DE19903041C2 - Anordnung zur Kompensation von niederfrequenten Magnetfeldern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kompensation nieder­ frequenter Magnetfelder, an Stromversorgungs­ anlagen für elektrisch betriebene Schienenfahrzeuge, bei denen die Schienenfahrzeuge den von einer Einspeisungsstelle in eine Oberleitung eingespeisten Betriebsstrom abnehmen und über die Schienen zurückführen.

Sich negativ auswirkende Beeinflussungen durch niederfrequente magnetische Felder, die durch stromführende elektrische Leiter erzeugt werden, sind in der Vergangenheit entweder nicht be­ wußt wahrgenommen oder aus Unkenntnis nicht beachtet worden. Hierbei ist nicht in erster Linie auf gesundheitliche Beein­ flussung oder Schädigungen von Mensch oder Tier abzustellen, sondern auf negative Auswirkungen an elektrischen oder elek­ tronischen Geräte.

So wurden vermehrt Fälle bekannt, nach denen festgestellt werden mußte, daß Computeranlagen und hier insbesondere die üblicherweise eingesetzten Elektronenstrahlmonitore, die sich im nahen oder näheren Einflußbereich von niederfrequenten Magnetfeldern befinden, in unregelmäßigen Abständen Bildstö­ rungen aufwiesen. Elektronenstrahlmonitore haben aufgrund ihres physikalischen Prinzips nur eine Störfestigkeit gegen­ über magnetischer Erregung durch Magnetfelder von ca. 1 A/m. Im Gegensatz dazu erzeugt eine Oberleitung einer Bahnstrom­ versorgungsanlage, in der zum Beispiel ein Strom von 1000 A fließt, gemessen in einem seitlichen Abstand von bei­ spielsweise 10 m von der Stromversorgungsanlage entfernt, noch eine magnetische Erregung von ca. 8 A/m. Fließt ein Strom von 2000 A, beträgt die magnetische Erregung in 10 m Entfernung ca. 16 A/m. Durchgeführte Messungen haben gezeigt, daß Bild­ störungen immer dann verstärkt auftreten, wenn sich der Moni­ tor beispielsweise im näheren Umfeld einer Stromversorgungs­ anlage einer Straßenbahn- oder Eisenbahnlinie befindet und zwar nur dann, wenn die Anlage stromführend ist, das heißt eine Bahn auf dieser Strecke fährt. Besonders stark treten diese negativen Einflüsse auf, wenn die Bahn anfährt, da hier der Stromfluß am größten ist und demzufolge große magnetische Felder erzeugt werden. Dabei ist unerheblich, ob sich die Bahn im direkten Gefährdungsbereich befindet oder nicht. Sie muß lediglich die Stromführungsanlage in diesem Bereich auch stromführend halten.

Negativ wirkt sich der Einfluß niederfrequenter Magnetfelder nachgewiesenermaßen auch in medizinisch-technischen Bereichen aus, beispielsweise sind EKG-Aufzeichnungsgeräte im Bereich magnetischer Felder mit einem Erregungswert größer 0,1 A/m bei 50 Hz nicht voll funktionsfähig oder gar nicht einsetzbar.

Bekannt ist, solche Störungen dadurch zu beseitigen oder zu­ mindest wesentlich zu reduzieren, daß das Gerät mit einer Eigenschirmung versehen wird. Größe und Ausführung des Ab­ schirmgehäuses und damit dadurch eintretende Mehrkosten sind dabei maßgeblich abhängig von der Größe des abzuschirmenden magnetischen Feldes. Nachdem der Einsatz von Computertechnik sowohl in der Wirtschaft als auch im privaten Bereich ständig zunimmt und davon auszugehen ist, daß in einem Bürogebäude in fast jedem Zimmer wenigstens ein Monitor steht, erreichen Aufwand und Kosten für die Abschirmungsmaßnahmen kaum noch vertretbare Größen, wenn jeder Bildschirm ein Abschirmungs­ gehäuse benötigt, um ein ungehindertes oder weitestgehend störungsfreies Arbeiten zu ermöglichen. Dabei ist auch noch zu klären, wer die Kosten für die Abschirmung zu tragen hat.

Sind mehrere Monitore im Bereich des störenden Magnetfeldes vorhanden, so ist jeder Monitor mit seiner eigenen Schirmung zu versehen. Eine Raumschirmung kommt aus den gegebenen physi­ kalischen Randbedingungen nicht in Betracht.

Aus der DE-PS 581 791 ist des weiteren ein Mehrphasenstrom- Übertragungssystem bekannt geworden, bei dem die magnetischen Felder der einzelnen Ströme dadurch kompensiert werden, daß jede Phase zweifach ausgeführt ist und diese Phasen so ge­ schaltet sind, daß die Ströme in den Adern der gleichen Phase 180° zueinander verschoben sind. Diese Lösung ist aus Kosten- und Rentabilitätsgründen zur Kompensation niederfrequenter Magnetfelder an Stromversorgungsanlagen für elektrisch betrie­ bene Schienenfahrzeuge nicht geeignet.

Auch die Lösung die in Rüetschi, A. und Isler Rüetschi, E. "Magnetische Felder reduzieren", veröffentlicht in Bulletin ASE/UCS 1997, Heft 21, Seiten 34 bis 30 bekannt geworden ist, ist aus Kostengründen und bezüglich des technischen Aufwandes nicht geeignet, auf effektive Weise niederfrequente Magnet­ felder zu kompensieren. In diesem Aufsatz geht es um die Auf­ teilung der Hin- und Rückleiterphasen eines Dreiphasen-Hoch­ spannungssystems auf 10 Leiter. Im Niederspannungsbereich wird vorgeschlagen, die Leiter für den Hin- und Rückstrom möglichst nahe zueinander zu führen oder aber verdrillte Leiter ein­ zusetzen. Der Einsatz von Kompensationsspulen wird hauptsäch­ lich für die Feldkompensation in Wohn- und Arbeitsräumen vor­ geschlagen.

Eine weitere Lösung offenbart die DE 196 42 677 A1, die sich auf eine Lösung zur Kompensierung magnetischer Felder einer Drehstrom-Freileitung zur Elektroenergieübertragung bezieht, bei der jedem Hinleiter ein Rückleiter zugeordnet ist, wobei in den Rückleitern Gegenströme mit gleichen Amplituden aber Gegenphasenlagen zu den Hinströmen fließen. Auch diese Lösung ist für das vorgesehenen Einsatzfall aus Kosten- und Auf­ wandsgründen ungeeignet.

Schließlich sei noch auf die DE 43 14 718 A1 verwiesen, die ein elektrisches Leitungssystem mit wenigstens zwei Leitern für die Übertragung von elektrischer Energie in Form von Gleichstrom oder niederfrequentem Strom offenbart, bei dem wenigstens ein weiteres angenähert parallel zu den Leitern des Systems verlaufendes Leitungssystem vorgesehen ist. Dieses Leitungssystem weist eine Stromspeisung mit einem den Strom im ursprünglichen Leitungssystem phasensynchronen Strom auf. Die räumliche Anordnung des weiteren Leitungssystems und der die­ ses durch die Stromspeisung durchfließende Strom führen zur Kompensation der Magnetfelder, die durch die Ströme der ein­ zelnen Leitungssysteme verursacht werden. Wesentlich dabei ist, daß zur Kompensation der Magnetfelder in einem etwa par­ allel zum Leitungssystem verlaufenden Raumbereich bis auf einen der Leiter die übrigen Leiter aufgespalten sind.

Auch die Anwendung dieser offenbarten Lösung bei Bahnstroman­ lagen erfordert einen hohen technischen und Kostenaufwand und ist problematisch hinsichtlich der Aufteilung, Steuerung oder wechselnden Last der Stromspeisung.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zu schaf­ fen, bei der niederfrequente Magnetfelder, die insbesondere in unmittelbarem Umfeld des Verlaufes vom Stromversorgungsanlagen für Schienenfahrzeuge auftreten, minimiert werden, so daß daraus resultierende Störungen an elektrischen und elektro­ nischen Geräten weitestgehend vermieden werden. Die Anordnung soll des weiteren kostengünstig und technisch einfach reali­ sierbar sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Kompensationsleitung entlang wenigstens einer Teilstrecke des Oberleitungs- und Schienenbereiches so angeordnet ist, daß der Betriebsstrom an vorgegebener Stelle in die Kompensations­ leitung eingeleitet wird und mit einer der Flußrichtung des Betriebsstromes in der Oberleitung und den Schienen entgegen­ gerichteten Flußrichtung wieder zurückgeführt wird.

Mit dieser erfindungsgemäßen Anordnung wird wirksam die nega­ tive Beeinflussung elektrischer und elektronischer Geräte unterbunden, da die Größe der magnetischen Felder, die norma­ lerweise an Stromversorgungsanlagen für Schienenfahrzeuge entstehen, auf ein Minimum reduziert wird. Entsprechende Be­ rechnungen haben ergeben, daß die magnetische Erregung bereits bei einem Abstand von 5 m von der Stromversorgungsanlage, in der ein Strom von beispielsweise 1000 A fließt, nur noch 1,3 A/m beträgt, während dieser Wert im unkompensierten Zustand 24,7 A/m beträgt. Befindet sich der Monitor in 10 m Entfernung von der Stromversorgungsanlage, so beträgt die magnetische Erregung im kompensierten Zustand noch 0,32 A/m. Negative Einflüsse durch das Magnetfeld sind in einem solchen Bereich somit bereits ausgeschlossen.

Soll der Grenzwert von 0,1 A/m, der für die sichere Funktion elektrischer oder elektronischer Geräte zum Einsatz in der Medizintechnik relevant ist, erreicht werden, so müßten diese Geräte zwischen 15 m und 20 m von der Stromversorgungsanlage entfernt installiert werden, wo hingegen im unkompensierten Zustand weit mehr als 50 m Abstand notwendig sind.

Nach einer vorzugsweisen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Stromführung der Oberleitung an vorgegebener Stelle unterbrochen und der Betriebsstrom wird in die mit der Unterbrechungsstelle verbundene Kompensationsleitung einge­ speist. Dabei weißt die Kompensationsleitung eine solche Streckenführung auf, daß sie von der Unterbrechungsstelle aus in den Schienenbereich und entgegen der Stromrückführrichtung entlang der Schienen verläuft, an vorgegebener Stelle in den Bereich der Oberleitung und von da zurück zur Unter­ brechungsstelle führt. Die Kompensationsleitung ist außerdem im Bereich der Unterbrechungsstelle mit dem weiterführenden Teil der Oberleitung so verbunden, daß der rückgeführte Be­ triebsstrom in diesen Teil der Oberleitung eingespeist wird.

Nach dieser Ausführungsform ist auf kostengünstige Art jede bereits vorhandene Stromversorgungsstrecke von Schienenfahr­ zeugen schnell nachrüstbar, wobei sich der technische Aufwand in Grenzen hält. Die Führung des Betriebsstromes über einen Teil der Stromversorgungsstrecke entgegen der eigentlichen Stromführungsrichtung sowohl im Schienen- als auch im Oberlei­ tungsbereich unterbindet sicher das Entstehen großer magneti­ scher Felder infolge eines hohen Stromflußes.

Technisch vorteilhaft ist auch, wenn bei Rückstrom des Be­ triebsstromes über beide Schienen die Kompensationsleitung im Schienenbereich etwa mittig zwischen beiden Schienen im Boden verläuft.

Wird dagegen der Rückstrom des Betriebsstromes über eine fest­ gelegte Schiene geführt, so ist von Vorteil, wenn die Kompen­ sationsleitung im unmittelbaren Bereich dieser Schiene ver­ läuft.

Für die Verlegung der Kompensationsleitung kann beispielsweise eine notwendige Reparatur des Gleisbettes genutzt werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführung der erfindungs­ gemäßen Anordnung wird die Kompensationsleitung im Bereich der Oberleitung im geringen Abstand zu dieser zur Unterbrechungs­ stelle zurückgeführt.

Der Abstand zwischen Oberleitung und Kompensationsleitung sollte dabei so gering wie möglich gehalten werden, um das Entstehen magnetischer Felder auf ein Minimum zu reduzieren beziehungsweise nahezu auszuschließen. Wird ein Abstand klei­ ner 10 cm realisiert, so ist davon auszugehen, daß Störungen durch niederfrequente Magnetfelder ausgeschlossen sind.

Wenn zur Abstandshaltung zwischen Kompensationsleitung und Oberleitung isolierte Distanzstücke angeordnet sind, so wird auf technisch einfache Weise gewährleistet, daß der Abstand zwischen beiden Leitungen immer annähernd gleich bleibt und die Kompensationsleitung gleichzeitig fixiert wird.

Nach einer anderen Fortbildung der erfindungsgemäßen Anordnung ist vorgesehen, Oberleitung und Kompensationsleitung in einer Leitung anzuordnen.

Durch den Einsatz von speziell hierfür gefertigten Kabeln können niederfrequente magnetische Felder komplett kompensiert werden.

Von funktioneller Wichtigkeit ist, daß die Kompensationslei­ tung so angeordnet ist, daß die Stromabnehmer der Schienen­ fahrzeuge nur an der Oberleitung entlang gleiten.

Dies ist beispielsweise dadurch realisierbar, daß die Kompen­ sationsleitung oberhalb der Oberleitung angeordnet ist. So kann wirksam verhindert werden, daß Stromabnehmer auch in nicht vorhersehbaren Situationen mit der Kompensationsleitung in Berührung kommen.

Erfindungsgemäß ist des weiteren vorgesehen, daß die Strecken­ länge der Kompensationsleitung vor und hinter einem zu ent­ störenden Gebiet jeweils wenigstens das Zehnfache des Abstan­ des zwischen Oberleitung und Schienen beträgt.

Diese Länge ist ausreichend, um Beeinträchtigungen des Um­ feldes wirksam zu unterbinden.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spieles näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt dabei in

Fig. 1 die schematische Darstellung des Stromflusses einer Stromversorgungsanlage für ein Schienenfahrzeug nach dem Stand der Technik und

Fig. 2 die schematische Darstellung des Stromflusses mit angeordneter Kompensationsleitung.

Nach Fig. 1 besteht eine Stromversorgungsanlage für Schienen­ fahrzeuge im wesentlichen aus einer in der Zeichnung nicht dargestellten Stromeinspeisungsstelle, die den Betriebsstrom I in die Oberleitung 1 der Anlage einspeist. Die Oberleitung 1 wird über entsprechende Stützmasten in genau festgelegtem Höhenabstand zu den Schienensträngen 2 geführt, wobei auch der seitliche Abstand zu den beiden Schienensträngen 2 genau fest­ gelegt ist. In der Zeichnung ebenfalls nicht dargestellt ist das Schienenfahrzeug, daß mit entsprechenden Stromabnehmern ausgestattet ist, die den Strom von der Oberleitung 1 durch das Fahrzeug leiten und über die Schienenstränge 2 zurückfüh­ ren.

Ist beispielsweise eine Bahn im Anfahren begriffen, so fließt von der Einspeisungsstelle bis zum Stromabnehmer zunächst ein sehr hoher Betriebsstrom I, der um den stromführenden Teil der Oberleitung 1 und um den rückführenden Teil der Schienen 2 ein Magnetfeld entsprechender Feldstärke aufbaut, was sich besonders negativ auf im nahen Umfeld befindliche elektro­ nische Geräte auswirken kann. Aber auch im weiteren Umfeld, bis weit über 50 m Entfernung können noch Störungen an dort befindlichen Geräten auftreten. Auch bei normalem Fahrbetrieb der Bahn oder nach Verlassen des gefährdeten Bereiches durch die Bahn, ist die Störung durch das magnetische Feld vorhanden und zwar so lange, wie Oberleitung 1 und Schienen 2 stromfüh­ rend sind. Die Störung ist erst dann beseitigt, wenn die Bahn beispielsweise eine neue Einspeisungsstelle passiert hat.

In Fig. 2. ist gezeigt, wie durch den Richtungswechsel des Betriebsstromes I innerhalb einer bestimmten Strecke durch Anordnung einer Kompensationsleitung 3 verhindert wird, daß es zum Entstehen störend wirkender magnetischer Felder kommt.

Dazu ist die Oberleitung 1 vor dem Störungsbereich unterbro­ chen und an der Unterbrechungsstelle 4 wird die Oberleitung 1 so mit der Kompensationsleitung 3 verbunden, daß der Betriebs­ strom I in die Kompensationsleitung 3 eingespeist wird. Die Streckenführung der Kompensationsleitung 3 ist so ausgeführt, daß die Kompensationsleitung 3 von der Unterbrechungsstelle 4 aus in den Schienenbereich führt und dort etwa mittig zwischen beiden Schienensträngen 2 in Stromflußrichtung der Oberleitung 1 über eine vorausberechnete Strecke entlanggeführt wird. Die Kompensationsleitung 3 wird nach einer Streckenlänge, die sich aus der zu schützenden Gebietslänge und zwei Übergangsberei­ chen ergibt, die jeweils in etwa die zehnfache Länge des Ab­ standes h zwischen Oberleitung 1 und Schienen 2 aufweisen, wieder in Richtung Oberleitung 1 und über dieser in einem geringen Abstand D zur Oberleitung 1 zurück zur Unter­ brechungsstelle 4 geführt. Dort ist die Kompensationsleitung 3 so mit dem weiterführenden Teil 5 der Oberleitung 1 verbun­ den, daß der Betriebsstrom I wieder in die Oberleitung 1 ein­ gespeist wird.

Zur Abstandshalterung und zur Fixierung der Kompensations­ leitung 3 sind zwischen beiden Leitungen 1, 3 abstandsweise isolierte Distanzstücke angeordnet, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind. Sie müssen so ausgebildet sein, daß sie das Entlanggleiten der Stromabnehmer an der Oberleitung nicht behindern und sicher ausschließen, daß die Stromabnehmer mit der Kompensationsleitung 3 in Berührung kommen.

Durch die vorbeschriebene Anordnung der Kompensationsleitung 3 im Bereich der Bahnstromversorgungsanlage, in dessen un­ mittelbarem Umfeld sich elektrische oder elektronische Geräte befinden, die in ihrer Funktion durch niederfrequente magneti­ sche Felder gestört werden, wird die Erzeugung magnetischer Felder auf ein Minimum reduziert. Dies geschieht dadurch, daß durch Umkehr der Durchflußrichtung des Betriebsstromes I so­ wohl im Schienen- als auch Oberleitungsbereich die um die einzelnen Leitungen entstehenden magnetischen Felder kompen­ siert werden.

Bezugszeichenliste

1

Oberleitung

2

Schienen

3

Kompensationsleitung

4

Unterbrechungsstelle

5

weiterführender Teil
I Betriebsstrom
h Abstand zwischen Oberleitung und Schienen
D Abstand zwischen Oberleitung und Kompensationsleitung

Claims (9)

1. Anordnung zur Kompensation niederfrequenter Magnetfelder an Stromversorgungsanlagen für elektrisch betriebene Schienenfahrzeuge, bei denen die Schienenfahrzeuge den von einer Einspeisungsstelle in eine Oberleitung eingespeisten Betriebsstrom abnehmen und über die Schienen zurückführen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kompensationsleitung (3) entlang wenigstens einer Teil­ strecke des Oberleitungs- und Schienenbereiches so an­ geordnet ist, daß der Betriebsstrom (I) an vorgegebener Stelle in die Kompensationsleitung (3) eingeleitet wird und mit einer der Flußrichtung des Betriebsstromes (I) in der Oberleitung und den Schienen entgegengerichteten Flußrichtung wieder zurückgeführt wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stromführung der Oberleitung (1) an vorgegebener Stelle unterbrochen ist und der Betriebs­ strom (I) in die mit der Unterbrechungsstelle (4) verbun­ dene Kompensationsleitung (3) eingespeist wird, daß die Kompensationsleitung (3) eine solche Streckenfüh­ rung aufweist, daß sie von der Unterbrechungsstelle (4) aus in den Schienenbereich und entgegen der Stromrückführ­ richtung entlang der Schienen (2) verläuft, an vorgegebe­ ner Stelle in den Bereich der Oberleitung (1) und von da zurück zur Unterbrechungsstelle (4) führt und daß die Kompensationsleitung (3) so mit dem weiterführen­ den Teil der Oberleitung (1) verbunden ist, daß der rück­ geführte Betriebsstrom (I) in diesen Teil der Oberleitung (1) eingespeist wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei Rückstrom des Be­ triebsstromes (I) über beide Schienen (2) die Kompensa­ tionsleitung (3) im Schienenbereich etwa mittig zwischen beiden Schienen (2) verläuft.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei Rückstrom des Betriebs­ stromes (I) über eine festgelegte Schiene (2) die Kompen­ sationsleitung (3) im unmittelbaren Bereich dieser Schiene (2) verläuft.

5. Anordnung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kom­ pensationsleitung (3) im Bereich der Oberleitung (1) in geringem Abstand (D) zu dieser zur Unterbrechungsstelle (4) zurückgeführt wird.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Abstandshaltung zwischen Kompen­ sationsleitung (3) und Oberleitung (1) isolierte Distanz­ stücke angeordnet sind.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Oberleitung (1) und Kompensations­ leitung (3) in einer Leitung angeordnet sind.

8. Anordnung nach Anspruch 5 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kompensationsleitung (3) so angeordnet ist, daß die Stromabnehmer der Schienenfahr­ zeuge nur an der Oberleitung (1) entlanggleiten.

9. Anordnung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Streckenlänge der Kompensationsleitung (3) im Schienen­ und Rückführbereich über die zu schützende Gebietslänge hinaus wenigstens noch jeweils die zehnfache Länge des Abstandes (h) zwischen Oberleitung (1) und Schienen (2) beträgt.