Beschreibung

Schienenfahrzeug mit einem Wagenkasten sowie Verfahren zum Schutzerden eines solchen Wagenkastens

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schienenfahrzeug mit einem Wagenkasten und mit dem Wagenkasten in Verbindung stehenden Kontaktmitteln, wie beispielsweise Rädern oder Radsätzen, die beim Betrieb des Schienenfahrzeugs mit zumindest einer stre- ckenseitigen Schiene in Kontakt stehen, wobei der Wagenkasten und zumindest eines der Kontaktmittel durch eine elektrische Widerstandseinrichtung miteinander verbunden sind.

Erdungskonzepte heutiger elektrischer und dieselelektrischer Schienen- bzw. Bahnfahrzeuge müssen gleichermaßen sowohl den Anforderungen an eine störungsfreie Betriebsstromrückführung in die Fahrschiene - also der Betriebserdung - als auch den Anforderungen an einen wirkungsvollen Berührschutz - also der Schutzerdung - Rechnung tragen.

Der Berührschutz erfordert eine möglichst niederohmige Verbindung aller metallischen Teile des Wagenkastens, die im Fehlerfall unter Spannung stehen könnten, mit der Bahnerde, d. h. beispielsweise den Fahrschienen. Ein solcher Fehlerfall könnte beispielsweise darin bestehen, dass ein Fahrdraht einer Oberleitung der Fahrstrecke abreißt und in Kontakt mit dem Wagenkasten tritt. In einem solchen Fall würde nämlich der Wagenkasten unter Hochspannung stehen, falls keine effiziente Schutzerdung erfolgt.

Eine Schutzerdung wird bei vorbekannten Schienenfahrzeugen beispielsweise über Erdseile realisiert, die mit Radsatzkontakten des Schienenfahrzeugs verbunden sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schienenfahrzeug anzugeben, das ein noch besseres Erdungsverhalten aufweist als bisherige Schienenfahrzeuge.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Schienenfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs sind in Unteransprüchen angegeben.

Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Widerstandseinrichtung in einem Spannungsbereich mit niedriger Spannung einen größeren elektrischen Widerstand aufweist als in einem Spannungsbereich mit demgegenüber höherer Spannung.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs ist darin zu sehen, dass die Widerstandseinrichtung zwei unterschiedliche Bereiche bzw. Betriebsarten aufweist, nämlich einen Betriebsbereich mit einem großen elektrischen Widerstand und einen Betriebsbereich mit einem demgegenüber geringeren Widerstand. Im Normalbetrieb des Schienenfahrzeugs, wenn also keine Hochspannung am Wagenkasten anliegt, ist eine sehr niederohmige Schutzerdung des Wagenkastens nicht erforderlich und mitunter für das Betriebsverhalten des Schienenfahrzeugs nachteilig. Ist nämlich der elektrische Widerstand zwischen dem Wagenkasten und Erde bzw. den Schienen zu gering, so kann es zu einem Eindringen von elektrischen Parallelströmen aus dem Gleis kommen, beispielsweise von Strömen anderer Schienenfahrzeuge, die sich im gleichen Gleisstromkreis befinden. Ein solches Einkoppeln von Parallelströmen wird insbesondere dann eintreten, wenn der elektrische Widerstand der streckenseitigen Schienen größer ist als der elektrische Widerstand des darauf befindlichen Schienenfahrzeugs bzw. dessen Wagenkastens; denn der elektrische Strom wird sich entsprechend den Teilwiderständen in Wagenkasten und Schiene aufteilen. Um ein solches Eindringen von unerwünschtem Strom in den Wagenkasten zu vermeiden, sollte der Erdungswiderstand zum Erden des Wagenkastens möglichst groß sein; gleichzeitig darf der Erdungswiderstand zwischen dem Wagenkasten und den streckenseitigen Schienen selbstverständlich nicht zu groß sein, da sonst im Falle einer Hochspannung am Wagenkasten keine effiziente Schutzerdung erfol-

gen würde, da der Spannungsabfall an einem hochohmigen Erdungswiderstand zu groß wäre.

An dieser Stelle setzt die Erfindung an, indem erfindungsge- maß vorgesehen wird, zwischen dem Wagenkasten und den stre- ckenseitigen Schienen eine Widerstandseinrichtung mit einem nichtlinearen Verhalten zwischenzuschalten, die zwei unterschiedliche elektrische Widerstände bzw. Widerstandsbereiche aufweist, nämlich einen hochohmigen Widerstand für den Normalbetrieb des Schienenfahrzeugs sowie einen niederohmigen Widerstandsbereich für den Fall eines Hochspannungsunfalls.

Insbesondere bei langen Schienenfahrzeugen ist die beschriebene Widerstandseinrichtung vorteilhaft, weil dort nämlich das Problem eines Einkoppeins von Parallelströmen in den Wagenkasten sehr häufig auftritt bzw. auftreten kann. Unter „langen" Schienenfahrzeugen sind beispielsweise Schienenfahrzeuge zu verstehen, die eine Länge über 15 m, insbesondere über 20 m, aufweisen. Solche Schienenfahrzeuge können bei- spielsweise durch längere Einzelfahrzeuge, durch Triebzüge oder auch durch „normale" Züge gebildet sein, die elektrisch durchverbundene Waggons aufweisen und somit ein - elektrisch gesehen - einheitliches Schienenfahrzeug bilden.

Die Kontaktmittel, mit denen das Schienenfahrzeug einen e- lektrischen Kontakt zu den streckenseitigen Schienen herstellt, können beispielsweise durch Räder, Radsätze, Fahrgestelle oder Drehgestelle des Schienenfahrzeugs gebildet sein.

Die Widerstandseinrichtung ist vorzugsweise derart dimensioniert, dass bei Spannungen unter einer vorgegebenen ersten Grenzspannung, insbesondere unterhalb von 100 Volt Scheitelwert, ein elektrischer Widerstand zwischen 33 mω und 100 mω auftritt und dass bei Spannungen, die der Betriebsspannung des Schienenfahrzeugs entsprechen, ein elektrischer Widerstand von maximal 10 mω auftritt.

Die Widerstandseinrichtung lässt sich besonders einfach und damit vorteilhaft durch einen ohmschen Widerstand und ein dazu elektrisch parallel geschaltetes nichtlineares Element bilden. Ein solches nichtlineares Element kann beispielsweise durch einen Spannungsabieiter, insbesondere eine Funkenstrecke, gebildet sein, der bzw. die bei Anlegen einer vorgegebenen Mindestspannung bzw. Zündspannung ausgelöst bzw. gezündet wird.

Alternativ oder zusätzlich kann die Widerstandseinrichtung auch einen Varistor umfassen, der bei höheren Spannungen einen niedrigeren elektrischen Widerstand aufweist als bei kleinen elektrischen Spannungen.

Auch ist es möglich, dass die Widerstandseinrichtung eine

Halbleiterschaltung aufweist, die bei Anlegen einer elektrischen Spannung an äußeren Anschlüssen der Halbleiterschaltung durchschaltet, wenn die Spannung eine vorgegebene Durch- schaltspannung überschreitet, und dabei ihren Widerstand zwi- sehen ihren äußeren Anschlüssen reduziert.

Wie bereits oben ausgeführt, dient der große elektrische Widerstand bei kleinen Wagenkastenspannungen bzw. im Normalbetrieb dazu, ein Einkoppeln von Parallelströmen zu vermeiden. Aus diesem Grunde wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn zumindest im mittleren Bereich des Schienenfahrzeugs eine entsprechende nichtlineare Widerstandseinrichtung mit dem Wagenkasten verbunden wird; denn insbesondere bei längeren elektrischen Strecken im Wagenkasten wird das Ein- koppeln von Parallelströmen relevant, sofern nicht durch einen entsprechend großen ohmschen Widerstand zwischen Wagenkasten und Schienen eine solche Einkopplung verhindert wird.

Besonders bevorzugt werden alle Kontaktmittel, die einen e- lektrischen Kontakt zu den Schienen herstellen, durch eine entsprechende Widerstandseinrichtung mit nichtlinearem Verhalten mit dem Wagenkasten verbunden.

Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf ein Verfahren zum Schutzerden eines Wagenkastens eines Schienenfahrzeugs, bei dem der Wagenkasten über zumindest ein elektrisches Kontaktmittel mit zumindest einer streckenseitigen Schiene geer- det wird.

Um eine sichere Schutzerdung zu gewährleisten und gleichzeitig zu erreichen, dass ein Einkoppeln von Parallelströmen aus einer streckenseitigen Schiene in den Wagenkasten verhindert, zumindest gering gehalten, wird, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zum Schutzerden zumindest eine Widerstandseinrichtung verwendet wird, die zwischen den Wagenkasten und das zumindest eine Kontaktmittel geschaltet ist und die in einem Spannungsbereich mit niedriger Spannung einen größeren elek- trischen Widerstand aufweist als in einem Spannungsbereich mit demgegenüber höherer Spannung.

Bezüglich der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfin- dungsgemäßen Schienenfahrzeug verwiesen, da die Vorteile des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs denen des erfindungsgemäßen Verfahrens im Wesentlichen entsprechen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie- len näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Schienenfahrzeug im Längsschnitt auf einer streckenseitigen Schiene, Figur 2 beispielhaft das elektrische Verhalten einer Widerstandseinrichtung des Schienenfahrzeugs gemäß Figur 1 und

Figur 3 das Schienenfahrzeug gemäß Figur 1 im Querschnitt in einer schematischen Darstellung.

In den Figuren 1 bis 3 werden der übersicht halber für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet.

In der Figur 1 erkennt man ein Schienenfahrzeug 10, das auf Schienen 15 eines Gleisbetts 18 befindlich ist. Das Schienenfahrzeug 10 weist Räder 20, 30, 40 und 50 auf, die einen e- lektrischen Kontakt zu den Schienen 15 des Gleisbetts 18 herstellen .

Um eine Schutzerdung eines Wagenkastens 60 des Schienenfahrzeugs 10 zu ermöglichen, stehen einzelne oder alle Räder 20, 30, 40 und 50 elektrisch mit dem Wagenkasten 60 in Verbindung.

Fließt nun ein elektrischer Strom durch die Schienen 15 des Gleisbetts 18, wie dies in der Figur 1 mit dem Bezugszeichen Ig angedeutet ist, so kann ein Teil Il dieses Stromes über die vorderen Räder 20 und 30 in den Wagenkasten 60 einkoppeln und wieder über die hinteren Räder 40 und 50 in das Gleisbett 18 zurückkoppeln. Ein Stromanteil Il des Gesamtstroms Ig würde somit im Wagenkasten 60 fließen, und zwar parallel zu dem Teilstrom 12, der in den Schienen 15 des Gleisbetts 18 fließt. Es gilt dabei:

Ig = Il + 12

Je geringer der elektrische Widerstand des Wagenkastens 60 des Schienenfahrzeugs 10 verglichen mit dem elektrischen Widerstand der Schiene 15 ist, desto größer wird der Stromanteil Il gegenüber dem Stromanteil 12 sein.

Um den Stromanteil Il im Wagenkasten 60 so gering wie möglich zu halten, ist zumindest eines der Räder des Schienenfahrzeugs 10, besonders bevorzugt jedes Rad, jeweils über eine elektrische Widerstandseinrichtung 70 mit dem Wagenkasten 60 verbunden, die ein „nichtlineares Verhalten" aufweist und in einem Spannungsbereich mit niedriger Spannung einen größeren elektrischen Widerstand aufweist als in einem Spannungsbereich mit demgegenüber höherer Spannung.

Die Widerstandseinrichtung 70 gewährleistet dabei, dass im Normalbetrieb des Schienenfahrzeugs 10 ein relativ großer elektrischer Widerstand zwischen dem jeweils zugeordneten Rad und dem Wagenkasten 60 hervorgerufen wird, so dass der elekt- rische Gesamtwiderstand des Schienenfahrzeugs 10 relativ groß wird und der Stromanteil Il gegenüber dem Stromanteil 12 relativ klein bleibt. Dennoch gewährleistet die Widerstandseinrichtung 70 eine effiziente Schutzerdung des Wagenkastens 60, da nämlich im Fall einer Hochspannung am Wagenkasten 60 diese über die Widerstandseinrichtung 70 effizient an die Schienen 15 und damit ins Gleisbett 18 weitergeleitet wird. Eine solche Hochspannung könnte beispielsweise auftreten, wenn ein in der Figur 1 nur schematisch dargestellter Fahrdraht 80 einer Oberleitung auf das Schienenfahrzeug 10 fällt und somit den Wagenkasten 60 unter Hochspannung setzt.

In der Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel für das elektrische Verhalten der Widerstandseinrichtung 70 gemäß Figur 1 gezeigt. Dargestellt ist der elektrische Verlauf des elektri- sehen Widerstands R über der an den äußeren Anschlüssen der Widerstandseinrichtung 70 abfallenden Spannung U. Man erkennt, dass in einem unteren Spannungsbereich dUl unterhalb einer Spannung Us ein relativ großer elektrischer Widerstand Rl auftritt; in einem höheren Spannungsbereich dU2 oberhalb einer Schwellenspannung Us reduziert sich der Widerstand auf einen Wert R2.

Geeignete Wertebereiche für Us, Rl und R2 sind beispielsweise :

dUl: 0 Volt bis 100 Volt dU2: 100 Volt bis 100 kV

Rl: 33 mω bis 100 mω

R2: 0 ω bis 10 mω Us: zwischen dUl und dU2

Ein elektrisches Verhalten, wie es in der Figur 2 dargestellt ist, kann beispielsweise durch einen ohmschen Widerstand Rl

erreicht werden, dem ein nichtlineares Element RnI, wie beispielsweise ein überspannungsabieiter oder eine Funkenstrecke parallel geschaltet ist (vgl. Figur 3). Alternativ kann eine solche Widerstandseinrichtung 70 auch einen Varistor oder ei- ne entsprechende Halbleiterschaltung umfassen, die das entsprechend beschriebene elektrische Verhalten hervorruft.

In der Figur 3 ist das Schienenfahrzeug 10 gemäß Figur 1 beispielhaft im Querschnitt dargestellt. Man erkennt den Fahr- draht 80, mit dem sich wahlweise einer der beiden Panto- graphen 90 in Kontakt bringen lässt, die einen Betrieb des Schienenfahrzeugs 10 entweder im Wechselstrombetrieb oder im Gleichstrombetrieb ermöglichen.

Mit den beiden Pantographen 90 steht eine Ansteuerschaltung

100 in Verbindung, die in einem elektrisch geschirmten Behälter 110 untergebracht ist. Die Ansteuerschaltung 100 umfasst beispielsweise einen Vierquadrantensteller 120, ein Antriebssteuergerät 130 sowie einen Pulswechselrichter 140.

Wie sich in der Figur 1 erkennen lässt, ist der Behälter 110 elektrisch mit dem Wagenkasten 60 des Schienenfahrzeugs 10 verbunden; von dem Wagenkasten 60 ist in der Figur 3 beispielhaft nur eine Bodenplatte gezeigt. Die Verbindung zwi- sehen dem Wagenkasten 60 und dem Behälter 110 erfolgt über eine Erdungsleitung 150.

Der Wagenkasten 60 ist über einen Drehzapfen 160 mit einem Drehgestell 170 verbunden, indem auch ein Fahrmotor 180 un- tergebracht ist. Das Gehäuse des Fahrmotors 180 ist über eine Erdungsleitung 185 mit dem Drehgestell 170 verbunden.

Das Drehgestell 170 wird mechanisch, jedoch elektrisch isoliert, durch zwei Räder 20 und 20' getragen, die durch eine Achse 190 verbunden sind. Die Achse 190 ist über ein Getriebe 200 sowie eine Kupplung 210 mit dem Fahrmotor 180 verbunden, wobei das Gehäuse des Fahrmotors 180 über elektrisch isolierte Lager 220 von dem Antriebszweig isoliert ist.

In der Figur 3 sind elektrisch isolierte Lager durch eine dickere Linie markiert als elektrisch nicht isolierte Lager. Im übrigen ist leitendes Material schraffiert und nichtleitendes Material 225 schwarz markiert.

Außerdem erkennt man in der Figur 3 ein Bremssteuergerät 230, das mit einem Drehzahlgeber 240 in Verbindung steht, das die Drehgeschwindigkeit der Achse 190 misst und entsprechende Signale abgibt. über eine Erdungsleitung 250 ist das Bremssteuergerät 230 mit dem Wagenkasten 60 elektrisch verbunden.

In der Figur 3 erkennt man darüber hinaus ein Ausführungsbeispiel für die Widerstandseinrichtung 70 gemäß Figur 1. Man sieht, dass die Widerstandseinrichtung 70 elektrisch zwischen den Wagenkasten 60 und die Achse 190 bzw. die beiden Räder 20 und 20' geschaltet ist. Die Widerstandseinrichtung 70 umfasst einen ohmschen Widerstand Rl und einen dazu parallel geschalteten nichtlinearen Widerstand RnI, der beispielsweise durch eine Funkenstrecke gebildet wird.

Im Normalbetrieb des Schienenfahrzeugs 10 weist die Widerstandseinrichtung 70 einen relativ hohen elektrischen Widerstand Rl auf, so dass ein unerwünschter Stromfluss durch die Räder 20 und 20' bzw. die Achse 190 durch die Widerstandseinrichtung 70 hindurch in den Wagenkasten 60 vermieden wird.

Im Falle einer Hochspannung am Wagenkasten 60, wie sie beispielsweise auftreten könnte, wenn der Fahrdraht 80 auf den Wagenkasten 60 des Schienenfahrzeugs 10 fällt bzw. mit diesen kontaktiert wird, wird die Hochspannung dennoch effizient durch die Widerstandseinrichtung 70 abgeleitet, weil diese nämlich bei hohen elektrischen Spannungen über die Funkenstrecke RnI bei einem Funkenüberschlag niederohmig wird und die Hochspannung über die Räder 20 und 20' bzw. in die Schienen 15 des Gleisbetts 18 ableitet.