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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sicherheitseinrichtung
für eine
elektrische Oberleitung, bestimmt zur Speisung von Transportfahrzeugen,
und auf ein Verfahren zum Betrieb dieser Einrichtung.
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Die
betreffende Einrichtung ist vorwiegend zur Verwendung auf dem Gebiet
der Transportfahrzeuge wie Eisenbahn, Strassenbahn und Obusse gedacht,
um elektrische Speisungsleitungen zu überwachen, diagnostizieren
und rechtzeitig das Vorhandensein von jeder Art Fehlern zu signalisieren
und somit geeignete Schutzmassnahmen treffen zu können. Wie
bekannt ist, gibt es heute insbesondere auf dem Gebiet der Eisenbahn/Obus/Strassenbahn
nur unzureichende Schutzmöglichkeiten
für Personen, besonders
was das Oberleitungsnetz in städtischen Bereichen
betrifft, wenn ein mögliches
Brechen von Kabeln oder ein zufälliger
Kontakt mit dem Boden auftritt. Tatsächlich passiert es häufig, dass
das Brechen eines Kontaktdrahtes von einer Speisungsleitung nicht
fähig ist,
das Abschalten des Schalters der entsprechenden Unterstation auszulösen, weshalb die
Leitung weiter unter Spannung steht, und zwar mit grossen Risiken
für Personen,
die zufällig
mit ihr in Berührung
kommen könnten.
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Dies
kann zum Beispiel infolge eines Kurzschlusses einer Speisungsleitung
mit einer Kurzschlussimpedanz geschehen, die nicht ausreichend niedrig
ist, um einen Kurzschlussstrom zu erzeugen, welcher niedriger ist
als der eingestellte Schwellenwert des in der Unterstation vorhandenen
Sicherheitsschalters.
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Um
die Probleme, zurückzuführen auf
Fehler in den elektrischen Leitungen, insgesamt zu begrenzen, wurden
kürzlich
besonders komplexe und fortschrittliche Diagnosesysteme entwickelt,
wenn auch diese Systeme nicht geeignet sind zur Anwendung auf dem
elektrisch betriebenen Transportsektor.
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Hauptzweck
der vorliegenden Erfindung ist daher, die mit den Diagnosevorrichtungen
des bekannten Typ zusammenhängenden
Nachteile zu vermeiden, indem eine neue Sicherheitseinrichtung für elektrische
Oberleitungen zum Liefern von Leistung an Transportfahrzeuge vorgesehen
wird, welche in der Lage ist, das Vorhandensein von Fehlern zu erkennen
und unverzüglich
Massnahmen einzuleiten, welche die Sicherheit der elektrischen Leitung
garantiert.
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Ein
weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung ist, eine Sicherheitseinrichtung
für elektrische Oberleitungsnetze
vorzusehen, welche von der Konstruktion her einfach und im Betrieb
vollkommen zuverlässig
ist.
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Ein
weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung ist, ein Betriebsverfahren
vorzusehen, welches es erlaubt, die elektrische Leitung schnell,
einfach und sicher unschädlich
zu machen.
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Die
technischen Eigenschaften der Erfindung, in Übereinstimmung mit den oben
erwähnten Zwecken,
können
dem Inhalt der nachstehenden Ansprüche entnommen werden, und die
Vorteile derselben gehen deutlicher aus der nachstehenden detaillierten
Beschreibung hervor, und zwar unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen, die rein als Beispiel eine nicht begrenzende Ausführung derselben
zeigen, und von denen
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1 eine
schematische Ansicht des Betriebsprinzips der Sicherheitseinrichtung
nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 zeigt
in schematischer Form eine Peripherieeinheit der betreffenden Sicherheitseinrichtung;
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3 zeigt
den Anschluss der Sicherheitseinrichtung an eine Doppeldraht-Kontaktleitung;
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4 zeigt
den Anschluss der Sicherheitseinrichtung an eine Einzeldraht-Kontaktleitung.
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Unter
Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ist mit 1 in
ihrer Gesamtheit eine elektrische Oberleitung zum Liefern von Leistung
an Transportfahrzeuge 2 bezeichnet, und 3 bezeichnet die
Sicherheitseinrichtung für
diese Leitung nach der vorliegenden Erfindung.
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Aus
Gründen
der Einfachheit der Beschreibung wird anfangs auf das Beispiel einer
elektrischen Gleichstromleitung 1 Bezug genommen, enthaltend eine
zweifache Einzeldraht-Kontaktleitung,
die in Übereinstimmung
mit dem in den 1 und 3 gezeigten
aus einer Ausgangsleitung 1a und einer Rücklaufleitung 1b (s. 3)
besteht.
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Die
elektrische Leitung 1 ist dazu bestimmt, den notwendigen
Leistungsstrom an die Transportfahrzeuge 2 zu übertragen,
und zwar mit Hilfe von elektrischen Anschlussvorrichtungen, bestehend zum
Beispiel aus einem Scherenstromabnehmer oder aus Polen 6.
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Strukturmässig enthält dieser
Typ von Doppeldraht-Kontaktleitung
eine Anzahl von äquipotentialen
Anschlüssen 7,
dazu bestimmt, die Leiter mit gleicher Polarität der Einzeldraht-Ausgangsleitung 1a mit
jenen der Einzeldraht-Rücklaufleitung 1b zu verbinden.
Auf diese Weise wird die Doppeldraht-Kontaktleitung 1 in
eine Anzahl von positiven und negativen Maschen 8 unterteilt,
von denen sich jede im Durchschnitt über eine Entfernung zwischen 250
und 1500 m erstreckt. Die Sicherheitseinrichtung 3 ist
zusammengesetzt aus einer Anzahl von Peripherieeinheiten 9,
jede derselben einer einzelnen Masche 8 zugeordnet und
daher im wesentlichen einem Abschnitt der elektrischen Speisungsleitung 1.
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Genauer
gesagt ist jede Peripherieeinheit 9 elektrisch an die Masche 8 angeschlossen,
so dass diese in zwei Abschnitte von im wesentlichen gleicher Länge geteilt
wird und Signalerzeugungsmittel 10 enthält, welche an die entsprechende
Masche 8 Signale mit einer Frequenz dicht an der Resonanzfrequenz
der genannten Masche 8 aussenden. Vorzugsweise wird der
elektrische Anschluss einer jeden Peripherieeinheit 9 mit
Hilfe von zwei Leitern ausgeführt,
angeschlossen an eine entsprechende Masche 8 mit positiver
Polarität,
auch wenn natürlich
die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung gleichermassen in
der Lage sein würde,
Kontrollen an Maschen mit negativer Polarität durchzuführen.
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Die
Resonanzfrequenz einer jeden einzelnen Masche 8 ist als
unter normalen Betriebsbedingungen berechnet verstanden und kann
mit Hilfe der Aktivierung geeigneter elektrischer Komponenten (in den
beiliegenden Abbildungen nicht gezeigt) auf einen gewünschten
Wert eingestellt werden. Insbesondere kann vorteilhafterweise vorgesehen
werden, die Steuersignale auf eine Frequenz entsprechend 105–125% der
Resonanzfrequenz der Masche einzustellen, und die Peripherieeinheit 9 an
die Leitung 1 mit Hilfe eines Kondensators anzuschliessen,
welcher ebenfalls die Aufgabe hat, die Peripherieeinheit 9 von
der Gleichstromleitung 1 elektrisch zu entkoppeln.
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Jede
Peripherieeinheit 9 enthält ebenfalls Analysemittel 11, welche
dazu bestimmt sind, die Ansprechsignale von der entsprechenden Masche 8 zu empfangen
und die Signalabweichungen zu erfassen, zurückzuführen auf das Vorhandensein
von Fehlern in der Masche 8.
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Wenn
sich die Masche 8 tatsächlich
in dem normalen Betriebszustand befindet und daher frei von Fehlern
ist, bleiben die Steuersignale, welche von der Peripherieeinheit 9 durch
die Signalerzeugungsmittel 10 an die Masche 8 ausgesendet
werden, im wesentlichen auf die Resonanzfrequenz der Masche 8 abgestimmt.
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Wenn
jedoch in der Masche 8 ein Fehler auftritt (zurückzuführen zum
Beispiel auf eine Unterbrechung oder einen Kurzschluss in der Kontaktleitung oder
auf eine Unterbrechung in einem äquipotentialen
Anschluss 7 oder auf bedeutende Veränderungen in dem Bereich der überwachten
Masche), verändert sich
die der Masche 8 zugeordnete Resonanzfrequenz und die durch
die Signalerzeugungsmittel 10 erzeugten Signale sind nicht
mehr auf diese Frequenz abgestimmt. Folglich erhöht sich die Impedanz der Masche
und die Ansprechsignale unterliegen einer erheblichen Veränderung,
welche leicht durch die Analysemittel 11 erkannt werden
kann. Es sollte bemerkt werden, dass unabhängig von den Veränderungen,
welche in den Ansprechsignalen auftreten, die Analysemittel 11 in
der Lage sind, die Art des aufgetretenen Fehlers zu diagnostizieren
(Fehler in der Kontaktlei tung oder an den äquipotentialen Anschlüssen). Natürlich sehen
die oben erwähnten Analysemittel 11 die
Verwendung von Signalfiltern vor, welche fähig sind, die Veränderungen
in den Ansprechsignalen zu unterscheiden, hervorgerufen durch das
Vorhandensein von Fehlern, und zwar aus den Veränderungen der Ansprechsignale
durch das Vorhandensein von Fehlern in der elektrischen Leitung 1.
Nach dem Beispiel der schematisch in 2 gezeigten
Ausführung
enthält
jede Peripherieeinheit 9 ebenfalls Stellantriebsmittel 13,
welche dazu vorgesehen sind, sich zwischen einer Betriebsposition,
in welcher sie einen Kurzschluss zwischen den beiden verschiedenen
Polaritäten
der Leitung 1 bewirken, und einer Ruheposition, in welcher
sie nicht in die Leitung 1 eingreifen, bewegen. Jede Peripherieeinheit 9 wird
durch eine logische Steuereinheit 12 betätigt, welche
elektrisch und betriebsmässig
an die Signalerzeugungsmittel 10, die Analysemittel 11 und
die Stellantriebsmittel 13 angeschlossen ist.
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Während des
Betriebes betätigt
die logische Steuereinheit 12 die Stellantriebsmittel 13,
wobei ein Kurzschluss zwischen den unterschiedlichen Polaritäten der
Leitung 1 ausgelöst
wird, und zwar infolge des Auftretens eines Störzustandes in der Masche 8, der
umgehend von den Analysemitteln 11 erkannt worden ist.
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Der
durch die Stellantriebsmittel 13 hervorgerufene Kurz schluss
bewirkt das Öffnen
des Sicherheitsschalters, vorhanden in der Unterstation 20,
welche Leistung an die Leitung 1 liefert.
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Als
Folge des durch die Stellantriebsmittel 13 bewirkten Kurzschlusses
ist es innerhalb sehr kurzer Zeit nach Auftreten des Fehlerzustandes
möglich,
die Spannung auf einen Sicherheitswert zu bringen, bis der Schalter
der Unterstation 20 erneut aktiviert ist. Grundsätzlich wird
in dem oben erwähnten
Falle die Betriebsspannung der Leitung im wesentlichen halbiert.
Daraus ergibt sich, dass die Sicherheitseinrichtung in der Lage
ist, den elektrischen Sicherheitsvorschriften zu entsprechen, wie
sie in den auf dem Sektor der Eisenbahn-, Obus- und Strassenbahnbeförderung
anzuwenden Richtlinien vorgesehen sind.
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Vorteilhafterweise
steht jede Peripherieeinheit 9 mit einer Betriebszentrale 15 in
Verbindung, und zwar über
Kommunikationsmittel 16 (s. 2), die
zum Beispiel aus einer GSM-Anlage mit einer Antenne für Kurzmitteilungen
(SMS) bestehen können.
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Die
Betriebszentrale 15 steht wiederum mit den Unterstationen 20 der
Leitung 1 in Verbindung und ist in der Lage, das Auslösen der
entsprechenden Sicherheitsschalter (extra rapid) zu befähigen oder
unfähig
zu machen. Auf diese Weise kann die Betriebszentrale 15 nach
dem Erfassen eines Fehlerzustandes, signalisiert durch eine Peripherieeinheit 9, die
entsprechende Unterstation 20 steuern, so dass jeder Versuch
des erneuten Schliessens des Sicherheitsschalters verhindert wird,
und das Wartungspersonal informieren, so dass dieses die notwendigen
Reparaturarbeiten ausführen
kann, die zur Wiederherstellung des Betriebes der Leitung 1 erforderlich
sind.
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Die
Betriebszentrale 15 ist ebenfalls in der Lage, Fehlerzustände aufzuzeichnen,
wobei sie die Betriebsparameter einer jeden Peripherieeinheit 9 und
die vorherigen Daten speichert, das Abschalten der einzelnen Peripherieeinheiten 9 vorzunehmen, um
Arbeiten an der elektrischen Leitung 1 (zum Beispiel Tests)
zu erlauben, oder die erneute Verbindung nach dem Beheben des Fehlers
wiederherzustellen.
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Die
Speisung einer jeden individuellen Peripherieeinheit 9 kann
direkt mit Hilfe eines Anschlusses an die genannte elektrische Speisungsleitung 1 erhalten
werden. In diesem Falle wird vorteilhafterweise die Verwendung eines
Wechselrichter vorgesehen, um die Spannung von einer Gleichstromspannung
in eine Wechselstromspannung umzuwandeln, wobei der genannte Wechselrichter
an einen Transformator angeschlossen ist, so dass die Peripherieeinheit 9 galvanisch
von der Leitung 1 getrennt wird.
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Vorteilhafterweise
kann jede Peripherieeinheit 9 auch mit einer Batterie 21 versehen
sein, welche den Betrieb der Sicherheitseinrichtung 3 gewährleisten
und somit das Vorhandensein von allen Unterbrechungen der Leitung 1 erfassen
kann, auch wenn ihre eigene Leistungszufuhr unterbrochen ist.
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Unter
Bezugnahme auf das Beispiel der in 3 gezeigten
Ausführung
kann gesehen werden, dass die Peripherieeinheit 9 eine
Kurzschlussverbindung mit einem Erdanschluss (Peripherieeinheit 9a), eine
doppelte Kurzschlussverbindung (Peripherieeinheit 9b) oder
eine einzelne Kurzschlussverbindung (Peripherieeinheit 9c)
haben kann.
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4 zeigt
ein zweites Beispiel einer Ausführung
der vorliegenden Erfindung, geeignet für den Fall einer elektrischen
Leitung 1 mit Gleichstromspannung, gebildet aus einer Einzeldraht-Kontaktleitung
mit einem doppelten Draht, von welchen einer positiv und einer negativ
ist (normalerweise geerdet). Jede einzelne Masche 8 besteht
aus zwei getrennten parallelen Abschnitten 30 von unterschiedlicher
Polarität
und aus zwei Endanschlüssen 7b.
Letztere verbinden die Enden der beiden Leitungsabschnitte 30 mit
Hilfe elektrischer Mittel 14 von hoher Impedanz, welche
im wesentlichen nur den Durchlauf der Steuersignale erlauben und
ein System zur Isolierung der beiden Drähte von entgegengesetzter Polarität bilden.
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Es
muss ausserdem bemerkt werden, dass es im Falle einer elektrischen
Leitung 1 mit Wechselstromspannung nicht notwendig ist,
wesentliche Veränderungen
an der Sicherheitseinrichtung (3) vorzunehmen. Es ist in
der Tat nur notwendig, zwei entsprechende Endanschlüsse vorzusehen,
versehen mit elektrischen Mitteln, welche im wesentlichen einen
Kurzschluss für
den Strom bei Resonanzfrequenz bilden und eine hohe Impedanz für den Strom bei
Betriebsfrequenz der Leitung 1.
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In Übereinstimmung
mit einer wichtigen Eigenschaft der vorliegenden Erfindung sieht
die Sicherheitseinrichtung 3 vor, dass zwei Peripherieeinheiten 9,
die zwei aneinandergrenzenden Maschen 8 entsprechen, Steuersignale
eingeben, die leicht unterschiedliche Frequenzen voneinander haben.
Sollte eine Unterbrechung an einem äquipotentialen Anschluss 7 auftreten
und die in den beiden aneinandergrenzenden Maschen 8 erzeugten
Spannungen zur Zeit des Fehlers in Gegenphase sein, würde es tatsächlich nicht
möglich
sein, irgendeine Veränderung
der Spannung in den Ansprechsignalen zu erfassen. Daher erzeugen
die mit unterschiedlichen Frequenzen in die beiden aneinandergrenzenden Maschen 8 eingegebenen
Spannungen ein bei einer Frequenz schwingendes Ansprechsignal, welches Funktion
des Frequenzunterschiedes der eingegebenen Spannungen ist. Das Erscheinen
eines Ansprechsignals bei dieser phasenverschobenen Frequenz wird
durch die Analysemittel 11 erfasst und zeigt einen Fehler
in dem äquipotentialen
Anschluss 7 an.
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Betrieblich
gesehen arbeitet die bis hierher beschriebene Sicherheitseinrichtung
vom vorwiegend strukturellen Gesichtspunkt her in der nachstehend
beschriebenen Weise. Jede Peripherieeinheit 9 arbeitet
im Verhältnis
zu einem einzigen Abschnitt der Leitung 1 (ob Gleichstrom,
Wechselstrom, Einzeldrahtleitung oder Doppeldrahtleitung), der einer
einzige Masche 8 entspricht, und durch das Aussenden von
Steuersignalen, erzeugt durch die Signalerzeugungsmittel 10 und
mit einer Frequenz dicht an der Resonanzfrequenz der Masche 8,
führt sie
die kontinuierliche Überwachung
der Leitungsparameter durch, so dass über die Analysemittel 11 unverzüglich Veränderungen
in den elektrischen Parametern der Masche 8 erfasst werden.
Tatsächlich
sind, wenn eine Veränderung
in den elektrischen Parametern vorliegt, die Steuersignale nicht
mehr auf eine Frequenz dicht an der Resonanzfrequenz der Masche 8 abgestimmt,
und folglich hat man eine bedeutende Veränderung in den Ansprechsignalen.
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Im
Falle eines Fehlerzustandes mit dem folgenden Übergang der Masche 8 aus
dem normalen Betriebszustand in einen gefährlichen Zustand, aktiviert
daher die logische Steuereinheit 12 die Stellantriebsmittel 13,
wobei ein Kurzschluss in der Leitung 1 bewirkt wird, der
einerseits eine vorübergehende Herabsetzung
der Spannung auf einen Wert von etwa der Hälfte der Betriebsspannung der
Leitung 1 hervorruft und andererseits das Auslösen des Sicherheitsschalters
der Unterstation 20, welche die genannte Leitung 1 speist.
An diesem Punkt leitet die Betriebszentrale 15, nachdem sie über die
Kommunikationsmittel 16 von der Peripherieeinheit 9 das
Signal empfangen hat, dass das Vorhandensein eines Fehlerzustandes
anzeigt, den Ablauf zur Wiederherstellung der Leitung 1 ein.
Dies kann auch durch die anfängliche
Verhinderung aller Versuche erfolgen, den betreffenden Schalter
der Unterstation 20 erneut zu schliessen.
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Die
so ausgelegte Erfindung erreicht somit die gewünschten Zwecke.