Kontaktvorgänge und Verschleißverhalten des Systems Fahrdraht ...

Kontaktvorgänge und Verschleißverhalten
des Systems Fahrdraht – Schleifleiste
H. Biesenack a,1 und F. Pintscher a,2
a TU Dresden, Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“,
Institut für Elektrische Verkehrssysteme
01062 Dresden, Deutschland
Kurzfassung: Der Kontakt Fahrdraht – Schleifleiste hat die Aufgabe, elektrischen Strom
zwischen der Oberleitung und dem Stromabnehmer des Triebfahrzeuges mittels eines
Gleitkontaktes zu übertragen. Der dabei entstehende Verschleiß lässt sich in elektrischen
und mechanischen Verschleiß unterteilen. Die nähere Betrachtung der Einflussparameter
und Zusammenhänge, die das Verschleißverhalten von Fahrdraht und Schleifleiste
beeinflussen, zeigt, dass der Kontaktwiderstand eine große Bedeutung für den elektrischen
Verschleiß besitzt. Auf einem Versuchsstand der TU Dresden wurde der Kontaktwiderstand
zwischen Fahrdraht und Schleifleiste unter verschiedenen Randbedingungen gemessen. Die
dabei gewonnenen Erkenntnisse werden an einem Beispiel erläutert. Der über dem
Kontaktwiderstand entstehende Spannungsfall, die Kontaktspannung, bildet den
Ausgangspunkt zur Berechnung der Erwärmung des Kontaktbereiches. Die auf diese Weise
ermittelten Temperaturen erlauben tendenzielle Aussagen zum elektrischen Verschleiß.
Schlagworte: Verschleiß; Oberleitung; Fahrdraht; Stromabnehmer; Schleifleiste
1 E-mail: hartmut.biesenack@mailbox.tu-dresden.de, URL: www.e-vs.de
2 E-mail: pintsch@rcs.urz.tu-dresden.de, URL: www.e-vs.de

1 Einleitung
Am 31. Mai 1879 wurde von Werner von Siemens die erste elektrische Lokomotive der Welt
auf der Berliner Gewerbeausstellung der Öffentlichkeit vorgestellt. Werner von Siemens war
es gelungen, die Umwandlung elektrischer in mechanische Energie eindrucksvoll durch eine
praktische Anwendung zu demonstrieren. Neben dieser genialen Ingenieurleistung hatte er
aber auch das Problem der Energiezuführung zu lösen, denn er erkannte schon damals, dass
bei einem leistungsfähigen Bahnsystem die Energie nicht mitgeführt werden kann. Die erste
Lokomotive wurde mit einer Gleichspannung von 150 V betrieben. Die Zuführung der
Antriebsenergie erfolgte mit Hilfe eines in der Gleismitte hochkant verlegten
Flacheisenbandes. Darauf liefen zwei Rollen, welche die Stromabnahme sicherstellten. Als
Rückleitung wurden schon damals die Fahrschienen genutzt.
Bei weiteren Versuchen bereitete immer wieder die Stromzuführung Schwierigkeiten. Dabei
kamen aus heutiger Sicht oft eigenartige, kuriose aber auch gefährliche Konstruktionen zur
Anwendung. Die Frage der Energiezuführung besitzt seit den Anfängen der elektrischen
Zugförderung eine große Bedeutung. Deshalb ist es umso erstaunlicher, dass eine detaillierte
Beschreibung des Kontaktverhaltens zwischen Oberleitung und Stromabnehmer bis heute
fehlt. Dabei ist es wichtig, nicht nur einzelne Komponenten, sondern das gesamte System der
Fahrleitungsanlage und des Triebfahrzeugs mit seinen Stromabnehmern zu betrachten.
2 Kontakt Fahrdraht – Schleifleiste
Das System Oberleitung – Stromabnehmer hat die Aufgabe, die erforderliche elektrische
Leistung zwischen der stationären Fahrleitung und dem ortsveränderlichen Triebfahrzeug zu
übertragen. Dieser Prozess hat unter ständigem mechanischen und elektrischen Kontakt, also
störungsfrei zu erfolgen. Dabei sollte aber der Verschleiß an Fahrdraht und Schleifleiste
minimal sein. Aus der Funktion des Kontaktes Fahrdraht – Schleifleiste, der Übertragung von
elektrischem Strom durch einen Gleitkontakt, resultieren die Entstehung von Strom- und
Reibungswärme sowie letztendlich elektrischer und mechanischer Verschleiß. Die
entgegengesetzten Abhängigkeiten der beiden Verschleißarten sowohl von der Kontaktkraft
als auch vom Kontaktstrom gestalten eine Verschleißminimierung zu einem ungemein
schwierigen technischen Problem (Abbildung 1 und Abbildung 2).
2

Verschleiß des Fahrdrahtes
Häufigkeit der
Lichtbögen
Gesamtverschleiß
OPTIMUM
Verstärkte
Reibung
Mechanischer
Verschleiß
Elektrischer
Verschleiß
Kontaktkraft
Abbildung 1: Verschleiß des Fahrdrahtes als Funktion der Kontaktkraft.
Verschleiß der Schleifleiste
Gesamtverschleiß
Elektrischer
Verschleiß
Mechanischer
Verschleiß
Kontaktstrom
Abbildung 2: Verschleiß der Schleifleiste als Funktion des Kontaktstromes.
Das Kontaktverhalten wird geprägt von der Struktur der realen mechanischen Kontaktfläche,
die wiederum von den physikalischen und chemischen Materialeigenschaften von Fahrdraht
und Schleifleiste abhängig ist (Abbildung 3). Besonders hervorzuheben ist dabei die
Fremdschicht, die sich innerhalb kürzester Zeit auf allen unedlen Metallen bildet. Bei dem als
Fahrdrahtmaterial verwendetem Kupfer ist die Fremdschicht auch unter dem Namen Patina
bekannt. Die Beanspruchungen des Kontaktes Fahrdraht – Schleifleiste können in vier
3

Kategorien unterteilt werden: Kräfte, Geschwindigkeiten, Temperaturen und
Beanspruchungsdauer.
Übertragung von elektrischem Strom
durch einen Gleitkontakt
Elektrischer
Verschleiß
Struktur der realen mechanischen Kontaktfläche
Fahrdraht
v
Schleifleiste
Mechanischer
Verschleiß
F N
Fremdschicht
Volumen
Dichte
Zusammensetzung
Kontaktkraft
Größe
Geometrie
OF-Rauheit
Beanspruchungen
Härte
Elastizitätsmodul
Zugfestigkeit
Eigenschaften von Fahrdraht und Schleifleiste
Beanspruchungsdauer
Fahrgeschwindigkeit
Umgebungsluft
Umgebungsluft
Gefüge
Temperatur
Fremdschicht
Reibungswärme
Stromwärme
Abbildung 3: Übersicht Kontakt Fahrdraht – Schleifleiste.
Ausgehend von Abbildung 1 und Abbildung 2 stellen sich die folgenden Fragen: Wie groß ist
der Verschleiß an Fahrdraht und Schleifleiste? Bei welcher Kontaktkraft ist der Verschleiß am
geringsten? Welche Randbedingungen und Parameter beeinflussen wie stark den Verschleiß
von Fahrdraht und Schleifleiste?
Es wurde versucht, aus den sehr vielschichtigen und komplexen Zusammenhängen, die das
Kontaktverhalten von Fahrdraht und Schleifleiste bestimmen, die wichtigsten
Einflussfaktoren und Parameter herauszufiltern. Das Ergebnis kann der Abbildung 4
entnommen werden.
Diese Übersicht verdeutlicht sehr schön, dass im störungsfreiem Betrieb (Vernachlässigung
von Lichtbögen) der Kontaktwiderstand eine zentrale Bedeutung auf den elektrischen
Verschleiß besitzt. Ist der Kontaktwiderstand unter verschiedenen Randbedingungen bekannt,
können Aussagen zur Erwärmung des Kontaktbereiches getroffen werden. Die Erwärmung
wiederum ist Ausgangspunkt für tendenzielle Prognosen zum elektrischen Verschleiß.
4

Damit lassen sich die zwei wesentlichen Komplexe der folgenden Arbeit formulieren:
1. Die Bestimmung des Kontaktwiderstandes unter verschiedenen Randbedingungen.
2. Die Berechnung der Erwärmung des Kontaktbereiches.
Kontaktkraft
Geschwindigkeit
Fremdschicht
Fremdschichtwiderstand
Engewiderstand
wahre
Kontaktfläche
Reibung
Temperatur
Kontaktwiderstand
Strom
Reibungswärme
Lichtbögen
Stromwärme
Erwärmung des
Kontaktbereiches
elektrischer
Verschleiß
mechanischer
Verschleiß
Abbildung 4: Elektrischer und mechanischer Verschleiß – vereinfachte Übersicht.
3 Bestimmung des Kontaktwiderstandes
3.1 Versuchsstand Fahrdraht – Schleifleiste
Der Kontaktwiderstand zwischen dem Fahrdraht und der Schleifleiste kann auf Grund einer
Vielzahl von Unklarheiten bezüglich der wahren Kontaktfläche und der Fremdschicht nicht
berechnet werden. Somit macht sich eine messtechnische Bestimmung des
Kontaktwiderstandes erforderlich. Zu diesem Zweck wurde an der Technischen Universität
Dresden, Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“, Institut für Elektrische
Verkehrssysteme mit Unterstützung der Siemens AG, Transportation Systems, Electrification,
Engineering TS EL EN 4 ein Versuchsstand errichtet.
Der Versuchsstand ist so gestaltet, dass sowohl der Fahrdraht als auch die Schleifleiste
gewechselt werden können. Damit ist es möglich, unterschiedliche Kontaktpaarungen
einerseits hinsichtlich der Kontaktmaterialien und anderseits in Bezug auf verschiedene
Abnutzungsgrade zu untersuchen. Des Weiteren kann der Versuchsstand mit Gleichstrom DC
5

zw. Wechselstrom AC 16 ²/3 Hz und AC 50 Hz gespeist werden. Die Stromstärke kann
zwischen 0 und 500 A gewählt werden. Die minimale Kontaktkraft von ca. 20 N ist durch den
Aufbau des Versuchsstandes begrenzt. Der Kontaktwiderstand kann sowohl im Stillstand als
auch bei Fahrbewegung mit Geschwindigkeiten bis zu 10 m/s ermittelt werden. Als Option ist
noch eine Fahrdraht-Heizung vorgesehen, mit welcher der Fahrdraht auf seine maximal
zulässige Betriebstemperatur von 80 °C erwärmt werden kann. Bei der Konzeption des
Versuchsstandes wurde auch darauf Wert gelegt, dass der zeitliche Abstand zwischen den
Schleifleistendurchgängen variiert werden kann. Damit kann die Regeneration der
Fahrdrahtpatina und deren Einfluss auf den Kontaktwiderstand berücksichtigt werden.
Tabelle 1: Veränderliche Parameter des Versuchsstandes.
Parameter
Kontaktpaarung
Stromart
Stromstärke
Kontaktkraft
Fahrgeschwindigkeit
Fahrdraht-Temperatur
Wertebereich
Material / Verschleißgrad
DC, AC 16 ²/3 Hz, AC 50 Hz
0 ... 500 A
20 ... 200 N
0 ... 10 m/s
20 ... 80°C (optional)
Die Basis des Versuchsstandes bildet eine 12 m lange Stromschienenoberleitung. Diese dient
als Halterung für den Fahrdraht und gleichzeitig benutzt sie der Messwagen als Fahrschiene.
Sie wurde verkehrt herum, mit dem Fahrdraht nach oben, auf einem Stahlträger montiert. Auf
dieser Stromschienenoberleitung fährt ein Messwagen, der ein ca. 75 mm langes Stück einer
Schleifleiste über den Fahrdraht führt (Abbildung 5).
6

Abbildung 5: Messwagen mit Energieketten und Umlenkrolle.
Angetrieben und gebremst wird er durch einen umrichtergesteuerten Asynchronmotor. Der
Motor ist mit einem Endlosseil mit dem Messwagen verbunden. Die Zuführung des
Kontaktstromes zum sowie die Übertragung der Messsignale vom Messwagen war nur durch
die Verwendung von sogenannten Energieketten möglich, welche die hochflexiblen Kabel
aufnehmen. Die Kontaktkraft wird mittels Gewichten aufgebracht. Das erfordert den Einsatz
einer Scherenkonstruktion, welche die Einheit aus Schleifleistenstück, Kraftaufnehmern und
Gewichten führt und gleichzeitig die Kontaktkraft vom Fahrgestell des Messwagens
entkoppelt. Die Abbildung 6 zeigt die Gesamtansicht des Versuchsstandes mit dem aus
Sicherheitsgründen angebrachten Gitter.
7

Abbildung 6: Gesamtansicht des Versuchsstandes.
3.2 Aufgenommene Messwerte
Eine Übersicht mit allen aufgenommenen Messwerten und deren Anordnung zeigt die
Abbildung 7.
Die Umgebungsbedingungen Temperatur, Luftdruck und Luftfeuchte werden in unmittelbarer
Nähe des Versuchsstandes im Laborraum aufgenommen.
Die Temperatur wird sowohl im Fahrdraht als auch an zwei Punkten in der Schleifleiste
erfasst. Der Strom, der über den Kontakt Fahrdraht – Schleifleiste fließt, wird von einem
Hochstromtransformator bereitgestellt. Er wird mit Hilfe eines Stromwandlers mit einem
effektiven Primärnennstrom von 500 A gemessen.
An der Schleifleiste werden zwei Potenziale abgegriffen. Bezogen auf den Fahrdraht, der in
diesem Versuchsstand die Masse darstellt, ergeben sich daraus die Kontaktspannung und die
Spannung zwischen der Fassung der Schleifleiste und dem Fahrdraht. Letztere berücksichtigt
den Ausbreitungswiderstand der Kohle.
8

Umgebungsbedingungen
Temperatur
Luftdruck
Luftfeuchte
Kontakt- und
Reibkraft
Strom
Spannung Fahrdraht - Fassung
Schleifleisten-Temperatur
Kontaktspannung
Fahrdraht
Fahrdraht-Temperatur
Stromschienenoberleitung
Weg
Geschwindigkeit
Abbildung 7: Schematische Darstellung der Messanordnung.
Der Versuchsstand bietet die Möglichkeit, die senkrecht auf den Kontakt wirkende Kraftkomponente
– im weiteren Verlauf als Kontaktkraft bezeichnet – und die in Bewegungsrichtung
wirkende Kraftkomponente – die Reibkraft – aufzunehmen.
Zur Bestimmung des Weges und der Fahrgeschwindigkeit wird ein Drehimpulsgeber genutzt.
Er misst die Drehzahl der Umlenkrolle der Zugseile, woraus online der Weg und die
Geschwindigkeit ermittelt werden.
Eine detailliertere Beschreibung des Versuchsstandes und der gemessenen Größen findet man
in [3].
3.3 Kontaktwiderstand in Abhängigkeit von Kontaktstrom und Kontaktkraft
Es wurden eine Vielzahl von Messungen durchgeführt, bei denen das Material und der
Verschleißgrad der Schleifleisten, die Stromart, die Stromstärke, die Kontaktkraft, die
Geschwindigkeit sowie die Pausen zwischen den Messungen, in welchen sich die
Fremdschicht regenerieren kann, variiert wurden. Um die Ergebnisse der Messungen zu
veranschaulichen, wurden Messreihen ausgewählt, die im Stillstand, also an einem ruhenden
Kontakt aufgenommen wurden. Dazu wurde ein neuer Fahrdraht Ri 107 aus Elektrolytkupfer
und ein Stück einer neuen Schleifleiste aus Kohlenstoff-Graphit BH424 der Firma Schunk
9

Kohlenstofftechnik GmbH. Diese Schleifleiste entsprach einer sogenannten DB-
Einheitsschleifleiste und weist somit eine 35 mm breite Kontaktfläche auf. Der Kontakt
wurde mit Wechselstrom AC 50 Hz gespeist.
Die Abbildung 8 zeigt den Kontaktwiderstand in Abhängigkeit vom Kontaktstrom mit der
Kontaktkraft als Parameter. Die gewählten Sollströme sind durch unterschiedliche Farben
dargestellt. Die Sollströme wurden in 15-A-Schritten erhöht. Dabei wurde darauf geachtet,
dass es zu keiner dauerhaften Erwärmung des Fahrdrahtes über die maximal zulässige
Grenztemperatur von 80 °C kommt. Die verwendeten Kontaktkräfte von 20 N, 40 N, 60 N,
80 N und 100 N sind durch verschiedene Symbole gekennzeichnet. Eine Kontaktkraft von
20 N für eine Schleifleiste entspricht der minimalen fahrdynamischen Anpresskraft nach dem
Merkblatt UIC 608 E [2], die bei Einphasen-Wechselstrombahnen 40 N pro Stromabnehmer
beträgt.
R K in mΩ
Stillstand v = 0 m/s, Wechselstrom AC 50 Hz
Kontakt Fahrdraht Ri 107, neu - Schleifleiste 35 mm breit, SKT BH424, neu (Nr. 4)
60
50
40
30
20
10
0
0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180
I K in A
20 N; 15 A
20 N; 30 A
20 N; 45 A
20 N; 60 A
20 N; 67 A
20 N; 75 A
20 N; 82 A
20 N; 90 A
40 N; 15 A
40 N; 30 A
40 N; 45 A
40 N; 60A
40 N; 75 A
40 N; 90 A
40 N; 105 A
60 N; 15 A
60 N; 30 A
60 N; 45 A
60 N; 60 A
60 N; 75 A
60 N; 90 A
60 N; 105 A
60 N; 120 A
60 N; 135 A
80 N; 15 A
80 N; 30 A
80 N; 45 A
80 N; 75 A
80 N; 105 A
80 N; 120 A
80 N, 135 A
80 N, 150 A
100 N, 15 A
100 N, 30 A
100 N, 45 A
100 N, 75 A
100 N, 105 A
100 N, 135 A
100 N, 150 A
100 N, 165 A
Abbildung 8: Kontaktwiderstand in Abhängigkeit vom Kontaktstrom, Parameter Kontaktkraft
Die Abbildung 8 verdeutlicht, dass der Kontaktwiderstand sowohl mit steigendem
Kontaktstrom als auch mit zunehmender Kontaktkraft kleiner wird. Dabei nähert sich der
Kontaktwiderstand einem Minimalwert an, der bei Kohlenstoff-Graphit bei ungefähr 4 mΩ
liegt. Des Weiteren ist ersichtlich, dass mit steigendem Kontaktstrom der Einfluss der
Kontaktkraft nachlässt. Anderseits besitzt auch der Strom bei höheren Kontaktkräften kaum
noch Einfluss. Dieses Beispiel verdeutlicht, dass man keinen Parameter separat, d.h. getrennt
von den anderen Einflussfaktoren betrachten kann. Damit wird die im Vorfeld gewonnene
Erkenntnis, dass eine enge Verknüpfung der einzelnen Parameter untereinander existiert, auch
durch die Messungen bestätigt.
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Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass der Kontaktstrom und die Kontaktkraft den
größten Einfluss auf den Kontaktwiderstand und damit auf die Erwärmung des Kontaktes
besitzen. Im Gegensatz dazu besitzt die Stromart (DC oder AC 50 Hz) keinen nachweisbaren
Einfluss bei gleichen Randbedingungen. Der wesentlichste Unterschied zwischen einer neuen
und einer abgenutzten Schleifleiste besteht in der Oberflächenrauheit. Die glatte Oberfläche
einer abgenutzten Schleifleiste bewirkt eine Abnahme des Kontaktwiderstandes.
Erwartungsgemäß ist der Kontaktwiderstand bei Schleifleiste aus kupferimprägniertem
Kohlenstoff-Graphit kleiner als bei unimprägnierten. Die Differenz ist aber nicht so groß wie
es der spezifische elektrische Widerstand erwarten lässt.
Tabelle 2: Prinzipieller Einfluss auf den Kontaktwiderstand.
Parameter Einfluss Kontaktwiderstand
Kontaktstrom I K R K
Kontaktkraft F K R K
Stromart AC 50 Hz / DC R K −
Verschleißgrad
Oberflächenrauheit
Material - Imprägnierung
spez. elektr. Widerstand
neu / abgenutzt
R A
ohne / Kupfer
ρ SL
R K
R K
4 Berechnung der Erwärmung des Kontaktbereiches
Ist der Kontaktwiderstand unter verschiedenen Randbedingungen bekannt, kann daraus die
Erwärmung des Kontaktbereiches abgeleitet werden. Für den elektrischen Verschleiß ist die
Temperatur der Kontaktspitzen oder Strombrücken ausschlaggebend, da sich diese Punkte
zuerst abnutzen. Aufgrund ihrer sehr geringen Ausdehnung von nur einigen Mikrometern ist
es nicht möglich, ihre Temperatur unmittelbar zu messen.
Ausgangspunkt für die Berechnung der Temperatur ist die Wärmebilanz des
Kontaktbereiches. Zu diesem Zweck muss der Kontakt durch ein geeignetes Modell, welches
die Kontaktfläche sowie das elektrische und thermische Feld innerhalb der Kontakte
berücksichtig, nachgebildet werden. Befindet sich der Kontakt im Stillstand, kann von einem
stationären Zustand ausgegangen werden. In diesem Fall ist die elektrisch erzeugte gleich der
durch Wärmeleitung abgeführten Wärmemenge. Geht man weiterhin davon aus, dass das
elektrische und thermische Feld innerhalb des Kontaktes den gleichen Verlauf besitzen, erhält
man die folgende einfache Beziehung:
1 2
⋅ U
K
= ρ ⋅ λ ⋅ ∆T
(1)
8
Diese Gleichung besagt, dass das Quadrat des Spannungsfalls über dem Kontakt U K
proportional zur Temperaturdifferenz ∆T zwischen der Kontaktspitze und einem
11

Bezugspunkt, der nicht mehr vom Kontaktwiderstand beeinflusst wird, ist.
Proportionalitätsfaktor sind der spezifische elektrische Widerstand ρ und die
Wärmeleitfähigkeit λ der jeweiligen Kontaktmaterials. Diese Beziehung gilt für einen
ruhenden symmetrischen Kontakt. Symmetrisch bedeutet, dass die beiden Kontakte aus dem
gleichen Material bestehen.
Bei einem Kontakt zwischen einem Kupfer-Fahrdraht und einer Schleifleiste aus Kohlenstoff
handelt es sich jedoch um einen unsymmetrischen Kontakt. Im Kohlenstoff wird aufgrund des
größeren spezifischen elektrischen Widerstandes mehr Wärme erzeugt und durch die kleinere
Wärmeleitfähigkeit auch schlechter abgeleitet. Die Schleifleiste erwärmt sich stärker. Die
Isotherme der höchsten Temperatur befindet sich im Kohlenstoff (Abbildung 9). Die oberhalb
dieser Isotherme erzeugte Wärme wird in den Kohlenstoffkontakt abgeführt. Die zwischen
dieser Isotherme und der Kontaktfläche erzeugte Wärme wird dagegen über die Kontaktfläche
in den Kupferkontakt abgeleitet. Somit sind bei einem unsymmetrischen Kontakt zwei
Temperaturen von Interesse: die höchste Temperatur im Kohlenstoff und die Temperatur der
Kontaktfläche, welche der höchsten Temperatur des Kupfers entspricht. Das bedeutet, dass
durch eine Verringerung des spezifischen elektrischen Widerstandes des Kohlenstoffes
und/oder eine Verbesserung seiner Wärmeleitfähigkeit die Erwärmung des Fahrdrahtes
reduziert werden kann, denn damit wird der Anteil der im Kohlenstoff erzeugten und in das
Kupfer abgeleiteten Wärme verkleinert. Das kann durch eine Imprägnierung mit Leichtmetall
wie Aluminium oder Magnesium erzielt werden [1]. Gleichzeitig wird damit der Nachteil
einer Kupferimprägnierung, nämlich die Zunahme der Masse, verringert.
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T
C
ϕ
0
Kohlenstoff
Φ l1
I
∆T
= T −
1 θ
T C
U1
= ϕ − ϕ
1
0
∆
T 2
= T
θ −
T θ
T
T ϑ
ϑ
Φ l2
I
ϕ
1
U
2
ϕ
2
= ϕ − ϕ
2
1
S 3
Φ l3 I
dT
dr
T
Kupfer
∆T3 = Tϑ
− T Cu
T Cu
A 3
dϕ
ϕ
U3
ϕ
3
ϕ
= ϕ − ϕ
3
2
Abbildung 9: Thermisches und elektrisches Feld eines unsymmetrischen Kontaktes
(Kohlenstoff – Kupfer).
Es ist also möglich, die maximalen Temperaturen von Fahrdraht und Schleifleiste im
Stillstand und mit gewissen Einschränkungen auch bei Fahrt zu berechnen. Damit können
tendenzielle Aussagen zum elektrischen Verschleiß im störungsfreien Betrieb gemacht
werden.
Die Tabelle 3 enthält die Ergebnisse einiger ausgewählten Berechnungen im Stillstand. Ab
einer Temperatur von 350 °C ist bei Luftzutritt mit einer verstärkten Oxidation des
Kohlenstoffes zu rechnen [4]. Diese Temperatur wird an der Kontaktfläche bei einer
Kontaktspannung von 2,7 V erreicht. Das Kupfer erwärmt sich auf seine
Entfestigungstemperatur von 180 °C bei einer Kontaktspannung von 1,8 V. Bei den
Messungen im Stillstand wurden Kontaktspannungen bis 2,0 V ermittelt. Die
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Schmelztemperatur des Kupfers beträgt 1083 °C, welche schon bei einer Spannung von 2,2 V
erreicht wird.
Tabelle 3: Kritische Kontaktspannung und maximale Temperatur der Schleifleiste.
Oxidationsanstie
g des
Kohlenstoffes
Entfestigung des
Kupfers
Schmelzen des
Kupfers
Temperatur T 350 °C 190 °C 1083 °C
spez. elektrischer Widerstand des
Kupfers bei T
spez. elektrischer Widerstand des
Kohlenstoffes
ρ Cu
ρ C
4,01⋅10-8 Ωm 2,93⋅10-8 Ωm 21,3⋅10-8 Ωm
3,5⋅10 -5 Ωm
Temperatur Fahrdraht ϑ FD 80 °C
Temperatur Schleifleiste ϑ SL 100 °C
kritische Kontaktspannung U K 2,7 V 1,8 V 2,2 V
max. Temperatur Schleifleiste ϑ SLmax 1580 °C 700 °C 1520 °C
5 Zusammenfassung
Zur gezielten Optimierung des Systems sind umfangreiche und detaillierte Kenntnisse zum
Kontaktverhalten von Fahrdraht und Schleifleiste zwingend erforderlich. Mit dem
vorgestellten Versuchsstand kann der Kontaktwiderstand unter verschiedenen
Randbedingungen gemessen werden. Die Messergebnisse liegen im Bereich der Messungen
anderer Institutionen. Mit den vorliegenden Ergebnissen können Tendenzen zum Einfluss der
wichtigsten Parameter auf den Kontaktwiderstand angegeben werden. Der Spannungsfall über
dem Kontakt bildet den Ausgangspunkt zur Berechnung der maximalen Temperaturen des
Kontaktbereiches. Aufgrund der ermittelten Temperaturen sind tendenzielle Aussagen zum
elektrischen Verschleiß von Fahrdraht und Schleifleiste möglich.
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6 Literatur
[1] Bachinger, F., U. Ringleb, U. Wiessler & W. Weigel, 2001, Einsatz von Kohlenstoffkeramik
für die elektrische Traktion, ZEV + DET Glasers Annalen 125(11), 507-511.
[2] Kießling, F., R. Puschmann, A. Schmieder & P. Schmidt, 1998, Fahrleitungen elektrischer
Bahnen – Planung, Berechnung, Ausführung (Teubner, Stuttgart, Leipzig, 2 Aufl.).
[3] Pintscher, F., 2003, Kontaktvorgänge und Verschleißverhalten des Systems Fahrdraht –
Schleifleiste (Dissertation, TU Dresden, Fak. Verkehrswissenschaften).
[4] Volkmann, W., 1980, Kohlebürsten – Untersuchungsergebnisse, Erfahrungen, Empfehlungen
(Schunk & Ebe, Gießen).
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