DE102022210180A1

DE102022210180A1 - Monitoring the correct function of a main switch on a rail vehicle

Info

Publication number: DE102022210180A1
Application number: DE102022210180.4A
Authority: DE
Inventors: György Juhasz; Hartmut Niemann
Original assignee: Siemens Mobility GmbH
Current assignee: Siemens Mobility GmbH
Priority date: 2022-09-27
Filing date: 2022-09-27
Publication date: 2024-03-28
Also published as: WO2024068237A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Überwachung der Funktion eines Hauptschalters (3) eines über eine Stromversorgungsleitung (OL) eines Bahnstromnetzes (N) mit elektrischem Netzstrom (IN) versorgten Schienenfahrzeugs (1) beschrieben. Bei dem Verfahren wird ein Durchlassbereich (DB) eines Frequenzfilters (F) einer digitalen Störstromüberwachungseinheit (DSU) des Schienenfahrzeugs (1) auf die Grundschwingung des Netzstroms (IN) eingestellt. Weiterhin wird ein Schwellwert (SW) für einen zulässigen detektierten Netzstrom (IN) auf Basis experimenteller oder rechnerischer Daten bezüglich einer korrekten Funktion eines Hauptschalters (3) festgelegt. Zudem wird die digitale Störstromüberwachungseinheit (DSU) eingeschaltet. Weiterhin wird ein möglicherweise fließender Netzstrom (IN) mit der digitalen Störstromüberwachungseinheit (DSU) während Betriebszeiten, in denen der Hauptschalter (3) offen sein soll, gemessen. Schließlich wird eine Schutzreaktion für den Fall, dass ein detektierter Netzstrom (IN) den festgelegten Schwellwert (SW) überschreitet, durchgeführt. Denn wird der Schwellwert (SW) überschritten, so liegt ein Hinweis dafür vor, dass der Hauptschalter (3) fehlerhaft geschlossen und somit defekt ist. Es wird auch eine Überwachungseinrichtung (70) beschrieben. Weiterhin wird ein Schienenfahrzeug (1) beschrieben.A method for monitoring the function of a main switch (3) of a rail vehicle (1) supplied with electrical mains current (IN) via a power supply line (OL) of a traction power network (N) is described. In the method, a pass band (DB) of a frequency filter (F) of a digital interference current monitoring unit (DSU) of the rail vehicle (1) is set to the fundamental oscillation of the mains current (IN). Furthermore, a threshold value (SW) for a permissible detected mains current (IN) is determined based on experimental or computational data regarding the correct function of a main switch (3). In addition, the digital interference current monitoring unit (DSU) is switched on. Furthermore, a possibly flowing mains current (IN) is measured with the digital interference current monitoring unit (DSU) during operating times in which the main switch (3) should be open. Finally, a protective reaction is carried out in the event that a detected mains current (IN) exceeds the specified threshold value (SW). If the threshold value (SW) is exceeded, this is an indication that the main switch (3) is closed incorrectly and is therefore defective. A monitoring device (70) is also described. A rail vehicle (1) is also described.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Funktion eines Hauptschalters eines über eine Stromversorgungsleitung eines Bahnstromnetzes mit elektrischem Netzstrom versorgten Schienenfahrzeugs. Zudem betrifft die Erfindung eine Überwachungseinrichtung. Außerdem betrifft die Erfindung ein Schienenfahrzeug.The invention relates to a method for monitoring the function of a main switch of a rail vehicle supplied with electrical mains power via a power supply line of a traction power network. The invention also relates to a monitoring device. The invention also relates to a rail vehicle.

Bei dem Betrieb eines elektrischen Schienenfahrzeugs wird elektrischer Strom über einen sogenannten Oberspannungskreis zur Verfügung gestellt. Der Oberspannungskreis wird von hochgespanntem Primärstrom aus der Fahrleitung durchflossen. Dieser Primärstrom wird von einem Stromabnehmer aufgenommen und durch einen Haupttransformator auf eine niedrigere elektrische Spannung heruntertransformiert. Die niedrigere elektrische Spannung wird anschließend über einen Stromrichter und einen Vierquadrantensteller in eine Zwischenkreis-Gleichspannung für einen Traktionszwischenkreis umgewandelt. Von dem Traktionszwischenkreis aus werden die Fahrmotoren, die mit Drehstrom betrieben werden, über einen Pulswechselrichter mit Drehstrom versorgt.When operating an electric rail vehicle, electrical current is made available via a so-called high-voltage circuit. High-voltage primary current from the overhead line flows through the high-voltage circuit. This primary current is taken up by a current collector and transformed down to a lower electrical voltage by a main transformer. The lower electrical voltage is then converted into an intermediate circuit DC voltage for a traction intermediate circuit via a power converter and a four-quadrant controller. The traction motors, which are operated with three-phase current, are supplied with three-phase current from the traction intermediate circuit via a pulse inverter.

Auf der Primärstromseite bzw. im Oberspannungskreis befindet sich ein Hauptschalter, mit dem die elektrischen Funktionseinheiten des elektrifizierten Schienenfahrzeugs von der Oberspannung bzw. der Fahrleitung getrennt werden können, so dass die Stromversorgung unterbrochen wird. Dieser Vorgang wird auch als „Öffnen“ des Hauptschalters bezeichnet. Ist der Hauptschalter defekt, so kommt es trotz geöffnetem Hauptschalter zu einem unzeitigen, d.h. unerwarteten Netzstrom, der von dem Haupttransformator übertragen wird.On the primary current side or in the high-voltage circuit there is a main switch with which the electrical functional units of the electrified rail vehicle can be separated from the high voltage or the overhead line, so that the power supply is interrupted. This process is also known as "opening" the main switch. If the main switch is defective, an untimely, i.e. unexpected, mains current is transmitted from the main transformer even if the main switch is open.

Zu diesem unzeitigen Netzstrom kommt es, wenn der Stromabnehmer, beispielsweise vor dem Anfahren, die Oberleitung kontaktiert. Dabei kommt es zu einem sogenannten unzeitigen Trafoinrush. D.h., bei einem unbeabsichtigten Einschalten des Haupttransformators kann es bei ungünstiger Phasenlage der elektrischen Spannung zu einem stark erhöhten Einschaltstrom kommen, weil der Eisenkern des Haupttransformators in die Sättigung getrieben wird. Ist bei einem solchen Trafoinrush der Vierquadrantensteller gesperrt, so kommt es zu einem Leerlaufstrom in der Primärwicklung des Haupttransformators. Dieser Effekt wird auch als Rush-Effekt, Trafoinrush oder Einschaltrush bezeichnet. Die Höhe des Einschaltstromes hängt von dem Einschaltzeitpunkt in Bezug zum zeitlichen Verlauf der angelegten Wechselspannung und dem im Transformatorkern gespeicherten magnetischen Fluss, dem Restmagnetismus, ab. Ein solcher Effekt tritt dann auf, wenn der Hauptschalter unerkannt fehlerhaft geschlossen ist, und hat zur Folge, dass die gesamte primärseitige und sekundärseitige Elektrik zur Unzeit unter Spannung steht.This untimely mains current occurs when the pantograph contacts the overhead line, for example before starting. This results in a so-called untimely transformer inrush. This means that if the main transformer is switched on unintentionally and the phase position of the electrical voltage is unfavorable, a greatly increased inrush current can occur because the iron core of the main transformer is driven into saturation. If the four-quadrant controller is blocked during such a transformer inrush, an idle current occurs in the primary winding of the main transformer. This effect is also known as the rush effect, transformer inrush or switch-on rush. The level of the inrush current depends on the switch-on time in relation to the time course of the applied alternating voltage and the magnetic flux stored in the transformer core, the residual magnetism. Such an effect occurs when the main switch is incorrectly closed undetected and results in the entire primary and secondary side electrical system being energized at an inopportune time.

In dem Oberspannungskreis befindet sich auch ein Primärstromwandler, mit dem ein sehr hoher Primärstrom auf kleinere Werte reduziert wird. Der Primärstromwandler misst den Primärstrom, der über den Stromabnehmer aus dem Bahnstromnetz abgegriffen wird. Diesen Primärstrom wandelt er in einen messbaren und für normale Geräte geeigneten schwächeren Strom um. Beispielsweise wird aus 600 Ampere 1 Ampere für die IstwertErfassung der Fahrzeugsteuerung. Da jedoch der Primärstromwandler für hohe Ströme, beispielsweise 1000 Ampere, ausgelegt ist, kann er kleine Ströme nicht exakt messen. Der erwähnte Leerlaufstrom beträgt aber in der Regel weniger als 1 Ampere und wird daher am Primärstromwandler nicht sicher detektiert.There is also a primary current transformer in the high-voltage circuit, with which a very high primary current is reduced to smaller values. The primary current transformer measures the primary current that is taken from the traction power network via the pantograph. It converts this primary current into a measurable, weaker current that is suitable for normal devices. For example, 600 amps becomes 1 ampere for the actual value acquisition of the vehicle control system. However, since the primary current transformer is designed for high currents, for example 1000 amps, it cannot accurately measure small currents. However, the no-load current mentioned is usually less than 1 ampere and is therefore not reliably detected on the primary current transformer.

Ein unerkannter Hauptschalterdefekt ist insbesondere problematisch, wenn vor dem Schließen des Hauptschalters nach dem Heben des Stromabnehmers oder nach dem Öffnen des Hauptschalters Handlungen wie das Entladen des Zwischenkreises, das Bewegen von Trennern oder das Umgruppieren von Stromrichterelementen über Schaltwalzen vorgenommen werden, die die sichere Trennung von der Einspeisung erfordern. Ein Versagen des Hauptschalters und der Hauptschalterüberwachung kann hier zu schweren Schäden am Stromrichter bis zur Zerstörung (Brand) der Lokomotive führen. Dem Erkennen eines fehlerhaft geschlossenen Hauptschalters kommt also große Bedeutung für den sicheren Betriebsablauf zu.An undetected main switch defect is particularly problematic if, before closing the main switch, after lifting the current collector or after opening the main switch, actions such as discharging the intermediate circuit, moving isolators or regrouping converter elements via switching drums are carried out, which ensure the safe separation of require the feed. A failure of the main switch and the main switch monitoring can lead to serious damage to the power converter or even the destruction (fire) of the locomotive. Detecting an incorrectly closed main switch is therefore very important for safe operation.

Für eine solche Fehleroffenbarung eines defekten Hauptschalters stehen nach Stand der Technik folgende Möglichkeiten zur Verfügung:

Es wird ein Spannungsrelais eingebaut, welches eine zusätzliche Hardware nötig macht. Das Spannungsrelais signalisiert eine Netzspannung auf der Transformatorseite des Hauptschalters, zweckmäßigerweise auf der Sekundärseite des Haupttransformators.

According to the state of the art, the following options are available for such an error disclosure of a defective main switch:

A voltage relay is installed, which requires additional hardware. The voltage relay signals a mains voltage on the transformer side of the main switch, expediently on the secondary side of the main transformer.

Ist ein Netzfilter eingebaut, so kann der Netzfilterstrom überwacht werden. Diese Methode beschränkt sich allerdings auf Schienenfahrzeuge mit einem solchen Netzfilter und erfordert ggf. auch zusätzliche Hardware-Ausstattung.If a line filter is installed, the line filter current can be monitored. However, this method is limited to rail vehicles with such a line filter and may also require additional hardware equipment.

Eine weitere Möglichkeit besteht in der Überwachung auf unzeitigen Netzstrom per Primärstromwandler. Wie bereits erwähnt, ist diese Überwachung per Primärstromwandler allerdings ungenau. Der Leerlaufstrom eines Transformators kann nicht verlässlich gemessen werden, der Inrush beim Anheben des Pantografen bei defektem Hauptschalter ist zwar messbar, tritt aber frühestens beim nächsten Einschaltvorgang auf und ist auch dann von z. B. der Phasenlage der Netzspannung abhängig.Another option is to monitor for untimely mains current using a primary current transformer. However, as already mentioned, this monitoring via primary current transformers is inaccurate. The no-load current of a transformer cannot be measured reliably; the inrush when the pantograph is raised when the main switch is defective can be measured, but does not occur until the next power on at the earliest switching process on and is also then of z. B. depends on the phase position of the mains voltage.

Bei Triebzügen mit zwei Pantographen an den beiden Endwagen und einer durchgehenden Dachleitung besteht zusätzlich die Möglichkeit, über die Messung der Oberspannung des gesenkten Pantografen den gerade inaktiven Hauptschalter zu prüfen. Aber auch dieses Verfahren hat den Nachteil, dass ein Defekt nicht sofort erkannt werden kann.In multiple units with two pantographs on the two end cars and a continuous roof line, it is also possible to test the currently inactive main switch by measuring the upper voltage of the lowered pantograph. However, this method also has the disadvantage that a defect cannot be detected immediately.

Eine weitere Möglichkeit umfasst eine regelmäßige Überprüfung der Isolation des Hauptschalters durch die Taktung des Vierquadrantenstellers. Diese Überprüfung ist allerdings kompliziert und erhöht die Hochlaufzeit des Schienenfahrzeugs.Another option involves regularly checking the insulation of the main switch by timing the four-quadrant controller. However, this check is complicated and increases the start-up time of the rail vehicle.

Eine Störstromüberwachung wurde und wird bisher genutzt, um den Netzstrom eines Schienenfahrzeugs bezüglich niederfrequenter Wechselstromanteile zu überwachen, um eine Störung einer Überwachung eines Streckenabschnitts durch eine Gleisfreimeldeanlage im Frequenzbereich einer Gleisspannung eines Generators der Gleisfreimeldeanlage, beispielsweise um eine Frequenz von 42 Hz, zu detektieren. Eine solche Überwachung eines Streckenabschnitts ist in 3 bis 5 veranschaulicht.Interference current monitoring has been and is used to date to monitor the mains current of a rail vehicle with regard to low-frequency alternating current components in order to detect a disturbance in the monitoring of a section of route by a track vacancy detection system in the frequency range of a track voltage of a generator of the track vacancy detection system, for example around a frequency of 42 Hz. Such monitoring of a route section is in 3 until 5 illustrated.

Im Zusammenhang mit der Störstromüberwachung wird von dem „Primärstrom“ genannten Strom, der den Stromabnehmer und den Hauptschalter durchfließt, die spektrale Komponente mit der Nenn-Frequenz des Oberleitungsnetzes als „Netzstrom“ bezeichnet und alle anderen spektralen Komponenten unter dem Begriff „Störstrom“ zusammengefasst.In connection with interference current monitoring, of the current called “primary current” that flows through the pantograph and the main switch, the spectral component with the nominal frequency of the overhead line network is referred to as “mains current” and all other spectral components are summarized under the term “interference current”.

Es besteht also die Aufgabe, eine exaktere und zeitnahe Detektion eines defekten Hauptschalters eines elektrifizierten Schienenfahrzeugs zu ermöglichen.The task is therefore to enable more precise and timely detection of a defective main switch of an electrified rail vehicle.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Überwachung der Funktion eines Hauptschalters eines über eine Stromversorgungsleitung eines Bahnstromnetzes mit elektrischem Netzstrom versorgten Schienenfahrzeugs gemäß Patentanspruch 1, eine Überwachungseinrichtung gemäß Patentanspruch 7 und ein Schienenfahrzeug gemäß Patentanspruch 8 gelöst.This object is achieved by a method for monitoring the function of a main switch of a rail vehicle supplied with electrical mains power via a power supply line of a traction power network according to claim 1, a monitoring device according to claim 7 and a rail vehicle according to claim 8.

Bei dem Verfahren zur Überwachung der Funktion eines Hauptschalters eines über eine Stromversorgungsleitung eines Bahnstromnetzes mit elektrischem Netzstrom versorgten Schienenfahrzeugs wird ein Durchlassbereich eines Frequenzfilters einer digitalen Störstromüberwachungseinheit des Schienenfahrzeugs auf die Grundschwingung des Netzstroms eingestellt. Der Frequenzfilter ist eingangsseitig Teil der digitalen Störstromüberwachungseinheit und den übrigen Funktionseinheiten der digitalen Störstromüberwachungseinheit vorgeschaltet und ist herkömmlich auf eine Generatorfrequenz zur Überwachung eines Streckenabschnitts eingestellt, also beispielsweise auf einen Durchlassbereich um eine Frequenz von 42 Hz herum, um eine Störung einer solchen Streckenüberwachung zu detektieren. Wird die Durchlassfrequenz des Frequenzfilters nun auf einen Wert der Grundschwingung des Netzstroms, also beispielsweise 16,7 Hz oder 50 Hz eingestellt, so kann statt der Störung einer Gleisfreimeldeanlage eine Störung, die durch einen defekten Hauptschalter verursacht wird und zu einem unzeitigen Strom mit Netz-Grundfrequenz, auch genannt Netzstrom, führt, detektiert werden.In the method for monitoring the function of a main switch of a rail vehicle supplied with electrical mains power via a power supply line of a traction power network, a pass band of a frequency filter of a digital interference current monitoring unit of the rail vehicle is set to the fundamental oscillation of the mains current. The frequency filter is part of the digital interference current monitoring unit on the input side and is connected upstream of the other functional units of the digital interference current monitoring unit and is conventionally set to a generator frequency for monitoring a section of the route, for example to a pass band around a frequency of 42 Hz, in order to detect a fault in such route monitoring. If the pass frequency of the frequency filter is now set to a value of the fundamental oscillation of the mains current, for example 16.7 Hz or 50 Hz, then instead of a fault in a track vacancy detection system, a fault caused by a defective main switch and leading to an untimely current with mains voltage can occur. Basic frequency, also called mains current, can be detected.

Hierzu wird ein Schwellwert für die Stärke eines zulässigen detektierten Netzstroms bei offenem Hauptschalter auf Basis des (gemessenen oder berechneten) Leerlaufstroms des Transformators sowie experimenteller oder rechnerischer Daten zum gemessenen Leck-Strom bei offenem Hauptschalter festgelegt. Dieser Schritt wird auch als Parametrierung der Störstromüberwachung bezeichnet. „Rechnerische Daten“ sind Daten, die zumindest teilweise auf Basis von Rechenoperationen, insbesondere durch Anwendung eines Rechenmodells, erzeugt wurden. Als „offener Hauptschalter“ soll ein Hauptschalter in einem Schaltzustand verstanden werden, in dem der Hauptschalter isoliert bzw. keinen Strom durchleitet.For this purpose, a threshold value for the strength of a permissible detected mains current when the main switch is open is determined based on the (measured or calculated) no-load current of the transformer as well as experimental or calculated data on the measured leakage current when the main switch is open. This step is also referred to as parameterization of the interference current monitoring. “Computational data” is data that was at least partially generated on the basis of computational operations, in particular by using a computational model. An “open main switch” is to be understood as a main switch in a switching state in which the main switch isolates or does not conduct any current.

Weiterhin wird die digitale Störstromüberwachungseinheit bevorzugt vor dem Kontaktieren der Stromversorgungsleitung durch einen Stromabnehmer des Schienenfahrzeugs eingeschaltet, um so einen Trafoinrush bzw. Trafo-Leerlaufstrom vor dem Schließen des Hauptschalters des Schienenfahrzeugs zu erkennen.Furthermore, the digital interference current monitoring unit is preferably switched on before the power supply line is contacted by a current collector of the rail vehicle, in order to detect a transformer inrush or transformer idle current before the main switch of the rail vehicle is closed.

Zudem wird ein möglicherweise fließender Netzstrom mit der Störstromüberwachungseinheit während Betriebszeiten, in denen der Hauptschalter offen sein soll, beispielsweise während des Kontaktierungsvorgangs des Stromabnehmers, gemessen. Fließt bei ausgeschaltetem Hauptschalter im Bereich der Grundschwingung des Netzstroms ein Strom, insbesondere ein Strom mit einer Stromstärke oberhalb des vorbestimmten Schwellwerts, so wird der detektierte Wert bevorzugt an eine Fahrzeugsteuerungseinheit des Schienenfahrzeugs übermittelt.In addition, a possibly flowing mains current is measured with the interference current monitoring unit during operating times in which the main switch should be open, for example during the contacting process of the current collector. If a current flows in the area of the fundamental oscillation of the mains current when the main switch is switched off, in particular a current with a current intensity above the predetermined threshold value, the detected value is preferably transmitted to a vehicle control unit of the rail vehicle.

Schließlich erfolgt eine Schutzreaktion für den Fall, dass ein detektierter Netzstrom den festgelegten Schwellwert überschreitet. Eine solche Schutzreaktion umfasst bevorzugt das Trennen des Stromabnehmers von der Stromversorgungsleitung für den Fall, dass ein detektierter Netzstrom den festgelegten Schwellwert überschreitet, bevorzugt durch einen Befehl der Fahrzeugsteuerungseinheit. Bevorzugt wird der betreffende Stromabnehmer auch noch gesperrt, damit eine nachfolgende Kontaktierung der Stromversorgungsleitung durch den betreffenden Stromabnehmer ohne einen vorhergehenden Austausch bzw. eine Reparatur des Hauptschalters von vorneherein vermieden werden kann.Finally, a protective reaction occurs in the event that a detected mains current exceeds the specified threshold value. Such a protective reaction preferably includes disconnecting the current collector from the power supply line in the event that a detected mains current is fixed exceeds the set threshold value, preferably by a command from the vehicle control unit. Preferably, the current collector in question is also blocked so that subsequent contacting of the power supply line by the current collector in question can be avoided from the outset without a previous replacement or repair of the main switch.

Vorteilhaft kann durch die digitale Störstromüberwachungseinheit eine hohe Messauflösung erreicht werden, so dass auch ein in Relation zum im bestimmungsgemäßen Betrieb, beispielsweise bei einer Fahrt, auftretenden Netzstrom (beispielsweise bis zu 1000 Ampere) sehr kleiner Strom im Bereich von deutlich unter einem Ampere hinreichend exakt messbar ist. Bevorzugt wird der Netzstrom durch einen Stromwandler, welcher Teil der digitalen Störstromüberwachungseinheit ist, gemessen. Ein solcher Stromwandler umfasst vorteilhaft einen passiven Stromwandler, bevorzugt eine sogenannte Rogowski-Spule, die den Netzstrom mA-genau erfassen kann. Die Spule ist eisenlos und zeigt daher keine Sättigungseffekte und weist eine exzellente Linearität auf. Dieser passive Stromwandler ist besonders zuverlässig und für exakte Messungen geeignet. Zudem ist das Einschwingverhalten des für die Frequenzselektion genutzten Frequenzfilters absolut unkritisch. Ein Einschwingen des Frequenzfilters dauert gewöhnlich etwa 200 bis 300 ms. Dagegen werden bei einem Start eines Schienenfahrzeugs für eine Freigabe eines Hauptschalters mindestens 3s benötigt, so dass die digitale Störstromüberwachungseinheit rechtzeitig einsatzbereit ist. Vorteilhaft wird also eine frühzeitige Erkennung eines Hauptschalterversagens erreicht und eine Vermeidung von Stromrichter- und Transformatorschäden bewirkt. Gegebenenfalls kann die Störstromüberwachung durch den Einsatz einer modifizierten Software ohne Modifizierung der herkömmlichen Hardware erfolgen, da eine herkömmliche digitale Störstromüberwachungseinheit bereits in den meisten Schienenfahrzeugen installiert ist und für das erfindungsgemäße Verfahren, gegebenenfalls nach einer entsprechenden Modifikation der Software und/oder Parametrierung der Störstromüberwachungseinheit und/oder der Fahrzeugsteuerungseinheit, weitergenutzt werden kann.Advantageously, a high measurement resolution can be achieved by the digital interference current monitoring unit, so that even a very small current in the range of well below one ampere that occurs in normal operation, for example when driving, can be measured with sufficient precision is. The mains current is preferably measured by a current transformer, which is part of the digital interference current monitoring unit. Such a current transformer advantageously comprises a passive current transformer, preferably a so-called Rogowski coil, which can detect the mains current with mA precision. The coil is ironless and therefore shows no saturation effects and has excellent linearity. This passive current transformer is particularly reliable and suitable for precise measurements. In addition, the transient response of the frequency filter used for frequency selection is absolutely uncritical. The frequency filter usually takes around 200 to 300 ms to settle. On the other hand, when starting a rail vehicle, at least 3 seconds are required to release a main switch, so that the digital interference current monitoring unit is ready for use in good time. Advantageously, early detection of a main switch failure is achieved and damage to the power converter and transformer is avoided. If necessary, the interference current monitoring can be carried out by using modified software without modifying the conventional hardware, since a conventional digital interference current monitoring unit is already installed in most rail vehicles and for the method according to the invention, if necessary after a corresponding modification of the software and / or parameterization of the interference current monitoring unit and / or the vehicle control unit, can continue to be used.

Gegenüber der nach Stand der Technik besten Lösung, der Messung der Netzspannung zwischen Hauptschalter und Transformator oder auf der Sekundärseite des Transformators, weist das erfindungsgemäße Vorgehen den Vorteil auf, dass keine Spannungswandler zur Messung der Spannung auf der Transformatorseite des Hauptschalters erforderlich sind.Compared to the best solution according to the prior art, the measurement of the mains voltage between the main switch and the transformer or on the secondary side of the transformer, the procedure according to the invention has the advantage that no voltage converters are required to measure the voltage on the transformer side of the main switch.

Die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung weist eine digitale Störstromüberwachungseinheit mit einem Frequenzfilter für ein über eine Stromversorgungsleitung eines Bahnstromnetzes mit elektrischem Netzstrom versorgtes Schienenfahrzeug zum Messen eines möglicherweise fließenden Netzstroms während Betriebszeiten, in denen der Hauptschalter des Schienenfahrzeugs offen sein soll, auf. Ein Frequenzfilter lässt nur ein elektrisches Signal in einem vorbestimmten Frequenzbereich bzw. Durchlassbereich durch und ermöglicht somit eine Auswertung eines Signals in einem solchen beschränkten Frequenzbereich. In dem vorliegenden Fall soll ein Strom im Bereich der Frequenz der Grundschwingung des Netzstroms gemessen werden.The monitoring device according to the invention has a digital interference current monitoring unit with a frequency filter for a rail vehicle supplied with electrical mains current via a power supply line of a traction power network for measuring a possibly flowing mains current during operating times in which the main switch of the rail vehicle is to be open. A frequency filter only allows an electrical signal in a predetermined frequency range or passband to pass through and thus enables an evaluation of a signal in such a limited frequency range. In the present case, a current in the range of the frequency of the fundamental oscillation of the mains current is to be measured.

Die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung umfasst auch eine Einstelleinheit zum Einstellen eines Durchlassbereichs des Frequenzfilters der digitalen Störstromüberwachungseinheit auf die Grundschwingung des elektrischen Netzstroms des Bahnstromnetzes.The monitoring device according to the invention also includes an adjustment unit for adjusting a passband of the frequency filter of the digital interference current monitoring unit to the fundamental oscillation of the electrical network current of the traction power network.

Außerdem umfasst die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung eine Schwellwertermittlungseinheit zum Festlegen eines Schwellwerts für einen zulässigen detektierten Netzstrom auf Basis experimenteller oder rechnerischer Daten.In addition, the monitoring device according to the invention comprises a threshold value determination unit for setting a threshold value for a permissible detected network current based on experimental or computational data.

Zudem weist die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung eine Einschalteinheit zum Einschalten der digitalen Störstromüberwachungseinheit und zum Aktivieren der Überwachung des Netzstroms durch diese digitale Störstromüberwachungseinheit, beispielsweise vor dem Kontaktieren der Stromversorgungsleitung durch den Stromabnehmer des Schienenfahrzeugs, auf.In addition, the monitoring device according to the invention has a switch-on unit for switching on the digital interference current monitoring unit and for activating the monitoring of the mains current by this digital interference current monitoring unit, for example before the current collector of the rail vehicle contacts the power supply line.

Teil der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung ist auch eine Steuereinheit zum Durchführen einer Schutzreaktion für den Fall, dass ein detektierter Netzstrom den festgelegten Schwellwert überschreitet. In einer Variante ist die Steuereinheit zum Kontaktieren der Stromversorgungsleitung und Trennen des Stromabnehmers von der Stromversorgungsleitung für den Fall, dass ein detektierter Netzstrom den festgelegten Schwellwert überschreitet, eingerichtet. Die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung teilt die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens.Part of the monitoring device according to the invention is also a control unit for carrying out a protective reaction in the event that a detected mains current exceeds the specified threshold value. In one variant, the control unit is set up to contact the power supply line and disconnect the current collector from the power supply line in the event that a detected mains current exceeds the specified threshold value. The monitoring device according to the invention shares the advantages of the method according to the invention.

Das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug weist einen Stromabnehmer zum Kontaktieren des Schienenfahrzeugs mit einer Stromversorgungsleitung eines Bahnstromnetzes, einen Primärstromwandler, einen Hauptschalter zum Kontaktieren des Primärstromwandlers mit dem Bahnstromnetz und eine erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung auf. Mit der Steuereinheit der Überwachungseinrichtung erfolgt eine Schutzreaktion, insbesondere ein Trennen des Stromabnehmers von der Stromversorgungsleitung für den Fall, dass die Überwachungseinrichtung einen defekten Hauptschalter detektiert. Das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug teilt die Vorteile der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung.The rail vehicle according to the invention has a current collector for contacting the rail vehicle with a power supply line of a traction power network, a primary current transformer, a main switch for contacting the primary current transformer with the traction power network and a monitoring device according to the invention. The control unit of the monitoring device carries out a protective reaction, in particular disconnecting the current collector from the power supply supply line in the event that the monitoring device detects a defective main switch. The rail vehicle according to the invention shares the advantages of the monitoring device according to the invention.

Ein Großteil der zuvor genannten Komponenten der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung können ganz oder teilweise in Form von Softwaremodulen in einem Prozessor eines entsprechenden Rechensystems realisiert werden, z.B. von einer Steuereinheit oder einem bereits vorhandenen Rechensystem eines Schienenfahrzeugs. Eine weitgehend softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch schon bisher verwendete Rechensysteme auf einfache Weise durch ein Software-Update nachgerüstet werden können, um auf die erfindungsgemäße Weise zu arbeiten. Insofern wird die Aufgabe auch durch ein entsprechendes Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm gelöst, welches direkt in ein Rechensystem ladbar ist, mit Programmabschnitten, um die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens, zumindest die durch einen Computer ausführbaren Schritte, insbesondere die Schritte zum Einstellen eines Durchlassbereichs eines Frequenzfilters einer digitalen Störstromüberwachungseinheit des Schienenfahrzeugs auf die Grundschwingung des Netzstroms, zum Festlegen eines Schwellwerts für einen zulässigen detektierten Netzstrom auf Basis experimenteller oder rechnerischer Daten bezüglich einer korrekten Funktion eines Hauptschalters und zum Messen eines möglicherweise fließenden Netzstroms mit der Störstromüberwachungseinheit während Betriebszeiten, in denen der Hauptschalter offen sein soll, auszuführen, wenn das Programm in dem Rechensystem ausgeführt wird. Ein solches Computerprogrammprodukt kann neben dem Computerprogramm gegebenenfalls zusätzliche Bestandteile, wie z. B. eine Dokumentation, und/oder zusätzliche Komponenten, auch Hardware-Komponenten, wie z.B. Hardware-Schlüssel (Dongles etc.) zur Nutzung der Software, umfassen.A majority of the aforementioned components of the monitoring device according to the invention can be implemented entirely or partially in the form of software modules in a processor of a corresponding computing system, for example by a control unit or an already existing computing system of a rail vehicle. A largely software-based implementation has the advantage that previously used computing systems can also be easily retrofitted by a software update in order to work in the manner according to the invention. In this respect, the task is also solved by a corresponding computer program product with a computer program that can be loaded directly into a computing system, with program sections to carry out the steps of the method according to the invention, at least the steps that can be carried out by a computer, in particular the steps for setting a pass band of a frequency filter digital interference current monitoring unit of the rail vehicle on the fundamental oscillation of the mains current, for setting a threshold value for a permissible detected mains current based on experimental or computational data regarding the correct function of a main switch and for measuring a possibly flowing mains current with the interference current monitoring unit during operating times in which the main switch is open should be executed when the program is executed in the computing system. In addition to the computer program, such a computer program product may optionally contain additional components, such as: B. documentation and/or additional components, including hardware components, such as hardware keys (dongles, etc.) for using the software.

Zum Transport zum Rechensystem bzw. zur Steuereinheit und/oder zur Speicherung an oder in dem Rechensystem bzw. der Steuereinheit kann ein computerlesbares Medium, z.B. ein Memorystick, eine Festplatte oder ein sonstiger transportabler oder fest eingebauter Datenträger dienen, auf welchem die von einem Rechensystem einlesbaren und ausführbaren Programmabschnitte des Computerprogramms gespeichert sind. Das Rechensystem kann z.B. hierzu einen oder mehrere zusammenarbeitende Mikroprozessoren oder dergleichen aufweisen.For transport to the computing system or to the control unit and/or for storage on or in the computing system or the control unit, a computer-readable medium, e.g. a memory stick, a hard drive or another transportable or permanently installed data carrier, on which the data that can be read by a computing system can be used and executable program sections of the computer program are stored. For this purpose, the computing system can, for example, have one or more cooperating microprocessors or the like.

Die abhängigen Ansprüche sowie die nachfolgende Beschreibung enthalten jeweils besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung. Zudem können im Rahmen der Erfindung die verschiedenen Merkmale unterschiedlicher Ausführungsbeispiele und Ansprüche auch zu neuen Ausführungsbeispielen kombiniert werden.The dependent claims and the following description each contain particularly advantageous refinements and developments of the invention. In addition, within the scope of the invention, the various features of different exemplary embodiments and claims can also be combined to form new exemplary embodiments.

Bevorzugt wechselt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die digitale Störstromüberwachungseinheit zwischen einem ersten Modus zur Störstromüberwachung und einem zweiten Modus zur Überwachung eines möglicherweise fließenden Netzstroms. Vorteilhaft kann dieselbe funktionelle Einheit für zwei unterschiedliche Aufgaben genutzt werden, eine Überwachung auf Störströme und eine Überwachung einer korrekten Funktion eines Hauptschalters. Insbesondere ist die digitale Störstromüberwachungseinheit bevorzugt dazu eingerichtet, den Wechsel zwischen den beiden Modi durchzuführen.In the method according to the invention, the digital interference current monitoring unit preferably switches between a first mode for interference current monitoring and a second mode for monitoring a possibly flowing mains current. The same functional unit can advantageously be used for two different tasks, monitoring for interference currents and monitoring the correct function of a main switch. In particular, the digital interference current monitoring unit is preferably set up to carry out the change between the two modes.

Besonders bevorzugt erfolgt der Moduswechsel in Abhängigkeit von einem momentanen Sollzustand des Hauptschalters. Vorteilhaft kann die Störstromüberwachung während einer Fahrt in Zeiträumen, in denen der Hauptschalter geschlossen ist bzw. geschlossen sein soll, erfolgen und die Überwachung auf einen unzeitigen Netzstrom kann zu Zeiten bzw. in Zeiträumen erfolgen, in denen der Hauptschalter geöffnet sein soll.The mode change particularly preferably takes place depending on a current target state of the main switch. The interference current monitoring can advantageously take place during a journey in periods in which the main switch is closed or should be closed, and monitoring for an untimely mains current can take place at times or in periods in which the main switch should be open.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt bevorzugt eine Messung eines möglicherweise fließenden Netzstroms direkt nach einem Einschwingen des Frequenzfilters der digitalen Störstromüberwachung. „Direkt“ soll bedeuten, dass die zeitliche Verzögerung nicht mehr als 300 ms dauern soll. In the method according to the invention, a measurement of a possibly flowing mains current is preferably carried out directly after the frequency filter of the digital interference current monitoring settles. “Direct” means that the time delay should not last more than 300 ms.

Vorteilhaft kann die Überwachung auf einen Defekt des Hauptschalters vor der Freigabe des Hauptschalters gestartet werden, so dass eine unüberwachte Nutzung eines möglicherweise bereits defekten Hauptschalters vermieden werden kann.Monitoring for a defect in the main switch can advantageously be started before the main switch is released, so that unmonitored use of a main switch that may already be defective can be avoided.

Vorteilhaft kann die Überwachung auf einen Defekt des Hauptschalters nach dem Öffnen des Hauptschalters aktiviert werden, so dass ein Defekt bereits vor dem Abstellen des Fahrzeugs oder vor der Durchführung einer Schalthandlung, die Spannungsfreiheit erfordert (z.B. Öffnen eines Trenners, Bedienung einer Schaltwalze), erkannt werden kann.Advantageously, monitoring for a defect in the main switch can be activated after opening the main switch, so that a defect can be detected before the vehicle is parked or before a switching operation that requires the absence of voltage (e.g. opening a isolator, operating a switching drum) can be detected can.

Bevorzugt erfolgt eine Umschaltung der digitalen Störstromüberwachungseinheit zwischen unterschiedlichen Grundfrequenzen des Netzstroms bei einem Netzwechsel. Vorteilhaft kann durch den Wechsel der Überwachungs-Grundfrequenz ein unzeitiger Netzstrom auch bei einem Übergang eines Schienenfahrzeugs in ein Stromnetz mit einer anderen Frequenz bzw. Grundfrequenz detektiert werden.The digital interference current monitoring unit is preferably switched between different basic frequencies of the mains current when the mains is changed. By changing the monitoring basic frequency, an untimely mains current can also be advantageously detected when a rail vehicle moves into a power network with a different frequency or basic frequency.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren umfasst die Grundschwingung des Netzstroms bevorzugt eine der folgenden Frequenzen:

- 16,67 Hz,
- 50 Hz.

In the method according to the invention, the fundamental oscillation of the mains current preferably comprises one of the following frequencies:

- 16.67Hz,
- 50Hz.

Vorteilhaft kann ein Netzstrom mit den in Europa üblichen Wechselstromfrequenzen des Netzstroms detektiert werden.A mains current can advantageously be detected with the alternating current frequencies of the mains current that are common in Europe.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weist die digitale Störstromüberwachungseinheit einen Stromwandler, vorzugsweise einen passiven Stromwandler, besonders bevorzugt eine Rogowski-Spule auf. Wie bereits erwähnt, weist ein solcher vorzugsweise passiver Stromwandler hohe Zuverlässigkeit und Genauigkeit auf, da er keinen Sättigungseffekt zeigt und eine exzellente Linearität aufweist.In the method according to the invention, the digital interference current monitoring unit has a current transformer, preferably a passive current transformer, particularly preferably a Rogowski coil. As already mentioned, such a preferably passive current transformer has high reliability and accuracy because it does not show any saturation effect and has excellent linearity.

Bevorzugt ist die digitale Störstromüberwachungseinheit in Serie zu einem Haupttransformator des Schienenfahrzeugs angeordnet. Vorteilhaft kann mit der digitalen Störstromüberwachungseinheit ein Netzstrom gemessenen werden, der auch den Haupttransformator beaufschlagt.The digital interference current monitoring unit is preferably arranged in series with a main transformer of the rail vehicle. Advantageously, the digital interference current monitoring unit can be used to measure a mains current that also applies to the main transformer.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weist der Überwachungsgrenzwert für einen unzeitigen Netzstrom eine Stromstärke mit einem Wert zwischen 0 und 2 Ampere auf. Vorteilhaft kann ein Netzstrom mit einer so geringen Stromstärke von der Störstromüberwachung detektiert werden, so dass ein Defekt des Hauptschalters sicher erkannt wird.In the method according to the invention, the monitoring limit for an untimely network current has a current intensity with a value between 0 and 2 amperes. Advantageously, a mains current with such a low current intensity can be detected by the interference current monitoring so that a defect in the main switch can be reliably detected.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Schienenfahrzeugs,
2 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Störstromüberwachungseinheit,
3 eine schematische Darstellung einer Gleisstrommessung zwischen einem Generator und einem Motorrelais,
4 eine schematische Darstellung einer Detektion eines Schienenfahrzeugs in einem Gleisabschnitt,
5 eine schematische Darstellung eines Szenarios, in dem durch ein Schienenfahrzeug ein Störstrom erzeugt wird,
6 eine schematische Darstellung eines Blockschaltbilds einer Störstromüberwachung,
7 eine schematische Darstellung einer Überwachungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
8 ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zur Überwachung der Funktion eines Hauptschalters eines über eine Stromversorgungsleitung eines Bahnstromnetzes mit elektrischem Netzstrom versorgten Schienenfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
9 eine schematische Darstellung eines Schienenfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

The invention is explained in more detail below with reference to the attached figures using exemplary embodiments. Show it:

1 a schematic representation of a conventional rail vehicle,
2 a schematic representation of a conventional interference current monitoring unit,
3 a schematic representation of a track current measurement between a generator and a motor relay,
4 a schematic representation of a detection of a rail vehicle in a track section,
5 a schematic representation of a scenario in which an interference current is generated by a rail vehicle,
6 a schematic representation of a block diagram of a disturbance current monitoring,
7 a schematic representation of a monitoring device according to an exemplary embodiment of the invention,
8th a flowchart which illustrates a method for monitoring the function of a main switch of a rail vehicle supplied with electrical mains power via a power supply line of a traction power network according to an exemplary embodiment of the invention,
9 a schematic representation of a rail vehicle according to an embodiment of the invention.

In 1 wird eine schematische Darstellung eines elektrifizierten Schienenfahrzeugs 1 veranschaulicht. Das elektrifizierte Schienenfahrzeug 1, in diesem Fall ein Schienenfahrzeug ausschließlich zum Betrieb mit Wechselspannung, umfasst zur Versorgung mit elektrischer Energie aus einem Bahnstromnetz N, in diesem Fall einem Wechselspannungsbahnstromnetz, einen Pantographen 2, der über einen Hauptschalter 3 mit einem Primärstromwandler PW elektrisch verbunden ist. Der Primärstromwandler wandelt den Wechselstrom bzw. Netzstrom in Bereichen bis 1000 A in kleinere Ströme. Dem Primärstromwandler PW ist eine Störstromüberwachungseinheit DSU nachgeschaltet. Eine solche Störstromüberwachungseinheit DSU misst Störströme in Bereichen von wenigen Milliampere. Der Störstromüberwachungseinheit DSU nachgeschaltet ist ein Haupttransformator 4, der die Hochspannung des Netzstroms heruntertransformiert. Mit dem Haupttransformator 4 elektrisch verbunden sind zwei Stromrichter 5, die den Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln.In 1 a schematic representation of an electrified rail vehicle 1 is illustrated. The electrified rail vehicle 1, in this case a rail vehicle exclusively for operation with alternating voltage, comprises a pantograph 2, which is electrically connected to a primary current transformer PW via a main switch 3, for supplying electrical energy from a traction power network N, in this case an alternating voltage traction power network. The primary current transformer converts the alternating current or mains current into smaller currents in ranges of up to 1000 A. A disturbance current monitoring unit DSU is connected downstream of the primary current transformer PW. Such an interference current monitoring unit DSU measures interference currents in the range of a few milliamperes. Downstream of the interference current monitoring unit DSU is a main transformer 4, which transforms the high voltage of the mains current down. Two power converters 5 are electrically connected to the main transformer 4 and convert the alternating current into direct current.

In 2 ist eine Störstromüberwachungseinheit DSU eines Schienenfahrzeugs mit einer Rogowski-Spule RS und einer Überwachungsschaltung US grob schematisch gezeigt. Die Rogowski-Spule RS umfasst auf der Primärseite einen stromdurchflossen Leiter L durch den ein Netzstrom I_N fließt, und Luftspulenwicklungen TW, M auf der Sekundärseite. Eine erste Luftspulenwicklung der Spulenwicklungen umfasst eine Messwicklung M (in 2 unten links gezeigt) und eine zweite Luftspulenwicklung der Spulenwicklungen umfasst eine Testwicklung TW (in 2 oben gezeigt).In 2 A disturbance current monitoring unit DSU of a rail vehicle with a Rogowski coil RS and a monitoring circuit US is shown roughly schematically. The Rogowski coil RS includes on the primary side a current-carrying conductor L through which a mains current I _N flows, and air coil windings TW, M on the secondary side. A first air coil winding of the coil windings includes a measuring winding M (in 2 shown below left) and a second air coil winding of the coil windings includes a test winding TW (in 2 shown above).

Die Überwachungsschaltung US ist an die beiden Spulenwicklungen TW, M angeschlossen und umfasst eine Messverstärkerschaltung V1, eine Verstärkerschaltung V2, einen A/D-Wandler W und einen digitalen Signalprozessor DSP. Die Messwicklung M ist an die Messverstärkerschaltung V1 angeschlossen, deren Ausgang über den A/D-Wandler W an den digitalen Signalprozessor DSP angeschlossen ist. Die Testwicklung TW wird von dem digitalen Signalprozessor DSP über die Verstärkerschaltung V2 angesteuert.The monitoring circuit US is connected to the two coil windings TW, M and comprises a measuring amplifier circuit V1, an amplifier circuit V2, an A/D converter W and a digital signal processor DSP. The measuring winding M is connected to the measuring amplifier circuit V1, the output of which is connected to the digital signal processor DSP via the A/D converter W. The test winding TW is controlled by the digital signal processor DSP via the amplifier circuit V2.

In 3 ist eine schematische Darstellung eines unbelegten Streckenabschnitts 10 mit einer Streckenüberwachung mit einer Gleisstrommessung zwischen einem Generator 6 und einem Motorrelais 8 veranschaulicht. Die Gleisstrommessung wird dafür genutzt, zu ermitteln, ob der Streckenabschnitt 10 frei von einem Schienenfahrzeug ist oder besetzt ist. Auf diese Weise soll ein Zusammenstoß von zwei auf demselben Gleis bzw. denselben Schienen 7a, 7b fahrenden Schienenfahrzeugen vermieden werden. Der in 3 auf der linken Seite unten dargestellte Generator 6 erzeugt zwei um 90° phasenverschobene elektrische Spannungen, von denen die eine zwischen den Schienen, d.h. der isolierten Schiene 7a und der Erdschiene 7b, des Streckenabschnitts 10 und die andere leitungsgebunden über eine Stromleitung 6a zu dem Motorrelais 8, das in 3 auf der rechten Seite unten dargestellt ist, geführt wird. Das Motorrelais 8 wird durch Federkraft in einer Ruhelage gehalten. Die beiden elektrischen Spannungen erzeugen ein Drehfeld und damit ein Drehmoment. Das Motorrelais 8 dreht sich daher bei einem unbelegten Streckenabschnitt 10 in die Arbeitslage und der Streckenabschnitt 10 wird als frei erkannt.In 3 is a schematic representation of an unoccupied route section 10 with route monitoring with a track current measurement between a generator 6 and a motor relay 8. The track current measurement is used to determine whether the route section 10 is free of a rail vehicle or is occupied. In this way, a collision between two rail vehicles traveling on the same track or rails 7a, 7b is to be avoided. The in 3 Generator 6 shown on the left side below generates two electrical voltages that are 90° out of phase, one of which is between the rails, ie the insulated rail 7a and the earth rail 7b, of the section 10 and the other is wired via a power line 6a to the motor relay 8 , this in 3 shown on the right below. The motor relay 8 is held in a rest position by spring force. The two electrical voltages create a rotating field and thus a torque. The motor relay 8 therefore rotates into the working position when the route section 10 is unoccupied and the route section 10 is recognized as free.

In 4 ist der in 3 bereits gezeigte Streckenabschnitt 10 in einer Situation gezeigt, in der sich ein Schienenfahrzeug 1 auf dem überwachten Streckenabschnitt 10 befindet. Das Schienenfahrzeug 1 schließt mit seinem Fahrgestell die zwischen den Schienen 7a, 7b anliegende Gleisspannung kurz, so dass das Drehfeld im Motorrelais 8 verschwindet. Die Feder zieht das Motorrelais 8 in die Ruhelage, der Streckenabschnitt 10 wird somit als besetzt erkannt und gemeldet.In 4 is the 3 The previously shown section of track 10 is shown in a situation in which a rail vehicle 1 is located on the monitored section of track 10. The rail vehicle 1 short-circuits the track voltage between the rails 7a, 7b with its chassis, so that the rotating field in the motor relay 8 disappears. The spring pulls the motor relay 8 into the rest position, the section of track 10 is thus recognized as occupied and reported.

Allerdings kann der Rückstrom eines elektrischen Schienenfahrzeugs 1 die Gleisfreimeldung stören, also als Störstrom wirken, wenn dieser an der Messstelle, also an der Position des Motorrelais 8, gerade dem eingespeisten Strom, also dem im Fall des freien Streckenabschnitts gemessenen Strom, entspricht. Dazu muss bei der Arbeitsfrequenz des Motorrelais 8 eine Ansprechschwelle überschritten werden und diese Überschreitung muss so lange anhalten, dass das Motorrelais 8 ansprechen kann und das Ansprechen im Stellwerk registriert werden kann.However, the return current of an electric rail vehicle 1 can disrupt the track vacancy detection, i.e. act as a disturbance current, if it corresponds to the current fed in at the measuring point, i.e. at the position of the motor relay 8, i.e. the current measured in the case of the free section of the track. To do this, a response threshold must be exceeded at the working frequency of the motor relay 8 and this exceedance must last long enough for the motor relay 8 to respond and the response to be registered in the signal box.

In 5 ist eine schematische Darstellung eines Szenarios, in dem durch ein Schienenfahrzeug 1 ein solcher Störstrom erzeugt wird, gezeigt.In 5 a schematic representation of a scenario in which such an interference current is generated by a rail vehicle 1 is shown.

Um einen solchen sicherheitskritischen Störstrom zu vermeiden bzw. zu erkennen, weisen Schienenfahrzeuge 1 eine Störstromüberwachungseinheit DSU (siehe 2) auf. Diese Störstromüberwachungseinheit DSU misst den Rückstrom und erkennt, wenn der Rückstrom gewisse Grenzwerte überschreitet. Beispielsweise darf der Rückstrom in einem vorbestimmten Frequenzbereich, in dem die Frequenz der von dem Generator 6 erzeugten elektrischen Spannung liegt, beispielsweise 42 Hz, einen vorbestimmten Grenzwert einer Stromstärke für eine Zeit, die länger als eine vorbestimmte Zeitdauer ist, nicht überschreiten. Typische Werte sind für den Frequenzbereich 42 Hz +- 2 Hz, für den Grenzwert der Stromstärke 2,8 Ampere und für die vorbestimmte Zeitdauer 0,5 s.In order to avoid or detect such a safety-critical interference current, rail vehicles 1 have an interference current monitoring unit DSU (see 2 ) on. This interference current monitoring unit DSU measures the reverse current and detects when the reverse current exceeds certain limit values. For example, in a predetermined frequency range in which the frequency of the electrical voltage generated by the generator 6 lies, for example 42 Hz, the return current may not exceed a predetermined limit value of a current intensity for a time that is longer than a predetermined period of time. Typical values are for the frequency range 42 Hz +- 2 Hz, for the current limit value 2.8 amperes and for the predetermined time period 0.5 s.

In 6 ist eine schematische Darstellung eines Blockschaltbilds einer Störstromüberwachungseinheit DSU eines Schienenfahrzeugs im Detail gezeigt. Wie bereits in 2 gezeigt, ist die Störstromüberwachungseinheit mit einer Luftspule bzw. Messwicklung M einer Rogowski-Spule RS elektrisch verbunden. Der gemessene Netzstrom I_N des Schienenfahrzeugs 1 wird mit einem A/D-Wandler W erfasst und digitalisiert. Durch einen digitalen Signalprozessor DSP wird der gemessene Netzstrom I_N weiterverarbeitet und ausgewertet. Hierzu umfasst der digitale Signalprozessor DSP einen Frequenzfilter F, der die zu überwachenden Frequenzanteile aus dem Eingangssignal filtert. Weiterhin umfasst der digitale Signalprozessor DSP eine IT-Überwachungseinheit IT, welche die Amplitude I des Eingangssignals mit einem Stromgrenzwert und bei Überschreitung des Stromgrenzwerts die Dauer T der Überschreitung mit einem Zeitgrenzwert vergleicht. Auf eine Überschreitung der geforderten Grenzwerte wird mit einer Öffnung des Hauptschalters 3 (siehe 1) reagiert.In 6 a schematic representation of a block diagram of a disturbance current monitoring unit DSU of a rail vehicle is shown in detail. As already in 2 shown, the interference current monitoring unit is electrically connected to an air coil or measuring winding M of a Rogowski coil RS. The measured mains current I _N of the rail vehicle 1 is recorded and digitized using an A/D converter W. The measured mains current I _N is further processed and evaluated by a digital signal processor DSP. For this purpose, the digital signal processor DSP includes a frequency filter F, which filters the frequency components to be monitored from the input signal. Furthermore, the digital signal processor DSP includes an IT monitoring unit IT, which compares the amplitude I of the input signal with a current limit value and, if the current limit value is exceeded, the duration T of the exceedance with a time limit value. If the required limit values are exceeded, the main switch 3 is opened (see 1 ) Reacts.

Die Stromüberwachungseinheit DSU umfasst eine Einheit K zur Festlegung von Koeffizienten für eine Erzeugung von in ihrer Filtercharakteristik und in der Überwachungseigenschaft beliebig parametrierbaren Überwachungskanälen zur Überwachung von bis zu 5 Frequenzbändern zwischen 20 Hz und 450 Hz. Die Parametrierung des Frequenzfilters F erfolgt durch eine Parametrierdatei PD, die in einer Parametrierungseinheit PE, symbolisiert durch einen Computer, gespeichert ist. Aus der Parametrierdatei PD werden während der Fahrzeugprojektierungsphase die Filterkoeffizienten und Überwachungsparameter offline bestimmt.The current monitoring unit DSU includes a unit K for determining coefficients for generating monitoring channels that can be parameterized as desired in terms of their filter characteristics and monitoring properties for monitoring up to 5 frequency bands between 20 Hz and 450 Hz. The frequency filter F is parameterized using a parameterization file PD, which is stored in a parameterization unit PE, symbolized by a computer. The filter coefficients and monitoring parameters are determined offline from the parameterization file PD during the vehicle planning phase.

Außerdem überwacht sich die Stromüberwachungseinheit DSU auch selbst. Hierzu umfasst sie eine Software-Eigenüberwachung EU1 und eine Hardware-Eigenüberwachung EU2. Im Fehlerfall erfolgt eine Hauptschalterauslösung AL sowie eine Störungsmeldung STM an die Fahrzeugsteuerung bzw. Steuerungseinheit SE des Schienenfahrzeugs. Über eine Ansprechmeldung AS kann gegebenenfalls bei einem Erreichen einer niedrigeren Schwelle durch den Störstrom, bei der die Funktion des Motorrelais noch nicht gestört ist, eine „weichere“ Reaktion ausgelöst werden, wie zum Beispiel eine Drehmomentreduktion.In addition, the current monitoring unit DSU also monitors itself. For this purpose, it includes a software self-monitoring EU1 and a hardware self-monitoring EU2. In the event of an error, the main switch AL is triggered and a fault message STM is sent to the vehicle control or control unit SE of the rail vehicle. A response message AS can be used to provide a “softer” reaction when the interference current reaches a lower threshold, at which the function of the motor relay is not yet disturbed be triggered, such as a torque reduction.

In 7 ist eine schematische Darstellung einer Überwachungseinrichtung 70 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt.In 7 a schematic representation of a monitoring device 70 according to an exemplary embodiment of the invention is shown.

Die Überwachungseinrichtung 70 weist eine digitale Störstromüberwachungseinheit DSU für ein über eine Stromversorgungsleitung OL eines Bahnstromnetzes N mit elektrischem Netzstrom I_N versorgtes Schienenfahrzeug 1 zum Messen eines möglicherweise fließenden Netzstroms I_N während des Kontaktierungsvorgangs eines Stromabnehmers 2 des Schienenfahrzeugs 1 mit der Stromversorgungsleitung OL auf.The monitoring device 70 has a digital interference current monitoring unit DSU for a rail vehicle 1 supplied with electrical mains current I _N via a power supply line OL of a traction power network N for measuring a possibly flowing mains current I _N during the contacting process of a pantograph 2 of the rail vehicle 1 with the power supply line OL.

Teil der Überwachungseinrichtung 70 ist neben dieser bereits aus herkömmlichen Anordnungen bekannten digitalen Störstromüberwachungseinheit DSU auch eine Einstelleinheit 71 zum Einstellen eines Durchlassbereichs eines Frequenzfilters F der digitalen Störstromüberwachungseinheit DSU auf die Grundschwingung des elektrischen Netzstroms I_N des Bahnstromnetzes N.In addition to this digital interference current monitoring unit DSU, which is already known from conventional arrangements, part of the monitoring device 70 is also a setting unit 71 for adjusting a passband of a frequency filter F of the digital interference current monitoring unit DSU to the fundamental oscillation of the electrical network current I _N of the traction power network N.

Die Überwachungseinrichtung 70 umfasst auch eine Schwellwertermittlungseinheit 72 zum Festlegen eines Schwellwerts SW für einen zulässigen detektierten Netzstrom I_S auf Basis experimenteller oder errechneter Daten.The monitoring device 70 also includes a threshold value determination unit 72 for setting a threshold value SW for a permissible detected network current I _S based on experimental or calculated data.

Die Überwachungseinrichtung 70 umfasst zudem eine Einschalteinheit 73 zum Einschalten der digitalen Störstromüberwachungseinheit DSU, beispielsweise vor dem Kontaktieren der Stromversorgungsleitung OL durch den Stromabnehmer 2 des Schienenfahrzeugs 1.The monitoring device 70 also includes a switch-on unit 73 for switching on the digital interference current monitoring unit DSU, for example before the current collector 2 of the rail vehicle 1 contacts the power supply line OL.

Außerdem umfasst die Überwachungseinrichtung 70 eine Steuereinheit 75 zum Kontaktieren der Stromversorgungsleitung OL und Trennen des Stromabnehmers 2 von der Stromversorgungsleitung OL für den Fall, dass ein detektierter Netzstrom I_N den festgelegten Schwellwert SW überschreitet.In addition, the monitoring device 70 includes a control unit 75 for contacting the power supply line OL and disconnecting the current collector 2 from the power supply line OL in the event that a detected mains current I _N exceeds the specified threshold value SW.

In 8 ist ein Flussdiagramm 800 veranschaulicht, welches ein Verfahren zur Überwachung der Funktion eines Hauptschalters eines über ein Bahnstromnetz über eine Stromversorgungsleitung OL mit elektrischem Netzstrom versorgten Schienenfahrzeugs 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.In 8th is a flowchart 800 illustrated, which shows a method for monitoring the function of a main switch of a rail vehicle 1 supplied with electrical mains power via a traction power network via a power supply line OL according to an exemplary embodiment of the invention.

Bei dem Schritt 8.I wird ein Durchlassbereich DB eines Filters F einer digitalen Störstromüberwachungseinheit DSU des Schienenfahrzeugs 1 auf die Grundschwingung des Netzstroms I_N, beispielsweise 16,7 Hz, eingestellt.In step 8.I, a passband DB of a filter F of a digital interference current monitoring unit DSU of the rail vehicle 1 is set to the fundamental oscillation of the mains current I _N , for example 16.7 Hz.

Bei dem Schritt 8.II wird ein Schwellwert SW für einen zulässigen detektierten Netzstrom I_N auf Basis experimenteller bzw. rechnerischer Daten ermittelt. Experimentelle bzw. empirische Daten können zum Beispiel anhand von Aufzeichnungen bei geöffnetem Hauptschalter und bei Leerlaufbetrieb mit geschlossenem Hauptschalter gewonnen werden.In step 8.II, a threshold value SW for a permissible detected mains current I _N is determined on the basis of experimental or computational data. Experimental or empirical data can be obtained, for example, from recordings with the main switch open and during idle operation with the main switch closed.

Bei dem Schritt 8.III wird die digitale Störstromüberwachungseinheit DSU (siehe 8) vor dem Kontaktieren der Stromversorgungsleitung OL durch einen Stromabnehmer 2 des Schienenfahrzeugs 1 eingeschaltet.In step 8.III, the digital interference current monitoring unit DSU (see 8th ) switched on before contacting the power supply line OL by a current collector 2 of the rail vehicle 1.

Bei dem Schritt 8.IV wird ein möglicherweise fließender Netzstrom I_N während des Kontaktierungsvorgangs des Stromabnehmers 2 gemessen.In step 8.IV, a possibly flowing mains current I _N is measured during the contacting process of the current collector 2.

Bei dem Schritt 8.V wird ermittelt, ob der detektierte Netzstrom I_N den festgelegten Schwellwert SW überschreitet. Für den Fall, dass ein detektierter Netzstrom I_N den festgelegten Schwellwert SW überschreitet, was in 8 mit „y“ symbolisiert ist, wird der Stromabnehmer 2 bei dem Schritt 8.Va von der Stromversorgungsleitung OL getrennt.In step 8.V it is determined whether the detected mains current I _N exceeds the specified threshold value SW. In the event that a detected mains current I _N exceeds the specified threshold value SW, which in 8th is symbolized by “y”, the current collector 2 is separated from the power supply line OL in step 8.Va.

Für den Fall, dass der Hauptschalter 3 nicht defekt ist, was in 8 mit „n“ gekennzeichnet ist, wird in dem Schritt 8.VI der Hauptschalter 3 (betriebsmäßig) geschlossen und die Parametrierung „Normalbetrieb“ NB der Störstromüberwachung aktiviert. Im Beispiel des Netzes der Deutschen Bahn würde nun bei 16,7 Hz keine Überwachung mehr stattfinden, aber eine Überwachung bei 42 Hz und bei 100 Hz wäre aktiv.In the event that the main switch 3 is not defective, what in 8th is marked with “n”, in step 8.VI the main switch 3 is closed (operationally) and the “normal operation” NB parameterization of the interference current monitoring is activated. In the example of the Deutsche Bahn network, monitoring would no longer take place at 16.7 Hz, but monitoring at 42 Hz and 100 Hz would be active.

Im Schritt 8.VII wird der Hauptschalter geöffnet und gleichzeitig die Parametrierung „Hauptschalterüberwachung“ HSU der Störstromüberwachung aktiviert, die eine Überwachungsschwelle bei Netzfrequenz unterhalb des Leerlaufstroms des Transformators besitzt. Dieser Vorgang kann zum Beispiel bei einem Beenden des Betriebs des Schienenfahrzeugs oder auch während einer Fahrt bei einem Auftreten eines Fehlerzustands, beispielsweise einem Defekt eines Stromrichters oder bei einem Überfahren einer Trennstelle auftreten, wobei der Hauptschalter geöffnet wird.In step 8.VII, the main switch is opened and at the same time the parameterization "Main switch monitoring" HSU of the interference current monitoring is activated, which has a monitoring threshold at mains frequency below the no-load current of the transformer. This process can occur, for example, when the rail vehicle stops operating or during a journey if a fault condition occurs, for example a defect in a power converter or when a separation point is crossed, in which case the main switch is opened.

Bei dem Schritt 8.VIII wird ein möglicherweise fließender Netzstrom I_N gemessen.In step 8.VIII, a possibly flowing mains current I _N is measured.

Wird bei dem Schritt 8.VIII ermittelt, dass ein detektierter Netzstrom I_N den festgelegten Schwellwert SW überschreitet, was in 8 mit „y“ gekennzeichnet ist, so wird zu dem Schritt 8.IX übergegangen. Bei dem Schritt 8.IX wird der Stromabnehmer 2 von der Stromversorgungsleitung OL getrennt.If it is determined in step 8.VIII that a detected mains current I _N exceeds the specified threshold value SW, which in 8th is marked with “y”, then go to step 8.IX. In step 8.IX, the current collector 2 is disconnected from the power supply line OL.

Wird bei dem Schritt 8.VIII ermittelt, dass der Schwellwert SW nicht überschritten wird, was in 8 mit „n“ gekennzeichnet ist, so wird zu einem der Schritte 8.VI, 8.VII zurückgekehrt und der „Normalbetrieb“ NB oder die „Hauptschalterüberwachung“ HSU fortgesetzt.If it is determined in step 8.VIII that the threshold value SW is not exceeded, which is in 8th is marked with “n”, then one of the steps 8.VI, 8.VII is returned and the “normal operation” NB or the “main switch monitoring” HSU is continued.

In 9 ist eine schematische Darstellung eines Schienenfahrzeugs 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Das Schienenfahrzeug 1 weist einen Stromabnehmer 2 zum Kontaktieren des Schienenfahrzeugs 1 mit einer Stromversorgungsleitung OL eines Bahnstromnetzes N auf.In 9 a schematic representation of a rail vehicle 1 according to an embodiment of the invention is shown. The rail vehicle 1 has a current collector 2 for contacting the rail vehicle 1 with a power supply line OL of a traction power network N.

Das Schienenfahrzeug 1 weist einen Hauptschalter 3 zum Kontaktieren der übrigen elektrischen Schaltungseinheiten des Schienenfahrzeugs 1 mit dem Bahnstromnetz und über die Oberleitung OL, einen Primärstromwandler PW und die in 7 gezeigte Überwachungseinrichtung 70 auf.The rail vehicle 1 has a main switch 3 for contacting the remaining electrical circuit units of the rail vehicle 1 with the traction power network and via the overhead line OL, a primary current transformer PW and the in 7 monitoring device 70 shown.

Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorbeschriebenen Verfahren und Vorrichtungen lediglich um bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung handelt und dass die Erfindung vom Fachmann variiert werden kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, soweit er durch die Ansprüche vorgegeben ist. Es wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können.Finally, it should be pointed out once again that the methods and devices described above are merely preferred exemplary embodiments of the invention and that the invention can be varied by a person skilled in the art without departing from the scope of the invention, insofar as it is specified by the claims. For the sake of completeness, it should also be noted that the use of the indefinite articles “a” or “an” does not exclude the fact that the characteristics in question can be present multiple times.

Claims

Method for monitoring the function of a main switch (3) of a rail vehicle (1) supplied with electrical mains current (IN) via a power supply line (OL) of a traction power network ( _N ), comprising the steps: - Setting a pass band (DB) of a frequency filter (F ) a digital interference current monitoring unit (DSU) of the rail vehicle (1) on the fundamental oscillation of the mains current ( _IN ), - setting a threshold value (SW) for a permissible detected mains current ( _IN ) based on experimental or computational data regarding correct function of the main switch (3), - switching on the digital interference current monitoring unit (DSU), - measuring a possibly flowing mains current ( _IN ) with the digital interference current monitoring unit (DSU) during operating times in which the main switch (3) should be open, - carrying out a protective reaction for the Case that a detected mains current ( _IN ) exceeds the specified threshold value (SW).

Procedure according to Claim 1 , wherein the protection reaction includes disconnecting the current collector (2) from the power supply line (OL).

Procedure according to Claim 1 or 2 , wherein the digital interference current monitoring unit (DSU) switches between a first mode for interference current monitoring and a second mode for monitoring a possibly flowing mains current ( _IN ).

Procedure according to Claim 3 , whereby the mode change takes place depending on a current target state of the main switch (3).

Method according to one of the preceding claims, wherein the digital interference current monitoring unit (DSU) is switched between different basic frequencies of the mains current ( _IN ) when the mains is changed.

Method according to one of the preceding claims, wherein a monitoring limit for the mains current ( _IN ) has a current intensity with a value between 0 and 2 amperes.

Monitoring device (70), comprising: - a digital interference current monitoring unit (DSU) with a frequency filter (F) for a rail vehicle (1) supplied with electrical mains current (I _N ) via a power supply line (OL) of a traction power network (N) for measuring a possibly flowing mains current (I _N ) during operating times in which a main switch (3) of the rail vehicle (1) is to be open, - a setting unit (71) for setting a passband of the frequency filter (F) of the digital interference current monitoring unit (DSU) to the fundamental oscillation of the electrical mains current (I _N ) of the traction power network (N), - a threshold value determination unit (72) for setting a threshold value (SW) for a permissible detected mains current (I _N ) on the basis of experimental or computational data relating to correct functioning of the main switch (3), - a switch-on unit (73) for switching on the digital interference current monitoring unit (DSU), - a control unit (75) to carry out a protective reaction in case a detected mains current (I _N ) exceeds the specified threshold value (SW).

Rail vehicle (1), comprising: - a current collector (2) for contacting the rail vehicle (1) with a power supply line (OL) of a traction power network (N), - a primary current transformer (PW), - a main switch (3) for contacting the primary current transformer ( PW) with the traction power network (N), - a monitoring device (70). Claim 7 .

Computer program product, comprising instructions which, when the program is executed by a computer, cause it to carry out the steps of the method according to one of the Claims 1 until 6 to monitor the function of a main switch (3) of a rail vehicle (1) supplied with electrical mains current (IN) via a power supply line (OL) of a traction power network ( _N ).

Computer-readable storage medium comprising instructions which, when executed by a computer, cause it to carry out the steps of the method according to one of Claims 1 until 6 to monitor the function of a main switch (3) of a rail vehicle (1) supplied with electrical mains current (IN) via a power supply line (OL) of a traction power network ( _N ).