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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufbringen eines Enteisungsmittels (bzw. Frostschutzmittels) auf eine Hochspannung führende Fahrleitung elektrisch betriebener Fahrzeuge nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung einer derartigen Vorrichtung.
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Kälte- und Luftfeuchtigkeit führen zu einer Vereisung von Fahrleitungen für elektrisch betriebene Fahrzeuge wie Züge oder Busse bei winterlichen Witterungsbedingungen. Da über einen Kontakt zwischen der Fahrleitung und einem fahrzeugseitigen Stromabnehmer eine beträchtliche elektrische Leistung fließt, ist eine derartige Vereisung ein ernsthaftes Problem, da Eisbildung an der Fahrleitung eine Stromaufnahme des Fahrzeugs reduziert oder gar unterbricht; nachteilige Konsequenzen sind Lichtbögen, Unterbrechungen des Fahrbetriebs sowie möglicher Verschleiß von Kontaktbereichen am Stromabnehmer. Nicht zuletzt sind vereisungsbedingte Fahrausfälle, etwa im öffentlichen Personennah- und Fernverkehr, Verursacher signifikanter Kosten.
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Aus dem Stand der Technik, insoweit gattungsbildend, ist es als bekannt vorauszusetzen, eine für elektrisch betriebene Fahrzeuge vorgesehene Fahrleitung mit einem Enteisungsmittel zu beaufschlagen, um ein derartiges, nachteiliges Vereisen zu verhindern oder zu vermindern. Die
DE 10 2004 045 904 A1 verdeutlicht insoweit eine als oberbegrifflich und gattungsbildend vorausgesetzte, bekannte Technologie, bei welcher ein in einem Sprühabstand zu der Fahrleitung gehaltener und zum Aufbringen des Enteisungsmittels auf die Fahrleitung eingerichteter Düsenkopf – geeignet an einem Trägerarm auf einem Fahrzeug befestigt – das Enteisungsmittel auf bzw. an die Fahrleitung bringt, wobei zu diesem Zweck das typischerweise alkoholische Enteisungsmittel über Düsen des Düsenkopfes geeignet zerstäubt aufgebracht wird.
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Während eine derartige Technologie sich im Betriebsalltag bewährt hat und u. a. auch unter der Kennzeichnung ”ProFil” der Anmelderin seit vielen Jahren im Gebrauch ist, ist gleichwohl der praktische Einsatzbereich einer derartigen Fahrdraht-Enteisungstechnologie begrenzt. So treten nämlich insbesondere bei unter Hochspannung mehrerer 1.000 V stehenden Fahrleitungen spannungsbedingte Probleme auf, wobei vor allem der Sprühabstand zwischen dem Düsenkopf und der Fahrleitung im Betriebszustand die Gefahr eines Hochspannungs-Überschlags bzw. eines Lichtbogens provoziert. Aus diesem Grund ist es zum einem erforderlich, einen Mindest-Sprühabstand einzuhalten (wobei dann auch die elektrischen Wirkungen des ausgebrachten Enteisungsmittels zu berücksichtigen sind), um eine Überschlagsgefahr zu vermindern. Andererseits führt ein zu großer Sprühabstand zu einer ungenauen bzw. ineffizienten Aufbringung des Enteisungsmittels auf die Fahrleitung, da die verwendeten Düsen stets eine abstandsabhängig vergrößerte Enteisungsmittelstreuung bewirken. Beim gattungsbildenden Stand der Technik, etwa der ”ProFil”-Enteisungstechnik der Anmelderin, führt dies dazu, dass bekannte, oberbegriffliche Enteisungstechnologien lediglich bis zu typischen Betriebsspannungen einer Fahrleitung von ca. 3 kV einsetzbar sind; mit Sicherheitsmarge liegt gar eine normale Verwendungsgrenze bei 1,5 kV.
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Verschiedene Fahrleitungs-Bahnsysteme weisen jedoch Hochspannungs-Fahrleitunsspannungen auf, welche erheblich oberhalb dieser Grenze liegen und bis zu typischerweise 25 kV, in Spitzen 27,5 kV, erreichen können, sodass die gattungsbildende, einen Sprühkopf für Enteisungsmittel einsetzende Technologie derartigen Systemen nur begrenzt zugänglich gewesen ist, nämlich nur bei vollständig deaktivierter Fahrleitungsspannung. Tatsächlich ist es sogar bislang nicht unüblich, eine Enteisung derartiger Hochspannungs-Fahrleitungen – bei deaktivierter Betriebsspannung – mechanisch bzw. manuell durchzuführen, indem durch geeignete Schaber- bzw. Eis-Abtragemittel durch mechanische Wirkung Eiszapfen und andere Vereisungszustände von Fahrleitungen entfernt werden. Offensichtlich ist die geringe Effizienz derartiger Maßnahmen, verbunden mit einer sehr langsamen Arbeits- bzw. Vorschubgeschwindigkeit, welche selbst unter besten Bedingungen und geübtem Bedienpersonal nicht schneller als ca. 20 km/h beträgt. Hinzu kommt der große apparative und personelle Aufwand. Während des Enteisungsbetriebs ist, aufgrund der deaktivierten Fahrspannung, im betroffenen Fahrleitungsbereich kein anderer Fahrbetrieb möglich.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsbildende Vorrichtung zum Aufbringen eines Enteisungsmittels auf eine Hochspannung führende Fahrleitung für elektrisch betriebene Fahrzeuge sowohl im Hinblick auf ihre Eignung für höhere Spannungen, insbesondere Fahrleitungsspannungen ab 1,5 kV und oberhalb von 10 kV bis zu 25 kV, zu verbessern, wobei ein Enteisen bzw. Aufbringen des Enteisungsmittels bei um diese Hochspannung führender Fahrleitung ermöglicht sein soll. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Betriebsgeschwindigkeit eines Enteisungsmittel-Auftragsbetriebs zu verbessern, sodass insbesondere lange, fahrleitungs-basierte Streckennetze in kürzerer Zeit, damit effizienter und mit geringerem Stillstands- und Kostenaufwand, zuverlässig enteist werden können.
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Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung zum Aufbringen eines Enteisungs- bzw. Enteisungsmittels nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Unabhängiger Schutz im Rahmen der Erfindung wird zudem beansprucht für eine bevorzugte Verwendung einer derartigen Vorrichtung, nämlich zum umrüstbaren Vorsehen dieser Vorrichtung in einem schienengebundenen Fahrzeugwagon.
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In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise setzt die Vorrichtung gemäß Hauptanspruch die erfindungsgemäße Erkenntnis um, dass eine Eignung für auch deutlich höhere als üblicherweise verwendete Hochspannungen gegeben ist, wenn der Düsenkopf – im Betrieb im Sprühabstand zu der Fahrleitung gehalten – selbst auf dem Hochspannungspotential der Fahrleitung (oder auf einem lediglich dem gegenüber geringfügig abweichenden Hochspannungspotential) gehalten ist. Dadurch entsteht zwischen der Fahrleitung und dem Düsenkopf keine (signifikante) Spannungsdifferenz, welche schädliche Effekte wie Überschläge, Lichtbögen oder dergleichen auslösen würde, wobei wiederum, zur Effizienzsteigerung des erfindungsgemäßen Sprühauftrags der Enteisungsmittel, die vorliegende Erfindung die Möglichkeit schafft, den Sprühabstand zu verringern, sodass auch eine Optimierung des eingesetzten Mittels, verbunden mit der Vermeidung nutzlos aufgebrachter Substanz, erreicht werden kann.
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Realisiert wird dieser erfindungsgemäßer Vorteil dadurch, dass der zum Kontaktieren der Fahrleitung ausgebildete Stromabnehmer der Vorrichtung so eingerichtet und beschaltet ist, dass in einem Fahrleitungs-Kontaktzustand des Stromabnehmers der Düsenkopf auf einem Hochspannungspotential (nämlich dem Hochspannungspotential der Fahrleitung bzw., über weiterbildungsgemäß vorteilhafte Spannungsteilermittel, einem demgegenüber leicht abgesenkten Hochspannungspotential, wobei als ”Potential” im Rahmen der Erfindung sowohl Gleichspannungs- als auch – maximale – Wechselspannungspegel verstanden werden sollen) gehalten ist. Im Rahmen der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass gleichermaßen die im Hinblick auf die Flüssigkeitsbevorratung und -zuführung dem Düsenkopf vorgeschalteten Bevorratungsmittel auf dem Hochspannungspotential gehalten sind, wobei die Erfindung diesbezüglich dann sicherstellt, dass die erfindungsgemäß in einem Bevorratungsmittelgehäuse gehaltenen Bevorratungsmittel in einem umschließenden, elektrisch geerdeten Behälter isoliert gehalten werden.
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Auf diese Weise entsteht neben den erläuterten Vorteilen hochspannungstechnischer Art auch eine Modulstruktur (nämlich durch den elektrisch geerdeten Behälter samt darin geeignet isoliert gebildetem Bevorratungsmittelgehäuse), welche entsprechend der erfindungsgemäßen Verwendung nahezu beliebig verschiedenen (z. B. Schienen-)Fahrzeugen zugeordnet, dort geeignet montiert oder umgerüstet werden können. Damit ist insbesondere dann der Vorteil verbunden, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht stationär und unveränderlich einem Schienenfahrzeug zugeordnet werden muss, sondern, je nach Bedarf, auch geeignet umgerüstet anderen Trägern oder Fahrzeugen zugeordnet werden kann, sodass eine Flexibilität im Einsatz der erfindungsgemäßen Enteisungstechnologie deutlich erhöht ist.
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Es ergibt sich aus dieser erfindungsgemäßen Lösung, dass neben der Eignung für deutlich höhere Fahrleitungsspannungen auch eine höhere Betriebsgeschwindigkeit, nämlich eine realisierbare Geschwindigkeit in der Enteisung bzw. im Auftragen des Enteisungsmittels, erreichbar ist, denn es ist weder ein mechanischer Eingriff an die Fahrleitung, noch ein Deaktivieren der Versorgungsspannung der Fahrleitung im Enteisungsbetrieb notwendig. Ein durch die vorliegende Erfindung ermöglichter verkürzter Sprühabstand gestattet das Aufbringen des Mittels mit hoher Geschwindigkeit, hoher Effizienz und unter weitgehender Vermeidung von Fehlauftragungen des Mittels.
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Diesbezüglich sieht zudem eine zusätzliche, weiter bevorzugte Ausbildung der Erfindung vor, dass der Düsenkopf eine Mehrzahl unabhängig voneinander ansteuerbarer Düsen für das Enteisungsmittel aufweist, wobei diese Düsen durch eine Steuervorrichtung (Steuermittel) ansteuerbar sind, welche im Bevorratungsmittelgehäuse bevorzugt vorgesehen ist. Weiter bevorzugt mittels geeigneter, z. B. ultraschall-basierter Sensormittel, gestattet diese Weiterbildung der Erfindung in einer aktuellen Fahrleitungsposition ein zielgenaues Aktivieren derjenigen Düse(n) der Mehrzahl von Düsen, welche zum bestmöglichen Auftrag der Fahrleitung gegenübersteht, sodass die Zielgenauigkeit und die Effizienz des Aufbringens des Enteisungsmittels weiter verbessert wird.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegt es, einen zuverlässigen Enteisungsbetrieb durch Besprühen mit dem Enteisungsmittel auch für Fahrleitungen zu ermöglichen, welche eine Betriebsspannung von 25 kV und höher aufweisen; um insoweit eine Betriebssicherheit zu verbessern, sieht die Erfindung weiterbildungsgemäß vor, das Hochspannungspotential des Düsenkopfes bzw. der Bevorratungsmittel demgegenüber um 5% bis 30% abzusenken, wobei eine ca. 10%-ige Absenkung (d. h. 22,5 kV Düsenkopfpotential bei 25 kV Fahrleitungspotential) sich in der Praxis als besonders günstig erwiesen hat.
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Auch hat es sich im Rahmen des erfindungsgemäßen Modulgedankens als besonders vorteilhaft erwiesen, die weiterbildungsgemäß den Bevorratungsmittel zugeordneten bzw. diese mitrealisierenden Erwärmungs- und Pumpentransportmittel im Bevorratungsmittelgehäuse – da insoweit selbst hochspannungsführend – vorzusehen, wobei dann durch die erfindungsgemäße Hochspannungsisolation des Bevorratungsmittelgehäuses relativ zum umgebenden, elektrisch geerdeten Behälter eine kompakte, transportable bzw. einfach bewegbare Einheit für die weiterbildungsgemäßen Nach- und Umrüstzwecke realisiert ist. Entsprechendes gilt für die Flüssigkeitsleitung, welche – selbst zumindest im Hinblick auf die Flüssigkeit hochspannungsführend – über geeignete Isolationsmaßnahmen nach außen isoliert bzw. mantelseitig geerdet sein kann.
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Für den praktischen Betrieb und eine Betriebssicherheit besonders bedeutsam ist die zusätzliche erfindungsgemäße Weiterbildung, einen Zugang zu dem elektrisch geerdeten Behälter mit innen vorgesehenem Bevorratungsmittelgehäuse abzusichern und einen solchen Zugang, etwa mittels ansonsten bekannter, mechanisch wirkender Ver- und Entriegelungsmittel, nur dann zuzulassen, wenn, etwa durch Abdrahten des Stromabnehmers und damit Unterbrechen des Fahrleitungs-Kontaktzustands, sichergestellt ist, dass das Bevorratungsmittelgehäuse keine Hochspannung führt.
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Im Ergebnis wird durch die vorliegende Erfindung in überraschend wirksamer und konstruktiv einfacher Weise nicht nur die Eignung bekannter Enteisungstechnologien für höhere Betriebsspannungen auf Fahrleitungen signifikant verbessert, auch gestattet die vorliegende Erfindung in der Art des beschriebenen Modulgedankens eine bislang nicht ermöglichte Flexibilität in der Nach- und Umrüstung bzw. im Versehen verschiedenster (z. B. schienengebundener, für den Fahrleitungsbetrieb vorgesehener) Fahrzeuge mit der erfindungsgemäßen Technologie.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in
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1 eine schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aufbringen eines Enteisungsmittels gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform, wobei der erfindungsgemäße, elektrisch geerdete Behälter modulartig in einem Containerformat mit darin isoliert befestigtem Bevorratungsmittelgehäuse gezeigt ist;
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2 eine abstrahierte Schemadarstellung des Ausführungsbeispiels der 1 mit einem in zwei Elevationshöhen gezeigten, den Düsenkopf tragenden Stromabnehmer, einer dachseitig des Behälters vorgesehenen Box zur spannungsisolierten Durchführung von Leitungen zum im Behälterinneren vorgesehenen Bevorratungsmittelgehäuse sowie einer schematisch gezeigten, zugangsgesicherten Trennwand im Behälterinneren;
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mit
Teilfig. 3a) und 3b) ein Schemadiagramm zum Verdeutlichen der Hochspannungsverhältnisse im Fahrleitungs-Kontaktzustand samt elektrischem Ersatzschaltbild in Teilfig. b); und
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4 eine Perspektivansicht auf den einen Schwenkarm realisierenden Stromabnehmer mit ansitzendem, eine Mehrzahl von Einzeldüsen aufweisenden Düsenkopf samt Sensorik zur Positionsdetektion der Fahrleitung für eine Düsenansteuerung.
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Die schematische Seitenansicht der 1 verdeutlicht, wie im Format eines typischen 10 Fuß-Containers als (Außen-)Behälter 10 die Modulstruktur der vorliegenden Erfindung realisiert ist. Im Behälter 10 ist, geeignet über Isolatoren 12 hochspannungsmäßig entkoppelt, ein Bevorratungsmittelgehäuse 14 gehalten, welches einen Tank 16 für das (typischerweise eine Glykol-Silikon-Flüssigkeitsmischung aufweisende) Enteisungsmittel aufweist. Dem Tank sind bodenseitig Heizungsmittel 18 zugeordnet, welche das Fluid auf eine typische Betriebstemperatur von ca. 50° bis 70° aufheizen und geheizt halten. Mit in der 1 nicht im Detail gezeigten Pumpenmitteln wird das Enteisungsmittel über eine Enteisungsmittelleitung 20 (2) zu einem am fahrleitungsseitigen Ende eines Stromabnehmer-Schwenkarms vorgesehenen Düsenkopfes 24 (4) transportiert und dort in ansonsten bekannter Weise durch gesteuertes Aktivieren einzelner oder mehrerer Einzeldüsen 26 ausgebracht. Gleichzeitig weist der Stromabnehmer 22 einen endseitigen Schleifer 28 zur elektrischen (und mechanischen) Kontaktierung der in der 2 schematisch in zwei Relativhöhen zum Behälter 10 gezeigten Fahrleitung 30 auf; in nachfolgend zu beschreibender Weise wird in dem gezeigten Fahrleitungs-Kontaktzustand, d. h. der Schleifschuh 28 kontaktiert die Fahrleitung 30 und greift das Hochspannungs-Fahrleitungspotential ab, die auf der Fahrleitung 30 liegende Hochspannung benutzt, um im Rahmen der Erfindung zusätzlich wesentliche Baugruppen zum Aufbringen des Enteisungsmittels, eingeschlossen den Düsenkopf und die Bevorratungsmittel für das Enteisungs- bzw. Enteisungsmittel, auf ein Hochspannungspotential zu bringen; insbesondere das Hochspannungspotential der Fahrleitung – welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel in typischen Anwendungen zwischen ca. 15 kV und 25 kV AC – liegt oder ein demgegenüber um 5% bis 20% abgesenktes Hochspannungspotential.
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Zu diesem Zweck verdeutlicht das Schemadiagramm in 3a), wie eine das Hochspannungspotential am Fahrdraht 30 ableitende Hochspannungsleitung 32 über einen aus einem ersten Widerstand 34 (Pullup) und einem zweiten Widerstand 36 (Pulldown) bestehenden Spannungsteiler das Hochspannungspotential an dem hochspannungsführenden Bevorratungsmittelgehäuse 14 (”innere Box” in 3) von 15 kV bzw. 25 kV auf 12,5 kV bzw. 22,5 kV absenkt. Teilfig. 3b) verdeutlicht insoweit eine mögliche elektrotechnische Konfiguration im Hochspannungs-Ersatzschaltbild. Deutlich wird insbesondere durch den Doppelpfeil 38, dass die Hochspannung der Leitung 30 gegenüber dem Düsenkopf bzw. Einzeldüsen 26 um das (durch das Widerstandsverhältnis bestimmte) Differenz-Spannungspotential von ca. 500 V (AC) bis 2.500 V (AC) abgesenkt wird.
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Aus den 2 bzw. 3 ergeben sich auch weitere Details der hier realisierten Hochspannungs-Potentialführung und -isolation: Zunächst wird deutlich, dass durch das geringe Differenzpotential (typischerweise 500 V bis 2.500 V) der Sprühkopf – über eine auf Hochspannung liegende, dachseitige Zwischenbox 40 und eine hochspannungsmäßige Anbindung an das innere Bevorratungsmittelgehäuse 14 – in einem relativ kurzen, typischerweise auf einen Bereich zwischen ca. 7 cm und 15 cm, eingerichteten Sprühabstand zum Fahrdraht 30 gebracht werden kann, ohne dass die dort geführte Hochspannung von bis zu 25 kV oder gar 30 kV nachteilige Effekte wie etwa einen Lichtbogen oder ein Überschlagen bewirkt. Auch sorgt, wie die 2 und 3 erkennen lassen, das isolierte Anordnen des (selbst auf Hochspannungspotential bei angedrahtetem Stromabnehmer stehenden) Bevorratungsmittelgehäuses 14 als innere Box innerhalb des geerdeten Behälters 10 dafür, dass die so realisierte Einheit, vgl. etwa die Containerstruktur der 1, mobil, transportabel und einfach an verschiedene Montage- und Transportbedingungen (etwa an oder auf einem Eisenbahnwagon, jedoch auch einfach von diesem lösbar) vorgesehen sein kann.
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Die 2 und 3 verdeutlichen zusätzliche Verbindungsleitungen von dem Bevorratungsmittelgehäuse 14 zum Sprühkopf 24, nämlich die bereits erwähnte Fluidleitung 20 (welche dann durch eine geeignete, isolierte Fluiddurchführung im oberen Bereich des Behälters 10 zum Bevorratungsmittelgehäuse 14 geführt ist) sowie eine Steuerleitung 42 für elektrische Steuersignale, mit welchen einerseits Einzeldüsen 26 des Düsenkopfes 24 ansteuerbar sind, andererseits ein in der 4 im Detail dargestellter und als Ultraschallsensor 44 ausgebildeter Positionssensor eine aktuelle Relativposition des Fahrdrahtes 30 zu der Anordnung der Düsen 26 detektiert (46 verdeutlicht insoweit einen Ultraschall-Erfassungsbereich zur Entfernungsdetektion) und entsprechend dem Sensor-Ausgangssignal 44 dann mittels einer im Behälter 10 vorgesehenen Steuereinheit 48 eine jeweilige der Einzeldüsen 26, welche mit der Leitung 30 gegenübersteht und insoweit mit ihrem jeweiligen Sprühfeld 50 einen bestmöglichen Auftrag des Enteisungsmittels bewirken kann, für einen Sprühbetrieb angesteuert wird. Zugehörige, den Einzeldüsen 26 zugeordnete Magnetventile sind in den Fig. nicht im Detail gezeigt.
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Die 2 und 3 verdeutlichen zusätzlich am bodenseitigen Bereich des Behälters 10 eine Transformator- bzw. Stromversorgungsvorrichtung 52, mit welcher, etwa über einen (nicht gezeigten) extern angekoppelten Generator, die Energieversorgung der im Bevorratungsmittelgehäuse 14 gehaltenen Aggregate, insbesondere der Heizungskomponenten 18 sowie von Pumpenmitteln für das Fluid, bewirkt werden kann. Nicht gezeigt ist in diesem Zusammenhang auch eine Rezyklierungsvorrichtung, mit welcher nicht benötigtes bzw. nicht ausgebrachtes Enteisungsmittel in den Tank 16 zur erneuten Beheizung und Verwendung zurückgeführt werden kann.
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Die Ansicht der 2 zeigt noch in Form einer vertikal im Behälter 10 verlaufenden Zwischenwand 56 eine Möglichkeit zur Zugangssicherung zum (im Fahrleitungs-Kontaktzustand des Stromabnehmers auf Hochspannungspotential befindlichen) Bevorratungsmittelgehäuse 14: Nicht im Detail gezeigte Sicherungs- und Verriegelungsmittel sorgen dafür, dass ein Öffnen der als Tür realisierten Zwischenwand 56 erst dann ermöglicht ist, wenn, etwa nach einem Abdrahten und gegebenenfalls zusätzlichem Erden, das Hochspannungspotential des Bevorratungsmittelgehäuses 14 abgesenkt und insoweit ein gefahrloser Zugang möglich ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004045904 A1 [0003]
