EG-PRÜFVERFAHREN NACHTS I ENERGIE UND WEITERESICHE RHEITSNACHWEISE AUF DERNEUBA USTRECKE (NBS) MATTSTETTEN -ROTHRIST DERSB B
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AC-Bahnenergieversorgung
EG-Prüfverfahren nach TSI Energie
und weitere Sicherheitsnachweise
auf der Neubaustrecke (NBS)
Mattstetten – Rothrist der SBB
Manfred Lörtscher, Bern; Patrick Hayoz, Bern; Jürg Lauber, Luzern; Matthias
Schwendimann †, Bern; Heinz Voegeli, Uetendorf; Otto Wüest, Bern
Auf der neuen Strecke wurde im Rahmen der nationalen Betriebsbewilligung erstmals ein Teil-
system Energie nach der Richtlinie 96/48/EG und der zugehörigen Technischen Spezifikation In-
teroperabilität (TSI) in Betrieb genommen. Die Messergebnisse und ihre Bewertungen werden
dargestellt, ferner wird über die verfahrensseitigen Erfahrungen mit der EG-Prüfung berichtet.
Assessment of the suitability following the TSI relating to the energy subsystem and other
safety reports on the new high-speed line (NBS) Mattstetten – Rothrist of Swiss Federal Railways
(SBB)
Within the national procedure for securing the definitive licence to operate the new line, the
energy subsystem was assessed following the Directive 96/48/EC and the referred Technical Spe-
cification Interoperability (TSI) for the first time. The results of the measurements and assessments
are reported. Further the article deals with the first experiences got with the assessment pro-
cedure of suitability for use.
Evaluation de l’aptitude à l’emploi suite à la spécification technique d’interopérabilité (STI)
relative au sous-système énergie selon la Directive 96/48/CE et autres rapports de sécurité sur
le nouveau tronçon à haute vitesse (NBS) Mattstetten – Rothrist des chemins de fer fédéraux
suisses (CFF)
Dans le cadre de l’autorisation nationale à exploiter la nouvelle ligne, la directive 96/48/CE et
sa spécification technique (STI) pour le sous-système énergie a été appliquée pour la première
fois. Les résultats des mesurages et des évaluations de la conformité de l’interopérabilité sont
représentés. En suite aussi les expériences avec les nouvelles procédures concernant l’évaluation
selon la directive de la CE sont commentées.
1 Einführung haben. Da die Projektrisiken für die NBS mehr im logis-
tischen Bereich lagen – nicht gleichzeitig fertig werdende
Seit dem 12. Dezember 2004 steht die 45 km lange Neu- Teilstrecken, Transport von Schienen, Schwellen und
baustrecke (NBS) Mattstetten – Rothrist als infrastruktur- Schotter zu den Teillosen usw. – hielten sich die von den
seitiges Herzstück des Angebotskonzeptes von Bahn SBB erhofften Innovationen im Bereich der Bahntechnik
2000, 1. Etappe, in Betrieb. Gleichzeitig wurde auch die in Grenzen: Bei den Oberleitungen musste das BAV ins-
9 km lange Ausbaustrecke (ABS) von Solothurn zur NBS gesamt fünf neue Bauarten prüfen und mit einer Typen-
nach Wanzwil sowie eine neue 2 km lange Verbindungs- zulassung bewilligen.
linie (VL) von Rothrist nach Zofingen in Betrieb genom- Sowohl für die Bauherrschaft SBB wie auch für die Auf-
men (Bild 1). Die elektrische Ausrüstung dieser neuen sichtsbehörde BAV führte die neue Ausschreibungsform
Strecke ist in [1] umfassend beschrieben. Die Bahntechnik zu vorerst noch ungewohnten Verhältnissen in den ver-
wurde nach einer funktionalen Ausschreibung durch ei- schiedenen Verfahren wie Typenzulassungen und Plan-
nen Totalunternehmer geplant und erstellt. Gemäß die- genehmigungsverfahren sowie schließlich in allen Inbe-
ser Ausschreibung hatten die Anbieter bereits beim An- triebnahme- und Abnahmephasen bis hin zur Erteilung
gebot für alle Gewerke und Teilsysteme, Typenzulassun- der Betriebsbewilligung. Insbesondere unter dem star-
gen der Aufsichtsbehörde Bundesamt für Verkehr (BAV) ken Zeitdruck, der auf dem Projekt lastete, war diese Or-
beizulegen, wenn sich deren Bauarten nicht bereits bei ganisationsform nicht unbedingt einfach und zeitspa-
anderen europäischen Vollbahnen im Einsatz bewährt rend in den Abläufen. Als Vorteil für die Nachweise und
532 102 (2004) Heft 12 ebAC-Bahnenergieversorgung
Bild 1: Situationsplan der Neubaustrecke
Mattstetten – Rothrist (NBS, 45 km), Aus-
baustrecke Wanzwil – Solothurn (ABS, 9 km)
und Verbindungslinie Rothrist – Zofingen
(VL, 2 km) zwischen Bern und Olten.
Abnahmetätigkeiten erwies sich, dass die Strecke ab- Plangenehmigungsverfahren mit Schwergewicht Prü-
schnittsweise in den elektrischen Probebetrieb gehen fung der von den SBB einzureichenden Sicherheits-
konnte: Die ersten 16 km ab Mattstetten bereits im Mai nachweisen nach Artikel 8a EBV [6] erfüllt sind
2003 [2], danach bis zu 20 km im September 2003 und • Kontrolle, ob sämtliche Bestimmungen und Vorschrif-
zum Schluss ab Ende Mai 2004 die ganze NBS und die ABS. ten aus [6] und [7] eingehalten sind
Im vorliegenden Aufsatz werden sowohl technische Er- • Typenzulassung der Oberleitung nach Art. 7 der EBV
gebnisse dargestellt als auch über die verschiedenen, teil- [6] mit Kontrolle, dass alle Auflagen erfüllt sind
weise ineinander laufenden Verfahren berichtet. Im ver-
fahrensrechtlichen Teil erhält die erstmalige Anwendung Neben dem eigentlichen Hauptplangenehmigungs-
der TSI Energie [3] nach der Richtlinie 96/48/EG neben verfahren, in Deutschland Planfeststellung genannt, wel-
der nationalen Gesetzgebung besondere Bedeutung. Die ches die generelle Streckenführung und die Randbedin-
Schweiz verhandelt bilateral mit der EG in einem so ge- gungen für den Rohbau regelt, wurden verschiedene zu-
nannten comité mixte. In diesem Gremium wird festge- sätzliche Verfahren für Detailprojekte notwendig. Für
legt, welche EG-Richtlinien von der Schweiz in vollem nahezu alle Gewerke der Bahntechnik hat die Aufsichts-
Umfang oder mit spezifischen Änderungen übernommen behörde von den SBB das Einreichen von Detailunterla-
werden. Die Schweiz hat dabei vorgeschlagen, die beiden gen zur Plangenehmigung verlangt. Nach [6] entscheidet
Eisenbahnpakete neben anderen Paketen ohne Ein- die Aufsichtsbehörde beim Erteilen der Plangenehmi-
schränkungen zu übernehmen. Zur Zeit sind die Verhand- gung, welche als alleinige Baubewilligung für Bauten
lungen wegen Uneinigkeit bei der Trassenvergabestelle und Anlagen gilt, ob die Inbetriebnahme des Werkes zu-
etwas verzögert. Bereits seit längerem sind die Bahn- sätzlich einer Betriebsbewilligung bedarf. Wegen der
2000-Neubaustrecken (nach EG werden diese wegen der großen Komplexität und Ausdehnung der NBS sowie der
maximalen Höchstgeschwindigkeit von 200 km/h Aus- erhöhten Betriebsgeschwindigkeiten wurde verfügt,
baustrecken genannt) sowie die beiden neuen Alpent- dass die NBS nur mit einer umfassenden Betriebsbewil-
ransittunnel Lötschberg (Inbetriebnahme 2007/2008) und ligung in Betrieb gehen darf. Wenn diese angeordnet
Gotthard (Inbetriebnahme nach 2015) Bestandteil des wird, muss die Bahnunternehmung Sicherheitsnachweise
europäischen Hochgeschwindigkeitsnetzes. Es scheint einreichen, welche zeigen, dass die im Rahmen der Plan-
deshalb verfehlt, auf den Abschluss der bilateralen Ver- genehmigung im Sicherheitsbericht dargestellten sicher-
handlungen zu warten und beim heutigen Bau von neu- heitsrelevanten Maßnahmen folgerichtig und vollstän-
en Strecken auf die Anwendung der Interoperabilitäts- dig umgesetzt wurden.
richtlinien zu verzichten. Auf der Neubaustrecke Matt- Die Forderung zum Verwirklichen der Interoperabili-
stetten – Rothrist werden deshalb die TSI Zugsteuerung, tät im transeuropäischen Hochgeschwindigkeitsbahnsys-
Zugsicherung, Signalgebung mit ETCS Level 2, Infra- tems ist heute in der Schweiz im Eisenbahngesetz [5] in
struktur und Energie [4] erstmals in der Schweiz ange- Artikel 17 enthalten. In der revidierten Eisenbahnverord-
wandt. nung [6] stehen ebenfalls neu die Artikel 8b zur Betriebs-
bewilligung Interoperabilität von strukturellen Teilsyste-
men nach den Richtlinien 96/48/EG oder 2001/16/EG und
2 Verfahren der Nachweisführung Artikel 8c über die Interoperabilitätskomponenten. Nach
diesen neuen Artikeln prüft die Aufsichtsbehörde einer-
Mit der Ende November 2004 erteilten Betriebsbewilli- seits das Einhalten der grundlegenden Anforderungen
gung nach Art. 8 der Eisenbahnverordnung (EBV) [6] nach Artikel 2e der EG-Richtlinien und andererseits, ob
durch die Aufsichtsbehörde kamen verschiedene eisen- die übrigen bundesrechtlichen Vorschriften eingehalten
bahnrechtliche Verfahren zum Abschluss, nämlich: werden. Prüfungen, die eine benannte Stelle während
• Plangenehmigungsverfahren nach Artikel 18 Eisen- des Verfahrens zur Ausstellung einer EG-Prüferklärung
bahngesetz [5] und Artikel 6 der EBV [6] oder einer EG-Konformitätserklärung vorgenommen
• Kontrolle, dass die rund 1 200 Auflagen, davon betra- hat, werden von der Aufsichtsbehörde anerkannt. Einem
fen rund 300 die Bahntechnik, aus den verschiedenen allfälligen Vorwurf der Eisenbahninfrastrukturunterneh-
eb 102 (2004) Heft 12 533AC-Bahnenergieversorgung mung, dass zusätzliche neue Verordnungsartikel erst Umfang geprüft, was in diesen Verfahren ohne Probleme während eines bereits angelaufenen Verfahrens erlassen möglich war. Allerdings zeigte sich dabei, dass die TSI wurden, konnte rechtzeitig begegnet werden: Bereits bereits Verfahrensschritte im Entwurfsstadium vorsieht; Anfang 2003 wurden die in der EG-Nomenklatur benann- also in einem frühen Zeitraum des Projektes, wo die Auf- ten Sicherheitsnachweise für die Betriebsbewilligung sichtsbehörde normalerweise noch nicht tätig wird. Um nach EBV [6] eingefordert. für alle Betroffenen die Planungssicherheit zu erhöhen, Mit dem Plangenehmigungsverfahren stellt eine müsste hier folgerichtig noch ein weiteres eisenbahn- Eisenbahninfrastrukturbetreiberin den Antrag auf Ge- rechtliches Verfahren mindestens auf der Stufe Vorpro- nehmigung der vorgelegten Pläne und Unterlagen. Die jekt entwickelt werden. Behörde prüft projektbezogen, ob die eisenbahnrechtli- Das eigentliche Detailplangenehmigungsverfahren chen Verordnungen eingehalten werden, die technische zur Oberleitung auf der NBS wurde im Frühjahr 2002 Sicherheit gewährleistet ist sowie die Rechte Dritter ge- durchgeführt und im Juli 2002 mit einer Verfügung ab- wahrt werden und die Umweltgesetzgebung, unter an- geschlossen. Die Oberleitung ist in ([1], Tabelle 3) be- derem zu Lärmschutz und nichtionisierender Strahlung, schrieben, dort sind ihre Hauptdaten zusammengefasst. beachtet wird. Zusätzliche Angaben sind in der nachstehenden Tabelle Im Gegensatz zum Plangenehmigungsverfahren kann 1 enthalten. von der Industrie ein Antrag auf eine Typenzulassung Die verschiedenen Nachweisverfahren sind in der Ta- einer Komponente, eines Bauteils oder eines Systems ge- belle 2 dargestellt. Das Vorliegen der von der Aufsichts- stellt werden. Bei neuen Teilen, zum Beispiel einer neuen behörde geprüften und genehmigten Nachweise sowie Oberleitungsbauart, erfordert die Typenzulassung eine die erfolgreiche Abarbeitung aller Auflagen bilden die vertiefte sicherheitstechnische Prüfung. Diese Prüfung unabdingbare Voraussetzung zum Erteilen der Betriebs- und deren Ergebnis ist eher grundsätzlicher Art und hat bewilligung. nur in seltenen Fällen bereits etwas mit einer konkreten Anwendung in einem Projekt zu tun. Beide Verfahren werden vom BAV als Aufsichtsbehör- 3 Konformitätsbewertung und de im Departement (Ministerium) für Umwelt, Verkehr, EG-Prüfverfahren für das Teilsystem Energie und Kommunikation (UVEK) durchgeführt. Bei Energie NBS der Neubaustrecke wurde im Sommer/Herbst 2000 eine Typenzulassungsprüfung für die in der Schweiz noch nie 3.1 Umfang eingesetzte Oberleitungsbauart ELINCAT E230 durchge- führt und mit einer Verfügung im Dezember 2000 abge- Die Inbetriebnahme eines strukturellen Teilsystems nach schlossen. Die Verfügung enthielt neben einigen weni- den Artikeln 2c der Richtlinien 96/48/EG oder 2001/16/EG gen Punkten, die bei der späteren Projektierung zu be- setzt eine Betriebsbewilligung durch das BAV für Bauten, achten waren, die wichtigen Auflagen, dass im Rahmen Anlagen (und Fahrzeuge) voraus. Das Teilsystem Energie der Inbetriebnahme sowohl die Kontaktkraft zwischen umfasst die Unterwerke (Uw), Schaltstellen und Oberlei- Fahrdraht und Stromabnehmer wie auch der Anhub auf tung, wie sie in Tabelle 3 aufgelistet sind. Die beiden be- der freien Strecke und im Tunnel gemessen werden und stehenden Uw Bern-Wylerfeld und Olten werden nur in die Ergebnisse ausreichend mit den Simulationsergebnis- folgenden Punkten bewertet: Mittlere nutzbare Span- sen übereinstimmen müssen. Bis vor wenigen Jahren ha- nung in den Speiseabschnitten (TSI Abschnitt 4.3.1.1), Ab- ben die europäischen Staatsbahnen jeweils in eigener schalten der Energieversorgung bei Gefahr (4.3.1.10) und Verantwortung neue Oberleitungsbauarten entwickelt, Fortsetzung der Energieversorgung bei Störungen geprüft und in Betrieb genommen. Dementsprechend (4.3.1.11). stehen auch in der Verordnung über elektrische Anlagen Neben den eigentlichen Oberleitungen in Tabelle 3 von Bahnen (VEAB) [7] lediglich grundlegende Anforde- gehören alle Arten von Speise-, Versorgungs- und Rück- rungen an Oberleitungsanlagen, die nur ansatzweise leitungen zur Oberleitungsanlage (siehe auch Art. 3 ausreichen, um eine neue Oberleitungsbauart vertieft VEAB [7]). Auf der Neubaustrecke kommen folgende Lei- auf ihre sicherheitsrelevanten Teile, Kriterien und Ein- tungen vor: satzbedingungen zu prüfen. Wenn die Verordnungen • Speiseleitungen im Eisenbahnrecht der Schweiz nichts enthalten, werden – 15-kV-Speiseleitung Uw Bern-Wylerfeld – Haupt- als anerkannte Regeln der Technik insbesondere die schaltposten Löchligut (Querschnitt im Frühjahr 2004 CENELEC-Normen verwendet. Für die Beurteilung der verstärkt) Oberleitung sowohl beim Typenzulassungsverfahren wie – 15-kV-Speiseleitung Uw Olten – Einspeisung Bornli- auch bei der Plangenehmigung wurden die folgenden nie (Olten) Normen wie EN 50119, EN 50122-1, EN 50149, EN 50317, – 15-kV-Speiseleitung Uw Olten – Aarburg – Einspei- EN 50318 sowie die Entwürfe prEN 50367 und prEN 50388 sung Strecke Rothrist mit ihrem jeweiligen Entwurfsdatum angewandt. So- – 15-kV-Einspeisekabel ab Uw Wanzwil wohl bei der Plangenehmigung wie auch bei der Typen- • Umgehungsleitungen zulassung wurden die Interoperabilitätskriterien, im – Einspeisung Grauholztunnel ab Hauptschaltposten Herbst 2000 noch gemäß den Entwürfen der TSI, in vollem Löchligut 534 102 (2004) Heft 12 eb
AC-Bahnenergieversorgung
Tabelle 1: Hauptdaten der Oberleitung.
Parameter/Kriterium/Kennwert Wert Bemerkungen
Betriebsgeschwindigkeit 200 km/h Abnahme mit 230 km/h
Fahrdrahthöhe 5,40 m
Fahrdraht 120 mm2 CuAg 0,1 (RiS 120) 15,3 kN Abspannkraft
Tragseil 70 mm2 CuAg 0,1 10,8 kN Abspannkraft
Y-Seil freie Strecke 35 mm Bz-Seil, Länge 16 m
2
2,8 kN Abspannkraft
Y-Seil Tunnel 35 mm Bz-Seil, Länge 12 m
2
2,5 kN Abspannkraft
Hänger 10 mm Bz II (CuMg 0,5)
2
> 500 mm lang
Spannweite ] 60 m freie Strecke
] 51 m in Tunnel
Wellenausbreitungsgeschwindigkeit 431 km/h TSI: Betriebsgeschwindigkeit
< 0,7 · 431 km/h = 301 km/h
Elastizität und Gleichförmigkeit freie Strecke: 14,3% TSI: für 200 km/h
der Elastizität Tunnel: 16,7% < 20%
Verstärkungsleiter pro Gleis/ 260/23 mm2 Alu-Stalum-Seil Einspeisung am Ende der Nachspannungen und beim
auf der ganzen Strecke Festpunkt
Stromtragfähigkeit 900 A dauernd und halbstündlich bei 40°C Umgebungstemperatur
1 800 A während 150 s
Kurzschlussstromfestigkeit 39 kA, 60 ms
Erdseil 260/23 mm2 Alu-Stalum-Seil etwa alle 300 m über die Maste und Cu-Verbindun-
gen mit den Schienen verbunden.
Stromabnehmerkontaktkraft 0 ] F ] 250 N F m nach prEN 50367
Tabelle 2: Prüftätigkeiten und Nachweise in den verschiedenen Verfahrensschritten auf dem Weg zur Betriebsbewilligung.
Entwurf, Planung Abnahme, Nachweise, Inbetriebnahme
Merkmal Typenzulassung Plangenehmigung Messungen Messfahrten Besondere Berechnungen
Komponente statisch mit Messzug Messanordnungen
Oberleitung X X Lage Lage Stromverteilung Mittlere
statische. Kontaktkräfte Erwärmung nutzbare
Kontaktkraft Impedanz Spannung
Stromabnehmer (X) X X Frequenzgang
EN 50317
Teilsystem Pro Gewerk Sicherheit, Erdung, Schutz Netz,
Energie nicht gesamthaft Berührungsspan- Bahnstromleitungen
nungen und Oberleitungen
Tabelle 3: Unterwerke, Schaltstellen und Oberleitungsbauarten im Teilsystem Energie NBS (Bild 1).
Unterwerke (Uw) Schaltstellen Oberleitungsbauarten1) Bemerkungen
Bern-Wylerfeld HSP Löchligut (km 5) SBB R 250 HSP: Hauptschaltposten mit
~ km 3 HSP Mattstetten (km 12) mit Feeder (Verstärkungsleiter) Leistungs- und Lastschaltern [9]
Transformatoren 2×21,8 MVA und Rückleiterseil
PSP Aespli (km 12) ELINCAT E230 mit Verstärkungs- PSP: Parallelschaltposten mit
PSP Emmequerung (km 21) leiter und Rückleiterseil Lastschaltern
PSP Recherswil (km 28)
Wanzwil [8, 9] Schaltposten Wanzwil, dem ELINCAT E230 mit Verstärkungs-
~ km 36 Uw vorgelagert, bei den leiter und Rückleiterseil
Transformator 1×21,8 MVA Streckeneinspeisungen
HSP Brunnmatte (km 44) mit ELINCAT E230 mit Verstärkungs- Fak. Schutzstrecke [9]
fakultativer Schutzstrecke leiter und Rückleiterseil = Phasentrennstrecke
HSP Rothrist (km 56) nach TSI Energie
Olten SBB R-FL 140
~ km 52 mit Feeder (Verstärkungsleiter)
Transformatoren 2×21,8 MVA und Rückleiterseil
Deitingen (Notspeisung über
Solothurn – ABS)
1)
Durchgehende Messfahrten über alle Oberleitungsbauarten mit den entsprechend zugelassenen Höchstgeschwindigkeiten plus 10%
eb 102 (2004) Heft 12 535AC-Bahnenergieversorgung
– beidseitig des Hauptschaltpostens Aespli (Mattstet- Die Abnahmefahrten mit einer Europawippe sind für
ten) teilweise verkabelt das Jahr 2005 vorgesehen (Anhang H TSI, Bild H. 1). Die
– beidseitig des Hauptschaltpostens Brunnmatte SBB Infrastruktur hat im Rahmen der Netzzugangsbedin-
(Roggwil) [9] gungen die zugelassenen Stromabnehmer und deren
– beidseitig des Hauptschaltpostens Rothrist Schleifstücke zu bestimmen.
• Rückleitungen
– alle vier Schienen der Doppelspur führen Rückstrom 3.2 Bewertung der Konformität
(keine Gleisstromkreise, Achszähler)
– beidseitig der Gleise sind die Oberleitungsmasten Die Konformität der Interoperabilitätskomponente
durchgehend mit einem Erdseil verbunden Oberleitung wurde nach dem Modul B als Bauartprüfung
– Masten alle rund 340 m an beiden Schienen geerdet, bewertet. Das BAV hat diese Bewertung für jedes zu be-
(Abfangung, Mitte Nachspannung, Festpunkt, Mitte wertende Merkmal nach Tabelle B.1 im Anhang B [3] in
Nachspannung, Abfangung) vollem Umfang bei der Typenzulassung und der Plange-
– Masten im Bereich von 3 km um das Uw Wanzwil alle nehmigung vorgenommen. Die Lieferfirma hat zusätz-
170 bis 200 m an den Schienen der NBS und ABS ge- lich einen entsprechenden technischen Bericht zur Inter-
erdet operabilität als Antrag auf Bewertung eingereicht. Die
– beidseitige Erdung der Kabelschirme der 15-kV-Spei- Gesamtbewertung stützt sich auf folgende Unterlagen
sekabel ab Uw Wanzwil [9] ab: Zulassungsdossier für die Typenprüfung und entspre-
– parallele Rückleiterkabel zu den 15-kV-Speisekabeln chende BAV-Zulassungsverfügung mit Auflagen, Bericht
zum Uw Wanzwil [10] über die Berechnung der Strombelastung und Erwär-
– Ringleitungen (Verbindungen Gleis – Gleis bei den mung der Oberleitungsanlage, Bericht über die mecha-
vorgenannten Masterdungen) nische Beanspruchung der Oberleitung auf der freien
– Ringleitungen bei den Tunnelportalen Strecke und in den Tunnel usw. Im Rahmen der Inbetrieb-
– zusätzlicher Erdleiter in den Tunnel beidseitig im Ka- nahme der NBS wurden Versuchsberichte über die Kon-
belkanal des Banketts (ähnlich Banderder) taktkraftmessungen bis 230 km/h und zu den Erwär-
– besondere einseitige Erdseilführung in der Über- mungsversuchen eingereicht. Die Merkmale Wellenaus-
deckung Rüdtligen (Emmi-Tunnel etwa bei km 18) breitungsgeschwindigkeit, Elastizität und Gleichförmig-
– kein Einbeziehen der Armierungen von Kunstbauten keit der Elastizität wurden bei der Entwurf- und Baumus-
(Brücken, Stützmauern, Überdeckung Rüdtligen terprüfung kontrolliert. Die entsprechenden Werte ste-
usw.) in die Rückstromführung hen in der Tabelle 1. Über die Messungen der Kontakt-
– teilweise besondere Maßnahmen zur Verhinderung kraft und der Erwärmung wird in den Abschnitten 4.1
von Streustromkorrosion im Bereich der Näherungen und 4.3 berichtet. Für die Instandhaltung liegen die not-
und Kreuzungen mit der Gleichstrombahn ASm wendigen Unterlagen vor, das Wartungspersonal wurde
(Aare-Seeland-mobil Betriebsspannung DC 1 200 V entsprechend ausgebildet. Das BAV hat diese Unterlagen
[11, 12]) geprüft und festgestellt, dass die Oberleitungsbauart
– Schutzdächer gegen die Gefahren des elektrischen ELINCAT E230 auf der NBS die Kriterien der Interopera-
Stromes isoliert am Bauwerk versetzt und Schutz- bilität erfüllt. Allerdings wird die Kontaktkraft bei den
dach direkt am Erdseil der Oberleitung geerdet für 2005 geplanten Fahrten mit der Europawippe vermut-
(Bild 18 in [1]) lich die Grenzwerte nach prEN 50367 erreichen.
– Wildschutz- und sonstige Zäune mechanisch aufge- Die Abnahmefahrten wurden mit einem Stromabneh-
trennt oder isoliert, damit das Schienenpotenzial mer Typ Schunk WBL 85 mit optimierten Windleitblechen
nicht verschleppt wird durchgeführt (Bild 4). Inwieweit sich diese Ergebnisse auf
andere Stromabnehmer übertragen lassen, die auf den
Das Pflichtenheft für die Oberleitung der NBS enthält im Netzzugang auf der NBS verkehrenden Triebfahrzeu-
die im Gegensatz zum Anhang H der TSI stehende For- gen eingesetzt werden, ist sehr fraglich. Damit stellt sich
derung, dass bei 200 km/h zwei gehobene Stromabneh- die Grundsatzfrage, wie die Infrastrukturbetreiberinnen
mer im Abstand von nur 18,5 m vorkommen können. Dies mit dieser Schnittstelle Stromabnehmer – Fahrdraht um-
entspricht der Doppeltraktion von zwei Lokomotiven der gehen sollen.
Reihe Re 460 an der Zugspitze oder am Zugschluss. Die
Simulationen des Kettenwerk-Entwurfs wurden mit ei- 3.3 EG-Prüferklärung
nem Modell eines üblichen Schunk-Stromabnehmers
WBL 85 mit einer 1 450-mm-Wippe durchgeführt. Die Ab- Die EG-Prüfung wurde nach Modul SG als Einzelprüfung
nahmefahrten fanden mit zwei Stromabnehmer WBL 85 für die Anlagen in einem definierten Teilbereich auf der
mit einer 1 450-mm-Wippe und optimierten Leitblechen NBS/ABS und den angrenzenden Strecken und Bahn-
statt (Bilder 2 und 4). stromeinrichtungen vorgenommen. Da verschiedene
Die Stromabnehmer sind mit einer Vorrichtung Stellen (Totalunternehmer, zusätzliche andere Ersteller,
zum Erkennen von Schäden an der Stromabnehmer- Projektierende der neuen Anlagen und Betreiber von be-
wippe nach Anhang H TSI Tabelle H. 2 Rubrik 6 ausge- reits bestehende Anlagen usw.) betroffen waren, hat das
rüstet. BAV die SBB beauftragt, als Antragsteller für die Betriebs-
536 102 (2004) Heft 12 ebAC-Bahnenergieversorgung
Tabelle 4: Infrastrukturangaben nach TSI Energie.
Parameter/Kriterium/Kennwert Wert Bemerkungen
Stromsystem 1 AC15 kV 16,7 Hz
Fahrdrahthöhe 5,40 m
Zu beachtende maximale Windgeschwindigkeit 29,2 m/s Windabtrieb in größter Spannweite (60 m)
Höchste Umgebungstemperatur 40°C Drahtwerkerwärmung
Kleinste Windgeschwindigkeit 0,4 m/s Drahtwerkerwärmung
Stromabnehmerkontaktkraft maximal < 250 N F m nach prEN 50367
minimal > 0 N
Phasentrennstrecken zwischen Wanzwil und Rothrist fakultative Schutzstrecke [9] mit Einspeise-
(Hauptschalter aus durch Triebfahrzeugführer) möglichkeit der neutralen Abschnitte
Abstände zwischen gehobenen Stromabnehmern 18 m < x < 35 m
oder x > 180 m
Streckenart III a gemäß Anhang F TSI
Erforderliche Leistungs- oder Strombegrenzungen keine
zulässiger Fahrleitungsstrom 900 A dauernd bei 40°C Umgebungstemperatur
Höchstmöglicher Kurzschlussstrom 35 kA Abschaltzeit maximal 60 ms
Zugelassene Stromabnehmerwippen 1 320 mm, 1 450 mm, 1 600 mm
bewilligung nach EBV [6] auch für die Inbetriebnahme lage in der Betriebsbewilligung beauftragt, diese Mes-
des Teilsystems Energie die entsprechenden Nachweise sungen noch vor der Betriebsaufnahme mit 200 km/h ab-
zu erbringen und den entsprechenden Antrag zu stellen. zuschließen. Die noch erforderlichen zahlreichen Mess-
Die umfassende und lückenlose Anwendung des An- fahrten mit ETCS level 2 können hierzu nutzbringend ein-
hangs C [3] zur Bewertung des Teilsystems Energie zeigte bezogen werden.
sich als sehr aufwändig, aber damit auch als ein sehr wirk-
sames Instrument zur Kontrolle des ganzen (Teil-) Sys-
tems Bahnstromversorgung. Bei den oben angeführten 4 Ausgewählte Messergebnisse
verschiedenen Stellen bestünde sonst die Befürchtung,
dass nur sektoriell oder gar nicht geprüft wird und vor 4.1 Kontaktkraft Fahrdraht – Strom-
allem wichtige Schnittstellen nicht beachtet würden. abnehmer und Fahrdrahtanhub
Unter anderen wurden folgende Unterlagen dem An-
trag auf EG-Prüfung zu Grunde gelegt: Technischer Be- Die wichtigsten Einflussfaktoren für die auftretende Kon-
richt über das Teilsystem Energie, BAV-Typenzulassung taktkraft zwischen Fahrdraht und Stromabnehmer sind
der Oberleitung, Schema und Pläne zur 132-kV-Bahn- die folgenden beiden Komponenten, die direkt in Inter-
stromversorgung mit den Bahnstromleitungen und Un- aktion treten: Fahrleitung ELINCAT E230 und der Strom-
terwerken für (n-1)-Betrieb, die Streckenschaltpläne der abnehmertyp WBL 85, der im Lastenheft der funktiona-
Oberleitung, Berechnungen zur Netzbelastung, Ver- len Ausschreibung gefordert wurde. Die Kontaktkraft
suchsberichte über die Kontaktkraftmessungen, Erwär- wird weiter durch die aerodynamischen Strömungsver-
mungsmessungen, Stromverteilungsmessungen und hältnisse beim Stromabnehmer beeinflusst, die auch
Messungen der Erdimpedanz und der Berührungsspan- stark abhängig sind vom Einbauort des Stromabnehmers,
nungen im Uw Wanzwil. Im Weiteren liegen die Prüfpro- der Bauform der Triebfahrzeuge und der übrigen Fahr-
tokolle der Schutzprüfungen auf der 132-kV- wie auch zeuge im Zugverband. Zusätzlich verursachen strecken-
auf der 15-kV-Ebene lückenlos vor. In den folgenden Ab- abhängig Überführungen und Tunnel durch ihre Luftver-
schnitten wird über einzelne Messungen genauer berich- drängung starke Kräfte auf die Stromabnehmer. Bei
tet. mehreren gehobenen Stromabnehmern sind zudem die
Die Angaben gemäß Anhang D [3] für das Infrastruk- gegenseitigen Beeinflussungen durch Schwingungsanre-
turregister sind in der Tabelle 4 aufgelistet. gungen des Kettenwerks zu berücksichtigen. Die zuläs-
Das BAV hat diese Unterlagen geprüft und kommt da- sigen Kontaktkräfte sind jedoch einzeln durch jeden ge-
bei zum Ergebnis, dass das Teilsystem Energie NBS kon- hobenen Stromabnehmer einzuhalten. Bild 2 zeigt den
form zur entsprechenden TSI in Betrieb gehen kann. Der Messzug mit dem kurzen Abstand von nur 18,5 m zwi-
Bescheid wird in die Betriebsbewilligung nach EBV [6] schen den gehobenen Stromabnehmern. Bei dieser Kom-
integriert. Aus verschiedenen Gründen konnten die position mit den Triebfahrzeugen an der Spitze werden
Messfahrten mit einer 1600-mm-Wippe noch nicht aus- die Messstromabnehmer im Kniegang angeströmt und
geführt werden. Da die NBS vorerst nur mit maximal in der Gegenrichtung mit dem Steuerwagen voraus im
160 km/h in Betrieb ging, werden die SBB mit einer Auf- Spießgang. Bei den Messungen im Sommer 2003 waren
eb 102 (2004) Heft 12 537AC-Bahnenergieversorgung
Bild 2: Messzug für Laufwerk- und Kontaktkraftmessungen im Som-
mer 2004 in Rothrist. Lokomotive Re 460 vorn mit Messradsätzen am
vorlaufenden Drehgestell und Messstromabnehmer nachlaufend, Bild 5: Kontaktkraftverlauf Stromabnehmer – Fahrdraht bei unter-
zweite Lokomotive Re 460 mit Messstromabnehmer nachlaufend, schiedlichen Geschwindigkeiten bis 230 km/h, gemessen am nachlau-
Messwagen (EW-IV), zusätzlicher Zweitklasswagen (EW-IV) und Steu- fenden Stromabnehmer bei Doppeltraktion mit Stromabnehmerab-
erwagen IC Bt. stand von 18,5 m (beide Stromabnehmer in Kniegang).
1 F max Tunnel 3 F m Tunnel 5 F min Tunnel
Bild 3: Messstromab- 2 F max Strecke 4 F m Strecke 6 F min Strecke
nehmerwippe mit
eingebauten Kraft-
sensoren
(Stromabnehmer
Schunk WBL 85 mit
Wippe 1 450 mm).
Bild 4: Messstromab-
nehmer mit zusätzli- Bild 6: Aerodynamischer Auftrieb (1) bei den Einfahrten in verschie-
chen Windleitble- dene Tunnels (grau hinterlegt) der NBS: km 42,8 bis 43,8 Langenthal-
chen am Zentralrohr Tunnel mit an Anfang und Ende rechteckigem und in Tunnelmitte
der Wippe. rundem Querschnitt; km 48,0 bis 48,6 Aegerten-Tunnel mit rundem
Querschnitt; km 49,1 bis 54,0 Murgenthal-Tunnel mit rundem Quer-
schnitt (Messschrieb-Ende bei km 51,0); 2 Geschwindigkeit.
stromabnehmer verhält sich somit nahezu gleich wie der
Serienstromabnehmer. Für die angestrebten hohen Ge-
schwindigkeitsbereiche war eine Voreinstellung der
Stromabnehmerauftriebskräfte gemäß prEN 50367 mit-
die Triebfahrzeuge anders eingereiht, so dass der Mess- tels Windleitblechen nach der Formel F m = 70 + 0,00097
stromabnehmer im Spießgang direkt von der Frontwelle v 2 (F m in N und v in km/h) notwendig. Die Windleitbleche
des führenden Triebfahrzeugs erfasst wurde. Die Ergeb- am Zentralrohr der Wippe (Bild 4) sollen einen optimalen
nisse der Messreihen 2003 und 2004 sind dementspre- Anpressdruck am Fahrdraht über den ganzen Geschwin-
chend sehr unterschiedlich. Für die Messung der Kontakt- digkeitsbereich sicherstellen.
kraft Fahrdraht – Stromabnehmer wurden zwei Mess- Der Stromabnehmerabstand von nur 18,5 m stellt hohe
stromabnehmer der SBB-Messtechnik eingesetzt. Die Anforderungen. Die Beanspruchung des nachlaufenden
Messungen wurden nach EN 50317 durchgeführt: Dazu Stromabnehmers ist normalerweise höher als die des vor-
ist besonders zu erwähnen, dass die aerodynamischen laufenden: Erstens muss der nachlaufende Stromabneh-
Kräfte an den Wippen sowie der Einfluss der Massenträg- mer die Schwingungsanregung des vorlaufenden über-
heit der Schleifleisten online kompensiert werden. Diese nehmen und zweitens haben die aerodynamischen Tur-
Stromabnehmer verfügen über Sensoren zur Erfassung bulenzen – verursacht durch den vorlaufenden Stromab-
der Schnittkräfte, die weitgehend beeinflussungsfrei in nehmer – einen starken Einfluss. Die Kraftverläufe Fahr-
den Stromabnehmer integriert sind. Bild 3 zeigt hierzu draht – Stromabnehmer für den hinteren Stromabneh-
die Ansicht der Wippenkonstruktion: die Kraftsensoren mer in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit sind in
sind vollständig in die Längsstege eingebaut. Der Mess- Bild 5 dargestellt: Die grünen Kurven zeigen die Maximal-
538 102 (2004) Heft 12 ebAC-Bahnenergieversorgung
und Minimalkräfte sowie die Mittelwerte auf freier Stre- ziometers. Die ermittelten Anhubwerte können vor Ort
cke. Die schwarzen Kurven zeigen die Kraftverläufe im am Messcomputer eingesehen oder telefonisch abge-
Tunnel. Die Kräfte im Tunnel sind aufgrund der Luftströ- fragt werden. Bild 8 zeigt den zeitlichen Verlauf des An-
mungsverhältnisse rund um ein Drittel höher. Bei den hubs auf freier Strecke bei einer Geschwindigkeit von
Einfahrten in die Tunnel treten zudem Spitzenwerte in- 230 km/h. Bild 9 zeigt zum Vergleich den Anhubverlauf
folge von Luftturbulenzen auf, die nach etwa 500 m ab- im Tunnel. Die gemäß TSI und EN 50119 zulässigen An-
klingen. Das Bild 6 zeigt dies deutlich. hubwerte wurden sowohl im Tunnel wie auf offener
Der Fahrdrahtanhub wurde im Tunnel und auf der frei- Strecke auch bei Doppeltraktion mit dem kurzen Strom-
en Strecke mit je einer Messstelle überwacht. Die entspre- abnehmerabstand eingehalten. Das Schwingungsverhal-
chende Messeinrichtung mit einem Seilpotenziometer ten bezüglich Vor- und Nachschwingungen unterschei-
am Fahrleitungsmast der freien Strecke ist aus Bild 7 er- det sich an beiden Messstellen deutlich. Es kann größten-
sichtlich: über einen Nylonfaden wird die mechanische teils durch die unterschiedliche Spurhaltung erklärt wer-
Verbindung zum Fahrdraht hergestellt. Ein Messcompu- den.
ter vor Ort verarbeitet die Spannungssignale des Poten-
4.2 Besondere Versuchsschaltungen
Die wichtigsten elektrischen Eigenschaften der Bahn-
stromversorgung und der Oberleitung wurden im Rah-
men einer konzentrierten Messreihe auf der gesamten
Strecke innerhalb von fünf Tagen überprüft. Die Mess-
reihe umfasste die Messung der Stromverteilung in der
Oberleitung und in den Rückleitern, Impedanzmessun-
gen, Erdungsmessungen, Kurzschlussversuche mit Nomi-
nalspannung, Erwärmungsmessungen an der Oberlei-
tung sowie Messungen der nichtionisierenden Strahlung
(NIS) [13, 14]. Dazu waren umfangreiche Vorbereitungs-
arbeiten erforderlich. Zu koordinieren galt es die Netz-
speisung vom erzeugenden Frequenzumformer über
eine eigens für die Versuche freigeschaltete Übertra-
gungsleitung zum Uw Wanzwil, die Netzschaltungen
und Messaufzeichnungen im Uw Wanzwil, die Oberlei-
Bild 7: Fahrdrahtanhub-Messstelle bei km 38,543 in der Nähe des Fest-
punktes. tungswartungsmannschaft, das Messteam auf der Stre-
cke sowie das NIS-Messteam an den Orten mit empfind-
Bild 8: Zeitlicher Ver-
licher Nutzung (OMEN) sowie die Liegenschaftsbesitzer
lauf des Fahrdraht-
anhubes über der und -bewohner dieser Orte [13]. Es konnten sämtliche
Ruhelage auf der Messungen erfolgreich und mit vielen wertvollen Ergeb-
freien Strecke bei nissen durchgeführt werden.
km 38,543 (Bild 7),
Bei sämtlichen in den folgenden Abschnitten beschrie-
Befahrung mit zwei
gehobenen Stromab- benen elektrischen Messungen wurde vom Frequenzum-
nehmern (Kniegang) former Rupperswil [8] über die 132-kV-Übertragungslei-
mit 18,5 m Abstand tung mit einer reduzierten Spannung das Uw Wanzwil
und 230 km/h Ge-
gespeist, das etwa in der Mitte der Neubaustrecke liegt.
schwindigkeit.
Die Oberleitung wurde auf der Strecke an den gewünsch-
ten Stellen mit hochstromfesten Erdungsstangen an den
Schienen geerdet. Der Frequenzumformer wurde derart
betrieben, dass in der Oberleitung die gewünschte
Stromstärke erreicht wurde.
Zur Messung der Ströme in den einzelnen Leitern dien-
Bild 9: Zeitlicher Ver-
ten Strommesswandler mit Rogowski-Spulen (Ringspu-
lauf des Fahrdraht-
anhubes über der len), deren Ringe sich öffnen und so um die Leiter legen
Ruhelage im Tunnel lassen. Es wurden Wandler der Typen LEM-flex II und
Murgenthal bei AmpFLEX verwendet. Mit den AmpFLEX können, dank
km 49,680; etwa
größerem Durchmesser, auch die Schienen umfasst wer-
200 m vom Festpunkt
entfernt, Befahrung den. Die Wandler liefern erdfreie Analogsignale, welche
mit zwei gehobenen mit einem PC-Messsystem mit 16 Kanälen aufgezeichnet
Stromabnehmern wurden. Das auf der Basis von LabVIEW entwickelte Mess-
(Kniegang) mit
programm ist in einem Laptop installiert, als A/D-Wandler
18,5 m Abstand und
230 km/h Geschwin- wurde eine PCMCIA-Karte mit 16 Kanälen und
digkeit. 16-Bit-Auflösung eingesetzt (National Instruments,
eb 102 (2004) Heft 12 539AC-Bahnenergieversorgung
DAQCard-AI-16XE-50, gemeinsame Erde, Eingangsbe-
reich ±10 V). Die eigens für solche Messungen von
ENOTRAC entwickelte Software erlaubt, die Stromstärke
online zu verfolgen und für die spätere Verarbeitung auf-
zuzeichnen. Die Daten wurden als Rohdaten im 16-bit-
Format und als Sekundenmittelwerte im ASCII-Format
abgespeichert. Die Abtastrate war mit 6 000 Hz relativ
hoch, was aber zur zuverlässigen Bestimmung des Pha-
senwinkels erforderlich war. Bei den Erwärmungsmes-
sungen (siehe Abschnitt 4.3) waren nur drei, bei den
übrigen Messungen meist alle Kanäle belegt.
4.3 Erwärmungsmessung der Oberleitung
Bild 11:Verlauf der Ströme I, der Leitertemperaturen T und der Wind-
Für die Erwärmungsmessungen musste die Erdung (Kurz- geschwindigkeit v W während den Erwärmungsmessungen im Tunnel
schluss) der Oberleitung besonders sorgfältig ausgeführt Oenzberg.
werden: Wegen der langen Dauer der teilweise hohen 1 Verstärkungsleiterstrom 5 Verstärkungsleitertemperatur
2 Fahrdrahtstrom 6 Tragseiltemperatur
Ströme musste vermieden werden, dass die Oberleitung 3 Tragseilstrom 7 Umgebungstemperatur
an den Kontaktstellen Schaden nimmt. Der Belastungs- 4 Fahrdrahttemperatur 8 Windgeschwindigkeit
zyklus war durch die Spezifikation gegeben, die pro Gleis
eine Dauerbelastung von 900 Aeff mit einer zusätzlichen
Belastung von 1 800 Aeff über 150 Sekunden fordert. Die leichter Wind von 1 bis 7 m/s, im Mittel etwa 2,5 m/s. So-
der Dauerbelastung überlagerten 1 800 Aeff sollen den bald der Wind etwas zunahm, verlangsamte sich die Er-
ebenfalls über die Neubaustrecke verkehrenden Güter- wärmung oder die Abkühlung beschleunigte sich leicht.
zügen mit einer Anhängelast von 4 000 t Rechnung tra- Da demgegenüber im Tunnel außerordentlich stabile
gen. Die Erwärmungsmessungen wurden auf der freien Verhältnisse herrschten, werden nachstehend die dort
Strecke (Bild 10) wie auch in einem Tunnel (Oenzberg) gewonnenen Ergebnisse diskutiert. Die Luftströmung
durchgeführt. war dort mit konstanten 0,5 m/s, teilweise gar weniger,
Die Temperaturen wurden mit einem 4-Kanal-Daten- bis 1 m/s gering und verlief in Längsrichtung des Tunnels.
logger vom Typ ECOLOG TN4-L mit einer Abtastrate von Das weitgehend störungsfreie Umfeld macht die Ergeb-
1 Wert pro Sekunde und Kanal aufgezeichnet. Während nisse dieser Erwärmungsmessungen besonders wertvoll
der Messung befanden sich Messfühler und Datenlogger (Bild 11): Bei einer Lufttemperatur von 18°C und einer
auf Oberleitungspotenzial. Mit NTC-Fühlern wurden die Dauerbelastung von 900 A stabilisierte sich die Fahrdraht-
Temperaturen von Fahrdraht, Tragseil und Feeder (Ver- temperatur auf 38,2°C. 150 s nach der Erhöhung auf
stärkungsleiter) sowie der Umgebung gemessen. Zur Eli- 1 800 A stieg die Fahrdrahttemperatur auf 56,6°C. Trag-
minierung allfälliger Einflüsse durch direkte Sonnenein- seil und Feeder (Verstärkungsleiter) wurden deutlich we-
strahlung oder Regen wurden die Messstellen durch klei- niger erwärmt.
ne Dächer (Bild 10) geschützt. Die Stromstärke wurde mit Die Hochrechnung auf die spezifizierte Umgebungs-
Ringspulen gemessen, wie dies im Abschnitt 4.2 beschrie- temperatur von 40°C und Fahrdrahtabnützung von 30 %
ben wurde. ergibt eine Fahrdrahttemperatur von 80°C. Wird berück-
Synchron zur Temperaturmessung wurden die Wind- sichtigt, dass das Auffahren des Stromes von 900 auf
stärke und Windrichtung gemessen und mit einem PC- 1 800 A eine gewisse Zeit in Anspruch nahm, so liegt die
Messsystem aufgezeichnet. Die Windmesseinrichtung be- maximale Temperatur der Oberleitungsanlage gemäß
fand sich auf einem Stativ auf der Höhe zwischen Fahr- spezifiziertem Lastzyklus unter 80°C.
draht und Tragseil. Auf der freien Strecke herrschte ein Gleichzeitig zu den Temperaturmessungen wurde
auch das Absenken der Abspanngewichte aufgezeichnet.
Die Fahrdrahtverlängerung und der Lauf der Gewichte
entsprach dabei den Erwartungen.
Bild 10: Messaufbau
für die Erwärmungs-
messung der Oberlei- 4.4 Impedanzmessung der Oberleitung
tung, sichtbar sind
die Sonnenschutz- Zur Messung der Schleifenimpedanzen der Oberleitungs-
dächer über den drei
abschnitte wurde mit einer reduzierten Spannung ab Uw
Temperaturmessfüh-
lern, dahinter die Wanzwil mit 16,7 Hz auf einen mit Erdungsstangen er-
Strommesswandler stellten Kurzschluss zwischen Oberleitung und Gleis ge-
der jeweiligen Leiter; speist, so dass etwa 400 Aeff flossen. Die Messung der
links von der Bild-
Schleifenimpedanzen erfolgte im Uw Wanzwil am jewei-
mitte ist der Wind-
messer auf einem ligen Speisepunkt mit einem NORMA-Präzisions-Impe-
Stativ aufgestellt. danzmessgerät D5155. Die Spannungs- und Stromsignale
540 102 (2004) Heft 12 ebAC-Bahnenergieversorgung
Tabelle 5: Spezifische Schleifenimpedanz für die zweigleisige 4.5 Stromverteilung in der Oberleitung
NBS. und Rückstromverhältnisse
Messgröße Bandbreite über weite
der Mess- Strecken Die Stromverteilung in der Oberleitung und in den Rück-
werte leitern wurde an sämtlichen Stellen gemessen, an denen
Betrag mR/km 55 . . . 61 57 auch die nichtionisierende Strahlung gemessen werden
musste. In einigen Tunneln konnte an den Messstellen
Realteil mR/km 30 . . . 34 32
nur ein geringer Anteil des Gesamtstroms in den Rück-
Imaginärteil mR/km 46 . . . 51 47
leitern erfasst werden, so dass dann in den Tunnel zu-
Phasenwinkel induktiv ° 54 . . . 59 56 sätzlich an weiteren Stellen der Strom in den Schienen,
den Erdleitern in der Kabeltrasse und in den Ringleitun-
gen punktuell gemessen wurde. Darüber hinaus wurden
wurden von den Wandlern des Oberleitungsschutzes ab- im Bereich des Uw Wanzwil auf der Strecke sowie im Uw
gegriffen. selbst die Rückstromverhältnisse detailliert gemessen.
Die Kurzschlussorte wurden derart über die gesamte Die Stromverteilungen auf der Strecke wurden jeweils
Strecke verteilt, dass allfällige Einflüsse aus Besonderhei- in einem Bereich außerhalb der Übergangslängen ge-
ten einzelner Streckenabschnitte in den Impedanzwerten messen, das heißt, die Oberleitung wurde genügend weit
erkennbar wären. Beispielsweise wurden dabei die Ab- vom Messort entfernt geerdet, so dass am Messort der
schnitte Überdeckung Rüdtligen [1] die Emmequerung, Erdstrom maximal war. Eine für die zweigleisige NBS ty-
Oenzbergtunnel, die Parallelführungen mit der Stamm- pische Stromverteilung auf der freien Strecke ist in der
linie, Tunnel Langenthal und Tunnel Murgenthal beson- Tabelle 6 zusammengestellt: Der Anteil des in den Rück-
ders beachtet (Bild 1). Dazu bestand die Absicht, durch leitern fließenden Rückstromes beträgt bei der NBS rund
Differenzbildung von gemessenen Impedanzwerten den 80 %; bei der ABS sind es etwas weniger. In den Tunneln
einzelnen Streckenabschnitten in einer Näherung einen übernehmen zusätzlich die Erdseile in den Kabelkanälen,
Impedanzwert zuordnen zu können. Die aus den Messer- die Kabelschirme sowie das Funkkabel und dessen Trag-
gebnissen abgeleiteten spezifischen Impedanzen (Impe- seil einen Anteil des Rückstroms. Die Stromverteilung im
danz pro Kilometer) sind allerdings derart homogen, dass Tunnel Oenzberg ist ebenfalls in der Tabelle 6 zusammen-
keine für die einzelnen Streckenabschnitte typischen gestellt.
Werte erkennbar sind (Tabelle 5). Wie eingangs erwähnt, wurde in einigen Tunneln le-
Der resultierende spezifische Impedanzwert für die diglich ein geringer Anteil des eingespeisten Stroms in
doppelspurige NBS mit den in den Parallel- und Haupt- den Rückleitern gemessen. Es zeigte sich, dass der Rück-
schaltposten parallel geschalteten Oberleitungen der strom offenbar über die Tragwerke auf die Bewehrung
beiden Gleise ist mit einem Betrag von rund 57 mR/km der Tunnel übertritt. Vor und nach den Ringleitungen
sehr gering. Ein Vergleich mit den aus den früheren Mo- war der Strom in den Schienen unterschiedlich, die Dif-
dellrechnungen resultierenden Impedanzwerten zeigt, ferenz fließt über die Ringleitungen auf die Erdseile und
dass die Messwerte generell niedriger sind. Durch Verän- dann über die Tragwerke ins Bauwerk. Dies lässt sich an-
derung von Parametern im Simulationsmodell können hand der gemessenen Werte beispielsweise im Tunnel
dafür folgende Gründe vermutet werden: Langenthal sehr schön zeigen (Bild 12): An der Stromver-
• Die Messungen wurden mit nur 2×200 A durchgeführt, teilungsmessstelle bei km 43,800 sind lediglich 35 % des
was zu einem kleinen Schienenstrom und dementspre- eingespeisten Stromes in den Rückleitern zu finden. Wie
chend geringen Einfluss auf die magnetische Perme- Bild 12 zeigt, ist dieser Anteil weiter im Tunnelinnern
abilität führt; noch geringer. Im Tunnel Emmequerung betrug der
• Der Gleichstromwiderstand der Schienen wurde mit Rückstromanteil in den Rückleitern lediglich 22 % des
Werten aus der Literatur eingesetzt. Allenfalls weisen eingespeisten Stromes.
die nun verlegten Schienen eine bessere Leitfähigkeit Bei der NBS/ABS ist es gelungen, über weite Strecken
auf; einen sehr hohen Anteil des Traktionsstroms in den dafür
• Das gesamte Modell beruhte nach den damaligen Vor- vorgesehenen Rückleitern der Bahntrasse zurückzufüh-
gaben darauf, dass die Bauwerkstrukturen keine Ver- ren. Einzig in einigen Tunneln fließt ein beträchtlicher
bindungen mit der Bahnerde haben und damit wenig Teil des Rückstroms in der Bewehrung des Bauwerks oder
Traktionsrückstrom führen; noch weiter von der Trasse entfernt.
• Für die Erdstromtiefe wurde allenfalls ein zu hoher Das Uw Wanzwil [8, 9] liegt beim Verzweigungsbau-
Wert eingesetzt. werk der NBS und ABS, etwa beim NBS Strecken-
km 36,650 (Bild 1). Die drei Speisepunkte (NBS West, NBS
Die Ergebnisse der Impedanzmessungen auf der ein- Ost und ABS) werden am Schaltposten Wanzwil bei
gleisigen ABS lassen etwas weniger grundsätzliche km 36,380 eingespeist, die Streckentrennung befindet
Schlussfolgerungen zu als diejenigen auf der NBS. Der Be- sich bei km 36,369, also rund 350 m vom Uw in Richtung
trag der spezifischen Schleifenimpedanz der ABS liegt bei Bern verschoben. Der Schaltposten ist mit dem Uw über
100 mR/km, der Phasenwinkel bei 46°. Cu-Kabel 630/70 mm2 und ein Rückleitersystem beste-
hend aus den Kabelschirmen und je einem je Speisekabel
eb 102 (2004) Heft 12 541AC-Bahnenergieversorgung
Tabelle 6: Stromverteilung und Phasenverschiebung 1 in den Hinleitern der Oberleitung und in den Rückleitern.
NBS NBS ABS
freie Strecke Tunnel Oenzberg freie Strecke
ARMS % ° ARMS % ° ARMS % °
Hinleiter 1)
Fahrdraht J 66,0 16,8 0,0 69,2 17,5 0,0 66,4 33,6 0,0
Tragseil J 42,1 10,8 9,9 44,9 11,4 10,9 46,9 23,7 11,9
Feeder J 87,7 22,3 4,0 83,4 21,1 2,0 85,1 43,0 2,0
Fahrdraht A 67,3 17,1 0,6 69,0 17,5 -1,0
Tragseil A 42,2 10,8 9,9 44,5 11,3 10,2
Feeder A 88,4 22,5 3,5 85,2 21,6 2,0
Hinleiter total 393,0 100,0 3,9 395,2 100 3,1 197,7 100 3,7
Rückleiter 1)
Erdseil J 74,7 19,0 −155,4 78,8 20,0 −161,8 63,3 32,0 −156,1
Erdseil A 78,2 19,9 −155,1 82,0 20,7 −161,6
Linke Schiene J 44,7 11,4 172,0 33,3 8,4 164,1 39,0 19,7 172,3
Rechte Schiene J 41,0 10,4 171,2 32,6 8,3 166,9 39,0 19,7 172,5
Linke Schiene A 41,3 10,5 171,5 33,2 8,4 167,3
Rechte Schiene A 43,9 11,2 172,8 33,6 8,5 165,2
Erdseil Kabeltrasse J 18,2 4,6 −167,9
Erdseil Kabeltrasse A 19,3 4,9 −161,9
Funkkabel 3,3 0,8 −161,9
Kabelschirme J 5,1 1,3 4,2 1,1 −141,3 3,8 1,9 −124,7
Kabelschirme A −124,8 0,7 0,2 −5,0
Rückleiter total 314,1 79,9 171,9 324,7 82,2 174,4 138,6 70,1 172,3
Der Prozentsatz der Einzelleiterbelastung bezieht sich auf den vektoriell gerechneten Gesamtstrom. Der gesamte Rückleiterstrom ist
vektoriell gerechnet und dessen Betrag wurde durch den Gesamtstrom dividiert. Als Referenzphase wird die Phasenlage (0°) des Fahr-
drahtstroms angenommen
1)
Die Leiter des südlichen Gleises, Seite Alpen, sind mit Index A bezeichnet, diejenigen des nördlichen Gleises, Seite Jura, mit J.
parallel verlegten Cu-Rückleiter 240 mm2 verbunden. Der
Rückleiter-Sammelpunkt beim Schaltposten ist zudem
mit 4 zusätzlichen, separat geführten Kabeln 185 mm2 Cu
mit der Erdsammelschiene im Uw verbunden [10]. Im Üb-
rigen wird die Stammlinie (STL) in Herzogenbuchsee über
weitere, separate Speisekabel und Rückleiter vom Uw
Wanzwil versorgt.
Für die Messungen wurde vom Uw Wanzwil über die
einzelnen Speisepunkte der NBS und ABS auf zuvor auf
der Strecke gesetzte Kurzschlüsse mit konstanten Strom-
stärken gespeist. Die Stromwerte in den einzelnen Lei-
tern wurden über Stromwandler LEM-flex II und Am-
pFLEX erfasst (Bild 13) und mit dem PC-Messdatenerfas-
sungssystem aufgezeichnet (Strombeträge und deren
Phasenlagen). Es wurde dieselbe Messausrüstung wie bei
den Messungen auf der Strecke verwendet. Der Schalt-
Bild 12: Rückstromverteilung im Langenthal-Tunnel.
blau Stromwerte in A
ES Erdseil
KTES Erdseil Kabeltrasse
1)
Strom in den Anschlüssen zu ES, KTES
542 102 (2004) Heft 12 ebAC-Bahnenergieversorgung
Bild 13: Uw Wanzwil: Bild 14: Messung der
Messanordnung der magnetischen Fluss-
Kabelleiter-, Kabel- dichten auf 1, 2, 3
schirm- und Rücklei- und 4 m Höhe ab
ter (verdeckt) mit Fußboden in beson-
Wandlern LEM-Flex II derer Umgebung:
und AmpFLEX (Ro- Käsezentrum Emmi
gowski-Spulen) im neben der Über-
Doppelboden der deckung Rüdtligen.
15-kV-Schaltanlage.
posten und die Streckenspeisungen liegen vom Uw etwa
350 m entfernt in Richtung Bern. Dadurch ist die Rück-
stromführung aus dieser Richtung auch sehr homogen.
87 % des eingespeisten Stroms konnten in den Rücklei-
terseilen und Gleisen zum Schaltposten gemessen wer-
den. Ein weiterer Teil gelangt auf Umwegen zum Schalt- Wohngebäuden und in einem kleineren Gewerbegebäu-
posten. Vom Schaltposten zum Uw übernehmen die Pa- de wurde die magnetische Flussdichte in allen bewohn-
rallelrückleiter und die vier zusätzlichen Rückleiter je et- ten Stockwerken auf 1 m Höhe über Boden gemessen. In
wa 15 % des eingespeisten Stroms, was insgesamt 75 % den übrigen Gebäuden erlaubte die Raumhöhe Messun-
ausmacht. In den Kabelschirmen fließen rund 20 % des gen auf 0 m bis maximal 4 m über Boden in allen Stock-
eingespeisten Stroms. werken (Bild 14).
Bei der Speisung in die entgegengesetzte Richtung, Die Magnetfelder wurden mit Messgeräten der Typen
also in Richtung Olten, liegt das Uw näher beim Kurz- EFA-2, EFA-3 und EFA-200 erfasst. Zur genauen Positio-
schlussort als der Schaltposten. Dementsprechend ist der nierung in der Höhe wurden die Geräte auf speziellen
Stromanteil in den regulären Rückleitern wesentlich ge- Rohrgestellen montiert. Zur Abkürzung der Messdauer
ringer und beträgt lediglich etwa 55 %. Der Rest fließt wurde gleichzeitig mit zwei oder gar drei Geräten gear-
auf direktem Weg ins Uw zurück. Es ist dabei allerdings beitet.
zu beachten, dass die Bewehrung des unmittelbar beim Die gemessenen magnetischen Flussdichten stimmten
Uw in Richtung Olten liegenden Tunnels Gishübel mit entweder mit den Berechnungen überein oder sie erga-
der Bahnerde verbunden ist. ben deutlich niedrigere Werte. Überall dort, wo der grö-
Die Messungen haben bestätigt, dass sich mit dem erst- ßere Rückstromanteil nicht in der Bahntrassee fließt, sind
mals beim Uw Zürich [10] konsequent angewandten Kon- die Verhältnisse hinsichtlich NIS besser als berechnet. Für
zept der Kabelanspeisung und den unmittelbar neben die anfänglichen Berechnungen war vorgegeben, dass
den Kabeln verlegten Rückleitern ein außerordentlich keine leitenden Verbindungen zwischen Bahnerde und
großer Anteil des Rückstromes in definierten Leitern ins Bauwerksbewehrung bestehen würden, dies wurde aber
Uw zurückführen lässt. beim Bau nicht überall so ausgeführt. Der Strom in der
Bewehrung führt zu einer Verkleinerung des resultieren-
4.6 Nichtionisierende Strahlung (NIS) den Magnetfeldes. Wo die gemessene Stromverteilung
den Berechnungen entspricht, stimmen auch die magne-
Beim Vollzug der Verordnung über den Schutz vor nicht- tischen Flussdichten von Messung und Berechnung über-
ionisierender Strahlung [13] musste die magnetische ein.
Flussdichte an denjenigen Orten (OMEN, Orte mit emp- Bei der Überdeckung Rüdtligen wurden die beiden
findlicher Nutzung) gemessen werden, bei denen die Be- Erdseile und Rückleiter in den Kabelkanälen auf die dem
rechnungen im Rahmen des Plangenehmigungsverfah- Gebäude zugewandte Seite verlegt und dort etwa auf
rens [14, 15] ein Überschreiten des Anlagegrenzwertes der Höhe der Oberleitung isoliert dem Gewölbe entlang
(AGW) der magnetischen Flussdichte von 1 `T gemittelt geführt. Der Strom in den derart gebündelten Rücklei-
über 24 Stunden ergab. Bei der Überdeckung Rüdtligen tern bewirkt ein gezieltes Gegenfeld zum Feld des Hin-
wurden bauliche Maßnahmen (Bild 17 in [1]) umgesetzt, stroms in der Fahrleitung. Die Messungen (Bild 15) haben
die ein Überschreiten des Anlagegrenzwertes verhindern den erwarteten Nutzen dieser Maßnahme in vollem Um-
sollten. Auch hier wurde die effektive Situation nun mit fang bestätigt
aufwändigen Messungen verifiziert. Darüber hinaus wur- Die Typenfeldmessungen wurden auf der freien Stre-
de an der NBS und ABS je eine Typenfeldmessung aus- cke fernab irgendwelcher bekannter leitender Struktu-
geführt. ren durchgeführt. Hier wurde die magnetische Flussdich-
Entlang der NBS ist gemäß Berechnungen in insgesamt te in einem größeren Umkreis um die Bahntrasse in Schrit-
neun Gebäuden mit einer Überschreitung des AGW zu ten von jeweils 1 m und auf Höhen von 1 m bis 4 m über
rechnen: drei Wohngebäude, ein Stall sowie fünf Gewer- Schienenoberkante gemessen.
bebetriebe. Die meisten Gebäude befinden sich an Stel- Die Messergebnisse zeigen sehr deutlich eine Proble-
len, an denen die NBS in einem Tunnel verläuft. In den matik des NIS-Grenzwertes von 1 `T: Die Kurven verlau-
eb 102 (2004) Heft 12 543AC-Bahnenergieversorgung
Bild 15: Magnetischer Flussdichtenverlauf in
`T rund um die Überdeckung Rüdtligen und
beim Käsezentrum Emmi; rot 1-`T-Kurve,
welche gerade außerhalb der Hausfassade
des Käsezentrums verläuft.
te, das GSM-R-Netz reicht weit über die bauliche Grenzen
der NBS und ABS hinaus, und zum Zeitpunkt der Mess-
fahrten nicht vollständig zur Verfügung stehende Siche-
rungsanlagen auf den neuen Strecken sowie das Ein- und
Ausfahren in Betrieb stehenden Strecken bedingten eine
minuziöse Planung. Das GSM-R-Messkonzept beschreibt,
welche Parameter zu messen sind, die zu fahrenden Ge-
schwindigkeiten, die Häufigkeit der Messungen pro Pa-
rameter, Messanordnungen und Methoden. Ebenfalls
wird die Auswertung beschrieben. Diese Methodik stellt
sicher, dass jede Messung reproduzierbar ist. Da bis heute
erst wenige Erfahrungen von GSM-R-Werkabnahmen für
Voice- und Datenfunk (ERTMS / ETCS) vorliegen, wird das
Bild 16: Magnetische Flussdichte bei der Typenfeldmessung an der Messkonzept mit zunehmender Anzahl von Messergeb-
NBS (2×200 A). Stromverteilung pro Gleis: Fahrdraht 68 A, Tragseil nissen optimiert.
43 A, Verstärkungsleiter 89 A und Rückleiterseil 76 A sowie beide Die Messfahrten wurden mit dem railcom-Messwagen
Schienen 85 A. Darstellung der magnetischen Flussdichte auf Höhe
ausgeführt. Die Spezifikationen des Messwagens sind
Schienenoberkante (SOK, schwarz) sowie in den Höhen 1 m (rot), 2 m
(blau), 3 m (grün) und 4 m (orange) über SOK. unter www.railcom.ch ersichtlich. Für Fahrten über
160 km/h wurde ein mit Messantennen und einer mobi-
len Messausrüstung versehener Reisezugwagen tempo-
fen im Bereich von 1 `T außerordentlich flach (Bild 16). rär ausgerüstet und eingesetzt.
Dies bedeutet, dass Werte unwesentlich höher oder tiefer Für Werkabnahmen hat SBB Telecom ein dreistufiges
als 1 `T sich über eine verhältnismäßig große räumliche Vorgehen definiert:
Ausdehnung verteilen. Damit sind sowohl berechnete • Phase 1 / Lieferanten-Messung 1:
wie gemessene Werte um die 1 `T nicht unproblematisch. GSM-R-Systemlieferant erhält die Gelegenheit, sein
Werk erstmalig zu überprüfen. Lieferant definiert die
4.7 GSM-R-Übertragungsverhältnisse zu messenden Parameter
nach EIRENE • Phase 2 / Lieferanten-Messung 2:
GSM-R-Systemlieferant erhält die Gelegenheit, Verän-
Erstmalig musste in der Schweiz als Auflage in einer Plan- derungen zu überprüfen, die er nach der ersten Phase
genehmigungsverfügung die Funktionstüchtigkeit für durchgeführt hat
das GSM-R-Netz der NBS, ABS und den zugehörigen Zu- • Phase 3: Werkabnahmen einschließlich Messungen,
laufstrecken gemäß den Vorgaben aus dem UIC Projekt Nachweis nach EIRENE
EIRENE [16; 17] und den GSM-Standards [18; 19] nachge-
wiesen werden. Unabhängig davon sind dynamische Zwischen der zweiten und dritten Phase fanden sta-
Werkabnahme-Messungen zur Überprüfung der Funk- tionäre Werkabnahmen statt. Mit diesen Abnahmen
netzplanung und der Systemlieferqualität für jede in Be- wurden die Installationen an den GSM-R-Standorten
trieb zu nehmende Strecke vorgesehen. Werkabnahmen überprüft. Dem Systemlieferanten ist es untersagt, nach
und EIRENE-Nachweis beinhalten gleichartig zu messen- erfolgter Abnahme weitere Tuning-Maßnahmen vorzu-
de Parameter. Deshalb konnten die beiden Messkampag- nehmen.
nen zusammengelegt werden. Eine große Herausforde- Damit die Messresultate die notwendige Aussagekraft
rung bei den dynamischen Messungen war die Planung haben, ist jeder Parameter pro Geschwindigkeit mindes-
der zahlreichen Fahrten. Unterschiedliche Projektgebie- tens sechsmal zu messen. Die Messungen fanden bei drei
544 102 (2004) Heft 12 ebSie können auch lesen
