DE2445397C2

DE2445397C2 - Gleisstromkreis, insbesondere für Gleichstrombahnen mit Chopper-gesteuerten Triebfahrzeugen

Info

Publication number: DE2445397C2
Application number: DE19742445397
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dipl.-Ing. 3300 Braunschweig Baumgart
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-09-23
Filing date: 1974-09-23
Publication date: 1982-09-23
Also published as: DE2445397A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleisstromkreis für in Gleisabschnitte unterteilte Gleise im Eisenbahnwesen >; mit Sendeeinrichtungen für mindestens zwei von der Frequenz des Bahnstromes und seiner Harmonischen abweichende Frequenzen an dem einen Ende und über die Fahrschienen und abgestimmte Filter an diese angeschlossenen Empfangseinrichtungen am anderen Ende jedes Gleisabschnittes zum Feststellen von Gleisbesetzungen infolge von Achskurzschlüssen durch die Fahrzeugachsen von die Abschnitte befahrenden Fahrzeugen, insbesondere für Gleichstrombahnen mit Chopper-gesteuerten Triebfahrzeugen.

Unter einem Gleisstromkreis versteht man im Eisenbahnwesen einen aus einer Stromquelle, im folgenden als Sender oder auch Sendeeinrichtung bezeichnet, den Fahrschienen eines Eisenbahngleises und einem oder mehreren an diese angeschlossenen Empfängern gebildeten Stromkreis, Stellt ein Fahrzeug auf dem Gleis durch seine Achsen ;eine niederohmige Verbindung zwischen den Fahrschienen her, so gelangt kein Strom mehr in den bzw. die Empfänger, und der Gleisabschnitt wird besetzt gemeldet

Bei elektrisch betriebenen Bahnen besteht die Gefahr, daß der über die Schienen geleitete Triebstrom durch Beeinflussung der Gleisstromkreisempfänger fälschlicherweise die Freimeldung eines oder mehrerer Gleisabschnitte bewirken kann, die tatsächlich aber besetzt sind. Um dies zu vermeiden, wählt man die Gleisstromfrequenz so, daß sie von der Grundwelle und den mit größerer Amplitude auftretenden Harmonischen des Bahnstromes einen möglichst großen Abstand hat So hat man z. B. für Bahnen mit 1 ^-Hz-Fahrstrom eine Gleisstromfrequenz von 42 Hz, für 50-Hz-Bahnen eine Gleisstromfrequenz von 125 Hz gewählt

In manchen Bahnstromnetzen ist die BahiiStromfrequenz nicht immer konstant Um trotzdem den notwendigen Abstand zwischen Bahnstromfrequenz und Glcisstromirequenz sicherzustellen, ist es bekannt (DE-OS 21 62 989), die Gleisstromfrequenz von der Bahnstromfrequenz durch eine selbsttätig wirkende Einrichtung abhängig zu machen. Dabei hat man auch vorgesehen, den Durchlaßbereich des Filters im Gleisstromempfänger in Abhängigkeit von der Bahnstromfrequenz zu steuern. Um dies zu erreichen, müssen in ihrer Frequenz steuerbare Sender sowie mindestens auf der Empfangsseite auch steuerbare Filter vorgesehen sein. Diese Filter sind über dafür vorgesehene Steuerleitungen zwischen den Sendern und den Empfängern bedarfsweise nachzustellen. Ferner müssen auf der Sendeseite Schaltmittel zum Messen der Bahnfrequenz sowie Schaltmittel zum Einstellen der zugehörigen Filter vorhanden sein. Dies bedingt einen erheblichen zusätzlichen Aufwand für die einzelnen Gleiskreise, der die Zuverlässigkeit derartiger Gleisfreimeldeanlagen in Frage stellt

Bei Gleichstrombahnen ^r/erwei;Jit man seit einigen Jahren Triebfahrzeuge mit einer sogenannten Chopper-Steuerung. Dabei wird die Antriebsleistung der Fahrzeuge dem Bahnstromnetz impulsweise entnommen; sie wird durch die Impulsdauer und durch die Pulsfrequenz gesteuert In diesem Fall ist die Pulsfrequenz auch in dem Triebstrom vorhanden, der über die Fahrschienen geleitet wird und auf die Empfangseinrichtung einwirkt Bei Chopper-gesteuerten Triebfahrzeugen ändert man die Pulsfrequenz meist stufenweise. Dabei sind die einzelnen Frequenzstufen so gewählt, daß sie das ganzzahlige Vielfache einer Grundfrequenz bilden. Die stufenweise Änderung der Pulsfrequenz ist deshalb gewählt worden, weil damit die bei der Fahrzeugsteuerung auftretenden verschiedenen Bahnstromfrequenzen festliegen und die Gleisstromfrequenz so gewählt werden kann, daß keine Überschneidung zwischen ihr und den verschiedenen Bahnstromfrequenzen stattfindet.

Die Möglichkeit ist jedoch nicht auszuschließen, daß z. B. in einem Bahnnetz mit sehr vielen Triebfahrzeugen ein einzelnes Triebfahrzeug infolge ungenauer Einstellung der Pulsfrequenz oder infolge eines Bauteildefektes vom erwarteten Sollwert abweichende Frequenzen erzeugt Es besteht dann die Gefahr, daß bei dem bekannten Gleisstromkreis eine unzeitige Freimeldung eines Gleisabschnittes hervorgerufen wird.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Gleisstrom-

kreis anzugeben, der auch bei den ungünstigen Bahnstromve.rhältnjssen, wie sie bei der Verwendung von Chqpper-gesteuerten Fahrzeugen vorkommen, eine sichere Besetztmeldung der Gleisabschnitte bewirkt Dabei ist der Gleisstromkreis so auszubilden, daß er auch bei Bahnen, die. keine Chopper-gesteuerten Fahrzeuge verwenden, mit Vorteil angewendet werden kann, d.h. er soll ohne zusätzliche frequenzselektive Steuerschaltmittel auf der Sende- und Empfangsseite des Gleisstromkreises auskommen.

Diese Aufgebe wird durch die Erfindung dadurch gelöst, daß die Durchlaßbereiche der Filter im Frequenzbereich zwischen solchen aufeinander folgenden Harmonischen der Bahnstromgrundfrequenz liegen, die infolge der Größe ihrer Amplitude in den Empfangseinrichtungen einen auf diese Frequenzen abgestimmten Empfänger zum Ansprechen bringen können und so gewählt sind, daß sie sich nicht Oberdecken, daß die Sendeeinrichtungen auf Frequenzen abgestimmt sind, die mit den Mittenfrequenzen der Filter übereinstimmen und daß die Freimeldung eines Gleisabschnittes davon abhängig gemacht ist, daß die Ausgangsspannung eines jeden Filters der zugehörigen Empfangseinrichtungen oberhalb eines vorgegebenen Grenzwertes liegt

Unter Bahnstromgrundfrequenz wird bei Choppergesteuerten Triebfahrzeugen mit stufenweiser Änderung der Pulsfrequenz die tiefste vorkommende Pulsfrequenz verstanden. Ist jedoch die Differenzfrequenz zweier benachbarter Frequenzstufen kleiner als die tiefste Pulsfrequenz, so ist diese als Bahnstromgrundfrequenz anzusehen.

Durch die DE-PS 11 58 548 ist es bereits bekannt, zwei verschiedene Frequenzen in einem Gleisstromkreis dauernd oder alternierend anzuwenden. Hierbei wird an dem einen Ende des Gleisstromkreises eine erste Frequenz eingespeist und am anderen Ende empfangen. Solange dieser Empfang andauert wird am anderen Ende eine zweite Frequenz eingespeist und am ersten Ende des Gleisstromkreises empfangen. Beim Empfang der zweiten Frequenz wird das Gleis freigemeld.t Hierdurch soll erreicht werden, daß in sehr langen Gleisabschnitten stets ein sicherer Achskurzschluß erzielt wird.

Die DE-AS 14 55 348 offenbart eine Gleisfreimeldeeinrichtung, bei der für zwei benachbarte Gleisstromkreise eine gemeinsame Empfangseinrichtung vorgesehen ist

Die beiden Sender der Gleisstromkreise arbeiten auf verschiedenen Frequenzen, deren gemeinsames Vorhandensein durch die Empfangseinrichtung überwacht wird; diese Frequenzen liegen sinnvoll außerhalb der Bahnstromfrequenzen und deren für die Gleisfreimeldung noch relevanten Oberwellen. Durch Verschiebung der Bahnstromfrequenz in der einen oder anderen Richtung kann der Fall eintreten, daß in der gemeinsamen Empfangseinrichtung das Vorhandensein der Gleiskreisfrequenzen vorgetäuscht wird, obgleich tatsächlich einer bzw. beide Gleiskreise befahren sind. Auch diese Gleisfreimeldung spricht damit in unerwünschter Weise auf das Auftreten bestimmter Bahnstromfrequenzen an.

Die Erfindung ist nachstehend unter Angabe besonders zweckmäßiger Ausgestaltungen für in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiele näher erläutert.

F i g. 1 zeigt ein Frequenzdiagramm eines Gleisstromkreises nach der Erfindung, Fig.2 einen erfindungsgemäßen Gleisstromkreis, der mit zwei Freauenzen betrieben wird, die ständig anliegen, und Fig.3 einen entsprechenden Gleisstromkreis mit Frequenzumtastung,

In F i g. 1 stellt /eine Gerade dar, auf der bestimmte Frequenzen markiert sind. In den Bezeichnungen dieser Frequenzen bedeutet η eine ganze Zahl, f_g den Sollwert der Triebstromgrundfrequenz, f\ die Mittenfrequenz eines ersten Filters, /i„und f_w die untere und die obere Frequenzgrenze dieses Filters und h, hu und f& die ίο entsprechenden Frequenzen eines zweiten Filters. Die erwähnten Filter stellen die Empfangsfilter der Empfangseinrichtungen eines Gleisstromkreises dar, wie er beispielsweise in F i g. 2 gezeigt ist

Der in F i g. 2 dargestellte Gleisstromkreis besteht aus einer Erdschiene I₁ einer isolierten Schiene 2 und den Sende- und Empfangseinrichtungen S bzw. E des Gleisstromkreises. Die Sendeeinrichtungen enthalten Sender 3 und 4 für Frequenzen f\ und h, die den Mittenfrequenzen der in F i g. 1 dangestellten Frequenzbereiche entsprechen. Diesen Sendern sind Sendefilter 5 und 6 und ein Übertrager 7 nachgeschaltet der für die galvanische Trennung der Send? einrichtungen vom Gleis sorgt 8 ist der entsprechende Übertrager der Empfangseinrichtungen E/ihm sind die Empfangsfilter 9

ι; und 10 und die Verstärker 11 und 12 nachgeschaltet. 13 und 14 sind die Empfänger, die als Schwellwertschalter ausgebildet sind. Sie haben die Eigenschaft beim Überschreiten eines Grenzwertes der Eingangsspannung ein Ausgangssignal auf ein UND-Glied 15 zu geben. In den Empfängern kann z. B. eine Einrichtung vorhanden sein, die nur bei einer bestimmten Phasenlage der Eingangsspannungen ein Ansprechen zuläßt Sie können auch einen Gleichrichter und ein nachgeschaltetes Relais oder irgendeine elektronische Schaltung

i) enthalten, die das gleiche Funktionsverhalten aufweist An der Klemme 16 kann ein Ausgangssignal abgenommen werden, das der Gleisfreimeldung dient.

Der Gleisstromkreis wird freigemeldet, wenn alle Gleisstromfrequenzen ordnungsgerecht empfangen

w werden. Wird nur eine einzige oder werden nu* wenige der Gleisstromfrequenzen empfangen, bleibt der zugehörige Gleisabschnitt besetzt gemeldet Zusätzlich kann e>:e Störungsmeldung ausgelöst werden. Die Durchlaßbereiche der auf die Gleisstromfrequenzen abgestimm-

4j ten Empfangsfilter 9 und 10 sind 50 gewählt, daß sie außerhalb derjenigen Harmonischen der TYiebstromgrundfrequenz liegen, die infolge aer Größe ihrer Amplitude einen Gleisstromkreisempfänger zum Ansprechen bringen können und daß sie sich' nicht überdecken.

Aus Fig. 1 und 2 ist ohne weiteres ersichtlich, daß eine Gleisfreimeldung durch den Triebstrom nur möglich ist wenn eine Frequenz des Triebstromes in den Durchlaßbereich des einen Filters, eine andere in den Durchlaßbereich des anderen Filters fällt. Zur Beurteilung der signaltechnischen Sicherheit der Schaltung nach F i g. 2 ist daher zu überlegen, unter weichen Umständen derartige Frequenzen im Triebstrom auftreten können.

ho Zunächst sei angenommen, daß das Bahnstromneiz mit einer Wechselspannung der Grundfrequenz f_g gespeist v/ird. Dann liegen die den Durchlaßbereichen der Filter 9 und 10 benachbarten Harmonirchen des Triebstromes z.B. bei nf_g und (n+\)fg, wie in Fig. 1

to dargestellt. Eine Beeinflussung der Empfänger durch den Triebstrom ist nicht möglich. Nimmt nun die Grundfrequenz des Bahnnetzes infolge eines Fehlers einen Wert /, an und ist Λ srößer als L· so verschieben

sich die Punkte, die auf der Geraden f in F i g. 1 die Harmonischen markieren, nach rechts und vergrößern ihren absoluten Abstand. Dabei kann, solange die Durchlaßbereiche der beiden Filter 9 und 10 im Frequenzbereich zwischen zwei aufeinander folgenden Harmonischen liegen, höchstens von einem der beiden Filter eine Harmonische des Bahnstromes durchgelassen werden. Anders liegt der Fall, wenn f. kleiner ist als fg\ dann verschieben sich die Punkte, die in F i g. 1 die Harmonischen markieren, nach links und verringern dabei ihren Abstand. Ein Grenzfall liegt vor, wenn die Harmonische (n+\) f. den Wert f\„ und die nächste zu berücksichtigende Harmonische (n+2)f, den Wert fm erreicht.
Setzt man

a) /ι „ = ν η/Ι

b) /_2n = —(η+I)./',

Λ"

so folgt aus og. Grenzbedingung

.ν

daraus ergibt sich durch Gleichsetzen der nach /', aufgelösten Gleichungen c) und d)

.v = (n + 1) VUnüi + 2)

Der Wert für ν eingesetzt in Gleichung c) ergibt Gleichung Π

-^-= Vn/(n

Nimmt man an, daß die fünfte Harmonische des Triebstromes noch einen Wert hat, der einen Empfänger zum Ansprechen bringen kann, so muß (n + 2) = 5 gesetzt werden. Daraus ergibt sich zahlenmäßig χ = 1,033 und fjf_g = 0,775. Beträgt also der Unterschied zwischen nf_f und /i„ sowie zwischen /jound (n +1) fg 33% (x = 1,033) und weicht die Triebstromgrundfrequenz um mehr als 22% vom Sollwert nach unten ab, so ist eine Freimeldung durch den Triebstrom zu befürchten. Muß mit derartig großen Abweichungen gerechnet werden, so kann man den Wert χ > 1,033 wählen.

Handelt es sich um eine mit Gleichstrom betriebene Bahn, auf der Chopper-gesteuertc Triebfahrzeuge verwendet werden und ist die Pulsfrequenz der verwendeten Triebfahrzeuge stets das ganzzahlige Vielfache einer Grundfrequenz f_p so liegen die den Durchlaßbereichen benachbarten Harmonischen ebenfalls bei η J^ und (n +1) fg, sofern die Durchlaßbereiche, wie in F i g. 1 dargestellt in einem gemeinsamen Frequenzbereich zwischen zwei zu berücksichtigenden Harmonischen angeordnet sind. Weicht nun bei einem einzigen Fahrzeug die Pulsfrequenz vom Sollwert ab, so gilt dafür das gleiche wie für die wechseistromgespeiste Bahn, bei der die Triebstromfrequenz vom Sollwert abweicht Erst wenn zwei Chopper-gesteuerte Fahrzeuge ein und denselben Gleisstromkreis beeinflussen und das eine Fahrzeug im Durchlaßbereich des einen Filters,

das andere im Durchlaßbereich des anderen Filters eine Spannung erzeugt, kann eine Freimeldung durch den Triebstrom eintreten. Will man auch mit diesem sehr unwahrscheinlichen Fall rechnen, so muß man die Zahl der Gleisstromfrequenzen auf drei oder mehr erhöhen.

Eine weitere Erhöhung der signaltechnischen Sicherheit kann man erreichen, wenn man in weiterer Ausgestaltung der Erfindung den Gleisstromkreis mit Frequenzmodulation betreibt und dafür sorgt, daß in jeder Periode der Modulationsfrequenz mindestens einmal eine Frequenz im Durchlaßbereich jedes Filters auftritt.

Ein Beispiel dafür ist in F i g. 3 dargestellt. Für Schaltmittel und Einrichtungen der Fig. 3, die Schaltmitteln und Einrichtungen nach F i g. 2 entsprechen, sind die dort verwendeten Bezugszeichen beibehalten worden.

Die Sendeeinrichtungen Sbestehen aus einem Sender 17, dessen Frequenz ständig zwischen den Werten f\ und Λ umgetastet wird. Die Empfangseinrichtungen E enthalten eine Schaltung, die ein Ausgangssignal nur dann abgibt, wenn das Eingangssignal abwechselnd auftritt und wieder verschwindet. Diese Schaltung kann beispielsweise aus den Gleichrichtern 19 und 20 bestehen, die den Verstärkern 11 und 12 nachgeordnet sind. Die Gleichrichter geben eine pulsierende Gleichspannung ab. Die Impulse treten immer dann auf, wenn der Sender die Frequenz /i oder h aussendet. Die pulsierende Gleichspannung wird über die Wandler 21 bzw. 22 den Empfängern 23 bzw. 24 zugeführt. Die Empfänger enthalten z. B. einen Gleichrichter, der die von den Wandlern abgegebene Wechselspannung gleichrichtet und über ein Tiefpaßfilter einem Relais zuführt, das seinen Anker nur anzieht, wenn das Tiefpaßfilter Impulse von genügender Amplitude und Zeitdauer erhält Liegt an den Filtern 9 und 10 eine Wechselspannung im Durchlaßbereich dauernd an, so sprechen die Empfänger 23 und 24 darauf nicht an, weil die Wandler 21 und 22 in diesem Fall keine Spannung übertragen. Die Schaltung ist also gegen einen dauernd auftretenden Triebstrom sicher. Ein Ansprechen der Empfangseinrichtungen ist nur dann möglich, wenn auch der Triebstrom impulsweise auftritt, und das wäre denkbar, wenn im Triebstrom zwei Frequenzen vorhanden sind, die in der Nähe des Durchlaßbereiches ein und desselben Filters liegen und sich in ihrer Frequenz so wenig unterscheiden, daß eine Schwebung auftritt, deren Schwebungsfrequenz geeignet ist, ein Signal zu liefern, auf das die Relais in den Empfängern ansprechen. Da dieser Fa" in den beiden Filtern der Empfangsschaltung auftritt, ist aber äußerst unwahrscheinlich und in der Praxis nicht zu erwarten.

Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen ist angenommen, daß die Gleisstromfrequenzen innerhalb eines Frequenzbereiches zwischen zwei aufeinander folgenden Harmonischen liegen. Als Frequenzbereich ist dabei der Bereich zu verstehen, der durch aufeinanderfolgende Harmonische begrenzt ist, deren Amplituden groß genug sind, um einen auf die betreffende Frequenz abgestimmten Gleisempfänger zum Ansprechen zu bringen; er umfaßt bei Wechselstrombahnen in der Regel die zwischen ungradzahligen und bei Gleichstrombahnen die zwischen aufeinanderfolgenden Harmonischen gelegenen Frequenzen. Dabei ist es vorteilhaft, für verschiedene Gleisstromkreise verschiedene Frequenzbereiche vorzusehen, so daß keine gegenseitige Beeinflussung möglich ist

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspreche:

1. Gleisstromkreis für in Gleisabschnitte unterteilte Gleise im Eisenbahnwesen mit Sendeeinrichtun- gen für mindestens zwei von der Frequenz des Bahnstromes und seiner Harmonischen abweichenden Frequenzen an dem einen Ende und über die Fahrschienen und abgestimmte Filter an diese angeschlossenen Empfangseinrichtungen am ande- ι ο ren Ende jedes Gleisabschnittes zum Feststellen von Gleisbesetzungen infolge von Achskurzschlüssen durch die Fahrzeugachsen von die Abschnitte befahrenden Fahrzeugen, insbesondere für Gleichstrombahnen mit Chopper-gesteuerten Triebfahr- zeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlaßbereiche (Ti„ bis /Ίο und ftu bis /20) der Filter (9 und 10) im Frequenzbereich (nf_g bis (n+1) fg) zwischen solchen aufeinander folgenden Harmonischen der Bahnstromgrundfrequenz (fg) liegen, die infolge der Größe ihrer Amplitude in den Empfangseinrichtutigsn (E) einen auf diese Frequenzen abgestimmten Empfänger zum Ansprechen bringen können und so gewählt sind, daß sie sich nicht Überdecken, daß die Sendeeinrichtungen (S) auf Frequenzen abgestimmt sind, die mit den Mittenfrequenzen (f\ und /₂) der Filter (9 und 10) übereinstimmen und daß die Freimeldung eines Gleisabschnittes davon abhängig gemacht ist, daß die Ausgangsspannung eines jeden Filters (9 und 10) der zugehörigen m Empfangseinrichtungen f£J oberhalb eines vorgegebenen Grenzwertes liegt

2. Gleisstromkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die DunhlaObereiche der Filter aneinandergrenzender Gleisstromkreise je für sich in verschiedenen Frequenzbereichen liegen.

3. Gleisstromkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeeinrichtungen (S) Sender (17 in F i g. 3) für frequenzmodulierte Signale aufweisen und in jeder Periode der Modulationsfrequenz mindestens einmal eine Frequenz im Durchlaßbereich (f\ u bis /Ίο und /i„ bis /») jedes der Filter (9 und 10) aussenden.

4. Gleisstromkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den Ausgangssignalen der Filter (9 und 10) der Empfangseinrichtungen (E) gespeiste Schaltmittel vorgesehen sind, die beim Ausbleiben einer oder mehrerer Gleisstromfrequenzen eine Störungsmeldung auslösen.

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