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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Messeinrichtung, mit der der Übergangswiderstand
zwischen einer Fahrleitung oder einer Stromschiene und einem Schleifkontakt
eines Stromabnehmers von elektrisch betriebenen Schienenfahrzeugen
sowie von Oberleitungsomnibussen (O-Bussen) in der Fahrbewegung der
Fahrzeuge bestimmt werden kann. Auf diese Weise können
die Prämissen für eine optimale Kontaktqualität
unter den unterschiedlichen Betriebsbedingungen ermittelt werden.
Es können aber auch Schlussfolgerungen zu Mängeln
im gesamten Fahrleitungsverlauf, genau ortsbezogen, abgeleitet werden.
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Als
Schleifkontakte werden bei Schienenfahrzeugen mit Dachstromabnehmern
Schleifleisten oder Stromschuhe angewendet. Bei O-Bussen ist die Fahrleitung
paarig verlegt und die Stromabnehmer sind als Stangenabnehmer.
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Alle
Stromabnehmer werden mittels einstellbarer Federkraft an die Fahrleitung
bzw. an die Stromschiene gedrückt. Bei Fahrleitungen ist
der Anpressdruck (Kontaktkraft) durch das Fahrleitungsgewicht begrenzt
und beträgt bei Fahrleitungen von 80 bis 100 mm2 Querschnitt maximal 60 N bis 120 N.
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Wie
bereits festgestellt wurde, liegt jedoch im Falle, dass die Fahrleitung
angehoben wird oder stark durchhängt, der Stromabnehmer
nicht mit der maximalen Kontaktfläche seines Schleifkontakts
an der Fahrleitung an, was zu einer Erhöhung des Übergangswiderstandes
führt. Verschmutzungen der Stromleitung und der Kontaktstücken
können ebenfalls zu einer Erhöhung des Übergangswiderstandes führen.
Hinzu kommt, dass die Aufhängepunkte der Fahrleitung, insbesondere
bei höherer Fahrgeschwindigkeit, Stöße
auf den Schleifkontakte verursachen können.
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Durch
eine hohe Kontaktkraft nimmt zudem der mechanische Verschleiß an
den Schleifkontakten und an der Fahrleitung zu. Bei einer zu geringen
Kontaktkraft tritt einmal durch die Stromerwärmung ein erhöhter
Verschleiß der Schleifkontakte auf. Zum anderen können
im Fahrbetrieb, insbesondere durch übertragene Vibrationen
auf den Stromabnehmer, zwischen den Schleifkontakten und der Fahrleitung kurzzeitige
Kontaktunterbrechungen auftreten, die bei der Stromentnahme oder
Stromrückspeisung Lichtbögen, das sogenannte Bügelfeuer
verursachen.
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Vibrationen
können durch eine ungleichmäßige Abnutzung
der Schleifleiste sowie durch eine erhöhte Rauhigkeit der
Fahrleitung verursacht werden.
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Aber
auch auf das Fahrzeug wirkende Erschütterungen durch eine
schlechte Gleislage, bzw. bei O-Bussen durch einen schlechten Straßenbelag können
zu einem Vibrieren der Stromabnehmer führen.
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Beim
Entstehen von Lichtbögen treten an den Fußpunkten
der Lichtbögen hohe Temperaturen auf, die eine Schädigung
der Schleifkontakte und der Stromleitung verursachen, was wiederum
zu einer Erhöhung des Übergangswiderstandes führt.
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Faktoren
wie Anstieg oder Gefälle der Fahrleitung oder der Stromschiene,
die Fahrgeschwindigkeit, die Masse der Stromabnehmerwippe sowie
die Trägheit der Stromabnehmer beeinflussen im Fahrbetrieb
ebenfalls die Qualität des elektrischen Kontaktes.
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Die
Größe der erforderlichen Kontaktkraft wird für
den praktischen Fahrbetrieb empirisch ermittelt. Dabei ist eine
optimale Kontaktqualität unter den unterschiedlichen Fahrbedingungen
nicht oder nur sehr aufwändig zu ermitteln.
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Für
den Fahrbetrieb ist die Größe der Kontaktkraft
jedoch sekundär. Primär soll der Übergangswiderstand
zwischen dem Schleifkontakt und der Fahrleitung bzw. der Stromschiene
möglichst gering und gleichmäßig sein.
An der Kontaktstelle soll möglichst wenig elektrische Leistung
in Wärme umgewandelt werden.
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Zur
Einstellung der Kontaktkraft werden am Stromabnehmer die Hauptfedern
entsprechend eingestellt.
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An
der Hochschule für Verkehrswesen in Dresden, wurde in Zeitschrift – Elektrische
Bahnen – Nr. 103 (2005), H. 3, S. 138–146, ein
Beitrag durch Biesenack H. und Pintscher, F zum Thema „Kontakt zwischen
Fahrdraht und Schleifleiste – Ausgangspunkte zur Bestimmung
des elektrischen Verschleißes" veröffentlicht.
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Es
wurden in einem Laboraufbau Untersuchungen zum elektrischen und
mechanischen Verschleiß von Schleifkontakten und der Fahrleitung
unter Einbeziehung des Übergangswiderstandes durchgeführt.
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Dabei
wurde eine Schleifkohle unter Belastung eines elektrischen Stroms
bei unterschiedlicher Kontaktkraft über ein Fahrleitungsstück
gezogen und die verschiedenen Parameter wurden gemessen.
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Die
Messung des Übergangswiderstandes konnte hierbei in bekannter
Weise mittels einer Brückenschaltung problemlos erfolgen,
da die hierzu notwendigen Messgrößen, wie Fahrleitungsspannung,
Stromfluss und Spannungsabfall, über die Kontaktanordnung
stationär vorlagen.
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Wie
sich herausgestellt hat, ist die Messung des Übergangswiderstandes
im stationären Betrieb zur Ermittlung einer optimalen Kontaktkraft
allein nicht ausreichend. Unter dem normalen Fahrbetrieb bestehen
andere Bedingungen, die eine Messung in der bekannten Weise nicht
ermöglichen. So steht die anliegende Fahrleitungsspannung
als Messgröße zur Bestimmung des Übergangswiderstandes über den
Schleifkontakt nicht zur Verfügung.
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In
den Fahrleitungsanlagen bestehen zwischen dem Gleisbett bzw. dem
Fahrweg und der Stromleitung ortsbezogen Höhenunterschiede,
die durch die Stromabnehmer ausgeglichen werden müssen.
Dabei verändert sich auch die Kontaktkraft zwischen den
Schleifkontakten und der Fahrleitung bzw. der Stromschiene.
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Der
maximal zulässige Höhenunterschied ist bei der
Errichtung einer Fahrleitungsanlage oder Stromschienenanlage vorgegeben
und dient bei der Einstellung einer mittleren Andruckkraft der Stromabnehmer
im praktischen Fahrbetrieb als Orientierungsgröße.
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Hinzu
kommt jedoch, dass das Stromentnahmesystem bei elektrisch betriebenen
Fahrzeugen und Oberleitungsbussen ein dynamisches System ist, bei
dem die Höhen- sowie die Seitenlage der Fahrleitung einer
ständigen Veränderung unterworfen sind. Bei einer
sehr großen Höhenänderung der Fahrleitung
kommt es zu einer unzureichenden Kontaktkraft zwischen der Fahrleitung
und dem Schleifkontakt, was zu dem bereits beschriebenen Bügelfeuer
führt.
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Die
Folge ist ein sehr hoher Schleifkontakt- und Stromleiterverschleiß,
der wiederum eine Verschlechterung der Kontaktqualität
zur Folge hat. Aus diesem Grunde besteht die Notwendigkeit, die
Stromentnahmesysteme auf derartige Höhenveränderungen
anzupassen oder Korrekturen an der Fahrleitungs- bzw. Stromschienenanlage
zu veranlassen.
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Die
Messungen oder die Erfassung von Veränderungen der Übergangswiderstände
an Schleifkontakten an sich sind allgemein bekannt. So ist z. B. in
der AS 2164911 eine Schaltungsanordnung zur Überwachung
des Übergangswiderstandes bei einem als Stellungsgeber
dienenden Potentiometer beschrieben.
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Bei
der üblichen Ausführung von Potentiometern als
gewickelte Drahtwiderstände und des Abgriffs als Schleifkontakt
können unter ungünstigen klimatischen Bedingungen
oder aggressiver Umgebungsatmosphäre im Laufe der Zeit
häufig Kontaktschwierigkeiten auftreten. Dabei kann sich
der Übergangswiderstand zwischen Schleifer und Potentiometerwicklung
verändern und so groß werden, dass eine Verfälschung
bzw. ein Ausfall der elektrischen Größe über
dem Potentiometer erfolgt. In der OS ist eine Lösung beschrieben,
nach der in einer Parallelschaltung zwei gleiche Potentiometer der
genannten Art angeordnet sind, deren Abgriffe in diesem Fall gemeinsam
motorisch verstellt werden. Zur Überwachung ist eine Vergleichsschaltung
vorgesehen, in welcher die beiden, den Sollwert repräsentierenden Spannungen
miteinander verglichen werden. Stimmen diese nicht überein,
so wird ein Signal abgegeben. Dadurch kann in diesem Fall erkannt
werden, dass einer der Potentiometer defekt ist bzw. einen erhöhten Übergangswiderstand
aufweist.
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Ungeachtet,
dass hier die Spannungen zweier Potentiometer miteinander verglichen
werden, kann ein solcher Schaltungsaufbau für die Messung des Übergangswiderstandes
zwischen Fahrleitung und Schleifkontakt nicht übertragen
werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung zu schaffen,
mit der der Übergangswiderstand zwischen einer Fahrleitung
oder einer Stromschiene und einem Schleifkontakt eines Stromabnehmers
von elektrisch betriebenen Schienenfahrzeugen oder von Oberleitungsomnibussen (O-Bussen)
in der Fahrbewegung der Fahrzeuge unter gleichzeitiger Einbeziehung
der Fahrstrecke kontinuierlich bestimmt werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Messeinrichtung besteht aus zwei
voneinander potential getrennten Schleifkontakten, welche an einer
Fahrleitung oder einer Stromschiene gleitend anliegen. Einer der Schleifkontakte
dient der Übertragung des elektrischen Stroms für
die Versorgung eines Fahrzeuges und bildet zusammen mit dem Innenwiderstand
des Fahrzeuges einen ersten Spannungsteiler, an dessen Abgriff der Spannungsabfall über
den Schleifkontakt anliegt. Der zweite Schleifkontakt ergibt zusammen
mit einem hochohmigen Widerstand einen zweiten Spannungsteiler,
an dessen Abgriff eine Referenzspannung anliegt, die annähernd
der Fahrleitungs- bzw. der Stromschienenspannung entspricht. Die
Spannungsteiler sind mit ihren Abgriffen mit einem Datenerfassungsgerät
verbunden, mit dem in an sich bekannter Weise über eine
Messung der Spannungsdifferenz an den beiden Schleifkontakten und des
Stroms für die Versorgung des Fahrzeuges der Übergangswiderstand
des Schleifkontakts erfasst wird.
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Die
beiden voneinander potential getrennten Schleifkontakte sind in
einem Abstand voneinander an einem Stromabnehmer angeordnet.
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Bei
dem Stromabnehmer für O-Busse sind an einer zweipoligen
Fahrleitung je Pol zwei Schleifkontakte (Gleitschuhe), potentialgetrennt
in einem Abstand voneinander, auf einem Träger drehbeweglich
angeordnet.
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Das
Datenerfassungsgerät und ein Lichtwellenumsetzer sind auf
dem Fahrleitungspotential angeordnet und über einen Lichtwellenleiter
mit einem Messrechner im Fahrzeuginneren verbunden.
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Zur örtlichen
Zuordnung einer Überhöhung der Fahrleitung oder
anderer durch die Fahrleitungsanlage bedingter Einflüsse
auf einen zu großen Übergangswiderstand ist der
Messrechner mit einem Wegaufnehmer verbunden, der die gefahrene
Wegstrecke erfasst.
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Die
Messeinrichtung ermöglicht eine Optimierung des Übergangswiderstandes
zwischen der Fahrleitung und des Schleifkontaktes eines Stromabnehmers
unter realen Bedingungen des Fahrbetriebes. Darüber hinaus
kann eine durch die Fahrleitungsanlage bedingte Erhöhung
des Übergangswiderstandes ermittelt und über die
Wegaufnehmer örtlich zugeordnet werden.
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Die
Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher
erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung der Messeinrichtung bei einem fahrleitungsgespeisten Schienenfahrzeug,
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2 den
Schleifkontakt (Gleitschuh) eines Stromabnehmers für O-Busse,
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3 den
Schleifkontakt (Stromschuh) eines Dritte-Schiene-Stromabnehmers.
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In 1 sind
an einem Stromabnehmer 1 (Stromabnehmerwippe) eines elektrisch
betriebenen Schienenfahrzeuges 2 zwei voneinander potential getrennte
Schleifkontakte 3 und 3a (Schleifleisten) angeordnet,
die an einer Stromleitung 4 (eine Fahrleitung oder eine
Stromschiene) gleitend anliegen. Die Schleifkontakte 3 und 3a sind
dabei elektrisch isoliert auf dem Stromabnehmer 1 aufgebaut,
in der 1 gekennzeichnet durch eine Potentialtrennung 14. Der
Schleifkontakt 3 dient der Übertragung des elektrischen
Stroms für die Versorgung des Fahrzeuges 2. Der
zweite Schleifkontakt 3a ist über einen hochohmigen
Widerstand 5 mit dem Erdpotential im Fahrzeug verbunden.
Von der Fahrleitung 4 zu den Schleifkontakten 3 und 3a entstehen
beim Stromübergang Übergangswiderstände,
die mit den Ersatzwiderständen 3' und 3a' dargestellt
sind. Der Übergangswiderstand 3' bildet zusammen
mit einem inneren Widerstand 6 des Fahrzeuges 2 einen
Spannungsteiler, an dessen Abgriff 7 der Spannungsabfall über
dem Schleifkontakt 3 anliegt. Ein zweiter Spannungsteiler mit
einem Abgriff 8 wird durch den Übergangswiderstand 3a' und
dem hochohmigen Widerstand 5 gebildet und liefert an dem
Abgriff 8 eine Referenzspannung, die annähernd
der Fahrleitungsspannung entspricht.
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Beide
Abgriffe 7 und 8 sind mit den Eingängen
eines auf dem Fahrleitungspotentialangeordneten Datenerfassungsgerät 9 verbunden,
mit dem in an sich bekannter Weise über eine Messung der
anliegenden Spannungsdifferenz und des Stroms für die Versorgung
des Fahrzeuges 2 der Übergangswiderstand erfasst
wird.
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Chopperfahrzeuge
speisen beim Bremsen die Energie zurück in das Fahrleitungsnetz.
Auch bei diesen Fahrzeugen kann der Übergangswiderstand einwandfrei
erfasst werden. Eine negative Spannung und ein negativer Strom ergeben
wiederum einen positiven Widerstand.
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Das
Datenerfassungsgerät 9 ist auf dem Fahrleitungspotential
angeordnet. Die Daten, die mit dem Datenerfassungsgerät 9 gewonnen
werden, werden über einen Lichtwellenumsetzer und einen Lichtwellenleiter
einem im Fahrzeug befindlichen Messrechner 12 zugeführt.
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Der
Messrechner 12 ordnet die ihm zugeführten Daten
den Signalen eines Wegaufnehmers 13 oder eines GPS-Gerätes
zu, die mit dem Messrechner 12 verbunden sind und die gefahrene
Wegstrecke erfassen.
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Auf
diese Weise kann eine fahrleitungsbedingte Verschlechterung des Übergangswiderstandes
der Fahrleitung 4 örtlich zugeordnet werden.
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Die 2 zeigt
die Schleifkontakte 3 und 3a, so genannte Gleitschuhe,
an dem Stromabnehmer 1 (Kopf eines Rutenstromabnehmers)
für einen O-Bus.
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Der
zweite Rutenstromabnehmerkopf kann identisch aufgebaut sein.
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Die
Schleifkontakte 3 und 3a sind drehbar und zueinander
elektrisch isoliert aufgebaut. Über den Schleifkontakt 3 wird
der Fahrstrom entnommen. Der zweite Schleifkontakt 3a dient
wiederum zur Ermittlung der Referenzgröße.
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Der
in 3 dargestellte Stromabnehmer 1 für
die Stromleitung 4, die hier als eine dritte Schiene gestaltet
ist, besitzt wiederum zwei Schleifkontakte 3 und 3a (Stromschuhe),
die wiederum durch die Potentialtrennung 14 voneinander
elektrisch getrennt sind.
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Der
Strom fließt über den Schleifkontakt 3 und
einem Kabel zum Fahrzeug 2. Über den zweiten Stromschuh 3a fließt
der Strom über den Widerstand 5 zum Erdpotential.
Die Größen der beiden Spannungsteiler und der
Strom über dem Schleifkontakt 3 werden dem Datenerfassungsgerät 9 zugeführt.
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- 1
- Stromabnehmer,
- 2
- Fahrzeug,
- 3,
3a
- Schleifkontakte,
- 3',
3a'
- Übergangswiderstände
der Schleifkontakte 3, 3a,
- 4
- Stromleitung
(Fahrleitung, Stromschiene)
- 5
- hochohmiger
Widerstand,
- 6
- Innenwiderstand
des Fahrzeuges 2,
- 7,
8
- Abgriffe
der Spannungsteiler,
- 9
- Datenerfassungsgerät,
- 10
- Lichtwellenumsetzer,
- 11
- Lichtwellenleiter,
- 12
- Messrechner,
- 13
- Wegaufnehmer.
- 14
- Potentialtrennung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Zeitschrift – Elektrische
Bahnen – Nr. 103 (2005), H. 3, S. 138–146, ein
Beitrag durch Biesenack H. und Pintscher, F zum Thema „Kontakt
zwischen Fahrdraht und Schleifleiste – Ausgangspunkte zur Bestimmung
des elektrischen Verschleißes” [0013]