DE3738696C2 - Verfahren und Einrichtung zur Ortung eines Schienenbruches - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Seit langer Zeit werden zur Freimeldung von Eisenbahnstrecken Gleisstromkreise der verschiedensten Art eingesetzt. Eine Übersicht über die heute üblichen Arten von Gleisstromkreisen ist z. B. in einem Aufsatz von Arno Dickschen und Werner Frank in "Signal und Draht" 61 (1969), Heft 12, Seiten 196 ff gegeben. Hier sind im Abschnitt 1, im Zusammenhang mit Bild 1 und 2, Gleisstromkreise beschrieben, die zur Trennung von den Nachbargleisstromkreisen Isolierstöße verwenden und mit Gleichstrom oder niederfrequentem Wechselstrom betrieben werden. Solche Gleisstromkreise eignen sich vor allem zur Freimeldung langer Gleisabschnitte, in denen die für trennstoßfreie Gleiskreise erforderlichen, höherfrequenten Gleisströme zu stark gedämpft würden.

Aus einem Aufsatz von G. Gauglitz mit dem Titel "Der Gleisstromkreis - sein Aufbau und seine Berechnung", Deutsche Eisenbahntechnik, 1956, H. 8, S. 311-316, sind die theoretischen Grundlagen bekannt, die bei der Berechnung von Gleisstromkreisgrößen zu beachten sind. Da ein Gleichstromkreis grundsätzlich nichts anderes ist als eine elektrische Doppelleitung, können die aus der Theorie der Doppelleitung (Telegraphengleichung etc.) bekannten Ergebnisse prinzipiell übernommen werden. Angegeben werden insbesondere Beziehungen zur Bestimmung des Leerlauf- und Kurzschlußeingangswiderstands, des Bettungswiderstands und des Schienenwiderstands.

Ähnlichen Inhalts ist auch ein Aufsatz von H.-U. Meyer mit dem Titel "Der Achskurzschluß bei Gleisstromkreisen mit Wechselspannungen", Signal und Draht, 1957, H. 11, S. 159-165. Dort werden Ersatzschaltbilder für unterschiedliche Betriebssituationen angegeben, etwa für Achskurzschluß bei günstigen oder ungünstigen Bettungsbedingungen. Der Aufsatz ist später noch einmal nahezu inhaltsgleich und mit gleichem Titel von H.-U. Meyer und W. Frank in Signal und Draht, 1972, H. 6/7, S. 90-98, veröffentlicht worden.

Aus einem Aufsatz von W. Fenner mit dem Titel "Die Frequenzabhängigkeit der Parameter des Gleichstromkreises", Deutsche Eisenbahntechnik, 1962, H. 1, S. 34-40, sind verschiedene Verfahren bekannt zur Messung verschiedener im Zusammenhang mit Gleisstromkreisen auftretenden Größen. Die Verfahren werden jeweils aus den Grundgleichungen der Leitungstheorie abgeleitet. Erläutert ist dort insbesondere die meßtechnische Bestimmung des Gleiseingangswiderstandes bei offenem und bei kurzgeschlossenem Gleisstromkreis, des Schienenwiderstandes und der Bettungsableitung.

Ein wesentlicher Vorteil von Gleisstromkreisen gegenüber anderen Gleisfreimeldeeinrichtungen wie z. B. Achszählern ist darin zu sehen, daß mit Gleisstromkreisen auch Schienenbrüche, die zur elektrischen Unterbrechung einer Schiene führen, festgestellt werden können. Solche Schienenbrüche machen sich dadurch bemerkbar, daß der Gleisstrom am Ort des Gleisstromkreisempfängers verschwindet, obgleich sich keine Achse im Gleisabschnitt befindet.

Wird ein solcher Schienenbruch festgestellt, so muß dieser unverzüglich gesucht und beseitigt werden, da er eine unmittelbare Gefahr für die Zugfahrt darstellt.

Aus der GB 2 074 768 A ist eine Schaltungsanordnung zur Erkennung von Schienenbrüchen bei Gleisen bekannt. Die Schaltungsanordnung beruht auf einem Wechselstromkreis und ist bei Gleisen einsetzbar, bei denen der Fahrstrom über beide Schienen abfließt. Im Normalfall bewirkt der Wechselstromkreis, daß ein Relais in kurzen Abständen geöffnet und geschlossen wird. Im Falle eines Schienenbruches weicht der Wechselstromkreis auf einen parallel zum Gleis gelegten Ersatzleiter aus. Die Schaltung ist so ausgelegt daß nun das Relais entweder dauerhaft öffnet oder schließt je nachdem, welche Schiene vom Schienenbruch betroffen ist. Das veränderte Verhalten des Relais wird als Hinweis für das Auftreten eines Schienenbruchs im betreffenden Wechselstromkreis interpretiert.

Die Suche eines Schienenbruches erfolgt entweder durch Abgehen und Inspizieren des Gleises durch einen Bediensteten oder mittels einer Meßfahrt mit einem Spezialfahrzeug. Beides erfordert, insbesondere bei langen Gleisabschnitten, viel Zeit, während der das Gleis für den normalen Zugverkehr nicht zur Verfügung steht.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dessen Hilfe der Ort eines als elektrische Unterbrechung einer Schiene wirksamen Schienenbruches ohne eine Meßfahrt meßtechnisch ermittelt und so genau angegeben werden kann, daß die Suche des Schienenbruches auf einen eng begrenzten Gleisbereich beschränkt und die für die Suche erforderliche Zeit entsprechend reduziert werden kann.

Ein Verfahren, das die Aufgabe der Erfindung löst, ist im Patentanspruch 1 angegeben. Es nutzt die Möglichkeiten der heute verfügbaren elektronischen Rechner um die Entfernung eines Schienenbruches von der Einspeisestelle aus den vor und nach Auftreten des Schienenbruches gemessenen Werten des Eingangswiderstandes des Gleisabschnittes zu berechnen. Der Rechner rechnet dabei auf Grundlage der bekannten Leitungsgleichungen für ein Eisenbahngleis (siehe z. B. Aufsatz von H.U. Meyer und W. Frank in "Signal und Draht" 64 (1972) Seiten 90 ff, insbesondere Seite 91, rechte Spalte).

Durch die in kurzen Zeitabständen vorgenommene Messung des Eingangswiderstandes und nachfolgende Berechnung und Speicherung des stark witterungsabhängigen Wertes für die Bettungsableitung ist sichergestellt, daß immer ein aktueller Wert für die Bettungsableitung zur Verfügung steht, der es erlaubt, die Länge des bis zum Ort des Schienenbruches reichenden Gleisstückes hinreichend genau zu berechnen.

Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist im Patentanspruch 2 angegeben. Sie wird zweckmäßig mit einer bekannten, auf Gleisstromkreisbasis arbeitenden Gleisfreimeldeeinrichtung kombiniert, denn hier sind die Gleisstromquelle und ein Gleisstromdetektor bereits vorhanden. Besetzt- und Freimeldesignale können direkt der Gleisfreimeldeeinrichtung entnommen werden.

Die Patentansprüche 3 und 4 betreffen Ausführungen für verschiedene Gleisstromdetektoren. Während beim Gegenstand des Patentanspruchs 3 ein Gleisrelais vorgesehen ist, wie es in herkömmlichen, durch Isolierstöße voneinander getrennten Gleisstromkreisen verwendet wird, sieht Patentanspruch 4 anstelle des Gleisrelais einen von der Einspeiseseite unabhängig arbeitenden Unterbrecherkontakt vor, dessen Funktion durch Auswertung der Modulation des Einspeisestromes überwacht wird. Die im Patentanspruch 4 angegebene Lösung erfordert keine Verbindungsleitung zwischen den Enden des Gleisabschnitts und läßt eine größere Abschnittslänge zu als eine Lösung mit einem Gleisrelais.

Im Patentanspruch 5 ist eine einfache Einrichtung zur Auswertung der durch den Unterbrecherkontakt dem Gleisstrom aufgeprägten Modulation angegeben.

Anhand zweier Figuren sollen nun Ausführungsbeispiele der Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung beschrieben und das erfindungsgemäße Verfahren erklärt werden.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Einrichtung mit einem Gleisstromkreis mit einem Gleisrelais als Gleisstromdetektor.

Fig. 2 zeigt eine entsprechende Einrichtung mit einem Unterbrecherkontakt an dem der Einspeisestelle gegenüberliegenden Gleisabschnittsende.

In Fig. 1 bilden die Schienen S1, S2 eines Gleisabschnittes GA einen Gleisstromkreis. Der Gleisstromkreis ist durch Isolierstöße JS von den angrenzenden Gleisabschnitten getrennt. Er wird an einem Ende, an einer Einspeisestelle ES aus einer Stromquelle Q mit Gleisstrom gespeist und ist am gegenüberliegenden Ende durch ein Gleisrelais GR abgeschlossen. Nicht dargestellte Kontakte des Gleisrelais sind über eine nicht dargestellte Verbindung mit einer Gleisfreimeldegruppe eines Stellwerks verbunden, die ein Abfallen des Gleisrelais aufgrund eines zwischen Einspeisestelle und Gleisrelais befindlichen Achskurzschlusses als Gleisbesetzung registiert. Wird ein Abfall des Gleisrelais festgestellt, ohne daß eine Zugfahrt stattfindet, oder spricht das Gleisrelais nach einer Zugfahrt, nach Freifahren des Gleisabschnittes nicht wieder an, so wird, sofern kein Fehler an der Gleisstromquelle festgestellt werden kann, ein Schienenbruch SB angenommen. Es muß dann der Zugverkehr auf dem betroffenen Gleis eingestellt und der Schienenbruch durch Inspektion der Strecke durch einen Bediensteten oder mittels einer Meßfahrt gesucht und anschließend repariert werden.

Mit der in Fig. 1 weiter dargestellten Schaltung, die aus einem Rechner R, einem mit diesem verbundenen Speicher SP, einer Anzeigeeinrichtung A, einem Strommesser MJ für den eingespeisten Gleisstrom und einem Spannungsmesser MU zur Erfassung der an der Einspeisestelle ES anstehenden Gleisspannung besteht, läßt sich die Entfernung n des Schienenbruchs SB von der Einspeisestelle ES meßtechnisch ermitteln. Dies geschieht auf folgende Weise:

Der Rechner bekommt, so lange der Gleisabschnitt intakt ist, ständig Meßwerte des Strommessers MJ und des Spannungsmessers MU zugeführt, aus denen er den Eingangswiderstand des Gleisabschnitts ständig neu ermitteln kann. In kurzen Zeitabständen, z. B. alle 10 Sekunden, berechnet der Rechner mit Hilfe der Leitungsgleichungen für ein Eisenbahngleis, deren Parameter (z. B. Schienenwiderstand, Schieneninduktivität, Gleisabschnittslänge, Gleisstromfrequenz, Widerstand des Gleisrelais) im Speicher gespeichert sind, und dem zuletzt ermittelten Eingangswiderstand die Bettungsableitung, den auf die Längeneinheit bezogenen, zwischen beiden Schienen wirksamen Querwiderstand. Der Wert der Bettungsableitung wird im Speicher SP so lange gespeichert bis der nächste, aktuellere Wert zur Verfügung steht. Ebenso wird der für die Rechnung benutzte Eingangswiderstandswert abgespeichert. Wird der Gleisabschnitt besetzt, so fällt das Gleisrelais GR ab, was der Rechner, z. B. über eine Stellwerksleitung SL vom Stellwerk her mitgeteilt bekommt.

Der Rechner stellt daraufhin die Berechnung der Bettungsableitung ein und vergleicht jetzt ständig den aktuellen Eingangswiderstand mit dem letzten, vor der Besetzung des Gleisabschnitts ermittelten und abgespeicherten Eingangswiderstandswert. Nach Freifahren des Gleisabschnitts und Wiederansprechen des Gleisrelais muß der abgespeicherte Wert wieder zumindest annähernd erreicht sein. Nimmt der Eingangswiderstand einen wesentlich höheren Wert als der abgespeicherte Wert an, so ist dies ein Zeichen dafür, daß während der Zugfahrt ein Schienenbruch aufgetreten ist und ein Wiederansprechen des Gleisrelais GR nicht zu erwarten ist. In diesem Fall berechnet der Rechner mit Hilfe des abgespeicherten Wertes der Bettungsableitung und dem jetzt höheren Eingangswiderstand die Länge n des bis zum Ort des Schienenbruchs SB reichenden Gleisstückes und zeigt diese an. Er berücksichtigt bei der Berechnung auch den Wegfall des durch das Gleisrelais gebildeten Abschlußwiderstandes.

Da sich in der Regel der Bettungswiderstand während der Dauer einer Zugfahrt nicht wesentlich ändert, erhält man einen recht genauen Wert für die Entfernung des Schienenbruchs von der Einspeisestelle. Werden entlang der Strecke geeignete Längenmarkierungen vorgesehen, kann der berechnete Ort unmittelbar aufgesucht und der in dessen nächster Umgebung befindliche Schienenbruch schnell gefunden werden.

Tritt ein Schienenbruch - was sehr selten ist - außerhalb einer Zugfahrt auf, wird dies durch Abfall des Gleisrelais und einen gleichzeitigen Anstieg des Eingangswiderstandes festgestellt. Der Ort des Schienenbruchs kann in diesem Falle sofort in der oben angegeben Weise berechnet werden.

In Fig. 2 ist eine Einrichtung wiedergegeben, die die Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung bei einem Gleisabschnitt ermöglicht, der einen gleichstrombetriebenen, mit einem Unterbrecherkontakt UK abgeschlossenen Gleiskreis bildet. Solche Gleisabschnitte können eine sehr große Länge (10 km) aufweisen, was eine Ortung von Schienenbrüchen, wie sie die Erfindung ermöglicht, besonders wichtig werden läßt. Bei dem dargestellten Gleisabschnitt GA braucht keine Verbindungsleitung zwischen Unterbrecherkontakt UK und der Einspeisestelle ES vorhanden sein, da der Unterbrecherkontakt den Gleisstrom moduliert und so seine Funktion durch Auswertung des Modulationssignales an der Einspeisestelle ES überwacht werden kann.

Der Erzeugung des Gleisstromes dient hier eine Stromquelle QC, die den benötigten Gleichstrom über einen Strommesser MJ und über die Primärwicklung eines Übertragers Ü in den Gleisabschnitt GA einspeist. Die Ausgangsspannung der Stromquelle ist konstant geregelt und der Ausgangsstrom nach oben hin begrenzt, um Überlastungen der Stromquelle bei Durchgang einer Achse zu vermeiden. Auch hier ist ein Rechner R vorgesehen, der mit einem Speicher SP und einer Anzeigeeinrichtung A verbunden ist und der den Eingangswiderstand des Gleisabschnittes aus der bekannten konstanten Spannung der Stromquelle und dem vom Strommesser gemessenen Eingangsstrom in kurzen Zeitabständen ermittelt. Da der Strom durch den Unterbrecherkontakt am Ende des Gleisabschnittes moduliert ist, muß vorab festgelegt sein, ob der bei geschlossenem Unterbrecherkontakt oder der bei offenem Unterbrecherkontakt, also der höhere oder der niedrigere auftretende Stromwert der Ermittlung des Eingangswiderstandes zugrundegelegt wird.

Eine Besetzung des in Fig. 2 wiedergegebenen Gleisabschnitts wird aufgrund des Ausbleibens der durch den Unterbrecherkontakt dem Gleisstrom aufgeprägten Modulation bei gleichzeitigem Abfall des Eingangswiderstandes des Gleisabschnitts festgestellt. Hierzu wird dem Rechner ein von der Sekundärwicklung des Übertragers Ü über ein Filter F abgegriffenes Wechselspannungssignal zugeführt. Das Filter F ist auf die Frequenz des Unterbrecherkontaktes UK abgestimmt und eliminiert Wechselspannungsanteile, die durch Fahrstromeinfluß oder anderweitige Störeinflüsse verursacht werden und nicht auf die Tätigkeit des Unterbrecherkontaktes zurückgehen.

Um nach Auftreten eines Schienenbruches dessen Ort ermitteln zu können, werden auch hier die im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Verfahrensschritte durchgeführt:
Der Eingangswiderstand und die daraus berechnete Bettungsableitung werden abgespeichert und in kurzen Zeitabständen aktualisiert, so lange die Modulation des Gleisstroms nachgewiesen werden kann. Bleibt diese Modulation aus, wird während der folgenden Zeit der Eingangswiderstand daraufhin überwacht, ob er einen gegenüber dem zuletzt gespeicherten Wert erhöhten Wert annimmt, was auf einen Schienenbruch hindeutet, oder ob er infolge einer Zugfahrt absinkt, um nach einer gewissen Zeit, gleichzeitig mit dem Wiedererscheinen des Modulationssignals, wieder auf etwa den gespeicherten Wert anzusteigen.

Im Falle eines Schienenbruchs, auch dann, wenn sich dieser erst am Ende einer Zugfahrt durch hohen Eingangswiderstand und weiteres Ausbleiben des Modulationssignals bemerkbar macht, berechnet der Rechner auch hier aus dem gespeicherten Wert für die Bettungsableitung und dem nach Auftreten des Schienenbruches gemessenen Eingangswiderstand die Entfernung n des Ortes SB des Schienenbruches von der Einspeisestelle ES und zeigt sie auf der Anzeigeeinrichtung an.

Claims (5)

1. Verfahren zur Ortung eines Schienenbruches in einem mindestens einschienig isolierten, einen Gleisstromkreis bildenden Gleisabschnitt, in den an einem Ende, an einer Einspeisestelle, Gleisstrom eingespeist wird und bei dem überwacht wird, ob an dessen anderem Ende Gleisstrom fließt, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangswiderstand des Gleisabschnitts (GA) in kurzen Zeitabständen gemessen, da raus mit Hilfe bekannter, für ein Eisenbahngleis geltender Leitungsgleichungen bei bekannter Gleisabschnittlänge der Wert der Bettungsableitung berechnet und dieser gespeichert wird und daß bei Auftreten eines eine elektrische Unterbrechung einer Schiene (S1, S2) bewirkenden Schienenbruchs (SB), der sich durch Verschwinden des Gleisstromes an dem der Einspeisestelle (ES) gegenüberliegenden Gleisabschnittsende bei gleichzeitigem Anstieg des Eingangswiderstandes bemerkbar macht, die Entfernung (n) des Schienenbruchs von der Einspeisestelle mit Hilfe der Leitungsgleichungen und des gespeicherten Wertes der Bettungsableitung aus dem nach Auftreten des Schienenbruches gemessenen Eingangswiderstand als Länge des bis zum Ort des Schienenbruches reichenden Gleisstückes berechnet und angezeigt wird.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben einer an einem Ende des Gleisabschnitts an beide Schienen angeschlossenen Stromquelle (Q, QC) für den Gleisstrom und einem die Überwachung des am anderen Ende des Gleisabschnitts auftretenden Gleisstromes zulassenden Gleisstromdetektor (GR) eine Meßeinrichtung (MJ, MU) für den Eingangswiderstand des Gleisabschnittes (GA), ein Rechner (R) zur Berechnung der Bettungsableitung des Gleises einerseits und der Länge (n) des bis zum Ort des Schienenbruches (SB) reichenden Gleisstückes andererseits, Speicher (SP) zur Speicherung der berechneten Bettungsableitung und der zur Aufstellung der Leitungsgleichungen benötigten Parameter sowie eine Vorrichtung (A) zur Anzeige der berechneten Gleisstücklänge vorhanden sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleisstromdetektor (GR) aus einem Gleisrelais besteht, dessen jeweiliger Schaltzustand dem Rechner (R) mitgeteilt wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleisstromdetektor aus einem an dem der Einspeisestelle (ES) gegenüberliegenden Ende des Gleisabschnittes (GA) befindlichen, periodisch seine Schaltstellung wechselnden Schalter (UK) besteht, der die beiden Schienen (S1, S2) des Gleisabschnitts miteinander elektrisch verbindet und aus einer an der Einspeisestelle (ES) befindlichen, die durch den Schalter (UK) verursachten Änderungen des Gleisstromes auswertenden Empfangsschaltung (Ü, F, R) besteht.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsschaltung durch einen in der Einspeiseleitung für den Gleisstromkreis liegenden Übertrager (Ü), ein mit dessen Sekundärwicklung verbundenes, auf die Frequenz des Schalters (UK) abgestimmtes Filter (F) und den Rechner (R) gebildet wird, und daß ein Eingang des Rechners mit dem Ausgang des Filters verbunden ist.