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eb - Elektrische Bahnen Intelligente Lösungen für die Mobilität von morgen (Vorschau)

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

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

Elektrotechnik<br />

im Verkehrswesen<br />

B 2580<br />

8-9/2014<br />

August / September<br />

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DIE MOBILITÄT VON MORGEN –<br />

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Standpunkt<br />

Mit innovativer Bahntechnik<br />

<strong>die</strong> Herausforderungen der Zukunft<br />

meistern<br />

Mit über 2 700 Ausstellern aus 51 Ländern<br />

kann <strong>die</strong> InnoTrans 2014 zu ihrer zehnten<br />

Jubiläumsveranstaltung einen neuen<br />

Ausstellerrekord verzeichnen. Das stetige<br />

Wachstum der Messe ist auch Ausdruck der steigenden<br />

Nachfrage nach effizienter und umweltfreundlicher<br />

<strong>Mobilität</strong>: sei es beim Transport <strong>von</strong> Gütern über<br />

<strong>die</strong> Schiene, den Hochgeschwindigkeitsverbindungen<br />

zwischen Metropolen oder dem Regional- und<br />

Nahverkehr in den boomenden Megastädten und<br />

Ballungsräumen.<br />

Dass Bahntechnik ein aussichtsreiches Geschäftsfeld<br />

bleibt, zeigen auch <strong>die</strong> gut gefüllten Auftragsbücher<br />

der in Deutschland ansässigen Bahntechnikhersteller.<br />

Mit 14,9 Mrd. EUR konnte <strong>die</strong> Bahnindustrie in<br />

Deutschland im Gesamtjahr 2013 einen neuen Auftragsrekord<br />

verzeichnen. Das Plus <strong>von</strong> rund 42 % gegenüber<br />

dem Vorjahreszeitraum 2012 fällt bemerkenswert<br />

hoch aus und übertrifft auch den bisherigen<br />

Spitzenwert aus dem Jahr 2011 <strong>von</strong> 14,5 Mrd. EUR. Die<br />

Nachfrage aus dem Inland umfasst dabei 7,3 Mrd. EUR<br />

und liegt damit leicht unter der Nachfrage aus dem<br />

Ausland. Beide Geschäftsfelder stiegen kräftig: <strong>die</strong> Bestellungen<br />

auf dem heimischen Markt um rund 33 %,<br />

<strong>die</strong> des Auslands sogar um stolze 52 %. Dieser beachtliche<br />

Exportanteil unterstreicht <strong>die</strong> internationale<br />

Ausrichtung der Bahnindustrie in Deutschland. Da<strong>für</strong><br />

stehen nicht nur <strong>die</strong> weltweit tätigen Systemhäuser,<br />

sondern auch <strong>die</strong> Unternehmen der innovativen mittelständischen<br />

Zulieferindustrie. Für <strong>die</strong>se kleinen und<br />

mittleren Unternehmen, <strong>die</strong> das Rückgrat der Bahnindustrie<br />

in Deutschland bilden, engagiert sich der VDB<br />

<strong>eb</strong>enfalls sehr stark.<br />

So positiv das hohe Bestellvolumen auch ist – es steht<br />

in deutlichem Kontrast zu den rückläufigen Umsätzen<br />

der Branche im vergangenen Jahr. Insbesondere ein erh<strong>eb</strong>licher<br />

Stau bei der Zulassung und Inbetri<strong>eb</strong>setzung<br />

<strong>von</strong> Schienenfahrzeugen hat zu <strong>die</strong>ser wenig erfreulichen<br />

Geschäftsentwicklung beigetragen. Durch <strong>die</strong><br />

Ende Juni 2013 in Kraft getretene Übergangsregelung<br />

<strong>für</strong> <strong>die</strong> Zulassung <strong>von</strong> Bahntechnik können Unternehmen<br />

nun erleichterte Verfahren in Anspruch nehmen.<br />

Erste Erfahrungen mit dem neuen Zulassungsregime<br />

verliefen erfolgreich und ermöglichten ein deutlich<br />

schnelleres Vorgehen als bisher. Umso wichtiger ist es<br />

nun, dass <strong>die</strong> angestoßene Zulassungsreform, insbesondere<br />

<strong>von</strong> Schienenfahrzeugen, nun auch zügig in<br />

der Gesetzg<strong>eb</strong>ung verankert wird.<br />

Ebenso wichtig wie <strong>die</strong> erfolgreiche Umsetzung der<br />

Zulassungsreform ist eine angemessene Finanzierung<br />

des Schienenpersonennahverkehrs (SPNV) in Deutschland.<br />

Die finanzielle<br />

Basis da<strong>für</strong> sind <strong>die</strong> Regionalisierungsmittel,<br />

<strong>die</strong> der Gesetzg<strong>eb</strong>er in<br />

<strong>die</strong>sem Jahr einer Revision<br />

unterzieht. Alle Experten<br />

des Eisenbahnsektors,<br />

einschließlich<br />

der Länderverkehrsminister,<br />

sind sich einig,<br />

dass das hier<strong>für</strong> zur<br />

Verfügung stehende<br />

Budget ab dem<br />

kommenden Jahr auf<br />

8,5 Mrd. EUR erhöht<br />

werden muss. Darüber<br />

hinaus ist eine jährliche<br />

Dynamisierung<br />

der Finanzmittel <strong>von</strong><br />

deutlich über 1,5 %<br />

notwendig. Denn nur<br />

durch eine angemessene<br />

Finanzierung kann<br />

das Ang<strong>eb</strong>ot im SPNV<br />

auch in Zukunft attraktiv gestaltet und so <strong>die</strong> Erfolgsgeschichte<br />

des SPNV fortgesetzt werden.<br />

Mit ihren innovativen Entwicklungen trägt <strong>die</strong><br />

Bahnindustrie dem Anspruch moderner Gesellschaften<br />

nach <strong>Mobilität</strong>, L<strong>eb</strong>ensqualität und Wohlstand<br />

Rechnung. Der weltweit zunehmende Schienengüterverkehr<br />

bildet <strong>die</strong> Grundlage <strong>für</strong> das Wachstum vieler<br />

Wirtschaftsräume. Aber auch beim Nahverkehr steigt<br />

der Bedarf an leistungsfähigen Verkehrssystemen wie<br />

Regional-, Stadt- und Straßenbahnen. Durch den<br />

Ausbau und <strong>die</strong> Optimierung <strong>die</strong>ser Systeme können<br />

in Städten und Regionen <strong>für</strong> Millionen Menschen Reisezeiten<br />

verkürzt und der Fahrkomfort erhöht werden.<br />

Zusätzlich wird damit ein wesentlicher Beitrag<br />

<strong>für</strong> eine anhaltende CO 2 -Reduzierung geleistet. Für<br />

all <strong>die</strong>se Anforderungen bietet <strong>die</strong> Bahnindustrie intelligente<br />

<strong>Lösungen</strong> <strong>für</strong> <strong>die</strong> nachhaltige <strong>Mobilität</strong> <strong>von</strong><br />

heute und <strong>morgen</strong>. Überzeugen Sie sich selbst da<strong>von</strong><br />

auf den Messeständen unserer Unternehmen auf der<br />

InnoTrans 2014.<br />

Prof. Dr. Ronald Pörner, Hauptgeschäftsführer<br />

Verband der Bahnindustrie in Deutschland (VDB) e.V.<br />

112 (2014) Heft 7<br />

445


Inhalt<br />

8-9 / 2014<br />

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

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

Elektrotechnik<br />

im Verkehrswesen<br />

Standpunkt<br />

445 R. Pörner<br />

Mit innovativer Bahntechnik<br />

<strong>die</strong> Herausforderungen der Zukunft<br />

meistern<br />

Fokus<br />

Praxis<br />

448 M. Schmalz<br />

Erste Schaltanlage TracFeed ® TAC <strong>für</strong><br />

25 kV in Großbritannien<br />

450 Doppelstocktri<strong>eb</strong>züge KISS und MUTZ<br />

453 Stadtbahnfahrzeuge FLEXITY Swift <strong>für</strong><br />

Karlsruhe<br />

455 Direktvergabe der Verkehrsleistungen<br />

auf dem Teilnetz Ring der S-Bahn Berlin<br />

456 M. Schuler<br />

Oberleitungserneuerungen in der<br />

Schweiz<br />

459 G. Ehringer<br />

Powerlines Group verstärkt Beratung und<br />

Produktbereich <strong>für</strong> Bahnelektrifizierungen<br />

Hauptbeiträge<br />

Grundlagen<br />

462 S. Nydegger<br />

Untersuchung <strong>von</strong> Maßnahmen zur<br />

Energieersparnis bei DC-<strong>Bahnen</strong> mittels<br />

Netzsimulation<br />

Analysis of energy-saving measures on<br />

DC railways through railway systems<br />

simulations<br />

Analyse des actions pour économiser de<br />

l’énergie dans des DC-réseaux ferroviaires<br />

à l’aide de simulations


Inhalt<br />

468 S. Hardel, S. Körner, A. Stephan<br />

Leistung oder Spannung? – Korrekte elektrische<br />

Netzberechnung <strong>für</strong> <strong>Bahnen</strong><br />

Power or Voltage? – Proper power supply calculations<br />

for railways<br />

Puissance ou tension? – Calculer correctement le réseau<br />

électrique pour les lignes de chemin de fer<br />

476 U. Behmann, T. Schütte<br />

Niederfrequenz – nicht nur <strong>für</strong> <strong>Bahnen</strong><br />

Low frequency – not only for railways<br />

Fréquence basse – pas seulement pour les chemins de fer<br />

Operation<br />

486 C. Götz, D. Morton<br />

An integrated solution for London’s rail development<br />

Integrierte Lösung <strong>für</strong> Londons Bahnverkehr<br />

Solution intégrée pour le trafic ferroviaire de Londres<br />

Erdung und Rückleitung<br />

530 I. Zielinski, M. Schweller<br />

Automatische Erdungseinrichtung mit<br />

Typenzulassung in der Schweiz<br />

Automatic earthing device with type approval in<br />

Switzerland<br />

Dispositif de mise à la terre automatique avec<br />

homologation en Suisse<br />

538 P. Höfig, S. Körner, A. Stepahn, B. Richter,<br />

B. Doser<br />

Beanspruchungsermittlung <strong>von</strong><br />

Niederspannungsbegrenzern bei<br />

Gleichstrombahnen durch Simulation<br />

Investigation of the load of voltage limiting devices<br />

in DC railways using simulation<br />

Calcul des contraintes de limiteurs de basses<br />

tensions sur les lignes à courant continu par<br />

simulation<br />

Contact Line Systems / Fahrleitungsanlagen<br />

494 G. v. Kalsbeek, S. Avronsart, Y. Yamashita<br />

Dynamic simulation of contact line/pantograph<br />

interaction by OSCAR © – Optimisation of components<br />

and approval of rolling stock<br />

Simulation des Zusammenwirkens Oberleitung/<br />

Stromabnehmer mit OSCAR ® – Optimierung <strong>von</strong><br />

Komponenten und Zertifizierung <strong>von</strong> Fahrzeugen<br />

Simulation dynamique de l’interaction pantographe/<br />

caténaire avec OSCAR © – optimisation des composants et<br />

homologation de matériel roulant<br />

506 A. Dölling<br />

Nachspanneinrichtungen mit Radspannern <strong>für</strong><br />

Oberleitungen<br />

Tensioning devices based on tensioning wheels for overhead<br />

contact lines<br />

Appareils tendeurs avec tendeurs à poulie pour caténaires<br />

514 U. Wili<br />

Oberleitungsbauart FL200/260 <strong>für</strong> internationale<br />

Anwendungen<br />

Overhead contact line system FL200/260 for international<br />

applications<br />

Système caténaire FL200/260 pour applications<br />

internationales<br />

522 A. Machet, J.-P. Mentel, S. Boulet d’Auria<br />

Reinforcement of corroded overhead contact line masts<br />

Sanierung korro<strong>die</strong>rter Fahrleitungsmasten<br />

Renforcement de supports caténaire corrodés<br />

Historie<br />

546 Beginn des elektrischen Zugbetri<strong>eb</strong>s in <strong>die</strong><br />

schlesischen Berge vor 100 Jahren<br />

Nachrichten<br />

550 <strong>Bahnen</strong><br />

551 Elektromobilität<br />

552 Energie und Umwelt<br />

552 Produkte und <strong>Lösungen</strong><br />

554 Unternehmen<br />

554 Personen<br />

555 Me<strong>die</strong>n<br />

558 Berichtigungen<br />

563 Termine<br />

564 Impressum


Fokus Praxis<br />

Erste Schaltanlage TracFeed® TAC <strong>für</strong><br />

25 kV in Großbritannien<br />

Die erste luftisolierte und metallgeschotte Schaltanlage wurde installiert, erfolgreich erprobt und <strong>für</strong><br />

den allgemeinen Einsatz durch Network Rail zugelassen.<br />

Am 22. Oktober 2011 wurde bei Glasgow (Schottland)<br />

<strong>die</strong> erste luftisolierte und metallgeschottete Schaltanlage<br />

(AIS) vom Typ TracFeed ® TAC installiert. Als Bestandteil<br />

des Projekts Paisley Corridor, in dem Balfour Beatty Rail<br />

UK als Generalunternehmer auftrat, soll <strong>die</strong> Schaltanlage<br />

auch dazu <strong>die</strong>nen, <strong>die</strong> Elektrifizierung Schottlands<br />

voranzutreiben. Die Anlage wurde in einem Container<br />

vorinstalliert und an der Strecke aufgestellt (Bild 1).<br />

Als am 16. F<strong>eb</strong>ruar 2005 das Kyoto-Protokoll verabschiedet<br />

wurde, haben viele Firmen und Bahnbetreiber<br />

beschlossen, den Ausstoß <strong>von</strong> Treibhausgasen<br />

zu reduzieren. Speziell Schwefelhexafluorid (SF 6 )<br />

ist eines der stärksten Treibhausgase. Auf einen Zeitraum<br />

<strong>von</strong> 100 Jahren betrachtet ist 1 kg <strong>die</strong>ses Gases<br />

genauso klimaschädlich wie rund 22 000 kg Kohlendioxid<br />

(CO 2 ). SF 6 wird unter anderem als Isolationsgas<br />

in Schaltanlagen verwendet.<br />

In SF 6 -Schaltanlagen muss der Gasdruck kontinuierlich<br />

überwacht werden. Speziell in Winter monaten<br />

kann durch <strong>die</strong> tiefen Temperaturen der Gasdruck in<br />

SF 6 -Anlagen abnehmen und zu Auslösung <strong>von</strong> Leistungsschaltern<br />

führen. Ferner kann durch Undichtigkeiten<br />

im verschweißten SF 6 -Behälter das Isolationsvermögen<br />

der Schaltanlagen abnehmen.<br />

Bei luftisolierten Schaltanlagen können solche Probleme<br />

nicht auftreten. Die hier beschri<strong>eb</strong>ene Anlage<br />

wurde speziell entwickelt, um <strong>die</strong> Anforderungen<br />

<strong>von</strong> 25-kV-Bahnanwendungen zu erfüllen. Sie kann<br />

Nennströme bis 2,5 kA und Kurzschlussströme bis<br />

80 kA führen. Sie ist eine typgeprüfte, luftisolierte<br />

und metallgekapselte Innenraumschaltanlage und<br />

bestimmt <strong>für</strong> den Einsatz in geschlossenen elektrotechnischen<br />

Betri<strong>eb</strong>sräumen (Bild 2). Leistungsschalter<br />

und Fahrwagen können nur bei geschlossener<br />

Tür zum Hochspannungsraum in Betri<strong>eb</strong>sstellung<br />

g<strong>eb</strong>racht werden. Ein Kontakt mit unter Hochspannung<br />

stehenden Teilen ist somit nicht möglich. Über<br />

im Feld verbaute Erdungsschalter können Kabel zur<br />

Speisung eines Streckenabschnitts direkt und kurzschlussfest<br />

geerdet werden. Entsprechend der Norm<br />

EN 62271-200 [1] sind zum Schutz vor Schaltfehlern<br />

und deren Auswirkungen grundsätzliche Verriegelungen<br />

vorgesehen. Sie zwingen zur Einhaltung<br />

bestimmter Schaltreihenfolgen und können so Personenschäden<br />

und Anlagenzerstörungen verhindern.<br />

Bild 1:<br />

Aufstellung des ausg<strong>eb</strong>auten Containers mit der Schaltanlage TracFeed ® TAC<br />

(Fotos: Balfour Beatty Rail).<br />

Bild 2:<br />

Ansicht des Schaltanlage TracFeed ® TAC.<br />

448 112 (2014) Heft 8-9


Praxis Fokus<br />

Innere Fehler mit Störlichtbogen führen zu einem<br />

Druckanstieg im betroffenen Schaltfeld. Zum Schutz<br />

vor den mechanischen Auswirkungen ist oberhalb<br />

der Kabelanschlussräume, Sammelschienenräume<br />

und Leistungsräume ein durchgehender Druckentlastungskanal<br />

vorhanden, der den Druck aus dem Unterwerksg<strong>eb</strong>äude<br />

führt und dadurch einen Druckanstieg<br />

im Unterwerk verhindert. Die Personensicherheit im<br />

Unterwerk wird somit auch im Fehlerfall gewährleistet.<br />

Da sich Network Rail dem Credo Nachhaltigkeit verschri<strong>eb</strong>en<br />

hat, soll zukünftig der Einsatz <strong>von</strong> SF 6 -Schaltanlagen<br />

reduziert werden. Die auf SF 6 -Schaltanlagen<br />

ausgelegten Spezifikationen wurden <strong>für</strong> den Einsatz<br />

<strong>von</strong> luftisolierten Schaltanlagen angepasst. Die Balfour<br />

Beatty Rail GmbH hat dazu Network Rail in mehreren<br />

Klärungsgesprächen technischen Support geliefert.<br />

Um Schaltanlagen bei Network Rail anbieten und<br />

in Projekte einsetzen zu können, wart eine Betri<strong>eb</strong>serprobung<br />

erforderlich. Diese fand im Pilotprojekt<br />

Paisley Corridor statt. Für <strong>die</strong> Dauer der Betri<strong>eb</strong>serprobung,<br />

welche am 12. November 2011 begann,<br />

stellte Network Rail ein so genanntes Certificate of<br />

Authority for Product Trail aus. Am 11. November<br />

2013 wurde <strong>die</strong> Betri<strong>eb</strong>serprobung offiziell und<br />

erfolgreich beendet und am 28. Januar 2014 <strong>die</strong> Zulassung<br />

Certificate of Acceptance erteilt (Bild 3).<br />

Bild 3:<br />

Zulassungsbescheinigung <strong>von</strong> Network Rail.<br />

Damit kann <strong>die</strong> TracFeed ® TAC in zukünftigen<br />

Elektrifizierungsprojekten in Großbritannien eingesetzt<br />

werden.<br />

Matthias Schmalz,<br />

Innovations- und Produktmanager AC<br />

[1] EN 62271-200: 2012: Hochspannungs-Schaltgeräte<br />

und –Schaltanlagen – Teil 200: Metallgekapselte<br />

Wechselstrom-Schaltanlagen <strong>für</strong> Bemessungsspannungen<br />

über 1 kV bis einschließlich 52 kV (IEC 62271-<br />

200:2011).<br />

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112 (2014) Heft 8-9<br />

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Fokus Praxis<br />

Doppelstocktri<strong>eb</strong>züge KISS und MUTZ<br />

Aufbauend auf den Konstruktionsgrundsätzen der Gelenktri<strong>eb</strong>wagen GTW und der Niederflurtri<strong>eb</strong>züge<br />

FLIRT wurden Doppelstocktri<strong>eb</strong>züge entwickelt und erfolgreich vermarktet.<br />

TABELLE 1<br />

Hauptdaten Doppelstocktri<strong>eb</strong>züge KISS und MUTZ.<br />

Wagenzahl<br />

Endtri<strong>eb</strong>wagen Bo’Bo‘<br />

Mittelwagen 2‘2‘<br />

Zuglänge über Kupplung<br />

Sitzplätze<br />

1. Klasse<br />

2. Klasse<br />

Stehplätze<br />

Dienstmasse<br />

größte Radsatzlast<br />

Anfahrzugkraft 2<br />

Anfahrbeschleunigung 3<br />

Kraftschlussausnutzung 3<br />

Leistung am Rad<br />

kurzzeitig<br />

dauernd<br />

Höchstgeschwindigkeit<br />

m<br />

t<br />

t<br />

kN<br />

m/s 2<br />

kW<br />

kW<br />

km/h<br />

SBB<br />

RABe 511<br />

2<br />

4<br />

150,0<br />

120<br />

425<br />

1 148<br />

294<br />

19,9<br />

400<br />

1,1<br />

0,25<br />

6 000<br />

4 000<br />

160<br />

WESTbahn<br />

1<br />

2<br />

4<br />

150,0<br />

0<br />

501<br />

1 194<br />

296<br />

19,9<br />

320<br />

0,85<br />

0,20<br />

6 000<br />

4 000<br />

200<br />

BLS<br />

RABe 515<br />

1<br />

privates Eisenbahnverkehrsunternehmen Strecke Wien – Salzburg<br />

2<br />

bis 50 ... 55 km/h<br />

3<br />

Sitzplätze besetzt<br />

2<br />

2<br />

102,6<br />

61<br />

274<br />

566<br />

216<br />

19,9<br />

400<br />

1,3<br />

0,25<br />

6 000<br />

4 000<br />

160<br />

Der ursprünglich als Doppelstockzug (DOSTO)<br />

und später als Komfortabler Innovativer Spurtstarker<br />

S-Bahnzug (KISS) bezeichnete Entwurf <strong>von</strong> Stadler<br />

Rail ist <strong>die</strong> konsequente Weiterentwicklung des Niederflur-Vorläufers<br />

FLIRT [1]. Dessen Grundkonzept<br />

mit kompaktem Geräteraum über dem Tri<strong>eb</strong>drehgestell<br />

wurde fortgeführt, jedoch jetzt mit zwei Ausrüstungen<br />

je Bo’Bo‘-Endwagen (Bilder 1 und 2). Damit<br />

ließ sich <strong>die</strong> Traktionsleistung der Züge auf 6 MW<br />

kurzzeitig und 4 MW dauernd steigern, was je nach<br />

Getri<strong>eb</strong>eübersetzung und Zahl der 2‘2‘-Mittelwagen<br />

bis 1,3 m/s 2 Anfahrbeschleunigung ergibt (Tabelle 1).<br />

Doppelstocktri<strong>eb</strong>züge KISS wurden erstmals 2010<br />

als RABe 511 an <strong>die</strong> SBB geliefert (Bild 3) und dann<br />

in kurzer Folge an <strong>die</strong> österreichische WESTbahn sowie<br />

andere <strong>Bahnen</strong> wie CFL, Ostdeutsche Eisenbahn<br />

(ODEG) und Westfalenbahn (WFB). Ab Mitte 2014<br />

wurden 28 Züge <strong>für</strong> <strong>die</strong> BLS abgeliefert, <strong>die</strong> <strong>die</strong>se als<br />

RABe 515 genummert hat und ihnen den eigenen<br />

Markennamen Moderner Universeller Tri<strong>eb</strong>zug (MUTZ)<br />

geg<strong>eb</strong>en hat. Jeder Zug besteht aus zwei Endtri<strong>eb</strong>wagen<br />

RBe 4/4 und je einem Zwischenwagen B und AB<br />

(Bild 4, Tabelle 1). In der Fertigung sind 16 vierteilige<br />

und 9 sechsteilige Breitspurzüge <strong>für</strong> Aeroexpress, den<br />

Betreiber der Moskauer Flughafenbahn.<br />

Stromabnehmer<br />

Stromwandler<br />

1AC<br />

15kV 16,7Hz<br />

Hauptschalter<br />

Stromwandler<br />

Hauptschalter<br />

Überspannungsableiter<br />

Spannungswandler<br />

Überspannungsableiter<br />

Transformator<br />

Hilfsbetri<strong>eb</strong>eumrichter<br />

Traktionsumrichter<br />

BORDLINE<br />

CC1500<br />

Traktionsumrichter<br />

BORDLINE<br />

CC1500<br />

Hilfsbetri<strong>eb</strong>eumrichter<br />

Überspannungsableiter<br />

A<br />

A<br />

2AC<br />

400V 16,7Hz<br />

Heizung<br />

Bild 1:<br />

Schema Traktion <strong>für</strong> Tri<strong>eb</strong>züge KISS und MUTZ (Originalgrafiken und Fotos: Stadler Rail).<br />

450 112 (2014) Heft 8-9


Praxis Fokus<br />

Hilfsbetri<strong>eb</strong>eumrichter<br />

variabel fix<br />

Klimagerät Steckdosen<br />

Klimagerät<br />

230V 50Hz Depotspeisung<br />

Batterieladegeräheizung<br />

400V 50Hz<br />

Scheiben-<br />

63A<br />

Hilfsbetri<strong>eb</strong>etransformator<br />

Hilfsbetri<strong>eb</strong>eumrichter<br />

fix variabel<br />

M<br />

Ventilation Transformator und Stromrichter<br />

Ventilation Transformator und Stromrichter<br />

M<br />

M<br />

Ventilation Fahrmotor<br />

4<br />

Ventilation Fahrmotor<br />

M<br />

400V 50Hz<br />

M<br />

Ölpumpe Transformator<br />

M<br />

M<br />

Wasserpumpe Stromrichter<br />

M<br />

Bild 2:<br />

Schema Hilfsbetri<strong>eb</strong>e <strong>für</strong> Ti<strong>eb</strong>züge KISS und MUTZ.<br />

Bild 3:<br />

SBB-Tri<strong>eb</strong>zug RABe 511 KISS.<br />

Bei der Entwicklung der Systemkomponenten<br />

wurden neue Wege beschritten (Bilder 5 bis 7, Tabelle<br />

2). Der wassergekühlte Stromrichter ist <strong>für</strong><br />

AC-Eingangsfrequenzen <strong>von</strong> 12 bis 60 Hz ausgelegt.<br />

Seine relativ niedrige Zwischenkreisspannung 750 V<br />

erlaubt <strong>die</strong> Verwendung <strong>von</strong> Elektrolytkondensatoren.<br />

Dadurch entsteht eine so große Zwischenkreiskapazität,<br />

dass trotz der weiten Netzfrequenzspanne<br />

kein besonderer Saugkreis mehr benötigt wird, was<br />

wiederum <strong>die</strong> Masse der Drosselspule und deren<br />

Verluste erspart. Es können 1,7-kV-IGBT eingesetzt<br />

werden, was 2 kHz Taktfrequenz sowohl im Netzstromrichter<br />

als auch im Motorstromrichter ermöglicht.<br />

Dadurch reduzieren sich <strong>die</strong> Zusatzverluste im<br />

Transformator und im Fahrmotor stark. Im Stromrichtergehäuse<br />

sind auch <strong>die</strong> am Zwischenkreis<br />

angeschlossenen Hilfsbetri<strong>eb</strong>eumrichter und das<br />

Batterieladegerät eing<strong>eb</strong>aut. Jeder der ölgekühlten<br />

Haupttransformatoren hat zwei Stromrichter-Sekundärwicklungen<br />

und eine Heizwicklung. Der Trans-<br />

Bild 4:<br />

BLS-Tri<strong>eb</strong>zug RABe 515 MUTZ.<br />

spannungs<br />

wandler<br />

frequenz<br />

umrichter<br />

strom<br />

versorgungen<br />

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112 (2014) Heft 8-9<br />

451<br />

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Fokus Praxis<br />

formator ist sehr kompakt g<strong>eb</strong>aut, weil sein Kessel<br />

keine Saugkreisdrosselspule mit aufnehmen muss.<br />

Die fremdgekühlten Asynchronfahrmotoren können<br />

dank der Einzelsteuerung <strong>für</strong> einen guten Wirkungsgrad<br />

ausgelegt werden; <strong>für</strong> den Nennpunkt werden<br />

95,9 % genannt.<br />

Anmerkung: Basis ist eine Präsentation <strong>von</strong> Stadler Rail<br />

auf der ETG-Fachtagung 100 Jahre Hochleistungstraktion<br />

– 100 Jahre Lötschbergbahn in Spiez im Juni 2013.<br />

Be<br />

[1] Klein, S.: Flinker, leichter, innovativer Regional-Tri<strong>eb</strong>zug<br />

FLIRT. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 103 (2005), H. 3, S. 116–126.<br />

Bild 5:<br />

Hauptumspanner.<br />

Bild 6:<br />

Stromrichterschrank.<br />

TABELLE 2<br />

Kenndaten Hauptkomponenten <strong>für</strong> Doppelstocktri<strong>eb</strong>züge<br />

KISS und MUTZ (Bilder 5 bis 7).<br />

Leistung<br />

kVA; kW<br />

Masse<br />

t<br />

Hauptumspanner 1 1 100 3,0<br />

Umrichter<br />

Traktion<br />

2 x 950<br />

Bordnetz<br />

1 x 100<br />

Ventilatoren 2 1 x 25<br />

1,5<br />

Fahrmotor<br />

dauernd<br />

maximal<br />

500<br />

750<br />

≈1,0<br />

1<br />

Primärspannung 15 kV 16,7 Hz<br />

2<br />

<strong>für</strong> Kühlmittel Transformator, Stromrichter<br />

und Fahrmotoren<br />

Bild 7:<br />

Fahrmotor.<br />

452 112 (2014) Heft 8-9


Praxis Fokus<br />

Stadtbahnfahrzeuge FLEXITY Swift <strong>für</strong><br />

Karlsruhe<br />

Für den Einsatz im Großraum Karlsruhe bekommen <strong>die</strong> beiden dortigen Verkehrsbetri<strong>eb</strong>e 30 neue<br />

Stadtbahnfahrzeuge aus der FLEXITY-Familie des Herstellers. Nach Verzögerungen wird <strong>die</strong> endgültige<br />

Zulassung auch auf DB-Strecken <strong>für</strong> Dezember 2014 angestr<strong>eb</strong>t.<br />

Im September 2009 hatten <strong>die</strong> Albtal-Verkehrs-Gesellschaft<br />

(AVG) und <strong>die</strong> Verkehrsbetri<strong>eb</strong>e Karlsruhe (VBK)<br />

nach europaweiter Ausschreibung mit vorherigem<br />

Teilnahmewettbewerb bei Bombar<strong>die</strong>r Transportation<br />

(BT) 30 Zweistromfahrzeuge bestellt mit einer Option<br />

<strong>für</strong> maximal 45 weitere. Tabelle 1 zeigt, wie sich<br />

TABELLE 1<br />

Finanzierung Stadtbahnzüge ET 2010 FLEXITY Swift<br />

<strong>für</strong> Karlsruhe.<br />

Verkehrsbetri<strong>eb</strong>e Karlsruhe<br />

Landkreis Karlsruhe<br />

Landkreis Germersheim 1<br />

Albtal-Verkehrs-Gesellschaft<br />

Fahrzeugzahl<br />

8<br />

16<br />

3,3<br />

2,7<br />

10 6 EUR<br />

34,4<br />

68,7<br />

14,2<br />

11,6<br />

Summe 30 128,9<br />

1<br />

und Kommunen entlang Streckenabschnitt Germersheim<br />

– Wörth: drei Fahrzeuge plus anteilige Reserve<br />

<strong>die</strong> Finanzierung aufteilen sollte. Grund hier<strong>für</strong> war,<br />

dass das Land Baden-Württemberg seine Fördermittel<br />

zur Verbesserung der Verkehrsverhältnisse in den<br />

Gemeinden ausgesetzt hatte.<br />

Gefertigt werden <strong>die</strong> Fahrzeuge im BT-Werksverbund<br />

Bautzen und Wien. Die Elektrik einschließlich<br />

Antri<strong>eb</strong>s- und Steuerungstechnik MITRAC kommt<br />

aus Mannheim und <strong>die</strong> Drehgestelle FLEXX Urban<br />

2500 liefert der BT-Standort Siegen. Der Inlandsanteil<br />

der Wertschöpfung beträgt 80 %.<br />

Die Fahrzeuge haben bei den Haltern <strong>die</strong> Typbezeichnung<br />

ET 2010 und <strong>die</strong> Betri<strong>eb</strong>snummern 923<br />

bis 952 (Bild 1). Sie bestehen wie <strong>die</strong> bisherigen<br />

[1] aus drei gelenkig und durchgängig verbundenen<br />

Modulen (Bild 2) und sind auf <strong>die</strong> besonderen<br />

Anforderungen der Stadt und der Region Karlsruhe<br />

zugeschnitten, das heißt in erster Linie sind sie Zweistromfahrzeuge<br />

<strong>für</strong> <strong>die</strong> Fahrleitungsspannungen DC<br />

750 V und 1 AC 15 kV 16,7 Hz auf mitbefahrenen<br />

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453


Fokus Praxis<br />

Bild 1:<br />

Stadtbahnzug ET 2010 FLEXITY Swift <strong>für</strong> Karsruhe (Foto: Bombar<strong>die</strong>r Transportation).<br />

Bild 2:<br />

Stadtbahnzug ET 2010 FLEXITY Swift <strong>für</strong> Karsruhe (Grafik: Bombar<strong>die</strong>r Transportation).<br />

TABELLE 2<br />

Hauptdaten Stadtbahnzüge ET 2010 FLEXITY Swift<br />

<strong>für</strong> Karlsruhe.<br />

Fahrleitungsspannungen DC 750 V und 1 AC 15 kV 16,7 Hz<br />

Spurweite<br />

Radsatzfolge<br />

Länge über Kupplungen<br />

größte Breite<br />

Fußbodenhöhe über SO 1<br />

Einstiegbereich<br />

Mittelflurbereich<br />

Hochflurbereich<br />

mm<br />

mm<br />

mm<br />

mm<br />

mm<br />

mm<br />

1 435<br />

Bo‘+2‘2‘+Bo‘<br />

37 032<br />

2 650<br />

580<br />

645<br />

889<br />

Eigenmasse<br />

t 62,5<br />

Zahl Stehplätze 2, 3 151<br />

Zahl Sitzplätze 2<br />

84<br />

Motorleistung<br />

mittlere Beschleunigung 4<br />

Höchstgeschwindigkeit<br />

größte befahrbare Steigung<br />

1<br />

Schienenoberkante<br />

2<br />

neun Klappsitze unbenutzt<br />

3<br />

bei 4 m –2<br />

4<br />

bei 2 / 3 Besetzung<br />

kW<br />

m/s 2<br />

km/h<br />

‰<br />

4 x 150<br />

0,6<br />

100<br />

60<br />

DB-Strecken. Als Kompromiss mit der vorhandenen<br />

Infrastruktur ist der Fußboden der Einstiegsbereiche<br />

nicht niedrig, sondern mittelhoch (Tabelle 2). Die<br />

Drehgestelle sind primär mit Gummi-Metall-Elementen<br />

gefedert und haben sekundär Luftfedern. Die Innenräume<br />

sind klimatisiert und es gibt eine Toilette.<br />

Ursprünglich war <strong>die</strong> Lieferung des ersten Fahrzeugs<br />

<strong>für</strong> August 2011 geplant. Weil aber das Hochwasser<br />

in Ostsachsen Anfang August 2010 das Werk<br />

Bautzen überflutete, musste der Lieferplan angepasst<br />

werden. So konnten erst ab Juli 2013 <strong>die</strong> ersten der<br />

neuen Fahrzeuge im Raum Karlsruhe eingesetzt werden,<br />

jedoch nur auf Stadtbahnstrecken <strong>von</strong> VBK und<br />

AVG. Nachdem der Hersteller im Frühjahr 2014 dem<br />

Eisenbahn-Bundesamt (EBA) <strong>die</strong> nötigen Bescheinigungen<br />

vorgelegt hatte, hat <strong>die</strong> Behörde Ende Juni<br />

den ersten si<strong>eb</strong>en Fahrzeugen eine vorläufige Zulassung<br />

nach der Eisenbahn-Bau- und Betri<strong>eb</strong>sordnung<br />

(EBO) erteilt. Die nach und nach folgenden Fahrzeuge<br />

werden per Konformitätserklärung auf DB-Strecken<br />

fahren dürfen, auch in Mehrfachtraktion. Vor endgültiger<br />

Zulassung verlangt jedoch das EBA bis Ende<br />

2014 noch <strong>die</strong> Vorlage zusätzlicher Prüfungserg<strong>eb</strong>nisse<br />

und <strong>von</strong> Langzeittests im Fahrbetri<strong>eb</strong>. Aus<br />

Betreibersicht müssen <strong>die</strong> Fahrzeuge zum Fahrplanwechsel<br />

Anfang Dezember dauerhaft einsetzbar sein,<br />

um <strong>die</strong> Karlsruher Linie S 42 auf der DB-Strecke <strong>von</strong><br />

Heilbronn nach Norden Richtung Neckarsulm stabil<br />

be<strong>die</strong>nen zu können.<br />

Be<br />

[1] Ludwig, D.; Forcher, P.; Schlitter, K.; Himme, Cl.: Niederflur-<br />

und Zweisystem-Mittelflurfahrzeuge <strong>für</strong> S-Bahnnetz<br />

Karlsruhe. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 98 (2000), H. 4,<br />

S. 142–151.<br />

454 112 (2014) Heft 8-9


Praxis Fokus<br />

Direktvergabe der Verkehrsleistungen<br />

auf dem Teilnetz Ring der S-Bahn Berlin<br />

Die Behörden der Länder Berlin und Brandenburg veröffentlichen zum Amtsblatt der EU, dass sie in<br />

etwa einem Jahr <strong>die</strong> Verkehrsleistungen auf dem Teilnetz Ring der S-Bahn Berlin über 2017 hinaus <strong>für</strong><br />

drei bis sechs Jahre direkt verg<strong>eb</strong>en wollen.<br />

Die Senatsverwaltung <strong>für</strong> Stadtentwicklung und Umwelt<br />

des Landes Berlin und das Ministerium <strong>für</strong> Infrastruktur<br />

und Landwirtschaft des Landes Brandenburg haben<br />

am 24. Juli 2014 eine Vorveröffentlichung gemäß Artikel<br />

7 Absatz 2 der Verordnung (EG) Nr. 1370/2007<br />

über öffentliche Personenverkehrs<strong>die</strong>nste abgeschickt.<br />

Hiernach sind in dem genannten Verkehrssektor <strong>die</strong><br />

Einleitung eines wettbewerblichen Vergabeverfahrens<br />

oder eine Direktvergabe spätestens ein Jahr vorher im<br />

Amtsblatt der Europäischen Union zu veröffentlichen.<br />

Angekündigt wird <strong>die</strong> Direktvergabe eines Auftrags<br />

<strong>für</strong> <strong>die</strong> Verkehrsleistungen im SPNV auf dem Teilnetz<br />

Ring der S-Bahn Berlin, zu dem <strong>die</strong> Linien S41, S42,<br />

S46, S47 und S8 gehören (Tabelle), und damit zusammenhängende<br />

Dienstleistungen. Vorsorglich wird angezeigt,<br />

dass <strong>die</strong> abzuschließende Vereinbarung eine<br />

Verlängerungsoption enthalten soll <strong>für</strong> den Fall, dass<br />

sich <strong>die</strong> Betri<strong>eb</strong>saufnahme durch den „im wettbewerblichen<br />

Vergabeverfahren gefundenen Betreiber“ über<br />

<strong>die</strong> in der Tabelle genannten Termine hinaus verzögert.<br />

Die Vergabeart gründet sich auf <strong>die</strong> Bestimmungen in<br />

Artikel 5 Absatz 6 der Verordnung, der <strong>für</strong> Eisenbahnverkehr<br />

– ausgenommen andere schienengestützte Verkehrsträger<br />

wie Untergrund- oder Straßenbahnen – gilt.<br />

Die Direktvergabe wird wegen der Vorlauffrist nicht<br />

vor dem 6. August 2015 erfolgen. Der Auftrag soll am<br />

17. Dezember 2017 beginnen, dem Ablauf des jetzigen<br />

Verkehrsvertrages mit der S-Bahn Berlin, und über 69<br />

Monate ab Vergabe laufen, also bis zum letzten der Termine<br />

in der Tabelle. Die jährliche Leistung soll anfänglich<br />

9,4 Mio. Zugkilometer unabhängig <strong>von</strong> Zuglängen<br />

umfassen und schrittweise nach den Betri<strong>eb</strong>saufnahmen<br />

durch den gefundenen künftigen Betreiber sinken.<br />

Die Vergabe <strong>von</strong> Unteraufträgen ist nicht beabsichtigt,<br />

jedoch soll <strong>die</strong>s zulässig bleiben, wenn sich<br />

in den Verhandlungen über <strong>die</strong> Direktvergabe herausstellt,<br />

dass solche verg<strong>eb</strong>en werden sollen.<br />

Am Schluss der Veröffentlichung stehen umfangreiche<br />

standardisierte Angaben zu Rechtsbehelfs- oder<br />

Nachprüfungsverfahren.<br />

Das Standardformular <strong>für</strong> <strong>die</strong> EU-weite Vorveröffentlichung<br />

sieht nicht vor, den Auftragnehmer <strong>für</strong> <strong>die</strong><br />

Direktvergabe zu nennen. Die veröffentlichenden Behörden<br />

sprechen <strong>von</strong> einem abzuschließenden „Übergangsvertrag“.<br />

Nach Lage der Dinge ist natürlich klar,<br />

dass hier<strong>für</strong> nur <strong>die</strong> DB-Tochter S-Bahn Berlin GmbH<br />

in Frage kommt. Diese wird also ihre 150 Viertelzüge<br />

der Alt-Baureihen 485 und 480 <strong>für</strong> den Weiterbetri<strong>eb</strong><br />

112 (2014) Heft 8-9<br />

über 2017 hinaus ertüchtigen und da<strong>für</strong> <strong>die</strong> Zulassung<br />

durch das Eisenbahn-Bundesamt (EBA) besorgen müssen<br />

(<strong>eb</strong> 10/2012, S. 542–543; 11/2013, S. 627–629;<br />

12/2013, S. 789–790).<br />

Grund <strong>für</strong> den Schritt ist wohl <strong>die</strong> bei Fachleuten<br />

schon längst gefestigte Erkenntnis, dass es illusorisch ist,<br />

zum Dezember 2017 würde der gefundene Betreiber<br />

genügend oder überhaupt neue dauerbetri<strong>eb</strong>staugliche<br />

S-Bahn-Tri<strong>eb</strong>züge haben können. Der einflussreiche<br />

Berliner Fahrgastverband IGEB spricht in einer Pressemitteilung<br />

vom 26. Juli 2014 <strong>von</strong> einem Offenbarungseid<br />

der Länder Berlin und Brandenburg und Versagen besonders<br />

des federführenden Senats <strong>von</strong> Berlin, <strong>von</strong> dem<br />

<strong>die</strong> Teilausschreibung „jahrelang verschleppt wurde“.<br />

Kontaktstelle <strong>für</strong> <strong>die</strong> Angelegenheit ist der VBB<br />

Verkehrsverbund Berlin-Brandenburg in Berlin, Fundstelle<br />

<strong>für</strong> den Volltext zur Bekanntmachung ist:<br />

http://www.ted.europa.eu/udl?uri=TED:NOTICE253<br />

832‐2014:TEXT:DE:HTML&src=0<br />

Be<br />

Bild:<br />

Erster reaktivierter Viertelzug Baureihe 485+885 S-Bahn Berlin im Werk<br />

Schöneweide (Foto: DB/Ralf Kranert, März 2011).<br />

TABELLE<br />

Vorgesehene Betri<strong>eb</strong>saufnahme durch den im wettbewerblichen Vergabeverfahren<br />

gefundenen Betreiber der S-Bahn Berlin Teilnetz Ring (Stand Juli 2014).<br />

S47<br />

S46<br />

S 8<br />

S41 und S42 1<br />

S41 und S42 1<br />

Spindlersfeld – Tempelhof und – Südkreuz<br />

(– Bundesplatz)<br />

6. Novemer 2020<br />

Königs Wusterhausen – Hauptbahnhof<br />

6. Mai 2022<br />

(Zeuthen –) Grünau – Hohen Neuendorf 19 August 2022<br />

Südkreuz – Südkreuz 2<br />

17. F<strong>eb</strong>ruar 2023<br />

Südkreuz – Südkreuz 3 18. August 2023<br />

1<br />

S41 im, S42 gegen Uhrzeigersinn<br />

2<br />

Stammzuggruppen<br />

3<br />

Tageszuggruppen<br />

455


Fokus Praxis<br />

Oberleitungserneuerungen in der<br />

Schweiz<br />

Die Firma Kummler+Matter, Zürich (CH), erneuerte auf Strecken in der Ostschweiz und im Bahnhof<br />

Au im Kanton Zürich Oberleitungsanlagen der SBB.<br />

Rheintal<br />

Projektbeschreibung<br />

Der Ausbau des Eisenbahnnetzes in der Ost- und<br />

Westschweiz ermöglicht den Schweizerischen Bundesbahnen<br />

SBB <strong>die</strong> Anbindung an den europäischen<br />

Hochgeschwindigkeitsverkehr (HGV). Mit den Ausbauten<br />

<strong>für</strong> <strong>die</strong> HGV-Anschlüsse wird das Schweizer<br />

Schienennetz modernisiert und optimal an das<br />

europäische Hochgeschwindigkeitsnetz ang<strong>eb</strong>unden.<br />

Damit verkürzen sich <strong>die</strong> Reisezeiten aus der<br />

Schweiz zu den Städten München, Ulm, Stuttgart,<br />

Paris und Lyon. In <strong>die</strong>sem Zusammenhang kommt<br />

es in der Ostschweiz zu einer Erneuerung mehrerer<br />

Bahntechnikanlagen <strong>von</strong> Buchs bis St. Margrethen.<br />

Dazu gehört auch der Ersatz der vor etwa 80 Jahren<br />

g<strong>eb</strong>auten Fahrleitungs-anlage der Bauart N-FL, einer<br />

halb nachgespannten Fahrleitung. Diese Oberleitung<br />

ist mit Ausnahme weniger Bahnhöfe durch <strong>die</strong><br />

Bauart R1 ersetzt worden, einer Oberleitung <strong>für</strong> Geschwindigkeiten<br />

bis 140 km/h. Als Speiseleitungen<br />

und Rückleitungen gelangten erstmalig bei der SBB<br />

Aldrey-Seile (AL3-Leiter) mit 300 mm 2 Querschnitt<br />

zur Anwendung.<br />

Um <strong>die</strong> Erneuerung mehrerer Bahntechnikanlagen<br />

im Rheintal zu realisieren, mussten an vier Wochenenden<br />

Teilabschnitte der Strecke Buchs – St. Margrethen<br />

jeweils <strong>von</strong> Freitagabend bis Montag früh total<br />

gesperrt werden. In den verlängerten Nachtsperren<br />

wurden nach dem Bau der Fundamente durch <strong>die</strong><br />

SBB-Fahrleitungs<strong>die</strong>nste <strong>die</strong> neuen Oberleitungstragwerke<br />

und Ausleger montiert. Die bestehenden<br />

Oberleitungsanlagen wurden abg<strong>eb</strong>rochen, das<br />

neue Kettenwerk aufg<strong>eb</strong>aut, ein großer Teil der Speise-<br />

und Rückleitungen gezogen und diverse Tiefbauarbeiten<br />

durchgeführt.<br />

Die Firma Kummler+Matter AG, Zürich (CH) erhielt<br />

den Auftrag der Kettenwerkserneuerung. Diese<br />

geschah in den Arbeitsschritten:<br />

• Vorkonfektionierung der Hänger<br />

• Verlegen des Fahrdrahtes und Tragseils<br />

• Einbau des Festpunktes und der Hänger<br />

• Einbau der Isolatoren und Einstellen der Gewichtssäulen<br />

Der Fahrleitungs<strong>die</strong>nst der SBB realisierte anschließend<br />

<strong>die</strong> Schlussregelage und -kontrolle.<br />

Vorkonfektionierung der Hänger<br />

Die Hängerlängen wurden aufgrund der Planunterlagen<br />

und soweit vorhanden nach Aufnahmen vor Ort<br />

berechnet, <strong>die</strong> Hänger aufgrund der erstellten Listen<br />

abgelängt und eindeutig beschriftet.<br />

Zug des Fahrdrahtes und Tragseils<br />

Bild 1:<br />

Verlegeeinheit (Fotos: Kummler+Matter).<br />

Für <strong>die</strong> Verlegung des Fahrdrahtes und des Tragseils<br />

wurde eine Verlegeeinheit (Bild 1) eingesetzt,<br />

gezogen durch ein Fahrleitungsfahrzeug (Multi<br />

Purpose Vehicle, MPV). Die Verlegeeinheit besteht<br />

aus drei 20-Fuß-Containern und ist auf einem Tragwagen<br />

aufg<strong>eb</strong>aut. Sie verfügt über sechs Spulenplätze,<br />

zwei Spillen, um eine Zugkraft bis 27 kN je<br />

Spille aufzubauen, zwei Drücker zur Führung der<br />

Drähte und eine Be<strong>die</strong>nerkabine. Mit der Verlegeeinheit<br />

werden der Fahrdraht und das Tragseil mit<br />

der benötigten Zugkraft gespannt. Durch <strong>die</strong> Ladekapazität<br />

<strong>von</strong> drei Fahrdraht- und drei Tragseilspulen<br />

können mehr als sechs Nachspannlängen<br />

verlegt werden.<br />

456 112 (2014) Heft 8-9


Praxis Fokus<br />

Darauf folgte das MPV der Firma Kummler+Matter.<br />

Von <strong>die</strong>sem wurden <strong>die</strong> Ausleger eingeschwenkt, <strong>die</strong><br />

Seitenhalter eingeklemmt und S-Haken zum provisorischen<br />

Aufhängen des Fahrdrahtes eing<strong>eb</strong>aut.<br />

Einbau des Fixpunktes und der Seilhänger<br />

Zunächst bauten <strong>die</strong> Monteure <strong>von</strong> einer H<strong>eb</strong><strong>eb</strong>ühne<br />

aus <strong>die</strong> Fixpunkte ein. Anschließend wurden <strong>die</strong><br />

beiden Seiten des Kettenwerks mit den Gewichten<br />

belastet und vom Fixpunkt ausgehend in beiden<br />

Richtungen <strong>die</strong> Hänger eing<strong>eb</strong>aut. Die Distanzen<br />

zwischen den Hängern konnten durch <strong>die</strong> H<strong>eb</strong><strong>eb</strong>ühnenfahrzeuge<br />

mit den in den Rechner des<br />

Fahrzeuges eingelesenen Daten direkt abgemessen<br />

wereden. Nach der Justierung der Ausleger und Seitenhalter<br />

bei den Tragwerken, folgte das Fixieren<br />

der Fahrdrahthöhe und deren Seitenlage <strong>von</strong> einer<br />

selbstfahrenden kleinen H<strong>eb</strong><strong>eb</strong>ühne aus.<br />

Einbau der Isolatoren und Einstellen der<br />

Gewichtssäulen<br />

Mit einem Zweiwegfahrzeug wurden <strong>die</strong> Isolatoren<br />

in den abgehenden Kettenwerken eing<strong>eb</strong>aut und<br />

<strong>die</strong> Gewichtssäulen auf <strong>die</strong> vorgeg<strong>eb</strong>enen Höhen<br />

eingestellt. Die an den Wochenenden durchgeführten<br />

Arbeiten konnten im April 2014 dank der engagierten<br />

Zusammenarbeit aller Beteiligten – auch<br />

unter erschwerten Wetterbedingungen – jeweils<br />

rechtzeitig fertiggestellt werden. Durch <strong>die</strong>ses Vorgehen<br />

wurde <strong>die</strong> Oberleitungsanlage effizient und<br />

mit möglichst wenigen Sperrungen erneuert und<br />

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

Bahnhof Au (Kanton Zürich)<br />

Bild 2:<br />

Multi Purpose Vehicle MPV (Mehrzweckfahrzeug).<br />

Vor rund 25 Jahren fand <strong>die</strong> letzte Erneuerung der<br />

Oberleitungsanlage des Bahnhofs Au (bei Wädenswil,<br />

Kanton Zürich) statt. Die beiden Hauptgleise<br />

erhielten eine Oberleitung <strong>für</strong> Geschwindigkeiten<br />

bis 125 km/h, Bauart R-FL, und <strong>die</strong> N<strong>eb</strong>engleise eine<br />

Normalfahrleitung.<br />

Die gesteigerten betri<strong>eb</strong>lichen Anforderungen<br />

verlangten im Bahnhof Au den Einbau eines zusätzlichen<br />

Gleiswechsels zum Überholen <strong>von</strong> Güterzügen.<br />

Hybridlokomotiven <strong>von</strong> SBB Cargo stellen heute <strong>die</strong><br />

Güterwagen bereit. Deshalb sollten das Überholgleis<br />

<strong>eb</strong>enfalls mit einer Oberleitung der Bauart R-FL ausgerüstet<br />

und <strong>die</strong> Oberleitung über den restlichen<br />

N<strong>eb</strong>engleisen demontiert werden.<br />

Das neue Linienkonzept der Oberleitung der SBB<br />

verlangte <strong>eb</strong>enfalls <strong>die</strong> Aufh<strong>eb</strong>ung der Streckentrennungen,<br />

der Hauptschaltposten und der N<strong>eb</strong>enschaltposten.<br />

Um das zu ermöglichen, wurden <strong>für</strong><br />

das neue Konzept drei AREVA-Leistungsschalter mit<br />

den dazugehörigen elektrischen Trennungen eing<strong>eb</strong>aut,<br />

welche nun eine optimale Sektionierung bei<br />

Störungen gewähren.<br />

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Für Bahn-, Strassenbahn- und Trolleybus-<br />

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zuverlässige Gesprächspartner.<br />

Aktuelle Referenzen:<br />

• Rheintal – Streckenabschnitt zwischen<br />

Buchs SG – St. Margrethen<br />

• Fahrleitungsanlage Bahnhof Au ZH<br />

• Gotthard-Tunnel der NEAT<br />

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112 (2014) Heft 8-9


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<strong>Elektrische</strong> Fahrzeugantri<strong>eb</strong>e<br />

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4. und 5. Dezember 2014<br />

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Internationales Kongresszentrum<br />

Eine Gemeinschaftsveranstaltung des<br />

Innovationszentrums Bahntechnik Europa e.V.<br />

und des<br />

Fachbereichs „<strong>Bahnen</strong> und Fahrzeuge mit<br />

elektrischen Antri<strong>eb</strong>en” der ETG im VDE.<br />

Information, Programm und Anmeldung unter:<br />

www.izbe.eu<br />

Me<strong>die</strong>npartner:<br />

Die Firma Kummler+Matter führte im Auftrag der<br />

SBB <strong>die</strong> Montagearbeiten in Nachtsperrungen aus,<br />

wobei der Betri<strong>eb</strong> des Bahnhofs Au hier<strong>für</strong> nur <strong>für</strong><br />

eine Stunde eine Vollsperrungen zuließ. Sämtliche<br />

Arbeiten wurden in enger Abstimmung mit allen anderen<br />

Fach<strong>die</strong>nsten durchgeführt.<br />

Eine Personenwarnanlage erfasste alle Züge in<br />

den Sperrpausen. Jedes Arbeitsteam hatte einen eigenen<br />

Sicherheitswärter und jeder Gruppe wurden<br />

<strong>die</strong> Züge durch eine Einzelwarnkombination mit optischem<br />

Blinklicht angezeigt.<br />

Die Arbeiten führte ein eingespieltes Montageteam<br />

durch. Als Arbeitsgeräte <strong>die</strong>nten ein zweiachsiger<br />

Schienentraktor mit H<strong>eb</strong><strong>eb</strong>ühne, ein Flachwagen<br />

mit aufg<strong>eb</strong>auter H<strong>eb</strong><strong>eb</strong>ühne, ein Containertragwagen<br />

mit je nach Bedarf bestückten Modulen: Kran-,<br />

Flachboden-, Spulenmodul und erstmals ein Multi<br />

Purpose Vehicle (MPV).<br />

Das MPV (Bild 2) ist ein selbstfahrendes vierachsiges<br />

Oberleitungsfahrzeug, welches mit bis zu<br />

100 km/h fahren kann. Auf der einen Fahrzeugseite<br />

ist ein fester großzügiger Führerstand angeordnet<br />

- auf der anderen Seite befindet sich ein<br />

Kran mit Führerstand und Begleiterkabine. Der<br />

Kran verfügt zusätzlich über eine Seilwinde. Für<br />

Montagen kann dem Kran dank Schnellkupplungen<br />

innerhalb kürzester Zeit eine H<strong>eb</strong><strong>eb</strong>ühne angekoppelt<br />

werden. Zudem besitzt er n<strong>eb</strong>en der<br />

großzügigen Ladefläche eine dreigeteilte H<strong>eb</strong><strong>eb</strong>ühne,<br />

welche das Arbeiten am Kettenwerk optimal<br />

ermöglicht.<br />

Die Arbeiten im Bahnhof Au sind nun nach viermonatiger<br />

Bauzeit Anfang Juli 2014 termingerecht<br />

und unfallfrei beendet.<br />

Martin Schuler,<br />

Kummler+Matter, Zürich<br />

Foto: Alstom - Fahrdrahtlose Straßenbahn „Citadis“ in Reims.<br />

© Mars/Rêve de Ville - Alain et Feng HATAT<br />

112 (2014) Heft 8-9


Praxis Fokus<br />

Powerlines Group verstärkt<br />

Beratung und Produktbereich <strong>für</strong><br />

Bahnelektrifizierungen<br />

Die Powerlines Group hat sich im letzten Jahrzehnt zu einem der führenden Unternehmen <strong>für</strong> <strong>die</strong> Bahnelektrifizierung<br />

entwickelt und deckt heute das gesamte Spektrum <strong>von</strong> der Beratung bis zur Instandhaltung<br />

ab. Auf der InnoTrans 2014 präsentiert <strong>die</strong> Powerlines Group ihre Leistungen in Halle 26, Stand 225.<br />

Einführung<br />

Die Powerlines Group entwickelte sich im letzten<br />

Jahrzehnt zu einem der führenden Unternehmen <strong>für</strong><br />

<strong>die</strong> Bahnelektrifizierung und deckt heute das gesam<br />

te Spektrum <strong>von</strong> der Beratung bis zur Instandhaltung<br />

<strong>von</strong> Fahrleitungen <strong>für</strong> den Nah- und Fernverkehr ab.<br />

Bei der DB AG ist es noch üblich, Planung und<br />

Errichtung <strong>von</strong> Oberleitungsanlagen nach einem<br />

vorgeg<strong>eb</strong>enen Regelwerk zu beauftragen. Andere<br />

europäische <strong>Bahnen</strong> verg<strong>eb</strong>en zunehmend größere<br />

Projekte nach funktionalen Ausschreibungen. Die dänische<br />

Bahn ist zu einer funktionalen Ausschreibung<br />

mit Systementwicklung, Errichtung und Instandhaltung<br />

übergegangen. Daher ist es <strong>für</strong> Anbieter <strong>von</strong><br />

Bahnelektrifizierungen wichtig, ganzheitliche <strong>Lösungen</strong><br />

<strong>für</strong> den gesamten L<strong>eb</strong>enszyklus anbieten und realisieren<br />

zu können. Kunden erwarten heute Anlagen<br />

aus einer Hand. Die Powerlines Group stellt sich <strong>die</strong>sen<br />

Anforderungen des Marktes und kann <strong>die</strong> erwarteten<br />

Leistungen <strong>für</strong> Bahnelektrifizierungen anbieten.<br />

Bahnunternehmen fragen zunehmend Beratungsund<br />

Entwicklungsleistungen <strong>für</strong> Bahnelektrifizierungen<br />

nach, wobei <strong>die</strong> Auswahl der Bauweisen und <strong>die</strong><br />

hier<strong>für</strong> erforderlichen Bauteile enthalten ist. Für <strong>die</strong><br />

Aus- und Weiterbildung eigener Mitarbeiter erwarten<br />

<strong>die</strong>se Unternehmen Seminare <strong>für</strong> Grundlagen<br />

der Elektrifizierung, Planung, Planprüfung, Bauüberwachung,<br />

Abnahme und Instandhaltung <strong>von</strong> Oberleitungsanlagen<br />

im Nah- und Fernverkehr. Plan- und<br />

Abnahmeprüfungen, Berechnungen der L<strong>eb</strong>enszykluskosten<br />

und RAMS-Stu<strong>die</strong>n ergänzen <strong>die</strong> Beratungsleistungen<br />

<strong>von</strong> Powerlines.<br />

Ein Beispiel <strong>für</strong> Beratungen ist Network Rail in UK,<br />

<strong>die</strong> während der nächsten Jahre ihr Schienennetz<br />

elektrifizieren werden. Mit Carillion Plc. erhielt Powerlines<br />

Ltd. den Auftrag, in den Regionen Central<br />

East Midlands, Schottland und North-East <strong>die</strong> Oberleitungen<br />

zu planen und rund 700 km Oberleitungen<br />

zu errichten. Bevor jedoch <strong>die</strong> Planung beginnen<br />

kann, ist eine neue Oberleitungsbauart genannt<br />

Master Series auf der Basis vorhandener Bauarten zu<br />

entwickeln. Diese neue Oberleitungsbauart soll <strong>die</strong><br />

Erfahrungen mit den älteren Bauarten Series 1 und 2<br />

Beratungen<br />

Bild 1:<br />

Oberleitungsbauart Re330 auf der neuen Hochgeschwindigkeitsstrecke Erfurt –<br />

Leipzig/Halle (Foto: Autor).<br />

Bild 2:<br />

Oberleitung über der Drehscheibe im Schenker-Werk Nürnberg (Foto: Hickethier).<br />

112 (2014) Heft 8-9<br />

459


Fokus Praxis<br />

vereinen. Bei <strong>die</strong>ser Entwicklung werden Network<br />

Rail und Atkins <strong>von</strong> SPL Powerlines UK und Deutschland<br />

unterstützt.<br />

Planung<br />

Bild 4:<br />

Gfk-Mast in Ostende/Belgien (Foto: Kurt).<br />

Die Planung <strong>von</strong> Fahrleitungsanlagen erfordert das<br />

Beachten der örtlichen Geg<strong>eb</strong>enheiten und <strong>die</strong> Verzahnung<br />

mit anderen Gewerken. Neubau und Erneuerung<br />

<strong>von</strong> Fahrleitungsanlagen erfordern daher<br />

detaillierte Planung und gründliche Vorbereitung.<br />

Die Planungsgruppe der Powerlines Group arbeitet<br />

mit langjährig erfahrenen Planungsingenieuren,<br />

<strong>die</strong> mit den anzuwendenden Normen und Richtlinien<br />

vertraut sind und <strong>die</strong> Wahl der Grundlagen, <strong>die</strong><br />

Vor-, Entwurfs- und Ausführungsplanung ausführen.<br />

In <strong>die</strong> Anlagenplanung fließen <strong>die</strong> Erfahrungen<br />

aus der Planung und Errichtung <strong>von</strong> Fahrleitungsanlagen<br />

in verschiedenen Ländern ein und sorgen<br />

<strong>für</strong> kostengünstige <strong>Lösungen</strong>. Die Zeiträume zwischen<br />

Mittelfreigabe beim Auftragg<strong>eb</strong>er und dem<br />

vorgesehenen Baubeginn sind überwiegend kurz,<br />

was eine hohe Flexibilität und Schnelligkeit in der<br />

Planung erfordert, um den vorgesehenen Baubeginn<br />

einzuhalten. Für <strong>die</strong> Powerlines Planer ist <strong>die</strong>s<br />

nicht ungewöhnlich.<br />

In Deutschland hat SPL Powerlines drei Planungsstandorte<br />

und kann damit Aufträge baustellennah<br />

abwickeln. Besondere Herausforderungen<br />

der letzten Jahre waren <strong>die</strong> Planung der Oberleitung<br />

<strong>für</strong> <strong>die</strong> Hochgeschwindigkeitstrecken VDE 8.2<br />

NBS Erfurt – Leipzig/Halle (Bild 1) und VDE 8.1<br />

Ebensfeld – Erfurt und <strong>die</strong> Bespannung einer Drehscheibe<br />

(Bild 2) bei DB-Schenker.<br />

Bild 3:<br />

Dritte Schiene in Oslo (Foto: Autor).<br />

Produkte<br />

Für Entwicklung und Vertri<strong>eb</strong> <strong>von</strong> Fahrleitungsbauteilen<br />

gründete Powerlines Group <strong>die</strong> Powerlines<br />

Products GmbH. Diese vertreibt alle gängigen<br />

Oberleitungsbauteile, Dritte-Schiene Bauarten<br />

(Bild 3) und Masten aus glasfaserverstärktem Kunststoff<br />

(GFK) (Bild 4). Das SPL 3rd-Rail-System lässt<br />

sich auf bestehenden und neuen Strecken verwenden.<br />

Die Aluminiumschiene mit einer Edelstahlkontaktfläche<br />

sorgt <strong>für</strong> eine Energieübertragung ohne<br />

elektrische Verluste, ohne großen Verschleiß und<br />

mit langer L<strong>eb</strong>ensdauer.<br />

Die zwei Produktgruppen A][Rail Economy und A][<br />

Rail Infinity ermöglichen <strong>die</strong> erforderliche Flexibilität<br />

beim Anlagenbau. Der Austausch einzelner Bauteile<br />

ist unkompliziert und nicht aufwändig. Powerlines<br />

bietet <strong>für</strong> <strong>die</strong>se Stromschiene <strong>die</strong> Planung, Errichtung<br />

und Instandhaltung an. Aktuell werden Projekte<br />

in Wien, Warschau, Helsinki und Oslo abgewickelt.<br />

Masten aus GFK (Bild 4) werden seit langer Zeit<br />

<strong>für</strong> Funkanlagen verwendet. Neu ist <strong>die</strong> Anwendung<br />

<strong>für</strong> Fahrleitungen, wobei das geringe Gewicht<br />

und <strong>die</strong> isolierenden Eigenschaften vorteilhaft sind.<br />

Der GFK-Mast erübrigt Isolatoren am Ausleger. Für<br />

das Arbeiten unter Spannung oder in der Nähe<br />

<strong>von</strong> spannungsführenden Anlagen ist das Ende der<br />

460 112 (2014) Heft 8-9


Praxis Fokus<br />

Kriechstrecken am Ausleger und Mast deutlich erkennbar.<br />

Die normativen Vorgaben der EN 50122<br />

bezüglich Kennzeichnung der Grenzen zwischen<br />

spannungsführendem und geerdetem Bauteil lassen<br />

sich einfach erfüllen.<br />

GFK-Masten sind <strong>für</strong> <strong>die</strong>se Anwendungen in Belgien<br />

zugelassen und erreichen <strong>die</strong> Standzeit herkömmlicher<br />

Maste durch Korrosions- und Witterungsbeständigkeit<br />

auch in Meeresnähe und unter UV-Einwirkung,<br />

wie <strong>die</strong> Anwendungen bei Funkmasten belegen. Das<br />

geringe Gewicht erleichtert den Transport und <strong>die</strong> Errichtung<br />

erh<strong>eb</strong>lich, was beim Einsatz auf schwierig zugänglichen<br />

Trassenabschnitten günstig ist. Die geringeren<br />

Einspannlängen gegenüber Betonmasten und<br />

<strong>die</strong> flexiblen Elemente zur Aufnahme <strong>von</strong> Schwenkgelenken<br />

erleichtern <strong>die</strong> Planung und Errichtung solcher<br />

GFK -Masten <strong>für</strong> Fahrleitungsanlagen.<br />

Montage<br />

Für <strong>die</strong> Montage verfügt Powerlines über ein schlagkräftiges<br />

Team mit rund 500 Mitarbeitern mit jahrelangen<br />

und umfassenden Erfahrungen. Mit <strong>die</strong>sem<br />

Team ist Powerlines in der Lage, Projekte jeder Größe<br />

abzuwickeln. Durch <strong>die</strong> internationalen Projektteams<br />

und den Wissenstransfer auf junge Mitarbeiter<br />

findet eine permanente Weiterbildung und somit<br />

ein Wissensgewinn statt.<br />

Instandhaltung<br />

Zunehmend greifen Bahnbetreiber <strong>für</strong> Instandhaltungen<br />

auf andere Firmen statt auf eigenes Personal<br />

zurück. Powerlines führt auch solche Arbeiten aus.<br />

So führten noch im Kalenderjahr 2013 <strong>die</strong> Österreichischen<br />

Bundesbahnen (ÖBB) <strong>die</strong> gesamten Instandhaltungen<br />

mit eigenem Personal aus. Ende 2013 und<br />

2014 vergab <strong>die</strong> ÖBB einen Teil der Instandhaltung<br />

an externe Anbieter. Powerlines erhielt im Dezember<br />

2013 den ersten und im Frühjahr 2014 einen weiteren<br />

Auftrag <strong>für</strong> solche Leistungen. Die abgerufenen<br />

Leistungen umfassten den Tausch einzelner Bauteile<br />

einer Oberleitungsanlage, das Regulieren vorhandener<br />

Oberleitungen nach einem Weichentausch und den<br />

Einbau <strong>von</strong> geschalteten Schutzstrecken. Eine aktuelle<br />

Ausschreibung in Dänemark fordert <strong>die</strong> präventive<br />

und korrektive Instandhaltung <strong>für</strong> einen Zeitraum <strong>von</strong><br />

28 Jahren nach der Inbetri<strong>eb</strong>nahme.<br />

Gerhard Ehringer,<br />

Powerlines Group, Wien<br />

Anzeige<br />

InnoTrans 2014<br />

23. - 26. September 2014<br />

Stand 225, Halle 26, Messe Berlin<br />

www.powerlines-group.com<br />

Städte entwickeln, Länder vernetzen.<br />

Zuverlässig. Wirtschaftlich. Sicher.<br />

Powerlines ist der Systemanbieter und Partner namhafter europäischer<br />

Verkehrsinfrastrukturbetreiber im Nah- und Fernverkehr.


Grundlagen<br />

Untersuchung <strong>von</strong> Maßnahmen zur<br />

Energieersparnis bei DC-<strong>Bahnen</strong> mittels<br />

Netzsimulation<br />

Stefan Nydegger, Thun (CH)<br />

In DC-Bahnsystemen <strong>von</strong> Metros, Straßen- und S-<strong>Bahnen</strong> kann eine große Menge an ungenutzter<br />

Bremsenergie anfallen. Mit Hilfe <strong>von</strong> dynamischen Netzsimulationen können mögliche Maßnahmen<br />

zur Nutzung <strong>die</strong>ser Bremsenergie beurteilt werden.<br />

ANALYSIS OF ENERGY-SAVING MEASURES ON DC RAILWAYS THROUGH RAILWAY SYSTEMS<br />

SIMULATIONS<br />

On DC railway systems in the area of metro, trams and suburban trains substantial amounts of unused<br />

braking energy can occur. Dynamic simulations allow the evaluation of possible measures to<br />

utilize the regenerating braking energy.<br />

ANALYSE DES ACTIONS POUR ÉCONOMISER DE L’ÉNERGIE DANS DES DC-RÉSEAUX FERROVIAIRES<br />

À L’AIDE DE SIMULATIONS<br />

Dans les systèmes ferroviaires à courant continu de métros, de tramways et de trains de banlieue, il<br />

arrive qu’une grande quantité d’énergie doive être dissipée lors du freinage. Des simulations dynamiques<br />

de réseau permettent d’évaluer les différentes mesures de valorisation de cette énergie.<br />

1 Einführung<br />

Das Thema Energie sparen steht sowohl aus umweltpolitischer<br />

als auch aus wirtschaftlicher Sicht bei Verkehrsbetri<strong>eb</strong>en<br />

stetig im Fokus. Bei der Ausarbeitung<br />

und Formulierung <strong>von</strong> möglichen Maßnahmen spielen<br />

jeweils diverse Faktoren eine Rolle. Diese können<br />

sich positiv als auch negativ auf <strong>die</strong> Energi<strong>eb</strong>ilanz<br />

auswirken. Häufig ist es daher aufgrund der herrschenden<br />

Komplexität ohne detaillierte Analysen,<br />

zum Beispiel mittels Simulationen, schwierig, den<br />

Nutzen einer Maßnahme ökologisch sowie wirtschaftlich<br />

zuverlässig zu quantifizieren.<br />

Betreiber <strong>von</strong> DC-<strong>Bahnen</strong> stehen immer häufiger<br />

vor der Frage, ob sie <strong>die</strong> <strong>von</strong> den Fahrzeugen beim<br />

Bremsen rückgewonnene Energie überhaupt optimal<br />

ausnutzen. Da in der Regel <strong>die</strong> Traktionsstromversorgung<br />

über Gleichrichteranlagen erfolgt, welche<br />

das Zurückspeisen <strong>von</strong> Energie ins speisende Mittelspannungsnetz<br />

nicht erlauben, muss Bremsenergie<br />

häufig ungenutzt über Bremswiderstände umgesetzt<br />

werden. Ziel der Verkehrsbetri<strong>eb</strong>e sollte es aber sein,<br />

<strong>die</strong>se ungenutzte Bremsenergie möglichst zu nutzen.<br />

Hierbei drängen sich <strong>für</strong> einen Verkehrsbetri<strong>eb</strong><br />

zunächst <strong>die</strong> folgenden beiden Fragen auf:<br />

• Wieviel Bremsenergie wird im Netz nicht genutzt<br />

und bildet somit das maximal mögliche Energie-<br />

Einsparpotenzial?<br />

• Wie kann <strong>die</strong>se Energie am besten wirtschaftlich<br />

genutzt werden?<br />

Bei solchen Betrachtungen sind auch zukünftige Entwicklungen<br />

miteinzubeziehen. Wie sieht zum Beispiel<br />

<strong>die</strong> Situation bei sich ändernden betri<strong>eb</strong>lichen<br />

Rahmenbedingungen, wie bei neuem Rollmaterial<br />

oder neuem Fahrplan, aus? Beispielsweise befinden<br />

sich bei einer Verdichtung eines bestehenden Fahrplantaktes<br />

gleichzeitig mehr Fahrzeuge im Netz als<br />

zuvor. Diese Fahrzeuge werden dazu beitragen, einen<br />

Teil der vorher noch ungenutzten Bremsenergie<br />

abzunehmen, sind umgekehrt aber auch wieder<br />

Quellen <strong>von</strong> zusätzlicher Bremsenergie. Eine solche<br />

Änderung kann auf <strong>die</strong> Energi<strong>eb</strong>ilanz des Netzes einen<br />

wesentlichen Einfluss haben, positiv wie auch<br />

negativ, und kann schlussendlich entscheidend sein,<br />

ob eine Investition ökologisch sowie wirtschaftlich<br />

sinnvoll ist, oder <strong>eb</strong>en nicht.<br />

Spätestens hier zeigt sich, dass zur Ermittlung<br />

und Bereitstellung <strong>von</strong> zuverlässigen Kennzahlen<br />

<strong>die</strong> Anwendung <strong>von</strong> Simulations-Werkzeugen unumgänglich<br />

ist.<br />

2 Vorgehen<br />

Mit Simulations-Werkzeugen ist es möglich, <strong>die</strong><br />

Energieverbrauchswerte bestehender wie auch zukünftiger<br />

Betri<strong>eb</strong>sszenarien zu ermitteln. ENOTRAC<br />

verwendet hier<strong>für</strong> FABEL, ein <strong>von</strong> ENOTRAC eigen-<br />

462 112 (2014) Heft 8-9


Grundlagen<br />

ständig über mehr als 20 Jahre stetig weiter entwickeltes<br />

Software-Paket. Mit <strong>die</strong>sem können <strong>für</strong><br />

einen realistischen Betri<strong>eb</strong> dynamische elektrische<br />

Lastflussberechnungen in Abhängigkeit <strong>von</strong> der Zeit<br />

durchgeführt werden. Dabei wird folgendes detaillierte<br />

Modell g<strong>eb</strong>ildet:<br />

• Strecke: Bahnneigungen, Bogenra<strong>die</strong>n, Höchstgeschwindigkeiten,<br />

Lage der Haltestellen, Signalanlagen<br />

und Weichen<br />

• Speisenetz: Hin- und Rückleitungen, Einspeisepunkte,<br />

Transformator-, Gleichrichter-, Umrichter-,<br />

Energiespeicher-Stationen<br />

• Fahrzeuge: Länge, Masse, Zugkraft-/Geschwindigkeits-Charakteristik,<br />

Begrenzungen <strong>für</strong> Leistung/Strom<br />

• Betri<strong>eb</strong>sdaten: Grenzwerte <strong>für</strong> Beschleunigung<br />

und Rucke, Fahrweise, Fahrplan, Zugbildung,<br />

Passagieraufkommen entlang der Strecke<br />

Ziel der Stu<strong>die</strong> mittels einer Bahnnetz-Simulation ist<br />

<strong>die</strong> Bestimmung des Energieverbrauchs sowie der<br />

ungenutzten Bremsenergie im Netz und daraus abgeleitet<br />

des Energiesparpotenzials. Der Energieverbrauch<br />

und <strong>die</strong> Menge ungenutzter Bremsenergie<br />

sind stark abhängig <strong>von</strong> der Taktdichte/Zugfolgezeit<br />

im Fahrplan sowie <strong>von</strong> den unterschiedlichen Umweltbedingungen,<br />

insbesondere der Umg<strong>eb</strong>ungstemperatur,<br />

und damit <strong>von</strong> der Leistung <strong>für</strong> <strong>die</strong> Kühlung/Beheizung<br />

des Fahrgastraums der Fahrzeuge.<br />

Folglich sind Energieverbrauch und Menge ungenutzter<br />

Bremsenergie je nach Tageszeit wegen Morgenspitze,<br />

Abendspitze oder Normalbetri<strong>eb</strong>, im Übrigen<br />

aber auch je nach Wochentag und Jahreszeit<br />

unterschiedlich. Um <strong>die</strong>sen unterschiedlichen Konstellationen<br />

Rechnung zu tragen, wird mit Hilfe <strong>von</strong><br />

Simulationen <strong>für</strong> jede Jahreszeit der mittlere typische<br />

Tagesenergieverbrauch <strong>für</strong> einen Werktag sowie <strong>für</strong><br />

einen Tag am Wochenende ermittelt (Bild 1). Dabei<br />

wird jeweils der gesamte Tagesfahrplan inklusive Betri<strong>eb</strong>sfahrten<br />

berücksichtigt. Von <strong>die</strong>sen typischen<br />

Tageswerten kann anschließend der Jahresenergieverbrauch<br />

<strong>für</strong> das betrachtete Betri<strong>eb</strong>sszenario sehr<br />

genau hochgerechnet werden.<br />

Solche Simulationen und Auswertungen werden<br />

als erstes in der Regel <strong>für</strong> das Netz im Zustand ohne<br />

energiesparende Maßnahmen durchgeführt. Sie<br />

zeigen n<strong>eb</strong>st dem totalen Energieverbrauch auch<br />

<strong>die</strong> Menge bisher ungenutzter Bremsenergie, <strong>die</strong><br />

gleichzeitig dem jährlich maximal möglichen Energiesparpotenzial<br />

entspricht. Die Erg<strong>eb</strong>nisse der Simulationen<br />

zur Ausgangslage erlauben zudem einen<br />

Vergleich zu realen Jahresenergieverbrauchswerten.<br />

Über <strong>die</strong>sen Vergleich können im Modell getroffene<br />

Annahmen auf <strong>die</strong> Realität abgeglichen werden. Die<br />

größte Unbekannte bei der Modellbildung, <strong>die</strong> den<br />

größten Einfluss auf den berechneten Energieverbrauch<br />

hat, ist <strong>die</strong> mittlere Leistung <strong>für</strong> Kühlung und<br />

Heizung des Fahrgastraumes.<br />

112 (2014) Heft 8-9<br />

7<br />

MWh<br />

6<br />

E<br />

5<br />

4<br />

3<br />

2<br />

1<br />

0<br />

1<br />

Bild 1:<br />

Aus Simulationen <strong>für</strong> eine S-Bahn-Linie mit relativ großer Höhendifferenz als Tages-Energiewerte<br />

ermittelter Energi<strong>eb</strong>edarf E <strong>für</strong> unterschiedliche Wochentage und Jahreszeiten<br />

sowie technische Varianten (alle Grafiken: ENOTRAC).<br />

T1 Mo-Fr, Frühling<br />

T2 Mo-Fr, Winter<br />

T3 Sa-So, Frühling<br />

T4 Sa-So, Winter<br />

100<br />

%<br />

80<br />

70<br />

60<br />

50<br />

E 40<br />

30<br />

20<br />

10<br />

0<br />

1<br />

2 3 4<br />

5 6<br />

T1 T2 T3<br />

2<br />

4<br />

3<br />

5 6<br />

T1 T2 T3<br />

Die Simulationen zur Ausgangslage, der Situation<br />

ohne energiesparende Maßnahmen, liefern ein Indiz,<br />

ob überhaupt eine nennenswerte Menge an ungenutzter<br />

Bremsenergie vorhanden ist (Bild 2). Unter<br />

Umständen muss hier <strong>die</strong> Untersuchung bereits abgeschlossen<br />

werden, weil kein wesentliches Sparpotenzial<br />

zu erkennen ist. Falls <strong>die</strong> Simulationen jedoch<br />

zeigen, dass ein Energiesparpotenzial vorliegt, werden<br />

in einem zweiten Schritt mittels weiterer Simulationen<br />

mögliche Maßnahmen zur besseren Nutzung<br />

der Bremsenergie, im Folgenden auch kurz Maßnahmen,<br />

untersucht. Die Erg<strong>eb</strong>nisse erlauben dabei <strong>die</strong><br />

Quantifizierung des Nutzens der Maßnahme dahingehend,<br />

wieviel <strong>von</strong> der ungenutzten Energie tatsächlich<br />

genutzt werden kann, und <strong>die</strong>nen zugleich<br />

zur Auslegung <strong>von</strong> Anlagen und der Ermittlung <strong>von</strong><br />

sinnvollen Standorten <strong>für</strong> Infrastrukturmaßnahmen.<br />

T4<br />

1 Ausgangslage ohne Maßnahme<br />

2 fahrzeugg<strong>eb</strong>undener Energie-Speicher<br />

3 stationärer Energie-Speicher, Standort A<br />

4 stationärer Energie-Speicher, Standort B<br />

5 Wechselrichter, Standort A<br />

6 Wechselrichter, Standort B<br />

Bild 2:<br />

Prozentualer Anteil der genutzten Bremsenergie E bezogen auf <strong>die</strong> gesamte Bremsenergie<br />

<strong>für</strong> unterschiedliche Wochentage und Jahreszeiten sowie technische Varianten gemäß<br />

Bild 1 nach durchgeführten Simulationen <strong>für</strong> ein S-Bahn-ähnliches Bahnsystem.<br />

T4<br />

463


Grundlagen<br />

TABELLE 1<br />

Übersicht über <strong>die</strong> möglichen Vor- und Nachteile der betrachteten technischen <strong>Lösungen</strong> <strong>für</strong> <strong>die</strong> Nutzung<br />

ungenutzter Bremsenergie.<br />

Technische Lösung mögliche Vorteile mögliche Nachteile<br />

fahrzeug-g<strong>eb</strong>undene<br />

Energiespeicher<br />

Stationäre Energiespeicher<br />

Wechselrichter<br />

Energie wird im Fahrzeug<br />

gespeichert und genutzt, daher keine<br />

Übertragungsverluste<br />

Fahrzeuge sind je nach Auslegung<br />

so auch auf Abschnitten ohne<br />

Fahrleitung einsetzbar<br />

kann als autonome Anlage im Netz<br />

installiert werden, möglichst in<br />

bestehenden Gleichrichteranlagen<br />

gesamte ungenutzte Bremsenergie<br />

abzüglich der Übertragungsverluste<br />

kann ins AC-Netz zurückgespeist<br />

werden<br />

erhöhter Energi<strong>eb</strong>edarf, weil Speichermasse stets mitgeführt wird<br />

Nachrüsten bestehender Fahrzeuge ist theoretisch möglich,<br />

aber meist nicht wirtschaftlich<br />

jedes Fahrzeug der Flotte muss mit einem Speicher ausgerüstet<br />

werden<br />

zu speichernde Energiemenge ist begrenzt<br />

bedeutende Eigenverluste, vor allem bei den rotierenden Speichern<br />

vergleichsweise kurze L<strong>eb</strong>ensdauer, vor allem bei der Lösung mit<br />

Akkumulatoren<br />

Preis <strong>für</strong> zurückgespeiste Energie ist meist niedriger als <strong>für</strong> bezogene<br />

zur Verhinderung <strong>von</strong> Kreisströmen ist komplizierte Regelung<br />

erforderlich, aber mit IGBT-Technologie beherrschbar<br />

Nachrüsten einer bestehenden Anlage ist unter Umständen<br />

aufwändig, wenn der Transformator auch ersetzt werden muss<br />

2,25<br />

kWh<br />

1,75<br />

1,50<br />

1,25<br />

E 1,00<br />

0,75<br />

0,50<br />

0,25<br />

0,00<br />

3 <strong>Lösungen</strong> und Maßnahmen<br />

Grundsätzlich kann bei einem Bahnsystem in verschiedenen<br />

Bereichen Energie eingespart werden.<br />

Der vorliegende Artikel geht auf drei mögliche technische<br />

<strong>Lösungen</strong> ein, <strong>die</strong> sich zur Nutzung ungenutzter<br />

Bremsenergie eignen:<br />

• Fahrzeugg<strong>eb</strong>undene Energiespeicher: Energiespeicher<br />

auf den Fahrzeugen speichern<br />

überschüssige Energie beim Bremsen zwischen<br />

und g<strong>eb</strong>en sie beim Beschleunigen wieder ab.<br />

Dabei werden Doppelschichtkondensatoren,<br />

so genannte Supercaps, <strong>für</strong> <strong>die</strong> Abdeckung <strong>von</strong><br />

1 2 3 4 5 6 7 8 km 9<br />

a<br />

Bild 3:<br />

Füllstand E eines fahrzeugg<strong>eb</strong>undenen Energiespeichers während einer Fahrt mit unterschiedlichem<br />

Zugabstand a ; Beispiel aus einer Simulation <strong>für</strong> ein Straßenbahn-Netz.<br />

Leistungsspitzen in Kombination mit Akkumulatoren<br />

<strong>für</strong> das längere Speichern installiert.<br />

• Stationäre Energiespeicher: Energiespeicher<br />

in Gleichrichteranlagen nehmen <strong>die</strong> anfallende<br />

Bremsenergie auf und g<strong>eb</strong>en sie später bei<br />

Bedarf wieder ab. Hierbei werden grundsätzlich<br />

zwei unterschiedliche Speicher-Technologien<br />

angewendet, rotierende Schwungmassen oder<br />

Akkumulatoren.<br />

• Wechselrichter: Parallel zum Gleichrichter im Unterwerk<br />

installierte Wechselrichter ermöglichen<br />

<strong>die</strong> Rückspeisung der beim Bremsen gewonnenen<br />

Energie ins Wechselstromnetz.<br />

Die Tabelle 1 zeigt <strong>für</strong> <strong>die</strong>se drei Systeme <strong>die</strong> wichtigsten<br />

Vor- und Nachteile, <strong>die</strong> bei der Wahl als<br />

Maßnahme zur Nutzung ungenutzter Bremsenergie<br />

entscheidend sein können. Auf kommerzielle Aspekte<br />

der einzelnen Technologien wird hier absichtlich<br />

nicht oder nur am Rande eingegangen.<br />

Für <strong>die</strong> Wahl und Auslegung <strong>von</strong> Maßnahmen<br />

ist der örtliche Bereich, in welchem <strong>die</strong> ungenutzte<br />

Bremsenergie anfällt, ein wichtiger Faktor. Maßnahmen<br />

wie stationäre Energiespeicher oder Wechselrichter<br />

haben ein örtlich begrenztes Wirkungsg<strong>eb</strong>iet.<br />

In einem größeren Netz kann zwar eine große Menge<br />

ungenutzter Bremsenergie zur Verfügung stehen,<br />

jedoch kann sich <strong>die</strong>se über weite Distanzen verteilen.<br />

Folglich ist hierbei mit stationären Anlagen, wie<br />

Energiespeicher oder Wechselrichter, zur kompletten<br />

Nutzung der Energie eine Installation an mehreren<br />

Orten im Netz erforderlich.<br />

Die Bilder 3 und 4 zeigen aus Simulationen Beispiele<br />

<strong>für</strong> den Füllungsgrad eines fahrzeugbezogenen<br />

und eines stationären Speichers.<br />

464 112 (2014) Heft 8-9


Grundlagen<br />

4 Erkenntnisse aus<br />

den durchgeführten<br />

Untersuchungen<br />

Die mittels Simulationen durchgeführten Untersuchungen<br />

der ENOTRAC <strong>für</strong> unterschiedliche DC-<br />

<strong>Bahnen</strong> bestätigen, dass oft eine gewisse Menge<br />

ungenutzter Bremsenergie vorhanden ist und<br />

somit, ökologisch gesehen, Nutzungspotenzial<br />

besteht. Ob eine Maßnahme zur Nutzung <strong>die</strong>ser<br />

Energie gleichzeitig auch <strong>die</strong> jeweils gestellten<br />

wirtschaftlichen Anforderungen erfüllt, ist jedoch<br />

<strong>von</strong> diversen Faktoren abhängig. Entscheidend<br />

sind dabei n<strong>eb</strong>st der verfügbaren Energiemenge<br />

der erzielbare Energiepreis sowie <strong>die</strong> Investitionsund<br />

Instandhaltungskosten der Maßnahme.<br />

Grundsätzlich bedarf es einer bedeutenden Menge<br />

an vorhandener ungenutzter Energie, damit eine<br />

Maßnahme auch wirtschaftlich sein kann. Hierzu als<br />

Größenordnung folgendes einfaches Rechenbeispiel:<br />

Eine Maßnahme zur Nutzung <strong>von</strong> ungenutzter<br />

Bremsenergie koste über 15 Jahre 400 000 EUR. Bei<br />

einem angenommenen mittleren Energiepreis <strong>von</strong><br />

0,08 EUR/kWh müsste jährlich ungenutzte Bremsenergie<br />

<strong>von</strong> rund 330 MWh anfallen, also pro Tag<br />

900 kWh. Im Vergleich dazu wird bei einem Bremsvorgang<br />

<strong>von</strong> 40 km/h bis zum Stillstand eines Fahrzeuges,<br />

beispielsweise einer Straßenbahn, mit einer<br />

Masse <strong>von</strong> 50 t kinetische Energie <strong>von</strong> theoretisch<br />

0,85 kWh umgesetzt. Bei einem Bremsvorgang <strong>von</strong><br />

80 km/h bis zum Stillstand eines Fahrzeuges mit<br />

100 t Masse einer S-Bahn oder Metro resultieren immerhin<br />

bereits rund 6,8 kWh. Natürlich gehen da<strong>von</strong><br />

noch Verluste ab und es wird jeweils lediglich ein Teil<br />

<strong>die</strong>ser Bremsenergie nicht genutzt. Beispielsweise<br />

verwenden <strong>die</strong> Fahrzeuge <strong>die</strong> Bremsenergie unmittelbar<br />

zur Deckung des Eigenbedarfs beispielsweise<br />

<strong>für</strong> Heizung/Lüftung. In einem Straßenbahnnetz<br />

braucht es im Wirkungsbereich einer Maßnahme<br />

daher pro Tag einige 1 000 solcher Bremsvorgänge,<br />

damit <strong>die</strong> genannten 900 kWh erreicht werden.<br />

Die folgenden drei Faktoren haben einen wesentlichen<br />

Einfluss auf <strong>die</strong> anfallende Menge ungenutzter<br />

Bremsenergie:<br />

• Fahrgeschwindigkeit: Da <strong>die</strong> Geschwindigkeit<br />

quadratisch in <strong>die</strong> kinetische Energie eingeht,<br />

wird beim Bremsen aus höheren Geschwindigkeiten<br />

entsprechend mehr Energie erzeugt.<br />

• Zugfolgezeit/Fahrplandichte: Je länger <strong>die</strong><br />

Zugfolgezeiten, desto kleiner ist <strong>die</strong> Wahrscheinlichkeit,<br />

dass bei einem Bremsvorgang zurückgewonnene<br />

Energie <strong>von</strong> einem anderen Fahrzeug<br />

aufgenommen werden kann; folglich steigt dann<br />

der Anteil ungenutzter Bremsenergie.<br />

• Streckentopologie: Bei Netzen oder Strecken mit<br />

größeren Höhendifferenzen kann eine namhafte<br />

Menge potentieller Bremsenergie anfallen;<br />

um sie unmittelbar und vollständig zu nutzen,<br />

112 (2014) Heft 8-9<br />

E<br />

6,0<br />

kWh<br />

5,0<br />

4,5<br />

4,0<br />

3,5<br />

3,0<br />

2,5<br />

2,0<br />

1,5<br />

1,0<br />

17:00 17:10 17:20 17:30 17:40 17:50 18:00 18:10 18:20 18:30 18:40<br />

t<br />

Bild 4:<br />

Füllstand E eines ortsg<strong>eb</strong>undenen Energiespeichers im Verlauf <strong>von</strong> zwei Stunden<br />

Zugfahrt; Beispiel aus der Simulation <strong>für</strong> ein S-Bahn-ähnliches Bahnsystem.<br />

müsste aber zeitgleich mit einem talwärts bremsenden<br />

Fahrzeug jeweils ein anderes bergwärts<br />

fahren, was sich nicht immer sicherstellen lässt.<br />

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465


Grundlagen<br />

Bei einer Straßenbahn sind hinsichtlich des Potenzials<br />

an ungenutzter Bremsenergie <strong>die</strong> Geschwindigkeit<br />

und Zugfolgezeit eher ungünstige Parameter: Eine<br />

Straßenbahn verkehrt mit verhältnismäßig kleinen<br />

Geschwindigkeiten und häufig mit kurzen Zugfolgezeiten.<br />

Auch kommen größere Höhendifferenzen und<br />

damit namhafte Neigungen innerhalb <strong>von</strong> Städten selten<br />

vor. Es kann jedoch nicht kategorisch da<strong>von</strong> ausgegangen<br />

werden, dass bei einer Straßenbahn bereits<br />

sämtliche Bremsenergie genutzt wird. Und umgekehrt<br />

kann bei einem S-Bahn- oder Metro-Netz auch nicht<br />

automatisch angenommen werden, dass aufgrund<br />

der höheren Geschwindigkeiten <strong>für</strong> <strong>die</strong> Umsetzung einer<br />

Maßnahme genügend Bremsenergie anfällt.<br />

Simulationen <strong>für</strong> ein mittelgroßes Straßenbahn-<br />

System haben beispielsweise gezeigt, dass durch <strong>die</strong><br />

relativ große Anzahl an Fahrten pro Tag dennoch<br />

eine namhafte Menge ungenutzter Bremsenergie<br />

anfallen kann. Unter dem ökologischen Gesichtspunkt<br />

spricht <strong>die</strong>s klar <strong>für</strong> <strong>die</strong> Realisierung einer<br />

Maßnahme. Im konkreten Fall war <strong>die</strong> Menge an<br />

ungenutzter Bremsenergie aber dennoch zu gering,<br />

als dass sich <strong>die</strong> Umsetzung einer der betrachteten<br />

Maßnahmen rentiert hätte.<br />

Ein Metro-System charakterisiert sich durch kurze,<br />

im Minutenbereich liegende Zugfolgezeiten und höhere<br />

Geschwindigkeiten, zum Beispiel 80 km/h. Durch<br />

<strong>die</strong> höhere Geschwindigkeit fällt zwar eine deutlich<br />

größere Menge an Bremsenergie an als bei der Straßenbahn,<br />

jedoch sind, wie bei der Straßenbahn, aufgrund<br />

der kurzen Zugfolgezeiten meist Abnehmer<br />

<strong>von</strong> rückgewonnener Bremsenergie vorhanden. Tendenziell<br />

darf daher da<strong>von</strong> ausgegangen werden, dass<br />

das Potenzial an ungenutzter Bremsenergie bei einem<br />

Metro-System höher ist als bei einer Straßenbahn.<br />

Eine S-Bahn kann zwar kürzere Zugfolgezeiten<br />

aufweisen, meist liegen <strong>die</strong>se aber im Bereich <strong>von</strong> 15<br />

bis 30 Minuten. Bei einer Überlagerung <strong>von</strong> mehreren<br />

Linien können natürlich auf einem Streckenabschnitt<br />

und an Knotenpunkten auch kurze Zugfolgezeiten<br />

auftreten. Wie bereits erwähnt, verkehren<br />

<strong>die</strong> S-Bahn-Züge mit höherer Geschwindigkeit und<br />

generieren dadurch eine deutlich größere Menge an<br />

Bremsenergie als <strong>die</strong> Straßenbahn.<br />

Aus ökologischer Sicht wäre bei S-<strong>Bahnen</strong> oder Metro-Systemen<br />

eine Maßnahme zur besseren Nutzung<br />

der Bremsenergie in den meisten Fällen wohl sinnvoll.<br />

Wie nähere Untersuchungen beispielsweise <strong>für</strong><br />

eine mit DC betri<strong>eb</strong>ene S-Bahn-Linie mit ursprünglich<br />

30-Minutentakt gezeigt haben, war <strong>die</strong> verbleibende<br />

ungenutzte Bremsenergie jedoch nur knapp ausreichend<br />

<strong>für</strong> <strong>die</strong> wirtschaftliche Nutzung einer Maßnahme.<br />

Weitere Simulationen haben aber wiederum<br />

gezeigt, dass beim zukünftigen geplanten 15-Minutentakt<br />

dann genügend ungenutzte Bremsenergie <strong>für</strong><br />

eine wirtschaftliche Nutzung vorhanden ist.<br />

Diese Ausführungen unterlegen, dass zum Erreichen<br />

einer im Hinblick auf <strong>die</strong> Durchführung einer Maßnahme<br />

großen Menge ungenutzter Bremsenergie, <strong>die</strong> aus<br />

ökologischer Sicht eigentlich unerwünscht ist,<br />

• <strong>die</strong> Fahrzeuge möglichst mit hoher Geschwindigkeit<br />

fahren sollten,<br />

• <strong>die</strong> Zugfolgezeit dabei jedoch nicht zu kurz sein<br />

darf, weil sonst bereits genügend Abnehmer<br />

vorhanden sind,<br />

• <strong>die</strong> Zugfolgezeit aber auch nicht zu lang sein darf,<br />

da sonst zu wenig Bremsvorgänge anfallen, sowie<br />

• größere zu überwindende Höhendifferenzen <strong>von</strong><br />

Vorteil sind.<br />

5 Schlussfolgerungen und<br />

Ausblick<br />

Die Erfahrung zeigt, dass es stark auf den Betri<strong>eb</strong>, das<br />

elektrische Netz und <strong>die</strong> Streckentopologie der jeweiligen<br />

Bahn ankommt, wie viel ungenutzte Bremsenergie<br />

anfällt. Aus ökologischer Sicht würde sich bei den<br />

meisten DC-<strong>Bahnen</strong> <strong>die</strong> Realisierung einer Maßnahme<br />

anbieten. N<strong>eb</strong>en der ökologischen Wirksamkeit<br />

der Maßnahme ist aber auch deren Wirtschaftlichkeit<br />

relevant. Diese hängt am stärksten <strong>von</strong> den geg<strong>eb</strong>enen<br />

Energiepreisen sowie den Investitions- und Instandhaltungskosten<br />

der Maßnahme ab.<br />

Wie <strong>die</strong> ungenutzte Bremsenergie technisch am<br />

effizientesten genutzt werden kann, ist <strong>von</strong> unterschiedlichen<br />

Bedingungen und Faktoren abhängig.<br />

Wie aufgezeigt, sind <strong>für</strong> <strong>die</strong> Bestimmung des möglichen<br />

Sparpotenzials und der möglichen Maßnahmen<br />

unter Berücksichtigung aller entscheidenden<br />

Faktoren komplexe Netzsimulationen unabdingbar.<br />

Der Energiemarkt wie auch <strong>die</strong> am Markt erhältlichen<br />

Technologien zu Energiespeichern oder Wechselrichtern<br />

sind zurzeit stark im Wandel. Zahlreiche Hersteller<br />

bringen neue Wechselrichter-Produkte auf den Markt,<br />

<strong>die</strong> beispielsweise gegenüber den früheren Thyristor-<br />

Wechselrichtern effizienter und kostengünstiger sind. Es<br />

ist daher da<strong>von</strong> auszugehen, dass in Zukunft <strong>für</strong> viele<br />

Verkehrsbetri<strong>eb</strong>e <strong>die</strong> bessere Nutzung <strong>von</strong> ungenutzter<br />

Bremsenergie nicht nur aus ökologischer, sondern auch<br />

aus wirtschaftlicher Sicht attraktiv sein wird.<br />

Welche Maßnahme im konkreten Fall schlussendlich<br />

sinnvoll ist, kann zudem <strong>von</strong> spezifischen Rahmenbedingungen<br />

des Energieversorgungsunternehmens<br />

oder des Verkehrsbetri<strong>eb</strong>s abhängen. Beispielsweise ist<br />

der Energiepreis <strong>für</strong> <strong>die</strong> bezogene Energie gegenüber<br />

der rückgespeisten Energie meistens erh<strong>eb</strong>lich höher,<br />

was bei der Beurteilung der Wirtschaftlichkeit eines<br />

Wechselrichters eine bedeutende Rolle spielt.<br />

Die Kombination <strong>von</strong> Energiespeicher und Wechselrichter<br />

innerhalb des gleichen Wirkungsbereiches<br />

eines Netzes ist aus technischer Sicht nicht sinnvoll.<br />

Beim Einsatz <strong>von</strong> mehreren Wechselrichtersystemen<br />

im gleichen Speisenetz ist Vorsicht g<strong>eb</strong>oten.<br />

Ohne übergeordnete Steuerung oder Regelung der<br />

466 112 (2014) Heft 8-9


Grundlagen<br />

Anlagen ist eine solche Anwendung nicht sinnvoll,<br />

da Kreisströme entstehen können, <strong>die</strong> unnötige Verluste<br />

generieren.<br />

Stationäre Energiespeichersysteme kommen auch<br />

zum Stützen der Fahrleitungsspannung in Betracht.<br />

Jedoch gilt: Einsatz entweder zum Energiesparen<br />

oder zum Stützen der Spannung, <strong>die</strong>selbe Anlage<br />

kann gleichzeitig nicht beides abdecken.<br />

Wechselrichter oder Energiespeicher sollten wegen<br />

ihrer Eigenverluste nachts abgeschaltet werden.<br />

The English translation ist published in <strong>eb</strong> International<br />

2014.<br />

AUTORENDATEN<br />

Dipl. El.-Ing FH, MAS-IT, Stefan<br />

Nydegger (34), Studium der Informations-Technologie<br />

in Bern und der<br />

Elektrotechnik an der Technischen<br />

Hochschule des Kantons Bern; Fachbereichsleiter<br />

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Adresse: ENOTRAC AG, Abteilung<br />

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7/22/2014 7:51:38 PM<br />

467


Grundlagen<br />

Leistung oder Spannung? – Korrekte<br />

elektrische Netzberechnung <strong>für</strong> <strong>Bahnen</strong><br />

Sascha Hardel, Sven Körner, Arnd Stephan, Dresden<br />

Die elektrischen Netze <strong>von</strong> Verkehrssystemen sind aus verschiedensten Anlässen detailliert zu<br />

untersuchen. Die dazu verwendete Netzsimulation muss Besonderheiten gegenüber der Landesenergieversorgung<br />

abbilden, zum Beispiel zeitlich und örtlich veränderliche Lasten. Diesbezüglich<br />

werden Algorithmen der Leistungsfluss- und klassischen und modifizierten Knotenspannungsanalyse<br />

vorgestellt und bewertet.<br />

POWER OR VOLTAGE? – PROPER POWER SUPPLY CALCULATIONS FOR RAILWAYS<br />

Electric networks of transport systems require detailed investigation for various reasons. The<br />

power system simulation applied for this purpose has to model features which are uncommon<br />

for national power supply systems, e.g. temporally and locally variable loads. In this regard,<br />

algorithms of load flow analysis and classical and modified nodal analysis will be introduced<br />

and evaluated.<br />

PUISSANCE OU TENSION? – CALCULER CORRECTEMENT LE RÉSEAU ÉLECTRIQUE POUR LES LIGNES<br />

DE CHEMIN DE FER<br />

Les réseaux électriques des systèmes de transport doivent faire l’objet d’un examen détaillé pour<br />

les besoins les plus divers. Le programme de simulation de réseau utilisé à cette fin doit représenter<br />

les particularités du réseau national d’alimentation électrique, par exemple la variation des charges<br />

selon le moment et le lieu. L’article présente et évalue des algorithmes de l’analyse du flux de puissance<br />

ainsi que de l’analyse classique et modifiée de la tension de nœuds.<br />

1 Einführung<br />

Alle elektrischen Verkehrssysteme (EVS) erfüllen<br />

Verkehrsaufgaben und nutzen da<strong>für</strong> elektrische Antri<strong>eb</strong>senergie,<br />

zum Beispiel Eisenbahnen des Fernund<br />

Nahverkehrs, Metros, Straßenbahnen und<br />

Oberleitungsbusse. In <strong>die</strong>sem Beitrag werden Systeme<br />

betrachtet, <strong>die</strong> ein elektrisches Netz <strong>für</strong> kontinuierliche<br />

Energiezu- und rückführung besitzen.<br />

Die elektrotechnischen Vorgänge <strong>die</strong>ser Energieversorgung<br />

im stationären Zustand können mithilfe<br />

elektrischer Netzsimulationen abg<strong>eb</strong>ildet werden.<br />

Voraussetzung da<strong>für</strong> sind Daten zum dynamischen<br />

Betri<strong>eb</strong>sablauf des Verkehrssystems mit zeitlich und<br />

örtlich wechselnden Lasten.<br />

Energie- und Leistungsflusssimulationen sind<br />

aus der Landesenergieversorgung (LEV) bekannt.<br />

Einerseits findet mit <strong>die</strong>sem Hilfsmittel <strong>die</strong> betri<strong>eb</strong>liche<br />

Lastaufteilung zwischen Erzeugern und Leitern,<br />

andererseits <strong>die</strong> Netzausbauplanung statt. Ergänzend<br />

dazu interessieren bei Verkehrssystemen<br />

auch Detailbetrachtungen zu Spannungen und<br />

Stromstärken. Die abweichenden Untersuchungsziele<br />

und einige Besonderheiten <strong>von</strong> Verkehrssystemen<br />

berücksichtigen allgemeine Berechnungsverfahren<br />

nur unzureichend, sodass andere Verfahren<br />

überlegenswert erscheinen.<br />

2 Simulation elektrischer<br />

Verkehrssysteme<br />

2.1 Motivation<br />

Planungsprozesse bei Verkehrssystemen verlangen<br />

Analysen und Prognosen <strong>für</strong> <strong>die</strong> Elektroenergieversorgung.<br />

Die zeitlichen und örtlichen Verläufe elektrischer<br />

Größen zeigen, wie Betri<strong>eb</strong> und Energieversorgung<br />

zusammenwirken. Anlass da<strong>für</strong> bietet eine<br />

Vielzahl denkbarer Szenarien, zum Beispiel<br />

• Netzaus- oder –umbau,<br />

• Optimierung und Schwachstellenanalyse im<br />

Bestandsnetz,<br />

• Einsatz neuer Fahrzeuge,<br />

• Integration mobiler und stationärer Energiespeicher,<br />

• Einführung neuer Fahrpläne oder<br />

• Ausfalluntersuchungen.<br />

Eine Kernaufgabe ist <strong>die</strong> Dimensionierung der elektrischen<br />

Betri<strong>eb</strong>smittel wie Transformatoren, Stromrichter,<br />

Kabel oder Leitungen. Ausgehend <strong>von</strong> Stromstärken<br />

und deren zeitlicher Verteilung sind Aussagen zur<br />

thermischen Belastung der Betri<strong>eb</strong>smittel möglich. Der<br />

Vergleich mit der Belastbarkeit elektrischer Betri<strong>eb</strong>smittel<br />

beantwortet <strong>die</strong> Fragestellung, ob gewählte Komponenten<br />

dem untersuchten Betri<strong>eb</strong>sprogramm genügen.<br />

468 112 (2014) Heft 8-9


Grundlagen<br />

übergeordnetes Netz<br />

Unterwerk<br />

Einspeisung<br />

Energiezuführung<br />

Fahrleitung<br />

Fahrzeug<br />

Fahrschienen<br />

Energierückführung<br />

Rückleitungsverstärkung<br />

Erde<br />

Bild 1:<br />

Exemplarische Netzstruktur eines EVS (alle Grafiken: Autoren).<br />

Die Einhaltung normenrelevanter Kriterien ist essenziell<br />

<strong>für</strong> den sicheren Betri<strong>eb</strong> und <strong>die</strong> Zulassung<br />

elektrischer Verkehrssysteme. Im Sinne der Spannungshaltung<br />

geht aus der minimalen und maximalen<br />

Spannung U min und U max an der Fahrleitung beziehungsweise<br />

am Stromabnehmer nach EN 50163<br />

[1] hervor, ob eine Betri<strong>eb</strong>sdurchführung überhaupt<br />

möglich ist. Die mittlere nutzbare Spannung U mean useful<br />

ist ein Qualitätsmaß der Spannungshaltung nach<br />

EN 50388 [2] und kann nur durch Simulation bestimmt<br />

werden. Das Schienenpotenzial U RE zwischen<br />

Fahrschienen und Erde nach EN 50122-1 [3] nimmt<br />

<strong>für</strong> den Personenschutz eine wichtige Rolle ein. Zur<br />

Beurteilung der elektromagnetischen Verträglichkeit<br />

(EMV) sind Magnetfeldberechnungen erforderlich, <strong>die</strong><br />

auf der Stromverteilung und der Stromstärke in den<br />

Leitern basieren. Bezüglich der Versorgungssicherheit<br />

ist zu untersuchen, welche Auswirkungen der Ausfall<br />

einzelner Komponenten hervorruft und ob (n−1)-<br />

Betri<strong>eb</strong> gewährleistet werden kann. Für Einstellungen<br />

<strong>von</strong> Streckenschaltern müssen maximale Betri<strong>eb</strong>s- und<br />

minimale Kurzschlussströme ermittelt werden.<br />

Einen weiteren Themenkomplex bilden Analysen<br />

und Prognosen zum Leistungs- und Energi<strong>eb</strong>edarf. N<strong>eb</strong>en<br />

der Ermittlung <strong>von</strong> Wirk- (P), Blind- (Q) und Scheinleistungen<br />

(S) <strong>für</strong> Erzeuger und Verbraucher interessieren<br />

auch Verlustleistungen (P V ) und deren Aufteilung<br />

auf verschiedene Leiter. Der Energi<strong>eb</strong>edarf ab Fahrzeug,<br />

Speiseabschnitt, Unterwerk oder <strong>für</strong> das Gesamtnetz<br />

ist beispielsweise beim Vergleich verschiedener Elektrifizierungsvarianten<br />

bedeutend. Energi<strong>eb</strong>ilanzen stellen<br />

nicht nur eingespeiste und genutzte Energie gegenüber,<br />

sondern können auch anfallende und in das Netz<br />

zurückgespeiste elektrische Bremsenergie vergleichen.<br />

2.2 Besonderheiten und Anforderungen<br />

Die Energieversorgung elektrischer Verkehrssysteme<br />

weist gegenüber der LEV mehrere Besonderheiten<br />

auf, <strong>die</strong> bei der Simulation zu berücksichtigen sind.<br />

Grundsätzlich werden Energi<strong>eb</strong>edarf und Leistungsfluss<br />

durch <strong>die</strong> Fahrzeuge und <strong>die</strong> Energieversorgungsstruktur<br />

bestimmt, sodass <strong>die</strong>se detailliert in<br />

Form <strong>von</strong> Eingangsdaten zu beschreiben sind.<br />

Signifikant sind <strong>die</strong> zeit- und ortsveränderlichen<br />

Verbraucher bei elektrischen Verkehrssystemen: In<br />

der Zeitdimension erg<strong>eb</strong>en sich im Traktionsprozess<br />

unterschiedliche Leistungsbedarfe durch <strong>die</strong> Fahrzeuge.<br />

Sie können Leistung aus dem Netz beziehen oder<br />

bei Bremsbetri<strong>eb</strong> in das Netz zurückspeisen. Feststehende<br />

Netzelemente, zum Beispiel Gleise, Unterwerke<br />

und Leitungen, zeigen keine Veränderungen in der<br />

Ortsdimension. Im Gegensatz dazu ändern Fahrzeuge<br />

ihren Standort im Netz im Rahmen der Verkehrsaufgabe.<br />

So erg<strong>eb</strong>en sich veränderte geometrische<br />

und elektrische Netzeigenschaften, <strong>die</strong> <strong>von</strong> der Simulation<br />

beachtet werden müssen. Das verlangt ein<br />

universelles physikalisches Netzmodell und automatisierbare<br />

Berechnungsverfahren. In der LEV sind <strong>die</strong><br />

Erzeuger- und Verbraucherstandorte fest, lediglich<br />

der Leistungsbedarf ändert sich zeitlich.<br />

<strong>Elektrische</strong>r Leistungsfluss und Energi<strong>eb</strong>edarf<br />

werden maßg<strong>eb</strong>lich durch Netzstruktur und Spannungssituation<br />

beeinflusst. Folglich soll das gesamte<br />

elektrische Netz realitätsnah modelliert werden.<br />

Während <strong>für</strong> <strong>die</strong> allgemeine Energieversorgung dreiphasige<br />

AC-Netze typisch sind, verwenden Verkehrssysteme<br />

meist einphasige Systeme. Verbreitet sind<br />

DC-, 1AC- und 2AC-<strong>Bahnen</strong>ergieversorgungsnetze.<br />

Zum Netzmodell gehören <strong>die</strong> festen und veränderlichen<br />

Elemente mit ihrer Struktur, ihren elektrischen<br />

Eigenschaften und ihrer Belastbarkeit. Dabei ist zu<br />

bedenken, dass <strong>die</strong> Netzstruktur entlang des EVS variabel<br />

ist. Ein einfaches Beispiel <strong>für</strong> <strong>die</strong> Netzstruktur<br />

eines Bahnsystems zeigt Bild 1.<br />

Zu den festen Netzelementen zählen Einspeisungen<br />

in Form <strong>von</strong> Unterwerken sowie ggf. das<br />

übergeordnete Netz. Sowohl Energiezuführung als<br />

auch –rückführung am Verkehrsweg werden über<br />

112 (2014) Heft 8-9<br />

469


Grundlagen<br />

1. elektrisches Netzwerk<br />

generieren<br />

2. Gleichungssystem<br />

aufstellen<br />

3. Lösungsverfahren<br />

anwenden<br />

4. Auswertung<br />

durchführen<br />

Bild 2:<br />

Prozesskette der elektrischen Netzberechnung.<br />

Kabel und Leitungen ang<strong>eb</strong>unden. Der Zuführung<br />

<strong>die</strong>nt <strong>die</strong> Fahrleitung einschließlich Verstärkungsleitungen<br />

und Querverbindungen. Zur Rückführung<br />

gehören Gleise, Rückleitungsverstärkungen<br />

und ggf. <strong>die</strong> Erde. Die Ableitungseigenschaften<br />

zwischen Gleis und Erde unterliegen systembedingt<br />

gegensätzlichen Anforderungen. Als weitere<br />

Elemente sind Kuppelstellen, Booster- und Autotransformatoren<br />

nachzubilden.<br />

Als wichtige Vertreter der veränderlichen Netzelemente<br />

wurden bereits <strong>die</strong> Fahrzeuge eingeführt.<br />

Deren momentane Positionen und Leistungsbedarfe<br />

werden durch <strong>die</strong> Betri<strong>eb</strong>ssimulation bereitgestellt.<br />

Energiespeicher können mobil in Fahrzeugen<br />

oder stationär installiert sein und erlauben<br />

oberleitungsfreie Streckenabschnitte, Energieeinsparungen<br />

sowie Spannungsstützungen. Eine<br />

veränderliche Leistungsaufnahme zeigen auch<br />

Zusatzverbraucher wie Weichenheizungen, Weichenantri<strong>eb</strong>e,<br />

Fahrzeugvorheizanlagen und Schuppenprüfanlagen.<br />

Schaltanlagen können <strong>die</strong> elektrische<br />

Netzstruktur während des Betri<strong>eb</strong>es anpassen,<br />

wenn zum Beispiel ein Unterwerk oder ein Gleis <strong>für</strong><br />

Wartungszwecke außer Betri<strong>eb</strong> genommen wird.<br />

Ebenfalls veränderlich sind Schutzeinrichtungen,<br />

zum Beispiel <strong>für</strong> Überlastungsschutz und Potenzialausgleich,<br />

aber auch der Sonderfall Kurzschluss.<br />

Die genannten Netzparameter beeinflussen <strong>die</strong><br />

Spannungssituation. In Abhängigkeit <strong>von</strong> <strong>die</strong>ser<br />

stellt sich bei einer bestimmten Leistungsaufnahme<br />

der Fahrzeugstrom ein. Eine abnehmende Spannung<br />

führt bei konstantem Leistungsbedarf wegen<br />

P = U ∙ I ∙ cos φ zu steigender Stromstärke und<br />

Verlustleistung. Bei zu niedriger Spannung wird<br />

<strong>die</strong> Leistung begrenzt, um einen zu hohen Strom<br />

und thermische Beschädigung zu unterbinden. Die<br />

verfügbare Netzspannung kann folglich zu einer<br />

Zugkraftverringerung oder Fahrzeugabschaltung<br />

führen. Der umgekehrte Fall einer hohen Netzspannung<br />

verhindert eventuell eine Netzrückspeisung<br />

<strong>von</strong> Bremsenergie, da dann das Netz nicht<br />

energieaufnahmefähig ist. Zur Abbildung <strong>die</strong>ser<br />

Wechselwirkungen müssen Betri<strong>eb</strong>s- und elektrische<br />

Netzsimulation parallel ablaufen.<br />

Bei AC-Systemen besteht eine elektromagnetische<br />

Kopplung zwischen Längsleitern, zum Beispiel<br />

Fahrleitung, Rückleitungsverstärkung und Schienen.<br />

Die zugehörigen Koppelimpedanzen hängen <strong>von</strong><br />

den jeweiligen Leiterströmen und deren geometrischer<br />

Anordnung zueinander ab.<br />

3 Grundlagen der<br />

Berechnungsverfahren<br />

3.1 Allgemeines<br />

Das Prinzip aller Berechnungsverfahren besteht<br />

darin, ein elektrisches Netzwerk durch ein Gleichungssystem<br />

auszudrücken und mathematisch<br />

eine Lösung zu finden. Bei gleichen physikalischen<br />

Hintergründen werden da<strong>für</strong> unterschiedliche Modelle<br />

und Methoden eingesetzt. Bevor ausgewählte<br />

Verfahren vorgestellt werden, sollen zunächst <strong>die</strong> gemeinsamen<br />

Grundlagen aufgezeigt werden. Die allgemeine<br />

Schrittfolge aller Verfahren geht aus Bild 2<br />

hervor. Dabei ist zu beachten, dass <strong>die</strong> Schritte 1<br />

bis 3 geg<strong>eb</strong>enenfalls mehrfach in einem Zeitschritt<br />

durchlaufen werden.<br />

3.2 Berechnungsschritte<br />

Schritt 1: elektrisches Netzwerk generieren<br />

Die elektrische Netzwerkgenerierung beginnt mit<br />

der Modellbildung, also der physikalischen Beschreibung<br />

des realen EVS als elektrische Schaltung. Dies<br />

leistet der Benutzer und beachtet dabei <strong>die</strong> Automatisierbarkeit<br />

der folgenden Schritte. Ideale Spannungsquellen<br />

repräsentieren üblicherweise Einspeisungen.<br />

Die Hin- und Rückleitungen werden durch<br />

Impedanzen bzw. deren längenabhängige Beläge<br />

ausgedrückt. Für <strong>die</strong> Nachbildung der Fahrzeuge<br />

existieren je nach Berechnungsverfahren unterschiedliche<br />

Ansätze, zum Beispiel als Spannungsquelle,<br />

Impedanz oder Leistungsquelle [4]. Empfehlenswert<br />

ist <strong>die</strong> Berechnung der elektrischen Größen<br />

aus der mechanischen Zugkraftanforderung. Die<br />

Schaltung ist dem Simulationsprogramm grafisch<br />

oder tabellarisch zu überg<strong>eb</strong>en. Sie wird in ein Netzwerk<br />

mit z Zweigen, k Knoten und m unabhängigen<br />

Maschen überführt, indem <strong>die</strong> Elemente durch ihr<br />

definiertes Spannungs-Strom-Verhalten ausgedrückt<br />

werden. Die Modellqualität <strong>die</strong>ses Netzwerks beeinflusst<br />

wesentlich <strong>die</strong> Übereinstimmung der Simulationserg<strong>eb</strong>nisse<br />

mit der Realität und bestimmt so <strong>die</strong><br />

Belastbarkeit der Erg<strong>eb</strong>nisse.<br />

Für <strong>die</strong> rechnerlesbare Netzwerkdarstellung bieten<br />

sich Matrizen an, zum Beispiel <strong>die</strong> Knotenadmittanzmatrix.<br />

Mit den Kehrwerten der Impedanzen<br />

sind nicht existente Verbindungen rechentechnisch<br />

470 112 (2014) Heft 8-9


Grundlagen<br />

einfach zu handhaben (Y = 0 statt Z = ∞). Die Matrixkomponenten<br />

können durch einheitliche Bildungsregeln<br />

gewonnen werden. Die Hauptdiagonale ist<br />

mit den Knotenadmittanzen Y xx besetzt, der Summe<br />

aller Admittanzen auf den anliegenden Zweigen des<br />

Knotens x, <strong>für</strong> das Beispiel in Bild 3 also Y 11 = Y 12 + Y 13 .<br />

Die übrigen Komponenten füllen <strong>die</strong> Koppeladmittanzen<br />

Y xy aus, <strong>die</strong> negativen Admittanzsummen<br />

zwischen den Knoten x und y, also zum Beispiel<br />

− Y 12 . In der Energieversorgung sind schwach besetzte<br />

Matrizen typisch, da nur wenige Knoten direkt<br />

miteinander verbunden sind. Derart kann bereits ein<br />

Großteil des elektrischen Netzes beschri<strong>eb</strong>en werden,<br />

weitere Eigenschaften werden verfahrensspezifisch<br />

ausgedrückt [5].<br />

Der erste Schritt umfasst weitere Vorbereitungsaufgaben.<br />

Diese betreffen zum Beispiel Bezeichnungen,<br />

Zählrichtungen, Definitionen <strong>von</strong> Hilfsgrößen<br />

oder Ersetzungen nicht berechenbarer Schaltungselemente.<br />

Schritt 2: Gleichungssystem aufstellen<br />

Um Berechnungen durchzuführen, müssen <strong>die</strong> elektrischen<br />

Vorgänge im Netz mit geeigneten Netzwerkgleichungen<br />

beschri<strong>eb</strong>en werden. Sie basieren auf<br />

den Kirchhoffschen Gesetzen und Spannungs-Strom-<br />

Beziehungen einzelner Zweige, zum Beispiel dem<br />

Ohmschen Gesetz.<br />

Σ I zu<br />

= Σ I<br />

ab<br />

Knotenpunktsatz: Die Summe<br />

der Ströme, <strong>die</strong> in einen Knoten<br />

hinein- und abfließen ist null. (1)<br />

z<br />

U x<br />

x=<br />

1<br />

Σ = 0 Maschensatz: Die Summe<br />

aller Spannungen in einem<br />

Maschen umlauf ist null. (2)<br />

U = Z ⋅ I Ohmsches Gesetz in<br />

komplexer Form (3)<br />

Daraus lässt sich <strong>für</strong> einen Knoten ableiten, dass<br />

Y 12<br />

Knoten x = 1 Knoten y = 2<br />

I<br />

x<br />

=<br />

z<br />

Σ<br />

y=<br />

1<br />

Y<br />

xy<br />

U (4)<br />

y<br />

<strong>die</strong> Beziehungen zu den Nachbarknoten beschreibt.<br />

Es ist zweckmäßig, Y als Knotenadmittanzmatrix sowie<br />

I und U als Vektoren zu betrachten, deren Größe<br />

<strong>von</strong> der Knotenanzahl im Netzwerk abhängig ist.<br />

Die schließlich <strong>für</strong> <strong>die</strong> Berechnung herangezogenen<br />

Gleichungen und <strong>die</strong> geg<strong>eb</strong>enen und gesuchten<br />

Größen variieren je nach Berechnungsverfahren.<br />

Schritt 3: Lösungsverfahren anwenden<br />

Um aus dem aufgestellten Gleichungssystem <strong>die</strong><br />

Lösung zu gewinnen, muss aus verschiedenen mathematischen<br />

Verfahren ein Geeignetes gewählt<br />

werden, das zwecks Simulationsanwendung als Algorithmus<br />

vorliegt. Numerische Lösungsverfahren<br />

werden in direkte und iterative Löser unterschieden.<br />

Schritt 4: Auswertung<br />

Die berechneten Erg<strong>eb</strong>nisse beantworten oft nicht unmittelbar<br />

<strong>die</strong> einleitend aufgeworfenen Fragestellungen<br />

einer konkreten Untersuchungsaufgabe. Folglich<br />

sind <strong>die</strong> gesuchten Größen erst aus den berechneten<br />

Erg<strong>eb</strong>nissen abzuleiten und in Form <strong>von</strong> übersichtlichen<br />

Tabellen oder Abbildungen aufzubereiten.<br />

Für <strong>die</strong> Netzberechnung <strong>von</strong> EVS eignen sich<br />

grundsätzlich <strong>die</strong> Leistungsflussanalyse und <strong>die</strong> Knotenspannungsanalyse.<br />

Beide Verfahren werden im<br />

Folgenden anhand der Prozesskette gemäß Bild 2<br />

vorgestellt.<br />

4 Leistungsflussanalyse<br />

4.1 Allgemeines<br />

Die Leistungsflussanalyse (LF) ist in der LEV <strong>für</strong><br />

Netzplanung und betri<strong>eb</strong> verbreitet [5]. Die anzutreffenden<br />

Grundannahmen sind ein symmetrisches<br />

Drehstromnetz und eine feste Einspeise- und<br />

Abnehmerstruktur. Es ermittelt <strong>die</strong> Leistungsfluss-,<br />

Strom- und Spannungsverteilung auf Basis der Leistungsbilanz<br />

an den Netzwerkknoten. Hauptsächliche<br />

Rechengrößen sind <strong>die</strong> Wirkleistung P, <strong>die</strong> Blindleistung<br />

Q, <strong>die</strong> Spannung U und deren Phasenwinkel δ.<br />

Y 13<br />

Y 24<br />

4.2 Berechnungsschritte<br />

Schritt 1: elektrisches Netzwerk generieren<br />

Knoten 3 Knoten 4<br />

Bild 3:<br />

Beispielnetzwerk.<br />

Y 34<br />

Bei der LF ist zu beachten, dass <strong>die</strong> Netzwerkknoten<br />

nach ihren Eigenschaften in drei Typen unterschieden<br />

werden und eine entsprechende Zuordnung gemäß<br />

Tabelle 1 erfolgen muss.<br />

112 (2014) Heft 8-9<br />

471


Grundlagen<br />

Bei EVS können Unterwerke, Energiespeicher<br />

und netzrückspeisende Fahrzeuge als Einspeiseknoten<br />

betrachtet werden. Zu den Abnehmerknoten<br />

zählen beziehende Fahrzeuge, Energiespeicher<br />

und Zusatzverbraucher. Die Leistungsgrößen <strong>von</strong><br />

Fahrzeugen gehen aus deren Antri<strong>eb</strong>ssimulation<br />

hervor. Im Netzwerk vorkommende Bilanzknoten<br />

müssen so leistungsfähig sein, dass <strong>die</strong> aus der<br />

Berechnung hervorgehenden Lasten bereitgestellt<br />

werden können [5].<br />

Beim Netzmodell werden alle Leiterimpedanzen<br />

zusammengefasst. Es entsteht ein Einleitermodell<br />

wie in Bild 4 dargestellt.<br />

Schritt 2: Gleichungssystem aufstellen<br />

Für <strong>die</strong> LF wird nach [6] und [7] <strong>die</strong> bekannte Knotenbeziehung<br />

I<br />

x<br />

=<br />

z<br />

Σ<br />

y=<br />

1<br />

Y<br />

xy<br />

U (5)<br />

y<br />

mit der Beziehung zwischen Leistung, Spannung<br />

und Stromstärke<br />

S<br />

x<br />

*<br />

x<br />

= U ⋅ I = P + jQ<br />

(6)<br />

x<br />

x<br />

x<br />

zu folgender Ausgangsgleichung kombiniert:<br />

z<br />

*<br />

x Σ<br />

y=<br />

1<br />

*<br />

*<br />

P − jQ<br />

= U ⋅ I = U Y U = Y U U .(7)<br />

x x x x<br />

xy<br />

xy<br />

y<br />

z<br />

Σ<br />

y=<br />

1<br />

An den Knoten leiten sich daraus <strong>die</strong>se Gleichungen<br />

<strong>für</strong> Wirk- und Blindleistung ab:<br />

z<br />

P = Y U U ⋅ cos ( θ + δ − δ ),(8)<br />

x<br />

Σ<br />

y = 1<br />

xy<br />

y<br />

*<br />

x<br />

xy<br />

*<br />

Q = − Y U U ⋅ sin( θ + δ −δ<br />

).(9)<br />

x<br />

z<br />

Σ<br />

y = 1<br />

xy<br />

y<br />

x<br />

xy<br />

Schritt 3: Gleichungssystem lösen<br />

Nun sind Werte <strong>für</strong> <strong>die</strong> gesuchten Größen wie U und<br />

δ an allen Netzknoten zu finden, mit welchen <strong>die</strong><br />

Gleichungen <strong>die</strong> geg<strong>eb</strong>enen Werte, zum Beispiel P<br />

und Q liefern. Die Nichtlinearität der Gleichungen erfordert<br />

ein iteratives numerisches Lösungsverfahren.<br />

Zu den mathematischen Iterationsverfahren zählt<br />

das Gauß-Seidel-Verfahren, das gesuchte Werte schrittweise<br />

einer akzeptabel genauen Lösung annähert.<br />

Der Berechnungsaufwand dabei ist gering, allerdings<br />

konvergiert das Verfahren nur langsam. Das Newton-<br />

Raphson-Verfahren beginnt mit Startannahmen zum<br />

Beispiel <strong>für</strong> U und δ, <strong>die</strong> abweichende Werte gegenüber<br />

den geg<strong>eb</strong>enen Größen liefern. Diese ΔP und<br />

ΔQ werden linear zu den Annahmen in Bezug gesetzt,<br />

praktisch durch <strong>die</strong> partiellen Ableitungen in Form einer<br />

Jacobi-Matrix. Daraus gehen Korrekturwerte ΔU<br />

und Δδ hervor, mit denen <strong>die</strong> Rechnung wiederholt<br />

y<br />

y<br />

x<br />

x<br />

y<br />

x<br />

TABELLE 1<br />

Knotentypen der Leistungsflussanalyse nach [5].<br />

Knotentyp geg<strong>eb</strong>ene Größen gesuchte Größen<br />

Einspeiseknoten P, U Q, δ<br />

Abnehmerknoten P, Q U, δ<br />

Bilanzknoten U, δ P, Q<br />

wird. Dies geschieht, bis das quadratisch konvergierende<br />

Verfahren zu Korrekturwerten unterhalb festgelegter<br />

Schranken führt. Nachteilig ist <strong>die</strong> rechnerisch<br />

anspruchsvolle Invertierung der Jacobi-Matrix [6]. Abwandlungen<br />

wie <strong>die</strong> schnelle entkoppelte Leistungsflussanalyse<br />

beruhen auf der vereinfachenden Annahme,<br />

dass <strong>die</strong> jeweiligen Beziehungen zwischen P und δ<br />

sowie Q und U <strong>für</strong> das Netz maßg<strong>eb</strong>lich sind [5].<br />

Alternativ sind auch heuristische Verfahren wie<br />

genetische Algorithmen oder Simulated-Annealing<br />

einsetzbar [6].<br />

Schritt 4: Auswertung<br />

Aus der Berechnung mit der LF gehen keine Stromstärken<br />

hervor. Sie können mit Hilfe der Knotenadmittanzmatrix<br />

und den <strong>für</strong> <strong>die</strong> Knoten berechneten<br />

Spannungen bestimmt werden.<br />

5 Knotenspannungsanalyse<br />

5.1 Klassische Knotenspannungsanalyse<br />

5.1.1 Allgemeines<br />

Die Knotenspannungsanalyse (KSA) basiert auf den<br />

Strombilanzen im Sinne des 1. Kirchhoffschen Gesetzes.<br />

Sie nutzt als Rechenhilfsgröße <strong>die</strong> nameng<strong>eb</strong>enden<br />

Knotenspannungen, also Potenzialunterschiede<br />

zwischen den Knoten des elektrischen Netzwerks.<br />

Dies bietet verschiedene Vorteile bei der Simulation<br />

<strong>von</strong> EVS, sodass <strong>die</strong> Arbeitsweise zahlreicher Simulationsprogramme<br />

darauf zurückzuführen ist.<br />

5.1.2 Berechnungsschritte<br />

Schritt 1: elektrisches Netzwerk generieren<br />

Das klassische Verfahren gestattet keine Spannungsquellen.<br />

Diese werden daher gemäß Norton-Theorem<br />

in Stromquellen umgewandelt. Für <strong>die</strong> Potenzialbestimmung<br />

ist ein Bezugsknoten zu wählen, dem ein festes<br />

Potenzial zugewiesen wird (Bezugsknoten 0 in Bild 5).<br />

Bei EVS wird <strong>die</strong>ses Potenzial üblicherweise als entfernte<br />

Erde und damit als absoluter Nullpunkt interpretiert.<br />

Von allen anderen Knoten des Netzwerks aus können<br />

472 112 (2014) Heft 8-9


Grundlagen<br />

Y<br />

Fahrleitung<br />

I<br />

Y<br />

Rückführung<br />

I<br />

xy<br />

Y xy<br />

Knoten x = 1 Knoten y = 2<br />

U Fahrzeug<br />

U Unterwerk<br />

Fahrzeug<br />

(P, Q)<br />

Y 10<br />

U x0<br />

U xy<br />

Y 24<br />

U y0<br />

Bild 4:<br />

Exemplarisches Netzwerk der Leistungsflussanalyse.<br />

nun k−1 Knotenspannungen zum Bezugsknoten definiert<br />

werden (U x0 , U y0 in Bild 5). Ihre unbekannten Werte<br />

sind im Rahmen der Berechnung zu ermitteln.<br />

Damit sind <strong>die</strong> Voraussetzungen erfüllt, um<br />

Zweigströme (I xy ) durch Zweigspannungen (U xy )<br />

und <strong>die</strong>se schließlich durch Knotenspannungen zu<br />

ersetzen. Alle Zweigströme werden durch <strong>die</strong> Knotenspannungen<br />

der anliegenden Knoten und <strong>die</strong><br />

Zweigadmittanzen ausgedrückt.<br />

I = Y ⋅ U = Y ⋅ ( U − U ) (10)<br />

0 0<br />

xy<br />

xy<br />

xy<br />

112 (2014) Heft 8-9<br />

xy<br />

Schritt 2: Gleichungssystem aufstellen<br />

x<br />

Die eingeführten Größen gestatten es, <strong>für</strong> <strong>die</strong> k<br />

Knoten nun k−1 unabhängige Knotengleichungen<br />

aufzustellen. Auch hier ist <strong>die</strong> Matrixform als Knotenadmittanzmatrix<br />

üblich, deren bekannte Bildungsregeln<br />

genutzt werden.<br />

Y ∙ U = I(11)<br />

N<strong>eb</strong>en der Knotenadmittanzmatrix ist auch der Einströmungsvektor<br />

I geg<strong>eb</strong>en. Er repräsentiert je nach<br />

Vorzeichen der Komponente <strong>die</strong> Einspeisungen und<br />

Abnehmer. Das Gleichungssystem ist nach dem Knotenspannungsvektor<br />

U zu lösen.<br />

Schritt 3: Gleichungssystem lösen<br />

Das vorliegende Gleichungssystem kann direkt beispielsweise<br />

nach Gaußschem Eliminationsverfahren<br />

berechnet werden. Alternativ können bei großen<br />

Freiheitsgraden iterative Lösungsverfahren wie Gauß-<br />

Seidel-, Newton- oder Krylow-Unterraum-Verfahren<br />

eingesetzt werden, <strong>die</strong> sich <strong>für</strong> schwach besetzte Matrizen<br />

als besonders geeignet herausgestellt haben.<br />

Schritt 4: Auswertung<br />

Als Differenz zwischen den berechneten Knotenspannungen<br />

können nahezu beli<strong>eb</strong>ige Spannungen<br />

innerhalb des Netzwerks ermittelt werden.<br />

y<br />

Ebenso lassen sich <strong>die</strong> Stromstärken <strong>für</strong> alle Zweige<br />

bestimmen, schließlich können somit (Verlust-)<br />

Leistungen und mit den Erg<strong>eb</strong>nissen mehrerer Zeitschritte<br />

auch Energiewerte ausgeg<strong>eb</strong>en werden. Auf<br />

Basis der Stromstärken können Erwärmungsverläufe<br />

ermittelt oder Magnetfelder berechnet werden.<br />

5.2 Modifizierte Knotenspannungsanalyse<br />

5.2.1 Allgemeines<br />

Die Nachteile der klassischen KSA lassen sich mit der modifizierten<br />

Knotenspannungsanalyse (MKSA), wie sie in<br />

[8] vorgestellt wird, beh<strong>eb</strong>en. Dabei behält <strong>die</strong> Erweiterung<br />

<strong>die</strong> Vorteile und Einfachheit der klassischen KSA bei<br />

und behandelt dort nicht erlaubte Netzwerkelemente<br />

durch zusätzliche Gleichungen. Dementsprechend sind<br />

<strong>die</strong> Abläufe <strong>von</strong> KSA und MKSA sehr ähnlich. Übereinstimmend<br />

sind beide Verfahren, wenn das Netzwerk nur<br />

ideale Stromquellen und lineare Admittanzen umfasst.<br />

5.2.2 Berechnungsschritte<br />

Bild 5:<br />

Exemplarischer Netzwerkausschnitt <strong>für</strong> KSA.<br />

Schritt 1: elektrisches Netzwerk generieren<br />

Bezugsknoten 0 Knoten 4<br />

Y 40<br />

Bezugsknoten und Knotenspannungen benötigt<br />

auch <strong>die</strong> MKSA. Abweichungen zum klassischen Verfahren<br />

treten auf, wenn das Netzwerk Spannungsquellen<br />

oder <strong>von</strong> Stromstärken abhängige Elemente<br />

enthält. Es besteht eine Zweiteilung in wie bisher als<br />

Admittanz modellierbare und zusätzliche Elemente.<br />

Für letztere ist jeweils ein Zweigstrom als zusätzliche<br />

Hilfsvariable einzuführen und zu berechnen.<br />

Jede so erzeugte neue Unbekannte bedarf einer<br />

zusätzlichen Gleichung <strong>für</strong> <strong>die</strong> Lösung, <strong>die</strong> in Form<br />

der zugehörigen Zweiggleichungen das mathematisch-physikalische<br />

Modell des Elements beschreibt.<br />

Als unbekannte Größen treten bei der MKSA demzufolge<br />

unverändert Knotenspannungen und zusätzlich<br />

Stromstärken auf.<br />

473


Grundlagen<br />

Schritt 2: Gleichungssystem aufstellen<br />

Die Matrixdarstellung des Gleichungssystems ähnelt<br />

der KSA, ist aber erkennbar erweitert:<br />

Y B<br />

C D<br />

⋅<br />

U<br />

I<br />

w<br />

w<br />

Ig<br />

= (12)<br />

U<br />

g<br />

Der Spaltenvektor der Eingangswerte umfasst wie bisher<br />

<strong>die</strong> Einströmungen I g und zusätzlich auch Knotenspannungen<br />

U g . Die Koeffizientenmatrix besteht zunächst aus<br />

der bekannten Knotenadmittanzmatrix Y, <strong>die</strong> aber jene<br />

gesondert zu betrachtenden Zweige nicht repräsentiert.<br />

Dies geschieht durch weitere Teilmatrizen B, C und D, <strong>die</strong><br />

<strong>von</strong> Typ und Lage der zusätzlichen Elemente abhängig<br />

sind. Die Dimension der Koeffizientenmatrix ergibt sich<br />

demnach aus der Anzahl der Netzknoten abzüglich Bezugsknoten<br />

und den zusätzlich zu berechnenden Stromstärken.<br />

Der Spaltenvektor der Unbekannten enthält<br />

unverändert <strong>die</strong> Knotenspannungen U w und zusätzlich<br />

Stromstärken I w . Für <strong>die</strong> automatisierte Matrixerstellung<br />

sind elementabhängige Ausfüllmuster verfügbar [8].<br />

Schritt 3: Gleichungssystem lösen<br />

Auch <strong>die</strong> MKSA liefert ein Gleichungssystem, bei<br />

dem <strong>die</strong> Lösungsverfahren wie bei der KSA einsetzbar<br />

sind. N<strong>eb</strong>en einer aufwendigen direkten Lösung<br />

können Approximationsverfahren mit gezielter Pivotisierung<br />

effizienter sein.<br />

Schritt 4: Auswertung<br />

In Anlehnung an <strong>die</strong> KSA können aus berechneten<br />

Knotenspannungen und Stromstärken weitere Größen<br />

<strong>für</strong> <strong>die</strong> Simulationsaufgabe ermittelt werden.<br />

6 Datenermittlung<br />

N<strong>eb</strong>en der Auswahl des Berechnungsverfahrens ist<br />

<strong>die</strong> Datenermittlung <strong>für</strong> <strong>die</strong> Impedanzmatrix eine<br />

wichtige Voraussetzung <strong>für</strong> <strong>die</strong> Berechnung. Diese<br />

Matrix ist wichtiger Grundbaustein aller vorgestellten<br />

Verfahren. Für zahlreiche elektrische Betri<strong>eb</strong>smittel<br />

sind notwendige Simulationswerte direkt vom Typenschild<br />

oder Datenblatt ablesbar, können daraus<br />

abgeleitet oder messtechnisch ermittelt werden.<br />

Die Impedanzen der elektrischen Leiter hängen <strong>von</strong><br />

verschiedenen Parametern ab, zum Beispiel <strong>von</strong> der<br />

Frequenz, der Anzahl und der Anordnung der Leiter,<br />

der magnetischen und elektrischen Leitfähigkeit des<br />

Materials und teilweise vom Stromfluss. Bei elektrischen<br />

<strong>Bahnen</strong> ist <strong>die</strong> Rückleitung der Ströme über das Erdreich<br />

bei der Impedanzberechnung <strong>eb</strong>enfalls zu berücksichtigen.<br />

Für <strong>die</strong> allgemeine LEV sind Werte in Nachschlagewerken<br />

[5] tabellarisch dargestellt. Eine Auswahl an<br />

Impedanzbelägen verschiedener Oberleitungskonfigurationen<br />

<strong>von</strong> EVS findet man beispielsweise in [9] oder<br />

[10]. Da nicht <strong>für</strong> alle möglichen Parametervariationen<br />

<strong>die</strong> Impedanzen aus Tabellen entnommen werden können,<br />

sind <strong>die</strong>se oft projektspezifisch zu ermitteln. Bei<br />

mit Wechselstrom betri<strong>eb</strong>enen EVS ist es notwendig,<br />

<strong>die</strong> elektromagnetische Kopplung der Längsleiter zu berücksichtigen.<br />

Im Laufe der Zeit wurden <strong>die</strong> Verfahren<br />

zur Impedanzberechnung kontinuierlich erweitert und<br />

verbessert. Von gekoppelten Leiterschleifen mit Rückleitung<br />

über Erde, <strong>die</strong> Anwendung der Mehrpoltheorie <strong>für</strong><br />

eine begrenzte [11] und später allgemeine Leiteranzahl<br />

[12] bis hin zur direkten Berücksichtigung der elektromagnetischen<br />

Kopplungseffekte bei der Bestimmung<br />

der Impedanzwerte [13; 14] werden zahlreiche Berechnungsmethoden<br />

genutzt.<br />

7 Bewertung<br />

Für den Netzbetri<strong>eb</strong> der LEV ist entscheidend, ob<br />

<strong>die</strong> benötigte Leistung bereitgestellt und übertragen<br />

werden kann. Wegen der somit übereinstimmenden<br />

Rechengrößen wird <strong>die</strong> LF in vielen<br />

Programmen eingesetzt. Dabei bestehen mathematische<br />

Herausforderungen aufgrund des nichtlinearen<br />

Gleichungssystems: Die Konvergenz des<br />

numerischen Lösungsverfahrens kann lange Zeit<br />

beanspruchen oder gar nicht eintreten. Bei Letzterem<br />

ist unbekannt, ob ungünstige Startwerte des<br />

Verfahrens oder <strong>die</strong> Nichtexistenz einer Lösung<br />

ursächlich sind. [15] Die LF kann aufgrund ihres<br />

vereinfachten Modellansatzes (Bild 4) bestimmte<br />

Besonderheiten <strong>von</strong> EVS nicht abdecken. Fahrzeug-<br />

oder Unterwerksspannungen können berechnet<br />

werden, jedoch keine <strong>von</strong> Einzelleitern abhängigen<br />

Größen. Dazu zählen Schienenpotenziale<br />

oder Erdrückströme <strong>für</strong> normenrelevante Kriterien<br />

der Sicherheit und EMV. Ebenso kann der Einsatz<br />

<strong>von</strong> Auto- oder Boostertransformatorsystemen nur<br />

oberflächlich modelliert werden.<br />

Die KSA wird als standardisiertes Verfahren in zahlreichen<br />

Programmen <strong>für</strong> elektronische Schaltungssimulationen<br />

implementiert. Das Netzmodell bezieht<br />

realitätsnah alle Knoten und Zweige ein. Somit sind<br />

EVS durch einzelne Leiter oder besondere Speisekonzepte<br />

angemessen repräsentiert. Schienenpotenziale<br />

können als Knotenspannungsdifferenzen zwischen<br />

Schiene und Erde bestimmt werden. Aus Zweigadmittanzen<br />

und anliegenden Knotenspannungen können<br />

<strong>die</strong> Stromstärken in einzelnen Leitern berechnet<br />

werden. Probleme bereiten Netzwerkelemente, <strong>die</strong><br />

nicht als lineare Zweigadmittanz modellierbar sind.<br />

Somit können Spannungsquellen, Transformatoren<br />

und allgemein stromabhängige Elemente nicht mit<br />

dem klassischen Verfahren modelliert werden [8].<br />

474 112 (2014) Heft 8-9


Grundlagen<br />

Die MKSA nutzt <strong>die</strong> Vorteile der klassischen KSA<br />

und erweitert <strong>die</strong>se durch zusätzliche Netzwerkelemente.<br />

Als universelles Verfahren bietet <strong>die</strong> MKSA<br />

eine höhere Modellierungsflexibilität. Durch <strong>die</strong> größere<br />

Gleichungsanzahl erhöht sich der Berechnungsaufwand,<br />

im Ausgleich werden bestimmte Netzwerkelemente<br />

überhaupt erst berechenbar.<br />

Die genannten Vor- und Nachteile der Verfahren zeigen,<br />

dass <strong>die</strong> spezifischen Anforderungen elektrischer<br />

Verkehrssysteme am besten <strong>von</strong> der modifizierten<br />

Knotenspannungsanalyse erfüllt werden. Mit anderen<br />

Verfahren können nur Teile der eingangs vorgestellten<br />

Untersuchungsaufgaben bearbeitet werden.<br />

Bestandteil bei allen vorgestellten Verfahren ist <strong>die</strong><br />

Impedanzmatrix des elektrischen Netzwerks. Die direkte<br />

Berücksichtigung der elektromagnetischen Kopplung<br />

bei wechselstrom-durchflossenen Leitern ist in der<br />

Netzberechnungssoftware OpenPowerNet [16] integriert.<br />

Diese Integration hat den Vorteil, dass Impedanzen<br />

nicht erst durch spezielle Programme oder Berechnungsroutinen<br />

aufwändig ermittelt werden müssen.<br />

Durch moderne Rechentechnik, intelligente Algorithmen,<br />

effiziente Gleichungslöser und geschickte<br />

Datenbereitstellung können heutzutage selbst komplexe<br />

Betri<strong>eb</strong>sabläufe elektrischer Verkehrssysteme<br />

unter Einfluss der Wechselwirkungen mit dem elektrischen<br />

Netz detailliert untersucht werden.<br />

The English translation is published in <strong>eb</strong> International<br />

2014.<br />

AUTORENDATEN<br />

Sascha Hardel (25), seit 2008 Studium des Verkehrsingenieurwesens<br />

an der TU Dresden, Fakultät Verkehrswissenschaften<br />

„Friedrich List“, Stu<strong>die</strong>nrichtung Planung und Betri<strong>eb</strong> elektrischer<br />

Verkehrssysteme; 2014 Praktikum bei IFB – Institut <strong>für</strong> Bahntechnik<br />

GmbH, Fachbereich Antri<strong>eb</strong>stechnik und <strong>Bahnen</strong>ergieversorgung.<br />

Adresse: IFB – Institut <strong>für</strong> Bahntechnik GmbH,<br />

Wiener Str. 114/116, 01219 Dresden, Deutschland;<br />

E-Mail: sascha.hardel@mailbox.tu-dresden.de<br />

Dipl.-Ing. Sven Körner (35), Studium des Verkehrsingenieurwesens<br />

an der TU Dresden, Spezialisierung Planung und Betri<strong>eb</strong> elektrischer<br />

Verkehrssysteme; 2007 bis 2013 Stipendium der Siemens<br />

AG und wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Professur <strong>Elektrische</strong><br />

<strong>Bahnen</strong>; seit 2013 Projektleiter beim IFB – Institut <strong>für</strong> Bahntechnik<br />

GmbH, Fachbereich Antri<strong>eb</strong>stechnik und <strong>Bahnen</strong>ergieversorgung.<br />

Adresse: wie oben;<br />

Fon: +49 351 87759-52; Fax: -90;<br />

E-Mail: sk@bahntechnik.de<br />

Prof. Dr.-Ing. Arnd Stephan (49), Studium Elektrotechnik/<strong>Elektrische</strong><br />

<strong>Bahnen</strong> an der Hochschule <strong>für</strong> Verkehrswesen (HfV) „Friedrich<br />

List“ Dresden; 1990 bis 1993 Forschungsstudium an der HfV/<br />

TU Dresden; 1995 Promotion zum Dr.-Ing.; 1993 bis 2008 IFB –<br />

Institut <strong>für</strong> Bahntechnik GmbH, ab 1995 Niederlassungsleiter des<br />

IFB Dresden; 1995 Sachverständiger des Eisenbahn-Bundesamtes<br />

<strong>für</strong> elektrotechnische Anlagen, seit 1999 <strong>für</strong> Magnetbahnsysteme;<br />

2002 Honorarprofessor an der TU Dresden; seit 2008 Professor <strong>für</strong><br />

<strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> an der TU Dresden; seit 2012 Geschäftsführer<br />

IFB – Institut <strong>für</strong> Bahntechnik GmbH Berlin und Dresden.<br />

Adresse: TU Dresden, Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich<br />

List“, Professur <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong>, 01062 Dresden Deutschland;<br />

Fon: +49 351 463-36730;<br />

E-Mail: arnd.stephan@tu-dresden.de<br />

Literatur + Links<br />

[1] EN 50163:2004 + A1:2007: Bahnanwendungen –<br />

Speisespannungen <strong>von</strong> Bahnnetzen.<br />

[2] EN 50388:2012 + AC:2012: Bahnanwendungen –<br />

<strong>Bahnen</strong>ergieversorgung und Fahrzeuge – Technische<br />

Kriterien <strong>für</strong> <strong>die</strong> Koordination zwischen Anlagen der<br />

<strong>Bahnen</strong>ergieversorgung und Fahrzeugen zum Erreichen<br />

der Interoperabilität.<br />

[3] EN 50122-1:2011 + A1:2011: Bahnanwendungen –<br />

Ortsfeste Anlagen – <strong>Elektrische</strong> Sicherheit, Erdung<br />

und Rückleitung – Teil 1: Schutzmaßnahmen gegen<br />

elektrischen Schlag.<br />

[4] Kulworawanichpong, T.: Optimising AC electric railway<br />

power flows with power electronic control (online,<br />

Dissertation). University of Birmingham, 2004.<br />

http://etheses.bham.ac.uk/4/<br />

[5] Oeding, D.; Oswald, B.: <strong>Elektrische</strong> Kraftwerke und Netze.<br />

7. Auflage. Berlin: Springer, 2011.<br />

[6] Acarnley, P.: Notes on Power System Load Flow Analysis<br />

using an Excel Workbook (online). Poolewe: 2004.<br />

www.reseeds.com/load%20flow%20notes.pdf<br />

[7] Wang, X.; Song, Y.; Irving, M.: Modern Power Systems Analysis.<br />

New York: Springer Science+Business Media, 2008.<br />

[8] Ho, C.; Ruehli, A.; Brennan, P.: The Modified Nodal Approach<br />

to Network Analysis (online). In: IEEE Transactions<br />

on Circuits and Systems 22 (1975), H. 6. http://<br />

dx.doi.org/10.1109/TCS.1975.1084079 (Anmeldung<br />

erforderlich).<br />

112 (2014) Heft 8-9<br />

[9] Biesenack, H.; George, G.; Hofmann, G., u. a.: Energieversorgung<br />

elektrischer <strong>Bahnen</strong>. Wiesbaden: B. G.<br />

Teubner Verlag, 2006.<br />

[10] Kießling, F.; Puschmann, R.; Schmieder, A.: Fahrleitungen<br />

elektrischer <strong>Bahnen</strong>. 3. Auflage. Erlangen: Publicis<br />

Publishing, 2014.<br />

[11] Kontcha, A.: Analyse elektromagnetischer Verhältnisse<br />

in Mehrleiterfahrleitungssystemen bei Einphasenwechselstrombahnen<br />

(Dissertation). Technische Universität<br />

Dresden, 1995.<br />

[12] Behrends, D.; Brodkorb, A.; Hofmann, G.: Berechnungsverfahren<br />

<strong>für</strong> Fahrleitungsimpedanzen. In: <strong>Elektrische</strong><br />

<strong>Bahnen</strong> 92 (1994), H. 4, S. 117–122.<br />

[13] Lehmann, M.; Neumann, H.: Netzberechnung mit Knotenspannungsanalyse<br />

unter Einbeziehung der magnetischen<br />

Kopplung. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 106 (2008),<br />

H. 8-9, S. 416–420.<br />

[14] Friedl, K.; Schmautzer, E.; Fickert, L.: Berechnung des<br />

magnetischen Feldes in der Umg<strong>eb</strong>ung <strong>von</strong> elektrischen<br />

Bahnanlagen in Abhängigkeit der Stromaufteilung<br />

auf Schienen, Rückleiter und Erdreich. In: Elektrotechnik<br />

& Informationstechnik 126 (2009), H. 6,<br />

S. 227–233.<br />

[15] Trias, A.: The Holomorphic Embedding Load Flow Method<br />

(online). In: IEEE PES General Meeting, Juli 2012.<br />

http://dx.doi.org/10.1109/PESGM.2012.6344759<br />

(Anmeldung erforderlich).<br />

[16] IFB Institut <strong>für</strong> Bahntechnik GmbH:<br />

www.OpenPowerNet.de<br />

475


Grundlagen<br />

Niederfrequenz – nicht nur <strong>für</strong> <strong>Bahnen</strong><br />

Uwe Behmann, St. Ingbert; Thorsten Schütte, Västerås (SE)<br />

Die elektrotechnischen Vorteile niedriger AC-Netzfrequenz, mit der europäische <strong>Bahnen</strong> und Bahnindustrie<br />

seit 100 Jahren vertraut sind, lassen sich auch noch anders nutzen. Zum Übertragen <strong>von</strong> Offshore-<br />

Windenergie wird jetzt ernsthaft ihr Potenzial im Vergleich zur aufwändigen DC-Hochspannungstechnik<br />

geprüft. Ihre technischen und wirtschaftlichen Merkmale gelten aber <strong>eb</strong>enso <strong>für</strong> Fernleitungen an Land.<br />

LOW FREQUENCY – NOT ONLY FOR RAILWAYS<br />

Electrotechnical advantages of low AC-frequency which since 100 years European railways and railway<br />

industry are familiar with are useful in other fields as well. For transmission of offshore wind power serious<br />

investigations have started to check its potencial compared to the expensive DC high voltage technology.<br />

However, its technical and economical features are relevant for onshore transmission lines too.<br />

FRÉQUENCE BASSE – PAS SEULEMENT POUR LES CHEMINS DE FER<br />

Les avantages électrotechniques des basses fréquences du réseau AC qui sont familières aux chemins<br />

de fer européens et à l’industrie ferroviaire depuis un siècle peuvent être utilisés aussi dans d’autres<br />

domaines. La transmission de l’énergie éolienne offshore fait d’ores et déjà l’objet d’études sérieuses<br />

visant à comparer son potentiel avec la technologie dispen<strong>die</strong>use de la haute tension DC. Sa caractéristiques<br />

techniques et économiques sont d’ailleurs applicables aussi aux lignes de transport terrestres.<br />

1 Einführung<br />

Als <strong>die</strong> Vorväter vor 100 Jahren <strong>für</strong> ihren 1AC-Bahnbetri<strong>eb</strong><br />

mit Reihenschluss-Kommutatormotoren Niederfrequenz<br />

(NF) nehmen mussten, dazu in Europa<br />

16.7 Hz -­‐ The Missing Link? <br />

Prof. István Erlich <br />

University of Duisburg-­‐Essen <br />

Bremen, January 2014 <br />

Lehrstuhl<br />

<strong>Elektrische</strong> Anlagen und Netze<br />

Prof. I. Erlich<br />

Bild 1:<br />

https://www.uni-due.de/ean/downloads/papers/erlich2014.pdf<br />

meistens zuerst 15 Hz wählten und da<strong>für</strong> eigene<br />

Hochspannungs-Übertragungsnetze aufbauten, bekamen<br />

sie gratis eine Reihe <strong>von</strong> Vorteilen. Physikalisch<br />

basieren <strong>die</strong>se auf niedrigen Reaktanzen und<br />

geringer elektromagnetischer Beeinflussung.<br />

Damals gab noch keine flächendeckende Landesversorgung,<br />

geschweige denn eine einheitliche<br />

Frequenz da<strong>für</strong>. Der schrittweise eingeführte Wert<br />

50 Hz, in Nordamerika und Teilen Südamerikas und<br />

Japans 60 Hz, entstand erst aus einem langwierigen<br />

Prozess als Kompromiss zwischen Magnetblechaufwand,<br />

Längsreaktanzen, Umwandlungswirkungsgraden<br />

und Beeinflussungswirkung [1].<br />

Er ist aber keine Naturkonstante, sondern nur<br />

eine Vereinbarung und muss nicht zwingend <strong>für</strong><br />

Alles benutzt werden. IEC 60196:2009 und daraus<br />

abgeleitete DIN EN 60196 (VDE 0175-3):2010-<br />

03 nennen als Normfrequenzen <strong>für</strong> <strong>Bahnen</strong> auch<br />

16 2 /3 Hz, <strong>für</strong> Flugzeuge 400 Hz und <strong>für</strong> Werkzeuge<br />

viele andere Werte.<br />

Sechs <strong>Bahnen</strong> in Europa genießen <strong>die</strong> Vorteile <strong>von</strong><br />

16,7 Hz auch nach 100 Jahren weiter, und <strong>eb</strong>enso<br />

TABELLE 1<br />

Hauptmerkmale Windenergieübertragungen (Bild3).<br />

Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ)<br />

AC-Windparkspannung 150 kV zu niedrig zum Übertragen<br />

hoher Leistung zum Land<br />

je Windpark getrennt eine offshore-Plattform <strong>für</strong> AC-Hochspannung<br />

und eine <strong>für</strong> DC-Umwandlung<br />

Offshore-Umrichter tangieren Zuverlässigkeit<br />

bei DC vermaschtes Netz bisher technisch nicht möglich<br />

Übertragung mit AC-Niederfrequenz<br />

AC-Spannung 220 kV geeignet zum Übertragen hoher Leistung<br />

zum Land<br />

je Windpark nur eine Plattform <strong>für</strong> AC-Hochspannung<br />

keine Offshore-Umrichter<br />

AC 220 kV auch geeignet <strong>für</strong> vermaschtes Nordseenetz<br />

476 112 (2014) Heft 8-9


Grundlagen<br />

lange hat <strong>die</strong> europäische Bahnindustrie Kompetenz<br />

und Kapazität da<strong>für</strong>.<br />

Jetzt wächst <strong>die</strong> Erkenntnis, dass es aktuell noch<br />

andere vorteilhafte NF-Anwendungen gibt. Dabei<br />

geht es <strong>von</strong> Gelehrtenarbeiten und deren Publikation<br />

und Rezension in handfeste Evaluierungen über.<br />

2 Offshore-Windenergie<br />

P<br />

700<br />

MW<br />

600<br />

500<br />

400<br />

300<br />

200<br />

50 Hz<br />

100 %<br />

80 %<br />

16 2 / 3 Hz<br />

90 %<br />

100 %<br />

Das schon mehrmals vorgetragene und hier rezensierte<br />

Plädoyer <strong>für</strong> NF- statt DC-Hochspannungs-<br />

Übertragung (NFÜ, HGÜ) [2] wurde Ende Januar<br />

2014 erneut gehalten (Bilder 1 und 2).<br />

An überarbeiteten Grafiken und mit Stichworten<br />

wurden <strong>die</strong> wesentlichen Merkmale und Unterschiede<br />

zwischen der bisher bevorzugten HGÜ und der<br />

vorgeschlagenen NFÜ verdeutlicht (Bild 3, Tabelle 1).<br />

Zu den NF-Betri<strong>eb</strong>smitteln wurde auf <strong>die</strong> modulare<br />

Bahnumrichteranlage Datteln mit 4 x 103 MW Nennleistung<br />

und ihre Umspanner verwiesen. Unterwasserkabel<br />

<strong>für</strong> 3 AC 245 kV sind mit den nötigen Querschnitten<br />

verfügbar oder machbar. Erneut gezeigt<br />

wurde das Modell eines mit 220 kV 16 2 /3 Hz durchgerechneten<br />

vermaschten 3AC-Netzes in der Nordsee<br />

(Bild 4). Die Werte 220 und 245 kV kennzeichnen wie<br />

16 2 /3 und 17 Hz Norm- und größte Betri<strong>eb</strong>swerte.<br />

100<br />

0<br />

Parameter: Kompensationsgrad<br />

0 200 400 600 800 km 1000<br />

l<br />

Bild 2:<br />

Wirkleistungs-Übertragungsvermögen Unterwasserkabel 3 x 1 200 mm 2 Cu/RM bei 3 AC<br />

245 kV Eingangsspannung (Grafiken: Universität Duisburg-Essen/I. Erlich).<br />

Als Erg<strong>eb</strong>nis wurden <strong>die</strong> Vorteile der NFÜ zusammengefasst:<br />

• Umrichter werden nur an Land benötigt, wo sie<br />

nicht <strong>von</strong> schwerem Wetter betroffen und jederzeit<br />

leicht zugänglich sind.<br />

• Offshore entfallen Zweitplattformen wie <strong>für</strong><br />

HGÜ-Umrichter nötig.<br />

WP-Plattform<br />

WP1<br />

3 AC<br />

33 kV<br />

50 Hz<br />

WP-Plattform<br />

3 AC<br />

150 kV<br />

50 Hz<br />

50<br />

Hz<br />

DC<br />

1000 MW<br />

DC 300 kV<br />

DC<br />

50<br />

Hz<br />

3 AC<br />

400 kV<br />

50 Hz<br />

WP2<br />

3 AC<br />

33 kV<br />

16 2 /3 Hz<br />

WP1<br />

WP2<br />

WP3<br />

WP-Plattform<br />

WP-Plattform<br />

WP-Plattform<br />

3 AC<br />

220 kV<br />

16 2 /3 Hz<br />

3 AC<br />

220 kV<br />

16 2 /3 Hz<br />

500 ... 600 MW<br />

500 ... 600 MW<br />

500 ... 600 MW<br />

16 2 /3<br />

Hz 50<br />

Hz<br />

16 2 /3<br />

Hz 50<br />

Hz<br />

16 2 /3<br />

Hz 50<br />

Hz<br />

3 AC<br />

400 kV<br />

50 Hz<br />

3 AC<br />

400 kV<br />

50 Hz<br />

3 AC<br />

400 kV<br />

50 Hz<br />

Bild 3:<br />

Prinzip Energieübertragung <strong>von</strong> Windparks (WP) mit Gleichstrom (oben) und 16 2 / 3 -Hz-Drehstrom (unten: rote Vermaschung nur<br />

hierbei möglich).<br />

112 (2014) Heft 8-9<br />

477


Grundlagen<br />

• Weiterführung zu einem überlagertes Hochspannungsnetz<br />

3 AC 400 oder 500 kV 16 2 /3 Hz an<br />

Land ist möglich (siehe Abschnitt 3).<br />

3 Leitungen und Netze an Land<br />

Bild 4:<br />

Hypothetisches Nordsee-Verbundnetz 3 AC 220 kV 16 2 / 3 Hz, Trassenlängen in km.<br />

• Offshore gibt es nur Transformatoren und Schaltanlagen,<br />

und das in bewährter Technik.<br />

• In der Nordsee ist ein vermaschtes redundantes<br />

220-kV-Kabelnetz möglich.<br />

Mit wachsender Windparkleistung drohen Kapazitätsprobleme<br />

im deutschen Hochspannungsnetz,<br />

<strong>die</strong> den Bau einiger sehr langer und leistungsfähiger<br />

Nord-Süd-Leitungen erfordern. Zum Prüfen der verfügbaren<br />

technischen Optionen hatte der Sachverständigenrat<br />

<strong>für</strong> Umweltfragen (SRU) der Bundesrepublik<br />

Deutschland eine Kurzstu<strong>die</strong> veranlasst (Bild 5).<br />

Darin wurden zunächst am Beispiel einer 500 km<br />

langen Leitung <strong>für</strong> 3 GW Übertragungsleistung<br />

(Bild 6), gemäß Verbundnetzregeln höchstzulässige<br />

Ausfallleistung <strong>für</strong> <strong>die</strong> Netzstabilität, <strong>die</strong> Realisierungsmöglichkeiten<br />

technisch und wirtschaftlich diskutiert,<br />

und zwar jeweils Freileitungen und Kabel mit<br />

• 3 AC 380 kV oder 500 kV 50 Hz,<br />

• DC 500 kV und<br />

• 3 AC 380 kV oder 500 kV 16,7 Hz.<br />

Danach wurden Übertragungsstrecken länger als<br />

500 km untersucht und dabei auch DC 800 kV.<br />

Die Gutachter empfahlen:<br />

• Bis etwa 500 km sind Leitungen 3 AC 380 kV<br />

50 Hz, soweit nötig als VPE-Kabel, mit Kompen-<br />

7 GW G<br />

6 GW<br />

8 GW G WT<br />

1.5 GW G 1 GW G<br />

140 km<br />

140 km<br />

140 km<br />

1xDL<br />

1xDL<br />

1xDL<br />

K1<br />

6 GW<br />

K2<br />

2 GW<br />

K3 K4<br />

1 GW<br />

250 km<br />

2xDL<br />

250 km<br />

2xDL<br />

250 km<br />

1xDL<br />

250 km<br />

1xDL<br />

=<br />

Prof. Dr. Heinrich Brakelmann<br />

Prof. Dr. Istvan Erlich<br />

=<br />

léíáçåÉå=ÇÉê=ÉäÉâíêáëÅÜÉå=båÉêÖáÉJ=<br />

ΩÄÉêíê~ÖìåÖ=ìåÇ=ÇÉë=kÉíò~ìëÄ~ìë=<br />

=<br />

qÉÅÜåáëÅÜÉ=j∏ÖäáÅÜâÉáíÉå=ìåÇ=hçëíÉå=<br />

íê~åëÉìêçé®áëÅÜÉê=bäÉâíêáòáí®íëåÉíòÉ==<br />

~äë=_~ëáë=ÉáåÉê=NMMB=ÉêåÉìÉêÄ~êÉå=píêçãJ<br />

îÉêëçêÖìåÖ=áå=aÉìíëÅÜä~åÇ=ãáí=ÇÉã=wÉáíJ<br />

Üçêáòçåí=OMRM=<br />

14 GW G<br />

K5<br />

14 GW<br />

250 km<br />

2xDL<br />

160 km<br />

2xDL<br />

10 GW<br />

G<br />

K6<br />

250 km<br />

2xDL<br />

10 GW<br />

4.5 GW G<br />

160 km<br />

2xDL<br />

250 km<br />

2xDL<br />

4 GW<br />

K7<br />

4 GW G<br />

160 km<br />

2xDL<br />

4 GW<br />

K8<br />

(März 2010)<br />

Materialien zur Umweltforschung 41<br />

14 GW G<br />

K9<br />

14 GW<br />

G<br />

160 km<br />

1xDL<br />

K10<br />

15 GW<br />

3 GW 16 GW<br />

Bild 5:<br />

http://opus.kobv.de/zlb/volltexte/2012/14019/pdf/41_<br />

Brakelmann_Erlich_Optionen_<strong>Elektrische</strong>_Energie.pdf<br />

Bild 6:<br />

Modell Netzergänzung <strong>für</strong> zusätzliche Einspeisung 3 GW Windenergie bei 78 GW Gesamtlast<br />

Nord-Süd-Übertragung.<br />

478 112 (2014) Heft 8-9


Grundlagen<br />

sation wirtschaftlich, technisch und politisch am<br />

ehesten umsetzbar. Nennspannung 500 kV hätte<br />

zwar Vorteile, würde aber wegen weit reichender<br />

Konsequenzen auf Widerstände stoßen.<br />

• Darüber eignet sich <strong>für</strong> nicht netzwerkfähige<br />

Punkt-zu-Punkt-Verbindungen klassische HGÜ<br />

mit 500 kV, vermutlich auf Freileitungen beschränkt,<br />

notfalls mit Massekabeln. Nennspannung<br />

800 kV braucht noch zu entwickelnde Niederdruckölkabel,<br />

<strong>die</strong> aber umweltproblematisch<br />

sind und besonders geschützt verlegt werden<br />

müssten. Neuere HGÜ-Versionen sind netzwerkfähig<br />

und sollten weiter entwickelt werden.<br />

• Ein 3AC-NF-Netz würde <strong>die</strong> möglichen Übertragungslängen<br />

annähernd reziprok zur Frequenz<br />

erhöhen (Bild 7). Hierbei würden sich <strong>die</strong> Vorteile<br />

der DC-Technologie bei Netzregelbarkeit und<br />

Übertragungsverlusten mit denen <strong>von</strong> 3AC-<br />

Übertragungen kombinieren. Umrichter können<br />

statt DC auch 3 AC beli<strong>eb</strong>iger Frequenz erzeugen,<br />

und <strong>für</strong> <strong>die</strong> Bahn entwickelte NF-Umrichter<br />

lassen sich auf 3-GW-Anlagen hochskalieren.<br />

112 (2014) Heft 8-9<br />

P<br />

P<br />

3 000<br />

MW<br />

2 600<br />

2 200<br />

1800<br />

1400<br />

1000<br />

3 000<br />

MW<br />

2 600<br />

2 200<br />

1800<br />

1400<br />

1000<br />

0 100 200 300 400 500 600 700 km 800<br />

l<br />

Bild 7:<br />

Wirkleistungs-Übertragungsvermögen Freileitung 4 x AlSt 550/70 bei 3 AC 400 kV (oben)<br />

und 500 kV (unten) unkompensiert, mit Kompensation länger.<br />

Leitungsdaten: R‘ = 0,01315 Ω/km, L‘ = 0,83 mH/km (X‘ 50 = 0,26 Ω/km, X 17 = 0,09 Ω/km),<br />

C‘ = 0,014 mF/km<br />

blau 50 Hz rot 16 2 / 3 Hz<br />

Die NF-Grenzentfernungen <strong>für</strong> Freileitung in Bild 7,<br />

also 2,5 GW bis 600 km bei 400 kV und 3,0 GW bis<br />

800 km bei 500 kV, gelten ohne Kompensation und<br />

entsprechen damit den erforderlichen Längen <strong>von</strong><br />

der Nordseeküste bis Süddeutschland; mit Kompensation<br />

werden sie noch größer.<br />

Angesichts der Entwicklungsunsicherheiten bei<br />

Kabeln und Leistungsschaltern <strong>für</strong> HGÜ schlugen <strong>die</strong><br />

Gutachter vor, <strong>für</strong> Langstreckenübertragung über<br />

<strong>die</strong> durchaus realistische Alternative eines überlagerten<br />

16,7-Hz-Netzes nachzudenken und mahnten<br />

Weichenstellungen da<strong>für</strong> an.<br />

Als „entscheidender Vorteil“ <strong>die</strong>ses Konzeptes wurde<br />

betont, dass es netzwerkfähig ist und es da<strong>für</strong> bewährte<br />

1AC-Bahnfrequenztechnik bei Leistungsschaltern,<br />

Transformatoren, Spulen und anderem gibt, <strong>die</strong><br />

prinzipiell als <strong>eb</strong>enso bewährte 3AC-Technik verwendet<br />

werden kann; allfällig nötige Weiterentwicklung<br />

müsste mit relativ geringem Aufwand gegenüber den<br />

Herausforderungen der HGÜ-Technologien möglich<br />

sein. Besonders vorteilhaft sei hier auch <strong>die</strong> Eignung<br />

normaler kunststoffisolierter VPE-Kabel bis zu Höchstspannung.<br />

Als Nachteil könnten <strong>die</strong> zweimaligen Umrichterverluste<br />

mit je 2 % bei Volllast gesehen werden.<br />

Wenn Windenergieanlagen mit Vollumrichtern g<strong>eb</strong>aut<br />

werden, können sie unmittelbar 3AC-NF erzeugen.<br />

Besonders <strong>die</strong> großen Offshore-Parks könnten<br />

dann direkt in das NF-Onshore-Netz einspeisen, wodurch<br />

eine Umrichterstation und deren Investitionen<br />

und Umwandlungsverluste gespart würden; auch<br />

würden sich dann Kabelkapazität und Freileitungsinduktivität<br />

in gewissem Umfang kompensieren.<br />

Als wesentliches Problem beim Umsetzen <strong>die</strong>ser<br />

Ideen sahen <strong>die</strong> Gutachter vor vier Jahren mangelndes<br />

Interesse der Anlagenlieferanten an <strong>die</strong>ser Übertragungstechnik,<br />

<strong>die</strong> vermutlich meinten, mit der vorhandenen<br />

HGÜ-Umrichter- und Kabeltechnik „über<br />

Jahrzehnte den Markt beherrschen zu können“.<br />

4 Machbarkeitsstu<strong>die</strong><br />

Auf dem Kongress im Januar 2014 wurde auch eine<br />

konkrete NFÜ-Machbarkeitsstu<strong>die</strong> präsentiert (Bild 8).<br />

Als Teil des britischen Windenergieprogramms sind<br />

in der südlichen Nordsee in der East Anglia Zone Round<br />

3 sechs Windparkpaare mit je 2 x 600 MW Leistung<br />

geplant (Bild 9). Die See ist hier etwa 45 m tief, <strong>die</strong><br />

Übertragungslängen bis zur Küste reichen <strong>von</strong> 90 bis<br />

200 km und <strong>die</strong> HGÜ-Netzanbindungen sind an Land<br />

weitere 35 km lang. Das Bild beweist, wie bis auf drei<br />

Ausnahmen jeder 600-MW-Park zwei Offshore-Plattformen<br />

braucht, und zwar eine <strong>für</strong> <strong>die</strong> AC-Umspan-<br />

479


Grundlagen<br />

Bild 8:<br />

Präsentation Niederfrequenz-Machbarkeitsstu<strong>die</strong><br />

(Grafik: Vattenfall).<br />

Bild 9:<br />

East Anglia Offshore Windfarm Round 3 Zone, total 7,2 GW Leistung (Grafik: Vattenfall).<br />

nung und eine <strong>für</strong> <strong>die</strong> AC/DC-Umwandlung zur HGÜ<br />

(Bild 3). Ferner sind zwei AC-Redundanzvermaschungen<br />

zu sehen, <strong>die</strong> bisher mit DC nicht möglich wären.<br />

Den Auftrag hat das Joint Venture East Anglia Offshore<br />

Windfarm (EAOW) aus Vattenfall und Scottish<br />

Power Renewables. Für das schon konzessionierte<br />

Teilprojekt East Anglia One, das auf 300 km 2 Fläche<br />

zwei Parks mit je 60 Turbinen à 10 MW bekommt,<br />

hat Vattenfall eine doppelte HGÜ-Kabelverbindung<br />

zur Station Bramford fertig geplant und <strong>die</strong> Ausschreibung<br />

gestartet.<br />

Die Daten <strong>die</strong>ser Übertragung und Netzanbindung<br />

waren Basis der Stu<strong>die</strong>, <strong>die</strong> also kein fiktives Modell<br />

behandelt, sondern ein konkretes Projekt mit allen fest<br />

definierten Ausgangsgrößen. Betont wird aber, dass<br />

<strong>die</strong>s nur zum einmaligen Vergleich <strong>die</strong>nte, also nicht<br />

verallgemeinert werden darf, und dass nicht beabsichtigt<br />

war, <strong>die</strong> laufende Planung zu kippen.<br />

Am elektrotechnischen Teil der Stu<strong>die</strong> wirkte das<br />

Beratungsunternehmen Atkins Sverige, Västerås, mit.<br />

Das Prinzip der untersuchten Lösung ist in Bild 10<br />

dargestellt und erklärt. Die Kabelblindleistung soll<br />

dabei so kompensiert werden:<br />

• offshore, indem <strong>die</strong> Hochspanntransformatoren<br />

72,5/245 kV (Nennwerte 66/220 kV) als Spartransformtoren<br />

mit Luftspalt ausgeführt werden<br />

• onshore, indem entweder Luftspalte in <strong>die</strong><br />

Eisenkerne der niederfrequenzseitigen Transformatoren<br />

eing<strong>eb</strong>aut werden oder <strong>die</strong> Umrichter<br />

16,7/50 Hz da<strong>für</strong> bemessen werden<br />

Als Einschätzung der vorhandenen Technologien durch<br />

Vattenfall heißt es, dass AC-Hochspannung 50 Hz möglichst<br />

erste Wahl sein soll, weil es hier Erfahrungen mit<br />

früheren Offshore-Projekten gibt. Mit typischen Einschränkungen<br />

geht das bis 125 km. Es gibt viel Blindleistung<br />

zu kompensieren, höhere Verluste als bei HGÜ<br />

und es treten Oberwellenfragen auf. Mit Offshore-HGÜ<br />

und mit Modularen Multilevel-Direktconvertern (MMDC)<br />

fehlen eigene Erfahrungen. Offshore-HGÜ-Plattformen<br />

sieht man als Herausforderung mit ungeklärtem Verfügbarkeits-<br />

und Risikograd. Man arbeitet deshalb in einem<br />

im Oktober 2012 gestarteten Joint Industry Project<br />

(JIP) High Voltage DC (HVDC) <strong>von</strong> DNV GL mit (siehe<br />

Hintergrund), das ein Papier <strong>für</strong> <strong>die</strong> Anforderungen<br />

an <strong>die</strong> Technikrisiko-Evaluierung <strong>von</strong> Offshore-HGÜ<br />

erstellt hat. Dieses wurde Ende August auf der CIGRE<br />

Technical Exhibition 2014 in Paris vorgestellt und steht<br />

seitdem auf der W<strong>eb</strong>seite <strong>von</strong> DNV GL.<br />

TABELLE 2<br />

Patentanträge zur Windenergieübertragung mit Niederfrequenz.<br />

Antragstellung<br />

Nummer<br />

Datum<br />

Antragsteller<br />

United States of America Europa Volksrepublik China Patent Cooperation Treaty<br />

13/527 690<br />

20. Juni 2012<br />

Robert J. Nelson<br />

EP 13163490.9<br />

12. April 2013<br />

Siemens AG<br />

CN 201310245887<br />

20. Juni 2013<br />

Siemens AG<br />

PCT/SE 99/00944<br />

28. Mai 1999<br />

ABB AG<br />

Veröffentlichung<br />

Nummer<br />

Datum<br />

US 2013/0343111 A1<br />

26. Dezember 2013<br />

EP 2 677 623 A2<br />

25. Dezember 2013<br />

CN103515953 A<br />

15. Januar 2014<br />

WO 00/73652 A1<br />

7. Dezember 2000<br />

480 112 (2014) Heft 8-9


Grundlagen<br />

Zum Stand bei der 16,7-Hz-Ausrüstung und nötige<br />

Entwicklungen lassen sich <strong>die</strong> – nur an Land benötigten<br />

– Frequenzumrichter mit MMDC bauen. Auch<br />

ihre Blockumspanner sind Standardprodukte, und<br />

sie können <strong>eb</strong>enso wie <strong>die</strong> beiderseitigen Schaltanlagen<br />

im Freien stehen. – Leistungsschalter <strong>für</strong> 150 kV<br />

16,7 Hz arbeiten standardmäßig bei DB, ÖBB und<br />

SBB, nachdem <strong>die</strong> Hersteller sie aus 50-Hz-Produkten<br />

modifiziert haben; sie sind <strong>für</strong> 245 kV weiter zu entwickeln.<br />

– Unterwasserkabel <strong>für</strong> 3 AC 245 kV 1,5 kA<br />

gibt es standardmäßig. – Bei den NF-Transformatoren<br />

wird aus den Wachstumsgesetzen eine um den<br />

Faktor 2 bis 2,5 höhere Masse gegenüber 50 Hz hergeleitet.<br />

Das betrifft aber nur den Transport, nicht<br />

jedoch <strong>die</strong> Bemessung der Plattformen, weil da<strong>für</strong><br />

<strong>die</strong> Kräfte aus dem Wellengang dominieren. – Erg<strong>eb</strong>nis<br />

war, dass <strong>die</strong> NF-Lösung technisch machbar ist.<br />

Zum Wirtschaftlichkeitsvergleich mit vorhandenen<br />

Technologien wurde zwar ausführlich vorgetragen,<br />

jedoch soll <strong>die</strong>ser Komplex noch vertieft untersucht<br />

werden.<br />

5 Projekt Richtlinien <strong>für</strong><br />

Niederfrequenz<br />

Angestoßen durch <strong>die</strong> Konferenz in Bremen haben<br />

am 27. März 2014 drei große Unternehmen der<br />

Offshore-Branche zur Teilnahme an einem weiteren<br />

JIP Low Frequency AC (LFAC) aufgerufen (Bild 11).<br />

Initiatoren sind DNV GL, Vattenfall und Nexans (siehe<br />

Hintergrund).<br />

Das Projekt soll <strong>die</strong> derzeit in der Offshore-Industrie<br />

benutzten Übertragungen mit 50-Hz-Hochspannung<br />

(HVAC) und mit HVDC gegen <strong>die</strong> potenziellen<br />

Vorteile <strong>von</strong> NF-<strong>Lösungen</strong> evaluieren. Diese könnten<br />

nämlich besser sein als <strong>die</strong> existierenden, denn sie<br />

ermöglichen<br />

• höhere Leistungen zu übertragen und/oder größere<br />

Entfernungen zu überbrücken als mit 50 Hz,<br />

• Offshore-Umrichterstationen zu vermeiden wie<br />

sie bei HVDC erforderlich sind.<br />

Bild 10:<br />

Systemauslegung Leistungsübertragung 2 x 600 MW 16,7 Hz (Basisgrafik: Atkins/T. Schütte).<br />

1 Windpark 60 Turbinen à 10 MW<br />

2 Dreileiter-Unterwasserkabel 66 kV, betri<strong>eb</strong>en mit 72,5 kV<br />

3 Sammel- und Umspannplattform, oben elektrisch-funktional Hochspannen und seeseitig<br />

Kompensieren, unten Vorzugsvariante <strong>für</strong> technische Ausführung als Einphasen-<br />

Autotransformatoren mit kompensierender Luftspaltinduktivität<br />

4 Dreileiter-Unterwasserkabel 200 kV, betri<strong>eb</strong>en mit 245 kV<br />

5 Einleiter-Erdkabel<br />

6 Umrichter mit Blocktransformatoren, landseitige Kompensation alternativ mit Luftspaltinduktivität<br />

oder mittels Umrichtern<br />

7 Landesnetz 3 AC 380 kV 50 Hz, betri<strong>eb</strong>en mit 420 kV<br />

SAFER, SMARTER, GREENER<br />

DNV GL ENERGY<br />

INVITATION TO JOIN JIP<br />

LFAC for future offshore power transmission applications<br />

Bild 11:<br />

Aufruf zur Mitarbeit am Projekt „AC-Niederfrequenz <strong>für</strong> künftige<br />

Anwendungen zur Offshore-Leistungsübertragung“.<br />

Offshore meint dabei nicht nur das Übertragen <strong>von</strong><br />

auf See erzeugter Leistung, sondern <strong>eb</strong>enso umgekehrt<br />

das Versorgen <strong>von</strong> Öl- und Gasbohrplattformen,<br />

wo man den lästigen Gasturbinenbetri<strong>eb</strong><br />

HINTERGRUND<br />

DNV GL Group ist am 12. September 2013 aus Fusion der Klassifikationsgesellschaften Det Norske Veritas<br />

(DNV) und Germanischer Lloyd (GL) entstanden. DNV war 1864 in Oslo gegründet und GL 1867 mit Hauptsitz<br />

in Hamburg. Das fusionierte Unternehmen ist jetzt <strong>die</strong> weltgrößte Schifffahrtsklassifikationsgesellschaft<br />

und zugleich führender Anbieter <strong>von</strong> Prüf- und Inspektions<strong>die</strong>nstleistungen <strong>für</strong> <strong>die</strong> Öl- und Gasindustrie<br />

sowie Spezialist im Bereich Windeneregie und intelligente Stromnetze (www.gl-group.com).<br />

Die schwedische, zu 100 % dem Staat gehörende Vattenfall AB ist einer der größten Strom- und Wärmeproduzenten<br />

in Europa. Der Name kommt <strong>von</strong> schwedisch Wasserfall, der ursprünglichen Hauptaktivität im<br />

eigenen Land. Die deutsche Tochtergesellschaft mit Sitz in Berlin ist der viertgrößte Energieversorger im Lande.<br />

Nexans SA, Paris, gehört zu den drei weltweit größten Kabelherstellern.<br />

Kontaktpersonen <strong>für</strong> JIP LFAC: Ingar Dalen (DNV GL), bis vor Kurzem beim norwegischen Bahnstromversorger<br />

Baneenergi/JBV, also NF-Experte, Urban Axelsson (Vattenfall Nordic) und Espen Olsen (Nexans Norwegen).<br />

Adressen: Ingar.Dalen@dnvgl.com; Urban.Axelsson@vattenfall.com; Espen.Olsen@nexans.com.<br />

112 (2014) Heft 8-9<br />

481


Grundlagen<br />

Es ist zu hoffen, dass sich zu <strong>die</strong>sem JIP noch viele<br />

Teilnehmer anmelden, um das profunde Wissen<br />

der NF-Bahntechnikexperten aus Skandinavien,<br />

Deutschland und den beiden Alpenländern einzubringen.<br />

6 Patentanträge<br />

Bild 12:<br />

http://www.google.com/patents/EP2677623A2?cl=en<br />

abschaffen will. Logische Konsequenz wäre dann,<br />

Erzeugung und Verbrauch gleich offshore zu verknüpfen<br />

und im letzten Schritt <strong>die</strong> Anrainerstaaten<br />

damit und untereinander zu vernetzen. In einer Folgeausgabe<br />

des Aufrufs vom 30. April 2014 wird das<br />

Thema zunächst auf das Übertragen <strong>von</strong> Offshore-<br />

Windenergie zum Land konzentriert.<br />

Die LFAC-Arbeit soll den Grundstein zu Empfehlungen<br />

<strong>für</strong> Praktiken und Standards legen. Sie ist<br />

in mehreren Phasen geplant. Zweck des aktuellen<br />

JIP als erster ist das Erstellen Technischer Richtlinien<br />

(Technical Guidlines, TG).<br />

Das JIP will ein neutraler Boden sein, wo Hersteller,<br />

Entwickler, Betreiber und andere Stakeholder mit unterschiedlichen<br />

Hintergründen sich treffen und <strong>Lösungen</strong><br />

diskutieren. Jeder Teilnehmer hat Anspruch<br />

auf einen Repräsentanten im Steuerungskommitee,<br />

das regelmäßig tagen wird. Das Projektbudget ist<br />

auf 300 000 EUR geschätzt, <strong>die</strong> gleichmäßig zwischen<br />

den Teilnehmern aufgeteilt werden. DNV GL<br />

wird das TG-Projekt managen. Ziel ist, im zweiten<br />

Quartal 2015 eine TG zu veröffentlichen. Diese soll<br />

auf hohem Niveau Schlüsselpunkte betrachten wie<br />

• System und Komponenten identifizieren,<br />

• Methodologie <strong>für</strong> das Evaluieren <strong>von</strong> Leistungsfähigkeit<br />

und Verlusten definieren,<br />

• Normen, Regeln und Regulierungen auf Lücken<br />

analysieren,<br />

• Risiken identifizieren und evaluieren.<br />

Um <strong>die</strong> Jahreswende 2013/2014 wurden international<br />

drei Patentanträge „Power generation and transmission<br />

system“ veröffentlicht (Bild 12, Tabelle 2).<br />

Der Erfinder Robert J. Nelson, Orlando, Florida (US)<br />

arbeitet bei Siemens Wind Power in Orlando. Die USund<br />

<strong>die</strong> EP-Veröffentlichung sind identisch, zur CN-<br />

Anmeldung ist das zu vermuten.<br />

In den Abschnitten Hintergrund der Erfindung<br />

und Detaillierte Beschreibung wird zunächst <strong>die</strong> Physik<br />

der kapazitiven Ladeströme langer Hochspannungskabel<br />

erklärt und 50 km als Grenze der AC-<br />

Übertragungsfähigkeit bei 50 oder 60 Hz genannt;<br />

bei längeren Strecken sei DC <strong>die</strong> konventionelle<br />

Lösung. Hierbei wird je eine teure („expensive“)<br />

Umrichterstation offshore und onshore erforderlich;<br />

<strong>für</strong> zwei 200-MVA-Umrichterstationen werden<br />

2 x 20 Mio. USD als ungefähre Investitionssumme<br />

genannt, wogegen bei AC-Übertragung der nur<br />

einfach benötigte „synchronous“ 200-MVA-Frequenzumrichter<br />

an Land etwa 2 Mio. USD erfordern<br />

würde. Weitere Merkmale seien, dass es nur<br />

wenige Anbieter <strong>für</strong> DC-Hochspannungskabel gibt<br />

und dass DC-Unterwasserübertragung außergewöhnliche<br />

(„unique“) Betri<strong>eb</strong>s- und Instandhaltungsverfahren<br />

und Spezialengineering braucht,<br />

was zu hohen Kosten <strong>für</strong> Auslegung, Betri<strong>eb</strong> und<br />

Instandhaltung führen kann.<br />

Als Verbesserung schlägt der Erfinder ein innovatives<br />

System der Leistungserzeugung und -übertragung<br />

vor, bei dem einfach das teure AC-DC-Umrichterterminal<br />

und das teure DC-AC-Umrichterterminal<br />

entbehrlich werden, indem konditionierte AC-Leistung<br />

mit Frequenz niedriger als 50 bis 60 Hz erzeugt<br />

und übertragen wird. Über den kapazitiven Ladestrom<br />

leitet er einen reziproken Zusammenhang<br />

<strong>von</strong> Frequenz und Übertragungslänge ab, so bei 30<br />

statt 60 Hz <strong>von</strong> 50 auf 100 km verlängert bis zu extrem<br />

5 Hz <strong>für</strong> 600 km Länge. Für <strong>die</strong> Kabel schlägt er<br />

100 kV verkettete Nennspannung vor.<br />

Die 20 Ansprüche betreffen <strong>die</strong> ganze Kette <strong>von</strong><br />

den Windturbinen mit ihren Antri<strong>eb</strong>svarianten synchron<br />

einfach oder asynchron doppelt gespeist bis<br />

zur Umwandlung auf 50 oder 60 Hz an Land. Für<br />

das hier behandelte Thema ist <strong>die</strong> NFÜ via Unterwasserkabel<br />

relevant, teilweise auch an Land im<br />

Boden zu verlegen.<br />

Die Idee wurde im Januar 1999 <strong>von</strong> einem der<br />

heutigen Autoren und einem Kollegen g<strong>eb</strong>oren<br />

482 112 (2014) Heft 8-9


Grundlagen<br />

(Bild 13), als Diensterfindung bei der damals noch<br />

<strong>für</strong> ihren Arbeitg<strong>eb</strong>er Adtranz und <strong>für</strong> ABB gemeinsamen<br />

Patentabteilung eingereicht und nach deren<br />

Trennung zum sogleich weltweiten ABB-Patentantrag<br />

mit zwei anderen Erfindernamen. Dieser wurde<br />

zwar veröffentlicht (Tabelle 2), aber aus unbekannten<br />

Gründen nicht durchgefochten.<br />

Die heutigen Anträge erstaunen. Sie stimmen<br />

im Wesentlichen nicht nur mit dem letztgenannten<br />

überein, sondern auch mit einer Präsentation<br />

in Stockholm und einem daraus folgenden <strong>eb</strong>-<br />

Beitrag im Jahr 2001 (Bilder 14 und 15) [3; 4].<br />

Patentrechtlich können also alle <strong>die</strong>se Dokumente<br />

als Entgegenhaltungen eing<strong>eb</strong>racht werden,<br />

<strong>die</strong> zeigen dass <strong>die</strong> heutigen Anträge keine Neuheit<br />

sind.<br />

Antragsteller ist in den USA der Erfinder selbst, in<br />

den beiden anderen Fällen Siemens (Bild 12, Tabelle<br />

2). Das Unternehmen ist eines der drei, <strong>die</strong> in der<br />

Nordsee <strong>die</strong> HGÜ bauen (Tabelle 4 in [5]). Es ist also<br />

zu vermuten, dass <strong>die</strong> in den Anträgen geschilderten<br />

Sachverhalte auch aus seiner Sicht zutreffen und vielleicht<br />

durch Erfahrungen, Erkenntnisse und Einsichten<br />

untermauert sind.<br />

Man darf gespannt sein, ob <strong>die</strong> Idee angesichts<br />

ihrer langen Bekanntheit <strong>für</strong> schutzwürdig erklärt<br />

wird. Darüber steht aber noch <strong>die</strong> Frage: Für welchen<br />

der beiden möglichen, diametral entgegengesetzten<br />

Zwecke mögen <strong>die</strong> Schutzrechte wohl<br />

beantragt sein?<br />

Bild 13:<br />

Erfinderskizze Januar 1999 (Grafik: T. Schütte und Kollege)<br />

Anmerkung: Nahezu alle Sachangaben zu <strong>die</strong>sem<br />

Abschnitt sind dem Internet entnommen.<br />

7 Schlussbemerkungen<br />

Seit dem SRU-Gutachten hat sich <strong>die</strong> NF-Bahntechnik<br />

weiter entwickelt, besonders bei den Frequenzumrichtern<br />

und den Schaltgeräten. Bei der<br />

HGÜ-Technik wird zwar <strong>eb</strong>enso intensiv weiterentwickelt,<br />

jedoch kämpft man gleichzeitig mit<br />

der termin- und budgetgerechten Realisierung der<br />

durchgeplanten und genehmigten Offshore-Pro-<br />

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Grundlagen<br />

jekte in der Nordsee – zum Verdruss der Betreiber<br />

und zu Lasten der Verbraucher.<br />

Der als Schlussabsatz des SRU-Gutachtens geäußerte<br />

Verdacht gegenüber der Herstellerpolitik stand<br />

auch schon einmal an <strong>die</strong>ser Stelle (<strong>eb</strong> 5/2013, S.<br />

290). Hier hat sich offenkundig innerhalb kurzer Zeit<br />

etwas geändert: Dass Vattenfall als betroffener Anlagen-<br />

und Netzbetreiber nach einer Alternative sucht<br />

ist nur allzu verständlich, dass einer der größten Kabelhersteller<br />

sich anschließt ist bemerkenswert, und<br />

<strong>die</strong> Aussagen in den Patentanträgen deuten auf Umdenken<br />

auch bei den Herstellern – ganz abgesehen<br />

<strong>von</strong> informellen Äußerungen.<br />

Die politischen Atempausen bieten <strong>die</strong> Chance,<br />

<strong>für</strong> <strong>die</strong> Folgeprojekte bei der Offshore-Windkraft, <strong>für</strong><br />

<strong>die</strong> Nordseenetzpläne der EU sowie <strong>für</strong> <strong>die</strong> Leitungsplanungen<br />

an Land <strong>die</strong> in 100 Jahren gesammelten<br />

reichen Erfahrungen mit der Niederfrequenz-Bahntechnik<br />

einzubringen und nicht noch einmal denselben<br />

Fehler wie auf See zu machen.<br />

Ein größerer Markt <strong>für</strong> NF-Komponenten nützt<br />

auch den <strong>Bahnen</strong>. Übrigens: Als <strong>die</strong>se wegen des<br />

Betri<strong>eb</strong>s der NF-Generatoren auf gemeinsamer Welle<br />

mit 50-Hz-Maschinen <strong>von</strong> anfänglich 15 Hz auf<br />

(50/3 = 16 2 /3) Hz übergingen, opferten sie da<strong>für</strong><br />

noch glatt 10 % der elektrotechnischen Vorteile.<br />

Literatur<br />

Bild 14:<br />

Fundstelle zu [3].<br />

[1] Neidhofer, G.: Der Weg zur Normfrequenz 50 Hz – Wie<br />

aus einem Wirrwar <strong>von</strong> Periodenzahlen <strong>die</strong> Standardfrequenz<br />

50 Hz hervorging. In: Bulletin SEV/AES 99 (2008),<br />

H. 17, S. 29–34.<br />

[2] Erlich, I.; Fischer, W.; Braun, R.; Brakelmann, H.; Meng, X.:<br />

Dreiphasiges 16,7-Hz-System <strong>für</strong> <strong>die</strong> Übertragung <strong>von</strong><br />

offshore-Windenergie. In: ew – Magazin <strong>für</strong> Energiewirtschaft<br />

2013, H. 11, S. 53–57; H. 12, S. 46–49; Rezension<br />

in: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 111 (2013), H. 11, S. 697–698,<br />

mit Verweis auf H. 3, S. 213 und H. 6-7, S. 346–348.<br />

[3] Schütte, T.; Ström, M.; Gustavson, B.: The Use of Low<br />

Frequence AC for Offshore Wind Power. In: Proceedings<br />

of Second International Workshop on Transmission Networks<br />

for Offshore Wind Farms, Session 6, Royal Institute<br />

of Technology, Electric Power Systems, Stockholm,<br />

March 29-30, 2001.<br />

[4] Schütte, T.; Ström, M.; Gustavson, B.: Erzeugung und<br />

Übertragung <strong>von</strong> Windenergie mittels Sonderfrequenz.<br />

In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 99 (2001), H. 11, S. 435–443;<br />

100 (2002), H. 1-2, S. 74.<br />

[5] Be: Offshore-Windenergie <strong>für</strong> Europa und Deutschland.<br />

In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 112 (2014), H. 1-2, S. 16–18.<br />

AUTORENDATEN<br />

Bild 15:<br />

Fundstelle zu [4].<br />

Dipl.-Ing. Uwe Behmann (78), Studium<br />

Elektrotechnik Technische Hochschule<br />

Hannover; ab 1963 bei Deutsche<br />

Bundesbahn, ab 1973 in Saarbrücken<br />

Dezernent/Abteilungsleiter Elektrotechnik<br />

und <strong>Elektrische</strong>r Bahnbetri<strong>eb</strong>,<br />

1994 bis 1998 Deutsche Bahn Leiter<br />

Regionalbereich Werke Saarbrücken; in<br />

1980er Jahren bei DEConsult und KfW<br />

in Projekten in Thailand, der Türkei und<br />

<strong>für</strong> Spanien; 1990 bis 2002 Chefredakteur,<br />

jetzt Redakteur <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong>.<br />

Adresse: Otto-Hahn-Straße 7,<br />

66386 St. Ingbert, Deutschland;<br />

Fon / Fax: +49 6894 580023;<br />

E-Mail: bm.uwe@t-online.de<br />

Dr. rer. nat Thorsten Schütte (57),<br />

Studium Meteorologie und Physik Universitäten<br />

Kiel und Uppsala; seit 1987 bei<br />

schwedischen Unternehmen; Entwicklung<br />

elektrischer Isolierungen, Experte<br />

<strong>für</strong> Bahnstromversorgung, Sternpunktbehandlung,<br />

dann wieder <strong>Bahnen</strong>ergieversorgungssysteme<br />

und Hochspannungstechnik,<br />

besonders Rückstromführung<br />

und elektrische Isolation; ab 1990<br />

Lehrbeauftragter Universität Uppsala.<br />

Adresse: Atkins Sverige AB, Kopparbergsvägen<br />

8, 72213 Västerås,<br />

Schweden;<br />

Fon: +46 21 44014-30, Fax: -39;<br />

E-Mail: thorsten.schutte@atkinsglobal.com<br />

484 112 (2014) Heft 8-9


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Operation<br />

An integrated solution for London’s rail<br />

development<br />

Christoph Götz, Erlangen; David Morton, Braunschweig<br />

The combination of the Class 700 trains and the pioneering automatic train operation is going to be vital<br />

for London. The supplier of the rolling stock and the infrastructure installation on the one hand and<br />

Network Rail on the other hand are pooling their expertise for Thameslink, one of the biggest railway<br />

infrastructure projects in England. Equally, Crossrail has been under discussion for decades, and is only<br />

now approaching completion. Both projects rely on the capabilities of modern signalling technology to<br />

allow conventional rail to deliver metro frequency levels. The new capability that Siemens is delivering<br />

in London may well herald an entirely new way of viewing urban and longer distance rail services. The<br />

new Class 700s trains could well be one of the most significant railway developments of the 21 st century.<br />

INTEGRIERTE LÖSUNG FÜR LONDONS BAHNVERKEHR<br />

Die Tri<strong>eb</strong>züge Class 700 und <strong>die</strong> bahnbrechenden Arbeiten <strong>für</strong> eine automatische Betri<strong>eb</strong>sführung<br />

erweisen sich als l<strong>eb</strong>enswichtig <strong>für</strong> London und stellen eine herausragende Entwicklung des 21.<br />

Jahrhunderts dar. Der Lieferant der Fahrzeuge und Infrastruktureinrichtungen sowie der Infrastrukturbetreiber<br />

bringen gemeinsam ihre Erfahrung in das Projekt Thameslink ein, einem der größten<br />

Bahninfrastrukturprojekte Englands. Gleiches gilt <strong>für</strong> das Projekt Crossrail, das Jahrzehnte lang diskutiert<br />

wurde und sich erst jetzt der Realisierung nähert. Beide Vorhaben vorhabeverwenden moderne<br />

Signaltechnik, um bei konventionellen <strong>Bahnen</strong> <strong>die</strong> Betri<strong>eb</strong>shäufigkeit <strong>von</strong> Metros zu erreichen. Die<br />

neuen <strong>Lösungen</strong>, <strong>die</strong> Siemens in London verwirklicht, stellen eine völlig neue Art der Integration des<br />

städtischen Nahverkehrs und des Regionalverkehrs dar. Die Tri<strong>eb</strong>züge Class 700 <strong>für</strong> <strong>die</strong> Thameslink-<br />

Verbindung stellen eine herausragende Entwicklung <strong>für</strong> den Bahnverkehr des 21 Jahrhinderts dar.<br />

SOLUTION INTÉGRÉE POUR LE TRAFIC FERROVIAIRE DE LONDRES<br />

Les trains de Classe 700, associés à l’exploitation pionnière automatique des trains, <strong>von</strong>t devenir<br />

essentiels à Londres. Le fournisseur du matériel roulant et de l’infrastructure d’une part, et Network<br />

Rail d’autre part partagent leur expertise au profit du réseau Thameslink, un des plus grands projets<br />

d’infrastructure ferroviaire d’Angleterre. Le projet Crossrail est quant à lui en cours d’étude<br />

depuis plusieurs années, mais ne connaîtra son aboutissement que prochainement. Ces deux projets<br />

s’appuient sur les avantages de la technologie de signalisation moderne pour permettre au chemin<br />

de fer traditionnel d’offrir un niveau de fréquence comparable à celui du réseau métropolitain.<br />

L’innovante solution fournie par Siemens à Londres annonce une nouvelle façon d’envisager les services<br />

ferroviaires urbains et à grande distance. Les nouveaux trains de Classe 700 pourraient bien se<br />

révéler être l’une des plus grandes avancées du 21ème siècle en matière de chemin de fer.<br />

1 Introduction<br />

The world’s biggest cities are facing unprecedented<br />

transportation challenges, with rising populations, congested<br />

roads and growing demand for high frequency<br />

and reliable rail and metro services. London is no exception<br />

and is taking decisive action to improve connectivity<br />

with two major rail projects which aim to make<br />

travelling across the city easier and more efficient.<br />

On the North-South Thameslink project, Siemens<br />

is providing the trains, signalling systems and technology<br />

to allow automated operation in the busiest<br />

core area to guarantee as frequent a service as possible.<br />

It is the only way to achieve the short headways<br />

necessary, and is vital to ensure the levels of<br />

punctuality and reliability one of the world’s most<br />

important cities deserves.<br />

On the East-West Crossrail project, Siemens is providing<br />

similar metro technology, as well as the signalling<br />

systems.<br />

2 Background<br />

London’s rail network has always been limited by planning<br />

decisions taken in the 19 th century. The first concerted<br />

effort to improve cross-London rail travel came<br />

486 112 (2014) Heft 8-9


Operation<br />

in 1988 when the then state owned railway British Rail<br />

reopened a disused tunnel linking north and south London<br />

and began operating passenger services through<br />

it. The passenger services were not merely local commuter<br />

trains within London, however. From the start<br />

the intention was to operate long distance commuter<br />

services from Bedford, north of London, through the<br />

capital city and then onwards to major towns in Southern<br />

England, including Brighton and Sutton. Known as<br />

Thameslink, the service has proved extremely successful<br />

and now a major upgrade is set to increase capacity<br />

and the number of destinations served.<br />

3 Automatic train operation for<br />

24 trains per hour<br />

3.1 Overview<br />

The aim of the upgrades is to provide a service frequency<br />

of 24 trains per hour through Central London,<br />

offering metro style operation on the busiest<br />

sections of the routes. To achieve this with conventional<br />

manual operation is impossible with the high<br />

degree of consistency required. The Thameslink and<br />

Crossrail projects have slightly different approaches<br />

to achieve this goal.<br />

On Thameslink, Siemens is pioneering Automatic<br />

Train Operation (ATO) under European Rail Traffic<br />

Management System (ERTMS) Level 2 on the central<br />

section, with conventional operation outside this crucial<br />

area. As ATO is not part of the core ERTMS specification<br />

yet, extensive development and testing is taking<br />

place to ensure that Siemens’ solution complies<br />

with the operational parameters of ERTMS. Handover<br />

from manual to automatic operation will take place<br />

on the move; and as soon as the train stops at a station,<br />

train doors are opened automatically.<br />

3.2 Interaction ATO/ ETCS<br />

Figure 1 shows the overall system with Automatic Train<br />

Supervision (ATS), European Train Control System<br />

(ETCS) and Automatic Train Operation (ATO). ETCS<br />

ensures safe train movements and provides the communication<br />

path between ATS and ATO together with<br />

the GSM-R radio system for railways. ATS coordinates<br />

the movements of trains under automatic and manual<br />

operation, where drivers are supported by the Driver<br />

Advisory System (DAS) function of Trainguard ATO.<br />

Outside the core area, the onboard equipment<br />

supervises train movements with the legacy AWS/<br />

TPWS train protection and warning systems running<br />

in ETCS Level NTC (national train control). As the<br />

train approaches the core area, a radio communications<br />

session is established and:<br />

112 (2014) Heft 8-9<br />

• ATO sends a message to the trackside ATS system<br />

using the ETCS data packet 44 in a message sent<br />

by the EVC (European Vital Computer) to the<br />

RBC (Radio Block Centre), which forwards the<br />

message to ATS.<br />

• ATS replies, again using data packet 44, with<br />

all information necessary for automatic train<br />

operation, for example, the identity of the next<br />

station, the required journey time to the next<br />

station, which side the doors should open when<br />

the train stops at the platform, and the target<br />

dwell time at the platform.<br />

The ETCS trackside equipment sends a level transition<br />

order to ETCS Level 2 as the train approaches<br />

St. Pancras International station in the southbound<br />

direction or Blackfriars for northbound traffic. The<br />

ETCS onboard equipment makes the transition and<br />

operates in full supervision mode, ther<strong>eb</strong>y taking responsibility<br />

for the safety of train movements from<br />

the driver. ETCS full supervision mode is a prerequisite<br />

for automatic train operation.<br />

When the train enters the ATO area, the driver’s ATO<br />

button flashes and ATO takes over as soon as the driver<br />

puts the power-brake control in neutral and presses the<br />

ATO button. The train then drives automatically to the<br />

required station, stops and the doors open automatically.<br />

ATO returns control to the driver but provides a<br />

countdown, using the dwell time provided earlier by<br />

ATS, so the driver knows when the train should depart.<br />

As soon as the passengers are safely onboard, the<br />

driver manually closes the doors and presses the ATO<br />

button to re-start automatic operation. The train<br />

then departs automatically under ATO control.<br />

When the train approaches the border of the ATO<br />

area, it gives an audible prompt to the driver to take<br />

control by moving the power-brake control; however,<br />

should the driver not take control, then ATO would brake<br />

the train to stand at the border of the ATO area. Trackside<br />

signs also indicate that automatic operation will end.<br />

ATS<br />

ETCS trackside<br />

track – train<br />

ETCS onboard<br />

ATO<br />

coordinates train movements<br />

provides safe movement authorities<br />

Figure 1:<br />

Overall train control system (all figures: Siemens).<br />

Abbreviations see text<br />

ATS – ATO communications via ETCS and GSM-Radio<br />

ensures safe train movements<br />

ensures optimum train movements<br />

487


Operation<br />

a)<br />

v<br />

b)<br />

v<br />

1<br />

Figure 2:<br />

ATO speed profiles.<br />

a) time-optimal train running<br />

b) energy-optimal train running<br />

1 acceleration<br />

2 cruising<br />

2 3<br />

1 2 4 3<br />

3 full braking<br />

4 coasting<br />

s distance<br />

v speed<br />

s<br />

s<br />

ATO reports departure to ATS, which replies with the<br />

required trip time to the next station. ATO then calculates<br />

the optimum speed profile to get the train to<br />

the next station at the required time using the minimum<br />

energy possible and within the safe limits set<br />

by ETCS. Time permitting; the train will coast before<br />

braking. ATO, therefore, improves punctuality, shortens<br />

service recovery times, reduces wear, and lowers<br />

carbon emissions by reducing energy consumption.<br />

Figure 2 shows how ATO ensures that the train arrives<br />

at the next station at exactly the time required<br />

by ATS: ATO adjusts the amount of coasting for the<br />

time available and reduces energy consumption.<br />

ATO shortens headway by driving consistently,<br />

stopping accurately, opening doors automatically,<br />

providing a dwell time countdown to the driver,<br />

and being able to drive closer to ETCS brake intervention<br />

curves.<br />

Figure 3 shows how ATO improves headway by<br />

driving consistently. All trains drive with exactly the<br />

same speed profile, when running at the required<br />

24 trains per hour service, that is with 150 s headway:<br />

75 s platform reoccupation times, 45 s dwell<br />

times and 30 s reserve. The changeover from high<br />

level AC current to base level DC current takes place<br />

at Farringdon. There is a 40 km/h speed restriction<br />

in the southbound direction on the approach to<br />

City Thameslink.<br />

v<br />

60<br />

km/h<br />

40<br />

20<br />

St Pancras<br />

0<br />

0 1000 2000 3000 4000 m 5000<br />

s<br />

Figure 3:<br />

Speed-distance diagram St. Pancras to Blackfriars.<br />

Farringdon<br />

City<br />

Thameslink<br />

Blackfriars<br />

Outside the core area, the train is driven manually<br />

but the ATO system provides guidance to the driver.<br />

This DAS functionality, improves efficiency in the remaining<br />

extensive Thameslink areas.<br />

Balises are used by the ETCS and ATO onboard<br />

equipment for information and accurate location,<br />

and radio communications are via GSM (Global System<br />

for Mobile Communication), in line with the<br />

ERTMS standards.<br />

The GSM-R network for railways is also used by the<br />

cab secure radio system supplied by Siemens, who designed<br />

and developed the GSM-R cab mobile for the<br />

entire GB fleet. It is a communication device for voice<br />

and data between the train and signalling centre.<br />

3.3 Performance improvement by ATO<br />

3.4 Trackside equipment<br />

Siemens (formerly Invensys Rail) has been involved<br />

in the signalling of the London Bridge Station Area<br />

for over 150 years, and the award of the framework<br />

contract for Thameslink Key Output 2 Core Area signalling<br />

programme reflected not only this long association,<br />

but also its successful involvement in the<br />

Key Output 1 phase of the project.<br />

The Thameslink KO1 stage covered the resignalling<br />

of Kentish Town to Loughborough Junction,<br />

with Siemens commissioning two Trackguard WEST-<br />

LOCK computer-based interlockings controlled via<br />

Controlguide WestCAD control centres, which introduced<br />

a conventionally signalled railway through the<br />

Thameslink Core Area, with a capacity of 24 trains<br />

per hour. Control for the area comes from both the<br />

West Hampstead and Victoria Signalling Centres.<br />

Thameslink Key Output 2 (KO2):<br />

• Remodelling of London Bridge Station and its<br />

approaches, to provide streamlined traffic flows,<br />

an increased frequency of through-trains and<br />

increased capacity<br />

• Innovative signalling solution is based on Controlguide<br />

West CAD and Trackguard WEST-<br />

LOCK systems, with Trackguard WESTRACE<br />

object controllers giving a high performance<br />

interface between the interlocking and trackside<br />

infrastructure<br />

• Provision of ETCS movement authorities and<br />

ATO information by Trainguard FUTUR 2500<br />

ERTMS Level 2<br />

• Commissioning of a new train describer at London<br />

Bridge station<br />

• Commissioning of signalling at London Bridge<br />

station<br />

• Transfer of control to Three Bridges Regional<br />

control centre<br />

488 112 (2014) Heft 8-9


Operation<br />

The Thameslink project is the first operational application<br />

of ATO with ETCS. It is a vital part of the<br />

high-capacity timetable planned for the route,<br />

which needs every train to run at the optimised<br />

speed profile, stop accurately and adhere closely to<br />

station dwell times.<br />

In the unlikely event of the onboard ATO becoming<br />

unavailable, the system will allow manual driving with<br />

ETCS train protection. Further levels of back-up operation<br />

use lineside signals with the existing Train Protection<br />

and Warning System (TPWS), or special provision<br />

to allow the driver to continue at slow speed.<br />

The resignalling of London Bridge is one of the<br />

most complex challenges in Europe and due to the<br />

novel approach taken on Thameslink, Siemens is<br />

performing and supporting extensive testing at facilities<br />

such as the test track in Wegberg-Wildenrath,<br />

System Integration Lab at Network Rail’s office in<br />

London and at the purpose built ETCS National Integration<br />

Facility (ENIF) in Hertfordshire.<br />

Siemens is also demonstrating its ETCS trackside<br />

solutions at ENIF as one of the four suppliers involved<br />

in Network Rail’s ETCS National Framework contract.<br />

3.5 Crossrail<br />

Crossrail is Europe’s largest current construction<br />

project. It will provide faster, more frequent mainline<br />

trains right into the heart of London, linking<br />

Heathrow directly with the City and Canary<br />

Wharf, connecting towns in the East and the West<br />

to central London, and delivering faster cross-city<br />

journeys between stations like Paddington, Liverpool<br />

Street, Whitechapel and Stratford. Crossrail<br />

will bring an extra 1,5 Mio. people to within<br />

45 min of central London.<br />

The new route will pass through 40 stations and<br />

run over 100 km from Reading and Heathrow in<br />

the west, through two new 21 km tunnels under<br />

central London to Shenfield in the east and Abbey<br />

Wood in the south-east. Similar to Thameslink,<br />

trains will operate a 24 train per hour service in<br />

the central section between Paddington and Whitechapel;<br />

with twelve trains per hour running to<br />

Stratford and Canary Wharf.<br />

The contract was awarded to a consortium of<br />

Siemens and Invensys Rail (now Siemens) to supply<br />

the signalling and the CBTC for the central section,<br />

where moving block is used instead of conventional<br />

colour light signals.<br />

Axle counter train detection, points control<br />

and route-setting are managed by the Trainguard<br />

WESTRACE interlocking that interfaces with Trainguard<br />

MT CBTC and Controlguide Vicos OC for automatic<br />

train supervision, control and display, which<br />

includes a large overview for the operators in the<br />

new control centre at Ilford.<br />

Handover between ERTMS in the west, CBTC in<br />

the centre and TPWS in the east takes place automatically<br />

and on the move. Throughout the central<br />

section, trains will be driven and controlled automatically<br />

by the CBTC system, allowing them to operate<br />

closer together and to run with precise speed control<br />

and stopping accuracy, all the more important because<br />

the underground platforms will be fitted with<br />

platform screen doors with which the train must<br />

align accurately when it stops.<br />

Siemens is also providing SCADA; systems for station<br />

management, line management, security, information;<br />

and communications technologies including<br />

Data Net-work/Optical Fibre Network, Private<br />

Mobile Radio (PMR) Radiating Infrastructure, GSM-<br />

R, Airwave, LFEPA Ch5 Radio Systems and Public Cellular<br />

Radio Radiating Infrastructure.<br />

4 The Class 700 – the freedom of<br />

space<br />

4.1 Need of trains<br />

For Thameslink Siemens is supplying the trains, connecting<br />

– amongst others – the long distance service<br />

between Brighton on the South Coast and Cambridge.<br />

With passengers potentially travelling such<br />

long distances, a train configured for metro operation<br />

with high capacity seating and extensive standing areas<br />

would clearly be unsuitable. Equally, a configuration<br />

targeted at long-distance passengers would be heavily<br />

overcrowded in the busiest parts of the network.<br />

Siemens’ solution to these conflicting needs is its<br />

Class 700 train (Figure 4). Based on the Desiro UK<br />

platform which provides some of the most reliable<br />

and highly rated fleets in the UK, a high level of<br />

technical attention to detail has been paid to ensure<br />

that the Thameslink fleet is lighter, more efficient<br />

and reliable than ever.<br />

Figure 4:<br />

The Class 700-train in Waterloo Station.<br />

112 (2014) Heft 8-9<br />

489


Operation<br />

Because the railways in Central London and north<br />

of the city are powered by AC 25 kV 50 Hz overhead<br />

contact line and south of London via DC 0,75 kV<br />

third-rail, switching between the power sources<br />

is necessary. Dual mode capability provides all onboard<br />

equipment that is needed to handle the different<br />

power sources, and handover from one to the<br />

other is achieved by an automated switch, reducing<br />

the driver’s workload.<br />

Other key technical aspects of the trains are<br />

shown in Table 1.<br />

4.3 Reducing maintenance efforts<br />

Figure 5:<br />

Some examples of possible train configurations of Class 700 trains.<br />

blue motor car<br />

grey trailer car<br />

4.2 The train configuration<br />

The Class 700s are an Electric Multiple Unit (EMU)<br />

with distributed traction equipment. To ensure maximum<br />

flexibility and modularity all traction components<br />

are integrated into a single vehicle, the motor<br />

car. All traction vehicles consist of a traction container<br />

with integrated auxiliary converter, drive unit, line<br />

filter and braking resistor. These motor cars can be<br />

flexibly integrated into a train according to the traction<br />

requirements.<br />

This modularity and flexibility of the Desiro City<br />

concept on which the Class 700s are based means<br />

that any passenger capacity and train length can be<br />

delivered, from three-car trains with a traction vehicle,<br />

trailer vehicle and semi-traction vehicle to a<br />

240 m long twelve-car train with six motor cars (Figure<br />

5). This can all be achieved without compromise<br />

on performance, or unnecessary weight. Compared<br />

with conventional traction vehicles their performance<br />

is significantly improved, providing the acceleration<br />

and braking characteristics needed for short<br />

dwell times on inner city and suburban services.<br />

TABLE 1<br />

Technical aspects of the trains Class 700.<br />

8-car train<br />

12-car train<br />

Power at wheel MW 3,3 5,0<br />

Wheel diameter mm 820 new 760 worn<br />

Floor height above rail level mm 1 100 1 100<br />

Vehicle length m 20 20<br />

Train length m 162,0 242,6<br />

Width m 2,8 2,8<br />

Weight t 278 410<br />

Passenger seats 416 654<br />

Crashworthiness TSI TSI<br />

Particular attention has been given to reducing unsprung<br />

mass, an important factor as track wear forms<br />

a major aspect of the UK’s track access charging policy.<br />

Powered (Figure 6) and trailer bogies have inside bearings,<br />

which reduce the axle width, thus saving weight,<br />

and allowing the design of both to be exceedingly<br />

compact. Compared with a typical bogie for use on<br />

such a train, that on the Class 700s is around one third<br />

lighter. This reduces track wear, and also wheelset<br />

wear too. Furthermore the weight reduction comes<br />

without a penalty in strength: higher vehicle payloads<br />

can be carried with no additional risk of derailments.<br />

The bodyshell too is lighter, helped by the fact<br />

that the fleet is to be delivered in eight and twelve<br />

car formations with no requirement for intermediate<br />

cabs that would be needed if formations of multiple<br />

four-coach trains were operated.<br />

Together these aspects are combined with Siemens’<br />

longstanding reputation for ensuring that its trains are<br />

as simple to maintain as possible. New maintenance<br />

depots will allow staff to focus on the needs of a single<br />

fleet – an approach which has worked very well with<br />

many of the Desiro UK fleets already –, and deliver train<br />

availability levels consistently and safely.<br />

4.4 Prerequisite for reliability<br />

With 1 500 rail vehicles already running or on order,<br />

the Desiro platform has a proven track record in the<br />

UK. As a next generation solution, the Desiro City is<br />

based on highly reliable technology and incorporates<br />

experience gained over many years. It is designed for<br />

high capacities with frequent, irregular stops on diverse<br />

routes with the objective of achieving best-inclass<br />

service performance, low levels of failure, and<br />

intelligent equipment redundancy to allow maximum<br />

availability. In order to deliver trains that work<br />

‘straight out of the box’, each train is fully tested to UK<br />

standards on Siemens’ unique test track in Wegberg-<br />

Wildenrath. In addition, intelligent use of onboard<br />

train management and monitoring systems permit<br />

optimised maintenance exam periods and overhaul<br />

490 112 (2014) Heft 8-9


Operation<br />

intervals. For example, by using operational data with<br />

a robust optimisation program maintenance control<br />

centres can operate balanced maintenance regimes alleviating<br />

the need to stop units for long periods. This<br />

maximises continued availability and operational revenue<br />

over the entire life of the train.<br />

4.5 Comfort for the passengers<br />

For passengers the experience of a train begins when<br />

they board it. To ensure that they can embark and<br />

disembark quickly and safely pocket sliding doors<br />

are used rather than the plug door types used elsewhere,<br />

and when passengers board the train they<br />

enter into spacious vestibule areas designed to have<br />

as few obstructions in the way as possible.<br />

But it is in the interior that the most significant<br />

changes to conventional practices in the UK are being<br />

made. The starting point is to provide a design<br />

which allows considerable flexibility of configuration<br />

at the build stage and throughout the train’s life.<br />

Should alterations to seating configurations and facilities<br />

be required at any point no structural changes<br />

to the vehicle will be needed. This is a significant<br />

development which will reduce the whole life costs<br />

of the trains significantly.<br />

Most high-capacity trains rely on 3+2 seating but<br />

while in Germany it is possible to provide adequate<br />

space for each passenger, the UK’s restricted loading<br />

gauge means the seats have been narrow. Even at busy<br />

times many passengers prefer to stand rather than use<br />

the cramped central seats. Following consultation with<br />

the passengers’ group, a 2+2 configuration throughout<br />

the trains was realised, including the small First Class<br />

sections. It allows much wider gangways between the<br />

seats and more standing capacity, while meeting the<br />

expectations of longer distance passengers.<br />

A main aspect of the Class 700s is the desire to declutter<br />

the train’s interior, removing any of the traditional<br />

obstructions to passengers and their belongings<br />

to make best use of the space. This starts with<br />

the seats and tables, where fitted. Rather than rely on<br />

conventional floor rails, the Class 700s’ seats are cantilevered<br />

from aluminium C-rails on the bodyshell. With<br />

no underseat equipment anywhere in the passenger<br />

compartments, this means that a large area under the<br />

seats is available for stowage of bags that might otherwise<br />

be placed on an adjacent seat. Equally, unlike<br />

some older designs, the overhead luggage racks have<br />

been designed to provide enough space for a small<br />

suitcase or bag, allowing many passengers to keep<br />

their possessions near them. The main luggage racks<br />

themselves are a vital component given that many<br />

of the fleet will serve Luton and London Gatwick airports.<br />

They continue the theme of the vehicles having<br />

an unobstructed floor and act as draught screens next<br />

to doors. For passengers with heavy or bulky luggage<br />

Figure 6:<br />

Motor-bogie.<br />

it will be easier and safer to stow their cases than in<br />

any other train in the UK. From the train operator’s<br />

viewpoint, interior cleaning will be easier, quicker and<br />

more effective – a vital consideration given how intensively<br />

this fleet is going to be used when it enters<br />

service from 2016. There is ample space for bicycles<br />

and passengers with limited mobility – not just wheel<br />

chair users, but families with young children in pushchairs<br />

and others who may not be able to easily move<br />

through the train and find a seat. With three such areas<br />

in Standard Class, the trains will be amongst the<br />

most passenger friendly in service (Figure 7).<br />

4.6 Information system<br />

Once aboard, whether they are standing for a short<br />

distance or take a seat, passengers are kept informed<br />

of their journey by a next generation passenger information<br />

system. Not only will it show the train’s<br />

destination and calling points; it will also provide<br />

comprehensive information about seating and<br />

standing capacities, delays and onward connections,<br />

and should the operator desire it, entertainment and<br />

advertising, visibly and audibly. The data is fed in<br />

by Siemens’ proprietary Remote Data Access System.<br />

Figure 7:<br />

Interior of the train.<br />

112 (2014) Heft 8-9<br />

491


Operation<br />

Together with the client, this was designed as a<br />

flexible communication base between the backoffice<br />

at the train operator and the train itself. In this way<br />

it is possible to exchange several actual data such as<br />

shown in some examples:<br />

• Energy consumption<br />

• Update of the driver advisory system<br />

• Diagnosis information<br />

• Actual passenger loading<br />

So the operator is able to react individually on any<br />

event on a train anywhere on its trip.<br />

Additionally to the relevant operator data, also a<br />

lot of customer information is permanently updated<br />

if required. The train display is able to inform on<br />

• updated timetable information according to the<br />

real operational situation and<br />

• Information on delays of the train and online<br />

information of departures of connecting trains.<br />

Large and conveniently located Thin Film Transistor<br />

(TFT) displays can be viewed throughout the passenger<br />

saloon.<br />

4.7 Environmental friendliness<br />

Good engineering and design integrate environmental<br />

protection from the start, and the Class 700s<br />

are set to be amongst the most efficient and most<br />

green trains in the world.<br />

Those benefits begin with the train itself. With a<br />

lighter body, bogies and onboard equipment, train<br />

weight in total is reduced by 25 % compared with<br />

existing UK train fleets, with an immediate positive<br />

effect on energy consumption. Improved aerodynamics<br />

cut air resistance, while redesigned traction<br />

and auxiliary supply systems reduce power demands<br />

further still compared with other designs. The attention<br />

to detail on weight saving even applies to interior<br />

cabling, which is designed to be as light as possible<br />

while still meeting all of the safety, operational<br />

and reliability requirements demanded.<br />

The traction and auxiliary converters use IGBT<br />

technology to minimize the use of heavy magnetic<br />

components and reduce switching losses too – hitherto<br />

a significant consumer of power. An all-new<br />

DAS suggests when power can be reduced while<br />

still maintaining journey times, limiting binary driving<br />

techniques which alternate between full power<br />

and braking for long periods. Power consumption is<br />

recorded, and as experience with the trains and the<br />

routes they operate is gained, this will help identify<br />

areas where consumption can be reduced further.<br />

A new air-conditioning system uses CO 2 sensors<br />

to assess the number of passengers and adjust its<br />

output accordingly: A lightly loaded train will require<br />

less use of air-conditioning than a busy rush hour<br />

service, and this system is significantly more efficient<br />

than a solely thermostat based equivalent. Furthermore,<br />

should there be, for whatever reason, an onboard<br />

fire, the ventilation system will actively and<br />

automatically vent smoke outside the train to create<br />

a safe haven for passengers while they are being<br />

evacuated. Their onboard safety is enhanced by the<br />

latest onboard video surveillance systems that can<br />

help staff to identify and react to incidents quickly<br />

and effectively.<br />

Lighting is provided using the latest LED technology<br />

that saves weight and energy compared with<br />

fluorescent tubes and bulbs, and also delivers major<br />

savings in maintenance as the fully sealed units have<br />

a very long service life with no intermediate servicing<br />

intervention required. Because the units are sealed<br />

against dust and dirt ingress, there is a much reduced<br />

cleaning requirement as well.<br />

The combined effect of all of these weight savings<br />

and efficiency measures is that the Class 700s<br />

are expected to save a significant amount of energy<br />

compared to former trains, to the benefit of the train<br />

operator, passengers and the wider environment.<br />

The environmental credentials are enhanced further<br />

as 95 % of the train’s materials can be recycled – significantly<br />

in excess of current regulations.<br />

Die deutsche Übersetzung erscheint in einer der nächsten<br />

Ausgaben der <strong>eb</strong> – <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong>.<br />

AUTHORS<br />

Dipl.-Ing. Christoph Götz (45), stu<strong>die</strong>d<br />

at the Technical University Braunschweig,<br />

majoring in electrical engineering;<br />

since 1995 at Siemens, until 2000<br />

project manager in Engineering and<br />

Production, from 2001 to 2007 multiproject<br />

manager for the Desiro Classic<br />

(DMU) for 14 customers in 8 European<br />

countries. After that, Head of Sales &<br />

Acquisition for Regional and Commuter<br />

Trains worldwide. Since 2011 Sales &<br />

Project Director for Great Britain and<br />

the Thameslink Project.<br />

Address: Siemens AG, Mozartstr. 31B,<br />

91052 Erlangen, Germany;<br />

phone: +49 9131 7-43158,<br />

e-mail: christoph.h.goetz@siemens.com<br />

David Morton, BSc (56),stu<strong>die</strong>d<br />

electrical engineering at the University<br />

of Sunderland, England; after that<br />

development engineer at Siemens in<br />

Poole, England and, since 1991, System<br />

Manager for ETCS at Siemens Braunschweig,<br />

Germany.<br />

Address: Siemens AG, Ackerstr. 22,<br />

38126 Braunschweig; Germany;<br />

phone: +49 531 226-3624;<br />

e-mail: david.morton@siemens.com<br />

492 112 (2014) Heft 8-9


Electric Traction – Motive Power –<br />

Energy Supply – Steimel<br />

The book intends to convey mechanical fundamentals of electric railway propulsion,<br />

which includes rail-bound guidance, transmission of traction effort from wheel to rail<br />

under the influence of non-constant levels of adhesion and the transmission of motor<br />

torque to a spring-mounted and thus swaying drive wheelset.<br />

The focal point of the book will be the disposition of electric traction units powered<br />

by three-phase induction motors. We shall discuss the stationary and dynamical<br />

behaviour of the squirrel-cage induction motors and the principle and construction<br />

features of pulse-controlled inverters, as well as scalar and field-oriented control<br />

systems and four-quadrant power converters, feeding the DC link of the inverters.<br />

As is appropriate to the lesser importance these drive systems have nowadays, we<br />

will consider DC and AC commutator motors only in a cursory fashion, as well as their<br />

voltage control.<br />

Editor: Andreas Steimel<br />

2 nd edition 2014<br />

416 pages, 170 x 240 mm<br />

softcover with interactive e-book (read-online access)<br />

ISBN: 978-3-8356-7257-4<br />

Price: € 64,–<br />

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH, Arnulfstr. 124, 80636 München<br />

www.di-verlag.de<br />

Order now!<br />

KNOWLEDGE FOR THE<br />

FUTURE<br />

Order now by fax: +49 201 / 820 02-34 or send in a letter<br />

Deutscher Industrieverlag GmbH | Arnulfstr. 124 | 80636 München<br />

Yes, I place a firm order for the technical book. Please send<br />

— copies of Electric Traction – Motive Power and Energy Supply<br />

2 nd edition 2014 – ISBN: 978-3-8356-7257-4<br />

at the price of € 64,– (plus postage and packing extra)<br />

Company/Institution<br />

First name, surname of recipient (department or person)<br />

Street/P.O. Box, No.<br />

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Postfach 10 39 62<br />

45039 Essen<br />

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Please note: According to German law this request may be withdrawn within 14 days after order date in writing<br />

to Vulkan Verlag GmbH, Versandbuchhandlung, Friedrich-Ebert-Straße 55, 45127 Essen, Germany.<br />

In order to accomplish your request and for communication purposes your personal data are being recorded and stored.<br />

It is approved that this data may also be used in commercial ways by mail, by phone, by fax, by email, none.<br />

this approval may be withdrawn at any time.<br />

Date, signature<br />

PAETPS2014


Contact Line Systems<br />

Dynamic simulation of contact line/<br />

pantograph interaction by OSCAR ©<br />

– Optimisation of components and<br />

approval of rolling stock<br />

Guido van Kalsbeek, Stéphane Avronsart, Yoshitaka Yamashita, Paris (FR)<br />

Before any testing or prototyping, the critical and hard to anticipate pantograph/catenary interaction<br />

can be assessed by dynamic modelling. On the basis of validated tools and models, engineering<br />

departments benefit from those techniques to optimize new designs of overhead contact lines<br />

and/or pantographs with a reduced need of testing. Train manufacturers and operators also benefit<br />

from those techniques. At the design stage it provides them with precious results to make multiple<br />

unit operation choices and to specify pantograph characteristics. Before operation, it assists them<br />

when it comes to prepare testing and acceptance runs wher<strong>eb</strong>y the behaviour needs to be assessed<br />

under different infrastructures. Very important, the risks associated with new designs and to their<br />

acceptance get mastered and quantified. For these purposes SNCF developed the program OSCAR ©<br />

for dynamic simulation of overhead line/pantograph interaction.<br />

SIMULATION DES ZUSAMMENWIRKENS OBERLEITUNG/STROMABNEHMER MIT OSCAR © – OPTIMIE-<br />

RUNG VON KOMPONENTEN UND ZERTIFIZIERUNG VON FAHRZEUGEN<br />

Das Zusammenwirken <strong>von</strong> Stromabnehmern mit dem Kettenwerk kann vor dem Erstellen <strong>von</strong> Prototypen<br />

und Versuchen anhand <strong>von</strong> Modellrechnungen beurteilt werden. Zuverlässige Werkzeuge unterstützen<br />

Ingeneure wirkungsvoll bei der Absicherung <strong>von</strong> Projekten und der Verringerung <strong>von</strong> Kosten.<br />

Auslegungsparameter und Einstellungen können damit optimiert und Prüfungen zur Zertifizierung<br />

vorbereitet werden. Damit wird der Umfang solcher Prüfungen durch richtige Einstellungen und Anordnungen<br />

verringert, insbesondere beim Betri<strong>eb</strong> mit mehreren Stromabnehmern. Für <strong>die</strong>sen Zweck<br />

entwickelte SNCF das Simualtionsprogramm OSCAR © . Die numerische Simulation erspart Geld und Zeit<br />

durch <strong>die</strong> Begrenzung <strong>von</strong> Versuchen auf ein Minimum. Noch bedeutender ist das Beherrschen <strong>von</strong><br />

Risiken, <strong>die</strong> mit neuen Ausführungen und deren Zulassung <strong>für</strong> <strong>die</strong> allgemeine Nutzung verbunden sind.<br />

SIMULATION DYNAMIQUE DE L’INTERACTION PANTOGRAPHE/CATÉNAIRE AVEC OSCAR © – OPTIMI-<br />

SATION DES COMPOSANTS ET HOMOLOGATION DE MATÉRIEL ROULANT<br />

L’interaction pantographe-caténaire, complexe et difficile à anticiper, peut être étudiée par modélisation<br />

avant tout essai ou prototypage. Des outils et des modèles performants et validés permettent<br />

aux ingénieries d’optimiser les nouvelles conceptions de caténaires et/ou de pantographes en ayant<br />

un recours limité aux essais. Les constructeurs et exploitants ferroviaires bénéficient également<br />

de ces méthodes. Lors de la conception, des résultats précieux sont ainsi obtenus pour effectuer<br />

les choix concernant les configurations en unités multiples et pour spécifier les caractéristiques du<br />

pantographe. Avant l’exploitation, cela les assiste dans la préparation des circulations d’essais et<br />

d’homologation par lesquels le comportement doit être caractérisé sous différentes infrastructures.<br />

Surtout, les risques associés à ces nouvelles conceptions et à leur validation peuvent être maitrisés<br />

et quantifiés. Pour cela, la SNCF a développé le logiciel OSCAR © pour la simulation de l’interaction<br />

dynamique pantographe/caténaire.<br />

1 Introduction<br />

The countries disposing of an important railway<br />

network have electrified their main lines, especially<br />

in Europe. Each country or network used its own<br />

standards in function of the available technologies<br />

and the choices that were made. This led to a<br />

patch worked situation, becoming a real brainteaser<br />

in some countries and in Europe when it comes to<br />

prepare the operation of a train service across the<br />

borders. To do so, a compromise is to be found<br />

between the different existing principles: different<br />

electrification systems: DC 0,75 1,5 kV and 3 kV, AC<br />

15 kV 16,7 Hz and 25 kV 50 Hz with their own charac-<br />

494 112 (2014) Heft 8-9


Contact Line Systems<br />

teristics, different pantograph collector head length,<br />

different span arrangements etc.<br />

This compromise is all the more difficult for the<br />

pantograph-catenary interaction as it constitutes a<br />

dynamic couple to be stu<strong>die</strong>d as a whole system, the<br />

behaviour of which can hardly be anticipated.<br />

The contact between the pantograph and catenary<br />

produces flexural waves propagating along the catenary<br />

and impacting the behaviour at the contact. Firstly, it<br />

limits the maximum running speed in order not to produce<br />

high amplitude oscillations in case of resonance<br />

with this wave propagation. Secondly, multiple unit<br />

operation is much more complicated to predict: it depends<br />

on the situation of the already oscillating contact<br />

wire, when the trailing pantograph encounters it. For<br />

this reason, a specific study is essential to prepare and<br />

assess this situation. Some of the parameters can be<br />

assessed through a theoretical analysis [1]. However,<br />

more dynamic phenomena, uncovered by the previous<br />

analysis, appear, highlighting the fact that a complete<br />

study is necessary [2] taking into account the other<br />

modal characteristics of the system, wave propagation<br />

and reflection at each support and at the end of the<br />

section, energy transfer and damping etc.<br />

Therefore, power supply needs to deeply be stu<strong>die</strong>d<br />

in all its complexity. Not only for speed increasing<br />

purposes but also to modify or extend the operational<br />

conditions and abilities of the system.<br />

Dynamic modelling and simulation is an excellent tool<br />

allowing to optimize the preparation of such challenges<br />

and to limit the need of costly and time-consuming testing<br />

runs on commercial lines and in several countries.<br />

Numerical modelling techniques and computational<br />

capabilities are mature enough to reach a high degree<br />

of reliability and precision with acceptable computation<br />

times. This allows a wider use of simulation in complex<br />

dynamic problems like pantograph-catenary interaction<br />

For this purpose, SNCF has been developing since<br />

the early 80’s pantograph-catenary dynamic interface<br />

simulation tools resulting in its last software,<br />

OSCAR © [3], developed since 2004.<br />

A three dimensional finite elements mesh allows<br />

the modelling of any catenary type: AC or DC designs,<br />

conventional or high-speed lines, etc. It is<br />

representative of the real overhead line geometry,<br />

with contact wire irregularities, staggered alignment<br />

of the contact wire (CW), dropper spacing, wire tension,<br />

wave propagation, etc. Non-linearities, such as<br />

slackening of droppers and unilateral contact between<br />

the pantograph and the contact wire, are taken<br />

into account. Several pantograph models can be<br />

used, with a complexity level growing from the three<br />

lumped mass model to the multibody (MB) model.<br />

Industrial features for pre-and post-treatments were<br />

developed to increase robustness of results and optimize<br />

computation time. Recent developments include<br />

full 3D meshing of the contact wire for stress<br />

computation or statistical analysis and lead to new<br />

fields of stu<strong>die</strong>s. OSCAR was fully validated against<br />

inline measurements for its different AC and DC<br />

catenary models as well as its different pantograph<br />

models, with independent strips for instance, and<br />

has been certified against EN50318 since 2008.<br />

On the basis of validated tools and models, engineering<br />

departments benefit from those techniques to<br />

optimize new design of OCL and/or pantographs with<br />

a reduced need of testing. Projects benefit from those<br />

tools to assess the impact of adapting design principles<br />

to field particularities. This provides the projects<br />

with elements allowing boards to weigh the impact<br />

of their choices and identify potential savings. Train<br />

manufacturers and operators benefit from those techniques<br />

from the design stage until operation. At the<br />

design stage it provides them with precious results to<br />

make multiple unit operation choices and to specify<br />

pantograph characteristics. Before operation, it assists<br />

them when it comes to prepare testing and validation<br />

runs especially in multiple units configurations or if the<br />

behaviour needs to be assessed under different types<br />

of infrastructures or in particular conditions, icing for<br />

instance. The principles and results presented in the<br />

following sections are based on this software.<br />

TABLE 1<br />

Evolution of conductor mechanical tension on French High-Speed Lines (HSL).<br />

Line<br />

Paris–<br />

Lyon 1<br />

Paris–<br />

Le Mans<br />

Paris–<br />

Calais<br />

Lyon–<br />

Valence<br />

Valence–<br />

Marseille<br />

Paris–<br />

Strasbourg<br />

Rhin–<br />

Rhône<br />

Opening 1981 1983 1993 1992 2001 2007 2012<br />

Catenary wire<br />

Contact wire<br />

Cross section<br />

65 65 65 65 116 116 116<br />

mm 2<br />

Tensile force<br />

daN<br />

1 400 1 400 1 400 1 400 2 000 2 000 2 000<br />

Cross section 120 150 150 150 150 150 150<br />

mm 2<br />

Tensile force<br />

daN<br />

1 500 2 000 2 000 2 000 2 500 2 600 2 600<br />

Pre-sag Coeff a/1 000 a/1 000 a/2 000 a/2 000 a/2 000 a/2 000 a/2 000<br />

1<br />

Use of switch wires; this has been abandoned for all following designs.<br />

112 (2014) Heft 8-9<br />

495


Contact Line Systems<br />

σ/F m<br />

0,7<br />

0,6<br />

0,5<br />

0,4<br />

0,3<br />

0,2<br />

0,1<br />

2 Design optimisation before<br />

implementation<br />

2.1 Optimisation of overhead contact<br />

line design<br />

2.1.1 General<br />

As tackled in introduction of this paper, dynamic<br />

interaction between pantograph and overhead contact<br />

line (OCL) is very sensible to many parameters<br />

among which OCL characteristics, such as contact<br />

or messenger wire mechanical tension, pre-sag or<br />

geometry. For years, defining such parameters was<br />

mainly based on designer backgrounds combined<br />

with laboratory or field tests in order to determine<br />

the best settings. Feedback got by expertizing causes<br />

of incidents or experience gained from years of<br />

train operation. This led to gradually improve the design<br />

and adjust these parameters. All these methods<br />

are time-consuming and do not guaranty a complete<br />

optimisation of design parameters.<br />

An example is given for high-speed lines (HSL),<br />

where the OCL performance was gradually improved<br />

by increasing conductor mechanical tension or<br />

adjusting the pre-sag coefficient being the ration of<br />

pre-sag to the span length (Table 1). Through dynamic<br />

modelling, all OCL parameters can efficiently be<br />

assessed for design purposes as detailed hereafter.<br />

It also reveals useful for very specific design applications<br />

like the preparation of a world speed record<br />

for rail vehicles for instance, for which many stu<strong>die</strong>s<br />

were carried out [4].<br />

0,0<br />

-1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 a/1000 3,0<br />

PSC<br />

Figure 1:<br />

Current collection quality σ/F m (limit 0,3) for multiple train units depending on the presag<br />

coefficient of the contact wire for new or worn contact wire.<br />

1 new CW, leading pantograph<br />

2 new CW, trailing pantograph<br />

3 worn CW, leading pantograph<br />

5<br />

4 worn CW, trailing pantograph<br />

5 σ/F m limit of 0,3<br />

3<br />

1<br />

2<br />

4<br />

2.1.2 Defining contact wire and messenger wire<br />

mechanical tensions<br />

Increasing conductor mechanical tension leads to<br />

significantly improve current collection quality. As a<br />

consequence, stresses inside conductors are increased,<br />

reducing their lifetime and obliging the use of<br />

specific conductors like copper alloy for contact wires.<br />

In the same time, radial tensions also increase,<br />

provoking implementation of stronger poles and<br />

foundations to respect mechanical resistance criteria.<br />

To optimize these key parameters, simulation is<br />

used up to the OCL design speed. For each of the contact<br />

wire (CW) or messenger wire (MW) tensions, a<br />

parametrical study is carried out and current collection<br />

quality is assessed through criteria like the quotient of<br />

standard deviation σ and the mean contact force F m .<br />

By plotting these results on a 3D graph, it allows the<br />

designer to easily identify a compliance zone, in which<br />

all requirements are fulfilled in function of the assessed<br />

parameters. Any couple of parameters extracted from<br />

that zone will respect the dynamic requirements:<br />

a choice is offered in function of other design constraints.<br />

After selection of a couple of parameters by design<br />

teams, different pantograph types are simulated<br />

in order to test the resilience of the solution.<br />

2.1.3 Defining geometrical parameters<br />

Due to its impact on life cycle costs, adjusting mechanical<br />

tension is not the optimum solution for improving<br />

current collection quality. Modifying span lengths<br />

or pre-sag coefficient can present beneficial effects<br />

while preserving the global efforts of the design and its<br />

implementation. As shown on Figure 1, σ/F m can be significantly<br />

influenced by adjusting pre-sag coefficient<br />

which is defined as the ratio between the span length<br />

and the sag in the middle of the considered span.<br />

Blue curves represent the results obtained in<br />

terms of σ/F m of leading and trailing pantographs<br />

running under a new CW. Green curves show simulation<br />

results obtained with a worn CW. Focusing the<br />

analysis in the area where σ/F m is lower than 0,3, an<br />

optimum appears for both new and worn wires. It<br />

is also notable that this parameter has a significant<br />

impact on the results. Such results could hardly be<br />

obtained by performing real tests: on track, modification<br />

of pre-sag value of a complete tension length<br />

takes hours, with a full team of skilled workers. Moreover,<br />

many runs should be recorded with a train<br />

equipped with a contact force measurement system<br />

which is very expensive, and does not allow testing<br />

every configuration of pre-sag values.<br />

Same stu<strong>die</strong>s are carried out for each other design<br />

parameter. Figure 2 presents another example, the research<br />

of the best position of the first dropper in the<br />

span, its distance to the support. As shown, under the<br />

496 112 (2014) Heft 8-9


Contact Line Systems<br />

effect of an increase of the OCL elasticity around supports<br />

when that distance increases, current collection<br />

quality criterion improves, but uplift also rises.<br />

2.2 Optimisation of pantograph design<br />

2.2.1 General<br />

As a system, beneficial effects can be reached by<br />

studying both OCL and pantographs sub-systems in<br />

interaction in order to reach an optimized solution.<br />

As previously detailed, many OCL parameters can be<br />

stu<strong>die</strong>d and optimized through numerical dynamic<br />

modelling.<br />

Pantograph design can also be assessed and improved<br />

through numerical modelling with a validated<br />

tool, without having to carry out expensive and<br />

time consuming field or laboratory tests. The tests remain<br />

necessary for the ultimate stage of design and<br />

validation only, when it comes to tackle the precise<br />

settings and the effects of all real components and<br />

connections on the behaviour of the whole system.<br />

In a first approach, the dynamic behaviour of a<br />

pantograph can be modelled through a lumped<br />

mass model (Figure 3).<br />

K3<br />

M3<br />

C3<br />

F a3<br />

F s3<br />

σ/F m<br />

0,6<br />

0,5<br />

0,4<br />

0,3<br />

0,2<br />

0,1<br />

0,0<br />

4<br />

1 2 3 4 5 6 7 m 8<br />

d<br />

Figure 2:<br />

Current collection quality σ/F m and maximum uplift e max at supports obtained depending<br />

on the position d of the first dropper in the span, in multiple units.<br />

1 maximum uplift e max<br />

2 σ/F m trailing pantograph<br />

3<br />

3 σ/F m leading pantograph<br />

4 σ/F m , limit of 0,3<br />

With such a model, some parameters can generally<br />

be close to physical properties of the pantograph such<br />

as the upper mass which generally represents the mass<br />

of the pantograph head and the upper spring its suspension.<br />

Studying those parameters is a first way of optimizing<br />

the pantograph design and its settings (contact<br />

force setting will be described in clause 4). In Figure 4<br />

[1], the effect of the upper spring stiffness K 3 on the<br />

current collection quality in interaction with a catenary<br />

was analysed in function of the presence or not of<br />

bumpstops with non-linear behaviour on the pantograph<br />

head. The head suspensions’ displacements were<br />

4<br />

2<br />

1<br />

10<br />

cm<br />

9<br />

8<br />

7<br />

6<br />

5<br />

e max<br />

K2<br />

K1<br />

M2<br />

M1<br />

C2<br />

C1<br />

F a2<br />

F s2<br />

F a1<br />

F s1<br />

a)<br />

0,2<br />

σ/F m 0,1<br />

b)<br />

d 3max<br />

c)<br />

0,4<br />

0,3<br />

0,0<br />

60<br />

cm<br />

40<br />

30<br />

11<br />

cm<br />

9<br />

8<br />

2<br />

1<br />

1<br />

2<br />

2<br />

1<br />

e max<br />

K 3<br />

10 2 10 3 N/m<br />

10 4<br />

Figure 3:<br />

Example of lumped mass model of a pantograph as used in<br />

OSCAR.<br />

K1, K2, K3 model springs in N/m<br />

C1, C2, C3 model dampings N∙s/m<br />

M1, M2, M3 model masses kg<br />

F s and F a are the vertical forces applied by the pantograph on<br />

the contact wire<br />

112 (2014) Heft 8-9<br />

at<br />

Figure 4:<br />

Current collection quality σ/F m öow suspension maximum displacement d 3max and maximum<br />

uplift e max at supports depending on pan head suspension stiffness K 3 with and<br />

without bumpstops on the pan head suspension.<br />

a) current collection quality σ/F m<br />

c) maximum contact wire uplift e max<br />

suspensions d 3max 1 with bump stop<br />

b) pan head displacement of<br />

supports<br />

2 without bump stop<br />

497


Contact Line Systems<br />

However, for a more direct and overall a more<br />

precise assessment of the effect of the pantograph<br />

components on its dynamic behaviour, the full geometry<br />

and dynamic effects of all its components<br />

have to be taken into account. This is the basis to<br />

multi-body models.<br />

2.2.2 Multi-body models: dynamic optimization<br />

of pantograph components<br />

Figure 5:<br />

Multi body (MB) model of a pantograph with variable air<br />

spring actuator.<br />

also extracted. This highlighted the need to combine<br />

those two properties and study them together to reach<br />

an acceptable behaviour for the resulting system: with<br />

100 N/m, current collection will be good but the head<br />

displacements reaching ±0,40 m would be unrealistically<br />

high, which can be proposed by numerical simulation.<br />

The development of more complete and accurate<br />

models for the pantograph addresses the needs<br />

• to have tools available to precisely study the pantograph<br />

dynamics or the effects of modifications<br />

on existing pantographs,<br />

• to be able to have a clearer view of the effect of<br />

component properties on the dynamic behaviour<br />

of the pantograph,<br />

• to improve the simply vertical and punctual behaviour<br />

of the pantograph on the CW in the case<br />

of a lumped mass model by taking into account<br />

its geometrical characteristics and its dynamic<br />

behaviour in function of the position of the contact<br />

point on the collector head,<br />

• to carry out precise stu<strong>die</strong>s on particular OCL<br />

locations like switches for instance.<br />

a) 0,05<br />

m<br />

0,00<br />

e sp<br />

b) –0,05<br />

200<br />

N<br />

F sp<br />

100<br />

0<br />

c) 1000<br />

N<br />

500<br />

F C<br />

d)<br />

F C<br />

0<br />

0 1 2 3 4 5 s 6<br />

t<br />

500<br />

N<br />

0<br />

250 300 350 400 450 500 550 600 m 650<br />

s<br />

Figure 6:<br />

Contact force trace obtained with the use of an optimized pneumatic suspension.<br />

a) deformation e sp of each spring against time<br />

In each chart, the line colours correspond to the spring positions.<br />

b) reaction force F sp of each spring against time<br />

blue front-left<br />

c) unfiltered contact force F C against time<br />

red front-right<br />

d) filtered contact force F C as a function of the running green rear-left<br />

distance s (kilometrical point of the OCL model) orange rear-right<br />

498 112 (2014) Heft 8-9


Contact Line Systems<br />

a) 0,05<br />

m<br />

0,00<br />

e sp<br />

b) –0,05<br />

200<br />

N<br />

F sp<br />

100<br />

0<br />

c) 1000<br />

N<br />

500<br />

F C<br />

d)<br />

F C<br />

0<br />

0 1 2 3 4 5 s 6<br />

t<br />

500<br />

N<br />

0<br />

250 300 350 400 450 500 550 600 m 650<br />

s<br />

Figure 7:<br />

Contact force trace obtained with nominal pan head suspension.<br />

a) deformation e sp of each spring against time<br />

b) reaction force F sp of each spring against time<br />

c) unfiltered contact force F C against time<br />

d) filtered contact force F C as a function of the running<br />

distance s (kilometrical point of the OCL model)<br />

In each chart, the line colours correspond to the spring positions.<br />

blue front-left<br />

red front-right<br />

green rear-left<br />

orange rear-right<br />

Multi-body models were developed to be used in interaction<br />

with the OCL within OSCAR. To do so, a cosimulation<br />

was developed between the well validated<br />

catenary model and a multibody pantograph model.<br />

This model is built from a CAD file and can either<br />

be rigid, partially flexible or flexible. The impact of<br />

each body‘s flexibility can separately be evaluated.<br />

In the same way, bushing joints are used to take into<br />

account clearance and flexibility in joints. Laboratory<br />

tests are used to adjust the model through an experimental<br />

modal analysis (EMA). Moreover, the multibody<br />

model can be actuated by pneumatic systems<br />

as well as its control system. Data is exchanged between<br />

the mechanical workspace and the pneumatic<br />

one at each time step. The French pantograph illustrated<br />

in Figure 5 is deployed by an air spring which<br />

pressure supply is controlled as a function of the train<br />

speed with an open and a closed loop.<br />

The cosimulation procedure was optimized to<br />

guarantee the efficiency of the simulation tool. The<br />

multibody software computes the contact force between<br />

the CW and the pantograph head. This data is<br />

then sent to the FE OCL model through the random<br />

access memory, which computes the contact wire<br />

displacements and so on.<br />

As exposed before, such models can be used to<br />

optimize each pantograph component but also open<br />

the field for innovative principles and components<br />

[5]. This is the case of a passive pneumatic collector<br />

head suspension imagined by SNCF [6].<br />

Such an equipment answers to the antagonistic<br />

behaviour highlighted in previous part (Figure 4):<br />

current collection quality improves when decreasing<br />

the head suspension stiffness but a large<br />

deflection is in that case necessary and not compatible<br />

with existing pantographs. The imagined<br />

pneumatic system compensates these deflections,<br />

allowing for an improved current collection quality<br />

as shown in Figures 6 and 7.<br />

The recent calculations performed on such system<br />

(Figure 6) with optimized stiffness and damping<br />

values compared to the results obtained for<br />

the nominal situation of the pantograph (Figure 7)<br />

show a significant improvement of current collection<br />

quality. The standard deviation of the contact<br />

force is decreased by 27 % for the same running<br />

conditions and under the same OCL system. Applications<br />

range from speed upgrading on existing<br />

OCL for such kind of pantographs to reduction of<br />

OCL wear through a reduction of the mean applied<br />

contact force and a reduction of the peaks and occurrence<br />

of absolute values.<br />

After this important but only preliminary stage<br />

of optimising the design from the drawing table, it<br />

112 (2014) Heft 8-9<br />

499


Contact Line Systems<br />

738,1<br />

846,1<br />

940,6<br />

1030,6<br />

1404,1<br />

1332,1<br />

1260,1<br />

1476,1<br />

1557,1<br />

1647,1<br />

Paris<br />

680<br />

792,1<br />

895,6<br />

985,6<br />

1188,1.<br />

1440,1 1516,6<br />

1368,1<br />

1116,1<br />

1296,1<br />

Level<br />

Crossing<br />

1224,1<br />

1075,6 1152,1<br />

1602,1<br />

1696,6<br />

Over-bridge<br />

Running direction<br />

Figure 8:<br />

OCL model with level crossing close to an over-bridge requiring to exceed grading values limits, longitudinal positions.<br />

needs to be implemented on field in conditions that<br />

cannot always be anticipated and will depend on<br />

each project, requiring a dedicated study.<br />

3 Adaptation of design criteria to<br />

specific project requirements<br />

3.1 Specific study of grading rules for<br />

particular projects<br />

1 35 m 2<br />

Pantograph A<br />

Configuration i1<br />

1<br />

60,1 m<br />

2<br />

60,1 m<br />

Pantograph B<br />

Configuration i2<br />

Figure 9:<br />

Selection of critical configurations to be ran on the stu<strong>die</strong>d<br />

25 kV 50 Hz system at 150 km/h.<br />

3<br />

Grading rules and limits are specified in OCL basic<br />

design principles in order to guarantee a good current<br />

collection quality and limiting the wear: if imposing<br />

important or inconstant grading the pantograph<br />

will have difficulties to follow the contact wire<br />

and either risks to apply important contact forces on<br />

the CW or to lose contact. The rules usually depend<br />

on the system, running speed, operational configurations,<br />

national habits and experience. They were<br />

fixed through field or laboratory tests and proved<br />

sufficient but can also be too strict. Dynamic modelling<br />

can here also help studying or defining different<br />

values for particular locations, if applicable. These<br />

points can be illustrated by a recent case encountered<br />

on stu<strong>die</strong>s for the electrification of French network<br />

line [7]. In this situation, a level crossing is located<br />

nearby an over-bridge: the electrification of the<br />

line according to design principles would impose to<br />

r<strong>eb</strong>uild the bridge or to limit the gauge of crossing<br />

vehicles through a gantry. This would cost millions<br />

of Euros and cause major disruptions of traffic - the<br />

bridge being a large and important road - in the first<br />

case and would strongly limit the access to an entire<br />

zone containing industrial equipment in the second<br />

one without forgetting the risk of regular damage<br />

and high maintenance costs on the gantry due to<br />

distracted drivers.<br />

As the targeted speed on the line was 200 km/h<br />

but eventually slower on the considered section,<br />

because of the level crossing among others, a solution<br />

was imagined: allowing, with a 200 km/h design,<br />

higher grading values but limiting the running<br />

speed. This possibility has been stu<strong>die</strong>d by pantograph-catenary<br />

interaction simulation. The modelled<br />

OCL section is presented in Figure 8. Both running<br />

directions were stu<strong>die</strong>d, the present example focusing<br />

on the direction indicated in the figure.<br />

Critical existing operational configurations at<br />

150 km/h were assessed (Figure 9).<br />

Results remained in this case within the limits, allowing<br />

for this grading. However, they showed an<br />

increased variation of contact forces (Figure 10).<br />

Therefore, some surveillance recommendations<br />

were issued to be obeyed during testing of the line<br />

and the first years of operation. This highlights the<br />

need to master the grading of the contact wire on<br />

OCL design rules in order to maintain an acceptable<br />

current collection quality but also the possibility to<br />

adapt the contact wire height to specific situations.<br />

3.2 Assessment of existing operational<br />

conditions<br />

Another topic raised for new projects is the harmony<br />

between the designed product and existing<br />

500 112 (2014) Heft 8-9


Contact Line Systems<br />

160<br />

N<br />

140<br />

120<br />

100<br />

80<br />

F C<br />

60<br />

40<br />

20<br />

0<br />

564 618 672 726 780 834 888 942 996 1050 1104 1158 1212 1266 1320 1374 1428 1482 1536 1590 1644 m 1752<br />

s<br />

Figure 10:<br />

Contact force F C ,trace of each pantograph obtained by simulation of configuration i2 (see Figure 10) under the bridge-level<br />

crossing model; running speed 150 km/h.<br />

blue leading pantograph green middle pantograph red trailing pantograph<br />

situations on the network. Except on very specific<br />

construction projects like high-speed or dedicated<br />

traffic lines, existing rolling stock will generally need<br />

to be accepted on the considered infrastructure or a<br />

new rolling stock will have to comply with existing<br />

infrastructures. In the case of pantograph-catenary<br />

interaction this applies to the consideration of existing<br />

and less efficient pantographs besides recent TSI<br />

pantographs when designing the OCL [8]. A compromise<br />

is also to be found on the criteria. Of course,<br />

TSI criteria apply to TSI configurations, but the criteria<br />

are more flexible on existing rolling stock for<br />

which a choice has to be made by the infrastructure<br />

owner and/or manager. Here again dynamic modelling<br />

stu<strong>die</strong>s support current projects and infrastructure<br />

owners and managers in their choices on design<br />

parameters. They get a clear view of the issues and<br />

costs, through the determination of<br />

• necessary parameters to support existing operational<br />

configurations while respecting TSI current<br />

collection criteria for all configurations,<br />

• possibilities for parameters to be adapted for a<br />

TSI validation under TSI configurations and an<br />

acceptable performance under existing configurations,<br />

• performance of existing operational configurations,<br />

that do not respect TSI criteria under TSI<br />

OCL designed for TSI configurations only; risks<br />

on wear of the system.<br />

4 Risk management on projects<br />

and reduction of on line tests<br />

4.1 Preparation of approval tests – Definition<br />

of optimum settings for antagonistic<br />

criteria before testing<br />

When a rolling stock unit is assessed according to the<br />

LOC&PAS [9] or ENE TSI [10], two current collection<br />

indicators have to be assessed:<br />

• Dynamic tests have to be carried out in order to<br />

measure the mean contact force and standard<br />

deviation or the percentage of arcing, up to the<br />

design speed of the unit.<br />

• The uplift of the steady arms must be measured<br />

at each validation test run, and shall not overpass<br />

a threshold, the latter being different depending<br />

on the OCL design.<br />

However, both requirements can reveal to be antagonistic:<br />

on the one hand, increasing the mean contact<br />

force exerted by the pantograph usually leads to improve<br />

the σ/F m coefficient but on the other hand uplift<br />

is increased consequently and can thus reach its limits.<br />

With this in mind, other applications of numerical<br />

simulation appear: simulations done before test runs<br />

can help to determine a range of compliant mean<br />

contact force values reaching a compromise between<br />

those two criteria [11].<br />

112 (2014) Heft 8-9<br />

501


Contact Line Systems<br />

a) 220<br />

N<br />

200<br />

180<br />

160<br />

Figure 11 illustrates the benefits of a numerical<br />

preparation of products and of their settings before a<br />

mandatory but also costly and time consuming field<br />

certification test.<br />

On the upper chart, σ/F m is plotted against pantograph<br />

contact force setting and running speed. The<br />

mean contact force exerted by the pantograph on the<br />

contact wire is function of the running speed and is imposed<br />

namely by the TSI texts to evolve by the formula<br />

F m = F s + a∙v 2 in N (1)<br />

where<br />

F s is the static force in N,<br />

a the aerodynamic coefficient in Ns 2 /m 2 ,<br />

v the running speed of the train in m∙s -1 .<br />

For a specific speed, many simulations were performed<br />

with different contact force settings, to adjust<br />

F s and a.<br />

As an example, for a speed of 300 km/h, σ/F m varies<br />

in a range of 0,24 to 0,36 for F m varying respectively<br />

between 220 N and 90 N.<br />

On the lower chart of Figure 11, steady arm uplift<br />

is represented against pantograph contact force<br />

setting and running speed again. For the same<br />

speed of 300 km/h, the steady arm uplift can vary<br />

between 8 cm and 12 cm for a contact force between<br />

90 and 220 N.<br />

Thanks to those two graphs, it becomes easy to<br />

predetermine a compliance zone for the contact<br />

force in order to fulfil both uplift and current collection<br />

quality requirements: σ/F m ≤ 0,3 and steady<br />

arm uplift less than the maximum permitted uplift<br />

S0 at a support.<br />

For a targeted running speed of 300 km/h, if the<br />

pantograph exerts a mean contact force around<br />

150 N, σ/F m remains less than 0,3, and contact wire<br />

uplift at supports never exceeds 10 cm which is the<br />

threshold determined by this OCL design.<br />

Rolling stock project managers and engineers in<br />

charge of current collection approval tests can use<br />

this type of graphics to predetermine a compliance<br />

zone of mean contact force. After adjustment of<br />

the pantograph static force and aerodynamic coefficient<br />

accordingly in order to exert the determined<br />

F m for the design speed, the tests can thus be<br />

commenced with a behaviour expected to already<br />

be close from the optimum from the very first runs.<br />

Last adjustments remain of course still necessary<br />

in the field in order to consider all aerodynamic<br />

effects on roof for instance.<br />

F C<br />

40<br />

120<br />

100<br />

b) 220<br />

F C<br />

N<br />

200<br />

180<br />

160<br />

40<br />

120<br />

100<br />

Figure 11:<br />

Parametrical results obtained for the stu<strong>die</strong>d rolling stock in function of the contact force<br />

setting F C and the running speed v according to two criteria.<br />

a) σ/F m<br />

1 accepted area<br />

2 limit value 0,3<br />

3 rejected area<br />

220 240 260 280 300 320 km/h 340<br />

v<br />

b) uplift e max<br />

1 accepted area<br />

2 limit value 0,10 m<br />

3 rejected area<br />

4.2 Risk management and reduction of<br />

testing scope for large rolling stock<br />

approval projects<br />

Concurrently to the previous phase of optimization<br />

of a pantograph setting to prepare a good current<br />

collection quality at the targeted speed and<br />

under the reference OCL, it is also necessary to<br />

anticipate the different infrastructures the rolling<br />

stock will have to comply with when it comes to<br />

fully manage the risks of its future approval. Concerning<br />

current collection quality, this will strongly<br />

depend on applications the rolling stock was<br />

ordered for. A high-speed rolling stock purchased<br />

for operation in one country or an urban rolling<br />

stock purchased for operation on very dedicated<br />

lines will generally encounter a limited number of<br />

different OCL. Whereas, as widely known because<br />

this was the reason for establishing TSIs, rolling<br />

stock ordered for operation within different countries<br />

on national networks can encounter many<br />

different OCL designs. This is often solved by the<br />

deployment of several pantographs on the roof,<br />

each pantograph being dedicated to a specific<br />

power supply system: one pantograph for AC<br />

25 kV 50 Hz in France, one for DC 1,5 kV in France<br />

and another for AC 15 kV in Germany. However,<br />

502 112 (2014) Heft 8-9


Contact Line Systems<br />

L 1 L 1 L 3<br />

L 1<br />

Configuration 000<br />

Configuration 100<br />

L 1 L 2 L 3<br />

L 2<br />

Configuration 001<br />

Configuration 101<br />

L 2 L 1 L 1<br />

L 1<br />

Configuration 010<br />

Configuration 110<br />

L 2 L 3 L 1<br />

L 3<br />

Configuration 011<br />

Configuration 111<br />

Figure 12:<br />

Example of different pantograph configurations to be assessed with three units.<br />

in the case of triple- or quadruple-current locomotives,<br />

the same pantographs have to be used<br />

under different infrastructures: for example, the<br />

French DC 1,5 kV pantograph is also used under<br />

the German AC 15 kV OCL because of the collector<br />

head length. Or simply to deliver cheaper<br />

products, industrials tend to optimize the number<br />

of pantographs by using it under different kind of<br />

systems wherever possible.<br />

In these cases, particular attention needs to be given<br />

to the different infrastructures the rolling stock<br />

will have to comply with, as illustrated in the case<br />

study presented hereafter [12]. In this situation, a<br />

rolling stock, equipped with one single pantograph<br />

proposing only one possible fixed setting, where<br />

using two different static settings for instance is not<br />

possible, needs to be operated in three units under<br />

very different infrastructures:<br />

• OCL A – DC 750 V single trolley line – for which<br />

current collection gets poor because of the<br />

important variations of elasticity and geometry<br />

along the OCL<br />

• OCL B - AC 25 kV low speed light catenary,<br />

which is sensitive to uplifts at supports because it<br />

presents a much higher elasticity than OCL A<br />

A compromise needs thus to be defined between<br />

those two situations. It was decided to carry out a<br />

simulation study to allow preparing and guiding the<br />

adjustment and approval since field test runs were<br />

considered as time consuming and onerous if started<br />

from scratch.<br />

112 (2014) Heft 8-9<br />

a)<br />

0,40<br />

0,35<br />

0,30<br />

0,25<br />

0,20<br />

σ/F m<br />

0,15<br />

0,10<br />

0,05<br />

0,00<br />

b)<br />

8<br />

cm<br />

7<br />

e max<br />

6<br />

5<br />

4<br />

3<br />

2<br />

1<br />

0<br />

000 001<br />

010 011 100 101 110 111<br />

Configuration see Figure 12<br />

Figure 13:<br />

Comparison of results for each operational configuration in multiple units.<br />

a) σ/F m criterion under OCL A: Pantograph 2 with configuration 100 is critical<br />

b) e max criterion under OCL B: Configuration 110 is critical<br />

503


Contact Line Systems<br />

a)<br />

0,42<br />

0,38<br />

0,34<br />

0,30<br />

σ/F m<br />

0,26<br />

0,22<br />

0,18<br />

b)<br />

11<br />

2 3<br />

1<br />

4<br />

neers who will start by testing the identified critical<br />

configurations with the estimated optimum setting under<br />

each infrastructure, before optimizing the setting<br />

in real life. In this case, test runs revealed conclusive as<br />

the tested rolling stock was successfully validated even<br />

though the initial situation constituted a real puzzle.<br />

Through simulation it is possible to significantly reduce<br />

the amount of tests necessary for multiple unit<br />

operation: identification of most critical configuration<br />

to start the test with before testing a few other configurations.<br />

In addition, it is also possible to prepare an<br />

optimum setting even if testing remains mandatory,<br />

namely because of the aerodynamic effects on roof<br />

that are not taken into account at simulation.<br />

cm<br />

10<br />

References<br />

e max<br />

9<br />

8<br />

7<br />

6<br />

70 80 90 100 N 110<br />

Figure 14:<br />

Optimization of setting of static contact force F set .<br />

a) σ/F m criterion under OCL A<br />

b) e max criterion under OCL B<br />

1 leading pantograph<br />

1 maximum uplift at support<br />

2 middle pantograph<br />

2 e max limit 8 cm<br />

3 trailing pantograph<br />

4 critical value 0,3<br />

F set<br />

1<br />

From the available data for the OCL models and<br />

laboratory identification of the pantograph model,<br />

the simulation could be carried out. The first objective<br />

was to identify the most critical configuration<br />

(Figure 12) for the most critical criterion under each<br />

OCL. This was the σ/F m criterion for OCL A and the<br />

uplift criterion for OCL B, as presented in Figure 13.<br />

Then, a parametrical study on the pantograph static<br />

contact force setting is programmed on each critical<br />

case, as this is one of the few easily adjustable parameters.<br />

The results are presented in Figure 14. According<br />

to relevant standards and TSI [10], the following criteria<br />

must be respected: σ/F m ≤ 0,3 and S max ≤ 8 cm for<br />

each considered OCL. Only the most critical criterion<br />

has been retained for each case A and B, respectively<br />

σ/F m and uplift e max . An optimal setting, combining acceptable<br />

results under each infrastructure, is identified<br />

on those charts, but with no additional margin left.<br />

Field tests are always mandatory in such case and<br />

will be all the more conclusive as the margin is tight<br />

and within the range of precision of the simulation.<br />

However, these results will guide the train test engi-<br />

2<br />

[1] Bobillot, A.; Massat, J.-P.; Mentel, J.-P.: Design of<br />

pantograph-catenary systems by simulation. In:<br />

Proceedings of the World Congress of Railway Research,<br />

2011.<br />

[2] Van Kalsbeek, G.; Avronsart, S.; Meyer, F.: Design and<br />

preparation of homologation of pantograph-catenary<br />

systems by dynamic simulation. In: Proceedings of the<br />

World Congress of Railway Research, 2013.<br />

[3] Massat, J.-P.; Balmes, E.; Bianchi, J.-P.; Van Kalsbeek,<br />

G.: OSCAR Statement of Methods. In: Vehicle System<br />

Dynamics, Special Issue, 2014.<br />

[4] Bobillot, A.; Courtois, C.; Marie, S.; Mentel, J.-P.:<br />

World Record – 574,8 km/h on rails – Design of<br />

power supply by simulations. In: ACRPS–Conference<br />

2009.<br />

[5] Laurent, C.; Massat, J.-P.; Nguyen-Tajan, T.M.L.; Bianchi,<br />

J.-P.; Balmes, E.: Pantograph catenary dynamic<br />

optimisation based on advanced multibody and finite<br />

element co-simulation tools. In: Proceedings of the<br />

IAVSD Conference, 2013.<br />

[6] Massat, J.-P.; Laurent, C.: Pantograph for a railway vehicle.<br />

Patent PCT/EP2012/057017, 2012.<br />

[7] Van Kalsbeek, G.: Simulation of pantograph-catenary<br />

interaction for Gretz-Troyes electrification project. Simulation<br />

study report, 2012.<br />

[8] Meftah, R.; Van Kalsbeek, G.: Simulation of pantographcatenary<br />

interaction for design of new DC 1,5 kV OCL<br />

for 160 to 220 km/h. Simulation study report, 2013.<br />

[9] TSI LOC&PAS: Commission decision concerning a<br />

technical specification for interoperability relating to<br />

the rolling stock subsystem – ‘Locomotives and passenger<br />

rolling stock’ of the trans-European conventional<br />

rail system, 2011/291/EU, 2011.<br />

[10] TSI ENE: Commission decision concerning a technical<br />

specification for interoperability relating to the energy<br />

subsystem of the trans-European conventional rail system,<br />

2011/274/EU, 2011.<br />

[11] Massat, J.-P.; Laurent, C.; Nguyen-Tajan, T.M.L.: Simulation<br />

Tools for Virtual Homologation of Pantographs.<br />

In: Proceedings of the First International Conference<br />

on Railway Technology (Railways 2012), 2012.<br />

[12] Meftah, R.; Van Kalsbeek, G.: Simulation of pantograph-catenary<br />

interaction and optimisation of static<br />

force under different OCL for Nantes-Chateaubriant<br />

project. Simulation study report, 2012.<br />

504 112 (2014) Heft 8-9


Contact Line Systems<br />

AUTHORS<br />

Dipl.-Eng. Stéphane Avronsart (41) stu<strong>die</strong>d Electronic<br />

Engineering at Conservatoire National des Arts et Métiers<br />

(Paris). He has been working for SNCF for the last 17 years<br />

and he was in charge of maintenance for signaling, track and<br />

catenaries. In 2007 he joined the Engineering Department<br />

of Electrical Traction as head of the Simulation, Expertise,<br />

Measurements and Research Division. He has also been a<br />

member of many expert and standardisation working groups<br />

at a European level contributing Technical Specifications for<br />

Interoperability.<br />

Address: SNCF, 6 av François Mitterand, 93574 La Plaine St<br />

Denis, France;<br />

phone: +33 1 41620291;<br />

e-mail: stephane.avronsart@sncf.fr<br />

Dipl.-Eng. Guido van Kalsbeek (27) stu<strong>die</strong>d at ENSTA<br />

ParisTech where after a broad education he specialized in<br />

mechanic engineering and transportation systems. After<br />

a passage at SNCF Innovation and Research Department,<br />

working on rails fatigue, he joined in 2010 SNCF Engineering<br />

Department of Electrical Traction. He is in charge of the<br />

coordination and organisation of catenary research projects<br />

as well as of the Pantograph – Catenary Dynamic Interaction<br />

Simulation stu<strong>die</strong>s: catenary and pantograph design analysis<br />

and current collection expertise, technical and commercial development<br />

of OSCAR software tool together with the Research<br />

department of SNCF.<br />

Dr.-Eng. Yoshitaka Yamashita (36)<br />

stu<strong>die</strong>d mechanical engineering at Kyoto<br />

Institute of Technology and North Carolina<br />

State University. After receiving the degree<br />

of Doctor in engineering from Kyoto Institute<br />

of Technology, he joined in 2006 the<br />

Railway Technical Research Institute (RTRI)<br />

in Japan as a researcher. In charge of current<br />

collection research he worked on optimization<br />

of dynamic behaviour of pantographs<br />

and catenaries. He has namely stu<strong>die</strong>d<br />

performance upgrades of pantograph using<br />

active/semi-active control techniques, fault<br />

detection of pantograph and catenary, and<br />

has conducted several tests like vibration,<br />

wind-tunnel or field tests of pantographs<br />

and electric cables. As part of the existing<br />

SNCF-RTRI partnership, Yoshitaka is<br />

spending two years among SNCF Electric<br />

Traction Engineering Department teams,<br />

working on research and development<br />

projects.<br />

Address: see left;<br />

phone: +33 1 41620692;<br />

e-mail: ext.stagiaireyoshitakayamashita@<br />

sncf.fr<br />

Address: see above;<br />

phone: +33 1 41620575;<br />

e-mail: guido.van_kalsbeek@sncf.fr<br />

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Fahrleitungsanlagen<br />

Nachspanneinrichtungen mit<br />

Radspannern <strong>für</strong> Oberleitungen<br />

André Dölling, Erlangen<br />

Radspanner der Serie Sicat 8WL5070/71/78 zählen zu gewichtsbasierten Nachspanneinrichtungen<br />

nach EN 50119. Sie wurden Anfang des 21. Jahrhunderts auf Basis der neuesten europäischen Normen<br />

gestaltet und geprüft. Wesentliche Merkmale sind Spannkräfte bis zu 40 kN, Integration in alle<br />

Oberleitungsanlagen des Nah- und Fernverkehrs, hoher und langzeitstabiler Wirkungsgrad, wartungsfreie<br />

Konstruktion sowie Regulierlängen <strong>von</strong> bis zu 2,3 m.<br />

TENSIONING DEVICES BASED ON TENSIONING WHEELS FOR OVERHEAD CONTACT LINES<br />

Tension wheel assemblies type Sicat 8WL5071/71/78 of Siemens AG are balancing weight tensioning<br />

devices according EN 50119. They were designed in the early 21. Century and tested based on<br />

most recent European standards. Main features are tensioning forces up to 40 kN, capable of being<br />

integrated in all overhead contact line systems in mainline and mass transit systems, high level and<br />

long term stable efficiency, maintenance free construction and compensation length of up to 2,3 m.<br />

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Les tendeurs à poulie de la série Sicat 8WL5070/71/78 sont des appareils tendeurs à contrepoids<br />

conformes à la norme EN 50119. Ils ont été conçus et vérifiés au début du XXIe siècle sur la base<br />

des dernières normes européennes. Leurs principales caractéristiques sont des forces de tension<br />

jusqu’à 40 kN, l’intégration dans toutes les lignes aériennes de contact des réseaux grandes lignes<br />

et urbains, un rendement élevé et stable sur le long terme, une conception sans entretien ainsi que<br />

des longueurs de compensation jusqu’à 2,3 m.<br />

1 Einführung<br />

Bild 1:<br />

Radspanner Sicat 8WL5070 mit Übersetzungsverhältnis 1 : 3 und 40 kN Betri<strong>eb</strong>skraft<br />

(alle: Bilder Siemens).<br />

1 Spannrad<br />

2 Wippe mit Achse<br />

3 Einrastplatte<br />

4 Aufhängung<br />

5 Fangbügel<br />

6 Halterung <strong>für</strong> Führungsrohr<br />

Bei Oberleitungen sind Nachspanneinrichtungen<br />

<strong>für</strong> eine hohe Befahrgüte im Zusammenwirken<br />

<strong>von</strong> Stromabnehmer und Oberleitung wichtig.<br />

Fehler und geringe Wirkungsgrade führen zu Lageänderungen<br />

des Oberleitungskettenwerks. Sie<br />

gleichen temperaturabhängige Längenänderungen<br />

der Längsleiter des Kettenwerks aus und halten <strong>die</strong><br />

Zugkraft innerhalb der Nachspannlänge konstant.<br />

Weltweit dominieren Gewichtsnachspannungen<br />

aufgrund ihrer einfachen, zuverlässigen und kostengünstigen<br />

Konstruktion. Die Gewichtskraft wird<br />

durch <strong>die</strong>se Einrichtungen mit Übersetzungen <strong>von</strong><br />

1 : 1,5 bis 1 : 5 verstärkt.<br />

Radspanner waren bis Mitte der 1990er Jahre<br />

meist <strong>für</strong> Zugkräfte bis 20 kN konzipiert und wurden<br />

dann <strong>für</strong> den Hochgeschwindigkeitsverkehr<br />

<strong>für</strong> 30 kN verstärkt. Anfang des 21. Jahrhunderts<br />

entwickelte <strong>die</strong> Siemens AG <strong>die</strong> Produktfamilie<br />

Sicat ® 8WL5070/71 (Bild 1) <strong>für</strong> Nachspannkräfte<br />

bis 40 kN und mit Übersetzungen zwischen 1 : 3<br />

und 1 : 1,5, <strong>die</strong> deutlich größere Längenänderungen<br />

ausgleicht und wegen fettfreier Trockenlager<br />

wartungsfrei ist. Zur Familie gehört auch der preisgünstige<br />

Radspanner Sicat 8WL5078 (Bild 2) <strong>für</strong><br />

506 112 (2014) Heft 8-9


Fahrleitungsanlagen<br />

Bild 2:<br />

Radspanner Sicat 8WL5078 mit Übersetzungsverhältnis 1 : 3 bis<br />

zu 24 kN Betri<strong>eb</strong>skraft, mit integrierter Gewichtssäule im Peinermast<br />

und installierter Kettenwerksüberwachung Sicat CMS<br />

im Netz der Halleschen Verkehrs-AG.<br />

bis 24 kN. Weiter wurde das vierspeichige Spannrad<br />

der Serie Sicat 8WL5000 bis 30 kN (Bild 3) auf<br />

<strong>die</strong> fettfreie Version umgestellt. Diese Radspanner<br />

werden heute vorrangig im Netz der Deutschen<br />

Bahn AG eingesetzt und werden dort unter der<br />

Bezeichnung Ebs 08.02.02, Ebs 08.04.02 und Ebs<br />

08.06.02 geführt.<br />

2 Anforderungen<br />

2.1 System- und umweltbedingte<br />

Anforderungen<br />

Gewichtsnachspannungen mit Radspannern erfüllen<br />

<strong>die</strong> Anforderungen nach EN 50119 [1] und<br />

EN 50125-2 [2] sowie weitere Erfordernisse hinsichtlich<br />

der Anwendungen:<br />

• Verwendbarkeit <strong>für</strong> alle gängigen Oberleitungsanlagen<br />

• Eignung <strong>für</strong> Umg<strong>eb</strong>ungstemperaturen zwischen<br />

-40 und +50 °C<br />

• Ausgleich <strong>von</strong> Längenänderungen infolge Stromwärme,<br />

nicht elastischem Kriechen der Leiter und<br />

durch Verschleiß des Fahrdrahtes<br />

Bild 3:<br />

Radspanner mit Übersetzungsverhältnis 1 : 3 und 30 kN Betri<strong>eb</strong>skraft,<br />

Sicat 8WL5000 auf der Neubaustrecke VDE 8.2.<br />

• Anordnung der Gewichte außerhalb öffentlich<br />

zugänglichen Stellen oder Verwendung <strong>von</strong> oder<br />

Fallschutzeinrichtungen zur Personensicherheit<br />

• einfache Montage mit geringem Aufwand<br />

• Wartungsfreiheit, mindestens Wartungsarmut<br />

• geringe L<strong>eb</strong>enszykluskosten zum Beispiel durch<br />

wartungsfreie Lager und korrosionsbeständige<br />

Materialien<br />

• hohe Verfügbarkeit und Betri<strong>eb</strong>ssicherheit<br />

Die Nachspanneinrichtungen müssen in <strong>die</strong> Oberleitungen<br />

unterschiedlich einbaubar sein. Befestigungen<br />

an Masten oder Bauwerken, horizontal oder<br />

vertikal versetzte Anordnungen und in Masten integrierte<br />

Anordnungen sind heute Standard.<br />

Sperr- oder Blockiervorrichtungen werden gefordert,<br />

um bei Leiterrissen Folgeschäden wie <strong>die</strong><br />

Verspannung des Oberleitungskettenwerks und <strong>die</strong><br />

Beschädigung <strong>von</strong> Komponenten möglichst zu vermeiden.<br />

Leiterrisse sind an sich selten und werden<br />

meist durch äußere Einwirkungen wie Baumeinfall<br />

verursacht. Die Entstörung erfordert bei geringeren<br />

Schäden weniger Zeit und Aufwand.<br />

Universell einsetzbare Nachspanneinrichtungen<br />

haben kurze Lieferzeiten, geringere Kosten und<br />

einheitliche Vorgaben <strong>für</strong> Planung, Errichtung und<br />

112 (2014) Heft 8-9<br />

507


Fahrleitungsanlagen<br />

Instandhaltung. Unterschiedliche Anforderungen<br />

an Kraft, Übersetzungsverhältnis und Schnittstellenkompatibilität<br />

setzen jedoch <strong>für</strong> ihre Anwendung<br />

Grenzen. Für <strong>die</strong> vielfältigen Einbaubedingungen<br />

in Oberleitungen bildeten sich Baukästen heraus,<br />

mit denen sich <strong>die</strong> Betreiber spezifischen Anforderungen<br />

kosteneffektiv erfüllen lassen. Aufwendige<br />

oder werkzeugg<strong>eb</strong>undene Bauteile zum Beispiel das<br />

Spannrad, sind <strong>für</strong> alle Ausführungen gleich.<br />

2.2 Mechanische und betri<strong>eb</strong>liche<br />

Anforderungen<br />

EN 50119 enthält vor allem mechanische Anforderungen.<br />

Aus dem Einsatz in Oberleitungen erg<strong>eb</strong>en sich<br />

auch elektrische und betri<strong>eb</strong>liche Anforderungen:<br />

• Die Zugkräfte der nachgespannten Leiter wie<br />

Fahrdrähte und Tragseile müssen unterhalb der<br />

Grenzwerte bleiben.<br />

• Fahrdrähte sollten beweglich nachgespannt<br />

werden; <strong>für</strong> Geschwindigkeiten über 100 km/h<br />

in jedem Fall; Tragseile nur dann, wenn es <strong>die</strong><br />

Anlagenparameter erfordern.<br />

• Fahrdrähte und Tragseile sind <strong>für</strong> Geschwindigkeiten<br />

über 225 km/h beweglich und <strong>von</strong>einander<br />

unabhängig nachzuspannen.<br />

• Der Wirkungsgrad der Nachspanneinrichtungen,<br />

in aller Regel 97 % und darüber sollte <strong>für</strong><br />

typische Temperatur-Zeit-Zyklen im gesamten<br />

Temperaturbereich und über <strong>die</strong> gesamte L<strong>eb</strong>ensdauer<br />

eingehalten werden.<br />

• Die Bruchlast der Nachspanneinrichtung sollte<br />

größer als <strong>die</strong> Bruchkraft der angeschlossenen<br />

Leiter sein.<br />

• Nachweis der Biegewechselfestigkeit der aufund<br />

abgespulten Seile<br />

• Nachweis der Kurzschlussfestigkeit der Nachspanneinrichtung<br />

und aller Anschlusskomponenten<br />

• Kompatibilität zu bestehenden Ausführungen,<br />

insbesondere mechanische Aufhängung, Gewichtsführung<br />

und Anschluss des Kettenwerks<br />

betreffend<br />

• Nachweis der Funktion der Fallschutzeinrichtung<br />

bei 1,33-facher Betri<strong>eb</strong>skraft<br />

• Instandhaltbarkeit, das heißt einfache Prüfung<br />

des Zustandes<br />

Bei Gewichtsnachspannungen lässt sich durch Entnehmen<br />

einzelner Gewichte <strong>die</strong> Zugspannung der<br />

Leiter steuern. Das kann bei Festpunkten in Steigungen<br />

oder Kurven notwendig sein, wo sich <strong>die</strong><br />

Zugkräfte in der halben Nachspannlänge unterschiedlich<br />

ändern.<br />

Bieg<strong>eb</strong>elastungen treten an den auf- und abgespulten<br />

Anschlussseilen auf. Die Vorgaben an <strong>die</strong> Biegewechselfestigkeit<br />

hängen <strong>von</strong> den mechanischen<br />

Belastung der Seile und den Umg<strong>eb</strong>ungsbedingungen<br />

ab. Nachspanneinrichtungen mit Radspanner<br />

sind heute so feinfühlig, dass sie auch Längenänderungen<br />

bei Sonne-Wolken-Wechsel kompensieren.<br />

Radspannerseile nach Ebs 20.01.02 heute bei 10 kN<br />

Betri<strong>eb</strong>skraft über 560.000 Lastwechsel gewachsen.<br />

Mit 2,7-fach höherer Betri<strong>eb</strong>skraft reduziert sich <strong>die</strong><br />

mögliche Lastwechselzahl auf knapp 51 000. Bei<br />

Nutzungsänderung einer Oberleitungsanlage, so<br />

zum Beispiel mechanisch, elektrisch-thermisch und<br />

zeitlich, sollte auch <strong>die</strong> Tauglichkeit der Radspannerseile<br />

geprüft werden.<br />

Aus betri<strong>eb</strong>licher Sicht sind wartungsfreie Nachspanneinrichtungen<br />

zu bevorzugen. Die Funktionsprüfung<br />

der Anlage und damit der Nachspanneinrichtungen<br />

nach festgelegten Regeln bleibt<br />

bestehen. Bei Nachspannungen mit Gewichten<br />

ist eine Funktionsprüfung durch Entlasten der Gewichtssäule<br />

möglich, wobei <strong>die</strong> Reaktion anders als<br />

bei anderen Konstruktionen sofort und ohne spezielle<br />

Hilfsmittel wahrnehmbar ist.<br />

3 Ausführung gewichtsbasierter<br />

Nachspanneinrichtungen mit<br />

Radspannern<br />

3.1 Aufbau<br />

Die Funktion gewichtsbasierter Nachspanneinrichtungen<br />

mit Radspannern wird an Hand der Produktlinie<br />

<strong>von</strong> Siemens beschri<strong>eb</strong>en. Diese Radspanner<br />

sind aus den Hauptkomponenten (Bild 1)<br />

• Radkörper oder auch Spannrad,<br />

• Wippe mit Achse,<br />

• Aufhängung,<br />

• Einrastplatte,<br />

• Fangbügel (nur bei Varianten mit vom Mast<br />

abgekehrter Seilführung),<br />

• Halterung <strong>für</strong> Führungsrohr (nicht bei allen Varianten)<br />

und<br />

• Nachspanngewichte<br />

aufg<strong>eb</strong>aut.<br />

Das Spannrad ist in <strong>die</strong> Wippe mit einer Achse<br />

eingehängt, <strong>die</strong> mit geringem Losbrech- und Reibmomenten<br />

unter Freiluftbedingungen langzeitstabil<br />

gelagert ist. Damit werden hohe Wirkungsgrade<br />

über <strong>die</strong> gesamte L<strong>eb</strong>ensdauer gehalten. Bei früheren<br />

Ausführungen war hier<strong>für</strong> Wartung notwendig,<br />

da mit Fett geschmierte Sintermetalllager verwendet<br />

wurden.<br />

Das Spannrad hat zwei Spulen, wobei auf der Spule<br />

mit großem Durchmesser das Gewichtsseil und<br />

auf derjenigen mit kleinem Durchmesser der Kettenwerksabgang<br />

angeschlossen wird. Abhängig vom<br />

Verhältnis der Spulenra<strong>die</strong>n ergibt sich das wählbare<br />

Übersetzungsverhältnis. Um ein Berühren der Seile<br />

als Verbindung zwischen Radkörper und Kettenwerk<br />

508 112 (2014) Heft 8-9


Fahrleitungsanlagen<br />

zu vermeiden, haben einige Ausführungen auf der<br />

kleinen Spule Führungsrillen. Diese verbessern auch<br />

<strong>die</strong> Krafteinleitung <strong>von</strong> der Spule in das Seil und erhöhen<br />

somit <strong>die</strong> Biegewechselbelastbarkeit des Seiles.<br />

Je kleiner der Durchmesser der Spannräder gewählt<br />

wird, desto geringer ist Biegewechselfestigkeit<br />

der Seile. Der Spulendurchmesser D sollte mindestens<br />

das 15-Fache des Seildurchmesser d betragen.<br />

Am Spannrad ist ein Teil der Einrastvorrichtung<br />

integriert, zum Beispiel am Umfang verteilte Zähne.<br />

Das Gegenstück, <strong>die</strong> Einrastplatte, ist in <strong>die</strong> Aufhängung<br />

integriert.<br />

Die Aufhängung besitzt Schnittstellen zur Befestigung<br />

am Mast, zur Befestigung der Wippe und<br />

eventueller Zusatzelemente wie einem Seilfangbügel<br />

oder Gewichtsführungsstangen. Die Anordnungsvarianten<br />

eines Radspanners am Mast n<strong>eb</strong>eneinander,<br />

voreinander oder übereinander versetzt, werden<br />

über hier<strong>für</strong> gestaltete Mastanbauteile realisiert.<br />

Existieren keine Teile zur Gewichtsführung am<br />

Bauwerk, wird ein Gewichtsführungsrohr vorgesehen.<br />

Dieses Rohr ist über eine Konsole unten am<br />

Mast und oben an der Gewichtsführungslasche des<br />

Radspanners befestigt. Die Gewichte werden über<br />

Gewichtsschellen am Rohr geführt. Sie begrenzen<br />

<strong>die</strong> Verdrehung und Ausschwenkung der Gewichte<br />

bei vertikalem Wanderweg (Bild 3).<br />

Der Nachspanngewichtsblock wird über ein flexibles,<br />

biegewechselbeständiges Seil an <strong>die</strong> große<br />

Spule angeschlossen. Auch im Stück gegossene Gewichtsblöcke,<br />

zum Beispiel aus Beton, sind verwendbar.<br />

Abhängig <strong>von</strong> den örtlichen Anforderungen ist<br />

ein Gewicht auszuwählen. Betongewichte haben<br />

zwar <strong>die</strong> geringste Dichte, weisen aber Vorteile im<br />

Preis auf und gelten als weitgehend wartungsfrei.<br />

Gewichte sind auch aus Grauguss, Blei oder Verbundmaterialien<br />

verfügbar.<br />

3.2 Varianten<br />

Die Siemens AG entwickelte ab 1995 <strong>für</strong> <strong>die</strong> in Abschnitt<br />

2 dargestellten Anforderungen drei Grundtypen<br />

<strong>von</strong> Nachspanneinrichtungen mit gleichem<br />

Radkörper:<br />

• Nachspanneinrichtung mit Übersetzungsverhältnis<br />

1 : 3 bis 24 kN, Serie Sicat 8WL5078 (Bild 2)<br />

• Nachspanneinrichtung mit Übersetzungsverhältnis<br />

1 : 3 bis 40 kN, Serie Sicat 8WL5070 (Bild 1)<br />

• Nachspanneinrichtung mit Übersetzungsverhältnis<br />

1 : 1,5 bis 40 kN, Serie Sicat 8WL5071 (Bild 4)<br />

Das primäre Ziel war <strong>die</strong> Erhöhung der Wickellänge<br />

auf der kleinen Spule und damit größere Nachspannlängen.<br />

Deshalb wurden <strong>die</strong> Radspanner<br />

Sicat 8WL5070 mit dem Übersetzungsverhältnis <strong>von</strong><br />

1 : 3 und 1,5 m Regulierlänge und <strong>die</strong> Ausführung<br />

Sicat 8WL5071 mit Übersetzungsverhältnis 1 : 1,5<br />

Bild 4:<br />

Radspanner Sicat 8WL5071 mit Übersetzungsverhältnis 1 : 1,5<br />

und 40 kN Betri<strong>eb</strong>skraft eing<strong>eb</strong>aut in Sicat SX in Ungarn.<br />

und 2,3 m Regulierlänge mit Zugkräften bis zu 40 kN<br />

entwickelt. Die Forderung nach 40 kN Zugkraft<br />

beruhte auf der weltweiten Analyse <strong>von</strong> Anforderungen,<br />

insbesondere auf den Anforderungen bei<br />

DC-<strong>Bahnen</strong> mit Doppelfahrdraht und jeweils 20 kN<br />

Zugkraft. Damit können auch seither entwickelte<br />

Hochgeschwindigkeitsoberleitungen wie <strong>die</strong> Bauart<br />

EAC 350 in Spanien mit Fahrdraht AC-150-CuMg0,5<br />

und 31,5 kN Zugkraft nachgespannt werden.<br />

In wenigen Einsatzfällen rasteten Radkörper mit<br />

umlaufend angeordneten Zähnen schlecht ein; Zähne<br />

wurden abgeschert. Die Siemens Ingenieure entwickelten<br />

nach Analyse <strong>die</strong>ser Fälle einen kompakten,<br />

Durchmesser reduzierten Radkörper mit beidseitigem<br />

Wellenprofil. In Verbindung mit der angepassten Einrastplatte<br />

in V-Form kann <strong>die</strong>se in jeder beli<strong>eb</strong>igen<br />

Stellung des Radkörpers bei Zugkraftabfall eingreifen<br />

und das Rad abbremsen und letztlich blockieren. Der<br />

Stoßfaktor konnte durch <strong>die</strong> mit zunehmender Eintauchtiefe<br />

des Radkörpers in <strong>die</strong> Einrasteinrichtung<br />

ansteigende Bremskraft reduziert werden.<br />

Die Radspanner mit einem Übersetzungsverhältnis<br />

<strong>von</strong> 1 : 3 erlauben unter europäischen Bedingungen<br />

mit 100 K Temperaturbereich Nachspannlängen<br />

2L bis 1 700 m. Die Ausführung Sicat 8WL5071 mit<br />

dem Übersetzungsverhältnis 1 : 1,5 und 2,3 m maximal<br />

kompensierbarer Längenänderung der Leiter<br />

gestattet größere Temperaturbereiche und Nachspannlängen.<br />

Für <strong>die</strong> Hochgeschwindigkeitsoberleitung<br />

Sicat HA sind mit Graugussgewichten 110 K<br />

112 (2014) Heft 8-9<br />

509


Fahrleitungsanlagen<br />

Temperaturbereich 2 000 m Nachspannlänge 2L<br />

möglich. Somit sind durch <strong>die</strong> anteilig geringe Anzahl<br />

an Nachspanneinrichtungen, kürzere Überlappungen<br />

und zugehörige Masttypen Ausführungen<br />

möglich, <strong>die</strong> weniger Investitionen erfordern und<br />

den Mehraufwand an Gewichten mehr als ausgleichen.<br />

Die gesamten L<strong>eb</strong>enszykluskosten sind geringer<br />

als bei Bestandsanlagen ohne <strong>die</strong>se Radspanner.<br />

In vielen Fällen ist der Einsatz <strong>die</strong>ser Radspanner erst<br />

dann sinnvoll, wenn <strong>die</strong>se ausgehend <strong>von</strong> den bisherigen<br />

Oberleitungsbauweisen in <strong>die</strong> Systemzeichnungen<br />

der Oberleitungsbauweisen berücksichtigt<br />

werden. Eine Anwendung ist <strong>für</strong> Anlagen mit hoher<br />

Zahl kurzer Tunnel interessant: Wenn ein Tunnel kürzer<br />

als 2 000 m ist, können Nachspanneinrichtungen<br />

komplett außerhalb des Tunnels errichtet werden.<br />

Das Portfolio wurde Anfang des 21. Jahrhunderts<br />

komplettiert durch <strong>die</strong> Serie 8WL5078 mit Zugkräften<br />

bis 24 kN und einem Übersetzungsverhältnis <strong>von</strong><br />

1 : 3, in dem aus Kostengründen <strong>die</strong> Wippen- und<br />

Aufhängungskonstruktion der bis dato nur als 40 kN<br />

verfügbaren Radspanner der Serie 8WL5070/71 angepasst<br />

wurde. Besonderer Fokus wurde hier auf<br />

unterschiedliche Ausführungsoptionen in Nahverkehrsanlagen<br />

gelegt, wodurch sich <strong>die</strong> Anzahl der<br />

Optionen vervielfachte. Durch <strong>die</strong> intelligente Baukastenlösung<br />

lassen sich <strong>die</strong>se Varianten aber aus<br />

den gleichen Grundkomponenten während der Endmontage<br />

kundenspezifisch komplettieren.<br />

Eigenschaften und Ausführungsvarianten sind<br />

in der Produktinformation der Serie Sicat 8WL5070<br />

/71/78 zu entnehmen [3].<br />

Die Serie Sicat 8WL5000 der Siemens AG basiert<br />

auf dem über lange Jahre erprobten und im Zuge<br />

der Entwicklung der Oberleitungsbauarten Re250/<br />

Re330 der Deutschen Bahn AG bis auf 30 kN aufgelasteten<br />

Spannrad mit umlaufend angeordneten<br />

Zähnen als Bestandteil der Einrasteinrichtung<br />

(Bild 3). Die ursprüngliche Technik basiert auf einer<br />

Entwicklung der DB AG mit der Firma Gmeiner<br />

aus dem Jahr 1969 und soll in <strong>die</strong>sem Aufsatz nicht<br />

vertieft vorgestellt werden. Aufgrund der positiven<br />

Erfahrungen des wartungs- und fettfreien Verbundlager<br />

im Radkörper der Serie Sicat 8WL5070/71/78<br />

und des Bedarfes nach derartiger Lösung im Netz<br />

der DB wurde Mitte 2013 der Wellendurchmesser<br />

vergrößert und das bisherige Sintermetalllager mit<br />

Fettschmierung substituiert. Diese Ausführungen<br />

sind 1 : 1 kompatibel zu den bisherigen Ausführungen<br />

und wie folgt bei der Siemens AG lieferbar:<br />

• Radspanner 1 : 3 <strong>für</strong> Zugkräfte bis 20 kN,<br />

Sicat 8WL5005-0C (Ebs 08.02.02-4)<br />

• Radspanner 1 : 3 <strong>für</strong> Zugkräfte bis 30 kN,<br />

Sicat 8WL5000-4 (Ebs 08.06.02-5, Bild 3)<br />

• Radspanner an Bauwerken 1 : 3 <strong>für</strong> Zugkräfte bis<br />

20 kN, Sicat 8WL5020-0<br />

• Radspanner an Bauwerken 1 : 3 <strong>für</strong> Zugkräfte bis<br />

30 kN, Sicat 8WL5031-0 (Ebs 08.04.02-3)<br />

3.3 Typprüfungen<br />

Die <strong>für</strong> den Nachweis der Funktion und der Konformität<br />

mit den Anforderungen an eine Nachspanneinrichtung<br />

notwendigen Typprüfungen sind in<br />

EN 50119, Kapitel 8.5, aufgeführt:<br />

• dynamische Prüfungen<br />

• Wirkungsgradprüfungen<br />

• mechanische Zugprüfung mit 1,33-facher Betri<strong>eb</strong>skraft<br />

• mechanische Zugprüfung mit dreifacher Betri<strong>eb</strong>skraft,<br />

also mit 120 kN, mindestens jedoch<br />

größer als <strong>die</strong> höchste Bruchkraft der nachzuspannenden<br />

Leiter<br />

Die dynamische Prüfung soll <strong>die</strong> Funktion der Einrast-<br />

oder Sperrvorrichtung nachweisen. Die Prüfung<br />

muss <strong>die</strong> Betri<strong>eb</strong>sbedingungen, das heißt<br />

Masten, Befestigungsteile und Rückanker abbilden,<br />

um <strong>die</strong> Funktion des Spannrades als Bestandteil der<br />

Nachspanneinrichtung bewerten zu können. Die erforderlichen<br />

Versuche zum Nachweis der Kompatibilität<br />

nach EN 50119 wurden mit dem Radspannerprüfstand<br />

im mechanischen Labor in Ludwigshafen,<br />

in Zusammenarbeit mit Universitäten [4; 5] und in<br />

Kundenanlagen durchgeführt.<br />

3.4 Integration in Oberleitungsanlagen<br />

Abhängig <strong>von</strong> den jeweiligen Projekt- und Standortanforderungen<br />

sind <strong>für</strong> gewichtsbasierte Nachspanneinrichtungen<br />

unterschiedliche Bauweisen<br />

erforderlich. Gegenüber gewichtslosen Nachspannungen<br />

sind scheinbare Nachteile bei der<br />

Installation und beim Materialbedarf geg<strong>eb</strong>en.<br />

Da <strong>die</strong> in den letzten Jahrzehnten verfügbaren<br />

gewichtslosen Nachspannungen keine technischwirtschaftliche<br />

Alternativen darstellten, wurden<br />

Standardbauformen <strong>für</strong> gewichtsbasierte Nachspanneinrichtungen<br />

entwickelt. Typische Ausführungen<br />

bei Vollbahnen sind heute:<br />

• Radspanner mit Gewichtsführungsrohr, vom<br />

Mast abgekehrte Gewichtsseilführung (Bild 4)<br />

• Radspanner <strong>für</strong> Bauwerke mit dem Mast oder<br />

Bauwerk zugekehrter Gewichtsseilführung<br />

• Radspanner <strong>für</strong> Tunnel mit dem Tunnelprofil angepasste<br />

Gewichtsführung zum Vermeiden <strong>von</strong><br />

teuren Nischen (Bild 5)<br />

In Nahverkehrsanlagen haben sich Ausführungen<br />

durchgesetzt, <strong>die</strong> <strong>die</strong> Gewichtssäulen in den Mast<br />

integrieren, um architektonische und städt<strong>eb</strong>auliche<br />

Anforderungen zu erfüllen. Der Radspanner <strong>für</strong><br />

24 kN der Serie Sicat 8WL5078 entspricht dem und<br />

erlaubt folgende zusätzliche Bauweisen:<br />

• Radspanner ohne Lasche <strong>für</strong> Führungsrohr<br />

• Radspanner zur Integration in Masten (Bild 6).<br />

510 112 (2014) Heft 8-9


Fahrleitungsanlagen<br />

Im ersten Fall wird das Gewichtsseil über eine Umlenkrolle<br />

so abgelenkt, dass <strong>die</strong> Gewichte im Mast<br />

geführt werden (Bild 2). Bei H-Masten können jeweils<br />

<strong>die</strong> Gewichtssäule <strong>von</strong> Fahrdraht- und Tragseilnachspannung<br />

zwischen den Flanschen geführt<br />

werden. Solche integrierte <strong>Lösungen</strong> sind auch bei<br />

Stahlrohrmasten bekannt. Diese <strong>Lösungen</strong> sind in<br />

der Außenwirkung gegenüber gewichtslosen Nachspannungen<br />

meist vergleichbar.<br />

3.5 Gemeinsame Abspannung <strong>von</strong><br />

Fahrdraht und Tragseil<br />

Zur Minderung der Investitionen sind in Oberleitungen<br />

bis 200 km/h Fahrdraht und Tragseil mit nur<br />

einem Radspanner nachspannbar. Dabei werden<br />

<strong>die</strong> beiden Leiter über H<strong>eb</strong>el oder Seilrollen an <strong>die</strong><br />

Nachspanneinrichtung angeschlossen (Bild 7). Das<br />

Einrasten der Nachspanneinrichtung hängt dabei<br />

wesentlich <strong>von</strong> der Konfiguration der Nachspannung,<br />

des Längskettenwerks und der Art der Zugkraftminderung<br />

ab.<br />

Erfahrungen, Versuche und Überlegungen lassen<br />

erkennen, dass das Spannrad nicht in allen denkbaren<br />

Fällen vollständig einrastet. Reißt der Fahrdraht<br />

innerhalb der halben Nachspannlänge vor dem Festpunkt,<br />

so wird durch <strong>die</strong> weiter einwirkende Zugkraft<br />

aus Richtung der Nachspanneinrichtung das Leiterseil<br />

eingezogen. Das kann nur so lange passieren, bis<br />

Bild 5:<br />

Nachspanneinrichtungen einer Oberleitung Sicat H 1.0 in Tunneln<br />

in Spanien mit dem Tunnelprofil angepassten Gewichtsführungen.<br />

Bild 6:<br />

Nachspanneinrichtungen auf Basis <strong>von</strong> Radspannern zur Integration<br />

in Masten.<br />

Bild 7:<br />

Gemeinsame Abspannung <strong>von</strong> Fahrdraht und Tragseil; hier mit H<strong>eb</strong>el<br />

und geteilter Gewichtssäule mit Betongewichten in Rumänien.<br />

112 (2014) Heft 8-9<br />

511


Fahrleitungsanlagen<br />

Gerade bei Forderungen nach einer zuverlässigen<br />

und hochverfügbaren Oberleitung ist zu empfehlen,<br />

beide Leiter getrennt nachzuspannen. Anderenfalls ist<br />

bei Auftreten eines Fehlers mit langen Entstörzeiten<br />

wegen meist umfangreicheren Schäden an Nachspanneinrichtung<br />

und dem Längskettenwerk zu rechnen.<br />

Andererseits hat ein Fahrdrahtriss in Vollbahnanlagen<br />

oder Oberleitungsanlagen mit eigener Bahntrasse nur<br />

eine minimale Eintrittswahrscheinlichkeit. Damit ist <strong>die</strong><br />

gemeinsame Nachspannung <strong>von</strong> Fahrdraht und Tragseil<br />

unter den genannten Voraussetzungen anwendbar.<br />

Die Funktion der Nachspannung der Leiter und<br />

Kompensation der einwirkenden Längenänderungen<br />

ist nicht beeinträchtigt. Die Einrastfunktion der Radspanner<br />

ist dabei nicht immer wirksam.<br />

Bild 8:<br />

Sensoreinheit Sicat 8WL5067-0 der Kettenwerksüberwachung Sicat CMS, montiert an<br />

Radspanner Sicat 8WL5070 auf der Strecke HSL-Zuid (NL).<br />

1 Radspanner Sicat 8WL5070<br />

2 Sensor<br />

3 Magnet<br />

<strong>die</strong> Hänger schräg stehen und ihrerseits eine anteilige<br />

Zugkraft in das Tragseil einkuppeln. Je kürzer <strong>die</strong><br />

Systemhöhe und damit <strong>die</strong> Hänger, desto geringer<br />

ist der Wanderweg des Fahrdrahtes. Über <strong>die</strong> Seiloder<br />

H<strong>eb</strong>elkonstruktion wird das Tragseil temporär<br />

elastisch entlastet. Das führt bezogen auf <strong>die</strong> wirksame<br />

Kraft am Kettenwerksabgang des Radspanners<br />

zu einem Absinken der Spannkraft, wodurch sich <strong>die</strong><br />

Wippenneigung vergrößert und dadurch das Spannrad<br />

absenkt. Das Spannrad sinkt nur dann vollständig<br />

in <strong>die</strong> Sperrvorrichtung, wenn <strong>die</strong> Entlastung im<br />

Tragseil kleiner ist als der verfügbare Wanderweg des<br />

Fahrdrahtes bis zur Rissstelle. Beispielsweise wird bei<br />

halben Nachspannlängen L <strong>von</strong> mehr als 350 m und<br />

einem Oberleitungskettenwerk mit 10 kN Zugkraft<br />

und 50 mm² Tragseil bei der Montage ein elastischer<br />

Dehnungsanteil <strong>von</strong> 580 mm kompensiert. Ein<br />

Doppelh<strong>eb</strong>el mit 600 mm Gesamtlänge und jeweils<br />

300 mm H<strong>eb</strong>elarm bei symmetrischer Kraftaufteilung<br />

würden somit nur maximal 300 mm Wanderweg<br />

bei Riss des Fahrdrahtes freig<strong>eb</strong>en. Die Differenz<br />

aus beiden Längen führt zu einer Restkraft in <strong>die</strong>sem<br />

Beispiel <strong>von</strong> 4,8 kN. Diese Kraft ist so hoch, dass der<br />

Radspanner nicht vollständig entlastet und somit<br />

<strong>von</strong> der Einrasteinrichtung blockiert wird. Dies führt<br />

in der Folge dazu, dass der Radspanner nunmehr in<br />

der Folge versucht, <strong>die</strong> freigesetzte Längenänderung<br />

<strong>von</strong> 300 mm zu kompensieren. Damit baut sich im<br />

Tragseil sogar <strong>die</strong> doppelte Zugkraft auf, wodurch<br />

der Radspanner zusätzlich 580 mm aus der Zugkraftverdopplung<br />

aufwickeln muss. Die Gewichte werden<br />

somit bei einer 1 : 3 Übersetzung der Nachspanneinrichtung<br />

ohne zusätzlich dynamische Effekte mehr<br />

als 2,65 m tiefer hängen als zuvor.<br />

3.6 Monitoring <strong>von</strong> Oberleitungskettenwerken<br />

mit Sicat CMS<br />

Äußere Einwirkungen können Schäden an Oberleitungen<br />

hervorrufen und Unterbrechungen des Betri<strong>eb</strong>es<br />

verursachen. In den letzten Jahren nahmen<br />

auch Anforderungen zu, <strong>die</strong> Meldung <strong>von</strong> Fahrdrahtschäden<br />

in das Schutzkonzept der Anlage zu<br />

integrieren. Zuverlässiges und schnelles Erkennen<br />

<strong>von</strong> Fehlern ist daher vorteilhaft. Die Kettenwerksüberwachungseinrichtung<br />

Sicat CMS [6; 7] hat <strong>die</strong><br />

permanente Überwachung der Oberleitung zum<br />

Ziel und löst bei Unregelmäßigkeiten einen Alarm<br />

aus. Das sind beispielsweise umgestürzte Bäume<br />

[7], Zugkraftschwankungen oder Di<strong>eb</strong>stahl <strong>von</strong><br />

Leitern. Sie lässt sich in Nachspanneinrichtungen<br />

der Sicat-Reihe einbauen.<br />

Wird über <strong>die</strong> Messeinrichtung (Bild 8) ein Riss<br />

innerhalb der Nachspannlänge detektiert, so wird<br />

der betroffene Speiseabschnitt abgeschaltet. Damit<br />

können heute seltene, aber dennoch mögliche Fehler<br />

mit hochohmiger Schleifenimpedanz in Nahverkehrsanlagen<br />

besser detektiert und damit Personen<br />

und Anlagen geschützt werden. Die Kettenwerksüberwachungseinrichtung<br />

Sicat CMS ist aber funktional<br />

nicht auf <strong>die</strong> Rissdetektion und Bewertung der<br />

Horizontalzugkräfte innerhalb der Nachspannlänge<br />

begrenzt. So lassen sich durch Adaption zusätzlicher<br />

Sensoren weitere nützliche Informationen als Einstieg<br />

in einer Zustandsbasierte Instandhaltung und<br />

Erfassung <strong>von</strong> Betri<strong>eb</strong>sbelastungen erfassen [8].<br />

4 Kundennutzen<br />

Über 20 000 gewichtsbasierte Nachspannungen der<br />

Serien Sicat 8WL5070/71/78 wurden seither ausgeliefert.<br />

Im Einsatz erwiesen sich <strong>die</strong>se als fehlerfrei und<br />

zuverlässig Oberleitungen des Nah- und Fernverkehrs<br />

mit Zugkräften bis zu 40 kN nachzuspannen.<br />

512 112 (2014) Heft 8-9


Fahrleitungsanlagen<br />

Connect - Contact - Control<br />

Wesentliche Eigenschaften sind:<br />

• flexibel einsetzbar in unterschiedlichen Oberleitungsbauweisen und Einbaulagen,<br />

da Varianten mit unterschiedlichen Übersetzungen <strong>für</strong> Nachspannkräfte<br />

bis 40 kN vorliegen<br />

• langzeiterprobte Technologie mit langzeitstabilem 97-%-Wirkungsgrad zum<br />

Einhalten der geforderten Fahrdrahtlage <strong>für</strong> hohe Befahrgüte<br />

• Arbeitslängen bis 2,3 m bei der Übersetzung 1 : 1,5 möglich<br />

• geringe Folgeschäden nach Zugkraftverlust durch Einrasten des Radspanners<br />

• niedrige L<strong>eb</strong>enszykluskosten und lange L<strong>eb</strong>ensdauer durch wartungsfreie<br />

Verbundgleitlager und korrosionsbeständige Materialien<br />

• Auslegung, Fertigung und Prüfung nach neuesten internationalen Normen<br />

• Typlassung durch EBA<br />

• Kettenwerksüberwachung Sicat CMS anwendbar.<br />

Im Vergleich zu gewichtslosen Nachspanneinrichtungen ist der Wirkungsgrad<br />

<strong>von</strong> Radspannern über 40 und mehr Jahren konstant hoch zum Sicherstellen<br />

einer hohen Befahrgüte im Zusammenwirken <strong>von</strong> Stromabnehmer und Oberleitung.<br />

Die Nachspanneinrichtungen sind wartungsfrei, flexibel in bestehende<br />

Anlagen integrierbar, arbeiten zuverlässig und führen in Oberleitungsanlagen zu<br />

geringen L<strong>eb</strong>enszykluskosten.<br />

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[1] EN 50119:2010-05: Bahnanwendungen – Ortsfeste Anlagen – Oberleitungen <strong>für</strong> den<br />

elektrischen Zugbetri<strong>eb</strong>.<br />

[2] EN 50125-2:2010-11: Bahnanwendungen – Umweltbedingungen <strong>für</strong> Betri<strong>eb</strong>smittel –<br />

Teil 2: Ortsfeste elektrische Anlagen.<br />

[3] Siemens AG, BU Rail Electrification: Radspanner – Sicat 8WL5070, 8WL5071 und 8WL5078<br />

<strong>für</strong> Oberleitungsanlagen. URL: www.downloads.siemens.com/download-center/Download.<br />

aspx?pos=download&fct=getasset&mandator=ic_sg&id1=DLA14_19 mit Stand Juli 2014.<br />

[4] Jung, F.: Wirkungsgradbestimmung <strong>von</strong> Radspannern. Stu<strong>die</strong>narbeit, TU Dresden, Professur<br />

<strong>für</strong> elektrische <strong>Bahnen</strong>, 2006.<br />

[5] Jung, F.: Wirkungsgrad gealterter Radspanner. TU Dresden, Professur <strong>für</strong> elektrische <strong>Bahnen</strong>,<br />

Diplomarbeit, 2007.<br />

[6] Bechmann, J.; Dölling, A.; Hahn, G.; Schwab, H.-J.; Wolpensinger, T.: Überwachungseinrichtung<br />

<strong>für</strong> Überleitungskettenwerke. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 106 (2008), H. 8-9, S. 400-407.<br />

[7] Hahn, G.: Betri<strong>eb</strong>serfahrungen mit einer Überwachungseinrichtung <strong>für</strong> Oberleitungen.<br />

In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 107 (2009), H. 4-5, S. 221-225.<br />

[8] Dölling, A.: Optimierung <strong>von</strong> Oberleitungsanlagen. Dissertation, Technische Universität<br />

Dresden, 2007.<br />

AUTORENDATEN<br />

Dr.-Ing. André Dölling (35), Studium des Verkehrsingenieurwesens an<br />

der TU Dresden, 2003 bis 2007 wissenschaftlicher Mitarbeiter und Promotion<br />

an der Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“, Professur <strong>für</strong><br />

elektrische <strong>Bahnen</strong>. Seit 2007 tätig bei Siemens AG, bis 2012 im Bereich<br />

Entwicklung <strong>von</strong> Fahrleitungskomponenten und -systemen, jetzt Produktportfolio<br />

Manager im Bereich Bahnelektrifizierung/Fahrleitung. Seit 2008<br />

beziehungsweise 2009 Lehrbeauftragter <strong>für</strong> Fahrleitungen an der TU Dresden<br />

und Bahnelektrifizierung an der Technischen Hochschule Nürnberg.<br />

112 (2014) Heft 8-9<br />

Adresse: Siemens AG, IC SG RE PI, Mozartstr. 33b, 91052, Erlangen;<br />

Fon: +49 9131 7-23740, Fax: -22778;<br />

E-Mail: andre.doelling@siemens.com<br />

Schaltbau GmbH<br />

81829 München<br />

rail@schaltbau.de<br />

513<br />

www.rail.schaltbau.com


Fahrleitungsanlagen<br />

Oberleitungsbauart FL200/260 <strong>für</strong><br />

internationale Anwendungen<br />

Beat Furrer, Urs Wili, Bern (CH)<br />

Obwohl <strong>die</strong> großen <strong>Bahnen</strong> ihre eigenen, traditionellen Oberleitungssysteme pflegen, ist es<br />

Furrer+Frey gelungen, <strong>die</strong> Firmenbauart FL200/260 durch stetige Weiterentwicklung <strong>für</strong> eine Vielzahl<br />

<strong>von</strong> Anwendungen unter AC 11 kV und 15 kV 16,7 Hz sowie unter AC 25 kV 50 Hz tauglich zu machen.<br />

Sowohl bei normal- und meterspurigen Alpenbahnen wie auf den großen Linien östlich und westlich<br />

<strong>von</strong> London wird sie heute in einer ihrer Bauformen eingesetzt.<br />

OVERHEAD CONTACT LINE SYSTEM FL200/260 FOR INTERNATIONAL APPLICATIONS<br />

All big railways have developed and cultivated their own traditional overhead contact line systems.<br />

In spite of this, Furrer+Frey succeeded in promoting its FL200/260 system for various applications at<br />

AC 11 kV and 15 kV 16,7Hz as well as at AC 25 kV 50 Hz, by continuous improvement and by adding<br />

new features. Today, the system is in use on standard- and metre-gauge railways in the Alps as well<br />

as on the main lines east and west of London, the Great Eastern and the Great Western.<br />

SYSTÈME CATÉNAIRE FL200/260 POUR APPLICATIONS INTERNATIONALES<br />

Tous les grands chemins de fer utilisent leurs propres systèmes de caténaires traditionnels. Pourtant,<br />

par une optimisation continuelle, Furrer+Frey a réussi a introduire son système FL200/260 pour les<br />

applications les plus variées sous AC 11 kV et 15 kV 16,7 Hz ainsi que sous AC 25kV 50 Hz. Aujourd’hui<br />

on peut trouver les diverses configurations de ce système sur les lignes à voie normale et à voie<br />

étroite dans les Alpes ainsi que sur les grandes lignes à l’est et à l’ouest de Londres.<br />

1 Einführung<br />

Man kann sich fragen, ob es <strong>die</strong> große Vielfalt an<br />

Oberleitungsbauarten überhaupt braucht. Die meisten<br />

Staatsbahnen haben ihre eigenen Bauarten entwickelt<br />

oder entwickeln lassen. Die Vielfalt wurde<br />

immer größer, <strong>die</strong> Zahl der Bauteile wächst ständig.<br />

Für viele kleinere Bahnunternehmen ist es jedoch<br />

vorteilhaft, auf eine bewährte Bauart zurück greifen<br />

zu können, <strong>die</strong> möglichst genau auf ihre Bedürfnisse<br />

abgestimmt ist. Aber auch bei Großprojekten kann<br />

eine besondere, zum Projekt passende Bauart zu<br />

geringeren Investitionskosten verhelfen. Da Oberleitungen<br />

nach ihrer Errichtung <strong>für</strong> zwei Jahrzehnte<br />

wartungsfrei sind, bleiben <strong>die</strong> Unterhaltskosten klein,<br />

auch wenn <strong>für</strong> eine neue Bauart besondere Bauteile<br />

verwendet werden. Lediglich <strong>für</strong> <strong>die</strong> Störungsbeh<strong>eb</strong>ung<br />

sind kleine Handlager der wichtigsten Bauteile<br />

vorzuhalten. Wenn <strong>die</strong> Gleislage sich jedoch ändert<br />

oder <strong>die</strong> Mastfundamente etwas nachg<strong>eb</strong>en, muss<br />

<strong>die</strong> Fahrdraht-Seitenlage oder <strong>die</strong> Fahrdrahthöhe angepasst<br />

werden. Wenn <strong>die</strong> Oberleitungsbauart <strong>die</strong>s<br />

mit einfachen Mittel zulässt, verkürzt sich <strong>die</strong> Umbauzeit<br />

und verringern sich <strong>die</strong> Kosten. Das Oberleitungssystem<br />

FL200/260 ist wie ein Baukasten modular<br />

aufg<strong>eb</strong>aut und laufend erweitert worden. Sein<br />

Anwendungsbereich umfasst Geschwindigkeiten<br />

bis 260 km/h und Spannungen bis DC 3 kV oder AC<br />

15 kV 16,7 Hz, und AC 25 kV 50 Hz <strong>von</strong> schmalspurigen<br />

Überland- und Bergbahnen bis zu TSI-konformen<br />

normalspurigen Hochleistungsstrecken.<br />

2 Kurzer Rückblick<br />

Bis zur Vollelektrifizierung der SBB im Jahre 1960 war<br />

es bei den Schweizer Vollbahnen üblich, den nachgespannten<br />

Fahrdraht an einem festen Tragseil aufzuhängen.<br />

Auf horizontalen Auslegern oder Jochen<br />

ang<strong>eb</strong>rachte Stützisolatoren und verstellbare Teleskop-Seitenhalter<br />

erlaubten das Einstellen der Seitenlage<br />

auf einfache Art, und <strong>die</strong> Höhenlage konnte mit<br />

einstellbaren Hängern und durch Verschi<strong>eb</strong>en des<br />

Seitenhalteranschlusses am Mast oder an einer senkrechten<br />

Stütze angepasst werden Die gleichen Einstellmöglichkeiten<br />

gewährte auch <strong>die</strong> in den 1970er<br />

Jahren <strong>von</strong> der SBB eingeführte R-Oberleitung.<br />

Als <strong>die</strong> Bergstrecke der BLS auf Doppelspur ausg<strong>eb</strong>aut<br />

werden sollte, erhielt Furrer+Frey AG den Auftrag,<br />

eine Oberleitung <strong>für</strong> Fahrdrähte und Tragseile<br />

mit je 150 mm 2 zu entwickeln. Zur Erleichterung der<br />

Montage und um einen möglichst großen Bereich<br />

<strong>von</strong> Seitenlageänderungen abzudecken, wurde ein<br />

Ausleger mit zwei horizontalen Rohren, welche fest<br />

mit V-förmigen Str<strong>eb</strong>en verbunden sind, entwickelt<br />

514 112 (2014) Heft 8-9


Fahrleitungsanlagen<br />

Bild 1:<br />

F+F Velorahmen-Ausleger; Tragseilklemme und Seitenhalteranschluss lassen sich in weiten<br />

Bereichen verschi<strong>eb</strong>en (alle Bilder: Furrer+Frey AG).<br />

Bild 2:<br />

Ausleger <strong>für</strong> besonders enge Tunnel.<br />

(Bild 1). In Tabelle 1 ist <strong>die</strong>ses System mit FL200/<br />

BLS78 bezeichnet. Da <strong>die</strong> Systemhöhe und damit<br />

der Abstand der beiden horizontalen Rohre immer<br />

gleich war, konnten <strong>die</strong> Anschlusstraversen am Mast<br />

vormontiert werden, was <strong>die</strong> Montage erleichterte.<br />

Im Tunnel war natürlich eine kleinere Systemhöhe<br />

nötig. Mit besonders kurzen Seitenhaltern und<br />

biegesteifen Isolatoren konnte ein Ausleger mit nur<br />

einem Isolator g<strong>eb</strong>aut werden (Bild 2).<br />

3 Oberleitungssystem FL200/260<br />

3.1 Entstehung<br />

Unter der Oberbezeichnung FL200/260 entstand<br />

nach und nach eine Reihe <strong>von</strong> Bauarten, <strong>die</strong> hier<br />

zu besseren Übersicht mit Kurzbezeichnungen benannt<br />

werden [1]. FL200 bezeichnet Bauformen <strong>für</strong><br />

den konventionellen Geschwindigkeitsbereich bis<br />

TABELLE 1<br />

Übersicht über <strong>die</strong> wichtigsten Bauformen der FL200/260.<br />

Bauartbezeichnung<br />

Auslegertyp-<br />

Systemhöhe<br />

Spannung<br />

Frequenz<br />

Querschnitt<br />

Fahrdraht Tragseil Y-Beiseil V TSI<br />

Material Zug Querschnitt<br />

Material<br />

kV Hz mm 2 kN mm 2 kN J/N km/h<br />

FL200/Meterspur FL200/260-div 11 16,7 107 Cu 50 Staku div N 100 - -<br />

FL200/BLS78 Typ78 15 16,7 150 Cu 12,0 150 Cu 12,0 N 140 - -<br />

FL200/BLS01-A FL200/260-1.6 15 16,7 150 Cu 12,0 150 Cu 12,0 N 160 CR<br />

FL200/BLS01-B FL200/260-1.6 15 16,7 150 Cu 12,0 50 Staku 12,0 N 160 CR<br />

FL200/BLS01-C FL200/260-2.2 15 16,7 107 CuAg0,1 13,5 50 Staku 6,8 N 160 CR<br />

FL200/BLS01-D FL200/260-2.2 15 16,7 107 Cu 9,0 50 Staku 6,8 N 140 CR<br />

FL200T/BLS01-A FL200/260T-1.3 15 16,7 150 Cu 12,0 150 Cu 12,0 N 160 CR<br />

FL200T/BLS01-B FL200/260T-1.3 15 16,7 150 Cu 12,0 50 Staku 12,0 N 160 CR<br />

FL200T/BLS01-C FL200/260T-1.3 15 16,7 107 CuAg0,1 13,5 50 Staku 6,8 N 160 CR<br />

FL200T/BLS01-D FL200/260T-1.3 15 16,7 107 Cu 9,0 50 Staku 6,8 N 140 CR<br />

FL200T/SBB FL200T-0.8 15 16,7 107 CuMg0,5 12,0 92 Staku 12,0 N 160 CR<br />

FL260T/SBB FL200T-1.2 15 16,7 107 CuMg0,5 18,0 92 Staku 15,0 J 225 CR<br />

FL200/GEFF SIC-1.3 FL200/260-1.8 25 50 120 Cu 13,2 65 BzII 12,0 N 160 CR<br />

FL260/Series1 SIC-1.3 25 50 120 CuAg0,1 16,5 65 BzII 13,0 N 225 HS<br />

und<br />

CR<br />

Zug<br />

112 (2014) Heft 8-9<br />

515


Fahrleitungsanlagen<br />

An <strong>die</strong>sen Auslegern lassen sich unterschiedliche<br />

Kettenwerke befestigen, <strong>die</strong> <strong>die</strong> unterschiedlichsten<br />

Anforderungen an Stromtragfähigkeit und Fahrgeschwindigkeit<br />

erfüllen. 1998 war <strong>die</strong> FL200 bei<br />

folgenden Schweizer Normalspur- und Meterspurbahnen<br />

im Einsatz:<br />

• FL200(T)/BLS-A und –B: Bern-Lötschberg-Simplonbahn<br />

AG, BLS<br />

• FL200/BLS-C: Bern-Neuenburgbahn, heute BLS<br />

• FL200/BLS-D: Regionalverkehr Mittelland,<br />

heute BLS<br />

• FL200(T)/Meterspur: zum Beispiel Berner Oberlandbahn<br />

BOB, Matterhorn-Gotthard-Bahn MGB,<br />

Rhätische Bahn RhB<br />

Bild 3:<br />

FL200-Ausleger aus rostfreiem Stahl: einfaches Einstellen der<br />

Seitenlage an den horizontalen Rohren.<br />

rund 200 km/h. FL260 bezeichnet jene, <strong>die</strong> <strong>für</strong> Geschwindigkeiten<br />

bis rund 260 km/h ausgelegt sind.<br />

Die jeweiligen Tunnelbauarten erhalten zusätzlich<br />

den Buchstaben T. Für einzelne Anwendungsfälle<br />

angepasste Leiterkombinationen werden mit einem<br />

Kürzel <strong>für</strong> <strong>die</strong> Bahnverwaltung oder das Streckennetz<br />

unterschieden. Eine Übersicht gibt Tabelle 1.<br />

Der Velorahmen-Ausleger (Bild 1) war besonders<br />

<strong>für</strong> <strong>die</strong> schwere Oberleitung der BLS-Bergstrecke entwickelt<br />

worden. Für <strong>die</strong> Talstrecken der BLS und <strong>für</strong><br />

weitere Anlagen wurde ein Rohrausleger mit horizontalem<br />

Tragrohr ähnlich der SBB-R-Fl konstruiert.<br />

Er unterscheidet sich durch das Material der Rohre –<br />

rostfreier statt feuerverzinkter Stahl – durch <strong>die</strong> starre<br />

Befestigung des Seitenhalteranschlusses und durch <strong>die</strong><br />

filigranen Seitenhalter aus rostfreiem Stahl (Bild 3).<br />

In verkürzter Form lassen sich <strong>die</strong>se Ausleger auch<br />

unter Querträgern einbauen (Bild 4).<br />

Im November 2000 erteilte das Bundesamt <strong>für</strong> Verkehr<br />

dem Oberleitungssystem FL200/260 <strong>die</strong> Zulassung<br />

zur schweizweiten Betri<strong>eb</strong>serprobung und im<br />

November 2003 wurden alle vier Teilsysteme vom<br />

deutschen Eisenbahncert EBC zertifiziert.<br />

3.2 Zimmerberg-Basistunnel –<br />

FL200/260T/SBB<br />

3.2.1 Betri<strong>eb</strong>sbedingungen<br />

Die Leistungssteigerung der Strecke <strong>von</strong> Zürich nach<br />

Thalwil durch <strong>die</strong> Realisierung einer zweiten Doppelspurstrecke<br />

unter Tag und Vorbereitung des Anschlusses<br />

an <strong>die</strong> Stadt Zug ist in [2] beschri<strong>eb</strong>en worden.<br />

Hauptbestandteil ist ein rund 10 km langer Doppelspurtunnel,<br />

der heute mit 160 km/h betri<strong>eb</strong>en wird.<br />

Es war vorgesehen, den Tunnel in Richtung Zug zu<br />

verlängern, damit er als Zufahrt zum Gotthard-Basistunnel<br />

<strong>die</strong>nen kann. Deshalb wurde er <strong>für</strong> 200 km/h<br />

und <strong>für</strong> <strong>die</strong> Anforderungen der Technischen Spezifikationen<br />

<strong>für</strong> <strong>die</strong> Interoperabilität [3] ausgelegt.<br />

3.2.2 Vorgaben<br />

Bild 4:<br />

FL200-Ausleger unter Joch.<br />

Die bahntechnische Ausrüstung wurde funktional ausgeschri<strong>eb</strong>en.<br />

In der Arbeitsgemeinschaft ZITECH hat<br />

Furrer+Frey als Unternehmervariante <strong>die</strong> Oberleitung<br />

FL200/260T/SBB ang<strong>eb</strong>oten (Bild 5). Der Auftrag an<br />

<strong>die</strong> ZITECH umfasste <strong>die</strong> Erstellung eines Systemhandbuches<br />

nach den Vorgaben der EN 50119 [5], <strong>die</strong><br />

Ausführungsplanung, <strong>die</strong> Bauleitung und den Bau der<br />

Oberleitung. Nach der Vollendung war außerdem <strong>die</strong><br />

Tauglichkeit <strong>für</strong> den Betri<strong>eb</strong> mit 200 km/h nachzuweisen.<br />

Dazu waren Messfahrten mit 220 km/h mit Doppeltraktion<br />

bei 18,5 m Stromabnehmerabstand durchzuführen.<br />

Für <strong>die</strong> Kriterien der Stromabnahme und <strong>die</strong><br />

durchzuführenden Messungen waren grundsätzlich<br />

<strong>die</strong> Bestimmungen der CENELEC-Normen zu berücksichtigen<br />

[6; 7]. Für den Bauherrn, <strong>die</strong> Schweizerischen<br />

Bundesbahnen, waren außerdem einige zusätzliche<br />

Nachweise zu erbringen, zum Beispiel, dass <strong>die</strong> Ge-<br />

516 112 (2014) Heft 8-9


Fahrleitungsanlagen<br />

schwindigkeit <strong>von</strong> 200 km/h auch mit zwei Stromabnehmern<br />

mit nur 18,5 m Abstand möglich ist.<br />

3.2.3 Mechanische Auslegung des Kettenwerks<br />

der Bauarten FL200/260T/SBB<br />

Für ein gutes dynamisches Verhalten bei hoher Geschwindigkeit<br />

und kurzem Abstand zwischen den<br />

Stromabnehmern ist eine hohe spezifische Zugkraft<br />

im Fahrdraht erforderlich. Für den Fahrdraht wurde<br />

daher eine Kupfer-Magnesium-Legierung gewählt,<br />

<strong>die</strong> bei nur wenig reduzierter elektrischer Leitfähigkeit<br />

eine hohe mechanische Festigkeit aufweist [8;<br />

9]. Für <strong>die</strong> Portalbereiche wurde ein als FL200T/SBB<br />

bezeichnetes Kettenwerk verwendet, <strong>für</strong> <strong>die</strong> schnell<br />

befahrenen Abschnitte ein Kettenwerk FL260T/SBB.<br />

Der größte Fahrdrahtanhub beträgt weniger als<br />

100 mm. Beim Stromabnehmerprofil S3 der 1 600 mm<br />

breiten „Europawippe“ beträgt der technisch mögliche<br />

Anhub 220 mm. Die Bedingung der EN 50119<br />

[5], wonach bei Seitenhaltern ohne Anschlag der technisch<br />

mögliche Anhub doppelt so groß sein muss wie<br />

der berechnete, ist somit eingehalten.<br />

3.2.4 <strong>Elektrische</strong> Auslegung des Kettenwerks<br />

Anforderungen<br />

Für <strong>die</strong> Strombelastbarkeit des Kettenwerks sind relevant:<br />

• Umg<strong>eb</strong>ungstemperatur<br />

• Erwärmung der Leiter durch den Strom und<br />

Abkühlung<br />

––<br />

Stromverteilung zwischen Fahrdraht und<br />

Tragseil<br />

––<br />

elektrischer Widerstand der Leiter<br />

––<br />

Kühlung der Leiter durch Abstrahlung und<br />

Wind. Maßg<strong>eb</strong>end sind Umg<strong>eb</strong>ungstemperatur<br />

und Windgeschwindigkeit.<br />

• zulässige Maximaltemperatur der Leiter<br />

• Bewegungsbereich der Nachspanngewichte<br />

Mit der Wahl einer bestimmten Oberleitungsbauart<br />

und mit den im Tunnel anzutreffenden Umg<strong>eb</strong>ungsbedingungen<br />

sind <strong>die</strong> physikalischen Größen bestimmt.<br />

In der Ausschreibung war <strong>die</strong> Strombelastbarkeit<br />

<strong>für</strong> den Tunnel spezifiziert (Tabelle 2).<br />

Bild 5:<br />

FL260T im Zimmerberg-Basistunnel der SBB; nach rechts: kreuzungsfreie<br />

Abzweigung nach Thalwil; gerade aus: vorbereitete<br />

Verlängerung Richtung Gotthard.<br />

Berechnung der Stromverteilung<br />

Die Firma ENOTRAC hat <strong>die</strong> Stromaufteilung zwischen<br />

Fahrdraht und Tragseil vorausberechnet. Von<br />

500 A je Kettenwerk fließen 46 % oder 230 A im<br />

Fahrdraht und 54 % oder 270 A im Tragseil. Dies<br />

entspricht 2,15 A/mm 2 Stromdichte im CuMg-Fahrdraht<br />

und 3,20 A/mm 2 im 92 mm 2 kupferummantelten<br />

Stahlseil mit 84 mm 2 Kupferäquivalent.<br />

Messung der Stromverteilung und Erwärmung<br />

Vom 26. bis 28. Mai 2003 wurden an der noch nicht<br />

in Betri<strong>eb</strong> stehenden Oberleitung elektrische Messungen<br />

durchgeführt [11]. Dazu wurde <strong>die</strong> Oberleitung<br />

über eine frei geschaltete Übertragungsleitung vom<br />

Umformerwerk Se<strong>eb</strong>ach aus mit reduzierter Spannung<br />

eingespeist. An verschiedenen Stellen im Tunnel wurde<br />

<strong>die</strong> Oberleitung geerdet. So konnten <strong>die</strong> Stromverteilung<br />

auf <strong>die</strong> verschiedenen Hin- und Rückleiter, <strong>die</strong><br />

Erwärmung der Leiter und <strong>die</strong> im Tunnel abgreifbaren<br />

Berührungsspannungen gemessen werden.<br />

Der Vergleich der Messwerte mit der Rechnung<br />

ergibt bis zum Zeitpunkt t = 100 min eine gute Übereinstimmung;<br />

bei der kurzzeitigen Belastung mit<br />

1 170 A ergibt <strong>die</strong> Berechnung eine etwas höhere<br />

Temperatur als <strong>die</strong> Messung (Bild 6).<br />

TABELLE 2<br />

Verlangte Strombelastbarkeit in A der Oberleitung im Zimmerberg-Basistunnel.<br />

Nominalstrom<br />

Maximalstrom<br />

Für den Tunnel mit zwei Gleisen<br />

Daraus abgeleitet je Gleis<br />

600 A RMS dauernd 450 bis 500 A RMS dauernd. Die Stromverteilung<br />

zwischen den beiden Gleisen ist asymmetrisch<br />

wegen der großen Distanz der Querverbindungen<br />

nur bei km 3,600 und km 11,200 und wegen der<br />

<strong>von</strong> Süden nach Norden ansteigenden Strecke<br />

1 200 A RMS während 15 min alle 30 min bei T Anom während 2 h<br />

übrige Zeit Nominalstrom<br />

600 A RMS während 15 min alle 30 min, rund 1 200 A RMS<br />

kurzzeitig<br />

112 (2014) Heft 8-9<br />

517


Fahrleitungsanlagen<br />

1600<br />

A<br />

1400<br />

90<br />

C°<br />

80<br />

1300<br />

1200<br />

70<br />

1100<br />

1000<br />

60<br />

900<br />

800<br />

50<br />

4<br />

700<br />

5<br />

I 600<br />

40<br />

3<br />

Θ<br />

500<br />

400<br />

30<br />

2<br />

300<br />

200<br />

1<br />

20<br />

100<br />

6<br />

0<br />

10<br />

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 min 140<br />

t<br />

Bild 6:<br />

Belastung des Kettenwerks während rund 40 min mit dem Dauerstrom 500 A, anschließend<br />

zweimal je 15 min 600 A und 500 A, schließlich während rund 4 min Belastung mit<br />

1 170 A Kurzzeitstrom.<br />

1 Strom im Fahrdraht<br />

2 Strom im Tragseil<br />

3 Gesamtstrom<br />

4 Temperatur im Fahrdraht gemessen<br />

5 Temperatur im Tragseil gemessen<br />

6 Temperatur Umg<strong>eb</strong>ungsluft gemessen<br />

Bild 8:<br />

FL200/GEFF auf der Doppelspur <strong>von</strong> Shenfield nach Chelmsford.<br />

F K<br />

250<br />

N<br />

200<br />

175<br />

150<br />

125<br />

100<br />

75<br />

50<br />

25<br />

0<br />

0 25 50 75 100 125 150 175 200 km/h 250<br />

v<br />

Bild 7:<br />

Messung der Kontaktkraft F K nach EN 50317, aerodynamisch kompensiert abhängig <strong>von</strong><br />

der Fahrgeschwindigkeit v.<br />

Stromabnehmer B, F m +3σ<br />

Stromabnehmer B, F m<br />

Stromabnehmer B, F m –3σ<br />

σ<br />

3.2.5 Messfahrten<br />

Stromabnehmer A, F m +3σ<br />

Stromabnehmer A, F m<br />

Stromabnehmer A, F m –3σ<br />

Messfahrt mit dem Oberleitungsmesswagen der SBB<br />

Mit dem Oberleitungsmesswagen wurde zuerst <strong>die</strong><br />

Ruhelage des Fahrdrahtes bei reduzierter Stromabnehmer-Anpresskraft<br />

gemessen. Gleichzeitig wurde<br />

mit dem Gleismesswagen auch <strong>die</strong> Gleislage geprüft.<br />

Dann wurde <strong>die</strong> Fahrgeschwindigkeit schrittweise<br />

auf 175 km/h erhöht, um <strong>die</strong> Tauglichkeit der Oberleitung<br />

<strong>für</strong> 160 km/h Geschwindigkeit zu prüfen.<br />

Messfahrt mit der besonders ausgerüsteten<br />

Messlokomotive Baureihe 460<br />

Die Abteilung Diagnose und Lauftechnik der SBB<br />

hat zwei Lokomotiven der Baureihe 460 mit einer<br />

Bild 9:<br />

Rücken an Rücken montierte SIC-Ausleger an einem bestehenden<br />

Tragwerk der Great Eastern; im Hintergrund das Olympia-Stadion.<br />

mobilen Einrichtung zur Messung der Stromabnehmeranpresskraft<br />

ausgerüstet. Mit einem Zug,<br />

bestehend aus <strong>die</strong>sen beiden Lokomotiven, einem<br />

Reisezugwagen mit der Auswerteeinrichtung und<br />

einem Steuerwagen wurden Messfahrten mit zwei<br />

gehobenen WBL85-Stromabnehmern bis 220 km/h<br />

durchgeführt. Der Stromabnehmerabstand betrug<br />

jeweils 18,5 m, Knie- und Spießgang wechselten sich<br />

ab. Je nach Fahrtrichtung befanden sich <strong>die</strong> Stromabnehmer<br />

vorn oder hinten am Zug und über dem<br />

vorderen oder hinteren Führerstand.<br />

Der Messbericht der SBB fasst <strong>die</strong> Resultate wie<br />

folgt zusammen:<br />

Die hohen Pflichtenheftanforderungen bezüglich<br />

Kontaktkräfte <strong>für</strong> zwei gehobene Stromabnehmer im<br />

18,5-m-Abstand wurden im Spieß- und im Kniegang<br />

bei der Geschwindigkeit bis 220 km/h eingehalten.<br />

Bild 7 zeigt hierzu <strong>die</strong> Kraftverläufe im doppelten<br />

Spießgang im Messabschnitt km 6,182 bis km 7,436.<br />

Mit den erfolgreich durchgeführten Messfahrten<br />

galt <strong>die</strong> Oberleitung FL200/260 T als abgenommen;<br />

sie konnte Ende Juni 2003 in Betri<strong>eb</strong> gehen.<br />

518 112 (2014) Heft 8-9


Fahrleitungsanlagen<br />

3.3 Erweiterung des Anwendungsbereichs<br />

auf das Anbringen an<br />

bestehenden Tragwerken<br />

3.3.1 Great Eastern, FL200/GEFF<br />

2007 hatte Network Rail <strong>die</strong> Entwicklung eines neuen<br />

Oberleitungssystems ausgeschri<strong>eb</strong>en, das an den<br />

bestehenden Tragwerken der Great Eastern-Linie ang<strong>eb</strong>racht<br />

werden und <strong>die</strong> bestehenden, aus der Zeit<br />

der Elektrifizierung mit Gleichstrom stammenden,<br />

fest abgefangenen Kettenwerke durch eine neue,<br />

voll nachgespannte Oberleitung ersetzen sollte.<br />

Den Zuschlag erhielt das <strong>von</strong> Furrer+Frey auf der<br />

Basis <strong>von</strong> FL200 ang<strong>eb</strong>otene Oberleitungssystem<br />

GEFF <strong>für</strong> Great Eastern–Furrer+Frey [12].<br />

GEFF beruht auf den bereits zertifizierten Bauarten<br />

FL200/260(T) (Bild 8). Es zeichnet sich durch <strong>die</strong><br />

<strong>für</strong> 160 km/h gestalteten Kettenwerks-Daten und<br />

einige neuartige Konstruktionen der Tragwerke aus:<br />

• gegenüber FL200T weiter entwickelten und <strong>für</strong><br />

den Einsatz im Freien angepasste Single Insulator<br />

Cantilevers (SIC) (Bild 9)<br />

• Aufhängung des Tragseils an Rollen, <strong>für</strong> <strong>die</strong><br />

Ausrüstung bestehender Joche mit geringer<br />

Torsionsfestigkeit<br />

• Einführung <strong>von</strong> Federspannern Tensorex als<br />

Ersatz <strong>für</strong> <strong>die</strong> Gewichtsnachspannungen [15]<br />

Anlässlich der Olympischen Spiele 2012 hat das System<br />

GEFF seine Feuerprobe bestanden. Im Juli 2012<br />

erteilte Network Rail <strong>die</strong> Freigabe <strong>für</strong> den Einbau<br />

<strong>von</strong> GEFF auf den Strecken London Liverpool Street<br />

– Shenfield – Chelmsford und Shenfield – Southend<br />

Victoria, und im Juni 2014 wurde <strong>die</strong> TSI-kompatible<br />

Bauform GEFF vom Eisenbahncert zertifiziert.<br />

3.3.2 Series1, FL260/Series1<br />

Für neu zu elektrifizierende Strecken plante Network<br />

Rail im 2010 zwei neue Oberleitungssysteme entwickeln<br />

zu lassen: Series 1 auf Strecken <strong>für</strong> Geschwindigkeiten<br />

um 200 km/h und Series 2 <strong>für</strong> <strong>die</strong> langsamer<br />

zu befahrenden Strecken.<br />

2011 erhielt F+F den Auftrag zur Entwicklung<br />

der Series 1. Basierend auf FL200/260 und GEFF war<br />

das System so zu konzipieren, dass es sich mit dem<br />

bei Windhoff bestellten High Output Plant System<br />

(HOPS) besonders rasch und leicht montieren lässt.<br />

Randbedingungen waren Länge, Größe und Gewicht<br />

der einzelnen Bauteile, <strong>die</strong> Möglichkeit, Baugruppen<br />

auf dem Installationsplatz vorzubereiten,<br />

sowie <strong>die</strong> Konzentration aller Tätigkeiten über dem<br />

Arbeitsgleis, um während der Montage den Betri<strong>eb</strong><br />

auf dem Nachbargleis aufrecht zu erhalten.<br />

Auf vierspurigen Strecken sollte während der Arbeiten<br />

auf einem Gleispaar das andere jeweils in Betri<strong>eb</strong><br />

bleiben. Diese Forderung hat zur Folge, dass<br />

112 (2014) Heft 8-9<br />

Bild 10:<br />

Einfach zu montierender Ausleger über zwei Gleise, (two track cantilever, TTC); mit der<br />

Haken- und Lochreihe am Mast können Abweichungen des Pfahlfundaments <strong>von</strong> der<br />

Soll-Höhe ausgeglichen werden.<br />

Bild 11:<br />

Teleskop-Ausleger. Die Seitenlage <strong>von</strong> Fahrdraht und Tragseil wird gleichzeitig<br />

durch Verschi<strong>eb</strong>en des Teleskoprohrs eingestellt.<br />

anstelle <strong>von</strong> Jochen beidseits Ausleger zu montieren<br />

sind, <strong>die</strong> über zwei Gleise reichen. An <strong>die</strong>sen können<br />

<strong>die</strong> <strong>von</strong> GEFF bekannten SIC Rücken an Rücken<br />

eingehängt werden. Die Zweigleis-Ausleger werden<br />

auf besonders einfache Art an vorbereiteten Haken<br />

am Mast eingehängt (Bild 10). Auf zweispurigen<br />

Strecken werden vormontierte, teleskopierbare SIC<br />

direkt am Mast befestigt (Bild 11).<br />

Die Nachspannungen können einfeldrig g<strong>eb</strong>aut<br />

werden. Gegenüber drei- oder gar fünffeldrigen<br />

Nachspannungen spart <strong>die</strong>s wertvolle Kettenwerkslänge.<br />

Besondere Abfangjoche <strong>für</strong> zwei und <strong>für</strong> vier<br />

Gleise tragen <strong>die</strong> Tensorex C+ Federspanner <strong>für</strong><br />

Fahrdrähte und Tragseile am gleichen Joch (Bild 12).<br />

Beim Auslegen des Tragseils entfällt damit das mühsame<br />

Einfädeln über das untere Abfangjoch.<br />

Mehrere Nachspannlängen Series 1 wurden auf<br />

der Versuchsstrecke in Old Dalby aufg<strong>eb</strong>aut. Versuchsfahrten<br />

im März 2014 haben das bisher nur mit<br />

Simulationen ermittelte gute Verhalten des Series1-<br />

Kettenwerks bestehend aus einem 120 mm 2 Fahrdraht<br />

CuAg 0,1, gespannt mit 16,5 kN und einem<br />

Tragseil BzII 65 mm 2 gespannt mit 13 kN, bestätigt.<br />

519


Fahrleitungsanlagen<br />

5 Vorteile des Oberleitungssystems<br />

FL200/260 in seinen<br />

verschiedenen Bauformen<br />

Bild 12:<br />

Direkt aus ELFF erstelltes Festkörpermodell einer einfeldrigen Nachspannung; zur besseren<br />

Veranschaulichung sind <strong>die</strong> überlappenden Kettenwerke über dem hintersten Gleis farblich<br />

gekennzeichnet.<br />

Bild 13:<br />

Mit den 3D-Festkörper-Daten aus ELFF erstellte Visualisierung einer<br />

Strecke mit Teleskop-SIC-Auslegern.<br />

Series 1 wurde nach TSI CR [13] und nach TSI HS<br />

[14] zertifiziert.<br />

FL200/260 ist ein umfassendes, erprobtes Oberleitungssystem,<br />

<strong>für</strong> das alle Details und Bauphasen<br />

virtuell geplant und dargestellt werden können, was<br />

<strong>die</strong> Schnittstellen <strong>von</strong> der Planung über <strong>die</strong> Materialbeschaffung<br />

und <strong>die</strong> Instruktion bis zur Montage<br />

beträchtlich vereinfacht (Bild 13).<br />

Die Betreiber der FL200/260 schätzen <strong>die</strong> Montagefreundlichkeit<br />

des Oberleitungssystems. Die wenigen<br />

Bauteile und <strong>die</strong> genauen Montageangaben aus<br />

dem Software-Tool ELFF erlauben <strong>die</strong> Vormontage<br />

der Bauteile am Boden und erleichtern <strong>die</strong> Arbeit auf<br />

der Baustelle.<br />

Da <strong>die</strong> Tragseilklemme und der Spurhalterabzug<br />

an horizontalen Rohren befestigt sind, lässt sich <strong>die</strong><br />

Seitenlage des Kettenwerks jederzeit mit geringem<br />

Aufwand an Gleisschi<strong>eb</strong>ungen und Änderungen der<br />

Überhöhung anpassen, ohne dass <strong>die</strong> ganze Geometrie<br />

des Auslegers verändert werden muss.<br />

Die verwendeten rostfreien Auslegerrohre und<br />

<strong>die</strong> kurzschlussfesten Gussarmaturen sind Garant <strong>für</strong><br />

eine lange L<strong>eb</strong>ensdauer des Oberleitungssystems.<br />

Bei den Auslegern mit nur einem Isolator (SIC)<br />

der Bauarten FL200/GEFF und FL260/Series1 sind<br />

<strong>die</strong> <strong>die</strong> elektrischen Spannung führenden Teile auf<br />

besonders kleinem Raum, direkt über dem Gleis konzentriert,<br />

was das Arbeiten auf dem N<strong>eb</strong>engleis erleichtert<br />

und das Anbringen <strong>von</strong> Schutzgittern auf<br />

Stützmauern vermeidet.<br />

The English translation is published in <strong>eb</strong> International<br />

2014.<br />

4 Das Planungs-Tool ELFF ®<br />

ELFF ist eines der führenden Hilfsmittel zur Planung<br />

<strong>von</strong> Oberleitung in drei Dimensionen. Zu<br />

FL200/260 und ihren Varianten GEFF und Series 1<br />

gehörende Bauteile liegen als 3D-Körper in der ELFF-<br />

Datenbank und können jederzeit abgerufen werden<br />

[12]. Das Erstellen eines Festkörper-Modells aus<br />

einem 3D-Draht-Modell dauert mit ELFF bloß wenige<br />

Minuten. Die Daten werden dem Kunden in<br />

Building-Information-Modelling (BIM)-kompatibler<br />

Form abgeg<strong>eb</strong>en. Zum Beispiel prüft Network Rail<br />

damit sofort <strong>die</strong> Sichtbarkeit der Signale. Mehrere<br />

Lizenzen <strong>die</strong>ses Software Tools sind bei <strong>Bahnen</strong> und<br />

Ingenieurbüros in Betri<strong>eb</strong>.<br />

Nähere Angaben zu ELFF finden sich im Beitrag<br />

Objektorientierte Planung <strong>von</strong> Oberleitungsanlagen<br />

[16], dessen englische Übersetzung in der zur InnoTrans<br />

2014 erschienenen internationalen Ausgabe<br />

der <strong>eb</strong> publiziert ist.<br />

Literatur<br />

[1] Furrer, B.; Kocher, M.; Casali, B.: Fahrleitungssystem<br />

FL200. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 96 (1998), H. 1-2,<br />

S. 40–48.<br />

[2] Bosshard, M.; Guertner, R. (Hrsg.): Der Zimmerberg-<br />

Basistunnel. Zürich HB – Thalwil. Verlag Basler & Hoffmann,<br />

Zürich 2004.<br />

[3] Entscheidung 2002/733/EG: Technische Spezifikation<br />

<strong>für</strong> <strong>die</strong> Interoperabilität des Teilsystems Energie<br />

des transeuropäischen Hochgeschwindigkeitsbahnsystems.<br />

In: Amtsblatt der Europäischen Gemeinschaften.<br />

Nr. L245 (2002), S. 280–369.<br />

[4] Schwach, G.: Oberleitungen <strong>für</strong> hochgespannten Einphasenwechselstrom<br />

in Deutschland Österreich und<br />

der Schweiz. Furrer und Frey, Bern 1989.<br />

[5] EN 50119:2003: Bahnanwendungen — Ortsfeste Anlagen<br />

— Oberleitungen <strong>für</strong> den elektrischen Zugbetri<strong>eb</strong>.<br />

[6] EN 50318:2002: Bahnanwendungen — Stromabnahmesysteme<br />

— Vali<strong>die</strong>rung <strong>von</strong> Simulationssystemen<br />

<strong>für</strong> das dynamische Zusammenwirken zwischen Oberleitung<br />

und Stromabnehmer.<br />

[7] EN 50367:2006: Bahnanwendungen — Zusammenwirken<br />

der Systeme — Technische Kriterien <strong>für</strong> das Zu-<br />

520 112 (2014) Heft 8-9


Fahrleitungsanlagen<br />

www.furrerfrey.ch<br />

Wir sind an der<br />

InnoTrans in Berlin<br />

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Internationale Fachmesse<br />

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sammenwirken zwischen Stromabnehmer und Oberleitung<br />

<strong>für</strong> einen freien Zugang.<br />

[8] Bausch, J.; Kießling, F.; Semrau, M.: Hochfester Fahrdraht<br />

aus Kupfer-Magnesiumlegierung. In: <strong>Elektrische</strong><br />

<strong>Bahnen</strong> 92 (1994), H. 11, S. 295–300.<br />

[9] Kießling, F.; Puschmann, R.; Schmieder, A.; Schmidt, P.:<br />

Fahrleitungen elektrischer <strong>Bahnen</strong>. Verlag B. G. Teubner<br />

Stuttgart – Leipzig, 2. Auflage 1998.<br />

[10] EN 50149:2001: Bahnanwendungen — Ortsfeste Anlagen<br />

— <strong>Elektrische</strong>r Zugbetri<strong>eb</strong> — Rillen-Fahrdrähte<br />

aus Kupfer und Kupferlegierung.<br />

[11] Messung der Rückstromverteilung und der Oberleitungserwärmung<br />

Mai 2003. Messbericht ENOTRAC, 2003.<br />

[12] Wili, U.; Wittig, M.: New overhead line equipment on<br />

existing structures of Great Eastern route. In: <strong>Elektrische</strong><br />

<strong>Bahnen</strong> 107 (2009), H. 7, S. 306–312.<br />

[13] Entscheidung 2008/284/EG: Technische Spezifikation<br />

<strong>für</strong> <strong>die</strong> Interoperabilität des Teilsystems Energie<br />

des transeuropäischen Hochgeschwindigkeitsbahnsystems.<br />

In: Amtsblatt der Europäischen Union Nr. L104<br />

(2008), S. 1–79.<br />

[14] Beschluss 2001/274/EG: Technische Spezifikation <strong>für</strong> <strong>die</strong><br />

Interoperabilität des Teilsystems Energie des konventionellen<br />

Hochgeschwindigkeitsbahnsystems. In: Amtsblatt<br />

der Europäischen Union Nr. L126 (2011), S. 1–52.<br />

[15] Fischer, B.: Federbasierte Nachspanneinrichtung <strong>für</strong><br />

Oberleitungen. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 106 (2006),<br />

H. 5, S. 222–225.<br />

[16] Berthold, N.; Hofmann, G.; Blaser W.: Objektorientierte<br />

Planung <strong>von</strong> Oberleitungsanlagen. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong><br />

111 (2013), H. 3, S. 162–171.<br />

AUTORENDATEN<br />

Dipl.-Ing. Beat Furrer (65), Dipl.-Bauingenieur<br />

ETHZ, Inhaber der Furrer+Frey<br />

AG. Nach dem Studium seit vierzig<br />

Jahren ausschließlich mit der Entwicklung,<br />

der Planung und dem Bau <strong>von</strong><br />

Fahrleitungen <strong>für</strong> <strong>Bahnen</strong> beschäftigt.<br />

Adresse: Furrer+Frey AG, Thunstr. 35,<br />

3000 Bern 6, Schweiz;<br />

Fon: +41 31 35761-11; Fax: -00;<br />

E-Mail: bfurrer@furrerfrey.ch<br />

Dipl. El.-Ing. ETHZ Urs Wili (69).<br />

Studium an der Eidgenössischen Technischen<br />

Hochschule in Zürich, 1969<br />

Ingenieur bei der Brown, Boveri AG in<br />

Oerlikon, 1974 Ingenieur bei der Sektion<br />

Fahrleitungen des Kreises 2 der SBB<br />

in Luzern, Sektionschef Fahrleitungen<br />

und 1985 Chef der Abteilung elektrische<br />

Anlagen bei der Baudirektion SBB<br />

in Bern, 1999 Leiter Kundenbeziehungen<br />

bei Telecom SBB, seit 2000 Mitglied<br />

der Geschäftsleitung der Furrer+Frey<br />

AG, Bern.<br />

Adresse: wie oben;<br />

Fon; +41 31 35761-32, Fax: -05;<br />

E-Mail: ubwili@furrerfrey.ch<br />

112 (2014) Heft 8-9<br />

521


Contact Line Systems<br />

Reinforcement of corroded overhead<br />

contact line masts<br />

Alexandre Machet, Jean-Paul Mentel, Paris (FR); Stanislas Boulet d’Auria, Monaco (MC)<br />

Significant corrosion was detected on French Railway Network’s contact line supports. In order<br />

to restore and maintain the performance of those masts, SNCF and the 3X Engineering Company<br />

developed a method aiming at restoring the supports. This method combines metallic materials<br />

and composite reinforced resin. The contact line mast repair applying composite materials allows<br />

to regain their initial performance and to diminish the logistical efforts for reconstruction as well<br />

as the costs involved.<br />

SANIERUNG KORRODIERTER FAHRLEITUNGSMASTEN<br />

An Oberleitungstragwerken im französischen Eisenbahnnetz wurde bedeutende Korrosion entdeckt.<br />

Um <strong>die</strong> Korrosion auszugleichen und <strong>die</strong> Leistungsfähigkeit der betroffenen Masten wieder herzustellen,<br />

entwickelten SNCF und der Partner 3X Engineering Company eine Methode zur Wiederherstellung<br />

der Tragfähigkeit der Tragwerke. Diese Methode verwendet metallische Komponenten zusammen mit<br />

faserverstärkten Harzen. Mit <strong>die</strong>ser Methode wurde <strong>die</strong> ursprüngliche Tragfähigkeit der Masten wieder<br />

herstellt. Dabei sind <strong>die</strong> Aufwendungen <strong>für</strong> <strong>die</strong> Logistik im Zusammenhang mit der Wiederherstellung<br />

und <strong>die</strong> daraus resultierenden Kosten gegenüber früheren Methoden erh<strong>eb</strong>lich gemindert.<br />

RENFORCEMENT DE SUPPORTS CATÉNAIRE CORRODÉS<br />

Certains cas de corrosion importante ont été detectés sur des pieds de supports caténaire sur le<br />

Réseau Ferré National Français. Afin de garantir le maintien en performance de ces supports une<br />

méthode a été développée en partenariat entre la SNCF et l’entreprise 3X Engineering afin de renforcer<br />

les pieds de support. Cette méthode s’appuie sur une combinaison de matériaux métalliques<br />

et composites et de résines. La réparation des supports caténaire permet de retrouver les performances<br />

initiales et diminue les moyens et contraintes logistiques ainsi que les coûts associés.<br />

1 Introduction<br />

For many years, the SNCF has been facing a significant<br />

level of corrosion on their contact line masts<br />

in specific geographical areas. This corrosion may<br />

be caused by saline sprays. Without the intervention<br />

of strength maintenance crew, the corrosion<br />

would deteriorate the masts due to a diminution of<br />

its strength (Figure 1 and 2).<br />

In order to restore or maintain the mast’s mechanical<br />

performance, SNCF utilizes different technical<br />

solutions:<br />

• raising of the mast’s concrete foundation block<br />

• mechanical reinforcement of the mast by a<br />

welded mechanical assembly<br />

Although these solutions have proved efficient<br />

over the years, they continued to be inconvenient<br />

since they require works on the tracks affecting<br />

the train operation. These solutions have already<br />

been tested on the network. However, the Engineering<br />

Department management was not completely<br />

satisfied and wanted to develop a new reinforcement<br />

method concerning other materials<br />

and less effect on operation. Stu<strong>die</strong>s resulted in<br />

using of hybrid composite and metallic materials<br />

for the reinforcement.<br />

2 State of the art and<br />

developments<br />

The corroded masts are presently repaired by conventional<br />

methods applying welded mechanical assemblies<br />

or raising of the mast’s concrete foundation<br />

block. The effective implementation of these repairs<br />

is accompanied by severe inconveniences. The contact<br />

line masts are embedded in concrete and the<br />

effective load transfer needs a close mast/foundation<br />

unit. This type of close contact can only be achieved<br />

in the absence of rail traffic and requires significant<br />

logistics in order to supply the materials and tools<br />

onto the site. Sometimes, it is, therefore, preferable<br />

to replace the corroded mast in total because this<br />

procedure is economically favourable. After implementation,<br />

these reinforcement solutions need special<br />

treatment, monitoring and maintenance.<br />

522 112 (2014) Heft 8-9


Contact Line Systems<br />

Figure 1:<br />

Typical example of corroded mast in French network<br />

(photos 1, 2, 3, 5 and Figure 6: SNCF).<br />

Figure 2:<br />

Typical example of corroded mast in French network.<br />

This situation caused SNCF to look for an innovative<br />

solution that achieves the objectives of mechanical<br />

repair and restricts the logistical constraints.<br />

Commonly with an industrial partner a solution was<br />

achieved which relies on repairs by use of composite<br />

materials adopted so far to strengthen or repair<br />

structures such as concrete piers, bridges and steel<br />

pipelines. Such repairs are carried out also in very<br />

critical atmospheres and underwater, for example.<br />

These solutions use bandages by tissues usually<br />

made of Kevlar ® , impregnation by resin and added<br />

localised reinforcement which can be plastic fibers,<br />

glass or metallic fibers.<br />

Thanks to its expertise in engineering and implementation<br />

of composite materials SNCF’s partner 3X<br />

Engineering company offered a basic design for the<br />

restoration of the corrosion damaged contact line<br />

supports. The final reinforcement method was based<br />

on calculations by finite element programs taking<br />

into account ageing, fatigue of materials and vibrations<br />

and results of tests carried out in the SNCF testing<br />

centre.<br />

3X Engineering’s proposal which was developed<br />

further and patented by SNCF combines materials<br />

and technologies to an optimum solution concerning<br />

quality and costs (Figure 3).<br />

The result of the development is a method to carry<br />

out reinforcements by portable equipment without<br />

any interruption of railway traffic and by working<br />

during the railway traffic.<br />

Figure 3:<br />

Conventional mast reinforcement.<br />

The main components of the restoration method are<br />

• metallic inserts to get back the rigidity,<br />

• specials mastics to block corrosion and absorb<br />

the vibrations and<br />

112 (2014) Heft 8-9<br />

523


Contact Line Systems<br />

• a composite material bandage which fixes the<br />

inserts, produces the bending strength of the<br />

contact line mast and homogenises the reinforcing<br />

unit. Most of the stress on the base of the<br />

contact line mast is thus retrieved by the inserts.<br />

In addition, a Neoprene coating protects the unit<br />

against UV and possible impacts by the ballasts.<br />

3 Numerical simulations<br />

Figure 4a:<br />

Numerical stress analysis of a new H-type mast<br />

(photos 4, 7, 8, 9: 3XEngineering).<br />

Figure 4b:<br />

Numerical stress analysis of a corroded H-type mast.<br />

The reinforcement method was analysed by simulation<br />

with finite elements. For the simulation a worst-case<br />

scenario was assumed characterized by a gust wind<br />

of 150 km/h and the dead weight of the mast. Corrosion<br />

with a loss of 70 % of the initial material thickness<br />

was also simulated in the study. In anticipation of the<br />

ageing of the repairs, a partial factor of 2 was applied<br />

with 150 km/h wind speed and a factor of 2,7 with a<br />

112 km/h wind speed. These assumptions are in total<br />

compliance with French standards in force. The stresses<br />

were calculated at 0,20 m above the foundation top.<br />

Simulations with these conditions were applied<br />

for several cases:<br />

• The initial state of the mast was simulated on an<br />

HEA mast with 70 % loss of thickness due to corrosion<br />

at the base.<br />

• The same HEA mast reinforced by the composite<br />

ReinforceKiT HEA.<br />

The obtained results (Figure 3) permit to obtain the<br />

maximal stress at the mast under this load in different<br />

cases. The simulated stresses of masts at 200 mm<br />

above the top of foundation are given in Table 1.<br />

This study demonstrated the importance of the repairs,<br />

both for the dimensions of the metal inserts, but<br />

also for the number of composite coats. It was found<br />

that a mast reinforced by the so-called HEA ReinforceKiT<br />

also exceeds the original strength of the mast.<br />

The minimal yield strength of new HEA masts is<br />

235 MPa and the reliability coefficient is 1,2 at 150 km/h<br />

wind speed and increases to 1,7 with a 112 km/h wind.<br />

In case of the corroded HEA, there is a huge risk of a<br />

support failure under the assumed wind speeds.<br />

In the case of the reinforced HEA, the reliability<br />

coefficient will be 2 with a 150 km/h wind and<br />

2,7 with a 112 km/h wind. The maximum stress of<br />

215 MPa is due to an abrupt section variation. These<br />

stresses are reduced by progressively varying section<br />

during the implementation of the reinforcement.<br />

Figure 4c:<br />

Numerical stress analysis of a reinforced H-type mast.<br />

TABLE 1<br />

Numerically estimated maximum stress in MPA of<br />

various H-type masts in site foot.<br />

New mast Used mast Reinforced mast<br />

Stress 174 to 195 389 to 437 96 to 120<br />

524 112 (2014) Heft 8-9


Contact Line Systems<br />

From the Table 1 and the comparative simulations<br />

presented in Figure 4a) to c), it is clear that the reinforcement<br />

will consolidate the basis of HEA masts significantly<br />

beyond its initial mechanical values in respect of maximum<br />

corrosion at 200 mm above the top of foundation.<br />

The ageing of this reinforcement was also stu<strong>die</strong>d<br />

and led to the following conclusions:<br />

Since the 1960’s, the experiments on composite materials<br />

proved the reliability and durability of these materials.<br />

The expansion of using these materials in many<br />

fields of civil engineering confirms this fact. Today, after<br />

20 years of experiment, after several installations in critical<br />

environments such as North Sea, deserts, submerged<br />

or buried in damp ground on different types of supports,<br />

3X Engineering never has got any negative return of the<br />

ReinforceKIT ® . The assumed degradations of the components<br />

by environmental impacts are detailed in Table 2.<br />

The technical assessment allows being optimistic<br />

about the longevity of repaired masts, especially as the<br />

composite part of the ReinforceKiT 4D-HEA is the least<br />

attacked. This reinforcement method guarantees the<br />

durability of the installations while avoiding the efforts<br />

for huge and tedious construction sites. The biggest<br />

part of the mechanical loading is absorbed by the metallic<br />

inserts. A preventive application of the product<br />

anti-UV and anti-impact components is planned.<br />

TABLE 2<br />

Frequency of environmental attack possibility on the components of the<br />

ReinforceKIT ® .<br />

Attack type<br />

UV Humidity Stress Chemical Impact<br />

Insert No No More than<br />

50 years<br />

Composite<br />

No, because<br />

protected<br />

No, because<br />

protected<br />

4 In situ mechanical tests<br />

More than<br />

20 years<br />

Coating 5 years 5 years No No 5 years<br />

Some tests were carried out as a part of the validation<br />

of the reinforcement process mast sections.<br />

Thus, masts were errected on SNCF testing station.<br />

The tests involved estimating the mast reaction under<br />

mechanical loads applied at the mast head (Figure<br />

5a)). The tested masts were:<br />

• one new mast<br />

• two weakened and reinforced masts<br />

• one weakened but non-reinforced mast.<br />

No<br />

No<br />

No<br />

Verified in situ<br />

Figure 5a:<br />

Testing of a reinforced H-type mast.<br />

112 (2014) Heft 8-9<br />

Figure 5b:<br />

Performance of the reinforced part of H-type mast after testing.<br />

525


Contact Line Systems<br />

16 000<br />

daN.m<br />

14 000<br />

12 000<br />

10 000<br />

8 000<br />

M<br />

6 000<br />

4 000<br />

2 000<br />

Figure 6:<br />

Bending moment M depending on angle α.<br />

1 new mast<br />

2 used and corroded mast<br />

4<br />

13 000<br />

3<br />

12 000<br />

11 000<br />

7 300<br />

0<br />

0 1 2 3 ° 4<br />

α<br />

1<br />

3 reinforced mast type 1<br />

4 reinforced mast type 2<br />

2<br />

Critical moment (daN.m)<br />

The supports were artificially weakened by grinding.<br />

These results (Figure 6) clearly state reproducibly<br />

that the reinforced masts’ performance is clearly better<br />

than that of the weakened mast. Moreover, it is<br />

better than the performance of new masts.<br />

The mechanical tests demonstrated that the mast<br />

mechanical reinforcement by composite materials<br />

comply with the requirements on new supports.<br />

The performance of the reinforced mast is simply explained<br />

by the fact that the mast reinforcement appears<br />

as a displacement of the embedment area, and<br />

thus reduces the effective length of the HEA beam.<br />

5 Implementation on the<br />

National Railway Network<br />

The implementing process on the National Railway<br />

Network will be carried out in several steps:<br />

• Step 1: Preparation of the mast’s surface by<br />

shot-blasting with a minimum roughness profile<br />

of 60 µm in order to ensure the adhesion of the<br />

reinforcement on the mast and the emerging<br />

part of the concrete. It is realised by sandblasting<br />

or grit blasting tool (Figure 7a)).<br />

• Step 2: Re-aggregation of the cankers due to corrosion<br />

by application of an epoxide mastic. This<br />

mastic ensures the transmission of contact line<br />

mast’s stresses to the inserts constituting the reinforcement<br />

(Figure 7b) and c)). The mastic’s role is<br />

also to ensure the cold welding of the four inserts.<br />

• Step 3: Implementation of the four inserts. Size and<br />

nature of the chosen materials are related to their<br />

mechanical and physical characteristics (Figure 7d)).<br />

––<br />

The unit of blocks and slabs is maintained<br />

thanks to straps during the time of polymerization<br />

of the mastic in order to avoid any risk of<br />

gap or detachment of the inserts (Figure 7e)).<br />

––<br />

The resin is applied on the emerging part of<br />

the mast with a particular attention given to<br />

the mast embedment part (Figure 7f)).<br />

Figure 7a:<br />

Preparaton of mast surface (step 1).<br />

Figure 7b:<br />

Mast pepared for repair (step 2).<br />

526 112 (2014) Heft 8-9


Contact Line Systems<br />

Figure 7c:<br />

Preparation of inserts (step 2).<br />

Figure 7d:<br />

Reparation of inserts (step 3).<br />

Figure 7e:<br />

Polymerization of the mastic (step 3).<br />

Figure 7f:<br />

Application of resin (step 3).<br />

112 (2014) Heft 8-9<br />

527


Contact Line Systems<br />

Figure 7g:<br />

Wrapping the Kevlar ® strip on the repaired mast (step 4).<br />

Figure 7h:<br />

Repaired mast (step 5).<br />

Figure 8:<br />

Restored mast on the Narbonne to Port Leucate railway line in the<br />

Aude.<br />

Figure 9:<br />

Preliminary study on restoration of a corroded mast made of<br />

CORTEN steel to select the most appropriated resin.<br />

528 112 (2014) Heft 8-9


Contact Line Systems<br />

• Step 4: Wrapping of the whole repair with a<br />

Kevlar ® strip soaked in an epoxide resin.<br />

––<br />

Several coats are made; the wrapping is<br />

carried out from the base to the top with a<br />

constant covering of about 50 % (Figure 7g)).<br />

––<br />

The top zone of inserts is machined with a<br />

slope in order to present an angled top face<br />

to avoid any risk of stagnant water.<br />

• Step 5: Application of an elastomeric resin which<br />

guarantees a protection against UV and other<br />

impacts (Figure 7h)).<br />

This new mast rehabilitation procedure has notable<br />

economic advantages:<br />

• It avoids the cessation of railway traffic.<br />

• It avoids dismantling the existing masts.<br />

• It avoids purchasing of a new mast.<br />

• It avoids the implementation of an extended<br />

construction site<br />

• It limits the logistical efforts.<br />

• It can be quickly carried out if urgent.<br />

Today, this reparation method is approved by the<br />

SNCF for H-type masts. It is envisaged to extend this<br />

repair method to other types of supports.<br />

The 3X Engineering company already started several<br />

campaigns on this type of reinforcements on the<br />

French National Railway Network. The Narbonne to<br />

Port Leucate railway line in the Aude was the subject<br />

of two campaigns in 2011 and 2013 in order to treat<br />

several hundreds of masts on two tracks (Figure 8).<br />

A new campaign is being prepared and will concern<br />

the contact line masts of the line Miramas to<br />

Avignon. The 54 masts concerned by this campaign<br />

were realised in CORTEN type steel.<br />

A preliminary analysis of the supports (Figure 9)<br />

allowed to prepare the masts and to select the most<br />

appropriated resin. The implementation is scheduled<br />

for September 2014.<br />

AUTHORS<br />

Alexandre Machet (39), Materials<br />

and metallurgy PhD, Pierre et Marie<br />

Curie University of Paris (Paris VI).<br />

R&D Engineer in charge of technical<br />

developments in Overhead Contact<br />

Line components and systems. Since<br />

2014, manager of OCL Simulations,<br />

R&D, Measurements and Expertises<br />

unit within SNCF Fixed Installation for<br />

Electrical Traction Department.<br />

Address: SNCF Infrastructure Engineering<br />

Division, Fixed Installations for<br />

Electrical Traction – Power Supply and<br />

Overhead Contact Systems Units, 6<br />

Avenue François Mitterrand, 93574 La<br />

Plaine Saint Denis, France;<br />

phone:+33 1 41620578 ;<br />

e-mail: alexandre.machet@sncf.fr<br />

Jean-Paul Mentel (57), Mecanical and<br />

Electrotechnical Engineer. Expert SNCF<br />

in Overhead Contact System. Design<br />

manager of OCS, maintenance infrastructure<br />

manager (OCS, power supply,<br />

track, signaling...). Since 2010, deputy<br />

of the SNCF Fixed Installations for Electric<br />

Traction Department and in charge<br />

of FIET research and development.<br />

Address: see above;<br />

phone: +33 1 416206.59;<br />

e-mail :jean-paul.mentel@sncf.fr<br />

Stanislas Boulet d’Auria (57), Engineer<br />

ESTACA (1980). R&D Engineer in charge<br />

of technical developments in INNOGE<br />

(Electrofusion sleeve for PE Pipe), Commercial<br />

manager in MIP (mold maker),<br />

CEO Empreinte (Specialist design, conception,<br />

mold and injection for plastics parts.<br />

Since 1990 CEO 3X Engineering.<br />

Address: 3X Engineering, 9 Avenue<br />

Albert II, 98000 Monaco, Monaco;<br />

phone: +377 92 057981 ;<br />

e-mail: sbda@3xeng.com<br />

Anzeige


Erdung und Rückleitung<br />

Automatische Erdungseinrichtung mit<br />

Typenzulassung in der Schweiz<br />

Ingolf Zielinski, Offenbach; Mike Schweller, Bern (CH)<br />

Bei Interventionen in elektrifizierten Eisenbahntunneln müssen <strong>die</strong> Rettungskräfte sicher sein, dass in<br />

ihrem Einsatzbereich <strong>die</strong> Oberleitungen abgeschaltet und geerdet sind. Außerdem müssen sie <strong>die</strong> Grenzen<br />

<strong>die</strong>ses Bereiches erkennen können, besonders wenn er nicht den ganzen Tunnel umfasst. Gemäß<br />

Anforderungen der SBB wurde eine fernbe<strong>die</strong>nbare Erdungseinrichtung entwickelt, <strong>die</strong> <strong>von</strong> der Aufsichtsbehörde<br />

<strong>die</strong> Typenzulassung bekommen hat und in einem neuen Tunnel in Zürich eing<strong>eb</strong>aut ist.<br />

AUTOMATIC EARTHING DEVICE WITH TYPE APPROVAL IN SWITZERLAND<br />

In emergency cases inside electrified railway tunnels the rescue crews must be sure that in their<br />

operational area catenaries will be cut off and earthed. Furthermore, they must be able to identify<br />

limits of this area especially if this does not enclose the complete tunnel. According to SBB requirements<br />

a remote controlled earthing device has been developed which has been approved by the<br />

supervisory board and is installed in a new tunnel at Zurich.<br />

DISPOSITIF DE MISE À LA TERRE AUTOMATIQUE AVEC HOMOLOGATION EN SUISSE<br />

Lors d’interventions dans les tunnels de lignes électrifiées, les équipes de sauvetage doivent être<br />

assurées que les caténaires sont hors circuit et mises à la terre dans le secteur d’intervention. En<br />

outre, elles doivent être en mesure de reconnaître les limites de ce secteur, notamment quand il<br />

n’englobe pas la totalité du tunnel. Conformément aux exigences des CFF, un dispositif de mise à la<br />

terre télécommandé a été mis au point et installé dans un nouveau tunnel à Zurich après homologation<br />

par l’autorité de surveillance.<br />

1 Einführung<br />

Die <strong>von</strong> Balfour Beatty Rail entwickelte Automatische<br />

Erdungseinrichtung (AEE) erdet auf eine einzige Befehlseingabe<br />

<strong>die</strong> Oberleitungen eines Eisenbahntunnels,<br />

sei es durchgehend oder abschnittsweise, in automatischem<br />

Ablauf. Sie schafft damit schneller sichere<br />

Bereiche <strong>für</strong> <strong>die</strong> Interventionskräfte als aufzurufendes<br />

Personal <strong>die</strong>s kann. Dazu übernimmt sie <strong>die</strong> letzten<br />

drei Schritte gemäß den fünf elektrotechnischen<br />

Sicherheitsregeln in der schweizerischen Fassung:<br />

• freischalten und allseitig trennen<br />

• gegen Wiedereinschalten sichern<br />

• auf Spannungslosigkeit prüfen<br />

• erden und kurzschließen<br />

• gegen benachbarte, unter Spannung stehende<br />

Teile schützen<br />

Die beiden ersten Schritte führt im Normalfall <strong>die</strong><br />

regionale Fahrstrom-Leitstelle (FSL) mittels der übergeordneten<br />

Leittechnik aus.<br />

In zweigleisigen Tunneln wird der Interventionsbereich<br />

immer über beiden Gleise gesichert.<br />

2 Grundlagen<br />

Bild 1:<br />

Erdungsschnellschalter FES 15-40-1B in Stellung aus (rechts), Antri<strong>eb</strong>skasten (links),<br />

Verbindung mit Flexball-Zug (grün) (Fotos: Driescher).<br />

Grundlagen <strong>für</strong> <strong>die</strong> Entwicklung und Zulassung der<br />

AEE waren hauptsächlich:<br />

• Lastenheft [1] (siehe Kasten)<br />

• TSI Safety in Railway Tunnels (SRT) [2]<br />

• Ausführungsbestimmungen zur Eisenbahnverordnung<br />

[3]<br />

• Richtlinie Typenzulassung <strong>für</strong> Elemente <strong>von</strong> Eisenbahnanlagen<br />

[4]<br />

530 112 (2014) Heft 8-9


Erdung und Rückleitung<br />

TABELLE 1<br />

Merkmale <strong>von</strong> AEE (CH), OLSP (DE) und OLSIG (AT).<br />

AEE SBB OLSP DB OLSIG ÖBB<br />

Erdung einleiten <strong>von</strong> der Leitstelle 1 oder vor Ort <strong>von</strong> der Leitstelle 1 oder vor Ort <strong>von</strong> der Leitstelle 1 oder vor Ort<br />

Erdung bei Spannungführender<br />

Oberleitung einleiten<br />

Entriegelt über speziellen Schlüsselschalter<br />

Enterdung verriegeln nein in der Leitstelle vor Ort mit speziellem Schlüsselschalter<br />

Erdung aufh<strong>eb</strong>en (Enterdung) nur vor Ort mit Schlüssel <strong>von</strong> der Leitstelle <strong>von</strong> der Leitstelle<br />

Erdungsschalter einschalt- und kurzschlussfest kurzschlussfest kurzschlussfest<br />

Spannungsfreiheit erkennen<br />

Spannungswandler, alternativ<br />

Stellung der speisenden Oberleitungsschalter<br />

nein<br />

Spannungswandler<br />

Anzeige der Arbeitsgrenze 2 LED-Signaltafel mit Blitz-Symbol ortfestes Schild mechanisch abgedeckt<br />

Anzeige des geerdeten Oberleitungsbereichs<br />

LED-Signaltafel mit Erde-Symbol keine keine<br />

2<br />

Hinweis am Rettungszugang 3<br />

grüne Anzeige am Steuer- und Anzeigetableau<br />

und optional beleuchtetes<br />

Hinweisschild „Oberleitung<br />

ausgeschaltet und geerdet“<br />

1<br />

SBB: Fahrstrom-Leitstelle (FSL), DB: Zentralschaltstelle (Zes), ÖBB: Energieleitstelle (ELS)<br />

2<br />

Blickrichtung Gleis<br />

3<br />

nicht am Gleis<br />

grüne Anzeige am Steuer- und<br />

Anzeigetableau<br />

nein<br />

Spannungswandler<br />

ortsfestes Schild<br />

gelbe und grüne Anzeige am Steuer-<br />

und Anzeigetableau<br />

Dabei wurde zu [4] bereits <strong>die</strong> zu erwartende Revisionsausgabe<br />

2014 berücksichtigt.<br />

Tabelle 1 vergleicht <strong>die</strong> Hauptmerkmale der AEE<br />

mit denen der entsprechenden Anlagen OLSP bei<br />

der DB und OLSIG bei der ÖBB [5].<br />

3 Technische Realisierung<br />

3.1 Technik und Funktionen<br />

Zur Primärtechnik gehören alle Komponenten. <strong>die</strong><br />

elektrisch mit der Oberleitung verbunden sind oder<br />

verbunden werden können, im Wesentlichen Spannungswandler<br />

und Erdungsschalter.<br />

Zum Erfassen der Oberleitungsspannung <strong>die</strong>nen<br />

Spannungswandler mit 110 V Nenn-Sekundärspannung.<br />

Als einschalt- und kurzschlussfester Erdungsschalter<br />

existiert bisher nur der Erdungsschnellschalter (Fast<br />

Earthing Switch) FES 15-40-1B, welcher <strong>die</strong> geforderten<br />

40 kA Kurzschlussstromstärke <strong>für</strong> 100 ms führen kann<br />

und 100 kA Kurzschlusseinschaltvermögen bei 15 kV<br />

Nennspannung erfüllt. Die Verbindung zwischen elektrischem<br />

Motorantri<strong>eb</strong> und Erdungsschalter wird im Tunnel<br />

vorzugsweise als System Flexball ausgeführt (Bild 1).<br />

Die Sekundärtechnik der AEE besteht aus Stationen<br />

(remote terminal unit, RTU) mit Steuer- und Anzeigetableau<br />

(Bild 2), und zwar<br />

• RTU-FL bei den beiderseitigen Tunnelenden und<br />

• RTU-BS an allen zwischenörtlichen Rettungszugängen.<br />

Dabei steht FL <strong>für</strong> Fahrleitung, meistens Oberleitung<br />

oder Deckenstromschiene, und BS <strong>für</strong> Be<strong>die</strong>nstation.<br />

Alle Stationen sind über ein Glasfaserkabelnetz verbunden,<br />

kommunizieren mit dem Protokoll IEC 60870-<br />

5-104 und zeigen stets alle denselben Zustand an.<br />

Mit der Primärtechnik sind nur <strong>die</strong> RTU-FL verbunden.<br />

Sie erfassen und verarbeiten dabei kontinuierlich<br />

<strong>die</strong> Oberleitungsspannung oder alternativ<br />

<strong>die</strong> Stellung der Trennschalter zu den angrenzenden<br />

Oberleitungen sowie der Erdungsschalter, steuern<br />

<strong>die</strong>se und übertragen den Schaltzustand an alle anderen<br />

Stationen.<br />

Die Trennschalter zu den angrenzenden Oberleitungen<br />

und an eventuellen Längstrennungen im<br />

Tunnel werden <strong>von</strong> der FSL gesteuert, und <strong>die</strong> Fernwirkstationen<br />

da<strong>für</strong> gehören nicht zur AEE. Eine der<br />

RTU-FL kommuniziert mit der FSL.<br />

3.2 Be<strong>die</strong>nung<br />

Die Be<strong>die</strong>ntableaus <strong>von</strong> RTU-FL und RTU-BS haben<br />

folgende Funktionen (Bild 3):<br />

Solange <strong>die</strong> Oberleitung Spannung führt, sind<br />

alle Anzeigen dunkel und zeigen damit an, dass im<br />

Normalfall kein Erdungsvorgang eingeleitet werden<br />

kann. Dies ist erst in spannungslosem Zustand möglich,<br />

und zwar sowohl <strong>von</strong> der FSL per Fernsteuerbefehl<br />

an <strong>die</strong> AEE als auch an jedem Tableau am oder<br />

im Tunnel durch Betätigen des roten Drucktasters.<br />

Bei spannungsloser Oberleitung leuchten oben<br />

links rote Anzeigen dauernd, während des Erdungs-<br />

112 (2014) Heft 8-9<br />

531


Erdung und Rückleitung<br />

FSL<br />

Kommunikations-Protokoll<br />

IEC 60870-5-104<br />

AEE<br />

Signalltafel zweiseitig<br />

Blitzpfeil: Verlassen des<br />

Rettungsbereichs<br />

Kommunikations-Netzwerk im Tunnel<br />

(optischer Ring)<br />

Erdungssymbol: Betreten<br />

des Rettungsbereichs<br />

RTU-FL<br />

Optional<br />

(nur Stellungsmeldung)<br />

RTU-BS<br />

1…n<br />

RTU-FL<br />

Optional<br />

(nur Stellungsmeldung)<br />

M<br />

M<br />

Steuer- und<br />

Anzeigetableau<br />

M<br />

M<br />

M<br />

M<br />

M<br />

M<br />

FSL<br />

Sicherer Bereich<br />

FSL<br />

Bild 2:<br />

Prinzipielle Konfiguration Automatische Erdungseinrichtung (AEE) (Bilder 2 bis 5 und 7: Balfour Beatty Rail).<br />

Bei Längsunterteilungen der Oberleitung, <strong>die</strong> <strong>von</strong><br />

TSI bei über 5 km langen Tunneln vorgeschri<strong>eb</strong>en<br />

sind, werden <strong>die</strong> Abläufe projektbezogen gestaltet.<br />

3.3 Anzeigen<br />

Bild 3:<br />

AEE-Steuer- und Anzeigetableau.<br />

vorgangs blinken sie, und grüne Anzeigen oben rechts<br />

signalisieren <strong>die</strong> beidseitig geerdete Oberleitung.<br />

Anders als in Deutschland und Österreich lässt<br />

sich mit der AEE der Erdungsvorgang auch bei Spannung<br />

führender Oberleitung starten, zum Beispiel<br />

im Notfall. Dazu müssen dann gleichzeitig Schlüsselschalter<br />

und Drucktaster betätigt werden.<br />

Die AEE steuert und überwacht auch das Enterden,<br />

der Befehl da<strong>für</strong> kommt aber <strong>von</strong> einem externen, vom<br />

Betreiber einzurichtenden und zu sichernden Gerät.<br />

Ein per AEE geerdeter Oberleitungsbereich wird mit<br />

paarigen so genannten Signaltafeln angezeigt, <strong>die</strong><br />

mit den Rückseiten dicht gegeneinander montiert<br />

werden und jeweils in Blickrichtung den Anfang des<br />

Bereichs mit dem Erde-Symbol und seine Grenze mit<br />

dem Blitz-Symbol aus LED anzeigen (Bild 4).<br />

Diese Signaltafeln müssen in örtlich festzulegendem<br />

Abstand zu Spannung führenden Teilen<br />

angrenzender Oberleitungen ang<strong>eb</strong>racht werden,<br />

zweckmäßig nahe bei den Erdungsschaltern.<br />

Über seitlichen Rettungszugängen, an denen sich<br />

<strong>die</strong> RTU-BS befinden, können optional Leuchtschriften<br />

auf <strong>die</strong> geerdete Oberleitung hinweisen (Bild 5).<br />

4 Typenzulassung<br />

4.1 Rechtliche Grundlagen<br />

Das schweizerische Eisenbahnrecht besteht aus dem<br />

Eisenbahngesetz, der Eisenbahnverordnung und den<br />

Ausführungsbestimmungen zu letzterer [6]; zudem<br />

können weitere Vorschriften relevant sein (Tabelle 2).<br />

532 112 (2014) Heft 8-9


Erdung und Rückleitung<br />

Nach EBG erteilt das Bundesamt <strong>für</strong> Verkehr (BAV)<br />

eine Typenzulassung (TZ) <strong>für</strong> Fahrzeuge, Elemente<br />

<strong>von</strong> Fahrzeugen sowie <strong>für</strong> Elemente <strong>von</strong> Eisenbahnanlagen,<br />

<strong>die</strong> in gleicher Weise und Funktion verwendet<br />

werden sollen, wenn der Antragsteller den<br />

Sicherheitsnachweis erbracht hat und das Vorhaben<br />

den Vorschriften entspricht.<br />

Nach EBV kann ein solcher Antrag gestellt werden,<br />

sofern <strong>die</strong> TZ geeignet ist, Verfahren zu vereinfachen.<br />

Soweit der Antragsteller im Rahmen eines Plangenehmigungs-<br />

oder Betri<strong>eb</strong>sbewilligungsverfahrens <strong>für</strong><br />

den Bewilligungsgegenstand oder Teile da<strong>von</strong> eine<br />

oder mehrere TZ hat und <strong>die</strong> Konformität mit dem<br />

Typ erklärt, geht das BAV da<strong>von</strong> aus, dass der typenzugelassene<br />

Teil des Bewilligungsgegenstands den<br />

zum Zeitpunkt der TZ-Erteilung geltenden Vorschriften<br />

entspricht. Der Antragsteller muss jedoch darlegen,<br />

dass <strong>die</strong> TZ auf den vorgesehenen Betri<strong>eb</strong> und<br />

dessen Einsatzbedingungen anwendbar ist.<br />

Bild 4:<br />

Einbausituation Weinbergtunnel DML Zürich.<br />

1 Erdungsschnellschalter in Stellung aus<br />

2 Flexball-Zug<br />

3 Schalterstellungs-Meldeleitung<br />

4 LED-Signaltafeln (in Blickrichtung <strong>für</strong> Erde-Symbol)<br />

4.2 Einsatz eines Produkts im schweizerischen<br />

Eisenbahnnetz<br />

Für den Einsatz eines Produktes im schweizerischen<br />

Eisenbahnnetz gibt es mehrere Wege (Bild 6).<br />

Bei Variante A wird im Plangenehmigungsverfahren<br />

(PGV) bewertet und festgestellt, ob das Produkt konform<br />

mit den hoheitlichen Vorschriften in das Projekt integriert<br />

ist. Sie eignet sich <strong>für</strong> nur selten eingesetzte Produkte.<br />

Allerdings ist dann <strong>die</strong> Konformität in jedem PGV<br />

erneut zu prüfen, was dessen Durchlaufzeit verlängert.<br />

Wenn das Produkt unter gleichen Anwendungsbedingungen<br />

mehrfach eingesetzt werden soll,<br />

empfiehlt sich Variante B. Hierbei wird seine Vorschriftenkonformität<br />

unter definierten Anwendungsbedingungen<br />

einmal geprüft, und in den nachfolgenden<br />

PGV deklariert der Antragsteller <strong>die</strong> Konformität<br />

mit dem zugelassenen Typ. Das BAV prüft dann nur,<br />

ob <strong>die</strong> in der TZ festgelegten Anwendungsbedingungen<br />

zu den Projektanforderungen passen.<br />

Bild 5:<br />

Hinweis über seitlichem Rettungszugang.<br />

Bei Variante C wird <strong>die</strong> TZ im Nachgang zu einem<br />

PGV erwirkt.<br />

4.3 Typenzulassung oder Bewilligung zur<br />

Betri<strong>eb</strong>serprobung<br />

Wenn der Antragsteller nachweist, dass der Zulassungsgegenstand<br />

unter den beantragten Anwendungsbedingungen<br />

bereits eingesetzt wurde und<br />

somit Betri<strong>eb</strong>serfahrungen vorliegen, erteilt das BAV<br />

nach erfolgreicher Prüfung eine TZ. Liegen derartige<br />

Nachweise nicht vor, kann das BAV vor der Erteilung<br />

TABELLE 2<br />

Rechtsgrundlagen <strong>für</strong> Typenzulassung in Schweizer Eisenbahnwesen.<br />

Langtitel Kurztitel, Abkürzung SR-Nummer 1<br />

Eisenbahnrecht<br />

Eisenbahngesetz<br />

Verordnung über den Bau und Betri<strong>eb</strong> der Eisenbahnen<br />

Ausführungsbestimmungen zur Eisenbahnverordnung<br />

Elektrizitätsrecht<br />

Bundesgesetz betreffend <strong>die</strong> elektrischen Schwach- und Starkstromanlagen<br />

Vorordnung über elektrische Starkstromanlagen<br />

Vorordnung über elektrische Leitungen<br />

Umweltrecht<br />

Bundesgesetz über den Umweltschutz<br />

Gewässerschutzverordnung<br />

Verordnung über den Schutz vor nichtionisierender Strahlung<br />

EBG<br />

Eisenbahnverordnung, EBV<br />

AB-EBV<br />

Elektrizitätsgesetz, EleG<br />

Starkstromverordnung<br />

Leitungsverordnung, LeV<br />

1<br />

Systematische Sammlung des Bundesrechts der Schweiz (Systematische Rechtssammlung)<br />

Umweltschutzgesetz, USG<br />

GSchV<br />

NISV<br />

742.101<br />

742.141.1<br />

742.141.11<br />

734.0<br />

734.2<br />

734..31<br />

814.01<br />

814.201<br />

814.710<br />

112 (2014) Heft 8-9<br />

533


Erdung und Rückleitung<br />

A<br />

Plangenehmigungsverfahren (PGV)<br />

→ Vorschriftskonformität der Planung feststellen<br />

→ Einsatzeignung <strong>von</strong> Produkten entsprechend den<br />

aktuellen Projekt(haupt)anforderungen feststellen<br />

B<br />

Typenzulassung (TZ)<br />

→ Anwendungsbedingung<br />

PGV Projekt A<br />

→ (Haupt-) Anforderungen<br />

PGV Projekt B<br />

→ (Haupt-) Anforderungen<br />

C<br />

Typenzulassung (TZ)<br />

PGV Projekt n<br />

→ (Haupt-) Anforderungen, Vorschrifteneinhaltung<br />

Bild 6:<br />

Zulassungsverfahren (Grafik: BAV).<br />

TABELLE 3<br />

der eigentlichen TZ eine Bewilligung zur Betri<strong>eb</strong>serprobung<br />

verfügen. Hierbei soll aufgezeigt werden,<br />

• dass das Objekt <strong>die</strong> Anforderungen in der Praxis<br />

erfüllt,<br />

• dass im realen Betri<strong>eb</strong> keine Ereignisse auftreten,<br />

welche <strong>die</strong> Zuverlässigkeits- und Sicherheitsziele<br />

in Frage stellen,<br />

• dass <strong>die</strong> Anforderungen der Anwender erfüllt<br />

werden und<br />

• wie weit noch <strong>die</strong> Anwenderdokumente aufgearbeitet<br />

werden müssen.<br />

Unterlagen zum Antrag auf Typenzulassung.<br />

Zulassungskonzept<br />

Sicherheitsnachweisführung<br />

Lastenheft SBB<br />

Gefahrenanalyse<br />

Komponentenliste<br />

Fehlermöglichkeits- und einflussanalyse (FMEA), Fehlerbaumanalyse (FTA)<br />

Prozessbeschreibung und technische Beschreibung<br />

Instandhaltungsanleitung, Be<strong>die</strong>nungsanleitung<br />

Sachverständigenvali<strong>die</strong>rungsbericht<br />

Sachverständigenkonzeptgutachten<br />

Der Antragsteller muss dazu einen Erprobungsort<br />

auswählen, <strong>die</strong> Einwilligung und Mitarbeit des Betreibers<br />

einholen und <strong>die</strong> Betri<strong>eb</strong>serprobung im Rahmen<br />

der erteilten Bewilligung verantwortlich durchführen.<br />

Diese Bewilligung entbindet nicht <strong>von</strong> der Plangenehmigungs-<br />

oder Betri<strong>eb</strong>sbewilligungspflicht.<br />

Nach Abschluss der Betri<strong>eb</strong>serprobung reicht<br />

der Antragsteller dem BAV einen Bericht mit allen<br />

<strong>für</strong> <strong>die</strong> Beurteilung erforderlichen Inhalten und geg<strong>eb</strong>enenfalls<br />

bereinigte Nachweis- und Anwenderdokumente<br />

ein. Nach erfolgreicher Prüfung erteilt<br />

das BAV <strong>die</strong> TZ [4].<br />

4.4 Typenzulassung der AEE<br />

Im Mai 2012 hatten <strong>die</strong> deutsche Balfour Beatty Rail<br />

GmbH und <strong>die</strong> schweizerische Kummler+Matter beim<br />

BAV <strong>die</strong> TZ einer automatischen Erdungseinrichtung<br />

beantragt. Mit geplanten Anwendungen im Gotthard-Basistunnel<br />

(GBT) und bei der Durchmesserlinie<br />

(DML) Zürich war der Sachverhalt der Mehrfachanwendung<br />

und somit <strong>die</strong> Grundvoraussetzung <strong>für</strong><br />

eine TZ geg<strong>eb</strong>en. Zur Beschreibung des Antragsgegenstandes<br />

und als Sicherheitsnachweise <strong>die</strong>nten <strong>die</strong><br />

in Tabelle 3 genannten Unterlagen.<br />

Die Beurteilung stützte sich hauptsächlich auf <strong>die</strong><br />

EBV und <strong>die</strong> AB-EBV. Als anerkannte Regeln der Technik<br />

wurden zahlreiche deutsche, schweizerische, europäische<br />

und internationale Normen und Richtlinien sowie<br />

harmonisierte Dokumente herangezogen. Ferner wurde<br />

eine bestehende TZ des Eisenbahn-Bundesamtes<br />

(EBA) <strong>für</strong> <strong>die</strong> OLSP in Deutschland berücksichtigt.<br />

Die Prüfung des BAV bezüglich der Anwendungsbedingungen<br />

konzentrierte sich in erster Linie auf <strong>die</strong><br />

gesetzlichen und normativen Vorschriften und stützte<br />

sich auf <strong>die</strong> vorliegenden Sachverständigenberichte.<br />

Dabei wurde im Rahmen einer risikoorientierten,<br />

stichprobenartigen Prüfung festgestellt, dass der Antragsgegenstand<br />

den hoheitlichen Anforderungen<br />

unter Berücksichtigung <strong>von</strong> zu erteilenden Auflagen<br />

nicht widerspricht. Die TZ wurde somit erteilt.<br />

534 112 (2014) Heft 8-9


Erdung und Rückleitung<br />

Auf <strong>die</strong> Durchführung einer Betri<strong>eb</strong>serprobung im<br />

schweizerischen Eisenbahnnetz verzichtete das BAV<br />

aus folgenden Gründen:<br />

• Das Grundprinzip <strong>die</strong>ser Erdungseinrichtung<br />

wurde bereits bei anderen Produkten des Herstellers<br />

angewendet und vom EBA in Deutschland<br />

zugelassen.<br />

• Systeme, <strong>die</strong> nach <strong>die</strong>sem Grundprinzip arbeiten, sind<br />

bereits bei der DB und der ÖBB erfolgreich im Einsatz.<br />

• Eine Betri<strong>eb</strong>serprobung im eigentlichen Sinn ist<br />

nicht zielführend, weil das System nur im Ereignisfall<br />

aktiviert wird.<br />

• Die Einrichtung wird periodisch getestet.<br />

Ersatzweise ordnete das BAV mit Blick auf <strong>die</strong> speziellen<br />

Anwendungsbedingungen und <strong>die</strong> Besonderheiten<br />

des schweizerischen Eisenbahnnetzes an:<br />

• Vor der so genannten erstmaligen Inbetri<strong>eb</strong>nahme ist<br />

ein mindestens zweiwöchiger Prob<strong>eb</strong>etri<strong>eb</strong> mit mindestens<br />

20 Probeschaltungen durchzuführen, <strong>die</strong>se<br />

sind zu protokollieren und auszuwerten, dabei sind<br />

allfällige Fehler zu identifizieren und zu beh<strong>eb</strong>en,<br />

• danach ist <strong>die</strong> Anlage durch das BAV im Rahmen<br />

einer Kontrolle vor Ort abnehmen zu lassen.<br />

Bild 7:<br />

Einbausituation Weinbergtunnel DML Zürich.<br />

1 Erdungsschnellschalter in Stellung aus<br />

2 Flexball-Zug<br />

3 Schalterstellungs-Meldeleitung<br />

4 LED-Signaltafeln (in Blickrichtung <strong>für</strong><br />

Erde-Symbol)<br />

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Erdung und Rückleitung<br />

HINTERGRUND<br />

Auszüge aus Lastenheft der SBB <strong>für</strong> Automatische Erdungseinrichtung<br />

(Dokument FS 2010-100)<br />

Mit der Automatischen Erdungseinrichtung (AEE) werden Fahrstromanlagen<br />

(Oberleitungen, Verstärkungsleitungen, usw.) eines definierten Bereiches,<br />

<strong>die</strong> sich üblicherweise in einem Tunnel befinden, sicher geerdet.<br />

Eine sichere Erdung der Oberleitung ist zum Personenschutz des Interventionspersonals<br />

bei Ereignissen (Brand, Havarie, usw.) erforderlich.<br />

Der automatische Erdungsvorgang wird in der Leitstelle oder durch<br />

Tastendruck vor Ort ausgelöst. Bei spannungsloser Oberleitung setzt <strong>die</strong><br />

AEE den Ein-Befehl an <strong>die</strong> Erdschalter ab. Bei anstehender Spannung<br />

verhindert eine Verriegelung das Kurzschließen der Oberleitung mit der<br />

Rückleitung. Diese Verriegelung kann an den da<strong>für</strong> bezeichneten Be<strong>die</strong>nstellen<br />

mit einem Schlüssel aufgehoben werden.<br />

Die Ausbefehlsgabe an <strong>die</strong> AEE kann nur an einer definierten Stelle<br />

und mit einem Werkzeug/Schlüssel erfolgen.<br />

Die AEE ist <strong>für</strong> folgende Anwendungsfälle vorgesehen:<br />

• Tunnel mit einer oder mehreren Spuren<br />

• Tunnel ohne und mit Längssektionierung<br />

• Tunnel mit oder ohne seitliche Zugänge<br />

• Tunnel mit oder ohne Abzweig<br />

• …mit Be<strong>die</strong>ntafeln an geschützten und an frei zugänglichen Orten.<br />

Die Erdungsschalter sind einschalt- und kurzschlussfest. Die Erdungsschalter<br />

können auch manuell mittels Kurbel ein- und ausgeschaltet werden.<br />

4.5 Besondere Auflagen<br />

Im Rahmen des TZ-Verfahrens waren zwei Punkte<br />

nicht vollständig spezifiziert. Der eine betraf <strong>die</strong> Eigenschaften<br />

der im Tunnel eingesetzten Kabel. Sofern<br />

<strong>die</strong>se bei einem Brand dem Feuer ausgesetzt sind,<br />

müssen sie laut AB-EBV verminderte Brandfortleitung<br />

sowie geringe Rauchdichte haben und halogenfrei<br />

sein. Diese Forderungen lassen sich mit IEC-konformen<br />

Kabeln und geeigneter Verlegung erfüllen. Der<br />

Antragsteller muss folglich <strong>die</strong> Eigenschaften der Kabel<br />

den jeweiligen Projektbedingungen anpassen.<br />

Der andere Punkt betraf <strong>die</strong> elektrischen Verbindungen<br />

des Erdungsschalters mit der Oberleitung<br />

und der Rückleitung. Hierzu hat der Antragsteller in<br />

jedem Anwendungsprojekt <strong>die</strong> Ersteller und Betreiber<br />

der Anlagen zu informieren, dass eine Risikoabschätzung<br />

durchzuführen ist. Allenfalls sind weitere<br />

Maßnahmen zum Einhalten der maximal zulässigen<br />

Berührungsspannung umzusetzen.<br />

5 Erste Anwendung<br />

Das erste Anwendungsprojekt <strong>für</strong> <strong>die</strong> AEE ist der<br />

knapp 5 km lange zweigleisige Weinbergtunnel der<br />

DML in Zürich (Bild 7). Dieser hat einen parallelen<br />

Flucht- und Rettungsstollen, an dessen Anfang und<br />

Ende jeweils eine RTU-FL und in dessen neun Querschlägen<br />

zum Fahrtunnel jeweils eine RTU-BS installiert<br />

ist. Aktuelle Projektbeschreibungen zeigen zwar<br />

Weichenverbindungen im Tunnel, <strong>die</strong> jedoch dicht<br />

bei den Portalen liegen und deren Deckenstromschienen<br />

nicht <strong>von</strong> der AEE erfasst werden.<br />

Anfang April 2014 wurde hier der geforderte<br />

zweiwöchige Prob<strong>eb</strong>etri<strong>eb</strong> mit 20 Probeschaltungen<br />

in unterschiedlichen Ausgangssituationen erfolgreich<br />

absolviert. Nachdem dann <strong>die</strong> angeordnete<br />

Kontrolle und Abnahme durch das BAV im April<br />

2014 durchgeführt war, war <strong>die</strong> AEE zur Eröffnung<br />

der DML am 12. Juni 2014 betri<strong>eb</strong>sbereit.<br />

The English translation is published in <strong>eb</strong> international<br />

2014.<br />

Literatur<br />

[1] SBB: Lastenheft Automatische Erdungseinrichtung (FS<br />

2012-100).<br />

[2] Richtlinie 2008/163/EG: Technische Spezifikation <strong>für</strong> <strong>die</strong> Interoperabilität<br />

bezüglich „Sicherheit in Eisenbahntunneln“.<br />

[3] Bundesamt <strong>für</strong> Verkehr: Ausführungsbestimmungen zur<br />

Eisenbahnverordnung, Stand 01.08.2013.<br />

[4] Bundesamt <strong>für</strong> Verkehr: Richtlinie V1.0 Typenzulassung<br />

<strong>für</strong> Elemente <strong>von</strong> Eisenbahnanlagen, Stand 01.10.2010.<br />

[5] Dölling, A.; Focks, M.; Gumberger, G.: Fahrleitungserdung<br />

– automatisiert mit Sicat ® AES. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong><br />

111 (2013), H. 3, S. 172–184.<br />

[6] Wili, U.: Neues Schweizer Vorschriftensystem <strong>für</strong> elektrische<br />

<strong>Bahnen</strong>. In: <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> 111 (2013), H. 5,<br />

S. 320–324; H. 10, S. 586–592.<br />

AUTORENDATEN<br />

Ingolf Zielinski (62), Studium Nachrichtentechnik,<br />

Fachrichtung Automatisierungstechnik,<br />

Fachhochschule Darmstadt<br />

bis 1974; bis 1989 Projektmanager, <strong>von</strong><br />

1989 bis 2000 Leiter Projektabwicklung bei<br />

repas AEG Automation GmbH in Dreieich;<br />

bis 2011 Projektmanager und Vertri<strong>eb</strong>s-<br />

Support <strong>für</strong> Netzleitsystem, seitdem<br />

Produktmanager Schutz-, Steuer- und<br />

Leittechnik bei Balfour Beatty Rail GmbH.<br />

Adresse: Balfour Beatty Rail GmbH,<br />

Frankfurter Straße 111,<br />

63067 Offenbach, Deutschland;<br />

E-Mail: ingolf.zielinski@bbrail.com<br />

Dipl.-Ing. Mike Schweller (49), Studium<br />

Elektrotechnik Hochschule <strong>für</strong> Verkehrswesen<br />

„Friedrich List“ Dresden bis 1992;<br />

bis 2007 Projekteur, Fachgruppenleiter<br />

und Chief Engineer <strong>für</strong> Bahnstromanlagen<br />

bei Siemens Transportation Systems in<br />

Erlangen, seitdem stellvertretender Leiter<br />

<strong>Elektrische</strong> Anlagen im Bundesamt <strong>für</strong><br />

Verkehr (BAV); Mitglied CENELEC SC9XC<br />

WG C1 und C17 sowie TK9 Schweiz.<br />

Adresse: Bundesamt <strong>für</strong> Verkehr,<br />

3003 Bern, Schweiz;<br />

E-Mail: mike.schweller@bav.admin.ch<br />

536 112 (2014) Heft 8-9


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Brief, Fax, E-Mail) oder durch Rücksendung der Sache widerrufen. Die Frist beginnt nach Erhalt <strong>die</strong>ser Belehrung in Textform. Zur<br />

Wahrung der Widerrufsfrist genügt <strong>die</strong> rechtzeitige Absendung des Widerrufs oder der Sache an den Leserservice <strong>eb</strong>, Postfach<br />

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✘<br />

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PAEBAH2014<br />

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dass ich vom DIV Deutscher Industrieverlag oder vom Vulkan-Verlag per Post, per Telefon, per Telefax, per E-Mail, nicht über interessante, fachspezifische Me<strong>die</strong>n und Informationsang<strong>eb</strong>ote informiert und beworben werde.<br />

Diese Erklärung kann ich mit Wirkung <strong>für</strong> <strong>die</strong> Zukunft jederzeit widerrufen.


Erdung und Rückleitung<br />

Beanspruchungsermittlung <strong>von</strong><br />

Niederspannungsbegrenzern bei<br />

Gleichstrombahnen durch Simulation<br />

Pascal Höfig, Sven Körner, Arnd Stephan Dresden; Bernhard Richter, Bernhard Doser,<br />

Wettingen (CH)<br />

Spannungsbegrenzungseinrichtungen (VLD) werden bei Gleichstrombahnen zur Gewährleistung<br />

des Personenschutzes an den Streckenanlagen eingesetzt. Für <strong>die</strong> Festlegung geeigneter Einbauorte<br />

<strong>von</strong> VLD und <strong>für</strong> ihre Dimensionierung sind Kenntnisse über <strong>die</strong> Beanspruchung bei typischen<br />

Bahnbetri<strong>eb</strong>sszenarien notwendig. Durch den Einsatz <strong>von</strong> Simulationsprogrammen werden Aussagen<br />

zum Problemkreis gewonnen.<br />

INVESTIGATION OF THE LOAD OF VOLTAGE LIMITING DEVICES IN DC RAILWAYS USING SIMU-<br />

LATION<br />

In DC railways voltage limiting devices (VLD) are used for protection of human health against electrical<br />

hazards in facilities along the line. The determination of suitable positions and rating of VLDs<br />

require knowledge about the load in railway-specific applications. Simulation software can be used<br />

to answer question regarding the complex of problems.<br />

CALCUL DES CONTRAINTES DE LIMITEURS DE BASSES TENSIONS SUR LES LIGNES À COURANT<br />

CONTINU PAR SIMULATION<br />

Les limiteurs de tension (VLD) sont utilisés sur les lignes électrifiées en courant continu pour garantir<br />

la sécurité des personnes travaillant sur les voies. Pour déterminer des emplacements appropriés<br />

pour l’installation de VLD ainsi que leur dimensionnement, il est nécessaire de connaître les<br />

contraintes dérivant de scénarios typiques d’exploitation. Le recours à des programmes de simulation<br />

donne des informations sur cette problématique.<br />

1 Einführung<br />

Spannungsbegrenzungseinrichtungen (englisch:<br />

Voltage Limiting Device; VLD) werden bei mit<br />

Gleichstrom betri<strong>eb</strong>enen elektrischen <strong>Bahnen</strong> zur<br />

Gewährleistung des Personenschutzes an den Streckenanlagen<br />

zwischen Erde und isoliert verlegter<br />

Gleisanlage zur Potentialüberwachung eingesetzt.<br />

Bei Überschreitung normativ festgelegter Grenzwerte<br />

[1] sollen sie einen temporären Potenzialausgleich<br />

herstellen und somit das Abgreifen der<br />

Berührungsspannungen im Fehlerfall (VLD-F) oder<br />

der abgreifbaren Spannung im Betri<strong>eb</strong> (VLD-O)<br />

durch Personen verhindern.<br />

Für <strong>die</strong> Festlegung geeigneter Einbauorte der VLD<br />

und <strong>für</strong> ihre elektrotechnische Bemessung ist <strong>die</strong><br />

Kenntnis der zu erwartenden Beanspruchungen eine<br />

wesentliche Voraussetzung. Die Höhe und <strong>die</strong> Dauer<br />

der tatsächlich auftretenden Potenzialdifferenzen<br />

und Ableitströme sind jedoch <strong>von</strong> zahlreichen gleisbau-,<br />

bahnstrom- und fahrzeugtechnischen Parametern<br />

sowie <strong>von</strong> bahnbetri<strong>eb</strong>lichen und äußeren<br />

Randbedingungen abhängig.<br />

2 Ausgangslage<br />

2.1 Untersuchungsmethodik<br />

Zu den Grundlagen gehören <strong>die</strong> Darstellung der<br />

relevanten Normen und der Funktionsweise <strong>von</strong><br />

Niederspannungsbegrenzern, <strong>die</strong> Definition wesentlicher<br />

physikalischer Einflussparameter auf <strong>die</strong><br />

Gleis-Erde-Spannung und <strong>die</strong> Beschreibung der<br />

Anforderungen <strong>für</strong> <strong>die</strong> Umsetzung der Aufgabe in<br />

einem Simulationsmodell. Die Simulationsmodelle<br />

<strong>für</strong> <strong>die</strong> Beschreibung der elektrotechnischen Verhältnisse<br />

der Stromableitung gegen Erde basieren<br />

auf den Ausführungen in [2] bis [5]. Nach erfolgter<br />

Grundlagenaufbereitung wurden parametersensitive<br />

Simulationsszenarien <strong>für</strong> Gleichstrombahnsysteme<br />

erstellt und <strong>die</strong> Gleis-Erde-Spannungen durch<br />

Simulationsrechnungen ermittelt. In Abhängigkeit<br />

der Höhe der Gleis-Erde-Spannungen wurden Einbauorte<br />

<strong>für</strong> VLD bestimmt. Die VLD sind in Form<br />

<strong>von</strong> Schaltern mit Innenwiderstand und durch <strong>die</strong><br />

Definition <strong>von</strong> Schaltbedingungen modellierbar. In<br />

<strong>die</strong> Simulationsszenarien wurde das Modell der VLD<br />

538 112 (2014) Heft 8-9


Erdung und Rückleitung<br />

entsprechend der Einbauorte integriert. Bei weiteren<br />

Simulationen wurden <strong>die</strong> Höhe und <strong>die</strong> Dauer<br />

der Ableitströme durch <strong>die</strong> Niederspannungsbegrenzer<br />

im geschlossenen Zustand berechnet. Die<br />

Erg<strong>eb</strong>nisse aus der Simulation wurden zusammengestellt<br />

und bewertet. Aufbauend auf den Erg<strong>eb</strong>nissen<br />

wurden Empfehlungen <strong>für</strong> den Einsatz und <strong>die</strong><br />

Dimensionierung <strong>von</strong> VLD abgeleitet.<br />

2.2 Normative Grundlagen und<br />

Wirkungsprinzipien<br />

Die EN 50122-1 [1]unterscheidet zwei Typen <strong>von</strong><br />

Spannungsbegrenzungseinrichtungen.<br />

Der VLD-F (F: Failure) schützt vor unzulässigen Berührungsspannungen<br />

im Fehlerfalle dadurch, dass er<br />

berührbare leitende Teile mit dem Rückleiter verbindet<br />

was zum Abschalten der Leitung führt.<br />

Der VLD-O (O: Operation) schützt vor unzulässigen<br />

Berührungsspannungen, <strong>die</strong> im normalen Betri<strong>eb</strong><br />

und im Fehlerfall (Strompfad identisch) auftreten.<br />

Er verbindet geerdete Strukturen mit dem<br />

Rückleiter. Das Abschalten der Leitung durch das<br />

Ansprechen des VLD-O ist nicht beabsichtigt.<br />

Im Jahre 2014 ist <strong>die</strong> Norm EN 50526-2 [6] erschienen,<br />

welche <strong>die</strong> Anforderungen und Prüfungen<br />

an Spannungsbegrenzungseinrichtungen<br />

beschreibt, <strong>die</strong> in ortsfesten Gleichstrombahnanwendungen<br />

genutzt werden. Diese Norm unterscheidet<br />

vier verschiedene Klassen <strong>von</strong> Spannungsbegrenzungseinrichtungen:<br />

• Klasse 1: Spannungsdurchschlagssicherungen<br />

• Klasse 2: Spannungsbegrenzungseinrichtungen<br />

basierend auf elektronischen Schaltelementen<br />

wie Thyristoren<br />

• Klasse 3: Spannungsbegrenzungseinrichtungen<br />

basierend auf einem mechanischen Schalter<br />

• Klasse 4: Spannungsbegrenzungseinrichtungen<br />

basierend auf einem mechanischen Schalter und<br />

zusätzlichen elektronischen Schaltelementen,<br />

beispielsweise Thyristoren<br />

Die Geräte der Klassen 1 und 2 sind passiv, das heißt<br />

sie benötigen keine Energieversorgung und können<br />

auf der Strecke eingesetzt werden. Die Geräte der<br />

Klassen 3 und 4 benötigen eine Energieversorgung<br />

und sind <strong>für</strong> den Einsatz in den Stationen vorgesehen.<br />

Die Geräte der Klasse 1 sind in der Regel nicht<br />

rückstellbar, da <strong>die</strong> Elektroden nach dem Stromfluss<br />

verschweißen und einen Kurzschluss bilden.<br />

Die Geräte der Klasse 2 sind im spezifizierten<br />

Belastungsbereich reversibel, bei darüber hinausgehenden<br />

Belastungen legieren <strong>die</strong> elektronischen<br />

Schaltelemente durch und bilden einen Kurzschluss.<br />

Diese Geräte benötigen zum Löschen einen Stromnulldurchgang.<br />

Die Geräte der Klassen 3 und 4 sind reversibel im<br />

spezifizierten Belastungsbereich und können spezifizierte<br />

Lastströme abschalten.<br />

2.3 Einflussparameter auf <strong>die</strong> Gleis-Erde-<br />

Spannung<br />

Spannungsbegrenzungseinrichtungen als elektrische<br />

Betri<strong>eb</strong>smittel haben <strong>die</strong> Aufgabe unzulässig hohe<br />

Gleis-Erde-Spannungen zu begrenzen. Bei Gleichstrombahnen<br />

werden <strong>die</strong> Schienen eines Gleises<br />

und <strong>die</strong> Gleise einer Strecke elektrisch untereinander<br />

querverbunden. Damit kann anstelle <strong>von</strong> den in [1]<br />

definierten Schienenpotenzialen synonym <strong>von</strong> Gleis-<br />

Erde-Spannung gesprochen werden [2].<br />

Um Aussagen über Einsatzorte und <strong>für</strong> <strong>die</strong> Dimensionierung<br />

im Betri<strong>eb</strong> zu treffen, ist zunächst eine<br />

Analyse der <strong>die</strong> Höhe der Gleis-Erde-Spannung bestimmenden<br />

Parameter erforderlich. Als wesentliche<br />

Einflussparameter werden festgelegt:<br />

• der Rückstrom der Fahrzeuge zum Unterwerk<br />

• der Längswiderstand der Fahrschienen<br />

• der Ableitungsbelag Gleis-Erde<br />

• <strong>die</strong> Länge der Speiseabschnitte<br />

Diese Parameter werden im Folgenden detailliert diskutiert.<br />

Bei der Leistungsübertragung zwischen Unterwerk<br />

und Fahrzeug fließt bei positiver Polarität der Fahrleitung<br />

ein entsprechender Traktionsstrom durch <strong>die</strong> Fahrleitung,<br />

der als Rückstrom durch <strong>die</strong> Schiene zum Unterwerk<br />

zurückfließt. Diese Rückströme in der Fahrschiene<br />

erzeugen sowohl Längsspannungsfälle in der Schiene<br />

als auch Spannungen zwischen der Fahrschiene und<br />

dem Erdreich, <strong>die</strong> sogenannte Gleis-Erde-Spannung.<br />

Die Höhe des Rückstroms hängt <strong>von</strong> dem sich einstellenden<br />

Spannungsniveau auf Basis der Leistungsaufnahme,<br />

oder Leistungsabgabe beim Bremsen,<br />

der Tri<strong>eb</strong>fahrzeuge und den Widerstandsverhältnissen<br />

des elektrischen Kreises ab. Dieses Spannungsniveau<br />

wird zusätzlich durch <strong>die</strong> Nennspannung des<br />

<strong>Bahnen</strong>ergieversorgungssystems bestimmt. Bei gleichem<br />

Strom steigt <strong>die</strong> übertragbare Leistung linear<br />

mit der Spannung an.<br />

Möglichkeiten zur Reduzierung des Rückstromanteils<br />

in den Schienen sind <strong>die</strong> zweiseitige Speisung<br />

einer Strecke, <strong>die</strong> Verlegung zusätzlicher Rückleitungskabel<br />

und <strong>die</strong> Querkupplung der Gleise.<br />

Der Längswiderstand R der Fahrschienen geht<br />

nach dem Ohmschen Gesetz in gleicher Weise wie<br />

der Betri<strong>eb</strong>sstrom in <strong>die</strong> Berechnung der Gleis-Erde-<br />

Spannung ein. Bei der Betrachtung sind auch mögliche<br />

Schienen- und Gleisquerverbindungen zu berücksichtigen.<br />

Um <strong>die</strong> Gleis-Erde-Spannung zu verringern, muss<br />

der Rückleitungswiderstand reduziert werden. Eine<br />

112 (2014) Heft 8-9<br />

539


Erdung und Rückleitung<br />

zweiseitige<br />

Speisung<br />

G‘ = 0,01 S/km<br />

R‘ = 0,0482 Ω/km<br />

Fahrzeug<br />

BR 481<br />

Möglichkeit der Reduzierung ist <strong>die</strong> Nutzung aller<br />

Fahrschienen als Rückleiter. Diese Konfiguration ist<br />

bei Gleisstromkreisen, <strong>die</strong> nur eine Fahrschiene als<br />

Rückleiter gestatten, nicht möglich.<br />

Um den Längswiderstand weiter zu senken, sollten<br />

<strong>die</strong> Schienen außerdem nach dem Stand der Technik<br />

längsverschweißt sein. Falls Längsverlaschungen<br />

zur elektrischen Durchverbindung genutzt werden,<br />

sollten <strong>die</strong>se dabei so niederohmig wie möglich sein,<br />

um den Längswiderstand der Fahrschienen nicht signifikant<br />

zu erhöhen.<br />

Eine weitere Möglichkeit zur Senkung des Rückleitungswiderstands<br />

ist <strong>die</strong> zusätzliche Nutzung <strong>von</strong><br />

Rückleitungsverstärkungsleitungen. Verwendet werden<br />

heutzutage Kabel, bestehend aus Aluminium<br />

oder Kupfer mit einem Querschnitt <strong>von</strong> 300 mm²<br />

bis 500 mm². In älteren Anlagen können auch Querschnitte<br />

bis zu 1 000 mm² aus der Parallelschaltung<br />

mehrerer Einzelkabel vorhanden sein.<br />

Durch <strong>die</strong> Rückleitungsverstärkung wird der nutzbare<br />

Rückleitungsquerschnitt erhöht und somit der<br />

gesamte Längswiderstand gesenkt. Dieser zusätzliche<br />

geschaffene Rückleitungspfad ermöglicht dem<br />

Strom außerdem einen weiteren Rückleitungsweg<br />

anstelle der Schiene, so dass <strong>die</strong> Gleis-Erde-Spannung<br />

gesenkt wird.<br />

Bei dem Einfluss der Gleisisolierung auf <strong>die</strong> Gleis-<br />

Erde-Spannung kann man zwei unterschiedliche Fälle<br />

analysieren. Bei Nahverkehrsbahnen mit kurzen<br />

Unterwerksabständen ist der Einfluss der Gleisisolierung<br />

<strong>von</strong> geringer Bedeutung. Bei Gleichstrom-<br />

Fernbahnen mit langen Rückleitungsabschnitten ist<br />

der Einfluss signifikant höher, da bei gleicher Querableitung<br />

hohe Ströme in <strong>die</strong> Erde fließen können.<br />

G<strong>eb</strong>räuchliche Werte <strong>für</strong> den kilometrischen Ableitungsbelag<br />

G‘, sind in Tabelle 1 angeg<strong>eb</strong>en.<br />

Um Streustromkorrosion bei Gleichstrombahnen zu<br />

vermeiden, sind kleine Ableitungsbeläge G‘ notwendig,<br />

damit der Übertritt <strong>von</strong> Strömen in das Erdreich<br />

einseitige<br />

Speisung<br />

G‘ = 0,01 S/km<br />

R‘ = 0,0482 Ω/km<br />

Variante 5<br />

S-Bahn<br />

U di0 = 1800 V<br />

G‘ = 0,5 S/km<br />

R‘ = 0,0273 Ω/km<br />

Bild 1:<br />

Variantenübersicht S-Bahn (alle Grafiken: Autoren).<br />

zweiseitige<br />

Speisung<br />

G‘ = 0,01 S/km<br />

R‘ = 0,0482 Ω/km<br />

Fahrzeug<br />

BR 474<br />

einseitige<br />

Speisung<br />

G‘ = 0,01 S/km<br />

R‘ = 0,0482 Ω/km<br />

Zugfolge: 5 min<br />

Variante 8<br />

G‘ = 0,01 S/km<br />

R‘ = 0,0482 Ω/km<br />

begrenzt wird. Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, ist der<br />

Ableitungsbelag <strong>von</strong> der Konstruktion des Oberbaus,<br />

der Gestaltung des Unterbaus, dem Verschmutzungsgrad<br />

des Oberbaus, den Witterungsbedingungen und<br />

dem spezifischen Erdwiderstand abhängig.<br />

Bei der Konstruktion des Oberbaus ist zusätzlich<br />

zu beachten, dass der Bettungswiderstand zwischen<br />

den Schienen eines Gleises nicht unterschritten werden<br />

darf, da sonst <strong>die</strong> sichere Funktion <strong>von</strong> Sicherungsanlagen<br />

auf Basis <strong>von</strong> Gleisrelais nicht mehr<br />

gewährleistet ist.<br />

Der letzte maßg<strong>eb</strong>liche Einflussparameter auf <strong>die</strong><br />

Gleis-Erde-Spannung ist <strong>die</strong> Speiseabschnittslänge.<br />

Nimmt man bei Betrachtung der Länge des Speiseabschnittes<br />

einen konstanten Strom an, so hat <strong>die</strong><br />

Länge einen linearen Einfluss auf <strong>die</strong> Gleis-Erde-Spannung,<br />

das heißt <strong>die</strong> Gleis-Erde-Spannung erhöht sich<br />

linear mit der Länge des Speiseabschnittes. Der dargestellte<br />

Zusammenhang kann über <strong>die</strong> Berechnung<br />

des Widerstands aus dem Widerstandsbelag mit der<br />

Länge der elektrischen Leiter nachvollzogen werden.<br />

3 Simulation der<br />

Beanspruchungen<br />

3.1 Anforderungen an ein Simulationssystem<br />

Um Aussagen über <strong>die</strong> Belastung der Spannungsbegrenzungseinrichtungen<br />

treffen zu können, ist<br />

es notwendig, <strong>die</strong> Vorgänge im <strong>Bahnen</strong>ergieversorgungsnetz<br />

mathematisch abzubilden. Bei <strong>die</strong>ser Abbildung<br />

kommt es darauf an, <strong>die</strong> Wechselwirkungen<br />

zwischen den ortsveränderlichen Verbrauchern und<br />

den ortsfesten Anlagen des elektrischen Netzes in<br />

Form <strong>von</strong> Daten und Datenflüssen nachzustellen.<br />

Ein Abbild der physikalischen Realität kann in<br />

Form eines großen Systemmodells oder durch <strong>die</strong><br />

geschickte Verknüpfung mehrerer kleinerer Teilsysteme<br />

geschaffen werden. Prinzipiell haben sich bei der<br />

Simulation <strong>von</strong> Bahnnetzen mindestens zwei Teilsysteme<br />

herauskristallisiert. Auf der einen Seite gibt es<br />

ein Systemmodell <strong>für</strong> <strong>die</strong> Abbildung des Ortsveränderungsprozesses<br />

der Fahrzeuge: <strong>die</strong> digitale Bahnbetri<strong>eb</strong>ssimulation.<br />

Auf der anderen Seite wird das<br />

<strong>Bahnen</strong>ergieversorgungsnetz mit einem System in<br />

Form einer elektrischen Netzberechnung modelliert.<br />

Notwendige Eingangsdaten und damit auch<br />

Einflussparameter <strong>für</strong> eine digitale Betri<strong>eb</strong>ssimulation<br />

sind<br />

• Fahrzeugdaten,<br />

• Daten über Fahrweg und Sicherungstechnik und<br />

• Fahrplandaten.<br />

Mithilfe <strong>die</strong>ser Daten ist eine Bahnbetri<strong>eb</strong>ssimulation<br />

möglich.<br />

540 112 (2014) Heft 8-9


Erdung und Rückleitung<br />

Fernbahn<br />

U n = 3000 V<br />

Als Basis <strong>für</strong> <strong>die</strong> Untersuchung wurden drei Grundszenarien<br />

(Nahverkehrs-, S-Bahn- und Fernbahnstrecke)<br />

modelliert und entsprechend der Einflusspara-<br />

Hochgeschwindigkeitsverkehr<br />

(RŽD EWG 1/2)<br />

Allgemeiner<br />

Fernverkehr<br />

(SŽ EMG 312)<br />

zweiseitige<br />

Speisung<br />

einseitige<br />

Speisung<br />

zweiseitige<br />

Speisung<br />

einseitige<br />

Speisung<br />

G‘ = 0,01 S/km<br />

R‘ = 0,0482 Ω/km<br />

G‘ = 0,5 S/km<br />

R‘ = 0,0273 Ω/km<br />

G‘ = 0,01 S/km<br />

R‘ = 0,0482 Ω/km<br />

G‘ = 0,5 S/km<br />

R‘ = 0,0273 Ω/km<br />

G‘ = 0,01 S/km<br />

R‘ = 0,0482 Ω/km<br />

G‘ = 0,5 S/km<br />

R‘ = 0,0273 Ω/km<br />

G‘ = 0,01 S/km<br />

R‘ = 0,0482 Ω/km<br />

G‘ = 0,5 S/km<br />

R‘ = 0,0273 Ω/km<br />

Variante 3<br />

Variante 12<br />

Variante 9<br />

Variante 18<br />

Hochleistungsverkehr<br />

(ES64U2)<br />

zweiseitige<br />

Speisung<br />

einseitige<br />

Speisung<br />

G‘ = 0,01 S/km<br />

R‘ = 0,0482 Ω/km<br />

G‘ = 0,5 S/km<br />

R‘ = 0,0273 Ω/km<br />

G‘ = 0,01 S/km<br />

R‘ = 0,0482 Ω/km<br />

G‘ = 0,5 S/km<br />

R‘ = 0,0273 Ω/km<br />

Variante 6<br />

Variante 15<br />

Bild 2:<br />

Variantenübersicht Fernbahn.<br />

Die elektrische Netzsimulation benötigt Werte folgender<br />

Eingangsdaten:<br />

• Antri<strong>eb</strong>sdaten der elektrischen Fahrzeuge (elektrische<br />

Fahrzeugdaten)<br />

• Daten der ortsfesten Anlagen des <strong>Bahnen</strong>ergieversorgungsnetzes<br />

(elektrische Netzdaten)<br />

Diese Daten allein reichen aber nicht aus, um eine<br />

Netzberechnung durchzuführen. Vielmehr sind <strong>für</strong><br />

<strong>die</strong> Kopplung der Bahnbetri<strong>eb</strong>ssimulation und der<br />

elektrischen Netzberechnung <strong>die</strong> folgenden detaillierten<br />

Informationen erforderlich:<br />

• Fahrzustände aller elektrischen Fahrzeuge mit<br />

angeforderter Leistung<br />

• Positionen aller elektrischen Fahrzeuge im Strecken-<br />

und damit im <strong>Bahnen</strong>ergieversorgungsnetz<br />

• Struktur, Schaltung und Leistungsfähigkeit des<br />

<strong>Bahnen</strong>ergieversorgungsnetzes zum aktuellen<br />

Simulationsschritt<br />

Erst durch das Zusammenwirken aller Daten kann<br />

<strong>die</strong> Simulation <strong>die</strong> Lastflüsse im elektrischen Netz berechnen.<br />

Dabei bestimmt <strong>die</strong> Spannungssituation im<br />

<strong>Bahnen</strong>ergieversorgungsnetz <strong>die</strong> Lastflüsse und wirkt<br />

auf <strong>die</strong> elektrischen Antri<strong>eb</strong>e der Fahrzeuge zurück:<br />

• Mit abnehmendem Spannungsniveau steigen <strong>die</strong><br />

Beträge der Ströme und <strong>die</strong> Verluste.<br />

• Bei geringer Spannung greifen Strom- oder Leistungsbegrenzungen<br />

der Antri<strong>eb</strong>sregelung ein,<br />

<strong>die</strong> Auswirkungen auf <strong>die</strong> Fahrdynamik haben.<br />

• Die Spannungsverteilung im <strong>Bahnen</strong>ergieversorgungsnetz<br />

beeinflusst maßg<strong>eb</strong>lich <strong>die</strong> Bremsenergierückspeisung.<br />

An der Professur <strong>Elektrische</strong> <strong>Bahnen</strong> sind das Simulationssystem<br />

OpenTrack [7] als Bahnbetri<strong>eb</strong>ssimulator<br />

und OpenPowerNet [8] als Simulationsprogramm <strong>für</strong><br />

<strong>die</strong> Antri<strong>eb</strong>ssimulation der Fahrzeuge und <strong>die</strong> Lastfluss-<br />

und Energi<strong>eb</strong>erechnung im Einsatz.<br />

Das Simulationssystem, <strong>die</strong> Arbeitsweise in Form<br />

der gekoppelten Online-Simulation, auch als Co-Simulation<br />

bezeichnet, und einzelne Anwendungsfälle<br />

wurden in [9] vorgestellt.<br />

3.2 Untersuchungsszenarien<br />

112 (2014) Heft 8-9<br />