-
Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Apparatur zu Ermittlung
von gebrochenen Schienen.
-
Auf
vielen Bahnlinien wird die Präsenz
eines Zuges auf einem Gleisabschnitt mittels eines Gleisstromkreises
ermittelt, der eine Niederspannung zwischen den Schienen anlegt
und die Änderung
im Widerstand zwischen den Schienen aufgrund der Präsenz des
Zuges feststellt, da Räder
und Achsen eine elektrische Verbindung zwischen den Schienen darstellen.
Gleisstromkreise ermöglichen
beiläufig
auch die Feststellung eines Bruches in einer Schiene. Es gibt aber
viele Bahnlinien, bei denen keine Gleisstromkreise verwendet werden,
und besonders auf solchen Bahnlinien würde ein Verfahren zur Ermittlung
irgendeines Bruches in einer Schiene wünschenswert und für sicheren
Betrieb dienlich sein.
-
Erfindungsgemäß ist ein
Verfahren vorgesehen zur Erfassung eines Bruches in einer Schiene
in einer Situation, wo zwei Schienen sich parallel zueinander entlang
einer Bahnlinie erstrecken, mit folgenden Verfahrensschritten: elektrisches
Verbinden der beiden Schienen miteinander mit einem ersten elektrischen
Anschluß an
einer ersten Stelle und außerdem
elektrisches Verbinden der beiden Schienen miteinander mit einem
zweiten elektrischen Anschluß an
einer zweiten Stelle, die von der ersten Stelle entlang der Linie
beabstandet ist, wobei der erste elektrische Anschluß mit einer
Quelle für
elektrischen Strom und der zweite elektrische Anschluß mit der Stromquelle über einen
Rückstromweg
verbunden ist, der keinen Teil der gleichen Spur wie jede der Schienen
bildet, um so elektrische Ströme
parallel entlang den beiden Schienen zwischen der ersten und der
zweiten Stelle fließen
zu lassen, und entweder (a) die Ermittlung jeglicher Differenz zwischen den
in jeder der Schienen fließenden
Ströme
und somit Feststellung, ob ein Bruch in einer der Schienen vorhanden
ist, oder (b) die Ermittlung der in jeder der Schienen fließenden Ströme, und
Feststellung aus den beiden Stromwerten, ob ein Bruch in einer der Schienen
vorliegt.
-
Ein
Bruch in einer oder jeder der Schienen in dem Abschnitt der Linie
zwischen der ersten und der zweiten Stelle kann somit festgestellt
werden. Vorzugsweise werden die in jeder der beiden Schienen fließenden Ströme ermittelt,
und die beiden Stromwerte werden bei der Feststellung verwendet,
ob ein Bruch vorliegt. Die Ströme
können
in den Schienen selbst gemessen werden oder können noch bevorzugter in elektrischen
Anschlüssen
gemessen werden, die zu den Schienen führen, z.B. im ersten oder zweiten
elektrischen Anschluß.
Die Ströme
können gleichgerichtet,
wechselnd oder pulsiert sein. Vorzugsweise haben die Ströme ein Frequenzspektrum, bei
dem die meiste oder die ganze Energie auf niedriger Frequenz liegt,
vorzugsweise nicht mehr als 20 Hz (weil die Impedanz der Schienen
mit der Frequenz zunimmt). Solch niederfrequente Ströme können gemessen
werden, indem ein kontaktloser Stromsensor, wie z.B. in WO 00/63057
beschrieben, verwendet wird, aber andere Stromsensoren können ebenfalls
verwendet werden.
-
Es
gibt somit einen elektrischen Stromkreis, der die Stromquelle und
die beiden parallelen Schienen umfaßt, wobei die eine Seite der
Stromquelle mit dem ersten elektrischen Anschluß verbunden ist und der Stromkreis
durch den Rückstromweg
vervollständigt
wird. Der Rückstromweg
kann entweder durch einen zwischen der anderen Seite der Stromquelle und
dem zweiten elektrischen Anschluß oder durch Verbindung sowohl
der Stromquelle als auch des zweiten elektrischen Anschlusses an
Erde vorgesehen werden. Das Verfahren ist anwendbar bei Gleisen,
die keine Gleis-Stromkreise haben; und (anders als ein Gleis-Stromkreis) fließen die
Sensorströme
in den Schienen parallel, so daß,
wenn kein Schienenbruch vorhanden ist, keine Spannung zwischen den Schienen
besteht. Bei der bevorzugten Anordnung bilden die beiden Schienen
ein Gleis für
ein Eisenbahnfahrzeug, aber bei einer Mehrspurlinie können die
beiden Schienen statt dessen in unterschiedlichen Gleisen sein.
-
Vorzugsweise
involviert die Interpretation der beiden Stromwerte einen Vergleich
von mindestens einem der Werte mit einem ersten Grenzwert, um anzudeuten,
ob der Strom ausreichend stark ist für einen verläßlichen
Betrieb; und auch einen Vergleich zwischen den beiden gemessenen
Werten, um zu sehen, ob die Differenz zwischen den gemessenen Strömen einen
zweiten Grenzwert überschreitet,
was anzeigt, daß ein
Bruch in einer der Schienen vorliegt. Dieser Grenzwert kann eine
voreingestellte Proportion von einem der gemessenen Stromwerte oder
die Summe jener gemessenen Werte sein und somit in Beziehung stehen
zu dem durch die Stromquelle gelieferten Strom. Wie oben angedeutet,
können
die Ströme
innerhalb der zu den Schienen führenden elektrischen
Verbindungen gemessen werden; sie können auch in solchen elektrischen
Verbindungen an beiden Enden des Leitungsabschnittes gemessen werden.
-
Die
Erfindung sieht auch zur Feststellung eines Bruches in einer Schiene
ein System vor, das wie oben beschrieben arbeitet.
-
Aufeinander
folgende Abschnitte der Schienen entlang der Linie können elektrisch
gegeneinander isoliert und jeder Abschnitt mit einem separaten Ermittlungssystem
ausgestattet werden; jedes Ermittlungssystem kann dann unabhängig von
den anderen arbeiten. Wenn dies nicht der Fall ist, so daß aufeinander
folgende Abschnitte der Schienen in elektrischem Kontakt miteinander
sind, dann kann jeder Abschnitt mit einem separaten Ermittlungssystem
ausgestattet und die separaten Ermittlungssysteme der Reihe nach
aktiviert werden (so daß benachbarte
Ermittlungssysteme nicht zur gleichen Zeit aktiviert werden); dies
eröffnet
wiederum jedem Ermittlungssystem die Möglichkeit, unabhängig zu
arbeiten. Alternativ kann jedes Ermittlungssystem mit einem Wechselstrom
oder pulsierten Strom arbeiten, so können Ströme aus nahe beieinander liegenden Ermittlungssystemen
z.B. durch ihre Frequenzen voneinander unterschieden werden. Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
arbeitet jedes Ermittlungssystem mit einem pulsierenden Pseudostreustrom, wobei
die Pseudostreuströme
ein unterschiedliches Muster in benachbarten Ermittlungssystemen
haben; in diesem Fall ergibt die Querbeziehung zwischen den observierten
Strömen
und der erwarteten Pseudostreu-Impulsfrequenz
die Möglichkeit,
die Ströme aus
benachbarten Ermittlungssystemen zu unterscheiden.
-
Die
Erfindung wird nunmehr nur beispielsweise mit Bezug auf die Zeichnungen
näher beschrieben.
Dabei zeigt:
-
1 eine
schematische Draufsicht auf ein Schienenbruch-Ermittlungssystem;
-
2 eine
grafische Darstellung, wie die Möglichkeit,
Schienenbrüche
festzustellen, mit der Länge
des Abschnitts der Linie variiert;
-
3 eine
Abänderungsform
des Ermittlungssystems von 1;
-
4 eine
schematische Draufsicht eines alternativen Schienenbruch-Ermittlungssystems
und
-
5 eine
schematische Draufsicht eines weiteren alternativen Schienenbruch-Ermittlungssystems.
-
In 1 ist
ein Ermittlungssystem 10 zur Feststellung von Brüchen in
zwei parallelen Schienen 12, 13 dargestellt, die
Teil einer Bahnlinie bilden, die aber elektrisch gegenüber benachbarten
Abschnitten der Linie isoliert sind. Beispielsweise kann der Abschnitt 14 der
Linie, in dem das System 10 arbeitet, eine Länge von
5 km haben. Am einen Ende des Abschnitts 14 sind die Schienen 12 und 13 durch einen
Kupferleiter 16 verbunden, und am anderen Ende des Abschnitts 14 sind
die Schienen 12 und 13 durch einen Kupferleiter 18 verbunden.
Die mittleren Stellen der Leiter 16 und 18 sind
jeweils durch ein Kabel 20 mit einer Lieferquelle 22 für elektrischen
Strom verbunden. Stromsensoren 24 sind vorgesehen, um die
in den beiden Hälften
des Leites 16 fließenden Ströme zu messen,
und Signale aus den Sensoren 24 werden einem Prozessor
oder Computer 26 zugeführt.
Jeder Sensor 24 kann ein kontaktloser Stromsensor sein,
wie beispielsweise der in WO 00/63057 beschriebene.
-
Jeder
Leiter 16 und 18 hat vorzugsweise eine viel geringere
elektrische Impedanz als die des Abschnitts 14 einer Schiene 12 oder 13 bei
der Betriebsfrequenz der Quelle 22 (die Gleichstrom sein kann).
Es ist folglich wünschenswert,
daß die
Leiter 16 und 18 so kurz wie praktisch unmöglich sind,
wobei die Stromsensoren 24 zwischen den Schienen 12 und 13 installiert
sind, wie dargestellt. Wenn jedoch die Leiter 16 und 18 eine
ausreichend große
Dicke haben, dann können
sie auch länger
sein, und es mag zweckmäßiger sein,
die Sensoren 24 in Gerätgehäusen (nicht
dargestellt) längs
der Bahn zu installieren.
-
Es
versteht sich, daß der
typische Widerstand einer Bahnschiene etwa 0,035 Ω/km (für durchgehend
geschweißte
Schiene) beträgt,
so daß eine niedrige
Spannung ausreicht, um einen Strom von etwa 1 A zu erzeugen. Wenn
kein Bruch in einer Schiene 12 oder 13 vorhanden
ist, dann werden die Ströme
in jeder Schiene die gleichen sein, etwa 0,5 A, und diese Stromwerte
werden durch die Sensoren 24 gemessen. Wenn ein Fehler
im Kabel 20 oder in der Lieferquelle 22 vorliegt,
dann werden beide Ströme
null. Der Computer 26 überwacht
die Summe der beiden Stromwerte, und wenn die Summe unter einen
Grenzwert abfällt,
zeigt der Computer 26 an, daß ein solcher Fehler aufgetreten
ist. Wenn ein Bruch in einer der Schienen vorhanden ist, beispielsweise
in der Schiene 12, dann wird der Strom in der Schiene 13 größer sein
als der in der Schiene 12; der Computer 26 überwacht
die Differenz zwischen den beiden Stromwerten, und wenn die Differenz
einen Grenzwert überschreitet,
zeigt der Computer an, daß ein Bruch
in der Schiene dementsprechend vorliegt.
-
Bei
einer praktischen Bahnlinie sind die Schienen 12 und 13 gegenüber der
Umgebung nicht gut isoliert, so daß elektrische Ströme von jeder Schiene
nach Erde fließen
können,
oder zu der anderen Schiene, wenn eine Potentialdifferenz zwischen den
Schienen besteht. Wenn kein Bruch in einer der Schienen 12, 13 vorliegt,
dann ist die Potentialdifferenz zwischen den Schienen vernachlässigbar
gering, doch wenn ein solcher Bruch vorhanden ist, beispielsweise
in der Schien 12, dann bedeutet ein Stromverlust zwischen
den Schienen (und nach Erde), daß der Strom in der Schiene 12 nicht
null sein wird, wobei der tatsächliche
Stromwert abhängig
ist von der Stelle des Bruches entlang der Schiene 12 und
vom elektrischen Widerstand zwischen den Schienen und dem zwischen
der Schiene und Erde. Die Differenz zwischen den beiden gemessenen Strömen (als
Proportion der Summe der Ströme
in den beiden Schienen), U, ist 1,0, wenn der Bruch am nächsten zum
Sensor 24 auftritt, und nimmt ab, wenn der Bruch weiter
vom Sensor 24 entfernt ist, auf einen Mindestwert (Um),
wenn der Bruch etwa drei Viertel des Weges entlang dem Abschnitt 14 vorliegt, wobei
der Wert von U leicht zunimmt, wenn der Bruch entlang dem Abschnitt 14 sogar
noch weiter entfernt ist.
-
2 zeigt
grafisch, wie der Mindestwert, Um, für verschiedene Längen L des
Abschnittes 14 für
typische Werte der elektrischen Widerstände und Stromverluste sich
verändert.
Es versteht sich, daß die
Länge L
so gewählt
werden sollte, daß sichergestellt
wird, daß Um
nicht zu klein ist und vorzugsweise mindestens 0,5 beträgt, um sicherzustellen,
daß Brüche verläßlich festgestellt
werden können.
-
Bei
einer Abänderungsform
des Systems 10 wird das Kabel 20 nacheinander
mittels einer Schalteinrichtung (nicht dargestellt) im Leiter 18 mit
beiden Schienen (wie dargestellt) verbunden, d.h. nur mit Schiene 12 und
nur mit Schiene 13. Sobald die Verbindung zu beiden Schienen
hergestellt wird, werden die Strommessungen durchgeführt, und
das Vorhandensein einer gebrochenen Schiene wird wie vorher beschrieben
festgestellt. Wenn die Verbindung zur Schiene 12 allein
hergestellt wird, oder zur Schiene 13 allein, dann existiert
eine Ungleichheit im Stromkreis, die ähnlich derjenigen ist, die
existiert, wenn ein Bruch in der anderen (nicht verbundenen) Schiene
dicht bei der Verbindung 18 vorhanden ist. Die in diesen
beiden absichtlich unausgeglichenen Zuständen genommenen Strommessungen
können
dazu verwendet werden, zu bestätigen,
daß der
Zustand gebrochener Schiene feststellbar ist. Somit kann der Computer/Prozessor 26 kontinuierlich
die Fähigkeit des
Schienenbruch-Ermittlungssystems,
korrekt zur funktionieren, überprüfen; insbesondere
ist der Computer/Prozessor in der Lage, Umstände zu identifizieren, wo der
Schiene-zu-Schiene-Stromverlust oder der Schiene-zu-Erde-Stromverlust
sich über
die Normalwerte hinaus erhöht
hat, derart, daß eine
Schienenbruchermittlung nicht mehr sichergestellt werden kann.
-
Bei
dem System 10 gibt es keine absichtlichen Verbindungen
zur Erde, obwohl die unbeabsichtigte Verbindung der Schienen 12 und 13 mit Erde
als Folge von Stromverlust vorhanden ist, wie erwähnt. Der
Stromkreis des Systems 10 kann absichtlich mit einer Verbindung
zur Erde versehen werden, vorausgesetzt, sie verhindert nicht den
korrekten Betrieb des Schienenbruch-Ermittlungssystems 10. Eine
solche Erdverbindung kann vorgesehen werden entweder an der mittleren
Stelle des Leiters 16 (nahe dem Stromsensor 24)
oder an der mittleren Stelle des Leiters 18 (entfernt vom
Stromsensor 24). Allgemein wird die erstere bevorzugt,
da sie die Differenzen in den Strömen maximiert, wenn ein Bruch
in einer Schiene vorliegt.
-
In 3 ist
ein abgeändertes
Ermittlungssystem 30 dargestellt, wobei die meisten Merkmale mit
dem System 10 von 1 identisch
sind und die gleichen Bezugszeichen tragen. Das System 30 ist nur
insofern anders, als die mittlere Stelle des Leiters 18 durch
ein Kupferkabel an Erde angeschlossen ist, und daß die Stromquelle 22 durch
Kupferkabel 34 und 35 zwischen der mittleren Stelle
des Leiters 16 und Erde anliegt. Dieses System hat den
Vorteil, daß der
lange Weg des Kabels 20 nicht erforderlich ist. Das System 30 hat
den Nachteil, daß nicht
der ganze Strom von der Quelle 22 durch das Kabel 32 von
den Schienen 12 und 13 über den Leiter 18 gelangen wird,
wobei der Rest über
Verlustwege von den Schienen 12 und 13 nach Erde gelangt;
dies reduziert die Sensitivität
des Systems 3 für
Brüche,
die nahe am Leiter 18 sind. Es versteht sich, daß das System 30 nicht
optimal ist insofern, als die beabsichtigte Erdverbindung 32 sich
an dem von den Stromsensoren 24 entfernt gelegenen Ende
befindet.
-
In 4 sind
zwei Ermittlungssysteme 40 dargestellt, wobei jedes einige
Merkmale gemeinsam mit den Systemen 10 und 30 hat
(diese Merkmale sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen). Das System 40 ist
für die
Verwendung an Schienen 42 und 43 bestimmt, die
auf viele Kilometer elektrisch kontinuierlich sind. Die Schienen 42 und 43 sind
in Längsrichtung
durch elektrische Niedrigimpedanz-Anschlüsse 44 zwischen den
Schienen in Abschnitte unterteilt, abwechselnd angeordnet und an Trennungen
zwischen einem Anschluß 44 und
einem Anschluß 45 von
4 km. Eine Stromquelle 22 liegt am Mittelpunkt von jedem
elektrischen Anschluß 44 und an
Erde an; der Mittelpunkt jedes elektrischen Anschlusses 45 ist
unmittelbar in der Nähe
des Anschlusses 45 mit Erde verbunden, und Stromsensoren 24 sind
angeordnet, um die in den beiden Hälften des Anschlusses 45 fließenden Ströme zu messen. (Wie
vorher erläutert,
ist dies der bevorzugte Weg des Vorsehens einer Erdverbindung.)
Signale, welche die durch die Sensoren 24 ermittelten Ströme wiedergeben,
werden Computern 26 zugeführt, die jedem Anschluß 45 zugeordnet
sind.
-
Betrachtet
man ein Ermittlungssystem 40 isoliert, so ist dessen Betriebsweise
im wesentlichen die gleiche wie die des Systems 30 in 3,
nur mit dem Unterschied, daß die
Stromquelle 22 dazu eingerichtet ist, Ströme entlang
den Schienen 42 und 43 sowohl nach links als auch
nach rechts vom Anschluß 44 zu
senden; und daß der
Anschluß 45,
in dem die Stromsensoren 24 die Ströme überwachen, der entfernt von
der Stromquelle 22 gelegene ist.
-
Es
ist offensichtlich, daß der
Betrieb der Systeme 40 so sein muß, daß die durch Stromsensoren 24 ermittelten
Ströme
aufgrund einer der Stromquellen 22 unterscheidbar sein
müssen
von den Strömen aufgrund
der nächsten
Stromquelle 22 entlang der Linie. Bei einer Ausführungsform
wird dies erzielt durch Aktivierung der Stromquellen 22 der
Reihe nach: zum Beispiel bei einer 80-km-Länge der Linie sind zehn solcher
Systeme 40 vorhanden, so können die Stromquellen 22 der
Reihe nach betrieben werden, wobei sie Strom für ein Sechs-Sekunden-Intervall einmal
jede Minute unter Timerkontrolle liefern. In diesem Fall kann jede
Stromquelle 22 Gleichstrom, Wechselstrom oder pulsierten
Strom erzeugen, wenn auch die Frequenz vorzugsweise nicht mehr als
20 Hz beträgt
und Gleichstrombetrieb bevorzugt wird.
-
Alternativ
können
alle Stromquellen 22 kontinuierlich aktiviert und die Ströme aus den
verschiedenen Stromquellen 22 auf andere Weise unterschieden
werden. Insbesondere kann jede Stromquelle 22 eine binäre Pseudostreufolge
bei einer Bitfrequenz von etwa 1 Hz erzeugen, wobei die Stromquellen 22 so
eingerichtet sind, daß deren
binäre
Pseudostreufolgen alle unterschiedlich sind. Jeder Computer 26 müßte dann
so programmiert werden, daß er
in der Lage ist, zwei binäre
Replik-Pseudostreufolgen
zu erzeugen, die jenen durch die nächstgelegene Quelle 22 erzeugten
in jeder Richtung entlang der Linie entsprechen. Die durch jeden
Stromsensor ermittelten Signale wurden dann querkorreliert sein
(für einen
Bereich von Verzögerungswerten);
bei verzögerten
Versionen dieser beiden binären
Replik-Pseudostreufolgen entsprechen die Größen der resultierenden Korrelationsspitzen
den Stärken
des in der Schiene 42 oder 43 von der entsprechenden
Stromquelle 22 her fließenden Stromes. Betrachtet
man z.B. den Abschnitt der Linie zwischen einem Anschluß 44 und
dem nächsten
Anschluß 45 nach rechts
(wie dargestellt), so wird der Computer 26 die Signale
von den Sensoren 24 mit einer binären Replik-Pseudostreufolge,
die durch die Quelle 22 zu ihrer Linken (wie dargestellt)
erzeugt wird, in Quer-Korrelation bringen; in jedem Fall sollte
eine Spitze vorhanden sein und die Amplituden der Spitzen den Strömen entsprechen,
die entlang den Schienen 42 und 43 von der Quelle 22 nach
rechts fließen.
Wie vorher mit Bezug auf das System 10 beschrieben, überwacht
der Computer 26 die Summe der Spitzenamplituden (oder alternativ
die größere der
Spitzenamplituden), und wenn diese unter einen Grenzwert abfällt, zeigt
der Computer 26 an, daß ein
Fehler in der Stromquelle 22 aufgetreten ist. Wenn ein
Bruch in einer der Schienen vorliegt, z.B. in der Schiene 42, dann
wird der Strom in der Schiene 43 größer sein als der in der Schiene 42;
der Computer 26 überwacht
die Differenz zwischen den beiden Querkorrelations-Spitzenamplituden,
und wenn die Differenz einen Grenzwert überschreitet, zeigt der Computer
an, daß dementsprechend
ein Bruch in der Schiene 42 oder 43 vorliegt.
-
Es
versteht sich, daß die
Schienenbruch-Ermittlungssysteme 10, 30 und 40 nur
beispielsweise angegeben sind und daß Schienenbruch-Ermittlungssysteme
der Erfindung von den beschriebenen abweichen können, während sie dennoch im Schutzbereich
der vorliegenden Erfindung bleiben. Beispielsweise statt des Vorsehens
eines Kabels 20 zur Vervollständigung des Stromkreises zwischen
den Enden eines Abschnitts 14 (wie beim System 10),
an einer Linie mit zwei oder mehr Spuren kann der Stromkreis statt
dessen durch ein anderes Paar von parallelen Schienen 27 und 28 vervollständigt werden,
wie in 5 dargestellt, auf die nunmehr Bezug genommen
wird. Das System 50 von 5 hat viele Merkmale,
die mit denen im System 10 von 1 identisch
sind, wobei diese mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.
Bei dem System 50 ist die Stromquelle 22 zwischen
den Mittelpunkten der Leiter 18 angeschlossen, die die
Paare von Schienen 12, 13 und 27 jeweils
verketten. Am anderen Ende des Abschnitts 14 verbindet
ein Kabel 29 die Mittelpunkte von Leitern 16,
die die Paare von Schienen 12, 13 und 27 jeweils
verketten. Wie bei dem System 10 ermitteln in jedem Fall
die Stromsensoren 24 die Ströme in den beiden Teilen des
Leiters 16, und Computer 26 vergleichen die Stromwerke,
wie vorher beschrieben. Das System 50 ermöglicht die
Feststellung von Brüchen
in irgendeiner der Schienen 12 ,13, 27 und 28;
jedoch wird die Länge
des Abschnitts 14, über
welche es arbeiten kann, allgemein geringer sein als diejenige, über welche
das System 10 arbeiten kann.
-
Es
versteht sich, daß auf
einer Linie mit zwei oder mehr Spuren das System 40 auch
abgeändert werden
kann, um ein benachbartes Schienenpaar zur Komplettierung des elektrischen
Stromkreises zu verwenden, anstatt sich auf Erdanschlüsse zu verlassen;
die Abänderungsformen
sind im wesentlichen die gleichen wie jene in Bezug auf das System 50 beschriebenen.