DE4134556A1 - Elektrische starkstromleitung mit integriertem linienfoermigen temperatur-sensor und installation mit einer solchen starkstromleitung fuer die selbstueberwachung und den selbstschutz eines elektrisch unabgesicherten starkstromleitungsabschnitts, insbesondere auf schienenfahrzeugen - Google Patents

Description

Elektrische Starkstromleitung mit integriertem linienförmi­ gen Temperatur-Sensor und Installation mit einer solchen Starkstromleitung für die Selbstüberwachung und den Selbst­ schutz eines elektrisch unabgesicherten Starkstromleitungs­ abschnitts, insbesondere auf Schienenfahrzeugen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Starkstromleitung mit integriertem linienförmigen Temperatur-Sensor und eine In­ stallation mit einer solchen Starkstromleitung für die Selbstüberwachung und den Selbstschutz eines Starkstromlei­ tungsabschnitts insbesondere auf Schienenfahrzeugen in solchen Bereichen der Elektroinstallation, wo die Anordnung eines ausreichenden Schutzes gegen zu hohe Erwärmung durch unzulässig hohe Belastungs- oder Kurzschlußströme mittels am Anfang oder Ende und außerhalb des Starkstromleitungsab­ schnitts angeordneter, ausschließlich dort ihren Bela­ stungszustand überwachender thermischer, magnetischer, in­ duktiver oder kapazitiver Schutz- und Abschalteinrichtungen nicht möglich ist.

In elektrotechnischen Starkstromanlagen läßt es sich in bestimmten Anwendungsfällen nicht umgehen, Starkstromlei­ tungen elektrisch unabgesichert zu installieren. Diese Leitungen können bei bestimmten Betriebs- oder Störungsfäl­ len - auch beeinflußt von den sie umgebenden thermischen Bedingungen - bei ausreichender Leistung der speisenden Energiequelle thermisch so belastet werden, daß die von den verwendeten Isolationsmaterialien abhängige zulässige Tem­ peratur innerhalb der Leitung überschritten und sie zer­ stört wird. Damit verbundene Lichtbögen richten oft schwere Folgeschäden in der elektrischen Anlage an. Insbesondere bei Schienenfahrzeugen droht darüber hinaus die Gefährdung von Menschenleben.

Besonders gefährdet sind beispielsweise:

• - Leitungen von Energiequellen zu Sammelschienensystemen,
• - Leitungen zu elektrischen Maschinen mit hohen Anlauf­ strömen,
• - Leitungen von Starkstromanlagenteilen zu Meßeinrich­ tungen,
• - Leitungen von Schienenfahrzeug-Stromabnehmern zu den Hauptschaltern oder Hauptsicherungen der Fahrzeuge,
• - Ausgleichsleitungen zwischen den Stromabnehmern unter­ schiedlicher Wagen eines Triebzuges.

In vielen dieser Fälle werden die betreffenden Leitungs­ abschnitte als Adermantelleitung oder als Aderleitung hoher Flexibilität ausgeführt.

Auf verschiedenen Gebieten der Elektrotechnik sind Lösungen bekannt, die thermische Belastung einer elektrischen Lei­ tung entlang ihrer Längserstreckung zu überwachen:

Aus der DE-OS 20 33 169 stammt der Vorschlag, eine Anzahl einzelner Temperaturfühler in die Hochspannungsisolation elektrischer Leiter einzufügen, die durch ihre thermisch bedingte Form- oder Lageveränderung den von zwei Faseropti­ ken übertragenen Lichtstrom steuern.

Mit der DE-OS 20 59 560 wird ein Verfahren zur Messung der Temperatur eines erdverlegten Leistungskabels beschrieben, bei dem zu diesem Zweck ein zusätzliches Nachrichtenkabel parallel verlegt wird, das durch eine spezielle Gestaltung von Leitern und Isolierung bei Änderung der Umgebungstempe­ ratur eine starke Änderung seines Wellenwiderstandes er­ fährt, die mit üblichen Verfahren gemessen und hinsichtlich ihrer örtlichen Verteilung registriert werden kann.

Zu einem solchen Verfahren schlägt die DE-OS 20 65 510 als parallel verlegtes Signalkabel ein Koaxialkabel vor, dessen Innenleiter z. B. als Rohr mit Längsschlitz aus üblichem Thermobimetall oder plastbeschichtetem Blech ausgeführt ist und seinen Wellenwiderstand meßbar mit einer Temperaturver­ änderung ändert.

Mit der DE-OS 20 61 812 wird für das gleiche Verfahren ein parallel verlegtes Nachrichtenkabel mit mindestens drei Leitern, die miteinander mehrere Übertragungssysteme bilden, vorgesehen, deren temperaturabhängige Laufzeit- Veränderung elektrischer Impulse zur ständigen Temperatur- Zustandsüberwachung des eigentlichen Leistungskabels ge­ nutzt wird.

Die DE-OS 20 63 289 sieht als sich linienförmig erstrecken­ de Überwachungsvorrichtung innerhalb von Geräten und Ge­ bäuden eine Anordnung vor mit zwei mechanisch gegeneinander verspannten Leitern, die durch ein Isoliermaterial beab­ standet werden, das bei Übertemperatur schmilzt und die beiden Leiter kontaktieren läßt.

Eine andere Form einer linienförmigen thermischen Überwa­ chungseinrichtung zeigt die DE-OS 24 57 320, wo entlang einer elektrischen Wicklung ein Schmelzdraht oder eine durch Feder vorgespannte Schmelzschnur angeordnet ist, die bei lokaler Überlastung durchschmelzen und eine Abschaltung veranlassen.

In der DE-OS 25 07 256 wird vorgeschlagen, ein zu überwa­ chendes Kabel in Abschnitte zu trennen und diese Abschnitte durch je eine Einrichtung, die eine Patronensicherung enthält und von einem Isoliergehäuse umschlossen ist, mit­ einander wieder zu einem Kabelstrang zu verbinden.

Ein Energiekabel mit eingelegten Lichtwellenleitern, von denen mindestens einer als Temperatur-Sensor ausgelegt ist, dessen temperaturabhängige Veränderung seiner optischen Dämpfungseigenschaften von einer angeschlossenen Meß- und Schutzeinrichtung ausgewertet wird, ist Gegenstand der DE-OS 35 18 909.

Eine Anordnung zur Abfühlung von Übertemperaturen eines verlegten Stromkabels nach DE-OS 37 10 879 (US 8 47 481) enthält einen oder mehrere linienförmige Temperaturfühler mit je zwei elektrischen Detektordrähten, die durch ein Isoliermaterial voneinander beabstandet sind, das mit der Kabeltemperatur seinen elektrischen Widerstand ändert, sowie eine Einrichtung, die diesen Isolationswiderstand überwacht, seine Änderung anzeigt und bei Übertemperatur Alarm auslöst.

Trotz jahrelanger Untersuchungen und Tests, die von Lei­ tungsbränden und großen Folgeschäden auf Triebfahrzeugen ausgelöst wurden, hat sich keine der bekannten technischen Lösungen zur thermischen Überwachung einer Starkstromlei­ tung hoher Flexibilität als geeignet erwiesen. Als Ursachen dafür wirken einzeln oder summarisch, daß die bisherigen Lösungen für eine Installation auf einem Triebfahrzeug prinzipiell nicht geeignet, nicht ausreichend reaktions­ schnell, nicht genügend funktionssicher, technisch zu auf­ wendig oder kostspielig, hauptsächlich jedoch für eine Starkstromleitung hoher Flexibilität nicht anwendbar sind.

Die Erfindung hat deshalb die Aufgabe, eine solche Lösung zu finden, die die genannten Nachteile überwindet und sich für eine Starkstromleitung hoher Flexibilität und eine Installation mit einer solchen Starkstromleitung zur Selbstüberwachung und zum Selbstschutz elektrisch unabge­ sicherter Starkstromleitungsabschnitte insbesondere auf Schienentriebfahrzeugen eignet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe wie folgt gelöst:

Bei der Fertigung einer für die beispielsweise genannten Installationszwecke vorgesehenen Starkstromaderleitung wird in oder unter die äußere Hülle mit üblichen Verfahren der Leitungsherstellung ein linienförmiger Temperatur-Sensor eingebracht, der aus mindestens einem hochflexiblen, iso­ liert ausgeführten Hilfsleiter besteht, dessen Leitermate­ rial so gewählt wird, daß sich seine elektrische Leitfähig­ keit beim lokalen oder linienhaften Auftreten von für die Starkstromleitung kritischen Temperaturen deutlich und auswertbar ändert.

Die Isolation gegenüber den Starkstromleitern und/oder gegenüber weiteren gleich- oder andersartigen Hilfsleitern kann sowohl temperaturstabil als auch derart ausgeführt sein, daß bei der für die Starkstromleitung kritischen Temperatur eine drastische Veränderung ihrer elektrischen Eigenschaften eintritt.

Die solcherart ausgestattete Starkstromleitung wird an den oben beispielhaft genannten Stellen in die elektrische Installation eines Schienentriebfahrzeuges einbezogen, sein integrierter linienförmiger Temperatur-Sensor wird end­ seitig aus der Schutzhülle der Starkstromleitung herausge­ führt und mit geeigneten Mitteln zur mechanischen Zugentla­ stung und zum elektrischen Anschluß versehen sowie an einem oder an beiden Enden der Starkstromleitung an eine Strom­ versorgungs- und Überwachungseinrichtung angeschlossen, die eine Kontrolle des linienförmigen Temperatur-Sensors auf durch lokale oder linienförmige thermische Überbeanspru­ chung der Starkstromleitung veranlaßte Änderung der elek­ trischen Leitfähigkeit seines Leitermaterials, wahlweise auch der Änderung der elektrischen Eigenschaften seiner Isolationshülle ausübt.

Die Überwachungseinrichtung wird dergestalt mit Signal- und Schaltmitteln des Schienentriebfahrzeuges verbunden, daß die Feststellung unzulässig hoher Temperaturen in der Starkstromleitung angezeigt und/oder eine Trennung von der speisenden Energiequelle zumindestens so lange veranlaßt wird, bis eine festgelegte Schwellentemperatur wieder un­ terschritten oder die Ursache für die thermische Überbean­ spruchung der Starkstromleitung beseitigt ist.

Im folgenden soll die Erfindung am Beispiel eines elek­ trisch angetriebenen Nahverkehrs-Triebzugs, dessen Strom­ abnehmer-Ausgleichsleitung als Starkstromleitung mit inte­ griertem linienförmigen Temperatur-Sensor ausgeführt und an eine Überwachungseinrichtung angeschlossen ist, näher er­ läutert werden.

In Fig. 1 und 2 ist die Verwendung einer nach dieser Erfindung realisierten Starkstromleitung 1 dargestellt, bei der als integrierter linienförmiger Temperatur-Sensor 2 zwischen der Schutzhülle 4 und der Isolierhülle 5 der Starkstromleitung 1 zwei voneinander und vom Starkstromleiter 3 isolierte dünne flexible Hilfsleiter 6, 7 wendelförmig um den isolierten Starkstromleiter 3 angeordnet sind, wobei das temperatur­ abhängig seine elektrische Leitfähigkeit ändernde Material der Hilfsleiter 6, 7, wahlweise auch das ihrer Isolierung 8 aus der Palette bekannter Werkstoffe (z. B. nach DE-OS 40 10 743, DE-OS 37 10 879/US 8 47 481) so ausgewählt wird, daß sich in Abhängigkeit von der zulässigen thermischen Belast­ barkeit der Starkstromleitung 1 deutliche Leitfähigkeits­ änderungen beim Erreichen der zulässigen Maximaltemperatur der Starkstromleitung 1 ergeben.

Während die Schutzhülle 4 an beiden Enden der Starkstrom­ leitung 1 abgestuft abgesetzt ist, sind an einem Leitungs­ ende (Fig. 2) die beiden Hilfsleiter 6, 7 z. B. mittels Quetschverbindung 9 elektrisch miteinander kontaktiert, am anderen Kabelende (Fig. 1) für den Anschluß 10, 11 an die Stromversorgungs- und Überwachungseinrichtung vorbereitet.

Ausreichenden Abstand der Hilfsleiter 6, 7 vom Starkstrom­ leiter 3 und mechanische Zugentlastung gewährt an beiden Enden der Starkstromleitung 1 ein einlagig (Fig. 2) oder zweilagig (Fig. 1) aufgebrachter Schrumpffolienschlauch 12.

Als Stromversorgungs- und Überwachungseinrichtung kommen grundsätzlich bekannte technische Lösungen zur Anwendung, die kontinuierlich oder in festgelegten Zeitabständen den mit der Temperatur der Starkstromleitung 1 sich ändernden elektrischen Widerstand der in Reihe geschalteten Hilfs­ leiter 6, 7, wahlweise auch den Isolationswert der Hilfs­ leiter-Isolation 8 bestimmen.

Beim Erreichen der maximal zulässigen Temperatur der Stark­ stromleitung 1 wird durch die Überwachungseinrichtung nicht nur dem Triebzug-Führer der Störfall signalisiert, sondern auch durch Einschalten der Kurzschließer-Einrichtung des Triebzuges die Abschaltung der einspeisenden Bahnstromver­ sorgung erzwungen und durch zeitlich nachfolgendes Ab­ klappen der Stromabnehmer der Triebzug von der Bahnstrom­ versorgung getrennt.

In anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist in der betreffenden Starkstromleitung ein linienförmiger Tempera­ tur-Sensor integriert, dessen hochflexibler, seinen elek­ trischen Widerstand temperaturabhängig ändernder Hilfslei­ ter von einem Isolationsmaterial umgeben ist, das beim lokalen oder linienhaften Auftreten von für die Starkstrom­ leitung kritischen Temperaturen seine magnetischen oder seine dielektrischen Eigenschaften deutlich und auswertbar ändert; der betreffende Starkstromleitungsabschnitt ist an eine an sich bekannte Überwachungseinrichtung angeschlos­ sen, die diese magnetische oder dielektrische Eigenschafts­ änderung erfaßt und wie beschrieben weiter verarbeitet.

In weiteren Ausführungsformen der Erfindung ist innerhalb des integrierten linienförmigen Temperatur-Sensors als flexibler Hilfsleiter mindestens ein Schmelzdraht aus einer metallischen Legierung oder einem leitfähigen polymeren Material angeordnet, der bei Erreichen der für die betref­ fende Starkstromleitung kritischen Temperatur einen durch den Hilfsleiter fließenden Signalstrom unterbricht; die Unterbrechnung des Stromflusses wird analog zu den oben beschriebenen Beispielen überwacht und verarbeitet. Die nach dem irreversiblen Durchschmelzen des Hilfsleiters erforderliche Auswechselung des betroffenen Starkstromlei­ tungsabschnittes ist - gemessen an den bei unabgesicherten Leitungsabschnitten drohenden Schäden und Gefahren - ein vertretbarer Aufwand.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann der innerhalb des integrierten linienförmigen Temperatur-Sen­ sors angeordnete, temperaturabhängig seine elektrische Leitfähigkeit ändernde Hilfsleiter von einem Isolationsma­ terial umgeben sein, das bei Erreichen der für die betref­ fende Starkstromleitung kritischen Temperatur schmilzt. Entweder verringert sich dabei der elektrische Widerstand der geschmolzenen Isolierhülle drastisch, oder es tritt eine Kontaktgabe zwischen dem Hilfsleiter mit einem Stark­ stromleiter oder einem weiteren Hilfsleiter ein, was in zu obigen Beispielen analoger Weise erfaßt und ausgewertet wird. Auch hier ist der bei einer irreversiblen Beschädi­ gung der Hilfsleiter-Isolierhülle zu betreibende Aufwand für das Auswechseln des betroffenen Kabelabschnitts ver­ tretbar.

Bezugszeichenliste:

 1 Starkstromkabel
 2 Linienförmiger Temperatur-Sensor
 3 Starkstromleiter
 4 Schutzhülle der Starkstromleitung
 5 Isolierhülle der Starkstromleitung
 6 Erster Hilfsleiter aus einem temperaturabhängig seinen elektrischen Widerstand ändernden Material
 7 Zweiter Hilfsleiter aus einem temperaturabhängig seinen elektrischen Widerstand ändernden Material
 8 Isolation des Temperatur-Sensors
 9 Quetschverbindung
10 Anschlußende des ersten Hilfsleiters
11 Anschlußende des zweiten Hilfsleiters
12 Schrumpfschlauch

Claims (14)

1. Elektrische Starkstromleitung mit integriertem linien­ förmigen Temperatur-Sensor für die Selbstüberwachung und den Selbstschutz eines unabgesicherten elektrischen Stark­ stromleitungsabschnitts insbesondere in Schienenfahrzeugen, bestehend aus mindestens einem Starkstromleiter, mindestens einer zugehörigen Schutz- und Isolierhülle und einem sich in und längs der Leitung erstreckenden flexiblen Tempera­ tur-Sensor, gekennzeichnet dadurch, daß als Temperatur- Sensor mindestens ein linienförmiger flexibler isolierter elektrischer Hilfsleiter aus einem Material angeordnet ist, dessen elektrische Leitfähigkeit sich bei lokaler oder linienförmiger thermischer Überbeanspruchung der elektri­ schen Starkstromleitung signifikant ändert.

2. Elektrische Starkstromleitung nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet dadurch, daß der flexible Hilfsleiter als Schmelz­ draht ausgebildet ist, der bei der für die Starkstromlei­ tung kritischen Temperatur schmilzt.

3. Elektrische Starkstromleitung nach Anspruch 2, gekenn­ zeichnet dadurch, daß der Schmelzdraht aus einer metalli­ schen Legierung besteht.

4. Elektrische Starkstromleitung nach Anspruch 2, gekenn­ zeichnet dadurch, daß der Schmelzdraht aus einem leitfähi­ gen polymeren Material besteht.

5. Elektrische Starkstromleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß der integrierte linienförmige Temperatur-Sensor gegenüber mindestens einem Starkstromleiter durch einen temperaturabhängigen Stoff isoliert ist, dessen elektrische Eigenschaften sich bei lokaler oder linienförmiger thermischer Überbeanspruchung der elektrischen Starkstromleitung deutlich und meßbar ändern.

6. Elektrische Starkstromleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß der integrierte linienförmige Temperatur-Sensor aus mindestens zwei linien­ förmigen elektrischen Leitern besteht, die von den Stark­ stromleitern vollständig, voneinander jedoch durch den temperaturabhängigen Stoff isoliert sind.

7. Elektrische Starkstromleitung nach Anspruch 7, gekenn­ zeichnet dadurch, daß der integrierte linienförmige Tempe­ ratur-Sensor aus mindestens zwei konzentrisch zueinander angeordneten elektrischen Leitern besteht.

8. Elektrische Starkstromleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß der Stoff der Isola­ tionshülle des integrierten linienförmigen Temperatur- Sensors bei lokaler oder linienförmiger thermischer Über­ beanspruchung der elektrischen Starkstromleitung seine elektrische Leitfähigkeit signifikant ändert.

9. Elektrische Starkstromleitung nach Anspruch 8, gekenn­ zeichnet dadurch, daß die Isolierhülle des integrierten linienförmigen Temperatur-Sensors aus einem bei lokaler oder linienförmiger Überbeanspruchung der Starkstromleitung schmelzenden Stoff besteht.

10. Elektrische Starkstromleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß der integrierte linienförmige Temperatur-Sensor axial parallel zu den Starkstromleitern angeordnet ist.

11. Elektrische Starkstromleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß der integrierte linienförmige Temperatur-Sensor von mindestens einem der Starkstromleiter umschlossen ist.

12. Elektrische Starkstromleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß der integrierte linienförmige Temperatur-Sensor mit mindestens einem der Starkstromleiter verdrillt ist.

13. Elektrische Starkstromleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß der integrierte linienförmige Temperatur-Sensor konzentrisch um mindestens einen Starkstromleiter angeordnet ist.

14. Installation mit einer elektrischen Starkstromleitung mit integriertem, flexiblem, linienförmigem Temperatursen­ sor zur Selbstüberwachung und zum Selbstschutz eines unab­ gesicherten elektrischen Starkstromleitungsabschnitts vor lokaler oder linienförmiger thermischer Überbeanspruchung insbesondere in Schienenfahrzeugen mit einer an einem oder beiden Enden des zu überwachenden Starkstromleitungsab­ schnitts angeordneten, an sich bekannten Überwachungsein­ richtung, deren Grenzwertmelder auf die den jeweiligen geometrischen und thermischen Verhältnissen der verlegten Starkstromleitung entsprechenden zulässigen Grenzwerte der kontinuierlich oder periodisch zu überwachenden Sensor- Parameter eingestellt sind, mit einer an die Überwachungs­ einrichtung angeschlossenen, an sich bekannten Signalein­ richtung sowie einer ebenfalls bekannten, die thermische Überbeanspruchung des Leitungsabschnittes mindernden oder beseitigenden Schutzeinrichtung, gekennzeichnet dadurch, daß im zu überwachenden Starkstromleitungsabschnitt eine Starkstromleitung mit linienförmigem Temperatur-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13 verlegt ist.