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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Funktion eines Hauptschalters eines über eine Stromversorgungsleitung eines Bahnstromnetzes mit elektrischem Netzstrom versorgten Schienenfahrzeugs. Zudem betrifft die Erfindung eine Überwachungseinrichtung. Außerdem betrifft die Erfindung ein Schienenfahrzeug.
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Bei dem Betrieb eines elektrischen Schienenfahrzeugs wird elektrischer Strom über einen sogenannten Oberspannungskreis zur Verfügung gestellt. Der Oberspannungskreis wird von hochgespanntem Primärstrom aus der Fahrleitung durchflossen. Dieser Primärstrom wird von einem Stromabnehmer aufgenommen und durch einen Haupttransformator auf eine niedrigere elektrische Spannung heruntertransformiert. Die niedrigere elektrische Spannung wird anschließend über einen Stromrichter und einen Vierquadrantensteller in eine Zwischenkreis-Gleichspannung für einen Traktionszwischenkreis umgewandelt. Von dem Traktionszwischenkreis aus werden die Fahrmotoren, die mit Drehstrom betrieben werden, über einen Pulswechselrichter mit Drehstrom versorgt.
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Auf der Primärstromseite bzw. im Oberspannungskreis befindet sich ein Hauptschalter, mit dem die elektrischen Funktionseinheiten des elektrifizierten Schienenfahrzeugs von der Oberspannung bzw. der Fahrleitung getrennt werden können, so dass die Stromversorgung unterbrochen wird. Dieser Vorgang wird auch als „Öffnen“ des Hauptschalters bezeichnet. Ist der Hauptschalter defekt, so kommt es trotz geöffnetem Hauptschalter zu einem unzeitigen, d.h. unerwarteten Netzstrom, der von dem Haupttransformator übertragen wird.
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Zu diesem unzeitigen Netzstrom kommt es, wenn der Stromabnehmer, beispielsweise vor dem Anfahren, die Oberleitung kontaktiert. Dabei kommt es zu einem sogenannten unzeitigen Trafoinrush. D.h., bei einem unbeabsichtigten Einschalten des Haupttransformators kann es bei ungünstiger Phasenlage der elektrischen Spannung zu einem stark erhöhten Einschaltstrom kommen, weil der Eisenkern des Haupttransformators in die Sättigung getrieben wird. Ist bei einem solchen Trafoinrush der Vierquadrantensteller gesperrt, so kommt es zu einem Leerlaufstrom in der Primärwicklung des Haupttransformators. Dieser Effekt wird auch als Rush-Effekt, Trafoinrush oder Einschaltrush bezeichnet. Die Höhe des Einschaltstromes hängt von dem Einschaltzeitpunkt in Bezug zum zeitlichen Verlauf der angelegten Wechselspannung und dem im Transformatorkern gespeicherten magnetischen Fluss, dem Restmagnetismus, ab. Ein solcher Effekt tritt dann auf, wenn der Hauptschalter unerkannt fehlerhaft geschlossen ist, und hat zur Folge, dass die gesamte primärseitige und sekundärseitige Elektrik zur Unzeit unter Spannung steht.
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In dem Oberspannungskreis befindet sich auch ein Primärstromwandler, mit dem ein sehr hoher Primärstrom auf kleinere Werte reduziert wird. Der Primärstromwandler misst den Primärstrom, der über den Stromabnehmer aus dem Bahnstromnetz abgegriffen wird. Diesen Primärstrom wandelt er in einen messbaren und für normale Geräte geeigneten schwächeren Strom um. Beispielsweise wird aus 600 Ampere 1 Ampere für die IstwertErfassung der Fahrzeugsteuerung. Da jedoch der Primärstromwandler für hohe Ströme, beispielsweise 1000 Ampere, ausgelegt ist, kann er kleine Ströme nicht exakt messen. Der erwähnte Leerlaufstrom beträgt aber in der Regel weniger als 1 Ampere und wird daher am Primärstromwandler nicht sicher detektiert.
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Ein unerkannter Hauptschalterdefekt ist insbesondere problematisch, wenn vor dem Schließen des Hauptschalters nach dem Heben des Stromabnehmers oder nach dem Öffnen des Hauptschalters Handlungen wie das Entladen des Zwischenkreises, das Bewegen von Trennern oder das Umgruppieren von Stromrichterelementen über Schaltwalzen vorgenommen werden, die die sichere Trennung von der Einspeisung erfordern. Ein Versagen des Hauptschalters und der Hauptschalterüberwachung kann hier zu schweren Schäden am Stromrichter bis zur Zerstörung (Brand) der Lokomotive führen. Dem Erkennen eines fehlerhaft geschlossenen Hauptschalters kommt also große Bedeutung für den sicheren Betriebsablauf zu.
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Für eine solche Fehleroffenbarung eines defekten Hauptschalters stehen nach Stand der Technik folgende Möglichkeiten zur Verfügung:
- Es wird ein Spannungsrelais eingebaut, welches eine zusätzliche Hardware nötig macht. Das Spannungsrelais signalisiert eine Netzspannung auf der Transformatorseite des Hauptschalters, zweckmäßigerweise auf der Sekundärseite des Haupttransformators.
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Ist ein Netzfilter eingebaut, so kann der Netzfilterstrom überwacht werden. Diese Methode beschränkt sich allerdings auf Schienenfahrzeuge mit einem solchen Netzfilter und erfordert ggf. auch zusätzliche Hardware-Ausstattung.
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Eine weitere Möglichkeit besteht in der Überwachung auf unzeitigen Netzstrom per Primärstromwandler. Wie bereits erwähnt, ist diese Überwachung per Primärstromwandler allerdings ungenau. Der Leerlaufstrom eines Transformators kann nicht verlässlich gemessen werden, der Inrush beim Anheben des Pantografen bei defektem Hauptschalter ist zwar messbar, tritt aber frühestens beim nächsten Einschaltvorgang auf und ist auch dann von z. B. der Phasenlage der Netzspannung abhängig.
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Bei Triebzügen mit zwei Pantographen an den beiden Endwagen und einer durchgehenden Dachleitung besteht zusätzlich die Möglichkeit, über die Messung der Oberspannung des gesenkten Pantografen den gerade inaktiven Hauptschalter zu prüfen. Aber auch dieses Verfahren hat den Nachteil, dass ein Defekt nicht sofort erkannt werden kann.
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Eine weitere Möglichkeit umfasst eine regelmäßige Überprüfung der Isolation des Hauptschalters durch die Taktung des Vierquadrantenstellers. Diese Überprüfung ist allerdings kompliziert und erhöht die Hochlaufzeit des Schienenfahrzeugs.
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Eine Störstromüberwachung wurde und wird bisher genutzt, um den Netzstrom eines Schienenfahrzeugs bezüglich niederfrequenter Wechselstromanteile zu überwachen, um eine Störung einer Überwachung eines Streckenabschnitts durch eine Gleisfreimeldeanlage im Frequenzbereich einer Gleisspannung eines Generators der Gleisfreimeldeanlage, beispielsweise um eine Frequenz von 42 Hz, zu detektieren. Eine solche Überwachung eines Streckenabschnitts ist in 3 bis 5 veranschaulicht.
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Im Zusammenhang mit der Störstromüberwachung wird von dem „Primärstrom“ genannten Strom, der den Stromabnehmer und den Hauptschalter durchfließt, die spektrale Komponente mit der Nenn-Frequenz des Oberleitungsnetzes als „Netzstrom“ bezeichnet und alle anderen spektralen Komponenten unter dem Begriff „Störstrom“ zusammengefasst.
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Es besteht also die Aufgabe, eine exaktere und zeitnahe Detektion eines defekten Hauptschalters eines elektrifizierten Schienenfahrzeugs zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Überwachung der Funktion eines Hauptschalters eines über eine Stromversorgungsleitung eines Bahnstromnetzes mit elektrischem Netzstrom versorgten Schienenfahrzeugs gemäß Patentanspruch 1, eine Überwachungseinrichtung gemäß Patentanspruch 7 und ein Schienenfahrzeug gemäß Patentanspruch 8 gelöst.
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Bei dem Verfahren zur Überwachung der Funktion eines Hauptschalters eines über eine Stromversorgungsleitung eines Bahnstromnetzes mit elektrischem Netzstrom versorgten Schienenfahrzeugs wird ein Durchlassbereich eines Frequenzfilters einer digitalen Störstromüberwachungseinheit des Schienenfahrzeugs auf die Grundschwingung des Netzstroms eingestellt. Der Frequenzfilter ist eingangsseitig Teil der digitalen Störstromüberwachungseinheit und den übrigen Funktionseinheiten der digitalen Störstromüberwachungseinheit vorgeschaltet und ist herkömmlich auf eine Generatorfrequenz zur Überwachung eines Streckenabschnitts eingestellt, also beispielsweise auf einen Durchlassbereich um eine Frequenz von 42 Hz herum, um eine Störung einer solchen Streckenüberwachung zu detektieren. Wird die Durchlassfrequenz des Frequenzfilters nun auf einen Wert der Grundschwingung des Netzstroms, also beispielsweise 16,7 Hz oder 50 Hz eingestellt, so kann statt der Störung einer Gleisfreimeldeanlage eine Störung, die durch einen defekten Hauptschalter verursacht wird und zu einem unzeitigen Strom mit Netz-Grundfrequenz, auch genannt Netzstrom, führt, detektiert werden.
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Hierzu wird ein Schwellwert für die Stärke eines zulässigen detektierten Netzstroms bei offenem Hauptschalter auf Basis des (gemessenen oder berechneten) Leerlaufstroms des Transformators sowie experimenteller oder rechnerischer Daten zum gemessenen Leck-Strom bei offenem Hauptschalter festgelegt. Dieser Schritt wird auch als Parametrierung der Störstromüberwachung bezeichnet. „Rechnerische Daten“ sind Daten, die zumindest teilweise auf Basis von Rechenoperationen, insbesondere durch Anwendung eines Rechenmodells, erzeugt wurden. Als „offener Hauptschalter“ soll ein Hauptschalter in einem Schaltzustand verstanden werden, in dem der Hauptschalter isoliert bzw. keinen Strom durchleitet.
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Weiterhin wird die digitale Störstromüberwachungseinheit bevorzugt vor dem Kontaktieren der Stromversorgungsleitung durch einen Stromabnehmer des Schienenfahrzeugs eingeschaltet, um so einen Trafoinrush bzw. Trafo-Leerlaufstrom vor dem Schließen des Hauptschalters des Schienenfahrzeugs zu erkennen.
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Zudem wird ein möglicherweise fließender Netzstrom mit der Störstromüberwachungseinheit während Betriebszeiten, in denen der Hauptschalter offen sein soll, beispielsweise während des Kontaktierungsvorgangs des Stromabnehmers, gemessen. Fließt bei ausgeschaltetem Hauptschalter im Bereich der Grundschwingung des Netzstroms ein Strom, insbesondere ein Strom mit einer Stromstärke oberhalb des vorbestimmten Schwellwerts, so wird der detektierte Wert bevorzugt an eine Fahrzeugsteuerungseinheit des Schienenfahrzeugs übermittelt.
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Schließlich erfolgt eine Schutzreaktion für den Fall, dass ein detektierter Netzstrom den festgelegten Schwellwert überschreitet. Eine solche Schutzreaktion umfasst bevorzugt das Trennen des Stromabnehmers von der Stromversorgungsleitung für den Fall, dass ein detektierter Netzstrom den festgelegten Schwellwert überschreitet, bevorzugt durch einen Befehl der Fahrzeugsteuerungseinheit. Bevorzugt wird der betreffende Stromabnehmer auch noch gesperrt, damit eine nachfolgende Kontaktierung der Stromversorgungsleitung durch den betreffenden Stromabnehmer ohne einen vorhergehenden Austausch bzw. eine Reparatur des Hauptschalters von vorneherein vermieden werden kann.
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Vorteilhaft kann durch die digitale Störstromüberwachungseinheit eine hohe Messauflösung erreicht werden, so dass auch ein in Relation zum im bestimmungsgemäßen Betrieb, beispielsweise bei einer Fahrt, auftretenden Netzstrom (beispielsweise bis zu 1000 Ampere) sehr kleiner Strom im Bereich von deutlich unter einem Ampere hinreichend exakt messbar ist. Bevorzugt wird der Netzstrom durch einen Stromwandler, welcher Teil der digitalen Störstromüberwachungseinheit ist, gemessen. Ein solcher Stromwandler umfasst vorteilhaft einen passiven Stromwandler, bevorzugt eine sogenannte Rogowski-Spule, die den Netzstrom mA-genau erfassen kann. Die Spule ist eisenlos und zeigt daher keine Sättigungseffekte und weist eine exzellente Linearität auf. Dieser passive Stromwandler ist besonders zuverlässig und für exakte Messungen geeignet. Zudem ist das Einschwingverhalten des für die Frequenzselektion genutzten Frequenzfilters absolut unkritisch. Ein Einschwingen des Frequenzfilters dauert gewöhnlich etwa 200 bis 300 ms. Dagegen werden bei einem Start eines Schienenfahrzeugs für eine Freigabe eines Hauptschalters mindestens 3s benötigt, so dass die digitale Störstromüberwachungseinheit rechtzeitig einsatzbereit ist. Vorteilhaft wird also eine frühzeitige Erkennung eines Hauptschalterversagens erreicht und eine Vermeidung von Stromrichter- und Transformatorschäden bewirkt. Gegebenenfalls kann die Störstromüberwachung durch den Einsatz einer modifizierten Software ohne Modifizierung der herkömmlichen Hardware erfolgen, da eine herkömmliche digitale Störstromüberwachungseinheit bereits in den meisten Schienenfahrzeugen installiert ist und für das erfindungsgemäße Verfahren, gegebenenfalls nach einer entsprechenden Modifikation der Software und/oder Parametrierung der Störstromüberwachungseinheit und/oder der Fahrzeugsteuerungseinheit, weitergenutzt werden kann.
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Gegenüber der nach Stand der Technik besten Lösung, der Messung der Netzspannung zwischen Hauptschalter und Transformator oder auf der Sekundärseite des Transformators, weist das erfindungsgemäße Vorgehen den Vorteil auf, dass keine Spannungswandler zur Messung der Spannung auf der Transformatorseite des Hauptschalters erforderlich sind.
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Die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung weist eine digitale Störstromüberwachungseinheit mit einem Frequenzfilter für ein über eine Stromversorgungsleitung eines Bahnstromnetzes mit elektrischem Netzstrom versorgtes Schienenfahrzeug zum Messen eines möglicherweise fließenden Netzstroms während Betriebszeiten, in denen der Hauptschalter des Schienenfahrzeugs offen sein soll, auf. Ein Frequenzfilter lässt nur ein elektrisches Signal in einem vorbestimmten Frequenzbereich bzw. Durchlassbereich durch und ermöglicht somit eine Auswertung eines Signals in einem solchen beschränkten Frequenzbereich. In dem vorliegenden Fall soll ein Strom im Bereich der Frequenz der Grundschwingung des Netzstroms gemessen werden.
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Die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung umfasst auch eine Einstelleinheit zum Einstellen eines Durchlassbereichs des Frequenzfilters der digitalen Störstromüberwachungseinheit auf die Grundschwingung des elektrischen Netzstroms des Bahnstromnetzes.
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Außerdem umfasst die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung eine Schwellwertermittlungseinheit zum Festlegen eines Schwellwerts für einen zulässigen detektierten Netzstrom auf Basis experimenteller oder rechnerischer Daten.
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Zudem weist die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung eine Einschalteinheit zum Einschalten der digitalen Störstromüberwachungseinheit und zum Aktivieren der Überwachung des Netzstroms durch diese digitale Störstromüberwachungseinheit, beispielsweise vor dem Kontaktieren der Stromversorgungsleitung durch den Stromabnehmer des Schienenfahrzeugs, auf.
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Teil der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung ist auch eine Steuereinheit zum Durchführen einer Schutzreaktion für den Fall, dass ein detektierter Netzstrom den festgelegten Schwellwert überschreitet. In einer Variante ist die Steuereinheit zum Kontaktieren der Stromversorgungsleitung und Trennen des Stromabnehmers von der Stromversorgungsleitung für den Fall, dass ein detektierter Netzstrom den festgelegten Schwellwert überschreitet, eingerichtet. Die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung teilt die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug weist einen Stromabnehmer zum Kontaktieren des Schienenfahrzeugs mit einer Stromversorgungsleitung eines Bahnstromnetzes, einen Primärstromwandler, einen Hauptschalter zum Kontaktieren des Primärstromwandlers mit dem Bahnstromnetz und eine erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung auf. Mit der Steuereinheit der Überwachungseinrichtung erfolgt eine Schutzreaktion, insbesondere ein Trennen des Stromabnehmers von der Stromversorgungsleitung für den Fall, dass die Überwachungseinrichtung einen defekten Hauptschalter detektiert. Das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug teilt die Vorteile der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung.
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Ein Großteil der zuvor genannten Komponenten der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung können ganz oder teilweise in Form von Softwaremodulen in einem Prozessor eines entsprechenden Rechensystems realisiert werden, z.B. von einer Steuereinheit oder einem bereits vorhandenen Rechensystem eines Schienenfahrzeugs. Eine weitgehend softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch schon bisher verwendete Rechensysteme auf einfache Weise durch ein Software-Update nachgerüstet werden können, um auf die erfindungsgemäße Weise zu arbeiten. Insofern wird die Aufgabe auch durch ein entsprechendes Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm gelöst, welches direkt in ein Rechensystem ladbar ist, mit Programmabschnitten, um die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens, zumindest die durch einen Computer ausführbaren Schritte, insbesondere die Schritte zum Einstellen eines Durchlassbereichs eines Frequenzfilters einer digitalen Störstromüberwachungseinheit des Schienenfahrzeugs auf die Grundschwingung des Netzstroms, zum Festlegen eines Schwellwerts für einen zulässigen detektierten Netzstrom auf Basis experimenteller oder rechnerischer Daten bezüglich einer korrekten Funktion eines Hauptschalters und zum Messen eines möglicherweise fließenden Netzstroms mit der Störstromüberwachungseinheit während Betriebszeiten, in denen der Hauptschalter offen sein soll, auszuführen, wenn das Programm in dem Rechensystem ausgeführt wird. Ein solches Computerprogrammprodukt kann neben dem Computerprogramm gegebenenfalls zusätzliche Bestandteile, wie z. B. eine Dokumentation, und/oder zusätzliche Komponenten, auch Hardware-Komponenten, wie z.B. Hardware-Schlüssel (Dongles etc.) zur Nutzung der Software, umfassen.
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Zum Transport zum Rechensystem bzw. zur Steuereinheit und/oder zur Speicherung an oder in dem Rechensystem bzw. der Steuereinheit kann ein computerlesbares Medium, z.B. ein Memorystick, eine Festplatte oder ein sonstiger transportabler oder fest eingebauter Datenträger dienen, auf welchem die von einem Rechensystem einlesbaren und ausführbaren Programmabschnitte des Computerprogramms gespeichert sind. Das Rechensystem kann z.B. hierzu einen oder mehrere zusammenarbeitende Mikroprozessoren oder dergleichen aufweisen.
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Die abhängigen Ansprüche sowie die nachfolgende Beschreibung enthalten jeweils besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung. Zudem können im Rahmen der Erfindung die verschiedenen Merkmale unterschiedlicher Ausführungsbeispiele und Ansprüche auch zu neuen Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
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Bevorzugt wechselt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die digitale Störstromüberwachungseinheit zwischen einem ersten Modus zur Störstromüberwachung und einem zweiten Modus zur Überwachung eines möglicherweise fließenden Netzstroms. Vorteilhaft kann dieselbe funktionelle Einheit für zwei unterschiedliche Aufgaben genutzt werden, eine Überwachung auf Störströme und eine Überwachung einer korrekten Funktion eines Hauptschalters. Insbesondere ist die digitale Störstromüberwachungseinheit bevorzugt dazu eingerichtet, den Wechsel zwischen den beiden Modi durchzuführen.
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Besonders bevorzugt erfolgt der Moduswechsel in Abhängigkeit von einem momentanen Sollzustand des Hauptschalters. Vorteilhaft kann die Störstromüberwachung während einer Fahrt in Zeiträumen, in denen der Hauptschalter geschlossen ist bzw. geschlossen sein soll, erfolgen und die Überwachung auf einen unzeitigen Netzstrom kann zu Zeiten bzw. in Zeiträumen erfolgen, in denen der Hauptschalter geöffnet sein soll.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt bevorzugt eine Messung eines möglicherweise fließenden Netzstroms direkt nach einem Einschwingen des Frequenzfilters der digitalen Störstromüberwachung. „Direkt“ soll bedeuten, dass die zeitliche Verzögerung nicht mehr als 300 ms dauern soll.
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Vorteilhaft kann die Überwachung auf einen Defekt des Hauptschalters vor der Freigabe des Hauptschalters gestartet werden, so dass eine unüberwachte Nutzung eines möglicherweise bereits defekten Hauptschalters vermieden werden kann.
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Vorteilhaft kann die Überwachung auf einen Defekt des Hauptschalters nach dem Öffnen des Hauptschalters aktiviert werden, so dass ein Defekt bereits vor dem Abstellen des Fahrzeugs oder vor der Durchführung einer Schalthandlung, die Spannungsfreiheit erfordert (z.B. Öffnen eines Trenners, Bedienung einer Schaltwalze), erkannt werden kann.
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Bevorzugt erfolgt eine Umschaltung der digitalen Störstromüberwachungseinheit zwischen unterschiedlichen Grundfrequenzen des Netzstroms bei einem Netzwechsel. Vorteilhaft kann durch den Wechsel der Überwachungs-Grundfrequenz ein unzeitiger Netzstrom auch bei einem Übergang eines Schienenfahrzeugs in ein Stromnetz mit einer anderen Frequenz bzw. Grundfrequenz detektiert werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren umfasst die Grundschwingung des Netzstroms bevorzugt eine der folgenden Frequenzen:
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Vorteilhaft kann ein Netzstrom mit den in Europa üblichen Wechselstromfrequenzen des Netzstroms detektiert werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weist die digitale Störstromüberwachungseinheit einen Stromwandler, vorzugsweise einen passiven Stromwandler, besonders bevorzugt eine Rogowski-Spule auf. Wie bereits erwähnt, weist ein solcher vorzugsweise passiver Stromwandler hohe Zuverlässigkeit und Genauigkeit auf, da er keinen Sättigungseffekt zeigt und eine exzellente Linearität aufweist.
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Bevorzugt ist die digitale Störstromüberwachungseinheit in Serie zu einem Haupttransformator des Schienenfahrzeugs angeordnet. Vorteilhaft kann mit der digitalen Störstromüberwachungseinheit ein Netzstrom gemessenen werden, der auch den Haupttransformator beaufschlagt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weist der Überwachungsgrenzwert für einen unzeitigen Netzstrom eine Stromstärke mit einem Wert zwischen 0 und 2 Ampere auf. Vorteilhaft kann ein Netzstrom mit einer so geringen Stromstärke von der Störstromüberwachung detektiert werden, so dass ein Defekt des Hauptschalters sicher erkannt wird.
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Schienenfahrzeugs,
- 2 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Störstromüberwachungseinheit,
- 3 eine schematische Darstellung einer Gleisstrommessung zwischen einem Generator und einem Motorrelais,
- 4 eine schematische Darstellung einer Detektion eines Schienenfahrzeugs in einem Gleisabschnitt,
- 5 eine schematische Darstellung eines Szenarios, in dem durch ein Schienenfahrzeug ein Störstrom erzeugt wird,
- 6 eine schematische Darstellung eines Blockschaltbilds einer Störstromüberwachung,
- 7 eine schematische Darstellung einer Überwachungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 8 ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zur Überwachung der Funktion eines Hauptschalters eines über eine Stromversorgungsleitung eines Bahnstromnetzes mit elektrischem Netzstrom versorgten Schienenfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
- 9 eine schematische Darstellung eines Schienenfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In 1 wird eine schematische Darstellung eines elektrifizierten Schienenfahrzeugs 1 veranschaulicht. Das elektrifizierte Schienenfahrzeug 1, in diesem Fall ein Schienenfahrzeug ausschließlich zum Betrieb mit Wechselspannung, umfasst zur Versorgung mit elektrischer Energie aus einem Bahnstromnetz N, in diesem Fall einem Wechselspannungsbahnstromnetz, einen Pantographen 2, der über einen Hauptschalter 3 mit einem Primärstromwandler PW elektrisch verbunden ist. Der Primärstromwandler wandelt den Wechselstrom bzw. Netzstrom in Bereichen bis 1000 A in kleinere Ströme. Dem Primärstromwandler PW ist eine Störstromüberwachungseinheit DSU nachgeschaltet. Eine solche Störstromüberwachungseinheit DSU misst Störströme in Bereichen von wenigen Milliampere. Der Störstromüberwachungseinheit DSU nachgeschaltet ist ein Haupttransformator 4, der die Hochspannung des Netzstroms heruntertransformiert. Mit dem Haupttransformator 4 elektrisch verbunden sind zwei Stromrichter 5, die den Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln.
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In 2 ist eine Störstromüberwachungseinheit DSU eines Schienenfahrzeugs mit einer Rogowski-Spule RS und einer Überwachungsschaltung US grob schematisch gezeigt. Die Rogowski-Spule RS umfasst auf der Primärseite einen stromdurchflossen Leiter L durch den ein Netzstrom IN fließt, und Luftspulenwicklungen TW, M auf der Sekundärseite. Eine erste Luftspulenwicklung der Spulenwicklungen umfasst eine Messwicklung M (in 2 unten links gezeigt) und eine zweite Luftspulenwicklung der Spulenwicklungen umfasst eine Testwicklung TW (in 2 oben gezeigt).
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Die Überwachungsschaltung US ist an die beiden Spulenwicklungen TW, M angeschlossen und umfasst eine Messverstärkerschaltung V1, eine Verstärkerschaltung V2, einen A/D-Wandler W und einen digitalen Signalprozessor DSP. Die Messwicklung M ist an die Messverstärkerschaltung V1 angeschlossen, deren Ausgang über den A/D-Wandler W an den digitalen Signalprozessor DSP angeschlossen ist. Die Testwicklung TW wird von dem digitalen Signalprozessor DSP über die Verstärkerschaltung V2 angesteuert.
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In 3 ist eine schematische Darstellung eines unbelegten Streckenabschnitts 10 mit einer Streckenüberwachung mit einer Gleisstrommessung zwischen einem Generator 6 und einem Motorrelais 8 veranschaulicht. Die Gleisstrommessung wird dafür genutzt, zu ermitteln, ob der Streckenabschnitt 10 frei von einem Schienenfahrzeug ist oder besetzt ist. Auf diese Weise soll ein Zusammenstoß von zwei auf demselben Gleis bzw. denselben Schienen 7a, 7b fahrenden Schienenfahrzeugen vermieden werden. Der in 3 auf der linken Seite unten dargestellte Generator 6 erzeugt zwei um 90° phasenverschobene elektrische Spannungen, von denen die eine zwischen den Schienen, d.h. der isolierten Schiene 7a und der Erdschiene 7b, des Streckenabschnitts 10 und die andere leitungsgebunden über eine Stromleitung 6a zu dem Motorrelais 8, das in 3 auf der rechten Seite unten dargestellt ist, geführt wird. Das Motorrelais 8 wird durch Federkraft in einer Ruhelage gehalten. Die beiden elektrischen Spannungen erzeugen ein Drehfeld und damit ein Drehmoment. Das Motorrelais 8 dreht sich daher bei einem unbelegten Streckenabschnitt 10 in die Arbeitslage und der Streckenabschnitt 10 wird als frei erkannt.
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In 4 ist der in 3 bereits gezeigte Streckenabschnitt 10 in einer Situation gezeigt, in der sich ein Schienenfahrzeug 1 auf dem überwachten Streckenabschnitt 10 befindet. Das Schienenfahrzeug 1 schließt mit seinem Fahrgestell die zwischen den Schienen 7a, 7b anliegende Gleisspannung kurz, so dass das Drehfeld im Motorrelais 8 verschwindet. Die Feder zieht das Motorrelais 8 in die Ruhelage, der Streckenabschnitt 10 wird somit als besetzt erkannt und gemeldet.
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Allerdings kann der Rückstrom eines elektrischen Schienenfahrzeugs 1 die Gleisfreimeldung stören, also als Störstrom wirken, wenn dieser an der Messstelle, also an der Position des Motorrelais 8, gerade dem eingespeisten Strom, also dem im Fall des freien Streckenabschnitts gemessenen Strom, entspricht. Dazu muss bei der Arbeitsfrequenz des Motorrelais 8 eine Ansprechschwelle überschritten werden und diese Überschreitung muss so lange anhalten, dass das Motorrelais 8 ansprechen kann und das Ansprechen im Stellwerk registriert werden kann.
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In 5 ist eine schematische Darstellung eines Szenarios, in dem durch ein Schienenfahrzeug 1 ein solcher Störstrom erzeugt wird, gezeigt.
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Um einen solchen sicherheitskritischen Störstrom zu vermeiden bzw. zu erkennen, weisen Schienenfahrzeuge 1 eine Störstromüberwachungseinheit DSU (siehe 2) auf. Diese Störstromüberwachungseinheit DSU misst den Rückstrom und erkennt, wenn der Rückstrom gewisse Grenzwerte überschreitet. Beispielsweise darf der Rückstrom in einem vorbestimmten Frequenzbereich, in dem die Frequenz der von dem Generator 6 erzeugten elektrischen Spannung liegt, beispielsweise 42 Hz, einen vorbestimmten Grenzwert einer Stromstärke für eine Zeit, die länger als eine vorbestimmte Zeitdauer ist, nicht überschreiten. Typische Werte sind für den Frequenzbereich 42 Hz +- 2 Hz, für den Grenzwert der Stromstärke 2,8 Ampere und für die vorbestimmte Zeitdauer 0,5 s.
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In 6 ist eine schematische Darstellung eines Blockschaltbilds einer Störstromüberwachungseinheit DSU eines Schienenfahrzeugs im Detail gezeigt. Wie bereits in 2 gezeigt, ist die Störstromüberwachungseinheit mit einer Luftspule bzw. Messwicklung M einer Rogowski-Spule RS elektrisch verbunden. Der gemessene Netzstrom IN des Schienenfahrzeugs 1 wird mit einem A/D-Wandler W erfasst und digitalisiert. Durch einen digitalen Signalprozessor DSP wird der gemessene Netzstrom IN weiterverarbeitet und ausgewertet. Hierzu umfasst der digitale Signalprozessor DSP einen Frequenzfilter F, der die zu überwachenden Frequenzanteile aus dem Eingangssignal filtert. Weiterhin umfasst der digitale Signalprozessor DSP eine IT-Überwachungseinheit IT, welche die Amplitude I des Eingangssignals mit einem Stromgrenzwert und bei Überschreitung des Stromgrenzwerts die Dauer T der Überschreitung mit einem Zeitgrenzwert vergleicht. Auf eine Überschreitung der geforderten Grenzwerte wird mit einer Öffnung des Hauptschalters 3 (siehe 1) reagiert.
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Die Stromüberwachungseinheit DSU umfasst eine Einheit K zur Festlegung von Koeffizienten für eine Erzeugung von in ihrer Filtercharakteristik und in der Überwachungseigenschaft beliebig parametrierbaren Überwachungskanälen zur Überwachung von bis zu 5 Frequenzbändern zwischen 20 Hz und 450 Hz. Die Parametrierung des Frequenzfilters F erfolgt durch eine Parametrierdatei PD, die in einer Parametrierungseinheit PE, symbolisiert durch einen Computer, gespeichert ist. Aus der Parametrierdatei PD werden während der Fahrzeugprojektierungsphase die Filterkoeffizienten und Überwachungsparameter offline bestimmt.
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Außerdem überwacht sich die Stromüberwachungseinheit DSU auch selbst. Hierzu umfasst sie eine Software-Eigenüberwachung EU1 und eine Hardware-Eigenüberwachung EU2. Im Fehlerfall erfolgt eine Hauptschalterauslösung AL sowie eine Störungsmeldung STM an die Fahrzeugsteuerung bzw. Steuerungseinheit SE des Schienenfahrzeugs. Über eine Ansprechmeldung AS kann gegebenenfalls bei einem Erreichen einer niedrigeren Schwelle durch den Störstrom, bei der die Funktion des Motorrelais noch nicht gestört ist, eine „weichere“ Reaktion ausgelöst werden, wie zum Beispiel eine Drehmomentreduktion.
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In 7 ist eine schematische Darstellung einer Überwachungseinrichtung 70 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt.
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Die Überwachungseinrichtung 70 weist eine digitale Störstromüberwachungseinheit DSU für ein über eine Stromversorgungsleitung OL eines Bahnstromnetzes N mit elektrischem Netzstrom IN versorgtes Schienenfahrzeug 1 zum Messen eines möglicherweise fließenden Netzstroms IN während des Kontaktierungsvorgangs eines Stromabnehmers 2 des Schienenfahrzeugs 1 mit der Stromversorgungsleitung OL auf.
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Teil der Überwachungseinrichtung 70 ist neben dieser bereits aus herkömmlichen Anordnungen bekannten digitalen Störstromüberwachungseinheit DSU auch eine Einstelleinheit 71 zum Einstellen eines Durchlassbereichs eines Frequenzfilters F der digitalen Störstromüberwachungseinheit DSU auf die Grundschwingung des elektrischen Netzstroms IN des Bahnstromnetzes N.
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Die Überwachungseinrichtung 70 umfasst auch eine Schwellwertermittlungseinheit 72 zum Festlegen eines Schwellwerts SW für einen zulässigen detektierten Netzstrom IS auf Basis experimenteller oder errechneter Daten.
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Die Überwachungseinrichtung 70 umfasst zudem eine Einschalteinheit 73 zum Einschalten der digitalen Störstromüberwachungseinheit DSU, beispielsweise vor dem Kontaktieren der Stromversorgungsleitung OL durch den Stromabnehmer 2 des Schienenfahrzeugs 1.
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Außerdem umfasst die Überwachungseinrichtung 70 eine Steuereinheit 75 zum Kontaktieren der Stromversorgungsleitung OL und Trennen des Stromabnehmers 2 von der Stromversorgungsleitung OL für den Fall, dass ein detektierter Netzstrom IN den festgelegten Schwellwert SW überschreitet.
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In 8 ist ein Flussdiagramm 800 veranschaulicht, welches ein Verfahren zur Überwachung der Funktion eines Hauptschalters eines über ein Bahnstromnetz über eine Stromversorgungsleitung OL mit elektrischem Netzstrom versorgten Schienenfahrzeugs 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
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Bei dem Schritt 8.I wird ein Durchlassbereich DB eines Filters F einer digitalen Störstromüberwachungseinheit DSU des Schienenfahrzeugs 1 auf die Grundschwingung des Netzstroms IN, beispielsweise 16,7 Hz, eingestellt.
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Bei dem Schritt 8.II wird ein Schwellwert SW für einen zulässigen detektierten Netzstrom IN auf Basis experimenteller bzw. rechnerischer Daten ermittelt. Experimentelle bzw. empirische Daten können zum Beispiel anhand von Aufzeichnungen bei geöffnetem Hauptschalter und bei Leerlaufbetrieb mit geschlossenem Hauptschalter gewonnen werden.
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Bei dem Schritt 8.III wird die digitale Störstromüberwachungseinheit DSU (siehe 8) vor dem Kontaktieren der Stromversorgungsleitung OL durch einen Stromabnehmer 2 des Schienenfahrzeugs 1 eingeschaltet.
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Bei dem Schritt 8.IV wird ein möglicherweise fließender Netzstrom IN während des Kontaktierungsvorgangs des Stromabnehmers 2 gemessen.
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Bei dem Schritt 8.V wird ermittelt, ob der detektierte Netzstrom IN den festgelegten Schwellwert SW überschreitet. Für den Fall, dass ein detektierter Netzstrom IN den festgelegten Schwellwert SW überschreitet, was in 8 mit „y“ symbolisiert ist, wird der Stromabnehmer 2 bei dem Schritt 8.Va von der Stromversorgungsleitung OL getrennt.
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Für den Fall, dass der Hauptschalter 3 nicht defekt ist, was in 8 mit „n“ gekennzeichnet ist, wird in dem Schritt 8.VI der Hauptschalter 3 (betriebsmäßig) geschlossen und die Parametrierung „Normalbetrieb“ NB der Störstromüberwachung aktiviert. Im Beispiel des Netzes der Deutschen Bahn würde nun bei 16,7 Hz keine Überwachung mehr stattfinden, aber eine Überwachung bei 42 Hz und bei 100 Hz wäre aktiv.
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Im Schritt 8.VII wird der Hauptschalter geöffnet und gleichzeitig die Parametrierung „Hauptschalterüberwachung“ HSU der Störstromüberwachung aktiviert, die eine Überwachungsschwelle bei Netzfrequenz unterhalb des Leerlaufstroms des Transformators besitzt. Dieser Vorgang kann zum Beispiel bei einem Beenden des Betriebs des Schienenfahrzeugs oder auch während einer Fahrt bei einem Auftreten eines Fehlerzustands, beispielsweise einem Defekt eines Stromrichters oder bei einem Überfahren einer Trennstelle auftreten, wobei der Hauptschalter geöffnet wird.
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Bei dem Schritt 8.VIII wird ein möglicherweise fließender Netzstrom IN gemessen.
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Wird bei dem Schritt 8.VIII ermittelt, dass ein detektierter Netzstrom IN den festgelegten Schwellwert SW überschreitet, was in 8 mit „y“ gekennzeichnet ist, so wird zu dem Schritt 8.IX übergegangen. Bei dem Schritt 8.IX wird der Stromabnehmer 2 von der Stromversorgungsleitung OL getrennt.
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Wird bei dem Schritt 8.VIII ermittelt, dass der Schwellwert SW nicht überschritten wird, was in 8 mit „n“ gekennzeichnet ist, so wird zu einem der Schritte 8.VI, 8.VII zurückgekehrt und der „Normalbetrieb“ NB oder die „Hauptschalterüberwachung“ HSU fortgesetzt.
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In 9 ist eine schematische Darstellung eines Schienenfahrzeugs 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Das Schienenfahrzeug 1 weist einen Stromabnehmer 2 zum Kontaktieren des Schienenfahrzeugs 1 mit einer Stromversorgungsleitung OL eines Bahnstromnetzes N auf.
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Das Schienenfahrzeug 1 weist einen Hauptschalter 3 zum Kontaktieren der übrigen elektrischen Schaltungseinheiten des Schienenfahrzeugs 1 mit dem Bahnstromnetz und über die Oberleitung OL, einen Primärstromwandler PW und die in 7 gezeigte Überwachungseinrichtung 70 auf.
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Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorbeschriebenen Verfahren und Vorrichtungen lediglich um bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung handelt und dass die Erfindung vom Fachmann variiert werden kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, soweit er durch die Ansprüche vorgegeben ist. Es wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können.
