1 Einphasen-Wechselstromsysteme Hz

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1 Inhaltsverzeichnis 1 Einphasen-Wechselstromsysteme Hz Energieerzeugung und -verteilung Energieerzeugung Energieverteilung Unterwerke, Schaltposten und Kuppelstellen Oberleitungen und Speiseleitungen Rückstromführung Rückstromführung und Erdung auf Strecken mit Gleisstromkreisen Rückstromführung auf den Neubaustrecken Schutz der Oberleitungen Komponenten des Schutzsystems Kurzschluß-Schnellauslösestufe (K-Stufe) Impedanzschutz Überstromzeitstufe Überlaststufe Anfahrstufe Reserveschutz Übergeordneter Schutz

2 Erstellt v. Dipl.-Ing. (FH) H. Zinnbauer Einphasen-Wechselstromsysteme Hz 1.1 Energieerzeugung und -verteilung Energieerzeugung Die Verwendung eines Einphasen-Wechselstromsystems mit Hz Betriebsfrequenz bedingt den Bau besonderer Energieerzeugungs- und -verteilungsanlagen. Die Energieerzeugung erfolgt in Wärme- und Wasserkraftwerken sowie frequenzelastischen Umformersätzen als Kuppelglied zwischen der 50 Hz-Landesversorgung und der Hz-Bahnstromversorgung (z.b. Bahnstromumrichter in Karlsfeld bei München). Die Energieerzeuger speisen dabei in ein bahneigenes 110 kv- Hochspannungsnetz (Bahnstromnetz) ein. Eine erhöhte Versorgungssicherheit wird in Mitteleuropa durch einen Verbundbetrieb von Hochspannungsnetzen der Deutschen Bundesbahn, der österreichischen Bundesbahn und der Schweizer Bundesbahnen, die das gleiche Stromsystem verwenden, erreicht. Die bahneigene, hierarchisch gegliederte Netzbetriebsführung steuert die Energieerzeugung und -verteilung Energieverteilung Die Energieverteilung erfolgt wie bereits oben erwähnt über bahneigene Hochspannungsnetze mit folgenden Daten: Nennspannung Betriebsspannung höchste dauernd zulässige Betriebsspannung 110 kv 115 kv 125 kv Die Leiter-Erd-Spannung beträgt 55 kv. Die Bahnstromleitungen werden überwiegend als zweisystemige Ringleitungen und entsprechend der zu übertragenden Energie als Einzel- oder Bündelleiter ausgeführt. Randgebiete der Elektrifizierung werden über Stichleitungen versorgt. Das Bahnstromnetz wird als gelöschtes Netz betrieben. Der Mittelpunkt des Leitungssystems, gebildet durch sog. Mittelpunktsbildner oder Umspanner mit Mittelanzapfung, wird über mehrere im Netz verteilte Erdschlußkompensations-Drosselspulen (Petersen-Spulen) geerdet und die auftretenden Erdschlußwischer verlöschen selbsttätig. Zur Erfassung von Dauererdschlüssen ist bei der DB im Unterwerk Steinbach am Wald eine selbsttätige Doppelerdschlußschaltung eingebaut, die auch für das galvanisch

3 gekoppelte Netz der ÖBB wirksam ist. Die selbsttätige Doppelerdschlußschaltung hat die Aufgabe, einen im Bahnstromnetz auftretenden Dauererdschluß, sofern dieser länger als 5s ansteht, durch Erden der erdschlußfreien Phase zum Doppelerdschluß zu erweitern. Erst durch die Einleitung eines Doppelerdschlusses ist eine selektive Erfassung und Abschaltung des im Netz aufgetretenen Dauererdschlusses erreichbar. Nach der selektiven Freischaltung des fehlerbehafteten Leitungsabschnittes wird die Doppelerdschlußschaltung selbsttätig aufgehoben. 1.2 Unterwerke, Schaltposten und Kuppelstellen In den Unterwerken wird die Bahnstromenergie von 110 kv auf 15 kv abgespannt. Je nach Lage, geforderter Betriebssicherheit und Leistungsbedarf werden die Unterwerke durch Stich- oder Ringleitungen des Bahnstomnetzes versorgt und mit zwei oder drei, maximal jedoch vier Unspannern mit je 10 oder 15 MVA ausgerüstet. Die Betriebssicherheit erfordert, daß mindestens zwei Transformatoren je Unterwerk eingesetzt werden. Die Anzahl der maximal parallel betriebenen Transformatoren wird durch die Höhe der unterwerksnahen Kurzschlußströme begrenzt. In der Regel werden leistungsstarke Unterwerke mit drei Transformatoren ausgerüstet. Fahrbare Unterwerke können kurzfristig sowohl als Ersatz wie auch zur Verstärkung eingesetzt werden. Auf der 15 kv-seite sind die Oberleitungsabzweige mit Sammelschienentrennern, Leistungsschaltern, Meßwandlern sowie einer Prüf- und einer Betriebsschiene dargestellt. Das 15 kv-sammelschienensystem wird entsprechend der Unterwerksbelastung und der verkehrstechnischen Einbindung unter Berücksichtigung der Betriebssicherheit auch mit mehreren Betriebsschienen sowie Prüf- und Ersatzschiene ausgerüstet. Der Abstand zwischen zwei Unterwerken richtet sich nach der Verkehrsbelastung der zu speisenden Strecken und kann zwischen 40 und 60 km schwanken. In Ausnahmefällen, bei Strecken mit geringer Verkehrsbelastung, kann der Unterwerksabstand auf etwa 70 km erhöht werden. Zwischen den Unterwerken werden aus betrieblichen oder aus schutztechnischen Gründen Schaltposten oder Kuppelstellen eingebunden. In großen Bahnhöfen mit vielen Schaltgruppen oder bei Streckenverzweigungen werden im allgemeinen Schaltposten eingerichtet. Schaltposten sind entsprechend den Unterwerken aufgebaut, besitzen jedoch keine 110 kv-einspeisung und keine Transformatoren, sondern werden über Speiseleitungen oder direkt aus dem Oberleitungsnetz vom nächsten Unterwerk versorgt. Sie speisen über Leistungsschalter die Bahnhofsschaltgruppen oder die Streckenabschnitte. Bei großen Unterwerksabständen und / oder stark belasteten Strecken ist meistens in der Mitte des Streckenabschnittes, häufig an einer Strecken- 2

4 trennung eines Bahnhofs, eine Kuppelstelle angeschlossen. Die Kuppelstelle ermöglicht die selektive Längs- und Querkupplung. Unterwerksferne Kurzschlüsse im Oberleitungsnetz, deren Kurzschlußstrom in der Größenordnung des Betriebsstromes liegt, werden durch den Kuppelschalter und dem entsprechenden Unterwerksspeiseschalter selektiv freigeschaltet. Zusätzlich zu dieser schutztechnischen Funktion bringt die Kuppelstelle die Möglichkeit einer engeren Vermaschung des Oberleitungsnetzes und somit die Verringerung der Fahrleitungsverluste mit sich. 1.3 Oberleitungen und Speiseleitungen Die 15 kv-sammelschiene der Unterwerke versorgt über Leistungsschalter und Speiseleitungen das Oberleitungsnetz. Innerhalb der Bahnhöfe ist das Oberleitungsnetz entsprechend der betrieblichen Notwendigkeit und der Anzahl der Gleise in mehrere Schaltgruppen unterteilt. Diese Schaltgruppen sind gegeneinander und gegenüber der freien Strecke elektrisch getrennt. Wachsende Streckenbelastung und der Einsatz neuer leistungsstarker Triebfahrzeuge führt häufig zu erheblichen Spannungsunterschieden an diesen Trennstellen. Um die üblichen Unterwerksabstände auch in diesen Fällen beibehalten zu können, werden die Oberleitungen der Hauptgleise der Bahnhöfe und die Oberleitungen der freien Strecke beider Fahrtrichtungen miteinander verbunden (Querkupplung) und die Oberleitung der freien Strecke über einen gemeinsamen Leistungsschalter versorgt. Speiseleitungen werden an den Oberleitungsmasten mit Auslegern oder unmittelbar auf Stützisolatoren (Stützern) befestigt. Sie versorgen Schaltposten und Oberleitungsabschnitte, die nicht in unmittelbarer Nähe des Unterwerkes beginnen, dienen als Verstärkungsleitungen auf Steigungsstrecken sowie als Umgehungsleitungen von Bahnhöfen und zur Notversorgung eingleisiger, einseitig gespeister Strecken. Die Nennströme der Streckenabzweige liegen im allgemeinen zwischen 640 und 1600 Ampere. Die üblichen Nennkurzschlußabschaltströme der Leistungsschalter betragen 20 bis 40 ka. Als größter Kurzschlußstrom werden 45 ka zugelassen. Nebenverbraucher wie Zugvorheiz- und Weichenheizanlagen sowie Akkumulatoren-Ladeanlagen werden ebenfalls aus dem Oberleitungsnetz gespeist. 1.4 Rückstromführung Beim einphasigen Wechselstrom-Bahnsystem wird die Energie dem Verbraucher über die Oberleitung zugeführt. Die Rückstromführung zum speisenden 3

5 Unterwerk übernehmen zum Teil die Fahrschienen und zum Teil das Erdreich. Zur Vermeidung gefährlicher Schritt- und Berührungsspannungen im Gleisbereich müssen die rückstromführenden Fahrschienen gut geerdet sein. Obwohl die einzelnen Schwellen und das Schotterbett einen relativ hohen elektrischen Widerstand haben, genügt zur Erreichung dieses Zieles im Regelfall die natürliche Erdung der Fahrschienen über die Schwellen und die Bettung, da der Gesamtwiderstand infolge der vielen Parallelschaltungen der Schwellen ausreichend klein ist. Die Höhe des Fahrstromes und die elektrisch leitfähige Umwelt der Bahnstrecke bestimmen die Maßnahmen der Rückstromführung. Um die Streckenspeiseverluste möglichst gering zu halten, ist ein kleiner elektrischer Widerstand der Rückstromleitung anzustreben. Dies wird erreicht, indem die durchgehend geschweißt hergestellten Fahrschienen so häufig wie möglich miteinander querverbunden werden. Bei mehreren für die Rückstromführung zur Verfügung stehenden Gleisen werden auch diese, mit Hilfe sogenannter Schienen- und Gleisverbinder aus verzinktem Stahldraht (10 mm 2 ) oder Stahlseil (95mm 2 ), die jeweils am Schienenfuß angeschweißt werden, untereinander querverbunden. Der so erzielbaren engen Vermaschung der Gleise sind allerdings durch die jeweils installierten Eisenbahnsicherungsanlagen mehr oder weniger enge Grenzen gesetzt. Ist eine geforderte enge Vermaschung aus Gründen der installierten Eisenbahnsicherungsanlagen nicht möglich, oder reicht die angesprochene enge Vermaschung zur Potentialsteuerung nicht aus, so müssen parallel zur Bahnstrecke metallene Leiter in Form von Stahlband- Erdern oder Kupferseilen mit Bleimantel in das Erdreich ca. 1m tief eingebracht werden oder besondere Rückleiterkabel bzw. Rückleiterseile zur Rückstromführung installiert werden. Alle vorgenannten Rückleitungen müssen möglichst oft mit der sog. Erdschiene eines Gleises, bei der zweigleisigen Strecke ist das in der Regel die äußere Schiene, direkt verbunden werden. Alle im Oberleitungsschutzbereich befindlichen Metallteile müssen an dieser Erdschiene bahngeerdet werden. Daß im allgemeinen nur eine Fahrschiene eines Gleises als Erdschiene Verwendung finden kann, hängt mit der Wirkungsweise der Signalstromkreise, die ebenfalls die Fahrschienen als Leiter verwenden, zusammen Rückstromführung und Erdung auf Strecken mit Gleisstromkreisen Werden als Sicherungsanlagen von der Signaltechnik Gleisstromkreise eingesetzt, so erfordert dies eine elektrische Abgrenzung der Gleisfreimeldeanlagen durch den Einbau von Trennstößen. Diese Gleisisolierung verhindert die üblicherweise mögliche Zurückführung des Triebrückstromes zum spei- 4

6 senden Unterwerk. Die Gleisanlagen können in Bahnhöfen einschienig und auf der Strecke zweischienig isoliert sein. Die Rückstromführung wird durch den Einbau von Gleisverbindern sichergestellt. An den Enden der Isolierabschnitte kann die Rückstromführung beispielsweise von Drosselstößen übernommen werden, die aus zwei Gleisdrosseln und zwei isolierten Schienenstößen bestehen. Die Gleisdrosseln bieten dem Rückstrom aufgrund der gegensinnigen Durchflutung der beiden Drosselhälften und dem sehr geringen ohmschen Widerstand kein Hindernis. Für den Signalstrom, der beide Wicklungshälften gleichsinnig durchfließt, ist der induktive Widerstand voll wirksam Rückstromführung auf den Neubaustrecken Für Neubaustrecken, bei denen die DB mit Traktionsströmen bis zu 2000 A rechnet, erfordern Kunstbauten, felsiger Untergrund und die Verwendung von Oberbaumaterialien, die zu einer höheren Isolierung des Oberbaus führen, die zusätzliche Erdung aller Gleise. Aus diesem Grund wurde hierfür ein erweitertes, einheitliches Erdungssystem für die Fahrschienen ebenso wie für die Schutz- und Betriebserdungen von 50 Hz-Energieanlagen sowie Signal- und Nachrichtenanlagen erforderlich. Dazu gehört, daß auf der freien Strecke außerhalb der Bettung auf beiden Seiten je Gleis ein Erder aus feuerverzinktem Bandeisen (30 mm x 4 mm) mit mindestens 70 pm Zinkauflage verlegt wird. Außerdem werden Stahlkonstruktionsteile und Bewehrungen erdfühliger Bauwerke als natürliche Erder benutzt; andere Bauwerksteile werden durch Erdungsleitungen auf gleiches Potential gebracht. Als Signalsystem kommen codierte Tonfrequenzgleisstromkreise mit elektrischen Trennstößen, die keine mechanischen Isolierstöße zur elektrischen Trennung benachbarter Freimeldeabschnitte benötigen, zum Einsatz. 2 Schutz der Oberleitungen Moderne, leistungsstarke Triebfahrzeuge und hohe Streckenbelastungen erfordern leistungsstarke Unterwerke, deren enge Vermaschung im Störungsfall Kurzschlußströme bis ca. 40 ka bewirkt. Die sichere Betriebsführung sowie der Schutz der Oberleitungen mit ihrer begrenzten thermischen Belastbarkeit erfordern ein sensibles und abgestimmtes Schutzsystem, welches aus den Hauptbaugruppen 1. Oberstromwandler mit je einem Kern für Haupt- und Reserveschutz, 2. Leistungsschalter mit Haupt- und Reserveauslöser und 5

7 3. elektronischen Schutzrelais besteht. Als Trennglied zwischen speisendem Unterwerk und zu schützender Oberleitung dienen die Einspeise-Leistungsschalter. Kurzschlußströme bis 40 ka werden durch Druckluft-Leistungsschalter mit Druckluftantrieb oder Vakuum-Leistungsschalter mit Motorantrieb innerhalb von max. zwei Halbwellen, also spätestens nach 60 ms, abgeschaltet. Dies wird durch die Leistungsschalter mit Schaltereigenzeiten von 10+6 ms beim Druckluft- Leistungsschalter bzw. 15*3 ms beim Vakuum-Leistungsschalter und Lichtbogenmindestlöschzeiten von 4 bis 6 ms beim Druckluft-Leistungsschalter sowie 2 bis 3 ms beim Vakuum-Leistungsschalter erreicht Komponenten des Schutzsystems Der aus einzelnen Funktionsbausteinen beliebig, je nach Bedarf, zusammenstellbare Oberleitungsschutz der elektronischen Generation verfügt über folgende Komponenten: 1. Kurzschluß-Schnellauslösestufe oder K-Stufe 2. Erste Distanzstufe (z1), Schnellstufe 3. Zweite Distanzstufe (z2), Staffelstufe 4. Überstromzeitstufe 5. Überlastschutz 6. Anfahrstufe 7. Reserveschutz als Überstromzeitstufe Kurzschluß-Schnellauslösestufe (K-Stufe) Sehr hohe Kurzschlußströme bis zu 40 ka, die insbesondere in der Nähe leistungsstarker Speisestellen auftreten, können zu schweren Schäden an der Oberleitung führen und müssen unverzüglich abgeschaltet werden. Die vollelektronische Bauweise der K-Stufe erlaubt in Verbindung mit einem Thyristorauslöser Kommandozeiten von 1 Millisekunde (ms) und, unterstützt von einem schnellen Leistungsschalter, Abschaltzeiten von max. 60 ms. Die Stufe arbeitet richtungsunabhängig, um die Richtungsbestimmungszeit einzusparen. 6

8 2.0.5 Impedanzschutz Der zweistufige Impedanzschutz arbeitet richtungsabhängig nach dem Unterimpedanzverfahren. Mißt das Meßglied eine Unterschreitung der Impedanzwerte z1 oder z2, die aufgrund der bekannten spezifischen Streckenimpedanz, multipliziert mit der Länge der zu schützenden Strecke eingestellt sind, so erkennt es Kurzschluß, und gibt den Aus-Befehl an den Leistungsschalter. Die Schnellstufe oder z1-stufe reicht bis zum nächsten Leistungsschalter; zum Beispiel vom Unterwerk bis zur Kuppelstelle. Mit dem gleichzeitigen Richtungsentscheid gibt sie unverzögert, das heißt nach 20 bis 30 ms, das Aus-Kommando. Die Einstellung z1 gilt für den Normalfall, das heißt für die quergeschaltete zweigleisige Strecke. Wird ein Teil eines Gleises spannungsfrei geschaltet, und entsteht damit ein sogenannter Flaschenhals, dann erhöht sich die Streckenimpedanz wegen der fehlenden Parallelimpedanz. Für diese Fälle besteht die Möglichkeit, am Schutzeinschub direkt oder über Fernwirktechnik den Wert der Impedanz von z1 auf z1 zu erhöhen. Die Staffelstufe oder z2 reicht bis zur übernächsten Sammelschiene. Sie gibt um eine einstellbare Zeit t 2 von etwa 300 ms verzögert nach dem Richtungsentscheid das Aus-Kommando an ihren Leistungsschalter. Auch hier ist, wie bei z1, eine Umstellung auf z2 möglich. Versagt bei einem Kurzschluß zwischen Unterwerk und der Kuppelstelle in der Kuppelstelle der Leistungsschalter, so löst im Unterwerk der Leistungsschalter unverzögert mit z1, im nächsten Unterwerk der Leistungsschalter nach 300 ms mit z2 aus Überstromzeitstufe Fällt im Hauptschutz die Impedanzmessung aus, so wird eine Überstromzeitstufe aktiviert, die nach t 1 Sekunden den Leistungsschalter ausschaltet, wenn während dieser Zeit ein einstellbarer Stromgrenzwert überschritten wurde. Sie deckt den Bereich wie z2 ab. Die vorstehend beschriebenen Schutzkomponenten zählen zum Kurzschlußschutz Überlaststufe Heute erreichen bei vielen Strecken die auftretenden Betriebsströme unter Umständen schon Spitzenwerte von 2000 Ampere und mehr. Derart hohe Ströme würden jedoch bei einer längeren Dauer zu einer starken Erwärmung 7

9 der Oberleitung führen. Ab einer Grenztemperatur, je nach Konstruktionsdaten der Oberleitung entweder 55 C oder 70 C, wären unzulässige Geometrieänderungen des Kettenwerkes möglich. Die Überlaststufe gibt, je nach Größe und Dauer des fließenden Betriebsstromes, in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur bei Überlastung ein verzögertes Aus-Kommando. Nach einer Abkühl- oder Sperrzeit von einigen Sekunden kann der Leistungsschalter wieder zugeschaltet werden. Dies ist keine vollkommene Lösung, da die Außentemperaturmessung nur punktförmig erfaßt wird und das zu schützende Objekt sich über viele Kilometer erstreckt, aber dennoch eine pragmatische Anfahrstufe Die thermische Ausnutzung der Oberleitung durch kurzzeitige hohe Betriebsstromspitzen erfordert die Unterscheidung zwischen Kurzschlußströmen und Betriebsströmen und die kontinuierliche Überwachung der thermischen Belastung der Oberleitung durch die Überlaststufe. Die Anfahrstufe unterscheidet nach zwei Kriterien, nämlich 1. durch Stromanstiegs- ( di dt ) Vergleich (Lösung A) oder 2. durch Vergleich der Amplituden- und Oberschwingungsflächenänderung (Lösung B), ob ein Kurzschluß oder eine Betriebsstromänderung vorliegen. Beim Kurzschluß bleibt die Verzögerungszeit der Impedanzstufe z2 bestehen, bei einer Betriebsstromänderung wird sie entsprechend der thermischen Vorbelastung auf 5 bis 30 s umgestellt Reserveschutz Völlig unabhängig vom vorstehend beschriebenen Schutz einschließlich seiner Peripherie löst beim Versagen des Hauptschutzes der Reserveschutz aus. Er ist nicht an den Schutzkern, sondern an einen besonderen Meßkern angeschlossen und löst mit separaten Aulösekontakten den Leistungsschalter über eine Hilfsauslösespule aus. Von der Funktion her ist er ein Überstromzeitschutz Übergeordneter Schutz Er besteht aus drei Komponenten und löst beim Ansprechen alle Leistungsschalter auf der 15 kv-seite und die 110 kv-leistungsschalter in den Umspannerabzweigen einer Schaltanlage aus. 8

10 1. Eine Schalterüberwachung kontrolliert, ob die vom 15 kv- Oberleitungs- und Umspannerschutz erteilten Aus-Kommandos innerhalb einer einstellbaren Zeit t ausgeführt wurden. 2. Der Sammelschienenschutz überwacht, ob ein Strom von der Gerüsterde zur Rückstromschiene fließt. Er spricht also bei Überschlägen von der Sammelschiene zur Gerüsterde an. Der Summenstromschutz überwacht mit einem Überstromzeitrelais, ob die Summe aller abfließenden Teilströme eines Unterwerkes kleiner als der maximal mögliche Summenstrom ist. 9