DE4121003A1 - Verfahren und anordnung zur pruefung des zustandes von fahrleitungsstrecken elektrischer bahnen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Prüfung des Zustandes von Fahrleitungsstrecken elektrischer Bahnen, insbesondere zur Messung und Prüfung von Streckenwiderständen mit dem Ziel, eindeutige Unterscheidungen zu treffen zwischen Kurzschluß und Normalzustand der Fahrleitungsstrecke.

Es ist bekannt, daß in den Leitungspfad der Streckenabgänge durch ein geeignetes Schütz ein Widerstand zur Strombegrenzung geschaltet und eine Prüfspannung an die Strecke gelegt wird. Nach Ablauf der dynamischen Vorgänge werden durch Messung der sich einstellenden Ströme und Spannungen Rückschlüsse auf den Streckenwiderstand gezogen und je nach Auswertung durch Vergleich wird die Strecke für die Zuschaltung der vollen Leistung gesperrt oder freigegeben. Nachteilig ist hierbei die Anwendung eines Streckenwiderstandes, der für eine relativ hohe elektrische Leistung dimensioniert werden muß. Außerdem ist die Messung erst dann sinnvoll, wenn eine bestimmte Mindestleistung auf die Strecke geschaltet ist und damit die Hilfsantriebe der Fahrzeuge angelaufen sind und sich der eingespeisten Leistung entsprechend im stationären Betrieb befinden. Das hat zur Folge, daß die Messungen zur Streckenwiderstandsermittlung erst nach Ablauf einiger Sekunden erfolgen können.

Den gleichen Nachteil besitzt die zweite bekannte Methode, bei der zur Feststellung des Zustandes der Fahrleitungsstrecke das Prinzip der geregelten Konstantstromeinspeisung (geregelte Strombegrenzung) angewendet wird. Die Regelung erfolgt hierbei durch die Steuerung des Stromflußwinkels mittels eines Schalters, insbesondere eines Thyristors. Nachteilig ist hier weiterhin, daß für den Kurzschlußfall die Stromanstiegsgeschwindigkeiten durch Vorschalten von Drosselspulen begrenzt werden müssen, da die eingesetzten Leistungsschalter zu hohe Abschaltzeiten aufweisen.

Nach der DE-OS 24 06 197 (G 01 R, 19/30) sind weiterhin ein Verfahren und eine Einrichtung zur Detektion von Kurzschlüssen in elektrischen Anlagen, insbesondere Fahrleitungen, bekannt, bei entsprechendes Überwachungssignal durch Integration des Stromes über der Zeit gebildet und auf Überschreiten eines Grenzwertes hin überwacht wird. Die Integration erfolgt mit einem von dem zu überwachenden Strom unabhängigen Anfangswert und wird von einer Grenzwertüberschreitung des Stromes ausgelöst. In Abhängigkeit von Grenzüberschreitungen beider Überwachungssignale wird ein Kurzschlußsignal erzeugt. Hierbei wird also das Kurzschlußsignal mit einem von der Anstiegssteilheit des zu überwachenden Stromverlaufes nach Eintritt des Kurzschluß-Wahrscheinlichkeitskriteriums gleichsinnig abhängigen Grenzwert verglichen. In Abhängigkeit von mindestens einem abgestuften Anstieg des zu überwachenden Stromverlaufes wird ein zeitlich stufenförmig ansteigendes Grenzwertsignal erzeugt, dessen Stufenhöhen von maximalen Anstiegssteilheiten des zu überwachenden Stromverlaufes nach Eintritt des Kurzschluß-Wahrscheinlichkeitskriteriums gleichsinnig abhängig sind. Nachteilig ist hierbei, daß kein definierter Zustand, insbesondere Anfangszustand der Fahrleitungsstrecke, hergestellt wird, der eine eindeutige Antwort im Meßergebnis wie z. B. "Strecke in Ordnung" oder "Strecke defekt" ermöglicht.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Methode zur eindeutigen Bestimmung und Erkennung des Zustandes von Fahrleitungen elektrischer Bahnen, einschließlich der auf der Strecke befindlichen Triebfahrzeuge und deren Hilfsantrieben, insbesondere zur eindeutigen Unterscheidung zwischen Streckenkurzschluß und Normalzustand der Strecke zu schaffen.

Das Problem wird erfindungsgemäß in der Weise gelöst, daß auf die Fahrleitung ein aufgeladener Kondensator aufgeschaltet wird, der maximale Streckenstrom und die diesem Strom zugeordnete Spannung bzw. die Integralwerte des Stromes und/oder der Spannung über dem Streckenwiderstand in festgelegten zeitlichen Grenzen ermittelt werden und die Integralwerte auf die gleichzeitig gemessene Kondensator-Ladespannung normiert werden und daß durch Vergleich des aus Strom und Spannung berechneten Streckenwiderstandes mit einem Streckenwiderstandsgrenzwert bzw. durch Vergleich des Integralwertes mit einem vorgegebenen Grenzwert eine Entscheidung über den Zustand der Fahrleitung getroffen wird.

Gemäß einer weiteren Ausbildung des Verfahrens werden in einem Prüfvorgang zwei Integralwerte für Strom oder Spannung über dem Streckenwiderstand für zwei vorgegebene, unterschiedliche Zeitintervalle ermittelt. Die jeweiligen Integralwerte werden dividiert und durch Vergleich des Quotienten mit einem fest vorgegebenen Wert wird die Entscheidung über den Zustand der Strecke getroffen.

Eine weitere Möglichkeit ist, für den Strom einen Grenzwert festzulegen, dessen Über- oder Unterschreitung zu messen und daraus eine Entscheidung über den Zustand der Strecke zu treffen.

Die zur Durchführung des Verfahrens nötige Anordnung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß ein parallel zur Ladeeinrichtung angeordneten Kondensator einerseits mit Bezugspotential und andererseits mit der Anode eines von einer Controllerkombination angesteuerten Löschthyristors und die Kathode des Löschthyristors in Richtung der Netzeinspeisung mit einem Trenner verbunden sind. Dieser wird von einem in der Controllerkombination enthaltenen Anpaßglied beaufschlagt und ist mit dem Spannungsmeßglied verbunden, das wiederum mit dem Bezugspotential in Verbindung steht und von einem in der Controllerkombination enthaltenen Umsetzer gesteuert ist, sowie mit dem über den Streckenwiderstand an das Bezugspotential geschalteten und ebenfalls vom Umsetzer gesteuerten Strommeßglied.

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Anordnung kann der eine Belag des Kondensators über die Parallelschaltung einer Diode und eines Ladewiderstandes mit dem Bezugspotential sowie mit der Kathode eines Löschthyristors verbunden sein, welcher vom Anpaßglied beaufschlagt ist, während der zweite Belag mit der Anode eines zweiten Löschthyristors, welcher ebenfalls vom Anpaßglied beaufschlagt ist und dem eine Diode parallel geschaltet ist, sowie mit einem über einen Ladewiderstand an die Drehstromsammelschiene angeschalteten Ladethyristor verbunden ist. In Reihe mit dem Strommeßglied befindet sich der Streckenwiderstand mit parallelgeschalteter Freilaufdiode. Der Trenner ist hierbei zwischen der Kathode des Löschthyristors und dem, dem Bezugspotential abgewandten, Verbindungspunkt des Spannungs- und Strommeßgliedes angeordnet. Die dem Ladewiderstand parallelgeschaltete Diode kann über eine Induktivität, Kapazität oder eine Reihenschaltung einer Kapazität mit einer Induktivität anodenseitig mit dem Bezugspotential verbunden sein.

Die Erfindung wird an Hand von zwei Ausführungsvarianten näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen jeweils eine Variante der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt folgendes Prinzip zugrunde:
Mit dem Einschalten wird ein aufgeladener Kondensator auf die Strecke aufgeschaltet, so daß sich ein Reihenschwingkreis aus dem resultierenden Widerstand, einer resultierenden Induktivität und diesem Kondensator bildet, welcher mit dem Einschalten einen Kreisstrom fließen läßt. Je nach dem Zustand der Fahrleitungsstrecke führt der Kreisstrom eine aperiodische oder periodisch gedämpfte Schwingung aus. Entsprechend verhalten sich auch die Spannungen an den Schaltelementen. Wesentlich für das elektrische Verhalten ist die Größe der Dämpfung, die durch

gegeben ist. Hierbei ist mit R_S der ohmsche Widerstand der Fahrleitungsstrecke und mit L_S die wirksame Kreisinduktivität bezeichnet. Im Falle des Auftretens einer gedämpften Schwingung, d. h. bei Vorliegen relativ kleiner Dämpfungswiderstände, ist auf das Vorhandensein eines Streckenkurzschlußfalles zu schließen. Für den Betrag des Streckenwiderstandes R_St gilt

mit als Eigenfrequenz des Kreises.

Zum Zeitpunkt des Strommaximums wird R_St=R_S, d. h. durch Messung des Maximalstromes und der Streckenspannung zum gleichen Zeitpunkt läßt sich der ohmsche Anteil des Streckenwiderstandes R_St bestimmen. Für den Fall des Auftretens einer aperiodischen Schwingung gilt die Aussage analog. Als Entscheidungskriterium ist eine untere Grenze für den ohmschen Streckenwiderstand R_St, der Streckenwiderstandsgrenzwert R_{St gr}, festgelegt, wobei eine maximale Anzahl von Triebfahrzeugen auf der Strecke berücksichtigt wird. Für R_St<R_{St gr} gilt, daß die Fahrleitungsstrecke kurzschlußbehaftet ist, falls R_StR_{St gr} ist, gilt die Strecke als kurzschlußfrei.

Es besteht auch die Möglichkeit, für festgelegte Meßzeitintervalle die angenäherten Integralwerte, z. B. der Ströme, zu bestimmen. Für das festgelegte Meßzeitintervall, z. B. 0tt₁ ist

Dabei muß stets t₁<T mit T als halbe Schwingungsdauer bzw. als Gesamtstromflußdauer für den aperiodischen Fall gewählt werden. Wird für ein Vergleichskriterium als Grenze für eine eindeutige Unterscheidung zwischen Kurzschluß und nichtfehlerbehafteter Strecke ein Grenzwert I_{gr t1} festgelegt, dann gilt für den Kurzschlußfall

I₁t₁ < I_{gr t1} .

Im umgekehrten Fall, d. h. die Strecke ist nicht kurzschlußbehaftet, gilt

I₁t₁ I_{gr t1} .

Das Kriterium ist spannungsabhängig und erfordert für den Vergleich die Messung der Eingangsspannung U_E und die Normierung auf eine festgelegte Spannung.

Diese Abhängigkeit läßt sich durch eine andere Festlegung des Stromkriteriums vermeiden, z. B. werden jeweils Stromzeitintegrale für die Intervalle 0tt₁ und 0tt₂ mit t₂<t₁ gebildet und anschließend dividiert.

Das Vergleichskriterium wird auf den Wert des Streckenwiderstandsgrenzwertes R_{St gr} und der Induktivität L_{S gr} und für die fest zu wählenden Zeiten t₁ und t₂ festgelegt. Dabei ist darauf zu achten, daß einerseits für das gesamte Meßintervall zur näherungsweisen Bildung der Integrale die Meßwerterfassung in genügend kleinen Abständen zu erfolgen hat und andererseits die Grenzen t₁ und t₂ genügend weit auseinander zu legen sind, um die systematischen Meßfehler klein zu halten.

Gemäß Fig. 1 ist die Anordnung zur Prüfung des Zustandes von Fahrleitungsstrecken mit ihrem Leistungsteil in die Lösch- und Ladeschaltung der halbgesteuerten Brücke integriert. Vor der eigentlichen Durchführung der Streckenprüfung ist der folgende Schaltzustand herbeizuführen: Die Ventile der Thyristorhalbbrücke 2 und die Löschthyristoren 8 und 9 sind gesperrt, der Trenner 18 ist geschlossen. Der Kondensator 8 ist durch Zünden des Ladethyristors 7 mit vorzugsweise einem Dauerzündimpulsgatter über die Ladewiderstände 5 und 12 auf die volle Gleichspannung zu laden. Die für die Ansteuerung des Ladethyristors 7 notwendigen Ansteuerimpulse werden durch eine rechnergesteuerte Controllerkombination 17a, 17b, 17c bereitgestellt. In der rechnergesteuerten Controllerkombination 17a, 17b, 17c ist ein Anpaßglied 17a, welches insbesondere Verstärker und Potentialtrenner aufweist, ein Umsetzer 17b, insbesondere A/D- oder U/f-Umsetzer, sowie ein Rechner, insbesondere Mikrorechner 17c, welcher auch für Steuer- und Schutzaufgaben des Streckenabganges eingesetzt werden kann, enthalten.

Ausgehend vom o. g. Schaltzustand erfolgt die Einleitung der dynamischen Streckenprüfung durch Zünden des Löschthyristors 9. Gemäß Fig. 2 wird der Kondensator 8 über den Löschthyristor 9, den Streckenwiderstand 13 und die Diode 11 entladen. Beginnend mit der Zündung des Löschthyristors 9 werden der Streckenstrom i_ST mit dem Strommeßglied 16 und die Streckenspannung u_ST mit dem Spannungsmeßglied 15 erfaßt. Die Meßwerte werden dem in der Controllerkombination 17a, 17b, 17c enthaltenen Mikrorechner 17c über den Umsetzer 17b zugeführt und nach den angegebenen Kriterien ausgewertet. Nach Unterschreiten des Haltestromes verlischt der Löschthyristor 9. Je nach dem Ergebnis des Kriterienvergleiches kann die Streckenprüfung, z. B. bei noch vorhandenem Streckenkurzschluß, einmal oder mehrmals wiederholt werden. Wird am Ende der Prüfung ein Streckenkurzschluß festgestellt, so kann die Strecke - repräsentiert durch den Streckenwiderstand 13 - durch rechnergesteuerte Öffnung des Trenners 18 von der Einspeisung getrennt werden. Andererseits, bei einem positiven Prüfungsergebnis, kann die Strecke bei noch geschlossenem Trenner 18 durch Zünden der Thyristorhalbbrücke 2 eingespeist werden. Dazu ist vorher der Kondensator 8 durch Aufladung nach der oben bereits beschriebenen Weise in Löschbereitschaft zu bringen. In der beschriebenen Anordnung wird durch Einfügen der Diode 11 in die Lösch-Ladeschaltung die Streckenprüfung als abgewandelte Form des Löschvorganges realisiert.

Für die Streckenprüfung kann in der bisher geschilderten Weise auch der durch die zum Streckenwiderstand 13 parallelgeschaltete Freilaufdiode 14 fließende Strom zur Auswertung herangezogen werden. Für diesen Fall ist das Strommeßglied, z. B. ein Stromwandler, in den Freilaufzweig zu schalten und der Strom entsprechend den angegebenen Kriterien mit Hilfe des Mikrorechners 17c auszuwerten.

Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, daß der dynamische Prüfvorgang nur durch die elektrischen Parameter des Streckenwiderstandes bestimmt wird und daß eine eindeutige Unterscheidung zwischen Kurzschluß und Normalzustand der Fahrleitungsstrecke auf relativ einfache Weise getroffen werden kann. Die Ermittlung des Streckenwiderstandes bzw. des Zustandes der Fahrleitungsstrecke kann in einer relativ kurzen Zeit erfolgen, da nichtstationäre Einschwingvorgänge ausgenutzt werden.

Claims (7)

1. Verfahren zur Prüfung des Zustandes von Fahrleitungsstrecken elektrischer Bahnen einschließlich von auf der Strecke befindlichen Triebfahrzeugen und deren Hilfsantrieben, insbesondere zur eindeutigen Unterscheidung zwischen Streckenkurzschluß und Normalzustand einer Fahrleitungsstrecke, dadurch gekennzeichnet, daß ein aufgeladener Kondensator (8) auf die Fahrleitungsstrecke aufgeschaltet wird, der maximale Streckenstrom und die diesem Strom zugeordnete Spannung bzw. die Integralwerte des Stromes und/oder der Spannung über dem Streckenwiderstand in festgelegten zeitlichen Grenzen ermittelt werden, wobei die Integralwerte auf die gleichzeitig gemessene Kondensatorspannung normiert werden, und daß durch Vergleich des aus Strom und Spannung berechneten Streckenwiderstandes (R_St) mit einem Streckenwiderstandsgrenzwert (R_{St gr}) bzw. durch Vergleich des Integralwertes mit einem vorgegebenen Grenzwert eine Entscheidung über den Zustand der Fahrleitungsstrecke getroffen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Prüfvorgang zwei Integralwerte für Strom oder Spannung über dem Streckenwiderstand (13) für zwei vorgegebene unterschiedliche Zeitintervalle ermittelt werden, die Werte dividiert werden und durch Vergleich des Quotienten mit einem fest vorgegebenen Wert die Entscheidung über den Zustand der Fahrleitungsstrecke getroffen wird.

3. Verfahren zur Prüfung des Zustandes von Fahrleitungsstrecken elektrischer Bahnen einschließlich von auf der Strecke befindlichen Treibfahrzeugen und deren Hilfsantrieben, insbesondere zur eindeutigen Unterscheidung zwischen Streckenkurzschluß und Normalzustand einer Fahrleitungsstrecke, dadurch gekennzeichnet, daß ein aufgeladener Kondensator (8) auf die Fahrleitungsstrecke aufgeschaltet wird, der maximale Streckenstrom gemessen wird und je nach Über- oder Unterschreiten des Stromes über bzw. unter einen festgelegten Schwellwert die Entscheidung über den Zustand der Fahrleitungsstrecke getroffen wird.

4. Anordnung zur Prüfung des Zustandes von Fahrleitungsstrecken elektrischer Bahnen einschließlich der auf der Strecke befindlichen Triebfahrzeuge und deren Hilfsantrieben, dadurch gekennzeichnet, daß ein parallel zur Ladeeinrichtung (20) angeordneter Kondensator (8) einerseits mit dem Bezugspotential (19) und andererseits mit der Anode eines Löschthyristors (9) verbunden ist und daß die Kathode des Löschthyristors (9) in Richtung der Netzeinspeisung mit einem Trenner (18) und in Richtung des Bezugspotentials (19) mit einem Spannungsmeßglied (15) sowie mit dem in Reihe zum Streckenwiderstand (13) befindlichen Strommeßglied (16) verbunden ist.

5. Anordnung zur Prüfung des Zustandes von Fahrleitungsstrecken elektrischer Bahnen einschließlich der auf der Strecke befindlichen Triebfahrzeuge und deren Hilfsantrieben, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator (8) einerseits über die Parallelschaltung einer Diode (11) und eines Ladewiderstandes (12) mit dem Bezugspotential (19) und mit der Kathode eines Löschthyristors (6) verbunden ist, andererseits mit einem über einen Ladewiderstand (5) an die Drehstromsammelschiene (18) angeschalteten Ladethyristor (7) sowie mit der Anode eines zweiten Löschthyristors (9), zu dem eine Diode (10) antiparallel geschaltet ist, verbunden ist, dessen Kathode wiederum an den Streckenabzweig geschaltet ist, der in Richtung Bezugspotential aus der Reihenschaltung eines Trenners (18) und einem Spannungsmeßglied (15), zu dem ein Strommeßglied (16), der Streckenwiderstand (13) und eine zu diesem parallel geschaltete Freilaufdiode (14) parallel liegen, besteht.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladeeinrichtung (20; 7) und die Löschthyristoren (6; 9) vom Anpaßglied (17a), das Spannungsmeßglied (15) und das Strommeßglied (16) von dem Umsetzer (17b) der Controllerkombination (17a; 17b; 17c) beaufschlagt sind.

7. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Ladewiderstand (12) parallelgeschaltete Diode (11) über eine Induktivität, eine Kapazität oder eine Reihenschaltung von Induktivität und Kapazität mit dem Bezugspotential (19) verbunden ist.