Verfahren und Einrichtung zur Stromabnehmerausfallüberwachung

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur

Stromabnehmerausfallüberwachung in Schienenfahrzeugen sowie eine dafür ausgebildete Einrichtung.

Stand der Technik

Die Zuführung elektrischer Energie zu Schienenfahrzeugen erfolgt über am Dach des Schienenfahrzeugs angeordnete

Pantographen oder über Stromabnehmer im Fahrgestellbereich. Letztere sind häufig bei U-Bahnen im Einsatz. Bei Fahrzeugen mit Stromabnehmern im Fahrgestellbereich sind sehr häufig mehrere dieser Stromabnehmer vorgesehen, da einerseits die elektrische Leistung dadurch verteilt wird und die einzelnen Stromabnehmer jeweils eine geringere Leistung übertragen müssen, andererseits ist es wegen der im Allgemeinen

unterbrechungsbehafteten Stromschiene („3. Schiene")

erforderliche mehrere Stromaufnahmestellen vorzusehen um diese Lücken überbrücken zu können, sodass ein Fahrzeug auf der gesamten Strecke elektrisch versorgt wird. Dadurch kann ein Fahrzeug auch weiterbetrieben werden, wenn ein

Stromabnehmer fehlt (beispielsweise abgebrochen oder

anderwärtig beschädigt ist) . Dabei wird die elektrische Energie über die verbleibenden Stromabnehmer zugeführt.

Dieser Betriebszustand ist für die elektrischen

Einrichtungen, insbesondere die Leitungen von den

Stromabnehmern zu der Sammelschiene nachteilig, da sie einer dauerhaft erhöhten Belastung ausgesetzt sind. Dem

Fahrpersonal ist dieser Betriebszustand nicht ohne Weiteres ersichtlich, da sich die Fahreigenschaften dadurch nicht ändern. Eine Möglichkeit, diesen Betriebszustand zu erkennen besteht darin, in den jeweiligen Leitungen von einem

Stromabnehmer zu einer Sammelschiene einen Stromwandler vorzusehen, wodurch ein Ausfall eines Stromabnehmers

erkennbar wird. Diese Lösung ist nachteilig, da für diesen Zweck geeignete Stromwandler sehr teuer sind und an einer Stelle im Wagenkasten eingebaut werden müssen, die dafür oftmals zu wenig Platz bietet.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Ausfall eines Stromabnehmers eines Schienenfahrzeugs, insbesondere einer U-Bahn erkennen zu können. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des

Anspruchs 1 und ein Schienenfahrzeug nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche . Dem Grundgedanken der Erfindung nach wird ein Verfahren beschrieben, welches es in einem Schienenfahrzeug, in welchem jedes Fahrwerk einen links- und einen rechtsseitigen

Stromabnehmer umfasst und wobei eine gemeinsame elektrische Leitung zwischen den Stromabnehmern und einer

wagenkastenseitigen Sammelschiene in jeweils einer

metallischen Führung geführt ist ermöglicht, den Ausfall eines Stromabnehmers dadurch zu ermitteln, dass die

Temperatur jeder metallischen Führung ermittelt wird und bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur einer metallischen Führung ein Signal abgegeben wird und das von dem Ausfall betroffene Fahrwerk durch die Temperaturerhöhungen der metallischen Führungen zu den nichtbetroffenen Fahrwerken ermittelt wird.

Dadurch ist der Vorteil erzielbar, eine einfache,

zuverlässige Stromabnehmerausfallüberwachung durchführen zu können. Insbesondere ist vorteilhaft, dass dabei keine

Stromwandler erforderlich sind.

Das Wirkungsprinzip gegenständlicher Erfindung beruht auf der Erwärmung stromdurchflossener Leiter. Diese Verlustwärme führt zu einer Temperaturerhöhung des Leiters (typischerweise Kupfer oder Aluminium) , seiner Isolation sowie der umgebenden Bauteile. Die Isolation ist jeweils für eine bestimmte maximale Temperatur bemessen, welche nicht überschritten werden darf, da dies zu einem Veränderung der mechanischen Eigenschaften der Isolation führen kann wodurch die

isolierenden Eigenschaften verändert werden können. In der

Auslegung der betreffenden elektrischen Leitungen wird darauf Rücksicht genommen und die Leitungen werden dementsprechend dimensioniert, sodass im normalen Betrieb diese maximale Temperatur nicht auftreten kann. Dabei ist auch die

Umgebungstemperatur des Einsatzortes des Schienenfahrzeugs zu berücksichtigen .

Die elektrischen Leitungen von den Stromabnehmern

( fahrgestellseitige Stromabnehmer zu „3. Schiene") werden gebräuchlicherweise im Fahrgestellbereich verbunden, sodass nur eine Leitung vom Fahrgestell zum Wagenkasten geführt werden muss. Diese elektrische Leitung muss einen flexiblen Teil aufweisen, welcher die Beweglichkeit des Fahrgestells während des Betriebs nicht behindert. Der weitere Verlauf dieser Leitung im Bereich des Wagenkastens erfolgt in einer metallischen Führung. Diese metallische Führung ist

erforderlich, da die genannte elektrische Leitung

fahrzeugseitig nicht abgesichert ist. Ein Kurzschluss dieser Leitung mit dem Wagenkasten, welcher Massepotential aufweist wird nur durch die Sicherungseinrichtungen der Speisestelle der 3. Schiene abgesichert, wodurch äußerst hohe Ströme den Wagenkasten im Kurzschlußfall massiv beschädigen würden.

Tritt ein Kurzschluss an diesem (unabgesicherten) Teil der Leitung auf, so stellt die metallische Führung sicher, dass ausreichend hohe Ströme fließen können um die

Sicherungseinrichtungen der Speisestelle auszulösen. Dazu ist die metallische Führung mit der Fahrzeugmasse zu verbinden. Aufgrund der Erfordernisse, sehr geringe Erdungswiderstände und eine hohe Zuverlässigkeit dieser Masseverbindung

gewährleisten zu können, werden die Anschlußpunkte

üblicherweise mit der metallischen Führung verschweißt. An diese angeschweißten Anschlußpunkte werden Masseleitungen hohen Querschnitts geschraubt und die Verschraubung

gesichert. Diese in der metallischen Führung befindliche elektrische Leitung führt zu einem wagenkastenseitigen

Anschlußkasten (Sammelschiene) , in welchem die

fahrzeugseitigen Sicherungseinrichtungen (Schmelzsicherungen oder Leistungsschalter) vorgesehen sind.

Die genannte metallische Führung umschließt die darin geführte elektrische Leitung eng, die Leitung weist eine ausreichende Beweglichkeit in der Führung auf, es besteht jedoch kein wesentlicher Spalt zwischen der Leitung und der Führung. Dadurch wirkt sich die Erwärmung der Leitung unmittelbar auch auf die metallische Führung auf, welche einen im Wesentlichen identischen Temperaturverlauf wie die darin geführte elektrisch Leitung aufweist. Da die Führung im Untergestell des Wagenkastens eingebaut ist und häufig von weiteren Einbauten im Untergestell umgeben ist, kann durch den Fahrtwind keine bedeutende Kühlung der metallischen Führung erfolgen. Bei einigen Schienenfahrzeugen ist die metallische Führung auch in einem komplett

fahrtwindgeschützten Bereich montiert.

Somit ist es möglich, durch Messung der Temperatur der metallischen Führung auf die Temperatur der elektrischen Leitung in dieser Führung zu schließen ohne wesentliche Meßfehler in Kauf nehmen zu müssen. Die Zeitkonstanten des Erwärmungsvorgangs dieser Leitung sind ausreichend lang.

Es ist nicht möglich, einen Temperatursensor unmittelbar an der elektrischen Leitung anzuordnen, da dies gemäß den

Bauvorschriften von Schienenfahrzeugen unzulässig ist.

Versagt ein Stromabnehmer, so wird die elektrische Leistung über den, bzw. die verbleibenden Stromabnehmer übertragen, welche dabei höhere elektrische Ströme führen müssen. Dadurch werden die Leitungen von den verbleibenden Stromabnehmern zu der Sammelschiene entsprechend stärker erwärmt und somit auch die metallischen Führungen dieser Leitungen. Erfindungsgemäß werden die Temperaturen aller metallischen Führungen

ermittelt und wenn die Temperatur einer metallischen Führung einen bestimmten Wert übersteigt ein Signal an die

Fahrzeugssteuerung abgegeben.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dazu einen Thermoschalter einzusetzen, welcher bei einer bestimmten Temperatur schaltet, also eine Temperaturüberschreitung binär anzeigt. Dadurch ist der Vorteil erzielbar, eine besonders einfache und preisgünstige Stromabnehmerausfallerkennung aufbauen zu können, da einerseits Thermoschalter sehr preisgünstig sind, andererseits zur Weiterverarbeitung nur Binäreingänge einer Fahrzeugsteuerung erforderlich sind, wodurch auch die weiterverarbeitende Software (so eine solche eingesetzt wird) vereinfacht wird.

Wird eine analoge Temperaturmessung vorgenommen, so kann durch die Fahrzeugsteuerung ein zeitliches Temperaturprofil der metallischen Führung ermittelt werden und solcherart bereits die Tendenz einer Temperaturerhöhung erkannt werden wodurch eine frühzeitige Warnung erfolgen kann. Dabei sind seitens der Fahrzeugsteuerung analoge Eingänge vorzusehen.

Der Schwellwert der Auslösung einer Warnung, d.h. das

Ausgeben eines Signals welches einen Stromabnehmerausfall anzeigt ist mit einem bestimmten Sicherheitsabstand von der maximal zulässigen Temperatur der elektrischen Leitung festzulegen. Typische für diesen Zweck eingesetzte Leitungen weisen zulässige Dauertemperaturen von ca. 90 bis 120 Grad Celsius, bei einer typischen zulässigen kurzzeitigen

Spitzentemperatur von 150 Grad Celsius auf.

Befindet sich ein Fahrzeug im Teillastbetrieb (z.B. leere U- Bahn) , so ist es möglich, dass dabei bei Ausfall eines

Stromabnehmers die Auslösetemperatur der nichtbetroffenen Leitung nicht erreicht wird, das Fahrzeug also zumindest kurzfristig weiterbetrieben werden kann, eine Warnung kann allenfalls unter Einsatz einer analogen Temperaturmessung und Auswertung des zeitlichen Temperaturprofils der metallischen Führung erfolgen.

Die Wagensteuerung kann bei Erkennung eines Ausfalls eines Stromabnehmers das Fahrpersonal von diesem Ausfall

informieren, beispielsweise durch ein Warnlicht im

Fahrerstand, sie kann auch im Fehlerfall die maximal zur Verfügung stehende Antriebsleistung reduzieren, sodass ein betroffenes Fahrzeug bis zu einem geeigneten

Reparaturzeitpunkt in Betrieb verbleiben kann, die maximal erreichbare Beschleunigung jedoch reduziert ist.

Die Temperaturbestimmungseinrichtung (Thermoschalter,

Thermoelement, Widerstandsthermometer, etc.) ist

erfindungsgemäß an einer Ausformung der metallischen Führung anzuordnen. Es ist vorteilhaft, dazu jene Ausformung einzusetzen, welche zum Anschluss des Erdungskabels

(Masseanschluß) vorgesehen ist. Diese Ausformung ist gebräuchlicherweise an die metallische Führung angeschweißt um einen extrem niederohmigen Anschluss gewährleisten zu können und eignet sich auch sehr gut zur Montage einer Temperaturbestimmungseinrichtung. Eine allfällig vorgesehene Isolierung der metallischen Führung muss an der

Befestigungsstelle der Temperaturbestimmungseinrichtung entfernt werden.

In weiterer Fortbildung der Erfindung ist es vorteilhaft diese Ausformung, zusammen mit der an ihr montierten

Temperaturbestimmungseinrichtung zumindest teilweise mit einem thermisch isolierenden Material einzuhüllen. Dadurch ist der Vorteil erzielbar, eine höhere Genauigkeit der Temperaturbestimmung erreichen zu können, da dadurch die Wärmeabgabe der Ausformung an die Umgebung reduziert wird.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Es zeigen beispielhaft:

Fig.l Energiezuführung eines Schienenfahrzeugs.

Fig.2 metallische Führung.

Ausführung der Erfindung

Fig.l zeigt beispielhaft und schematisch eine

Energiezuführung eines Schienenfahrzeugs. Es ist der

prinzipielle Aufbau einer elektrischen Energiezuführung eines Schienenfahrzeugs mit am Fahrwerk angeordneten Stromabnehmern gezeigt. Das Schienenfahrzeug weist zwei Drehgestelle auf, wobei dem ersten Drehgestell ein linkseitiger Stromabnehmer 1 und ein rechtsseitiger Stromabnehmer 2 zugeordnet sind und wobei dem zweiten Drehgestell ein linksseitiger Stromabnehmer 3 und ein rechtsseitiger Stromabnehmer 4 zugeordnet sind. Die zu den Stromabnehmern 1, 2, 3, 4 führenden elektrischen Leitungen werden noch im Bereich des Drehgestells zu einer gemeinsamen Leitung verbunden. Der dazu üblicherweise eingesetzte Verbindungskasten ist in Fig.l zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigt. Diese gemeinsame Leitung weist in ihrem weiteren Verlauf jeweils einen flexiblen Abschnitt 11 auf, welcher die Beweglichkeit des Drehgestells

sicherstellt. Im weiteren Verlauf ist die elektrische Leitung 5 in einer metallischen Führung 6 geführt. Dieser

Leitungsabschnitt ist am, bzw. im Untergestell des

Schienenfahrzeugs angeordnet. Die elektrische Leitung 5 ist zu einem Anschlußkasten 10 geführt, welche unter anderem eine Sammelschiene und Sicherungseinrichtungen umfasst. Die metallischen Führungen 6 sind jeweils mit einer Masseleitung 9 mit der Fahrzeugmasse verbunden. Dazu weisen die

metallischen Führungen 6 jeweils eine Ausformung 8 auf, die zum Anschluß einer Masseleitung 9 ausgebildet sind. Weiters sind an den Ausformungen 8 jeweils eine

Temperaturbestimmungseinrichtung 7 angeordnet, welche die Temperatur der Ausformung 8, bzw. der metallischen Führung 6 erfassen .

Fig.2 zeigt beispielhaft und schematisch eine metallische Führung mit einer Temperaturbestimmungseinrichtung. Es ist ein Querschnitt einer metallischen Führung 6 im Bereich einer Ausformung 8 dargestellt. In der metallischen Führung 8 ist eine elektrische Leitung 5 geführt, welche einen elektrischen Leiter und eine diesen elektrischen Leiter einhüllende

Isolierung aufweist. Die metallische Führung 6 ist rohrförmig ausgeführt, wobei der Innendurchmesser der metallischen Führung nur unwesentlich größer ist als der Außendurchmesser der elektrischen Leitung 5. Diese Durchmesserdifferenz ist so bemessen, dass eine Montage der elektrischen Leitung 5 möglich ist. Die geringe Durchmesserdifferenz stellt auch einen guten Wärmeübergang von der elektrischen Leitung 5 in die metallische Führung 6 sicher. Die metallische Führung weist eine plattenförmige Ausformung 8 auf, welche einstückig mit der metallischen Führung 6 ausgeführt ist. Im Allgemeinen ist die Ausformung 8 mit der metallischen Führung 6

verschweißt. Die Ausformung 8 weist Befestigungsmittel zur Montage einer Temperaturbestimmungseinrichtung 7 auf. In gezeigtem Ausführungsbeispiel ist dieses Befestigungsmittel als Bohrung ausgeführt. Die Temperaturbestimmungseinrichtung 7 ist elektrisch mit einer Wagensteuerung 13 verbunden und gibt ein Signal 12 an diese Wagensteuerung ab, welche von der ermittelten Temperatur der metallischen Führung 6 bestimmt ist. Weiters weist die Ausformung 8 einen Anschluß für eine Masseleitung 9 auf, zur Vereinfachung ist dieser Anschluß in Fig. 2 nicht dargestellt. Liste der Bezeichnungen

1 Stromabnehmer, erstes Drehgestell links

2 Stromabnehmer, erstes Drehgestell rechts

3 Stromabnehmer, zweites Drehgestell links

4 Stromabnehmer, zweites Drehgestell rechts

5 elektrische Leitung

6 metallische Führung

7 Temperaturbestimmungseinrichtung

8 Ausformung

9 Masseleitung

10 AnSchlußkästen

11 flexibler Abschnitt der elektrischen Leitung

12 Signal

13 WagenSteuerung