DE102010055480A1

DE102010055480A1 - System zur Energieauskopplung aus Traktionsrückstrom

Info

Publication number: DE102010055480A1
Application number: DE201010055480
Authority: DE
Inventors: Rene Baumann; Peter Faubel; Jens-Harro Oechsner; Rudolf Temming
Original assignee: Siemens Schweiz AG; Siemens AG
Current assignee: Siemens Schweiz AG; Siemens AG
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2012-06-28
Also published as: WO2012084501A1

Abstract

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur Gewinnung elektrischer Energie anzugeben, das sich durch einen geringen Installations- und Betriebsaufwand auszeichnet und zuverlässig elektrische Energie für Feldelemente im Eisenbahnverkehr bereitstellen kann. Diese Aufgabe wird durch ein System (16) zur Auskopplung von elektrischer Leistung aus einem Traktionsrückstrom eines Schienenfahrzeugs (4) gelöst, umfassend: a) einen Erdverbinder (14), der eine Schiene (2) mit einem Erdungselement (12) oder der Erde verbindet; und b) ein zwischen der Schiene (2) und dem Erdungselement (12) bzw. der Erde angeordnetes Kopplungselement (24); wobei c1) das Kopplungselement (24) bei einer Wechselspannungsversorgung des Schienenfahrzeugs (4) mit einer Spulenanordnung (24) an dem Erdverbinder (14) angekoppelt ist; oder c2) das Kopplungselement bei einer Gleichspannungsversorgung des Schienenfahrzeugs einen in den Pfad des Erdverbinders zwischengeschalteten Shunt aufweist. Auf diese Weise ermöglicht es das vorliegende System elektrischer Energie aus dem Rückführungspfad des Traktionsstrom auszukoppeln und somit dort zur Verfügung zu stellen, wo die elektrische Leistung zum Betrieb von dezentralen Feldelementen benötigt wird. Damit entfällt der zum Teil erhebliche Verkabelungsaufwand für die elektrische Versorgung derartiger Feldelemente. Zugleich können die relevanten Daten zu dem Feldelement hin und auch von ihm zurück zum Stellwerk drahtlos übertragen werden, womit ein Verkabelungsaufwand komplett eliminiert werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zur Auskopplung von elektrischer Energie aus Traktionsrückstrom.
Zur Regelung und Steuerung des schienengebundenen Verkehr befinden sich die meisten dezentral angeordneten Komponenten weit abgesetzt von einem Stellwerk in unmittelbarer Nähe zum oder im Gleisbereich. Beispielhaft für derartige Komponenten werden hier Fest- und Transparentdatenbalisen, Zugsicherungsmagnete und -sensoren, Weichen, Signale, Achszähler, Gleisstromkreise und Loop-Kabel genannt. In der klassischen Bahnsicherungstechnik werden diese Elemente aus dem Stellwerk heraus mit elektrischer Energie versorgt und auf ihre Funktion hin überwacht, beispielweise durch eine Überprüfung des Signallampenstroms oder der Leistungsaufnahme eines Weichenstellantriebs.
Hierzu werden aus dem Stellwerk heraus entsprechende Speise- und Datenkabel (teilweise werden die Adern auch für die Speisung und die Daten gleichzeitig benutzt) verlegt, was einen vergleichsweise material- und installationsintensiven Vorgang darstellt. Dieser Tatbestand verändert sich derzeit eher weiter zum Schlechten, weil seitens der Bahnbetreiber ein immer grösser werdender Bedarf an dezentral angeordneten Komponenten (Feldkomponenten) besteht, um höheren Sicherheitsanforderungen und/oder einer optimierteren Betriebsweise genügen zu können.
Zur Energieversorgung derartiger dezentral angeordneter Feldelemente werden daher heute sehr häufig Solaranlagen eingesetzt, wodurch eine inselartige autarke Energieversorgung für das entsprechende Feldelement sichergestellt werden kann. Dennoch kann beispielsweise bei ungünstigen Wetterverhältnissen die zur Verfügung stehende Energiemenge nicht ausreichend sein.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur Gewinnung elektrischer Energie anzugeben, das sich durch einen geringen Installations- und Betriebsaufwand auszeichnet und zuverlässig elektrische Energie bereitstellen kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch ein System zur Auskopplung von elektrischer Leistung aus einem Traktionsrückstrom eines Schienenfahrzeugs gelöst. Dieses System umfasst:

a) einen Erdverbinder, der eine Schiene mit einem Erdungselement oder der Erde verbindet; und
b) ein zwischen der Schiene und dem Erdungselement bzw. der Erde angeordnetes Kopplungselement; wobei
c1) das Kopplungselement bei einer Wechselspannungsversorgung des Schienenfahrzeugs mit einer Spulenanordnung an dem Erdverbinder angekoppelt ist; oder
c2) das Kopplungselement bei einer Gleichspannungsversorgung des Schienenfahrzeugs einen in den Pfad des Erdverbinders zwischengeschalteten Shunt aufweist.

Auf diese Weise ermöglicht es das vorliegende System elektrischer Energie aus dem Rückführungspfad des Traktionsstrom auszukoppeln und somit dort zur Verfügung zu stellen, wo die elektrische Leistung zum Betrieb von dezentralen Feldelementen benötigt wird. Damit entfällt der zum Teil erhebliche Verkabelungsaufwand für die elektrische Versorgung derartiger Feldelemente. Zugleich können die relevanten Daten zu dem Feldelement hin und auch von ihm zurück zum Stellwerk drahtlos übertragen werden, womit ein Verkabelungsaufwand komplett eliminiert werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Spulenanordnung als Klappspule ausgeführt sein, die den Erdverbinder umgibt und diesen somit als Primärspule verwendet. Damit kann die Energieauskopplung realisiert werden, ohne dass an den existierenden Installationen Modifikationen vorgenommen werden müssten, was die Umsetzung und den Einsatz des erfindungsgemässen Systems sehr erleichtert.
Die Klappspule kann dabei so ausgestaltet sein, dass die Klappspule eine Anzahl von Windungen aufweist, die auf die Klappspule aufgewickelt sind. Die Anzahl der vorgesehenen Windungen ist dabei von der Höhe der Traktionsrückströme und der gewünschten Energieauskopplung abhängig und kann individuell an den jeweiligen Einsatzort angepasst werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es zweckmässig dem Kopplungselement ein Powermodul nachzuschalten, das über eine Schutzbeschaltung, einen AC/DC-Wandler, ein Speicherelement und ausgangsseitig einen DC/DC-Wandler aufweist. Auf diese Weise gelingt eine vollkommene Potenzialtrennung, die wiederum die Auslegung der nachgeschalteten Elektronik vereinfacht. Es ist an dieser Stelle zu bedenken, dass die ausgekoppelten elektrischen Leistungen angesichts der Ströme von bis zu 2 kA eine erhebliche Grösse erreichen können, was eine Potentialtrennung an dieser Stelle besonders wertvoll werden lässt.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Systems ergibt sich, wenn dieses System bei zwei oder mehr direkt benachbarten Erdleitern eingesetzt wird, was zum einen die auskoppelbare Leistung erhöht und zum anderen es sogar ermöglicht, das Stromversorgungskonzept redundant zu realisieren.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung können den übrigen Unteransprüchen entnommen werden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
1 in schematischer Ansicht ein einen Schienenstrang befahrendes elektrisch betriebenes Schienenfahrzeug; und
2 in schematischer Ansicht ein System zur Auskopplung von elektrischer Leistung mit einer Klappspule und nachgeschaltetem Power-Modul wie in 1 eingesetzt.
1 zeigt schematisch ein einen Schienenstrang 2 befahrendes elektrisch betriebenes Schienenfahrzeug 4. Die Versorgung des Schienenfahrzeugs 4 erfolgt über einen an einer Oberleitung 6 ankoppelnden Panthographen 8. Die Oberleitung 6 ist an gegen die Erde isolierten Strommasten 10, 12 aufgehängt. Das Schienenfahrzeug kann aus der Oberleitung mehrere MW an elektrischer Leistung aufnehmen. Bei einer Spannung von beispielsweise 15 kV und einer Frequenz von 16,7 Hz im Netz der schweizerischen Bundesbahnen fliessen dabei Wechselströme in der Grössenordnung von bis zu rund 2 kA. Diese Wechselströme fliessen über die Oberleitung 6 in die Fahrmotoren des Schienenfahrzeugs und von dort über die Schienen des Schienenstrangs 2 in die Erde. Dabei sind an den Schienen sogenannte Erdverbinder 14 befestigt, die meist an das Fundament eines Strommasten 10, 12 oder sonst wie mit einem gut mit der Erde verbundenen Elements gekoppelt ist. Befindet sich das Schienenfahrzeug 4 nun im Bereich der Erdverbinder 14, so fliessen gemäss dem Weg des geringsten elektrischen Widerstandes diese sogenannten Traktionsrückströme gegen die Erde. Nur während dieser vergleichsweise kurzen Zeitdauer fliessen die Traktionsrückströme über die Erdverbinder 14 gegen Erde ab.
Erfindungsgemäss ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel an beiden Erdverbindern 14 jeweils ein System 16 zur Auskopplung von elektrischer Leistung aus den über die Erdverbinder 14 abfliessenden Traktionsrückströme angeordnet. Die mittels der Systeme 16 ausgekoppelte Leistung dient vorliegend zur Versorgung einer gleisseitig angeordneten Kontrolleinheit 18, üblicherweise Lineside electronic equipment LEU genannt. An der LEU 18 koppeln ein Signal 20 und eine Balise 22 an. Diese sogenannten Feldelemente werden von der LEU 18 gesteuert und mit der erforderlichen elektrischen Leistung versorgt. Dabei kann es vorgesehen sein, dass das Signal 20 und die Balise 22 nur bei der Annäherung des Schienenfahrzeugs 4 eingeschaltet werden.
Die 2 zeigt nun schematisch den Aufbau des Systems 16 zur Auskopplung von elektrischer Leistung mit einer Klappspule 24 und nachgeschaltetem Power-Modul 26. In dem dargestellten Schnittbild für die Klappspule 24 sind der Erdverbinder 14, dessen Isolierung 28, Wicklungen 30 einer Sekundärspule 32 und ein magnetisch leitender Spulenmantel 34 erkennbar. Die über den Spulenmantel 34 in der Sekundärspule induzierte Spannung liegt an dem Power-Modul 26 an und trifft dort zunächst auf eine Schutzbeschaltung 36 und weiter auf einen AC/DC-Konverter 38. Die hier generierte Gleichspannung wird zum Aufladen eines Energiespeichers 38 und/oder zur Zuführung zu einem DC/DC-Konverter 40 verwendet. Am Ausgang des Power-Moduls 26 liegt dann die gewünschte Gleichspannung U_aus an. Selbstverständlich könnte der DC/DC-Konverter 40 auch als DC/AC-Konverter ausgestaltet sein. Es ist auch eine Beschaltung mit beiden Typen von Konvertern gleichzeitig denkbar.
Zusammenfassend kann daher festgestellt werden, dass es die Systems 16 erlauben, aus den Traktionsrückströmen Leistungen auszukoppeln und für dezentrale Feldelemente 20, 22 nutzbar zu machen. Zur Bereitstellung dieser Leistung ist daher keine zusätzliche Verkabelung notwendig noch müssen an den Schienenfahrzeugen zusätzliche Installationen für ein Tele-Powering vorgesehen werden. Die Kosten für die Auskopplung sind dabei sehr gering, weil beispielsweise eine Klappspule ein günstiges passives Bauelement darstellt. Auch wenn eben nur bei der Durchfahrt des Schienenfahrzeugs Energie gewonnen werden kann, so ist doch die dabei rekuperierbare Leistung von einigen 10 Watt durchaus ausreichend um beispielsweise ein LED-Signal und eine Balise versorgen zu können. Für Eisenbahnnetze mit einer Gleichstromversorgung ist die Art der Energieauskopplung in abgewandelter Form ebenfalls durchführbar. Statt der Klappspule 24 wird in die Leitung des Erdverbinders 14 ein Shunt eingesetzt, über den die rekuperierbare Leistung abfällt und entsprechend weiter genutzt werden kann.

Claims

System (16) zur Auskopplung von elektrischer Leistung aus einem Traktionsrückstrom eines Schienenfahrzeugs (4), umfassend: a) einen Erdverbinder (14), der eine Schiene (2) mit einem Erdungselement (12) oder der Erde verbindet; und b) ein zwischen der Schiene (2) und dem Erdungselement (12) bzw. der Erde angeordnetes Kopplungselement (24); wobei c1) das Kopplungselement (24) bei einer Wechselspannungsversorgung des Schienenfahrzeugs (4) mit einer Spulenanordnung (24) an dem Erdverbinder (14) angekoppelt ist; oder c2) das Kopplungselement bei einer Gleichspannungsversorgung des Schienenfahrzeugs einen in den Pfad des Erdverbinders zwischengeschalteten Shunt aufweist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung als Klappspule (24) ausgeführt ist, der den Erdverbinder (14) umgibt und diesen somit als Primärspule verwendet.
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappspule (14) eine Anzahl von Windungen (30) aufweist, die auf die Klappspule (14) aufgewickelt sind.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kopplungselement (24) ein Powermodul (26) nachgeschaltet ist, das über eine Schutzbeschaltung (36), einen AC/DC-Wandler (38), ein Speicherelement (38) und ausgangsseitig einen DC/DC-Wandler (40) aufweist.