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Die Erfindung betrifft eine Unterwerkseinrichtung zum zumindest abschnittsweisen Speisen wenigstens einer einphasigen Versorgungsleitung, insbesondere einer Fahrleitung einer Fahrstrecke, aus wenigstens einem dreiphasigen Stromversorgungsnetz, mit wenigstens einem Transformator, der primärseitig mit wenigstens zwei Phasen des Stromversorgungsnetzes und sekundärseitig mit der Versorgungsleitung verbindbar ausgebildet ist.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Bahnstromversorgungsanlage zum Anschließen an ein dreiphasiges Stromversorgungsnetz, mit wenigstens einer einphasigen Versorgungsleitung, insbesondere einer Fahrleitung einer Fahrstrecke, die mehrere durch Trennstellen voneinander getrennte Speiseabschnitte aufweist, und mit mehreren Unterwerkseinrichtungen zum zumindest abschnittsweisen Speisen der einphasigen Versorgungsleitung aus dem dreiphasigen Stromversorgungsnetz.
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Schließlich betrifft die Erfindung noch ein Verfahren zum Speisen von wenigstens einer einphasigen Versorgungsleitung, insbesondere einer Fahrleitung einer Fahrstrecke, die mehrere durch Trennstellen voneinander getrennte Speiseabschnitte aufweist, aus wenigstens einem dreiphasigen Stromversorgungsnetz, bei dem die Spannung aus wenigstens zwei Phasen des Stromversorgungsnetzes in eine einphasige Spannung transformiert wird.
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Bei bekannten einphasigen Bahnstromversorgungsanlagen, welche direkt aus dem dreiphasigen Stromversorgungsnetz gespeist werden, werden die einzelnen Speiseabschnitte längs der Fahrstrecke üblicherweise abwechselnd aus unterschiedlichen Phasen des Stromversorgungsnetzes gespeist. Dies hat den Vorteil, dass eine relativ symmetrische Belastung des dreiphasigen Stromversorgungsnetzes erreicht wird. Eine möglichst symmetrische Belastung des Stromversorgungsnetzes ist von den Stromversorgungsunternehmen üblicherweise gewünscht, da eine unsymmetrische Belastung nicht zu akzeptierende Nachteile zur Folge hätte. Durch die Speisung aus den unterschiedlichen Phasen müssen in der Fahrleitung in gewissen Abständen Trennstellen vorgesehen werden, an denen die Speiseabschnitte elektrisch voneinander getrennt sind. Beim Überfahren dieser Trennstellen müssen die die Fahrstrecke befahrenden Fahrzeuge, wie beispielsweise elektrische Schienenfahrzeuge, kurzzeitig abgeschaltet werden. Dies wird üblicherweise durch ein Öffnen des Hauptschalters des Fahrzeugs erreicht. Dieses Ausschalten des Fahrzeugs kann beispielsweise die Nachteile haben eines erhöhten Verschleißes des Hauptschalters, eine erhöhte Belastung des Haupttransformators des Fahrzeugs, des Unterwerkstrafos, von Spannungseinbrüchen im Bahnnetz, insbesondere an der unterwerksfernen Trennstelle, Zugkrafteinbrüche, Lastschwankungen in der einphasigen Versorgungsleitung und in dem dreiphasigen Stromversorgungsnetz und schließlich auch einen erhöhten Installations- und Wartungsaufwand.
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Ein mehrfaches Einspeisen eines gleichen Speiseabschnitts an zwei Seiten aus dem dreiphasigen Stromversorgungsnetz kann aufgrund der im Drehstromnetz zwischen solchen Einspeisepunkten vorhandenen Phasen- und Amplitudendifferenzen zu erheblichen Ausgleichströmen über die Versorgungsleitung führen. Diese Ausgleichsströme können die Einspeisetransformatoren und die Oberleitungsanlage zusätzlich belasten. Weiterhin führen sie auch im Stromversorgungsnetz zu einer stärkeren unsymmetrischen Belastung und zu einer unsymmetrischen Impedanz. Daher speisen die eingangs genannten bekannten Bahnstromversorgungsanlagen - also AC-Bahnstromsysteme, welche direkt (über Transformatoren) aus dem dreiphasigen Landesnetz versorgt werden, nur einseitig bzw. punktuell. Allerdings sind dadurch lediglich geringe Abstände zwischen den Unterwerkseinrichtungen realisierbar, was zu höheren Kosten führt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Einrichtungen und Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit denen ein größerer Abstand der Unterwerkseinrichtungen realisierbar ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß für die eingangs genannte Unterwerkseinrichtung dadurch gelöst, dass der wenigstens eine Transformator zum Einstellen einer Phasenlage der sekundärseitigen Spannung ausgebildet ist.
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Die eingangs genannte Bahnstromversorgungsanlage löst die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass wenigstens einer der Speiseabschnitte mit wenigstens zwei Unterwerkseinrichtungen verbunden ist, von denen wenigstens eine gemäß der oben genannten erfindungsgemäßen Ausführung ausgebildet ist.
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Schließlich wird die Aufgabe von dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß so gelöst, dass wenigstens einer der Speiseabschnitte an wenigstens zwei Einspeisestellen gespeist und eine Phasenlage der einphasigen Spannung zumindest für eine der zwei Einspeisestellen eingestellt wird.
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Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, dass dadurch die Speiseabschnitte von beiden Seiten gespeist werden können und so der Abstand zwischen den Unterwerkseinrichtungen vergrößert werden kann. Die Phasenlage der sekundärseitigen Spannung kann durch die erfindungsgemäße Unterwerkseinrichtung so eingestellt werden, dass keine oder nur sehr geringe Ausgleichsströme zwischen den Unterwerkseinrichtungen über die Versorgungsleitung der Bahnstromversorgungsanlage auftreten. Da der wenigstens eine Transformator der erfindungsgemäßen Unterwerkseinrichtung mindestens zwei Phasen des Stromversorgungsnetzes nutzt, ist es möglich, die Phasenlage sekundärseitig zu verändern. In einer beispielhaften einfachen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bahnstromversorgungsanlage werden die Unterwerkseinrichtungen gegenüber dem Stand der Technik an jeder zweiten Stelle von einer erfindungsgemäßen Unterwerkseinrichtung ersetzt, die die Einstellung der Phasenlage ermöglicht. Da die Phasenlage somit an beiden Einspeisestellen im Wesentlichen gleich eingestellt werden kann, können die Trennstellen zwischen den Unterwerkseinrichtungen entfallen. So verbleibt lediglich direkt an der Unterwerkseinrichtung eine Trennstelle. Durch die entsprechende Einstellung der Phasenlage der sekundärseitigen Spannung durch die erfindungsgemäße Unterwerkseinrichtung werden die Unterschiede der Drehstromspannungen an den als Einspeisepunkte bezeichneten Standorten der Unterwerkseinrichtungen ausgeglichen. Dadurch sind die Bahnspannungen an beiden Einspeisestellen im Leerlauf in ihrer Phasenlage identisch, wodurch die Trennstelle zwischen den Einspeisestellen entfallen kann. Es tritt trotzdem keinen bzw. nur einen minimalen Leistungsfluss zwischen den beiden Unterwerkseinrichtungen auf, die einen gemeinsamen Speiseabschnitt versorgen. Außerdem ergibt sich dadurch eine automatische Lastaufteilung zwischen den Einspeisestellen gemäß der Position der Lasten.
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Selbstverständlich kann ein Speiseabschnitt auch durch mehr als zwei Unterwerkseinrichtungen gespeist werden, um den Abstand zwischen den Trennstellen weiter zu vergrößern. Dabei sind die Unterwerkseinrichtungen zwischen den Trennstellen ebenfalls nach der Erfindung ausgeführt.
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Die erfindungsgemäße Lösung kann beispielsweise auch für Autotransformatorsysteme oder Boostertrafosysteme eingesetzt werden.
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Die erfindungsgemäße Lösung kann durch vorteilhafte Ausgestaltungen weiter entwickelt werden, die im Folgenden beschrieben sind.
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So kann der Transformator der erfindungsgemäßen Unterwerkseinrichtung zum Einstellen einer Amplitude der sekundärseitigen Spannung ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass zusätzlich zur Phasenlage auch die Amplitude einstellbar ist.
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Das Einstellen der Amplitude der sekundärseitigen Spannung kann beispielsweise für das Reduzieren der Blindleistung vorteilhaft sein.
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Ferner kann der Transformator zum Einstellen der Phasenlage und/oder Amplitude auf einen vorgebbaren Wert oder Wertebereich ausgebildet sein. Dadurch kann durch die erfindungsgemäße Unterwerkseinrichtung eine Spannung mit vorgegebener Phasenlage und ggf. Amplitude in einen Speiseabschnitt eingespeist werden, der keine oder nur geringe Ausgleichsströme und Leistungsfluss in der Versorgungsleitung hervorruft. Alternativ kann mit Hilfe der Erfindung auch absichtlich eine Phasen- und/oder Amplitudendifferenz zwischen den Einspeisestellen erzeugt werden, um somit gezielt einen Ausgleichsstrom über die Fahrleitung zu erzeugen. Dies kann beispielsweise zum Abtauen einer vereisten Oberleitung verwendet werden.
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Um die Einstellbarkeit der Phasenlage und/oder Amplitude auf besonders einfache Weise zu realisieren, kann der Transformator wenigstens einen Stufenschalter aufweisen, mittels dem die Phasenlage und/oder Amplitude der sekundärseitigen Spannung einstellbar ist. Transformatoren mit Stufenschaltern sind an sich bekannt und daher am Markt verfügbar.
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Um die Phasenlage und /oder Amplitude jederzeit einstellen zu können, kann der Transformator zum Einstellen der Phasenlage und/oder der Amplitude der sekundärseitigen Spannung unter Last ausgebildet sein. So ist auch ein zeitlich kontinuierliches Einstellen möglich, das durch kurze Reaktionszeiten vorteilhaft ist.
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Um die erfindungsgemäße Unterwerkseinrichtung konstruktiv einfach und flexibel auszuführen, kann der Transformator aus mehreren zusammengeschalteten Einzeltransformatoren bestehen. Dies ist beispielsweise bei der Nachrüstung von vorhandenen Transformatoren vorteilhaft.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bahnstromversorgungsanlage kann diese wenigstens eine Messeinrichtung aufweisen, die zum Messen von wenigstens einem Parameter und zum Ermitteln einer geeigneten Phasenlage für wenigstens einen Speiseabschnitt anhand des wenigstens einen Paramters ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass die optimale Einstellung der Phasenlage und ggf. der Amplitude der fahrleitungsseitigen Leerlaufspannung kontinuierlich bestimmt wird und dadurch schnell angepasst werden kann. Ferner kann die Messeinrichtung zum Messen der Phasenlagen und/oder Amplituden an verschiedenen Stellen im dreiphasigen Stromversorgungsnetz, insbesondere jeweils am Standort der Unterwerkseinrichtungen, ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass im dreiphasigen Stromversorgungsnetz die Phasenlagen und/oder Amplituden besonders gut und unabhängig von der Belastung innerhalb der Versorgungsleitung ablesbar sind. Die Messeinrichtung kann zum zeitsynchronen Messen ausgebildet sein. Schließlich kann die Messeinrichtung zum Messen der Phasenlagen und/oder Amplituden im Bereich von zumindest einigen der Unterwerkseinrichtungen ausgebildet sein. An diesen Stellen im Stromversorgungsnetz lassen sich die Messungen besonders gut durchführen und es lässt sich ein sehr guter Parameter als Vorgabe ermitteln. Alternativ kann die Messeinrichtung auch zum Messen der Spannungen und Ströme in der Versorgungsleitung, insbesondere im Bereich der Unterwerkseinrichtungen, ausgebildet sein. Die bestimmten Werte oder Wertebereiche der Phasenlage und/oder Amplitude werden von der Messeinrichtung oder auch einer übergeordneten Zentrale an die einzelnen Unterwerkseinrichtungen übertragen.
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Alternativ kann die Messeinrichtung auch zum Messen von Leistungsflüssen zwischen dem dreiphasigen Stromversorgungsnetz und der einphasigen Versorgungsleitung an den Unterwerkseinrichtungen ausgebildet sein. Auch so kann eine Vorgabe für das Einstellen der Phasenlage und/oder Amplitude der Spannung für die Versorgungsleitung bestimmt werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Auch in unterschiedlichen Ausführungsformen sind darin gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Bahnstromversorgungsanlage nach dem Stand der Technik;
- 2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bahnstromversorgungsanlage;
- 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bahnstromversorgungsanlage;
- 4 bis 8 schematische Darstellungen von verschiedenen Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Unterwerkseinrichtungen in einer der Bahnstromversorgungsanlagen gemäß 2 oder 3.
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Zunächst wird mit Bezug auf 1 eine Bahnstromversorgungsanlage 1 gemäß dem Stand der Technik beschrieben. Die Bahnstromversorgungsanlage 1 gemäß dem Stand der Technik umfasst mehrere Unterwerkseinrichtungen 2 und eine Versorgungsleitung 3 mit mehreren durch Trennstellen 4 voneinander getrennte Speiseabschnitte 5. Jede Unterwerkseinrichtung 2 ist mit einem dreiphasigen Stromversorgungsnetz 6 verbunden und umfasst einen Transformator 7. Der primärseitig an das Stromversorgungsnetz 6 angeschlossene Transformator 7 weist sekundärseitig zwei Abgänge auf, die jeweils mit einem Speiseabschnitt 5 der Versorgungsleitung 3 verbunden ist. Die Versorgungsleitung 3 ist hier eine Fahrleitung für eine Fahrstrecke 8, auf der sich ein Fahrzeug 9 bewegt. Die Fahrleitung kann eine Oberleitung und das Fahrzeug 9 ein Schienenfahrzeug sein. Zur Stromversorgung des Fahrzeugs 9 kontaktiert dieses die Versorgungsleitung 3. Jeder Speiseabschnitt 5 ist, um Ausgleichsströme zu vermeiden, lediglich mit einer Unterwerkseinrichtung 2 verbunden. Dafür ist die Versorgungsleitung 3 sowohl zwischen den Einspeisepunkten 10 der gleichen Unterwerkseinrichtung 2 und auch der unterschiedlichen Unterwerkseinrichtungen 2 jeweils getrennt. Vor einem Überfahren jeder Trennstelle 4 muss das Fahrzeug 9 abgeschaltet werden. Jedes Abschalten kann einen gewissen Verschleiß am Fahrzeug, Zugkrafteinbruch im Fahrverlauf sowie Lastschwankungen sowohl in der Versorgungsleitung 3 als auch im Stromversorgungsnetz 6 verursachen.
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Im Folgenden wird eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bahnstromversorgungsanlage 11 mit Bezug auf 2 erläutert. Gleiche Teile werden der Einfachheit halber mit gleichen Bezugszeichen beschrieben. Die erfindungsgemäße Bahnstromversorgungsanlage 11 in der beispielhaften Ausführungsform in 2 unterscheidet sich von der bekannten Bahnstromversorgungsanlage 1 insbesondere durch die Verwendung von erfindungsgemäßen Unterwerkseinrichtungen 12. Bei der Ausführungsform in 2 ist jede zweite Unterwerkseinrichtung 12 als erfindungsgemäße Unterwerkseinrichtung 12 ausgebildet.
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Die erfindungsgemäße Unterwerkseinrichtung 12 weist wenigstens einen Transformator 13 auf, der in dieser beispielshaften Ausführungsform der Erfindung zum unabhängigen Einstellen von Phasenlagen und Amplituden der sekundärseitigen Spannungen ausgebildet ist. Der Transformator 13 der erfindungsgemäßen Unterwerkseinrichtung 12 kann daher auch als Regeltransformator bezeichnet werden. Alternativ könnte in einer anderen Ausführung der Erfindung auch ein Transformator verwendet werden, der nur die Phasenlage einstellt.
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Die erfindungsgemäße Bahnstromversorgungsanlage 11 weist in der beispielhaften Ausführung in 2 weiterhin wenigstens eine Messeinrichtung 14 auf, die über Signalleitungen 15 mit den erfindungsgemäßen Unterwerkseinrichtungen 12 und über Messleitungen 16 mit verschiedenen Stellen des Stromversorgungsnetzes 6 verbunden ist. Die Messeinrichtung 14 wird im Folgenden noch genauer beschrieben.
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Die erfindungsgemäßen Unterwerkseinrichtungen 12 in der beispielhaften Ausführungsform in 2 weisen jeweils Ausgänge 17 auf, an denen sekundärseitige Spannungen zur Einspeisung in die Versorgungsleitung 3 an Einspeisestellen 10 bereitgestellt werden. Diese beiden Spannungen an den Ausgängen 17 können durch den Transformator 13 unabhängig voneinander eingestellt werden. Dies ist in 2 dadurch gekennzeichnet, dass der regelbare Transformator 13 zwei Pfeile aufweist. Alternativ könnten auch zwei separate regelbare Transformatoren 13 bereitgestellt werden, die jeweils eine Spannung ausgeben.
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Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Bahnstromversorgungsanlage 11 wird im Folgenden beispielhaft anhand der Einspeisung in den Speiseabschnitt 5a beschrieben, in dem sich in 2 das Fahrzeug 9 befindet.
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Der Speiseabschnitt 5a wird durch die Unterwerkseinrichtungen 2a und 12a gespeist. Die Unterwerkseinrichtung 2a ist gemäß dem Stand der Technik und die Unterwerkseinrichtung 12a gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt. Die Transformatoren 7, 13 der beiden Unterwerkseinrichtungen 2a, 12a sind primärseitig jeweils mit dem Stromversorgungsnetz 6 und sekundärseitig mit dem Speiseabschnitt 5a der Versorgungsleitung 3 verbunden. Dies wird später noch genauer mit Bezug auf die 5 bis 8 beschrieben. Die Unterwerkseinrichtung 2a gemäß dem Stand der Technik speist einen Strom I1 in den Speiseabschnitt 5a der Versorgungsleitung 3 ein.
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Auf der anderen Seite des Speiseabschnitts 5a speist die erfindungsgemäße Unterwerkseinrichtung 12a einen Strom I2 in den Speiseabschnitt 5a der Versorgungsleitung 3 ein. Damit keine Ausgleichsströme entstehen, stellt der regelbare Transformator 13 erfindungsgemäß die Phasenlage und gegebenenfalls auch die Amplitude der sekundärseitigen Leerlaufspannung so ein, dass sie der Phasenlage und der Amplitude der sekundärseitigen Leerlaufspannung des unregelbaren Transformators 7 der Unterwerkseinrichtung 2a entspricht. Durch das erfindungsgemäße Einspeisen von Spannungen mit gleicher Phasenlage und gleicher Amplitude in den gleichen Speiseabschnitt 5a werden unerwünschte Ausgleichsströme vermieden.
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Um Werte zu ermitteln, auf die der regelbare Transformator 13 die Phasenlage und Amplitude der sekundärseitigen Spannung einstellen soll, misst die Messeinrichtung 14 in dieser beispielhaften Ausführung die Phasenlage und Amplitude der Drehstromspannungen im Stromversorgungsnetz 3 an den Positionen 18 der verschiedenen Unterwerkseinrichtungen 2a, 12a. Aus dem Unterschied zwischen der Phasenlage und der Amplitude von der Position 18 der Unterwerkseinrichtung 12a relativ zur Phasenlage und der Amplitude an der Position 18 der Unterwerkseinrichtung 2a wird der Wert bestimmt, um dem die Phasenlage und die Amplitude durch die Unterwerkseinrichtung 12a verändert werden muss. Das Messen der Phasenlage und Amplitude an verschiedenen Positionen 18 im Stromversorgungsnetz 6 hat den Vorteil, dass diese unabhängig von Belastungen in der Versorgungsleitung 3 beispielsweise durch das Fahrzeug 9 ist. Alternativ muss bei einer Messung auf Seiten der Versorgungsleitung 3 die lastbedingte Spannungsänderung durch Messung des Stromes kompensiert werden.
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Im Folgenden wird eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bahnstromversorgungsanlage 11 mit Bezug auf 3 beschrieben. Der Einfachheit halber wird lediglich auf die Unterschiede zu der Ausführungsform in 2 eingegangen.
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Die Bahnstromversorgungsanlage 11 in 3 unterscheidet sich von der Ausführungsform in 2 dadurch, dass im Speiseabschnitt 5a zwischen den Trennstellen 4 weitere erfindungsgemäße Unterwerkseinrichtungen 19 angeordnet sind. Die Unterwerkseinrichtungen 19 unterscheiden sich von den Unterwerkseinrichtungen 12, 12a dadurch, dass sie lediglich eine sekundärseitige Spannung an nur einem Ausgang 17 bereitstellen. Somit ist bei den regelbaren Transformatoren 20 auch nur diese eine Spannung in Phasenlage und Amplitude einstellbar. Entsprechend ist bei den regelbaren Transformatoren 20 in 3 nur ein Pfeil eingezeichnet. Die Ausführungsform in 3 hat den Vorteil, dass ein Abstand 21 zwischen den Trennstellen 4 eines Speiseabschnitts 5a gegenüber der Ausführungsform in 2 vergrößert ist.
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Im Folgenden werden verschiedene mögliche Realisierungskonzepte für regelbare Transformatoren 13 der erfindungsgemäßen Unterwerkseinrichtungen 12, 12a, 19 mit Bezug auf die 4 bis 8 beschrieben.
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In den Ausführungsformen der 4 bis 6 sind die Transformatoren 7, 13 jeweils in V-Schaltung angeordnet. Die Unterwerkseinrichtungen 2 gemäß dem Stand der Technik sind in allen Ausführungsformen der 4 bis 6 gleich. An der Primärseite 22 sind die Transformatoren 7 jeweils mit dem Stromversorgungsnetz 6 verbunden. An der Sekundärseite 23 sind sie jeweils mit wenigstens einem Speiseabschnitt 5 und dem Erdpotential 24 verbunden.
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Der regelbare Transformator 13 in 4 ist an seiner Primärseite 22 jeweils mit den drei Phasen 25 des Stromversorgungsnetzes 6 verbunden. An der Sekundärseite 23 des regelbaren Transformators 13 weist dieser mehrere Stufenschalter 26 auf, anhand deren Schaltstellung die Phasenlage und die Amplitude der sekundärseitigen Spannung einstellbar ist. Die Ausführungsform in 4 zeigt dabei eine auf der Seite der Versorgungsleitung 3 doppelseitige Speisung der Speiseabschnitte 5 und 5a.
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5 zeigt eine Ausführungsform mit einem regelbaren Transformator 13, der eine Nachrüstmöglichkeit für bestehende Transformatoren 7 aus dem Stand der Technik darstellt. Dafür wird der regelbare Transformator 13 aus einem ersten Einzeltrafo 27 und einem zweiten regelbaren Einzeltransformator 28 zusammengesetzt.
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Die Ausführungsform in 6 zeigt zwei regelbare Transformatoren 13 mit Mitteleinspeisung. Diese Transformatoren 13 liefern lediglich eine sekundärseitige Spannung, wie bei der Ausführungsform in 3.
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Die 7 und 8 zeigen jeweils Ausführungsformen mit einer yd-Schaltung der Transformatoren. 7 zeigt eine doppelseitige Speisung und 8 eine Mitteleinspeisung mit nur einer sekundärseitigen Spannung.
