WO2024068237A1 - Überwachung der korrekten funktion eines hauptschalters eines schienenfahrzeugs - Google Patents

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WO2024068237A1
WO2024068237A1 PCT/EP2023/074723 EP2023074723W WO2024068237A1 WO 2024068237 A1 WO2024068237 A1 WO 2024068237A1 EP 2023074723 W EP2023074723 W EP 2023074723W WO 2024068237 A1 WO2024068237 A1 WO 2024068237A1
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current
monitoring
rail vehicle
main switch
mains
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PCT/EP2023/074723
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Inventor
György Juhasz
Hartmut Niemann
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Siemens Mobility GmbH
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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0023—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L9/00—Electric propulsion with power supply external to the vehicle
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2270/00—Problem solutions or means not otherwise provided for
    • B60L2270/20—Inrush current reduction, i.e. avoiding high currents when connecting the battery

Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring the function of a main switch of a rail vehicle supplied with electrical mains power via a power supply line of a traction power network.
  • the invention also relates to a monitoring device.
  • the invention also relates to a rail vehicle.
  • High-voltage primary current from the overhead line flows through the high-voltage circuit.
  • This primary current is taken up by a current collector and transformed down to a lower electrical voltage by a main transformer.
  • the lower electrical voltage is then converted into an intermediate circuit direct voltage for a traction intermediate circuit via a power converter and a four-quadrant divider.
  • the traction motors which are operated with three-phase current, are supplied with three-phase current from the traction intermediate circuit via a pulse inverter.
  • main switch On the primary current side or There is a main switch in the high voltage circuit with which the electrical functional units of the electrified rail vehicle are disconnected from the high voltage or The contact line can be separated so that the power supply is interrupted. This process is also known as “opening” the main switch. If the main switch is defective, an untimely, i.e. unexpected, mains current will occur despite the main switch being open, which will be transmitted by the main transformer.
  • This untimely mains current occurs when the pantograph contacts the overhead line, for example before starting. ted. This results in a so-called untimely transformer inrush. D. H . If the main transformer is switched on unintentionally, a greatly increased inrush current can occur if the phase position of the electrical voltage is unfavorable because the iron core of the main transformer is driven into saturation. If the four-quadrant divider is blocked during such a transformer inrush, an idle current occurs in the primary winding of the main transformer. This effect is also known as the rush effect, transformer inrush or switch-on rush. The level of the switch-on current depends on the switch-on time in relation to the time course of the applied alternating voltage and the magnetic flux stored in the transformer core, the residual magnetism. Such an effect occurs when the main switch is incorrectly closed undetected and results in the entire primary and secondary side electrical system being energized at an inopportune time.
  • the high-voltage circuit also contains a primary current transformer, which is used to reduce a very high primary current to smaller values.
  • the primary current transformer measures the primary current that is tapped from the traction power network via the current collector. It converts this primary current into a measurable, weaker current that is suitable for normal devices. For example, 600 amps becomes 1 amp for the actual value recording of the vehicle control system.
  • the primary current transformer is designed for high currents, for example 1000 amps, it cannot measure small currents precisely.
  • the idle current mentioned is usually less than 1 amp and is therefore not reliably detected by the primary current transformer.
  • An undetected main switch defect is particularly problematic if, before closing the main switch, after lifting the current collector or after opening the main switch, actions such as discharging the intermediate circuit, moving isolators or regrouping converter elements via switching drums are carried out require safe separation from the feed. A failure of the main switch and the main switch monitoring can lead to serious damage to the power converter or even the destruction (fire) of the locomotive. Detecting an incorrectly closed main switch is therefore very important for safe operation.
  • a voltage relay is installed, which requires additional hardware.
  • the voltage relay signals a mains voltage on the transformer side of the main switch, preferably on the secondary side of the main transformer.
  • the mains filter current can be monitored.
  • this method is limited to rail vehicles with such a network filter and may require. also additional hardware equipment.
  • Another option is to monitor for untimely mains current using a primary current transformer. As already mentioned, however, this monitoring using a primary current transformer is inaccurate. The no-load current of a transformer cannot be measured reliably; the inrush when the pantograph is raised when the main switch is defective can be measured, but it only occurs the next time the power is switched on at the earliest and is then dependent on factors such as the phase position of the mains voltage.
  • Interference current monitoring has been and is used to date to monitor the mains current of a rail vehicle with regard to low-frequency alternating current components in order to detect a disturbance in the monitoring of a section of route by a track vacancy detection system in the frequency range of a track voltage of a generator of the track vacancy detection system, for example around a frequency of 42 Hz.
  • Such monitoring of a route section is illustrated in FIGS. 3 to 5.
  • the spectral component with the nominal frequency of the overhead line network is referred to as “mains current” and all other spectral components are summarized under the term “interference current”.
  • the task is therefore to enable more precise and timely detection of a defective main switch of an electrified rail vehicle.
  • a passband of a frequency filter a digital interference current monitoring unit on the rail vehicle is set to the fundamental frequency of the mains current.
  • the frequency filter is part of the digital interference current monitoring unit on the input side and is connected upstream of the other functional units of the digital interference current monitoring unit and is conventionally set to a generator frequency for monitoring a section of track, for example to a passband around a frequency of 42 Hz in order to detect a fault in such a track monitoring system.
  • the passband frequency of the frequency filter is now set to a value of the fundamental frequency of the mains current, for example 16.7 Hz or 50 Hz, then instead of a fault in a track vacancy detection system, a fault caused by a defective main switch and leading to an untimely current with the mains fundamental frequency, also called mains current, can be detected.
  • a threshold value is set for the strength of a permissible detected mains current when the main switch is open, based on the (measured or calculated) no-load current of the transformer and experimental or calculated data on the measured leakage current when the main switch is open.
  • This step is also referred to as parameterizing the interference current monitoring.
  • “Computational data” is data that was generated at least partially on the basis of calculation operations, in particular by applying a calculation model.
  • An "open main switch” is understood to mean a main switch in a switching state in which the main switch is isolated or does not pass any current.
  • the digital interference current monitoring unit is preferably switched on before the power supply line is contacted by a current collector of the rail vehicle in order to detect a transformer inrush or transformer no-load current before the main switch of the rail vehicle is closed.
  • any mains current that may be flowing is measured with the interference current monitoring unit during operating times in which the main switch is to be open, for example during the contacting process of the current collector. If a current flows in the area of the fundamental oscillation of the mains current when the main switch is switched off, in particular a current with a current intensity above the predetermined threshold value, the detected value is preferably transmitted to a vehicle control unit of the rail vehicle.
  • a protective reaction is carried out in the event that a detected mains current exceeds the specified threshold value.
  • a protective reaction preferably comprises the disconnection of the current collector from the power supply line in the event that a detected mains current exceeds the specified threshold value, preferably by means of a command from the vehicle control unit.
  • the current collector in question is preferably also blocked so that subsequent contact with the power supply line by the current collector in question can be avoided from the outset without a prior replacement or repair of the main switch.
  • the digital interference current monitoring unit can advantageously achieve a high measurement resolution, so that even a very small current in the range of well under one ampere in relation to the mains current that occurs during normal operation, for example during a journey (for example up to 1000 amperes), can be measured with sufficient accuracy.
  • the mains current is preferably measured by a current transformer, which is part of the digital interference current monitoring unit.
  • a current transformer advantageously comprises a passive current transformer, preferably a so-called Rogowski coil, which can measure the mains current with milliampere accuracy.
  • the coil is ironless and therefore does not show any saturation effects and has excellent linearity.
  • This passive current transformer is particularly reliable and suitable for precise measurements.
  • the transient response of the The frequency filter used for frequency selection is absolutely uncritical.
  • interference current monitoring can be carried out using modified software without modifying the conventional hardware, since a conventional digital interference current monitoring unit is already installed in most rail vehicles and can continue to be used for the method according to the invention, if necessary after appropriate modification of the software and/or parameterization of the interference current monitoring unit and/or the vehicle control unit.
  • the procedure according to the invention has the advantage that no voltage converters are required to measure the voltage on the transformer side of the main switch.
  • the monitoring device has a digital interference current monitoring unit with a frequency filter for a rail vehicle supplied with electrical mains current via a power supply line of a traction power network for measuring a possibly flowing mains current during operating times in which the main switch of the rail vehicle is to be open.
  • a frequency filter only allows an electrical signal in a predetermined frequency range or passband to pass through and thus enables an evaluation of a signal in such a limited frequency range.
  • a current in the range of the frequency of the fundamental oscillation of the mains current is to be measured.
  • the monitoring device also comprises an adjustment unit for adjusting a passband of the frequency filter of the digital interference current monitoring unit to the fundamental oscillation of the electrical mains current of the traction power network.
  • the monitoring device comprises a threshold value determination unit for determining a threshold value for a permissible detected network current based on experimental or computational data.
  • the monitoring device has a switch-on unit for switching on the digital interference current monitoring unit and for activating the monitoring of the mains current by this digital interference current monitoring unit, for example before the current collector of the rail vehicle contacts the power supply line.
  • Part of the monitoring device according to the invention is also a control unit for carrying out a protective reaction in the event that a detected mains current exceeds the specified threshold value.
  • the control unit is set up to contact the power supply line and disconnect the current collector from the power supply line in the event that a detected mains current exceeds the specified threshold value.
  • the rail vehicle according to the invention has a current collector for contacting the rail vehicle with a power supply line of a traction power network, a primary current transformer, a main switch for contacting the primary current transformer with the traction power network and a monitoring device according to the invention.
  • the control unit of the monitoring device carries out a protective reaction, in particular a disconnection of the current collector from the power supply line in the event that the monitoring device a defective main switch is detected.
  • the rail vehicle according to the invention shares the advantages of the monitoring device according to the invention.
  • a majority of the aforementioned components of the monitoring device according to the invention can be implemented entirely or partially in the form of software modules in a processor of a corresponding computing system, e.g. B. from a control unit or an existing computing system of a rail vehicle.
  • a largely software-based implementation has the advantage that previously used computing systems can also be easily retrofitted by a software update in order to work in the manner according to the invention.
  • a corresponding computer program product with a computer program that can be loaded directly into a computing system, with program sections to carry out the steps of the method according to the invention, at least the steps that can be carried out by a computer, in particular the steps for setting a pass band of a frequency filters of a digital interference current monitoring unit of the rail vehicle on the fundamental oscillation of the mains current, for setting a threshold value for a permissible detected mains current based on experimental or calculated data regarding the correct function of a main switch and for measuring a possibly flowing mains current with the interference current monitoring unit during operating times in which the The main switch should be open when the program is executed in the computing system.
  • a computer program product may optionally contain additional components, such as. B. documentation and/or additional components, including hardware components such as: B. Hardware keys (dongles etc.) for using the software include.
  • a computer-readable medium e.g. a A memory stick, a hard disk or another portable or permanently installed data storage device can be used on which the program sections of the computer program that can be read and executed by a computer system are stored.
  • the computer system can, for example, have one or more microprocessors or the like that work together.
  • the digital interference current monitoring unit preferably switches between a first mode for monitoring interference current and a second mode for monitoring a possibly flowing mains current.
  • the same functional unit can be used for two different tasks, monitoring for interference currents and monitoring the correct functioning of a main switch.
  • the digital interference current monitoring unit is preferably designed to switch between the two modes.
  • the mode change takes place depending on a current target state of the main switch.
  • the interference current monitoring can take place during a journey in periods in which the main switch is closed or should be closed, and the monitoring for an untimely mains current can take place at times or in periods in which the main switch should be open.
  • a measurement of a possibly flowing mains current is preferably carried out directly after the frequency filter of the digital interference current monitoring has settled.
  • “Direct” means that the time delay should not last more than 300 ms.
  • Monitoring for a defect in the main switch can advantageously be started before the main switch is released, so that unmonitored use of a main switch that may already be defective can be avoided.
  • monitoring for a defect in the main switch can be activated after opening the main switch, so that a defect can be detected before the vehicle is parked or before a switching operation is carried out that requires the absence of voltage (e.g. opening a isolator, operation a shift drum), can be recognized.
  • a defect can be detected before the vehicle is parked or before a switching operation is carried out that requires the absence of voltage (e.g. opening a isolator, operation a shift drum), can be recognized.
  • the digital interference current monitoring unit is preferably switched between different basic frequencies of the mains current when the mains is changed.
  • an untimely network current can be advantageously detected even when a rail vehicle switches to a power network with a different frequency or Basic frequency can be detected.
  • the fundamental oscillation of the mains current preferably comprises one of the following frequencies:
  • a mains current can be detected with the alternating current frequencies of the mains current commonly used in Europe.
  • the digital interference current monitoring unit has a current transformer, preferably a passive current transformer, particularly preferably a Rogowski coil.
  • a passive current transformer has high reliability and accuracy since it shows no saturation effect and has excellent linearity.
  • the digital interference current monitoring unit is preferably arranged in series with a main transformer of the rail vehicle.
  • the digital interference current monitoring unit can be used to measure a mains current that also applies to the main transformer.
  • the monitoring limit value for an untimely mains current has a current intensity with a value between 0 and 2 amperes.
  • a mains current with such a low current intensity can advantageously be detected by the interference current monitoring system, so that a defect in the main switch is reliably detected.
  • FIG 1 is a schematic representation of a conventional rail vehicle
  • FIG 2 is a schematic representation of a conventional interference current monitoring unit
  • FIG 3 is a schematic representation of a track current measurement between a generator and a motor relay
  • FIG 4 is a schematic representation of a detection of a rail vehicle in a track section
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a scenario in which an interference current is generated by a rail vehicle
  • FIG 6 is a schematic representation of a block diagram of a disturbance current monitoring system
  • FIG 7 is a schematic representation of a monitoring device according to an embodiment of the invention
  • FIG 8 is a flow chart illustrating a method for monitoring the function of a main switch of a rail vehicle supplied with electrical mains power via a power supply line of a traction power network according to an embodiment of the invention
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a rail vehicle according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the electrified rail vehicle 1 in this case a rail vehicle exclusively for operation with alternating voltage, comprises a pantograph 2, which is electrically connected to a primary current transformer PW via a main switch 3, for supplying electrical energy from a traction power network N, in this case an alternating voltage traction power network .
  • the primary current transformer converts the alternating current or Mains current in ranges up to 1000 A in smaller currents.
  • a disturbance current monitoring unit DSU is connected downstream of the primary current transformer PW.
  • Such an interference current monitoring unit DSU measures interference currents in the range of a few milliamperes.
  • a main transformer 4 Connected downstream of the interference current monitoring unit DSU is a main transformer 4, which transforms the high voltage of the mains current down.
  • Two power converters 5 are electrically connected to the main transformer 4 and convert the alternating current into direct current.
  • FIG 2 shows a rough schematic of a rail vehicle interference current monitoring unit DSU with a Rogowski coil RS and a monitoring circuit US.
  • the Rogowski coil RS comprises on the primary side a current-carrying conductor L through which a mains current I N flows, and air coil windings TW, M on the secondary side.
  • a first air coil winding of the coil windings comprises a measuring winding M (shown bottom left in FIG 2) and a second air coil winding of the coil windings comprises a test winding TW (shown top in FIG 2).
  • the monitoring circuit US is connected to the two coil windings TW, M and comprises a measuring amplifier circuit VI , an amplifier circuit V2 , an A/D converter W and a digital signal processor DSP .
  • the measuring winding M is connected to the measuring amplifier circuit VI, the output of which is connected to the digital signal processor DSP via the A/D converter W .
  • the test winding TW is controlled by the digital signal processor DSP via the amplifier circuit
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an unoccupied route section 10 with route monitoring with a track current measurement between a generator 6 and a motor relay 8.
  • the track current measurement is used to determine whether the route section 10 is free of a rail vehicle or is occupied. In this way, a collision between two people on the same track or Rail vehicles traveling on the same rails 7a, 7b can be avoided.
  • the generator 6 shown on the left side in FIG. 3 generates two electrical voltages that are 90 ° out of phase, one of which is between the rails, i.e. H . the insulated rail 7a and the earth rail 7b, the route section 10 and the other is routed via a power line 6a to the motor relay 8, which is shown on the right-hand side below in FIG.
  • the motor relay 8 is held in a rest position by spring force.
  • the two electrical voltages create a rotating field and thus a torque.
  • the motor relay 8 therefore rotates into the working position when the route section 10 is unoccupied and the route section 10 is recognized as free.
  • FIG 4 the track section 10 already shown in FIG 3 is shown in a situation in which a rail vehicle 1 is located on the monitored track section 10.
  • the rail vehicle 1 short-circuits the track voltage between the rails 7a, 7b with its chassis, so that the rotating field in the motor relay 8 disappears.
  • the spring the motor relay 8 moves to the rest position, the track section 10 is thus recognized and reported as occupied.
  • the return current of an electric rail vehicle 1 can disrupt the track clearance signal, i.e. act as an interference current, if it corresponds to the current fed in at the measuring point, i.e. at the position of the motor relay 8, i.e. the current measured in the case of the free section of the track.
  • a response threshold must be exceeded at the working frequency of the motor relay 8 and this exceedance must last long enough for the motor relay 8 to respond and the response to be registered in the signal box.
  • FIG 5 shows a schematic representation of a scenario in which such an interference current is generated by a rail vehicle 1.
  • rail vehicles 1 have a disturbance current monitoring unit DSU (see FIG. 2).
  • This interference current monitoring unit DSU measures the reverse current and detects when the reverse current exceeds certain limit values.
  • the return current in a predetermined frequency range in which the frequency of the electrical voltage generated by the generator 6 lies may not exceed a predetermined limit value of a current intensity for a time that is longer than a predetermined period of time.
  • Typical values are for the frequency range 42 Hz +- 2 Hz, for the current limit value 2.8 amperes and for the predetermined time period 0.5 s.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a block diagram of a disturbance current monitoring unit DSU of a rail vehicle in detail.
  • the interference current monitoring unit is equipped with an air coil or Measuring winding M of a Rogowski coil RS is electrically connected.
  • the measured mains current I N of the rail vehicle 1 is included captured and digitized by an A/D converter W.
  • the measured mains current I N is further processed and evaluated by a digital signal processor DSP.
  • the digital signal processor DSP includes a frequency filter F, which filters the frequency components to be monitored from the input signal.
  • the digital signal processor DSP includes an IT monitoring unit IT, which compares the amplitude I of the input signal with a current limit value and, if the current limit value is exceeded, the duration T of the exceedance with a time limit value. If the required limit values are exceeded, the main switch 3 opens (see FIG. 1).
  • IT monitoring unit IT which compares the amplitude I of the input signal with a current limit value and, if the current limit value is exceeded, the duration T of the exceedance with a time limit value. If the required limit values are exceeded, the main switch 3 opens (see FIG. 1).
  • the current monitoring unit DSU includes a unit K for determining coefficients for generating monitoring channels that can be parameterized as desired in terms of their filter characteristics and monitoring properties for monitoring up to 5 frequency bands between 20 Hz and 450 Hz.
  • the frequency filter F is parameterized using a parameterization file PD, which is stored in a parameterization unit PE, symbolized by a computer.
  • the filter coefficients and monitoring parameters are determined offline from the parameterization file PD during the vehicle project planning phase.
  • the current monitoring unit DSU also monitors itself. For this purpose, it includes software self-monitoring EU1 and hardware self-monitoring EU2.
  • the main switch AL is triggered and a fault message STM is sent to the vehicle control system or Control unit SE of the rail vehicle.
  • a response message AS can be used to trigger a “softer” reaction, such as a torque reduction, if the interference current reaches a lower threshold at which the function of the motor relay is not yet disturbed.
  • 7 shows a schematic representation of a monitoring device 70 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the monitoring device 70 has a digital interference current monitoring unit DSU for a rail vehicle 1 supplied with electrical mains current I N via a power supply line OL of a traction power network N for measuring a possibly flowing mains current I N during the contacting process of a current collector 2 of the rail vehicle 1 with the power supply line OL.
  • DSU digital interference current monitoring unit
  • part of the monitoring device 70 is also an adjustment unit 71 for adjusting a passband of a frequency filter F of the digital interference current monitoring unit DSU to the fundamental oscillation of the electrical mains current I N of the traction current network N .
  • the monitoring device 70 also includes a threshold value determination unit 72 for setting a threshold value SW for a permissible detected network current I s based on experimental or calculated data.
  • the monitoring device 70 also comprises a switch-on unit 73 for switching on the digital interference current monitoring unit DSU, for example before the power supply line OL is contacted by the current collector 2 of the rail vehicle 1.
  • the monitoring device 70 includes a control unit 75 for contacting the power supply line OL and separating the current collector 2 from the power supply line OL in the event that a detected mains current I N exceeds the specified threshold value SW.
  • a control unit 75 for contacting the power supply line OL and separating the current collector 2 from the power supply line OL in the event that a detected mains current I N exceeds the specified threshold value SW.
  • a passband DB of a filter F of a digital interference current monitoring unit DSU of the rail vehicle 1 is set to the fundamental oscillation of the mains current I N , for example 16.7 Hz.
  • a threshold value SW for a permissible detected mains current I N is determined on the basis of experimental or calculated data.
  • Experimental or empirical data can be obtained, for example, from recordings with the main switch open and during idle operation with the main switch closed.
  • step 8. III the digital interference current monitoring unit DSU (see FIG. 8) is switched on before the power supply line OL is contacted by a current collector 2 of the rail vehicle 1.
  • step 8.IV a possibly flowing mains current I N is measured during the contacting process of the current collector 2.
  • step 8.V it is determined whether the detected mains current I N exceeds the specified threshold value SW. In the event that a detected mains current I N exceeds the specified threshold value SW, which is symbolized by “y” in FIG. 8, the current collector 2 is separated from the power supply line OL in step 8.Va.
  • step 8 VI the main switch 3 is closed (operationally) and the parameter setting "Normal operation" NB of the interference current monitoring is activated.
  • monitoring would no longer take place at 16.7 Hz, but monitoring at 42 Hz and 100 Hz would be active.
  • step 8. VI I the main switch is opened and at the same time the parameterization "Main switch monitoring" HSU of the interference current monitoring is activated, which has a monitoring threshold at mains frequency below the idle current of the transformer.
  • This process can, for example, when the operation of the rail vehicle is stopped or during a Driving occurs when an error condition occurs, for example a defect in a power converter or when a separation point is crossed, with the main switch being opened.
  • step 8. If it is determined in step 8. VI II that a detected mains current I N exceeds the specified threshold value SW, which is marked with "y" in FIG. 8, the system proceeds to step 8. IX. In step 8. IX, the current collector 2 is disconnected from the power supply line OL.
  • VI I I determines that the threshold value SW is not exceeded, which is marked “n” in FIG. 8, then one of the steps 8. VI, 8. VI I is returned and the "normal operation” NB or the "main switch monitoring” HSU continued.
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a rail vehicle 1 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the rail vehicle 1 has a current collector 2 for contacting the rail vehicle 1 with a power supply line OL of a traction power network N.
  • the rail vehicle 1 has a main switch 3 for contacting the remaining electrical circuit units of the rail vehicle 1 with the traction power network and via the overhead line OL, a primary current transformer PW and the monitoring device 70 shown in FIG.

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Überwachung der Funktion eines Hauptschalters (3) eines über eine Stromversorgungsleitung (OL) eines Bahnstromnetzes (N) mit elektrischem Netzstrom (IN) versorgten Schienenfahrzeugs (1) beschrieben. Bei dem Verfahren wird ein Durchlassbereich (DB) eines Frequenzfilters (F) einer digitalen Störstromüberwachungseinheit (DSU) des Schienenfahrzeugs (1) auf die Grundschwingung des Netzstroms (IN) eingestellt. Weiterhin wird ein Schwellwert (SW) für einen zulässigen detektierten Netzstrom (IN) auf Basis experimenteller oder rechnerischer Daten bezüglich einer korrekten Funktion eines Hauptschalters (3) festgelegt. Zudem wird die digitale Störstromüberwachungseinheit (DSU) eingeschaltet. Weiterhin wird ein möglicherweise fließender Netzstrom (IN) mit der digitalen Störstromüberwachungseinheit (DSU) während Betriebszeiten, in denen der Hauptschalter (3) offen sein soll, gemessen. Schließlich wird eine Schutzreaktion für den Fall, dass ein detektierter Netzstrom (IN) den festgelegten Schwellwert (SW) überschreitet, durchgeführt. Denn wird der Schwellwert (SW) überschritten, so liegt ein Hinweis dafür vor, dass der Hauptschalter (3) fehlerhaft geschlossen und somit defekt ist. Es wird auch eine Uberwachungseinrichtung (70) beschrieben. Weiterhin wird ein Schienenfahrzeug (1) beschrieben.

Description

Beschreibung
Überwachung der korrekten Funktion eines Hauptschalters eines Schienen fahr zeugs
Die Erfindung betri f ft ein Verfahren zur Überwachung der Funktion eines Hauptschalters eines über eine Stromversorgungsleitung eines Bahnstromnetzes mit elektrischem Netzstrom versorgten Schienenfahrzeugs . Zudem betri f ft die Erfindung eine Überwachungseinrichtung . Außerdem betri f ft die Erfindung ein Schienenfahrzeug .
Bei dem Betrieb eines elektrischen Schienenfahrzeugs wird elektrischer Strom über einen sogenannten Oberspannungskreis zur Verfügung gestellt . Der Oberspannungskreis wird von hochgespanntem Primärstrom aus der Fahrleitung durchflossen . Dieser Primärstrom wird von einem Stromabnehmer aufgenommen und durch einen Haupttrans formator auf eine niedrigere elektrische Spannung heruntertrans formiert . Die niedrigere elektrische Spannung wird anschließend über einen Stromrichter und einen Vierquadrantensteiler in eine Zwischenkreis-Gleichspannung für einen Traktions zwischenkreis umgewandelt . Von dem Traktions zwischenkreis aus werden die Fahrmotoren, die mit Drehstrom betrieben werden, über einen Pulswechselrichter mit Drehstrom versorgt .
Auf der Primärstromseite bzw . im Oberspannungskreis befindet sich ein Hauptschalter, mit dem die elektrischen Funktionseinheiten des elektri fi zierten Schienenfahrzeugs von der Oberspannung bzw . der Fahrleitung getrennt werden können, so dass die Stromversorgung unterbrochen wird . Dieser Vorgang wird auch als „Öf fnen" des Hauptschalters bezeichnet . I st der Hauptschalter defekt , so kommt es trotz geöf fnetem Hauptschalter zu einem unzeitigen, d . h . unerwarteten Netzstrom, der von dem Haupttrans formator übertragen wird .
Zu diesem unzeitigen Netzstrom kommt es , wenn der Stromabnehmer, beispielsweise vor dem Anfahren, die Oberleitung kontak- tiert . Dabei kommt es zu einem sogenannten unzeitigen Trafo- inrush . D . h . , bei einem unbeabsichtigten Einschalten des Haupttrans formators kann es bei ungünstiger Phasenlage der elektrischen Spannung zu einem stark erhöhten Einschaltstrom kommen, weil der Eisenkern des Haupttrans formators in die Sättigung getrieben wird . I st bei einem solchen Trafoinrush der Vierquadrantensteiler gesperrt , so kommt es zu einem Leerlauf ström in der Primärwicklung des Haupttrans formators . Dieser Ef fekt wird auch als Rush-Ef fekt , Trafoinrush oder Einschaltrush bezeichnet . Die Höhe des Einschaltstromes hängt von dem Einschaltzeitpunkt in Bezug zum zeitlichen Verlauf der angelegten Wechselspannung und dem im Trans formatorkern gespeicherten magnetischen Fluss , dem Restmagnetismus , ab . Ein solcher Ef fekt tritt dann auf , wenn der Hauptschalter unerkannt fehlerhaft geschlossen ist , und hat zur Folge , dass die gesamte primärseitige und sekundärseitige Elektrik zur Unzeit unter Spannung steht .
In dem Oberspannungskreis befindet sich auch ein Primärstromwandler, mit dem ein sehr hoher Primärstrom auf kleinere Werte reduziert wird . Der Primärstromwandler misst den Primärstrom, der über den Stromabnehmer aus dem Bahnstromnetz abgegri f fen wird . Diesen Primärstrom wandelt er in einen messbaren und für normale Geräte geeigneten schwächeren Strom um . Beispielsweise wird aus 600 Ampere 1 Ampere für die I stwert- Erfassung der Fahrzeugsteuerung . Da j edoch der Primärstromwandler für hohe Ströme , beispielsweise 1000 Ampere , ausgelegt ist , kann er kleine Ströme nicht exakt messen . Der erwähnte Leerlauf ström beträgt aber in der Regel weniger als 1 Ampere und wird daher am Primärstromwandler nicht sicher detektiert .
Ein unerkannter Hauptschalterdefekt ist insbesondere problematisch, wenn vor dem Schließen des Hauptschalters nach dem Heben des Stromabnehmers oder nach dem Öf fnen des Hauptschalters Handlungen wie das Entladen des Zwischenkreises , das Bewegen von Trennern oder das Umgruppieren von Stromrichterelementen über Schaltwal zen vorgenommen werden, die die sichere Trennung von der Einspeisung erfordern . Ein Versagen des Hauptschalters und der Hauptschalterüberwachung kann hier zu schweren Schäden am Stromrichter bis zur Zerstörung (Brand) der Lokomotive führen . Dem Erkennen eines fehlerhaft geschlossenen Hauptschalters kommt also große Bedeutung für den sicheren Betriebsablauf zu .
Für eine solche Fehlerof fenbarung eines defekten Hauptschalters stehen nach Stand der Technik folgende Möglichkeiten zur Verfügung :
Es wird ein Spannungsrelais eingebaut , welches eine zusätzliche Hardware nötig macht . Das Spannungsrelais signalisiert eine Netzspannung auf der Trans formatorseite des Hauptschalters , zweckmäßigerweise auf der Sekundärseite des Haupttransformators .
I st ein Netz filter eingebaut , so kann der Netz filterstrom überwacht werden . Diese Methode beschränkt sich allerdings auf Schienenfahrzeuge mit einem solchen Netz filter und erfordert ggf . auch zusätzliche Hardware-Ausstattung .
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Überwachung auf unzeitigen Netzstrom per Primärstromwandler . Wie bereits erwähnt , ist diese Überwachung per Primärstromwandler allerdings ungenau . Der Leerlauf ström eines Trans formators kann nicht verlässlich gemessen werden, der Inrush beim Anheben des Pantografen bei defektem Hauptschalter ist zwar messbar, tritt aber frühestens beim nächsten Einschaltvorgang auf und ist auch dann von z . B . der Phasenlage der Netzspannung abhängig .
Bei Triebzügen mit zwei Pantographen an den beiden Endwagen und einer durchgehenden Dachleitung besteht zusätzlich die Möglichkeit , über die Messung der Oberspannung des gesenkten Pantografen den gerade inaktiven Hauptschalter zu prüfen . Aber auch dieses Verfahren hat den Nachteil , dass ein Defekt nicht sofort erkannt werden kann . Eine weitere Möglichkeit umfasst eine regelmäßige Überprüfung der I solation des Hauptschalters durch die Taktung des Vier- quadrantenstellers . Diese Überprüfung ist allerdings kompliziert und erhöht die Hochlauf zeit des Schienenfahrzeugs .
Eine Störstromüberwachung wurde und wird bisher genutzt , um den Netzstrom eines Schienenfahrzeugs bezüglich niederfrequenter Wechselstromanteile zu überwachen, um eine Störung einer Überwachung eines Streckenabschnitts durch eine Gleisfreimeldeanlage im Frequenzbereich einer Gleisspannung eines Generators der Gleis freimeldeanlage , beispielsweise um eine Frequenz von 42 Hz , zu detektieren . Eine solche Überwachung eines Streckenabschnitts ist in FIG 3 bis FIG 5 veranschaulicht .
Im Zusammenhang mit der Störstromüberwachung wird von dem „Primärstrom" genannten Strom, der den Stromabnehmer und den Hauptschalter durchfließt , die spektrale Komponente mit der Nenn-Frequenz des Oberleitungsnetzes als „Netzstrom" bezeichnet und alle anderen spektralen Komponenten unter dem Begri f f „Störstrom" zusammengefasst .
Es besteht also die Aufgabe , eine exaktere und zeitnahe Detektion eines defekten Hauptschalters eines elektri fi zierten Schienenfahrzeugs zu ermöglichen .
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Überwachung der Funktion eines Hauptschalters eines über eine Stromversorgungsleitung eines Bahnstromnetzes mit elektrischem Netzstrom versorgten Schienenfahrzeugs gemäß Patentanspruch 1 , eine Überwachungseinrichtung gemäß Patentanspruch 7 und ein Schienenfahrzeug gemäß Patentanspruch 8 gelöst .
Bei dem Verfahren zur Überwachung der Funktion eines Hauptschalters eines über eine Stromversorgungsleitung eines Bahnstromnetzes mit elektrischem Netzstrom versorgten Schienenfahrzeugs wird ein Durchlassbereich eines Frequenz filters einer digitalen Störstromüberwachungseinheit des Schienenfahrzeugs auf die Grundschwingung des Netzstroms eingestellt . Der Frequenz filter ist eingangsseitig Teil der digitalen Störstromüberwachungseinheit und den übrigen Funktionseinheiten der digitalen Störstromüberwachungseinheit vorgeschaltet und ist herkömmlich auf eine Generatorf requenz zur Überwachung eines Streckenabschnitts eingestellt , also beispielsweise auf einen Durchlassbereich um eine Frequenz von 42 Hz herum, um eine Störung einer solchen Streckenüberwachung zu detektieren . Wird die Durchlass frequenz des Frequenz filters nun auf einen Wert der Grundschwingung des Netzstroms , also beispielsweise 16 , 7 Hz oder 50 Hz eingestellt , so kann statt der Störung einer Gleis freimeldeanlage eine Störung, die durch einen defekten Hauptschalter verursacht wird und zu einem unzeitigen Strom mit Netz-Grundfrequenz , auch genannt Netzstrom, führt , detektiert werden .
Hierzu wird ein Schwellwert für die Stärke eines zulässigen detektierten Netzstroms bei of fenem Hauptschalter auf Basis des ( gemessenen oder berechneten) Leerlauf Stroms des Transformators sowie experimenteller oder rechnerischer Daten zum gemessenen Leck-Strom bei of fenem Hauptschalter festgelegt . Dieser Schritt wird auch als Parametrierung der Störstromüberwachung bezeichnet . „Rechnerische Daten" sind Daten, die zumindest teilweise auf Basis von Rechenoperationen, insbesondere durch Anwendung eines Rechenmodells , erzeugt wurden . Als „of fener Hauptschalter" soll ein Hauptschalter in einem Schalt zustand verstanden werden, in dem der Hauptschalter isoliert bzw . keinen Strom durchleitet .
Weiterhin wird die digitale Störstromüberwachungseinheit bevorzugt vor dem Kontaktieren der Stromversorgungsleitung durch einen Stromabnehmer des Schienenfahrzeugs eingeschaltet , um so einen Trafoinrush bzw . Trafo-Leerlaufstrom vor dem Schließen des Hauptschalters des Schienenfahrzeugs zu erkennen . Zudem wird ein möglicherweise fließender Netzstrom mit der Störstromüberwachungseinheit während Betriebs zeiten, in denen der Hauptschalter of fen sein soll , beispielsweise während des Kontaktierungsvorgangs des Stromabnehmers , gemessen . Fließt bei ausgeschaltetem Hauptschalter im Bereich der Grundschwingung des Netzstroms ein Strom, insbesondere ein Strom mit einer Stromstärke oberhalb des vorbestimmten Schwellwerts , so wird der detektierte Wert bevorzugt an eine Fahrzeugsteuerungseinheit des Schienenfahrzeugs übermittelt .
Schließlich erfolgt eine Schutzreaktion für den Fall , dass ein detektierter Netzstrom den festgelegten Schwellwert überschreitet . Eine solche Schutzreaktion umfasst bevorzugt das Trennen des Stromabnehmers von der Stromversorgungsleitung für den Fall , dass ein detektierter Netzstrom den festgelegten Schwellwert überschreitet , bevorzugt durch einen Befehl der Fahrzeugsteuerungseinheit . Bevorzugt wird der betref fende Stromabnehmer auch noch gesperrt , damit eine nachfolgende Kontaktierung der Stromversorgungsleitung durch den betreffenden Stromabnehmer ohne einen vorhergehenden Austausch bzw . eine Reparatur des Hauptschalters von vorneherein vermieden werden kann .
Vorteilhaft kann durch die digitale Störstromüberwachungseinheit eine hohe Messauflösung erreicht werden, so dass auch ein in Relation zum im bestimmungsgemäßen Betrieb, beispielsweise bei einer Fahrt , auftretenden Netzstrom (beispielsweise bis zu 1000 Ampere ) sehr kleiner Strom im Bereich von deutlich unter einem Ampere hinreichend exakt messbar ist . Bevorzugt wird der Netzstrom durch einen Stromwandler, welcher Teil der digitalen Störstromüberwachungseinheit ist , gemessen . Ein solcher Stromwandler umfasst vorteilhaft einen passiven Stromwandler, bevorzugt eine sogenannte Rogowski-Spule , die den Netzstrom mA-genau erfassen kann . Die Spule ist eisenlos und zeigt daher keine Sättigungsef fekte und weist eine exzellente Linearität auf . Dieser passive Stromwandler ist besonders zuverlässig und für exakte Messungen geeignet . Zudem ist das Einschwingverhalten des für die Frequenzselektion genutzten Frequenz filters absolut unkritisch . Ein Einschwingen des Frequenz filters dauert gewöhnlich etwa 200 bis 300 ms . Dagegen werden bei einem Start eines Schienenfahrzeugs für eine Freigabe eines Hauptschalters mindestens 3s benötigt , so dass die digitale Störstromüber- wachungseinheit rechtzeitig einsatzbereit ist . Vorteilhaft wird also eine frühzeitige Erkennung eines Hauptschalterversagens erreicht und eine Vermeidung von Stromrichter- und Trans formatorschäden bewirkt . Gegebenenfalls kann die Störstromüberwachung durch den Einsatz einer modi fi zierten Software ohne Modi fi zierung der herkömmlichen Hardware erfolgen, da eine herkömmliche digitale Störstromüberwachungseinheit bereits in den meisten Schienenfahrzeugen installiert ist und für das erfindungsgemäße Verfahren, gegebenenfalls nach einer entsprechenden Modi fikation der Software und/oder Parametrie- rung der Störstromüberwachungseinheit und/oder der Fahrzeugsteuerungseinheit , weitergenutzt werden kann .
Gegenüber der nach Stand der Technik besten Lösung, der Messung der Netzspannung zwischen Hauptschalter und Trans formator oder auf der Sekundärseite des Trans formators , weist das erfindungsgemäße Vorgehen den Vorteil auf , dass keine Spannungswandler zur Messung der Spannung auf der Trans formatorseite des Hauptschalters erforderlich sind .
Die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung weist eine digitale Störstromüberwachungseinheit mit einem Frequenz filter für ein über eine Stromversorgungsleitung eines Bahnstromnetzes mit elektrischem Netzstrom versorgtes Schienenfahrzeug zum Messen eines möglicherweise fließenden Netzstroms während Betriebs zeiten, in denen der Hauptschalter des Schienenfahrzeugs of fen sein soll , auf . Ein Frequenz filter lässt nur ein elektrisches Signal in einem vorbestimmten Frequenzbereich bzw . Durchlassbereich durch und ermöglicht somit eine Auswertung eines Signals in einem solchen beschränkten Frequenzbereich . In dem vorliegenden Fall soll ein Strom im Bereich der Frequenz der Grundschwingung des Netzstroms gemessen werden . Die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung umfasst auch eine Einstelleinheit zum Einstellen eines Durchlassbereichs des Frequenz filters der digitalen Störstromüberwachungs- einheit auf die Grundschwingung des elektrischen Netzstroms des Bahnstromnetzes .
Außerdem umfasst die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung eine Schwellwertermittlungseinheit zum Festlegen eines Schwellwerts für einen zulässigen detektierten Netzstrom auf Basis experimenteller oder rechnerischer Daten .
Zudem weist die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung eine Einschalteinheit zum Einschalten der digitalen Störstromüber- wachungseinheit und zum Aktivieren der Überwachung des Netzstroms durch diese digitale Störstromüberwachungseinheit , beispielsweise vor dem Kontaktieren der Stromversorgungsleitung durch den Stromabnehmer des Schienenfahrzeugs , auf .
Teil der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung ist auch eine Steuereinheit zum Durchführen einer Schutzreaktion für den Fall , dass ein detektierter Netzstrom den festgelegten Schwellwert überschreitet . In einer Variante ist die Steuereinheit zum Kontaktieren der Stromversorgungsleitung und Trennen des Stromabnehmers von der Stromversorgungsleitung für den Fall , dass ein detektierter Netzstrom den festgelegten Schwellwert überschreitet , eingerichtet . Die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung teilt die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens .
Das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug weist einen Stromabnehmer zum Kontaktieren des Schienenfahrzeugs mit einer Stromversorgungsleitung eines Bahnstromnetzes , einen Primärstromwandler, einen Hauptschalter zum Kontaktieren des Primärstromwandlers mit dem Bahnstromnetz und eine erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung auf . Mit der Steuereinheit der Überwachungseinrichtung erfolgt eine Schutzreaktion, insbesondere ein Trennen des Stromabnehmers von der Stromversorgungsleitung für den Fall , dass die Überwachungseinrichtung einen defekten Hauptschalter detektiert . Das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug teilt die Vorteile der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung .
Ein Großteil der zuvor genannten Komponenten der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung können ganz oder teilweise in Form von Softwaremodulen in einem Prozessor eines entsprechenden Rechensystems realisiert werden, z . B . von einer Steuereinheit oder einem bereits vorhandenen Rechensystem eines Schienenfahrzeugs . Eine weitgehend softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil , dass auch schon bisher verwendete Rechensysteme auf einfache Weise durch ein Software- Update nachgerüstet werden können, um auf die erfindungsgemäße Weise zu arbeiten . Insofern wird die Aufgabe auch durch ein entsprechendes Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm gelöst , welches direkt in ein Rechensystem ladbar ist , mit Programmabschnitten, um die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens , zumindest die durch einen Computer aus führbaren Schritte , insbesondere die Schritte zum Einstellen eines Durchlassbereichs eines Frequenz filters einer digitalen Störstromüberwachungseinheit des Schienenfahrzeugs auf die Grundschwingung des Netzstroms , zum Festlegen eines Schwellwerts für einen zulässigen detektierten Netzstrom auf Basis experimenteller oder rechnerischer Daten bezüglich einer korrekten Funktion eines Hauptschalters und zum Messen eines möglicherweise fließenden Netzstroms mit der Störstromüberwachungseinheit während Betriebs zeiten, in denen der Hauptschalter of fen sein soll , aus zuführen, wenn das Programm in dem Rechensystem ausgeführt wird . Ein solches Computerprogrammprodukt kann neben dem Computerprogramm gegebenenfalls zusätzliche Bestandteile , wie z . B . eine Dokumentation, und/oder zusätzliche Komponenten, auch Hardware-Komponenten, wie z . B . Hardware-Schlüssel ( Dongles etc . ) zur Nutzung der Software , umfassen .
Zum Transport zum Rechensystem bzw . zur Steuereinheit und/oder zur Speicherung an oder in dem Rechensystem bzw . der Steuereinheit kann ein computerlesbares Medium, z . B . ein Memorystick, eine Festplatte oder ein sonstiger transportabler oder fest eingebauter Datenträger dienen, auf welchem die von einem Rechensystem einlesbaren und aus führbaren Programmabschnitte des Computerprogramms gespeichert sind . Das Rechensystem kann z . B . hierzu einen oder mehrere zusammenarbeitende Mikroprozessoren oder dergleichen aufweisen .
Die abhängigen Ansprüche sowie die nachfolgende Beschreibung enthalten j eweils besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung . Zudem können im Rahmen der Erfindung die verschiedenen Merkmale unterschiedlicher Aus führungsbeispiele und Ansprüche auch zu neuen Aus führungsbeispielen kombiniert werden .
Bevorzugt wechselt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die digitale Störstromüberwachungseinheit zwischen einem ersten Modus zur Störstromüberwachung und einem zweiten Modus zur Überwachung eines möglicherweise fließenden Netzstroms . Vorteilhaft kann dieselbe funktionelle Einheit für zwei unterschiedliche Aufgaben genutzt werden, eine Überwachung auf Störströme und eine Überwachung einer korrekten Funktion eines Hauptschalters . Insbesondere ist die digitale Störstromüberwachungseinheit bevorzugt dazu eingerichtet , den Wechsel zwischen den beiden Modi durchzuführen .
Besonders bevorzugt erfolgt der Moduswechsel in Abhängigkeit von einem momentanen Soll zustand des Hauptschalters . Vorteilhaft kann die Störstromüberwachung während einer Fahrt in Zeiträumen, in denen der Hauptschalter geschlossen ist bzw . geschlossen sein soll , erfolgen und die Überwachung auf einen unzeitigen Netzstrom kann zu Zeiten bzw . in Zeiträumen erfolgen, in denen der Hauptschalter geöf fnet sein soll .
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt bevorzugt eine Messung eines möglicherweise fließenden Netzstroms direkt nach einem Einschwingen des Frequenz filters der digitalen Störstromüberwachung . „Direkt" soll bedeuten, dass die zeitliche Verzögerung nicht mehr als 300 ms dauern soll . Vorteilhaft kann die Überwachung auf einen Defekt des Hauptschalters vor der Freigabe des Hauptschalters gestartet werden, so dass eine unüberwachte Nutzung eines möglicherweise bereits defekten Hauptschalters vermieden werden kann .
Vorteilhaft kann die Überwachung auf einen Defekt des Hauptschalters nach dem Öf fnen des Hauptschalters aktiviert werden, so dass ein Defekt bereits vor dem Abstellen des Fahrzeugs oder vor der Durchführung einer Schalthandlung, die Spannungs freiheit erfordert ( z . B . Öf fnen eines Trenners , Bedienung einer Schaltwal ze ) , erkannt werden kann .
Bevorzugt erfolgt eine Umschaltung der digitalen Störstrom- überwachungseinheit zwischen unterschiedlichen Grundfrequenzen des Netzstroms bei einem Netzwechsel . Vorteilhaft kann durch den Wechsel der Überwachungs-Grundf requenz ein unzeitiger Netzstrom auch bei einem Übergang eines Schienenfahrzeugs in ein Stromnetz mit einer anderen Frequenz bzw . Grundfrequenz detektiert werden .
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren umfasst die Grundschwingung des Netzstroms bevorzugt eine der folgenden Frequenzen :
- 16 , 67 Hz ,
- 50 Hz .
Vorteilhaft kann ein Netzstrom mit den in Europa üblichen Wechselstromfrequenzen des Netzstroms detektiert werden .
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weist die digitale Stör- stromüberwachungseinheit einen Stromwandler, vorzugsweise einen passiven Stromwandler, besonders bevorzugt eine Rogowski-Spule auf . Wie bereits erwähnt , weist ein solcher vorzugsweise passiver Stromwandler hohe Zuverlässigkeit und Genauigkeit auf , da er keinen Sättigungsef fekt zeigt und eine exzellente Linearität aufweist . Bevorzugt ist die digitale Störstromüberwachungseinheit in Serie zu einem Haupttrans formator des Schienenfahrzeugs angeordnet . Vorteilhaft kann mit der digitalen Störstromüberwachungseinheit ein Netzstrom gemessenen werden, der auch den Haupttrans formator beaufschlagt .
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weist der Überwachungsgrenzwert für einen unzeitigen Netzstrom eine Stromstärke mit einem Wert zwischen 0 und 2 Ampere auf . Vorteilhaft kann ein Netzstrom mit einer so geringen Stromstärke von der Störstromüberwachung detektiert werden, so dass ein Defekt des Hauptschalters sicher erkannt wird .
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Aus führungsbeispielen noch einmal näher erläutert . Es zeigen :
FIG 1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Schienen fahr zeugs ,
FIG 2 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Störstromüberwachungseinheit ,
FIG 3 eine schematische Darstellung einer Gleisstrommessung zwischen einem Generator und einem Motorrelais ,
FIG 4 eine schematische Darstellung einer Detektion eines Schienenfahrzeugs in einem Gleisabschnitt ,
FIG 5 eine schematische Darstellung eines S zenarios , in dem durch ein Schienenfahrzeug ein Störstrom erzeugt wird,
FIG 6 eine schematische Darstellung eines Blockschaltbilds einer Störstromüberwachung,
FIG 7 eine schematische Darstellung einer Überwachungseinrichtung gemäß einem Aus führungsbeispiel der Erfindung, FIG 8 ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zur Überwachung der Funktion eines Hauptschalters eines über eine Stromversorgungsleitung eines Bahnstromnetzes mit elektrischem Netzstrom versorgten Schienenfahrzeugs gemäß einem Aus führungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht ,
FIG 9 eine schematische Darstellung eines Schienenfahrzeugs gemäß einem Aus führungsbeispiel der Erfindung .
In FIG 1 wird eine schematische Darstellung eines elektrifi zierten Schienenfahrzeugs 1 veranschaulicht . Das elektri fizierte Schienenfahrzeug 1 , in diesem Fall ein Schienenfahrzeug ausschließlich zum Betrieb mit Wechselspannung, umfasst zur Versorgung mit elektrischer Energie aus einem Bahnstromnetz N, in diesem Fall einem Wechselspannungsbahnstromnetz , einen Pantographen 2 , der über einen Hauptschalter 3 mit einem Primärstromwandler PW elektrisch verbunden ist . Der Primärstromwandler wandelt den Wechselstrom bzw . Netzstrom in Bereichen bis 1000 A in kleinere Ströme . Dem Primärstromwandler PW ist eine Störstromüberwachungseinheit DSU nachgeschaltet . Eine solche Störstromüberwachungseinheit DSU misst Störströme in Bereichen von wenigen Milliampere . Der Störstromüberwachungseinheit DSU nachgeschaltet ist ein Haupttransformator 4 , der die Hochspannung des Netzstroms heruntertrans formiert . Mit dem Haupttrans formator 4 elektrisch verbunden sind zwei Stromrichter 5 , die den Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln .
In FIG 2 ist eine Störstromüberwachungseinheit DSU eines Schienenfahrzeugs mit einer Rogowski-Spule RS und einer Uber- wachungsschaltung US grob schematisch gezeigt . Die Rogowski- Spule RS umfasst auf der Primärseite einen stromdurchflossen Leiter L durch den ein Netzstrom IN fließt , und Luftspulenwicklungen TW, M auf der Sekundärseite . Eine erste Luftspulenwicklung der Spulenwicklungen umfasst eine Messwicklung M ( in FIG 2 unten links gezeigt ) und eine zweite Luftspulenwicklung der Spulenwicklungen umfasst eine Testwicklung TW ( in FIG 2 oben gezeigt ) . Die Überwachungsschaltung US ist an die beiden Spulenwicklungen TW, M angeschlossen und umfasst eine Messverstärkerschaltung VI , eine Verstärkerschaltung V2 , einen A/D-Wandler W und einen digitalen Signalprozessor DSP . Die Messwicklung M ist an die Messverstärkerschaltung VI angeschlossen, deren Ausgang über den A/D-Wandler W an den digitalen Signalprozessor DSP angeschlossen ist . Die Testwicklung TW wird von dem digitalen Signalprozessor DSP über die Verstärkerschaltung V2 angesteuert .
In FIG 3 ist eine schematische Darstellung eines unbelegten Streckenabschnitts 10 mit einer Streckenüberwachung mit einer Gleisstrommessung zwischen einem Generator 6 und einem Motorrelais 8 veranschaulicht . Die Gleisstrommessung wird dafür genutzt , zu ermitteln, ob der Streckenabschnitt 10 frei von einem Schienenfahrzeug ist oder besetzt ist . Auf diese Weise soll ein Zusammenstoß von zwei auf demselben Gleis bzw . denselben Schienen 7a, 7b fahrenden Schienenfahrzeugen vermieden werden . Der in FIG 3 auf der linken Seite unten dargestellte Generator 6 erzeugt zwei um 90 ° phasenverschobene elektrische Spannungen, von denen die eine zwischen den Schienen, d . h . der isolierten Schiene 7a und der Erdschiene 7b, des Streckenabschnitts 10 und die andere leitungsgebunden über eine Stromleitung 6a zu dem Motorrelais 8 , das in FIG 3 auf der rechten Seite unten dargestellt ist , geführt wird . Das Motorrelais 8 wird durch Federkraft in einer Ruhelage gehalten . Die beiden elektrischen Spannungen erzeugen ein Drehfeld und damit ein Drehmoment . Das Motorrelais 8 dreht sich daher bei einem unbelegten Streckenabschnitt 10 in die Arbeitslage und der Streckenabschnitt 10 wird als frei erkannt .
In FIG 4 ist der in FIG 3 bereits gezeigte Streckenabschnitt 10 in einer Situation gezeigt , in der sich ein Schienenfahrzeug 1 auf dem überwachten Streckenabschnitt 10 befindet . Das Schienenfahrzeug 1 schließt mit seinem Fahrgestell die zwischen den Schienen 7a, 7b anliegende Gleisspannung kurz , so dass das Drehfeld im Motorrelais 8 verschwindet . Die Feder zieht das Motorrelais 8 in die Ruhelage , der Streckenabschnitt 10 wird somit als besetzt erkannt und gemeldet .
Allerdings kann der Rückstrom eines elektrischen Schienenfahrzeugs 1 die Gleis freimeldung stören, also als Störstrom wirken, wenn dieser an der Messstelle , also an der Position des Motorrelais 8 , gerade dem eingespeisten Strom, also dem im Fall des freien Streckenabschnitts gemessenen Strom, entspricht . Dazu muss bei der Arbeits frequenz des Motorrelais 8 eine Ansprechschwelle überschritten werden und diese Überschreitung muss so lange anhalten, dass das Motorrelais 8 ansprechen kann und das Ansprechen im Stellwerk registriert werden kann .
In FIG 5 ist eine schematische Darstellung eines S zenarios , in dem durch ein Schienenfahrzeug 1 ein solcher Störstrom erzeugt wird, gezeigt .
Um einen solchen sicherheitskritischen Störstrom zu vermeiden bzw . zu erkennen, weisen Schienenfahrzeuge 1 eine Störstrom- überwachungseinheit DSU ( siehe FIG 2 ) auf . Diese Störstrom- überwachungseinheit DSU misst den Rückstrom und erkennt , wenn der Rückstrom gewisse Grenzwerte überschreitet . Beispielsweise darf der Rückstrom in einem vorbestimmten Frequenzbereich, in dem die Frequenz der von dem Generator 6 erzeugten elektrischen Spannung liegt , beispielsweise 42 Hz , einen vorbestimmten Grenzwert einer Stromstärke für eine Zeit , die länger als eine vorbestimmte Zeitdauer ist , nicht überschreiten . Typische Werte sind für den Frequenzbereich 42 Hz +- 2 Hz , für den Grenzwert der Stromstärke 2 , 8 Ampere und für die vorbestimmte Zeitdauer 0 , 5 s .
In FIG 6 ist eine schematische Darstellung eines Blockschaltbilds einer Störstromüberwachungseinheit DSU eines Schienenfahrzeugs im Detail gezeigt . Wie bereits in FIG 2 gezeigt , ist die Störstromüberwachungseinheit mit einer Luftspule bzw . Messwicklung M einer Rogowski-Spule RS elektrisch verbunden . Der gemessene Netzstrom IN des Schienenfahrzeugs 1 wird mit einem A/D-Wandler W erfasst und digitalisiert . Durch einen digitalen Signalprozessor DSP wird der gemessene Netzstrom IN weiterverarbeitet und ausgewertet . Hierzu umfasst der digitale Signalprozessor DSP einen Frequenz filter F, der die zu überwachenden Frequenzanteile aus dem Eingangssignal filtert . Weiterhin umfasst der digitale Signalprozessor DSP eine IT- Überwachungseinheit IT , welche die Amplitude I des Eingangssignals mit einem Stromgrenzwert und bei Überschreitung des Stromgrenzwerts die Dauer T der Überschreitung mit einem Zeitgrenzwert vergleicht . Auf eine Überschreitung der geforderten Grenzwerte wird mit einer Öf fnung des Hauptschalters 3 ( siehe FIG 1 ) reagiert .
Die Stromüberwachungseinheit DSU umfasst eine Einheit K zur Festlegung von Koef fi zienten für eine Erzeugung von in ihrer Filtercharakteristik und in der Überwachungseigenschaf t beliebig parametrierbaren Überwachungskanälen zur Überwachung von bis zu 5 Frequenzbändern zwischen 20 Hz und 450 Hz . Die Parametrierung des Frequenz filters F erfolgt durch eine Parametrierdatei PD, die in einer Parametrierungseinheit PE , symbolisiert durch einen Computer, gespeichert ist . Aus der Parametrierdatei PD werden während der Fahrzeugproj ektierungsphase die Filterkoef fi zienten und Überwachungsparameter of fline bestimmt .
Außerdem überwacht sich die Stromüberwachungseinheit DSU auch selbst . Hierzu umfasst sie eine Software-Eigenüberwachung EU1 und eine Hardware-Eigenüberwachung EU2 . Im Fehlerfall erfolgt eine Hauptschalterauslösung AL sowie eine Störungsmeldung STM an die Fahrzeugsteuerung bzw . Steuerungseinheit SE des Schienenfahrzeugs . Über eine Ansprechmeldung AS kann gegebenenfalls bei einem Erreichen einer niedrigeren Schwelle durch den Störstrom, bei der die Funktion des Motorrelais noch nicht gestört ist , eine „weichere" Reaktion ausgelöst werden, wie zum Beispiel eine Drehmomentreduktion . In FIG 7 ist eine schematische Darstellung einer Überwa- chungseinrichtung 70 gemäß einem Aus führungsbeispiel der Erfindung gezeigt .
Die Überwachungseinrichtung 70 weist eine digitale Störstrom- überwachungseinheit DSU für ein über eine Stromversorgungsleitung OL eines Bahnstromnetzes N mit elektrischem Netzstrom IN versorgtes Schienenfahrzeug 1 zum Messen eines möglicherweise fließenden Netzstroms IN während des Kontaktierungsvorgangs eines Stromabnehmers 2 des Schienenfahrzeugs 1 mit der Stromversorgungsleitung OL auf .
Teil der Überwachungseinrichtung 70 ist neben dieser bereits aus herkömmlichen Anordnungen bekannten digitalen Störstrom- überwachungseinheit DSU auch eine Einstelleinheit 71 zum Einstellen eines Durchlassbereichs eines Frequenz filters F der digitalen Störstromüberwachungseinheit DSU auf die Grundschwingung des elektrischen Netzstroms IN des Bahnstromnetzes N .
Die Überwachungseinrichtung 70 umfasst auch eine Schwellwertermittlungseinheit 72 zum Festlegen eines Schwellwerts SW für einen zulässigen detektierten Netzstrom Is auf Basis experimenteller oder errechneter Daten .
Die Überwachungseinrichtung 70 umfasst zudem eine Einschalteinheit 73 zum Einschalten der digitalen Störstromüberwachungseinheit DSU, beispielsweise vor dem Kontaktieren der Stromversorgungsleitung OL durch den Stromabnehmer 2 des Schienenfahrzeugs 1 .
Außerdem umfasst die Überwachungseinrichtung 70 eine Steuereinheit 75 zum Kontaktieren der Stromversorgungsleitung OL und Trennen des Stromabnehmers 2 von der Stromversorgungsleitung OL für den Fall , dass ein detektierter Netzstrom IN den festgelegten Schwellwert SW überschreitet . In FIG 8 ist ein Flussdiagramm 800 veranschaulicht, welches ein Verfahren zur Überwachung der Funktion eines Hauptschalters eines über ein Bahnstromnetz über eine Stromversorgungsleitung OL mit elektrischem Netzstrom versorgten Schienenfahrzeugs 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt .
Bei dem Schritt 8.1 wird ein Durchlassbereich DB eines Filters F einer digitalen Störstromüberwachungseinheit DSU des Schienenfahrzeugs 1 auf die Grundschwingung des Netzstroms IN, beispielsweise 16,7 Hz, eingestellt.
Bei dem Schritt 8. II wird ein Schwellwert SW für einen zulässigen detektierten Netzstrom IN auf Basis experimenteller bzw. rechnerischer Daten ermittelt. Experimentelle bzw. empirische Daten können zum Beispiel anhand von Aufzeichnungen bei geöffnetem Hauptschalter und bei Leerlaufbetrieb mit geschlossenem Hauptschalter gewonnen werden.
Bei dem Schritt 8. III wird die digitale Störstromüberwachungseinheit DSU (siehe FIG 8) vor dem Kontaktieren der Stromversorgungsleitung OL durch einen Stromabnehmer 2 des Schienenfahrzeugs 1 eingeschaltet.
Bei dem Schritt 8. IV wird ein möglicherweise fließender Netzstrom IN während des Kontaktierungsvorgangs des Stromabnehmers 2 gemessen.
Bei dem Schritt 8.V wird ermittelt, ob der detektierte Netzstrom IN den festgelegten Schwellwert SW überschreitet. Für den Fall, dass ein detektierter Netzstrom IN den festgelegten Schwellwert SW überschreitet, was in FIG 8 mit „y" symbolisiert ist, wird der Stromabnehmer 2 bei dem Schritt 8.Va von der Stromversorgungsleitung OL getrennt.
Für den Fall, dass der Hauptschalter 3 nicht defekt ist, was in FIG 8 mit „n" gekennzeichnet ist, wird in dem Schritt 8. VI der Hauptschalter 3 (betriebsmäßig) geschlossen und die Para- metrierung „Normalbetrieb" NB der Störstromüberwachung aktiviert . Im Beispiel des Netzes der Deutschen Bahn würde nun bei 16 , 7 Hz keine Überwachung mehr stattfinden, aber eine Überwachung bei 42 Hz und bei 100 Hz wäre aktiv .
Im Schritt 8 . VI I wird der Hauptschalter geöf fnet und gleichzeitig die Parametrierung „Hauptschalterüberwachung" HSU der Störstromüberwachung aktiviert , die eine Überwachungsschwelle bei Netz frequenz unterhalb des Leerlauf Stroms des Trans formators besitzt . Dieser Vorgang kann zum Beispiel bei einem Beenden des Betriebs des Schienenfahrzeugs oder auch während einer Fahrt bei einem Auftreten eines Fehlerzustands , beispielsweise einem Defekt eines Stromrichters oder bei einem Überfahren einer Trennstelle auftreten, wobei der Hauptschalter geöf fnet wird .
Bei dem Schritt 8 . VI I I wird ein möglicherweise fließender Netzstrom IN gemessen .
Wird bei dem Schritt 8 . VI I I ermittelt , dass ein detektierter Netzstrom IN den festgelegten Schwellwert SW überschreitet , was in FIG 8 mit „y" gekennzeichnet ist , so wird zu dem Schritt 8 . IX übergegangen . Bei dem Schritt 8 . IX wird der Stromabnehmer 2 von der Stromversorgungsleitung OL getrennt .
Wird bei dem Schritt 8 . VI I I ermittelt , dass der Schwellwert SW nicht überschritten wird, was in FIG 8 mit „n" gekennzeichnet ist , so wird zu einem der Schritte 8 . VI , 8 . VI I zurückgekehrt und der „Normalbetrieb" NB oder die „Hauptschalterüberwachung" HSU fortgesetzt .
In FIG 9 ist eine schematische Darstellung eines Schienenfahrzeugs 1 gemäß einem Aus führungsbeispiel der Erfindung gezeigt . Das Schienenfahrzeug 1 weist einen Stromabnehmer 2 zum Kontaktieren des Schienenfahrzeugs 1 mit einer Stromversorgungsleitung OL eines Bahnstromnetzes N auf . Das Schienenfahrzeug 1 weist einen Hauptschalter 3 zum Kontaktieren der übrigen elektrischen Schaltungseinheiten des Schienenfahrzeugs 1 mit dem Bahnstromnetz und über die Oberleitung OL, einen Primärstromwandler PW und die in FIG 7 gezeigte Überwachungseinrichtung 70 auf .
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorbeschriebenen Verfahren und Vorrichtungen lediglich um bevorzugte Aus führungsbeispiele der Erfindung handelt und dass die Erfindung vom Fachmann variiert werden kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, soweit er durch die Ansprüche vorgegeben ist . Es wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein" bzw . „eine" nicht ausschließt , dass die betref fenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Überwachung der Funktion eines Hauptschalters (3) eines über eine Stromversorgungsleitung (OL) eines Bahnstromnetzes (N) mit elektrischem Netzstrom (IN) versorgten Schienenfahrzeugs (1) , aufweisend die Schritte:
- Einstellen eines Durchlassbereichs (DB) eines Frequenzfilters (F) einer digitalen Störstromüberwachungseinheit (DSU) des Schienenfahrzeugs (1) auf die Grundschwingung des Netzstroms ( IN) ,
- Festlegen eines Schwellwerts (SW) für einen zulässigen detektierten Netzstrom (IN) auf Basis experimenteller oder rechnerischer Daten bezüglich einer korrekten Funktion des Hauptschalters (3) ,
- Einschalten der digitalen Störstromüberwachungseinheit (DSU) ,
- Messen eines möglicherweise fließenden Netzstroms (IN) mit der digitalen Störstromüberwachungseinheit (DSU) während Betriebszeiten, in denen der Hauptschalter (3) offen sein soll ,
- Durchführen einer Schutzreaktion für den Fall, dass ein detektierter Netzstrom (IN) den festgelegten Schwellwert (SW) überschreitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schutzreaktion das Trennen des Stromabnehmers (2) von der Stromversorgungsleitung (OL) umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die digitale Störstromüberwachungseinheit (DSU) zwischen einem ersten Modus zur Störstromüberwachung und einem zweiten Modus zur Überwachung eines möglicherweise fließenden Netzstroms (IN) wechselt .
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Moduswechsel in Abhängigkeit von einem momentanen Sollzustand des Hauptschalters (3) erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Umschaltung der digitalen Störstromüberwachungseinheit (DSU) zwischen unterschiedlichen Grundfrequenzen des Netzstroms (IN) bei einem Netzwechsel erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Uberwachungsgrenzwert für den Netzstrom (IN) eine Stromstärke mit einem Wert zwischen 0 und 2 Ampere aufweist.
7. Uberwachungseinrichtung (70) , aufweisend:
- eine digitale Störstromüberwachungseinheit (DSU) mit einem Frequenzfilter (F) für ein über eine Stromversorgungsleitung (OL) eines Bahnstromnetzes (N) mit elektrischem Netzstrom (IN) versorgtes Schienenfahrzeug (1) zum Messen eines möglicherweise fließenden Netzstroms (IN) während Betriebszeiten, in denen ein Hauptschalter (3) des Schienenfahrzeugs (1) offen sein soll,
- eine Einstelleinheit (71) zum Einstellen eines Durchlassbereichs des Frequenzfilters (F) der digitalen Störstromüberwachungseinheit (DSU) auf die Grundschwingung des elektrischen Netzstroms (IN) des Bahnstromnetzes (N) ,
- eine Schwellwertermittlungseinheit (72) zum Festlegen eines Schwellwerts (SW) für einen zulässigen detektierten Netzstrom (IN) auf Basis experimenteller oder rechnerischer Daten bezüglich einer korrekten Funktion des Hauptschalters (3) ,
- eine Einschalteinheit (73) zum Einschalten der digitalen Störstromüberwachungseinheit (DSU) ,
- eine Steuereinheit (75) zum Durchführen einer Schutzreaktion für den Fall, dass ein detektierter Netzstrom (IN) den festgelegten Schwellwert (SW) überschreitet.
8. Schienenfahrzeug (1) , aufweisend:
- einen Stromabnehmer (2) zum Kontaktieren des Schienenfahrzeugs (1) mit einer Stromversorgungsleitung (OL) eines Bahnstromnetzes (N) ,
- einen Primärstromwandler (PW) , - einen Hauptschalter (3) zum Kontaktieren des Primärstromwandlers (PW) mit dem Bahnstromnetz (N) ,
- eine Überwachungseinrichtung (70) nach Anspruch 7.
9. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der
Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Überwachung der Funktion eines Hauptschalters (3) eines über eine Stromversorgungsleitung (OL) eines Bahnstrom- netzes (N) mit elektrischem Netzstrom (IN) versorgten Schienenfahrzeugs (1) auszuführen.
10. Computerlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Überwachung der Funktion eines Hauptschalters (3) eines über eine Stromversorgungsleitung (OL) eines Bahnstromnetzes (N) mit elektrischem Netzstrom (IN) versorgten Schienenfahrzeugs (1) auszuführen.
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