EP3074998B1 - Erdungsschalter für bahnstromanlagen und verfahren zum erden eines teils einer bahnstromanlage mittels eines erdungsschalters - Google Patents

Erdungsschalter für bahnstromanlagen und verfahren zum erden eines teils einer bahnstromanlage mittels eines erdungsschalters Download PDF

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EP3074998B1
EP3074998B1 EP15700853.3A EP15700853A EP3074998B1 EP 3074998 B1 EP3074998 B1 EP 3074998B1 EP 15700853 A EP15700853 A EP 15700853A EP 3074998 B1 EP3074998 B1 EP 3074998B1
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EP
European Patent Office
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power supply
supply system
traction power
contact
ignition
Prior art date
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EP15700853.3A
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Andre DÖLLING
Sonja Leistner
Philippe Leray
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Siemens Mobility GmbH
Original Assignee
Siemens Mobility GmbH
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Publication date
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
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    • H01H31/003—Earthing switches
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    • H01H31/00—Air-break switches for high tension without arc-extinguishing or arc-preventing means
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    • H01H31/28—Air-break switches for high tension without arc-extinguishing or arc-preventing means with movable contact that remains electrically connected to one line in open position of switch with angularly-movable contact
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    • H01H33/04—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H33/045—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts for arcs formed during closing
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    • H01H33/04—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H33/12—Auxiliary contacts on to which the arc is transferred from the main contacts
    • H01H33/121—Load break switches
    • H01H33/125—Load break switches comprising a separate circuit breaker

Definitions

  • Earthing switch 8WL6144-1A for AC 25 kV traction current systems Siemens AG known from "Product Information / Version 1.2.0 / No. A6Z00029955871” from 2013 on page 3 , is a grounding switch for railway power plants having a first main contact and a movable second main contact, wherein the movable second main contact for producing an air gap from the first main contact is movable away.
  • the earthing switches themselves are differentiated according to the standard with regard to their short-circuit breaking category.
  • the earthing switch 8WL6144-1A is a grounding switch, which is only closed by design and thus produces a grounded condition, if the catenary was previously switched off, secured against reconnection and checked for absence of voltage. These measures prevent the earthing switch from switching to a short circuit - which would damage or destroy it.
  • Earthing switches which are used for AC and DC traction power supply and are to be connected to a live catenary, must, in contrast to the known 8WL6144-1A earthing switch, be short-circuit proof. These switches are characterized today primarily by the fact that the switching blade enters the contact at a high speed and thus takes place in connection with the pre-ignition an entry into the contact at low instantaneous value of the current. Examples are z. B. switches of the series FES 3-20-1 B Fa. Driescher.
  • the object of the invention is to provide a suitable for a multiple short-circuit closing earthing switch in a railway power plant, which can be produced inexpensively.
  • the earthing switch is comparatively simple in design, uses the same platform concept for existing disconnectors and earthing switches and is inexpensive to manufacture. In operation, the earthing switch is particularly low maintenance because it is not damaged or destroyed during a short-circuit closing (in emergency situations).
  • the pre-ignition arrangement is arranged above the main contacts. This is advantageous because a protection of the main contacts is ensured because the main contacts are not in the range of thermal buoyancy of the arc column occurring. This ensures via the minimum principle of the arc, that its bases always on the appropriate, provided for this purpose tips Vorzeündan ever.
  • the pre-ignition arrangement has a pre-ignition device for each main contact.
  • Another advantage is that when replacing the Abbrandmaschine no readjustment of the entire Vorzündanowski must be done, which saves time and costs in maintenance. Furthermore, the technical availability of the catenary system is increased.
  • This material is powder metallurgically by reaction times;
  • CEP DISCOP high-performance copper materials from Compound Extrusion Products GmbH in Freiberg are known (application brochure 09/09).
  • the use of this refractory material is advantageous because it reduces the frequency of maintenance of the consumable elements.
  • the subject of the present invention is a method for grounding a part of a traction current system by means of a grounding switch according to one of the preceding claims, comprising the steps according to claim 12.
  • the same advantages arise analogously to the method according to the invention as described above for the earthing switch according to the invention.
  • FIG. 1a is the earthing switch 1 is open, so that an air gap between the main contacts 3,4 and the Vorzünd Anlagennern 5.6 is formed.
  • the earthing switch 1 is turned off in this state.
  • An existing arc typically causes an associated circuit breaker (not shown) to detect the short circuit and quickly shut down.
  • an existing arc between the pre-ignition 5.6 is already deleted before the earthing switch 1 in Figure 1c shown closed state of the main contacts 3,4 reached.
  • An induced by the arc wear is So to expect only in the field of Vorzünd Anlagenner 5.6, so that after a multiple stress by Kurz practitionerscigenen the earthing switch 1, only the Vorzünd Anlagenner must be replaced, which can be comparatively inexpensive and fast.
  • One of the substations 35 has a data processing center 15 and is set up to exchange measurement data on the state of the electric traction current network and of the feed sections with the other substations 4 via communication lines 33.
  • the earthing switch 39 according to the invention offers a comparatively simply constructed solution which is inexpensive to manufacture and requires little maintenance.

Landscapes

  • Gas-Insulated Switchgears (AREA)
  • Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)
  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)

Description

  • Erdungsschalter sind spezielle Schaltgeräte, die im einfachsten Fall eine elektrische Leitung mit Erde verbinden und damit einen sicheren Zustand herstellen. In Fahrleitungsnetzen werden Erdungsschalter hauptsächlich in Hallen und Werken und automatisierten Erdungsanlagen für Tunnelrettung eingesetzt. Ein System zur automatisierten Erdung ist beispielsweise aus dem "Lastenheft Automatische Erdungseinrichtung (AEE)" der SBB CFF FFS vom 18.04.2012 auf Seite 5 bekannt. Ein weiteres System zur automatisierten Erdung ist mit Sicat AES aus dem Zeitschriftenartikel "Fahrleitungserdung - automatisiert mit Sicat AES", erschienen in "Elektrische Bahnen Sonderdruck S3/2013", bekannt.
  • Es ist aus der Produktbeschreibung des Freiluft-Lasttrennschalters der FLaV 25-2000-16-1B und 2B Serie, auf Seite 9 der "Betriebs-, Montage- und Wartungsanleitung für Driescher Freiluft Schaltgeräte für Bahnanlagen" mit der Bestellnummer 3-811201068.05-04 von Elektrotechnische Werke Fritz Driescher & Söhne GmbH, 85366 Moosburg, bekannt, bei Lasttrennschaltern so genannte Vorzündhörner einzusetzen, um die KurzschlussEinschaltfestigkeit zu verbessern. Aus Abb. 11 auf S. 12 der gleichen Produktbeschreibung geht-hervor, dass die Vorzündhörner mit einer besonders temperaturstabilen Spitze ausgestattet sind. Solche temperaturbeständigen Spitzen weisen einen besonders geringen Verschleiß im Betrieb auf und verringern somit Wartungs- und Instandsetzungskosten. Die temperurstabilen Spitzen sind im Stand der Technik allgemein bekannt und werden häufig aus Wolframlegierungen hergestellt und auf die aus Kupfer gefertigten Vorzündhörner geschweißt.
  • Der Erdungsschalter 8WL6144-1A für AC 25 kV Bahnstromsysteme der Siemens AG, bekannt aus "Produktinformation / Version 1.2.0 / Nr. A6Z00029955871" von 2013 auf Seite 3, ist ein Erdungsschalter für Bahnstromanlagen mit einem ersten Hauptkontakt und einem bewegbaren zweiten Hauptkontakt, wobei der bewegbare zweite Hauptkontakt zur Herstellung einer Luftstrecke von dem ersten Hauptkontakt weg bewegbar ist. Die Erdungsschalter selbst unterscheidet man nach Norm hinsichtlich ihrer Kurzschlusseinschaltkategorie. Der genannte Erdungsschalter 8WL6144-1A ist dabei ein Erdungsschalter, der von der Auslegung her nur dann geschlossen wird und somit einen geerdeten Zustand hergestellt, wenn zuvor die Fahrleitung abgeschaltet, gegen Wiedereinschalten gesichert und auf Spannungsfreiheit geprüft wurde. Durch diese Maßnahmen wird vermieden, dass der Erdungsschalter auf einen Kurzschluss schaltet - wodurch er beschädigt oder zerstört werden würde.
  • Es ist weiterhin aus der gleichen Produktinformation der Trennschalter der Baureihe SICAT 8WL6144 der Siemens AG bekannt, bei dem aus Kupfer hergestellte Lichtbogenhörner vorgesehen sind. Im relativ aufwändigen Magna-Flash-Schweißverfahren werden Abbrandelemente aus einer Wolframkupferlegierung angeschweißt. Die stumpf auf die Lichtbogenhörner angeschweißten Abbrandelemente müssen bei Erodierung des Materials im Zuge einer Wartung ersetzt werden. Dabei werden die gesamten Lichtbogenhörner getauscht und neu ausgerichtet, damit die vorgesehene Schaltlichtbogenlöschung sichergestellt ist.
  • Erdungsschalter, die für AC und DC-Bahnstromversorgung angewendet werden und auf eine unter Spannung stehende Fahrleitung zugeschaltet werden sollen, müssen im Gegensatz zum bekannten Erdungsschalter 8WL6144-1A Einschaltkurzschlussfest sein. Diese Schalter zeichnen sich heute primär dadurch aus, dass das Schaltmesser mit einer hohen Geschwindigkeit in den Kontakt einläuft und somit in Verbindung mit dem Vorzünden ein Einlauf in den Kontakt bei geringem Momentanwert des Stromes erfolgt. Beispiele dafür sind z. B. Schalter der Serie FES 3-20-1 B der Fa. Driescher.
  • Der schnelle Einlauf bzw. das schnelle Schließen der Hauptkontakte ergibt sich dem bekannten Effekt des Stromanstiegs, weil der Schließvorgang im Zeitbereich des unteren Bereichs des Stromanstiegs bleiben muss, um nicht über die Stromkräfte am Einlauf des Schaltmessers behindert zu werden. Die genannten Schalter sind jedoch im Vergleich zur Schalterserie 8WL6144-1 der Siemens AG durch die höheren Anforderungen vergleichsweise robuster gebaut und somit teurer. Obwohl heute die Spannungsprüfung gemäß den fünf Sicherheitsregeln nach EN 50110 zum Standard vor dem Einlegen des Erdungsschalters zählt, werden dennoch Erdungsschalter der höheren Kategorie mit Kurzschlusseinschaltvermögen gefordert (z.B. AEE der Schweizer Bundesbahn). Das wird damit begründet, dass in Fällen einer Notabschaltung keine Zeit für eine Spannungsprüfung wäre und binnen weniger Sekunden ein sicherer Zustand hergestellt werden muss. Andere Gründe könnten Fehlbedienungen sein.
  • Dabei wird vergessen, dass ein Erdungsschalter zwar den Kurzschluss auslöst und ihn anschließend auch trägt, aber dieser Erdungsschalter nur dann dieser Belastung standhält, wenn der speisende Leistungsschalter über dessen Kurzschlusserkennung die Spannung und damit den Kurzschlussstrom im Unterwerk oder den Unterwerken abschaltet.
  • Weiterhin sind Erdungsschalter aus der CH 536 023 A , DE 199 49 493 A1 und Trennschalter aus der EP 0 072 771 A1 bekannt.
  • Ausgehend vom bekannten Erdungsschalter für Bahnstromanlagen des Typs 8WL6144-1A stellt sich für die Erfindung die Aufgabe, einen für eine mehrmalige Kurzschlusseinschaltung geeigneten Erdungsschalter in einer Bahnstromanlage bereit zu stellen, der sich kostengünstig herstellen lässt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Bahnstromanlage nach Anspruch 1 gelöst.
  • Es ist ein Vorteil der Erfindung, dass die Funktionalität des Erdungsschalters im Vergleich zu herkömmlichen Erdungsschaltern erweitert wird, weil die Kurzschlusseinschaltfestigkeit des erfindungsgemäßen Erdungsschalters erheblich gesteigert ist. Dies wird erreicht, weil der Kurzschluss nicht über die Hauptkontakte gezündet wird, was die Lebensdauer der Hauptkontakte verlängert und gleichzeitig eine relative Unversehrtheit und damit verbunden eine relative Wartungsarmut der Hauptkontakte sicherstellt. Die Stromübernahme über die Vorzündanordnung während der Schließbewegung/Einschaltbewegung stellt sicher, dass die Vorzündanordnung als "Opferelement" den Kurzschluss auslöst. Die Vorzündanordnung kann abhängig vom Verschleiß einfach wieder instandgesetzt werden, was im Hinblick auf Betrieb und Wartung des Erdungsschalters Kostenvorteile bietet.
  • Dabei ist der Erdungsschalter vergleichsweise einfach konstruiert, setzt auf dem gleichen Plattformkonzept bestehender Trenn- und Erdungsschalter auf und ist preisgünstig herzustellen. Im Betrieb ist der Erdungsschalter, weil er bei einer Kurzschlusseinschaltung (in Notsituationen) nicht beschädigt oder zerstört wird, besonders wartungsarm.
  • Der erfindungsgemäße Erdungsschalter ist für Anwendungen sowohl im Gleichspannungs- als auch im Wechselspannungsbetrieb geeignet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Erdungsschalters ist die Vorzündanordnung oberhalb der Hauptkontakte angeordnet. Dies ist vorteilhaft, weil eine Schonung der Hauptkontakte gewährleistet ist, da die Hauptkontakte nicht im Bereich des thermischen Auftriebs der auftretenden Lichtbogensäule liegen. Damit ist über das Minimalprinzip des Lichtbogens sichergestellt, dass sich dessen Fußpunkte immer auf den entsprechenden, dafür vorgesehenen Spitzen der Vorzündanordnung befinden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Erdungsschalters weist die Vorzündanordnung für jeden Hauptkontakt eine Vorzündeinrichtung auf.
  • Die Vorzündeinrichtungen berühren sich dabei nicht, sondern sind derart konstruktiv ausgelegt, dass ein Zünden durch Überschreiten einer kritischen Feldstärke sicher erfolgt und zur Ausbildung eins Lichtbogens führt. Der Abstand zwischen den Vorzündeinrichtungen wird in Abhängigkeit vom Spannungssystem und der Nennspannung gewählt. Diese Ausgestaltung der Vorzündanordnung ist vorteilhaft, weil entsprechender Verschleiß durch Lichtbogenbildung im Bereich beider Hauptkontakte jeweils nur an den dafür vorgesehenen Vorzündeinrichtungen auftritt.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Erdungsschalters sind die Vorzündeinrichtungen als Vorzündhörner ausgebildet. Dies ist vorteilhaft, weil Vorzündhörner nur für das Kurzschlusseinschalten konzipiert und ausgelegt werden. Damit sind Vorzündhörner für die einwirkenden Belastungen bestens ausgestaltet und besonders für die Anwendung an Erdungsschaltern geeignet.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform sind die Vorzündhörner im Wesentlichen in horizontaler Ausrichtung angebracht und dem jeweiligen Hauptkontakt zugeordnet. Dies ist ein Vorteil, weil auf diese Weise entstehende Lichtbögen ausschließlich im Bereich der Vorzündhörner entstehen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Erdungsschalters sind die Vorzündeinrichtungen als Lichtbogenhörner ausgebildet.
  • Dies ist ein Vorteil, weil Lichtbogenhörner aus der Verwendung bei Trennschaltern, die gleichzeitig eine hohe Ausschaltstrombelastbarkeit aufweisen sollen, lange bekannt und erprobt sind. Die Verwendung von Lichtbogenhörnern ist insbesondere dann sinnvoll, wenn für Lasttrennschalter auch eine Kurzschlusseinschaltfestigkeit gefordert wird. Eine hohe Ausschaltstrombelastbarkeit können im Vergleich die Vorzündhörner nicht leisten, so dass diese Ausführungsform besonders für Erdungsschalter mit besonders hoher Kurzschlussfestigkeit geeignet ist.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Erdungsschalters sind die Lichtbogenhörner im Wesentlichen in vertikaler Ausrichtung angebracht und dem jeweiligen Hauptkontakt zugeordnet. Dies ist ein Vorteil, weil dadurch Lichtbögen ausschließlich im Bereich der Lichtbogenhörner entstehen. Diese Lichtbögen werden durch den thermischen Auftrieb nach oben entlang der Lichtbogenhörner getrieben und gelangen schließlich zu den Enden der Lichtbogenhörner, die für den Verschleiß vorgesehen sind.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Erdungsschalters ist der Erdungsschalter geeignet, mehrfach eine Kurzschlusseinschaltung vorzunehmen. Ein erfindungsgemäßer Erdungsschalter verträgt einmaliges oder mehrmaliges Einschalten eines Kurzschlusses, was ein Vorteil gegenüber bekannten Erdungsschaltern ist, die durch eine Kurzschlusseinschaltung i.d.R. beschädigt werden. Der erfindungsgemäße Erdungsschalter ist daher besonders wartungsarm und kurzschlusssicher.
  • Erfindungsgemäß ist die Einschaltgeschwindigkeit des Erdungsschalters derart gewählt, dass ein Kurzschluss mit Lichtbogenbildung an der Vorzündanordnung mittels eines im Bahnstromnetz dem Erdungsschalter zugeordneten Leistungsschalters erkennbar und abschaltbar ist, bevor sich die Hauptkontakte des Erdungsschalters berühren. Anstatt eines Leistungsschalters kann auch ein so genannter Schnellschalter verwendet werden.
  • Erzielt wird dieser Effekt dadurch, dass in einem Bahnstromnetz vorhandene Leistungsschalter einen Kurzschluss - wie er bei Entstehung eines Lichtbogens an der Vorzündanordnung vorliegt - erkennen können. Die Leistungsschalter würden dann den Kurzschluss entsprechend unterbrechen, so dass beim Schließen der Hauptkontakte bereits der Lichtbogen gelöscht und die Hauptkontakte stromfrei sind. Leistungsschalter und auch spezielle Schnellschalter sind im Allgemeinen in der Lage, eine Schutzauslöse- und Stromabschaltzeit von typischerweise weniger als 100 ms einzuhalten. Eine Strombelastung der Hauptkontakte des Erdungsschalters würde folglich nur im Falle eines Schaltversagens der speisenden Leistungsschalter auftreten. Tritt ein Schaltversagen eines Leistungsschalters ein, so greift ein Reserveschutz. Das führt in den Unterwerken in der Regel zu einem Auslösen des Leistungsschalters auf der Eingangsseite. Dessen Schalteigenzeiten betragen zwar nur 20 ms, jedoch können sich durch weitere Verarbeitungs- bzw. Mitnahmezeiten die Gesamtstromflussdauer verlängern. Diese Fehler sind für ein an sich bereits unwahrscheinliches Ereignis einer Kurzschlusseinschaltung durch die Erdungsschalter mit einer äußerst geringen Wahrscheinlichkeit anzusetzen und spielen im Alltagsbetrieb kaum eine Rolle.
  • Im Gleichspannungsbereich liegen Abschaltzeiten für hohe Kurzschlussströme von zum Beispiel mehr als 20 kA im Bereich von 20 bis 30 ms. Häufig werden sogar Ströme binnen weniger als 20 ms abgeschaltet.
  • Auch im Wechselspannungsbereich spricht man heute bei einer Schnellabschaltung für hohe Kurzschlussströme über Abschaltzeiten im Bereich von 20 bis 60 ms bei einer mittleren Ausschaltdauer von 40 ms.
  • Die Abschaltzeit eines speisenden Leistungsschalters hängt neben der Stromamplitude selbst auch von der Stromflussrichtung, Stromanstieg und der gemessenen Schleifenimpedanz ab. Diese zusätzlichen Messwertverarbeitungsalgorithmen werden jedoch nur für geringere Amplituden wirksam. Anderenfalls würde der Kurzschluss mit hohen Amplituden größere Schäden anrichten. Ziel der Impedanzmessungen ist die sichere Kurzschlussdetektion in der gesamten zugehörigen Schaltgruppe auch für geringere Kurzschlussströme und Unterscheidbarkeit von hohen Betriebsströmen. Diese Impedanzstufen bringen in der Regel zw. 20 und 30 ms Verzögerungszeit mit sich, so dass die Kurzschlussstromflussdauer bis max. 100 ms betragen kann (20 ms bis 60 ms + 30 ms).
  • Aus dieser einfachen Überschlagsrechnung ergibt sich vorgenannte Abschätzung von weniger als 100 ms Abschaltzeit eines Leistungsschalters.
  • Der Erdungsschalter ist daher darauf ausgelegt, dass seine Schließgeschwindigkeit vergleichsweise so langsam ist, dass ein entsprechender Lichtbogen bereits sicher durch einen Leistungsschalter abgeschaltet ist, bevor sich die Hauptkontakte schließen. Ein Schließen der Hauptkontakte wird nach etwa 200 bis 250 ms erreicht. Wesentlich ist folglich die Kombination der Eigenschaften des erfindungsgemäßen Erdungsschalters mit den Eigenschaften gängiger Leistungsschalter. Somit ist beim erfindungsgemäßen Erdungsschalter durch eine einfache konstruktive Lösung gegenüber bisherigen Erdungsschaltern eine einfachere und kostengünstigere Lösung für Anwendungen eines Erdungsschalters mit Kurzschlusseinschaltung ermöglicht. Ein weiterer Vorteil dieser Konstruktion ist es, vom Antrieb her vergleichsweise einfach aufgebaut zu sein, weil insbesondere keine Sprungschaltfunktion des Erdungsschalters auf Basis von Federspeicherantrieben benötigt wird, um den Schließvorgang der Hauptkontakte zu beschleunigen und somit die Belastung durch einen auftretenden Lichtbogen zu verringern.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Erdungsschalters weist die Vorzündanordnung lösbar anbringbare Abbrandelemente auf.
  • Dies ist ein Vorteil, weil die Abbrandelemente an einer Vorzündanordnung angebracht und leicht ausgetauscht werden können, ohne dass entsprechende Lichtbogenhörner der Vorzündanordnung ausgetauscht werden müssen. Hierdurch sinken sowohl in der Fertigung der Abbrandelemente als auch in der Wartung der Vorzündanordnung Kosten, da nun nur die Abbrandelemente ausgetauscht werden müssen.
  • Ein weiterer Vorteil ist es, dass beim Austausch der Abbrandelemente keine Neujustierung der kompletten Vorzündanordnung erfolgen muss, was Zeit und Kosten in der Wartung einspart. Des Weiteren wird die technische Verfügbarkeit des Fahrleitungssystems erhöht.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform weisen die Abbrandelemente ein Innengewinde auf und können nach Art einer Schraubverbindung an der Vorzündanordnung angebracht werden können. Eine solche Schraubverbindung ist dadurch vorteilhaft, dass durch die Verschraubung einerseits eine langfristig sichere Arretierung des Abbrandelements an der Vorzündanordnung gewährleistet wird und andererseits das Abbrandelement leicht ausgetauscht werden kann.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Erdungsschalters ist die Länge der Abbrandelemente entsprechend einer erwarteten Kurzschlusseinschalthäufigkeit des Erdungsschalters bemessen. Dies ist ein Vorteil, weil so abhängig von Kunden- oder Projektanforderungen in Bezug auf die Schalthäufigkeit der Vorzündanordnung ein Abbrandelement geeigneter Länge gewählt werden kann, um beispielsweise ein vorgegebenes Wartungsintervall auch bei starker Beanspruchung der Abbrandelemente ohne zusätzliche Wartung einzuhalten.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Erdungsschalters umfassen die Abbrandelemente als Material einen dispersionsverfestigten Kupferwerkstoff. Dies ist ein Vorteil, weil so das Ausschalten von Betriebsströmen optimiert werden kann. Die Abbrandelemnte aus dispersionsverfestigten Kupferwerkstoff weisen gegenüber reinem Kupfer eine höhere Temperatur- und damit Lichtbogenbeständigkeit auf, was zu einer längeren Nutzbarkeit der der Vorzündanordnung ohne Wartungsaufwendungen führt. Ein weiterer Vorteil ist es, das die Abbrandelemente aus dispersionsverfestigten Kupferwerkstoff im Vergleich zu bekannten Spitzen aus Wolfram außerdem preislich deutlich günstiger im Einkauf sind.
  • Die Herstellung dieses Materials erfolgt pulvermetallurgisch durch Reaktionsmalen; bekannt sind beispielsweise CEP DISCOP Hochleistungs-Kupferwerkstoffe der Compound Extrusion Products GmbH in Freiberg (Anwendungsbroschüre 09/09). Die Verwendung dieses hitzebeständigen Materials ist vorteilhaft, weil es die Wartungshäufigkeit für die Abbrandelemente verringert.
  • Die Verwendung von dispersionsverfestigtem Kupferwerkstoff ist weiterhin dadurch vorteilhaft, dass sich dieser durch eine hohe Verschleißfestigkeit und eine hohe Temperaturbeständigkeit auszeichnet. Beispiele für einen hitzebeständigen Kupferwerkstoff sind dispersionsverfestigte Kupferwerkstoffe, die insbesondere eine wesentlich verringerte Härte bei 20°C nach Abkühlung nur dann aufweisen, wenn der dispersionsverfestigte Kupferwerkstoff zuvor 1 Stunde auf über 800°C erhitzt wurde. Ein solcher dispersionsverfestigter Kupferwerkstoff mit einer besonders hohen Hitzebeständigkeit ist beispielsweise von den Legierungen CEP DISCOP C3/11 und C3/80 der Compound Extrusion Products GmbH in Freiburg bekannt (Anwendungsbroschüre 09/09).
  • Dabei ist der dispersionsverfestigte Kupferwerkstoff für eine spanende Bearbeitung geeignet. Dies ist ein Vorteil, weil solche dispersionsverfestigten Kupferwerkstoffe hervorragend bearbeitbar sind und mit kurzer und gleichmäßiger Spanbildung spanend ausgeformt werden können. Bekannte Wolframkupfermaterialien können im Vergleich dazu aufgrund ihrer Härte nicht spanend bearbeitet werden. Die spanende Bearbeitbarkeit der dispersionsverfestigten Kupferwerkstoffe gestattet beispielsweise im Herstellungsprozess das Ausbilden eines Hohlraumes und ggf. eines Innengewindes, um das Abbrandelement später lösbar anbringen zu können.
  • Ferner ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Erden eines Teils einer Bahnstromanlage mittels eines Erdungsschalters nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend die Schritte gemäß Patentanspruch 12. Es ergeben sich für das erfindungsgemäße Verfahren sinngemäß die gleichen Vorteile wie eingangs für den erfindungsgemäßen Erdungsschalter beschrieben.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren schematisch dargestellt, dabei zeigt
    • Figur 1
    eine erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Erdungsschalters zu verschiedenen Zeitpunkten des Einschaltvorgangs und
    Figur 2
    ein Beispiel für eine Bahnstromanlage mit Leistungs- und Erdungsschaltern.
  • In der Figur 1 ist ein Erdungsschalter 1 für Bahnstromanlagen mit einem ersten Hauptkontakt 3 und einem bewegbaren zweiten Hauptkontakt 4 dargestellt. Der Hauptkontakt 3 ist an einer Stange 9 von einer Grundplatte 8 des Erdungsschalters 1 beabstandet. Oberhalb des ersten Hauptkontakts 3 ist ein Vorzündhorn 5 angeordnet, das in einer im Wesentlichen horizontalen Ausrichtung zum zweiten Hauptkontakt 4 hin zeigt. Der bewegbare zweite Hauptkontakt 4 ist an einer zweiten Stange 11 mit einem Isolatorelement 7 angeordnet und kann zur Herstellung einer Luftstrecke von dem ersten Hauptkontakt 3 weg bewegt werden, indem er über ein Kippgelenk 10 abgekippt wird. Die Kippbewegung wird dabei über einen nicht gezeigten Antrieb ausgeführt, der an einem Hebel 11 an die zweite Stange 11 angreift. Oberhalb des zweiten Hauptkontakts 4 ist ein Vorzündhorn 5 angeordnet, das in einer im Wesentlichen horizontalen Ausrichtung zum ersten Hauptkontakt 3 hin zeigt. Die beiden Vorzündhörner 5,6 bilden gemeinsam die Vorzündanordnung 5,6 des Erdungsschalters 1.
  • In Figur 1a ist der Erdungsschalter 1 geöffnet, so dass eine Luftstrecke zwischen den Hauptkontakten 3,4 und den Vorzündhörnern 5,6 gebildet ist. Der Erdungsschalter 1 ist in diesem Zustand ausgeschaltet.
  • In Figur 1b ist der Erdungsschalter 1 zu einem Zeitpunkt während des Schließvorgangs dargestellt, so dass die Luftstrecke zwischen den Hauptkontakten 3,4 und den Vorzündhörnern 5,6 bereits deutlich verkürzt ist. Die Hauptkontakte 3,4 sind noch getrennt, aber die Vorzündhörner 5,6 kommen sich bereits so nahe, dass im Kurzschlussfall ein Lichtbogen zwischen ihnen gebildet wird. Der dargestellte Zustand mit Lichtbogenbildung ist typischerweise 100 ms nach dem Beginn des Schließvorgangs angesiedelt.
  • Ein bestehender Lichtbogen führt in der Regel dazu, dass ein zugeordneter Leistungsschalter (nicht gezeigt) den Kurzschluss erkennt und rasch abschaltet. Auf diese Weise wird ein bestehender Lichtbogen zwischen den Vorzündhörnern 5,6 schon gelöscht, bevor der Erdungsschalter 1 den in Figur 1c gezeigten geschlossenen Zustand der Hauptkontakte 3,4 erreicht. Ein durch den Lichtbogen ausgelöster Verschleiß ist also nur im Bereich der Vorzündhörner 5,6 zu erwarten, so dass nach einer mehrfachen Beanspruchung durch Kurzschlusseinschaltungen des Erdungsschalters 1 auch nur die Vorzündhörner ausgetauscht werden müssen, was vergleichsweise kostengünstig und schnell durchgeführt werden kann.
  • Die Figur 2 zeigt eine Bahnstromanlage 20 mit einer ersten Fahrleitung 21, die einem ersten Gleis zugeordnet ist, und einer zweiten Fahrleitung 22, die einem zweiten Gleis zugeordnet ist. Die Bahnstrecke ist somit beidseitig befahrbar. Die beiden Fahrleitungen 20,21 werden jeweils Abschnittsweise von einer Unterstation 34 gespeist, die jeweils Leistungs- oder Schnellschalter 36 zur Speisung eines Speiseabschnitts einer Fahrleitung aufweisen. Zwischen Leistungs- oder Schnellschalter 36 und Fahrleitung 21,22 sind jeweils Trennschalter 37 geschaltet; dabei kommen beispielsweise Trennschalter des Typs 8WL8134-4 der Siemens AG zum Einsatz. Die Speiseabschnitte sind durch Trennstellen 41 vorgegeben, wobei Schilder "Arbeitsgrenze" diese Bereiche kennzeichnen. Es sind weiterhin Erdungsschalter 39 gemäß der Figur 1 zur Erdung der Fahrleitungen 20,21 vorgesehen.
  • Eine der Unterstationen 35 weist eine Datenverarbeitungszentrale 15 auf und ist eingerichtet, Messdaten zum Zustand des elektrischen Bahnstromnetzes und der Speiseabschnitte mit den anderen Unterstationen 4 über Kommunikationsleitungen 33 auszutauschen.
  • Alle Unterstationen 34,35 sind über Kommunikationsleitungen 33 mit einem Kommunikationsnetzwerk 32 verbunden, das mit einer übergeordneten Leitstelle wie etwa einem Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) System 31 verbunden ist.
  • Die Leistungs- oder Schnellschalter 36 müssen auf Basis eines eigenen zugeordneten Schutz einen Kurzschluss erkennen und die Spannung abschalten. Eine Mitnahmeschaltung eines oder mehrerer Erdungsschalter 39 zu einem oder mehreren speisenden Leistungsschaltern 36 ist nicht existent und notwendig. Schalter, für die die Funktion des Kurzschlusseinschaltens gefordert ist, müssen konstruktiv anders ausgelegt werden.
  • Kennzeichen dieser Schalter ist eine Art Sprungschalt- oder Schnellschaltfunktion zum Erreichen einer schnellen Kontaktbewegung. Konstruktive Lösungsansätze zeigt o.g. Schalter Typ FES 3-20-1 B der Fa. Driescher. Wird ein Trennschalter ohne derartige Konstruktionsanforderungen eingesetzt für Anforderungen nach Kurzschlusseinschaltung, wird der Kontakt in der Regel thermisch überlastet und zerstört. Das liegt daran, dass der Antrieb des Schalters als Schleichantrieb den beweglichen Schaltkontakt zu langsam bewegt und damit der entstehende Lichtbogen zu lange steht und oftmals zusätzlich durch die wirksamen Stromkräfte am Einlaufen gehindert wird. Über Typprüfungen wird die Funktion der Kurzschlusseinschaltfestigkeit in der Regel für das Produkt nachgewiesen. Die Stromflussdauer beträgt in diesen Fällen zwischen 250 ms für Gleichspannungsbahnstromsysteme und 1000 ms für Wechselstrombahnsysteme. Diese Zeiten entsprechen jedoch nicht den realen Praxisbedingungen sondern enthalten Sicherheitszuschläge. Wie bereits dargelegt wird das Zuschalten einer unter Spannung stehenden Fahrleitung durch Verriegelungen vermieden und tritt nur in Notfällen oder Ausnahmesituationen ein. Man kann daraus ableiten, dass die Häufigkeit derartiger Schaltungen sehr gering ist. Eine wiederholte bzw. mehrmalige Funktion von mehr als zwei "Fehlschaltungen" ohne Wartung ist nicht gegeben bzw. notwendig.
  • Der erfindungsmäße Erdungsschalter 39 bietet eine vergleichsweise einfach konstruierte Lösung, die preiswert herzustellen und wartungsarm ist.

Claims (12)

  1. Bahnstromanlage (20) mit Fahrleitungen (21, 22), mit Unterstationen (34) zur Speisung der Fahrleitungen (21, 22), wobei die Unterstationen (34) jeweils Leistungsschalter (36) oder Schnellschalter zur Speisung von Speiseabschnitten der Fahrleitungen aufweisen, und mit wenigstens einem Erdungsschalter (1, 39) zur Erdung einer der Fahrleitungen (21, 22), der einen ersten Hauptkontakt (3) und einen bewegbaren zweiten Hauptkontakt (4) aufweist, wobei der bewegbare zweite Hauptkontakt (4) zur Herstellung einer Luftstrecke von dem ersten Hauptkontakt (3) weg bewegbar ist und der Erdungsschalter (1, 39) eine Vorzündanordnung aufweist, die für eine Kurzschlusseinschaltung des Erdungsschalters geeignet ist, wobei die Einschaltgeschwindigkeit des Erdungsschalters derart gewählt ist, dass ein Schließen der Hauptkontakte (3,4) nach 200 bis 250 ms erreicht wird.
  2. Bahnstromanlage (20) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Vorzündanordnung oberhalb der Hauptkontakte angeordnet ist.
  3. Bahnstromanlage (20) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Vorzündanordnung für jeden Hauptkontakt eine Vorzündeinrichtung aufweist.
  4. Bahnstromanlage (20) nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Vorzündeinrichtungen (5,6) als Vorzündhörner (5,6) ausgebildet sind.
  5. Bahnstromanlage (20) nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Vorzündhörner (5,6) im Wesentlichen in horizontaler Ausrichtung angebracht und dem jeweiligen Hauptkontakt (3,4) zugeordnet sind.
  6. Bahnstromanlage (20) nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Vorzündeinrichtungen als Lichtbogenhörner ausgebildet sind.
  7. Bahnstromanlage (20) nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtbogenhörner im Wesentlichen in vertikaler Ausrichtung angebracht und dem jeweiligen Hauptkontakt (3,4) zugeordnet sind.
  8. Bahnstromanlage (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Vorzündanordnung lösbar anbringbare Abbrandelemente aufweist.
  9. Bahnstromanlage (20) nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Abbrandelemente ein Innengewinde aufweisen und nach Art einer Schraubverbindung an der Vorzündanordnung angebracht werden können.
  10. Bahnstromanlage (20) nach Anspruch 8 oder 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Abbrandelemente entsprechend einer erwarteten Kurzschlusseinschalthäufigkeit bemessen ist.
  11. Bahnstromanlage (20) nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Abbrandelemente als Material einen dispersionsverfestigten Kupferwerkstoff umfassen.
  12. Verfahren zum Erden eines Teils einer Bahnstromanlage nach einem der oben genannten Ansprüche, umfassend die Schritte:
    - bei an dem Teil der Bahnstromanlage anliegender Spannung wird beim Schließen des Erdungsschalters (1) ein einen Kurzschluss über die Vorzündanordnung bildender Lichtbogen gezündet und
    - der Kurzschluss wird durch wenigstens einen in der Bahnstromanlage vorhandene Leistungsschalter abgeschaltet, so dass die Hauptkontakte (3,4) des Erdungsschalters (1) vor ihrer Berührung stromfrei sind.
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