Gleisstromkreise

Um Gleise mit selbsttätigen Frei­mel­de­an­la­gen ver­se­hen zu kön­nen, wur­den zu­nächst Gleis­strom­krei­se ver­wen­det. Hier­zu muß der Ober­bau iso­lier­fä­hig sein, darf also z.B. nicht mit Stahl­schwel­len ver­se­hen sein. Die Schie­nen wer­den in Längs­rich­tung durch iso­lier­te Schie­nen­stö­ße elek­trisch ge­trennt. An das eine Ende ei­ner so ent­stan­de­nen Iso­lier­stre­cke wird eine Gleich- oder nie­der­fre­quen­te Wech­sel­span­nung mit etwa 2 V an­ge­legt, die et­was ver­rin­gert am an­de­ren Ende der Iso­lier­stre­cke wie­der ab­ge­grif­fen wer­den kann, so­lan­ge die Iso­lier­stre­cke nicht durch Fahr­zeug­ach­sen be­setzt und da­mit kurz­ge­schlos­sen ist. Auf Stre­cken mit elek­tri­scher Zug­för­de­rung oder mit elek­tri­scher Zug­hei­zung wird der Rück­strom zum Un­ter­werk bzw. zur Lo­ko­mo­ti­ve über die Fahr­schie­nen ge­lei­tet. Des­halb müs­sen die für den Be­trieb des Gleis­strom­krei­ses er­for­der­li­chen Iso­lier­stö­ße für den Rück­strom lei­tend über­brückt wer­den. Hier­für gibt es zwei Lö­sun­gen, die ein­schie­ni­ge und die zwei­schie­ni­ge Iso­lie­rung.

Einschienige Isolierung

Bei der einschienigen Isolierung dient eine Schie­ne, die so­ge­nann­te Erd­schie­ne der Rück­strom­füh­rung, die an­de­re Schie­ne nur dem Gleis­strom­kreis. Hier­bei wird die Erd­schie­ne in der Re­gel von Ab­schnitt zu Ab­schnitt ge­wech­selt und ein Dia­go­nal­ver­bin­der zur Über­brückung der Lücke ein­ge­legt, so daß wie bei der zwei­schie­ni­gen Iso­lie­rung je­des­mal zwei Iso­lier­stö­ße er­for­der­lich sind. Da­durch führt ein Scha­den an ei­nem der bei­den Iso­lier­stö­ße nicht zur Stö­rung bei­der son­dern nur ei­nes Ab­schnit­tes, au­ßer­dem kann die Spei­se­span­nung so nicht zum An­zug des zum be­nach­bar­ten Ab­schnitt ge­hö­ren­den Gleis­re­lais am sel­ben Stoß füh­ren. Letz­te­res wird au­ßer­dem noch durch ge­eig­ne­te Pha­sen­wahl für die Spei­se­span­nun­gen be­nach­bar­ter Ab­schnit­te ver­hin­dert. Die Erd­schie­ne kann hier­bei nach wie vor zum An­schluß der Schutz­er­den lei­ten­der Aus­rü­stungs­tei­le be­nutzt wer­den, die sich im Riß­be­reich der Ober­lei­tung be­fin­den oder in de­nen Be­triebs­span­nun­gen ober­halb der Schutz­klein­span­nun­gen ver­wen­det wer­den. Nach­teil der ein­schie­ni­gen Iso­lie­rung ist, daß nur eine der Schie­nen und da­mit nur der hal­be vor­han­de­ne Quer­schnitt für die Rück­lei­tung zur Ver­fü­gung steht. Die ein­schie­ni­ge Iso­lie­rung ist je­doch we­ni­ger auf­wen­dig, da kei­ne Dros­sel­stoß­trans­for­ma­to­ren be­nö­tigt wer­den. Wei­chen und Kreu­zun­gen wer­den ge­ne­rell ein­schie­nig iso­liert.

Zweischienige Isolierung

Bei der zweischienigen Isolierung werden bei­de Schie­nen zur Rück­strom­füh­rung be­nutzt, um den ge­sam­ten zur Ver­fü­gung ste­hen­den Quer­schnitt aus­nut­zen zu kön­nen. Um die Iso­lier­stö­ße für den Rück­strom lei­tend zu über­brücken, wird an je­dem Ab­schnitts­en­de ein Trans­for­ma­tor – Dros­sel­stoß­trans­for­ma­tor oder, ob­wohl nicht kor­rekt, kurz Dros­sel ge­nannt – an­ge­ord­net, der eine Ober­span­nungs­wick­lung und eine sym­me­trisch ge­teil­te Un­ter­span­nungs­wick­lung hat. Die Un­ter­span­nungs­wick­lung hat nur we­nige Win­dun­gen, aber ei­nen sehr gro­ßen Quer­schnitt. Die an die Ober­span­nungs­wick­lung an­ge­leg­te Spei­se­span­nung wird her­un­ter­trans­for­miert und ge­langt über bei­de Schie­nen zum an­de­ren Trans­for­ma­tor, wo sie wie­der hoch­trans­for­miert und dem Gleis­re­lais zu­ge­führt wird. Der Rück­strom durch­fließt die bei­den Hälf­ten der Un­ter­span­nungs­wick­lung und wird über den Mit­ten­ver­bin­der zur Un­ter­span­nungs­wick­lung des Trans­for­ma­tors des näch­sten Ab­schnit­tes ge­lei­tet, wo er sich wie­der sym­me­trisch auf die bei­den Fahr­schie­nen ver­teilt. Weil die bei­den Hälf­ten der Un­ter­span­nungs­wick­lung vom Rück­strom ge­gen­sin­nig durch­flos­sen wer­den, wird durch die­sen kei­ne Span­nung in der Ober­span­nungs­wick­lung in­du­ziert. Die durch die Rück­strö­me er­zeug­ten mag­ne­ti­schen Fel­der sind ein­an­der ent­ge­gen­ge­setzt und he­ben sich da­her auf. Beim Über­gang von zwei- auf ein­schie­ni­ge Iso­lie­rung wird der Mit­ten­ver­bin­der des Dros­sel­stoß­trans­for­ma­tors des zwei­schie­ni­gen Ab­schnit­tes an die Erd­schie­ne des ein­schie­nig iso­lier­ten Ab­schnit­tes an­ge­schlos­sen.

Als Gleisrelais wird bei der in der Regel be­nutz­ten Wech­sel­strom­spei­sung ein Zwei­pha­sen-Mo­tor­re­lais ver­wen­det. Bei ein­fa­chen Ver­hält­nis­sen wird für kur­ze, ein­schie­nig iso­lier­te Gleis­ab­schnit­te Gleich- oder Wech­sel­span­nung und ein neu­tra­les Gleis­re­lais, ggf. mit Gleich­rich­ter ver­wen­det. Ein Mo­tor­re­lais be­nö­tigt au­ßer der Gleis­span­nung noch eine Hilfs­span­nung mit der glei­chen Fre­quenz wie die Gleis­span­nung. Die Hilfs­span­nung hat im Ideal­fall 90° Pha­sen­ver­schie­bung zur Gleis­pha­se, weil hier­bei bau­art­be­dingt das grö­ßte Dreh­mo­ment ent­steht. Der An­ker des Mo­tors dreht sich um etwa eine Vier­tel­dre­hung, wo­bei er die Kon­tak­te des Re­lais be­wegt und läuft dann ge­gen ei­nen An­schlag. Stör­span­nun­gen mit ab­wei­chen­der Fre­quenz, z.B. durch die elek­tri­sche Zug­för­de­rung her­vor­ge­ru­fen, er­zeu­gen im Mo­tor kein Dreh­mo­ment, weil sie im we­sent­li­chen nur über die Gleis­span­nung auf die An­la­ge ein­wir­ken. Kri­tisch sind aber die ganz­zah­li­gen Viel­fa­chen von un­ter­halb der Be­triebs­fre­quenz des Gleis­strom­krei­ses lie­gen­den Stör­fre­quen­zen, die mit der Be­triebs­fre­quenz zu­sam­men­fal­len. Das drit­te Viel­fa­che von 16 2/3 Hz ist ge­nau 50 Hz, ent­spricht also der bei Dampf- und Gleich­strom­zug­för­de­rung zu­meist ver­wen­de­ten Be­triebs­fre­quenz des Gleis­strom­krei­ses. Bei pas­sen­der Pha­sen­la­ge kann eine Be­ein­flus­sung durch die Ober­wel­le un­ter Um­stän­den das Gleis­re­lais zur Un­zeit an­zie­hen las­sen.

Im Bild habe die schwarze Kurve die Be­triebs­fre­quenz des Gleis­strom­krei­ses, also 50 Hz. Die blaue Kur­ve ent­spricht 66 2/3 Hz, die rote 73 1/3 Hz, also dem Vier- bzw. Fünf­fa­chen von 16 2/3 Hz. Man kann an den über­ein­an­der­ge­leg­ten Kur­ven er­ken­nen, daß bei der schwar­zen und der ro­ten Kur­ve re­gel­mä­ßig po­si­ti­ve und ne­ga­ti­ve Schei­tel zu­sam­men­tref­fen, wo­durch je nach tat­säch­li­cher Höhe der Stör­span­nung durch­aus ein aus­rei­chend star­kes Dreh­mo­ment im Mo­tor­re­lais er­zeugt wer­den kann. Mit stei­gen­den Stör­fre­quen­zen nimmt das Ver­hält­nis der Tref­fer zu den Schei­teln ins­ge­samt ab, so daß sie sich im­mer we­ni­ger aus­wir­ken. Bei der schwar­zen und der blau­en Kur­ve ha­ben die zu­sam­men­tref­fen­den Schei­tel je­des zwei­te Mal ent­ge­gen­ge­setz­te Po­la­ri­tät, so daß hier­bei durch die Stör­span­nung kein Dreh­mo­ment er­zeugt wird.

Bei Zugförderung mit 16 2/3 Hz dür­fen Gleis­strom­krei­se folg­lich nicht mit 50 Hz be­trie­ben wer­den. Man ver­wen­det dann meist 100 Hz als Be­triebs­fre­quenz für die Gleis­strom­krei­se, weil 100 Hz ein ge­ra­des Viel­fa­ches von 16 2/3 Hz ist und die Ober­wel­le von 16 2/3 wie oben be­schrie­ben wir­kungs­los ist. Im Be­reich der Ber­li­ner S-Bahn, auch auf den par­al­le­len Fern­glei­sen, konn­ten je­doch kei­ne Gleis­strom­krei­se mit 100 Hz ver­wen­det wer­den, weil bei der Gleich­rich­tung des Fahr­stro­mes un­ter an­de­rem Ober­wel­len mit 100 Hz ent­ste­hen. In den Be­rei­chen, in de­nen mit ei­ner Be­ein­flus­sung mit 16 2/3 Hz zu rech­nen ist und wo pa­ral­le­le Gleich­strom­bah­nen vor­han­den sind, wer­den da­her 42 Hz als Be­triebs­fre­quenz für Gleis­strom­krei­se ver­wen­det.

Um den oben genannten Problemen aus dem Weg zu ge­hen, wur­den spä­ter Achs­zäh­ler und iso­lier­stoß­lo­se Gleis­strom­krei­se ent­wickelt. Er­ste­re sind nicht auf ei­nen iso­lier­fä­hi­gen Ober­bau an­ge­wie­sen, letz­te­re wer­den mit Fre­quen­zen von ei­ni­gen Ki­lo­hertz be­trie­ben, so daß sich die aus der Be­triebs­fre­quenz der elek­tri­schen Zug­för­de­rung er­ge­ben­den Stö­run­gen nicht aus­wir­ken.