NL1027459C2

NL1027459C2 - Spoorwegbeveiliging met toonfrequente spoorstroomlopen.

Info

Publication number: NL1027459C2
Application number: NL1027459A
Authority: NL
Inventors: Johannes Harm Lukas Hogen Esch
Original assignee: Nedap Nv
Priority date: 2004-11-09
Filing date: 2004-11-09
Publication date: 2006-05-10

Description

r -1- 5

Spoorwegbeveiliging met toonfrequente spoorstroomlopen

De uitvinding betreft een systeem voor het beveiligen van spoorwegen met behulp van overlappende 10 toonfrequente spoorstroomlopen.

Bij de beveiliging van spoorwegen en met name het detecteren van de aanwezigheid van een trein of een gedeelte daarvan in een baansectie wordt gebruik gemaakt van zogenaamde spoorstroomlopen. Hierbij worden de secties 15 van het spoor waarbinnen detectie moet plaatsvinden van elkaar geïsoleerd en wordt een elektrische wisselspanning aangebracht over de rails van een betreffende sectie.

Indien nu een trein deze sectie binnenrijdt, dan sluit de eerste as van het treinstel de rails van de betreffende 20 sectie kort en gaat er een elektrische stroom lopen via de rails en de betreffende as van het treinstel. Op deze wijze kan de aanwezigheid van een treinstel of een gedeelte daarvan worden gedetecteerd.

Een groot nadeel van deze detectiemèthode is, dat 25 er zogenaamde isolatielassen ook wel ES-lassen genaamd in één of beide rails moeten worden aangebracht. Bovendien moeten smoorspoelen over deze isolatielassen worden aangebracht om te zorgen dat de tractiestroom voor het voortbewegen van het treinstel wel via de rails en dus 30 langs de isolatielassen kan worden geleidt. Deze isolatielassen geven veel geluidsoverlast bij het passeren van het treinstel door de oneffenheden bij de overgang en ze zijn erg gevoelig voor vandalisme.

Meer dan de helft van alle storingen in de detectie 35 van treinstellen wordt veroorzaakt door de aanwezigheid van genoemde isolatielassen, waarbij vandalisme in de gevallen met betrekking tot de isolatielassen de grootste 1 (177 4 59 -2- storingsoorzaak is. Indien namelijk de isolatielas wordt kortgesloten door bijvoorbeeld een muntstuk, dan wordt dit door het systeem geïnterpreteerd alsof een treinstel de j betreffende sectie binnenrijdt.

5 Door de isolatielassen wordt er ook voor gezorgd, dat de spanning over de rails ten gevolge van de spoor-stroomlopen overal voldoende hoog is en tenminste 10 volt om te zorgen dat een lichte oxydatie van de rails of de wielen van een treinstel geen problemen geeft bij de \ 10 stroomgeleiding. :

De onderhavige uitvinding, die in hoge mate compatibel is met het bestaande systeem gebaseerd op ES-lassen, beoogt een oplossing voor de genoemde problematiek te bieden en zal in het vervolg aan de hand van enkele 15 figuren worden verduidelijkt.

Figuur 1 toont schematisch een systeem met spoor-stroomlopen volgens de uitvinding.

Figuur 2 toont schematisch de situatie waarbij een treinstel in baansectie (B3) aanwezig is.

20 Figuur 3 toont schematisch de situatie waarbij één treinstel in zowel baansectie (B3) als baansectie (B4) aanwezig is of eventueel twee afzonderlijke treinstellen in elk van de betreffende baansecties.

Figuur 4 toont schematisch de situatie waarbij één 25 treinstel in zowel baansectie (B2) als baansectie (B3) aanwezig is of eventueel twee afzonderlijke treinstellen in elk van de betreffende baansecties.

Bij het systeem met overlappende toonfrequente spoorstroomlopen volgens de uitvinding worden geen 30 isolatielassen toegepast maar worden de rails ter plaatse van de baansectieovergangen afwisselend kortgesloten of voorzien van stroom- en spanningssensoren zoals aangegeven in figuur 1.

De overlappende spoorstroomlopen hebben hierbij 35 verschillende frequenties, waarbij elk van deze stromen ter weerszijden van de bron tenminste twee baansecties bestrijken alvorens te worden kortgesloten door een voor de T 0 27 4 59 ► -3- betreffende spoorstroornloop bedoelde frequentieafhankelijke kortsluiting in de vorm van een impedantie.

In figuur 1 zijn schematisch de baansecties (B1) tot en met (B4) aangegeven, waarbinnen een treinstel of een 5 gedeelte daarvan gedetecteerd moet kunnen worden bijvoorbeeld ten behoeve van het aankondigen van een overweg.

Aan het begin van baansectie (BJ worden de rails kortgesloten door middel van twee frequentieafhankelijke 10 kortsluitingen ofwel impedanties (Zf 0) en (Zf2) en wordt een stroombron aangebracht met frequentie (f 3). Op de overgang van baansectie (B2) naar baansectie (B3) worden de rails kortgesloten door middel van twee frequentieafhankelijke impedanties (Zfχ) en (Zf3) en wordt een stroombron aange-15 bracht met frequentie (f2). Op overeenkomstige wijze worden aan het einde van baansectie (B4) de rails kortgesloten door middel van twee frequentieafhankelijke impedanties (Zf2) en (Zf0) en wordt een stroombron aangebracht met frequentie (f3> 20 De frequentieafhankelijke impedanties {Zf0) tot (Zf3), die bestaan uit een serieschakeling van een spoel en een condensator hebben een zo laag mogelijkê impedantie voor respectievelijk de frequentie (f0) tot (f3) en bij voorkeur kleiner dan 1 ohm, waarbij de frequenties (f0) tot 25 (f3) variëren van ongeveer 700 Hertz tot 1100 Hertz.

De reden voor het toepassen van meerdere frequenties en het laten overlappen van de spoorstroomlopen is, dat er daardoor en door het injecteren van voldoende stroom via de stroombronnen voor kan worden gezorgd, dat de 30 elektrische wisselspanning over de rails overal meer dan 10 volt bedraagt, hetgeen tezamen met het weglaten van de isolatielassen één van de unieke kenmerken is van de onderhavige uitvinding. Kenmerkend is verder, dat per twee baansecties slechts één voedingsbron nodig is voor de over-35 lappende toonfrequente spoorstroomlopen en dat het systeem volgens de uitvinding statisch is en niet afhankelijk van het zich voortbewegen vaii treinstellen waardoor, 1027459 -* -4- bijvoorbeeld na een storing, geen inschakelprocedures nodig zijn bij inbedrijfname.

Op regelmatige afstanden, bijvoorbeeld ter plaatse van de frequentieafhankelijke impedanties en de stroom-5 bronnen, wordt een smoorspoel (d) aangebracht, welke voor de gelijkstroom of de laagfrequente wisselstroom voor de tractie van het treinstel een geringe impedantie vormt maar voor de frequenties (f0) tot (f3) een relatief grote impedantie. Dit wordt gedaan om te voorkomen dat er grote 10 spanningsverschillen tussen de rails ontstaan tengevolge van de tractiestromen voor het aandrijven van de treinstellen.

Verder zijn bij het systeem volgens de uitvinding en zoals aangegeven in figuur 1 op de overgang van baan-15 sectie (Bj naar baansectie (B2) langs de buitenzijde van de rails inductieve stroomsensoren (S^) aangebracht gevoelig voor de frequenties (fx) en (f2) en bovendien wordt op deze positie de spanning over de rails (V) gemeten. Deze inductieve stroomsensoren bestaan uit een spoel, al dan 20 niet gewikkeld op een ferrietkern welke haaks op de stroomrichting in de rails wordt gepositioneerd, dus in de richting van het elektromagnetische veld dat door de stroom in de rails wordt opgewekt. Ter weerszijden van de aan-sluitpunten van de stroombronnen met frequentie (fx) tot 25 (f3) bevinden zich eveneens identieke stroomsensoren die behalve voor de frequentie van de stroombron waarbij ze zijn aangebracht ook gevoelig zijn voor de frequentie van de eerstvolgende aangrenzende stroombron.

Aangrenzend rechts van baansectie (B4) kan evenals 30 aangrenzend links van baansectie (BJ opnieuw dezelfde frequentie (f0) voor de eerstvolgende stroombron worden genomen aangezien deze stroombronnen geen invloed op elkaar uitoefenen doordat ze eerder worden kortgesloten door een frequentieafhankelijke impedantie (zfQ).

35 In figuur 1 zijn ook nog schematisch de onder stat ions (O) aangegeven waar de hoogspanningsvoeding voor de tractie van de treinstellen wordt aangevoerd naar de 1027459 -5- bovenleiding en via de rails retour komt. Op de aansluit-punten hiervoor zijn eveneens smoorspoelen (d) tussen de rails aangebracht om te vermijden dat spanningsverschillen over de rails ontstaan tengevolge van de tractiestroom.

5 Bovendien zijn op deze plaatsen overslag bruggen aangebracht ter beveiliging tegen inslag tijdens onweer.

In figuur 2 is schematisch aangegeven hoe de detectiestromen lopen indien er een treinstel in baansectie (B3) aanwezig is die stilstaat, of rijdt in de richting van 10 baansectie (B4). Vanaf de bron (f2) loopt een stroom (I2), die zich splitst over de baansecties (B2) en (B3) en die wordt gedetecteerd door de inductieve stroomsensoren (S2.3) die zich direct bij de bron aan het begin van baansecties (B2) en (B3) bevinden. De stroom (I2) in baansectie (B3) 15 wordt kortgesloten door de achterste as van het treinstel en wordt dus niet gedetecteerd door de inductieve stroomsensoren (S2_3) die zich op de overgang van baansectie (B3) naar baansectie (B4) bevinden en ook niet door de stroomsensoren (S2.3) die zich direct voor de frequentie-20 afhankelijke impedantie (Zf2) en bron (f3) bevinden. Hieruit kan worden afgeleid, dat zich een treinstel in baansectie (B3) bevindt.

Stroom (I3) van bron (f3) wordt in plaats van door frequentieafhankelijke impedantie (Zf3) kortgesloten door de 25 voorste as van het treinstel in baansectie (B3). Deze stroom wordt dus behalve door de inductieve stroomsensoren (S2_3) die zich vlak bij de bron (f3) bevinden ook gedetecteerd door de stroomsensoren (S2_3) die zich bij de overgang van baansectie (B3) naar baansectie (B4) bevinden. Hieruit kan 30 worden afgeleid, dat zich geen treinstel in baansectie (B4) bevindt maar wel een treinstel in baansectie (B3).

Uit bovenstaand voorbeeld blijkt, dat er redundante informatie aanwezig is waardoor de veiligheid en betrouwbaarheid van het detectiesysteem volgens de uitvinding 35 aanzienlijk wordt verhoogd. Ook is de detectiemethode volgens de uitvinding fail-safe omdat het uitvallen van een onderdeel van het systeem tot gevolg heeft dat er een 1027459 -6- positieve detectie van een treinstel plaatsvindt in een betreffende baansectie.

In figuur 3 is schematisch de situatie aangegeven indien zich een treinstel boven de scheiding tussen baan-5 sectie (B3) en baansectie (B4) bevindt met assen in beide baansecties. Deze situatie komt overeen met de situatie waarbij zich in elke baansectie afzonderlijk een treinstel bevindt.

Zowel de stroom (I2) van bron (f2) als de stroom 10 (Ij) van bron (f3) wordt wel door de inductieve stroom-sensoren (S2_3) die zich direct bij de bronnen bevinden gedetecteerd maar niet door de stroomsensoren (S2_3) die zich op de overgang van baansectie (B3) naar baansectie (B4) bevinden. Hieruit kan worden afgeleid, dat zich ofwel een 15 treinstel op de overgang van baansectie (B3) naar baansectie (b4) bevindt, ofwel een afzonderlijk treinstel in baansectie (B3) en een afzonderlijk treinstel in baansectie (B4) . Uit eerdere informatie kan worden afgeleid welke van deze twee mogelijkheden van toepassing is.

20 Figuur 4 toont schematisch een overeenkomstige situatie waarbij zich een treinstel boven de overgang van baansectie (B2) naar baansectie (B3) bevindt ofwel een afzonderlijk treinstel in baansectie (B2) en een afzonderlijk treinstel in baansectie (B3) . De stroomlopen in de 25 baansecties (B3) en (B4) zijn overeenkomstig die van figuur 2. Op overeenkomstige wijze als boven beschreven kan voor de baanvakken (B3) en (B2) worden afgeleid dat zich geen treinstel in baansectie (B2) bevindt maar wel een treinstel in baansectie (B2) .

30 Door binnen een baansectie meerdere stroomsensoren toe te passen kan de positie van een treinstel binnen een sectie ook nog nauwkeuriger worden bepaald. Wel mag zich in dit geval slechts één treinstel in een betreffende sectie bevinden.

35 Indien ter plaatse van een overgang van baansecties waar geen stroombron aanwezig is ook de spanning over de rails gemeten wordt en met name de fase van deze spanning 1027459 ► -7- ten opzichte van de fase van de stroom, dan kan worden bepaald uit welke richting de energie van de betreffende spoorstroomloop komt. Met deze informatie kan eventueel worden vastgesteld dat de betreffende energie uit de 5 verkeerde richting komt en dat een frequentieafhankelijke impedantie, die in deze verkeerde richting aanwezig zou moeten zijn, niet aanwezig is of niet goed functioneert.

Om onderscheid te maken tussen verschillende stroombronnen met dezelfde frequentie en zodoende toch te 10 bepalen van welke bron de stroom afkomstig is, is het ook mogelijk hierop door middel van modulatie een codering aan te brengen die bij de stroomsensoren kan worden gedecodeerd.

Alle informatie afkomstig van de stroomsensoren en 15 de spanningsmetingen kan met behulp van een communicatielijn en een hiervoor geschikt protocol, zoals bijvoorbeeld het bekende TCP/IP protocol van alle meetpunten naar een centrale regelunit, of naar meerdere regelunits bijvoorbeeld per baansectie, worden gezonden. Hier kan deze 20 informatie bijvoorbeeld worden verwerkt voor signalering ten behoeve van de machinisten of ten behoeve van het aansturen van overwegbeveiligingen.

Theoretisch zou in het beveiligingssysteem volgens de uitvinding gebruik kunnen worden gemaakt van 25 opslingering van de elektrische spanning tussen de rails indien de frequentie van de spoorstroomlopen in de buurt van de resonantiefrequentie van een baansectie wordt gekozen, die voor een baansectie van 1000 meter ligt in de buurt van 5000 Hertz. Simulaties van deze situatie met 30 gebruikmaking van elektrische parameters zoals elektrische weerstand van de rail en van de treinassen, zelfinductie, de capaciteit tussen de rails en de capaciteit tussen de rails en aarde, tonen aan dat de varaties in deze parameters onder invloed van weersomstandigheden en 35 seizoensomstandigheden dermate groot zijn dat geen stabiele treindetectie kan worden bereikt.

1027459

Claims

1. Een beveiligingssysteem voor spoorwegen gebaseerd op het detecteren van de aanwezigheid van een treinstel 5 in een baansectie met het kenmerk, dat voor deze detectie overlappende toonfrequente spoorstroomlopen worden toegepast, waarbij de overlappende stroomlopen verschillende frequenties hebben en waarbij elk van deze stromen ter weerszijden van de bron tenminste 10 twee baansecties bestrijken alvorens te worden kortgesloten door een voor de betreffende spoor-stroomloop bedoelde frequentieafhankelijke kortsluiting in de vorm van een impedantie.

2. Een beveiligingssysteem voor spoorwegen volgens de vorige conclusie met het kenmerk, dat door het toepassen van overlappende toonfrequente spoorstroomlopen de elektrische wisselspanning tussen de rails op elke positie binnen een baansectie voldoende 20 is om geen hinder te ondervinden van oxydatie van de rails of de wielen van een trein, hetgeen betekent dat deze wisselspanning overal tenminste meer dan 10 volt moet bedragen.

3. Een beveiligingssysteem voor spoorwegen volgens één of beide voorgaande conclusie(s) met het kenmerk, dat in de rails geen isolatielassen worden aangebracht, zodat de met deze isolatielassen samenhangende geluidshinder en storingsgevoeligheid komen te vervallen. 30

4. Een beveiligingssysteem voor spoorwegen volgens één of meerdere voorgaande conclusie(s) met het kenmerk, dat met dit systeem statische detectie van treinstellen mogelijk is, zodat bijvoorbeeld na een storing geen 35 specifieke inschakelprocedures nodig zijn bij inbedrijfname. 1027459

5. Een beveiligingssysteem voor spoorwegen volgens één of I meerdere voorgaande conclusie(s) met het kenmerk, dat I op regelmatige afstanden, bijvoorbeeld ter plaatse van I de stroombronnen, smoorspoelen tussen de rails worden 5 aangebracht om te zorgen dat er geen grote spannings- I verschillen tussen de rails ontstaan tengevolge van de I tractiestromen voor het aandrijven van de I I treinstellen. I

6. Een beveiligingssysteem voor spoorwegen volgens één of I meerdere voorgaande conclusie(s) met het kenmerk, dat I voor het meten van de stromen ten behoeve van de I spoorstroomlopen gebruik wordt gemaakt van inductieve I stroomsensoren, die bestaan uit een spoel, al dan niet I 15 gewikkeld op een ferrietkern, die op zodanige wijze I langs de rails worden geplaatst, dat ze het elektro- I magnetische veld oppikken, dat wordt veroorzaakt door I de spoorstroomlopen in de rail. I

7. Een beveiligingssysteem voor spoorwegen volgens één of I meerdere voorgaande conclusie(s) met het kenmerk, dat I door het overlappen van de spoorstroomlopen redundante I informatie met betrekking tot de aanwezigheid van I treinstellen in baansecties beschikbaar komt, dat I 25 zorgt voor extra veiligheid en betrouwbaarheid in het beveiligingssysteem.

8. Een beveiligingssysteem voor spoorwegen volgens één of meerdere voorgaande conclusie(s) met het kenmerk, dat 30 het beveiligingssysteem fail-safe is, omdat het uitvallen van systeemdelen leidt tot een positieve herkenning van een treinstel in een betreffende baansectie. 1027459 k -10-

9. Een beveiligingssysteem voor spoorwegen volgens één of meerdere voorgaande conclusie(s) met het kenmerk, dat de positie van een treinstel in een sectie nauwkeuriger kan worden bepaald, door het toepassen 5 van meerdere stroomsensoren in de betreffende sectie.

10. Een beveiligingssysteem voor spoorwegen volgens één of meerdere voorgaande conclusie(s) met het kenmerk, dat door het meten van de fase van de spanning over de 10 rails ten opzichte van de fase van de stroom in de rails bepaald kan worden uit welke richting de energie van een spoorstroomloop komt, waardoor eventuele storingen met betrekking tot de frequentieafhankelijke impedanties kunnen worden gedetecteerd. 15

11. Een beveiligingssysteem voor spoorwegen volgens één of meerdere voorgaande conclusie(s) met het kenmerk, dat met behulp van modulatie een codering op de spoor-stroomlopen wordt aangebracht, zodat elke stroombron 20 afzonderlijk herkend kan worden.

12. Een beveiligingssysteem voor spoorwegen volgens één of meerdere voorgaande conclusie(s) met het kenmerk, dat een communicatielijn wordt gebruikt om alle informatie 25 van de stroomsensoren en de spanningsmetingen naar een centrale regelunit of naar regelunits per baansectie te zenden. 1027459