EP3772132A1 - Anordnung für einen hochfrequenten potenzialausgleich - Google Patents

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EP3772132A1
EP3772132A1 EP20187163.9A EP20187163A EP3772132A1 EP 3772132 A1 EP3772132 A1 EP 3772132A1 EP 20187163 A EP20187163 A EP 20187163A EP 3772132 A1 EP3772132 A1 EP 3772132A1
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EP
European Patent Office
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antenna
suction
car body
resonant circuit
series resonant
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Guido Wolf
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Siemens Mobility GmbH
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Siemens Mobility GmbH
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    • B61L27/20—Trackside control of safe travel of vehicle or train, e.g. braking curve calculation
    • B61L2027/202—Trackside control of safe travel of vehicle or train, e.g. braking curve calculation using European Train Control System [ETCS]

Definitions

  • EP 0 778 683 A2 discloses telecommunication equipment with a human-machine interface.
  • the invention is based on the object of specifying an arrangement for a rail vehicle which helps to minimize or at least reduce negative influences of interference currents on data transmission.
  • an arrangement for high-frequency equipotential bonding between an antenna arranged in or on a bogie of a rail vehicle and a car body of the rail vehicle, the equipotential bonding by means of a suction circuit, in particular a series resonant circuit, which is used for signal transmission by means of the antenna used carrier frequency is matched.
  • An essential advantage of the potential equalization provided according to the invention is that it protects data transmission taking place via the antenna against the influence of interfering external currents.
  • the antenna has an antenna shield plate and the suction or series resonant circuit is electrically connected between the antenna shield plate and the car body.
  • the suction or series resonant circuit is preferably of low resistance for the carrier frequency used by the antenna or at least also for the carrier frequency used by the antenna.
  • the suction or series resonant circuit is preferably low-ohmic in a range between 3.9505 MHz and 4.5165 MHz in order to achieve a sufficient bandwidth of the suction circuit characteristics for ETCS-compatible FSK signal transmission.
  • a further suction or series resonant circuit is arranged between an outer conductor of an antenna cable and the antenna and / or an electronic assembly, which is connected to the antenna for signaling purposes, or its housing.
  • the suction or series resonant circuit preferably has at least one series circuit made up of an inductance of an electrical conductor and a capacitance.
  • the suction or series resonant circuit preferably also has a resistor which is connected in series with the inductance and the capacitance.
  • the high-frequency potential equalization can also be provided between an outer conductor of an antenna cable and the antenna, in particular the antenna shielding plate of the antenna, and / or between an outer conductor of the antenna cable and an electronic assembly which signaling is connected to the antenna, or the housing of the assembly.
  • the invention also relates to a rail vehicle. According to the invention it is provided that the rail vehicle has an arrangement as described above.
  • Antenna is connected, or the housing of the assembly is electrically connected to a suction or series resonant circuit, which is tuned with respect to a carrier frequency used for signal transmission by means of the antenna.
  • the at least one vehicle antenna is preferably a vehicle antenna of the European train control system ETCS.
  • the rail vehicle is preferably designed as an electric multiple unit or as a locomotive.
  • the suction or series resonant circuit is preferably of low resistance for the carrier frequency used by the antenna or at least also for the carrier frequency used by the antenna.
  • the suction or series resonant circuit is preferably of low resistance in a range between 3.9505 MHz and 4.5165 MHz in order to achieve a sufficient bandwidth of the suction circuit characteristics for ETCS-compatible FSK signal transmission.
  • the European train control system ETCS (European Train Control System) uses antennas, which are mounted underfloor on the vehicle, for the exchange of information between rail vehicles and the route or infrastructure.
  • the vehicle antenna sends electromagnetic energy into the track bed at a high frequency (27 MHz), energizing an antenna installed in the track bed (also known as a balise or Eurobalise), which is thereby activated.
  • the energized balise modulates its information onto a high-frequency carrier (4.2 MHz) (FSK modulation) and sends information to the vehicle antenna. In this way, information can be transmitted up to a rail vehicle speed of 500 km / h with a data transmission rate of 565 kbit / s.
  • this shield plate In order to prevent this shield plate from acting as a receiving antenna for interference fields that are present in the vicinity of the antenna, it must be connected to the car body with low impedance (low-impedance equipotential bonding). In the ideal case, this takes place via direct, extensive, electrically conductive contact between this plate and the car body, for example by means of bare metal screw-on surfaces.
  • the outer conductor of the generally coaxial connection line between the antenna and the connected electronic system is usually electrically connected on both sides to the car body or, when the antenna is installed in the bogie, to the bogie frame.
  • a low-impedance equipotential bonding is also required to avoid interference.
  • Electromagnetic transient currents such as those generated by sparking, generated for example by main switch switching operations, jumper, driving through separation points, etc., can therefore cause disadvantageous disturbances in the ETCS system due to a potential equalization that is insufficiently low-impedance for high frequencies.
  • equipotential bonding conductors have the disadvantage that they have a non-negligible impedance in the MHz frequency range because of the complex, predominantly inductive resistance that increases with frequency.
  • the inductive resistance of a 0.5 m long equipotential bonding conductor has, for example, a value of around 13 ohms at the ETCS reception frequency of 4.2 MHz (assuming an inductance coating of approx. 1 ⁇ H / m of the equipotential bonding conductor).
  • FIG 1 shows - is also not usually mounted directly on the bogie frame 21 of a bogie 20, but on antenna supports or add-on parts, the impedances add up from the antenna 10 via add-on parts to the bogie frame 21 to the car body 30.
  • FIG 1 shows a related example of a potential equalization from the antenna 10 to the car body 30 of the rail vehicle 40.
  • Components A and B are mechanical Constructions, such as consoles or antenna supports made of electrically conductive material. In order to establish equipotential bonding, either bare metal contact surfaces are required, or equipotential bonding conductors that electrically connect the individual components to one another must be used.
  • the equipotential bonding takes place via a chain of equipotential bonding conductors with the total inductance L1 + L2 + L3 + L4, plus a relatively small inductance of the mechanical components themselves. Even if all contact surfaces are electrically conductive, the impedance of the inductance L1 still affects the high-frequency equipotential bonding between antenna 10 and car body 30.
  • a second problem (cf. FIG 2 ) relates to the grounding of the outer conductor 51 of the coaxial antenna cable 50, which is usually used as a transmission cable between the vehicle antenna 10 and the electronics of the train protection system.
  • the outward current Ih flows in the inner conductor 52 and the return current Ir in the coaxial, tubular outer conductor 51.
  • This outer conductor 51 is now on the side of the vehicle antenna 10 usually electrically conductively connected to the rear antenna shield plate 11 of the vehicle antenna 10, and thus in turn to the bogie frame 21.
  • the outer conductor 51 is usually connected to the car body 30.
  • the outer conductor 51 thus forms an electrical connection between the bogie 20 and the car body 30. From an electrical point of view, this connection is a parallel circuit to the equipotential bonding conductor between the bogie 20 and the car body 30, see FIG 2 .
  • Main switch switching operations in particular represent high-frequency interference generators due to the formation of sparks and the resulting spark break-off.
  • the resulting high-frequency Interference current Iemv can flow back to the main switch via car body 30 - bogie 20 - rail 70 - mains impedance.
  • An exemplary path of the interference current through the vehicle is in FIG 2 shown.
  • FIG 2 shows the exemplary superposition of the transient interference current Iemv (thick arrows) on the useful current of the signaling system (thin arrows) in the connecting line 50 between antenna 10 and electronics cabinet 60.
  • the bogie 20 is electrically isolated from the rail 70 and has no ground contact.
  • the parasitic capacitances between the bogie frame 21 and wheelset 80 or wheel set rocker are sufficient to allow high-frequency interference currents to flow from the bogie frame 21 to the rail 70.
  • impedance Z1 denotes the equivalent impedance between the wheel set 80 and the bogie frame 21;
  • Z2 denotes the equivalent impedance of line 31 (cf. FIG 3 ) between the bogie frame 21 and the car body 30.
  • the coaxial cable or antenna cable 50 is routed to the bogie 20 at the jump point to the car body 30, for example via an adapter (in FIG 2 not shown) and the coaxial outer conductor 51 is connected there with relatively low impedance to the car body 30, the impedance of the then relatively short coaxial outer conductor 51 between antenna 10 and adapter plug is again reduced, with the result that an even higher proportion of the high-frequency interference current via the coaxial Outer conductor 51 flows.
  • Vehicle antennas 10 are preferably mounted directly on the car body 30.
  • a very good, low-inductive and thus low-impedance connection between the shield plate 11 and the car body 30 can be established via a screw connection between the shield plate 11 attached to the rear of the antenna 10 and the car body 30, especially if the mechanical contact surfaces of the screw connection are bare metal.
  • earthing can be achieved using earthing lines that are as short as possible, as exemplified in FIG 3 is shown.
  • this type of grounding is less advantageous than extensive grounding due to the parasitic inductance of the grounding lines at high frequencies.
  • FIG 3 shows an exemplary arrangement of a vehicle antenna 10 on the car body 30. If the antenna carrier 12 is bare metal via its screw-on surfaces and the associated mounting surfaces on the car body 30 and on the antenna 10, the antenna 10 is very well grounded with low inductance. If this is not the case, the antenna 10 is appropriate the representation via grounding lines with the associated parasitic inductances L1 and L2.
  • the present invention assumes that the antenna 10 is arranged on a bogie 20 of the rail vehicle 40, as exemplified in FIG FIG 5 is shown. This may be necessary for various reasons, in particular due to a lack of available space in the underfloor area outside the bogies 20 of the rail vehicle 40.
  • a suction circuit in particular in the form of a series resonant circuit, is used instead of a normal electrical conductor.
  • a suction circuit can be implemented, for example, by connecting in series with an electrical conductor, for example a wire, a round cable or a flat band, a capacitor and, if necessary, a damping resistor, and the suction circuit is tuned to the reception frequency of the vehicle antenna 10 .
  • FIG 5 shows an example of a first suction circuit, which is formed by an equivalent inductance Ls1 of the line, which is connected to the grounding point (here the gear set 80), and a discrete capacitance Cs1, which is connected in series with the equivalent inductance Ls1; in addition, a discrete resistor can be used in FIG 5 is not shown, be looped in series with the equivalent inductance Ls1 and the discrete capacitance Cs1.
  • FIG 5 furthermore shows, by way of example, a second suction circuit which is formed by an equivalent inductance Ls2 of the line connected to the antenna shield plate 11 and a discrete capacitance Cs2 which is connected in series with the equivalent inductance Ls2; in addition, a discrete aries stand, which in FIG 5 is not shown, be looped in series with the equivalent inductance Ls2 and the discrete capacitance Cs2.
  • FIG 4 shows exemplary schematic representations of an exclusive equipotential bonding conductor 90 (left) between connection points 91 and 92, a high-frequency equipotential bonding by means of a capacitor Cs connected in series with the equipotential bonding conductor 90 (center), the capacitance Cs of the capacitor together with the parasitic inductance Ls of the conductor as an LC suction circuit 100 or series resonant circuit acts.
  • an additional resistor Rs can also be provided, which is connected in series with the capacitor Cs.
  • the inductance Ls of the line 90 acts with the capacitance Cs of the capacitor as an LC suction circuit 100.
  • This suction circuit 100 also referred to as a series resonant circuit, acts like a short circuit in the resonance frequency range, ie it has a very low impedance here.
  • a resistor Rs can be switched on as an attenuator in addition to the capacitor Cs in order to achieve a sufficient bandwidth of the suction circuit characteristics and the two maxima in the spectrum of the FSK signal (3.9505 MHz and 4.5165 MHz at 565 kBit / s data transmission rate of the ETCS -FSK antenna signal) completely.
  • the additional resistor Rs has the disadvantage that it increases the minimum impedance of the suction circuit 100 disadvantageously. Possibly the ohmic resistance of line 90 and capacitance Cs at the suction circuit resonance frequency is sufficient as a resistance value.
  • This arrangement advantageously means that any components for high frequencies, in particular in the range of the ETCS reception frequency of 4.2 MHz, can be connected to one another with low impedance.
  • suction circuits are again exemplified below using the FIG 5 explained. Based on the embodiment of FIG 2 the following measures have been implemented.
  • the transient high-frequency currents Iemv are to be offered the lowest possible impedance path from the car body 30 directly to the rail 70.
  • a wheelset contact or grounding contact is provided on the wheelset 80 of the bogie 20 on which the vehicle antenna 10 is arranged, if not already present.
  • a supply line with the equivalent inductance Ls1 and a capacitance Cs1 in series with this are connected to this wheel set contact.
  • the resulting series resonant circuit is tuned to the receiving center frequency of 4.2 MHz of the ETCS system.
  • the high-frequency interference current Iemv flows from the car body 30 directly to the rail 70 in the region of the reception center frequency.
  • the series oscillating circuit consisting of Ls1 and Cs1 is not able to carry low-frequency equalizing currents or operating currents, for example reverse current for 16.7 Hz or 50 Hz of the single-phase alternating current of the traction network.
  • low-frequency equipotential bonding or the operating current return thus remain unaffected by the present invention.
  • existing grounding contacts can also be used if necessary. For example, grounding contacts usually offer the option of connecting two lines.
  • the antenna shield plate 11 should find a potential equalization with the lowest possible impedance to the car body 30. This is achieved in that a line with the equivalent inductance Z2 and a series-connected capacitance Cs2 connects the antenna shield plate 11 above the antenna 10 directly to the car body 30. By tuning to the reception center frequency of 4.2 MHz of the ETCS system, a low-impedance connection between the antenna 10 and the car body 30 is also achieved here.
  • the coaxial outer conductor 51 of the antenna cable 50 should have low-impedance equipotential bonding to the car body 30 on both sides. This is achieved in that the outer conductor 51 is connected to the antenna shield plate 11 on one side, ie on the antenna side. If the outer conductor 51 is already connected in an electrically conductive manner to the antenna shield plate 11 in the antenna 10, the above measure with regard to the antenna shield plate 11 is sufficient. If, however, the outer conductor 51 is insulated from the antenna shield plate 11, the coaxial outer conductor 51, for example at the entrance to the antenna 10, is connected directly to the car body 30 via another, third suction circuit (not specifically in FIG 5 shown).
  • the coaxial outer conductor 51 is connected to the car body 30 on the other side via the electronics cabinet 60 with a high frequency and low impedance, this is sufficient. However, in the event that the connection in the high-frequency range is likewise not sufficiently low-impedance on the side of the electronics cabinet 60, a suction circuit can also be provided here.
  • the present invention is suitable for all systems in which there is a need for a potential equalization that functions in the high-frequency range.
  • These include in particular the French train control system KVB (Contröle detician par balises) and the Swedish train control system ATC, which is also based on passive balises.
  • the embodiments described above by way of example relate to the potential equalization for high frequencies and primarily serve to ensure sufficient electromagnetic compatibility (EMC), in particular the interference immunity of the ETCS systems used in rail vehicles.
  • EMC electromagnetic compatibility
  • This high-frequency equipotential bonding by means of a series resonant circuit has a different objective than the usual equipotential bonding for electrical safety.
  • additional equipotential bonding for electrical safety should be considered if necessary.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für einen hochfrequenten Potenzialausgleich zwischen einer in oder an einem Drehgestell (20) eines Schienenfahrzeugs (40) angeordneten Antenne (10) und einem Wagenkasten (30) des Schienenfahrzeugs (40), und/oder zwischen einem Außenleiter (51) eines Antennenkabels (50) und der Antenne (10), insbesondere der Antennen-Schirmplatte (11) der Antenne (10), und/oder zwischen einem Außenleiter (51) des Antennenkabels (50) und einer elektronischen Baugruppe (60), welche signaltechnisch mit der Antenne (10) verbunden ist, oder dem Gehäuse der Baugruppe (60), wobei der Potenzialausgleich mittels eines Saug- oder Serienschwingkreises, welcher bezüglich einer für eine Signalübertragung mittels der Antenne (10) genutzten Trägerfrequenz abgestimmt ist, erfolgt.

Description

  • Aus dem Dokument WO 2011/039002 A1 ist ein Schienenfahrzeug mit zumindest einer zum Gleis gerichteten Fahrzeugantenne eines Zugsicherungssystems bekannt.
  • Die Offenlegungsschrift EP 0 778 683 A2 offenbart Telekommunikationsequipment mit Mensch-Maschine-Schnittstelle.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Anordnung für ein Schienenfahrzeug anzugeben, die hilft, negative Einflüsse von Störströmen auf eine Datenübertragung zu minimieren oder zumindest zu reduzieren.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung sind in Unteransprüchen angegeben.
  • Danach ist bei einer erfindungsgemäßen Variante vorgesehen: eine Anordnung für einen hochfrequenten Potenzialausgleich zwischen einer in oder an einem Drehgestell eines Schienenfahrzeugs angeordneten Antenne und einem Wagenkasten des Schienenfahrzeugs, wobei der Potenzialausgleich mittels eines Saugkreises, insbesondere Serienschwingkreises, welcher bezüglich einer für eine Signalübertragung mittels der Antenne genutzten Trägerfrequenz abgestimmt ist, erfolgt.
  • Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäß vorgesehenen Potenzialausgleichs besteht darin, dass dieser über die Antenne stattfindende Datenübertragung vor dem Einfluss störender Fremdströme schützt.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Antenne eine Antennen-Schirmplatte aufweist und der Saug- bzw. Serienschwingkreis elektrisch zwischen die Antennen-Schirmplatte und den Wagenkasten geschaltet ist.
  • Der Saug- bzw. Serienschwingkreis ist vorzugsweise für die von der Antenne genutzte Trägerfrequenz oder zumindest auch für die von der Antenne genutzte Trägerfrequenz niederohmig.
  • Vorzugsweise ist der Saug- bzw. Serienschwingkreis in einem Bereich zwischen 3,9505 MHz und 4,5165 MHz niederohmig , um eine ausreichende Bandbreite der Saugkreischarakteristik für eine ETCS-kompatible FSK-Signalübertragung zu erzielen.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein weiterer Saug- bzw. Serienschwingkreis zwischen einem in dem Drehgestell angeordneten Radsatz und dem Wagenkasten angeordnet ist.
  • Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass ein weiterer Saug- bzw. Serienschwingkreis zwischen einem Außenleiter eines Antennenkabels und der Antenne und/oder einer elektronischen Baugruppe, welche signaltechnisch mit der Antenne verbunden ist, oder deren Gehäuse angeordnet ist.
  • Der Saug- bzw. Serienschwingkreis weist vorzugsweise zumindest eine Serienschaltung aus einer Induktivität eines elektrischen Leiters und einer Kapazität auf.
  • Der Saug- bzw. Serienschwingkreis weist vorzugsweise ferner einen Widerstand, welcher in Serie mit der Induktivität und der Kapazität geschaltet ist, auf.
  • Alternativ zu dem eingangs erwähnten hochfrequenten Potenzialausgleich zwischen Drehgestell und Wagenkasten kann erfindungsgemäß auch der hochfrequente Potenzialausgleich vorgesehen sein zwischen einem Außenleiter eines Antennenkabels und der Antenne, insbesondere der Antennen-Schirmplatte der Antenne, und/oder zwischen einem Außenleiter des Antennenkabels und einer elektronischen Baugruppe, welche signaltechnisch mit der Antenne verbunden ist, oder dem Gehäuse der Baugruppe.
  • Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Schienenfahrzeug. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Schienenfahrzeug eine Anordnung wie oben beschrieben aufweist.
  • Die Erfindung bezieht sich also mit anderen Worten auch auf ein Schienenfahrzeug mit einem Drehgestell, einer in oder an dem Drehgestell angeordneten Antenne und einem Wagenkasten, dadurch gekennzeichnet, dass für einen hochfrequenten Potenzialausgleich
    • zwischen die Antenne, insbesondere eine Schirmplatte der Antenne, und den Wagenkasten und/oder
    • zwischen einen Außenleiter eines Antennenkabels und die Antenne, insbesondere die Antennen-Schirmplatte der Antenne, und/oder
    • zwischen einen Außenleiter des Antennenkabels und eine elektronische Baugruppe, welche signaltechnisch mit der
  • Antenne verbunden ist, oder das Gehäuse der Baugruppe elektrisch ein Saug- oder Serienschwingkreis geschaltet ist, welcher bezüglich einer für eine Signalübertragung mittels der Antenne genutzten Trägerfrequenz abgestimmt ist.
  • Die zumindest eine Fahrzeugantenne ist vorzugsweise eine Fahrzeugantenne des europäischen Zugsicherungssystems ETCS.
  • Das Schienenfahrzeug ist vorzugsweise als ein elektrischer Triebzug oder als eine Lokomotive ausgestaltet.
  • Der Saug- bzw. Serienschwingkreis ist vorzugsweise für die von der Antenne genutzte Trägerfrequenz oder zumindest auch für die von der Antenne genutzte Trägerfrequenz niederohmig. Vorzugsweise ist der Saug- bzw. Serienschwingkreis niederohmig in einem Bereich zwischen 3,9505 MHz und 4,5165 MHz, um eine ausreichende Bandbreite der Saugkreischarakteristik für eine ETCS-kompatible FSK-Signalübertragung zu erzielen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen und Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • Das Europäische Zugsicherungssystem ETCS (European Train Control System) nutzt für den Informationsaustausch zwischen Schienenfahrzeugen und der Strecke bzw. Infrastruktur u.a. Antennen, welche unterflur am Fahrzeug montiert sind. Hierbei sendet die Fahrzeugantenne mit hoher Frequenz (27 MHz) elektromagnetische Energie ins Gleisbett, energetisiert damit eine im Gleisbett installierte Antenne (auch als Balise bzw. Eurobalise bezeichnet), welche dadurch aktiviert wird. Die energetisierte Balise moduliert ihre Information auf einen hochfrequenten Träger (4,2 MHz) auf (FSK-Modulation) und sendet Informationen an die Fahrzeugantenne. Informationen können hierdurch bis zu einer Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs von 500 km/h mit einer Datenübertragungsrate von 565 kbit/s übertragen werden.
  • Die Fahrzeugantenne selbst hat auf der dem Fahrzeug-Unterboden zugewandten Seite aus Schirmungsgründen vorzugsweise eine Metallplatte, welche vom Fahrzeug (=von oben) erzeugte Störungen von der Antenne abhalten soll. Um zu vermeiden, dass diese Schirmplatte als Empfangsantenne für Störfelder wirkt, die in der Umgebung der Antenne vorhanden sind, ist sie niederimpedant mit dem Wagenkasten zu verbinden (niederimpedanter Potenzialausgleich). Im Idealfall erfolgt dies über eine direkte flächenhafte elektrisch leitende Kontaktierung dieser Platte zum Wagenkasten hin, beispielsweise mittels metallisch blanker Anschraubflächen.
  • Des Weiteren wird der Außenleiter der in der Regel koaxialen Verbindungsleitung zwischen Antenne und angeschlossenem Elektroniksystem üblicherweise beidseits mit dem Wagenkasten bzw. bei Einbau der Antenne im Drehgestell mit dem Drehgestellrahmen elektrisch verbunden. Zur Vermeidung von Störungen ist hierfür ebenfalls ein niederimpedanter Potenzialausgleich erforderlich.
  • Ein solcher niederimpedanter Potenzialausgleich wird jedoch aus verschiedenen Gründen oftmals für hohe Frequenzen, insbesondere im Bereich der Trägerfrequenzen des ETCS, nicht erzielt. Elektromagnetische transiente Ströme, wie sie z.B. durch Funkenbildung generiert werden, erzeugt beispielsweise durch Hauptschalter-Schaltvorgänge, Bügelspringer, Durchfahren von Trennstellen usw., können daher aufgrund eines für hohe Frequenzen nicht ausreichend niederimpedanten Potenzialausgleichs nachteilige Störungen im ETCS System hervorrufen.
  • Dabei wurden zwei Problematiken identifiziert, wobei eine erste Problematik den niederimpedanten Potenzialausgleich der Antennen-Schirmplatte betrifft.
  • Bei einem Einbau der Antenne im Drehgestell ist keine großflächige, elektrisch leitfähige Verbindung zwischen Antenne und Wagenkasten möglich, da der notwendigerweise bewegliche Potenzialausgleich zwischen Drehgestell und Wagenkasten üblicherweise mittels elektrisch leitender Rundseile oder Flachbändern realisiert wird.
  • Diese Potenzialausgleichsleiter besitzen jedoch den Nachteil, dass sie wegen des mit der Frequenz zunehmenden komplexen, vorwiegend induktiven Widerstandes eine nicht vernachlässigbare Impedanz im MHz-Frequenzbereich haben. Der induktive Widerstand eines 0,5 m langen Potenzialausgleichsleiters hat bei der ETCS-Empfangsfrequenz von 4,2 MHz (bei einem angenommenen Induktivitätsbelag von ca. 1 µH/m des Potenzialausgleichsleiters) beispielsweise einen Wert von ca. 13 Ohm.
  • Da die Antenne 10 - wie beispielhaft FIG 1 zeigt - zudem üblicherweise nicht unmittelbar am Drehgestellrahmen 21 eines Drehgestells 20, sondern an Antennenträgern oder Anbauteilen montiert wird, addieren sich die Impedanzen von der Antenne 10 über Anbauteile zum Drehgestellrahmen 21 bis hin zum Wagenkasten 30. FIG 1 zeigt ein diesbezügliches Beispiel für einen Potenzialausgleich von der Antenne 10 zum Wagenkasten 30 des Schienenfahrzeugs 40. Bauteile A und B sind dabei mechanische Konstruktionen, beispielsweise Konsolen oder Antennenträger aus elektrisch leitfähigem Material. Um einen Potenzialausgleich herzustellen, sind entweder metallisch blanke Berührflächen erforderlich, oder Potenzialausgleichsleiter welche die einzelnen Bauteile elektrisch untereinander verbinden, zu verwenden. Im letzteren Fall erfolgt der Potenzialausgleich über eine Kette von Potenzialausgleichsleitern mit der Gesamtinduktivität L1+L2+L3+L4, zuzüglich einer relativ kleinen Induktivität der mechanischen Bauteile selbst. Selbst wenn sämtliche Berührflächen elektrisch leitend ausgeführt sind, beeinträchtigt immer noch die Impedanz der Induktivität L1 den hochfrequenten Potenzialausgleich zwischen Antenne 10 und Wagenkasten 30.
  • Eine zweite Problematik (vgl. FIG 2) betrifft die Erdung des Außenleiters 51 des koaxialen Antennenkabels 50, welches üblicherweise als Übertragungskabel zwischen Fahrzeugantenne 10 und Elektronik des Zugsicherungssystems eingesetzt wird. Bei einem Koaxialkabel fließt im Innenleiter 52 der Hinstrom Ih und im koaxialen, rohrförmigen Außenleiter 51 der Rückstrom Ir.
  • Dieser Außenleiter 51 ist nun auf der Seite der Fahrzeugantenne 10 üblicherweise mit der rückwärtigen Antennen-Schirmplatte 11 der Fahrzeugantenne 10 elektrisch leitend verbunden, und damit wiederum mit dem Drehgestellrahmen 21. Auf der Seite des Elektronikschranks 60 bzw. Elektronikcontainers, welcher in der Regel im oder am Wagenkasten 30 angeordnet ist, ist der Außenleiter 51 üblicherweise mit dem Wagenkasten 30 verbunden. Der Außenleiter 51 bildet somit eine elektrische Verbindung zwischen Drehgestell 20 und Wagenkasten 30. Diese Verbindung ist elektrisch gesehen eine Parallelschaltung zum Potenzialausgleichsleiter zwischen Drehgestell 20 und Wagenkasten 30, siehe FIG 2.
  • Insbesondere Hauptschalter-Schalthandlungen stellen durch die Funkenbildung und den resultierenden Funkenabriss hochfrequenten Störgeneratoren dar. Der entstehende hochfrequente Störstrom Iemv kann hierbei über Wagenkasten 30 - Drehgestell 20 - Schiene 70 - Netzimpedanz zurück zum Hauptschalter flie-ßen. Ein beispielhafter Weg des Störstromes durch das Fahrzeug ist in FIG 2 dargestellt. FIG 2 zeigt die beispielhafte Überlagerung des transienten Störstroms Iemv (dicke Pfeile) zum Nutzstrom des Signalisationssystems (dünne Pfeile) in der Verbindungsleitung 50 zwischen Antenne 10 und Elektronikschrank 60. Aufgrund der zusätzlichen Verbindung zwischen Wagenkasten 30 und Drehgestell 20 durch den koaxialen Außenleiter 51 fließt nicht der gesamte Teil des hochfrequenten Störstroms Iemv über die Schutzverbindung zwischen Wagenkasten 30 und Drehgestell 20 bzw. Drehgestellrahmen 21, sondern ein Teil fließt über den koaxialen Außenleiter 51. Dieser hochfrequente transiente Störstrom Iemv überlagert sich direkt mit dem darauf fließenden Antennenstrom und koppelt also galvanisch auf das Nutzsignal ein. Durch diese galvanische Einkopplung kann das Zugsicherungssystem schon durch geringe Transienten gestört werden.
  • Selbst wenn das Antennenkabel 50 nur einseitig geerdet ist und beispielsweise auf der Antennenseite nicht mit dem Drehgestell 20 elektrisch leitend verbunden ist, so reichen doch oft schon parasitäre Kapazitäten zwischen der Antenne 10 bzw. dem Anschlussstecker und der Antennen-Schirmplatte 11 aus, damit bei 4,2 MHz ein relevanter Strom hierüber fließen kann.
  • Ebenso verhält es sich, falls das Drehgestell 20 gegenüber der Schiene 70 elektrisch isoliert ist und über keinen Erdungskontakt verfügt. Auch hier genügen bereits die parasitären Kapazitäten zwischen Drehgestellrahmen 21 und Radsatz 80 bzw. Radsatz-Schwinge, um hochfrequente Störströme vom Drehgestellrahmen 21 zur Schiene 70 fließen zu lassen. Dies ist in der FIG 2 beispielhaft als Impedanz Z1 angegeben. Z1 bezeichnet in den Figuren die Ersatzimpedanz zwischen dem_Radsatz 80 und dem Drehgestellrahmen 21; Z2 bezeichnet in den Figuren die Ersatzimpedanz der Leitung 31 (vgl. FIG 3) zwischen dem Drehgestellrahmen 21 und dem Wagenkasten 30.
  • Die Situation wird ferner dadurch kritischer, dass die Impedanz Z2 der Potenzial-Ausgleichsleiter zwischen Drehgestell 20 und Wagenkasten 30 im MHz-Frequenzbereich nicht mehr vernachlässigt werden kann, wie vorstehend bereits erläutert.
  • Sofern das Koaxialkabel bzw. Antennenkabel 50 an der Absprungstelle zum Wagenkasten 30 zum Drehgestell 20 beispielsweise über einen Zwischenstecker geführt ist (in FIG 2 nicht dargestellt) und der koaxiale Außenleiter 51 dort relativ niederimpedant mit dem Wagenkasten 30 verbunden ist, wird die Impedanz des dann relativ kurzen koaxialen Außenleiters 51 zwischen Antenne 10 und Zwischenstecker nochmals reduziert mit der Folge, dass ein noch höherer Anteil des hochfrequenten Störstroms über den koaxialen Außenleiter 51 fließt.
  • Vorzugsweise werden Fahrzeugantennen 10 direkt an dem Wagenkasten 30 montiert. Über eine Verschraubung zwischen der auf der Rückseite der Antenne 10 angebrachten Schirmplatte 11 und dem Wagenkasten 30 kann eine sehr gute, niederinduktive und damit niederimpedante Verbindung zwischen Schirmplatte 11 und Wagenkasten 30 hergestellt werden, insbesondere wenn die mechanischen Kontaktflächen der Verschraubung metallisch blank sind.
  • Ist dies nicht der Fall, kann über möglichst kurze Erdungsleitungen eine Erdung verwirklicht werden, wie es beispielhaft in FIG 3 dargestellt ist. Diese Erdungsart ist jedoch aufgrund der entstehenden parasitären Induktivitäten der Erdungsleitungen bei hoher Frequenz weniger vorteilhaft als eine flächenhafte Erdung.
  • FIG 3 zeigt eine beispielhafte Anordnung einer Fahrzeugantenne 10 am Wagenkasten 30. Sofern der Antennenträger 12 über seine Anschraubflächen sowie die zugehörigen Montageflächen am Wagenkasten 30 und an der Antenne 10 metallisch blank ist, ist eine sehr gute, niederinduktive Erdung der Antenne 10 gegeben. Ist dies nicht der Fall, ist die Antenne 10 entsprechend der Darstellung über Erdungsleitungen mit den zugehörigen parasitären Induktivitäten L1 und L2 zu erden.
  • Durch die Montage am Wagenkasten 30 treten die beiden vorstehend diskutierten Problematiken in deutlich geringerem Umfang auf als bei der Montage der Fahrzeugantenne 10 im Drehgestell 20. In der Regel lässt sich durch eine elektrisch leitfähige Verbindung an den Montageflächen ein ausreichend niederimpedanter Potenzialausgleich erzielen, damit das System eine ausreichende Störfestigkeit (EMV) hat.
  • Die vorliegende Erfindung geht davon aus, dass die Antenne 10 an einem Drehgestell 20 des Schienenfahrzeugs 40 angeordnet ist, wie beispielhaft in FIG 5 gezeigt ist. Dies kann aufgrund unterschiedlicher Gründe, insbesondere mangels verfügbaren Raums im Unterflurbereich außerhalb der Drehgestelle 20 des Schienenfahrzeugs 40, erforderlich sein.
  • Für einen hochfrequenten Potenzialausgleich wird anstelle eines normalen elektrischen Leiters ein Saugkreis, insbesondere in Form eines Serienschwingkreises, eingesetzt. Ein solcher Saugkreis kann beispielsweise dadurch verwirklicht werden, dass in Serie zu einem elektrischen Leiter, beispielsweise ein Draht, ein Rundseil oder ein Flachband, ein Kondensator sowie, sofern erforderlich, ein Dämpfungswiderstand geschaltet ist, und der Saugkreis auf die Empfangsfrequenz der Fahrzeugantenne 10 abgestimmt ist.
  • FIG 5 zeigt beispielhaft einen ersten Saugkreis, der durch eine Ersatzinduktivität Ls1 der Leitung, die an den Erdungspunkt (hier den Radsatz 80) angeschlossen ist, und eine diskrete Kapazität Cs1, die in Serie mit der Ersatzinduktivität Ls1 geschaltet ist, gebildet ist; zusätzlich kann ein diskreter Widerstand, der in FIG 5 nicht eingezeichnet ist, in Serie zu der Ersatzinduktivität Ls1 und der diskreten Kapazität Cs1 eingeschleift sein.
  • FIG 5 zeigt darüber hinaus beispielhaft einen zweiten Saugkreis, der durch eine Ersatzinduktivität Ls2 der Leitung, die an die Antennen-Schirmplatte 11 angeschlossen ist, und eine diskrete Kapazität Cs2, die in Serie mit der Ersatzinduktivität Ls2 geschaltet ist, gebildet ist; zusätzlich kann ein diskreter Widderstand, der in FIG 5 nicht eingezeichnet ist, in Serie zu der Ersatzinduktivität Ls2 und der diskreten Kapazität Cs2 eingeschleift sein.
  • FIG 4 zeigt hierzu beispielhaft Prinzipdarstellungen eines ausschließlichen Potenzialausgleichsleiters 90 (links) zwischen Anschlusspunkten 91 und 92, eines hochfrequenten Potenzialausgleichs mittels eines in Serie mit dem Potenzialausgleichsleiter 90 geschalteten Kondensators Cs (mitte), wobei die Kapazität Cs des Kondensators zusammen mit der parasitären Induktivität Ls des Leiters als ein LC-Saugkreis 100 bzw. Serienschwingkreis wirkt. Entsprechend der dritten bzw. rechten Darstellung kann ergänzend ein zusätzlicher Widerstand Rs vorgesehen sein, der in Serie mit dem Kondensator Cs geschaltet ist.
  • Die Induktivität Ls der Leitung 90 wirkt mit der Kapazität Cs des Kondensators als LC-Saugkreis 100. Dieser auch als Serienschwingkreis bezeichnete Saugkreis 100 wirkt im Bereich der Resonanzfrequenz wie ein Kurzschluss, d.h. er wirkt hier sehr niederimpedant. Der Kapazitätswert wird so gewählt, dass der resultierende Serienschwingkreis bestehend aus Leitungsinduktivität Ls und Kapazität Cs eine Resonanzfrequenz hat, die beispielsweise mit der Mittenfrequenz des ETCS - Empfangssignals f = 4,2 MHz übereinstimmt. Gegebenenfalls kann zusätzlich zum Kondensator Cs ein Widerstand Rs als Dämpfungsglied eingeschaltet werden, um eine ausreichende Bandbreite der Saugkreischarakteristik zu erzielen und die beiden Maxima im Spektrum des FSK-Signals (3,9505 MHz sowie 4,5165 MHz bei 565 kBit/s Datenübertragungsrate des ETCS-FSK-Antennensignals) vollständig abzudecken. Der zusätzliche Widerstand Rs besitzt jedoch den Nachteil, dass er die minimale Impedanz des Saugkreises 100 nachteilig erhöht. Gegebenenfalls genügt als Widerstandswert bereits der ohmsche Widerstand von Leitung 90 und Kapazität Cs bei der Saugkreis-Resonanzfrequenz.
  • Durch diese Anordnung wird vorteilhaft erreicht, dass beliebige Bauteile für hohe Frequenzen, insbesondere im Bereich der ETCS Empfangsfrequenz von 4,2 MHz, niederimpedant untereinander verbunden werden können.
  • Der Einsatz von Saugkreisen wird nachfolgend nochmals beispielhaft anhand der FIG 5 erläutert. Ausgehend von dem Ausführungsbeispiel der FIG 2 sind hierbei folgende Maßnahmen umgesetzt worden.
  • Den transienten hochfrequenten Strömen Iemv ist ein möglichst niederimpedanter Pfad vom Wagenkasten 30 direkt zur Schiene 70 anzubieten. Hierzu ist am Radsatz 80 des Drehgestells 20, an dem die Fahrzeugantenne 10 angeordnet ist, sofern noch nicht vorhanden ein Radsatzkontakt bzw. Erdungskontakt vorgesehen. An diesen Radsatzkontakt ist eine Zuleitung mit der Ersatz-Induktivität Ls1 sowie in Serie dazu eine Kapazität Cs1 geschaltet. Der so entstehende Serienschwingkreis wird auf die Empfangs-Mittenfrequenz 4,2 MHz des ETCS-Systems abgestimmt. Hierdurch fließt der hochfrequente Störstrom Iemv im Bereich der Empfangs-Mittenfrequenz vom Wagenkasten 30 direkt zur Schiene 70 ab.
  • Zu beachten ist dabei, dass der Serienschwingreis bestehend aus Ls1 und Cs1 nicht in der Lage ist, niederfrequente Ausgleichsströme bzw. Betriebsströme, beispielsweise Rückstrom für 16,7 Hz oder 50 Hz des Einphasenwechselstroms des Bahnstromnetzes, zu führen. Der niederfrequente Potenzialausgleich bzw. die Betriebsstromrückführung bleiben somit von der vorliegenden Erfindung unberührt. Bereits vorhandene Erdungskontakte lassen sich jedoch gegebenenfalls mitnutzen. So bieten beispielsweise Erdungskontakte üblicherweise die Möglichkeit, zwei Leitungen anzuschließen.
  • Ferner soll die Antennen-Schirmplatte 11 einen möglichst niederimpedanten Potenzialausgleich zum Wagenkasten 30 finden. Dies wird erreicht, indem eine Leitung mit der Ersatz-Induktivität Z2 und einer in Serie geschalteten Kapazität Cs2 die Antennenschirmplatte 11 oberhalb der Antenne 10 direkt mit dem Wagenkasten 30 verbindet. Durch Abstimmung auf die Empfangs-Mittenfrequenz 4,2 MHz des ETCS-Systems wird auch hier eine niederimpedante Verbindung zwischen der Antenne 10 und dem Wagenkasten 30 erzielt.
  • Schließlich soll der koaxiale Außenleiter 51 des Antennenkabels 50 einen beidseitig niederimpedanten Potenzialausgleich zum Wagenkasten 30 aufweisen. Dies wird erzielt, indem der Außenleiter 51 auf der einen Seite, d.h. antennenseitig mit der Antennenschirmplatte 11 verbunden wird. Sofern der Außenleiter 51 bereits in der Antenne 10 mit der Antennenschirmplatte 11 elektrisch leitend verbunden ist, ist die vorstehende Maßnahme bezüglich der Antennenschirmplatte 11 bereits ausreichend. Sofern jedoch der Außenleiter 51 isoliert von der Antennenschirmplatte 11 ist, wird der koaxiale Außenleiter 51 beispielsweise am Eintritt in die Antenne 10 direkt über einen weiteren, dritten Saugkreis mit dem Wagenkasten 30 verbunden (nicht speziell in FIG 5 dargestellt).
  • Sofern der koaxiale Außenleiter 51 auf der anderen Seite über den Elektronikschrank 60 hochfrequent niederimpedant mit dem Wagenkasten 30 verbunden ist, ist dies ausreichend. Für den Fall jedoch, dass auf der Seite des Elektronikschranks 60 ebenfalls die Verbindung im Hochfrequenzbereich nicht ausreichend niederimpedant ist, kann auch hier ein Saugkreis vorgesehen sein.
  • Der oben beschriebene Einsatz von Saugkreisen mit dem Ziel eines Potenzialausgleichs für hochfrequente transiente Störströme im Arbeitsfrequenzbereich von Zugsicherungssystemen stellt eine Alternative bzw. Ergänzung zu dem bekannten flächenhaften hochfrequenten Potenzialausgleich dar, um den Nachteil von Leitungsinduktivitäten mit ihrer jeweiligen nicht zu vernachlässigenden Impedanz zu umgehen.
  • Unabhängig von den vorstehenden Ausführungen anhand des Europäischen Zugsicherungssystems ETCS ist die vorliegende Erfindung für alle Systeme geeignet, bei denen der Bedarf an einem im Hochfrequenzbereich funktionierenden Potenzialausgleich besteht. Hierzu gehören insbesondere das französische Zugsicherungssystem KVB (Contröle de vitesse par balises) sowie das schwedische Zugsicherungssystem ATC, welches ebenfalls auf passiven Balisen basiert.
  • Die oben beispielhaft beschriebenen Ausgestaltungen betreffen zusammengefasst den Potenzialausgleich für hohe Frequenzen und dienen in erster Linie der Sicherstellung einer ausreichenden elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV), insbesondere der Störfestigkeit der in Schienenfahrzeugen eingesetzten ETCS-Systeme. Dieser hochfrequente Potenzialausgleich mittels eines Serienresonanzschwingkreises besitzt dabei eine zum üblichen Potenzialausgleich für die elektrische Sicherheit unterschiedliche Zielsetzung. Entsprechend ist gegebenenfalls ein ergänzender Potenzialausgleich für die elektrische Sicherheit zu erwägen.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (13)

  1. Anordnung für einen hochfrequenten Potenzialausgleich
    - zwischen einer in oder an einem Drehgestell (20) eines Schienenfahrzeugs (40) angeordneten Antenne (10) und einem Wagenkasten (30) des Schienenfahrzeugs (40), und/oder
    - zwischen einem Außenleiter (51) eines Antennenkabels (50) und der Antenne (10), insbesondere der Antennen-Schirmplatte (11) der Antenne (10), und/oder
    - zwischen einem Außenleiter (51) des Antennenkabels (50) und einer elektronischen Baugruppe (60), welche signaltechnisch mit der Antenne (10) verbunden ist, oder dem Gehäuse der Baugruppe (60),
    wobei der Potenzialausgleich mittels eines Saug- oder Serienschwingkreises, welcher bezüglich einer für eine Signalübertragung mittels der Antenne (10) genutzten Trägerfrequenz abgestimmt ist, erfolgt.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Antenne (10) eine Antennen-Schirmplatte (11) aufweist und der Saug- oder Serienschwingkreis elektrisch zwischen die Antennen-Schirmplatte (11) und den Wagenkasten (30) geschaltet ist.
  3. Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Saug- oder Serienschwingkreis für die von der Antenne (10) genutzte Trägerfrequenz niederohmig ist.
  4. Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei ein weiterer Saug- oder Serienschwingkreis zwischen einem in dem Drehgestell (20) angeordneten Radsatz (80) und dem Wagenkasten (30) angeordnet ist.
  5. Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei ein weiterer Saug- oder Serienschwingkreis zwischen einem Außenleiter (51) eines Antennenkabels (50) und der Antenne (10), insbesondere der Antennen-Schirmplatte (11) der Antenne (10), angeordnet ist.
  6. Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei ein weiterer Saug- oder Serienschwingkreis zwischen einem Außenleiter (51) des Antennenkabels (50) und einer elektronischen Baugruppe (60), welche signaltechnisch mit der Antenne (10) verbunden ist, oder deren Gehäuse angeordnet ist.
  7. Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Saug- oder Serienschwingkreis zumindest eine Serienschaltung aus einer Induktivität eines elektrischen Leiters und einer Kapazität aufweist.
  8. Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Saug- oder Serienschwingkreis ferner einen Widerstand, welcher in Serie mit der Induktivität und der Kapazität geschaltet ist, aufweist.
  9. Schienenfahrzeug (40), aufweisend zumindest eine Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
  10. Schienenfahrzeug (40) mit einem Drehgestell (20), einer in oder an dem Drehgestell (20) angeordneten Antenne (10) und einem Wagenkasten (30),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    für einen hochfrequenten Potenzialausgleich
    - zwischen die Antenne (10), insbesondere eine Schirmplatte (11) der Antenne (10), und den Wagenkasten (30) und/oder
    - zwischen einen Außenleiter (51) eines Antennenkabels (50) und die Antenne (10), insbesondere die Antennen-Schirmplatte (11) der Antenne (10), und/oder
    - zwischen einen Außenleiter (51) des Antennenkabels (50) und eine elektronische Baugruppe (60), welche signaltechnisch mit der Antenne (10) verbunden ist, oder das Gehäuse der Baugruppe (60)
    elektrisch ein Saug- oder Serienschwingkreis geschaltet ist, welcher bezüglich einer für eine Signalübertragung mittels der Antenne (10) genutzten Trägerfrequenz abgestimmt ist.
  11. Schienenfahrzeug nach einem der voranstehenden Ansprüche 9 bis 10, wobei
    der Serienschwingkreis für die von der Antenne (10) genutzte Trägerfrequenz niederohmig ist.
  12. Schienenfahrzeug nach einem der voranstehenden Ansprüche 9 bis 11, wobei
    die zumindest eine Fahrzeugantenne (10) eine Fahrzeugantenne (10) des europäischen Zugsicherungssystems ETCS ist.
  13. Schienenfahrzeug nach einem der voranstehenden Ansprüche 9 bis 12, welches als ein elektrischer Triebzug oder als eine Lokomotive ausgestaltet ist.
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