DE3527309A1 - Stromversorgungssystem fuer schienenbahnen, insbesondere nahverkehrsbahnen, deren fahrleitungen/stromschienen mit gleichstrom versorgt werden - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Stromversorgungssystem für Schienen­ bahnen, wie es im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher definiert ist. Die übliche Stromversorgung von Gleichstrombahnen in Rad/Schienensystemen ist langjährig bewährte Technik. Dabei wird die Strecke im allgemeinen mit einer nicht geregelten Spannung versorgt, deren Höhe durch die Höhe der Sammelschienenspannung in den Unterwerken und dem Spannungsab­ fall auf der Strecke bestimmt wird. Die Strecke wird dabei vom spei­ senden Unterwerk ständig unter Spannung gehalten, darf dabei jedoch laut VDE um -30% bis +20% um die Nennspannung schwanken, was hohe Anforderungen an die Fahrzeugausrüstungen stellt und unnötige Verluste durch die Streckenwiderstände bringt. Für die Rückgewinnung von Bremsenergie (Nutzbremsung) muß an der Fahrleitung/Stromschiene ein anderer Stromverbraucher (Fahrzeug) Leistung abnehmen. Die einge­ speisten Strecken sollten daher möglichst groß sein, um möglichst viele Verbraucher anzutreffen. Das erhöht wiederum die Verluste. Ist die Strecke oder das Unterwerk nicht aufnahmefähig, muß auf Ballastwiderstände auf dem Fahrzeug oder im Unterwerk zurückgegriffen werden. Das bringt er­ höhten Steueraufwand und widerspricht ebenso den heutigen Energiespar­ forderungen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, im Unterwerk eine zusätzliche Wechselrichtergruppe mit besonderem Transformator aufzustellen. Wegen des verhältnismäßig großen Aufwandes für die zusätzliche Wechsel­ richtergruppe, bei gleichzeitiger Beibehaltung der üblichen Sammelschienen­ konzeption mit dem Ausbau entsprechender weiterer Gleichstrom-Leistungs­ schalterfelder im Unterwerk, werden Wechselrichter nicht in jedem Unter­ werk vorgesehen. Dadurch verlängert sich der Weg des Rückstromes auf der Fahrleitung und erzeugt weitere Spannungsabfälle und ohm'sche Verluste. Problematisch ist die ausreichende Spannungserhöhung auf dem Fahrzeug zur Rückführung der Energie vom Fahrzeug zum Wechselrichter­ unterwerk.

Unabhängig von der Energierückleistungsaufgabe sind auch schon Schalt­ tungsanordnungen diskutiert worden, bei denen eine Spannungssteuerung auf der Fahrleitung - zum Ausgleich der Spannungsabfälle durch die Traktionsströme - damit zur Senkung der ohm'schen Verluste auf der Fahrleitung - durch den Einsatz gesteuerter Stromrichter im Unterwerk oder durch Boosterschaltungen erreicht werden sollte. Der Aufwand ist recht hoch.

Weiterhin sind für Magnetbahnen mit Linearmotorantrieb Stromversorgungs­ systeme bekannt, bei denen die Fahrzeugsteuerung vom Unterwerk aus erfolgt, in dem die für das Fahrspiel jeweils benötigten elektrischen Größen von der Stromversorgungseinrichtung im Unterwerk in die Strecke eingespeist werden. Zur Senkung der Verluste wird jeweils nur ein gerade befahrener Streckenabschnitt vom Unterwerk versorgt. Dieses System ist sehr aufwendig wegen des Linearmotorantriebes und der komplizierten Zugsteuerung, z. B. mit dem Erfordernis, Spannung, Frequenz und Phasen­ lage der Wechselstrom- bzw. Drehstromgrößen zu stellen und zu regeln und den jeweiligen Standort des Fahrzeuges zu erfassen.

In den Unterwerken für Bahngleichstromspeisung sind heute die vorhandenen Gleichstromschnellschalter vor den Streckenabgangsfeldern praktisch die einzigen noch mechanischen Schaltelemente, deren Raum- und Wartungs­ bedarf bereits häufig zu Kritik Anlaß gaben. Es sind bereits als Ersatz des Gleichstromschnellschalters Halbleiterschalter vorgeschlagen worden, deren technischer Aufwand unter Beibehaltung der üblichen Unterwerks- Schaltungsanordnung mit Sammelschiene und Streckenabgangsfelder nach dem Stand der Technik noch sehr hoch ist.

Zweck der Erfindung ist es, hier neue Wege zu finden, die es gestatten, die Versorgung von elektrischen Nahverkehrsschienenfahrzeugen mit Gleichstrom, also vornehmlich Stadtbahnen oder U-Bahnen, wesentlich zu vereinfachen und zu verbilligen, wobei durch eine elektrisch integrierte technische Konzeption von an sich bekannten Einzelschritten deren Ein­ zelnachteile überwindbar werden.

Dabei stellt sich als besonderer zusammenhängender Aufgabenkomplex die wirtschaftliche Rückspeisung der Bremsenergie bei Rad/Schienebahnen, bei gleichzeitiger Verlustminimierung bei der Streckenspeisung und auch eine Vereinfachung der Unterwerkskonzeptionen wird angestrebt.

Diese komplexe Aufgabe kann gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst werden. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Anhand eines schematischen Ausführungsbeispieles wird die Erfindung im nachstehenden näher erläutert.

Die Figur zeigt zwei strichpunktiert umrahmte Unterwerke I und II, die von einer gemeinsamen Verbund-Drehstromleitung 1, z. B. einem eigenen Bahnstromversorgungsnetz oder auch dem Landesnetz gespeist werden. Von dieser Drehstromleitung 1 werden über Leistungsschalter 2 (2 a bis 2 d bzw. 2 e bis 2 h) und Dreiwicklungsstromrichtertransformatoren 3 (3 a bis 3 d bzw. 3 e bis 3 h) und Trennschalter 4 (4 a bis 4 d bzw. 4 e bis 4 h) zugeordnete Stromversorgungsmodule 5 (5 a bis 5 d bzw. 5 e bis 5 h) gespeist. Bei der als Beispiel dargestellten Stromversorgungskonzeption wird im Abstand von zwei Haltepunkten bzw. 8 a und 8 b ein Unterwerk 1 vorgesehen, das bei einer zweigleisigen Strecke 9 jeweils vier Streckenabschnitte 9 a, 9 b, 9 c, 9 d über die vier Stromversorgungsmodule 5 a bis 5 d speist. Je ein zusätzlicher Strom­ versorgungsmodul 5 i bzw. 5 k ist jedem Unterwerk I bzw. II aus Redundanz­ gründen beigegeben. Bei einem Ausfall eines Stromversorgungsmoduls kann der gestörte Stromversorgungsmodul mittels der Trennschalter 4 (4 a bis 4 d) und der Trennschalter 10 (10 a bis 10 d) freigeschaltet werden, zugleich wird mit den parallel angeordneten Schaltern 4 i bis 4 m der zugehörige Transfor­ matorabzweig auf die Hilfsschiene 6 geschaltet. Durch Einschalten der entsprechenden Trennschalter 10 bzw. 11 wird die Hilfsschiene 12 bzw. der gestörte Streckenabgang zugeschaltet. Für Unterwerk II gilt gleiches.

Die elektrisch voneinander getrennten Streckenabschnitte 9 a/9 c bzw. 9 b/9 d reichen jeweils von der Mitte eines Haltepunktes z. B. 8 a bis zur Mitte des nächsten Haltepunktes 8 b. In Notfällen können benachbarte Strecken­ abschnitte z. B. 9 a/9 c oder 9 b/9 d über die Stromschienen- bzw. Fahr­ leitungsschalter 13 bzw. 14 oder 15 bzw. 16 vom benachbarten Unterwerk z. B. II versorgt werden. Auf gerade nicht befahrenen Streckenabschnitten z. B. 9 c ist die Fahrleitung spannungslos.

Zu jedem Streckenabschnitt, z. B. 9 a, gehört ein ausschließlich diesem Streckenabschnitt zugeordneter Versorgungsmodul, hier z. B. 5 a, das z. B. über das Drehstromleistungsschalterschaltfeld 2 a und den Dreiwicklungs-Stromrichter­ transformator 3 a eingespeist werden kann. Der Versorgungsmodul besteht aus einem Thyristor-Umkehrstromrichter mit Steuermodul 7 a und integrierter Schutzeinrichtung. Außerdem sind mehrere Trennschalter zugeordnet. Bei dem erfindungsgemäßen System versorgt jeweils ein Stromversorgungsmodul ein Fahrzeug bzw. einen Zug, so daß die Auslegung des Stromversorgungs­ moduls auf den maximalen Energiebedarf des einen Fahrzeuges bzw. einen Zuges abgestimmt werden kann.

In der Figur sind einige Fahrzeuge eingezeichnet. So wird das Fahrzeug Fz 1 von dem Stromversorgungsmodul 5 e im Unterwerk II gespeist, das Fahrzeug Fz 2 dagegen vom Stromversorgungsmodul 5h im Unterwerk II. Fahrzeug Fz 3 kam aus dem Streckenabschnitt 9 b und wurde vom Stromversorgungsmodul 5 b des Unterwerkes I gespeist. Das Fahrzeug hat im Haltepunkt 8 a angehalten. Nach der Einfahrt des Fahrzeuges Fz 3 in den Haltepunkt 8 a erfolgte nach der elektrischen Bremsung bis etwa Stationseinfahrt die Umschaltung auf mechanische Bremse bis zum Anhalten in Stationsmitte. Für den Start er­ folgt die Versorgung durch den Stromversorgungsmodul 5 d des Unterwerkes I. Dieser Versorgungswechsel von einem Stromversorgungsmodul auf den nächsten erfolgt bei dem erfindungsgemäßen System ohne starkstromseitige Schaltvor­ gänge im Unterwerk. Dabei werden Züge mit mehreren parallelgeschalteten Stromabnehmern vorausgesetzt, so daß die Überlappung der Versorgungsab­ schnitte in den Stationen über die Stromabnehmer der Fahrzeuge sicherge­ stellt ist. Der jeweils vom Fahrzeug für das Fahrspiel erforderliche Trieb­ strom für den zu befahrenden Streckenabschnitt wird im Unterwerk ein­ gestellt und auf die Strecke geschaltet. Die vom Fahrzeug benötigte Leistung wird entsprechend dem erforderlichen Fahrspiel vom Fahrzeug­ führer eingestellt oder von einem mikrorechnergestützten Automati­ sierungssystem vorgegeben und über einen Datenkanal längs der Strecke (Linienleiter, Schlitzkabel) entsprechend der gestrichelten Linie mittels Sende- und Empfangseinrichtung vom Fahrzeug zum Steuermodul 7 im Unterwerk übertragen, das den jeweiligen Stromversorgungsmodul 5 steuert. Strom und Spannung richten sich hier also nach den für das jeweilige Fahr­ spiel benötigten elektrischen Größen, die von dem Stromversorgungsmodul 5 im Unterwerk abgerufen und geliefert werden.

Die kürzeste Zugfolgezeit ergibt sich aus der Bedingung, daß zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zügen jeweils ein Versorgungsabschnitt nicht durch ein Fahrzeug besetzt sein darf. Daraus ergibt sich zweckmäßiger­ weise eine Verknüpfung des Zugsicherungssystems mit dem Stromver­ sorgungssystem in der Weise, daß jeder Versorgungsabschnitt durch ein Signal bzw. ein automatisches Blocksystem unter Einbeziehung des ohnehin vorhandenen Linienleiters gesichert wird und zusätzlich ein Eingriff in die Steuermodule durch Sperrung bzw. Freigabe der Zündansteuerung der Thy­ ristorelemente der Stromversorgungsmodule vorgenommen wird. Die System­ komponenten, wie z. B. der Steuermodul 7 der Stromversorgungsmodule 5 und der Linienleiter 17 können zusätzlich als Komponenten eines Auto­ matisierungssystems für den fahrerlosen Fahrbetrieb benutzt werden.

Das Schutzsystem besteht aus einem in die Steuermodule 7 integrierten elektronischen Kurzschlußstromerkennungssystem, das bei den definierten maximal auftretenden Betriebsströmen des erfindungsgemäßen Systems aus einem schnellen Überstromerfassungsglied, wie es in der Bahnstromver­ sorgung bekannt ist, besteht, das die Thyristorzündung sperrt. Die Umkehr­ stromrichter sind für eine Kurzschlußstrombelastung bis zu einer definierten Höhe und Zeitdauer ausgelegt. Nach einer definierten Kurzschlußstromdauer erhält der entsprechende Leistungsschalter 2 Auslösekommando. Stand der Technik sind Eigenzeiten der Überstromerfassungsglieder von 1 ms und des Leistungsschalters mit Kondensatorauslösegerät von maximal 20 ms. Somit läßt sich die Gesamtkurzschlußdauer auf etwa 30 ms begrenzen.

Durch kurzschlußfeste Auslegung der Stromrichter kann auf die übrigen mechanischen Gleichstromschnellschalter verzichtet werden. Der Mehr­ aufwand für die kurzschlußfeste Auslegung der Stromrichter kann begrenzt werden durch Übernahme des Kurzschlußschutzes durch den Drehstrom­ leistungsschalter 2 im Trafoabzweig, der mit einem schnellen Auslöser bereits erprobter Technik ausgerüstet wird.

Die Vorteile der Erfindung liegen in der konsequent vereinfachten und übersichtlichen Konfiguration der Streckenstromversorgung vorwiegend von Gleichstrom-Nahverkehrsbahnen mit integrierter Systemlösung der Energierückspeisung und der Spannungssteuerung auf der Strecke unter Verzicht auf mechanische Gleichstromschalter für den Kurzschlußschutz. Dieses System beinhaltet die Minimierung der Verluste auf der Strecke, verringert den Aufwand im Unterwerk durch Leistungsanpassung der Stromversorgungsmodule an die Fahrzeugleistung, durch wesentliche Ver­ einfachung der herkömmlichen, für die gesamte Unterwerksleistung zu dimensionierenden Sammelschienenbauweise zur Streckenversorgung und ermöglicht eine vereinfachte Fahrzeugausrüstung durch teilweise Ver­ lagerung von Komponenten in die Unterwerksausrüstung. Das System ist prädestiniert für einen automatischen fahrerlosen Fahrbetrieb unter Mehrfachausnutzung der für das System erforderlichen Komponenten (Linienleiter zur Übertragung der Steuersignale vom Fahrzeug zum Unter­ werk, zur Steuerung der Stromversorgung und gleichzeitig für das Zug­ sicherungssystem).

Dadurch, daß die Stromversorgungsmodule nur jeweils für die Leistung eines Fahrzeuges ausgelegt zu werden brauchen, also wesentlich kleiner als bisher sind, die Unterwerkskonfiguration einfacher wird, eine Mehr­ fachausnutzung bestimmter Komponenten vorgesehen ist und eine Ver­ lagerung eines Teiles der Fahrzeugausrüstung in das Unterwerk möglich ist, kann der zunächst vermutete Mehraufwand mehr als kompensiert werden.

Claims (12)

1. Stromversorgungssystem für Schienenbahnen, insbesondere Nahver­ kehrsbahnen, deren Fahrleitungen/Stromschienen von Unterwerken aus mit Gleichstrom versorgt werden und bei dem Mittel in den Unterwerken zur Energierückspeisung bei Bremsbetrieb vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahrstrecke (9) in aufeinanderfolgende, elektrisch getrennte Streckenabschnitte (z. B. 9 a, 9 c bzw. 9 b, 9 d) aufgeteilt ist, von denen jeder Streckenabschnitt (z. B. 9 d) jeweils durch einen ihm zugerodneten, rückarbeitsfähigen Stromversorgungsmodul (z. B. 5 d) gespeist wird, der (z. B. 5 d) vom Fahrzeug (Fz 3) angesteuert wird und über eine Span­ nungssteuerung des zugeordneten Streckenabschnittes (z. B. 5 d) die Leistung für ein vom Fahrzeug (Fz 3) speziell angefordertes Fahr­ spiel vorgibt.

2. Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Stromversorgungsmodul (5) aus einem Thyristor-Umkehr­ stromrichter mit einem Steuermodul (7) für die Thyristorsteuerung besteht und daß der Thyristor-Umkehrstromrichter über einen zu­ geordneten Dreiwicklungs-Stromrichtertransformator (3) sowie Leistungsschalter (2) an ein Drehstromnetz (1) angeschlossen ist.

3. Stromversorgungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrspiel vom Fahrzeugführer eingestellt oder von einem Automatisierungssystem vorgegeben wird und die erforderlichen, über einen Mikrorechner aufbereiteten Daten über einen Datenkanal (17) längs der Strecke (9) mittels Sende- und Empfangseinrichtungen vom Fahrzeug zum zugeordneten Stromversorgungsmodul (5) im Unter­ werk (I bzw. II) übertragen werden.

4. Stromversorgungssystem nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der mit Strom zu versorgenden Streckenabschnitte (z. B. 9 a bis 9 e) Teil eines automatischen Block-Streckensicherungssystems ist, das nur die Einfahrt in einen nächsten Streckenabschnitt (z. B. 9 d) zuläßt, wenn der in Fahrtrichtung weitervorausgehende (z. B. 9 e) unbesetzt ist.

5. Stromversorgungssystem nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß über die Linienleiter (17) des Block-Streckensicherungssystems auch die Übertragung der Fahrspieldaten und zusätzlich auch der Signale für eine Sperrung bzw. Freigabe der Steuermodule (7) für die Stromversorgungsmodule (5) je nach Streckenabschnittsbesetzung erfolgt.

6. Stromversorgungssystem nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Stromversorgungsmodul (5) für die Stromversorgung nur eines Fahrzeuges (z. B. Fz 3) pro Streckenabschnitt (z. B. 9 d) ausgelegt ist.

7. Stromversorgungssystem nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausfall eines Stromversorgungsmoduls (z. B. 5 b) dieser mittels Trennschalter (z. B. 4 b, 10 b) freigeschaltet und gleichzeitig mit einem parallel angeordneten Schalter (4 k) der zugehörige Transformator­ abzweig auf eine Hilfsschiene (6) geschaltet wird.

8. Stromversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Steuermodule (7) ein elektronisches Kurzschlußerkennungs­ system integriert ist, das oberhalb definierter elektrischer Grenzwerte die Stromversorgungsmodule (5) sperrt.

9. Stromversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umkehrstromrichter der Stromversorgungsmodule (5) für eine Kurzschlußstrombelastung bis zu einer definierten Höhe und Dauer oder eine definierte Stromsteilheit ausgelegt sind und bei Überschrei­ tung der zulässigen Größen ein zugeordneter vorgeschalteter Leistungs­ schalter (2) auslöst.

10. Stromversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streckenabschnitte (z. B. 9 d) jeweils von einem (8 a) bis zum anderen Haltepunkt (8 b) reichen, daß der Fahrzeughalt jeweils zwischen beiden Streckenabschnitten (9 b/9 d) über der Trennstelle (x) überlappend erfolgt und daß die Stromversorgung für die nächste Anfahrt vom nächst­ folgenden Stromversorgungsmodul (hier 5 d) angefordert wird.

11. Stromversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Überlappung der Streckenabschnitte Züge mit mehreren parallel geschalteten Stromabnehmern Verwendung finden.

12. Stromversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Stromversorgungsmodul (5) zur Streckenspeisung Teile der elektrischen Steuerung- und Antriebsausrüstung der Fahrzeuge integriert sind.