Grundlagen und Anforderungen an die Teilsysteme elektrischer Bahnen bei Nennspannungen über 25 kV AC und 3 kV DC

Die sich weltweit verändernden Wirtschafts- und Gesellschaftsstrukturen führen zu erheblich steigenden Aufkommen im Personen- und Güterverkehr. Von zentraler Bedeutung zur Bewältigung dieser Verkehrsströme sind leistungsfähige elektrische Bahnsysteme. Die bekannten Bahnenergieversorgungssysteme mit bis zu 3 kV Gleichspannung und 25 kV Wechselspannung stoßen schon heute häufig an ihre Grenzen. Gleichstrombahnen mit 3 kV Nennspannung sind durch hohe Traktionsströme und Übertragungsverluste sowie hohe Investitionskosten wegen der zahlreichen Unterwerke gekennzeichnet. Auch Wechselstrombahnen benötigen im Hochgeschwindigkeitsverkehr mit dichter Zugfolge viele Unterwerke und Anschlusspunkte an die Landesenergieversorgung. Dies erschwert in Ländern mit ausgeprägten Ballungsräumen jedoch kaum vorhandenen Energieversorgungsnetzen zwischen den Ballungsgebieten die Errichtung von Bahnsystemen. Demgegenüber sind hohe Nennspannungen in elektrischen Bahnsystemen mit vielen Vorteilen verbunden, wie z. B. größeren Unterwerksabständen oder geringeren Verlusten in den Unterwerken und entlang der Strecke. Somit können Bahnsysteme mit hohen Spannungen einen wichtigen Beitrag zur Steigerung der Leistungsfähigkeit elektrischer Bahnen leisten.

Die vorliegende Arbeit vergleicht und bewertet Konzepte zum Einsatz hoher Spannungen bei Gleich- und Wechselstrombahnen. Dazu erfolgt als erstes eine umfassende Vorstellung und Auswertung der Erfahrungen mit hohen Spannungen in Bahnsystemen. Im nächsten Schritt werden die Grundlagen zur Bereitstellung, Übertragung und Umwandlung der elektrischen Energie in den Teilsystemen Unterwerk, Fahrleitung und Triebfahrzeug aufbereitet. Dies erlaubt die Analyse der Wechselwirkungen zwischen der Spannung von Bahnsystemen und der Auslegung ihrer Teilsysteme. Von zentraler Bedeutung sind dabei Betrachtungen zur Abhängigkeit der Spannungsfälle und Übertragungsverluste von der Systemspannung. Aufbauend auf diesen Grundlagen werden dann einerseits Systeme mit hohen Fahrleitungsspannungen betrachtet, die auch an den Triebfahrzeugen anliegen. Andererseits werden Systeme mit parallel zur Bahnstrecke verlegten Energieleitern höherer Spannung untersucht. Bei diesen wird die hohe Übertragungsspannung z. B. mittels Autotransformatoren auf die üblichen Fahrdrahtspannungen heruntergesetzt und so die Weiternutzung vorhandener Triebfahrzeuge ermöglicht. Wichtige Schwerpunkte sind bei allen Systemen die Transformatoren und Umrichterstrukturen für Unterwerke und Triebfahrzeuge. Unter Berücksichtigung der normativen und bahnspezifischen Randbedingungen wird außerdem auf den Schutz der Teilsysteme elektrischer Bahnen bei hohen Spannungen eingegangen. Dies schließt auch Betrachtungen zur spannungsgerechten Isolationskoordination und zur Rückstromführung ein.

Einen weiteren Schwerpunkt bilden die Simulationsrechnungen zum Vergleich verschiedener Bahnenergieversorgungssysteme im Hochgeschwindigkeitsverkehr (HGV) und Hochleistungsgüterverkehr. Der Güterverkehr mit extremen Zuglängen und Leistungen wird dabei am Beispiel der 50-kV-Erzbahn in Südafrika untersucht. Diese 860 km lange Strecke dient dem Erztransport, wobei Züge mit über 200 Wagen und vier Lokomotiven gebildet werden. Die Simulationsrechnungen berücksichtigen verschiedene Varianten zum Ausbau der Bahnenergieversorgung dieser Strecke, die Voraussetzung für die beabsichtigte Kapazitätssteigerung sind. Die wichtigsten Kriterien zum Vergleich der Systeme sind die Einhaltung der Grenzwerte der Fahrleitungsspannungen und -ströme. Außerdem werden die Systeme hinsichtlich der Übertragungsverluste, Wirkungsgrade und Rückwirkungen auf die Landesenergieversorgung verglichen.

Den Abschluss der Arbeit bilden Betrachtungen zur Auswirkung hoher Spannungen auf die Kosten der Teilsysteme, an die sich die Vorstellung der Vorzugslösungen für Hochleistungsbahnen mit hohen Spannungen anschließen. Bei diesen ist zwischen Neubauprojekten und dem Ausbau vorhandener Systeme zu unterscheiden. Für neue Projekte bieten sich vor allem in Ländern mit wenigen Anschlusspunkten an die Landesenergieversorgung hohe Wechselspannungen an. Beim Ausbau vorhandener Bahnnetze stehen Mehrspannungssysteme mit 25 kV Fahrleitungs- und höherer Übertragungsspannung im Vordergrund. Neben der Weiternutzung vorhandener Triebfahrzeuge ist bei diesen Systemen ein schrittweiser Ausbau der Infrastruktur möglich, wobei Betriebsunterbrechungen weitgehend vermieden werden können.