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Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein entsprechendes Verfahren gemäß Anspruch 8.
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Bei herkömmlichen Anordnungen zur Bahnstromversorgung von Schienenfahrzeugen mit Gleichspannung wird i.d.R. ein Versorgungsnetz mit dreiphasiger Wechselspannung über einen Gleichrichter, z.B. einen Diodengleichrichter, an eine Fahrleitung angeschlossen. Vorgesehen wird dabei für jeden Speiseabschnitt der Fahrleitung ein Gleichstromschnellschalter, mit dem im Fehlerfall eine selektive Abschaltung des betroffenen Speiseabschnitts erreicht wird. Gleichstromschnellschalter sind derzeit nur bis zu einer Nennspannung von 3 kV am Markt verfügbar. Hierdurch wird auch die für die Bahnstromversorgung der Fahrleitung verwendbare Spannung auf 3 kV begrenzt.
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Das Zu- und Abschalten einer Last oder das Abschalten im Fehlerfall erfolgt mittels Gleichstromschnellschaltern, die Ströme bei entsprechender Auslegung innerhalb von Millisekunden abschalten können. Dabei bilden Kurzschlüsse eine häufige Fehlerart. Außerdem werden Trennschalter eingesetzt, die stromlos nach Öffnen des Gleichstromschnellschalters eine Trennstrecke für eine sichere Abschaltung herstellen.
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Herkömmliche Trennschalter weisen häufig Schaltzeiten in der Größenordnung von einigen Sekunden, typischerweise 5 Sekunden, auf. Bekannt sind auch Lastrennschalter, die stromfest ausgelegt sind. Diese Lasttrennschalter können folglich den Nennstrom einer Anlage abschalten, häufig sind sie dabei genauso schnell wie Leistungsschalter und benötigen ebenfalls nur einige Dutzend Millisekunden für eine Abschaltung.
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Aus der Produktbroschüre „Sitras SFC plus – Statischer Frequenzumrichter für die AC-Bahnstromversorgung", 2012, Produktinformation Version 1.0.2 Nr. A6Z00015351872, ist als Statischer Frequenzumrichter ein modular aufgebauter Multi-Level Direkt Umrichter bekannt, der eine dreiphasige Versorgungsspannung direkt in eine einphasige Wechselspannung zur Bahnstromversorgung umwandelt. Ein Bahntransformator wird zur direkten Speisung der Fahrleitung nicht benötigt, da der Umrichter eine hohe Ausgangsspannung bereit stellt.
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Aus der Veröffentlichung „The Hybrid HVDV Breaker" von Magnus Callavik et al., ABB Grid Systems, Technical Paper Nov‘ 2012, ist ein auf Halbleitertechnologie basierender Schalter für Hochspannungs-Gleichstromübertragung bekannt, der hohe Ströme besonders schnell und sicher abschalten kann und dabei gleichzeitig nur geringe Energieverluste verursacht. Dies wird erreicht, indem zwei parallel geschaltete Schaltzweige genutzt werden: ein erster Zweig weist einen Lastumschalter mit Halbleitertechnologie sowie einen Ultra-schnellen Trennschalter auf, während ein zweiter Zweig mehrere Halbleiterschalteinrichtungen mit jeweils parallel geschalteten Arrestor-Bänken (Barrieren) aufweist. Tritt ein Kurzschluss auf, so unterbricht der Lastumschalter im ersten Zweig den Stromfluss und der Ultra-schnellen Trennschalter öffnet sich; anschließend wird mittels der im zweiten Zweig angeordneten Halbleiterschalteinrichtungen eine sichere Stromunterbrechung gewährleistet.
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An die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine gattungsgemäße Anordnung bereit zu stellen, die im Betrieb Nennspannungen von mehr als 3 kV ermöglicht.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Anordnung gemäß Anspruch 1.
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Dabei kann als Stromrichter beispielsweise ein bekannter modular aufgebauter Multi-Level Direkt Umrichter eingesetzt werden, der mittels einer modifizierten Steuerung geeignet ist, an seiner Ausgangsseite Gleichstrom bereit zu stellen.
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Die erfindungsgemäße Anordnung sieht keine Schnellschalter vor. Deren Funktion wird durch die Kombination von Umrichter und Trennschalter bzw. Lasttrennschalter realisiert. Im Falle eines Abschaltbefehls – der durch eine Schutz- bzw. Steuereinrichtung abgesetzt werden kann – wird zuerst die Ausgangsspannung des Umrichters durch eine geeignete Steuerung des Umrichters gesenkt. Nach dem Herabsetzen der Ausgangsspannung wird der Trennschalter des fehlerhaften Abschnitts stromlos geöffnet. Danach wird der Strom von der Steuereinrichtung wieder auf den normalen Betriebszustand erhöht, um die funktionsfähigen Leitungen wieder zu versorgen.
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Es genügt also zum sicheren Abschalten des Stromflusses ein schnell schaltender Trennschalter für stromloses Schalten. In diesem Fall werden alle dem Umrichter nachgeordneten Speiseabschnitte einer Fahrleitung kurz abgeschaltet, der Trennschalter wird für den betreffenden Speiseabschnitt geöffnet, und anschliessend wird die Ausgangsspannung des Umrichters wieder auf die Betriebsspannung erhöht. Auf diese Weise tritt nur kurzzeitig ein Ausfall der Energieversorgung an der Bahnstrecke auf. Werden Lasttrennschalter eingesetzt, so muss die Ausgangsspannung des Umrichters nur soweit herabgesetzt werden, dass der Strom in dem abzuschaltenden Abzweig den Nennstrom des Lasttrennschalters nicht übersteigt. Dadurch kann die Stromversorgung in den anderen Abzweigen mit reduzierter Spannung weiterhin aufrechterhalten werden. Des Weiteren erfolgt die Erhöhung der Spannung auf das normale Betriebsniveau nach dem Abschalten schneller.
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Hierdurch werden Kosten eingespart, denn ein erfindungsgemäßer Umrichter ist kostengünstiger herzustellen und wartungsärmer als herkömmliche mechanische Leistungsschalter, die außerdem der nutzbaren Spannung in der Gleichspannungsbahnstromversorgung Grenzen setzen. Dies ist bei der erfindungsgemäßen Lösung nicht der Fall.
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Die Anordnung ist vergleichsweise einfacher aufgebaut, was die Verfügbarkeit erhöht und mögliche Fehlerquellen sowie Investitions- und Wartungskosten verringert.
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Ein weiterer Vorteil ist es, dass in vielen Unterwerken der Bahnstromversorgung Baugruppen wie ein Umrichter mit Halbleiterschalteinrichtungen und einer Steuereinrichtung zur Steuerung der Frequenzumrichtung, etc., und/oder z.B. ein Gleichrichter schon vorhanden sind, so dass die Erfindung aufwandsarm eingeführt werden kann.
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Die erfindungsgemäße Anordnung hat im Vergleich zu einer herkömmlichen Anordnung mit Diodengleichrichter den Vorteil, dass bei gleicher elektrischer Leistung der Strom in dem Maße reduziert wird, in dem die Spannung erhöht wird. Dies bewirkt, dass energetische Verluste auf der Fahrleitung erheblich vermindert werden, denn diese Verluste hängen quadratisch vom Strom ab.
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Ein weiterer Vorteil ist es, dass durch die höhere Gleichspannung die Speiselänge pro Unterwerk erheblich verlängert werden kann, da durch den kleineren Strom der Spannungsfall kleiner ist und durch die größere Spannung ein größerer Spannungsfall zugelassen werden kann. Somit können Unterwerke in größeren Abständen von einander entlang einer Bahnstrecke vorgesehen werden, was Kosten einspart.
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Ferner bietet die erfindungsgemäße Anordnung auch im Vergleich zu bisherigen Anordnungen, die eine Bahnstromversorgung mit Wechselstrom vorsehen, Vorteile. Es wird durch die erfindungsgemäße Anordnung ein vergleichbares Spannungsniveau wie bei Wechselspannungslösungen erreicht, ohne deren Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Es tritt z.B. bei erfindungsgemäßer Speisung mit Gleichspannung nur ein ohmscher Spannungsfall auf – es entfällt bei Wechselspannung ansonsten auftretende induktive Spannungsfall, welcher im Übrigen bei 50 Hz deutlich größer ist als der ohmsche Spannungsfall. Außerdem kann der Anschluss an ein Drehspannungsnetz dreiphasig erfolgen – es entsteht somit keine Unsymmetrie. Folglich werden auch keine Symmetriereinrichtungen benötigt, was Kosten einspart. Des Weiteren kann bei der erfindungsgemäßen Anordnung zweiseitig in zwei Abschnitte der Fahrleitung eingespeist werden; eine bei Wechselspannung benötigte Phasentrennstelle zwischen den Unterwerken entfällt. Ein weiterer Vorteil ist es, dass sehr hohe Kurzschlußströme durch die erfindungsgemäße Anordnung verhindert werden. Aus den genannten Gründen ist die erfindungsgemäße Anordnung eine vorteilhafte Alternative zu bisherigen Bahnstromversorgungen mit 17,25 kV bzw. 27,5 kV Wechselspannung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist ein Trennschalter für das stromlose Trennen der mit Gleichspannung beaufschlagten Ausgangsseite des Stromrichters und der Fahrleitung vorgesehen. Dies ist von Vorteil, weil ein Trennschalter vergleichsweise kostengünstig ist und ein sicheres Trennen durch Herstellen einer Trennstrecke gewährleistet.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist ein Lasttrennschalter für das stromlose Trennen der mit Gleichspannung beaufschlagten Ausgangsseite des Stromrichters und der Fahrleitung vorgesehen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können anstatt Trennschaltern jeweils Lasttrennschalter in den betreffenden Ausführungsformen eingesetzt werden. Lasttrennschalter haben den Vorteil, dass mit Ihnen so geschaltet werden kann, dass die Spannung des Umrichters nicht auf Null abgeschaltet werden muss.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist der Trennschalter ein schneller Trennschalter, der einen Beschleunigungsmechanismus zur schnellen Herstellung einer Trennstrecke aufweist. Dies ist ein Vorteil, weil für einen möglichst unterbrechungsfreien Betrieb der Bahnstromversorgung gewährleistet sein muss, dass eine Abschaltung eines Kurzschlusses sicher innerhalb von Sekundenbruchteilen, bevorzugt im Millisekundenbereich von weniger als 50 ms, erfolgt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung weist der Beschleunigungsmechanismus eine Feder zur Erzeugung einer Federspannung auf. Dies ist ein Vorteil, weil mittels einer vorgespannten Feder, die beispielsweise durch einen Motor vorgespannt wurde, bei Auftreten eines Kurzschlusses in Sekundenbruchteilen eine sichere Abschaltung erreicht werden kann durch Ausbildung einer hinreichenden Trennstrecke.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung weist der Beschleunigungsmechanismus einen magentischen Antrieb auf. Dies ist ein Vorteil, weil bei Auftreten eines Kurzschlusses in Sekundenbruchteilen eine sichere Abschaltung erreicht werden kann durch Ausbildung einer hinreichenden Trennstrecke.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung beträgt die Ausgangsspannung des Stromrichters mehr als 3 kV, bevorzugt mehr als 15 kV, noch mehr bevorzugt mehr als 30 kV. Dies ist ein Vorteil, weil durch den Einsatz des Stromrichters zum Abschalten des Stromes keine Gleichstromschnellschalter mehr benötigt und weitaus höhere Gleichspannungen sicher geschaltet werden können.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung weist die Fahrleitung mehrere Speiseabschnitte auf. Dies ist ein Vorteil, weil die Speiseabschnitte unabhängig voneinander betrieben und auch geschaltet werden können, wenn ein Trenner für jeden Speiseabschnitt vorgesehen wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist eine Schutzeinrichtung vorgesehen, die geeignet ist, einen Fehler im Speiseabschnitt zu erkennen und im Fehlerfall eine Abschaltung des Stromflusses mittels des Stromrichters zu bewirken. Dabei kann eine zentrale Schutzeinrichtung oder auch jeweils eine Schutzeinrichtung pro Speiseabschnitt eingesetzt werden. Die Verwendung einer Schutzeinrichtung ist ein Vorteil, weil dadurch Fehler wie Kurzschlüsse schnell erkannt und Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist der Stromrichter geeignet, den Stromfluss innerhalb von Millisekunden abzuschalten. Dies ist vorteilhaft, weil so insbesondere im Kurzschlussfall eine schnelle Abschaltung des Stromflusses erreicht und Schäden vermieden werden können.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist der Stromrichter ein steuerbarer und modular aufgebauter multi-level Umrichter. Dies ist von Vorteil, weil ein steuerbarer und modular aufgebauter multi-level Umrichter verbreitet und erprobt ist.
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An die Erfindung stellt sich ferner die Aufgabe, ein gattungsgemäßes Verfahren bereit zu stellen, das im Betrieb Nennspannungen von mehr als 3 kV Gleichspannung ermöglicht.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 8. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 9 bis 15, wobei sich für das erfindungsgemäße Verfahren und seine Ausführungsformen jeweils sinngemäß die gleichen Vorteile wie eingangs für die erfindungsgemäße Anordnung beschrieben ergeben.
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Im Folgenden werden anhand der
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1 eine bekannte Anordnung zur für eine Gleichspannungs-Bahnstromversorgung und anhand der
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2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung näher erläutert.
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Dem Fachmann ist dabei offensichtlich, dass das Ausführungsbeispiel keine Einschränkung der Erfindung auf eine bestimmte Merkmalskombination beabsichtigt, sondern vielmehr mit allen im Beschreibungsteil erläuterten Ausführungsformen kombiniert werden kann.
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In der 1 ist ein dreiphasiges elektrisches Wechselspannungs-Versorgungsnetz 10 über einen Diodengleichrichter 8 mit einer Fahrleitung 6 verbunden. Zwischen der Fahrleitung 6 und dem Diodengleichrichter 8 ist ein Gleichstromschnellschalter 9 angeordnet. Ein Schienenfahrzeug 1 entnimmt der Fahrleitung 3 mittels seines Stromabnehmers 2 elektrische Energie, die Schiene 7 dient dabei als Rückleitung. Schiene 7 und Diodengleichrichter 8 sind verbunden.
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Im Folgenden soll nun kurz auf die Funktionsweise der Anordnung eingegangen werden. Der Diodengleichrichter 8 erzeugt aus der dreiphasigen Wechselspannung des Versorgungsnetzes 10 eine Gleichspannung mit nicht mehr als 3 kV, weil dies die höchste Nennspannung ist, die im Fehlerfall mittels des Gleichstromschnellschalters 9 sicher abgeschaltet werden kann.
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Versorgt der Stromrichter 20 mehrere Speiseabschnitte der Fahrleitung (nicht dargestellt), so stellt der Diodengleichrichter 8 im Fehlerfall seine Ausgangsspannung stets allen Speiseabschnitten zur Verfügung. Es wird nur für den vom Fehler betroffenen Speiseabschnitt mittels des Gleichstromschnellschalters 9 der Kurzschlussstrom abgeschaltet, die anderen Speiseabschnitte werden unterbrechungslos weiter versorgt.
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In der 2 sind gleiche Teile der Anordnung wie in 1 mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Der Unterschied zur 1 besteht darin, dass erfindungsgemäß anstatt eines Diodengleichrichters ein Stromrichter 20 für das Gleichrichten der Wechselspannung des Wechselspannungs-Versorgungsnetzes 10 und anstatt eines Gleichstromschnellschalters ein Trennschalter 21 für das stromlose Trennen von Wechselspannungs-Versorgungsnetz und Fahrleitung vorgesehen ist.
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Im Folgenden soll nun kurz auf die Funktionsweise der Anordnung eingegangen werden. Der Stromrichter 20 erzeugt aus der dreiphasigen Wechselspannung des Versorgungsnetzes 10 eine Gleichspannung mit mehr als 3 kV, beispielsweise 30 kV. Diese wesentliche höherer Nennspannung wird im Fehlerfall durch den Stromrichter 20 selbst sicher abgeschaltet. Ein Trennen der Fahrleitung 6 und des Stromrichters 20 erfolgt anschließend stromlos durch den Trennschalter 21.
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Versorgt der Stromrichter 20 mehrere Speiseabschnitte der Fahrleitung (nicht dargestellt), so reduziert der Stromrichter im Fehlerfall seine Ausgangsspannung für alle Speiseabschnitte auf Null, der Trennschalter des vom Fehler betroffenen Speiseabschnitts wird stromlos geöffnet. Daran anschließend erhöht der Stromrichter seine Ausgangsspannung wieder auf die vorhergesehene Nennspannung, um die nicht vom Fehler betroffenen Speiseabschnitte wieder mit Energie zu versorgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Produktbroschüre „Sitras SFC plus – Statischer Frequenzumrichter für die AC-Bahnstromversorgung“, 2012, Produktinformation Version 1.0.2 Nr. A6Z00015351872 [0005]
- „The Hybrid HVDV Breaker“ von Magnus Callavik et al., ABB Grid Systems, Technical Paper Nov‘ 2012 [0006]
