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Gleisstromkreis für den selbsttätigen Strecken- und Bahnhofsblock
Beim selbsttätigen Strecken- und Bahnhofsblock ist die Durchbildung der Gleisstromkreise
von außerordentlicher Bedeutung für die Betriebssicherheit sowie auch für die Anschaffungs-
und Unterhaltungskosten. Für die Betriebssicherheit ist besonders wichtig, daß das
Gleisrelais auch noch abfällt, wenn der Widerstand, den die Zugachsen bei Besetzung
des Gleises, d. h. Kurzschluß der beiden Fahrschienen, bilden, nicht Null ist. Dieser
Widerstand kann Werte von einigen Zehntel Ohm leicht erreichen oder sogar überschreiten,
wobei der Widerstand nicht allein in der Achse zu liegen braucht, sondern sich auch
zwischen Schienenkopf und Radkranz befinden kann, z. B. in Form einer feinen Sandschicht
oder in Form von Rost. Man hat versucht, hierbei eine möglichst hohe Betriebssicherheit
zu erreichen durch die verschiedensten Mittel, z. B. durch Verwendung von Gleisrelais
mit sehr hohem Gütegrad, bei denen nur ein geringer Unterschied zwischen. Anzugs-
und Abfallstrom vorhanden ist, durch Verwendung von besonders hohen Schienenspannungen,
durch Verwendung von geschlüsselten Strömen u. dgl. Die Ergebnisse, die man hierbei
erreichen konnte, sind zwar bei gut befahrenen Strecken im allgemeinen befriedigend,
aber doch noch weiter verbesserungsbedürftig.
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Besondere Schwierigkeiten zur Erzielung eines günstigen Kurzschlußwiderstandes
bestehen auf elektrisch betriebenen Bahnen, bei denen, um die beiden Fahrschienen
zur Rückleitung des Triebstroms benutzen zu können, sogenannte Drosselstöße Verwendung
finden. Diese Drosselstöße sind für .den Blockstrom parallel zur Bettung geschaltet,
vermindern .den Gleiswiderstand für den Blückstrom, erhöhen damit die Blockstromverluste
und begrenzen den zulässigen Kurzschlußwiderstand.
Zwar kann man
diese Verluste durch entsprechende Vergrößerung des Drosselstoßes vermindern, doch
geht dies auf Kosten der Wirtschaftlichkeit, denn die Drosselstöße werden .dann
sehr teuer und für Einbau und Unterhaltung unhandlich. Da man neuerdings davon absehen
will, die vielfach auf elektrischen Bahnen verwendeten -einschienig isolierten Gleisstromkreise
zu benutzen und für alle Gleisstromkreise Drosselstöße vorschreibt, ist dies von
besonderer Bedeutung. Die bisher häufig verwendete Lösung, durch Erhöhung der Schienenspannung
denKürzschlußwiderständ zu verbessern, .ist weder bei Dampfbahnen noch bei -ele`ktrisehen
Bahnen immer durchführbar, insbesondere dann nicht, wenn die Gleisabschnitte' eine
Länge von einigen hundert Metern vder mehr haben. Dann steigen die Blockstr.omverluste
sehr stark an-Gleichzeitig wird .die maximale Länge eines Gleisstromkreise-s- entsprechend
begrenzt.
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Die Erfindung bezweckt, alle .diese Mängel in einfacher Weise zu beseitigen
und damit die Betriebssicherheit und zugleich die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen.
Sie bezweckt aber gleichzeitig, auf elektrisch betriebenen Bahnen, insbesondere
auf Wechselstrombahnen, in einfacher und zuverlässiger Weise Schutz gegen Beeinflussung
der Gleisrelais' durch den Triebstrom zu erreichen. Man hat diesen Schutz bisher
dadurch zu erreichen versucht, daß man als Blockstrom eine Frequenz verwendete,
die von der des Triebstroms oder den Oberwellen des Triebstroms, abweicht; so hat
man beispielsweise bei Triebstrom von 162/s Hz (dritte Oberwelle 5o Hz) für den
Blockstrom Frequenzen von 40 und 6o Hz verwendet. Nun hat sich herausgestellt, daß
sowohl das Triebstrom- als auch das Blockstromnetz in der Frequenz manchmal recht
beträchtlich schwanken und daß diese Schwankungen zeitweise auch im entgegengesetzten
Sinne erfolgen können, - d. h. da!ß die Triebstromfrequenz steigt, während die Blockstromfrequent
fällt. Dadurch ist -es möglich, daß zeitweise Blockstrom- und Triebstromfrequenz
bzw. die Frequenzen der Oberwellen des Triebstroms und des Blockstroms einander
ziemlich nahe kommen bzw. sich sogar überlappen, so da0 dann das auf die Blockstromfrequenz
abgestimmte Blockrelais durch den Triebstronm oder dessen Oberwellen, wenn diese
stark genug sind, anspricht. Diese Gefahr besteht besonders bei der meist vorhandenen
Triebstromfrequenz von 162/s Hz, wobei auch zwischen den einzelnen, Oberwellen nur
ein Frequenzabstand von 161/s Hz besteht. Diesen Mangel hat man zunächst dadurch
zu beseitigen versucht, daß man z. B. auf Bahnen mit Triebstrom von 162/s Hz eine
Blockstromfrequenz von 98 Hz wählte, d: h. also eine Frequenz in der Nähe
der fünften, sechsten und siebenten Oberwelle -des Triebstroms, .die im allgemeinen
nur schwach ausgeprägt sind. Nun hat sich aber gezeigt, daß bei stärker belasteten
Bahnen auch diese Oberwellen und noch höhere Oberwellen ziemlich stark im Triebstrom
vertreten sind, so daß bei Überlappung der Frequenz der Triebstromoberwe'lle mit
der ' Blockstromfrequenz keine genügende Sicherheit besteht. Um dem abzuhelfen,
hat man vorgeschlagen, den Blockstrom unmittelbar aus dem Triebstrom, am besten
durch Synchronmotoren, zu erzeugen, so daß dann die Frequenz des Blockstroms sich
im selben Takte ändert wie die Triebstromfrequenz. Wählt man nun hierbei eine Blockstromfrequenz,
die zwischen den Triebstromoberwellen liegt, so hat man eine vollkommene Betriebssicherheit.
Diese Art der Erzeugung der Blockstromfrequenz hat jedoch schwerwiegende Nachteile;
da hierbei die Freizügigkeit in der Erzeugung der Bl,cekstromfrequenz eingeschränkt
wird, und zwar in einem für das Sicherungswesen unzuträglichen Maße. Denn wenn die
Zuführung des Bahnstroms zum Blockstromumformer versagt, wäre die Sicherungsanlage
stillgelegt, was im Interesse der Betriebssicherheit vermieden werden muß, denn
man kann ja in diesem Störungsfalle von dem sonst üblichen Dieselaggregat oder der'
Anschaltung des Blockstromumformers an --ein Ortsnetz nicht Gebrauch machen, ohne
die oben. beschriebenen Mängel in Kauf zu nehmen.
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Die Erfindung beseitigt auch. diese Nachteile und besteht darin, daß
zum Betrieb der Glelsstromkreise eine Frequenz aus dem Bereich von etwa 16o bis
z5o Hz, vorzugsweise eine solche von etwa zoo Hz, verwendet wird. Sie beruht auf
der Erkenntnis, daß dabei sowohl hinsichtlich der Fremdstramsicherheit als auch
der Kurzschlußempfindlichkeit sowie insbesondere hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit
der Gleisstromkreise und damit des selbsttätigen Strecken- und Bahnhofsblocks ein
Optimum erreicht wird. Im einzelnen beruht die Erfindung auf folgenden Erkenntnissen:
Im Triebstrom ist im allgemeinen die dritte Oberwelle am stärksten ausgeprägt; aber
auch die fünfte, siebente und neunte sowie die zweite und sechste Oberwelle sind
unter gewissen Umständen noch in einer beachtlichen Stärke vorhanden, während die
zehnte Oberwelle und die höheren Oberwellen nur in einem verschwindend geringen
Maße auftreten. Bei der in Europa auf Wechselstrombahnen im allgemeinen verwendeten
Triebstromfrequenz von 162/s Hz ist also oberhalb von 15o bis 16o Hz eine Triebstromoberwelle,
wenn überhaupt, dar nur noch in ganz geringem Umfange vorhanden. Mindestens kann
ihr Einfiuß auf das Blockrelais bei entsprechender Bemessung des Gleisstromkreises
in unschädlichen Grenzen gehalten werden. Nun. sollte man zwar annehmen, ein Betrieb
des Gleisstromkreises mit etwa zoo Hz ist nicht mehr möglich wegen der in den Schienen
auftretenden hohen Blockstromverluste. Denn die Schiene selbst bietet ja dem Blockwechselstrom
einen verhältnismäßig hohen Widerstand, der schon bei 5o Hz beachtlich ist und eine
große Rolle im Aufbau des Gleisstrom'krzises spielt. Die Erfindung beruht nun einerseits
auf der Erkenntnis, daß diese Wechselstromverluste nicht linear mit der Frequenz
ansteigen, d. h. bei zoo Hz ist der Wechselstromwiderstand der Schienen nicht viermal
so gro0alsbei 5oHz, sondern nurzweieinhalb-bis dreimal
so groß.
Anderseits sind bei .derart hohen Frequenzen die Verluste im Drosselstoß sehr niedrig,
so daß also, wenn man für 5o und Zoo Hz di-e gleiche Größe des Drosselstoßes annimmt,
bei Zoo Hz -wesentlich weniger Energie über das Gleis zur Relaisanschlußstelle zu
führen ist als bei 5o Hz. Dadurch ist es möglich, mit Zoo Hz auch Gleisstromkreise
von großer Länge zu speisen, und zwar alle praktisch vorkommenden Betriebsfälle
bis zu einer Länge von etwa 2 bis 21/2 km zu erfassen und dies sogar bei verhältnismäßig
geringem Energieverbrauch.
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Das Optimum für einen solchen Gleisstromkreis ergibt sich weiter aus
der Überlegung, daß der zulässige Kurzschlußwiderstand eines Gleises um so höher
ist, je höher der Gleiswiderstand selbst ist. Der Gleiswiderstand bei Zoo Hz ist
aber wesentlich höher als bei 5o Hz, einerseits infolge des höheren Schienenwiderstandes,
anderseits infolge des wesentlich höheren Drosselstoßwiderstand-es; denn ein Drosselsstoß
gleicher Größe hat bei Zoo Hz einen etwa viermal so 'höhen Widerstand als bei 5o
Hz. Dieser Vorteil des höheren Gleiswiderstandes spielt aber auch bei Dampfgähnen,
bei denen Drosselstöße nicht verwendet werden, eine wesentliche Rolle, da ja eben
der Schienenwiderstand höher ist. Dazu kommt bei elektrisch betriebenen Bahnen,
daß die Wirtschaftlichkeit des Gleisstromkreises bei Zoo Hz dadurch beträchtlich
erhöht werden kann,, daß man die Drosselstöße wesentlich kleiner bemessen kann als
z.. B. bei 5o Hz; denn für den einwandfreien und wirtschaftlichen Betrieb eines
Gleisstromkreises ist es nicht unbedingt erforderlich, einen viermal so hohen Drosselstoßwiderstand
zu haben als bei 50 Hz. Man kann ebensogut sich mit einer geringeren Widerstandserhöhung
begnügen, erhält dann aber eine wesentlich kleinere Drosselstoßa@bmessung und trotzdem
günstige Kurzschlußv erhältnisse. Das gilt insbesondere für kurze Gleisabschnitte.
Weiter ist zu bedenken, daß man ja im allgemeinen, um mit kleinen Drosselstößen
auszukommen, Kondensatordrosselstöße verwendet, d. h. man kompensiert die
induktiven Wechselstromverluste der Drosselstöße durch Kondensatoren. Bei Verwendung
von Zoo Hz werden diese sechzehnmal kleiner als bei 5o Hz, vorausgesetzt die gleiche
Drosselstoßgröße und das gleiche Übersetzungsverhältnis im Drosselstoß in beiden
Fällen. Bei der Frequenz von 5o Hz mußte man früher ein verhältnismäßig großes Übersetzungsverhältnis,
im Drosselstoß wählen, um mit einer kleinen Kapazität auszukommen. Das bedingt aber
bei Wechselstrombahnen sehr hohe Triebstromspannungen. am Kondensator, insbesondere
bei Triebstromkurzschlüssen und einseitiger Belastung des Drosselstoßes. Bei Zoo
Hz ist es nun nicht notwendig, auf den sechzehnten Teil der Kapazität zu gehen.
Man kann hier gleichzeitig das Übersetzungsverhältnis etwas kleiner wählen, um die
höhen Triebstromspannungen am Kondensator niedriger zu halten.. Es zeigt sich also,
daß man bei Verwendung von etwa Zoo Hz ein Optimum für den Betrieb des Gleisstromkreises
erreicht.