DE3527309C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Stromversorgungssysten für Schienenbahnen, insbesondere Nahverkehrsbahnen des Stadt- oder U-Bahntyps, wie es im Oberbe­ griff des Anspruches 1 näher definiert ist.

Ein Stromversorgungssystem dieser Art für spurgebundene Fahrzeuge - aller­ dings für Seilbahnen - ist z. B. der DE-OS 30 04 690 entnehmbar. Dabei sind die Fahrstrecken in mehrere aufeinanderfolgende elektrisch getrennte Streckenab­ schnitte mit jeweils eigener Fahrstrecken-Abschnittsstromversorgung aufgeteilt. Die Zuführung der Antriebsenergie für die Fahrzeuge erfolgt über zwei längs der Strecke mitgeführte Stromkabel, wobei jedoch alle Streckenabschnitte aus diesem gemeinsamen zweipoligen Leitungssystem gespeist werden. Die Einspeisung der einzelnen Streckenabschnitte wird mittels einer Steuerschaltung zu- oder abgeschaltet, wobei durch Zuschaltung die Fahrzeuge in Bewegung gesetzt werden. Die Steuerschaltung ist mit einer Fahrzeugpositionsmeldeeinrichtung elektrisch verknüpft, so daß ein Befahren eines durch ein Fahrzeug besetzten Abschnittes sicherheitstechnisch verhindert wird. Dieses Bahnsystem ist für Seilbahnen konzipiert und eignet sich nicht für Beförderungsaufgaben, bei denen es um Massentransporte mit den heute üblichen Geschwindigkeiten und Beschleunigungs- und Verzögerungswerten geht.

Aus der Patentschrift DE 27 41 039 C2 ist ferner ein Steuersystem zur block­ abschnittsweisen Stromzuführung zu den Fahrmotoren von spurgebundenen elek­ trischen Fahrzeugen bekannt, bei dem die Fahrleitung z. B. Gleichstrom kon­ stanter Spannung führt und durch wechselndes Ein- und Ausschalten der Motor­ stromkreise der Fahrzeuge in Abhängigkeit der Position des Fahrzeuges auf der Strecke eine Beschleunigung oder Abbremsung z. B. über Widerstände auf dem Fahrzeug erreicht wird. Bei diesem System sind mindestens drei elektrische Leiter für die Stromzuführung zu den Fahrzeugen erforderlich. Derartige Drei­ leiter-Systeme haben sich bei Schienenfahrzeugen in der Praxis bisher nicht durchsetzen können. Die mit der Energieversorgung verknüpfte Fahrzeugsteuerung die ein Signalsystem ersetzen soll, ist nicht nach eisenbahnsicherungstech­ nischen Überlegungen konzipiert.

Die übliche Stromversorgung von Gleichstrom-Schnellbahnen in Rad/Schienen­ systemen erfolgt daher bisher weiter in langjährig bewährter 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 Spannungsabfall auf der Strecke bestimmt wird. Die Strecke wird dabei vom speisenden Unterwerk ständig unter Spannung gehalten; die Spannung darf dabei jedoch laut VDE um - 30% bis + 20% um die Nennspannung schwanken, was ent­ sprechende Anforderungen an die Fahrzeugausrüstungen stellt und unnötige Ver­ luste durch die Streckenwiderstände bringt. Für die Rückgewinnung von Brems­ energie (Nutzbremsung) muß an der Fahrleitung/Stromschiene ein anderer Strom­ verbraucher (Fahrzeug) Leisung abnehmen. Die eingespeisten Strecken sollten daher möglichst groß sein, um möglichst viele Verbraucher anzutreffen. Das er­ höht wegen der langen Stromwege für die Rückleistung wiederum die Verluste. Generell ist zu diesem Stand der Technik anzumerken, daß bisher nur vereinzelt Stromversorgungssysteme für Gleichstrom-Nahverkehrsbahnen ausgeführt wurden, bei denen eine Rückleistung von Bremsenergie in das speisende Drehstrom-Ver­ sorgungsnetz über Wechselrichter vorgesehen wurde. Daher sind in der Literatur nur wenig Ergebnisse aufzufinden. Es wird jedoch z. B. hingewiesen auf die Studie "Die Auswirkungen der Gleichstromsteller-Technik im öffentlichen Per­ sonennahverkehr" von Amler, 1978 (BMFT gefördertes Vorhaben), ferner auf den Aufsatz Janetschke, "Rückgewinnung der Bremsenergie von Gleichstrombahnen in das EVU-Hochspannungsnetz", Verkehr und Technik 1983, H. 11, S. 497 bis 499.

Ist die Strecke oder das Unterwerk nicht aufnahmefähig, muß auf Ballastwider­ stände auf dem Fahrzeug oder im Unterwerk zurückgegriffen werden. Das bringt erhöhten Steuerungsaufwand und widerspricht ebenso den heutigen Energiespar­ forderungen.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, im Unterwerk eine zusätzliche Wechsel­ richtergruppe mit besonderem Transformator aufzustellen. Hierzu z. B. S. Meiden Review, International Edition, Series No. 71, 1984, No. 2 "Static DC Traction Power Feeding System", Tafel 2, wo getrennte Transformator-Stromrichtergruppen für Vorwärts- und Rückwärtsrichtung des Energieflusses dargestellt sind. Wegen des verhältnismäßig großen Aufwandes für die zusätzliche Wechelrichtergruppe, bei gleichzeitiger Beibehaltung der üblichen Sammelschienenkonzeption mit dem Ausbau entsprechender weiterer Gleichstrom-Leistungsschalterfelder im Unter­ werk, werden Wechselrichter nicht in jedem Unterwerk vorgesehen. Dadurch ver­ längert sich der Weg des Rückstroms 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 Wechselrichterunterwerk.

Unabhängig von der Aufgabe einer Energierückleistung sind firmenintern auch schon Schaltungsanordnungen diskutiert worden, bei denen eine Spannungssteue­ rung auf der Fahrleitung - zum Ausgleich der Spanungsabfälle durch die Trak­ tionsströme und damit zur Senkung der ohm'schen Verluste auf der Fahrleitung - durch den Einsatz gesteuerter Stromrichter im Unterwerk oder durch Booster­ schaltungen erreicht werden sollte. Der Aufwand ist recht hoch.

Aus der DE-OS 29 31 065 ist ein Verfahren zur Abstandshaltung zwischen spurge­ bundenen Schwebe-Fahrzeugen mit Langstatorlinearmotorantrieb bekannt. Dort er­ folgt die Fahrzeugsteuerung vom Unterwerk aus, indem die für das Fahrspiel je­ weils benötigten elektrischen Größen von der Stromversorgungseinrichtung im Unterwerk in die Strecke eingespeist werden. Zur Senkung der Verluste wird je­ weils 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 Phasenlage 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 Gleich­ stromschnellschalter vor dem Streckenabgangsfeldern praktisch die einzigen noch mechanischen Schaltelemente, deren Raum- und Wartungsbedarf bereits häufig zu Kritik Anlaß gab. Es sind bereits als Ersatz des Gleichstromschnellschalters Halbleiterschalter vorgeschlagen worden, deren technischer Aufwand unter Bei­ behaltung der üblichen Unterwerks-Schaltungsanordnung mit Sammelschiene und Streckenabgangsfelder nach dem Stand der Technik noch sehr hoch ist. Hierzu wird auf den bereits genannten Aufsatz von S. Meiden Review, S. 3, li. Sp., 1. preface verwiesen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Stromversorgungssystem mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen derart zu verbessern, daß die wirt­ schaftliche Rückspeisung der Bremsenergie bei gleichzeitiger Verlustminimierung bei der Streckeneinspeisung und auch eine Vereinfachung der Unterwerkskonzeption ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Ein in der Figur schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel wird nachstehend näher erläutert.

Die Figur zeigt zwei strichpunktiert umrahmte Unterwerke I und II, die von einer gemeinsamen Verbund-Drehstromleitung 1, z. B. einem eigenen Bahnstromversorgungs­ netz 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 Dreiwicklungs- Stromrichtertransformatoren 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 Stromversorgungskonzep­ tion wird im Abstand von zwei Haltepunkten z. B. 8 a und 8 b ein Unterwerk I vorge­ sehen, das bei einer zweigleisigen Fahrstreckenstromversorgung 9 jeweils vier Streckenabschnitte 9 a, 9 b, 9 c , 9 d über die vier Stromversorgungsmodule 5 a bis 5 d speist. Entsprechend speist das Unterwerk II über die Stromversorgungsmodule 5 e bis 5 h die Strecken­ abschnitte 9 e bis 9 h. Je ein zusätzlicher Stromversorgungsmodul 5 i bzw. 5 k ist jedem Unterwerk I bzw. II aus Redundanzgründen beigegeben. Bei einem Ausfall eines Stromversorgungsmoduls kann der gestörte Stromversorgungsmodul mittels der Trennschalter 4 (z. B. 4 a bis 4 d) und der Trennschalter 10 (z. B. 10 a bis 10 d) freigeschaltet werden. Zugleich wird mit den parallel angeordneten Schaltern z. B. 4 i und 4 m bzw. 4 n und 4 q der zugehörige Transformatorabzweig auf die Hilfs­ schiene 6 geschaltet. Durch Einschalten der entsprechenden Trennschalter 10 bzw. 11 wird die Hilfsschiene 12 dem gestörten Streckenabschnitt zugeschaltet. Für Unterwerk II gilt gleiches.

Die elektrisch voneinander getrennten Streckenabschnitte 9 a/9 c/9 e/9 g bzw. 9 b/9 d/ 9 f/9 h reichen jeweils von der Mitte eines Haltepunktes 8 z. B. 8 a bis zur Mitte des nächsten Haltepunktes 8 bzw. 8 b. In Notfällen können benachbarte Strecken­ abschnitte z. B. 9 a/9 c oder 9 b/9 d über die Stromschienen- bzw. Fahrleitungsschal­ ter 13 bzw. 14 oder 15 bzw. 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 Strecken­ abschnitt zugeordneter Versorgungsmodul, hier z. B. 5 a, das z. B. über das Dreh­ stromleistungsschalterschaltfeld 2 a und den Dreiwicklungs-Stromrichtertransfor­ mator 3 a eingespeist werden kann. Der Versorgungsmodul besteht z. B. aus einem Thyristor-Umkehrstromrichter mit Steuermodul 7 a und integrierter Schutzeinrich­ tung. Außerdem sind mehrere Trennschalter zugeordnet. Bei dem erfindungsgemäßen System versorgt jeweils ein Stromversorgungsmodul ein Fahrzeug bzw. einen Zug, so daß die Auslegung des Stromversorgungsmoduls 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 gerade von dem Stromversorgungsmodul 5 e im Unterwerk II gespeist, das Fahrzeug Fz 2 da­ gegen vom Stromversorgungsmodul 5 h im Unterwerk II. Fahrzeug Fz 3 kam aus einem 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 erfolgt nach der elektrischen Bremsung bis etwa Stationseinfahrt die Umschaltug auf mechanische Bremse bis zum Anhalten in Stationsmitte. Für den Start erfolgt die Versorgung durch den Stromversorgungs­ modul 5 d des Unterwerkes I. Dieser Versorgungswechsel von einem Stromversorgungs­ modul auf den nächsten erfolgt bei dem erfindungsgemäßen System ohne starkstrom­ seitige Schaltvorgänge im Unterwerk. Dabei werden Züge mit mehreren parallel­ geschalteten Stromabnehmern vorausgesetzt, so daß die Überlappung der Versorgungs­ abschnitte in den Stationen über die Stromabnehmer der Fahrzeuge sichergestellt ist. Der jeweils vom Fahrzeug für das Fahrspiel erforderliche Triebstrom für den zu befahrenden Streckenabschnitt wird im Unterwerk eingestellt und auf die Strecke geschaltet. Die vom Fahrzeug benötigte Leistung wird entsprechend dem erforder­ lichen Fahrspiel vom Fahrzeugführer eingestellt oder von einem mikrorechnerge­ stützen Automatisierungssystem 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 über­ tragen, das den jeweiligen Stromversorgungsmodul 5 steuert. Strom und Spannung richten sich hier also nach den für das jeweilige Fahrspiel 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 auf­ einanderfolgenden Zügen jeweils ein Versorgungsabschnitt nicht durch ein Fahr­ zeug besetzt sein darf. Darauf ergibt sich zweckmäßigerweise eine Verknüpfung des Zugsicherungssystems mit dem Stromversorgungssystem in der Weise, daß jeder Versorgungsabschnitt durch ein Signal bzw. ein automatisches Blocksystem unter Einbeziehung des ohnehin vorhandenen Linienleiters gesichert wird und zusätz­ lich ein Eingriff in die Steuermodule durch Sperrung bzw. Freigabe der Zündan­ steuerung der Thyristorelemente der Stromversorgungsmodule vorgenommen wird. Die Systemkomponenten, wie z. B. der Steuermodul 7 der Stromversorgungsmodule 5 und der Linienleiter 17 können zusätzlich als Komponenten eines Automatisierungs­ systems für den fahrerlosen Fahrbetrieb benutzt werden.

Das Schutzsystem besteht aus einem in die Steuermodule 7 integrierten elektro­ nischen Kurzschlußstromerkennungssystem, das bei den definierten maximal auf­ tretenden Betriebsströmen des erfindungsgemäßen Systems aus einem schnellen Überstromerfassungsglied, wie es in der Bahnstromversorgung bekannt ist, besteht, das die Thyristorzündung sperrt. Die Umkehrstromrichter sind für eine Kurzschluß­ strombelastung bis zu einer definierten Höhe und Zeitdauer ausgelegt. Nach einer definierten Kurzschlußstromdauer erhält der entsprechende Leistungsschalter 2 Auslösekommando. Stand der Technik sind Eigenzeiten der Überstromerfassungs­ glieder 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 mecha­ nischen Gleichstromschnellschalter verzichtet werden. Der Mehraufwand 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 übersicht­ lichen Konfiguration der Streckenstromversorgung vorwiegend von Gleichstrom- Nahverkehrsbahnen, bei der grundsätzlich die Bremsenergie über einen Wechsel­ richter in einer überlagertes Drehstrom-Netz zurückgespeist und von diesem Netz anderen Verbrauchern zur Verfügung gestellt wird. Ein Leerlaufbetrieb der Streckenversorgung entfällt, weil die Energieversorgung jeweils auf Anforderung vom Fahrzeug aus und entsprechend dem geforderten Fahrspiel aktiviert wird. Da­ durch werden die Verluste auf der Strecke minimiert und die Bauweise der Unter­ werke wird vereinfacht. Es werden nur noch statische Einrichtungen verwendet, was der Unterhaltung der Anlagen zugute kommt. Dadurch, daß die Stromversorgungs­ module nur jeweils für die Leistung eines Fahrzeuges ausgelegt zu werden brauchen, also wesentlich kleiner sind als bisher, wird die Unterwerkskonfiguration ein­ facher. Durch eine Mehrfachausnutzung bestimmter Komponenten kann der zunächst vermutete Mehraufwand mehr als kompensiert werden.

Das System ist prädestiniert für einen automatisierten fahrerlosen Fahrbetrieb unter Mehrfachausnutzung der für das System erforderlichen Komponenten (Linien­ leiter zur Übertragung der Steuersignale vom Fahrzeug zum Unterwerk, zur Steue­ rung der Stromversorgung und gleichzeitig für das Zugsicherungssystem).

Claims (11)

1. Stromversorgungssystem für Schienenbahnen, insbesondere Nahverkehrsbahnen des Stadt- oder U-Bahntyps, bei dem die Fahrstreckenstromversorgung (9) in aufeinanderfolgende elektrisch getrennte Streckenabschnitte (z. B. 9 a, 9 c, 9 e, 9 g bzw. 9 b, 9 d, 9 g, 9 h) mit jeweils eigener Stromversorgung auf­ geteilt ist und jeder Streckenabschnitt über eine ihm zugeordnete Steuer­ schaltung vom Unterwerk (I, II) aus mit Gleichstrom versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, daß rückarbeitsfähige Stromversorgungs­ module (5 a bis 5 h) Verwendung finden, die jeweils vom Fahrzeug (z. B. Fz 3) angesteuert werden, wobei über eine Strom- bzw. Spannungssteuerung dem ge­ rade zugeordneten Streckenabschnitt (z. B. 9 d) die Leistung für ein vom Fahr­ zeug (z. B. Fz 3) speziell angefordertes Fahrspiel vorgegeben wird.

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-Stromrichtungstransformator (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 die 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.