DE102004042101A1

DE102004042101A1 - Energieversorgung und Signalübertragung für Messtechnik auf Hochspannungspotential

Info

Publication number: DE102004042101A1
Application number: DE200410042101
Authority: DE
Inventors: Michael Kolbe; Günter Tiffe; Armin Döbler
Original assignee: Deutsche Bahn AG
Current assignee: Deutsche Bahn AG
Priority date: 2004-08-30
Filing date: 2004-08-30
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2024-08-31
Also published as: DE102004042101B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stromversorgung und Datenübertragung von Messsystemen, welche sich auf Hochspannungspotential befinden. Diese Messsysteme finden insbesondere Anwendung in elektrisch betriebenen Schienenfahrzeugen, die ihre Antriebsenergie aus einer Hochspannungsleitung in Form einer Fahrleitung beziehen. DOLLAR A Erfindungsgemäß überträgt mindestens ein Übertrager mit einer Primärseite und einer Sekundärseite die elektrische Energie und/oder die Daten, wobei DOLLAR A È die Primärseite des Übertragers an die Steuerungs- und/oder Versorgungs- und/oder Auswerteeinheit angeschlossen ist und sich auf dem Erdpotential befindet, DOLLAR A È die Sekundärseite des Übertragers an das Messsystem angeschlossen ist und sich auf dem Hochspannungspotential befindet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stromversorgung und Datenübertragung von Messsystemen welche sich auf Hochspannungspotential befinden. Diese Messsysteme finden insbesondere Anwendung in elektrisch betriebenen Schienenfahrzeugen, die ihre Antriebsenergie aus einer Hochspannungsleitung in Form einer Fahrleitung beziehen.
Elektrisch betriebene Schienenfahrzeuge greifen ihre Antriebsenergie über einen Stromabnehmer aus der Fahrleitung ab, wobei sich der Stromabnehmer in einem schleifenden Kontakt mit der Fahrleitung befindet. Die Fahrleitung kann hierbei entweder oberhalb des Schienenfahrzeuges als sog. Oberleitung oder neben dem Schienenfahrzeug als sog. Stromschiene angeordnet sein.
Eine bei der Deutschen Bahn AG üblicherweise verwendete Oberleitung befindet sich gegenüber dem Erdpotential auf einem Hochspannungspotential mit 15 kV und 16 2/3 Hz. Aus dieser Oberleitung beziehen Schienenfahrzeuge mit einer elektrischen Leistung im Bereich mehrerer MW elektrische Ströme bis zu mehreren 100 A. Eine Rückleitung des elektrischen Stromes erfolgt über Schienen auf Erdpotential, auf denen sich das Fahrzeug bewegt.
Insbesondere für bestimmte Mess- und Überprüfungsaufgaben werden Messsysteme im Bereich des Stromabnehmers und somit auf Hochspannungspotential eingesetzt. Bei diesen Mess- und Überprüfungsaufgaben handelt es sich insbesondere um eine Ermittlung einer Kontaktkraft zwischen Fahrleitung und Stromabnehmer, eine Überprüfungen eines Kontaktes des Stromabnehmers mit der Fahrleitung bei hohen Geschwindigkeiten oder um eine Inspektion der Fahrleitung.
Diese Messsysteme müssen mit elektrischer Energie und Daten zur Steuerung und Regelung versorgt werden und müssen wiederum Daten insbesondere an Messwerterfassungs- und Messwertauswerteanlagen weiterleiten, die sich im Innenraum des Schienenfahrzeuges und somit auf Erdpotential befinden.
Gemäß dem Stand der Technik wird die Energieversorgung von Messsystemen auf Hochspannungspotential wie folgt realisiert:

• mittels einer Batterie oder eines Akkumulators, der sich ebenso wie das Messsystem auf Hochspannungspotential befindet und direkt mit dem Messystem über elektrische Leitungen verbunden ist. Nachteil hierbei ist jedoch, dass die Batterie oder der Akkumulator regelmäßig durch Personal gewartet, getauscht oder geladen werden muss. Hierfür muss die Fahrleitung spannungsfrei geschaltet und geerdet werden, um ein gefahrloses Arbeiten des Personals zu ermöglichen.
• mittels einer Solarzelle, die sich ebenso wie das Messsystem auf Hochspannungspotential befindet und direkt mit dem Messystem über elektrische Leitungen verbunden ist. Nachteil hierbei ist jedoch eine sehr geringe Energieausbeute derzeit verfügbarer Solarzellen. So ist bei schlechten Lichtverhältnissen kaum eine Energieversorgung möglich. Desweiteren führt eine Verschmutzung der Solarzelle zu einer Beeinträchtigung der Energieausbeute.
• mittels eines Windrades, das mechanisch mit einem Generator verbunden ist und sich ebenso wie das Messsystem auf Hochspannungspotential befindet und direkt mit dem Messystem über elektrische Leitungen verbunden ist. Nachteil hierbei ist jedoch, dass keine Versorgung bei einem Zughalt möglich ist. Desweiteren sind bei Hochgeschwindigkeitszügen sehr große Windstärken und dadurch hervorgerufene sehr große Kräfte am Windrad bei der Auslegung des Windrades zu berücksichtigen.

Aus DE 10044553 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Energieversorgung von elektrischen Verbrauchern in Fahrzeugen mittels eines Luftmotors bekannt, wobei sich die elektrischen Verbraucher insbesondere auf Hochspannungspotential befinden. Der Luftmotor wird über eine Druckluftversorgung angetrieben, setzt die Strömungsenergie in Rotationsenergie um und ist durch Mittel zur Kraftübertragung mit einem Generator verbunden, der die Rotationsenergie in elektrische Energie umwandelt. Nachteil hierbei ist jedoch, dass zum Antrieb des Luftmotors aufwändige und störanfällige Mechanik sowie eine aufwändige Ankopplung an die Druckluftversorgung des Fahrzeuges erforderlich ist. Zusätzlich haben Luftmotoren einen unbefriedigenden Wirkungsgrad. Desweiteren wird hierdurch keine autarke Versorgung ermöglicht, da ständig Druckluft von einem Triebfahrzeug benötigt wird.
Alle Systemen zur Energieversorgung gemäß dem Stand der Technik weisen desweiteren den Nachteil auf, dass die Energieversorgung und Datenübertragung nicht gemeinsam in einer Komponente erfolgt.
Eine übliche Datenübertragung gemäß des Standes der Technik erfolgt insbesondere über Lichtwellenleiter, die "fliegend" auf der Außenhaut eines Fahrzeuges verlegt und mit Klebeband oder Kabelbindern an dem Fahrzeug befestigt sind. Nachteil ist hierbei jedoch, dass bei dieser Befestigung eine starke mechanische Beanspruchung der Lichtwellenleiter durch aerodynamische Kräfte erfolgt, die zu Beschädigungen der Lichtwellenleiter oder zu Störungen bei der Datenübertragung führen kann. Deweiteren können hierdurch keine definierbaren Kriechstrecken hergestellt werden. Besonders nachteilig ist, dass eine Gefahr eines elektrischen Überschlages bei direkter Verlegung der Lichtwellenleiter zwischen dem Hochspannungspotential und dem Erdpotential besteht, so dass eine Gefährdung von Bedienpersonal nicht ausgeschlossen weden kann.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, die die Stromversorgung und Datenübertragung von Messsystemen, die sich auf Hochspannungspotential befinden, zu Systemen, die sich auf Erdpotential befinden, und umgekehrt ermöglicht und mit der die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik behoben werden. Insbesondere sollen Daten über Lichtleiter von Hochspannungsseite auf Erdpotential und umgekehrt ohne eine Gefährdung von Bedienpersonal übertragen werden.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Hauptanspruches erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Ein Übertrager mit einer Primärseite und einer Sekundärseite überträgt elektrische Energie und/oder Daten zwischen einer Steuerungs- und/oder Versorgungs- und/oder Auswerteeinheit und mindestens einem Messsystem.
Die Primärseite des Übertragers ist hierbei an eine Steuerungs- und/oder Versorgungs- und/oder Auswerteeinheit angeschlossen und befindet sich auf Erdpotential. Die Sekundärseite des Übertragers ist an das Messsystem angeschlossen und befindet sich auf Hochspannungspotential.
Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist insbesondere

• deren mechanisch stabiler und kompakter Aufbau,
• dass sie eine kostengünstige und wirtschaftliche Lösung zur Verfügung stellt, die einen geringen Wartungsaufwand erfordert,
• dass eine autarke und stabile Energieversorgung des Messsystems zur Verfügung gestellt wird.

Desweiteren erfüllt die erfindungsgemäße Vorrichtung einschlägige Hochspannungsnormen und Gesetze, die europaweit für Messwandler gelten, insbesondere Einhaltung der Anforderungen bezüglich Luftstrecke, Hochspannungsfestigkeit, Kriechweg, Isolation und Teilentladung.
Insbesondere kann die Erfindung auch in Umspannwerken mit elektrischen Spannungen von mehreren 100 kV angewendet werden.
Nach Anspruch 2 ist die Primärseite des Übertragers galvanisch getrennt von der Sekundärseite des Übertragers.
Nach Anspruch 3 ist der Übertrager als ein Transformator mit mindestens einer Wicklung auf der Primärseite und mindestens einer Wicklung auf der Sekundärseite ausgeführt. Die Energieübertragung wird hierbei mittels eines "Wandlers" in Form eines Transformators für unterschiedliche Frequenzen und Spannungen erreicht. Dieser Transformator kann sowohl primärseitig als auch sekundärseitig mehrere Wicklungen aufweisen. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, dass eine elektrische Leistung mit geringen Verlusten übertragen wird, insbesondere mit einem Wirkungsgrad von mehr als 99%.
Insbesondere ist der Übertrager ein 1:1 Übertrager, d.h. die Eingangsspannung ist gleich der Ausgangsspannung. Bei einer Eingangsspannung im Bereich von 0 V bis 30 V, insbesondere 24 V, wird somit vorteilhaft eine Gefährdung von Bedien- und Wartungspersonal auch auf der Sekundärseite des Übertragers vermindert.
Nach Anspruch 4 ist der Übertrager als Lichtwellenleiter ausgeführt. Die elektrische Energie und/oder die Daten werden somit durch mindestens einen Lichtwellenleiter von der Hochspannungsseite zur Niederspannungsseite und umgekehrt übertragen. Vorteil ist hierbei, dass eine Datenübertragung auch mit Frequenzen im MHz- oder GHz-Bereich erfolgen kann. Desweiteren können über Multiplexer mehrere Datenkanäle über einen Lichtwellenleiter übertragen werden, so dass eine Anzahl von Übertragern reduziert werden kann.
Nach Anspruch 5 erfolgt eine Umwandlung der Signale des Lichtwellenleiters in elektrische Signale in einer oberen und/oder einer unteren Anschlussbox des Wandlers. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, dass keine optischen Steckverbindungen erforderlich sind, die mit einer hohen Störempfindlichkeit verbunden sind, sondern lediglich insbesondere elektrische Steckverbindungen verwendet werden.
Nach Anspruch 6 sind die Übertrager in einem Gehäuse eingegossen. Hierbei handelt es sich insbesondere um ein Gehäuse aus Gießharz oder Porzellan.
Vorteil dieser Vorrichtung ist, dass ein genau definierter Kriechweg sowie eine Verlängerung des Kriechweges erreicht wird. Insbesondere ändert sich der Kriechweg nicht durch eine Verschmutzung auf der Oberfläche des Gehäuses. Ist insbesondere die Außenfläche des Lichtwellenleiters sowie der Anschlüsse des Übertragers mit dem Gehäuse formschlüssig verbunden, so kann kein Schmutz oder keine Feuchtigkeit in das Gehäuse eindringen, so dass der Kriechweg nicht beeinträchtigt wird.
Nach Anspruch 7 sind mehrere Übertrager in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht. Hierdurch wird vorteilhaft eine besonders kompakte und raumsparende Bauweise erreicht.
Nach Anspruch 8 erfolgt die Übertragung von elektrischer Energie und die Übertragung von Daten separat in jeweils einem Wandler. Hierdurch kann insbesondere vorteilhaft ein defekter Wandler ohne Beeinträchtigung eines anderen Wandlers ausgetauscht werden.
Nach Anspruch 9 ist mindestens ein Messsystem auf dem Wandler montiert. Hierdurch werden keine weiteren Halterungen für das Messsystem erforderlich. Desweiteren kann hierdurch der Wandler mit dem Messsystem mit geringerem Aufwand von einem Messobjekt zu einem anderen Messobjekt transportiert werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels mit einer Zeichnung mit vier Figuren erläutert. Die Zeichnung zeigt in
1 schematisch ein elektrisch betriebenes Triebfahrzeug mit einer Messanlage, einem Übertrager und einer Steuer- und Auswerteanlage,
2 schematisch einen Übertrager in Form eines Isolators, in den ein Transformator sowie ein Lichtwellenleiter integriert ist,
3 schematisch jeweils einen Übertrager in Form eines Isolators für den Transformator und für den Lichtwellenleiter,
4 schematisch einen Transformator.
Auf einem Dach eines elektrisch betriebenen Triebfahrzeuges 1 aus 1 befindet sich eine Messanlage 3. Die Messanlage 3 wird von einer Steuer- und Auswerteanlage 4 im Innenraum des Triebfahrzeuges 1 gesteuert und mit elektrischer Energie versorgt. Desweiteren speichert die Steuer- und Auswerteanlage 4 Messsignale der Messanlage 3 und wertet diese aus.
Das Triebfahrzeug 1 bezieht seine Energie aus einer Fahrleitung 2, die sich auf einem Hochspannungspotential 9 mit insbesondere 15 kV befindet. Der Bereich des Daches des Triebfahrzeuges 1 befindet sich somit auf dem Hochspannungspotential 9, wohingegen sich der Innenraum des Triebfahrzeuges auf einem Erdpotential 8 mit insbesondere 0 V befindet. Zwischen dem Dach und dem Innenraum des Triebfahrzeuges herrscht somit eine Potentialdifferenz von 15 kV.
Zwischen der Messanlage 3 und der Steuer- und Auswerteanlage 4 befindet sich ein Übertrager 5, um einen Spannungsüberschlag vom Hochspannungs- zum Erdpotential über Verbinungsleitungen zwischen Messanlage 3 und Steuer- und Auswerteanlage 4 zu verhindern. Hierdurch wird eine Gefährdung von Bedienpersonal im Innenraum des Triebfahrzeuges vermieden.
Gemäß 2 besteht der Übertrager aus einem Transformator 6 und einem Lichtwellenleiter 7, die sich in einem gemeinsamen Gehäuse 12 befinden. Gemäß 3 sind der Transformator 6 und der Lichtwellenleiter 7 in jeweils einem eigenen Gehäuse untergebracht.
An einer Sekundärseite des Übertragers ist die Messanlage 3, an einer Primärseite des Übertragers die Steuer- und Auswerteanlage 4 angebracht. Über den Lichtwellenleiter 7 liefert die Messanlage 3 Messdaten zur Steuer- und Auswerteanlage 4 und wird über den Transformator 6 mit elektrischer Energie versorgt.
An einer Seite des Gehäuses 12, die sich auf Erdpotential 8 befindet, ist eine Anschlussbox 14 angebracht mit einem Anschluss 10 für eine Energieversorgung bzw. einem Anschluss 11 für eine Datenübertragung zu der einer Steuer und Auswerteanlage. An einer Seite des Gehäuses 12, die sich auf Hochspannungspotential 9 befindet, ist eine Anschlussbox 13 angebracht mit einem Anschluss 15 für eine Energieversorgung bzw. einem Anschluss 16 für eine Datenübertragung zu einem Messsystem.
Gemäß 4 befindet sich eine Primärseite 17 des Transformators auf dem Erdpotential 8 und eine Sekundärseite 18 sich auf dem Hochspannungspotential 9. An der Primärseite 17 befinden sich Anschlüsse 10 sowie an der Sekundärseite 18 Anschlüsse 15 für die Energieversorgung.

1: elektrisch betriebenes Triebfahrzeug
2: Fahrleitung
3: Messanlage
4: Steuer- und Auswerteanlage
5: Übertrager
6: Transformator
7: Lichtwellenleiter
8: Erdpotential
9: Hochspannungspotential
10: Anschluss für Energieversorgung
11: Anschluss für Datenübertragung
12: Gehäuse
13: Anschlussbox auf Hochspannungspotential
14: Anschlussbox auf Erdpotential
15: Anschluss für Energieversorgung
16: Anschluss für Datenübertragung
17: Primärseite des Transformators
18: Sekundärseite des Transformators

Claims

Vorrichtung zur Übertragung von elektrischer Energie und/oder Daten zwischen einer Steuerungs- und/oder Versorgungs- und/oder Auswerteeinheit, die sich auf einem Erdpotential befindet, und mindestens einem Messsystem, das sich auf einem Hochspannungspotential befindet, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Übertrager mit einer Primärseite und einer Sekundärseite die elektrische Energie und/oder die Daten überträgt und • die Primärseite des Übertragers an die Steuerungs- und/oder Versorgungs- und/oder Auswerteeinheit angeschlossen ist und sich auf dem Erdpotential befindet, • die Sekundärseite des Übertragers an das Messsystem angeschlossen ist und sich auf dem Hochspannungspotential befindet.
Vorrichtung zur Stromversorgung und Datenübertragung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärseite des Übertragers galvanisch getrennt von der Sekundärseite des Übertragers ist
Vorrichtung zur Stromversorgung und Datenübertragung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Übertrager ein Transformator mit mindestens einer Wicklung auf der Primärseite und mindestens einer Wicklung auf der Sekundärseite ist
Vorrichtung zur Stromversorgung und Datenübertragung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Übertrager ein Lichtwellenleiter ist.
Vorrichtung zur Stromversorgung und Datenübertragung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umwandlung der Signale des Lichtwellenleiters in elektrische Signale in einer oberen und/oder einer unteren Anschlussbox des Wandlers erfolgt.
Vorrichtung zur Stromversorgung und Datenübertragung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertrager in einem Gehäuse eingegossen sind.
Vorrichtung zur Stromversorgung und Datenübertragung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Übertrager in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind.
Vorrichtung zur Stromversorgung und Datenübertragung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung von elektrischer Energie und die Übertragung von Daten separat in jeweils einem Wandler erfolgt.
Vorrichtung zur Stromversorgung und Datenübertragung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Messsystem auf dem Wandler montiert ist.