Fahrleitungen elektrischer Bahnen

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1 Fahrleitungen elektrischer Bahnen Planung Berechnung Ausführung Von Dr. Ing. Friedrich Kießling Siemens AG, Erlangen Dipl.-Ing. Rainer Puschmann Siemens AG, Erlangen Dr.-Ing. Axel Schmieder Siemens AG, Erlangen und Doz. Dr.-Ing. habil. Peter Schmidt Technische Universität Dresden 2., überarbeitete Auflage Mit 539 Bildern und 121 Tabellen B. G. Teubner Leipzig 1998

2 Inhaltsverzeichnis 1 Bahnenergieversorgungssysteme Aufgaben der Bahnenergieversorgung Bahnenergieversorgungsnetze Bahnstromarten Grundsätzlicher Aufbau der Bahnenergieversorgung Bereitstellen der Bahnenergie Verteilung der Bahnenergie Gleichstrom-Bahnnetze /3-Hz-Einphasenwechselstrom-Bahnnetze Bahnenergieerzeugung Arten der 162/3-Hz-Bahnenergienetze Hz-Einphasenwechselstrom-Bahnnetze /3-Hz-Bahnenergieversorgung der DB Energieerzeugung Energieübertragung und Streckenversorgung Normschaltanlagen 162/3 Hz der DB Funktion und Arten der Normschaltanlagen kV-Freiluftschaltanlagen kV-Innenraumschaltanlagen Eigenbedarfsversorgung Schutz Schaltanlagen-Informationsverarbeitungs-Anlage (Sch- In-A) Gebäude und Tragwerke Netzleittechnik Entwicklung] Aufgaben und Aufbau Ortssteuereinrichtungen und Fernwirklinien Fernwirktechnik der Sch-In-A Umsetzer, Fernwirkknoten und Unterleitstellen Zentralschaltstellen Schalt- und Netzbefehlsstellen kV-50-Hz-Bahnenergieversorgung der Strecke Madrid - Sevilla Streckenversorgung und -schaltung Unterwerke und Komponenten DC-750-V-Bahnenergieversorgung der Untergrundbahn in Ankaray Streckenversorgung und Schaltung Unterwerke und Komponenten... 36

3 x Inhaltsverzeichnis 1.6 Literatur Anforderungen und Vorgaben Anforderungen an Fahrleitungen Allgemeines Mechanische Anforderungen Elektrische Anforderungen Umgebungsbedingte Anforderungen Anforderungen aus Betrieb und Instandhaltung Bahnbau- und betriebstechnische Vorgaben Oberbau Lichtraumprofile Trassenführung Fahrgeschwindigkeiten Klimatische Vorgaben Temperaturen Windgeschwindigkeiten Eisbehang Atmosphärilien Blitzüberspannungen Vorgaben durch die Stromabnehmer Aufbau und Funktion Eigenschaften von Schleifleisten Kraftwirkung zwischen Stromabnehmer und Oberleitung Statische Anpreßkraft Aerodynamische Anpreßkraft Fahrdynamische Anpreßkraft Sicherheitstechnische Vorgaben Normen Beanspruchung und Festigkeit Isolationskoordination Schutz gegen elektrischen Schlag Schutz gegen elektrischen Schlag durch direktes Berühren 62 Schutz gegen elektrischen Schlag bei indirektem Berühren 64 Schutz gegen elektrischen Schlag durch das Schienen- potential Umweltverträglichkeit Umweltfreundlichkeit der Elektrotraktion Landschaftsverbrauch Natur- und Vogelschutz Asthetik Elektrische und magnetische Felder Physikalische Kenngrößen von Werkstoffen Literatur... 71

4 Inhaltsverzeichnis 3 Fahrleitungssysteme und Oberleitungsbauweisen 3.1 Begriffe Oberleitungsbauweisen Drähte und Seile Drähte Seile Einfachoberleitungen Einpunktaufhängung mit fest abgespanntem Fahrdraht Pendelaufhängung mit oder ohne automatische Nachspannung Gleitende Aufhängung Elastische Stützpunkte Einfachoberleitung mit Beiseil Hochkettenoberleitungen Kettenwerk mit Hänger am Stützpunkt Kettenwerk mit versetzten Stützpunkthängern Kettenwerk mit Y-Beiseil Kettenwerk mit windschiefer Anordnung Kettenwerk mit elastischen Hängerelementen Kettenwerk mit Hilfstragseil Flachkettenoberleitungen Stromschienen Stromschienenarten Errichten und Betreiben von Stromschienenanlagen Stromschienenoberleitungen Literatur... xi Aufbau von Längskettenwerken und Quertrageinrichtungen Längskettenwerke Aufbau Wahl der Oberleitungsbauweise Wahl der Leiterquerschnitte und Zugkräfte Wahl der Längsspannweite Systemhöhe Kettenwerke im Tunnel Vordurchhang Hängerteilung Verwendung eines Y-Beiseils Wahl der Nachspannlänge Verbindende und isolierende Überlappungen Konstruktive Durchbildung Festpunkte Bewegliche Nachspannung Feste Endverankerungen

5 xii Inhaltsverzeichnis Hänger Elektrische Verbindungen Elektrische Trennungen Schutzstrecken und Phasentrennstellen Quertrageinrichtungen Schwenkausleger Ausleger über mehrere Gleise Quertragwerke Gestaltung Konstruktive Durchbildung Querjoche Bogenabzug Quertrageinrichtungen im Tunnel Bahnenergieleitungen Führung und Befestigung von Bahnenergieleitungen Signale der elektrischen Zugförderung Hindernisse gegen ungewolltes Berühren Bauteile und -elemente Oberleitungsschalter Isolatoren Aufgaben und Beanspruchung Isoliermaterialien Ausführungsformen und Anwendung Elektrische und mechanische Bemessung Auswahl und Anwendung Klemmen und Verbindungsteile Aufgaben und Bemessung Werkstoffe Längskettenwerk Rohrschwenkausleger Quertragwerk Systematisierung der Oberleitungen und ihrer Komponenten Ausgeführte Anlagen Anlagen für Nahverkehr Anlagen für Fernverkehr Oberleitungen für DC 3 kv Oberleitungen für AC 162/3 Hz kv Oberleitungen für 25 kv/50 Hz Literatur Berechnung von Längskettenwerken Lastannahmen Eigenlasten Zugkräfte und deren Komponenten

6 Inhaltsverzeichnis xiii Zugkräfte in Seilen und Drähten Komponenten von Leiterzugkräften Windlasten Eislasten Durchhang Einfachleiter Gleich hohe Aufhängepunkte Ungleich hohe Aufhängepunkte Kettenwerk Zustandsgleichung Windabtrieb Windabtrieb in der Geraden Windabtrieb und Fahrdrahtseitenlage im Gleisbogen Fahrdrahtlage ohne Windeinwirkung Fahrdrahtlage mit Windeinwirkung Windabtrieb im Kettenwerk Längsspannweiten und Nachspannlängen Größte Längsspannweiten Arbeitsbereich der Stromabnehmerwippe Seitenbewegung des Fahrzeuges Fahrdrahtgrenzlage bei Wind Ermitteln der Längsspannweiten Ermitteln der Nachspannlängen Literatur Projektierung von Oberleitungen Ziel und Ablauf Grundlagen und Ausgangsdaten Allgemeines Technische Anforderungen Planungsunterlagen Neue Strecken Bestehende Strecken Umbauten Gleise und Topographie Schaltung der Oberleitung Fahrdrahtseitenlage und Horizontalkräfte Festlegen der Längsspannweiten Nachspannlängen Überlappungsbereiche Überspannung von Weichen Bezeichnung und Darstellung von Weichen Prinzipien der Weichenbespannung Klemmenfreier Raum

7 xiv Inhaltsverzeichnis Gestaltung der kreuzenden Weichenbespannung Festlegung der Weichenstützpunkte und der Fahrdrahtkreuzung 241 Höhenlage der Fahrdrähte im Weichenbereich Tangentiale Weichenbespannung Zwangspunkte für die Bespannung Weichen Signale und Signalsicht Bahnübergänge Kunstbauten Elektrische Trennungen in Bahnhöfen und auf freien Strecken Lagepläne Oberleitungssymbole Bespannungspunkte und Maststandorte Einzelmasten Quertragwerke Mehrgleisausleger Joche Tunnelstützpunkte Elektrische Verbindungen Stromrückführung und Schutzerdung Signale der elektrischen Zugförderung Ausführung von Lageplänen Querprofilplan Mastarten und ihre Einordnung Mastbild Schalterleitungen, Masttrennschalter Mastlängenermittlung Ausleger Mast- und Gründungsauswahl Quertragwerke Joche Längsprofile Hängeranordnung Kettenwerksabsenkungen Bahnenergieleitungshöhenplan Mindestabstände zu Oberleitungen- und Bahnenergieleitungen Bahnenergieleitungen Einführung Leitungsführung Abstandsnachweise Projektdokumentation Rechnergestützte Projektierung Ziele Struktur und Module

8 Inhaltsverzeichnis xv Datenhaltung Hard- und Software Anwendung Literatur Quertragwerke. Masten und Gründungen Lastannahmen Ständige Lasten Veränderliche Lasten Windlasten Eislasten Gleichzeitige Wirkung von Wind und Eis Lasten aus Montage und Instandhaltung Arten der Quertrageinrichtungen und Masten Quertrageinrichtungen Rohrschwenkausleger Ausleger über mehrere Gleise Flexible Quertragwerke Joche Masten Mastarten Lastannahmen Ausführungen und Materialien Bemessung der Quertragwerke Ausleger Belastung und Schnittkräfte Herkömmliche Bemessung Bemessung nach Eurocode Flexible Quertragwerke Belastung, Schnittkräfte und Durchhang der Quertragseile Einbauhöhe, Ermittlung der Mastlängen Belastung und Schnittkräfte der Richtseile Bemessung der Quertragseile, Richtseile und Tragwerke Flachkettenverspannungen Auslegung der Masten Bestimmung der Mastbauhöhe Belastung und Schnittlasten Querschnittsbemessung Stahlgittermasten Rahmenflachmasten Masten aus Doppel-T-Trägern Stahlbetonmasten Durchbiegung

9 xvi Inhaltsverzeichnis 7.6 Baugrund Gewachsener Boden Nichtbindige Böden Bindige Böden Organische Böden Fels Geschütteter Boden Baugrunderkundung Gewinnung von Bodenproben Probebohrungen Sondierbohrungen Sondierungen Rammsonden nach DIN Standard penetration test Auswertung der Bodenerkundung Bodenkennwerte Praktische Anwendungen Gründungen Grundlagen der Auslegung Blockgründungen ohne Stufen Blockgründungen mit Stufen Rammpfahlgründungen Ankergründungen Beispiel Daten der Oberleitung Bemessung nach herkömmlichen Regeln Belastungen Mast Ausleger Bemessung nach Europäischen Normen Belastungen Mast Ausleger Gründung Literatur Sonderkonstruktionen Instandhaltungsanlagen Tunnelverschlüsse Systemübergänge Systemtrennstellen auf freien Strecken Systemwechselbahnhöfe Bewegliche Brücken Konstruktive Ausführung

10 Inhaltsverzeichnis xvii Klappbrücken Drehbrücken Hubbrücken Schaltung und Signalisierung Niveaugleiche Kreuzungen von Bahnen unterschiedlicher Energieversorgungssysteme Eisenbahn-Straßenbahn-Kreuzungen Straßenbahn-Obus-Kreuzungen Durchfahrt von Großraumtransporten an niveaugleichen Bahnübergängen Durchfahrt ohne Veränderung der Fahrdrahthöhe Änderung der Fahrdrahthöhe durch technologische Maßnahmen Änderung der Fahrdrahthöhe durch Sonderkonstruktionen Oberleitungslücken Vertikal verschiebbare Ausleger Vertikal schwenkbare Ausleger Containerbahnhöfe, Lade- und Kontrollgleise, Grubenbahnen Verschwenkbare Oberleitung Schaltungen für Lade- und Kontrollgleise Schwenkstrosse und seitliche Oberleitung Literatur Zusammenwirken von Stromabnehmern und Oberleitung Einführung Technische Grundlagen Ausbreitung transversaler Impulse längs eines gespannten Fahrdrahtes Verhalten des gespannten Fahrdrahtes bei Belastung mit einer längsbeweglichen, konstanten Kraft Fahrdrahtanhub bei hohen Geschwindigkeiten Reflexion von längs des Fahrdrahtes laufenden Transversalimpulsen an einer Masse Reflexion von längs des Fahrdrahtes laufenden Transversalimpulsen an einem Hänger Dopplerfaktor Eigenfrequenzen eines Kettenwerkes Dynamische Kenndaten einiger Oberleitungen Simulation des Zusammenwirkens von Oberleitungen und Stromabnehmern Aufgaben und Ziele Stromabnehmernachbildung Kettenwerksnachbildung Modellierung mit Finite-Elemente-Methode Analytische Lösung im Frequenzbereich Methode der frequenzabhängigen finiten Elemente

11 xviii Inhaltsverzeichnis Modellierung auf der Basis der d Alembertschen Wellengleichungen Modellierung für die Oberleitung mit frequenzabhängigen finiten Elementen Mathematische Beschreibung Rechenbeispiel für Eigenfrequenzen Kontaktkraftberechnung Beispielrechnungen Messungen und Prüfungen Einführung Messung der Kontaktkraft Meßtechnik Meßgrößen Bewertung der Meßergebnisse Messung der Eigenschaften von Oberleitungen und Stromabnehmer Beurteilung der Lage der Oberleitung Beurteilung der dynamischen Eigenschaften eines Stromabnehmers Messung des Fahrdrahtanhubs Einfluß der Konstruktionsparameter Kriterien für die Gestaltung von Oberleitungen Elastizität und Anhub Dynamische Kriterien Konstruktionsparameter einer Oberleitung Querschnittsabmessungen und Zugspannungen Spannweite und Systemhöhe Vordurchhang und Beiseile Einfluß der Reguliergenauigkeit Konstruktionsparameter eines Stromabnehmers Konstruktionseigenschaften Fahren mit mehreren Stromabnehmern Werkstoffe für Schleifstücke und Fahrdrähte Schlußfolgerungen Grenzen der Leistungsübertragung mit Oberleitung und Stromabnehmer Vorgaben für die Oberleitung Vorgaben für die Stromabnehmer Vorgaben für das Zusammenwirken von Oberleitung und Stromabnehmer Literatur

12 Inhaltsverzeichnis xix 10 Strom und Spannung im Fahrleitungsnetz Elektrotechnische Eigenschaften von Fahrleitungen Impedanzen Resistanzbelag Induktivitätsbelag Impedanzbelag Messung von Fahrleitungsimpedanzen Berechnete und gemessene Impedanzbeläge Ableitungsbelag Gleis-Erde Kapazitätsbeläge Spannungshaltung im Fahrleitungsnetz Grundlagen Berechnen der Spannungsfälle Einseitige Speisung Zweiseitige Speisung Weitere Berechnungsalgorithmen Betriebsströme in Fahrleitungsnetzen Zugströme Ströme im Fahrleitungsabschnitt Bahnen des allgemeinen Verkehrs Bahnen des Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungs- Verkehrs Fahrleitungsschaltungen Anforderungen an Fahrleitungsschaltungen Grundschaltungen Fahrleitungsschaltung bei der DB Schalter Literatur Stromtragfahigkeit und Schutz Stromtragfähigkeit von Fahrleitungen Bahnbelastung elektrischer Bahnen Bahnen des allgemeinen Verkehrs Bahnen des Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungs- Verkehrs Kurzschlußbelastung Strombelastbarkeit Differentialgleichung der Fahrleitungserwärmung Einflußfaktoren auf die Strombelastbarkeit Dauerstrombelastbarkeit Kurzzeitstrombelastbarkeit und Referenzbelastbarkeit Kurzschlußstrombelastbarkeit Thermische Bemessung Vergleich der Belastung und der Dauerstrombelastbarkeit 544

13 xx Inhaltsverzeichnis Vergleich von Belastungs- und Belastbarkeitskennlinien Einfluß der Temperatur auf die Fahrdrahteigenschaften Einführung Metallkundliche Grundlagen Einfluß auf die Festigkeit Einfluß der Erwärmungsdauer auf die Festigkeit Erwärmung und Entfestigung von Fahrdrähten an Stellen erhöhten Verschleißes und an Klemmen Fahrdrahtfestigkeit an der Kontaktstelle Fahrdraht - Schleifstück Schlußfolgerungen Fahrleitungsschutz und Fehlerortung Aufgaben des Fahrleitungsschutzes Oberleitungsschutz bei der DB Fehlerortung Literatur Stromrückführung und Erdung Einführung Grundlagen Die Erde als Leiter Spezifischer Erdwiderstand Gleis-Erde-Schleife Gleichstrombahnen Einphasenwechselstrombahnen Erder im Bahnbereich Ausbreitungswiderstände von Masterden Wirksamer Ableitungsbelag Gleis-Erde-Spannung Gleis-Erde-Spannung bei Betriebsbelastung Gleis-Erde-Spannung bei Kurzschlüssen Gleichstrombahnen Streustromkorrosion Einfluß der Polarität Schutzmaßnahmen gegen Streustromkorrosion Stromrückführung und Schutz gegen elektrischen Schlag Freie Strecke und Bahnhöfe Tunnel Werkstätten und Wagenhallen Empfehlungen Einphasenwechselstrombahnen Konzepte der Stromrückführung Boostertransformatoren Autotransformatoren Banderder

14 Inhaltsverzeichnis xxi Rückleitungsseile Stromrückführung und Erdung bei der DB Gleisstromkreise - Traktionsstromrückleitung und Bahnerdung Schienen- und Gleisverbinder Bahnerdung bei Bauwerken aus Beton Stromrückleitung im Tunnel Literatur Fahrleitung als Beeinflussungsquelle Koppelmechanismen Beeinflussende Größen Betriebs- und Kurzschlußströme Höhere Harmonische Einphasenwechselstrombahnen Gleichstrombahnen Beeinflussung durch Einphasenwechselstrombahnen Galvanische Beeinflussung Induktive Beeinflussung Kapazitive Beeinflussung Elektrische und magnetische Felder im Fahrleitungsbereich Wirkungen von Feldern auf Menschen Wirkungen von Feldern auf Geräte Personen mit Herzschrittmachern Geräte der Informationstechnik und -verarbeitung Elektrische Bahnen als Quelle von Funkstörpegeln Schlußfolgerungen Literatur Errichten und Betreiben Errichten Liefer- und Prüfvorschriften für Bauteile Bau- und Montagearbeiten Gründungs- und Maststellarbeiten Montage und Regulierung der Oberleitungsstützpunkte und Kettenwerke Montage von Streckentrennern, Weichenkettenwerken, Bahnenergieleitungen und Bahnerden Abnahme und Inbetriebnahme Bedienen Ausbildung und Unterweisung des Personals Elektrotechnische Verhaltensnormen und dienstliche Richtlinien Schalten Unregelmäßigkeiten und ihre Erfassung

15 xxii Inhaltsverzeichnis 14.3 Verschleiß und Alterung Betonmasten und -fundamente Stahlmasten, Ausleger und andere Trageinrichtungen Bahnstromleitungen, Tragseile. Hänger und Stromverbinder Fahrdrähte Isolatoren Trennschalter und Streckentrenner Instandhalten Zuverlässigkeit Diagnostik Statistische Erfassung und Auswertung von Störungen Instandsetzungen Recycling und Entsorgung Demontage Recyclinggerechtes Aufbereiten und Entsorgen der Materialien Mittel zum Errichten und Instandhalten Werkzeuge und Geräte Sonderfahrzeuge Meß- und Diagnosemittel Lebenszyklus-Betrachtung Literatur Anhang 1: Normen und Vorschriften Anhang 2: Mehrfach verwendete Abkürzungen St ichwortverzeichnis 709