Die Dachaufbauten von Zügen müssen zuverlässig Hochspannungsstrom übertragen.

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Höchste Zuverlässigkeit

Die Übertragungssysteme in Dachaufbauten von Zügen müssen zuverlässig den Hochspannungsstrom übertragen, damit Züge sicher und mit hoher Geschwindigkeit fahren können. Von: Elizabeth Da Silva Domingues, Ph.D., Engineer Manager, Hochspannung im Schienen- und Bahnverkehr

Die Dachleitungssysteme von Zügen müssen unter einer Vielzahl von extremen Bedingungen ihren Job erledigen. Die entscheidenden Komponenten des Systems sind besonders anfällig für Beschädigungen: Schaltanlagen, Isolatoren, Wagenübergangskabel, Überspannungsableiter, Durch- und Niederführungen. Da sich diese Komponenten auf dem Dach befinden (und durch das Dach an einen Transformator angeschlossen sind), müssen sie extremen Bedingungen standhalten und zuverlässig Strom bei 25 kV (oder 15 kV) übertragen. Dabei müssen stets sowohl die Sicherheit der Passagiere als auch ein störungsfreier Betrieb gewährleistet sein. Zughersteller, die sich der Risiken nicht richtig geschützter Dachleitungssysteme bewusst sind und die bestehenden Möglichkeiten nutzen, die Leistung und Bauweise dieser Systeme zu optimieren, können die Lebensdauer ihrer Züge verlängern und unnötige Betriebsstörungen vermeiden. 

Extreme Bedingungen

Die Dachleitungssysteme von Zügen müssen bei allen Umweltbedingungen zuverlässig funktionieren.

  • Mechanische Stöße und Vibrationen
  • Feuchtigkeit, Luftverschmutzung, Salz in der Luft, schnelle Luftströme
  • Höhenlagen und plötzliche Temperaturschwankungen
  • Hohe elektrische Belastungen – Konzentration bei elektrischen Feldern, Schalttransienten, Oberschwingungen und Blitzüberspannungen

Wenn ein Dachleitungssystem ausfällt, sind die Ursache hierfür oft Überschläge (Lichtbögen). Dies kann auf zweierlei Weise geschehen. Wenn das elektrische Feld an drei Punkten (Metall, Festisolierung, Luft) stärker wird als die Belastungsfähigkeit dieser externen Isolierung (die Luftstrecke wird unterbrochen). Oder wenn die Oberfläche der Isolierung elektrisch leitfähig (die Kriechstromstrecke wird unterbrochen). In beiden Fällen überträgt die Luft die Energie in einem elektrischen Bogen. Das Ergebnis ist ein Kurzschluss von den spannungsführenden Komponenten entweder zu den Erdungspunkten oder zur Karosserie des Zuges. Dies führt zu einem sofortigen Energieausfall. Die Wahrscheinlichkeit eines Überschlags steigt, wenn eine dieser beiden Umgebungsbedingungen vorliegt: bei einem elektrischen Feld treten Konzentrationen auf oder die dielektrische Stärke der externen Isolierung ist geschwächt. Ersteres kann eintreten, wenn die Komponenten des Dachleitungssystems schlecht konstruiert oder unzureichend geschützt sind; Letzteres kann das Ergebnis des Zusammenwirkens mehrerer Faktoren wie Druck oder Feuchtigkeit/Luftverschmutzung sein.  

Wenn Zughersteller qualitativ hochwertige Isolierstoffe verwenden und diese richtig anbringen, können sie Ausfälle und Störungen des Dachleitungssystems vermeiden.

Die weltweite Zunahme an elektrifiziertem Schienenverkehrssystemen (d. h., an Hochgeschwindigkeitszügen) hat dazu geführt, dass auch der Schutz von Dachleitungskomponenten immer komplexer geworden ist. So müssen Bahnstrecken, die durch unterschiedliche Klimazonen führen, beispielsweise eine im Bau befindliche Strecke von Europa über den Nahen Osten bis nach Asien, die erheblichen atmosphärischen Schwankungen aushalten können: extreme Temperaturen, hohe Luftfeuchtigkeit, Höhenlagen, hohe Luftverschmutzung oder eine Kombination dieser Faktoren. Wenn die Oberflächen von Isolatoren oder Anschlüssen gleichzeitig Feuchtigkeit und Luftschadstoffen ausgesetzt sind, kann diese Kombination zu Kriechströmen führen, die die Wahrscheinlichkeit von Überschlägen erhöhen, und Hochspannungssysteme anfälliger für interne Durchschläge machen. In Höhenlagen mit einem geringen Luftdruck ist das System einer Luft ausgesetzt, in der die Abstände zwischen Luftteilchen sehr groß sind. Infolgedessen können Elektronen mehr kinetische Energie erzeugen. Laut Paschen-Gesetz wird dadurch die Spannung, bei der ein Überschlag auftritt, über einen bestimmten Abstand hinweg geringer und das Dachleitungssystem ist anfälliger für Ausfälle und Störungen.

Bei extremen klimatischen Bedingungen müssen Dachleitungssysteme mit einer sehr leistungsstarken Isolierung gegen atmosphärische Schwankungen geschützt werden.
Bei extremen klimatischen Bedingungen müssen Dachleitungssysteme mit einer sehr leistungsstarken Isolierung gegen atmosphärische Schwankungen geschützt werden.

Der Schutz von Dachleitungssystemen ist eine komplexe Angelegenheit, da eine Vielzahl an Variablen beachtet werden muss.  Da jede Bahnstrecke einzigartig ist und ein Universalansatz weder realistisch noch ökonomisch sinnvoll ist, müssen Zughersteller stattdessen ein zuverlässiges Stromversorgungssystem anstreben, das der jeweiligen Betriebsumgebung einer Bahnstrecke gerecht wird. Dies hat eine direkte Auswirkung auf die Leistung der Komponenten über ihre Lebensdauer hinweg. Beispielsweise kann der Einfluss hoher Luftströme die Isolierdurchführungen verbiegen und so deren Leistung beeinträchtigen. Oder die relativen Bewegungen von Wagen, die mechanische Verbiegungen bei drei Achsen verursachen, können sich auf die Leistung der Hochspannungskabel auswirken, mit denen die Übergänge zwischen den einzelnen Wagen überbrückt werden. Wird dies ignoriert, kann die Stromübertragung durch die Stöße und Vibrationen unterbrochen werden. Diese zyklischen mechanischen Belastungen haben Abnutzungen zur Folge – sowohl auf dem Kabel als auch an der Ausrüstung, an der das Kabel angeschlossen ist, z. B. Isolatorhalterungen oder Hochspannungs-Kabelanschlüsse. Dadurch wird wiederum die Fähigkeit des Systems beeinträchtigt, zuverlässig und effektiv Strom zu übertragen sowie Hochspannung standzuhalten. Um dies zu vermeiden, müssen die Verbindungen zwischen den einzelnen elektrischen und mechanischen Komponenten gut geplant und von höchster Qualität sein.

Die Qualität der in einem Dachleitungssystem verwendeten Materialien kann entscheidende Auswirkungen auf die Leistung bei extremen Bedingungen haben. Bei einigen Verbindungen – z. B. Muttern, Bolzen, Halterungen und umflochtene Steckverbinder – werden oftmals die Produkte gewählt, die am günstigsten sind. Es sollte unbedingt berücksichtigt werden, dass die für diese preiswerten Verbindungen verwendeten Materialien leicht korrodieren – und diese Korrosion kann sich schnell auf die Isolatoroberflächen ausweiten und zu Schäden an den hochwertigen Kupferleitern führen. Bei Korrosion wird die elektrische und mechanische Leistung eines gesamten Systems beeinträchtigt und sie lässt nach. Ein gutes Exempel für diesen Fehler ist die Verwendung einer weniger hochwertigen Mutter auf einem Kupferleiter, ohne dass eine geeignete Komponente zur Trennung der beiden eingesetzt wird. Durch diese Art von Fehler wird die Verbindung vollkommen unnötig beschädigt. Wenn Zughersteller qualitativ hochwertige Isolierstoffe verwenden und diese richtig anbringen, können sie Ausfälle und Störungen des Dachleitungssystems vermeiden. Dazu zählen auch eine schwache Leistung und vorzeitiger Verschleiß, resultierend aus der Verwendung von Materialien, die nicht für extreme Bedingungen konzipiert sind.

Leistungsoptimierung im Schienen- und Bahnverkehr (Englisch)

Der Portfolio Manager von TE für Isolations- und Schutzsysteme, Brian McGowan, erläutert, wie TE neue Lösungen zur Leistungsoptimierung des Schienen- und Bahnverkehrs entwickelt. Dazu nutzt er sowohl intelligente Werkstoffe, die eine Beanspruchung oder die Umgebungsbedingungen erkennen können als auch die Fortschritte in der Materialwissenschaft, so dass Schienenysteme auch zu Stoßzeiten anhaltende Hochleistung liefern können.

Zughersteller stehen vor einer entscheidenden Herausforderung. Die Passagiere erwarten Reisekomfort, die Züge müssen effizient laufen, und das mit einer höheren Geschwindigkeit und einem geringeren Energieverbrauch. Und sie müssen überall und jederzeit zuverlässig Leistung bringen. Um die Leistung eines Dachleitungssystems zu optimieren, können Zughersteller einen der folgenden Ansätze zur Minimierung des Risikos von Betriebsunterbrechungen umsetzen.

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Analyse finiter Elemente

Mit dieser Technik können Zughersteller die elektrischen und mechanischen Belastungen vorhersagen, denen die Komponenten während der Lebensdauer eines Systems ausgesetzt sind. Anhand der Ergebnisse können sie die Schwachpunkte in ihrem System ermitteln und entsprechende Maßnahmen ergreifen.

2

Teilsystem-Beschaffung

Bei diesem Ansatz kann der Zughersteller Risiken outsourcen – und von der Expertise von Spezialisten für Hochspannungssysteme profitieren, die bei der Planung hinzugezogen werden. Oftmals begrenzen Zughersteller ihre Kosten, indem sie weniger wichtige Komponenten von einer Reihe von Drittanbietern beziehen und diese dann intern zusammensetzen. Bei dieser Praxis wird übersehen, dass einfache Komponenten genauso entscheidend sind wie wichtige Komponenten. Wenn beispielsweise die einfachen Steckverbinder und Strukturen nicht als elektrotechnische Komponenten ausgelegt sind, ist das gesamte Hochspannungssystem anfällig für Ausfälle und Störungen. Wenn Sie sämtliche Komponenten von einem einzigen Lieferanten beziehen, erhalten Sie eher ein konsequent durchdachtes System, das als ein Einzelsystem betrieben werden kann und besser den ganz spezifischen Betriebsbedingungen einer bestimmten Bahnstrecke gerecht wird. Obwohl viele Zughersteller über die nötige Expertise zur Entwicklung ihrer eigenen Systeme verfügen, kann durch die Zusammenarbeit mit Spezialanbietern sichergestellt werden, dass die Spezifikationen von weniger hochwertigen Dachleitungskomponenten – wie Kupfergeflechte oder Schienen, Befestigungen (Muttern, Bolzen und Unterlegscheiben) –akkurat sind.

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Abschwächen von elektrischen Feldern

Es gibt drei Möglichkeiten, die Stärke von elektrischen Feldern durch eine gute Konstruktion zu verringern. Die erste Methode besteht darin, die Abstände zwischen spannungsführenden Komponenten und Zugstruktur, Luftstrecke und Kriechstromstrecke genannt, zu erhöhen. Das heißt nicht notwendigerweise größere Höhen. Dabei müssen alle technischen Aspekte ordnungsgemäß und effektiv verfolgt werden. Bei der zweiten Methode werden Komponenten mit abgerundeten und glatten Formen verwendet. Bei einer spitz zulaufenden Oberfläche konzentrieren sich aufgeladene Teilchen. Dies erhöht die elektrische Feldstärke. Bei der dritten Methode muss Regenwasser unter Sturmbedingungen schnell abfließen können, da elektrischer Widerstand durch Wasserfluss erheblich beeinträchtigt werden kann (dabei werden die Luftstrecke oder die Kriechstrecke verkürzt).

Zusammenfassung

Wenn Bahnunternehmen, Zughersteller und Zulieferer für die Schienenverkehrsbranche zusammenarbeiten, um die Dachleitungssysteme gegen die Umweltbedingungen auf der Strecke eines bestimmten Zuges zu schützen, müssen sie sicherstellen, dass die Züge bei allen Witterungsbedingungen wie vorgesehen funktionieren – und dass die Menschen, die auf den Zugbetrieb angewiesen sind, den Service bekommen, den sie erwarten, und zwar ohne Verzögerungen und Störungen.