DE102010055480A1

DE102010055480A1 - System for energy extraction from traction return current

Info

Publication number: DE102010055480A1
Application number: DE201010055480
Authority: DE
Inventors: Rene Baumann; Peter Faubel; Jens-Harro Oechsner; Rudolf Temming
Original assignee: Siemens Schweiz AG; Siemens AG
Current assignee: Siemens Schweiz AG; Siemens AG
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2012-06-28
Also published as: WO2012084501A1

Abstract

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur Gewinnung elektrischer Energie anzugeben, das sich durch einen geringen Installations- und Betriebsaufwand auszeichnet und zuverlässig elektrische Energie für Feldelemente im Eisenbahnverkehr bereitstellen kann. Diese Aufgabe wird durch ein System (16) zur Auskopplung von elektrischer Leistung aus einem Traktionsrückstrom eines Schienenfahrzeugs (4) gelöst, umfassend: a) einen Erdverbinder (14), der eine Schiene (2) mit einem Erdungselement (12) oder der Erde verbindet; und b) ein zwischen der Schiene (2) und dem Erdungselement (12) bzw. der Erde angeordnetes Kopplungselement (24); wobei c1) das Kopplungselement (24) bei einer Wechselspannungsversorgung des Schienenfahrzeugs (4) mit einer Spulenanordnung (24) an dem Erdverbinder (14) angekoppelt ist; oder c2) das Kopplungselement bei einer Gleichspannungsversorgung des Schienenfahrzeugs einen in den Pfad des Erdverbinders zwischengeschalteten Shunt aufweist. Auf diese Weise ermöglicht es das vorliegende System elektrischer Energie aus dem Rückführungspfad des Traktionsstrom auszukoppeln und somit dort zur Verfügung zu stellen, wo die elektrische Leistung zum Betrieb von dezentralen Feldelementen benötigt wird. Damit entfällt der zum Teil erhebliche Verkabelungsaufwand für die elektrische Versorgung derartiger Feldelemente. Zugleich können die relevanten Daten zu dem Feldelement hin und auch von ihm zurück zum Stellwerk drahtlos übertragen werden, womit ein Verkabelungsaufwand komplett eliminiert werden kann.It is an object of the present invention to provide a system for generating electrical energy, which is characterized by low installation and operating costs and can reliably provide electrical energy for field elements in railroad traffic. This object is achieved by a system (16) for decoupling electrical power from a traction return current of a rail vehicle (4), comprising: a) a ground connector (14) which connects a rail (2) to a grounding element (12) or the ground ; and b) a coupling element (24) arranged between the rail (2) and the grounding element (12) or the ground; wherein c1) the coupling element (24) is coupled to an AC voltage supply of the rail vehicle (4) with a coil arrangement (24) on the earth connector (14); or c2) the coupling element has a shunt interposed in the path of the earth connector when the rail vehicle is supplied with direct voltage. In this way, the present system enables electrical energy to be decoupled from the traction current return path and thus made available where the electrical power is required for the operation of decentralized field elements. This eliminates the sometimes considerable cabling effort for the electrical supply of such field elements. At the same time, the relevant data can be wirelessly transmitted to and from the field element to the interlocking, which means that cabling work can be completely eliminated.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zur Auskopplung von elektrischer Energie aus Traktionsrückstrom.The present invention relates to a system for extracting electrical energy from traction return current.

Zur Regelung und Steuerung des schienengebundenen Verkehr befinden sich die meisten dezentral angeordneten Komponenten weit abgesetzt von einem Stellwerk in unmittelbarer Nähe zum oder im Gleisbereich. Beispielhaft für derartige Komponenten werden hier Fest- und Transparentdatenbalisen, Zugsicherungsmagnete und -sensoren, Weichen, Signale, Achszähler, Gleisstromkreise und Loop-Kabel genannt. In der klassischen Bahnsicherungstechnik werden diese Elemente aus dem Stellwerk heraus mit elektrischer Energie versorgt und auf ihre Funktion hin überwacht, beispielweise durch eine Überprüfung des Signallampenstroms oder der Leistungsaufnahme eines Weichenstellantriebs.For the regulation and control of rail-bound traffic, most decentralized components are located far away from a signal box in the immediate vicinity of or in the track area. Examples of such components here are called fixed and transparent data balises, train securing magnets and sensors, switches, signals, axle counters, track circuits and loop cables. In classic railway safety technology, these elements are supplied with electrical energy from the interlocking and monitored for their function, for example by checking the signal lamp current or the power consumption of a point-and-turn actuator.

Hierzu werden aus dem Stellwerk heraus entsprechende Speise- und Datenkabel (teilweise werden die Adern auch für die Speisung und die Daten gleichzeitig benutzt) verlegt, was einen vergleichsweise material- und installationsintensiven Vorgang darstellt. Dieser Tatbestand verändert sich derzeit eher weiter zum Schlechten, weil seitens der Bahnbetreiber ein immer grösser werdender Bedarf an dezentral angeordneten Komponenten (Feldkomponenten) besteht, um höheren Sicherheitsanforderungen und/oder einer optimierteren Betriebsweise genügen zu können.For this purpose, from the interlocking out appropriate supply and data cables (sometimes the wires are also used for the power and the data simultaneously) laid, which is a relatively material and installation-intensive process. This situation is currently changing more and more for the worse, because of the railway operators an ever-increasing demand for decentralized components (field components), in order to meet higher safety requirements and / or a more optimized operation.

Zur Energieversorgung derartiger dezentral angeordneter Feldelemente werden daher heute sehr häufig Solaranlagen eingesetzt, wodurch eine inselartige autarke Energieversorgung für das entsprechende Feldelement sichergestellt werden kann. Dennoch kann beispielsweise bei ungünstigen Wetterverhältnissen die zur Verfügung stehende Energiemenge nicht ausreichend sein.For energy supply of such decentralized array elements solar systems are therefore very often used today, whereby an island-like self-sufficient energy supply for the corresponding field element can be ensured. Nevertheless, for example, in unfavorable weather conditions, the available amount of energy may not be sufficient.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur Gewinnung elektrischer Energie anzugeben, das sich durch einen geringen Installations- und Betriebsaufwand auszeichnet und zuverlässig elektrische Energie bereitstellen kann.It is therefore an object of the present invention to provide a system for obtaining electrical energy, which is characterized by a low installation and operating costs and can provide reliable electrical energy.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch ein System zur Auskopplung von elektrischer Leistung aus einem Traktionsrückstrom eines Schienenfahrzeugs gelöst. Dieses System umfasst:

a) einen Erdverbinder, der eine Schiene mit einem Erdungselement oder der Erde verbindet; und
b) ein zwischen der Schiene und dem Erdungselement bzw. der Erde angeordnetes Kopplungselement; wobei
c1) das Kopplungselement bei einer Wechselspannungsversorgung des Schienenfahrzeugs mit einer Spulenanordnung an dem Erdverbinder angekoppelt ist; oder
c2) das Kopplungselement bei einer Gleichspannungsversorgung des Schienenfahrzeugs einen in den Pfad des Erdverbinders zwischengeschalteten Shunt aufweist.

This object is achieved according to the invention by a system for decoupling electrical power from a traction return current of a rail vehicle. This system includes:

a) an earth connector connecting a rail to a grounding element or ground; and
b) a coupling element arranged between the rail and the earthing element or the earth; in which
c1) the coupling element is coupled to the ground connector at a voltage supply of the rail vehicle with a coil arrangement; or
c2) the coupling element has a shunt interposed in the path of the ground connector in a DC voltage supply of the rail vehicle.

Auf diese Weise ermöglicht es das vorliegende System elektrischer Energie aus dem Rückführungspfad des Traktionsstrom auszukoppeln und somit dort zur Verfügung zu stellen, wo die elektrische Leistung zum Betrieb von dezentralen Feldelementen benötigt wird. Damit entfällt der zum Teil erhebliche Verkabelungsaufwand für die elektrische Versorgung derartiger Feldelemente. Zugleich können die relevanten Daten zu dem Feldelement hin und auch von ihm zurück zum Stellwerk drahtlos übertragen werden, womit ein Verkabelungsaufwand komplett eliminiert werden kann.In this way, the present system allows electrical energy to be coupled out of the feedback path of the traction current and thus made available where the electrical power is needed to operate decentralized field elements. This eliminates the sometimes significant cabling effort for the electrical supply of such field elements. At the same time, the relevant data can be transmitted wirelessly to the field element and also back to the signal box, which completely eliminates the need for cabling.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Spulenanordnung als Klappspule ausgeführt sein, die den Erdverbinder umgibt und diesen somit als Primärspule verwendet. Damit kann die Energieauskopplung realisiert werden, ohne dass an den existierenden Installationen Modifikationen vorgenommen werden müssten, was die Umsetzung und den Einsatz des erfindungsgemässen Systems sehr erleichtert.In a preferred embodiment of the present invention, the coil arrangement can be designed as a folding coil, which surrounds the earth connector and thus uses this as a primary coil. Thus, the energy extraction can be realized without the existing installations modifications would have to be made, which greatly facilitates the implementation and use of the inventive system.

Die Klappspule kann dabei so ausgestaltet sein, dass die Klappspule eine Anzahl von Windungen aufweist, die auf die Klappspule aufgewickelt sind. Die Anzahl der vorgesehenen Windungen ist dabei von der Höhe der Traktionsrückströme und der gewünschten Energieauskopplung abhängig und kann individuell an den jeweiligen Einsatzort angepasst werden.The folding spool can be designed so that the folding spool has a number of turns which are wound onto the folding spool. The number of turns provided depends on the height of the traction return currents and the desired energy output and can be individually adapted to the respective site of use.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es zweckmässig dem Kopplungselement ein Powermodul nachzuschalten, das über eine Schutzbeschaltung, einen AC/DC-Wandler, ein Speicherelement und ausgangsseitig einen DC/DC-Wandler aufweist. Auf diese Weise gelingt eine vollkommene Potenzialtrennung, die wiederum die Auslegung der nachgeschalteten Elektronik vereinfacht. Es ist an dieser Stelle zu bedenken, dass die ausgekoppelten elektrischen Leistungen angesichts der Ströme von bis zu 2 kA eine erhebliche Grösse erreichen können, was eine Potentialtrennung an dieser Stelle besonders wertvoll werden lässt.In a further advantageous embodiment of the present invention, it is expedient nachzuschalten the coupling element, a power module having a protective circuit, an AC / DC converter, a memory element and the output side, a DC / DC converter. In this way, a perfect electrical isolation, which in turn simplifies the design of the downstream electronics. It should be noted at this point that the decoupled electrical power can reach a significant size in view of the currents of up to 2 kA, which makes a potential separation at this point particularly valuable.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Systems ergibt sich, wenn dieses System bei zwei oder mehr direkt benachbarten Erdleitern eingesetzt wird, was zum einen die auskoppelbare Leistung erhöht und zum anderen es sogar ermöglicht, das Stromversorgungskonzept redundant zu realisieren.Another advantage of the inventive system results when this system is used in two or more directly adjacent ground conductors, which on the one hand increases the decoupled power and on the other hand even allows to realize the power supply concept redundant.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung können den übrigen Unteransprüchen entnommen werden.Further advantageous embodiments of the present invention can be taken from the remaining subclaims.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:Preferred embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to a drawing. Showing:

1 in schematischer Ansicht ein einen Schienenstrang befahrendes elektrisch betriebenes Schienenfahrzeug; und 1 a schematic view of a rail track running electrically powered rail vehicle; and

2 in schematischer Ansicht ein System zur Auskopplung von elektrischer Leistung mit einer Klappspule und nachgeschaltetem Power-Modul wie in 1 eingesetzt. 2 a schematic view of a system for decoupling electrical power with a folding coil and downstream power module as in 1 used.

1 zeigt schematisch ein einen Schienenstrang 2 befahrendes elektrisch betriebenes Schienenfahrzeug 4. Die Versorgung des Schienenfahrzeugs 4 erfolgt über einen an einer Oberleitung 6 ankoppelnden Panthographen 8. Die Oberleitung 6 ist an gegen die Erde isolierten Strommasten 10, 12 aufgehängt. Das Schienenfahrzeug kann aus der Oberleitung mehrere MW an elektrischer Leistung aufnehmen. Bei einer Spannung von beispielsweise 15 kV und einer Frequenz von 16,7 Hz im Netz der schweizerischen Bundesbahnen fliessen dabei Wechselströme in der Grössenordnung von bis zu rund 2 kA. Diese Wechselströme fliessen über die Oberleitung 6 in die Fahrmotoren des Schienenfahrzeugs und von dort über die Schienen des Schienenstrangs 2 in die Erde. Dabei sind an den Schienen sogenannte Erdverbinder 14 befestigt, die meist an das Fundament eines Strommasten 10, 12 oder sonst wie mit einem gut mit der Erde verbundenen Elements gekoppelt ist. Befindet sich das Schienenfahrzeug 4 nun im Bereich der Erdverbinder 14, so fliessen gemäss dem Weg des geringsten elektrischen Widerstandes diese sogenannten Traktionsrückströme gegen die Erde. Nur während dieser vergleichsweise kurzen Zeitdauer fliessen die Traktionsrückströme über die Erdverbinder 14 gegen Erde ab. 1 schematically shows a rail track 2 driving electrically powered rail vehicle 4 , The supply of the rail vehicle 4 via one on a catenary 6 coupling panthographs 8th , The overhead line 6 is on power poles insulated against the earth 10 . 12 suspended. The rail vehicle can absorb several MW of electrical power from the overhead line. At a voltage of, for example, 15 kV and a frequency of 16.7 Hz in the network of the Swiss Federal Railways, alternating currents of the order of magnitude of up to approximately 2 kA flow. These alternating currents flow over the overhead line 6 in the traction motors of the rail vehicle and from there over the rails of the rail track 2 into the earth. Here are on the rails so-called earth connector 14 attached, usually to the foundation of a power pylon 10 . 12 or otherwise coupled with an element well connected to the earth. Is the rail vehicle 4 now in the field of earth connectors 14 Thus, according to the path of the least electrical resistance, these so-called traction return currents flow towards the earth. Only during this comparatively short period of time do the traction return currents flow across the ground connectors 14 against earth.

Erfindungsgemäss ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel an beiden Erdverbindern 14 jeweils ein System 16 zur Auskopplung von elektrischer Leistung aus den über die Erdverbinder 14 abfliessenden Traktionsrückströme angeordnet. Die mittels der Systeme 16 ausgekoppelte Leistung dient vorliegend zur Versorgung einer gleisseitig angeordneten Kontrolleinheit 18, üblicherweise Lineside electronic equipment LEU genannt. An der LEU 18 koppeln ein Signal 20 und eine Balise 22 an. Diese sogenannten Feldelemente werden von der LEU 18 gesteuert und mit der erforderlichen elektrischen Leistung versorgt. Dabei kann es vorgesehen sein, dass das Signal 20 und die Balise 22 nur bei der Annäherung des Schienenfahrzeugs 4 eingeschaltet werden.According to the invention in the present embodiment at both ground connectors 14 one system each 16 for decoupling electrical power from those via the ground connectors 14 flowing traction return flows arranged. The by means of the systems 16 In the present case, decoupled power is used to supply a control unit arranged on the track side 18 , commonly called Lineside electronic equipment LEU. At the LEU 18 couple a signal 20 and a balise 22 at. These so-called field elements are from the LEU 18 controlled and supplied with the required electrical power. It may be provided that the signal 20 and the balise 22 only when approaching the rail vehicle 4 be turned on.

Die 2 zeigt nun schematisch den Aufbau des Systems 16 zur Auskopplung von elektrischer Leistung mit einer Klappspule 24 und nachgeschaltetem Power-Modul 26. In dem dargestellten Schnittbild für die Klappspule 24 sind der Erdverbinder 14, dessen Isolierung 28, Wicklungen 30 einer Sekundärspule 32 und ein magnetisch leitender Spulenmantel 34 erkennbar. Die über den Spulenmantel 34 in der Sekundärspule induzierte Spannung liegt an dem Power-Modul 26 an und trifft dort zunächst auf eine Schutzbeschaltung 36 und weiter auf einen AC/DC-Konverter 38. Die hier generierte Gleichspannung wird zum Aufladen eines Energiespeichers 38 und/oder zur Zuführung zu einem DC/DC-Konverter 40 verwendet. Am Ausgang des Power-Moduls 26 liegt dann die gewünschte Gleichspannung U_aus an. Selbstverständlich könnte der DC/DC-Konverter 40 auch als DC/AC-Konverter ausgestaltet sein. Es ist auch eine Beschaltung mit beiden Typen von Konvertern gleichzeitig denkbar.The 2 now shows schematically the structure of the system 16 for decoupling electrical power with a folding coil 24 and downstream power module 26 , In the illustrated sectional image for the folding coil 24 are the earth connector 14 , its isolation 28 , Windings 30 a secondary coil 32 and a magnetically conductive coil jacket 34 recognizable. The over the coil sheath 34 in the secondary coil induced voltage is due to the power module 26 At first there is a protective circuit 36 and continue to an AC / DC converter 38 , The DC voltage generated here is used to charge an energy storage device 38 and / or for feeding to a DC / DC converter 40 used. At the output of the power module 26 is then the desired DC voltage U _out at. Of course, the DC / DC converter could 40 be designed as a DC / AC converter. It is also conceivable a wiring with both types of converters simultaneously.

Zusammenfassend kann daher festgestellt werden, dass es die Systems 16 erlauben, aus den Traktionsrückströmen Leistungen auszukoppeln und für dezentrale Feldelemente 20, 22 nutzbar zu machen. Zur Bereitstellung dieser Leistung ist daher keine zusätzliche Verkabelung notwendig noch müssen an den Schienenfahrzeugen zusätzliche Installationen für ein Tele-Powering vorgesehen werden. Die Kosten für die Auskopplung sind dabei sehr gering, weil beispielsweise eine Klappspule ein günstiges passives Bauelement darstellt. Auch wenn eben nur bei der Durchfahrt des Schienenfahrzeugs Energie gewonnen werden kann, so ist doch die dabei rekuperierbare Leistung von einigen 10 Watt durchaus ausreichend um beispielsweise ein LED-Signal und eine Balise versorgen zu können. Für Eisenbahnnetze mit einer Gleichstromversorgung ist die Art der Energieauskopplung in abgewandelter Form ebenfalls durchführbar. Statt der Klappspule 24 wird in die Leitung des Erdverbinders 14 ein Shunt eingesetzt, über den die rekuperierbare Leistung abfällt und entsprechend weiter genutzt werden kann.In summary, therefore, it can be stated that it is the system 16 allow to extract power from the traction return currents and decentralized field elements 20 . 22 to make usable. To provide this power, therefore, no additional wiring is necessary nor must be provided on the rail vehicles additional installations for tele-powering. The cost of decoupling are very low because, for example, a hinged spool is a cheap passive component. Even if energy can be obtained only when the rail vehicle is passing through, the power of some 10 watts that can be recuperated is sufficient to supply, for example, an LED signal and a balise. For rail networks with a DC power supply, the type of energy extraction in a modified form is also feasible. Instead of the folding spool 24 will be in the line of the earth connector 14 a shunt is used, over which the recuperable power drops and can be used accordingly.

Claims

System ( 16 ) for decoupling electric power from a traction return current of a rail vehicle ( 4 ), comprising: a) an earth connector ( 14 ), which is a rail ( 2 ) with a grounding element ( 12 ) or the earth connects; and b) one between the rails ( 2 ) and the earthing element ( 12 ) or the earth arranged coupling element ( 24 ); where c1) the coupling element ( 24 ) at an AC voltage supply of the rail vehicle ( 4 ) with a coil arrangement ( 24 ) on the earth connector ( 14 ) is coupled; or c2) the coupling element has a shunt interposed in the path of the ground connector in a DC voltage supply of the rail vehicle.

System according to claim 1, characterized in that the coil arrangement as a folding coil ( 24 ) is executed, the earth connector ( 14 ) and thus uses this as a primary coil.

System according to claim 1 or 2, characterized in that the folding coil ( 14 ) a number of turns ( 30 ), which on the folding coil ( 14 ) are wound up.

System according to one of claims 1 to 3, characterized in that the coupling element ( 24 ) a power module ( 26 ), which is connected via a protective circuit ( 36 ), an AC / DC converter ( 38 ), a memory element ( 38 ) and on the output side a DC / DC converter ( 40 ) having.