construction and technical approval of an overhead<br />

contact line in accordance with TSI.<br />

Installations caténaires en conformité avec TSI Energie, conception et réception<br />

Comparaison des éditions 2002 et 2008 des spécifications techniques pour l’interopérabilité (TSI)<br />

du sous-système „énergie“ du système ferroviaire transeuropéen à grande vitesse, influences,<br />

notamment du désaxement admissible de la caténaire sous l’action du vent, sur les installations<br />

caténaires standard de la Deutsche Bahn (DB). Conception, autorisation, exécution et réception<br />

d’une caténaire en conformité avec TSI.<br />

1 Einführung<br />

Im Mai 2002 wurde erstmals eine für alle Länder der<br />

Europäischen Union gültige technische Spezifikation des<br />

Teilsystems „Energie“ (TSI ENE) für die transeuropäischen<br />

Hochgeschwindigkeitsbahnsysteme veröffentlicht. Im<br />

März 2008 erschien die Revision als überarbeitete Version,<br />

womit die Gültigkeit der TSI ENE 2002 aufgehoben wurde.<br />

Hat die Fachwelt über die Auslegung und Lesart der TSI<br />

von 2002 so langsam eine einheitliche Lesart gefunden, so<br />

bringt die TSI ENE 2008 erneut Bewegung in dieses Thema.<br />

Durch die Direktive 96/48/EG und die daraus resultierenden<br />

TSI ENE 2002 wurde die Aufgabenteilung zwischen<br />

den Aufsichtsbehörden festgelegt, auf der nationalen<br />

Ebene das Eisenbahn-Bundesamt (EBA) und auf der<br />

europäischen Ebene die Benannten Stellen, beispielhaft<br />

sei hier das Eisenbahn-Cert (EBC) genannt. Beide Behörden<br />

sind in ihren Verfahrensabläufen aufeinander<br />

abgestimmt, um einen reibungslosen Prüf- und Genehmigungslauf<br />

bis hin zur Abnahme und Inbetri<strong>eb</strong>setzung der<br />

Anlagenteile zu gewährleisten.<br />

Beim Vergleich der TSI ENE 2002 und 2008 stellt man<br />

schnell schon rein formale Änderungen fest. So werden<br />

die Anhänge G bis K bei der neuen Ausgabe nicht mehr<br />

verwendet, teilweise wurden sie in den Spezifikationstext<br />

übernommen, meistens hat man jedoch auf vorhandene<br />

Dokumente verwiesen. Auch die Anhänge M bis Q sind<br />

nicht mehr vorhanden, der Anhang L enthält eine Liste<br />

von offenen Punkten. Die grundlegenden Anforderungen<br />

sind im Großen und Ganzen g<strong>eb</strong>li<strong>eb</strong>en, wurden jedoch im<br />

Detail präzisiert und teilweise auch verändert.<br />

Von besonderer Bedeutung sind die Regelung über<br />

den zulässigen Windabtri<strong>eb</strong> in Verbindung mit dem Euro-<br />

Stromabnehmer sowie die Auswirkungen auf die Planung<br />

und Abnahme der Oberleitungsanlagen.<br />

Die TSI ist auf der W<strong>eb</strong>-Site (www.eisenbahn-cert.de)<br />

des EBC über den Link „Service“ und „Technische Spezifikationen<br />

(TSI)“ einzusehen und auszudrucken.<br />

2 Prozessablauf von der Planung über<br />

die Abnahme bis zur Inbetri<strong>eb</strong>nahme<br />

In den Prozessablauf für die Errichtung und Umgestaltung<br />

von Anlagen im Bereich der Signal-, Telekommunikations-<br />

und Elektrotechnischen Anlagen wurden durch die<br />

TSI ENE 2002 weitere Schritte implementiert. Beispielhaft<br />

kann hier der Punkt der Abnahme nach den Kriterien der<br />

TSI genannt werden (Bild 1). Um zu prüfen, ob diese auf<br />

europäischer Ebene getroffenen Festlegungen umgesetzt<br />

werden, wurden benannte Stellen wie das EBC geschaffen,<br />

die diese Aufgabe wahrnehmen.<br />

Entscheidende Weichenstellungen für den weiteren<br />

Verlauf des Projektes werden schon zum Zeitpunkt der<br />

Entwurfsplanung getätigt. Gerade in diesem Stadium des<br />

220 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – Zulassung und Normen<br />

Projektes ist es erforderlich, Klarheit<br />

über die Aufgabenstellung zu erlangen.<br />

In dieser Phase ist es hilfreich,<br />

eine Abstimmung mit den zuständigen<br />

Behörden zu erwirken.<br />

Die im Rahmen der Ausführungsplanung<br />

vom Betreiber zu stellende<br />

Bauvoranzeige nach der gültigen<br />

Verwaltungsvorschrift für die<br />

Bauaufsicht über Signal-, Telekommunikations-<br />

und Elektrotechnische<br />

Anlagen (VV BAU-STE) enthält signifikante<br />

Bestandteile, die den weiteren<br />

Ablauf maßg<strong>eb</strong>lich beeinflussen.<br />

Durch die notwendigen Angaben zur<br />

Streckenkategorie wird selektiert, ob<br />

alleinig die nationale Behörde zuständig<br />

ist oder die europäische Behörde<br />

mit eing<strong>eb</strong>unden wird.<br />

Sollte letzteres der Fall sein, wird durch den Betreiber<br />

ein Antrag auf EG-Prüfung bei der jeweiligen benannten<br />

Stelle gestellt. Dieser Antrag hat das Ziel, zu verdeutlichen,<br />

dass alle Anlagenteile und zertifizierten Bauarten, die für<br />

die Errichtung oder den Umbau der Anlage Verwendung<br />

finden, den Ansprüchen der aktuellen TSI genügen.<br />

Vor Beginn der Bauausführung wird dem EBA der<br />

Baubeginn der Maßnahme angezeigt. Zum Abschluss der<br />

Baumaßnahme wird das EG-Prüfheft der betreffenden<br />

Anlage eingereicht.<br />

Dies sind im Wesentlichen die nachfolgend aufgeführten<br />

Inhalte:<br />

• Das EG-Prüfheft mit den Angaben zum Infrastrukturregister<br />

(Angaben zur Bestandsanlage sowie zum Inbetri<strong>eb</strong>nahmezeitpunkt)<br />

• Angaben zur Instandhaltung der Oberleitungsanlagen,<br />

sowie der Anlagen des Energieversorgers (z.B. DB<br />

Energie)<br />

• Liste der verwendeten Interoperabilitätskomponenten<br />

• Angaben zu den beteiligten Firmen<br />

• Verzeichnis der dem Heft beigefügten Unterlagen:<br />

– Allgemeines<br />

– Planunterlagen<br />

– Streckenspeise- und Schaltpläne<br />

– Fahrdrahtlagemessung<br />

– Energieversorgung<br />

– Nachweise des Berührungsschutzes<br />

– Lichtraumprofilmessung<br />

Nach Sichtung und erfolgreicher Prüfung der eingereichten<br />

Unterlagen wird durch die benannte Stelle die<br />

EG-Entwurfsprüfbescheinigung ausgestellt. Durch die EG-<br />

Prüfbescheinigung wird dokumentiert, dass bei der Planung<br />

der Anlage die Vorgaben der TSI Berücksichtigung<br />

gefunden haben.<br />

Durch den Betreiber wird die Anzeige zur Abnahmeprüfung<br />

gestellt, und der Prozessschritt der Abnahme<br />

inklusive der zu prüfenden Parameter nach TSI kann<br />

beginnen. Die Anlage wird dann nach Fertigstellung<br />

durch bestellte Abnehmer begutachtet und geprüft. Bei<br />

Bild 1: Prozessablauf für die Planung und Abnahme von STE-Anlagen nach VV-IST.<br />

erfolgreicher Abnahme wird durch den Inbetri<strong>eb</strong>nahmeverantwortlichen<br />

des Betreibers der Anlage, der Antrag<br />

auf Erteilung einer Inbetri<strong>eb</strong>nahmegenehmigung an das<br />

EBA gestellt. Dieser Antrag enthält die von der benannten<br />

Stelle ausgestellte EG-Prüfbescheinigung.<br />

Das EBA erteilt im Falle erfolgreicher Prüfung der eingereichten<br />

Unterlagen die Inbetri<strong>eb</strong>nahmegenehmigung.<br />

Den Abschluss bildet die Inbetri<strong>eb</strong>nahmeanzeige durch<br />

den Inbetri<strong>eb</strong>nahmeverantwortlichen und die Übergabe<br />

der Anlage an den Betreiber.<br />

Vorstehend beschri<strong>eb</strong>enes Verfahren hat Gültigkeit für<br />

die im Infrastrukturregister des Betreibers auf der Grundlage<br />

der Leitlinien zum Transeuropäischen Netz (TEN)<br />

gekennzeichneten Strecken der Kategorie I–III.<br />

Die folgenden beispielhaft aufgeführten Projekte im<br />

Bereich der Deutschen Bahn fallen in diese Kategorien:<br />

• ABS/NBS Hamburg/Bremen – Hannover (Y-Trasse)<br />

• ABS Oberhausen – Emmerich – Grenze (D/NL)<br />

• ABS Dresden – Berlin<br />

• NBS Nürnberg – Erfurt – Halle/Leipzig (VDE 8)<br />

• ABS/NBS Hanau – Gelnhausen – Fulda<br />

• ABS/NBS Karlsruhe – Basel<br />

• ABS/NBS Stuttgart – Ulm – Augsburg<br />

• ABS München – Kiefersfelden – Grenze (D/A)<br />

Alle vorstehenden Projekte haben Anforderungen im Geschwindigkeitsband<br />

von 200 bis 300 km/h und sind integraler<br />

Bestandteil des TEN (Streckenkategorie I–III). Hierdurch wird<br />

es notwendig, in Bezug auf Planung und Ausgestaltung der<br />

Oberleitungsanlage die Anforderungen des Euro-Stromabnehmers<br />

für diese Projekte zu berücksichtigen.<br />

3 Anforderungen durch die TSI Energie<br />

Die TSI beschreibt Anforderungen an ortsfeste elektrische<br />

Bahnanlagen, die für die Zertifizierung erfüllt werden<br />

müssen. Die Anforderungen beziehen sich auf die Sicherheit,<br />

den Umweltschutz und die technischen Bestimmun-<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

221


Zulassung und Normen – acrps 2011<br />

zwingt nun, hierfür die entsprechenden<br />

Maßnahmen einzuleiten, wobei<br />

dem zulässigen Windabtri<strong>eb</strong> die größte<br />

Aufmerksamkeit beizumessen ist.<br />

4.2 Vergleich der Anforderungen<br />

an die Oberleitungsgeometrie<br />

Bild 2: Vergleich der Anforderungen an die Oberleitungsgeometrie aus TSI Ausgabe 2002 und 2008.<br />

rot 2002, grün 2008, blau gemeinsam<br />

gen. Bei den technischen Anforderungen geht es unter<br />

anderem um die Freihaltung des Raumes für den Durchgang<br />

des Stromabnehmers, die Grenzlagen des Fahrdrahtes,<br />

das dynamische Verhalten von Stromabnehmer und<br />

Fahrdraht mit all seinen Parametern sowie um elektrische<br />

Anforderungen. Hierunter fallen vor allem die Spannung<br />

und Frequenz, die installierte Leistung und die elektromagnetische<br />

Verträglichkeit. Näher betrachtet werden in<br />

diesem Artikel die Anforderungen an die Geometrie der<br />

Oberleitung, besonders die Fahrdrahtlage und die Auslenkung<br />

des Fahrdrahtes durch Seitenwindeinwirkung.<br />

Keine Anforderungen stellt die TSI an Maste und Fundamente,<br />

an die statische Auslegung von Tragstrukturen<br />

und sonstigen Bauteilen. Eine Ausnahme ist der Werkstoff<br />

des Fahrdrahtes und die Anforderungen an den Fahrdraht.<br />

Als Werkstoffe sind nur Kupfer und Kupferknetlegierungen<br />

zugelassen, für die Anforderungen gilt die EN 50149.<br />

4 Anforderungen an die<br />

Oberleitungsgeometrie<br />

4.1 Der P-Fall<br />

Der P-Fall ist ein genehmigter Sonderfall, der für einige<br />

<strong>Bahnen</strong> der Europäischen Staaten festgelegt ist, um zu<br />

große Infrastrukturausgaben zu vermeiden. In der Ausgabe<br />

der TSI ENE 2002 gab es unter anderem die Empfehlung<br />

im P-Fall für die Besonderheiten der Deutschen Bahn, dass<br />

auf Ausbau- und Anschlussstrecken die Befahrung mit<br />

dem Euro-Stromabnehmer berücksichtigt werden sollte.<br />

Diese Empfehlung wurde zur Kenntnis genommen, bli<strong>eb</strong><br />

jedoch ohne weitere Auswirkung.<br />

In der TSI ENE 2008 wird, <strong>eb</strong>enfalls im P-Fall für die<br />

Besonderheiten der Deutschen Bahn, gefordert, dass auf<br />

Strecken der Kategorie II und III, also den bisherigen Ausbau-<br />

und Anschlussstrecken, die Befahrung mit dem Euro-<br />

Stromabnehmer zu berücksichtigen ist. Diese Forderung<br />

Die Parameter, die wir vor allen hier<br />

betrachten wollen, sind die Fahrdrahthöhen<br />

mit ihren Toleranzen, die<br />

Fahrdrahtneigung und der zulässige<br />

Windabtri<strong>eb</strong> des Fahrdrahtes.<br />

Die Fahrdrahtnennhöhe der<br />

TSI ENE 2002 wird in der TSI ENE 2008<br />

als Regelfahrdrahthöhe bezeichnet<br />

und hat somit wieder eine Terminologie als bei der Deutschen<br />

Bahn geläufig. Die Werte für die Regelfahrdrahthöhe sind in<br />

der Kategorien I (Hochgeschwindigkeitsstrecken), der Kategorie<br />

II (Ausbaustrecken) und der Kategorie III (Anschlussstrecken)<br />

in beiden Ausgaben gleich g<strong>eb</strong>li<strong>eb</strong>en, (Bild 2).<br />

Die Mindestfahrdrahthöhe und die maximale Fahrdrahthöhe<br />

stehen für Wechselspannungs- wie Gleichspannungsanlagen<br />

im Spezifikationstext und sind nicht mehr über<br />

den Umweg zum Anhang und dort als Grenzwert bezeichnet<br />

zu finden. Die Werte an sich sind gleich g<strong>eb</strong>li<strong>eb</strong>en.<br />

Die Toleranzen zur Fahrdrahthöhe waren im Anhang<br />

zur TSI ENE 2002 wie in Bild 2 dargestellt angeg<strong>eb</strong>en. Bei<br />

der TSI ENE 2008 gibt es keine Angaben für die Toleranzen.<br />

Da toleranzfrei nicht g<strong>eb</strong>aut werden kann, obliegt<br />

es nun dem Antragsteller diese Toleranzen vorzug<strong>eb</strong>en.<br />

Die Anforderungen an die Fahrdrahtneigung sind<br />

gleich g<strong>eb</strong>li<strong>eb</strong>en und verweisen auf die Oberleitungsnorm<br />

EN 50119:2001.<br />

Interessant wird es nun beim zulässigen Windabtri<strong>eb</strong>.<br />

In der TSI ENE 2002 stand in den Tabellen 4.2 für Wechselstromsysteme<br />

und 4.3 für Gleichstromsysteme, dass<br />

der zulässige Windabtri<strong>eb</strong> ≤ 400 mm sein muss. Erst im<br />

Anhang H Abschnitt H3.6 findet man eine genauere Erklärung,<br />

wie der Windabtri<strong>eb</strong> zu berechnen ist, und begreift<br />

dann, wie der Wert ≤ 400 mm angewendet werden sollte.<br />

In der TSI ENE 2008 bleibt nun kein Spielraum, den<br />

zulässigen Windabtri<strong>eb</strong> falsch zu verstehen. Die Anforderung<br />

sagt deutlich, dass der Windabtri<strong>eb</strong> 0,4 m oder 1,4-L 2<br />

zu sein hat, wobei jeweils der kleinere Wert zu verwenden<br />

ist. Es wird auch darauf hingewiesen, dass L 2<br />

nach<br />

EN 50367:2006 Anhang A3 zu berechnen ist.<br />

5 Anforderungen aus der EN 50367<br />

In der TSI ENE 2008 findet sich im Abschnitt 4.2.9.2 unter<br />

Tabelle 4.2.9 der Hinweis, dass L 2<br />

nach EN 50367:2006<br />

Anhang A3 zu berechnen ist. Die Formel sei zum besseren<br />

Verständnis des folgenden Textes kurz wiedergeg<strong>eb</strong>en.<br />

222 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


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Zulassung und Normen – acrps 2011<br />

Hierin ist R der Kurvenradius, C die Gleisüberhöhung<br />

und H der Fahrdraht im angehobenen Zustand. Der Wert<br />

H setzt sich zusammen aus der statischen Fahrdrahthöhe<br />

und dem Anhub S durch den Stromabnehmer.<br />

In der EN 50367:2006 ist für den Anhub S, der frei und<br />

ungehindert sein soll, auf Tabelle 6 verwiesen. In Tabelle 6<br />

wird für den freien und ungehinderten Anhub des Fahrdrahtes<br />

auf EN 50119 Abschnitt 5.2.1.3 verwiesen. Dies<br />

ist ein undatierter Verweis, somit gilt, dass grundsätzlich<br />

die neueste Norm heranzuziehen ist; da die TSI 2008 aber<br />

gleichzeitig als referenzierte Norm die EN 50119:2001 angibt,<br />

finden wir im Abschnitt 5.2.1.3 folgendes:<br />

„Es ist zweckmäßig, den Stromabnehmer- und Fahrdrahtanhub<br />

am Stützpunkt zu begrenzen. Der Anhub am<br />

Stützpunkt muss für die größte Feldlänge unter üblichen<br />

Betri<strong>eb</strong>sbedingungen berechnet werden, und zwar vom zuständigen<br />

Ingenieur oder mit einem Simulationsprogramm.<br />

Der Raum für den freien und uneingeschränkten Anhub,<br />

der durch die Stützpunktausführung vorgeg<strong>eb</strong>en ist, muss<br />

mindestens das Doppelte des berechneten Anhubwertes<br />

betragen. Falls eine Anhubbegrenzung am Stützpunkt vorgesehen<br />

ist, muss der Wert mindestens 1,5 betragen.“<br />

Damit ist festgelegt, dass bei der Berechnung des zulässigen<br />

Windabtri<strong>eb</strong>es der Fahrdrahtanhub am Stützpunkt<br />

zu verwenden ist. Der größte Windabtri<strong>eb</strong> tritt jedoch im<br />

Allgemeinen irgendwo innerhalb einer Längsspannweite<br />

auf, in kleinen Kurven direkt in Feldmitte. Dem Antragsteller<br />

bleibt es überlassen, die Oberleitungsanlage technisch<br />

richtig und dennoch vorschriftenkonform zu gestalten.<br />

Da für die Re 330 und Re 250 der Deutschen Bahn schon<br />

immer der Euro-Stromabnehmer zu berücksichtigen war<br />

sind für diese Oberleitungen keine gravierenden Änderungen<br />

vorzunehmen. Die b-Maßtabellen wurden bereits<br />

durch Angabe der Überhöhung, bis zu der die Tabellen<br />

gültig sind, begrenzt. Die Werte für die größeren Überhöhungen<br />

sind jeweils zu berechnen.<br />

Bei den Standardoberleitungen der DB ist die maximale<br />

Fahrdrahtseitenlage von bisher 400 mm auf maximal<br />

300 mm oder kleiner festzulegen. Da für jeden Gleisradius<br />

verschiedene Überhöhungen möglich sind und diese das<br />

Erg<strong>eb</strong>nis des Windabtri<strong>eb</strong>es stark verändern wird es keine<br />

b-Maßtabellen in der heutigen Form mehr g<strong>eb</strong>en. Durch<br />

die Begrenzung des zulässigen Windabtri<strong>eb</strong>es von bisher<br />

550 mm auf zukünftig 400 mm werden die maximalen Längsspannweiten,<br />

die bisher 80 m sind, nicht großer als 67 m sein.<br />

Im Jahre 1974 hat man sich von der bis dahin üblichen<br />

Einteilung der Oberleitung in Nachspannungen und<br />

Strecken trennungen gelöst und nur noch ein dreifeldriges<br />

Parallelfeld kreiert, dass für Nachspannung und Streckentrennung<br />

eingesetzt werden konnte. Der Abstand der<br />

sich überlappenden Kettenwerke betrug dabei 450 mm.<br />

Dieses weite Auseinanderliegen der Kettenwerke führt<br />

durch den verringerten zulässigen Windabtri<strong>eb</strong> dazu, dass<br />

diese Parallelfelder nur noch in der Geraden und in großen<br />

Radien bis ca. 7 000 m verwendet werden können. Für<br />

kleinere Radien müsste das kostenintensivere fünffeldrige<br />

Parallelfeld verwendet werden. Da Nachspannungen<br />

deutlich öfter benötigt werden als Streckentrennungen,<br />

wird man sich hier von dem dreifeldrigen Parallelfeld<br />

verabschieden und die Nachspannungen mit einem Kettenwerksabstand<br />

von 200 mm wieder einführen müssen.<br />

Damit sind Radien bis ungefähr 1 000 m bespannbar, darunter<br />

muss man auch für die Nachspannung fünffeldrige<br />

Parallelfelder bauen.<br />

7 Ausblick<br />

Die Überarbeitung der bestehenden technischen Regelwerke<br />

muss dringend in Angriff genommen werden und<br />

wird uns auch zukünftig mit jeder Änderung der TSI<br />

beschäftigen. Die Ausgabe der TSI Energie für konventionelle<br />

Strecken wird uns zwingen, alle neu errichteten<br />

Oberleitungen für konventionelle Geschwindigkeiten<br />

nach diesen neuen Vorschriften herzustellen. Auf diese<br />

Situation müssen wir uns einstellen, die bestehenden Regelzeichnungswerke<br />

sind anzupassen.<br />

6 Auswirkungen<br />

Dipl.-Ing. (FH) Kai Schnadhorst (46), Studium an<br />

der Gesamthochschule Paderborn bis 1990, seit<br />

1991 Planungsingenieur im Bereich Fahrleitung,<br />

ab 2003 Leiter der Fahrleitungsplanung, heute<br />

Leiter Kompetenzzentrum Planung Fahrleitung<br />

bei Balfour Beatty Rail GmbH<br />

Adresse: Balfour Beatty Rail GmbH,<br />

Girardetstr. 2–38, 45131, Essen, Deutschland;<br />

Fon +49 201 87979-31, Fax: -39;<br />

E-Mail: kai.schnadhorst@bbrail.com<br />

Dipl.-Ing. (FH) Heinz Tessun (62), Studium an der<br />

Fachhochschule für Technik in Flensburg bis 1973,<br />

seit 1982 Konstruktion von Oberleitungsanlagen,<br />

ab 1988 Leiter Konstruktion und Entwicklung<br />

BBC, später ABB Henschel Bahnstromanlagen,<br />

danach Adtranz Bahnfahrwegsys teme, heute Leiter<br />

Kompetenzzentrum Fahrleitungssysteme bei<br />

Balfour Beatty Rail GmbH. Seit 1986 Mitglied in<br />

nationalen Normungsgremien der DKE, UK 351.2<br />

und AK 351.2.1 und 351.2.2 und seit 1991 in europäischen<br />

Arbeitskreisen für Oberleitungsnormung<br />

WGC1 und WGC13 von CLC SC9XC.<br />

Adresse: Balfour Beatty Rail GmbH, Garmischer<br />

Str. 35, 81373 München, Deutschland;<br />

Fon: +49 89 41999-366, Fax: -459;<br />

E-Mail: heinz.tessun@bbrail.com<br />

224 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – Zulassung und Normen<br />

Tri<strong>eb</strong>fahrzeugzulassung mithilfe der<br />

Simulation Fahrdraht/Stromabnehmer<br />

Thomas Reichmann, Johannes Raubold, Erlangen<br />

Die im Haus Siemens eingesetzte dynamische Simulation mit der Finite-Elemente-Methode<br />

(FEM) liefert zuverlässige Voraussagen zum Zusammenwirken von Oberleitungsanlagen mit<br />

Stromabnehmern, was durch eine Validierung nach EN 50318 nachgewiesen ist. Insbesondere<br />

bei der Zulassung von Tri<strong>eb</strong>zügen mit vielen Kombinationsmöglichkeiten der Stromabnehmer<br />

kann mit diesem Verfahren eine deutliche Reduzierung des Messaufwands und der damit verbundenen<br />

Kosten erreicht werden.<br />

Approval of multiple unit trains by means of the simulation of contact wire/pantograph<br />

The simulation program employed at Siemens adopting the finite element method delivers reliable<br />

findings about the dynamic interaction between pantographs and overhead contact lines<br />

and was verified by a validation according to EN 50318. In particular, a considerable reduction<br />

of measurement expenses for approval procedures of multiple unit trains with a lot of combination<br />

options for pantograph arrangements can be achieved by means of these simulations.<br />

Homologation de trains en unités multiples au moyen de simulation fil de con-tact/panto-graphe<br />

La simulation technique utilisée dans l’entreprise Siemens utilisant la méthode par éléments<br />

finis fournit des données fiables sur l’interaction entre pantographes et ligne aérienne de<br />

contact. Elle a été vérifiée par une validation conformément à l’EN 50318. Ceci concerne en particulier<br />

les procédu-res d’homologation de trains en unités multiples avec une grande diversité<br />

de combinaison de dis-tances entre pantographes. Une réduction sensible des dépenses liées<br />

aux mesures peut être at-teinte grâce à cette technique.<br />

1 Einführung<br />

1.1 Zulassung von Tri<strong>eb</strong>zügen<br />

Die TSI Energie [1] sieht als einen wesentlichen Punkt<br />

der Zulassung die Prüfung des Zusammenwirkens von<br />

Oberleitung und Stromabnehmer vor. Insbesondere bei<br />

komplexen Problemen können viele Messungen durch Simulationen<br />

ersetzt werden, woraus zwar ein zusätzlicher<br />

Aufwand für die Simulationen, aber eine deutliche Reduzierung<br />

des Aufwands für Messungen folgen.<br />

1.2 Grundlagen<br />

Die Energieübertragung zwischen Oberleitung und<br />

Stromabnehmer mit guter Qualität und hoher Zuverlässigkeit<br />

ist für den elektrischen Bahnbetri<strong>eb</strong> eine unerlässliche<br />

Voraussetzung. Um eine ausreichende und möglichst<br />

gleich hohe Qualität auch im internationalen Bahnbetri<strong>eb</strong><br />

sicherzustellen, wurden Kriterien für das Zusammenwirken<br />

zwischen Stromabnehmer und Oberleitung erarbeitet<br />

und in der TSI Energie [1] und der Norm EN 50367 [2]<br />

festgeschri<strong>eb</strong>en.<br />

Eines dieser Kriterien bilden die Kontaktkräfte zwischen<br />

Schleifstücken und Fahrdraht, die im Gegensatz zur<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

Lichtbogenerfassung zur objektiven und kontinuierlichen<br />

Bewertung der Qualität von Energieübertragungssystemen<br />

geeignet sind. Sie können sowohl durch Simulation<br />

berechnet als auch im Betri<strong>eb</strong> gemessen werden.<br />

Oberleitungen und Stromabnehmer sind elastische,<br />

schwingungsfähige Komponenten, deren Kontaktkräfte<br />

beim Zusammenwirken durch Simulationen zuverlässig<br />

berechnet werden können. Die hier beschri<strong>eb</strong>enen Simulationen<br />

verwenden die Finite-Elemente-Methode (FEM),<br />

wie dies auch die UIC 794 V [3] empfiehlt.<br />

1.3 Modellierung des Stromabnehmers<br />

Das Stromabnehmermodell (Bild 1) besteht aus drei übereinander<br />

angeordneten Massen m 0<br />

bis m 2<br />

, die durch<br />

Federelemente verbunden sind und nur einen vertikalen<br />

Freiheitsgrad haben. Die Federelemente besitzen eine<br />

konstante Steifigkeit K, eine Dämpfung C und eine Reibung<br />

F. Der Einwirkpunkt der statischen Kraft ist die<br />

Masse m 2<br />

, die aerodynamische Kraft wirkt auf die Masse<br />

m 1<br />

und die aerodynamische Korrekturkraft auf die Masse<br />

m 0<br />

. Da dieses Dreimassenmodell in vielen Simulationssystemen<br />

eingesetzt wird, gibt es Parametersätze für viele<br />

Stromabnehmertypen. Es erfüllt die Anforderungen für<br />

die Validierung nach EN 50318 [4].<br />

225


Zulassung und Normen – acrps 2011<br />

1.4 Modellierung der Oberleitung<br />

Das Oberleitungsmodell besteht nicht aus einzelnen<br />

Punktmassen und Federn, deren Parameter angepasst<br />

werden müssen, sondern bildet mit mass<strong>eb</strong>ehafteten<br />

elastischen Elementen das Kettenwerk diskret nach. Es<br />

können daher alle Baugruppen und Bauelemente einer<br />

Oberleitung detailgetreu beschri<strong>eb</strong>en werden, beispielsweise<br />

ein im Y-Beiseil aufgehängter Stützrohrhänger<br />

(Bild 2). Da die manuelle Modellgenerierung bei unregelmäßigen<br />

Kettenwerken aufwändig ist, wurde für das Projektierungsprogramm<br />

Sicat ® Master [5] eine Schnittstelle<br />

geschaffen, welche die Daten für die Kettenwerke der<br />

jeweiligen Strecke bereitstellt.<br />

Bild 2: FEM-Modell mit Stützrohrhänger im Y-Beiseil.<br />

Bild 1: Stromabnehmermodell.<br />

m 0<br />

, m 1<br />

, m 2<br />

Ersatzmasse<br />

C 0<br />

, C 1<br />

, C 2<br />

Dämpfung<br />

K 0<br />

, K 1<br />

, K 2<br />

Federkonstante<br />

F 0<br />

, F 1<br />

, F 2<br />

Reibungswerte<br />

1.5 Kontaktkraftsimulation<br />

Eine Übersicht über den Ablauf der Kontaktkraftsimulation<br />

zeigt Bild 3. Die zur Beschreibung des Kettenwerks benötigte,<br />

durch Kräfte und Zwangspunkte definierte Geometrie<br />

und die Materialeigenschaften werden mithilfe einer<br />

Makrosprache eingeg<strong>eb</strong>en. Die Koordinaten der Zwangspunkte<br />

werden programmintern geprüft und geg<strong>eb</strong>enenfalls<br />

korrigiert, bis das Kettenwerksmodell sich präzise im<br />

statischen Gleichgewicht befindet. Ausgehend von diesem<br />

Gleichgewichtszustand kann die Befahrung unter folgenden<br />

vorgeg<strong>eb</strong>enen Bedingungen simuliert werden:<br />

• Fahrgeschwindigkeit<br />

• Zahl und Abstand der Strom abnehmer<br />

• Kräfte auf die Stromabnehmer<br />

Bild 4 zeigt die Erg<strong>eb</strong>nisse der Simulationsrechnung:<br />

Oben ist das FEM-Modell eines Streckenausschnitts mit einer<br />

dreifeldrigen Nachspannung dargestellt. Darunter sind Kontaktkraft<br />

F und Fahrdrahtanhub y als Funktion der Stromabnehmerposition<br />

aufgetragen. Zur Zuordnung der Werte<br />

zu den Kettenwerkspositionen sind an den Stützpunkten<br />

durchgezogene und an den Hängerorten gestrichelte vertikale<br />

Gitterlinien ang<strong>eb</strong>racht.<br />

Die Erg<strong>eb</strong>nisse werden mit den statistischen Kennwerten,<br />

die in der TSI Energie [1] und der Norm EN 50367 [2]<br />

festgelegt sind, bewertet:<br />

• Qualität der Stromabnahme: TSI-Kriterium σ < 0,3 F m<br />

,<br />

Minimalkraft F min<br />

> 0 und Maximalkraft F max<br />

< F m<br />

+ 3*σ<br />

• Sicherheit: Anhub S 0<br />

am Fahrdrahtseitenhalter<br />

2*S 0<br />

< S konstruktiv<br />

1.6 Validierung des Simu lationsverfahrens<br />

Um Vertrauen in die Erg<strong>eb</strong>nisse von Simulationen des Zusammenwirkens<br />

von Oberleitung und Stromabnehmer zu<br />

schaffen und diese auch für den Nachweis der Konformität<br />

verwenden zu können, ist es notwendig, die benutzten<br />

Simulationsverfahren zu validieren. CENELEC hat hierfür<br />

die Norm EN 50318 [4] erstellt, die die funktionalen<br />

und zahlenmäßigen Anforderungen für die gegenseitige<br />

Akzeptanz der Simulationsverfahren enthält, die von dem<br />

hier beschri<strong>eb</strong>enen Verfahren erfüllt werden [6].<br />

Nach EN 50318 sind für die Validierung zwei Schritte<br />

vorgesehen. Im ersten Schritt wird das in der Norm vorgeg<strong>eb</strong>ene<br />

Referenzmodell bei Befahrungen mit 250 km/h und<br />

300 km/h berechnet und mit den in der Norm genannten<br />

Wert<strong>eb</strong>ereichen verglichen. Erfüllen die Erg<strong>eb</strong>nisse der<br />

Simulation alle erforderlichen Kriterien, ist das eingesetzte<br />

Verfahren generell für Simulation des Zusammenwirkens<br />

im Hinblick auf die Bewertung der Konformität geeignet.<br />

In einem zweiten Schritt der Validierung wird vorgeschri<strong>eb</strong>en,<br />

wie die Simulationserg<strong>eb</strong>nisse mit Kontaktkraftmessungen<br />

auf einer realen Strecke zu vergleichen<br />

sind. Hier ist im Wesentlichen gefordert, dass die errechnete<br />

Standardabweichung σ der Kontaktkraft und der errechnete<br />

maximale Anhub am Stützpunkt von den gemessenen<br />

Werten um nicht mehr als 20 % abweichen dürfen.<br />

226 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – Zulassung und Normen<br />

2 Fahrzeugzulassungen<br />

2.1 Ausgangssituation<br />

Wenn mehr als ein Stromabnehmer<br />

eingesetzt wird, wirken die nachlaufenden<br />

Stromabnehmer mit einem<br />

bewegten Fahrdraht zusammen, was<br />

im Allgemeinen zu einer Verschlechterung<br />

der Befahreigenschaften<br />

führt. Insbesondere bei der Zulassung<br />

von Tri<strong>eb</strong>zügen ergibt sich ein<br />

hoher Aufwand für den Nachweis<br />

der Konformität, da im Prinzip alle<br />

möglichen Kombinationen von Zugelementen<br />

und damit unterschiedlichen<br />

Stromabnehmeranordnungen<br />

geprüft werden müssen.<br />

Für den Nachweis der Konformität<br />

eröffnet die EN 50119 [7] die<br />

Möglichkeit, Simulationen anzuwenden,<br />

wobei auf die technischen<br />

Kriterien für das Zusammenwirken<br />

von Stromabnehmer und Oberleitung<br />

für den freien Netzzugang zur<br />

Bahninfrastruktur der EN 50367 [2]<br />

verwiesen wird. Eine ausgeführte<br />

Oberleitung muss als übereinstimmend<br />

mit den Anforderungen dieser<br />

Norm betrachtet werden, wenn<br />

im Wesentlichen folgende Punkte<br />

erfüllt sind:<br />

• Es können Computersimulationen<br />

und/oder Befahrungsprüfungen<br />

durchgeführt werden.<br />

• Das Simulationsprogramm muss<br />

in Übereinstimmung mit EN 50318<br />

bestätigt sein (Schritt 1) und<br />

durch Vergleich mit Erg<strong>eb</strong>nissen<br />

von Streckenbefahrungen validiert<br />

werden (Schritt 2).<br />

• Die Messungen müssen in Übereinstimmung<br />

mit EN 50317 [8]<br />

durchgeführt werden.<br />

• Für einen Zug mit mehreren<br />

Stromabnehmern muss das Leistungsvermögen<br />

jedes Stromabnehmers<br />

einzeln und im gleichzeitigen<br />

Zusammenwirken be wertet<br />

werden.<br />

Durch die dynamische Simulation<br />

können die kritischen Kombinationen<br />

identifiziert werden. Je nach<br />

Absprache mit der benannten Stelle<br />

kann eine Kombination zwischen realen<br />

Messungen und Simulationen<br />

vereinbart werden, um den Zulassungsaufwand<br />

zu reduzieren.<br />

Bild 3: Übersicht über den Ablauf der Simulation mit FEM.<br />

Bild 4: Erg<strong>eb</strong>nisse der dynamischen Simulation: Verlauf von Kontaktkraft und Fahrdraht anhub.<br />

Bild 5: Kontaktkraftverläufe für vorlaufenden (blau) und nachlaufenden Stromabnehmer (rot).<br />

a) Stützpunktabstand 250 m b) Stützpunktabstand 125 m<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

227


Zulassung und Normen – acrps 2011<br />

2.2 Mehrere anliegende Stromabnehmer<br />

Bild 6: Streuung der Kontaktkräfte für vorlaufenden (blau) und nachlaufenden Stromabnehmer (rot).<br />

a) Stützpunktabstand 250 m b) Stützpunktabstand 125 m<br />

Bild 7: Bewertungsgrößen der Befahrqualität in Doppeltraktion für den vorlaufenden (blau)<br />

und den nachlaufenden (rot) Stromabnehmer, zusammen mit Grenzwerten (schwarz).<br />

a) TSI-Kriterium b) Maximum der Kontaktkraft<br />

c) Minimum der Kontaktkraft d) Maximaler Anhub am Stützpunkt<br />

Die Stromabnahme über mehrere Stromabnehmer wird im<br />

Folgenden exemplarisch für zwei Stromabnehmer erläutert.<br />

Die dabei dargestellten Zusammenhänge gelten für das hierfür<br />

untersuchte Kettenwerk mit einem festen Mastabstand<br />

und dem eingesetzten Stromabnehmertyp bei 350 km/h Geschwindigkeit.<br />

Sie belegen den großen Einfluss des Stromabnehmerabstandes<br />

auf die Befahrqualität.<br />

In Bild 5 sind die Kontaktkraftverläufe bei 250 m (a) und<br />

125 m (b) Stromabnehmerabstand dargestellt. Zunächst ist<br />

zu beobachten, dass die blau dargestellten Kraftverläufe für<br />

den vorlaufenden Stromabnehmer fast identisch sind. Die rot<br />

dargestellten Verläufe für den jeweils nachlaufenden Stromabnehmer<br />

weisen jedoch erh<strong>eb</strong>liche<br />

Unterschiede auf: Das obere Diagramm<br />

zeigt große Kraftschwankungen, während<br />

die Bandbreite der Kontaktkraft<br />

im unteren Diagramm nur unwesentlich<br />

größer ist als beim vorlaufenden<br />

Stromabnehmer. Um dies quantitativ<br />

zu erfassen, werden die in Bild 6 dargestellten<br />

Häufigkeiten der auftretenden<br />

Kontaktkräfte herangezogen, aus<br />

denen die Standardabweichung σ und<br />

das dynamische Maximum F m<br />

+ 3*σ berechnet<br />

werden.<br />

In Bild 7 sind die Bewertungsgrößen<br />

in Abhängigkeit vom Stromabnehmerabstand<br />

für den Bereich von<br />

20 m bis 295 m zusammengestellt.<br />

Beim TSI-Kriterium und beim Maximum<br />

der Kontaktkraft sind die jeweiligen<br />

Grenzwerte beigefügt, beim<br />

Minimum der Kontaktkraft und dem<br />

Maximalen Anhub am Stützpunkt<br />

fallen diese Grenzwerte mit dem Minimalwert<br />

beziehungsweise dem Maximalwert<br />

der y-Achse zusammen.<br />

Bei allen Bewertungsgrößen ist zu<br />

erkennen, dass der Einfluss des Stromabnehmerabstands<br />

beim vorlaufenden<br />

Stromabnehmer oberhalb 100 m<br />

zu vernachlässigen ist, während beim<br />

nachlaufenden Stromabnehmer enorme<br />

Unterschiede auftreten. Bei der für<br />

dieses Beispiel ausgewählten Konfiguration<br />

von Oberleitung, Stromabnehmertyp<br />

und Geschwindigkeit werden<br />

beim vorlaufenden Stromabnehmer<br />

alle Kriterien eingehalten. Festzustellen<br />

ist auch, dass nur in vereinzelten Fällen<br />

beim nachlaufenden Stromabnehmer<br />

bessere Kraftkennwerte auftreten als<br />

beim vorlaufenden Stromabnehmer.<br />

Für die einzelnen Bewertungsgrößen<br />

des nachlaufenden Stromabnehmers<br />

können darüber hinaus folgende Aussagen<br />

getroffen werden:<br />

• TSI-Kriterium 0,3 F m<br />

- σ > 0: Das<br />

Kriterium wird in fast der Hälfte<br />

der Fälle erfüllt.<br />

• Dynamisches Maximum der Kontaktkraft<br />

F m<br />

+ 3*σ: Der Grenzwert,<br />

hier: 350 N, wird nur in etwa einem<br />

Viertel der Fälle eingehalten.<br />

228 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – Zulassung und Normen<br />

Bild 8: Berechnungsfälle bei Einfach traktion<br />

für Zweiteiler, Dreiteiler und Vierteiler;<br />

Fahrtrichtung nach rechts.<br />

Fall 1 bis 3 Spießgang<br />

Fall 4 bis 6 Kniegang<br />

• Minimum der Kontaktkraft F > 0: Der Grenzwert wird<br />

in allen Fällen eingehalten.<br />

• Maximaler Anhub am Stützpunkt S 0<br />

< 0,5 S konstruktiv<br />

: Der<br />

Grenzwert, hier 100 mm, wird auch hier in allen Fällen<br />

eingehalten.<br />

2.3 Kombinatorik von Zugelementen<br />

Anhand von Bild 8 wird zunächst aufgezeigt, wie viele<br />

Berechnungsfälle sich bereits bei einem aktiven Stromabnehmer<br />

erg<strong>eb</strong>en, wenn drei verschiedene Zuglängen zum<br />

Einsatz kommen. Die aktiven Tri<strong>eb</strong>wagen sind durch dunklere<br />

Farben und einen angehobenen Stromabnehmer gekennzeichnet,<br />

die Züge fahren nach rechts. Die oberen drei Zeilen<br />

zeigen den gleichen Berechnungsfall, da davon ausgegangen<br />

wird, dass nachfolgende Wagen keinen Einfluss auf die<br />

Anströmung und damit auf die aerodynamischen Kräfte auf<br />

den Stromabnehmer haben. In den drei unteren Zeilen dagegen<br />

ist mit unterschiedlichen Kräften zu rechnen, da sich die<br />

Anströmung wegen der zusätzlichen Wagen verändern wird.<br />

Insgesamt treten also vier zu unterscheidende Fälle auf.<br />

Tabelle 1 zeigt die Anzahl der Kombinationsmöglichkeiten<br />

von Zugelementen in Abhängigkeit von der Zahl der<br />

Stromabnehmer und der Anzahl der verschiedenartigen<br />

Zugelemente. Am Beispiel des gemischten Einsatzes von<br />

Zweiteilern, Dreiteilern und Vierteilern, wie es die flexible<br />

Siemens Fahrzeugplattform Desiro ML bietet, soll belegt<br />

werden, durch welche Überlegungen die Anzahl der Kombinationen<br />

eingeschränkt werden kann:<br />

• Ohne Berücksichtigung äquivalenter Kombinationen<br />

ergäben sich für drei aktive Stromabnehmer 6 3 = 216<br />

Fälle und für vier aktive Stromabnehmer 6 4 = 1 296 Fälle.<br />

• Einige Kombinationen entfallen, weil die Zahl der Wagen<br />

hinter dem letzten Stromabnehmer keinen Einfluss<br />

auf die Befahrgüte hat.<br />

• Weitere Kombinationen entfallen, wie durch die farbliche<br />

Unterlegung in Bild 8 gezeigt, da beim Zusammenkuppeln<br />

eines Zweiteilers mit einem Vierteiler (blau:<br />

Fall 6+1) die selbe Konfiguration vorliegt wie beim<br />

Zusammenkuppeln zweier Dreiteiler (rot: Fall 5+2).<br />

Insgesamt erg<strong>eb</strong>en sich bei drei Stromabnehmern dennoch<br />

bereits 104 Fälle, bei vier Stromabnehmern sind es<br />

544 Fälle. Alle diese Möglichkeiten messtechnisch zu untersuchen,<br />

wäre mit einem enormen Aufwand verbunden<br />

und schon bei fünf Stromabnehmern mit 2 881 Varianten<br />

nicht mehr durchführbar.<br />

2.4 Beispiel Deutschland<br />

Bei der Zulassung der Desiro ML-Fahrzeugplattform bestand<br />

die Anforderung, das Zusammenwirken zwischen<br />

Fahrleitung und Stromabnehmer mittels eines Prüfberichts<br />

mit zusammenfassender Bewertung durch den Prüfverantwortlichen<br />

der Prüfstelle bezüglich des maximalen Anhubs<br />

am Fahrdrahtseitenhalter nachzuweisen. Hier konnte der<br />

Umfang der durchzuführenden Messfahrten mithilfe der<br />

Simulation deutlich reduziert werden.<br />

Wir sind offen<br />

für Ihre Fragen.<br />

Unsere Kernkraftwerke in Baden-Württemberg<br />

pflegen seit ihrer Errichtung vertrauensvolle Beziehungen<br />

zu ihren Nachbar gemeinden. Wir sind stolz<br />

auf die breite, jahrzehntelange Akzeptanz von KWO,<br />

GKN und KKP.<br />

Wir wissen aber auch, dass der Betri<strong>eb</strong> der Kernkraftwerke<br />

immer wieder Fragen aufwirft und für<br />

Diskussionen sorgt. Dem stellen wir uns. Wenn Sie<br />

etwas wissen möchten über Strom erzeugung, über<br />

Sicherheit und Strahlenschutz oder über Entsorgung,<br />

dann sprechen Sie uns an.<br />

Wir informieren Sie gerne.<br />

Kernkraftwerk Neckarwestheim – GKN<br />

Im Steinbruch<br />

74382 Neckarwestheim<br />

Telefon 0 71 33 / 13-23297<br />

infocenter-neckarwestheim@enbw.com<br />

www.enbw.com/gkn<br />

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<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

229<br />

Unbenannt-6 1 03.05.11 09:55


Zulassung und Normen – acrps 2011<br />

Tabelle 1: Anzahl der Kombinationsmöglichkeiten von Zugelementen<br />

in Abhängigkeit von der Zahl der Stromabnehmer<br />

und der Zahl verschiedenartiger Zugelemente.<br />

Anzahl Stromabnehmer<br />

Eine Zugart Zwei Zugarten 2-, 3- und 4-Teiler<br />

1 2 3 4<br />

2 4 11 20<br />

3 8 41 104<br />

4 16 153 544<br />

5 32 571 2881<br />

Auch in anderen Ländern konnten durch den Einsatz von<br />

Simulationsrechnungen die kritischen Varianten bezüglich<br />

Kontaktkraft und Anhub der Oberleitung identifiziert werden,<br />

die mittels Messungen überprüft werden müssen.<br />

3 Verkürztes Zulassungsverfahren<br />

3.1 Vergleich Messung – Simulation<br />

Im ersten Schritt werden für eine ausgewählte Strecke<br />

und mit einer oder mehreren Konfigurationen Simulationsrechnungen<br />

und Messfahrten durchgeführt. Sollten<br />

die Erg<strong>eb</strong>nisse eine nach EN 50318 [4] genügende Übereinstimmung<br />

aufweisen, kann der nächste Schritt übersprungen<br />

werden.<br />

3.2 Verifikation und Parameteranpassung<br />

an Realität<br />

Eine ausreichende Übereinstimmung der Erg<strong>eb</strong>nisse von<br />

Simulation und Messung kann erreicht werden, indem<br />

einige Parameter des Simulationsmodells angepasst werden.<br />

Beispiele hierfür sind:<br />

• Abnutzung des Fahrdrahts: Im Laufe der Jahre führt<br />

die akkumulierte Abnutzung zu einer veränderten<br />

Höhenlage, sofern dies nicht durch eine Verringerung<br />

der Nachspanngewichte für das Tragseil kompensiert<br />

wird. Die unterschiedliche Abnutzung in Feldmitte und<br />

an den Stützpunkten führt zu einem wellenförmigen<br />

Höhenverlauf, was sich erh<strong>eb</strong>lich auf die Befahreigenschaften<br />

auswirken kann.<br />

• Aerodynamische Kräfte: Die Messung der Kräfte am<br />

Stromabnehmer wird in den meisten Fällen mit nur<br />

einem aktiven Stromabnehmer vorgenommen. Durch<br />

Verwirbelung auf dem Dach des Zuges stellen sich für<br />

nachlaufende Stromabnehmer jedoch Abweichungen<br />

ein, die bei der Simulation durch entsprechende Korrekturen<br />

berücksichtigt werden können.<br />

3.3 Variantenrechnungen<br />

In diesem Schritt werden Simulationsrechnungen für alle<br />

Varianten durchgeführt und deren Erg<strong>eb</strong>nisse bewertet.<br />

Auf diese Weise können die kritischen Kombinationen<br />

identifiziert werden.<br />

3.4 Messtechnische Untersuchung<br />

kritischer Varianten<br />

In Absprache mit der benannten Stelle oder der Zulassungsbehörde<br />

kann eine Kombination zwischen realen<br />

Messungen und Simulationen vereinbart werden. Dieser<br />

Vorgehensweise liegt die Überlegung zugrunde, dass<br />

bei Übereinstimmung der Simulationserg<strong>eb</strong>nisse mit den<br />

Messungen für die kritischen Varianten die in der Simulation<br />

weniger kritischen Varianten auch in der Realität<br />

weniger kritisch sind.<br />

Literatur<br />

[1] TSI Energie: Technische Spezifikation für die Interoperabilität<br />

des Teilsystems „Energie“ des transeuropäischen Hochgeschwindigkeitsbahnsystems.<br />

In: Amtsblatt der Europäischen<br />

Union 14.4.2008, Seite L104/1 bis L104/79.<br />

[2] EN 50367:2006: Bahnanwendungen – Zusammenwirken der<br />

Systeme – Technische Kriterien für das Zusammenwirken<br />

zwischen Stromabnehmer und Oberleitung für einen freien<br />

Zugang.<br />

[3] UIC 794 V: Zusammenwirken Stromabnehmer/Oberleitung<br />

im europäischen Hochgeschwindigkeitsnetz, Internationaler<br />

Eisenbahnverband 01.01.96, Seite 8.<br />

[4] EN 50318:2003-04: Bahnanwendungen – Stromabnahmesysteme<br />

– Validierung von Simulationssystemen für das dynamische<br />

Zusammenwirken zwischen Stromabnehmer und Oberleitung.<br />

[5] Burkert, W.; Puschmann, R.: System zur interaktiven Projektierung<br />

von Oberleitungsanlagen. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 93<br />

(1995), H. 3, S.103-109.<br />

[6] Reichmann, Th.: Simulation des Systems Oberleitungskettenwerk<br />

und Stromabnehmer mit der Finite-Elemente-Methode.<br />

In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 103 (2005), H. 1-2, S. 69–75.<br />

[7] EN 50119:2009: Bahnanwendungen – Ortsfeste Anlagen –<br />

Oberleitungen für den elektrischen Zugbetri<strong>eb</strong>.<br />

[8] EN 50317:2002: Bahnanwendungen – Stromabnahmesysteme<br />

– Anforderungen und Validierung von Messungen des dynamischen<br />

Zusammenwirkens zwischen Stromabnehmer und<br />

Oberleitung.<br />

Dr.-Ing. Dipl.-Phys. Thomas Reichmann (52),<br />

Studium an der Friedrich-Alexander-Universität<br />

Erlangen-Nürnberg; seit 1999 Mitarbeiter der<br />

Siemens AG, Erlangen, Geschäftsg<strong>eb</strong>iet<br />

Complete Transportation, Bereich Engineering,<br />

Development.<br />

Adresse: Siemens AG, Industry Sector, Mobility<br />

Division, Complete Transportation, Mozartstr.<br />

33b, 91052 Erlangen, Deutschland;<br />

Fon: +49 9131 7-26822, Fax: +49 9131 828-26822;<br />

E-Mail: thomas.reichmann@siemens.com<br />

Dipl.-Ing. Johannes Raubold (32), Studium an<br />

der Technischen Universität Berlin; seit 2007<br />

Mitarbeiter der Siemens AG, Erlangen,<br />

Geschäftsg<strong>eb</strong>iet Rolling Stock, Bereich Zulassung.<br />

Adresse: Siemens AG, Industry Sector, Mobility<br />

Division, Rolling Stock, Werner-von-Siemens-<br />

Str. 69, 91052 Erlangen, Deutschland;<br />

Fon: +49 9131 7-21978, Fax: -27269;<br />

E-Mail: johannes.raubold@siemens.com<br />

230 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – Zulassung und Normen<br />

Konformität der DB-Richtlinie 997.02<br />

mit 0122-1<br />

Christian Budde, Frankfurt am Main; Gerhard Hofmann, Jan Thiemig,<br />

Dresden; Lutz Westphal, Berlin<br />

Die Erdungs- und Rückstromanlagen bei der Deutschen Bahn werden nach deren Richtlinien<br />

errichtet und betri<strong>eb</strong>en. Die Technische Spezifikation für die Interoperabilität des Teilsystems<br />

Energie machte es erforderlich, die Konformität dieser Richtlinien zu den europäischen Normen<br />

zu prüfen. Bei dieser Konformitätsprüfung sind die Besonderheiten der elektrischen Bahnanlagen<br />

in Deutschland zu betrachten und die Bedingungen zur Einhaltung des Schutzes gegen<br />

elektrischen Schlag abzuleiten.<br />

Conformity of DB Guideline 997.02 with 0122-1<br />

The earthing and bonding systems of Deutsche Bahn are installed and operated on the basis of<br />

their own guidelines. The technical specification concerning the interoperability of the Energy<br />

sub-system makes it necessary to check if these guidelines are in conformity with the European<br />

norms. In such conformity check, it is imperative to take into account the particularities of the<br />

traction systems in Germany, and to derive the conditions required to maintain protection<br />

against electric shocks.<br />

Conformité de la directive DB 997.02 avec la norme 0122-1<br />

Les installations de mise à la terre et de courant de retour de la Deutsche Bahn sont construites<br />

et exploitées conformément à ses directives. Les spécifications techniques pour l’interopérabilité<br />

du sous-système Energie requièrent une vérification de la conformité de ces directives avec les<br />

normes européennes. Lors de cet examen de conformité, on tiendra compte des particularités<br />

des installations électriques de chemin de fer en Allemagne pour déterminer les conditions nécessaires<br />

à la protection contre les chocs électriques.<br />

1 Einführung<br />

Das Energieversorgungssystem der Deutschen Bahn (DB)<br />

ist ähnlich der anderen europäischen <strong>Bahnen</strong> aufg<strong>eb</strong>aut.<br />

Die Energie wird vom Unterwerk mittels Oberleitung zu<br />

den Lokomotiven übertragen. Die Rückstromführung wird<br />

durch die zwei parallel vorhandenen Rückstromwege sicher<br />

gestellt: Fahrschienen und/oder Rückleiterseil. Das geerdete<br />

System der Fahrschienen sichert die Einhaltung der Schienenpotenziale.<br />

Dieses Rückleitungssystem der Traktionsströme<br />

ist stark geprägt von den Stromverhältnissen zueinander.<br />

Früher waren die Gleise als Hauptableiter zum Erdreich<br />

zu betrachten. Heute hat sich diese Voraussetzung grundlegend<br />

geändert. Der moderne Gleisbau erfordert neue<br />

Erdungsmethoden, um dem elektrischen Betri<strong>eb</strong> mit seinen<br />

hohen energetischen Anforderungen gerecht zu werden.<br />

2 Rückleitungssystem der<br />

Deutschen Bahn<br />

Durch den hoch isolierten Oberbau des modernen Gleisbettes<br />

treten die Erdungsmaßnahmen über die Oberleitungsmasten<br />

immer mehr in den Vordergrund. Heute stellen<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

die Masterden die eigentliche Verbindung vom Gleis zur<br />

Erde dar. Dabei stellt sich in etwa ein Verhältnis von 1:1<br />

der Rückströme in den Schienen im Verhältnis zu den Rückströmen<br />

im Erdreich ein. Dieses Verhältnis ist abhängig von<br />

der Kopplung der einzelnen Schleifen (Bild 1). Bei Hochleistungsstrecken<br />

wäre die alleinige Erdung der Rückleitung<br />

sehr aufwändig geworden, um die Schienenpotenziale<br />

auf ein zulässiges Maß zu begrenzen. Hier wurden separate<br />

Rückleiter notwendig. Die spezielle Anordnung der<br />

Rückleiter am Mast in der Nähe zur Fahrleitung bewirkt<br />

durch die induktive Kopplung einen zusätzlichen positiven<br />

Effekt, sodass sich das Verhältnis der Ströme in etwa zu je<br />

einem Drittel in den Fahrschienen, dem Erdreich und den<br />

Rückleitern einstellt. Durch den so reduzierten Gleis-Erde-<br />

Strom können die Anforderungen an die Erdungsanlage<br />

in akzeptablen Grenzen gehalten werden, ohne dass die<br />

zulässigen Gleis-Erde-Potenziale überschritten werden.<br />

Bild 1 zeigt den schematischen Aufbau einer Energieversorgung<br />

mit Rückleitern und deren prinzipiellen<br />

Stromflüssen.<br />

Auch wenn das Erdreich als idealer Leiter angenommen<br />

wird, entstehen im Bereich der Übergangslänge durch die<br />

Widerstandsverhältnisse auf Grundlage des ohmschen<br />

Gesetzes Potenzialunterschiede zwischen den einzelnen<br />

Rückleitern, den Fahrschienen und dem Erdreich. Durch<br />

231


Zulassung und Normen – acrps 2011<br />

3 Definition der Spannungen<br />

nach 0122-1<br />

Bild 1: Stromkreis bei einer Wechselstrombahn.<br />

die direkte galvanische Verbindung der Rückleiterseile<br />

mit den Fahrschienen kann dieser Potenzialunterschied<br />

vernachlässigt werden. Zwischen der geerdeten<br />

Fahrschiene und dem Erdreich ist der Potenzialunterschied<br />

jedoch nicht vernachlässigbar, da schon bei kleinen<br />

Erdübergangswiderständen, also guten Ableitungen, eine<br />

Spannung entsteht. Diese Spannung ist bekanntermaßen<br />

als Schienenpotenzial definiert.<br />

Bild 2: Schienenpotenzial quer zum Gleis nach [1].<br />

Die europäische Norm 0122-<br />

1:1997 [1] geht vom maximal in<br />

die Fahrschiene eingespeisten Betri<strong>eb</strong>s-<br />

oder Kurzschlussstrom an<br />

der zu untersuchenden Stelle aus,<br />

zum Beispiel am Fahrzeug, und<br />

definiert den Spannungsunterschied<br />

zwischen den Fahrschienen<br />

und dem leitfähigen Erdreich als<br />

Schienenpotenzial. Dieses Schienenpotenzial<br />

wird in Abhängigkeit<br />

von den örtlichen Erdwiderstandsverhältnissen<br />

längs der<br />

Strecke bis zum Bereich der ausgeglichenen<br />

Stromverteilung und<br />

quer zur Strecke über das Erdreich<br />

abg<strong>eb</strong>aut.<br />

Es entsteht ein Spannungstrichter<br />

mit einem den exponentiellen Verlauf von der<br />

Fahrschiene (Punkt R) und den zum allgemeinen Erdpotenzial<br />

(Punkt E). Der Verlauf des Schienenpotenzials<br />

quer zur Strecke ist im Bild 2 dargestellt. Als Teil des<br />

Schienenpotenzials werden zwei weitere Spannungsarten<br />

definiert, die als abgreifbare Spannung und Berührungsspannung<br />

bezeichnet werden. Die abgreifbare<br />

Spannung ist der Teil des Schienenpotenzials, der im<br />

Abstand von 1 m zum berührbaren Teil während des<br />

normalen Betri<strong>eb</strong>es vom Menschen überbrückt werden<br />

kann. Sie ist im Bild 2 als Spannung zwischen den Punkten<br />

R und P dargestellt und als dauernde Spannung auf<br />

60 V Wechselspannung begrenzt.<br />

Die Berührungsspannung ist als Spannung zwischen<br />

gleichzeitig berührbaren Teilen im Fehlerfall definiert.<br />

Sie ist direkt von den Abschaltzeiten der Schutzeinrichtungen<br />

abhängig. Die Abschaltzeit des fehlerbehafteten<br />

Oberleitungsabschnittes ist laut Richtlinie 810.0241<br />

„Technischer Netzzugang für Fahrzeuge; Kompatibilität<br />

mit den Anforderungen des Netzes“ [2] auf maximal<br />

100 ms begrenzt. Die Richtlinie 997.02 [3] schränkt diese<br />

Zeit grundsätzlich auf maximal 60 ms ein. Hieraus resultierend,<br />

ist eine kurzzeitige Berührungsspannung von<br />

916 V Wechselspannung gemäß Tabelle 2 des Absatzes<br />

7.2.1 der 0122-1 möglich.<br />

4 Gestaltung des geerdeten<br />

Rückleitungssystems<br />

Bild 3: Schienenpotenzial entlang einer zweiseitig gespeisten Strecke<br />

mit einem Zug.<br />

Das Rückleitungssystem ist ein komplexes G<strong>eb</strong>ilde aller<br />

an der Rückleitung des Traktionsstroms beteiligten<br />

Stromwege. Dieses G<strong>eb</strong>ilde ist von vielen Faktoren abhängig,<br />

die direkt oder indirekt auf den Stromfluss Einfluss<br />

nehmen. Ein Hauptparameter ist der Traktionsstrom<br />

selbst. Die Richtlinie 997.02 [3] der DB geht von einem<br />

Strom je Zug aus.<br />

232 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


Zulassung und Normen<br />

Ein direkter Bezug zwischen dem Traktionsstrom der<br />

Lokomotive und dem Strom, der in die Erde fließt, ist<br />

wie oben beschri<strong>eb</strong>en möglich. An diesem momentanen<br />

Ort der Lokomotive stellt sich auch der Spitzenwert des<br />

Potenzialverlaufes dar. Durch die steigenden Oberströme<br />

der Tri<strong>eb</strong>fahrzeuge erg<strong>eb</strong>en sich auch höhere Anforderungen<br />

an das Erdungssystem. Die Einhaltung der Schienenpotenziale,<br />

die die Grundlage der Berührungs- und<br />

abgreifbaren Spannungen bildet, gewinnt immer mehr<br />

an Bedeutung. Es sind heute zum Teil aufwändigere Methoden<br />

und Maßnahmen zur Einhaltung der Spannungsdifferenzen<br />

notwendig als vor 50 Jahren. Stellvertretend<br />

sollen hier nur die Rückleiterseile an den Masten genannt<br />

werden, die sich als Standard für Hochleistungsstrecken<br />

durchgesetzt haben.<br />

Im Bild 3 ist der Verlauf des Schienenpotenzials auf<br />

einer zweiseitig eingespeisten Strecke dargestellt. Die am<br />

Belastungsort des Zuges vorhandene Potenzialspitze teilt<br />

sich in zwei Potenzialspitzen am Einspeiseort auf, die sich<br />

proportional zu den Einspeiseströmen der Unterwerke<br />

verhalten. Aus der Studie zur Konformität der 0122-<br />

1:1997 zur DB-Richtlinie 997.02 [4] ist ersichtlich, dass<br />

die Erhöhung der Anzahl der Züge nicht zur Erhöhung<br />

der Spitzenwerte des Schienenpotenzials bei Vorbeifahrt<br />

des Zuges führt, jedoch aber zur Erhöhung der Grundbelastung.<br />

Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass sich der<br />

zweite Zug noch im Einflussbereich (Übergangslänge) des<br />

ersten Zuges befindet. Wenn dies der Fall ist, muss das<br />

Minimum des wirksamen Anteils des Schienenpotenzials<br />

zwischen den Zügen unterhalb des zulässigen Dauergrenzwertes<br />

von 60 V liegen.<br />

Das Bild 4 zeigt aus der Simulation einer zweiseitig eingespeisten<br />

Strecke mit drei Zügen den Potenzialverlauf<br />

entlang der Strecke, der sich bei der Annahme von homogenen<br />

Bodenverhältnissen einstellt.<br />

Um die Einhaltung dieser maximal zulässigen Spannung<br />

zu gewährleisten, ist eine ausreichende Ableitung in<br />

das Erdreich zwingend erforderlich. Dieses kann auf verschiedenen<br />

Wegen erreicht werden, einerseits kann die<br />

Stromverteilung durch zusätzliche Leiter, wie Rückleiter<br />

am Mast, günstig beeinflusst werden, andererseits kann<br />

auch die Ableitung in das Erdreich verbessert werden.<br />

Dazu ist der Erdableitwiderstand zwischen der Schiene<br />

und dem Erdreich auf einen ausreichenden Wert zu verringern.<br />

Dies kann durch das Einbringen von zusätzlichen<br />

Erdern, wie zum Beispiel bei der Errichtung von Bauwerken<br />

oder dem Einbringen von Bandeisen entlang der Strecke,<br />

erreicht werden. Als optimal ist die Kombination von<br />

beiden Wegen anzusehen.<br />

Eine weitere Möglichkeit der positiven Beeinflussung<br />

des wirksamen Anteils des Schienenpotenzials ist die<br />

Potenzialsteuerung. Alle leitfähigen Bauteile im Oberleitungsbereich<br />

werden zum Schutz gegen elektrischen<br />

Schlag bei Oberleitungsriss elektrisch mit der Rückleitung<br />

verbunden. Diese Bauteile sind erdfühlig aufzubauen.<br />

Werden Bauteile isoliert aufg<strong>eb</strong>aut und mit der Rückleitung<br />

verbunden, ist von einem Anteil der Gleis-Erde-<br />

Spannung als abgreifbare Spannung von bis zu 70 %<br />

auszugehen.<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5


Zulassung und Normen – acrps 2011<br />

Bild 4: Schienenpotenzial entlang einer zweiseitig gespeisten Strecke<br />

mit drei Zugpaaren.<br />

Bild 5: Maximaler Kurzschlussstrom (1) entlang einer zweiseitig gespeisten<br />

Strecke mit dem dazugehörigen Schienenpotenzial (2).<br />

5 Einhaltung des Schienenpotenzials<br />

und deren Einflussfaktoren<br />

Die maximal zulässige abgreifbare Spannung ist laut europäischer<br />

Norm 0122-1:1997 festgeschri<strong>eb</strong>en. Die Grenzwerte<br />

sind als Funktion der Zeit benannt. Bei Änderungen oder<br />

Neubau von Strecken ist die Kenntnis von Parametern der<br />

Rückstromführung und deren Zusammenhänge unerlässlich.<br />

Das Schienenpotenzial ist n<strong>eb</strong>en dem Strom zwischen<br />

Schiene und Erde auch direkt vom elektrischen Leitwert<br />

der Streckenableitung gegen Erde abhängig. Ist die geforderte<br />

Ableitung pro Kilometer erreicht, ist das Schienenpotenzial<br />

relativ unabhängig vom Erdbodenleitwert.<br />

Heute reicht es nicht mehr aus, die Fahrschiene allein<br />

zu betrachten. Durch das komplexe System der geerdeten<br />

Anlagenteile ist es notwendig, auch die Parameter<br />

des Oberbaus, der Signaltechnik und der bautechnischen<br />

Anlagen zu kennen. Nur unter Einbeziehung aller elektrischen<br />

und gestalterischen Parameter ist es möglich die<br />

Strecke auf hohem Niveau leistungsfähig und wirtschaftlich<br />

zu betreiben. Die Norm 0122-1:1997 benennt nur<br />

die Grenzwerte und unterscheidet nicht zwischen den<br />

einzelnen Gewerken. Sie beschreibt alle leitfähigen Teile<br />

entlang der Strecke als ein gesamtes System. Alle einzeln<br />

mit der Rückleitung verbundenen Anlagenteile besitzen<br />

annähernd das gleiche Potenzial. Das Erdungssystem ist<br />

abhängig vom örtlich existierenden Potenzialverlauf so zu<br />

errichten, dass ein zeitlich unzulässiges Bestehenbleiben<br />

von zu hoher Spannung ausgeschlossen wird.<br />

Der Verlauf des Schienenpotenzials entlang der Strecke<br />

ist von allen an das Rückleitungssystem angeschlossenen<br />

Anlagenteilen abhängig. Die so erreichte Verkettung<br />

von Widerständen ergibt den Durchschnittswert eines<br />

Strecken abschnittes. Dieser ist als Richtwert zu betrachten,<br />

der durchaus örtlich abweichend sein kann.<br />

Dem Ort der Einspeisung ist dabei besondere Beachtung<br />

zu widmen, da dort die zeitlichen Verläufe entlang<br />

der Strecke zu einer Dauerbelastung führen können.<br />

Durch die Summierung der Ströme im Bereich des Unterwerkes<br />

ist mit einer Erhöhung des Schienenpotenzials<br />

in diesem Bereich zu rechnen. Das Spannungsverhältnis<br />

ist daraus resultierend direkt vom Erdungssystem des<br />

Unterwerkes abhängig.<br />

Ein sehr geringer Erdausbreitungswiderstand des Unterwerkes<br />

führt aufgrund der Stromverteilung zwangsläufig<br />

zur Verringerung des Schienenpotenzials an diesem<br />

Ort. Das Schienenpotenzial am Einspeiseort kann nicht<br />

wie entlang der Strecke bei der Vorbeifahrt eines Zuges<br />

als zeitlich begrenzter Spitzenwert angesehen werden,<br />

sondern stellt eine Summierung aller Momentanwerte<br />

entlang des Speiseabschnittes dar. Für diesen Bereich gilt<br />

der Grenzwert der Dauerbelastung.<br />

Hier können zusätzliche Erdungsmaßnahmen zur Einhaltung<br />

des maximal zulässigen Schienenpotenzials nach<br />

0122-1:1997 notwendig werden.<br />

Das Bild 5 stellt den Verlauf des Kurzschlussstromes<br />

mit den dazugehörigen Berührungsspannungen entlang<br />

einer zweiseitig eingespeisten Strecke dar.<br />

Ein anderes Verhalten ist beim Kurzschluss zu beobachten.<br />

Der Kurzschluss ist in jedem Fall ein kurzzeitiges örtlich unabhängiges<br />

Ereignis, da er unabhängig vom Kurzschlussort in<br />

einer definierten Zeit abzuschalten ist. Eine Summierung am<br />

Einspeiseort ist auch nicht zu erwarten. Es bildet sich nur eine<br />

kurzzeitige Potenzialspitze am Kurzschlussort und Einspeiseort<br />

aus, die kleiner als der Grenzwert sein muss.<br />

6 Einfluss der 0122-1:2010<br />

In der 0122-1:1997 wurde in Berührungsspannung und<br />

abgreifbare Spannung als Teil des Schienenpotenzials unterschieden.<br />

Diese Unterscheidung macht die 0122-1:2010<br />

[5] nicht mehr. Die Ermittlung der Berührungsspannung<br />

wird auf Grundlage des Körperstromes erklärt.<br />

Der in der Norm genannte Grenzwert der dauernd zulässigen<br />

Berührungsspannung, also ein Teil des Schienenpotenzials,<br />

wurde nicht geändert. Die kurzzeitig zulässigen<br />

Berührungsspannungen haben sich jedoch geändert.<br />

Daraus entstehen neue Grenzwerte, die unterhalb der<br />

Grenzwerte der 0122-1:1997 liegen.<br />

Für die Ermittlung der Berührungsspannung wird nicht<br />

mehr von 20 %, sondern von 30 % des Schienenpotenzials<br />

234 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – Zulassung und Normen<br />

ausgegangen. Daraus erg<strong>eb</strong>en sich etwas engere Grenzwerte<br />

für die Berührungsspannung. Dafür ist die Berücksichtigung<br />

des Standortwiderstandes jederzeit erlaubt.<br />

Für die Anlagen der DB und deren Richtlinie hat das<br />

zur Folge, dass die Bemessungen auf Grundlage der neuen<br />

Grenzwerte zu überprüfen ist. In einer gesonderten<br />

Studie [4] zum Nachweis der Konformität zwischen 0122-1<br />

und der in DB-Richtlinie 997.02 wurde nachgewiesen, dass<br />

bei Einhaltung der in der DB-Richtlinie 997.02 festgelegten<br />

Ableitungen der Strecke die zulässigen Berührungsspannungen<br />

nach 0122-1:1997 eingehalten werden. Dies<br />

gilt auch für die aktuell gültige DB-Richtlinie 997.02 in<br />

Verbindung mit der neuen 0122-1:2010 als auch für den<br />

Entwurf der überarbeiteten DB-Richtlinie 997.02.<br />

Literatur<br />

[1] 0122-1:1997: Bahnanwendungen – Ortsfeste Anlagen – Teil<br />

1: Schutzmaßnahmen in Bezug auf elektrische Sicherheit<br />

und Erdung.<br />

[2] Richtlinie 810.0241:2004 „Technischer Netzzugang für Fahrzeuge;<br />

Kompatibilität mit den Anforderungen des Netzes“.<br />

[3] Richtlinie 997.02 „Oberleitungsanlagen, Rückstromführung,<br />

Erdung und Potenzialausgleich“, März 2003.<br />

[4] Hofmann, G.; Thiemig, J.; Arlt, R.: Studie: Überprüfung der<br />

Konformität zwischen 0122-1 und DB Richtlinie 997.02,<br />

KEMA-ELBAS, August 2010.<br />

[5] 0122-1:2010: Bahnanwendungen – Ortsfeste Anlagen – <strong>Elektrische</strong><br />

Sicherheit, Erdung und Rückleitung – Teil 1: Schutzmaßnahmen<br />

gegen elektrischen Schlag.<br />

Dipl.-Ing. Christian Budde (40), Studium der elektrischen<br />

Energieversorgung an der Universität Hannover,<br />

von 1999 – 2002 Trainee der ABB Haustechniksparte,<br />

seit 2002 Referent für Rückstromführung<br />

bei der DB Energie, seit 2003 Mitglied der die 0122<br />

erarbeitenden Arbeitsgruppe WG C1.<br />

Adresse: DB Energie GmbH, I.EBZ 3, Pfarrer-<br />

Perabo-Platz 2, 60236 Frankfurt am Main,<br />

Deutschland;<br />

Fon: +49 69 265-23933;<br />

E-Mail: christian.budde@deutsch<strong>eb</strong>ahn.com<br />

Dipl.-Ing. (FH) Jan Thiemig (39), Ausbildung zum<br />

Elektromonteur danach Studium der Elektrotechnik<br />

an der Hochschule für Technik und Wirtschaft<br />

Dresden; seit 1998 Mitarbeiter der ELBAS GmbH.<br />

Adresse: wie links unten;<br />

Fon: +49 351 82992-53, Fax: -45;<br />

E-Mail: j.thiemig@elbas.de<br />

Prof. Dr.-Ing. habil. Gerhard Hofmann (59), Studium,<br />

Promotion und Habilitation der Elektrotechnik/<strong>Elektrische</strong><br />

<strong>Bahnen</strong> an der Hochschule für<br />

Verkehrswesen „Friedrich List“ Dresden; seit 1993<br />

Professor für Elektroenergieerzeugung und –verteilung<br />

an der Hochschule für Technik und Wirtschaft<br />

Dresden; seit 1993 in der ELBAS GmbH, seit<br />

2009 Principal Consultant.<br />

Adresse: ELBAS <strong>Elektrische</strong> Bahnsysteme Ingenieur-Gesellschaft<br />

mbH, Königsbrücker Str. 34,<br />

01099 Dresden, Deutschland;<br />

Fon: +49 351 82992-12, Fax: -45;<br />

E-Mail: g.hofmann@elbas.de<br />

Dipl.-Ing. Lutz Westphal (51), Studium an der<br />

<strong>Elektrische</strong>n Fakultät der Universität in Žilina,<br />

Slowakei; ab 1984 in den Direktionen Magd<strong>eb</strong>urg<br />

und Halle der DB AG (DR) Abt. Elektrotechnik<br />

tätig; ab 1997 Sachbearbeiter für elektrotechnische<br />

Anlagen im Eisenbahn-Bundesamt; seit<br />

2007 Sachbearbeiter im Systembereich Energieversorgung<br />

des Eisenbahn-Cert.<br />

Adresse: Eisenbahn-Cert, Systembereich Energieversorgung,<br />

Heinemannstr. 6, 53175 Bonn,<br />

Deutschland;<br />

Fon: +49 228 9826-723, Fax: -711;<br />

E-Mail: westphall@<strong>eb</strong>a.bund.de<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

235


Elektrotechnische Anlagen und Systeme – acrps 2011<br />

Messungen an Teilen geringer Abmes sung<br />

hinsichtlich Spannungsverschleppung<br />

Klaus Leithner, Linz<br />

Die Überarbeitung der EN 50122-1 regelt die Erdungsmaßnahmen leitfähiger und teilweise leitfähiger<br />

Bauteile mit geringen Abmessungen im Oberleitungs- und Stromabnehmerbereich neu. Nach<br />

dem derzeitigen Stand der Dinge kann dies zu einer Erhöhung des Erdungsaufwandes führen. Im<br />

Rahmen eines Feldversuches, an einem 1:1-Modell einer festen Fahrbahn, ging die ÖBB-Infrastruktur<br />

der Frage nach, ob bei diesem Anwendungsfall der Erdungsaufwand reduziert werden kann.<br />

Parasitic voltage formation measurements on components of small dimensions<br />

The revised EN 50122-1 describes earthing measures to be taken for conductive and semi-conductive,<br />

small-sized components used in overhead line and pantograph systems. According to<br />

current knowledge, such components may require extra earthing efforts. In a field test of a fullsize<br />

model of a ballastless track, ÖBB-Infrastruktur tried to answer the question if the earthing<br />

effort can be reduced in such an application.<br />

Mesures du reste de tension sur les pièces de petite dimension<br />

La version remaniée de la norme EN 50122-1 contient une nouvelle réglementation en matière<br />

de mise à la terre des éléments conducteurs et partiellement conducteurs de faibles dimensions<br />

dans le secteur de la caténaire et du pantographe. Dans l’état actuel des choses, cette nouveauté<br />

pourrait accroître les exigences en matière de mise à la terre. Dans le cadre d’un essai<br />

sur le terrain réalisé sur la maquette 1/1 d’une installation fixe, la société ÖBB-Infrastruktur s’est<br />

penchée sur la ques-tion de savoir si, dans ce cas d’application, il était possible de réduire les<br />

exigences relatives à la mise à la terre.<br />

1 Einleitung<br />

Im Sinne der österreichischen Gesetze müssen elektrische<br />

Bahnanlagen so g<strong>eb</strong>aut, ergänzt, erhalten und betri<strong>eb</strong>en<br />

werden, dass ein sicherer und ordentlicher Betri<strong>eb</strong><br />

gewährleistet ist. Eine der möglichen Gefahrenquellen<br />

ist der elektrische Schla, bei direktem oder indirektem<br />

Berühren aktiver Teile. Welche Schutzmaßnahmen bei<br />

elektrischen Bahnanlagen angewendet werden können,<br />

regelt zurzeit die EN 50122-1:1997 [1]. Diese Norm<br />

wird in nächster Zukunft durch die EN 50122-1:2010 [2]<br />

ersetzt.<br />

2 Vorgaben der EN 50122-1<br />

2.1 Sicherheitsziel der EN 50122-1<br />

Beide EN 50122-1 verfolgen in diesem Zusammenhang das<br />

Ziel, die Gefahr des elektrischen Schlages auf ein akzeptables<br />

Risiko zu minimieren. Unzulässig hohe Berührungsspannungen<br />

können durch unverzügliches Abschalten der<br />

elektrischen Energieversorgung im Fehlerfall vermieden<br />

werden. Für den Fall, dass die Abschaltung im Fehlerfall<br />

unterbleibt, gilt es, Potenzialverschleppungen in Bereiche<br />

zu vermeiden, wo das Fehlerereignis, und damit die Gefahr<br />

eines elektrischen Schlages durch eine Person, nicht<br />

unmittelbar erkannt werden kann.<br />

2.2 Schutzmaßnahme<br />

Die von der EN 50122-1:2010 vorgeschlagene Schutzmaßnahme<br />

zur Vermeidung eines elektrischen Schlages bei indirektem<br />

Berühren aktiver Teile ist bei Wechselstrombahnen,<br />

mit einer Nennspannung über 1 000 V, grundsätzlich das<br />

direkte Verbinden der Körper elektrischer Betri<strong>eb</strong>smittel<br />

sowie leitfähiger und teilweise leitfähiger Bauwerke und<br />

Anlagenteile mit der Rückleitung. Maßg<strong>eb</strong>lich für die Beurteilung,<br />

ob die Körper elektrische Betri<strong>eb</strong>smittel, Bauwerke<br />

und Anlagenteile mit der Rückleitung verbunden werden<br />

müssen, sind ihre Abmessungen, ihre Lage im Bezug zum<br />

Stromabnehmer- und Oberleitungsbereich und ob sie Spannung<br />

führende Teile der Oberleitungsanlage tragen.<br />

2.3 Bauteile und Bauwerke geringer<br />

Abmessung<br />

Im Zuge der Revision der EN 50122-1:1997 wurden auch<br />

die Vorgaben für Bauwerke und Bauteile geringer Ab-<br />

236 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – Elektrotechnische Anlagen und Systeme<br />

messung neu geregelt. Die EN 50122-1:1997 stellt in diesem<br />

Zusammenhang für Hochspannung im Punkt 5.3.2<br />

sinngemäß fest, dass bei Wechselstrombahnen leitfähige<br />

Bauteile, die in waagrechter Richtung nicht länger als<br />

2 m sind und keine elektrischen Betri<strong>eb</strong>smittel tragen<br />

oder enthalten, keine Verbindung mit der Rückleitung<br />

benötigen. Die EN 50122-1:2010 lässt nun größere Bauteilabmessungen<br />

zu, verknüpft aber die Möglichkeit auf<br />

den Verzicht der Verbindung leitfähiger und teilweise<br />

leitfähiger Bauteile mit der Rückleitung mit den folgenden<br />

Bedingungen:<br />

• Diese Bauteile dürfen keine elektrische Ausrüstung<br />

tragen oder beinhalten oder nur solche, die der Schutzklasse<br />

II entsprechen.<br />

• Sie müssen von einer Person aus beli<strong>eb</strong>iger Richtung<br />

überblickt werden können, um die Berührung eines<br />

aktiven Leiters mit dem Bauteil zu erkennen.<br />

• Der Mindestabstand zwischen zwei oder mehreren<br />

leitenden Bauteilen geringer Abmessung muss größer<br />

sein, als der in der EN 50119 [3] angeg<strong>eb</strong>ene elektrische<br />

Mindestabstand und die elektrische Isolierung dieser<br />

Bauteile gegeneinander muss gewährleistet sein.<br />

Gerade durch die letzte der oben genannten Forderungen<br />

wird eine in der Vergangenheit bei ÖBB-Infrastruktur<br />

und auch anderen europäischen Infrastrukturbetreibern<br />

übliche Praxis in Frage gestellt, bei der bewehrte Fertigbeton-<br />

und Ortbetonbauteile geringer Abmessung, die<br />

Seite an Seite im Stromabnehmer- und/oder Oberleitungsbereich<br />

liegen und deren Bewehrungen untereinander<br />

nicht verbunden sind, nicht mit der Rückleitung verbunden<br />

wurden. Dazu zählen zum Beispiel Fertigbetonteile<br />

wie Bahnsteigkanten, Entwässerungsgräben, Tübbinge,<br />

Schallabsorber und bewehrte Kabeltrogdeckel. Auch zwei<br />

erdfühlig errichtet Bänke aus Metall mit einer Länge von<br />

zum Beispiel 3 m, die sich in 5 m Abstand voneinander auf<br />

einem Bahnsteig befinden, erfüllen diese Forderung der<br />

EN 50122-1:2010 nicht, weil sie über das Erdreich miteinander<br />

elektrisch verbunden sind.<br />

Tabelle 1 zeigt eine Gegenüberstellung der Abmessungen<br />

für Bauteile geringer Abmessung nach EN 50122-1 in<br />

der Fassung aus dem Jahr 1997 und 2010.<br />

3 Aufgabenstellung<br />

Feste Fahrbahnen werden bei ÖBB-Infrastruktur vorwiegend<br />

in Tunneln eingesetzt. Mit der Inbetri<strong>eb</strong>nahme der<br />

in Bau befindlichen Neubaustrecke Wien – St. Pölten, des<br />

geplanten Koralmtunnels und des Semmering Basistunnels<br />

gehen in den nächsten Jahren mehr als 100 km fester<br />

Fahrbahn in Betri<strong>eb</strong>.<br />

Das bei ÖBB-Infrastruktur g<strong>eb</strong>räuchliche System der<br />

festen Fahrbahn besteht aus einer elastisch gelagerten,<br />

schlaff bewehrten Gleistragplatte, die auf einer setzungsarmen<br />

Unterkonstruktion ruht. Die Gleistragplatte ist in<br />

Gleisachsrichtung in der Regel etwas mehr als 5 m lang<br />

(Bild 1). Nach der EN 50122-1:1997 darf die Gleistragplatte<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

Bild 1: Aufbau einer festen Fahrbahn mit Gleistragplatte (System Porr).<br />

Tabelle 1: Gegenüberstellung der Abmessung von Bauteilen<br />

geringer Abmessung gemäß EN 50122-1.<br />

Norm Bauteil Parallel zum<br />

Gleis<br />

also nicht als Bauteil geringer Abmessung eingestuft werden<br />

und ist mit der Rückleitung zu verbinden.<br />

Gemäß EN 50122-1:2010 würde die Gleistragplatte nun<br />

aber die Voraussetzung als teilweise leitfähiger Bauteil<br />

geringer Abmessung erfüllen. Die Gleistragplatte kann<br />

auch von einer Person aus beli<strong>eb</strong>iger Richtung überblickt<br />

werden. Nur können der elektrische Mindestabstand und<br />

die elektrische Isolierung der Gleistragplatten gegeneinander<br />

nicht gewährleistet werden. Diese Forderung zielt<br />

vor allem auf die Vermeidung von Potenzialverschleppung<br />

hin. Kann nun trotzdem auf das Verbinden der Gleistragplatten<br />

mit der Rückleitung verzichtet werden, ohne die<br />

Schutzziele der EN 50122-1 zu verletzen? Wenn ja, unter<br />

welchen Voraussetzungen? Die Klärung dieser Frage ist<br />

nicht nur von wissenschaftlichem Interesse, sondern könnte<br />

zu beträchtlichen Kosteneinsparungen führen.<br />

4 Kosteneinsparungen<br />

Horizontal senkrecht<br />

zum Gleis<br />

EN 50122-1: 1997 leitfähig 2 m keine Angaben<br />

teilweise<br />

leitfähig<br />

2 m keine Angaben<br />

EN 50122-1: 2010 leitfähig 3 m 2 m<br />

teilweise<br />

leitfähig<br />

15 m 3 m<br />

Um die Gleistragplatte überhaupt wirksam mit der Rückleitung<br />

verbinden zu können, wird die Bewehrung der<br />

Gleistragplatte mit einem Erdungsring aus Baustahl verrödelt<br />

und über kurzschlussfeste Erdungsanschlüsse an die<br />

237


Elektrotechnische Anlagen und Systeme – acrps 2011<br />

Oberfläche der Gleistragplatte geführt. Alle Gleistragplatten<br />

werden miteinander elektrisch verbunden und in regelmäßigen<br />

Abständen an die Rückleitung angeschlossen.<br />

Der Entfall dieser Erdungsverbindungen und des Erdungssystems<br />

der Gleistragplatte, die Möglichkeit, größere Elemente<br />

zu bauen, und die damit verbundenen Vorteile in<br />

der Baustellenlogistik eröffnen beim Neubau einer festen<br />

Fahrbahn pro Kilometer ein Einsparungspotenzial in der<br />

Größenordnung von 80 000 EUR. Das mögliche Einsparungspotenzial<br />

durch den Entfall der Instandhaltung ist<br />

darin noch nicht berücksichtigt.<br />

5 Versuch<br />

5.1 Versuchsteam<br />

Der Versuch wurde, unter anderen, in Zusammenarbeit<br />

mit Projektleitungen der Neubaustrecke Wien – St. Pölten<br />

und der Technischen Universität (TU) Graz, Institut für<br />

elektrische Anlagen, durchgeführt. Die Erg<strong>eb</strong>nisse sind in<br />

einem Gutachten [4] der TU Graz vom 30. November 2010<br />

zusammengefasst.<br />

5.2 Vorbemerkung<br />

Die ursprüngliche Idee, die Messungen mit Hochspannung<br />

in einem Tunnel an einer fertig gestellten festen<br />

Fahrbahn durchzuführen, wurde aus mehreren Gründen<br />

verworfen. N<strong>eb</strong>en der nicht auszuschließenden Gefährdung<br />

des Messteams und nicht vollständig definierbarer<br />

Umg<strong>eb</strong>ungsbedingungen wäre auch die Reproduzierbarkeit<br />

der Messungen nicht möglich gewesen. Deswegen<br />

entschied man sich, eine feste Fahrbahn mit Originalteilen<br />

aus fünf Gleistragplatten und befahrbaren Schallabsorbern<br />

auf einem freien Feld teilweise nachzubauen<br />

(Bild 2). Versuchsaufbau und Messprogramm wurden so<br />

gewählt, dass möglichst viele plausible Rückschlüsse auf<br />

die tatsächlichen Verhältnisse bei einer festen Fahrbahn<br />

in einem Tunnel erzielbar waren.<br />

5.3 Versuchsaufbau<br />

Der Versuchsort befand sich westlich von Wien entlang<br />

der Neubaustrecke Wien – St. Pölten. Im Bereich des Versuchsaufbaus<br />

wurde die oberste Humusschicht abgetragen<br />

und planiert, um einen großflächigen Kontakt zwischen<br />

Erde und Gleistragplatten sicher zu stellen. Aus den<br />

erwähnten Sicherheitsgründen wurden die Messungen<br />

mit Niederspannung (230 V) durchgeführt, wobei Ströme<br />

bis zu 10 A flossen. Um die Messung mit Niederspannung<br />

zu ermöglichen, wurde auf die isolierende Gummigranulatbeschichtung<br />

der Gleistragplattenunterseite und<br />

Seitenflächen verzichtet. Als Spannungsquelle diente ein<br />

60-kVA-Dieselgenerator. Die Gegenerde war rund 90 m<br />

vom Einspeisepunkt in die Gleistragplatten entfernt. Zur<br />

Bild 2: Versuchsaufbau feste Fahrbahn. Im Vordergrund die mit<br />

Schallabsorbern bestückte Gleistragplatte 1.<br />

Erfassung des Spannungstrichters wurde eine Messtrasse<br />

parallel zum Versuchsaufbau und eine zweite Messtrasse<br />

im rechten Winkel dazu gewählt. Im weiteren Verlauf des<br />

Versuchs wurde die zuerst verlegte Gleistragplatte mit befahrbaren<br />

Schallabsorbern bestückt. Aus statischen Gründen<br />

sind die einzelnen Schallabsorberelemente <strong>eb</strong>enfalls<br />

schlaff bewehrt und daher als teilweise leitfähig einzustufen.<br />

Wie bei der Gleistragplatte, war die Bewehrung der<br />

Schallabsorber über kurzschlussfeste Erdungsanschlüsse<br />

an die Oberfläche geführt.<br />

5.4 Messprogramm<br />

In zwei Tagen wurde das folgende Messprogramm abgewickelt:<br />

• Messung des spezifischen Bodenwiderstandes<br />

• Messung des Ausbreitungswiderstandes bei Variation der<br />

Gleistragplattenanzahl (mit und ohne Schallabsorber)<br />

• Messung des Spannungstrichters bei Variation der<br />

Gleistragplattenanzahl<br />

• Messung der Oberflächenpotenziale auf und zwischen<br />

den Gleistragplatten<br />

• Vergleichsmessungen bei simulierter Verschmutzung<br />

6 Erg<strong>eb</strong>nisse<br />

6.1 Spezifischer Bodenwiderstand<br />

Vor Errichtung des Versuchsaufbaus wurde am Versuchsort<br />

der spezifische Bodenwiderstand mittels Wenner-Methode<br />

(Bild 3) bestimmt. Die Messung ergab einen konstanten<br />

spezifischen Bodenwiderstand von etwa 60 Ωm<br />

bis zu einer Tiefe von 8 m. Außerdem konnte durch<br />

Erkundigungen das Vorhandensein leitfähiger Einbauten<br />

am Versuchsort, die die elektrische Potenzialverteilung<br />

238 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – Elektrotechnische Anlagen und Systeme<br />

im Erdreich störend beeinflussen hätten können, ausgeschlossen<br />

werden.<br />

6.2 Ausbreitungswiderstand<br />

Bild 3: Messgerät<br />

und Erder für die<br />

Bestimmung des<br />

spezifischen Bodenwiderstands.<br />

Im nächsten Schritt wurde der Ausbreitungswiderstand<br />

der Gleistragplatten (GTP) im trockenen Zustand ermittelt,<br />

um die wechselseitige ohmsche Beeinflussung zu überprüfen.<br />

In der zuerst verlegten GTP 1 wurde immer der Messstrom<br />

eingespeist. In weiterer Folge wurden die GTP 2–5<br />

aneinander gereiht, wobei zwischen den GTP ein Abstand<br />

von rund 4 cm eingehalten wurde. Nach jeder neu hinzugefügten<br />

GTP wurde der Ausbreitungswiderstand erneut<br />

ermittelt. Zwischen den GTP gab es zuerst keinen zusätzlichen<br />

elektrischen Potenzialausgleich (PA). Das Erg<strong>eb</strong>nis ist<br />

der Tabelle 2 zu entnehmen. Es ist unschwer zu erkennen,<br />

dass die zweite GTP den Ausbreitungswiderstand der<br />

Anordnung noch signifikant beeinflusst. Der Einfluss der<br />

weiteren GTP auf den Ausbreitungswiderstand ist hingegen<br />

vernachlässigbar. Dies spiegelt sich in weiterer Folge<br />

bei den Potenzialdifferenzen zwischen den GTP wider. Ein<br />

zusätzlicher elektrischer PA zwischen den GTP mit einem<br />

50 mm ² Kupferseil führte erwartungsgemäß zu einer deutlichen<br />

Verringerung des Ausbreitungswiderstandes.<br />

Gravierende Erhöhungen bis zum 300-fachen der vorher<br />

gemessenen Ausbreitungswiderstände ergaben sich,<br />

als der Einspeisepunkt von der GTP 1 auf einen auf ihr befindlichen<br />

Schallabsorber verlegt wurde. Die Befeuchtung<br />

der Versuchsanordnung mit Wasser und danach mit einer<br />

Salzwasserlösung reduzierte den Ausbreitungswiderstand<br />

wieder unter 100 Ω. Das Befeuchten der Versuchsanordnung<br />

sollte eine Verschmutzung simulieren, mit der im<br />

Laufe des Betri<strong>eb</strong>s gerechnet werden muss.<br />

Voraussichtlich wäre der Ausbreitungswiderstand im<br />

trockenen Zustand noch viel höher gewesen, hätte sich<br />

zwischen dem Randabsorber und der GTP, wie üblich, eine<br />

isolierende Gummiunterlage befunden. Das Isolationsvermögen<br />

der Gummiunterlage hätte ausgereicht, die Messspannung<br />

vollständig zu isolieren. Für die Nennspannungen<br />

von Wechselstrombahnen (15 kV/25 kV), reicht das<br />

Isolationsvermögen aufgrund der zu geringen Abstände<br />

in Luft jedoch nicht aus. Überschläge auf die darunter<br />

liegende GTP wären die Folge.<br />

6.3 Spannungstrichter<br />

Die Bestimmung des Ausbreitungswiderstandes erforderte<br />

die Messung des Spannungstrichters. Gemessen wurde<br />

im rechten Winkel zur Gleisachse der festen Fahrbahn,<br />

auf der Höhe des Einspeisepunktes des Fehlerstroms in<br />

die GTP 1. Zuerst wurde der Spannungstrichter der GTP 1<br />

gemessen. Diese Messung wurde nach jeder neu hinzugefügten<br />

GTP wiederholt, bis die fünf GTP n<strong>eb</strong>eneinander<br />

lagen (5 GTP). Abschließend wurde zwischen allen GTP ein<br />

PA hergestellt und der Spannungstrichter erneut gemessen<br />

(5 GTP mit PA).<br />

Bild 4 zeigt das Erg<strong>eb</strong>nis dieser Messungen. In 30 m<br />

Entfernung von der Versuchanordnung war der Span-<br />

Tabelle 2: Ausbreitungswiderstände von Gleistragplatten (GTP) mit<br />

und ohne Potenzialausgleich (PA).<br />

Anzahl<br />

Gleistragplatten<br />

RA<br />

Ω<br />

1 GTP ohne PA 17,2<br />

2 GTP ohne PA 15,6<br />

3 GTP ohne PA 15,6<br />

4 GTP ohne PA 15,3<br />

5 GTP ohne PA 15,0<br />

2 GTP mit PA 8,6<br />

5 GTP mit PA 4,0<br />

Bild 4: Verlauf der Trichterspannung (bezogen auf 100 A) im rechten<br />

Winkel zur Gleisachse.<br />

1 … 5 eine bis fünf Gleistragplatten<br />

6 fünf Gleistragplatten mit Potenzialausgeich<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

239


Elektrotechnische Anlagen und Systeme – acrps 2011<br />

nungstrichter so flach, dass keine Potenzialdifferenzen<br />

(Schrittspannungen) mehr gemessen wurden. Die Werte<br />

der Spannung sind auf 100 A Fehlerstrom bezogen. Die<br />

Spannungsdifferenz in 30 m Entfernung, bezogen auf den<br />

Einspeisepunkt in der GTP 1 und 100 A, ergibt den Ausbreitungswiderstand<br />

der jeweiligen Konfiguration.<br />

Gemäß EN 50122-1 ist die Spannungsdifferenz in 1 m<br />

Entfernung zum Einspeisepunkt ein Maß zur Bewertung<br />

der zulässigen Berührungsspannung. Ohne Potenzialausgleich<br />

zwischen den GTP beträgt die Potenzialdifferenz<br />

etwa 60 bis 70 % der Erderspannung. Mit Potenzialausgleich<br />

zwischen den GTP reduziert sich dieser Wert auf<br />

rund 50 % der Erderspannung. Die EN 50122-1 geht in 1 m<br />

Entfernung von 20 % der Erderspannung aus. Die Frage,<br />

ob die EN 50122-1 einen falschen Wert angibt, kann man<br />

mit nein beantworten. Mit zunehmender Ausdehnung<br />

des Erders nimmt die Potenzialdifferenz, bei gleichem<br />

Strom, in 1 m Entfernung vom Erder ab. Dies ist auch aus<br />

den vorliegenden Messerg<strong>eb</strong>nissen zu erkennen. Legt<br />

man die tatsächlichen Ausmaße der Erdungsanlage einer<br />

elektrifizierten Eisenbahn zu Grunde, sind die 20 % der<br />

EN 50122-1 eine realistische Annahme.<br />

6.4 Oberflächenpotenziale<br />

Die letzte Messreihe diente der Bestimmung von Potenzialdifferenzen<br />

auf der GTP 1, sowie der Potenzialdifferenzen<br />

zwischen den aufeinander folgenden GTP. Eine Kupfersulfatelektrode<br />

stellte den großflächigen Kontakt zur<br />

Betonoberfläche her. Ein 1 kΩ Widerstand berücksichtigte<br />

den Körperwiderstand eines Menschen. Der Messstrom<br />

wurde bei allen Messungen in die GTP 1 eingespeist. Es<br />

wurde zuerst mit einem hochohmigen Digitalvoltmeter<br />

gemessen (unbelastet). An der gleichen Stelle der Gleistragplatte<br />

wurde die Messung wiederholt, wobei der 1 kΩ<br />

Widerstand mit dem Digitalvoltmeter parallel geschaltet<br />

war (belastet).<br />

Nicht allzu überraschend, konnten auf der GTP 1 keine<br />

Potenzialdifferenzen festgestellt werden. Womit erneut<br />

bestätigt wurde, dass die Bewehrungen von Stahlbetonbauteilen<br />

für eine wirksame Potenzialsteuerung sorgen.<br />

Anders zeigte sich jedoch die Situation zwischen den<br />

aufeinander folgenden GTP. Die Messstellen sind Bild 5 zu<br />

entnehmen. Die relevanten Erg<strong>eb</strong>nisse sind in Tabelle 3<br />

zusammengefasst.<br />

Zwischen der GTP 1 und 2 ergab sich im unbelasteten<br />

Zustand eine Potenzialdifferenz von beinahe 32 %. Diese<br />

Tabelle 3: Potenzialdifferenzen zwischen den Gleistragplatten in<br />

Bezug auf die Gleistragplatte (GTP) 1.<br />

Messpunkt GTP Potenzialdifferenz<br />

zum Einspeisepunkt<br />

(unbelastet)<br />

Differenz erhöht sich bei der GTP 5 im Bezug zur GTP 1 auf<br />

37 %. Diese Differenz kann ein Mensch ohne Hilfsmittel<br />

nicht überbrücken. Ein Mensch kann aber ohne Hilfsmittel<br />

jene Potenzialdifferenzen überbrücken, die zwischen<br />

den einzelnen GTP auftreten. Im unbelasteten Zustand<br />

beträgt die Potenzialdifferenz zwischen der GTP 2 und<br />

GTP 3 etwa 4 %. Sofern im Fehlerfall nicht unverzüglich<br />

abgeschaltet wird, kann diese Differenz, bei entsprechender<br />

Fehlerspannung, für einen Menschen eine tödliche<br />

Bedrohung darstellen. Zwischen der GTP 3 und GTP 4,<br />

sowie GTP 4 und GTP 5 reduziert sich die Spannungsdifferenz<br />

auf fast 1 % der Fehlerspannung der GTP 1. Bei<br />

einer dauerhaft zulässigen Berührungsspannung von 60 V<br />

dürfte die Fehlerspannung an der Gleistragplatte 1 daher<br />

maximal 6 000 V betragen.<br />

Erwartungsgemäß konnten nach der elektrischen Verbindung<br />

der GTP untereinander keine Potenzialdifferenzen<br />

zwischen den GTP gemessen werden.<br />

7 Schlussfolgerung<br />

Potenzialdifferenz<br />

zum Einspeisepunkt<br />

(belastet)<br />

3 1 Bezugsplatte Bezugsplatte<br />

4 2 31,5 % 14,3 %<br />

6 3 35,6 % 17,4 %<br />

8 4 36,8 % 17,0 %<br />

Die Erg<strong>eb</strong>nisse der Untersuchung lassen keine eindeutige<br />

Antwort auf die Frage zu, ob auf die Verbindung der GTP<br />

mit der Rückleitung immer verzichtet werden kann. Erst<br />

die Kenntnis der tatsächlichen Fehlerspannung am Ereignisort,<br />

ermöglicht weiter reichende Schlüsse.<br />

Vom Standpunkt der Personensicherheit wies der Versuch<br />

das Folgende nach:<br />

• Die GTP ist eine Äquipotenzialfläche. Die Bewehrung<br />

sorgt für eine wirksame Potenzialsteuerung.<br />

• Die elektrische Verbindung der GTP vermeidet Berührungsspannungen<br />

zwischen den GTP.<br />

Bild 5: Versuchaufbau mit den Messstellen für die Potenzialmessung (blaue Ziffern). Die Nummerierung der Gleistragplatte beginnt links<br />

mit eins.<br />

240 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


6 0 0 , 0 0 0<br />

5 0 0 , 0 0 0<br />

4 0 0 , 0 0 0<br />

3 0 0 , 0 0 0<br />

2 0 0 , 0 0 0<br />

1 0 0 , 0 0 0<br />

0 , 0 0 0<br />

0 , 0 0 0<br />

1 0 :1 5 : 0 0 1 0 : 2 5 : 0 0 1 0 : 3 5 : 0 0 1 0 :4 5 : 0 0 1 0 : 5 5 : 0 0 1 1 : 0 5 :0 0 1 1 : 1 5 : 0 0<br />

Z e i t<br />

3 0 , 0 0 0<br />

2 5 , 0 0 0<br />

2 0 , 0 0 0<br />

1 5 , 0 0 0<br />

1 0 , 0 0 0<br />

5 , 0 0 0<br />

acrps 2011 – Elektrotechnische Anlagen und Systeme<br />

• Sind die GTP mit der Rückleitung verbunden, kann auf<br />

die elektrische Verbindung der Absorber mit der Rückleitung<br />

verzichtet werden.<br />

• Liegen die GTP auf einer durchgehend bewehrten Sohlplatte,<br />

könnte auf den Potenzialausgleich zwischen<br />

den GTP verzichtet werden.<br />

N<strong>eb</strong>en der Personensicherheit und der Instandhaltbarkeit<br />

spielen Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit eine weitere<br />

Schlüsselrolle in einem sicheren und ordentlichen Eisenbahnbetri<strong>eb</strong>.<br />

Auch wenn im Sinne der Normanforderungen<br />

die Personensicherheit durch den Entfall der Erdungsmaßnahmen<br />

gewährleistet bli<strong>eb</strong>e, darf der verantwortliche Betreiber<br />

bei diesen Überlegungen die Anforderungen an die<br />

Verfügbarkeit der Eisenbahnanlagen nicht unberücksichtigt<br />

lassen. Bleibt ein Fehlerstrom unter dem höchst zulässigen<br />

Betri<strong>eb</strong>sstrom, wird der Fehler vom Schutz nicht erkannt.<br />

Dies kann insbesondere auch dann zutreffen, wenn Erdungen<br />

im betroffenen Anlagenabschnitt gestohlen wurden<br />

oder die gerissene Oberleitung auf Erdreich zu liegen<br />

kommt. In solchen Fällen zerstörten in der Vergangenheit<br />

vagabundierende Fehlerströme eisenbahntechnische<br />

Einrichtungen mit teils beträchtlichem Schadensausmaß.<br />

Strecken sperren, Verspätungen und monatelange Einschränkungen<br />

im Zugverkehr waren die Folge.<br />

8 Ausblick<br />

Am 15. Oktober 2010 wurde von CENELEC ein einstufiges<br />

Annahmeverfahren zur Änderung der EN 50122-1:2010<br />

gestartet. Der Vorschlag wurde in der Zwischenzeit angenommen.<br />

Hinsichtlich dieses Artikels sind zwei Änderungsvorschläge<br />

von besonderem Interesse.<br />

Ein Änderungsvorschlag zielt darauf hin, den letzten<br />

Absatz des Punktes 6.3.1.2 zu streichen und durch einen<br />

neuen Absatz zu ersetzen. Dieser Absatz fordert zurzeit,<br />

dass zwischen zwei oder mehreren leitenden Bauteilen<br />

geringer Abmessung der Mindestabstand größer sein<br />

muss, als der in der EN 50119 angeg<strong>eb</strong>ene elektrische<br />

Mindestabstand und die elektrische Isolierung dieser<br />

Bauteile gegeneinander muss gewährleistet sein. Wie in<br />

diesem Artikel dargelegt, ist diese Forderung so restriktiv,<br />

dass es nur wenige Anwendungsfälle für Bauteile geringer<br />

Abmessung gäbe, auch wenn der Nachweis gelingt,<br />

dass es zu keinen Spannungsverschleppungen kommt.<br />

Mit der Änderung auf europäischer Ebene wird dies nun<br />

möglich.<br />

Manchmal ist es wirtschaftlicher oder technisch sinnvoller,<br />

teilweise leitfähige Bauteile und Bauwerke im<br />

Stromabnehmer- und/oder Oberleitungsbereich nicht direkt<br />

mit der Rückleitung zu verbinden. Eine entsprechend<br />

dimensionierte und mit der Rückleitung verbundene<br />

Metall konstruktion, die sich zwischen dem Stromabnehmer<br />

und/oder der Oberleitung und dem teilweise leitfähigen<br />

Bauteil oder Bauwerk befindet, erfüllt denselben<br />

Zweck. Berührt der unter Spannung stehende Stromabnehmer<br />

oder die unter Spannung stehende Oberleitung<br />

diese Konstruktion, kommt es unverzüglich zu einer<br />

Abschaltung der Versorgungsspannung. Der neuen Absatz<br />

6.3.1.5 behandelt diese Möglichkeit. Weiters wird<br />

in diesem Absatz, in einer Anmerkung, der Fahrschiene<br />

diese schützende Eigenschaft zugeschri<strong>eb</strong>en. Der Schutzbereich<br />

wird links und rechts der Fahrschiene mit 0,8 m<br />

festgelegt. Wird diese Änderung auf europäischer Ebene<br />

angenommen, könnte auf die Verbindung der Gleistragplatten<br />

mit der Rückleitung verzichtet werden, weil<br />

davon auszugehen ist, dass die gerissene Oberleitung die<br />

Schiene berührt und der Fehler unverzüglich abgeschaltet<br />

wird.<br />

Literatur<br />

[1] EN 50122-1:1997: Bahnanwendungen – Ortsfeste Anlagen –<br />

Teil 1: Schutzmaßnahmen in Bezug auf elektrische Sicherheit<br />

und Erdung.<br />

[2] EN 50122-1:2010: Bahnanwendungen – Ortsfeste Anlagen –<br />

<strong>Elektrische</strong> Sicherheit, Erdung und Rückleitung – Teil 1 –<br />

Schutzmaßnahmen gegen elektrischen Schlag.<br />

[3] EN 50119:2009: Bahnanwendungen – Ortsfeste Anlagen –<br />

Oberleitungen für den elektrischen Zugbetri<strong>eb</strong>.<br />

[4] Wissenschaftliches Gutachten über die Untersuchung an Gleistragplatten<br />

im Bezug auf elektrische Spannungsverschleppung<br />

und elektrische Spannungsdifferenzen in teilweise<br />

leitenden Bauteilen unter Berücksichtigung der Vornorm<br />

prEN 50122-1:2010.<br />

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Energietechnik an der TU Wien; Fachexperte<br />

für Oberleitungsanlagen mit Schwerpunkt<br />

Rückstromführung, Erdung und Potenzialausgleich,<br />

Sprecher der Gemeinschaft der europäischen<br />

<strong>Bahnen</strong> bei der europäischen Eisenbahnagentur<br />

für das Teilsystem Energie.<br />

Adresse: ÖBB-Infrastruktur AG, Strecken- und<br />

Bahnhofsmanagement, Integration Technik<br />

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<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

241<br />

Unbenannt-8 1 03.05.11 10:04


Elektrotechnische Anlagen und Systeme – acrps 2011<br />

Verfahren zur Verbesserung der Spannungshaltung<br />

bei Wechselstrombahnen<br />

Andriy Zynovchenko, Offenbach<br />

Die Fahrleitungsspannung ist eines der wichtigsten Kriterien bei der Auslegung eines Bahnstromsystems.<br />

Die untersten Spannungsgrenzen nach Kundenanforderungen oder nach EN 50163 und<br />

EN 50388 sind einzuhalten. Das vorgestellte neuartige Verfahren zur Verbesserung der Fahrleitungsspannung<br />

ermöglicht eine Erweiterung des Unterwerksspeis<strong>eb</strong>ereichs. Dadurch kann die<br />

Anzahl der Unterwerke reduziert oder die Redundanz verbessert werden.<br />

Technology to improve catenary voltage stability for a.c. railways<br />

Catenary voltage is one of the most important criteria for the design of a railway electrification<br />

system. The lowest voltage limits defined by the customer or by EN 50163 and EN 50388 may<br />

not be violated. The presented novel technique for improvement of the catenary voltage allows<br />

the extension of feeding area of a substation. This makes possible a reduction of the number of<br />

substations and enhancement of redundancy grade.<br />

Technologie pour améliorer la stabilité de tension pour les chemins de fer électrifiés en c. a.<br />

La tension à la caténaire est un des critères les plus importants pour concevoir une électrification<br />

ferroviaire. Les limites les plus basses définies par le client ou par les normes EN 50163 ou<br />

50388 doivent être respectées. La nouveauté technique présentée pour améliorer la tension à la<br />

caténaire permet d’étendre la zone alimentée par une sous station. Cela rend ainsi possible une<br />

réduction du nombre de sous stations ou l’amélioration du niveau de redondance.<br />

1 Einführung<br />

Bei der Auslegung eines Bahnstromsystems sollen umfangreiche<br />

Studien durchgeführt werden. Damit soll festgestellt<br />

werden, ob dieses in der beabsichtigten Auslegung<br />

den Kundenanforderungen gerecht wird und ob ein<br />

technisches und wirtschaftliches Optimierungspotenzial<br />

vorliegt. Eines der wichtigsten Bewertungskriterien ist dabei<br />

die Fahrleitungsspannung, sowohl im Normalbetri<strong>eb</strong><br />

als auch in verschiedenen Ausfallszenarien. Die Spannung<br />

am Stromabnehmer darf die Werte U min1<br />

und U min2<br />

nach<br />

[1] nicht unterschreiten. Bei TSI-Strecken sind weiter die<br />

zulässigen Mindestwerte der mittleren nutzbaren Spannung<br />

nach [2] einzuhalten. Abweichend davon kann der<br />

Kunde eigene Anforderungen an die Mindestspannung<br />

am Stromabnehmer stellen [3].<br />

Zeigen Systemstudien, dass die Spannung am Stromabnehmer<br />

die zulässigen Mindestwerte unterschreitet, muss<br />

die Auslegung des Bahnstromsystems angepasst werden.<br />

Damit hat das Spannungskriterium in vielen Fällen einen<br />

entscheidenden Einfluss auf<br />

• Speiselängen, Anzahl und Standorte der Unterwerke<br />

(Uw),<br />

• Leistungen und Kurzschlussspannungen einzelner<br />

Transformatoren,<br />

• Wahl zwischen dem Ein- und dem Zweispannungssystem,<br />

• Auslegung der Fahrleitung mit Rücksicht auf ihre Impedanz,<br />

• Verfügbarkeit der Redundanzen in Ausfallszenarien.<br />

Die Reihe der Maßnahmen zur Verbesserung der Fahrleitungsspannung,<br />

die einem Systemingenieur zur Verfügung<br />

stehen, ist begrenzt. Als konventionelle Lösungen<br />

lassen sich nennen:<br />

• Verkürzung der Speiselängen durch Errichtung zusätzlicher<br />

Uw<br />

• Wahl von Traktionstransformatoren mit einer niedrigeren<br />

Impedanz<br />

• Verstärkung der Fahrleitung, zum Beispiel mit Verstärkungsleitern<br />

• Implementierung eines Zweispannungssystems mit Hilfe<br />

von Autotransformatoren (AT)<br />

Nachstehend werden Vorteile und Grenzen dieser Lösungen<br />

erläutert. Anschließend wird eine alternative neuartige<br />

Lösung vorgeschlagen.<br />

2 Konventionelle Lösungen zur Verbesserung<br />

der F ahrleitungsspannung<br />

2.1 Verkürzung der Speiselängen<br />

Durch die Errichtung zusätzlicher Uw lassen sich die Längen<br />

einzelner Speiseabschnitte verkürzen. Dabei können die<br />

installierten Leistungen einzelner Uw reduziert werden.<br />

Diese Lösung ist jedoch mit einem erh<strong>eb</strong>lichen Mehrauf-<br />

242 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – Elektrotechnische Anlagen und Systeme<br />

wand verbunden. Hierzu zählen nicht nur die Mehrkosten<br />

für die zusätzlichen Uw selbst, sondern auch die Kosten für<br />

die Beschaffung der Grundstücke und die Errichtung der<br />

Anschlussleitungen ans Hochspannungsnetz. In manchen<br />

Fällen ist diese Lösung in der Praxis nicht realisierbar, zum<br />

Beispiel wenn das Uw und die Hochspannungszuleitung<br />

im Naturschutzg<strong>eb</strong>iet oder im Tunnel liegen würden.<br />

Weiterhin, mit steigender Anzahl der Uw sinkt auch ihr<br />

Ausnutzungsgrad. Das beeinflusst die Wirtschaftlichkeit<br />

des gesamten Bahnsystems negativ.<br />

2.2 Verstärkung der Fahrleitung<br />

Die Fahrleitungsimpedanz und folgl ich der Spannungsfall<br />

längs der Strecke lassen sich durch eine Fahrleitungsverstärkung<br />

reduzieren, zum Beispiel durch Einsatz von<br />

Verstärkungsleitern. Der Mehraufwand dieser Lösung ist<br />

im Allgemeinen geringer als für die Errichtung zusätzlicher<br />

Uw und entsteht bei Neubaustrecken durch die<br />

Errichtung der Masten und Fundamente, die für Mehrlast<br />

geeignet sein müssen, sowie durch die Kosten der Verstärkungsseile<br />

selbst und ihrer Verlegung.<br />

Wird eine bestehende Strecke nachgerüstet, muss sicher<br />

gestellt werden, dass die bestehenden Masten die<br />

Mehrlast durch die Verstärkungsleiter tragen können.<br />

Da die Fahrleitung des nachgerüsteten Abschnitts für<br />

die Montagearbeiten abgeschaltet werden muss, ist mit<br />

entsprechenden Sperrzeiten im Bahnbetri<strong>eb</strong> zu rechnen.<br />

Die technische Grenze dieser Lösung besteht darin,<br />

dass die Fahrleitungsverstärkung nicht immer zur ausreichenden<br />

Verbesserung der Spannung führt. Da die<br />

Impedanz einer Fahrleitung bei den Wechselstrombahnen<br />

hauptsächlich durch die magnetische Kopplung der Leiterschleifen<br />

bestimmt wird, stößt die Erhöhung des Seilquerschnitts<br />

oder der Anzahl der parallel geführten Seile<br />

schnell auf ihre Grenze hinsichtlich Impedanzminderung.<br />

Die beschri<strong>eb</strong>ene Lösung kommt nicht in Frage, wenn<br />

die bestehende Fahrleitung bereits mit Verstärkungsleitern<br />

ausgestattet, die Fahrleitungsspannung jedoch immer<br />

noch unzulässig niedrig ist. Die Situation ist durchaus<br />

vorstellbar, wenn eine bestehende Bahnstrecke und der<br />

entsprechende Speis<strong>eb</strong>ereich des Uw verlängert werden,<br />

oder wenn die Auslastung der Strecke mit der Zeit höher<br />

wird als ursprünglich geplant.<br />

2.3 Aufbau eines Zweispannungssystems<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

Eine weitere bekannte und bewährte Lösung ist die Errichtung<br />

eines Zweispannungssystems, auch Autotransformatorensystem<br />

oder AT-System genannt. Am weitesten sind<br />

solche Systeme in 50/25-kV-50-Hz-Ausführung verbreitet<br />

[4; 5]. Bei dieser Lösung wird ein Negativfeeder ähnlich<br />

wie ein Verstärkungsleiter an den Masten verlegt. Im<br />

Unterschied zu den Verstärkungsleitern, die das gleiche<br />

Potenzial wie die Fahrleitung aufweisen, ist die Spannung<br />

eines Negativfeeders gegenüber Erde um 180 ° bezüglich<br />

der Fahrleitungsspannung versetzt. Bei der Nennspannung<br />

der Fahrleitung gegen Erde von 25 kV beträgt die<br />

Nennspannung zwischen Fahrleitung und Negativfeeder<br />

50 kV. Entlang der Strecke sind die AT mit einem Transformationsverhältnis<br />

2 : 1 in regelmäßigen Abständen aufgestellt<br />

und an die Fahrleitung, an den Negativfeeder<br />

sowie an die Rückleitung angeschlossen. Mit den AT wird<br />

erreicht, dass ein Großteil der Leistung vom Uw zum Tri<strong>eb</strong>fahrzeug<br />

auf der 50-kV-Spannungs<strong>eb</strong>ene übertragen wird.<br />

Dadurch werden die Spannungsverluste reduziert und der<br />

Speis<strong>eb</strong>ereich im Vergleich zu einem konventionellen Einspannungssystem<br />

erweitert.<br />

Ein Zweispannungssystem kann entweder als „echtes“<br />

oder als „unechtes“ AT-System aufg<strong>eb</strong>aut werden [6]. Für<br />

Neubaustrecken wird ein echtes AT-System bevorzugt,<br />

dabei wird das Uw auf der Fahrleitungsseite zweipolig<br />

ausgeführt. Dieser Unterwerksaufbau erfordert offensichtlich<br />

mehr Investitionen und mehr Platz als bei einem<br />

einpoligen Uw.<br />

Wird eine bestehende von einem einpoligen Uw gespeiste<br />

Strecke nachgerüstet und soll das bestehende Uw<br />

weiter in Betri<strong>eb</strong> bleiben, bietet sich ein unechtes AT-<br />

System an [7; 8]. In einem unechten AT-System wird die<br />

Spannung des Negativfeeders nicht im Uw, sondern am<br />

ersten AT aufg<strong>eb</strong>aut. Voraussetzung für eine solche Nachrüstung<br />

ist die Fähigkeit der Masten, den Negativfeeder<br />

als Zusatzlast tragen zu können.<br />

Sowohl bei einem echten, als auch bei einem unechten<br />

AT-System sind dieselben Mehrinvestitionen erforderlich<br />

wie für die Ausrüstung der Strecke mit Verstärkungsleitern,<br />

siehe Abschnitt 2.2. Zusätzlich muss in AT-Stationen<br />

investiert werden, die ungefähr alle 4 bis 7 km zu errichten<br />

sind. Dafür müssen entsprechende Grundstücke vorhanden<br />

sein, und das ist nicht immer der Fall, zum Beispiel<br />

bei Tunnelstrecken.<br />

2.4 Reduzierung der Impedanz der<br />

Traktionstransformatoren<br />

Noch eine, allerdings sehr begrenzte Möglichkeit der<br />

Spannungserhöhung bei neugeplanten Uw besteht darin,<br />

die Traktionstransformatoren in den Uw mit einer<br />

möglichst kleinen Kurzschlussimpedanz zu wählen, um<br />

den Spannungsfall am Transformator zu minimieren. Das<br />

kann durch die Wahl der Transformatoren mit kleinerer<br />

Kurzschlussspannung, die aus konstruktiven Gründen nur<br />

in einem engen Bereich variiert werden kann, oder mit<br />

höherer Leistung erreicht werden – selbstverständlich mit<br />

Mehrkosten als Folge.<br />

Je höher die Nennleistung oder/und je kleiner die<br />

Kurzschlussspannung des Traktionstransformators und je<br />

länger die Speiseabschnitte sind, umso kleiner wird der<br />

Spannungsfall am Transformator und umso größer längs<br />

der Fahrleitung. Damit werden die Grenzen dieser Lösung<br />

schnell sichtbar. Hinzu kommt, dass die unterste Grenze<br />

der Transformatorimpedanz durch den höchstzulässigen<br />

Kurzschlussstrom auf der Fahrleitungsseite vorgeg<strong>eb</strong>en<br />

ist. Dieser wird entweder nach [2] oder nach davon abweichenden<br />

Kundenanforderungen festgelegt.<br />

243


Elektrotechnische Anlagen und Systeme – acrps 2011<br />

2.5 Zusammenfassung der<br />

konventionellen Lösungen<br />

Wie dargestellt, stehen zur Auswahl nur wenige Maßnahmen<br />

zur Verbesserung der Fahrleitungsspannung zur<br />

Verfügung. In vielen Fällen sind einige oder alle diese<br />

Lösungen entweder technisch nicht realisierbar, oder sie<br />

führen zu keiner ausreichenden Verbesserung der Spannung,<br />

oder sie bringen eine erh<strong>eb</strong>liche Steigerung der<br />

Bahnelektrifizierungskosten mit sich.<br />

Daher wurde nach einem alternativen Verfahren gesucht,<br />

welches unter gewissen Randbedingungen eine<br />

technisch und wirtschaftlich bessere Alternative zu den<br />

aufgezählten Lösungen bieten soll. Ein solches Verfahren<br />

ist nachstehend vorgestellt.<br />

Bild 1: Einsatz eines regelbaren Autotransformators zur Erweiterung<br />

der Speiselänge.<br />

1 Traktionstransformator<br />

2 Fahrleitung<br />

3 Spannungswandler<br />

4 Regelbarer Autotransformator<br />

5 Stufenschalter<br />

3 Neuartiges Verfahren zur<br />

Verbesserung der Spannungshaltung<br />

3.1 Grundprinzip<br />

Zur Erhöhung der Fahrleitungsspannung auf der Strecke<br />

wird vorgeschlagen, einen unkonventionellen Autotransformator<br />

mit einem automatisch gesteuerten Stufenschalter<br />

einzusetzen [9]. Als prinzipielle Unterschiede zum<br />

Zweispannungssystem lassen sich nennen:<br />

• auf der Fahrleitungsseite sind weder Negativfeeder<br />

noch eine zweite Spannungs<strong>eb</strong>ene vorhanden<br />

• das Übersetzungsverhältnis des Autotransformators ist<br />

regelbar<br />

Das Verfahren kann zum Beispiel zur Erweiterung der<br />

Speiselänge im Normalbetri<strong>eb</strong> oder zur Verbesserung der<br />

Redundanz beim Ausfall eines Traktionstransformators<br />

oder eines kompletten Uw eingesetzt werden. Nachstehend<br />

sind zwei Einsatzbeispiele angeg<strong>eb</strong>en und das Arbeitsprinzip<br />

näher erläutert.<br />

3.2 Einsatzbeispiel: Erweiterung<br />

der Speiselänge im Normalbetri<strong>eb</strong><br />

Bild 2: Konventionelle Fahrleitungsspeisung in einem Einspannungssystem;<br />

Normalbetri<strong>eb</strong>.<br />

6 Erdungsschalter<br />

Der betrachtete Fall kommt vor, wenn eine bestehende<br />

Strecke erweitert oder eine Neubaustrecke er richtet wird<br />

und die gesamte Strecke nur von einem Einspeisepunkt<br />

mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Dies zum<br />

Beispiel dann, wenn die Anschlussmöglichkeit an die Hochspannungsleitung<br />

für ein zusätzliches Uw an einer weiteren<br />

Stelle fehlt. Die Anwendung des neuartigen Verfahrens<br />

zur Spannungsstützung in einem solchen Fall zeigt Bild 1.<br />

Der regelbare Autotransformator ist vom Uw entfernt.<br />

Einerseits, je größer diese Entfernung, umso größer ist die<br />

Gesamtlänge des Fahrleitungsabschnitts der vom Uw gespeist<br />

werden kann. Andererseits muss die Fahrleitungsspannung<br />

vor dem Autotransformator, das heißt auf seiner<br />

Unterspannungsseite, noch hoch genug sein, um die<br />

untersten Spannungsgrenzwerte nicht zu unterschreiten.<br />

Der Autotransformator wird mit dem Stufenschalter<br />

gemäß dem aktuellen Spannungsverhältnis, erfasst durch<br />

den Spannungswandler, angesteuert. Das Grundprinzip<br />

der Regelung besteht darin, die Spannung auf der Oberspannungsseite<br />

möglichst nah am Soll-Wert zu halten,<br />

zum Beispiel an U max1<br />

gemäß [1], jedoch die Überschreitung<br />

von U max1<br />

und U max2<br />

zu vermeiden. Die Anzahl der<br />

Stufen des Stufenschalters und die Spannungsdifferenz<br />

zwischen den Stufen kann unterschiedlich groß gewählt<br />

werden. Grundsätzlich muss die Stufe mit dem Übersetzungsverhältnis<br />

1 : 1 vorhanden sein, damit die Spannung<br />

auf der Oberspannungsseite die Werte U max1<br />

und U max2<br />

nicht überschreitet.<br />

Im folgenden Beispiel wird angenommen, dass der<br />

Stufenschalter drei Stufen mit den Transformationsfaktoren<br />

1 : 1, 1 : 1,125 und 1 : 1,25 hat. Das System sei 25 kV<br />

und es gelte [1] mit den Grenzwerten U max1<br />

= 27,5 kV und<br />

U max2<br />

= 29 kV als Anforderung an die Fahrleitungsspannung.<br />

Die Spannungsverhältnisse am Autotransformator<br />

bei verschiedenen Stellungen des Stufenschalters sind in<br />

Tabelle 1 zusammengefasst, sie soll auch als Grundlage für<br />

den Steuerungsalgorithmus dienen.<br />

Der für die Ansteuerung des Stufenschalters notwendige<br />

Spannungswandler kann entweder auf der Unter- oder<br />

Tabelle 1: Spannungsverhältnisse am regelbaren Autotransformator;<br />

Beispiel für ein 25-kV-Bahnstromsystem.<br />

Stufe<br />

Übersetzungsverhältnis<br />

Spannung auf der<br />

Unterspannungsseite,<br />

kV<br />

Spannung auf der<br />

Oberspannungsseite,<br />

kV<br />

1 1 : 1 24,4 …29,0 24,4 …29,0<br />

2 1: 1,125 22,0 …24,4 24,75 …27,5<br />

3 1 : 1,25 17,5 …22,0 21,9 …27,5<br />

244 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – Elektrotechnische Anlagen und Systeme<br />

auf der Oberspannungsseite des Autotransformators angeschlossen<br />

werden. Dies erfordert lediglich eine geringfügige<br />

Anpassung des Steuerungsalgorithmus.<br />

3.3 Einsatzbeispiel: Verbesserung<br />

der Redundanz beim Ausfall eines<br />

Unterwerkes<br />

In den 25-kV-50-Hz-Bahnstromsystemen sind die Speis<strong>eb</strong>ereiche<br />

benachbarter Uw üblicherweise durch eine Phasentrennstelle<br />

mit einem neutralen Abschnitt getrennt, welcher<br />

in den meisten Fällen geerdet ist (Bild 2). Beim Ausfall<br />

eines Uw muss das benachbarte Uw die Fahrleitung bis<br />

zum gestörten Uw speisen. Dazu wird der Erdungsschalter<br />

der neutralen Zone geöffnet und diese unter Spannung<br />

gesetzt. Dadurch verlängert sich der Speis<strong>eb</strong>ereich des in<br />

Betri<strong>eb</strong> bleibenden Uw. Wird der Speis<strong>eb</strong>ereich zu lang,<br />

können Probleme mit der Spannungshaltung entstehen.<br />

In diesem Fall müssen entweder der Bahnbetri<strong>eb</strong> reduziert<br />

oder die im Abschnitt 2 aufgezählten Maßnahmen<br />

ergriffen werden. Alternativ lässt sich das neuartige Verfahren<br />

anwenden. Die Speiseanordnung mit einem regelbaren<br />

Autotransformator im Normalbetri<strong>eb</strong> ist in Bild 3<br />

gezeigt. Dabei ist der Autotransformator kurzgeschlossen<br />

und geerdet, sodass sich der Bahnbetri<strong>eb</strong> von jenem bei<br />

der konventionellen Speiseanordnung nach Bild 2 nicht<br />

unterscheidet.<br />

Beim Ausfall eines Uw wird der Autotransformator, wie<br />

in Bild 4 gezeigt, unter Spannung gesetzt und hilft, die<br />

Fahrleitungsspannung auf dem Streckenabschnitt bis zum<br />

ausgefallenen Uw zu stützen.<br />

Falls das andere Uw ausfällt, ist die Speisung in die<br />

andere Richtung durch die Umschaltung der Mastschalter<br />

möglich.<br />

3.4 Hauptmerkmale des neuartigen<br />

Verfahrens<br />

Das neuartige Verfahren stellt eine Alternative zu anderen<br />

Lösungen zur Stützung der Fahrleitungsspannung<br />

dar. Seine Implementierung ist offenbar deutlich kostengünstiger<br />

als die Errichtung eines zusätzlichen vollwertigen<br />

Uw oder eines Zweispannungssystems und bietet<br />

insbesondere dann eine zweckmäßigere Lösung, wenn<br />

die Möglichkeiten der Fahrleitungsverstärkung bereits<br />

ausgeschöpft sind. Weiterhin kennzeichnet sich die vorgeschlagene<br />

Lösung durch einen vergleichsweise kleinen<br />

Platzbedarf für nur einen Autotransformator.<br />

Das vorgestellte Verfahren lässt sich sowohl für Neubaustrecken<br />

als auch für die Nachrüstung bestehender<br />

Strecken anwenden. Im letzten Fall werden die Betri<strong>eb</strong>ssperrzeiten<br />

viel kürzer sein als beispielsweise bei der Fahrleitungsverstärkung.<br />

Weitere Speisekonzepte mit Anwendung der regelbaren<br />

Autotransformatoren sind möglich, zum Beispiel<br />

der Einsatz mehrerer nacheinander geschalteten Autotransformatoren<br />

oder Spannungsstützung bei zweiseitig<br />

gespeisten 15-kV-16,7-Hz-Fahrleitungsnetzen. Die Steuerungsalgorithmen<br />

für den Stufenschalter müssen dementsprechend<br />

angepasst werden.<br />

3.5 Weitere technische Aspekte<br />

und Herausforderungen<br />

3.5.1 Autotransformator<br />

Im Unterschied zu den AT in Zweispannungssystemen, die<br />

üblicherweise das Übersetzungsverhältnis von 2 : 1 haben,<br />

ist das Übersetzungsverhältnis des regelbaren Autotransformators<br />

in dem vorgeschlagenen Verfahren nahezu 1.<br />

Daher sollte seine Bauweise deutlich kompakter sein als<br />

bei den herkömmlichen AT für Zweispannungssysteme.<br />

Es muss vermieden werden, dass keine Anzapfung<br />

des Autotransformators zugeschaltet ist, da in diesem<br />

Fall die volle Fahrleitungsspannung am Stufenschalter<br />

ansteht und ihn zerstören kann. Daher darf eine Stufe<br />

bei der Umschaltung nur dann getrennt werden, wenn<br />

schon eine andere zugeschaltet ist. Aus diesem Grund<br />

werden zwei Stufen für eine kurze Zeit bei der Stufenumschaltung<br />

kurzgeschlossen, sodass für diese Zeit ein<br />

windungsschluss ähnlicher Zustand für den Autotransformator<br />

entsteht. Er muss solchen kurzen, jedoch häufig<br />

auftretenden Zuständen thermisch und dynamisch ohne<br />

Schaden widerstehen können.<br />

3.5.2 Stufenschalter<br />

Die wichtigste Anforderung an den Stufenschalter ist die<br />

Tauglichkeit für häufiges Schalten unter Last. Er muss für<br />

die maximale Spannung ausgelegt werden, die zwischen<br />

Bild 3: Einsatz eines regelbaren Autotransformators zur Verbesserung<br />

der Redundanz; Normalbetri<strong>eb</strong>.<br />

Bild 4: Einsatz eines regelbaren Autotransformators zur Verbesserung<br />

der Redundanz; Unterwerksausfall.<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

245


Elektrotechnische Anlagen und Systeme – acrps 2011<br />

der obersten und der untersten Anzapfung des Autotransformators<br />

entstehen kann. Im Zahlenbeispiel aus<br />

Abschnitt 3.2 beträgt diese Spannung<br />

.<br />

Der Stufenschalter kann entweder mechanisch oder<br />

basierend auf leistungselektronischen Elementen aufg<strong>eb</strong>aut<br />

werden. Bei der Auslegung des Stufenschalters sind<br />

folgende Kriterien heranzuziehen:<br />

• umzuschaltende Leistung<br />

• zulässige Dauer des Windungsschlusses bei der Umschaltung<br />

• Häufigkeit der Schaltungen, sie hängt unter anderem<br />

davon ab, ob der Autotransformator beim Normalbetri<strong>eb</strong><br />

oder nur beim Unterwerkausfall betri<strong>eb</strong>en wird<br />

• Anzahl der Stufen<br />

• Spannungsdifferenz zwischen den Stufen<br />

Mit Hinblick auf die Wahl der Stufenanzahl ist darauf<br />

hinzuweisen, dass mehr Stufen<br />

• kleinere Spannungsdifferenzen zwischen ihnen,<br />

• genauere Ansteuerung an die Soll-Spannung und<br />

• dafür aber einen aufwändigeren Stufenschalter und<br />

häufigeres Schalten<br />

bedeuten. Weiterhin muss die Stufung nicht gleichmäßig<br />

sein. Eine feinere Stufung im Bereich 1 : 1 wäre für eine<br />

genauere Annäherung an die Soll-Spannung sinnvoll.<br />

3.5.3 Schutz<br />

Autotransformator<br />

Als eines der möglichen Schutzkonzepte wird der Einsatz<br />

des Differentialschutzes gesehen. Der Autotransformator<br />

kann entweder mit eigenen Leistungsschaltern ausgestattet<br />

werden oder mit dem Uw über einen ausreichend<br />

schnellen Kommunikationskanal verbunden werden, um<br />

im Fehlerfall den Ausschaltbefehl an die Leistungsschalter<br />

des Uw übertragen zu können.<br />

Fahrleitung<br />

Da die Speiselänge deutlich größer wird, ist insbesondere<br />

darauf zu achten, dass der entfernte Kurzschluss auf der<br />

Fahrleitung immer noch vom Uw aus zuverlässig erkannt<br />

wird. Die Auswertung des Phasenwinkels des Stroms<br />

durch das Schutzrelais nimmt an Bedeutung zu. Alternativ<br />

kann die Fahrleitung hinter dem Autotransformator mit<br />

dem Leistungsschalter des Autotransformators und dem<br />

dazugehörenden Schutzrelais geschützt werden.<br />

4 Schlussfolgerung und Ausblick<br />

Bei der Auslegung eines Bahnstromsystems wird auf<br />

Grund der Leistungsflusssimulation die Notwendigkeit zur<br />

Stützung der Fahrleitungsspannung beurteilt. Falls erforderlich,<br />

sollen mögliche Maßnahmen aus technischer und<br />

wirtschaftlicher Sicht bewertet und verglichen werden.<br />

Das vorgeschlagene neuartige Verfahren zur Spannungsstützung<br />

kann sich in manchen Fällen als technisch und<br />

wirtschaftlich optimale Alternative zu den konventionellen<br />

Ansätzen erweisen.<br />

Das Verfahren befindet sich derzeit in der Phase eines<br />

Entwicklungsvorhabens. Für seine praktische Realisierung<br />

sind noch folgende Aktivitäten notwendig:<br />

• detaillierte theoretische Ausarbeitung der Steuerungskonzepte<br />

und der Auslegungsgrundlagen für verschiedene<br />

Einsatzfälle<br />

• Kooperation mit den Fachfirmen für Leistungselektronik<br />

und Transformatorenbau<br />

• Bau eines Prototyps als Pilotanlage<br />

Literatur<br />

[1] DIN EN 50163:2004. Bahnanwendungen – Speisespannungen<br />

von Bahnnetzen.<br />

[2] DIN EN 50388:2009. Bahnanwendungen – <strong>Bahnen</strong>ergieversorgung<br />

und Fahrzeuge – Technische Kriterien für die Koordination<br />

zwischen Anlagen der <strong>Bahnen</strong>ergieversorgung und<br />

Fahrzeugen zum Erreichen der Interoperabilität.<br />

[3] American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association<br />

(AREMA): AREMA Manual for Railway Engineering.<br />

Volume 3: Infrastructure and Passengers. Chapter 33: Electrical<br />

Energy Utilization. Part 3: Recommended Voltages.<br />

[4] Lönard, D.; Northe, J.: Metal-closed, air-insulated traction<br />

switchgear – developments and applications. In: <strong>Elektrische</strong><br />

<strong>Bahnen</strong> 104 (2006), H. 8-9, S. 421–427.<br />

[5] Ortiz, J.M.G., et al.: Elektrifizierung der Hochgeschwindigkeitsstrecke<br />

Madrid-Lerida. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 100 (2002),<br />

H. 12, S. 466–472.<br />

[6] Zynovchenko, A.; George, G.; Olsen, H.: Elektrifizierung von<br />

Eisenbahnstrecken mit Autotransformatorsystemen. In: <strong>Elektrische</strong><br />

<strong>Bahnen</strong> 107 (2009), H. 4-5, S. 233–239.<br />

[7] Levermann-Vollmer, D.; Klinge, R.: Pilotprojekt Mehrspannungssystem<br />

Prenzlau-Stralsund. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 101<br />

(2003), H. 4-5, S. 172–176.<br />

[8] Levermann-Vollmer, D.; Eberling, W.: Autotransformer bei der<br />

Deutschen Bahn. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 100 (2002), H. 1-2,<br />

S. 38–43.<br />

[9] Deutsche Patentanmeldung Akz. 10 2011 013 330.5: Einphasige<br />

Speiseanordnung und Verfahren zur Versorgung von<br />

Wechselstrombahnen mit Einphasenwechselstrom. Eingereicht<br />

am 08.03.2011.<br />

Dr.-Ing. Andriy Zynovchenko (32). Studium industrielle<br />

Energieversorgungssysteme an der Priasower<br />

staatlichen technischen Universität in Mariupol,<br />

Ukraine. 2003 bis 2006 wissenschaftlicher<br />

Mitarbeiter, anschließend Promotion an der Universität<br />

Ulm. Seit 2006 Systemingenieur in der<br />

Abteilung Systemtechnik bei Balfour Beatty Rail<br />

GmbH.<br />

Adresse: Balfour Beatty Rail GmbH, Abteilung<br />

Systemtechnik, Frankfurter Str. 111,<br />

63067 Offenbach am Main, Deutschland;<br />

Fon: +49 69 30859-384, Fax: -486;<br />

E-Mail: andriy.zynovchenko@bbrail.com<br />

246 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – Historie<br />

100 Jahre Fernbahnelektrifizierung<br />

in Deutschland<br />

Peter Glanert, Dessau; Siegfried Graßmann, München;<br />

Thomas Scherrans, Dresden<br />

Der Beginn des elektrischen Versuchsbetri<strong>eb</strong>es auf der Eisenbahnstrecke Dessau – Bitterfeld am<br />

18. Januar 1911 war die G<strong>eb</strong>urtsstunde der elektrischen Fernbahntraktion in Deutschland mit<br />

Einphasen-Wechselstrom niedriger Frequenz. Die Errichtung der <strong>Bahnen</strong>ergieanlagen dafür<br />

sowie die Inbetri<strong>eb</strong>nahmen der elektrischen Lokomotiven waren Pioniertaten der Technikgeschichte.<br />

Noch während der ersten Versuchsphase wurde die Erweiterung beschlossen und begonnen,<br />

aber der Ausbruch des 1. Weltkriegs beendete das Projekt abrupt.<br />

Centenary of long distance railway electrification in Germany<br />

Starting of electric test operation on the railway line Dessau – Bitterfeld on January 18 th 1911<br />

was the hour of birth of electric long distance railway traction in Germany with low frequency<br />

single phase a. c. Construction of traction power supply installations and putting into service of<br />

the electric locomotives are pioneering works of technical history. Extension was initiated just<br />

during first test period, but eruption of World War I stopped the project abruptly.<br />

Un siècle d’électrification de lignes à grand parcours en Allemagne<br />

Le début de l’exploitation, à titre d’essai, de la ligne électrifiée Dessau – Bitterfeld le 18 Janvier<br />

1911 a constitué la naissance de la traction électrique pour trains à grande distance en Allemagne<br />

en courant alternatif monophasé à fréquence réduite. La construction des installations<br />

de traction élec-trique et la mise en service des locomotives électriques ont été des actes pionniers<br />

dans l’histoire de la technologie. Encore pendant la première phase d’essais l’extension<br />

était décidée et commencée, mais le déclenchement de la première guerre mondiale a stoppé<br />

brutalement le projet.<br />

1 Einführung<br />

Ende des 19. Jahrhunderts unternahmen die großen deutschen<br />

Elektrofirmen erste Schritte, die Elektroenergie für<br />

die Eisenbahn nutzbar zu machen. Bei DC hatte sich als<br />

Nachteil gezeigt, dass er nicht transformierbar ist und die<br />

dadurch begrenzte Fahrleitungsspannung bei Fernbahnen<br />

hohe Stromstärken erfordert. Deshalb wurden auf<br />

verschiedenen Versuchsstrecken 3 AC oder 1 AC verschiedener<br />

Spannungen und Frequenzen erprobt, um für den<br />

Bahnbetri<strong>eb</strong> geeignete Lösungen zu finden.<br />

Bahnmotoren, ausgeführt als 1AC-Reihenschlussmotoren,<br />

konnten damals aus physikalischen Gründen nicht betri<strong>eb</strong>stauglich<br />

und leistungsfähig mit der Frequenz 50 Hz<br />

betri<strong>eb</strong>en werden. Zu große transformatorische Spannungen<br />

zwischen ihren Kommutatorlamellen bewirkten<br />

ein nicht beherrschbares, zerstörerisches Bürstenfeuer.<br />

Als Alternative bot sich 1 AC niedrigerer Frequenzen von<br />

15 bis 25 Hz an. Dieser ermöglichte das Transformieren<br />

der Fahrleitungsspannung auf den Lokomotiven und das<br />

direkte Betreiben von Reihenschlussmotoren, erforderte<br />

allerdings speziell für die <strong>Bahnen</strong>ergieversorgung errichtete<br />

Kraftwerke mit Fernleitungen und Unterwerken oder<br />

Umformerwerke.<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

2 Erster Versuchsbetri<strong>eb</strong> Dessau –<br />

Bitterfeld<br />

Beachtliche Erfolge von Vorversuchen veranlassten die<br />

Königlich Preußische Staatsbahn (Kgl.Pr.St.B.), erstmalig<br />

eine Hauptstrecke auf elektrischen Betri<strong>eb</strong> umzustellen.<br />

Die 26 km lange zweigleisige Strecke Dessau – Bitterfeld in<br />

Mitteldeutschland wurde zur Erprobung des elektrischen<br />

Zugbetri<strong>eb</strong>es mit 1 AC ausgewählt. Als Flachlandstrecke<br />

bot sie keine Schwierigkeiten in der Zugförderung und<br />

durch ihre relativ geringe Streckenbelastung sollten sich<br />

Störungen im Versuchsbetri<strong>eb</strong> nicht auf den Regelbetri<strong>eb</strong><br />

der von Berlin ausgehenden Hauptstrecken auswirken. Mit<br />

Gesetz vom 29. Juli 1909 bewilligte der Preußische Landtag<br />

2 Mio. Mark für den Versuchsbetri<strong>eb</strong>. Man fasste aber<br />

schon damals auch die durchgehende Elektrifizierung der<br />

zweigleisigen Strecken Magd<strong>eb</strong>urg – Dessau – Bitterfeld –<br />

Leipzig und Leipzig – Halle (Saale) mit zusammen 154 km<br />

Länge ins Auge und traf Vorbereitungen dafür (Bild 1).<br />

Alle Planungen und die Leitung der Arbeiten lagen bei der<br />

Königlichen Eisenbahndirektion (K.ED) Halle (Saale). Viele<br />

Einzelheiten der Baustufe I und besonders der Elektrolokomotiven<br />

sind schon in [1] beschri<strong>eb</strong>en und deshalb hier<br />

nur kurz rekapituliert, die Originalquellen sind [2] bis [7].<br />

247


Historie – acrps 2011<br />

Für die <strong>Bahnen</strong>ergieversorgung begann Anfang 1910<br />

der Bau eines Kraftwerks (Kw) in Muldenstein, 5 km<br />

nordöstlich von Bitterfeld in günstiger Lage zu Braunkohleförderstätten<br />

und zum Fluss Mulde als Kühlwasserspender<br />

(Tabelle 1, Bilder 2 bis 4), und eines vorläufigen<br />

Unterwerkes (Uw) am Nordkopf des Bahnhofs Bitterfeld.<br />

Zwischen Kw und Uw wurde eine provisorische zweipolige<br />

Freileitung auf Holzmasten errichtet, parallel dazu<br />

erprobte man zwei Paar 60-kV-Kabel die sich nicht bewährten<br />

(Bild 5). Bemerkenswert sind im Uw die beidseitigen<br />

Leistungsschalter der Hauptumspanner (Bild 6). Die<br />

Wasserwiderstände an den beiden 10-kV-Abgängen dienten<br />

vermutlich zum Erproben der elektrischen Rückspeis<strong>eb</strong>remse<br />

der bei der AEG bestellten Lokomotive E 3101 für<br />

die Chemin de Fer du Midi [8].<br />

Vom Uw führten zwei einpolige Speisefreileitungen zu<br />

den Fahrleitungen des Bahnhofs, denen die Richtungsgleise<br />

nach und von Dessau angeschaltet waren. Es wurden<br />

zwei Bauarten von Hochkettenfahrleitungen errichtet<br />

(Tabelle 2, Bild 7), und zwar mit Doppel isolatoren wegen<br />

deren begrenzter Bruchfestigkeit und weniger wegen der<br />

Industrieverschmutzung. Der Mastabstand in der Geraden<br />

betrug einheitlich 75 m. Den südlichen Streckenabschnitt<br />

rüstete die Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft (AEG)<br />

aus, bei deren System der Fahrdraht, das Tragseil und<br />

ein so genannter Spanndraht gemeinsam nachgespannt<br />

waren (Bild 8). Bermerkenswert ist hier eine Brückenunterquerung<br />

mit zwei weit außermittigen Fahrdrähten<br />

über jedem Gleis zum Stabilisieren der Stromabnehmer<br />

(Bild 9). Auf dem nördlichen Abschnitt bauten die<br />

Siemens-Schuckert werke (SSW) eine Fahrleitung mit allein<br />

nachgespanntem Fahrdraht, Hilfstragdraht und Tragseil<br />

(Bilder 10 und 11). Sie hielten auch beim späteren Weiterbau<br />

an diesem System fest, während die AEG noch<br />

verschiedene Veränderungen durchführte.<br />

Nach Abnahme der Anlagen am 4. Januar 1911 wurde<br />

am nächsten Tag das Kw erstmalig angefahren und<br />

anschließend die Fernleitung zum Uw unter Spannung<br />

gesetzt, vorsorglich zunächst nur mit 30 kV und die<br />

Fahrleitungen somit unter 5 kV 15 Hz. Am Mittwoch,<br />

18. Januar 1911 eröffnete die Kgl.Pr.St.B. zwischen Dessau<br />

und Bitterfeld den ers ten elektrischen Fernbahnbetri<strong>eb</strong> in<br />

Deutschland mit einer Leerfahrt der badischen Lokomotive<br />

A 1 -1, die am folgenden Tag den Eröffnungszug beför-<br />

Bild 1: Bahnstrecken und <strong>Bahnen</strong>ergieversorgungsanlagen in Mitteldeutschland<br />

Stand Sommer 1914 (Zeichnung: S. Graßmann).<br />

Hbf, Gbf, Pbf, Rbf, Vbf: Haupt-, Güter-, Personen-, Rangier-,<br />

Verschi<strong>eb</strong><strong>eb</strong>ahnhof<br />

Bild 2: Schaltplan Kraftwerk Muldenstein Baustufe I (1911).<br />

A Anlasser Reg Registrierapparat<br />

Ab Abschalter Si Sicherung<br />

B Blitzableiter Sp Spannungsanzeiger<br />

Dr Drosselspule Sp.Tr Spannungstransformator<br />

E Mittelpunkterder St.Sp Statischer Spannungsanzeiger<br />

Fr Frequenzanzeiger Str Stromanzeiger<br />

HR Höchststromrelais Str.Tr Stromtransformator<br />

L Leistungsanzeiger W Widerstand<br />

MA Minimal-Ausschalter WW Wasserwiderstand<br />

OS Ölschalter Z Zähler<br />

OW Ölwiderstand<br />

248 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – Historie<br />

Bild 3: Schaltanlage 2 AC 60 kV 15 Hz Bahnkraftwerk Muldenstein<br />

Baustufe I (Quelle: Siemens Corporate Archives).<br />

Bild 4: Schalttafel Bahnkraftwerk Muldenstein Baustufe I (Quelle:<br />

Siemens Corporate Archives).<br />

derte (Bild 1 in [9]). Offiziell begann der Versuchsbetri<strong>eb</strong><br />

am 26. Januar 1911 mit der ersten preußischen Lokomotive<br />

(Bild 1 in [10]) und regulär ab 10. F<strong>eb</strong>ruar. Nachdem<br />

am 28. März die Fahrleitungsspannung auf 10 kV erhöht<br />

worden war, wurde am 1. April die Strecke für den<br />

öffentlichen Verkehr elektrisch beförderter Reise- und<br />

Güterzüge freigeg<strong>eb</strong>en, wobei nach und nach die weiteren<br />

bestellten Lokomotiven zum Einsatz kamen (Bild 12).<br />

3 Ausweitung des Versuchsbetri<strong>eb</strong>s<br />

3.1 Allgemeines<br />

Landtag schon am 30. Juni 1911 weitere 17 Mio. Mark zur<br />

Erweiterung des elektrischen Zugbetri<strong>eb</strong>es bewilligte.<br />

Danach leitete die K.ED Halle (Saale) die Arbeiten<br />

sofort ein. Die Versuchsstrecke sollte als Erstes in beiden<br />

Richtungen verlängert werden, und zwar von Dessau<br />

nach Magd<strong>eb</strong>urg und von Bitterfeld nach Leipzig. Im<br />

Anschluss daran waren Teile des Leipziger Güterringes<br />

zwischen Wahren und Schönefeld und die Strecke Leipzig<br />

– Halle (Saale) zu elektrifizieren.<br />

In diese Zeit fällt auch die Einführung der einheitlichen<br />

Fahrleitungsspannung und -frequenz 15 kV 16 2 / 3<br />

Hz in<br />

Deutschland auf Initiative von Bernhard Gleichmann im<br />

Anzeige<br />

Noch bevor alle Versuchslokomotiven geliefert waren<br />

zeigte sich bereits, dass man mit der Wahl 1 AC offensichtlich<br />

die richtige Entscheidung getroffen hatte. Die<br />

ersten Erg<strong>eb</strong>nisse waren trotz verschiedener Pannen an<br />

den Lokomotiven derart ermutigend, dass der Preußische<br />

Tabelle 1: Ausrüstung Bahnkraftwerk Muldenstein.<br />

Baustufe I 1 Baustufe II<br />

Steilrohrkessel<br />

Zahl 2<br />

Dampfmenge je Kessel<br />

Turbosätze<br />

Zahl 3<br />

Dampftemperatur<br />

Dampfdruck<br />

Drehzahl<br />

Generatorspannung<br />

Frequenz<br />

Generatorleistung<br />

kurzzeitig<br />

Leistungsfaktor<br />

Maschinenumspanner<br />

Zahl<br />

Spannung<br />

Leistung je Umspanner<br />

t/h<br />

t/h<br />

°C<br />

MPa<br />

min –1<br />

kV<br />

Hz<br />

MW<br />

MW<br />

kV/kV<br />

MVA<br />

4<br />

12<br />

1<br />

375<br />

1,5<br />

900<br />

3,0<br />

15<br />

3,0<br />

–<br />

0,8<br />

2<br />

3/60<br />

1,8<br />

4 + 2 x 8<br />

9 ... 12<br />

4<br />

375<br />

1,5<br />

1 000<br />

3,3<br />

16 2 / 3<br />

3,3<br />

4,6<br />

0,8<br />

4<br />

4 x 2<br />

3,3/60<br />

1,8<br />

1<br />

Drehzahl und elektrische Ausgangsdaten ab 1913 wie Baustufe II<br />

2<br />

Baustufe I je zwei Kessel Bauart Garbe und Bauart Stirling, Baustufe<br />

II insgesamt 20 Kessel Bauarten Borsig oder Hanomag<br />

3<br />

Baustufe I Turbine AEG, Generator SSW, Baustufe II je zwei Turbinen<br />

AEG und Maffei-Schwartz kopfwerke (MSW), alle Generatoren<br />

SSW<br />

4<br />

dazu ein Reserveumspanner<br />

GEBÄUDE<br />

Optimales Bausystem Individuell oder standardisiert<br />

Optimaler Komplettpreis Freie Fassaden-<br />

Elementbauweise oder und Dachgestaltung<br />

Raumzellenbauweise Feste Endpreise und Endtermine<br />

TRANSFORMATORENSTÄNDE<br />

Konstruktive Trennung Kompakte Dimension der Bauteile<br />

von Tragen und Auffangen Monolithische Wannen,<br />

Variable Grössen FD-Beton, keine Beschichtung<br />

Variable Trafo-Spurweiten An einem Tag montiert<br />

marbeton GmbH Telefon: 07565/9801-0<br />

Fertigteilbau Telefax: 07565/9801-10<br />

Oberhauser Weg 23 E-Mail: post@marbeton.de<br />

88319 Aitrach Internet: www.marbeton.de<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

249<br />

Unbenannt-7 1 03.05.11 09:59


Historie – acrps 2011<br />

Bild 5: Kabelendverschlüsse<br />

60 kV<br />

Muldenstein<br />

Baustufe I (Quelle:<br />

Siemens Corporate<br />

Archives).<br />

bayerischen Staatsministerium für Verkehrsangelegenheiten<br />

und von Gustav Wittfeld im preußischen Ministerium<br />

der öffentlichen Arbeiten [11]. Diese Entscheidung übernahmen<br />

nach und nach auch die Eisenbahnen Österreichs,<br />

der Schweiz sowie Schwedens und Norwegens.<br />

3.2 <strong>Bahnen</strong>ergieanlagen<br />

3.2.1 Kraftwerk Muldenstein<br />

Ab 1. August 1911 wurden die Bauarbeiten in Muldenstein<br />

fortgeführt. Das Kw erhielt dabei im Wesentlichen seine<br />

endgültige Gestalt mit Kesselhaus, Maschinenhaus und<br />

Schalthaus; besonders die beiden weiteren 103,6 m hohen<br />

Schornsteine erforderten wie der erste umfangreiche Gründungsarbeiten<br />

(Bild 13). Um den ersten Schornstein wurden<br />

vier weitere und an jeden neuen Schornstein acht Kessel aufgestellt<br />

(Tabelle 1). Die Heizerstände befanden sich an den<br />

Längsmauern des Kesselhauses unter den Kohlenbunkern.<br />

Diese wurden aus Selbstentladewagen gefüllt, die auf darüber<br />

liegenden Gleisen mit Seilzuganlagen befördert wurden,<br />

und beschickten die Kesselroste mittels Schwerkraft.<br />

Im Maschinenhaus wurden vier weitere Turbosätze ähnlich<br />

dem ersten und im Schalthaus für jeden Satz wieder<br />

zwei Umspanner aufgestellt (Bild 14 und Tabelle 1). Im<br />

Sommer 1913 wurden die neuen Anlagen mit denen des<br />

bisherigen Versuchsbetri<strong>eb</strong>s zusammengeschlossen. Letztere<br />

wurden dabei auf die höhere Drehzahl und Spannung<br />

umgestellt, sodass nun insgesamt 16,5 MW Dauerleistung<br />

im Kw installiert waren. Dafür musste das Kraftwerk sehr<br />

häufig abgeschaltet und deshalb der elektrische Regelzugbetri<strong>eb</strong><br />

am 1. Juli 1913 eingestellt werden. Lediglich ein<br />

gelegentlicher vereinfachter Prob<strong>eb</strong>etri<strong>eb</strong> für die Lokomotiven<br />

war noch möglich. Nach Abschluss dieser Arbeiten<br />

konnte die Strecke Dessau – Bitterfeld im Herbst 1913 mit<br />

15 kV 16 2 / 3<br />

Hz wieder in Betri<strong>eb</strong> genommen werden.<br />

Der Dampfverbrauch der direkt gekuppelten und deshalb<br />

niedertourig drehenden Turbinen war mit 8 bis<br />

9,5 kg/kWh relativ hoch, wobei bis zu 4,3 kg/kWh der geringwertigen<br />

Rohbraunkohle verbraucht wurden. Infolge<br />

der schwankenden Belastung im Bahnbetri<strong>eb</strong> und der<br />

insgesamt geringen Auslastung sank der Leistungsfaktor<br />

trotz der niedrigen Netzfrequenz häufig bis 0,65.<br />

Bild 6: Schaltplan Unterwerk Bitterfeld Baustufe I (1911).<br />

Abkürzungen wie Bild 2<br />

Bild 7: Fahrdrahtquerschnitte<br />

100 mm 2 (aus<br />

Literatur 1920er Jahre).<br />

links Runddraht ≈12 mm<br />

Durchmesser wie 1910<br />

von AEG verlegt<br />

rechts Achter-Profil<br />

10 mm breit 13 mm hoch<br />

wie 1910 von SSW verlegt<br />

Tabelle 2: Fahrleitungsbauarten Dessau – Bitterfeld 1910/1911.<br />

AEG<br />

SSW<br />

Fahrdraht<br />

Material<br />

Profil<br />

Querschnitte<br />

Nachspannkraft<br />

Hilfstragdraht<br />

Material<br />

Querschnitt<br />

Nachspannkraft<br />

Tragseil 1<br />

Material<br />

Querschnitt<br />

Nachspannkraft<br />

Spannseil 1<br />

Material<br />

Querschnitt<br />

Nachspannkraft<br />

mm 2<br />

kN<br />

mm 2<br />

kN<br />

mm 2<br />

kN<br />

mm 2<br />

kN<br />

Cu<br />

Rund<br />

100; 70<br />

5<br />

–<br />

Stahl<br />

43<br />

3,5<br />

Stahl<br />

20<br />

3,5<br />

Cu<br />

Achter<br />

100; 70<br />

unbekannt<br />

Stahl<br />

33<br />

–<br />

Stahl<br />

50<br />

–<br />

Längsspannweite 2 m 75 75<br />

Nachspannlänge 2 m 1 100 1 500<br />

1<br />

si<strong>eb</strong>en verzinkte Drähte<br />

2<br />

maximal in der Geraden<br />

–<br />

250 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – Historie<br />

Bild 8: Fahrleitung AEG aus Fahrdraht (unten),<br />

Tragseil (Mitte) und Spanndraht (oben).<br />

Bild 9: Fahrleitung AEG Zörbiger Brücke Bahnhof<br />

Bitterfeld mit zwei Fahrdrähten je Gleis.<br />

Bild 10: Fahrleitungsanlage SSW mit Fahrdraht<br />

(unten), Hilfstragdraht (Mitte) und Tragseil<br />

(oben), Masten für Fernleitungen, bei Haid<strong>eb</strong>urg<br />

(Quelle: Siemens Corporate Archives).<br />

3.2.2 Bahnstromleitung und Unterwerke<br />

Die Erhöhung der Fahrleitungsspannung von 10 kV auf<br />

15 kV ermöglichte es, die Zahl der ursprünglich in Königsborn,<br />

Güterglück, Dessau und Kleinwiederitzsch vorgesehenen<br />

Uw auf drei zu verringern; die neuen Standorte<br />

Wahren, Marke und Gommern legte man nach dem<br />

berechneten Spannungsfall entlang der Strecke in etwa<br />

50 km Abstand voneinander fest (Bild 1).<br />

Von Muldenstein führten zwei zweischleifige 60-kV-Fernleitungen<br />

nach Bitterfeld und lösten das Provisorium ab.<br />

Entlang der Strecken von dort in Richtung Magd<strong>eb</strong>urg und<br />

Richtung Leipzig verlegte man die 60-kV-Fernleitung zu den<br />

Uw auf den Fahrleitungsmasten. Bereits beim Ausrüsten des<br />

Teilstückes Dessau – Bitterfeld war die dafür erforderliche<br />

Mastlänge berücksichtigt worden (Bilder 10 und 12). Die<br />

Fernleitungen wurden über Drosselspulen und zweipolige<br />

Ölschalter mit Überspannungsschutz an die 60-kV-Sammelschiene<br />

der Uw angeschlossen. In der Fernleitung auftretende<br />

Kurzschlüsse schalteten sich mit 2 s Verzögerung ab.<br />

Das Umspannen auf 15 kV besorgten Öltransformatoren<br />

mit Luftkühlung (Tabelle 3). Ab der 15-kV-Sammelschiene<br />

speisten einpolige Ölschalter die Fahrleitungsabschnitte<br />

einseitig in die Richtungen „von“ und „nach“ bis<br />

zu Fahrleitungs-Schutzstrecken zwischen den Uw. Kurzschlüsse<br />

in den Fahrleitungen und Speiseleitungen bewirkten<br />

unverzögertes Ausschalten.<br />

Das Uw Wahren (Bild 15) versorgte zusätzlich über<br />

zwei an den Fahrleitungsmasten verlegte 15-kV-Speiseleitungen<br />

ein Umformerwerk in Halle (Saale), das mittels<br />

rotierender Maschinensätze 1 AC in DC für die Verbraucher<br />

in den Bahnhofs- und den Werkstattanlagen umwandelte.<br />

Das Uw Bitterfeld wurde ein 15-kV-Schaltposten,<br />

der mit zwei Speiseleitungen vom Kw Muldenstein aus<br />

versorgt wurde (Bild 1 und Tabelle 2).<br />

d<strong>eb</strong>urg Hbf und Rothensee die AEG und ab Bitterfeld bis<br />

vor Leipzig die Bergmann-Elektricitätswerke (BEW) (Bild 1).<br />

Mit einer Vergrößerung der Längsspannweite von 75 m<br />

auf 100 m wollte man bessere Sichtbarkeit der Signale<br />

erreichen, vor allem aber die Zahl der empfindlichen Porzellanisolatoren<br />

vermindern. Wie sich im späteren Betri<strong>eb</strong><br />

herausstellen sollte, war das eine folgenschwere Fehlentscheidung,<br />

weil man den Windabtri<strong>eb</strong> unterschätzt hatte.<br />

Für eine zukünftige kostengünstige Instandhaltung wurden<br />

erste Ansätze zur Vereinheitlichung der Fahrleitungsbauteile<br />

wirksam. Für die nunmehr drei firmenspezifischen<br />

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3.2.3 Fahrleitungsanlagen<br />

Im Sommer 1912 begann das Aufstellen der Fahrleitungsmasten.<br />

Diese Arbeiten wurden wie alle ande ren in einer<br />

öffentlichen Ausschreibung verg<strong>eb</strong>en. Den Zuschlag erhielten<br />

für die Strecken Dessau – Roßlau und Leipzig – Halle<br />

sowie für den Raum Leipzig die SSW, ab Roßlau bis Mag-<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

251<br />

Schig-Anz_86x125_4c.indd 1 03.05.11 10:21


Historie – acrps 2011<br />

Bild 11: Fahrleitungsanlagen SSW Bahnhof Dessau (Quelle: Siemens Corporate Archives).<br />

Bauweisen wurden Isolatoren, Abmessungen<br />

und Anschlussmaße für<br />

Bolzen und Schrauben sowie Laschenund<br />

Gabelmaße der Armaturen einheitlich<br />

festgelegt. Für Fahrdrähte<br />

war das so genannte Achter-Profil<br />

aus Kupfer mit 100 mm² oder 80 mm²<br />

zu verwenden (Bild 7). Als Tragseilmaterial<br />

wurde auf der freien Strecke<br />

und auf kleineren Bahnhöfen größtenteils<br />

verzinkt-verbleiter Stahl und<br />

in geringem Umfang Siliziumbronze<br />

(SiBz) vorgeschri<strong>eb</strong>en. Große Bahnhöfe,<br />

auf denen auch nach Einführung<br />

des elektrischen Betri<strong>eb</strong>es noch<br />

Dampflokomotiven fahren oder stehen<br />

würden, sollten Tragseile aus SiBz<br />

oder verkupfertem Stahl erhalten.<br />

4 Weitere Entwicklung<br />

Bild 12: Güterzuglokomotive EGL 10204 (Bild 10 in [1]) vor Personenzug Richtung Dessau nach<br />

Ausfahrt Bahnhof Raguhn 1911, Fahrleitung SSW, hinten Querjochmasten für Fernleitungen<br />

(Sammlung: Th. Scherrans).<br />

Nachdem im Dezember 1913 auf<br />

dem kurzen Streckenabschnitt Bitterfeld<br />

– Delitzsch der elektrische Betri<strong>eb</strong><br />

aufgenommen war, schaltete<br />

man im Mai und Juni 1914 den Abschnitt<br />

Delitzsch – Neuwiederitzsch<br />

(heute Leipzig Messe) und die Güterbahn<br />

von Wahren bis zum Bahnhof<br />

Schönefeld erstmalig zu. Kurz darauf<br />

waren auch alle weiteren Fahrleitungen<br />

bis in die Hauptbahnhöfe Leipzig<br />

und Halle fertig. Die zum 8. August<br />

geplante Betri<strong>eb</strong>sverlängerung von<br />

Wahren bis Schkeuditz fand aber<br />

<strong>eb</strong>ensowenig mehr statt wie die etwas<br />

später vorgesehene nach Leipzig<br />

und nach Halle, weil unmittelbar<br />

nach Kriegsausbruch der elektrische<br />

Betri<strong>eb</strong> am 4. August 1914 eingestellt<br />

wurde. Im Jahr 1915 wurden dann<br />

große Teile der Fahrleitungen ihres<br />

Kupfers wegen demontiert und der<br />

Rüs tungsindustrie zugeführt.<br />

Ab 1915 wurde das Kw Muldenstein<br />

dazu genutzt, mit einem äu-<br />

Bild 13: Querschnitt Bahnkraftwerk Muldenstein Baustufe II (Sammlung: S. Graßmann).<br />

rechts Kesselhaus mit Schornsteinfundamenten und Kohl<strong>eb</strong>eschickungsgleisen<br />

Mitte Maschinenhaus mit Turbinen, Kondensation und Generatoren<br />

links Schalthaus mit Hauptumspannern und Schaltanlagen<br />

Tabelle 3: Installierte 15-kV-Umspannerleistungen<br />

in Unterwerken und im Kraftwerk<br />

Muldenstein 1913 in MVA.<br />

Wahren 4 x 1,5<br />

Marke 3 x 1,5<br />

Gommern 1 2 x 1,8<br />

Muldenstein 2<br />

1<br />

vorher in Bitterfeld, umgewickelt von 10<br />

auf 15 kV sekundär<br />

2<br />

bisher keine Daten zu finden<br />

252 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


acrps 2011 – Historie<br />

Bild 14: Maschinensaal Muldenstein Blickrichtung Bitterfeld<br />

(Sammlung: P. Glanert).<br />

vorn erster Turbosatz von 1910/11<br />

Mitte und hinten Turbosätze von 1912/13, je zwei mit unterschiedlichen<br />

Turbinen aber einheitlichem Generator<br />

Bild 15: G<strong>eb</strong>äude Unterwerk Wahren (Sammlung: S. Graßmann).<br />

rechts ankommende 60-kV-Doppelleitung<br />

vorne abgehende 15-kV-Speiseleitungen<br />

ßerst energieintensiven Verfahren in elektrischen Öfen<br />

hoch verdichtete Salpetersäure zu produzieren, einen der<br />

wichtigsten Ausgangsstoffe für Sprengmittel.<br />

Erst Ende September 1921 nahm das Kw den Betri<strong>eb</strong><br />

wieder auf. Danach dauerte es bis zum 16. Mai 1923, bis<br />

alle Strecken von Halle über Leipzig bis Magd<strong>eb</strong>urg wieder<br />

oder erstmals auf elektrischen Betri<strong>eb</strong> umgestellt waren.<br />

Literatur<br />

[1] Glanert, P.; Scherrans, Th.; Borbe, Th.; Lüderitz, R.: Versuchsbetri<strong>eb</strong><br />

Dessau – Bitterfeld. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 108 (2010),<br />

H. 7, S. 313–321; Vorabdruck aus: Wechselstrom-Zugbetri<strong>eb</strong> in<br />

Deutschland; Band 1: Durch das mitteldeutsche Braunkohlerevier.<br />

München: Oldenbourg Industrieverlag, 2010.<br />

[2] Heyden, W.: Die Lokomotiven der elektrischen Zugförderungsanlage<br />

Dessau – Bitterfeld. In: <strong>Elektrische</strong> Kraftbetri<strong>eb</strong>e<br />

und <strong>Bahnen</strong> 8 (1910), H. 15, S. 281–286.<br />

[3] Heyden, W.: Die elektrische Zugförderung auf der Strecke<br />

Dessau – Bitterfeld. In: <strong>Elektrische</strong> Kraftbetri<strong>eb</strong>e und <strong>Bahnen</strong><br />

9 (1911), H. 16, S. 301–307; H. 17, S. 334–336; H. 19, S. 365–<br />

370; H. 20, S. 390–393; H. 21, S. 408–412; H. 23, S. 448–453;<br />

H. 24, S. 468–474; H. 25, S. 481–483.<br />

[4] N. N.: Bericht der Kgl. Eisenbahndirektion in Halle (Saale)<br />

über das erste Jahr des Betri<strong>eb</strong>es der elektr. Zugförderung<br />

Dessau – Bitterfeld. In: <strong>Elektrische</strong> Kraftbetri<strong>eb</strong>e und <strong>Bahnen</strong><br />

10 (1912), H. 10, S. 191–193.<br />

[5] Heyden, W.: Die Einführung der elektrischen Zugförderung<br />

auf der Strecke Magd<strong>eb</strong>urg – Leipzig – Halle. In: <strong>Elektrische</strong><br />

Kraftbetri<strong>eb</strong>e und <strong>Bahnen</strong> 9 (1912), H. 32, S. 682–683.<br />

[6] Mentzel, K.: Bauanlagen für die Herstellung der elektrischen<br />

Zugförderung auf den Eisenbahnlinien Magd<strong>eb</strong>urg – Bitterfeld<br />

– Leipzig – Halle. In: Zeitschrift für Bauwesen 1914, S. 544–784.<br />

[7] Tetzlaff, H.: Elektrisierung der Strecke Halle – Magd<strong>eb</strong>urg.<br />

In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 11 (1935), H. 1, S. 3–11.<br />

[8] N.N.: <strong>Elektrische</strong> Vollbahnlokomotiven (Frankreich). In:<br />

<strong>Elektrische</strong> Kraftbetri<strong>eb</strong>e und <strong>Bahnen</strong> 7 (1909), H. 14, S. 279.<br />

[9] Rossberg, R. R.: <strong>eb</strong> – <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> im Jahre 1911 – Teil<br />

1. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 109 (2011), H. 1-2, S. 101–104.<br />

[10] Tietze, Ch.: <strong>eb</strong> – <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> im Jahre 1936 – Teil 1. In:<br />

<strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 109 (2011), H. 3, S. 165–167.<br />

[11] Heyden, W.: Die Periodenzahl bei der elektrischen Zugförderung<br />

der Preußischen Staatsbahnen. In: <strong>Elektrische</strong> Kraftbetri<strong>eb</strong>e<br />

und <strong>Bahnen</strong> 9 (1911), H. 28, S. 569–570.<br />

Dipl.-Ing. (FH) Peter Glanert (64); ab 1964 beschäftigt<br />

bei Deutsche Reichsbahn (DR), Studium Automatisierungsanlagen<br />

an der Ingenieurschule für<br />

Elektrotechnik in Velten-Hohenschöpping, ab<br />

1975 Entwicklungsingenieur auf dem Fachg<strong>eb</strong>iet<br />

<strong>Bahnen</strong>ergieanlagen in VES/M Halle (Saale), ab<br />

1980 zuständig für Entwicklung, Erprobung und<br />

technische Freigabe von Oberleitungsbauteilen<br />

bei der DR und dann bei Deutsche Bahn bis 2006.<br />

Adresse: Damaschkestr. 39;<br />

06849 Dessau- Roßlau, Deutschland;<br />

Fon: +49 340 8581340;<br />

E-Mail: mp.glanert@t-online.de<br />

Dipl.-Ing. Siegfried Graßmann (59), Studium <strong>Elektrische</strong><br />

<strong>Bahnen</strong> an der Hochschule für Verkehrswesen<br />

„Friedrich List“, Dresden. Mitarbeiter im Flottenmanagement<br />

Baureihen 403, 411 und 120 im Regionalbereich<br />

Süd der DB Bahn Fernverkehr.<br />

Adresse: DB Bahn Fernverkehr AG, Regionalbereich<br />

Süd, Landsberger Str. 158, 80687 München,<br />

Deutschland;<br />

Fon: +49 89 1308-3036;<br />

E-Mail: siegfried.grassmann@deutsch<strong>eb</strong>ahn.com<br />

Dipl.-Ing. Thomas Scherrans (43), Studium Elektrotechnik/<strong>Elektrische</strong><br />

<strong>Bahnen</strong> an der Hochschule<br />

für Verkehrswesen „Friedrich List“, Dresden und<br />

an der Technischen Universität Dresden, seit 1995<br />

wissenschaftlicher Mitarbeiter und Projektleiter<br />

der IFB Institut für Bahntechnik GmbH, Geschäftsbereich<br />

<strong>Bahnen</strong>ergieversorgung und Bahnsimulation;<br />

Sachverständiger des Eisenbahn-Bundesamtes<br />

für Elektrotechnische Anlagen, Fahrleitung<br />

(Oberleitungs- und Stromschienenanlagen), Rückstromführung,<br />

Erdung und Potenzialausgleich.<br />

Adresse: IFB Institut für Bahntechnik GmbH,<br />

Wiener Str. 114/116, 01219 Dresden, Deutschland;<br />

Fon: +49 351 8775941;<br />

E-Mail: ts@bahntechnik.de<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

253


Journal Extra<br />

Umrichter in der <strong>Bahnen</strong>ergieversorgung<br />

– Chancen weltweit<br />

1 Allgemeines<br />

Bei <strong>Bahnen</strong>, die dezentral aus dem 3AC-Landesnetz versorgt<br />

und mit dessen Frequenz betri<strong>eb</strong>en werden, verspricht<br />

der Einsatz statischer Umrichter große technische,<br />

betri<strong>eb</strong>liche und energetische Vorteile gegenüber der<br />

klassischen einseitigen Speisung über Direktumspanner<br />

mit Phasentrennstellen in der Oberleitung. Ein aktueller<br />

Bericht hierzu knüpft an die Struktur der Chinese Railways<br />

(CR) an [1], jedoch gelten seine Aussagen grundsätzlich<br />

für alle 50- und 60-Hz-<strong>Bahnen</strong> weltweit. In der Tat zeigen<br />

sich beachtliche weitere Anwendungs fälle und -felder.<br />

2 USA<br />

Tabelle 1: Längen in der USA geplanter Schnellfahrstrecken, nach<br />

Grafik in [2] aus US-Straßenatlas ermittelt, auf km umgerechnet<br />

und gerundet.<br />

Zentrum Stufe 1 Stufe 2<br />

Washington D.C. 760 1 330<br />

Chicago 1 740 190<br />

Seattle 0 510<br />

Los Angeles 1 060 1 230<br />

Dallas 0 710<br />

Orlando 140 330<br />

Summe 3 700 4 300<br />

Tabelle 2: Pauschal dimensionierte <strong>Bahnen</strong>ergieversorgung mit<br />

25 kV Fahrleitungsnennspannung für (3 700 + 4 300) km Schnellfahrstrecken<br />

nach Tabelle 1.<br />

UW Umspannwerk für Phasentrennung<br />

AT Autotransformatorstation<br />

URW Umrichterwerk<br />

Konfiguration<br />

1 klassisch mit Sondertransformatoren,<br />

mit Phasentrennstellen,<br />

Landesnetzfrequenz<br />

2 wie 1 mit Zweispannungssystem<br />

und Autotransformatoren,<br />

Landesnetzfrequenz<br />

3 einfach mit statischen Umrichtern,<br />

ohne Phasentrennstellen,<br />

Landesnetzfrequenz<br />

Abstand<br />

in km<br />

Zahl<br />

Schalt--<br />

anlagen<br />

25 320 UW<br />

50<br />

10<br />

160 UW<br />

640 AT<br />

40 200 URW<br />

Ref.<br />

4 wie 3 mit Bahnsonderfrequenz 65 125 URW [4] 1<br />

1<br />

45 km bei 15 kV<br />

[3]<br />

Die derzeit von den Demokraten gestellte Regierung der<br />

Vereinigten Staaten von Amerika (USA) plant im Rahmen<br />

ihrer Infrastrukturpolitik eine gründliche Erneuerung, Erweiterung<br />

und Modernisierung des Eisenbahnwesens. Die Pläne<br />

sind im Internet ausführlich beschri<strong>eb</strong>en; nach diesen Berichten<br />

sind auch schon Mittel geflossen. Anfang F<strong>eb</strong>ruar 2011<br />

wurde der aktuelle Stand vorgestellt [2], wonach 53 Mrd. USD<br />

(rund 40 Mrd. EUR) veranschlagt sind. Davon ist der allergrößte<br />

Teil für Hochgeschwindigkeitsstrecken und -züge in<br />

sechs Wirtschaftsregionen der USA gedacht. Tabelle 1 enthält<br />

einige Details. Dass die Schnellfahrstrecken (SFS) vermutlich<br />

kürzer sein werden als die bestehenden Highways und anderen<br />

Fernstraßen, die möglichst viele Orte erschließen sollen,<br />

ist hier zweitrangig.<br />

Ungeachtet innenpolitischer Unwägbarkeiten in den<br />

USA ist für die umgerechnet rund 8 000 km Strecken in<br />

Tabelle 2 die erforderliche Infrastruktur für elektrische<br />

<strong>Bahnen</strong>ergieversorgung in vier Konzepten abgeschätzt.<br />

Die dabei angesetzten Anlagenabstände sind aus zwei bestehenden<br />

Referenzstrecken hergeleitet [3; 4]. Real hängen<br />

diese natürlich von den Betri<strong>eb</strong>sprogrammen, Streckentopographien,<br />

gewählten Leiterquerschnitten und<br />

bei Direkttransformatorspeisungen von der Stabilität der<br />

jeweiligen Regionalnetze ab. Sie können also für die sechs<br />

Inselnetze und sogar für deren einzelne Zweige ganz verschieden<br />

sein. Die sehr vorsichtig gewählten Pauschalwerte<br />

in Spalte 3 erg<strong>eb</strong>en aber eine deutliche Tendenz bei der<br />

Zahl der erforderlichen Schaltanlagen schon bei den drei<br />

Varianten des Betri<strong>eb</strong>s mit Landesfrequenz. Dass bei 60 Hz<br />

einige Parameter gegenüber 50 Hz verschärfend wirken,<br />

wird hier vernachlässigt.<br />

Bei den Referenzabständen aus [3; 4] ist bemerkenswert<br />

und festzuhalten, dass für die beiden Versorgungskonzepte<br />

• 2 AC 50/25 kV 50 Hz mit Autotransformatoren einseitig<br />

gespeist und<br />

• 1 AC 15 kV 17 Hz zweiseitig gespeist<br />

fast genau derselbe Wert realisiert wurde.<br />

Der Kommentar [5] zur Referenzarbeit zeigt nun auf,<br />

dass man mit Umrichtern vollkommen frei von der Landesfrequenz<br />

wird und mit niedrigerer Frequenz als weitere<br />

Vorteile gewinnen kann:<br />

• noch größere Unterwerkabstände<br />

• geringere elektromagnetische Beeinflussung<br />

In den USA bietet sich dafür 25 Hz an, wie an der Ostküste<br />

historisch etabliert und somit standardisiert [6].<br />

Bild 1: Oberleitungskettenwerk<br />

für DC<br />

3 kV aus Doppelfahrdraht<br />

und Tragseil<br />

je 150 mm 2 Cu (Foto:<br />

Balfour Beatty Rail,<br />

auch Bild 2).<br />

254 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


Journal Extra<br />

Physikalisch ist klar, dass der mittel- und nordeuropäische<br />

Standardwert 17 Hz noch günstiger ist. Die vierte Variante<br />

in Tabelle 2 wird aber auch hierfür nicht weiter differenziert.<br />

Eine fünfte mit Zweispannungssystem und niedriger<br />

Bahnfrequenz ermöglicht theoretisch noch weitere Unterwerkabstände,<br />

was aber Redundanzfragen aufwerfen<br />

würde und deshalb hier nicht betrachtet wird.<br />

3 Europa<br />

Im Rahmen des EU-Schwerpunktprogramms Transeuropäische<br />

Netze Verkehr (TEN-V) gibt es rund 20 Prioritäre Projekte<br />

für Eisenbahnverbindungen, von denen einige wie die<br />

Öresundverbindung und die Betuweroute schon ganz fertig<br />

und fast alle anderen angefangen, teils schon weit fortgeschritten<br />

oder wenigstens geplant sind. Sie führen zwar zum<br />

großen Teil durch Länder mit weitgehend elektrifiziertem<br />

Hauptstreckennetz, in Ost- und in Südosteuropa können dabei<br />

aber noch Lücken oder Schwachstellen bestehen. Das gilt<br />

<strong>eb</strong>enso für das kürzlich verordnete Europäische Gütervorrangnetz<br />

[7], soweit einige der neun dafür definierten Korridore<br />

in Regionen ohne oder mit schwa chem elektrischen<br />

Betri<strong>eb</strong> vorstoßen. Abgesehen von solchen übergeordneten<br />

Plänen mögen mit AC 50 Hz betri<strong>eb</strong>ene <strong>Bahnen</strong> in diesem<br />

Raum auch eigenen Modernisierungsbedarf haben, sei es<br />

aus den Jahrzehnten bis um 1990 oder aus nachfolgenden<br />

Krisen. Bei all dem kann es vorkommen, dass eine stabile<br />

<strong>Bahnen</strong>ergieversorgung mittels Umrichterwerken schon aus<br />

vorhandenen 3AC-Regional netzen zu erreichen und deren<br />

Ertüchtigung nur dafür vermeidbar ist [5].<br />

Grundsätzlich folgen die in [1] beschri<strong>eb</strong>enen Vorteile<br />

bei der Energie-Effizienz, der Emissionen-Minderung und<br />

der Betri<strong>eb</strong>sführung in höchstem Maße den klimaund<br />

verkehrspolitischen Zielen der Europäischen<br />

Kommission. EU-geförderte Vorhaben fordern es<br />

also geradezu heraus, zur dezentralen 1AC-<strong>Bahnen</strong>ergieversorgung<br />

aus 3AC-Landesnetzen statische<br />

Umrichter einzusetzen. Damit kann dieses<br />

Konzept auch von Europa aus über Pionierstatus<br />

zum Weltstandard werden.<br />

Weil die DC-Nennspannung<br />

bisher nicht über 3 kV<br />

zu steigern war, bedeutet<br />

das hohe Stromstärken,<br />

gegenüber 15 kV zum Beispiel<br />

für dieselbe Leistung<br />

das Fünffache. Das erfordert<br />

horrenden Aufwand<br />

an der elektrotechnischen<br />

Infrastruktur. So werden in<br />

dichtem Abstand Gleichrichterwerke<br />

mit ihren Hochoder<br />

Mittelspannungs-Netzanschlüssen<br />

benötigt. Noch<br />

schwerer wiegen, in doppeltem<br />

Wortsinn, die an der<br />

Strecke zu verlegenden und<br />

neuerdings zu verteidigenden<br />

Kupfermassen (Bild 1).<br />

Hierzu gilt das Gleiche wie<br />

zum Erdöl für die Dieseltraktion:<br />

Die Warnmeldungen<br />

über schrumpfende<br />

Weltvorräte verdichten sich,<br />

die Verteilungskämpfe werden<br />

härter werden und die<br />

Preise werden steigen mit<br />

schwersten Auswirkungen<br />

auf die Volkswirtschaften.<br />

Die aufzuhängenden und<br />

nachzuspannenden Massen<br />

bedingen natürlich dafür<br />

dimensionierte Armaturen,<br />

Stützpunkte und Fundamen-<br />

Bild 2: Doppelspeiseleitungen aus<br />

E-Al 240 zur Oberleitung in Bild 1.<br />

Tabelle 3: Europäische <strong>Bahnen</strong><br />

mit DC-Betri<strong>eb</strong>.<br />

nur DC 3 kV<br />

Polen<br />

Estland<br />

Lettland<br />

DC 3 kV und AC 25 kV 50 Hz<br />

klassisch<br />

Luxemburg<br />

Tschechien<br />

Slowakei<br />

Slowenien<br />

Kroatien<br />

Russland<br />

Ukraine<br />

DC 3 kV und AC 25 kV 50 Hz<br />

modern 1<br />

Spanien<br />

Italien<br />

Belgien<br />

Russland<br />

1<br />

neue Hochgeschwindigkeitsstrecken<br />

Qualität die bewegt<br />

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4 DC-<strong>Bahnen</strong><br />

Der Kommentar [5] weist auch darauf hin, dass<br />

das Umrichterkonzept eine 1AC-Elektrifizierung<br />

erleichtern oder überhaupt erst ermöglichen kann,<br />

wo sonst mit Rücksicht auf das 3AC-Landesnetz<br />

allenfalls Betri<strong>eb</strong> mit DC 3 kV möglich wäre. Dieser<br />

Gedanke lässt sich weiterspinnen.<br />

In Europa gibt es außerhalb des nur durch<br />

Dänemark unterbrochenen Korridors Norwegen –<br />

Schweden – Deutschland – Schweiz – Österreich<br />

etwas über 40 000 km Eisenbahnstrecken mit DC-<br />

Betri<strong>eb</strong> (Tabelle 3) und in allen Kontinenten zusammen<br />

etwas über 100 000 km.<br />

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255<br />

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Journal Extra<br />

te (Bild 2). Und es bleibt nicht bei den Anfangsinvestitionen:<br />

Das Erneuern zweier abgenutzter 150-mm 2 -Fahrdrähte<br />

schmerzt heftiger als das eines mit 100 mm 2 .<br />

Bild 3: Modellrechnung für Beharrungsfahrt, Parameter Tabelle 4.<br />

grün Arbeit am Stromabnehmer<br />

blau Verluste bei 15 kV 17 Hz<br />

rot Verluste bei DC 3 kV<br />

Tabelle 4: Modellrechnung für Traktionsleistung 9 MW konstant<br />

am Stromabnehmer (Bild 3), eingleisige Strecke zweiseitig gespeist,<br />

leicht gerundete Werte.<br />

DC 3 kV AC 15 kV<br />

17 Hz<br />

Kettenwerk<br />

Fahrdraht<br />

Tragseil<br />

Bild 4: Fahrleitung DC 3 kV, Strecke<br />

Casablanca – Marrakesch (Foto: Be,<br />

F<strong>eb</strong>ruar 2011, auch Bild 5).<br />

mm 2<br />

mm 2<br />

2 x 150 Cu<br />

1 x 150 Cu<br />

120 CuAg 1<br />

70 Bz<br />

Resistanzbelag 2 Ω/km 0,06 0,15<br />

Abstand Unterwerke km 15 45<br />

Leerlaufspannung 3 kV 3,5 17,0<br />

Betri<strong>eb</strong>spunkt Mitte<br />

Betri<strong>eb</strong>sspannung<br />

Verlustleistung<br />

Verlust- zu Nutzleistung<br />

kV<br />

MW<br />

%<br />

2,8<br />

2,4<br />

+27<br />

16,1<br />

0,5<br />

+6<br />

Verlust- zu Nutzarbeit 4 % +18 +4<br />

1<br />

auch 100 Cu + Bz 50 ausreichend bei etwas höheren Verlus ten<br />

2<br />

mit Rückleitung über Fahrschienen, Blindspannungsfall im<br />

Stromkreis bei niedriger Frequenz vernachlässigbar weil<br />

Tri<strong>eb</strong>fahrzeuge Leistungsfaktor 1<br />

3<br />

konstant angenommen, Impedanz Unterwerk vernachlässigt<br />

4<br />

über Fahrspiele<br />

Bild 5: Fahrleitung AC 25 kV,<br />

Bahnhof Marrakesch, erneuert<br />

2009.<br />

Trotz dieses Anlagenaufwands sind die Übertragungsverluste<br />

bei DC-<strong>Bahnen</strong> immens. Dazu zeigen Bild 3 und<br />

Tabelle 4 das Erg<strong>eb</strong>nis einer vereinfachten Modellrechnung.<br />

Zugrunde liegt eine Zugfahrt mit konstant 9 MW<br />

Leistung am Stromabnehmer – also zum Beispiel ein<br />

Hochgeschwindigkeitszug mit zwei Tri<strong>eb</strong>köpfen oder ein<br />

Schwergutzug mit Doppeltraktion – über rund 50 km<br />

eingleisige Strecke. Für DC 3 kV sieht man dabei Wirkungs-<br />

und Energieverlustwerte wie in den Anfängen der<br />

elektrischen Energieübertragung, bei DC 1,5 kV kann das<br />

je nach Infrastruktur noch schlimmer sein.<br />

Energieeinsparung durch elektrisches Rückspeis<strong>eb</strong>remsen<br />

war der Ausgangspunkt für [1]. Normale Gleichrichterwerke<br />

erlauben mit ihren Dioden keinen Leistungsrückfluss;<br />

Wechselrichter sind dabei Ausnahmen [8]. Die<br />

Bremsenergie muss also im DC-Fahrleitungsnetz bleiben.<br />

Selbst wenn dieses durchgeschaltet betri<strong>eb</strong>en wird, entstehen<br />

aber Verluste wie bei der Traktionsleistung.<br />

Viele alte Anlagen von DC-<strong>Bahnen</strong> werden in der kommenden<br />

Zeit erneuert werden müssen. Manche dieser <strong>Bahnen</strong><br />

planen oder betreiben offen oder im Stillen, ihre<br />

Strecken später einmal auf 1 AC umzustellen. Für die Niederlande<br />

ist darüber schon berichtet [9], weshalb sie in<br />

Tabelle 3 gar nicht mehr aufgenommen sind. Im nördlichen<br />

Tschechien kann man sehen, dass die DC-Anlagen dort schon<br />

lange oder seit jeher für AC 25 kV vorbereitet sind, und in<br />

Marokko geschieht das auf den derzeit rund 1 000 km Strecken<br />

mit DC 3 kV offenkundig planmäßig bei Erneuerungen<br />

(Bilder 4 und 5). Vermutlich beschäftigen sich viele andere<br />

DC-<strong>Bahnen</strong> <strong>eb</strong>enfalls mit dieser Frage und sollten dabei die<br />

in [1] aufgezeigten Zusammenhänge mit berücksichtigen.<br />

Zum investiven und betri<strong>eb</strong>lichen Ablauf solcher Umstellungen<br />

könnte auch geprüft werden, ob als Ersatz für einzelne<br />

Gleichrichterwerke schon Umrichterwerke errichtet werden,<br />

die übergangsweise geregelte Gleichspannung abg<strong>eb</strong>en.<br />

5 Investitionen<br />

Die Relationen in Spalte 4 der Tabelle 2 erlauben erste<br />

Grobvergleiche der Direktinvestitionen für Schaltanlagen<br />

und Umwandlungskomponenten bei Neubau- wie<br />

bei Umstellungsvorhaben. Dazu können negative Sprunginvestitionen<br />

durch Übergang von 230 auf 115 kV Anschlussspannung<br />

oder fallweise eine noch niedrigere Ebene<br />

kommen [1; 5]. Eventuell immer noch verbleibende<br />

Mehrinvestitionen der Varianten 3 und 4 können unter<br />

bestimmten Umständen durch Verkauf von CO 2<br />

-Zertifikaten<br />

im Rahmen des Clean Development Mechanism (CDM)<br />

kompensiert werden, wenn bei ihnen die höhere Bremsenergienutzung<br />

nachgewiesen ist.<br />

Anmerkung: Zur Schreibweise „17 Hz“ siehe Kommentar<br />

auf Seite 267 im selben Heft.<br />

Uwe Behmann<br />

Ergänzung<br />

Wenn man auf Grund der in [1] klargestellten Vorteile<br />

bei den in Abschnitt 2 und 3 genannten Neuelektrifizierungen<br />

und den in Abschnitt 4 an gesprochenen Umstel-<br />

256 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


Journal Extra<br />

lungen von DC auf AC die Bereitstellung der <strong>Bahnen</strong>ergie<br />

durch Umrichter wählt, ist man in der Frequenzwahl frei.<br />

Daher sollte man die in [5] genannten und oben am Beispiel<br />

USA gezeigten weiteren Vorteile einer niedrigeren<br />

Sonderfrequenz gleich noch mitnehmen, um sich das volle<br />

Potenzial einer AC-<strong>Bahnen</strong>ergieversorgung zu Nutze zu<br />

machen, bei der man Herr im eigenen Haus ist. Moderne<br />

AC-Tri<strong>eb</strong>fahrzeuge können ohne größeren Aufwand für<br />

den Betri<strong>eb</strong> mit verschiedenen Frequenzen tauglich gemacht<br />

werden, sodass ein Übergang auf schon mit 50 Hz<br />

elektrifizierte Strecken unproblematisch ist.<br />

Die Nennspannung bei Bahnsonderfrequenz in Europa<br />

ist 15 kV. Ob es bei Neu- oder Umelektrifizierungen<br />

damit zweckmäßiger ist, die für 50 Hz geltende<br />

Spannung 25 kV zu wählen, muss besonders untersucht<br />

werden. Zwar gibt es dafür alle Standardbauteile wie<br />

Schalter und Isolatoren, und es können die Vorteile der<br />

Kombination niedriger Frequenz und hoher Spannung<br />

genutzt werden (Variante 4 in Tabelle 2). Allerdings<br />

würde es die Profil freimachung erschweren und verteuern,<br />

die bisherigen Spannungstrennstellen zwischen<br />

den Fahrleitungsnetzen zementieren und alle Tri<strong>eb</strong>fahrzeuge,<br />

die auf alten 15-kV- und neuen 25-kV-Strecken<br />

verkehren, müssten einen umschaltbaren Haupttransformator<br />

für beide Spannungen haben.<br />

Bei Umstellung von mit DC betri<strong>eb</strong>enen <strong>Bahnen</strong> in<br />

Europa auf AC kann als langfristige Vision, wenn man<br />

auch eine Umstellung auf Sonderfrequenz in Dänemark<br />

annimmt, ein zusammenhängendes mit der gleichen AC-<br />

Frequenz betri<strong>eb</strong>enes Netz konventioneller Strecken gesehen<br />

werden, das von Narvik im Norden bis Reggio di<br />

Calabria oder nach dem Bau der Brücke bei Messina sogar<br />

bis Sizilien im Süden und von Oostende im Westen bis zum<br />

Spurwechselbahnhof Brest im Osten reicht.<br />

Zuletzt soll noch einmal darauf hingewiesen werden,<br />

dass niedrige Sonderfrequenzen auch für andere Anwendungen<br />

vorteilhaft sind, besonders für Offshore-Windkraftparks<br />

[10].<br />

Thorsten Schütte, Västerås<br />

[1] Behmann, U.; Rieckhoff, K.: Umrichterwerke bei 50-Hz-<strong>Bahnen</strong><br />

– Vorteile am Beispiel der Chinese Railways. Converter<br />

Stations in 50 HzTraction – Advantages in Case of Chinese<br />

Railways. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 109 (2011), H. 1-2, S. 63–74.<br />

[2] Bethge, Ph.: Highspeed nach Los Angeles. In: DER SPIEGEL 64<br />

(2011), Nr. 10, S. 116–117.<br />

[3] Zimmert, G.; Solka, M.: Elektrifizierung der Hochgeschwindigkeitsstrecke<br />

Wuhan – Guangzhou. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong><br />

107 (2009), H. 8, S. 338–343.<br />

[4] Krems, St.; Matthes, U.: Neubaustrecke (NBS) Nürnberg –<br />

Ingolstadt – Technische Ausrüstung. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong><br />

105 (2007), H. 4-5, S. 290–294.<br />

[5] Schütte, Th.: Kommentar zu [1]. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 109<br />

(2011), H. 1-2, S. 99–100.<br />

[6] Be: Lokomotivplattform ALP für Nordamerika. In: <strong>Elektrische</strong><br />

<strong>Bahnen</strong> 108 (2010), H. 1-2, S. 84–86.<br />

[7] N. N.: EG-Verordnung zum Gütervorrangnetz. In: <strong>Elektrische</strong><br />

<strong>Bahnen</strong> 108 (2010), H. 8-9, S. 409.<br />

[8] Schlunegger, H.: Wechselrichterwerke bei Gleichstrombahnen.<br />

In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 101 (2003), H. 11, S. 500–506.<br />

[9] Minkman, H.; Smulders, E.: Übergang der Energieversorgung<br />

von DC 1,5 kV auf AC 25 kV 50 Hz, rasch und kostengünstig.<br />

In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 102 (2004), H. 5, S. 231–239.<br />

[10] Schütte, Th.: Leistungsübertragung bei Windenergieanlagen<br />

und -parks. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 108 (2010), H. 5, S. 230.<br />

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257


Journal Extra<br />

Mauerwerkschornsteine des Bahnkraftwerks<br />

Muldenstein gesprengt<br />

Mit der Sprengung der drei Schornsteine des Bahnkraftwerks<br />

(BKW) Muldenstein am 10. April 2011 geht ein interessantes<br />

Kapitel der Technikgeschichte zu Ende. Die Anfänge<br />

des Bahnkraftwerkes als Teil des Versuchsbetri<strong>eb</strong>es<br />

der ersten elektrischen Fernbahn in Deutschland zwischen<br />

Dessau und Bitterfeld werden in [1] beschri<strong>eb</strong>en. Nach<br />

wechselvoller Geschichte wurde am 5. November 1994<br />

die Bahnmaschine 603 als letzter der noch vorhandenen<br />

16-MVA-Turbogeneratoren des BKW stillgelegt. Der<br />

Dampferzeuger 1 wurde noch bis zum 12. November 1994<br />

zur Restölverbrennung gefahren. In den Jahren danach<br />

spielten sich um die Immobilie des Kraftwerkes nicht ganz<br />

durchschaubare Dinge ab. 2006 verkaufte das Bundeseisenbahnvermögen<br />

(BEV), Außenstelle Halle, die Immobilie<br />

und die Flurstücke 322, 323 und 324 der Flur 1 der<br />

Gemarkung Friedersdorf an die KIB Kanzlei für Immobilienbesitz<br />

und Vermögens GmbH in Dresden. Die Flächen,<br />

die für die Maststandorte der drei Bahnstromleitungen<br />

Muldenstein – Wahren, Riesa – Muldenstein und Muldenstein<br />

– Kirchmöser benötigt werden, waren hiervon ausgenommen.<br />

Der Eintrag in das Grundbuch Friedersdorf<br />

erfolgte 2007. Warum dann 2007/2008 die Abrissarbeiten<br />

am Bahnkraftwerk begannen, ist unklar. Eine Genehmigung<br />

dafür lag nicht vor. Nachdem das Landesverwaltungsamt<br />

Halle von den Abrissarbeiten Kenntnis erhielt,<br />

wurden diese im Sommer 2009 gestoppt. Inzwischen<br />

wurden Grundstück und Immobilie von der FBS Projekt<br />

Kraftwerk GmbH aus Rackwitz erworben. Der Abriss der<br />

G<strong>eb</strong>äude und die Beräumung des Geländes wurden fortgeführt<br />

und am 10. April 2011 um 9:30 h mit der Sprengung<br />

der drei 103,6 m hohen Mauerwerkschornsteine<br />

beendet. Die Thüringer Sprenggesellschaft aus Kaulsdorf<br />

setzte 22 kg Sprengstoff (Eurodyn) pro Schornstein ein.<br />

Die Zündung der Sprengladungen begann am Schorn-<br />

Bahnkraftwerk Muldenstein mit den Schornsteinen 1, 2 und 3; Blick<br />

vom Kühlwassereinlaufkanal mit Einlaufbauwerk, im Hintergrund die<br />

südwestliche Gi<strong>eb</strong>elwand des Maschinenhauses (Foto: S. Graßmann).<br />

Die Schornsteine 1, 2 und 3 am 9. April 2011 vor der Sprengung<br />

(Foto: Stephan).<br />

258 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


Journal Extra<br />

Die Schornsteine 1, 2 und 3 während der Sprengung am 10. April 2011<br />

(Foto: Stephan).<br />

stein 1, die Sprengladungen der Schornsteine 2 und 3<br />

folgten mit einer Zeitverzögerung von jeweils 1,5 s.<br />

Als Landmarken und Zeugen der Industrialisierung des<br />

Bitterfelder Raumes waren die drei Schornsteine des BKW<br />

Muldenstein bei den Feierlichkeiten zum 100-jährigen Jubiläum<br />

der Inbetri<strong>eb</strong>nahme des öffentlichen Verkehrs mit<br />

elektrischen Zügen am 1. und 2. April 2011 noch vorhanden.<br />

Dabei hat nur der nordöstliche Schornstein 3, dessen<br />

Krone schon vor mehreren Jahren abgerissen werden<br />

musste, selbst ein Alter von 100 Jahren erreicht. Auf dem<br />

beräumten Kraftwerksgelände ist geplant, eine Photovoltaikanlage<br />

als eines von drei Solarfeldern in Muldenstein<br />

durch die FBS Solar-Projekt zu errichten.<br />

In Vorbereitung der Schornsteinsprengung mussten<br />

umfangreiche Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden.<br />

Dazu gehörte auch die Sperrung des zweigleisigen<br />

Streckenabschnitts Bitterfeld – Muldenstein für den Zugbetri<strong>eb</strong>,<br />

die für die Zeit von 7:55 h bis 11:25 h gemäß einer<br />

Betri<strong>eb</strong>s- und Bauanweisung (Betra) vorbereitet war.<br />

Die Oberleitung dieses Streckenabschnitts wurde für die<br />

Zeit der Sperrpause geerdet und kurzgeschlossen. In die<br />

110-kV-Schaltanlage des benachbarten Unterwerkes sind<br />

sechs 110-kV-<strong>Bahnen</strong>ergieleitungen eingeführt, die während<br />

der Sprengungen in Betri<strong>eb</strong> g<strong>eb</strong>li<strong>eb</strong>en waren. Das<br />

Unterwerk verfügt über zwei 110 kV/15-kV-Bahntransformatoren.<br />

Diese Transformatoren und alle vom Unterwerk<br />

abgehenden 15-kV-Speiseleitungen sind <strong>eb</strong>enfalls<br />

im Zusammenhang mit den Schalthandlungen im Oberleitungsnetz<br />

außer Betri<strong>eb</strong> genommen worden. Nach<br />

der Sprengung wurden alle im Sprengbereich gelegenen<br />

Anlagenteile der <strong>Bahnen</strong>ergieversorgung auf Folgen wie<br />

beispielsweise unzulässige Verschmutzungen oder Isolatorschäden<br />

überprüft.<br />

Siegfried Graßmann, Oberau<br />

[1] Graßmann, S., Scherrans, T., Glanert, P.: 100 Jahre Fernbahnelektrifizierung<br />

in Deutschland. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 109<br />

(2011), H. 4-5, S. 247-253.<br />

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<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

259


Journal <strong>Bahnen</strong><br />

Betri<strong>eb</strong>slage bei der S-Bahn Berlin<br />

Fortsetzung zu [1]<br />

Betri<strong>eb</strong><br />

Der Gesamteinsatzbestand<br />

aller drei Tri<strong>eb</strong>zug-Baureihen<br />

(BR) ist seit Anfang F<strong>eb</strong>ruar<br />

2011 nicht dauerhaft über<br />

etwa 415 Viertelzüge (Vz)<br />

hinaus gekommen. Ab 28. F<strong>eb</strong>ruar<br />

wurde die netzweite<br />

Geschwindigkeitsbeschränkung<br />

auf 60 km/h aufgehoben.<br />

Baureihe 485+885<br />

Anfang März ist der erste von<br />

20 zu reaktivierenden VZ dieser<br />

BR wieder im Fahrgastbetri<strong>eb</strong>.<br />

Offenbar waren diese nicht nur<br />

abgestellt, sondern auch schon<br />

ausg<strong>eb</strong>ucht gewesen, denn<br />

Tabelle 5 in [2] nannte als<br />

Bestand am 1. Januar 2011<br />

noch 60 VZ. Für die Wiederherstellung<br />

hatte sich auf externe<br />

Ausschreibung nur ein Fahrzeughersteller<br />

gemeldet und<br />

einen Preis fast wie für Neubauzüge<br />

verlangt; dazu wäre<br />

noch umfangreiche DB-seitige<br />

Unterstützung gekommen.<br />

Deshalb ging der Auftrag an<br />

die DB-Werke Wittenberge für<br />

Karosseriesanierung und Redesign<br />

und Dessau für die<br />

Hauptuntersuchung (HU).<br />

Planung und Vorbereitung<br />

dauerten eineinhalb Jahre,<br />

Ersatzteile werden aus nicht<br />

mehr reaktivierbaren Fahrzeugen<br />

gewonnen oder sogar<br />

einzeln neu gefertigt. Die<br />

Wagenkästen sind jetzt flotteneinheitlich<br />

rot-gelb beschichtet<br />

(Bild 5 in [1]) und auch die<br />

neuen Inneneinrichtungen wie<br />

Sitzpolster entsprechen denen<br />

der beiden anderen BR. Das<br />

Programm erfordert jetzt<br />

16 Mio. EUR. Die beiden Werke<br />

sollen es bis Jahresmitte 2011<br />

abwickeln, sodass nach dem<br />

Radsatztausch an den nicht<br />

abgestellt gewesenen 60 VZ am<br />

Jahresende alle 80 VZ verfügbar<br />

wären. Das Werk Schöneweide<br />

konzentriert sich derweil auf<br />

HU an der BR 481+482 und soll<br />

diese 2011 an 90 VZ ausführen.<br />

Sandstreueinrichtungen<br />

Die DB hat im Amtsblatt der<br />

Europäischen Union vom 14. April<br />

2011 die Beschaffung von<br />

Komponenten für die Sandstreueinrichtungen<br />

von Berliner<br />

S-Bahn-Zügen ausgeschri<strong>eb</strong>en<br />

(2011/S 72-118051), mit denen<br />

deren Bremsvermögen bei<br />

schlechten Kraftschlussverhältnissen<br />

verbessert werden soll.<br />

Der Auftrag umfasst je zwei<br />

beheizte Sandrohre und Sandbehälterheizungen<br />

für die<br />

vorlaufenden Radsätze der<br />

500 VZ 481+482 und der 69 VZ<br />

480.0+480.5, also 2 276 Anlagen;<br />

die Anbieter können aber auch<br />

anderen Schutz gegen Festfrieren<br />

des Sandbehälterinhalts<br />

vorschlagen. Ferner gehören<br />

dazu <strong>eb</strong>en so viele Wirküberwachungen/Funktionskontrollen.<br />

Die 69 VZ sind neun mehr als<br />

noch in der Tabelle 5 in [1]<br />

genannt. Die BR 485+885 hat<br />

keine Sandstreuvorrichtungen;<br />

offenbar hat sie mit ihrer lastabhängigen<br />

Bremse und elektronischem<br />

Antigleitschutz bisher<br />

keine unangenehmen Bremsprobleme<br />

bereitet [3]. Der Auftrag<br />

soll ab Vergabe in zwei<br />

Jahren abgewickelt werden und<br />

0,4 bis 0,85 Mio. EUR erfordern.<br />

Weil die Sache sicherheitsrelevant<br />

und deshalb eilig ist, soll im<br />

Beschleunigten Verhandlungsverfahren<br />

eine Rahmenvereinbarung<br />

mit nur einem Wirtschaftsteilnehmer<br />

geschlossen<br />

werden.<br />

Be<br />

[1] Be: Betri<strong>eb</strong>slage bei der S-Bahn<br />

Berlin. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong><br />

109 (2011), H. 1-2/2011, S. 88–91.<br />

[2] N. N.: <strong>Elektrische</strong>r Betri<strong>eb</strong> bei<br />

der Deutschen Bahn im Jahre<br />

2010. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong><br />

109 (2011), H. 1-2, S. 3–49.<br />

[3] Herdeggen, H.; Fechner, W.; Nikolof,<br />

I.: Die neuen Tri<strong>eb</strong>züge<br />

Baureihe 270 für die Berliner<br />

S-Bahn. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong><br />

79 (1981), H. 5, S. 194–201.<br />

Bombardier Transportation<br />

(BT) hergestellten Fahrzeugfamilie<br />

für den Betri<strong>eb</strong>seinsatz<br />

bei der DB zugelassen. Unmittelbar<br />

zuvor hatte BT letzte<br />

sicherheitsrelevante Unterlagen<br />

eingereicht. Zur Gewährleistung<br />

der Sicherheit ist die<br />

Genehmigung mit mehreren<br />

technischen und betri<strong>eb</strong>lichen<br />

N<strong>eb</strong>enbestimmungen verbunden.<br />

Nach Herstellerangaben<br />

gilt die Zulassung für die Einfachtraktion<br />

der Talent 2-Züge,<br />

die für die DB Regio Franken<br />

bestimmt sind [1]. Die<br />

ersten Tri<strong>eb</strong>züge sind für<br />

Test- und Schulungsfahrten an<br />

die DB überg<strong>eb</strong>en worden.<br />

Die Höchstgeschwindigkeit<br />

der Züge beträgt nach Herstellerangaben<br />

160 km/h. Nach<br />

einer N<strong>eb</strong>enbestimmung darf<br />

diese Geschwindigkeit zurzeit<br />

noch nicht gefahren werden.<br />

In enger Zusammenarbeit mit<br />

dem EBA erarbeitet BT zügig<br />

die Unterlagen, die für die<br />

Fortsetzung des Zulassungsverfahrens<br />

erforderlich sind.<br />

Ziel des Herstellers ist, dass die<br />

DB die Züge im zweiten Halbjahr<br />

2011 uneingeschränkt im<br />

Betri<strong>eb</strong>seinsatz auch in Mehrfachtraktion<br />

nutzen kann.<br />

[1] N. N.: Regional- und Nahverkehrszug<br />

TALENT 2 für DB Bahn<br />

Regio. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong><br />

106 (2008), H. 10, S. 474.<br />

<strong>Elektrische</strong> Tri<strong>eb</strong>züge für den Vorortverkehr<br />

Adelaide<br />

Bombardier Transportation<br />

(BT) hat im März 2011 von der<br />

Regierung Südaustraliens<br />

einen Auftrag über die Lieferung<br />

und Instandhaltung von<br />

22 elektrischen Tri<strong>eb</strong>zügen<br />

A-City im Wert von etwa<br />

269 Mio. AUD (197 Mio. EUR)<br />

erhalten. Die Tri<strong>eb</strong>züge wurden<br />

speziell für das erneuerte<br />

Vorstadtnetz von Adelaide<br />

entwickelt und bestehen aus<br />

jeweils drei Wagen und bieten<br />

240 Sitzplätze. Die Energieversorgung<br />

der Tri<strong>eb</strong>züge erfolgt<br />

über Oberleitungen, die Nennspannung<br />

beträgt 1 AC 25 kV<br />

50 Hz. Die in Aus-tralien als<br />

A-City bekannten Fahrzeuge<br />

besitzen FLEXX-Drehgestelle<br />

und sind mit dem MITRAC<br />

Antri<strong>eb</strong>s- und Steuerungssystem<br />

ausgerüstet, ihre Höchstgeschwindigkeit<br />

beträgt<br />

110 km/h. Die A-City werden in<br />

den Werken in Dandenong<br />

(Victoria) und Maryborough<br />

(Queensland) gefertigt und<br />

sollen 2013 in Betri<strong>eb</strong> genommen<br />

werden.<br />

Tri<strong>eb</strong>züge A-City für Adelaide. (Designstudie: Bombardier).<br />

EBA erteilt Zulassung für Talent 2<br />

Im März 2011 hat das Eisenbahnbundesamt<br />

(EBA) nach<br />

intensiven Abstimmungen mit<br />

dem Hersteller die ersten<br />

vierteiligen elektrischen Tri<strong>eb</strong>züge<br />

Talent 2 (BR 442) der von<br />

BiLevel-Nahverkehrsfahrzeuge für Toronto<br />

Die kanadische Metrolinx,<br />

Verkehrsgesellschaft für die<br />

Region Greater Toronto and<br />

Hamilton Area (GTHA), hat<br />

Bombardier Transportation<br />

(BT) mit der Lieferung weiterer<br />

260 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


<strong>Bahnen</strong> Journal<br />

50 BiLevel-Nahverkehrswagen<br />

an die Tochtergesellschaft<br />

GO Transit in Toronto beauftragt.<br />

Das Vertragsvolumen<br />

beträgt etwa 125 Mio. CAD<br />

(93 Mio. EUR). Die Wagen<br />

werden in Thunder Bay, Provinz<br />

Ontario in Kanada gefertigt,<br />

die ersten Auslieferungen<br />

sind für November 2011 vorgesehen.<br />

BiLevel-Wagen, von BT<br />

in Kooperation mit GO Transit<br />

entwickelt, werden seit 1978<br />

im Nahverkehr eingesetzt und<br />

bieten 162 Sitzplätze. Das<br />

Basisdesign der komfortabel<br />

ausgestatteten Fahrzeuge<br />

kann nach Herstellerangaben<br />

auch an zukünftige Entwicklungen<br />

angepasst werden.<br />

BiLevel-Wagen sind in Nordamerika<br />

populäre Nahverkehrsfahrzeuge,<br />

die in<br />

13 Großstädten der USA und<br />

Kanadas eingesetzt werden<br />

[1]. Im Rahmen des Auftrags<br />

von Metrolinx wird der<br />

1000. BiLevel-Wagen in Thunder<br />

Bay hergestellt.<br />

[1] N. N.: Doppelstockwagen für<br />

den Nahverkehr Vancouver. In:<br />

<strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 107 (2009),<br />

H. 8, S. 362.<br />

Eurosprinter-Lokomotive ES64F4 in der MRCE-Lackierung (Foto: Siemens).<br />

Übergabe der ersten ES64U4 an InRail<br />

Drei Monate nach der Bestellung<br />

von zwei Lokomotiven<br />

ES64U4 übergab Siemens<br />

Mobility im März 2011 die<br />

erste Lokomotive an das italienische<br />

EVU InRail [1]. Die<br />

zweite Lokomotive soll Ende<br />

Juni geliefert werden.<br />

[1] N. N.: InRail Italien kauft zwei Lokomotiven<br />

Eurosprinter ES64U4.<br />

In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 109 (2011),<br />

H. 3, S. 154.<br />

BiLevel-Nahverkehrswagen für Go Transit Toronto (Foto: Bombardier).<br />

RTS Graz beschafft weitere Lokomotiven<br />

Das Eisenbahnverkehrsunternehmen<br />

Rail Transport Service<br />

(RTS) Graz führt Transporte<br />

von Gleisbaumaschinen und<br />

Arbeitszugleistungen in Österreich,<br />

Deutschland, Ungarn<br />

und den Niederlanden durch.<br />

RTS besitzt unter anderem<br />

drei Mehrsystemlokomotiven<br />

ES64U4 und vier Diesellokomotiven<br />

ER20. RTS hat im<br />

April 2011 bei Siemens<br />

Mobility eine elektrische<br />

Mehrsystemlokomotive<br />

ES64U4 und eine Diesellokomotive<br />

ER20 bestellt. Beide<br />

Lokomotiven werden 2011<br />

geliefert.<br />

Info: www.br146.de/SiemensPdf<br />

/Datenblatt%20ES64U4.pdf<br />

www.mobility.siemens.com/shared/<br />

data/pdf/www/rolling_<br />

stock/a19100-v600-b332_<br />

produktschrift_er20.pdf<br />

Fünf Eurosprinter-Lokomotiven für MRCE<br />

Mitsui Rail Capital Europe B.V.<br />

(MRCE), eine Vermietgesellschaft<br />

für Lokomotiven in<br />

Europa, bestellte im April 2011<br />

bei Siemens Mobility fünf<br />

Eurosprinter-Lokomotiven<br />

ES64F4. Die Viersystem-Lokomotiven<br />

werden für den Einsatz<br />

in Mittel- und Osteuropa<br />

ausgerüstet und sollen Zulassungen<br />

für Langstreckenverbindungen<br />

vom Schwarzen<br />

Meer bis zu den Ostseehäfen<br />

in Polen und an die Holländische<br />

Grenze besitzen.<br />

Info: www.mobility.siemens.<br />

com/shared/data/pdf/www/rolling_stock/a19100-v600-329_<br />

produktschrift_es64f41.pdf<br />

Übergabe der ersten Lokomotive ES64U4 an InRail (Foto: Siemens).<br />

Innovationszentrum für Bahntechnik in<br />

Großbritannien<br />

Die Siemens-Division Mobility<br />

(SIM) hat im März 2011 ein<br />

Rail Innovation Centre of<br />

Competence in Großbritannien<br />

gegründet. In diesem Zentrum<br />

sollen Konzepte und<br />

Technologien für die Instandhaltung<br />

von Schienenfahrzeugen<br />

entwickelt werden. Die<br />

Nachfrage nach diesen Leistungen<br />

steigt: SIM schätzt,<br />

dass der Markt in diesem Bereich<br />

bis 2016 um mehr als<br />

drei Prozent jährlich wächst. In<br />

Großbritannien hält SIM etwa<br />

370 Desiro-UK-Züge instand<br />

[1]. Von den Erfahrungen aus<br />

dem Servicegeschäft in den<br />

britischen Depots soll auch das<br />

Innovationszentrum profitieren.<br />

In ihm werden Konzepte<br />

und Technologien für die<br />

Ferndiagnose und die vorausschauende<br />

Instandhaltung von<br />

Schienenfahrzeugen entwickelt.<br />

Damit sollen Instandhaltungstechniker<br />

in die Lage<br />

versetzt werden, das Verhalten<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

261


Journal <strong>Bahnen</strong><br />

von Schienenfahrzeugen auch<br />

während des Betri<strong>eb</strong>seinsatzes<br />

kontinuierlich zu überwachen.<br />

Durch die Ferndiagnose und<br />

die vorausschauende Instandhaltung<br />

soll die Sicherheit und<br />

die Zuverlässigkeit von Schienenfahrzeugen<br />

weiter erhöht<br />

werden. Gleichzeitig senken<br />

diese beiden Instandhaltungsmethoden<br />

die Servicekosten<br />

für den Betreiber, da der erforderliche<br />

Serviceumfang präziser<br />

bestimmt werden kann.<br />

Falls die Messdaten aus der<br />

Ferndiagnose auffällig sind,<br />

können die Instandhaltungstechniker<br />

eingreifen, bevor es<br />

zu einer Störung kommt.<br />

[1] N. N.: Bewertung der Zuverlässigkeit<br />

von Desiro-Tri<strong>eb</strong>zügen<br />

in Großbritannien. In: <strong>Elektrische</strong><br />

<strong>Bahnen</strong> 109 (2011), H. 1-2,<br />

S. 92-93.<br />

SIM-Techniker bei der Wartung eines Desiro-Tri<strong>eb</strong>zuges im Depot in Ardwick,<br />

Manchester. (Foto: Siemens).<br />

Erweiterung der Metro Kalkutta<br />

In Kalkutta wurde 1984 die<br />

erste Metrolinie mit gegenwärtig<br />

23 Stationen bei 22,3 km<br />

Streckenlänge eröffnet. Sie ist<br />

mit der indischen Breitspur<br />

1 676 mm ausgeführt, die Energiezuführung<br />

erfolgt über eine<br />

seitliche Stromschiene mit<br />

DC 750 V Nennspannung und<br />

ihre Höchstgeschwindigkeit<br />

beträgt 55 km/h. Nun soll in<br />

zwei Bauabschnitten eine<br />

weitere Ost-West-Metrostrecke<br />

mit 14,7 km Länge und<br />

zwölf Stationen mit Normalspurweite<br />

1 435 mm g<strong>eb</strong>aut<br />

werden. Der 5,8 km lange erste<br />

Bauabschnitt, eine Hochbahn<br />

mit sechs Stationen, soll Ende<br />

2013 in Betri<strong>eb</strong> genommen<br />

werden. Der zweite, vollständig<br />

unterirdisch verlaufende<br />

Bauabschnitt mit <strong>eb</strong>enfalls<br />

sechs Stationen ist 8,9 km lang.<br />

Die Inbetri<strong>eb</strong>nahme ist für<br />

2014 vorgesehen. Die neue<br />

Metrolinie unterquert als erste<br />

Linie Indiens einen Fluss, den<br />

Hooghly River. Das indische<br />

Unternehmen Kolkata Metro<br />

Rail Corporation (KMRC) hat<br />

im März 2011 Siemens Mobility<br />

(SIM) beauftragt, das komplette<br />

System der <strong>Bahnen</strong>ergieversorgung<br />

zu liefern. Die neue<br />

Metrolinie wird <strong>eb</strong>enfalls mit<br />

der Nennspannung DC 750 V<br />

betri<strong>eb</strong>en. Die elektrische<br />

Energie 3 AC 33 kV 50 Hz wird<br />

von Calcutta Electric Supply<br />

Corporation Ltd. für neun<br />

Gleichrichterunterwerke und<br />

das Depot über ein eigenes<br />

Kabelnetz für die Metro geliefert.<br />

SIM errichtet die Stromschienenfahrleitung<br />

als dritte<br />

Schiene. Mit einem<br />

Scada-System werden die<br />

Anlagen der <strong>Bahnen</strong>ergieversorgung<br />

gesteuert und überwacht.<br />

In die Anlage wird ein<br />

Monitoring-System Sitras SMS<br />

zur Überwachung der Schienenpotentiale<br />

integriert. Damit<br />

kann das unzulässige Auftreten<br />

von hohen<br />

Streuströmen rechtzeitig erkannt<br />

und die Ursachen dafür<br />

beseitigt werden. Der SIM-Auftrag<br />

umfasst n<strong>eb</strong>en Montage<br />

Erweiterung des Metrosystems<br />

Val 208 in Turin<br />

Kurz vor Beginn der Olympischen<br />

Winterspiele wurde im<br />

F<strong>eb</strong>ruar 2006 in der piemontesischen<br />

Hauptstadt Turin der<br />

erste, 7,6 km lange Abschnitt<br />

eines vollautomatischen Metrosystems<br />

Val mit elf Stationen<br />

in Betri<strong>eb</strong> genommen.<br />

Der Begriff VaL steht für Véhicule<br />

Automatique Léger und<br />

bezeichnet fahrerlose Fahrzeuge<br />

mit Gummibereifung.<br />

Bis März 2011 wurde das<br />

System in zwei weiteren Bauabschnitten<br />

auf nunmehr<br />

13,2 km und 21 Stationen<br />

erweitert. Die Linie 1 verbindet<br />

nun Collegno, westlich<br />

von Turin, über den Bahnhof<br />

Porta Nuova mit dem südlichen<br />

Turiner Stadtteil Longotto.<br />

Weitere Streckenverlängerungen<br />

von den derzeit vorhandenen<br />

Endstationen sind<br />

vorgesehen. Für das von von<br />

Gruppo Torinese Trasporti<br />

(GTT) betri<strong>eb</strong>ene Metrosystem<br />

lieferte Siemens Mobility (SIM)<br />

die Leit- und Sicherungstechnik<br />

und die im Depot Collegno<br />

installierte Leitstelle. In Zusammenarbeit<br />

mit dem italienischen<br />

Konsortialpartner<br />

Tecnimont hält SIM technische<br />

Ausrüstungen des Systems<br />

während eines Zeitraums von<br />

si<strong>eb</strong>en Jahren instand. Die<br />

Vierwagenzug Val 208 für GTT-Turin (Foto: Siemens).<br />

und Inbetri<strong>eb</strong>nahme der Anlagen<br />

auch das Projektmanagement.<br />

Das Personal wird für<br />

die neuen Anlagen eingewiesen<br />

und geschult. SIM hält<br />

während der Gewährleistungszeit,<br />

die drei Jahre beträgt, die<br />

<strong>Bahnen</strong>ergieversorgungsanlagen<br />

instand.<br />

Info: www.mobility.siemens.com/<br />

shared/data/pdf/www/turnkey_<br />

systems/scd-c_pi_101_00.pdf<br />

Arbeiten werden anschließend<br />

von GTT selbst ausgeführt. Die<br />

Vierwagen-Züge sind 52 m<br />

lang und besitzen eine Kapazität<br />

für 440 Fahrgäste. Die<br />

Taktzeit der Züge kann entsprechend<br />

des Beförderungsbedarfs<br />

minimal zwei Minuten<br />

betragen. In Turin werden<br />

Fahrzeuge vom Typ VAL 208<br />

(Bild 1) eingesetzt.<br />

Tabelle: Ausgewählte technische<br />

Daten zum System Val.<br />

Wagenlänge<br />

13 m<br />

Breite des Wagenkastens<br />

2,08 m<br />

Fahrzeughöhe<br />

Anzahl der Wagen<br />

pro Zug<br />

3,27 m<br />

2 oder 4<br />

Anzahl der Sitze 11 bis 27<br />

Höchstgeschwindigkeit 80 km/h<br />

Minimaler Kurvenradius<br />

30 m<br />

Beschleunigung<br />

Maximale Verzögerung<br />

Nennspannung<br />

Minimale vertikale<br />

Radien der Betonfahrbahn<br />

1,3 m/s²<br />

1,3 m/s²<br />

DC 750 V<br />

200 m<br />

Maximale Steigung 10 %<br />

Maximale Überhöhung 10 %<br />

[1] N. N.: Weitere vollautomatische<br />

Metro-Linie mittels Cityval-<br />

Zügen für Rennes. In: <strong>Elektrische</strong><br />

<strong>Bahnen</strong> 108 (2010), H. 12,<br />

S. 577-578.<br />

262 109 (2011) Heft 4-5 <strong>eb</strong>


<strong>Bahnen</strong> Journal<br />

Zentrum für Drehgestelle in Siegen<br />

Bombardier Transportation<br />

(BT) ergänzt sein Kompetenzzentrum<br />

für Drehgestelle in<br />

Siegen um einen Bereich für<br />

Radsätze. Im ersten Betri<strong>eb</strong>sjahr<br />

sollen rund 1 700 Radsätze<br />

produziert werden, bis<br />

2013 will man die Fertigung<br />

dann auf bis zu 10 000 Radsätzen<br />

pro Jahr ausbauen. Das<br />

Projekt in Siegen, Stadtteil<br />

Dreis-Tiefenbach, wurde innerhalb<br />

von zehn Monaten umgesetzt.<br />

Der Bau einer neuen<br />

Werkhalle hat im Juni 2010<br />

begonnen, am 1. April 2011<br />

wurde die Produktion aufgenommen.<br />

Es werden Radsätze<br />

einschließlich der Bremsscheiben<br />

und der Achslager montiert.<br />

Die Einzelteile eines Radsatzes<br />

können im erforderlichen<br />

Umfang sowohl<br />

aufgepresst als auch aufgeschrumpft<br />

werden. Die Instandhaltung<br />

von Radsätzen<br />

ist möglich. Die Produktion<br />

von Radsätzen vor Ort führt<br />

zu einer vereinfachten Logistikkette,<br />

weiteren Qualitätsoptimierungen<br />

sowie einer<br />

größeren Unabhängigkeit von<br />

externen Lieferanten und<br />

Veränderungen am Markt.<br />

RNV bestellt weitere Straßenbahnzüge mit<br />

Energiespeicher<br />

Rhein-Neckar-Verkehr (RNV)<br />

bestellte im April 2011 elf<br />

Niederflur-Straßenbahnzüge<br />

bei Bombardier Transportation<br />

(BT). Der Auftrag mit einem<br />

Gesamtwert von 33 Mio. EUR<br />

stellt eine weitere Option des<br />

Vertrages aus dem im Jahr<br />

1998 dar [1]. Die Straßenbahnzüge<br />

werden mit dem MITRAC<br />

Energy Saver ausgerüstet,<br />

einer Technologie zur vorübergehenden<br />

Speicherung der<br />

Bremsenergie auf dem Fahrzeug.<br />

RNV wird mit der Auslieferung<br />

der Straßenbahnzüge<br />

bis 2013 dann über 30 <strong>Bahnen</strong><br />

mit einem Energiespeicher<br />

verfügen. Gefertigt werden<br />

die Straßenbahnfahrzeuge in<br />

Bautzen, die elektrische Ausrüstung<br />

wird aus Mannheim<br />

und die Drehgestelle aus Siegen<br />

angeliefert.<br />

[1] N. N.: Straßenbahnen mit Energiespeicher<br />

verkehren im Netz<br />

des rnv. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong><br />

109 (2011), H. 1, S. 94-95.<br />

knapp 18 000 km auf über<br />

40 000 km wachsen und die<br />

Zahl der Hochgeschwindigkeitszüge<br />

wird in diesem Zeitraum<br />

von rund 2 500 auf fast<br />

5 000 Einheiten steigen. Dies<br />

prognostiziert die von SCI<br />

Verkehr im März 2011 veröffentlichte<br />

Studie Hochgeschwindigkeitsverkehr<br />

– weltweite<br />

Marktentwicklungen.<br />

Basierend auf den aktuellen<br />

Entwicklungen im Hochgeschwindigkeitssegment<br />

der<br />

Eisenbahn bietet die Studie<br />

Bestandsaufnahmen und Analysen<br />

des Marktes für Hochgeschwindigkeitszüge<br />

und -infrastruktur.<br />

SCI analysierte dazu<br />

Unternehmen, Wettbewerbslandschaften<br />

sowie aktuelle<br />

und zukünftige Marktvolumina<br />

im weltweiten Neufahrzeugund<br />

After-Sales-Geschäft. Im<br />

Jahr 2010 wurden 5,6 Mrd. EUR<br />

in die Neubeschaffung und<br />

2,8 Mrd. EUR pro Jahr in die<br />

Wartung und Instandhaltung<br />

der HGV-Züge investiert. Damit<br />

hat der Markt für Hochgeschwindigkeitszüge<br />

und After-<br />

Sales-Leistungen bereits ein<br />

Volumen von 8 Mrd. EUR überstiegen.<br />

Sowohl das Neufahrzeug-<br />

(etwa 5 %) als auch das<br />

After-Sales-Geschäft (rund<br />

10 %) werden in den kommenden<br />

Jahren, so die Studie, ihr<br />

schnelles Wachstum fortsetzen.<br />

Die Studie analysierte auch die<br />

einzelnen Ländermärkte. Weltweit<br />

die meisten, schnell wachsenden<br />

Metropolregionen, ein<br />

starker politischer Wille, ausreichende<br />

Investitionsmittel und<br />

die hohe Verfügbarkeit von<br />

Arbeitskräften hätten dazu<br />

geführt, dass China innerhalb<br />

weniger Jahre das längste<br />

Hochgeschwindigkeitsnetz der<br />

Welt entwickeln konnte und in<br />

Kürze über die größte Hochgeschwindigkeits-Flotte<br />

verfügen<br />

wird. Auch die etablierten<br />

Märkte Deutschland, Frankreich<br />

und Japan stünden für<br />

einen großen Teil des Marktvolumens.<br />

Aus der Projektdatenbank<br />

von SCI geht laut Studie<br />

aber hervor, dass der Hochgeschwindigkeitsverkehr<br />

auch in<br />

neuen Marktregionen wie<br />

Arabien, Osteuropa und Südamerika<br />

Fuß fasst. Und die<br />

verglichen mit chinesischen<br />

Plänen eher kleinen Projekte<br />

vieler anderer Länder könnten<br />

für spezialisierte Marktteilnehmer,<br />

die besondere Zugänge zu<br />

diesen Märkten haben, attraktive<br />

Einstiegsfelder bieten.<br />

SCI-Prognose zur Entwicklung des Hochgeschwindigkeitsverkehrs. (Grafik: SCI).<br />

Index: 2001 = 100;<br />

schwarz Strecken-km (100 = 5 500 km)<br />

rot Hochgeschwindigkeitsfahrzeuge (100 = 14 300 Wagen)<br />

Niederflur-Straßenbahnzug im RNV-Netz. (Foto: Bombardier).<br />

Studie Hochgeschwindigkeitsverkehr –<br />

weltweite Marktentwicklungen<br />

Das weltweite Netz für Hochgeschwindigkeitsverkehr<br />

wird<br />

bis 2015 von gegenwärtig<br />

DB bestellt 300 elektrische Tri<strong>eb</strong>züge für<br />

den Personenfernverkehr ICx bei Siemens<br />

Nach monatelangen Verhandlungen<br />

hat die Deutsche Bahn<br />

(DB) am 11. April 2011 unter<br />

dem DB-Projekttitel ICx (6.7.3<br />

in [1]) einen Auftrag zur Lieferung<br />

von 300 elektrischen<br />

Tri<strong>eb</strong>zügen für den Personenfernverkehr<br />

an Siemens (SIM)<br />

verg<strong>eb</strong>en. Bereits seit 2003<br />

plante die DB die Beschaffung<br />

neuer Fahrzeuge für den Personenfernverkehr<br />

und schri<strong>eb</strong><br />

dann nach gründlicher Vorbereitung<br />

im Jahr 2008 neue<br />

elektrische Tri<strong>eb</strong>züge für den<br />

Fernverkehr aus. In dem technisch-funktionalen<br />

Lastenheft<br />

wurden fast 9 000 Einzelanforderungen<br />

aufgeführt, dabei<br />

sind Aspekte wie Einsatzbedin-<br />

<strong>eb</strong> 109 (2011) Heft 4-5<br />

263


Journal <strong>Bahnen</strong><br />

gungen, Außen- und Innendesign<br />

und die Instandhaltung<br />

der Züge berücksichtigt. Mit<br />

den Vorgaben soll eine hohe<br />

Zuverlässigkeit der Züge im<br />

Betri<strong>eb</strong> und ein angemessener<br />

Komfort für die Fahrgäste über<br />

die gesamte Einsatzzeit gesichert<br />

werden. Die Entwicklungskosten<br />

müssen vollständig<br />

von der Bahnindustrie<br />

getragen werden. Eine Vorfinanzierung<br />

der Züge ist nicht<br />

vorgesehen, sie sollen erst bei<br />

Abnahme bezahlt werden. Die<br />

DB str<strong>eb</strong>te ein Preisniveau an,<br />

das auf einen festgelegten<br />

Zeitpunkt bezogen unter dem<br />

der vorhandenen ICE-Züge<br />

liegt. Der Auftrag sollte nicht<br />

an ein Konsortium, sondern<br />

nur an einen einzelnen Auftragnehmer<br />

verg<strong>eb</strong>en werden,<br />

um Mehrkosten und unklare<br />

Zuständigkeiten bei der Beseitigung<br />

eventueller Mängel zu<br />

vermeiden. Si<strong>eb</strong>en Unternehmen<br />

der Bahnindustrie forderten<br />

die Ausschreibungsunterlagen<br />

an, zwei Firmen reichten<br />

Ang<strong>eb</strong>ote ein und 2010 nannte<br />

die DB dann SIM als bevorzugten<br />

Anbieter. Bombardier (BT)<br />

soll als Zulieferer von SIM<br />

Teilleistungen für den Gesamtauftrag<br />

erbringen. Der Auftrag<br />

zur Lieferung von 300 ICx hat<br />

ein Volumen von mehr als<br />

5 Mrd. EUR. Die DB ordert mit<br />

einer ersten Bestellung 130<br />

Züge, die ab Ende 2016 ausgeliefert<br />

werden sollen. Danach<br />

werden im Rahmen eines<br />

Abrufvertrages, in dem der DB<br />

Optionen zu festgelegten<br />

Konditionen über den Kauf<br />

weiterer Züge eingeräumt<br />

sind, Folgelieferungen von<br />

ICx-Tri<strong>eb</strong>zügen vereinbart. Mit<br />

dem Auftrag der DB können<br />

Werke von SIM und BT über<br />

einen längeren Zeitraum kontinuierlich<br />

ausgelastet werden.<br />

Die DB erhält während der<br />

Planung und der Fertigung der<br />

Züge Kontrollmöglichkeiten,<br />

um die Qualität und die Funktionalität<br />

der Züge zu beurteilen.<br />

Aus den Kontrollerg<strong>eb</strong>nissen<br />

können rechtzeitig<br />

erforderliche Änderungen der<br />

Planungen und der Anpassung<br />

der Fertigung abgeleitet und<br />