Ausbreitung von Stromoberschwingungen und Resonanzerscheinungen im Fahrleitungsnetz

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Der eigentliche Schwerpunkt der Arbeit liegt bei den tonfrequenten Oberschwingungen im Wechselstrom-Fahrleitungsnetz der DB. Allerdings lassen sich die entwickelten Modelle und die Ergebnisse auf andere Bahnstromsysteme adaptieren und übertragen.

Die Fahrschienen werden zusammen mit dem Erdreich zur Rückführung des Traktionsstromes eingesetzt. Gleichzeitig werden die Fahrschienen als Stromkreise der Gleisfreimeldeanlagen, sog. Gleisstromkreise, benutzt. Ein Großteil dieser Gleisstromkreise arbeitet im Tonfrequenzbereich.

Moderne Triebfahrzeuge mit leistungselektronischen Stromrichtern sind als Quelle der Stromoberschwingungen anzusehen. Sie breiten sich im Fahrleitungsnetz, auch in den Fahrschienen, aus, und können Gleisstromkreise stören, wenn ihre Störfestigkeit überschritten wird. Daher, bevor ein Fahrzeug im Fahrleitungsnetz betrieben werden kann, muss seine Kompatibilität mit den Gleisstromkreisen nachgewiesen werden.

Derzeit wird dieser Nachweis nach den Bahnrichtlinien 807.020x mit Hilfe der Messfahrten mit Erfassung des Emissionsstörstromes durchgeführt. Allerdings, im Tonfrequenzbereich ist die Relevanz des Emissionsstroms als Beurteilungskriteriums mangelhaft. Dies ist auf das wellenartige Ausbreitungsverhalten der tonfrequenten Störströme und Resonanzerscheinungen zurück zu führen, die im Verfahren nach den Bahnrichtlinien 807.020x nicht berücksichtigt werden. Dies macht das Verfahren ungenau. Darüber hinaus ist das Verfahren recht kostenintensiv, da eine Vielzahl von Messfahrten gefordert wird. Trotz Forschungsaktivitäten letzter Zeit lagen bisher immer noch keine konkreten und praktisch realisierbaren Vorschläge für ein genaueres und wirtschaftlicheres Verfahren zum Nachweis der Kompatibilität zwischen Triebfahrzeugen und Gleisfreimeldeanlagen vor.

In der vorliegenden Arbeit wurde der Vorschlag zur Durchführung des Kompatibilitätsnachweises erarbeitet, dem ein computergestütztes Netzmodell und die Labormessungen der Fahrzeugeigenschaften zu Grunde gelegt wurden. Gegenüber dem Zulassungsverfahren, das auf Messfahrten mit einer Emissionsstrombewertung basiert, zeichnet sich das vorgeschlagenen Verfahren durch seine Genauigkeit und Wirtschaftlichkeit aus.

Das Netzmodell, das dem vorgeschlagenen Kompatibilitätsnachweisverfahren zu Grunde liegt, berücksichtigt die ungünstigsten Netzverhältnisse hinsichtlich der Höhe des Oberschwingungsstromes in den Fahrschienen und wurde durch umfangreiche Untersuchungen über das Ausbreitungsverhalten von Stromoberschwingungen und Resonanzerscheinungen hergeleitet.

Für die Durchführung der Untersuchungen war ein Netzmodell und ein Berechnungsverfahren für die tonfrequenten Störströme erforderlich. Die Analyse der herkömmlichen Modelle und Berechnungsverfahren hat ihre Nichtanwendbarkeit für diese Aufgabe offenbart. Ein wichtiger Bestandteil der Arbeit war daher die Entwicklung des neuartigen Netzberechnungsverfahrens. Das entwickelte Verfahren wurde bei den Untersuchungen dieser Arbeit eingesetzt. Ferner wurde in die Modellierung von Betriebsmitteln eingegangen, die im Fahrleitungsnetz der DB betrieben werden. Sie wurden im Netzmodell mit ihren frequenzabhängigen Ersatzimpedanzen nachgebildet. Die Frequenzgänge dieser Impedanzen wurden anhand der Feldberechnungsprogramme sowie mit Hilfe der Messungen (15 MVA Unterwerkstransformator) bestimmt.

Zur Überprüfung des neuartigen Netzberechnungsverfahrens wurden Messungen auf der Strecke der Münchner S-Bahn durchgeführt. Die Messungen bestätigten die Richtigkeit des Berechnungsverfahrens und brachten weitere wichtige Erkenntnisse.