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Elektrischer Trennstoß für mit Wechselstrom gespeiste Gleisstromkreise
in Eisenbahnsicherungsanlagen Die Erfindung betrifft einen elektrischen Trennstoß
für mit Wechselstrom gespeiste Gleisstromkreise in Eisenbahnsicherungsanlagen, in
denen die zu überwachenden Gleisabschnitte gegeneinander nicht isoliert sind und
zur Abschnittsbegrenzung ein Querverbinder vorgesehen ist, der an zwei einander
gegenüberliegende oder gegeneinander versetzte Punkte der beiden Schienen des Gleises
angeschlossen ist und aus abwechselnd quer bzw. parallel zum Gleis verlaufenden
Teilstücken besteht.
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Bisher werden im allgemeinen die zu überwachenden Gleisabschnitte
durch isolierte Stoßverbinder, sogenannte Isolierstöße, begrenzt und von den angrenzenden
Abschnitten elektrisch getrennt. Die Isolierstöße werden durch den Fährbetrieb mechanisch
stark beansprucht und müssen ständig auf ihren ordnungsgemäßen Zustand überprüft
und ausgebessert werden. Außerdem sind bei Eisenbahnanlagen mit elektrischer Zugförderung
an den Isolierstößen noch kostspielige Drosselstöße zum Triebstromausgleich zwischen
den gegeneinander isoliert verlegten Schienen erforderlich. In Eisenbahnanlagen,
in denen die Schienen zum Erzielen eines ruhigen Wagenlaufs durchgehend miteinander
elektrisch verschweißt sind, werden zur Begrenzung der durch Gleisstromkreise überwachten
Gleisabschnitte elektrische Trennstöße benötigt. Diese sollen bei elektrischen Bahnen
auch einen Triebstromausgleich zwischen den beiden Schienen eines Gleises ermöglichen.
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Es ist bekannt, zu diesem Zweck einen Querverbinder vorzusehen, der
an einander gegenüberliegende Punkte der beiden Schienen eines Gleises angeschlossen
ist und aus einem kurzen, senkrecht zu den Schienen verlaufenden Leiter mit geringem
olimschem Widerstand besteht. Dabei wird die Spannung zwischen den Schienen durch
einen Empfänger überwacht, der in ausreichendem Abstand vor dem Querverbinder an
die Schienen angeschlossen ist. Hierbei besteht der Nachteil, daß ein einzelnes
Fahrzeug, das sidh über dem Querverbinder befindet, die Spannung zwischen den Schienen
nicht beeinflußt. Der zurückliegende Abschnitt wird also vorzeitig als frei und
der vorausliegende Abschnitt zu spät als besetzt gemeldet. Um diesen Nachteil zu
vermeiden, ist es bekannt, gegeneinander versetzte Punkte der beiden Schienen durch
einen schräg (diagonal) verlaufenden Querverbinder miteinander zu verbinden. Hierdurch
entsteht zwischen den beiden aneinandergrenzenden Gleisabschnitten ein überlappungsbereich.
Ein in diesen Bereich einfahrendes Fahrzeug löst durch die über seine Achsen bestehende
Kurzschlußverbindung der beiden Schienen für den vorausliegenden Abschnitt bereits
die Besetztmeldung aus, ehe der zurückliegende Abschnitt frei gemeldet wird. Um
dies mit Sicherheit zu erreichen, müssen die Anschlußpunkte des Querverbinders voneinander
in einem Abstand liegen, der ein Vielfaches des Schienenabstandes beträgt. Beispielsweise
genügt bei Verwendung von im Tonfrequenzgebiet liegenden Gleisüberwachungsströmen
zwischen den Anschlußpunkten des Querverbinders ein Abstand .von 20 bis 50 m. Ferner
sind Querverbinder bekannt, die aus abwechselnd quer bzw. parallel zum Gleis verlaufenden
Teilstücken bestehen. Die parallel zum Gleis verlaufenden Teilstücke sind in der
Mitte zwischen den Schienen angeordnet, so daß sich ein Z-förmig verlegter Querverbinder
ergibt. Ferner sind jeweils etwa an die Mitte des Querverbinders und die beiden
Schienen Kondensatoren angeschlossen, durch welche die Induktivität je einer Hälfte
des Querverbinders zusammen mit der Induktivität eines Stückes derjenigen Schiene,
an die der andere Pol des betreffenden Kondensators angeschlossen ist, auf die Frequenz
des Gleisüberwachungsstromes je eines der beiden aneinandergrenzenden Gleisabschnitte
abgestimmt ist. Bei Querverbindern mit gegeneinander versetzten Anschlußpunkten
besteht aber bisher der Nachteil, daß etwa 50 % der zwischen den Schienen auftretenden
Nutzspannung für den einen Abschnitt als Störspannung in den angrenzenden Abschnitt
übertritt. Dies ergibt sich dadurch, daß die Nutzspannung gleich der Summe von etwa
gleich großen induktiven Spannungsabfällen ist, die an dem halben Querverbinder
(Störspannung) und dem zugehörigen Schienenstück auftreten. Wegen dieser höhen Störspannung
ist es bisher nicht möglich, mit nur zwei Frequenzen für die Gleisüberwachung aufeinanderfolgender
Abschnitte auszukommen.
Erfindungsgemäß wird dieser Nachteil dadurch
beseitigt, daß die parallel zum Gleis verlaufenden Teilstücke des Querverbinders
dicht neben der einen bzw. anderen Schiene angeordnet sind, so daß zwischen der
Schiene und dem betreffenden Teilstück des Querverbinders eine feste induktive Kopplung
besteht und zwei nach entgegengesetzten Seiten offene Leiterschleifen
(Lx bzw. Ly) gebildet werden. Bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Querverbinders
wird erreicht, daß aus einem Abschnitt nur eine geringe Spannung als Störspannung
in den angrenzenden Abschnitt übertritt. Ferner ergibt sich auch bei Trennstößen
mit einem erfindungsgemäßen Querverbinder, der an einander gegenüberliegende Punkte
der Schienen angeschlossen ist, ein überlappungsbereich zwischen den aneinandergrenzenden
Abschnitten.
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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und nachstehend erläutert. In dieser zeigt F i g. 1 einen elektrischen Trennstoß
für aneinandergrenzende Gleisabschnitte, bei dem der Querverbinder an einander gegenüberliegende
Punkte der beiden Schienen angeschlossen ist, F i g. 2 das elektrische Ersatzschaltbild
für eine Hälfte des Trennstoßes nach F i g. 1, F i g. 3 ein Spannungs-Weg-Diagramm
für die etwa in der Mitte der Trennstöße nach F i g. 1 und 3 gemessenen elektrischen
Spannungen zwischen den Schienen, wenn ein Fahrzeug aus einem Gleisabschnitt über
den Trennstoß in den angrenzenden Gleisabschnitt fährt, und F i g. 4 bis 6 verschiedene
Ausführungen von Trennstößen mit einem Querverbinder, der an gegeneinander versetzte
Punkte der Schienen angeschlossen ist.
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In F i g. 1 ist ein elektrischer Trennstoß für zwei aneinandergrenzende
Gleisabschnitte X und Y dargestellt, die gegeneinander nicht isoliert sind. Die
Gleisstromkreise für die Gleisabschnitte werden durch einen Sender Sx bzw. Sy mit
der Frequenz fx bzw. fy gespeist und durch einen Empfänger Ex bzw. Ey überwacht.
Zur elektrischen Begrenzung der Gleisabschnitte sind die in den Abschnitten gegeneinander
isolierten Schienen 1 und 2 durch einen Querverbinder miteinander verbunden, der
an die einander gegenüberliegenden Punkte 10 und 20 der Schienen angeschlossen ist.
Er besteht aus parallel zum Gleis verlaufenden Teilstücken a, c, e und g,
die durch senkrecht zum Gleis verlaufende Teilstücke b, d und f miteinander
verbunden sind. Die Teilstücke a und e
sind dicht bei der Schiene 1
und die Teilstücke c und g dicht bei der Schiene 2, z. B. in der Kehle zwischen
Schienenfuß und Schienenstrang, aber von diesen isoliert, angeordnet. Hierdurch
sind diese Teilstücke gegen Beschädigung bei Gleisarbeiten gut geschützt. Vor allem
besteht aber hierdurch zwischen den dicht beieinander angeordneten Teilstücken des
Querverbinders und der Schiene eine feste induktive Kopplung. Durch die Verlegung
des Querverbinders in stilisierte S-Form entstehen zwei nach entgegengesetzten Seiten
offene Leiterschleifen Lx und Ly. Zu der rechts vom mittleren Teilstück d
liegenden Leiterschleife Lx ist ein Kondensator Cx parallel geschaltet, durch
den der Parallelresonanzkreis Lx, Cx auf die Frequenz fx des Gleisüberwachungsstromes
für den links davon liegenden Gleisabschnitt X abgestimmt ist. Durch den Kondensator
Cy ist der links vom Teilstück d liegende Resonanzkreis Ly, Cy auf die Frequenz
fy für den rechts liegenden Gleisabschnitt Y abgestimmt.
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In dem in F i g. 2 dargestellten Ersatzschaltbild für den rechten
Teil des elektrischen Trennstoßes nach Fig. 1 sind die Teilstücke e und g des Querverbinders
und die Teilstücke 10-12 und 20-22 der Schiene als Transformatorwicklung
E und G bzw. 100 und 200 dargestellt, die einen Kopplungsfaktor k = 1 haben. Der
in F i g. 1 aus der Leiterschleife Ly und dem Kondensator Cy bestehende Resonanzkreis
hat im Vergleich zu dem aus der Leiterschleife Lx und dem Kondensator Cx
bestehenden Resonanzkreis nur eine kleine Impedanz für einen Strom mit der Frequenz
fx. Er entspricht praktisch einem Kurzschluß zwischen den Punkten 10 und M in F
i g. 1 und ist daher in dem Ersatzschaltbild nach F i g. 2 weggelassen. Wird an
die Anschlußpunkte 10 und 20 eine Speisespannung Ux mit der Frequenz fx angelegt,
so fließt in den Gleisabschnitt X ein Strom, dessen Größe von der in diesem Abschnitt
zwischen den Schienen 1
und 2 wirksamen Impedanz abhängig ist. In dem Resonanzkreis
Lx, Cx fließt der Resonanzstrom. Hierdurch werden in den Wicklungen
100 und 200
Spannungen induziert, deren Summe bei dem Kopplungsfaktor
k = 1 gleich groß und gegenphasig zu der Spannung Ux ist. Demzufolge liegt zwischen
den Punkten 12 und 22 keine Spannung der Frequenz fx. Das bedeutet,
daß über die Punkte 12 und 22 hinaus kein Strom der Frequenz fx in den Abschnitt
Y fließt. Es ist daher möglich, die Punkte 12 und 22 kurzzuschließen, ohne daß sich
hierdurch die Induktivität der Leiterschleife Lx ändert. Ein Fahrzeug, das sich
im Abschnitt Y den Punkten 12 und 22 nähert und die Schienen 1 und 2 über seine
Achsen kurzschließt, beeinflußt den Resonanzkreis Lx, Cx nicht.
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Durch den erfindungsgemäßen elektrischen Trennstoß mit enger induktiver
Kopplung der Teilstücke des Querverbinders und der Schienen wird also eine ausgesprochene
Richtwirkung erzielt, und zwar in Richtung auf den Abschnitt, nach dem hin die zugehörige
Leiterschleife offen ist.
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Die günstigsten Verhältnisse würden sich bei einem Kopplungsfaktor
k = 1 zwischen den dicht beieinander angeordneten Teilstücken der Schienen und des
Querverbinders ergeben. In der Praxis kann etwa ein Kopplungsfaktor k = 0,85 erreicht
werden, wenn der parallel zu den Schienen verlaufende Teil des Querverbinders in
der Kehle zwischen Fuß und Steg der betreffenden Schiene angeordnet wird. Hierbei
beträgt beispielsweise die außerhalb des Trennstoßes im Abschnitt Y noch auftretende
Störspannung der Frequenz fx höchstens 2001o der zwischen den Punkten
10 und 20 anliegenden Nutzspannung.
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In F i g. 3 ist das Spannungs-Weg-Diagramm für den Fall dargestellt,
daß in F i g. 1 auch der Empfänger Ex parallel zum Abstimmkondensator Cx
und der Sender Sx an das andere Ende des Gleisabschnittes X angeschlossen ist. Die
Kurven 1x und 2x bzw. 1y zeigen die am Kondensator Cx bzw. Cy meßbare Spannung.
Die Kurven lx und 1y gelten für Achsen mit einem Übergangswiderstand von Schiene
zu Schiene von R = 0 0.. Die Kurve 2x gilt für einen Übergangswiderstand von R =
0,5 b2. Bei freien Abschnitten X und Y herrscht die Spannung U0. Fährt
ein Fahrzeug von rechts in den Abschnitt Y, so wird der Sender Sy praktisch kurzgeschlossen.
Die Spannung am Kondensator Cy sinkt dann unter die Spannung
U1,
wobei der Empfänger Ey für den Abschnitt Y die Besetztmeldung auslöst. Die Spannung
am Kondensator Cx wird zunächst durch das Fahrzeug noch nicht beeinflußt. Erst bei
Annäherung des Fahrzeuges an die Punkte 12 und 22 sinkt die Spannung geringfügig
ab. Überfährt das Fahrzeug diese Punkte, so bewirken seine Achsen eine lineare Verkleinerung
der Induktivität der Leiterschleife Lx. Infolge der hierdurch auftretenden Verstimmung
des Resonanzkreises Lx, Cx sinkt die Spannung der Frequenz fx am Kondensator Cx
ab. Für den Abschnitt X
wird die Besetztmeldung ausgelöst, sobald diese Spannung
unter den Wert Ui sinkt. Wenn das Fahrzeug die Anschlußpunkte 10 und 20 erreicht,
sind die Induktivitäten beider Leiterschleifen Lx und Ly über die Fahrzeugachsen
kurzgeschlossen. Bewegt sich das Fahrzeug weiter in Richtung auf den Abschnitt X,
so steigt die im Resonanzkreis Ly, Cy wirksame Induktivität der Leiterschleife Ly
linear an. Somit steigt die Spannung am Kondensator Cy an und erreicht nach dem
Überfahren der Punkte 11 und 21 praktisch den Wert U0. Im Bereich B, dem sogenannten
überlappungsbereich beider Abschnitte, liegen die Spannungen an beiden Kondensatoren
Cx und Cy unter dem Wert U1, so daß beide Abschnitte besetzt gemeldet werden. Der
Abschnitt Y wird erst frei gemeldet, wenn diese Spannung den Wert U1 überschreitet.
Abschnitt X bleibt besetzt -gemeldet, bis das Fahrzeug diesen Abschnitt verläßt.
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Bei dem in Fi g. 4 dargestellten elektrischen Trennstoß ist der Querverbinder
an die gegeneinander versetzten Punkte 11 und 22 der Schienen 1 und 2 angeschlossen.
Er ergibt sich aus dem Querverbinder nach F i g. 1 durch Weglassen der dicht beim
Schienenstück 10-11 bzw. 20-22 angeordneten Teilstücke a und g und unmittelbares
Anschließen der Teilstücke b und f an das betreffende Schienenstück.
Hierdurch sind die Schienenstücke 10-11 und 20-22 galvanisch in die Leiterschleife
Ly bzw. Lx einbezogen. Der Trennstoß nach F i g. 4 hat praktisch die gleichen verbesserten
elektrischen Trenneigenschaften wie der nach F i g. 1, benötigt jedoch nur einen
Querverbinder von etwa halber Länge. Auch hierbei sinkt die aus einem Gleisabschnitt
in den angrenzenden Abschnitt übertretende Störspannung infolge der engen Kopplung
der Teilstücke c und 20-21 bzw. e und 10-12 auf 20% der Nutzspannung.
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Ebenso gelten die in F i g. 3 dargestellten Kurven 1x, 2 x und 1 y
des Spannungs-Weg-Diagramms auch für einen Trennstoß nach F i g. 4. Eine Verstimmung
des Resonanzkreises für die Frequenz des angrenzenden Gleisabschnittes erfolgt praktisch
erst, wenn ein Fahrzeug über die Punkte 11 und 21 bzw. 12 und 22 aus dem anderen
Gleisabschnitt in den Bereich des Trennstoßes einfährt. Bei bekannten elektrischen
Trennstößen, bei denen die parallel zum Gleis verlaufenden Teile der Querverbinder
in der Mitte zwischen den Schienen verlegt sind, ändert sich die Spannung am Kondensator
Cx nach den Kurven 3 x (für Achsübergangswiderstände R = 0 9) und 4 x (für Achsübergangswiderstände
R = 0,5 a). Hierbei sinkt die Spannung am Kondensator Cx bereits auf etwa 50% der
Spannung U0, bevor ein Fahrzeug aus dem Abschnitt Y über die Punkte 12 und 22 in
den Bereich des Trennstoßes fahrt. Im Bereich zwischen den Anschlußpunkten 11 und
22 des Querverbinders verläuft die Kurve 3x bzw. 4x wesentlich flacher als die entsprechende
Kurve 1x bzw. 2x. Das bedeutet, daß aneinandergrenzende Abschnitte durch diese bekannten
Trennstöße elektrisch nur unvollkommen begrenzt und getrennt werden. Hierdurch haben
die bekannten Trennstöße gegenüber erfindungsgemäßen Trennstößen außerdem den Nachteil,
daß die Größe des Überlappungsbereiches bei Schwankungen der Senderspannung oder
des Bettungswiderstandes sich stark ändert.
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Zum Unterschied von F i g. 1 ist in F i g. 4 der Empfänger Ey nicht
parallel zum Kondensator Cy, sondern unmittelbar an die Schienen 1 und 2 angeschlossen.
Hierdurch ergibt sich beim Einfahren eines Fahrzeuges aus dem Abschnitt Y in den
Bereich des Trennstoßes bei Achsübergangswiderständen von R = 0,5 S2 ein stärkeres
Absinken der vom Empfänger Ey überwachten Spannung der Frequenz fy.
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Bei den in F i g. 5 und 6 dargestellten Trennstößen ist in dem Querverbinder
zwischen den Anschlußpunkten der Kondensatoren Cx und Cy eine Reaktanz Z geschaltet,
um die Querimpedanz zwischen den Schienen 1 und 2 zu vergrößern. Insbesondere bei
elektrischen Bahnen ist es wegen des Triebstromausgleichs zweckmäßig, als Reaktanz
eine Induktivität zu verwenden. Diese kann gemäß F i g. 6 aus einer rechteckigen
Leiterschleife ZL mit einer oder mehreren Windungen des Querverbinders bestehen,
deren in Längsrichtung des Gleises verlaufenden Teilstücke dicht an den beiden Schienen
verlegt sind.
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Ferner ist in F i g. 6 eine Spule Ky dargestellt, die mit der Leiterschleife
Ly induktiv gekoppelt ist und mit dem Empfänger Ey verbunden ist. Hierdurch wird
der Empfänger nicht von dem im Querverbinder fließenden Ausgleichsstrom der Triebströme
in den Schienen durchflossen. Zum Schutz gegen Beschädigungen ist die Spule Ky unter
dem Schienenstück 10-11 angeordnet, das in die Leiterschleife Ly einbezogen ist.
Anstatt der dargestellten Spule kann auch eine der Leiterschleife Ly entsprechende
Leiterschleife mit einer oder mehreren Windungen verwendet werden.