EP4786305A1

EP4786305A1 - Verfahren zur detektion von schienenfahrzeugen mittels eines eisenbahngleisstromkreises

Info

Publication number: EP4786305A1
Application number: EP25154731.1A
Authority: EP
Inventors: Rolf Schmid
Original assignee: Siemens Mobility AG
Current assignee: Siemens Mobility AG
Priority date: 2025-01-29
Filing date: 2025-01-29
Publication date: 2026-08-05
Also published as: WO2026162177A1

Abstract

Der vorliegenden Erfindung offenbart ein Verfahren und ein System zur Detektion von Schienenfahrzeugen innerhalb eines vorbestimmten Gleisabschnitts mittels eines Eisenbahngleisstromkreises, bei dem:
a) eine Länge des Gleisabschnitts über einen an zwei Enden unterbrochenen Schienenstrang definiert wird;
b) an einem Ende des Schienenstranges eine Wechselspannung mit einer ersten Amplitude und einer ersten Frequenz als Eingangssignal eingespeist wird;
c) periodisches impulsartiges Einspeisen der Wechselspannung mit einer zweiten gegenüber der ersten Amplitude erhöhten Amplitude über eine vorbestimmte Zeitdauer und/oder periodische impulsartiges Pausieren der Wechselspannung und Einspeisen einer weiteren Wechselspannung mit einer von der ersten Frequenz verschiedenen Frequenz;
d) an dem anderen Ende des Schienenstranges ein Ausgangssignal abgegriffen wird;
e) das abgegriffene Ausgangssignal hinsichtlich seiner Anteile in der ersten Frequenz analysiert wird; und
f) in Abhängigkeit von der Analyse anhand von Grenzwertvergleichen entschieden wird, welchen Zustand der Gleisabschnitt aufweist.

Auf diese Weise stellt die vorliegende Erfindung eine Lösung bereit, bei der das bereits vorhandene Gleisstromkreis-Signal (GSK-Signal) entweder durch eine dauernd anliegende oder zyklisch erhöhte Spannung überlagert wird oder durch ein in zyklischen Pausen des GSK-Signals an dessen Stelle tretendes eingespeistes erhöhtes Spannungssignal ergänzt wird. Durch die zeitweise erhöhte Spannung wird die isolierende Rostschicht durchbrochen, so dass auch der Gleichstromkreis mit den relativen tiefen Amplituden eine die beiden Gleise im beobachteten Gleisabschnitt kurzschliessende Achse erkennen kann.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Detektion von Schienenfahrzeugen mittels eines Eisenbahngleisstromkreises.
Für die Betriebsführung von Eisenbahnen ist die Information über die Belegung eines Gleisabschnitts durch ein Fahrzeug unbedingt erforderlich. Sie spielt beim Stellen und Auflösen von Fahrstrassen eine wichtige Rolle. Für die Erkennung einer Belegung existieren zahlreiche verschiedene Techniken. Ausgangslage dieser Erfindung ist der weit verbreitete Gleisstromkreis mit dem klassischen technischen Ansatz des Stromkreises. Das Funktionsprinzip ist relativ einfach und wird kurz vorgestellt. Eine Schiene des zu überwachenden Gleises wird an zwei Stellen aufgetrennt und isoliert. Der Sender legt an einem Ende des isolierten Abschnitts eine Spannung an. Der Empfänger am anderen Abschnittsende wertet diese Spannung aus. Wenn ein Zug in den Abschnitt einfährt, schliessen seine Achsen die zwei gegeneinander isolierten Schienen des Gleises kurz und legen das Gleis an die Bahnerde. Das Empfangssignal wird dadurch unterdrückt. Die Auswertung nach dem Empfänger meldet den Abschnitt als belegt. Ein derartige Gleisstromkreissystem ist beispielsweise aus der internationalen Patentanmeldung WO 2008/052643 A2 bekannt.
Auf diesem Grundprinzip aufbauend existiert eine Vielzahl von sehr unterschiedlichen Produkten. Sie unterscheiden sich wesentlich in Bezug auf das gewählte Sendesignal und die Auswertung im Empfangsteil. Es gibt jedoch auch so genannte stossfreie Gleisstromkreise. Diese haben jedoch eine gewisse Überlappung an den Grenzen zwischen zwei benachbarten Kreisen. Dadurch sind trennscharfe Belegungen, so zum Beispiel im Bereich von Weichen und Kreuzungen, nicht möglich.
Ein im Stand der Technik bekannte Ausführungsform ist der klassische DC-Gleisstromkreis. Dieses Prinzip betreibt einen DC-Stromkreis am Gleisabschnitt und darin liegen seriell die zwei Schienen mit der variablen Grösse des Bettungswiderstandes. Der Achsnebenschluss bei einer Befahrung reduziert den Widerstand im Kreis. Das Prinzip arbeitet wie in der Figur 1 dargestellt. Die einfachste Lösung ist die Verwendung eines Relais als Empfänger seriell im Stromkreis für die Detektion der Belegung des Abschnittes.
Eine weitere bekannte Ausführungsform sieht die Speisung des GSK (Gleisstromkreises) mittels eines Drehstromnetzes vor. Dabei kommt es bei einer Befahrung zu einer Verstimmung einer Einrichtung einer Art von Differenzial-Transformator oder auch eine Art elektrischer Welle respektive Motor. Beim Hersteller Siemens wird ein solches Produkt als Motorrelais bezeichnet. Bei einer Befahrung kommt es zu einer Veränderung des Kreises bezüglich der folgenden Parameter, nämlich Frequenzspektrum, Phase, Leistung. Dabei wirkt die Masse des Motors-Rotors als ein Trägheitsfilter mit Anzugsverzögerung zum Unterdrücken von kurzzeitigen Störeinwirkungen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik bleibt es daher dennoch wünschenswert, die Zuverlässigkeit von Gleisstromkreisen und ihre Robustheit gegenüber elektromagnetischen Störeinflüssen weiter verbessern zu können.
Eine Lösung hierzu vermittelt die o.g. internationalen Patentanmeldung, WO 2008/052643 A2 , bei der diese Aufgabe durch ein System und ein Verfahren zur Gleisfreimeldung eines Abschnitts einer Gleisstrecke gelöst wird, indem:

a) eine Länge des Abschnitts über einen an zwei Enden unterbrochenen Schienenstrang definiert wird;
b) an einem Ende des Schienenstranges eine Wechselspannung mit zwei alternierenden Frequenzen als Eingangssignal eingespeist wird;
c) an dem anderen Ende des Schienenstranges ein Ausgangssignal abgegriffen wird;
d) das abgegriffene Ausgangssignal hinsichtlich seiner Anteile in den beiden Frequenzen analysiert wird; und
e) in Abhängigkeit von der Analyse anhand von Grenzwertvergleichen entschieden wird, welchen Zustand der Gleisabschnitt aufweist.

Auf diese Weise wird zur Feststellung einer Gleisbelegung die mit einem definierten Tastverhältnis eingespeiste definierte Wechselspannung herangezogen, welche vorzugsweise frequenzmässig keine Übereinstimmung mit den Harmonischen zu den eingesetzten Frequenzen der Traktionsversorgung aufweist. Die gewählte Tastfrequenz kann in Antwort auf die erforderlichen Antwortzeiten für die Bereitstellung der sicherungstechnischen Betriebszustände festgelegt werden.
Ungeachtet dieser vergleichsweisen spezifischen Lösung existieren auch noch eher «triviale» Gleisstromkreise, weil eben Gleisstromkreise bereits seit Jahrzehnten für das Erkennen eines Schienenfahrzeuges auf einem bestimmten durch den Gleisstromkreis definierten Gleisabschnitt eingesetzt werden. Nicht wie bei den Achszählern, besitzt der Gleisstromkreis kein Gedächtnis bzw. einen Speicher, welcher Parameter der Einfahrt bzw. des Ausfahrtvorgangs (Einzählspeicher der Achsen) speichert und miteinander vergleicht. Der Gleichstromkreis überwacht mit seinem Prüfstrom bzw. seiner Prüfspannung den Achswiderstand. Gemäss beispielsweise in der Schweiz geltender Sicherheitsbestimmungen muss dieser kleiner 0.1 Ohm betragen.
Um sicherzustellen, dass der Gleisabschnitt die elektrische Kontaktfähigkeit zum Schienenrad nicht verliert, müssen selten befahrene Abschnitte zyklisch befahren werden. Meist wird ein Befahrungsintervall von 72h oder kleiner angewendet. Dies erzeugt einen logistischen Mehraufwand und fordert den Bahnbetreiber immer mehr heraus, da es sich auch um Abstellgleise handeln kann (Rangierbewegung von Neben- auf Hauptgleise).
Wie in Figur 1 gezeigt, basieren viele im Einsatz befindliche Gleisstromkreissysteme auf einem Gleisstromkreissystem mit Prüfstrom.
Die heutige noch weit verbreitete Technologie basiert auf dem Einspeisen einer Spannung von 12VDC, Niederfrequenzsignale mit max. Amplitude von 4Veff und Mittelfrequenzsignale bis 20kHz mit sehr kleinen Amplituden. Die Limitierung der Einspeisespannung auf ca. 4V ist historisch, da die Sensibilität von Tieren (Pferde) auf Bahnübergängen mitberücksichtigt wurden. Bildet sich Rost, dann reicht eine relative dünne Isolationsschicht (Rostschicht), dass das Gleisfreimeldesystem fälschlicherweise frei meldet, weil die Rostschicht die elektrische Leitfähigkeit zwischen Schienenrad und Schiene unterbricht.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Detektion von Schienenfahrzeugen mittels eines Eisenbahngleisstromkreises anzugeben, bei dem die Detektion eines Schienenfahrzeugs innerhalb eines vorgegebenen Gleisabschnitts auch bei nur sporadisch befahrenen Gleisen sichergestellt ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch ein Verfahren zur Detektion von Schienenfahrzeugen innerhalb eines vorbestimmten Gleisabschnitts mittels eines Eisenbahngleisstromkreises gelöst, bei dem:

a) eine Länge des Gleisabschnitts über einen an zwei Enden unterbrochenen Schienenstrang definiert wird;
b) an einem Ende des Schienenstranges eine Wechselspannung mit einer ersten Amplitude und einer ersten Frequenz als Eingangssignal eingespeist wird;
c) periodisches impulsartiges Einspeisen der Wechselspannung mit einer zweiten gegenüber der ersten Amplitude erhöhten Amplitude über eine vorbestimmte Zeitdauer und/oder periodische impulsartiges Pausieren der Wechselspannung und Einspeisen einer weiteren Wechselspannung mit einer von der ersten Frequenz verschiedenen Frequenz;
d) an dem anderen Ende des Schienenstranges ein Ausgangssignal abgegriffen wird;
e) das abgegriffene Ausgangssignal hinsichtlich seiner Anteile in der ersten Frequenz analysiert wird; und
f) in Abhängigkeit von der Analyse anhand von Grenzwertvergleichen entschieden wird, welchen Zustand der Gleisabschnitt aufweist.

Auf diese Weise stellt die vorliegende Erfindung eine Lösung bereit, bei der das bereits vorhandene Gleisstromkreis-Signal (GSK-Signal) entweder durch eine dauernd anliegende oder zyklisch erhöhte Spannung überlagert wird oder durch ein in zyklischen Pausen des GSK-Signals an dessen Stelle tretendes eingespeistes erhöhtes Spannungssignal ergänzt wird. Durch die zeitweise erhöhte Spannung wird die isolierende Rostschicht durchbrochen, so dass auch der Gleichstromkreis mit den relativen tiefen Amplituden eine die beiden Gleise im beobachteten Gleisabschnitt kurzschliessende Achse erkennen kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann der Gleisabschnitt auf die Zustände "FREI", "BELEGT" und "GE-STÖRT" geprüft werden.
Zur Erzielung der geforderten Sicherheit der Gleisfreimeldung kann das Ausgangssignal dreikanalig analysiert werden.
Ebenso in praktischer Weiterbildung der vorläufigen Erfindung kann das Ausgangssignal zumindest in zwei Kanälen Bandpass-gefiltert werden, wobei die Durchlassfrequenz des Bandpasses der Frequenz des Eingangssignals im Wesentlichen entspricht.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1: in schematischer Darstellung das Grundprinzip eines Gleisstromkreises, hier in der zeichnerischen Darstellung mit zwei nebeneinander liegenden Gleisstromkreisen;
Figur 2: in schematischer Darstellung eine erste Variante für eine Bereitstellung eines temporären Fritting-Signals im Rahmen der Einspeisung des Wechselstrom-Signals in den Gleisstromkreis;
Figur 3: in schematischer Darstellung eine zweite Variante für eine Bereitstellung eines temporären Frittung-Signals im Rahmen der Einspeisung des Wechselstrom-Signals in den Gleisstromkreis; und
Figur 4: in schematischer Darstellung das Wechselstromsignal gemäss der ersten Variante mit zwei amplitudenmässig erhöhten Signalperioden.

Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung das Grundprinzip eines Gleisstromkreises 2, hier in der zeichnerischen Darstellung mit zwei nebeneinander liegenden Gleisstromkreisen 2a, 2b. Jeder der beiden Gleisstromkreise 2a und 2b dient der Belegmeldung für jeweils einen Gleisabschnitt 4a und 4b. Mittels Gleistransformatoren 6a, 6b wird den. Sie transformieren die gesendete hohe Spannung auf einem Kabel 8a, 8b zur Energieversorgung, beispielsweise aus dem Stellwerk, in eine für Gleisanlagen zulässige Kleinspannung von wenigen Volt. Sie sind zusätzlich mit einem Hochpassfilter ausgerüstet. Diese schützen die Elektronik des Senders und Empfängers vor den energiereichen Störeinwirkungen der Traktionsströme aus den 16,7 Hz resp. 50 Hz Traktionsnetzen der Bahnen.
Der Gleisstromkreis 2a, 2b kann beispielsweise ein Sinussignal (auch pausenmoduliert möglich) mit einer auswählbaren Grundfrequenz von 137,5 Hz, 175 Hz oder 225 Hz verwenden. Das Gesamtsystem ist dabei immer so eingestellt, dass auf der Einspeisungsseite nie die gleiche Frequenz verwendet wie derjenigen des Nachbarabschnitts (siehe auch den Unterbruch in der Mitte zwischen den beiden Gleisabschnitten 4a, 4b. Gegenüberliegend zur Einspeisung wird das Gleisstromsignal auf einer Ausspeiseseite 10a, 10b detektiert.
Für den Gleisstromkreis 2a ist nun eine Situation gezeigt, wo der Gleisstromkreis für diesen Gleisabschnitt 4a im Ergebnis eine Freimeldung generiert. Da sich auf diesem Gleisabschnitt 4a keine Zugachse befindet, die die beiden Gleisstränge des Gleisabschnitts 4a kurzschliessen können, liegt das Einspeisesignal nahezu unverändert auch wieder auf der Ausspeiseseite 10a vor. Demgegenüber schliesst im Gleisabschnitt 4b eine Zugachse 12 die beiden Schienenstränge des Gleisabschnitts 4b kurz, was dazu führt, dass auf der Ausspeiseseite das Eingangssignal praktisch nicht mehr detektierbar ist.
Mit den in den Figuren 2 und 3 gezeigten Varianten für die Bereitstellung eines temporär überhöhten Gleisstromsignals wird die Idee aufgegriffen, dass das bereits vorhandene Gleisstromkreis-Signal mit einer zyklisch anliegenden Wechselspannung überlagert wird bzw. in Pausen des Gleisstromkreissignals an dessen Stelle tritt. Durch die zeitweise erhöhte Spannung wird eine isolierende Rostschicht, die sich auf den Schienensträngen besonders bei nur gering befahrenen Gleisabschnitten bilden kann, durchbrochen, so dass auch ein Gleichstromkreis mit den relativen tiefen Amplituden die Zugachse 12 erkennen kann. Die Rückwirkungsfreiheit kann gezeigt werden, wenn dieses Signal im Frequenzbereich um Faktor 1.5 bis 10 vom installierten Gleisstromkreis entfernt ist, oder so kurz ist, dass es zu keiner Beeinflussung kommt.
Die Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung eine erste Variante für eine Bereitstellung eines temporären Fritting-Signals im Rahmen der Einspeisung des Wechselstrom-Signals in den Gleisstromkreis 2a. Bei dieser Variante wird ein Bypass (Booster) 14 zyklisch, beispielsweise alle 1 bis 60s, für eine vorgebbare Anzahl von Perioden des AC-Einspeisesignals eingeschaltet, wodurch das Gleisstromkreis-Signal am Empfänger (Ausspeiseseite 10a) nicht zu stärk verfälscht wird. Das geboosterte Einspeisesignal ist beispielsweise mit einer Amplitudenüberhöhung für die Dauer von zwei Signalperioden in Figur 4 dargestellt.
Die Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung eine zweite Variante für eine Bereitstellung eines temporären Frittung-Signals im Rahmen der Einspeisung des Wechselstrom-Signals in den Gleisstromkreis. Hier ist ein eigener Einspeisestrang 16 vorgesehen, der sich in Perioden des pausierten Gleisstromkreis-Signals einschaltet und neben einer höheren Amplitude auch eine deutlich von der Frequenz des Gleisstromkreis-Signals verschiedene Frequenz aufweist, sodass dieses Frittungs-Signal auch auf der Ausspeiseseite 10a neben dem eigentlichen Gleisstromkreissignals wieder sicher erkannt werden kann.

Claims

Verfahren zur Detektion von Schienenfahrzeugen innerhalb eines vorbestimmten Gleisabschnitts (4a, 4b) mittels eines Eisenbahngleisstromkreises (2, 2a, 2b), bei dem:
a) eine Länge des Gleisabschnitts über einen an zwei Enden unterbrochenen Schienenstrang definiert wird;

b) an einem Ende des Schienenstranges eine Wechselspannung mit einer ersten Amplitude und einer ersten Frequenz als Eingangssignal eingespeist wird;

c) periodisches impulsartiges Einspeisen der Wechselspannung mit einer zweiten gegenüber der ersten Amplitude erhöhten Amplitude über eine vorbestimmte Zeitdauer und/oder periodische impulsartiges Pausieren der Wechselspannung und Einspeisen einer weiteren Wechselspannung mit einer von der ersten Frequenz verschiedenen Frequenz;

d) an dem anderen Ende des Schienenstranges ein Ausgangssignal abgegriffen wird;

e) das abgegriffene Ausgangssignal hinsichtlich seiner Anteile in der ersten Frequenz analysiert wird; und

f) in Abhängigkeit von der Analyse anhand von Grenzwertvergleichen entschieden wird, welchen Zustand der Gleisabschnitt aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Gleisabschnitt auf die Zustände "FREI", "BELEGT" und "GESTÖRT" geprüft wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Ausgangssignal dreikanalig analysiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Ausgangssignal zumindest in zwei Kanälen Bandpass-gefiltert wird, wobei die Durchlassfrequenzen der Bandpässe der Frequenz des Eingangssignals im Wesentlichen entspricht.