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Gleisstromkreis für selbsttätige G.leisfreimelde- und Blockanlagen
Bei Gleisstromkreisen für selbsttätige Gleisfreimelde-und Blockanlagen ist es notwendig,
in die Speiseleitung zwischen Stromquelle und Gleisanschluß einen Schutzwiderstand
zur Begrenzung des über die Zugachsen fließenden liurzschlußstromes während der
Gleisbesetzung zu schalten. Dieser Widerstand dient gleichzeitig dazu, die Spannung
zu den Fahrschienen bei der Besetzung möglichst tief zu senken, um den Strom des
an die Schienen angeschlossenen Gleisrelais bis unter die Abfallgrenze zu vermindern,
auch wenn die Achsen die Schienen nicht vollkommen kurzschließen, sondern infolge
eines erheblichen Übergangswiderstandes noch eine gewisse Restspannung hestehenblc-ibt.
Die Wirkung eines solchen Nebenschlusses über die Achsen ist um so stärker, je größer
der Vorschaltwiderstand und somit auch die Speisespannung gewählt wird, weil dann
der erhöhte Spannungsabfall über den Schutzwiderstand infolge des zusätzlichen Achsstromes
eine stärkere Spannungssenkung an den Schienen herbeiführt. Die Vergrößerung des
Schutzwiderstandes gestattet daher, einen höheren Achswiderstand zuzulassen, um
das Gleisrelais noch sicher abfallen zu lassen. Diese Maßnahme findet jedoch bei
weiterer Erhöhung des Widerstandes bald eine Grenze in der damit verbundenen Leistungssteigerung,
die dann zu dem erreichten Nutzen in keinem erträglichen Verhältnis mehr steht.
Außerdem strebt der höchstzulässige
Achswiderstand, selbst bei
übertriebener Erhöhung der Speisespannung und des Schutzwider-Standes, einem unüberschreitbaren
Endwert zu, sofern die Schienenspannung mit Rücksicht auf die Relaisdaten, die Bettungsverhältnisse
und die Gleislänge festgelegt ist. Eine weitere Verbesserung ist dann allenfalls
nur noch durch eine vorteilhaftere Bemessung des Gleisrelais zu erzielen.
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Günstiger werden diese Widerstandswerte bei Wechselstromkreisen, wenn
statt eines Ohmschen Widerstandes eine Drosselspule oder ein Kondensator verwendet
wird. Derartige Scheinwiderstände sind bisher benutzt worden, um entweder dem Schienen-
und Relaisstrom eine bestimmte Phasenverschiebung gegenüber der Nutzspannung oder
dem Strom in der Hilfswicklung eilfies zweiphasigen Gleisrelais zu geben oder um
eine Leistungsverminderung durch Kämpensierung von Kapazitäten bzw. Induktivitäten,
z. B. bei Verwendung von Drosselstößen, zu erzielen oder schließlich, um Spannungsänderungen
zur Steuerung von Lichtsignalen mit Gleisströmen herbeizuführen. Solche Drosseln
oder Kondensatoren sind aber bisher nicht zur Erhöhung des zulässigen Achswiderstandes
verwendet worden.
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Die Erfindung bezweckt ihre Anwendung und Bemessung derart, daß sie
den überhaupt möglichen Höchstwert für den zulässigen Achswiderstand imd zugleich
annähernd den möglichen Niedrigstwert für die Wirkleistung des Gleisstromkreises
ergeben. Dies geschieht dadurch, daß der als Schutzwiderstand in die Speiseleitung
geschaltete Kondensator bzw. die Drossel so groß bemessen wird, daß die Speisespannung
um annähernd den gleichen Phasenwinkel gegenüber der Schienenspannung bei Verwendung
eines Kondensators nach- oder bei Verwendung einer Drossel voreilt, wie die Spannung
des betreffenden Schutzwiderstandes gegenüber seinem Strom. Bei Benutzung eines
verlustlosen Kondensators z. B. soll daher die Speisespannung um go° hinter der
Gleisspannung nacheilen, was den bestmöglichen Fall überhaupt darstellt. Soweit
der Speisestrom durch Ohmsche Widerstände gedämpft wird, z. B. durch einen Leitungswiderstand
oder den Spulenwiderstand einer Drossel oder des Transformators; ist auch der Phasenwinkel
zwischen Speisespannung und Schienenspannung entsprechend dem Ohmschen Widerstand
kleiner als 9o° zu wählen. Solche Ohmschen Widerstände sind jedoch so niedrig wie
möglich zu halten, um möglichst günstige Achswiderstände und Leistungen zu erhalten,
z. B. durch ein geeignetes Übersetzungsverhältnis des Gleistransformators oder großen
Drahtquerschnitt.
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Eine derartige Bemessung des Spannungsabfalls des Schutzwiderstandes
vereinigt folgende Vorteile: _. Der höchstmögliche Achswiderstand wird erreicht,
soweit er überhaupt durch geeignete Wahl des Schutzwiderstandes beeinflußbar ist.
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2. Die gesamte aus dem Netz zu entnehmende Wirkleistung. für den Gleisstromkreis
bleibt auf den Niedrigstwert beschränkt, der sich aus den Strom- und Spannungswerten
an der Speiseseite des Gleisabschnitts unmittelbar ergibt. Sie wird also durch die
besondere Bemessung des Schutzwiderstandes nicht noch vergrößert wie beim Ohmschen
Widerstand. 3. Die Leistung bei besetztem Gleis kann kleines . sein als bei freiem
Gleis, und zwar am geringsten be: vollkommenem Achskurzschluß an der Speiseseite;
falls die Speisespannung kleiner ist als die Schienenspannung.
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q.: Bei Verwendung des Kondensators kann die Gesamtleistung immer
kapazitiv gemacht werden. Sie beeinflußt daher die Phasenlage des Starkstromnetzes
günstig und trägt zur Verminderung von Spannungsschwankungen bei.
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5. Im Falle eines Kurzschlusses des Schutzwiderstandes kippt die Schienenspannung
um etwa 9o° um und bewirkt im zweiphasigen Gleisrelais eine ebensolche Drehung der
Phase des Gleisstromes. Daher verschwindet sein Anzugsdrehmoment ganz oder annähernd,
selbst wenn die Stromstärke hierbei größer werden sollte, vorausgesetzt, daß die
Ströme in den Relaiswicklungen annähernd die günstigste Phasenverschiebung gegeneinander
von 9o° im Normalzustand gehabt haben. Indem das Relais abfällt oder zurückgedreht
wird, kann diese Störung keinen betriebsgefährlichen Zustand herbeiführen und zeigt
sich selbsttätig an: 6. Schließlich bietet diese Anordnung eine einfache Möglichkeit,
auf Grund der aus dem Diagramm ermittelten oder gemessenen Spannungs- und Stromwerte
an der Speiseseite den zulässigen Achswiderstand schnell zu errechnen und daher
ohne weitere Diagrammaufzeichnung ein Bild von der Güte des Gleisstromkreises zu
gewinnen: Die gemäß der Erfindung zu bemessende Größe des Scheinwiderstandes wird
an Hand der in der Zeichnung gezeigten Diagramme für den Fall der Verwendung eines
Kondensators näher begründet. Hierin haben die einzelnen Vektorbezeichnungen die
aus der Schaltung der Fig. x ersichtliche Bedeutung. Zur Vereinfachung der Diagramme
sind Ohmsche Leitungswiderstände, Transformatorverluste u. dgl. vernachlässigt;
außerdem ist der Gleisspeisetransformator weggelassen bzw. sind sein Magnetisierungsstrom
und seine sonstigen. Strom- und Spannungsverluste bereits im Vektor des Schienenstromes
mit berücksichtigt.
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Im links drehenden Diagramm nach Fig. 2 sind die Schienenspannung
U, und der Schienenstrom J mit dem Phasenwinkel cps als feste Werte angenommen.
Sie sind im beschränkten Grade durch geeignete Wahl der elektrischen Werte auf der
Relaisseite des Gleises beeinflußbar, im wesentlichen aber vom Bettungs- und Längswiderstand
der Schienen und von der Gleislänge abhängig. Gemäß der Erfindung soll der Spannungsabfall
U, infolge des Stromes J im Kondensator C so groß gewählt werden, daß die Speisespannung
Ursenkrecht auf der Schienenspannung US steht (rechte Winkel sind durch Doppelbogen
gekennzeichnet).
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Zur Vereinfachung der Betrachtungsweise sei zunächst angenommen, daß
durch den Achskurzschluß über den Achswiderstand Ra die Spannungen und Ströme nicht
geändert werden, sondern der zusätzliche Achsstrom
(parallel zu U,) verursacht einen zusätzlichen Spannungsabfall
im Kondensator,
der eine Erhöhung der Speisespannung von U1 auf
U2 notwendig macht. In gleicher Weise, wie U, senkrecht auf J steht, ist
auch U" senkrecht zu Ja, also phasengleich mit U1 zu setzen. Da jedoch in Wirklichkeit
die Speisespannung LTl unverändert bleibt, muß man sich sämtliche Vektoren im Verhältnis
U1: U2 zusammengeschrumpft denken, um ihre wirkliche Größe zu erhalten. Hierbei
ist vorausgesetzt, daß sich in dem Gleisstromkreis keine Apparate mit veränderlichem
Widerstand, z. B. gesättigte Transformatoren, befinden. Es ist also nicht nötig,
das Diagramm noch einmal mit entsprechend verkleinerten Vektoren darzustellen. Der
Achswiderstand kann vielmehr durch Rechnung ermittelt werden, denn es ist geben.
Im Falle des rechtwinkligen Dreiecks BOA
fällt der Vektor A0 der Zusatzspannung
U" mit derr. Vektor 0A der Speisespannung U1 in die gleiche Richtung, während in
den anderen Fällen diese Vektorer stumpfe Winkel bilden.
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Angenommen, in allen Fällen würde der Achswiderstand gleich groß werden,
so müßten, da U"
und J unveränderlich sind, alle Werte für das Verhältnis
konstant sein, d. h. die Spitzen C, C, C" der Vektoren UA müßten auf
einer Geraden BC liegen, was aus der Ähnlichkeit der Dreiecke BA C,
BA'C',
BA"C" folgt. Dabei entsprechen die Vektoren 0C, 0C' und 0C" jeweils den Speisespannungen
U2. Sie sind aber kleiner, als sie nach der Beziehung
sein müßten, denn zur Erzielung des gleichen Abfallfaktors p müssen alle Werte einander
gleich sein. Die hierfür notwendige
Größe der Vektoren U2 läßt sich leicht bestimmen mit Hilfe einer Parallelen zur
Geraden AB durch den Punkt C, so daß ohne Rücksicht auf den Phasenwinkel
0D' = U2 und 0D" = Ug ' und daher das Verhältnis
Da die Dreiecke A' C' D' und A" C" D" rechtwinklig und infolgedessen
die Dreiecke OC'D' und OC"D" stumpfwinklig sind, so ist 0C' tatsächlich kleiner
als 0D' und 0C" ebenfalls kleiner als 0D". Daher ist das Spannungsverhältnis in
beiden Fällen, d. h. sowohl beim stumpfwinkligen
Dreieck BOA' als auch beim spitzwinkligen Dreieck BOA",
tatsächlich
größer und bedingt einen höheren Faktor als im Falle des rechtwinkligen Dreiecks
BOA. Demnach würde bei gleichem Achswiderstand die Spannungssenkung am Gleis
geringer und der Abfall des Gleisrelais unsicherer werden, oder es darf nur ein
geringerer Achswiderstand zugelassen werden, um wieder den gleichen Abfallwert des
Relais zu erzielen. Daraus folgt, daß der in Fig. 2 dargestellte Fall des rechten
Winkels zwischen den Spannungsvektoren U, und U1 in der Tat der günstigste ist,
sofern der Spannungsabfall des Kondensators eine Phasenverschiebung von go° gegenüber
dem Speisestrom hat.
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Falls durch den Einfluß von Ohmschen Widerständen die Phasenverschiebung
zwischen Spannung und Strom in der Speiseleitung geringer ist als go°, muß auch
der Phasenwinkel zwischen U" und U1 entsprechend kleiner gewählt werden. Es kommt
nämlich nur darauf an, zu erreichen, daß die zusätzliche Spannung U" für den Ohmschen
Achsstrom die gleiche Phasenlage wie die Speisespannung U1 erhält. Diese Bedingung
braucht allerdings nicht sehr streng eingehalten zu werden, da geringe Abweichungen
von dieser günstigsten Bemessung noch keine ins Gewicht fallende Verschlechterung
verursachen.
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Sinngemäß das gleiche, nur mit umgekehrten Winkeldrehungen, gilt für
den Fall, daß der Schienenstrom nicht, wie in Fig. 2 und 3 angenommen, induktiv,
sondern z. B. durch Verwendung eines hon-
Nun muß der durch den Achsstrom verursachte zusätzliche Spannungsabfall U" so groß
werden, daß U1 = p - U2 wird. Hierbei ist nämlich P ein Faktor, der angibt, wieviel
die Relais- oder die Schienenspannung gesenkt werden muß, damit das Gleisrelais
abfällt. Dieser Faktor P ergibt sich aus den Eigenschaften des Relais sowie aus
der Höhe seiner Betriebsspannung. Bei seiner Ermittlung ist von der größtvorkommenden
Betriebsspannung, z. B. bei günstigstem Bettungswiderstand, auszugehen und etwa
noch ein Sicherheitsfaktor für zuverlässige Unterschreitung der Abfallgrenze des
Relais zu berücksichtigen. Wenn hiernach der Faktor P festgelegt ist, so muß
U, - U,
- U1 mit dem gleichen Winkel (p, zu ersehen ist. Demnach ist
der zulässige Achswiderstand, abgesehen vom Faktor q, bereits durch die vorhandenen
elektrischen Werte des eigentlichen Gleisstromkreises bestimmt und,vom Zahlenwert
des Kondensators unabhängig, solange die Bedingung des rechtwinkligen Spannungsdreiecks
erfüllt ist.
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Es kann nachgewiesen werden, daß dieser Wert für Ra tatsächlich der
größtmögliche ist und daß für jede andere Lage der Vektoren der zusätzliche Achswiderstand
kleinere Werte annimmt. Hierzu dient Fig. 3. Hierin sind verschieden lange Vektoren
BA, BA', BA"
als Spannungen U, am Kondensator eingetragen, aus denen sich
die Vekforen 0A, 0A', 0A" für die Speisespannung TU, mit verschiedenen Phasenwinkeln
erdensators
auf der Relaisseite kapazitiv ist, also der Schienenspannung
voreilt. Als Schutzwiderstand muß dann statt des Kondensators eine Drossel gewählt
werden, um wiederum ein annähernd rechtwinkliges Vektorendreieck bzw. die Gleichphasigkeit
der Zusatzspannung U" mit der Speisespannung U1 zu erreichen.
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Von Bedeutung ist noch die Phasenverschiebung zwischen den Speisespannungen
U1 und U2 des Vektorendiagramms nach Fig. 3, wenn- die günstigste Steuerung der
Vektoren von go° nicht eingehalten wird. Da in Wirklichkeit die Speisespannung unverändert
bleibt, würde beim Achskurzschluß nicht nur eine Verminderung aller übrigen Vektoren;
sondern auch eine Drehung eintreten, die schließlich auch das Drehmoment des zweiphasigen
Gleisrelais beeinflußt. Es hängt dann von der Phasenlage des Hilfsstroms ab, ob
diese Phasenverschiebung eine Vergrößerung oder Verkleinerung des Drehmomentes bewirkt.
Diese Verhältnisse sind schwer zu übersehen. Demgegenüber hat die Bemessung des
Kondensators oder der Drosselspüle nach der Erfindung den Vorteil, daß eine solche
Phasenänderung vermieden wird und dadurch eine bessere Übersicht über die tatsächlichen
Zustandsänderungen bei der Gleisbesetzung gewonnen wird.
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Die Vorzüge der Anordnung mit Kondensator oder Drossel werden ersichtlich
aus einem Vergleich mit einem Ohmschen Schutzwiderstand. Dies geht aus dem Vektordiagramm
der Fig. ¢ hervor. Hierin ist Ur der Spannungsabfall am Schutzwiderstand,
der mit dem Strom J in Phase liegt. Diese Spannung ersetzt die Spannung U,. des
Kondensators. Der zulässige Achswiderstand läßt sich dann nach der Formel berechnen
Hierbei gibt das Größenverhältnis der Speisespannung
zum Spannungsabfall des Widerstandes an. Dieser Faktor n ist immer und in jeder
beliebigen Phasenlage des Stromes j größer als i. Da aber in der Formel für Ra beim
Kondensator bzw. bei der Drossel dieser Faktor n durch den Wert cos p" zum Ausdruck
kommt, der immer kleiner als i bleibt, so..ist der zulässige Achswiderstand bei
einem Ohmschen Schutzwiderstand grundsätzlich kleiner als bei einer Kapazität oder
Induktivität. Der Unterschied der Werte in beiden Schaltungen ist zwar um so kleiner,
je größer man den Ohmschen Schutzwiderstand und somit auch die Schienenspannung
U$ wählt; was aber beim Ohmschen Widerstand als theoretischer Höchstwert angesehen
werden kann, nämlich bei n = i, d. h. bei unendlich hoher Spannung
und Leistung, das ist bei Verwendung eines Kondensators oder einer Drossel der Niedrigstwert,
der vorkommen kann bei cos cp8 = _; falls nämlich Schienenspannung und Speisestrom
in Phase liegen sollten. Während hier ohne Schwierigkeit höhere Werte für den Achskurzschluß
und kleinere Werte für die Leistung erreicht werden, bleibt beim Ohmschen Widerstand
der zulässige Achswiderstand immer unter diesem Grenzwert und kann ihm nur mit erheblichem
Leistungsaufwand angenähert werden. Gleichzeitig hat der Ohmsche Widerstand noch
den weiteren Nachteil, daß diese Leistung bei der Gleisbesetzung weiter ansteigt,
und zwar am meisten bei vollkommenem Achskurzschluß im Verhältnis Ul : Ur = n.
Dagegen haben Kondensator und Drossel den Vorteil, daß diese Kurzschlußleistung
im Verhältnis -
sinkt.