Anordnung zum Anschließen einer Bahnstromversorgung für eine Bahnstrecke an ein dreiphasiges Versorgungsnetz

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Anschließen einer Bahnstromversorgung für eine Bahnstrecke an ein dreiphasiges Versorgungsnetz gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1. Bei einer Bahnstromversorgung kommen häufig einphasige Oberleitungssysteme zum Einsatz, deren elektrische Energie aus herkömmlichen dreiphasigen Versorgungsnetzen entnommen werden muss . Aus dem Fachbuch „Fahrleitungen elektrischer Bahnen" von F. Kießling, R. Puschmann und A. Schmieder, 3. Auflage aus dem Jahr 2014, sind aus den Seiten 76 bis 85 verschiedene Anschlussmöglichkeiten der Bahnstromversorgung an ein dreiphasiges Versorgungsnetz bekannt. So kann bei einer so genannten Einphasenbahn die nötige Spannung jeweils für einzelne Abschnitte der Bahnstromversorgung abwechselnd aus einzelnen Außenleitern eines dreiphasigen Versorgungsnetzes entnommen werden (Bild 1.29 auf Seite 77) . Dies verursacht Unsymmetrien in der Belastung des dreiphasigen Versorgungsnetzes. Weiter- hin ist eine so genannte Zweispannungs-Bahnstromversorgung (Bild 1.30 auf Seite 78, Text Seite 78 ff) beschrieben, bei der Autotransformatoren eingesetzt werden.

Bei dem bekannten Autotransformatorsystem werden in einem Unterwerk der Bahnstromversorgung mittels Transformatoren aus einem dreiphasiges Versorgungsnetz für je einen Fahrleitungsabschnitt eine Fahrleitung, der sogenannte „positive Feeder", und ein entlang der Bahnstrecke isoliert mitgeführter Leiter, der sogenannte „negative Feeder", gespeist. An das Unterwerk ist die Schiene, die Erdpotential aufweist, angeschlossen. Entlang des Fahrleitungsabschnitts befindet sich mindestens ein Autotransformator, der mit den beiden Leitern und an seiner Mittelanzapfung mit der Schiene verbunden ist. Wird der Fahrleitungsabschnitt durch ein Triebfahrzeug befahren, so entnimmt das Triebfahrzeug einen ersten Speisestrom aus Richtung des Unterwerks und einen zweiten Speisestrom aus Richtung des Fahrleitungsabschnittendes. Die beiden Speiseströme sind gegeneinander um 180° phasenverschoben.

Autotransformatorsysteme werden zur Bahnstromversorgung eingesetzt, weil sich über weite Strecken die Belastungsströme der Fahrleitung halbieren und damit auch die entsprechenden Spannungsabfälle verringern. Dadurch können bei Autotransformatorsystemen in der Bahnstromversorgung die Abstände von Unterwerken an der Bahnstrecke erhöht werden, was Kosten einspart. Außerdem werden Störeinflüsse auf Fernmeldeleitungen verringert .

Weiterhin ist aus der DE102008012325 AI eine gattungsgemäße Anordnung bekannt. Die Anordnung dient zum Anschließen mindestens einer einphasigen Versorgungsleitung für die Oberleitung einer Eisenbahnstrecke an ein dreiphasiges Versorgungs- netz, wobei mindestens ein Transformator primärseitig mit dem Versorgungsnetz und sekundärseitig mit der mindestens einen einphasigen Versorgungsleitung und mit einem Erdungspunkt oder mit einer Rückleitung in Verbindung steht. Der Transformator weist in diesem Fall sowohl primärseitig als auch se- kundärseitig jeweils drei Phasen auf. Mit der mindestens einen einphasigen Versorgungsleitung und mit dem Erdungspunkt steht eine Symmetriereinrichtung in Verbindung, die eine sogenannte Schieflast bzw. eine unsymmetrische elektrische Belastung der drei Phasen des Versorgungsnetzes vermindert. Die Symmetriereinrichtung ist als ein dreiphasiger selbstgeführter Spannungszwischenkreisstromrichter ausgeführt. Weiterhin ist es möglich, zwei Transformatoren an das dreiphasige Versorgungsnetz zu schalten, um mittels der Symmetriereinrichtung zwei unterschiedliche Oberleitungsabschnitte zu speisen. Die beiden Transformatoren weisen in diesem Fall sowohl primärseitig als auch sekundärseitig zwei Phasen auf. Ferner ist aus der Produktbeschreibung „SVC PLUS - System Description" der Siemens AG vom 08. März 2012 eine Symmetriereinrichtung bekannt. Es wird ein so genannter modularer Multi -Level -Umrichter für die Blindleistungskompensation ein- gesetzt.

Ausgehend von der DE102008012325 AI stellt sich an die Erfindung die Aufgabe, eine Anordnung zum Anschließen einer Bahnstromversorgung für eine Bahnstrecke an ein dreiphasiges Ver- sorgungsnetz anzugeben, mit dem vergleichsweise einfach und effizient zwei Fahrleitungsabschnitte eines Autotransformatorsystems mit elektrischer Energie gespeist und zugleich Unsymmetrien der elektrischen Belastung des dreiphasigen Versorgungsnetzes vermieden werden.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Anordnung gemäß Anspruch 1.

Zwar erwähnt die DE102008012325 AI in ihrer Beschreibungsein- leitung, dass die in diesem Dokument beschriebene einphasige Versorgungsleitung der Bahnstromversorgung Teil eines Autotransformatorsystems sein kann, es bleibt jedoch offen, wie der Dreiphasenwechselstrom-Transformator hierfür eingesetzt werden müsste.

Es ist ein Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung, dass mit ihr in einer einfachen und effizienten Verschaltung von Dreiphasenwechselstrom-Transformator und Symmetriereinrichtung zwei unterschiedliche Fahrleitungsabschnitte gespeist werden können, wobei gleichzeitig Unsymmetrien in der elektrischen Belastung des dreiphasigen Versorgungsnetzes vermieden werden .

Ein weiterer Vorteil ist es, dass die Verwendung der Symme- triereinrichtung auf der Sekundärseite des Dreiphasenwechselstrom-Transformators, also auf der Mittelspannungsebene, besonders kostengünstig ist im Vergleich zum Einsatz einer Symmetriereinrichtung auf der Hochspannungsebene bzw. im dreiphasigen Versorgungsnetz .

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist der Dreiphasenwechselstrom-Transformator ein Dreiwicklungstransformator. Dies ist ein Vorteil, weil ein Dreiwicklungstransformator vergleichsweise einfach aufgebaut und weit verbreitet ist. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung weist der Dreiphasenwechselstrom-Transformator primärseitig eine Sternschaltung auf. Dies ist ein Vorteil, weil diese Bauweise besonders einfach und platzsparend ist .

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung weist der Dreiphasenwechselstrom-Transformator sekundärseitig eine erste Dreiecksschaltung auf, die eine Phasenverschiebung der Spannung von 150° gegenüber der Primärseite bewirkt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung weist der Dreiphasenwechselstrom-Transformator sekundärseitig eine zweite Dreiecksschaltung auf, die eine Phasenverschiebung der Spannung von 330° gegenüber der

Primärseite bewirkt. Dies ist ein Vorteil, weil sich auf diese Weise eine Phasenverschiebung zwischen Oberleitung und negative Feeder von 180° einstellt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist der Verbindungspunkt der ersten und der zweiten Dreiecksschaltung mit dem Erdpotential und mit der Symmetriereinrichtung verbunden. Dies ist vorteilhaft, weil sich auf diese Weise für die Energieversorgung der Bahnstre- cke zwei gleich große Spannungen gegenüber dem Erdpotential einstellen (z.B. 2 x 25 kV) lassen, so dass die beiden Spannungen zueinander die doppelte Spannungsdifferenz aufweisen (z.B. 50 kV) . In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist der Dreiphasenwechselstrom-Transformator mit seiner ersten Dreiecksschaltung mit der Symmetrier- einrichtung verbunden und zur Speisung der zwei entlang der Bahnstrecke isoliert mitgeführten Leiter geeignet. Dabei ist die Symmetriereinrichtung zur Reduktion der Unsymmtrie in der elektrischen Belastung der Primärseite des Dreiphasenwechselstrom-Transformators, beispielsweise durch eine Blindleis- tungskompensation, ausgelegt. Dies ist ein Vorteil, da die erste Dreiecksschaltung, die die negative Feeder speist, elektrisch weniger stark belastet ist als die zweite Dreiecksschaltung . In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist der Dreiphasenwechselstrom-Transformator mit seiner zweiten Dreiecksschaltung zur Speisung der zwei Fahrleitungen geeignet. Dies ist ein Vorteil, da die zweite Dreiecksschaltung, die die Fahrleitungen speist, elek- trisch stärker belastet ist als die erste Dreiecksschaltung.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung weist der Dreiphasenwechselstrom-Transformator gemäß der Norm DIN VDE 0532 die Schaltgruppe YNd5dll auf. Dies ist ein Vorteil, weil diese Schaltgruppe besonders gut für eine Speisung von je zwei negative und positive Feedern geeignet ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Anordnung sind ein zusätzlicher Dreiphasenwechselstrom-Transformator und eine zusätzliche Symmetriereinrichtung derart verschaltet, dass die Anordnung zur Versorgung zweier elektrisch getrennter Fahrleitungsabschnitte mit je zwei Fahrleitungen mit Energie geeignet ist.

In einer Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform werden die zwei elektrisch getrennten Fahrleitungsabschnitte durch den zusätzlichen Dreiphasenwechselstrom-Transformator und/oder die zusätzliche Symmetriereinrichtung mit Energie versorgt, wenn ein Dreiphasenwechselstrom-Transformator und/oder eine Symmetriereinrichtung ausfallen. Dies ist ein Vorteil, weil bei Verwendung von zwei Dreiphasenwechselstrom- Transformatoren und zwei Symmetriereinrichtungen auch dann eine Speisung der beiden Fahrleitungsabschnitte möglich ist, wenn ein Dreiphasenwechselstrom-Transformator und/oder eine Symmetriereinrichtung ausfallen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung weist die Symmetriereinrichtung einen dreiphasigen selbstgeführten Spannungszwischenkreisstromrichter auf. Dies ist ein Vorteil, weil ein dreiphasiger selbstgeführter Spannungszwischenkreisstromrichter eine vergleichs- weise platzsparende Bauweise ermöglicht.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung weist die Symmetriereinrichtung einen modu- lareren Multi -Level -Umrichter auf. Dies ist ein Vorteil, weil ein modularer Multi -Level -Umrichter eine vergleichsweise große Stromrichterleistung mit einer vergleichsweise hohen Spannungsqualität ermöglicht.

Zur besseren Erläuterung der Erfindung zeigen die

Figur 1 ein schematisches Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung und

Figur 2 ein Zeigerdiagramm, das die Phasenbeziehungen zwi- sehen der Primärseite und der Sekundärseite eines im ersten Ausführungsbeispiel verwendeten Dreiphasenwechselstrom-Transformators darstellt und

Figur 3 ein schematisches Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung und Figur 4 ein Schaltbild eines Dreiphasenwechselstrom- Transformators gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel . Die Figur 1 zeigt eine Anordnung 1, bei der ein dreiphasiges Versorgungsnetz 2, 3 mit z.B. 150kV oder 132kV jeweils an die Primärseite zweiter Dreiphasenwechselstrom-Transformatoren 4, 5 angeschlossen ist. Es handelt sich bei der Darstellung um ein vereinfachtes so genanntes Single Line Diagramm, d.h. ei- ne dreiphasige Leitung ist als eine einzelne Linie dargestellt, die mit einem durchkreuzten Strich und einer 3 gekennzeichnet ist. Entsprechend ist eine zweiphasige Verbindung mit einer 2 gekennzeichnet. Weiterhin sind zwei Symmetriereinrichtungen 6, 7 und ein Erd- beziehungsweise Schie- nenpotenzial RCBB vorhanden. Die Anordnung weist zwei Sammel- schienen 11, 12 auf, wobei an jede Sammelschiene 11, 12 je zwei Fahrleitungen (OCL) 19, 20, 21, 22 angeschlossen sind.

Im Folgenden soll nun die Verschaltung der genannten Elemente näher erläutert werden. Auf der Sekundärseite des links dargestellten Transformators 4 geht eine erste dreiphasige Leitung 8 ab, bei der eine Phase auf Erdpotenzial RCBB geschaltet ist und die verbleibenden zwei Phasen den Sammelschienen 11,12 zugeführt werden. Eine zweite dreiphasige Leitung 9 ist mit dem Erdpotenzial und über die verbleibenden zwei Phasen mit den Sammelschienen 11,12 verbunden. An das Erdpotenzial ist über eine Leitung 10 die Symmetriereinrichtung 6 angeschlossen, die über eine Leitung 13 mit der Sammelschiene 11 verbunden ist. Durch die Leitung 14 ist die erste Symmetrier- einrichtung 6 mit der Sammelschiene 12 verbunden.

Eine zweite Phase wird der Sammelschiene 11 über die Leitung 15 durch die zweite Symmetriereinrichtung 7 zugeführt. Der Sammelschiene 12 wird auch durch die Symmetriereinrichtung 7 eine weitere Phase zugeführt wird. Die dritte Phase der Symmetriereinrichtung 7 ist über die Leitung 16 mit dem Erdpotenzial RCBB verbunden. Auf der Sekundärseite des Transformators 5 geht eine dreiphasige Leitung 17 ab, von der eine Pha- se mit dem Erdpotenzial RCBB verbunden ist und die verbleibenden zwei Phasen der Sammelschiene 12 zugeführt werden. Weiterhin geht von dem Transformator 5 eine zweite dreiphasige Leitung 18 ab, von der eine Phase dem Erdpotenzial RCBB zugeführt wird und die verbleibenden zwei Phasen die Sammel- schienen 11,12 speisen.

Es ist ein Vorteil der dargestellten Anordnung, dass die Speisung der Bahnstromversorgung auch dann noch aufrecht er- halten werden kann, wenn eine der beiden Symmetriereinrichtungen 6, 7 und/oder einer der beiden Transformatoren 4, 5 ausfällt. Die beiden Symmetriereinrichtungen sind in der dargestellten Ausführungsform parallel geschaltet. Die Figur 2 zeigt ein Zeigerdiagramm, welches die Phasenbeziehungen zwischen der sternförmig verschalteten Primärseite eines als Dreiwicklers gestalteten Dreiphasenwechselstrom- Transformators und zwei sekundärseitig angeordneten Dreiecksschaltungen wiedergibt. Dabei zeigt der außenliegende Kreis Winkelverschiebungen von je 30°, so dass zum Beispiel Zahl 3 für 3x30=90° Winkelverschiebung steht. R, S, T stehen für die drei Phasen der dreiphasigen Versorgungsleitung LI, L2 , L3. Im Inneren des Kreises ist die sternförmige Verschaltung von LI, L2 , L3 zu erkennen.

Eine erste Dreiecksschaltung (mit gestrichelten Linien dargestellt) auf der Sekundärseite besteht aus den drei Wicklungen L31, L23, L12. Eine zweite Dreiecksschaltung (mit gepunkteten Linien dargestellt) besteht aus den drei Wicklungen L23, L12, L31. Die beiden Dreiecke sind derart gegeneinander verschoben, dass jeweils 30° zwischen R der ersten Dreiecksschaltung und T der zweiten Dreiecksschaltung liegen, d.h. es ist eine Winkelverschiebung von 180° zwischen beiden Dreiecksschaltungen gegeben. Bei einer Verbindung der beiden mit S gekenn- zeichneten Punkte der ersten und der zweiten Dreiecksschaltung ergibt sich ein Schaltbild wie in der nachfolgenden Figur 3. Das Schaltbild 3 gemäß Figur 3 zeigt die drei Wicklungen LI, L2 , L3 der Primärseite des Dreiphasenwechselstrom-Transformators. Die drei Wicklungen LI, L2 , L3 sind sternförmig verbunden, wobei der Berührungspunkt mit einer Rückleitung und ei- ner Symmetriereinrichtung Verbindung steht (Bezugszeichen 34) .

Rechts im Schaltbild ist eine erste Dreiecksschaltung, bestehend aus den drei Wicklungen L12, L23, L31 zu sehen. Dabei ist der Berührungspunkt der Wicklungen L12 und L31 mit einem zweiten Negative Feeder NF2 und der Symmetriereinrichtung verbunden (Bezugszeichen 35) . Der Berührungspunkt der beiden Wicklungen L23 und L31 ist mit einem ersten Negative Feeder NF1 und der Symmetriereinrichtung (Bezugszeichen 32) verbun- den.

Links im Schaltbild ist eine zweite Dreiecksschaltung zu sehen, bestehend aus den drei Wicklungen L12, L31, und L23. An dem Berührungspunkt der beiden Wicklungen L12 und L31 ist ei- ne erste Fahrleitung 31 angeschlossen. An dem Berührungspunkt der beiden Wicklungen L31 und L23 ist eine zweite Fahrleitung 33 angeschlossen.

Die Schaltgruppe des dargestellten Dreiphasenwechselstrom- Transformators ist YNd5dll.

Die Figur 4 zeigt eine Anordnung 40, bestehend aus Symmetriereinrichtung 41 und einem Dreiphasenwechselstrom-Transformator. Dabei weist der Dreiphasenwechselstrom-Transforma- tor gemäß DIN VDE 0532 die Schaltgruppe YNd5dll auf. An seiner Primärseite sind drei Wicklungen 42, 43, 44 sternförmig verbunden und an die drei Phasen LI, L2 , L3 eines dreiphasigen Versorgungsnetzes angeschlossen. Auf der Sekundärseite ist eine erste Dreiecksschaltung vorhanden, bestehend aus den Wicklungen 55, 56 und 64. Der Kontaktpunkt der beiden Wicklungen 56 und 64 ist über eine Leitung 49 mit der Symmetriereinrichtung 41 verbunden. Derselbe Verbindungspunkt ist außerdem über die Leitung 63 mit einem zweiten Negative Feeder NF2 verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen der Wicklung 55 und der Wicklung 64 steht über eine Leitung 52 mit einem ersten Negative Feeder NF1 sowie über eine Leitung 48 mit der Symmetriereinrichtung 41 in Verbindung. Der Kontaktpunkt der beiden Wicklungen 55 und 56 wird mittels der Leitung 50 herausgeführt und ist einerseits über eine Leitung 51 mit dem Erd- beziehungsweise Schienenpotenzial und andererseits mit der Symmetriereinrichtung 41 verbunden. Weiterhin ist sekundärseitig eine zweite Dreiecksschaltung vorgesehen, bestehend aus den drei Wicklungen 57, 58, 65. Der Berührungspunkt der beiden Wicklungen 57 und 58 ist mit der Leitung 50 sowie dem Berührungspunkt der beiden Wicklungen 55 und 56 der ersten Dreiecksschaltung verbunden. An den Berüh- rungspunkt der Wicklungen 57 und 65 ist über eine Leitung 54 ein zweiter Positive Feeder PF2 angeschlossen. An dem Berührungspunkt der Wicklungen 58 und 65 ist über die Leitung 53 ein erster Positive Feeder PF1 angeschlossen. Durch die gezeigte Schaltgruppe YNd5dll des Dreiphasenwechselstrom-Transformators und dessen Anschluss an die Negative Feeder NF1, NF2 sowie die Symmetriereinrichtung wird es möglich, in besonders effizienter Weise Unsymmetrien in der elektrischen Belastung der Wicklungen 42, 43, 44 auf der Pri- märseite des Transformators zu vermeiden.