DE10337937B4

DE10337937B4 - Verfahren und Anordnung zum Verhindern oder Beseitigen einer Vereisung am Fahrdraht einer Eisenbahnstrecke

Info

Publication number: DE10337937B4
Application number: DE2003137937
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Bosselmann; Rainer Puschmann; Nils-Michael Theune; Michael Willsch
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2003-08-18
Filing date: 2003-08-18
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2023-08-19
Also published as: DE10337937A1

Abstract

Verfahren zum Verhindern oder Beseitigen einer Vereisung an einem Teilstück eines entlang einer Eisenbahnstrecke verlaufenden Fahrdrahtes (24), bei dem
elektrischer Heizstrom (I_H) durch den Fahrdraht (24) geleitet wird und
eine Ist-Temperatur des Fahrdrahtes (24) an mindestens einer am Fahrdraht (24) angeordneten Messstelle mit einem faseroptischen Sensor (48) ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Verhindern oder Beseitigen einer Vereisung an einem Teilstück eines entlang einer Eisenbahnstrecke verlaufenden Fahrdrahtes.
Eine elektrifizierte Eisenbahnstrecke ist in etwa 20 km lange Streckenabschnitte unterteilt. Zu beiden Seiten eines Streckenabschnitts bzw. zwischen zwei Streckenabschnitten befinden sich Unterwerke, die die beiden an sie angrenzenden Streckenabschnitte mit elektrischer Energie versorgen. Dies geschieht durch Einspeisung einer Hochspannung von 15 kV bzw. 25 kV in die Oberleitung der Eisenbahnstrecke. Die Betriebsmittel der Bahnenergiefortleitung und -verteilung sind fast durchweg redundant installiert. Diese Redundanz setzt sich von der Energieerzeugung bis hin zu den Unterwerken fort, da jeder Streckenabschnitt von beiden Seiten durch die angrenzenden Unterwerke mit Hochspannung versorgt ist.
Die auf der Eisenbahnstrecke verlegten Oberleitungen sind allerdings aus technischen und wirtschaftlichen Gründen nicht redundant gestaltet. Eine Oberleitung beinhaltet hierbei Tragmasten, an denen in einigen Metern Höhe über den Bahngleisen ein Kettenwerk befestigt ist. Das Kettenwerk umfasst im wesentlichen ein an den Masten befestigtes Tragseil, an dem unter Zwischenschaltung von Hängern der Fahrdraht befestigt ist. Der Fahrdraht ist zusätzlich seitlich an den Masten abgespannt, so dass er nahezu parallel zu den Gleisen über diesen entlang der Bahnstrecke verläuft.
Die Einspeisung der elektrischen Energie von den Unterwerken erfolgt ins Kettenwerk bzw. direkt in den Fahrdraht. An der Unterseite, also der den Gleisen zugewandten Seite des Fahr drahtes liegt der sich auf dem Zugdach befindliche Stromabnehmer eines Zuges an und steht mit diesem in elektrischem Kontakt, um so die für den Zug benötigte elektrische Energie aus dem Fahrdraht zu beziehen. Der direkte Kontakt zwischen Stromabnehmer und Fahrdraht wird über die am oberen Ende des Stromabnehmers angebrachte Schleifleiste hergestellt.
Die Fahrdrähte auf heutigen Hochgeschwindigkeitseisenbahnstrecken sind extrem hohen Belastungen ausgesetzt. Bei einer Fahrgeschwindigkeit von ca. 300 km/h benötigt ein derartiger Zug etwa 12 MW elektrischer Leistung, die ihm über den Fahrdraht zugeführt werden muss. Die Schleifleiste bewegt sich mit Fahrtgeschwindigkeit am Fahrdraht entlang. Der Fahrdraht muss mit einer Toleranz von maximal ca. 3 cm in einer Höhe von mehreren Metern auf der gesamten Eisenbahnstrecke parallel zur Oberkante der Gleise verlaufen. Die Querschnittsfläche eines Fahrdrahtes beträgt etwa 120 mm².
Um solchen Extrembelastungen standzuhalten, sind derartige Fahrdrähte aus einer metallischen Speziallegierung hergestellt. Diese ist jedoch lediglich bis maximal +120°C temperaturstabil. Steigt die Temperatur des Fahrdrahtes über diesen Wert an, zerfällt die Legierungsstruktur, der Draht wird mechanisch instabil und zerstört. Eine zu starke Aufheizung des Fahrdrahtes muss deshalb unter allen Umständen vermieden werden.
Ist eine Oberleitung für ein Eisenbahngleis auf einem Streckenabschnitt einer Eisenbahnstrecke nicht arbeitsfähig, so können auf diesem Gleis keine (elektrisch betriebenen) Züge verkehren. Dies ist vor allem dann von großem Nachteil, wenn keine elektrifizierten Gegengleise oder Umleitungsstrecken genützt werden können, auf die der Zug ausweichen kann.
Eine der Hauptausfallursachen bei Oberleitungen ist die Einwirkung äußerer Einflussfaktoren auf diese. Hierzu gehört beispielsweise die Vereisung der Oberleitung, insbesondere des Fahrdrahtes, durch Eisregen oder Schnee bei ungünstiger Witterungslage.
Die Oberleitung besteht zwischen zwei Unterwerken aus etwa 20 in Reihe geschalteten Systemelementen. Fällt eines dieser Elemente aus, fällt der gesamte Streckenabschnitt aus.
Im günstigsten Fall führt eine Eisschicht an der Unterseite des Fahrdrahtes dazu, dass die Schleifleiste des vorbeifahrenden Zuges zwar nicht mehr direkt am Fahrdraht anliegt bzw. entlang gleitet, sondern durch die Eisschicht beabstandet von diesem ist. Der elektrische Stromfluss findet aber über einen den entstehenden Spalt überbrückenden Lichtbogen dennoch statt. Dies führt zu einem erhöhten mechanischen Abtrag an der Schleifleiste bzw. einem erhöhten Lichtbogenanteil zwischen Fahrdraht und Schleifleiste. Der Zug kann zwar weiterfahren, jedoch führt diese Situation zu hohem Verschleiß oder gar Zerstörung von weiteren Komponenten des Stromabnehmers (Panthographen) und des Fahrdrahtes, z.B. der Schleifleistenunterkonstruktion aus Aluminium.
Im ungünstigsten Fall wird durch die elektrisch isolierende Eisschicht der Stromfluss zwischen Fahrdraht und Schleifleiste ganz unterbrochen, und damit die Energieversorgung des Zuges. Der Zug bleibt auf freier Strecke ohne Energieversorgung liegen.
Derartige Pannen reduzieren die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der Eisenbahnlinie und führen beim Eisenbahnunternehmen zu Imageverlust und hohen Kosten. Ausfälle der Oberleitung durch Vereisung des Fahrdrahtes sind deshalb möglichst zu verhindern.

Patentschrift CH 263181 beschreibt ein Verfahren zur Beseitigung der Vereisung an Oberleitungen elektrischer Bahnen. Dabei werden durch ferngesteuertes Kurzschließen einzelner Oberleitungsabschnitte Vereisungen durch Joulsche Wärme be seitigt. Mittel zur Temperaturmessung sind jedoch nicht offenbart.

In der Patentschrift US 4,190,137 ist eine Vorrichtung zur automatisierten Enteisung von Bahnoberleitungen mittels Joulscher Wärme angegeben. Die Temperaturmessung an einer Bahnoberleitung erfolgt dabei mittels eines an der Bahnoberleitung auf Hochspannungspotenzial angeordneten Thermoelements. Da die Steuereinheit der Vorrichtung nicht auf dem Hochspannungspotential der Bahnoberleitung angeordnet ist, erfordert eine Verbindung des Thermoelements mit der Steuereinheit in der Regel unter Aufwand Mittel zur Potenzialtrennung.

In der Offenlegungsschrift DE 197 57 079 A1 ist ein Eissensorsystem mit einer Sensoreinheit angegeben. Die Sensoreinheit weist einen elektromagnetische Wellen emittierenden und detektierenden faseroptischen Sensor auf, der die Anwesenheit von Eis aufgrund dessen optischen Eigenschaften und der damit verbundenen Reflexion und Detektion der reflektierten elektromagnetischen Wellen feststellt. Eine genaue Aussage über die Ist-Temperatur ist nicht vorgesehen, da mit diesem Sensorsystem lediglich das Vorhandensein von Eis ermittelbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, mit denen die Vereisung an einem Fahrdraht verhindert oder beseitigt werden kann, wobei die Temperatur des Fahrdrahtes mit geringem Aufwand gemessen werden kann.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und eine Anordnung gemäß Patentanspruch 6.

Bei dem Verfahren zum Verhindern oder Beseitigen einer Vereisung an einem Teilstück eines entlang einer Eisenbahnstrecke verlaufenden Fahrdrahtes wird elektrischer Heizstrom durch den Fahrdraht geleitet und eine Ist-Temperatur des Fahrdrah tes an mindestens einer am Fahrdraht angeordneten Messstelle mit einem faseroptischen Sensor ermittelt.

Wegen des dem metallischen Fahrdraht eigenen ohmschen Widerstandes entstehen beim Fließen des Heizstromes in diesem ohmsche Verluste, die in Verlustwärme umgesetzt werden. Die Wärmeleistung P_W ist hierbei gleich dem durch den Fahrdraht fließenden Heizstrom I_H im Quadrat, multipliziert mit dem ohmschen Widerstand R des Fahrdrahtes. Der Fahrdraht erwärmt sich also. Ist der Heizstrom groß genug, um den Fahrdraht auf eine ausreichend hoch über dem Gefrierpunkt liegende Temperatur aufzuwärmen, z.B. +5°C, so verflüssigt sich am Fahrdraht befindliches Eis zu Wasser und tropft von diesem ab. Eine Neuvereisung durch Eisregen oder Schnee ist bei erwärmten Fahrdraht ebenso wirksam verhindert.

Unter Heizstrom ist im Sinne der Erfindung nicht der eigentliche Fahrstrom, also der in den Fahrdraht eingespeiste, zur Versorgung eines sich im Teilstück befindlichen Zuges fließende Strom zu verstehen. Der Heizstrom ist vielmehr die Summe aller anderen, nicht zum Betrieb eines Zuges im Fahrdraht fließenden Ströme. Diese sind z.B. Ausgleichsströme zwischen Unterwerken aufgrund deren unterschiedlicher Ausgangsspannungen, Verlustströme, die von einem Unterwerk über den Fahrdraht und z.B. Masten gegen Erde abfließen und vor allem zusätzlich in den Fahrdraht speziell zum Zweck der Beheizung eingespeiste Ströme aus z.B. einer externen Stromquelle.

Der Heizstrom ist dem betreffenden Teilstück des Fahrdrahtes gewissermaßen eingeprägt. Solange das Teilstück beispielsweise nicht von einem Zug durchfahren ist, stellt der Heizstrom im wesentlichen den einzigen Stromfluss im Fahrdraht dar. Bei Durchfahren des Zuges addiert er sich nach dem Überlagerungsprinzip z. B. mit dem oben erwähnten Fahrstrom des Zuges zu einem Gesamtstrom, der letztendlich über den Grad der Erwärmung des Fahrdrahtes entscheidet.

Bestimmte, z.B. landschaftlich exponiert auf einer Geländekuppe verlaufende Abschnitte des Fahrdrahtes einer Eisenbahnstrecke vereisen im Jahresmittel wesentlich öfter als z.B. in Waldstücken windgeschützte Abschnitte. Die Beheizung des Fahrdrahtes zu einem Zeitpunkt kann also nur auf bestimmten Teilstücken der Eisenbahnstrecke notwendig sein. Da die Beheizung elektrische Energie verbraucht, ist es wirtschaftlicher, das erfindungsgemäße Verfahren auf Teilstücke des Fahrdrahtes einzeln und gezielt bei Bedarf anzuwenden, als stets immer den gesamten Fahrdraht zu beheizen.

Indem die Ist-Temperatur des Fahrdrahtes an mindestens einer am Fahrdraht angeordneten Messstelle mit dem faseroptischen Sensor ermittelt wird, kann der Messwert dann z.B. an einen beliebig weit von der Messstelle entfernten Beobachtungsstand übermittelt werden. So steht dort eine Information über die derzeitige tatsächliche Temperatur des Fahrdrahtes an der Messstelle für eine weitere Auswertung zur Verfügung. So kann z.B. entschieden werden, wann und ob ein bestimmtes Teilstück der Eisenbahnstrecke beheizt werden soll, wann Vereisungsgefahr besteht oder wann der Fahrdraht zu stark erwärmt ist.

Bei der Aufheizung des Fahrdrahtes sollte, wie oben erwähnt, insbesondere Sorge getragen werden, dass seine Maximaltemperatur von +120°C nicht erreicht oder überschritten wird. Als Erweiterung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann deshalb die Stromstärke des Heizstromes abhängig von der Ist-Temperatur des Fahrdrahtes gesteuert werden. So kann beispielsweise folgendes Vorgehen gezielt durchgeführt werden: Der Heizstrom wird erst dann eingeschaltet, wenn die Temperatur des Fahrdrahtes an der Messstelle den Gefrierpunkt unterschreitet. Die Stromstärke des Heizstroms kann dann in diesem Fall so eingestellt werden, das der Fahrdraht auf eine Minimaltemperatur von +5°C aufgeheizt und auf dieser Temperatur gehalten wird. Außerdem kann der Heizstrom abgestellt werden, wenn die Temperatur im Fahrdraht zu hoch wird, d.h. sich z.B. der oben erwähnten Maximaltemperatur des Fahrdrahtes annähert. Dies kann beispielsweise bei Durchfahren eines Zuges durch das betreffende Teilstück und gleichzeitiges Heizen auftreten, da sich, wie oben erwähnt, dann kurzzeitig, nämlich während der Durchfahrtdauer des Zuges durch das Teilstück, ein wesentlich höherer Stromfluss im Fahrdraht einstellt.

Da der metallische Fahrdraht ohmsches Verhalten zeigt, geht nach dem ohmschen Gesetz ein Stromfluss im Fahrdraht stets mit einem Spannungsabfall entlang des Fahrdrahtes einher. Die Stromstärke des Heizstroms kann also in Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch die Beeinflussung bzw. Einstellung der elektrischen Potentiale an den beiden, sich an den Enden des Teilstücks befindlichen Enden des Fahrdrahtes beeinflusst bzw. eingestellt werden. Hierdurch entfällt zum Beispiel die Notwendigkeit, eine steuerbare Stromquelle zur Lieferung des Heizstromes vorzusehen.

Nahezu durch alleinige Benutzung der bereits vorhandenen Betriebsmittel lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft durchführen, wenn das Teilstück ein zwischen zwei benachbarten Unterwerken liegender Streckenabschnitt der Eisenbahnstrecke ist. Zwischen zwei Unterwerken ist die Oberleitung elektrisch trennbar ausgeführt, so dass die Einspeisung bzw. Ausleitung des Heizstromes besonders einfach geschehen kann. Über die Steuerung der Ausgangsspannungen der beiden, an den Enden des Streckenabschnitts und somit den Enden des Fahrdrahtes angeschlossenen Unterwerken lässt sich die oben erwähnte Spannungsdifferenz bzw. Potentialdifferenz über die gesamte Fahrdrahtlänge des Teilstücks bzw. Streckenabschnitts einstellen und hiermit die Stromstärke des Heizstromes steuern. So können auch je nach Bedarf, z.B. gemäß der Fahrdrahttemperatur, einzelne Streckenabschnitte unterschiedlich stark beheizt werden.

Insbesondere werden entlang des Teilstücks am Fahrdraht an mehreren unterschiedlichen Messstellen die Ist-Temperaturen des Fahrdrahtes an den entsprechenden Messstellen gemessen. So steht beispielsweise bei Übermittlung der Messwerte an eine Bedienwarte dort ein Temperaturprofil zur Verfügung, welches den Temperaturverlauf beliebig genau, nämlich durch Anbringung der faseroptischen Sensoren in kleinen Abständen über die gesamte Länge des Teilstücks am Fahrdraht wiedergibt. Hierdurch ist eine besonders gezielte, wirtschaftliche und materialschonende Beheizung des Fahrdrahtes auf dem gesamten Streckenabschnitt möglich.

Eine Anordnung zum Verhindern oder Beseitigen einer Vereisung an einem Teilstück eines entlang einer Eisenbahnstrecke verlaufenden Fahrdrahtes weist eine Einrichtung zum Einleiten eines den Fahrdraht durchfließenden und diesen erwärmenden Heizstromes in den Fahrdraht auf. Weiter weist die Anordnung einen an einer Messstelle am Fahrdraht angebrachten Temperatursensor zur Ermittlung der Ist-Temperatur des Fahrdrahtes an der Messstelle auf. Die Anordnung soll dadurch gekennzeichnet sein, dass der Temperatursensor ein faseroptischer Sensor ist.

Die Einrichtung speist also, wie oben beschrieben, unabhängig von allen sonstigen, im Fahrdraht vorhandenen Strömen einen eingeprägten Heizstrom in den Fahrdraht ein. Die Einrichtung kann z. B. eine steuerbare Stromquelle sein, bei der die Stromstärke in geeigneter Höhe zur Erreichung einer Enteisungstemperatur am Fahrdraht vorgebbar ist. Durch die Einrichtung ist somit eine Möglichkeit gegeben, unabhängig vom Betriebszustand des Fahrdrahtes auf dem entsprechenden Streckenabschnitt, d. h. unabhängig davon, ob dieser beispielsweise gerade von einem Zug durchfahren wird, einen Stromfluss im Fahrdraht zu verursachen, welcher letztendlich zur Erwärmung und damit Enteisung der Fahrdrahtes führt.

Der faseroptische Sensor leitet den Wert der aktuellen Fahrdrahttemperatur z.B. an eine Bedienwarte weiter. Somit ist in einer beliebig weit vom betreffenden Streckenabschnitt entfernten Bedienwarte die am Streckenabschnitt herrschende Temperatur zu Diagnose- oder Steuerungszwecken bekannt.

Da der Fahrdraht in Bezug auf Erdpotential eine Spannung von 15 kV bzw. 25 kV aufweist, ist die Verwendung anderer, z.B. auf Thermospannung oder temperaturabhängiger Widerstandsbasis arbeitender Temperatursensoren für diese Anwendung z.B. wegen der notwendigen Potentialtrennung aufwendig oder gar unmöglich. Faseroptische Sensoren sind bei den auftretenden Potentialen und Spannungsdifferenzen auf einer Oberleitung einsetzbar.

Besonders geeignet zur Temperaturmessung am Fahrdraht ist ein Faser-Bragg-Gittersensor. Vor allem bei einem Faser-Bragg-Gittersensor ist eine elektrische Versorgung des Sensors an dessen Anbauort am Fahrdraht nicht notwendig, das Funktionsprinzip ist rein optisch. Faser-Bragg-Gittersensoren können außerdem in sehr großer Stückzahl seriell in einer einzigen Glasfaserleitung hintereinander geschaltet sein. Es reicht also aus, eine einzige derartige Leitung entlang der Oberleitung des zu vermessenden Teilstücks zu führen. Dies kann entweder direkt auf dem Fahrdraht oder im sonstigen Kettenwerk bewerkstelligt sein, wobei lediglich die zur eigentlichen Temperaturmessung ausgestalteten Sensorabschnitte der Leitung direkt zum Fahrdraht geführt und an diesem befestigt sind. Die faseroptischen Sensoren können in vielfältiger Weise am Fahrdraht befestigt sein, z.B. geklemmt, verschraubt, geklebt oder in Bohrungen in den den Fahrdraht an den Hängern haltenden Klemmvorrichtungen eingebracht sein.

Weist die Anordnung in einer vorteilhaften Weiterbildung eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Stromstärke des Heizstromes auf, so kann der Heizstrom z.B. bei Bedarf ein- und ausgeschaltet oder auf einer bestimmten Stromstärke gehalten werden, die eine Minimaltemperatur des Fahrdrahtes von +5° gewährleistet.

Ist das Teilstück ein sich zwischen zwei Unterwerken befindender und von diesen elektrisch gespeister Streckenabschnitt der Eisenbahnstrecke so ist die derart vorteilhaft weitergebildete Anordnung ohne größeren zusätzlichen Aufwand an Komponenten realisierbar. Der Fahrdraht weist entlang der Eisenbahnstrecke an den Unterwerken elektrisch isolierende Unterbrechungen auf. Die so vorhandenen Enden des Fahrdrahtes an den Enden des entsprechenden Streckabschnittes sind mit jeweils einem Unterwerk verbunden. Die Einspeisung eines zusätzlichen Heizstromes an den Unterwerken in einem bestimmten Streckenabschnitt ist somit leicht realisierbar. Der bestehende Fahrdraht muss nicht erst aufgetrennt werden, um eine Einspeisung des Heizstromes zu ermöglichen.

In einer weiteren Ausgestaltung weisen die Unterwerke zudem steuerbare Ausgangsspannungen auf, so ist die Steuerung der Stromstärke des Heizstromes leicht durch die Steuerung der Ausgangsspannung der Unterwerke und somit die Einstellung der Potentialdifferenz auf dem Teilstück, wie oben beschrieben, möglich.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind entlang des Teilstücks an mehreren Messstellen faseroptische Sensoren am Fahrdraht angebracht. Diese erfassen die Ist-Temperatur des Fahrdrahtes an den entsprechenden Messstellen. Eine detaillierte Wiedergabe des Temperaturprofils des Fahrdrahtes entlang eines Streckenabschnitts, wie oben beschrieben, ist dadurch möglich.

Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf das Ausführungsbeispiel der Zeichnung verwiesen, in deren einziger Figur ein Streckenabschnitt einer Eisenbahnstrecke mit beheizbarem Fahrdraht und Temperatursensoren in einer Prinzipdarstellung dargestellt ist.
1 zeigt einen Streckenabschnitt 2 einer Eisenbahnstrecke, welcher von einem ersten und zweiten Unterwerk 4, 6 zu beiden Seiten begrenzt ist. Der Streckenabschnitt 2 weist auf dem Erdboden verlegte und elektrisch leitend mit diesem verbundene, das heißt sich auf Erdpotential befindende Eisenbahnschienen 8 auf, die von einem Zug 10 befahrbar sind.
Durch elektrisch isolierende Masten 12, 14 ist parallel zu den Schienen 8 verlaufend das elektrisch leitfähige Kettenwerk 16 befestigt. Das Kettenwerk 16 ist also gegenüber den Schienen 8 und somit dem Erdboden elektrisch isoliert. Der Abstand zwischen zwei Masten 12 und 14 beträgt etwa 70 m. Die Länge des gesamten Streckenabschnitts 2, also der Abstand zwischen den Unterwerken 4 und 6 beträgt etwa 20 km. Der Übersichtlichkeit halber ist also nur ein kleiner Ausschnitt des Streckenabschnitts 2 in 1 dargestellt.
Das Kettenwerk 16 umfasst ein Tragseil 18, welches an den Masten 12, 14 befestigt ist und die gesamte Gewichtslast des Kettenwerks 16 trägt. Am Tragseil 18 sind zwischen zwei Masten 12 und 14 mehrere, sich vertikal nach unten weg erstreckenden Hänger 20 befestigt. Die Hänger 20 sind in ihrer Länge so bemessen, dass deren untere Enden 22 bis auf eine Toleranz von 3 cm gleichen vertikalen Abstand zu den Scheinen 8 aufweisen.
An den unteren Enden 22 der Hänger 20 ist der Fahrdraht 24 befestigt. Dies ist durch an den unteren Enden 22 befestigte Klammern 26 bewerkstelligt, die von oben her am Fahrdraht 24 angreifen, aber diesen nicht umschließen. Hierdurch ist erreicht, dass die den Schienen 8 zugewandte Unterseite des Fahrdrahtes 24 planeben ist. Dies ist notwendig, um ein einwandfreies Entlanggleiten des Stromabnehmers 28 am Fahrdraht 24 zu gewährleisten. In Horizontalrichtung quer zur Längsachse des Streckenabschnittes 2 ist der Fahrdraht 24 über Seitenhalter 30 an den Masten 12, 14 zusätzlich fixiert.
Um einen den Streckenabschnitt 2 durchfahrenden Zug 10 mit elektrischer Energie zu versorgen, ist das Kettenwerk 16 von beiden Seiten aus den Unterwerken 4 und 6 mit Hochspannung versorgt. Die Unterwerke 4,6 sind über Erdungsleitungen 44, 48 ebenfalls mit Erdpotential elektrisch leitend verbunden. Die Unterwerke 4 und 6 liefern hierzu an ihren Ausgängen 32, 34 die Spannungen U1 bzw. U2 gegenüber Erdpotential. Die Ausgänge 32, 34 sind über Zuleitungen 36, 38 mit dem Kettenwerk 16, also dem Fahrdraht 24 und dem Tragseil 18 elektrisch verbunden.
Die Spannungs- und Stromverteilung im Kettenwerk kann insbesondere durch Leistungsschalter 40 gesteuert werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind sämtliche Leistungsschalter 40 geöffnet. Deshalb ist im wesentlichen nur der Fahrdraht 24 mit den Unterwerken 4, 6 elektrisch verbunden. Es ist auch denkbar, einige der Leistungsschalter 40 zu schließen und so andere Strompfade zu ermöglichen. Mittels der vorzugsweise vorgesehenen Leistungsschalter 40 kann also eine gezielte und sehr variable Durchströmung des Kettenwerks 18 ermöglicht werden.
Beim Befahren des Streckenabschnitts 2 benötigt ein Zug 10 einen elektrischen Fahrstrom I_F. Diesen bezieht er mittels seines Stromabnehmers 28 aus dem Fahrdraht 24 und leitet diesen über seine Räder 42 an die Schienen 8 bzw. die Erde ab. Der Stromweg des Fahrstromes I_F erfolgt von den Unterwerken 4, 6 über die Ausgänge 32, 34, die Zuleitungen 36, 38 in die beiden Enden des Fahrdrahtes 24. Im Fahrdraht 24 fließt der Fahrstrom I_F in entgegengesetzter Richtung auf die Stelle des Fahrdrahtes zu, an der sich gerade der Stromabnehmer 28 des Zuges 10 befindet. Der Fahrstrom fließt durch den Stromabnehmer 28 in den Zug 10, dort durch die elektrischen Verbraucher und über die Räder 42 und die Gleise 8 in die Erde. Durch die Erde fließt der Strom zurück zu den Unterwerken 4, 6 über deren Erdungsleitungen 44, 46. Der Strompfad ist schematisch in 1 durch Strompfeile angezeigt.
Bei ungünstiger Witterung bzw. im Winter kann der Fahrdraht 24 mit Schnee oder Eis belegt sein. Vor allem eine Eisschicht an der Unterseite des Fahrdrahtes 24 verhindert, dass der Stromabnehmer 28 des Zuges 10 weiterhin mit dem Fahrdraht 24 in Berührung steht. Der Strompfad für I_F ist dann zwischen Fahrdraht 24 und Stromabnehmer 28 unterbrochen und der Zug 10 ist weiterhin nicht mehr mit Energie versorgt.
Um den Fahrdraht 24 zu enteisen bzw. Neuvereisung zu verhindern wird dieser durch einen Heizstrom I_H beheizt. Der Heizstrom I_H fließt vom Unterwerk 4 über den Ausgang 32 und die Zuleitung 36 in den Fahrdraht 24. Durch den Fahrdraht 24 fließt er weiter zur Zuleitung 38 und über diese in den Ausgang 34 des Unterwerks 6. Durch dieses hindurch fließt I_H über die Erdungsleitung 46, die Erde und die Erdungsleitung 44 zurück zum Unterwerk 4. Die Flussrichtung des Stromes I_H ist in 1 wieder durch Strompfeile dargestellt. Da der Heizstrom I_H über die gesamte Länge des Streckenabschnitts 2 durch den Fahrdraht 24 fließt, erwärmt er diesen auf Grund dessen ohmschen Widerstandes und der damit verbundenen Verlustwärme.
Über gezielte Schließung von Leistungsschaltern 40 kann aber auch erreicht werden, dass bestimmte Abschnitte des Fahrdrahtes 24 mehr oder weniger als andere Abschnitte desselben durchflossen werden. So kann eine individuelle Beheizung des Fahrdrahtes entlang des Streckenabschnitts 2 erfolgen.
Damit der Strom I_H fließt, sind die Ausgänge 32 und 34 der Unterwerke 4 und 6 auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen gehalten. Beträgt z. B. U1 = 15,1 kV und U2 = 15 kV so stellt sich zwischen den Ausgängen 32 und 34 und damit über dem sich über die Länge des Streckenabschnitts 2 erstreckenden Fahrdraht 24 ein Spannungsabfall U_H= 100 V ein, welcher schließlich den Stromfluss I_H im Fahrdraht 24 verursacht.
Die Spannung an zwei benachbarten Unterwerken ist nie exakt gleich, ein sogenannter Ausgleichsstrom fließt also ständig durch das Kettenwerk 16. Wesentlich ist nun, den Ausgleichsstrom aufgrund bei Bedarf künstlich erhöhter, also gesteuerter Spannungsdifferenzen U₁ und U₂ zwischen den Unterwerken 4 und 6 zu erhöhen und mit Hilfe der Leistungsschalter 40 gezielt an die zu erwärmenden Stellen des Fahrdrahtes 24 zu leiten.
Um die Ist-Temperatur des Fahrdrahtes 24 zu ermitteln, sind an diesem Temperatursensoren 48 in Form von Faser-Bragg-Gittersensoren angebracht. Die Stellen, an denen die Temperatursensoren 48 am Fahrdraht befestigt sind, sind die oben bezeichneten Messstellen, d.h. an diesen Stellen ermitteln die Temperatursensoren 48 die Temperatur des Fahrdrahtes 24. Die Temperatursensoren 48 sind über Lichtwellenleiter 50 mit einer Steuerung 52 verbunden. In der Steuerung 52 werden die Lichtwellenleiter 50 gespeist und die aus ihnen zurückkommenden Signale ausgewertet und in die entsprechenden Temperaturen an den Messstellen umgerechnet. Die entsprechenden Temperaturen können nun z.B. von der Steuerung an einem nichtdargestellten Display angezeigt werden.
Die Steuerung 52 kann aber auch aufgrund der gemessenen Temperaturen am Fahrdraht 24 entscheiden, ob und in welchem Maße eine Heizung des Fahrdrahtes 24 erfolgen soll. Entsprechend kann sie über Steuerungsleitungen 54, 56 die Spannungen U1 und U2 an den Ausgängen 32 und 34 beeinflussen.
Die Einstellung der Spannungen U1 und U2 kann entweder über an der Steuerung 52 angebrachte, nicht dargestellte Eingaberegler von Hand oder über in der Steuerung 52 integrierte Programme oder festverdrahtete Verschaltungen erfolgen.
Die Steuerung 52 kann also abhängig von der tatsächlichen Ist-Temperatur des Fahrdrahtes 24 an den Messstellen, also am Ort der Temperatursensoren 48, die Spannungsdifferenz U_H so einstellen, dass ein entsprechend großer Heizstrom I_H fließt, um den Fahrdraht 24 auf eine geeignete Temperatur, z.B. +5°C, aufzuheizen. Am Fahrdraht 24 befindliches Eis wird daraufhin abschmelzen und in Form von Wasser von diesem abtropfen. Der Fahrdraht 24 ist dann eisfrei und der Stromabnehmer 28 kann wieder ungehindert daran unter elektrischem Kontakt entlang gleiten. Eine Neuvereisung am erwärmten Fahrdraht ist ebenso unterbunden, da auftreffender Schnee oder Regen nicht anfriert, sondern ebenfalls in Form von Wasser abtropft.
Über die Steuerung 52 und die Leistungsschalter 40, die eventuell auch gemäß der Steuerung 52 geschaltet werden, kann der Strom I_H im Fahrdraht 24 bedarfsgerecht eingestellt werden. Hierbei ist vor allem günstig, dass aufgrund der über die Temperatursensoren 48 bekannten Ist-Temperatur des Fahrdrahtes 24 eine dem aktuellen Temperaturzustand des Fahrdrahtes 24 genau angepasste Beheizung dessen stattfindet. Überheizung oder Teilvereisung kann hierdurch wirksam verhindert werden.

Claims

Verfahren zum Verhindern oder Beseitigen einer Vereisung an einem Teilstück eines entlang einer Eisenbahnstrecke verlaufenden Fahrdrahtes (24), bei dem elektrischer Heizstrom (I_H) durch den Fahrdraht (24) geleitet wird und eine Ist-Temperatur des Fahrdrahtes (24) an mindestens einer am Fahrdraht (24) angeordneten Messstelle mit einem faseroptischen Sensor (48) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Stromstärke des Heizstroms (I_H) abhängig von der Ist-Temperatur des Fahrdrahtes (24) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Stromstärke des Heizstroms (I_H) dadurch eingestellt wird, dass die elektrischen Potentiale (U₁, U₂) der beiden, sich an den beiden Enden des Teilstücks befindlichen Enden des Fahrdrahtes (24) eingestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das auf einem Teilstück, das ein zwischen zwei benachbarten Unterwerken (4, 6) liegender Streckenabschnitt (2) der Eisenbahnstrecke ist, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Ist-Temperaturen an mehreren Messstellen des Fahrdrahtes (24) mit mehreren, entlang des Teilstücks am Fahrdraht (24) angeordneten faseroptischen Sensoren (48) gemessen werden.
Anordnung zum Verhindern oder Beseitigen einer Vereisung an einem Teilstück eines entlang einer Eisenbahnstrecke verlaufenden Fahrdrahtes (24), mit einer Einrichtung (52, 40) zum Einleiten eines den Fahrdraht (24) durchfließenden und diesen erwärmenden Heizstromes (I_H) in den Fahrdraht (24) und einem an einer Messstelle am Fahrdraht (24) angebrachten Temperatursensor (48) zur Ermittlung der Ist-Temperatur des Fahrdrahtes (24) an der Messstelle, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (48) ein faseroptischer Sensor ist.
Anordnung nach Anspruch 6, bei der der faseroptische Sensor (48) ein Faser-Bragg-Gittersensor ist.
Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, mit einer Steuereinrichtung (52) zur Steuerung der Stromstärke des Heizstromes (I_H).
Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei der das Teilstück ein sich zwischen zwei Unterwerken (4, 6) befindlicher und von diesen elektrisch gespeister Streckenabschnitt (2) der Eisenbahnstrecke ist.
Anordnung nach Anspruch 9, bei dem die Unterwerke (4, 6) eine steuerbare Ausgangsspannung (U₁, U₂) aufweisen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, mit mehreren, entlang des Teilstücks an mehreren Messstellen angebrachten, und die Ist-Temperatur des Fahrdrahtes (24) an der entsprechenden Messstelle erfassenden faseroptischen Sensoren (48) .