WO2024104618A1 - Transformatorschirmung mit resonanzdämpfender erdanbindung - Google Patents

Transformatorschirmung mit resonanzdämpfender erdanbindung Download PDF

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WO2024104618A1
WO2024104618A1 PCT/EP2023/056750 EP2023056750W WO2024104618A1 WO 2024104618 A1 WO2024104618 A1 WO 2024104618A1 EP 2023056750 W EP2023056750 W EP 2023056750W WO 2024104618 A1 WO2024104618 A1 WO 2024104618A1
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WO
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Prior art keywords
transformer
electrical connection
impedance
shield
damping
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Application number
PCT/EP2023/056750
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English (en)
French (fr)
Inventor
Markus PRÖLS
Original Assignee
Siemens Mobility GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Siemens Mobility GmbH filed Critical Siemens Mobility GmbH
Publication of WO2024104618A1 publication Critical patent/WO2024104618A1/de

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
    • H01F27/36—Electric or magnetic shields or screens

Definitions

  • these measures can also have a positive or negative effect on the transmission behavior of the transformers for higher-frequency interference currents.
  • These higher-frequency interference currents can lead to limit values being exceeded both inside the vehicle and outside in the infrastructure, and can even cause disruptions to signaling, communication and safety equipment in railway technology.
  • Interference signals due to resonance effects of the shielding can also affect detection systems that work on the basis of measuring magnetic fields.
  • a magnetic field is used, for example, to count the number of axles of a rail vehicle traveling along a section of track. Return currents from the rails also cause magnetic fields. If the frequencies of the magnetic fields are within the measuring range of the detection systems, incorrect counts can occur.
  • the return currents mentioned can also affect train protection systems that work with beacons that communicate via a specific reception frequency, for example 4 MHz.
  • One such train protection system is implemented, for example, by ETCS (European Train Control System).
  • ETCS European Train Control System
  • a rail vehicle transmits a signal in the direction of the track bed.
  • beacons are arranged at predetermined intervals that receive the signal and are activated by this signal.
  • the information stored in them is then transmitted to the Vehicle. If such communication is falsely simulated by an interference signal or if real ongoing communication is interrupted by such an interference signal, correct monitoring of rail traffic is impaired and operations are disrupted.
  • the transformer arrangement according to the invention preferably for a rail vehicle, comprises a transformer and a transformer shield for potential shielding of a component of the transformer.
  • the transformer is designed to transform an electrical alternating voltage with a first voltage value present in the rail vehicle into an electrical alternating voltage with a second voltage value.
  • the transformer shield is designed to isolate an electrical field generated by the transformer or a component of the transformer from other to shield technical components or to define its course in such a way that interference effects based on partial discharges are reduced or minimized and the associated wear is also reduced or minimized.
  • Part of the transformer arrangement is also an electrical connection between the transformer shield and a reference potential.
  • a reference potential or reference potential is to be understood as a potential with a predetermined, preferably fixed value, to which all other potentials are related.
  • the desired shielding effect of defining a potential in the shielding area is achieved on the one hand and the undesirable occurrence of resonant oscillations in frequency ranges in which signal transmissions could be disturbed, which is observed in a conventional arrangement, is suppressed or avoided on the other.
  • An earth potential or a ground potential can be used as a reference potential.
  • the rail vehicle according to the invention has the transformer arrangement according to the invention.
  • the rail vehicle according to the invention shares the advantages of the transformer arrangement according to the invention.
  • a transformer is installed in the rail vehicle. Furthermore, a transformer shield is set up for potential shielding of a component of the transformer. Finally, an electrical connection is formed between the transformer shield and a reference potential. The electrical connection is formed with an impedance with a resonance-dampening impedance value that maintains the effect of the potential shielding of the transformer shield.
  • the electrical connection of the transformer arrangement according to the invention comprises an impedance which is formed by an impedance unit which at least one damping element with a frequency-dependent damping behavior, preferably a plurality of parallel damping elements with different frequency-dependent damping behavior.
  • an impedance unit which at least one damping element with a frequency-dependent damping behavior, preferably a plurality of parallel damping elements with different frequency-dependent damping behavior.
  • individual, particularly critical frequency ranges can be specifically subjected to damping.
  • a frequency range in which currents and/or signals with a relevant function for rail traffic, in particular a safety function, occur is to be understood as particularly "critical".
  • the critical frequency ranges mentioned preferably include at least one of the following frequency ranges:
  • Attenuation in the low frequency range is required to avoid interference with railway signalling equipment.
  • Attenuation in the medium frequency range is required to avoid interference with vehicle detection equipment.
  • Attenuation in the high frequency range is also required to avoid interference with the exchange of information between a rail vehicle and the infrastructure via balises.
  • the electrical connection of the transformer arrangement according to the invention comprises an impedance which comprises only one damping element with a frequency-dependent damping behavior.
  • a individual particularly critical frequency ranges are subjected to attenuation.
  • a frequency range in which currents and/or signals with a relevant function for rail traffic, in particular a safety function, occur can be considered particularly "critical".
  • the impedance unit of the transformer arrangement according to the invention therefore preferably comprises a damping element which is designed to dampen interference currents in the critical frequency range mentioned.
  • a critical frequency range can comprise a low frequency range or a medium frequency range or a high frequency range.
  • the reference potential preferably comprises a ground potential or earth potential.
  • the reference potential can advantageously be generated and maintained passively.
  • the electrical connection comprises an electrical connection which is formed to an internal, conductive component.
  • An "internal, conductive component” is to be understood as a component which implements an electrical connection of the transformer shield to a component within a housing, preferably a transformer tank or transformer vessel.
  • the transformer arrangement according to the invention preferably comprises such a housing, particularly preferably a transformer tank or a transformer vessel.
  • a solution with an internal conductive component has the advantage that any power loss from this component occurs in the cooling area of the transformer.
  • a transformer usually has its own cooling or cooling unit, preferably an oil cooling unit, which can be used by the internal conductive component. Furthermore, due to this external cooling, the component does not need such a large surface area to cool itself. Therefore, the transformer arrangement according to the invention preferably comprises such a cooling unit within the housing, with which both the transformer windings and the described electrical connection can advantageously be cooled, so that there is no temperature-related failure or wear of the technical components mentioned.
  • the internal conductive component comprises one of the following elements:
  • a transformer tank also called a tank, is a steel construction that encloses the active part, in particular the transformer core and the windings of a transformer, and is closed by a cover.
  • the magnetic fields of the windings and conductors cause eddy current losses in the steel parts of the transformer tank.
  • the steel parts can be partially shielded against higher frequency magnetic fields using the transformer shielding mentioned above.
  • add-on parts such as the pipes of an expansion tank or domes of bushings.
  • the transformer tank is also filled with oil under vacuum.
  • the transformer tank itself has a particularly pronounced shielding effect.
  • a core sheet is used to form a transformer core.
  • the use of such a core sheet instead of a solid material enables the suppression or reduction of eddy currents, which would increase with increasing frequency and lead to a strong heating of the transformer core. and thus contribute to a high power loss.
  • Transformer cores are therefore made of laminated and insulated sheets in package form or as wound cut tape cores.
  • the electrical connection of the transformer arrangement according to the invention comprises an electrical connection to an external component.
  • An "external component” is to be understood as a component outside the housing of the transformer arrangement, preferably outside the transformer tank or the transformer vessel.
  • An external component is advantageously easily accessible and can therefore be easily maintained or modified.
  • the external component of the electrical connection of the transformer arrangement according to the invention preferably comprises an externally mounted earthing connection or ground connection for providing the reference potential, which is arranged outside the transformer or outside the transformer tank.
  • a direct electrical connection of the shielding via the impedance to the earthing connection or ground connection is advantageously achieved.
  • FIG 1 is a schematic representation of a transformer with a conventional transformer shield
  • FIG 2 a schematic representation of a track current measurement between a generator and a motor relay
  • FIG 3 is a schematic representation of a detection of a rail vehicle in a track section
  • FIG 4 is a schematic representation of a scenario in which a disturbance current is generated by a rail vehicle
  • FIG 5 is a schematic representation of a transformer arrangement according to an embodiment of the invention.
  • FIG 6 is a schematic representation of a transformer arrangement according to an alternative embodiment of the invention.
  • FIG 7 is a flow chart illustrating a method for setting up a transformer arrangement in a rail vehicle according to an embodiment of the invention
  • FIG 8 shows a rail vehicle with a transformer arrangement according to an embodiment of the invention
  • FIG 9 an impedance unit with a plurality of damping components with different damping properties
  • FIG 10 is a diagram illustrating a frequency dependent transmission ratio of a transformer.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a transformer 2 with conventional shielding.
  • the transformer 2 comprises a transformer core 12 at its center.
  • a first low-voltage winding 13 is located around the transformer core 12.
  • High-voltage windings 14 in several layers are arranged around the first low-voltage winding 13. Three layers are shown as an example in FIG. 1.
  • a second low-voltage winding 15 is arranged around the high-voltage windings 14.
  • Optional protective windings or protective shields 16 also referred to as transformer shields, are arranged between the individual windings 13, 14, 15.
  • the protective shields mentioned are conventionally without exception connected to the tank ground or hard-grounded without additional impedance.
  • FIG 2 shows a schematic representation, i.e.
  • FIG 2 a plan view of an unoccupied section of track 10 with track 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 section of track 10 is free of a rail vehicle 1 (hence only shown in FIG 3) or is occupied. This is intended to prevent a collision between two rail vehicles traveling on the same track or the same rails 7a, 7b.
  • the generator 6 shown at the bottom left of FIG 2 generates two electrical voltages that are 90° out of phase, one of which is conducted between the rails, i.e. the insulated rail 7a and the earth rail 7b of the section of track 10, and the other is conducted via a power line 6a to the motor relay 8 shown at the bottom right of FIG 2.
  • the motor relay 8 is held in a rest position by spring force.
  • the two electrical voltages generate a rotating field and thus a torque.
  • the motor relay 8 therefore rotates to the working position when there is an unoccupied track section 10 and the track section 10 is recognized as free.
  • FIG 3 the track section 10 already shown in FIG 2 is shown in a situation in which a rail vehicle 1 is located on the monitored track section 10.
  • the rail vehicle 1 uses its chassis to short-circuit the track voltage present between the rails 7a, 7b, so that the rotating field in the motor relay 8 disappears.
  • the spring pulls the motor relay 8 into the rest position, and the track section 10 is thus recognized and reported as occupied.
  • the return current of an electric rail vehicle 1 can interfere with the track clearance signal, i.e. act as a disturbance current, if this current at the measuring point , i.e. at the position of the motor relay 8 , corresponds exactly to the current fed in, i.e. the current measured in the case of the free track section .
  • a response threshold must be exceeded and this exceedance must last long enough for the motor relay 8 to respond and for the response to be registered in the signal box.
  • FIG 4 shows a schematic representation of a scenario in which such an interference current is generated by a rail vehicle 1.
  • a current flows from an overhead line OL via an interference current monitoring unit DSU to the electrical components (not shown) of the rail vehicle 1.
  • the two rails 7a, 7b are short-circuited via the chassis of the rail vehicle 1 and a return current flows to the motor relay 8.
  • the return current must not exceed a predetermined limit value of a current intensity for a time that is longer than a predetermined period of time in a predetermined frequency range in which the frequency of the electrical voltage generated by the generator 6 lies, for example 42 Hz.
  • Typical values are 42 Hz +- 2 Hz for the frequency range, 2.8 amps for the limit value of the current intensity and 0.5 s for the predetermined period of time.
  • the frequencies of such a return current are determined by the power converters in the vehicle. Their amplitudes, however, are significantly influenced by resonance effects generated by shielding and shield connections, among other things.
  • FIG. 5 shows a transformer arrangement 11 with a protective shield 16 with an internal connection according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 5 only shows a section of a transformer arrangement 1 with only one protective shield 16.
  • the transformer arrangement can have the shape shown in FIG. 1.
  • the transformer arrangement 11 shown in FIG. 5 comprises an internal connection of the protective shield 16 to a protective earth GND.
  • the protective shield 16 is electrically connected to a transformer tank 18 via an impedance 17 instead of a direct hard earthing.
  • the transformer tank 18 itself is electrically connected to the protective earth GND.
  • the impedance can optionally be designed as a real-valued electrical resistance, which is symbolized by "R” in FIG. 5, or as a complex electrical resistance, which is symbolized by "Z" in FIG. 5.
  • FIG. 6 shows a transformer arrangement 1 with a protective shield 16 with an external connection according to an exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 6 again shows only a section of a transformer arrangement 11 with only one protective shield 16.
  • the transformer arrangement 11 can have the shape shown in FIG. 1.
  • the transformer arrangement 11 shown in FIG. 6 comprises an external connection of the protective shield 16 to a protective earth GND.
  • the protective shield 16 is led out of the transformer tank 18 via an insulated electrical line 17a.
  • the transformer tank 18 is electrically connected directly to earth GND.
  • the insulated line 17a is electrically connected to earth GND via an optional impedance 17, which lies outside the transformer tank 18.
  • This impedance 17 can optionally be designed as a real-valued electrical resistance, which is symbolized by "R” in FIG. 6, or as a complex electrical resistance, which is symbolized by "Z" in FIG. 6.
  • FIG. 7 shows a flow chart 700 which illustrates a method for setting up a transformer arrangement 11 in a rail vehicle 1.
  • a transformer 2 is first installed as part of the power electronics in the rail vehicle 1 .
  • a transformer shield 16 is also set up for potential shielding 16 of a component 12, 13, 14, 15 of the transformer 2.
  • Shields 16 are formed between the transformer core 12 and a first low-voltage winding 13, between the first low-voltage winding 13 and high-voltage windings 14 of the transformer 2 and between the individual high-voltage windings 14. Further shields 16 can be arranged between the high-voltage windings 14 and a second outer low-voltage winding 15 and outside around the second low-voltage winding 15 of the transformer 2.
  • step 7 an electrical connection 17 is formed between the transformer shield 16 and a reference potential GND with an impedance with a resonance-damping impedance value that maintains the effect of the potential shielding of the transformer shield 17.
  • FIG 8 shows a schematic representation of an electrified rail vehicle 1 with a transformer arrangement 11 according to an embodiment of the invention.
  • the electrified rail vehicle 1 in this case a rail vehicle 1 exclusively for operation with alternating voltage, comprises a pantograph 22 for supplying electrical energy from a traction power network N, in this case an alternating voltage traction power network, which is electrically connected to a primary current transformer PW via a main switch 23.
  • the primary current transformer PW converts the alternating current in the ranges of 100 to 1200 A into smaller currents.
  • a disturbance current monitoring unit DSU is connected downstream of the primary current transformer PW. Such a disturbance current monitoring unit DSU measures disturbance currents in the ranges of a few milliamperes.
  • a transformer arrangement 11 Downstream of the interference current monitoring unit DSU is a transformer arrangement 11 according to the invention, in this embodiment a transformer arrangement which comprises the main transformer which transforms down the high voltage supplied by the traction power network N. With the main transformer or the transformer Two power converters 26 which convert the alternating current into direct current are electrically connected to the arrangement 11 .
  • FIG 9 shows an impedance unit 34 with a plurality of damping components with different damping properties.
  • a transformer has transmission ratios that vary depending on the frequency, which can cause problems with various types of signaling and safety devices inside and outside a rail vehicle.
  • the impedance unit 34 has a total of five damping elements 35, 36, 37, 38, 39 connected in parallel for damping different frequency ranges.
  • a first damping element 35 shown on the left in the figure has a resonant circuit with a first capacitance Gl and a first inductance LI for selecting a first frequency range f l (see FIG. 10), as well as a first electrical resistance RI for damping.
  • a second damping element 36 shown to the right of the first damping element 35 has a resonant circuit with a second capacitance C2 and a second inductance L2 for selecting a second frequency range f2 (see FIG. 10), as well as a second electrical resistance R2 for damping.
  • a third damping element 37 shown to the right of the second damping element 36 has a resonant circuit with a third capacitance C3 and a third inductance L3 for selecting a third frequency range f3, as well as a third electrical resistance R3 for damping.
  • a fourth damping element 38 shown to the right of the third damping element 37 has a fourth resistor R4 for the damping of high frequency currents, which is connected in series with a fourth capacitor C4.
  • a fifth damping element 39 shown to the right of the fourth damping element 38 has a fifth resistor R5 for the damping of low-frequency currents, where a fourth inductance L4 is connected in series to the fifth resistor R5.
  • the transmission ratio T can be roughly divided into three different frequency ranges, as shown in FIG 10 by the reference numbers fl, f2, f3.
  • the low frequency range fl is susceptible to track circuit interference
  • the medium frequency range f2 is susceptible to axle counter interference
  • the high frequency range f3 is susceptible to balise device interference. Attenuation in the low frequency range fl is required to avoid interference with railway signalling equipment. Attenuation in the medium frequency range f2 is required to avoid interference with vehicle detection equipment. Attenuation in the high frequency range f3 is required to avoid interference with the exchange of information between a rail vehicle and the infrastructure via balises.
  • FIG 9 shows different variants of damping elements 35, 36, 37, 38, 39 for damping the resonances illustrated in FIG 10.
  • a full broadband damping with a simple resistor R may be possible. But more complex, frequency-selective substructures may also be necessary.
  • Such an impedance unit 34 with a plurality of damping components is shown in FIG 9.
  • Application of such a complex impedance unit 34 may be necessary because attenuation in a certain frequency range may amplify problems in other frequency ranges. But it may also be that attenuation at low frequency requires a very robust electrical resistance for a high load (high current, high losses) which is not required at higher frequency ranges. At the same time, such high power resistors may generally not be sufficient for higher frequencies because their own parasitic inductive or capacitive behavior is unsuitable.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

Es wird eine Transformatoranordnung (11) beschrieben. Die Transformatoranordnung (11) umfasst einen Transformator (2) und eine Transformatorschirmung (16) zur Potentialabschirmung einer Komponente (12, 13, 14, 15) des Transformators (2). Teil der Transformatoranordnung (11) ist auch eine elektrische Verbindung (17) zwischen der Transformatorschirmung (16) und einem Referenzpotential (GND). Die elektrische Verbindung (17) weist eine Impedanz mit einem resonanzdämpfenden signifikanten Impedanzwert auf. Es wird auch ein Schienenfahrzeug (1) beschrieben. Außerdem wird ein Verfahren zum Einrichten einer Transformatoranordnung (11) in einem Schienenfahrzeug (1) beschrieben.

Description

Beschreibung
Trans formatorschirmung mit resonanzdämpfender Erdanbindung
Die Erfindung betri f ft eine Trans formatoranordnung . Außerdem betri f ft die Erfindung ein Schienenfahrzeug . Zudem bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zum Einrichten einer Trans formatoranordnung in einem Schienenfahrzeug .
Schienenfahrzeuge weisen Trans formatoren auf , um elektrische Spannungen umzuwandeln . Beispielsweise wird ein Haupttransformator eingesetzt , um den über eine Oberleitung gelieferten Bahnstrom herunterzutrans formieren .
Trans formatoren in Schienenfahrzeugen können aus unterschiedlichen Gründen zusätzliche Schirmwicklungen oder Schirmzylinder verschiedener Bauart aufweisen . In FIG 1 ist eine herkömmliche Schirmung eines Trans formators dargestellt . Die Schirmsysteme dienen dazu, Spannungspotentiale anzulenken, die transiente , höherf requente Spannungsübertragung zu verbessern oder zu verhindern oder sie in gezielt dafür vorgesehene Bahnen zu lenken . Mit „Spannungspotentiale anzulenken" ist gemeint , dass der Verlauf eines Spannungspotentials im Raum so beeinflusst wird, dass Teilentladungen, insbesondere auf Grenz flächen zwischen unterschiedlichen Materialien verhindert bzw . minimiert werden und auch damit verbundene Schädigungen minimiert werden .
Gleichzeitig können diese Maßnahmen aber auch das Übertragungsverhalten der Trans formatoren für höherf requente Störströme positiv wie negativ beeinflussen . Diese höherf requen- ten Störströme können fahrzeugintern wie auch extern in der Infrastruktur zu Grenzwertüberschreitungen bis hin zu Störungen an Signal- , Kommunikations- und Sicherungseinrichtungen der Bahntechnik führen .
Der Grund dafür besteht darin, dass die Induktivität benachbarter Wicklungen und ihrer Kapazität zu diesen Schirmwicklungen bzw . Schirmzylindern ausgeprägte Resonanzen verur- Sachen können . Diese Resonanzen beruhen einerseits auf den relativ niederohmigen Leistungswicklungen, andererseits auf den üblicherweise absichtlich niederohmig ausgeführten Erdungen der Schirmwicklung des Schirmzylinders an der Trafomasse . Liegen gleichzeitig auch noch entsprechende Störquellen in diesen Frequenzbereichen vor, so kann es zu erheblichen Störpegeln innerhalb und außerhalb des Schienenfahrzeugs kommen .
Die erwähnten Störsignale können zu Signalstörungen in Gleiskreisen bzw . Detektionskreisen führen, mit denen Gleisabschnitte dahingehend überwacht werden, ob sich ein Schienenfahrzeug in einem Gleisabschnitt befindet oder ob der Gleisabschnitt frei von Schienenfahrzeugen ist und daher ein Schienenfahrzeug in den überwachten Gleisabschnitt hineinfahren darf . Ein solches S zenario ist in FIG 2 bis FIG 4 veranschaulicht .
Störsignale aufgrund von Resonanzef fekten der Schirmungen können auch Detektionsanlagen beeinflussen, die auf Basis der Messung von Magnetfeldern arbeiten . Ein solches Magnetfeld wird zum Beispiel genutzt , um die Anzahl von Achsen eines , einen Streckenabschnitt durchfahrenden Schienenfahrzeugs zu zählen . Auch Schienenrückströme verursachen Magnetfelder . Liegen die Frequenzen der Magnetfelder im Messbereich der Detektionsanlagen, so kann es zu Fehl zählungen kommen .
Die genannten Rückströme können auch Zugsicherungsanlagen bzw . Zugsicherungssysteme beeinflussen, die mit Balisen Zusammenwirken, die über eine bestimmte Aufnahmefrequenz , beispielsweise 4 MHz kommuni zieren . Ein solches Zugsicherungssystem ist zum Beispiel durch ETCS (European Train Control System = Europäisches Zugbeeinflussungssystem) realisiert . Dabei funkt ein Schienenfahrzeug ein Signal in Richtung Gleisbett . Im Gleisbett sind in vorbestimmten Abständen Balisen angeordnet , die das Signal empfangen und durch dieses Signal aktiviert werden . Daraufhin wird die in ihnen gespeicherte Information auf einer anderen Frequenz zum Fahrzeug zurückgefunkt . Wird eine solche Kommunikation durch ein Störsignal fälschlich vorgespiegelt oder eine real laufende Kommunikation durch ein derartiges Störsignal unterbrochen, so wird eine korrekte Überwachung des Schienenverkehrs beeinträchtigt und der Betrieb gestört .
Eine mögliche Maßnahme zur Minderung der beschriebenen Schwierigkeiten ist eine Umkonstruktion der Schirmungen, um Resonanzen in unkritische Frequenzbereiche zu verschieben . Allerdings werden derartige Ef fekte meist erst bei einer Prüfung des Gesamtsystems eines Schienenfahrzeugs entdeckt . Nachträgliche Änderungen sind oft aufwändig und können meist nur nach dem Prinzip Versuch und Irrtum umgesetzt werden, so dass der Aufwand zur Beseitigung von Störef fekten aufgrund der Schirmungen sehr hoch ist .
Es besteht also die Aufgabe , eine Trans formatoranordnung mit einer Trans formatorschirmung zu entwickeln, die auf Anhieb ein günstiges Resonanzverhalten aufweist und zur Reduktion von Störsignalen und Störef fekten auf die vorstehend beschriebenen Sicherheitseinrichtungen beiträgt .
Diese Aufgabe wird durch eine Trans formatoranordnung gemäß Patentanspruch 1 , ein Schienenfahrzeug gemäß Patentanspruch 12 und ein Verfahren zum Einrichten einer Trans formatoranordnung in einem Schienenfahrzeug gemäß Patentanspruch 13 gelöst .
Die erfindungsgemäße Trans formatoranordnung, vorzugsweise für ein Schienenfahrzeug, umfasst einen Trans formator und eine Trans formatorschirmung zur Potentialabschirmung einer Komponente des Trans formators . Der Trans formator ist dazu eingerichtet , eine in dem Schienenfahrzeug anliegende elektrische Wechselspannung mit einem ersten Spannungswert in eine elektrische Wechselspannung mit einem zweiten Spannungswert zu trans formieren . Die Trans formatorschirmung ist dazu eingerichtet , ein durch den Trans formator oder eine Komponente des Trans formators erzeugtes elektrisches Feld von anderen technischen Komponenten abzuschirmen bzw . dessen Verlauf derart zu definieren, dass auf Teilentladungen beruhende Störef fekte reduziert bzw . minimiert werden und damit verbundener Verschleiß ebenfalls reduziert bzw . minimiert wird . Teil der Trans formatoranordnung ist auch eine elektrische Verbindung zwischen der Trans formatorschirmung und einem Referenzpotential .
Die elektrische Verbindung weist eine Dämpfungs funktion auf . Diese Dämpfungs funktion wird durch eine von der elektrischen Verbindung umfassten Impedanz erreicht . Die Impedanz weist einen Impedanzwert auf , mit dem eine resonanzdämpfende Wirkung erzielt wird, aber zugleich der Ef fekt der Potential- abschirmung der Trans formatorschirmung aufrechterhalten wird . Als Impedanz soll ein elektrischer Widerstand für einen Strom, sei es ein Gleichstrom oder Wechselstrom, verstanden werden . Als „resonanzdämpfend" soll ein Wert der Impedanz verstanden werden, der ausreichend hoch ist , um eine ausreichende Resonanzdämpfung zur Störungsvermeidung zu erreichen, und als „den Ef fekt der Potentialabschirmung der Transformatorschirmung aufrechterhaltend" soll ein Wert der Impedanz verstanden werden, der nicht zu hoch ist , damit die Schirmung ihren Schutzef fekt beibehält und keine Resonanz an anderer Stelle entsteht . Als Referenzpotential oder Bezugspotential ist ein Potential mit einem vorbestimmten, vorzugsweise festen Wert , auf das alle anderen Potentiale bezogen sind, zu verstehen . Vorteilhaft wird durch die Anbindung der Trans formatorschirmung an das Referenzpotential durch eine geeignet dimensionierte Impedanz einerseits der gewünschte Ef fekt einer Schirmung, ein Potential im Bereich der Schirmung zu definieren, erzielt und andererseits das bei einer herkömmlichen Anordnung beobachtete unerwünschte Auftreten von resonanten Schwingungen in Frequenzbereichen, in denen Signalübertragungen gestört werden könnten, unterdrückt bzw . vermieden . Als Referenzpotenzial kann insbesondere ein Erdpotenzial oder ein Massepotenzial verwendet werden . Das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug weist die erfindungsgemäße Trans formatoranordnung auf . Das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug teilt die Vorteile der erfindungsgemäßen Trans formatoranordnung .
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Einrichten einer Trans formatoranordnung in einem Schienenfahrzeug wird ein Trans formator in dem Schienenfahrzeug installiert . Weiterhin wird eine Trans formatorschirmung zur Potentialabschirmung einer Komponente des Trans formators eingerichtet . Schließlich wird eine elektrische Verbindung zwischen der Trans formatorschirmung und einem Referenzpotential ausgebildet . Die elektrische Verbindung wird mit einer Impedanz mit einem resonanzdämpfenden, den Ef fekt der Potentialabschirmung der Trans formatorschirmung aufrechterhaltenden Impedanzwert ausgebildet . Eine Aus führung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht die Herstellung einer Trans formatoranordnung mit den Vorteilen der erfindungsgemäßen Trans formatoranordnung .
Die abhängigen Ansprüche sowie die nachfolgende Beschreibung enthalten j eweils besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung . Dabei können insbesondere die Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie und deren Beschreibungsteilen weitergebildet sein . Zudem können im Rahmen der Erfindung die verschiedenen Merkmale unterschiedlicher Aus führungsbeispiele und Ansprüche auch zu neuen Aus führungsbeispielen kombiniert werden .
Bevorzugt umfasst die elektrische Verbindung der erfindungsgemäßen Trans formatoranordnung eine komplexe Impedanz . Mit einer komplexen Impedanz lassen sich Wechselströme und die daraus entstehenden Magnetfelder bzw . elektromagnetische Felder abdämpfen .
Ganz besonders bevorzugt umfasst die elektrische Verbindung der erfindungsgemäßen Trans formatoranordnung eine Impedanz , welche durch eine Impedanzeinheit ausgebildet ist , die mindestens ein Dämpfungselement mit einem frequenzabhängigem Dämpfungsverhalten, vorzugsweise eine Mehrzahl von parallel angeordneten Dämpfungselementen mit unterschiedlichem frequenzabhängigem Dämpfungsverhalten umfasst . Vorteilhaft können gezielt einzelne besonders kritische Frequenzbereiche einer Dämpfung unterzogen werden . Als besonders „kritisch" soll ein Frequenzbereich verstanden werden, in dem Ströme und/oder Signale mit einer relevanten Funktion für den Schienenverkehr, insbesondere einer Sicherheits funktion, auf treten .
Mithin umfasst die Impedanzeinheit der erfindungsgemäßen Trans formatoranordnung bevorzugt mindestens ein Dämpfungselement , vorzugsweise eine Mehrzahl von Dämpfungselementen, welche j eweils dazu ausgebildet sind, Störströme in den erwähnten kritischen Frequenzbereichen abzudämpfen .
Dabei umfassen die erwähnten kritischen Frequenzbereiche bevorzugt mindestens einen der folgenden Frequenzbereiche :
- einen Niederfrequenzbereich, welcher anfällig für Gleisstromkreisstörungen ist ,
- einen Mittel frequenzbereich, der anfällig für Achs zählerstörungen ist , und
- einen Hochfrequenzbereich, welcher anfällig für Balisengerätestörungen ist .
Eine Dämpfung im Niederfrequenzbereich wird benötigt , um Störungen von Bahnsignaleinrichtungen zu vermeiden . Dagegen wird eine Dämpfung im Mittel frequenzbereich benötigt , um Störungen von Einrichtungen zur Fahrzeugdetektion zu vermeiden . Weiterhin wird eine Dämpfung im Hochfrequenzbereich benötigt , um eine Störung des Informationsaustauschs zwischen einem Schienenfahrzeug und der Infrastruktur über Balisen zu vermeiden .
Alternativ umfasst die elektrische Verbindung der erfindungsgemäßen Trans formatoranordnung eine Impedanz , welche nur genau ein Dämpfungselement mit einem frequenzabhängigem Dämpfungsverhalten umfasst . Vorteilhaft kann gezielt ein einzelner besonders kritischer Frequenzbereich einer Dämpfung unterzogen werden . Wie bereits erwähnt , kann als besonders „kritisch" ein Frequenzbereich verstanden werden, in dem Ströme und/oder Signale mit einer relevanten Funktion für den Schienenverkehr, insbesondere einer Sicherheits funktion, auf treten .
Mithin umfasst die Impedanzeinheit der erfindungsgemäßen Trans formatoranordnung vorzugsweise ein Dämpfungselement , welches dazu ausgebildet ist , Störströme in dem erwähnten kritischen Frequenzbereich abzudämpfen . Wie bereits erwähnt kann ein solch kritischer Frequenzbereich einen Niederfrequenzbereich oder einen Mittel frequenzbereich oder einen Hochfrequenzbereich umfassen .
Bevorzugt umfasst das Bezugspotential ein Massepotential oder Erdpotential . Vorteilhaft lässt sich das Bezugspotential passiv erzeugen und aufrechterhalten .
Besonders bevorzugt umfasst die elektrische Verbindung eine elektrische Verbindung, welche zu einer internen, leitenden Komponente hin ausgebildet ist . Als „interne , leitende Komponente" soll eine Komponente verstanden werden, die eine elektrische Anbindung der Trans formatorschirmung an eine Komponente innerhalb eines Gehäuses , vorzugsweise eines Transformatortanks oder Trans formatorkessels realisiert . Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Trans formatoranordnung ein solches Gehäuse , besonders bevorzugt einen Trans formatortank oder einen Trans formatorkessel .
Eine Lösung mit einer internen leitenden Komponente hat den Vorteil , dass eine Verlustleistung dieser Komponente im Kühlungsbereich des Trans formators auftritt . Ein Trans formator hat meist eine eigene Kühlung bzw . Kühleinheit , vorzugsweise eine Öl-Kühleinheit , die von der internen leitenden Komponente mitgenutzt werden kann . Weiterhin braucht die Komponente aufgrund dieser Fremdkühlung keine so große Oberfläche , um sich selbst zu kühlen . Mithin umfasst die erfindungsgemäße Trans formatoranordnung bevorzugt eine solche Kühleinheit innerhalb des Gehäuses , mit der vorteilhaft sowohl die Trans formatorwicklungen als auch die beschriebene elektrische Verbindung gekühlt werden können, so dass es nicht zu einem temperaturbedingten Aus fall oder Verschleiß der genannten technischen Komponenten kommt .
In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Trans formatoranordnung umfasst die interne leitende Komponente eines der folgenden Elemente :
- die Innenseite eines Trans formatorkessels oder Trans formatortank, in dem die Trans formatoranordnung angeordnet ist ,
- ein Kernblech der Trans formatoranordnung
- eine benachbarte Wicklung der Trans formatoranordnung .
Ein Trans formatorkessel , auch Tank genannt , ist eine Stahlkonstruktion, die das Aktivteil , also insbesondere den Transformatorkern und die Wicklungen eines Trans formators umfasst und von einem Deckel geschlossen wird . Die Magnetfelder der Wicklungen und Ableitungen verursachen Wirbelstromverluste in den Stahlteilen des Trans formatorkessels . Um diese Verluste zu begrenzen und die Erwärmung der Stahlteile zu vermindern, können die Stahlteile durch die erwähnten Trans formatorschirmungen teilweise auch gegen höherf requente Magnetfelder abgeschirmt werden . Hinzu kommen zahlreiche Anbauteile , wie zum Beispiel die Rohrleitungen eines Ausgleichsbehälters oder Dome von Durchführungen . Weiterhin ist der Trans formatorkessel unter Vakuum mit einem Öl befüllt . Der Trans formatorkessel selbst weist eine besonders ausgeprägte Schirmwirkung auf .
Ein Kernblech wird zur Bildung eines Trans formatorkerns verwendet . Die Nutzung eines solchen Kernblechs anstatt eines Vollmaterials ermöglicht die Unterdrückung bzw . Reduktion von Wirbelströmen, die sich mit zunehmender Frequenz verstärken würden und zu einer starken Erwärmung des Trans formatorkerns und damit zu einem hohen Leistungsverlust beitragen würden . Daher werden Trans formatorkerne aus lamellierten und isolierten Blechen in Paketform oder als gewickelte Schnittbandkerne auf gebaut .
Alternativ oder zusätzlich umfasst die elektrische Verbindung der erfindungsgemäßen Trans formatoranordnung eine elektrische Verbindung zu einer externen Komponente hin . Als „externe Komponente" soll eine Komponente außerhalb des Gehäuses der Trans formatoranordnung, vorzugsweise außerhalb des Transformatortanks oder des Trans formatorkessels verstanden werden . Vorteilhaft ist eine externe Komponente leicht zugänglich und kann daher leicht gewartet oder modi fi ziert werden .
Bevorzugt umfasst die externe Komponente der elektrischen Verbindung der erfindungsgemäßen Trans formatoranordnung für eine Bereitstellung des Bezugspotentials einen extern anzubringenden Erdungsanschluss oder Masseanschluss , der außerhalb des Trans formators bzw . außerhalb des Trans formatorkessels angeordnet ist . Vorteilhart wird eine direkte elektrische Verbindung der Schirmung über die Impedanz mit dem Erdungsanschluss oder Masseanschluss erreicht .
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 Trans formators mit einer herkömmlichen Trans formatorschirmung,
FIG 2 eine schematische Darstellung einer Gleisstrommessung zwischen einem Generator und einem Motorrelais ,
FIG 3 eine schematische Darstellung einer Detektion eines Schienenfahrzeugs in einem Gleisabschnitt , FIG 4 eine schematische Darstellung eines S zenarios , in dem durch ein Schienenfahrzeug ein Störstrom erzeugt wird,
FIG 5 eine schematische Darstellung einer Trans formatoranordnung gemäß einem Aus führungsbeispiel der Erfindung,
FIG 6 eine schematische Darstellung einer Trans formatoranordnung gemäß einem alternativen Aus führungsbeispiel der Erfindung,
FIG 7 ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Einrichten einer Trans formatoranordnung in einem Schienenfahrzeug gemäß einem Aus führungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht ,
FIG 8 ein Schienenfahrzeug mit einer Trans formatoranordnung gemäß einem Aus führungsbeispiel der Erfindung,
FIG 9 eine Impedanzeinheit mit einer Mehrzahl von Dämpfungskomponenten mit unterschiedlichen Dämpfungseigenschaften,
FIG 10 ein Schaubild, welches ein frequenzabhängiges Transmissionsverhältnis eines Trans formators veranschaulicht .
In FIG 1 wird eine schematische Darstellung eines Trans formators 2 mit einer herkömmlichen Schirmung gezeigt . Der Trans formator 2 umfasst in seinem Zentrum einen Trans formatorkern 12 . Um den Trans formatorkern 12 herum befindet sich eine erste Niederspannungswicklung 13 . Um die erste Niederspannungswicklung 13 herum angeordnet sind Hochspannungswicklungen 14 in mehreren Lagen . In FIG 1 sind beispielhaft drei Lagen gezeigt . Um die Hochspannungswicklungen 14 herum ist eine zweite Niederspannungswicklung 15 angeordnet . Zwischen den einzelnen Wicklungen 13 , 14 , 15 sind optionale Schutzwicklungen bzw . Schutzschirmungen 16 , auch als Trans formatorschirmungen bezeichnet , angeordnet . Die erwähnten Schutzschirmungen werden herkömmlich ausnahmslos an Kesselmasse angebunden bzw . ohne zusätzliche Impedanz hart geerdet . In FIG 2 ist eine schematische Darstellung, d . h . eine Draufsicht 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 1 (daher erst in FIG 3 gezeigt ) 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 2 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 2 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 3 ist der in FIG 2 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 4 ist eine schematische Darstellung eines S zenarios , in dem durch ein Schienenfahrzeug 1 ein solcher Störstrom erzeugt wird, gezeigt . Dabei fließt ein Strom von einer Oberleitung OL über ein Störstromüberwachungseinheit DSU zu den elektrischen Komponenten (nicht gezeigt ) des Schienenfahrzeugs 1 . Weiterhin werden die beiden Schienen 7a, 7b über das Fahrgestell des Schienenfahrzeugs 1 kurzgeschlossen und es fließt ein Rückstrom zu dem Motorrelais 8 .
Dabei 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 . Die Frequenzen eines solchen Rückstroms werden durch die Stromrichter im Fahrzeug bestimmt . Ihre Amplituden werden hingegen unter anderem durch Resonanzef fekte , die durch Schirmungen und Schirmanbindungen erzeugt werden, maßgeblich beeinflusst .
In FIG 5 ist eine Trans formatoranordnung 11 mit einer Schutzschirmung 16 mit interner Anbindung gemäß einem Aus führungsbeispiel der Erfindung gezeigt . In FIG 5 ist der Einfachheit halber nur ein Ausschnitt einer Trans formatoranordnung 1 mit nur einer Schutzschirmung 16 gezeigt . Dabei kann die Transformatoranordnung die in FIG 1 gezeigte Gestalt aufweisen . Zusätzlich umfasst die in FIG 5 gezeigte Trans formatoranordnung 11 eine interne Anbindung der Schutzschirmung 16 an eine Schutzerde GND . Bei einer solchen internen Anbindung ist die Schutzschirmung 16 statt einer direkten harten Erdung über eine Impedanz 17 mit einem Trans formatorkessel 18 elektrisch verbunden . Der Trans formatorkessel 18 selbst ist mit der Schutzerde GND elektrisch verbunden . Die Impedanz kann optional als reellwertiger elektrischer Widerstand, was in FIG 5 durch „R" symbolisiert ist , oder als komplexer elektrischer Widerstand, was in FIG 5 mit „Z" symbolisiert ist , ausgebildet sein .
In FIG 6 ist eine Trans formatoranordnung 1 mit einer Schutzschirmung 16 mit externer Anbindung gemäß einem Aus führungsbeispiel der Erfindung gezeigt . In FIG 6 ist der Einfachheit halber wiederum nur ein Ausschnitt einer Trans formatoranordnung 11 mit nur einer Schutzschirmung 16 gezeigt . Dabei kann die Trans formatoranordnung 11 die in FIG 1 gezeigte Gestalt aufweisen . Zusätzlich umfasst die in FIG 6 gezeigte Transformatoranordnung 11 eine externe Anbindung der Schutzschirmung 16 an eine Schutzerde GND . Die Schutzschirmung 16 ist über eine isolierte elektrische Leitung 17a aus dem Trans formatorkessel 18 herausgeführt . Der Trans formatorkessel 18 ist direkt mit Erde GND elektrisch verbunden . Die isoliert herausgeführte Leitung 17a wird über eine optionale Impedanz 17 , welche außerhalb des Trans formatorkessels 18 liegt , mit Erde GND elektrisch verbunden . Diese Impedanz 17 kann optional als reellwertiger elektrischer Widerstand, was in FIG 6 durch „R" symbolisiert ist , oder als komplexer elektrischer Widerstand, was in FIG 6 mit „Z" symbolisiert ist , ausgebildet sein .
In FIG 7 ist ein Flussdiagramm 700 gezeigt , welches ein Verfahren zum Einrichten einer Trans formatoranordnung 11 in einem Schienenfahrzeug 1 veranschaulicht .
Bei dem Schritt 7 . 1 wird zunächst ein Trans formator 2 als Teil der Leistungselektronik in dem Schienenfahrzeug 1 installiert .
Bei dem Schritt 7 . I I wird weiterhin eine Trans formatorschirmung 16 zur Potentialabschirmung 16 einer Komponente 12 , 13 , 14 , 15 des Trans formators 2 eingerichtet . Beispielsweise werden Schirmungen 16 zwischen dem Trans formatorkern 12 und einer ersten Niederspannungswicklung 13 , zwischen der ersten Niederspannungswicklung 13 und Hochspannungswicklungen 14 des Trans formators 2 und zwischen den einzelnen Hochspannungswicklungen 14 ausgebildet . Weitere Schirmungen 16 können zwischen den Hochspannungswicklungen 14 und einer zweiten äußeren Niederspannungswicklung 15 und außen um die zweite Niederspannungswicklung 15 des Trans formators 2 herum angeordnet sein .
Schließlich wird bei dem Schritt 7 . I I I eine elektrische Verbindung 17 zwischen der Trans formatorschirmung 16 und einem Referenzpotential GND mit einer Impedanz mit einem resonanzdämpfenden, den Ef fekt der Potentialabschirmung der Transformatorschirmung 17 aufrechterhaltenden Impedanzwert ausgebildet .
In FIG 8 wird eine schematische Darstellung eines elektrifi zierten Schienenfahrzeugs 1 mit einer Trans formatoranordnung 11 gemäß einem Aus führungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht . Das elektri fi zierte Schienenfahrzeug 1 , in diesem Fall ein Schienenfahrzeug 1 ausschließlich zum Betrieb mit Wechselspannung, umfasst zur Versorgung mit elektrischer Energie aus einem Bahnstromnetz N, in diesem Fall einem Wechselspannungsbahnstromnetz , einen Pantographen 22 , der über einen Hauptschalter 23 mit einem Primärstromwandler PW elektrisch verbunden ist . Der Primärstromwandler PW wandelt den Wechselstrom in Bereichen von 100 bis 1200 A in kleinere Ströme . Dem Primärstromwandler PW ist eine Störstromüber- wachungseinheit DSU nachgeschaltet . Eine solche Störstrom- überwachungseinheit DSU misst Störströme in Bereichen von wenigen Milliampere . Der Störstromüberwachungseinheit DSU nachgeschaltet ist eine Trans formatoranordnung 11 gemäß der Erfindung, in diesem Aus führungsbeispiel eine Trans formatoranordnung, welche den Haupttrans formator umfasst , der die von dem Bahnstromnetz N gelieferte Hochspannung heruntertransformiert . Mit dem Haupttrans formator bzw . der Trans formator- anordnung 11 elektrisch verbunden sind zwei Stromrichter 26 , die den Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln .
In FIG 9 ist eine Impedanzeinheit 34 mit einer Mehrzahl von Dämpfungskomponenten mit unterschiedlichen Dämpfungseigenschaften dargestellt .
Ein Trans formator hat abhängig von der Frequenz variierende Transmissionsverhältnisse , die Probleme mit verschiedenen Arten von Signal- und Sicherheitseinrichtungen innerhalb und außerhalb eines Schienenfahrzeugs verursachen können .
Die Impedanzeinheit 34 weist zur Abdämpfung unterschiedlicher Frequenzbereiche insgesamt fünf parallel geschaltete Dämpfungselemente 35 , 36 , 37 , 38 , 39 auf . Ein erstes links im Bild dargestelltes Dämpfungselement 35 weist zur Selektion eines ersten Frequenzbereichs f l ( siehe FIG 10 ) einen Resonanzkreis mit einer ersten Kapazität Gl und einer ersten Induktivität LI sowie zur Dämpfung einen ersten elektrischen Widerstand RI auf . Ein rechts neben dem ersten Dämpfungselement 35 dargestelltes zweites Dämpfungselement 36 weist zur Selektion eines zweiten Frequenzbereichs f2 ( siehe FIG 10 ) einen Resonanzkreis mit einer zweiten Kapazität C2 und einer zweiten Induktivität L2 sowie zur Dämpfung einen zweiten elektrischen Widerstand R2 auf . Ein rechts neben dem zweiten Dämpfungselement 36 dargestelltes drittes Dämpfungselement 37 weist zur Selektion eines dritten Frequenzbereichs f3 einen Resonanzkreis mit einer dritten Kapazität C3 und einer dritten Induktivität L3 sowie zur Dämpfung einen dritten elektrischen Widerstand R3 auf . Ein rechts neben dem dritten Dämpfungselement 37 dargestelltes viertes Dämpfungselement 38 weist einen vierten Widerstand R4 für die Dämpfung von hochfrequenten Strömen auf , der mit einer vierten Kapazität C4 in Serie geschaltet ist .
Ein rechts neben dem vierten Dämpfungselement 38 dargestelltes fünftes Dämpfungselement 39 weist einen fünften Widerstand R5 für die Dämpfung von niederfrequenten Strömen auf , wobei in Serie zu dem fünften Widerstand R5 eine vierte Induktivität L4 geschaltet ist.
Ein Schaubild des frequenzabhängigen Transmissionsverhältnisses eines gebräuchlichen Transformators ist beispielhaft in FIG 10 dargestellt.
Es ist das Verhältnis, d.h. das Transmissionsverhältnis T der Sekundärspannung des Transformators zum primären Kurzschlussstrom auf der Ordinate in kOhm über die jeweilige Frequenz f in kHz auf der Abszisse aufgetragen. Das Transmissionsverhältnis T lässt sich grob in drei verschiedene Frequenzbereiche einteilen, wie es in FIG 10 durch die Bezugsziffern fl, f2, f3 dargestellt ist. Der Niederfrequenzbereich fl ist anfällig für Gleisstromkreisstörungen, der Mittelfrequenzbereich f2 ist anfällig für Achszählerstörungen und der Hochfrequenzbereich f3 ist anfällig für Balisengerätestörungen. Eine Dämpfung im Niederfrequenzbereich fl wird benötigt, um Störungen von Bahnsignaleinrichtungen zu vermeiden. Eine Dämpfung im Mittelfrequenzbereich f2 wird benötigt, um Störungen von Einrichtungen zur Fahrzeugdetektion zu vermeiden. Eine Dämpfung im Hochfrequenzbereich f3 wird benötigt, um eine Störung des Informationsaustauschs zwischen einem Schienenfahrzeug und der Infrastruktur über Balisen zu vermeiden.
Nicht jeder der genannten Frequenzbereiche fl, f2, f3 wird möglicherweise von störenden Resonanzen beeinflusst, die sich aus einer bestimmten Transformatorkonstruktion ergeben, da dies von der Resonanzfrequenz und der natürlichen Dämpfung durch den Transformator selbst abhängt.
Wie bereits erwähnt, sind in FIG 9 unterschiedliche Varianten von Dämpfungselementen 35, 36, 37, 38, 39 zur Dämpfung der in FIG 10 veranschaulichten Resonanzen gezeigt. Eine volle Breitbanddämpfung mit einem einfachen Widerstand R kann möglich sein. Aber auch komplexere, frequenzselektive Substrukturen können notwendig sein. Eine derartige Impedanzeinheit 34 mit einer Mehrzahl von Dämpfungskomponenten ist in FIG 9 gezeigt . Eine Anwendung einer solchen komplexen Impedanzeinheit 34 kann notwendig sein, da die Dämpfung in einem bestimmten Frequenzbereich Probleme in anderen Frequenzbereichen verstärken kann . Es kann aber auch sein, dass die Dämpfung bei niedriger Frequenz einen sehr robusten elektrischen Widerstand für eine hohe Belastung (hoher Strom, hohe Verluste ) benötigt , der bei höheren Frequenzbereichen nicht erforderlich ist . Gleichzeitig können solche Hochleistungswiderstände für höhere Frequenzen im Allgemeinen nicht ausreichend sein, da ihr eigenes parasitäres induktives oder kapazitives Verhalten ungeeignet ist .
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 . Ebenso schließt der Begri f f „Einheit" nicht aus , dass diese aus mehreren Komponenten besteht , die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können . Unabhängig vom grammatikalischen Geschlecht eines bestimmten Begri f fes sind Personen mit männlicher, weiblicher oder anderer Geschlechteridentität mit umfasst .

Claims

Patentansprüche
1. Transformatoranordnung (11) , aufweisend:
- einen Transformator (2) ,
- eine Transformatorschirmung (16) zur Potentialabschirmung einer Komponente (12, 13, 14, 15) des Transformators (2) ,
- eine elektrische Verbindung (17) zwischen der Transformatorschirmung (16) und einem Referenzpotential (GND) , wobei die elektrische Verbindung (17) eine Impedanz mit einem resonanzdämpfenden, den Effekt der Potentialabschirmung der Transformatorschirmung (16) aufrechterhaltenden Impedanzwert aufweist.
2. Transformatoranordnung (11) nach Anspruch 1, wobei die elektrische Verbindung (17) eine reellwertige Impedanz umfasst .
3. Transformatoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die elektrische Verbindung (17) eine komplexwertige Impedanz umfasst .
4. Transformatoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die elektrische Verbindung (17) eine elektrische Verbindung zu einer internen leitenden Komponente (18) umfasst .
5. Transformatoranordnung nach Anspruch 4, wobei die interne leitende Komponente (18) eines der folgenden Elemente umfasst :
- die Innenseite eines Transformatorkessels oder Trans forma tor tanks ,
- ein Kernblech
- eine benachbarte Wicklung.
6. Transformatoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend eine Kühleinheit zum Kühlen des Transformators ( 2 ) .
7. Transformatoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die elektrische Verbindung (17) eine elektrische Verbindung zu einer externen Komponente umfasst.
8. Transformatoranordnung nach Anspruch 7, wobei die externe Komponente einen extern anzubringenden Erdungsanschluss (GND) , der außerhalb des Transformators (2) angeordnet ist, umfasst .
9. Transformatoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Impedanz eine Impedanzeinheit (34) aufweist, welche eine Mehrzahl von parallel angeordneten Dämpfungselementen (35, 36, 37, 38, 39) mit unterschiedlichem frequenzabhängigem Dämpfungsverhalten umfasst.
10. Transformatoranordnung nach Anspruch 9, wobei das frequenzabhängige Dämpfungsverhalten der Dämpfungselemente (35, 36, 37, 38, 39) so ausgebildet ist, dass Störströme mit Frequenzen in besonders störungskritischen Frequenzbereichen (fl, f2, f3) abgedämpft werden.
11. Transformatoranordnung nach Anspruch 10, wobei die besonders störungskritischen Frequenzbereiche (fl, f2, f3) mindestens einen der folgenden Frequenzbereiche umfassen:
- einen Niederfrequenzbereich (fl) , welcher anfällig für Gleisstromkreisstörungen ist,
- einen Mittelfrequenzbereich (f2) , der anfällig für Achszählerstörungen ist, und
- einen Hochfrequenzbereich (f3) , welcher anfällig für Balisengerätestörungen ist.
12. Schienenfahrzeug (1) , aufweisend eine Transformatoranordnung (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
13. Verfahren zum Einrichten einer Transformatoranordnung
(11) in einem Schienenfahrzeug (1) , aufweisend die Schritte:
- Installieren eines Transformators (2) in dem Schienenfahrzeug ( 1 ) , - Einrichten einer Transformatorschirmung (16) zur Potential- abschirmung einer Komponente (12, 13, 14, 15) des Transformators ( 2 ) ,
- Ausbilden einer elektrischen Verbindung (17) zwischen der Transformatorschirmung (16) und einem Referenzpotential (GND) mit einer Impedanz mit einem resonanzdämpfenden, den Effekt der Potentialabschirmung der Transformatorschirmung (16) aufrechterhaltenden Impedanzwert.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1126573A2 (de) * 2000-02-15 2001-08-22 Siemens Aktiengesellschaft Bedämpfungseinrichtung für wenigstens ein elektrisches Kabel
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