Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Wechselstrom-
Bahnleistungsversorgungssystem.
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Die Verwendung von Verstärkungstransformatoren (BTs = booster
transformers) bei Bahnleistungsversorgungen wird bei R. J. Hill, Electric Railway
Traction - Teil 3 - Traction Power Supplies, Power Engineering Journal,
Dezember 1994, Seiten 275-286, beschrieben. Für einige wenige 100 kVa
ausgelegte BTs werden in Intervallen von ungefähr 3 km für eine 25 kV, 50 oder 60
Hz-Versorgung, oder ungefähr 51 cm für eine 15 kV, 16,7 Hz-Versorgung
entlang einer Fahrleitung angeordnet. Die Primärwicklung jedes BT ist über einen
Spalt in dem Kontaktdraht verbunden. Eine Rückleitung ist parallel zu den
Schienen vorgesehen, und die Sekundärwicklung des BT ist mit der Rückleitung
verbunden. Das Windungsverhältnis des BT ist eins, und der Fahrstrom wird
gezwungen von den Schienen und der Erde durch die Rückleitung und die
Transformatorsekundärwicklung zu fließen, um die durch den Primärstrom
aufgebaute magnetische Durchflutung in dem Kern auszugleichen. Diese
Anordnung verringert Erdströme, die andernfalls eine Störung mit benachbarten
Telekommunikationsschaltungen verursachen könnten. Die Hauptnachteile dieser
Anordnung beruhen auf der Reihenschaltung der BTs in der Hauptschaltung,
wobei ihre Impedanzen zu der Systemimpedanz hinzugefügt und
Leistungsverluste verursacht werden. Nur der lineare Teil der Magnetisierungskurve des
Kernmaterials kann verwendet werden, da störende Oberwellen andernfalls
erzeugt würden. Dies erhöht die Größe der BTs.
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Als eine Alternative zu BTs können Autotransformatoren (ATs) verwendet
werden, wie es ebenfalls bei Hill beschrieben ist. Die Wicklung jedes AT ist
zwischen der Fahrleitung und einer negativen Zuleitung verbunden, wobei die
Schienen an einem Zwischenpunkt verbunden sind. Der Zug zieht Strom
hauptsächlich von zwei benachbarten ATs, jedoch zu einem kleineren Ausmaß
ebenfalls von fernen ATs. Der Gesamtversorgungsstrom ist der Zugstrom geteilt
durch das Windungsverhältnis der ATs, das am gewöhnlichsten zwei ist, was
eine negative Zuleitung mit entgegengesetzter Phase jedoch der gleichen
Spannung bezüglich Erde als die Fahrleitung impliziert. Der Strom wird von der
Fahrleitung-Zugschaltung in die negative Zuleitung-Fahrleitungsschaltung
transformiert. Wie bei dem BT-System wird der Schienenstrom ebenfalls in ein
Zuleitungssystem in dem AT-System entfernt, jedoch mit weniger Perfektion. Im
Gegensatz zu dem BT-Stromabgleich arbeitet das AT-System durch Abgleichen
von Spannungen. ATs sind kostspielig, und auf Grund ihrer mangelhaften
Beseitigung des Schienenrückstroms und dem damit verbundenen störenden
Erdstrom sollte ihre räumliche Trennung die typischen Abstände zwischen zwei BTs
bei einem herkömmlichen BT-System um nicht viel mehr als einen Faktor zwei
überschreiten. Dies ist ein viel kleinerer Abstand, als es für
Leistungsübertragungsbedürfnisse erforderlich ist.
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Bei der GB-A-2342333 und der GB-9910123.0 werden Kombinationen von ATs
und BTs verwendet, wobei größere Abstände zwischen den ATs möglich
gemacht werden, wobei die Abstände zur Leistungsübertragung ausreichend sind.
Der Rückstrom wird durch die Wirkung von BTs gesteuert, die die Ströme in
der Fahrleitung, der negativen Zuleitung und der Rückleitung gleichzeitig (GB-
A-2342333) oder getrennt in dem Fahrleitung-Rückleitungssystem und einem
positiven und negativen Zuführungssystem (GB 9910123.0) abgleichen. Bei
diesen Anordnungen bildet die erhebliche Verringerung in der Anzahl kostspieliger
ATs eine Hauptverbesserung, wobei jedoch die Nachteile bezüglich der BTs in
der/den Hauptschaltung(en) bleiben.
Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung liefert ein Wechselstrom-
Bahnleistungsversorgungssystem mit einer Versorgungsleitung, einer
Rückleitung, einer positiven Zuleitung und einer negativen Zuleitung, wobei die Rückleitung,
die positive Zuleitung und die negative Zuleitung alle mit einer
Wicklung jeder einer Mehrzahl von in Intervallen entlang der Leiter vorgesehenen
Auto-Transformatoren verbunden sind, wobei mindestens ein
Stromverstärkungstransformator in dem oder jedem Intervall zwischen den Auto-
Transformatoren vorgesehen ist, wobei der Stromverstärkungstransformator eine
erste Wicklung, die die positive Zuleitung mit der Versorgungsleitung
verbindet, und eine zweite Wicklung aufweist, die die Rückleitung mit Schienen
verbindet, entlang dieser Fahrzeug zwangsläufig laufen, und die
Versorgungsleitung an jeder Seite des oder jedes Stromverstärkungstransformators
diskontinuierlich ist. Somit wird die Versorgungsleitung, die im Allgemeinen eine
Fahrleitung ist, aufgeteilt, um mindestens einen Abschnitt und vorzugsweise eine
Mehrzahl von Abschnitten zu bilden, die jeweils von einem BT gespeist werden.
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Bei dieser Anordnung wird dabei nur ein BT zwischen der Fahrlast und dem
Zuleitungssystem eingefügt. Auf Grund der getrennten Fahrleitungsabschnitte
sind alle mit lastfreien Abschnitten verbundenen BTs vollständig abgeschaltet,
wobei die weder zusätzliche Impedanzen bilden noch Verluste oder Oberwellen
erzeugen. Da die Belastung der BTs niedrig oder intermediär ist, kann ihre
Nennleistung und Größe erheblich verringert werden. Sie können ebenfalls als
gewöhnliche Transformatoren mit Bezug auf die Pegel der für ihren Kern
erlaubten magnetischen Induktion ausgelegt werden, der eine magnetische
Flussdichte größer als 1 T und z. B. ungefähr 1,8 T anstatt der 0,7 T aufweist, die
notwendig ist, um in einem keine Oberwellen erzeugenden, linearen Modus zu
bleiben, der für BTs bei herkömmlichen Anordnungen zwingend notwendig ist.
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Vorzugsweise können Fahrleitungsabschnitte mit ihren zugeordneten BTs durch
Trenner, falls fehlerhaft, abgetrennt werden, wobei die
Leistungsübertragungsfähigkeit an andere Systeme durch das positive Zuleitung/negative
Zuleitung/Rückleitungssystem intakt bleibt.
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Dieses Bahnversorgungssystem kann für jede Spannung, jedes
Spannungsverhältnis und jede Frequenz verwendet werden. Die typischsten Nennspannungen
sind +/-25 kV für 50 oder 60 Hz und +/-15 kV oder +15/-25 kV für 16,7
Hz. Das Minuszeichen (-) bezieht sich auf die negative Zuleitungsspannung.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
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Die vorliegende Erfindung wird nun ausführlicher nur beispielhaft mit Bezug auf
die beigefügte Zeichnung beschrieben, wobei deren einzige Figur ein Schaltbild
einer Ausführungsform eines Wechselstrom-Bahnleistungsversorgungssystems
ist.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Die Figur zeigt ein Bahnleistungsversorgungssystem mit einer unterteilten
Fahrleitung C, Schienen R, einer Rückleitung O, einer positiven Zuleitung P
und einer negativen Zuleitung N. Die Wicklung jeder einer Anzahl von ATs 1
weist ein mit der positiven Zuleitung P verbundenes Ende und einen mit der
Rückleitung O verbundenen dazwischenliegenden Punkt auf, wobei ihr anderes
Ende mit der negativen Zuleitung N verbunden ist.
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Die Fahrleitung C ist in eine Mehrzahl von diskontinuierlichen Abschnitten
unterteilt, wobei ein BT 2 in jedem Abschnitt vorgesehen ist. Eine erste Wicklung
des BT 2 verbindet die Fahrleitung mit der positiven Zuleitung P, und eine
zweite Wicklung verbindet die Schienen R mit der Rückleitung O. Die BTs 2
gleichen den positiven Zuleitung-Fahrleitungs- und den Rückleitungs-
Schienenstrom ab.
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Wie es gezeigt ist, gibt es eine Mehrzahl von Fahrleitungsabschnitten in dem
Intervall zwischen den beiden benachbarten ATs 1, wobei jeder
Fahrleitungsabschnitt von seinem fest zugeordneten BT 2 gespeist wird und eine Länge von der
gleichen Größenordnung wie der Abstand zwischen BTs bei den herkömmlichen
BT-Leistungsversorgungssystemen aufweist. Fehlerhafte Fahrleitungsabschnitte
mit ihren zugeordneten BTs 2 können durch Trenner D getrennt werden, wobei
die Leistungsübertragungsfähigkeit an andere Abschnitte durch das positive
Zuleitung/negative Zuleitung/Rückleitungssystem intakt bleibt.
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Um den großen Unterschied zwischen einem erfindungsgemäßem
Schienenzuleitungssystem und dem Stand der Technik für herkömmliche BT-Systeme oder
einem kombinierten BT- und AT-System gemäß der GB-9821696.3 zu
veranschaulichen, beträgt die Anzahl von BTs, die von dem Strom an eine
Schienenlast 30 km entfernt von einer Leistungszuführungsstation für ein 50 oder 60 Hz-
Eisenbahnline (räumliche BT-Trennung von 3 km) neun für den Stand der
Technik verglichen mit nur eins für die vorliegende Erfindung.
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Bei Systemen gemäß dem Stand der Technik wird der Strom an alle Fahrlasten,
der von einer Leistungszuführungsstation zugeführt wird, durch die BTs laufen,
die daher für eine Dauerlast mit einem Strom ausgelegt werden müssen, der
einer Anzahl einzelner Fahrlasten entspricht. Die BTs erzeugen kontinuierlich
Verluste. Als Reihenkomponenten müssen sie lineare
Magnetisierungseigenschaften aufweisen, um die Erzeugung von Oberwellen zu vermeiden. Dies
bedeutet ein Arbeiten bei maximalen magnetischen Flussdichten unter ungefähr 0,7
T verglichen mit ungefähr 1,8 T für einen herkömmlichen Transformator, was
einen erheblichen Anstieg der Transformatorgröße zur Folge hat.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete BTs werden nur mit einer Last
belastet, die selten eine einzelne Fahrlast während des Zeitintervalls
überschreitet, wenn eine Last innerhalb des Abschnitts lokalisiert ist. Für diese kurze Zeit
und einer niedrigen Last sind die Magnetisierungseigenschaften eines
gewöhnlichen Transformators ausreichend. Zusammen mit der stark verringerten
Nennleistung und der Möglichkeit des. Dissipierens der während Lastintervallen
angesammelter Wärme wenn unbelastet, ermöglicht dies eine wesentlich verringerte
Größe der BTs, was beispielsweise die erneute Verwendung alter BTs mit einer
niedrigen Nennleistung oder die Auslegung kleiner BTs in
Koaxialkabeltechnologie gemäß der PCT/EP99/02782 ermöglicht. Die Isolierung zwischen den
Koaxialleitern in der Wicklung derartiger BTs umfasst zwei halbleitende
Polymerschichten mit voller Polymerisolierung zwischen ihnen. Die erfindungsgemäßen
BTs können zum Anbringen an gewöhnlichen Fahrleitungsmasten anstatt
an die verstärkten Maste, die bei herkömmlichen BTs mit einem Gewicht von
einigen Tonnen verwendet werden, leicht genug gemacht werden.