Der Hochspannungsteil

Eigentlich haben wir uns bisher schon mit dem Hochspannungsteil befasst. Es stellt sich daher nun die Frage, warum ich erst jetzt zu diesem Teil der elektrischen Lokomotive komme. Das ist ganz einfach, denn wir machen nun den Schritt in den inneren Bereich einer elektrischen Lokomotive und begeben uns daher in den Maschinenraum. Das machen wir genauso, wie auch die Spannung aus der Fahrleitung. Damit kommt sie nun aber in einen Bereich, wo sie dem Personal gefährlich nahe kommen kann.

Als wir schon den Kasten einer elektrischen Lokomotive angesehen haben, haben wir erkannt, dass es im Maschinenraum spezielle Bereiche gibt, die vor dem Personal geschützt werden müssen. Dort lernten wir auch die ausgeklügelten Systeme kennen, die zum Schutz vorhanden sind. Jetzt werden wir diese Systeme umgehen und uns in den Bereich begeben. Dieser speziell geschützte Bereich ist der Hochspannungsteil einer Lokomotive und unser Thema in den nächsten Zeilen.

Die mechanischen Bauteile dieses Bereiches sollen jetzt in den Hintergrund rücken. Wir wollen nun sehen, wie die Elektrizität, deren Weg wir auf dem Dach verfolgt haben, vom Hauptschalter zum nächsten wichtigen Teil, dem später vorgestellten Transformator gelangt. Das ist der Hochspannungsbereich, weil hier die Bauteile unter der Spannung der Fahrleitung liegen. Beginnen wir deshalb gleich mit dem Bereich und sehen uns dort etwas um.

Der Hochspannungsbereich: Nachdem wir uns nun vom Dach über den Hauptschalter in den inneren Bereich einer elektrischen Lokomotive vorgewagt haben, wird es Zeit, sich etwas mit dieser Hochspannung vertraut zu machen. An Hochspannung werden besondere Sicherheitsmassnahmen geknüpft, daher versucht man den Bereich so gering wie möglich zu halten und die Bauteile so gut wie es geht zu schützen.

Damit wir einen funktionierenden Stromkreis haben, benötigen wir einen Verbraucher. Diesen Verbraucher nennen wir nun Transformator, es könnte aber auch eine einfache Glühbirne sein. Wir werden später erfahren, dass das mit dem Transformator nicht korrekt ist und wir besser die Glühbirne genommen hätten.

Der Transformator ist einfach ein Verbraucher, der an die Hochspannung angeschlossen wird. Wir sehen uns nun an, wie er in einer Lokomotive angeschlossen werden kann.

Wir betrachten also zuerst den Stromkreis der Hochspannung. Diesen finden wir im Hochspannungsbereich der Lokomotive. Gefährlich ist er eigentlich nur, weil die Lokomotive auf den Schienen steht und so am Rückleiter angeschlossen ist.

Das gilt daher auch auf den Boden in der Lokomotive und den darauf stehenden Menschen. Daher wird es für einen Menschen gefährlich, wenn er mit Bauteilen in diesem Bereich in Berührung kommt.

Doch nun wieder zu unserem Stromverlauf. Die Spannung aus der Fahrleitung ist ja über den Stromabnehmer und die Dachleitung zum Hauptschalter gekommen. Dort kann sie geschaltet werden, so dass dieser Bereich unterschiedliche Schaltzustände haben kann.

Das macht ihn zusätzlich noch gefährlich, weil man nicht weiss, welchen Zustand gerade eingestellt ist. Eine Tastprobe würde tödlich enden. Das ist der Grund für die umfangreichen Schutzmassnahmen.

Die Leitung: Die Spannung vom Hauptschalter benötigt eine Leitung, die über die Dachdurchführung in den Maschinenraum gelangt ist. Hier kann man nun, wie das auf dem Dach erfolgt ist, mit Stromschienen arbeiten. Damit kann man sich einen Teil der Isolation ersparen, muss aber grosse Abstände einhalten. Denn die Isolation übernimmt dann die Luft. Wir wissen aber, dass Luft kein sehr guter Isolator ist. Deshalb verwendet man hier oft Hochspannungskabel.

Ein Hochspannungskabel ist ein Kabel, durch das Strom fliesst, der unter hoher Spannung steht. Im Gegensatz zu dem Kabel, das Sie am Staubsauger vorfinden, führen Hochspannungskabel oft nur einen einzigen Leiter. Gerade in unserem Beispiel ist das der Fall. Durch die zwei getrennten Leitungen erhält man einen zusätzlichen Schutz, denn ein Kurzschluss hat hier verheerende Folgen für die Ausrüstung. Je besser die Isolation ist, wie unwahrscheinlicher ist ein Kurzschluss.

An die Isolation eines Hochspannungskabels sind daher höhere Anforderungen gestellt worden. So muss man darauf achten, dass es mechanisch nicht so stark beschädigt werden kann, dass die Spannung plötzlich frei liegt. Passiert das, entsteht eine elektrische Verbindung und ein Kurzschluss entsteht. Daher wurde diese Isolation bei einem Hochspannungskabel im Gegensatz zum Kabel an Ihrem Staubsauger speziell aufgebaut und so zusätzlich verstärkt.

Zum Schutz der Isolation dienen zum Teil Geflechte aus Draht, die in der Isolation selber eingebunden sind. Damit kann die Isolation oberflächlich leicht beschädigt werden, ohne dass man gleich zur hohen Spannung gelangt. Dieses Drahtgeflecht kann bei besonders heiklen Anlagen sogar auf die Erde des Fahrzeuges oder an eine Überwachung geschaltet werden. Gibt es nun im Kabel einen Defekt an der Isolation, breitet sich der Kurzschluss innerhalb der Isolation aus und eine Schutzeinrichtung kann ansprechen.

Aber etwas gilt auch beim Hochspannungskabel. Die Isolation ist hier auch so ausgelegt worden, dass man das Kabel auch unter Spannung von aussen gefahrlos berühren kann. Ein Hochspannungskabel ist daher so ungefährlich, wie das Kabel des Staubsaugers. Trotzdem ist der Bereich aus Sicherheitsgründen nicht frei zugänglich. Sie sehen, wie gross man den Schutz des Personals im Bereich der Hochspannung gewichtet. Auf keinen Fall soll jemand damit in Berührung kommen.

Die Messeinrichtungen: Damit wir einige Informationen für das Bedienpersonal und die Signale für die Schutzeinrichtungen haben, sind in diesem Bereich spezielle Messeinrichtungen vorhanden. Diese kontrollieren, ob die Werte in der Leitung dem entsprechen, was sie sollten. Solche Messeinrichtungen sind auf jeder elektrischen Lokomotive vorhanden. Sie können jedoch nicht direkt an die Hochspannung angeschlossen werden. Der Grund ist bekannt, es muss ein Schutz vorhanden sein.

Damit man nun aber die Werte überprüfen kann und sich nicht mit der Hochspannung anlegen muss, schaltet man ein Bauteil dazwischen. Dieses Bauteil formt dann die Signale der Hochspannung um und schafft so spezielle Signale. Ich erkläre das an einem Beispiel: Beim Ölhauptschalter gibt es ein Blockierrelais. Das ist auf einen Strom von beispielsweise 4‘000 Ampère eingestellt. Für einen solchen Strom benötigt man ein sehr dickes Kabel. Daher reduziert man den Strom für das Relais und das erfolgt mit einem Primärstromwandler.

Um den erlaubten Strom in der Zuführung der Hochspannung überhaupt messen zu können, benötigt man den Primärstromwandler. Ein Wandler ist eigentlich ein Transformator, der jedoch viel genauer aufgebaut wurde, und nicht zum Umwandeln von grossen Leistungen ausgelegt ist. Die Funktion des Primärstromwandlers ist daher klar vorgegeben und er ist auf die Umwandlung von Strömen ausgelegt.

Einfach gesagt, misst der Primärstromwandler den Strom in der primären Stromleitung, die vom Dach und der dortigen Ausrüstung kommt. Diesen Strom wandelt er in einen messbaren und für normale Geräte geeigneten Strom um. Aus den in der Stromleitung fliessenden 600 Ampère wird so 1 Ampère für das Relais oder für ein Instrument. Verändert sich nun der Strom in der Leitung, verringert sich im gleichen Verhältnis der Strom im Messgerät, wir haben eine korrekte Anzeige ohne die Hochspannung.

Nur, was machen wir mit der Spannung? Einfach gesagt, wir machen eigentlich das genau gleiche. Statt einem Wandler für Ströme verwendet man nun aber einen Wandler für Spannungen. Genau hier findet sich der Unterschied zu einem normalen Transformator, denn der ist nicht so speziell aufgebaut, wie ein Wandler, denn ich kann ein Modell für Ströme nicht zum Messen von Spannungen verwenden, deshalb gibt es den Spannungswandler.

Beim Spannungswandler arbeitet man nach dem gleichen Prinzip wie beim Primärstromwandler. Hier macht man aber aus einer hohen Spannung eine geringere Spannung, die dann an einem Messgerät angezeigt werden kann. So werden zum Beispiel aus den 15‘000 Volt in der Fahrleitung 1.5 Volt beim Instrument. So haben wir auch hier eine Verringerung auf ungefährliche Werte. Sie sehen, es funktioniert genauso, wie beim Primärstromwandler.

Der Spannungswandler wird jedoch anders angeschlossen, als das beim Primärstromwandler, der einfach in das Kabel eingebaut wird, der Fall ist. Der Grund ist einfach, man kann Spannungen nur zwischen den beiden Polen messen. Daher muss der Spannungswandler an diese beiden Pole angeschlossen werden. Bei unserer Lokomotive ist das sicherlich das Hochspannungskabel als erster Pol. Der andere Pol bildet die Erdung des Fahrzeuges und somit der Boden.

Spannungswandler kommen nur auf Lokomotiven vor, die die Spannung auch bei ausgeschalteter Lokomotive anzeigen können. Er ist deshalb sogar noch vor dem Hauptschalter montiert worden. Bei Lokomotiven, die diese Möglichkeit nicht besitzen, wählte man dazu eine Lösung über den normalen Transformator. Womit wir wieder beim Verbraucher für unseren Hochspannungsbereich angelangt sind. Den Verbraucher müssen wir nun mit dem Boden verbinden, denn nur so entsteht ein geschlossener Stromkreis.

Die Erdung: Man spricht beim Anschluss auf den Boden auch von Erdung. Das ist in der Lokomotive erforderlich, denn der Strom muss ja wieder ins Kraftwerk geführt werden. Dazu schliesst man den Transformator, also unseren Verbraucher, ganz einfach am Boden, wo er drauf steht an. Damit haben wir nun einen Stromkreis, der von der Fahrleitung bis zum Boden im Maschinenraum führt. Wir müssen nun aber noch auf die Erde kommen und dort beginnen die Probleme.

Der Strom fliesst nun durch das Fahrzeug und sucht sich einen Weg zur Erde. Würde das Fahrzeug nicht geerdet sein, hätten wir die Situation, dass wir in der Lokomotive keine Probleme mit der Hochspannung hätten, sich diese aber zeigen würden, wenn wir die Lokomotive wieder verlassen. In dem Moment, wo wir mit dem Fuss den Boden berühren, erleiden wir einen tödlichen Stromschlag. Diese Gefahr muss daher gebannt werden.

Daher besitzt die Lokomotive Räder, die aus Stahl gefertigt wurden. Der Strom kann nun vom Kasten aus über die Lager zum Boden und so ins Kraftwerk abfliessen. Ein Problem für den Strom ergibt es so nicht, denn die Schmiermittel leiten den Strom. Probleme bekommen jedoch die Lager, denn die werden durch den Strom, der durch sie fliesst, beschädigt. Daher muss man darauf achten, dass der Strom an den Lagern vorbei fliesst. Dazu nutzt man den Weg des geringsten Widerstandes.

Erdungsbürsten haben eigentlich mit der Bürste, die sie in Ihrem Haushalt kennen, nicht viel gemeinsam. Mit Hilfe dieser Erdungsbürsten baut man für den Strom eine Umleitung.

Der Strom fliesst dann nicht mehr durch die Lager. Damit er die Umleitung auch nutzt, werden die Erdungsbürsten aus gut leitendem Material gebaut. Wer will schon durch ein schmieriges Lager schlüpfen, wenn er daneben eine wunderbare Leitung hat.

Diese Erdungsbürsten verbinden deshalb unseren Verbraucher direkt mit dem Rad und somit mit der Schiene. Der Strom kommt so gar nicht in Versuchung den Weg durch die Lager zu nehmen.

Da diese Erdungsbürsten am Rad schleifen, sind sie einem gewissen Verschleiss unterworfen. Es kann daher passieren, dass sie das Rad nicht mehr berühren.

Die Lokomotive würde nun unter Hochspannung stehen und wir könnten sie nicht mehr verlassen ohne einen Stromschlag zu erleiden.

Deshalb werden immer mehrere Erdungsbüsten montiert. Die Erdungsbüsten sind in der Länge zudem unterschiedlich lang.

Liegt eine der Bürsten nicht mehr am Rad, fliesst der Strom über die verbleibenden Bürsten. Im Unterhalt wird dann einfach eine neue Bürste mit maximaler Länge eingebaut.

So ist gesichert, dass immer Bürsten mit unterschiedlichen Längen montiert sind. Eine einzelne Bürste kann den gesamten Strom leiten.

Da wir nun wieder auf dem Boden angelangt sind, hat sich unser Weg durch den unter Hochspannung stehenden Bereich erledigt. Wir wissen nun, dass der Strom aus der Fahrleitung über Stromabnehmer, Dachleitung, Hauptschalter und Verbraucher zu den Erdungsbüsten in den Boden fliesst.

Deshalb wird es Zeit, dass wir den Verbraucher etwas genauer ansehen. Dieser Verbraucher war bei den Lokomotiven für Wechselstrom der Transformator. Bei Lokomotiven für Gleichstrom ist das etwas anders, aber das werden wir später kennen lernen.

Interessieren Sie sich nur für Gleichstrom, können Sie den nächsten Abschnitt getrost übergehen und sich gleich zur klassischen Regelung der Spannung wechseln.

 

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