DE19958080C1

DE19958080C1 - Track and earth current reduction method for electric rail track uses controlled voltage source inserted in each track-return current conductor loop for compensating track current within latter

Info

Publication number: DE19958080C1
Application number: DE1999158080
Authority: DE
Inventors: Christian Tuttas
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-12-02
Filing date: 1999-12-02
Publication date: 2001-02-01
Anticipated expiration: 2019-12-03

Abstract

The track and earth current reduction method uses a return current conductor (3) which is connected to the rail track (4) at given intervals, with each track-return current conductor loop (7) containing a controlled voltage source (8) inserted in the return current conductor for compensating the track current in the loop, with simultaneous reduction of the current in the earth.

Description

Technical field

Die Erfindung bezieht sich auf einen steuerbaren Bahnrückstromleiter.The invention relates to a controllable web return conductor.

State of the art

Eine elektrische Bahn ist mit dem speisenden Unterwerk durch die Fahrleitung und die Gleise verbunden. Als Fahrleitung kommen Stromschienen und Oberleitungen infrage. Die Stromrückführung erfolgt durch die Gleise und das sie umgebende Erdreich. Um die Schienenlängsspannungen und damit die Schienenpotentiale zu reduzieren, werden häufig zusätzliche Rückleiter installiert wie in E. Schneider u. a., "Bahnrückstromführung und Erdung in Bahnanlagen", Elektrische Bahnen 96 (1998) 4, Seiten 85 bis 106 beschrieben. Die Rückleiter verlaufen parallel zu den Fahrschienen und sind mit diesen in regelmäßigen Abständen verbunden.An electrical train is connected to the feeding substation through the overhead line and the tracks. Busbars and overhead lines are possible as overhead lines. The current is fed back through the tracks and the surrounding soil. In order to reduce the longitudinal rail voltages and thus the rail potentials, additional return conductors are often installed, as described in E. Schneider et al., "Railway return current routing and earthing in railway systems", Electrical Railway 96 ( 1998 ) 4, pages 85 to 106. The return conductors run parallel to the rails and are connected to them at regular intervals.

Bei Gleichstrombahnen dürfen nur geringe Ströme in der Erde fließen. Andernfalls können erdfühlig verlegte Metallteile korrodieren. Besonders gefährdet sind Rohr leitungen und Kabelmäntel sowie stahlbewehrte Fundamente von Gebäuden, Masten, Tunnelanlagen, Brücken und Viadukten. Die Gleise werden zur Begren zung der Ableitströme hochohmig gegen Erde verlegt. Eine Verbesserung der Stromrückführung ist durch isolierte Kabel möglich, die in regelmäßigen Abstän den mit den Gleisen verbunden sind und als Rückleiter wirken.With direct current railways, only small currents are allowed to flow in the earth. Otherwise can corrode carefully laid metal parts. Pipe is particularly at risk cables and sheaths as well as steel-reinforced foundations of buildings, Masts, tunnels, bridges and viaducts. The tracks become the limit of the leakage currents is laid with high resistance to earth. An improvement in Current feedback is possible through insulated cables that are installed at regular intervals which are connected to the tracks and act as return conductors.

Bei Wechselstrombahnen in konventioneller Bauart fließen wesentlich höhere Erd ströme. Ihr Anteil am Bahnrückstrom kann sich ohne Zusatzmaßnahmen auf 30 bis 40% belaufen. Dieser Betrag läßt sich durch den Einsatz von Rückleiterseilen auf rund 20% verringern. Ein Rückleiterseil wird in Oberleitungsnähe aufgehängt und ist etwa alle 300 m mit den Gleisen verbunden.With AC railways of conventional design, much higher earth flows currents. Your share of the return flow of the web can increase to 30 to without additional measures 40%. This amount can be reduced by using return cables reduce to around 20%. A return cable is suspended near the overhead line and is connected to the tracks about every 300 m.

Große Erdströme verschlechtern die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) von Wechselstrombahnanlagen. In ihrer Umgebung machen sich höhere Magnet felder, in Fernmelde- und Signalkabeln höhere Beeinflussungsspannungen bemerk bar. Dadurch kann es zu Störungen an elektronischen Systemen kommen wie bei spielsweise Computerbildschirmen und medizinischen Geräten.Large earth currents deteriorate the electromagnetic compatibility (EMC) of AC railway systems. There are higher magnets in their environment fields, higher interference voltages in telecommunication and signal cables bar. This can lead to malfunctions in electronic systems as with for example, computer screens and medical devices.

Bessere EMV-Eigenschaften zeigen Wechselstrom-Bahnnetze mit Booster- und Autotransformatoren.AC rail networks with booster and Auto transformers.

Das Boostertransformatorsystem verwendet isoliert aufgehängte Rückleiterseile. Diese sind alle 3 bis 4 km mit den Gleisen verbunden und unterteilen so die Bahn strecke in gleich aufgebaute Abschnitte. Jede Gleis-Rückleiter-Schleife enthält einen Saug- oder Boostertransformator, der die Oberleitung induktiv mit dem Rückleiterseil koppelt. Der Saugtransformator sorgt dafür, daß der gesamte, auf einen Streckenabschnitt zufließende Bahnrückstrom in das Rückleiterseil gelangt. Nennenswerte Gleis- und Erdströme können sich daher nur in den Streckenab schnitten ausbilden, in denen ein Zug fährt.The booster transformer system uses insulated suspended return cables. These are connected to the tracks every 3 to 4 km, thus dividing the track stretch into sections of the same structure. Each track return loop contains a suction or booster transformer that connects the overhead line inductively with the Return cable couples. The suction transformer ensures that the entire, on a return flow flowing into a section of the route reaches the return cable. Significant track and earth currents can therefore only train cuts in which a train runs.

Beim Autotransformatorsystem liegt die Einspeisespannung zwischen der Ober leitung, auch als Positivfeeder bezeichnet, und dem isoliert aufgehängten Rücklei tungsseil, auch als Negativfeeder bezeichnet. Der Nullpunkt der Speisespannungs quelle ist mit den Gleisen verbunden. Die Bahnstrecke wird durch Spar- oder Auto transformatoren in 10 bis 20 km lange Abschnitte unterteilt. Dabei liegt jeder Spar transformator zwischen Positiv- und Negativfeeder, sein Mittelpunkt ist mit den Gleisen verbunden. Der auf einen Streckenabschnitt zufließende Bahnrückstrom wird durch den Spartransformator auf die beiden Speiseleiter umgelenkt. Daher können sich nennenswerte Gleis- und Erdströme nur in den Abschnitten ausbilden, die von Zügen befahren sind. Diese lassen sich wie in Bahnnetzen konventioneller Bauart nur durch zusätzlich installierte Rückleiter reduzieren, die mit den Gleisen parallel geschaltet sind.With the autotransformer system, the supply voltage is between the upper line, also known as a positive feeder, and the isolated return line cable, also known as a negative feeder. The zero point of the supply voltage source is connected to the tracks. The railway line is by economy or car transformers divided into 10 to 20 km sections. Every savings is there transformer between positive and negative feeders, its focus is on the Tracks connected. The return flow of the web flowing into a section of the route is redirected to the two feeders by the autotransformer. Therefore noteworthy track and earth currents can only develop in the sections, that are used by trains. As in rail networks, these can be more conventional Reduce design only by additionally installed return conductors, which with the tracks are connected in parallel.

Booster- und Autotransformatoren verbessern aufgrund der verminderten Gleis- und Erdströme das EMV-Verhalten von Bahnleitungen. In den nicht befahrenen Streckenabschnitten reduzieren sich gegenüber Bahnnetzen in konventioneller Bau art die Magnetfelder um den Faktor 2 bis 3 und die Beeinflussungsspannungen um den Faktor 10. Im Ausland gewinnt das Autotransformatorsystem aus diesen und weiteren Gründen zunehmend an Bedeutung.Booster and auto transformers improve due to the reduced track and earth currents the EMC behavior of railway lines. In those not used Route sections are reduced compared to rail networks in conventional construction type the magnetic fields by a factor of 2 to 3 and the interference voltages by a factor of 10. The autotransformer system gains from these abroad and other reasons increasingly important.

task

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Rückstrom von Gleich- und Wech selstrombahnen aktiv zu beeinflussen und in den mit den Gleisen verbundenen Rückleiter zu drängen, um dadurch Gleise und Erdreich strommäßig zu entlasten. The invention has for its object the reverse flow of DC and AC to actively influence the power lines and those connected to the tracks Push return conductors in order to relieve the current on the tracks and soil.

solution

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des An spruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängi gen Ansprüchen zu entnehmen.The object is achieved by the characterizing features of the spell 1 solved. Appropriate developments of the invention are dependent refer to claims.

benefits

Die durch die Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere in der Steigerung der elekromagnetischen Verträglichkeit elektrisch betriebener Bahnstrecken. Bei Gleichstrombahnen wird durch die Verringerung der Erdströme Korrosion an erd fühlig verlegten Metallteilen vermieden. In der Umgebung von Wechselstrombah nen machen sich geringere Beeinflussungsspannungen und Magnetfelder bemerk bar.The advantages achieved by the invention are in particular the increase the electromagnetic compatibility of electrically operated railway lines. At Direct current paths become corrosion by reducing earth currents avoided carefully laid metal parts. In the vicinity of AC current lower interference voltages and magnetic fields are noticed bar.

Presentation of the invention

Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung schematisch dargestell ter Ausführungsbeispiele näher erläutert.The invention is illustrated schematically below with reference to the drawing ter embodiments explained.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 die grundsätzliche Ausbildung des erfindungsgemäßen Bahnrückstromleiter systems, Fig. 1 system, the fundamental design of the return-current conductor rail according to the invention,

Fig. 2 eine andere Ausbildung des Bahnrückstromleitersystems, Fig. 2 shows another configuration of the return-current conductor rail system,

Fig. 3 eine weitere Ausbildung des Bahnrückstromleitersystems, Fig. 3 shows another configuration of the return-current conductor rail system,

Fig. 4 eine als Umrichter ausgeführte steuerbare Spannungsquelle und ihre direkte Einschleifung in den Rückleiter, Fig. 4 is an inverter designed as a controllable voltage source and their direct looping in the return conductor,

Fig. 5 eine als Umrichter ausgeführte steuerbare Spannnungsquelle und ihre transformatorische Einschleifung in den Rückleiter. Fig. 5 is a controllable voltage source designed as a converter and its transformer loop in the return conductor.

Die Ausbildung nach Fig. 1 beschreibt eine Bahnenergieversorgungsanlage. Der fahrende Zug Z ist über die Fahrleitung 2 und die Gleise 4 mit der Speisespan nungsquelle 1 des Unterwerks verbunden. Die Gleise 4 sind erdfühlig verlegt und und haben über ihre Ableitwiderstände 6 Kontakt zur Bezugserde 5. Ein Rücklei ter 3 dient zur Verbesserung der Bahnstromrückführung. Er ist in regelmäßigen Abständen von beispielsweise 300 m mit den Gleisen 4 verbunden. Dadurch entste hen längs der Fahrstrecke Gleis-Rückleiter-Schleifen 7. Jede dieser Schleifen 7 ent hält eine steuerbare Spannungsquelle 8, die im Rückleiter 3 liegt und von einem Regler 9 angesteuert wird. Der Regler 9 vergleicht den von der Meßeinrichtung 10 erfaßten Gleisstrom i_G mit einer Führungsgröße i_Gw, die vorzugsweise null ist. Die Spannungsquelle 8 unterdrückt dann den Gleisstrom und reduziert gleichzeitig auch den Erdstrom. Wiederholt sich dieser Vorgang in jeder Leiterschleife 7, wird der gesamte Gleis-Erde-Bereich strommäßig entlastet.The embodiment according to FIG. 1 describes a railway power-supply system. The moving train Z is connected via the catenary 2 and the tracks 4 to the supply voltage source 1 of the substation. The tracks 4 are laid in an earth-sensitive manner and have contact with the reference earth 5 via their bleeder resistors 6 . A Rücklei ter 3 is used to improve the traction current feedback. It is connected to the tracks 4 at regular intervals of, for example, 300 m. This creates track-return conductor loops 7 along the route. Each of these loops 7 ent holds a controllable voltage source 8 , which lies in the return conductor 3 and is controlled by a controller 9 . The controller 9 compares the track current i _G detected by the measuring device 10 with a reference variable i _Gw , which is preferably zero. The voltage source 8 then suppresses the track current and at the same time also reduces the earth current. If this process is repeated in each conductor loop 7 , the entire track-earth region is relieved of current.

Der steuerbare Rückleiter läßt sich in konventionell aufgebauten Bahnnetzen eben so einsetzen wie in Systemen mit Booster- und Autotransformatoren. Längs der ge samten Bahnstrecke wird ein EMV-Verhalten erreicht, das sonst nur in den zugfrei en Netzabschnitten mit Booster- und Autotransformatoren auftritt. Bei Gleich strombahnen kann der ohnehin schon geringe Erdstrom noch weiter verringert wer den, um Korrosion an Metallteilen mit Sicherheit zu vermeiden.The controllable return conductor can be used in conventional rail networks use as in systems with booster and auto transformers. Along the ge EMC behavior is achieved across the entire railway line, which is otherwise only possible in the train-free Network sections with booster and auto transformers occur. With equal the already low earth current can be reduced even further to safely avoid corrosion on metal parts.

Das steuerbare Rückleitersystem funktioniert auch dann, wenn aus Kostengründen die Gleis- und Erdströme nur in kritischen Streckenabschnitten reduziert werden sollen. In diesem Fall sind nicht alle, sondern nur ausgewählte Gleis-Rückleiter- Schleifen 7 mit steuerbaren Spannungsquellen 8 ausgestattet.The controllable return conductor system also works if, for cost reasons, the track and earth currents should only be reduced in critical sections of the route. In this case, not all, but only selected track return conductor loops 7 are equipped with controllable voltage sources 8 .

Die Strommeßeinrichtung 10 ist bei Wechselstrombahnen vorzugsweise als induk tiver Stromwandler ausgeführt. Das Einschleifen in den Gleisstromkreis erfordert jedesmal ein Auftrennen der Gleise. Dieser Aufwand läßt sich vermeiden, wenn entsprechend Fig. 2 nur ein Teil des Gleisrückstromes erfaßt wird. Dazu ist ein iso lierter Leiter 11 in Gleisnähe verlegt und mit den Gleisen 4 am Anfang und Ende verbunden. Der durch diesen Leiter fließende Gleisstromanteil i_G1 wird durch die Meßeinrichtung 10 erfaßt und auf null ausgeregelt. Wenn aber der Teilstrom i_G1 null ist, wird auch der gesamte Gleisstrom i_G zu null.The current measuring device 10 is preferably designed as an inductive current transformer in AC railways. Grinding into the track circuit requires the tracks to be cut each time. This effort can be avoided if, according to FIG. 2, only a part of the track return current is detected. For this purpose, an insulated conductor 11 is laid near the track and connected to the tracks 4 at the beginning and end. The track current component i _G1 flowing through this conductor is detected by the measuring device 10 and corrected to zero. However, if the partial current i _{G1 is} zero, the entire track current i _{G also} becomes zero.

Das Regelkonzept aus Fig. 3 erzielt dieselbe Wirkung wie die Ausbildung nach Fig. 1. Die steuerbare Spannungsquelle 8 beeinflußt hier zusammen mit dem Regler 9 den in der Leiterschleife 7 fließenden Strom des Rückleiters 3. Der Strom i_R wird von der Meßeinrichtung 12 erfaßt und im Regler 9 mit der Führungsgröße i_Rw verglichen. Diese ist gleich dem negativen Strom i_F im Fahrdraht 2 und wird von einer weiteren Meßeinrichtung 13 ermittelt. Im stationären Zustand können im Gleis-Erde-Bereich der Leiterschleife 7 nur geringe Ströme fließen. Aus der Sicht des Bahnbetriebes ist aber das Einschleifen der Meßeinrichtung 13 in die Fahrlei tung 2 ungünstig, so daß die praktische Bedeutung des Regelkonzeptes nach Fig. 3 eher gering ist.The control concept from FIG. 3 has the same effect as the configuration according to FIG. 1. The controllable voltage source 8 here, together with the regulator 9, influences the current of the return conductor 3 flowing in the conductor loop 7 . The current i _R is detected by the measuring device 12 and compared in the controller 9 with the reference variable i _Rw . This is equal to the negative current i _F in the contact wire 2 and is determined by a further measuring device 13 . In the stationary state, only small currents can flow in the track-earth region of the conductor loop 7 . From the point of view of railway operations, however, the grinding of the measuring device 13 into the Fahrlei device 2 is unfavorable, so that the practical meaning of the control concept according to FIG. 3 is rather low.

Die steuerbare Spannungsquelle 8 wird zweckmäßigerweise durch einen leistungs elektronischen Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis 14 realisiert. Dieser besteht nach den Fig. 4 und 5 aus dem Eingangsstromrichter SR1, dem Zwischen kreiskondensator C und dem Ausgangsstromrichter SR2. Der Ausgangsstromrich richter SR2 muß bei Gleichstrombahnen entsprechend Fig. 4 direkt in den Rücklei ter 3 eingeschleift werden. Bei Wechselstrombahnen ist nach Fig. 5 auch die An kopplung über einen Transformator 16 möglich. Der Umrichter bezieht seine Ener gie über den Eingangsstromrichter SR1 aus einem Versorgungsnetz 15. Dabei kann es sich um das Bahnnetz selbst oder das Landesnetz handeln. Es sind aber auch an dere Versorgungskonzepte denkbar. So können beispielsweise mehrere Umrichter von einer gemeinsamen Gleichspannungsquelle aus gespeist werden. In diesem Fall wären die Eingangsstromrichter SR1 nicht notwendig. Dafür sind aber die Zwischenkreiskondensatoren über eine Leitung mit der speisenden Gleichspan nungsquelle zu verbinden.The controllable voltage source 8 is expediently implemented by a power electronic converter with a DC voltage intermediate circuit 14 . According to FIGS. 4 and 5, this consists of the input converter SR1, the intermediate circuit capacitor C and the output converter SR2. The output power converter SR2 must be looped directly into the return conductor 3 in the case of direct current paths according to FIG. 4. 5 AC coupling is also possible via a transformer 16 according to FIG. 5. The converter obtains its energy via the input converter SR1 from a supply network 15 . This can be the rail network itself or the state network. However, other supply concepts are also conceivable. For example, several converters can be fed from a common DC voltage source. In this case, the input converter SR1 would not be necessary. For this purpose, however, the intermediate circuit capacitors must be connected to the DC voltage source via a line.

Die benötigte Umrichterleistung ist wegen der geringen Impedanz der Leiterschlei fe 7 niedrig und dürfte bei Schleifenlängen von 300 m unterhalb von 100 kVA lie gen. Zur Realisierung können daher standardmäßig lieferbare Transistorpulsum richter eingesetzt werden.The required converter power is low due to the low impedance of the conductor loops fe 7 and should lie below 100 kVA with loop lengths of 300 m. Therefore transistor pulse converters, which are available as standard, can be used for implementation.

Claims

1. A method for reducing track and earth currents along electrically operated railway tracks with a return conductor which is connected to the tracks at certain intervals, characterized in that at least selected track return conductor loops ( 7 ) in the return conductor ( 3 ) controllable voltage sources ( 8 ) contain, which adapt the measured track currents (i _G ) of the loops ( 7 ) to command variables (i _Gw ) by means of controllers ( 9 ).

2. A method for reducing track and earth currents along electrical railway lines according to claim 1, characterized in that the command variables (i _Gw ) are zero.

3. A method for reducing track and earth currents along electrically operated railway lines according to claim 1 or 2, characterized in that each track return conductor loop ( 7 ) is equipped with a controllable voltage source ( 8 ).

4. A process for the reduction of track and earth currents according to claim 1 and 3, characterized in that only a portion of the track current (i _G1) is detected and gel from the controller (9) to zero out, wherein the partial current (i _G1) in a short, insulated conductor ( 11 ) flows, which is laid near the track and is connected at its beginning and end to the tracks ( 4 ).

5. A method for reducing track and earth currents according to claims 1 to 4, characterized in that the controllable voltage source ( 8 ) is designed as a power electronic converter with constant intermediate circuit voltage ( 14 ), the output side directly or via a transformer ( 16 ) in the return conductor ( 3 ) is looped in and the input side is connected to an electrical supply network ( 15 ), which can also be the railway network.