Sicherung der Technik

Lokomotiven und andere Schienenfahrzeuge sind gewissen Gefahren ausgesetzt. Diese technisch bedingten Gefahren sind sowohl mechanisch begründet, als auch elektrisch bedingt. Bei den mechanischen Gefahren kann es eine zu hohe Drehzahl sein, die zu Problemen führen kann, weil Befestigungen nicht mehr ausreichend bemessen wurden und so das Gerät durch die Fliehkräfte zerrissen werden könnte. Sie sehen durchaus realistische Probleme.

Geräte und Anwendungen mit elektrischen Funktionen müssen sogar vor sich selber geschützt werden. An den elektrischen Bauteilen können jederzeit Schäden entstehen.

Dann entsteht darin ein Kurzschluss und die Leistung steigt rapide an. Die Folgen davon sind, dass das Fahrzeug eventuell in Brand geraten könnte. Neben den möglichen Opfern ist auch das Fahrzeug selber ein Problem, das gelöst werden muss.

Aus diesem Grund werden auf Lokomotiven und anderen Schienenfahrzeugen Schutzvorkehrungen getroffen. Dabei müssen wir die Triebfahrzeuge und die angehängten Wagen unterschieden.

Bei den Triebfahrzeugen bin ich eigentlich nur gelandet, weil diese über umfangreichere Lösungen verfügen müssen, als zum Beispiel ein Wagen, der nur rollen kann und daher kaum zu Problemen mit zu hohen Drehzahlen kommen kann.

In die elektrischen Leitungen werden Schutzelemente eingebaut. Diese verhindern, dass ein Kurzschluss lange anstehen kann.

Diese Einrichtungen gibt es überall und sie kennen diese vermutlich sogar in ihrem Haus. Dazu gehören die Sicherung, das Schaltautomaten und den Fehlerstromschalter. Diese Bauteile machen Ihre Wohnung sicher vor den Gefahren der Elektrizität. Gerade der Fehlerstromschalter ist dabei eine wichtige Bereicherung.

Dabei kommen diese Baugruppen durchaus auch bei Schienenfahrzeugen zum Einsatz. Diese Geräte schützen die Fahrzeuge bei geringen Spannungen ebenso zuverlässig, wie bei Ihnen zu Hause. Was ist jedoch, wenn es im Bereich höherer Spannung zu Problemen kommt? Dann sind womöglich andere Lösungen angebracht und diese funktionieren so, wie bei den geringen Spannungen. Mur geht man hier einen etwas anderen Weg.

 

Mechanischer Schutz

Ich beginne mit dem mechanischen Schutz von Fahrzeugen. Dieser verhindert, dass ein Fahrzeug zu schnell rollen kann. Diese Gefahr besteht in erster Linie bei Triebfahrzeugen. Dort werden Zugkräfte aufgebaut, die in Beschleunigung umgewandelt werden, wenn die Haftreibung zu gering ist. Die Folge ist, dass das Rad leer durchgedreht und die Drehzahl auf einen zu hohen Wert ansteigt.

Sie werden vermutlich überrascht sein, aber der beste Schutz in diesem Bereich ist der Mensch. Mit seinem Gehör kann er die geringsten Veränderungen beim Geräusch von sich drehen Objekten hören. So kann ein geschultes Gehör optimal arbeiten, wenn das Verständnis für die Technik beim Besitzer vorhanden ist. So kann ein Mensch besser reagieren, als es der Technik möglich ist. Der Grund ist, dass der Mensch die erwartete Situation einschätzt und reagiert.

Kraftschlussregelung: Eine Lösung um das Problem mit den durchdrehenden Rädern in den Griff zu bekommen ist die Kraftschlussregelung. Diese Einrichtung überwacht die von den Fahrmotoren übertragenen Zugkräfte anhand der Drehzahlen. Mit dieser Lösung können auch unterschiedliche Ansteuerungen der einzelnen Achsen verwirklicht werden. Das führt zu einer möglichst optimalen Ausnutzung.

Die Kraftschlussregelung ergreift keine aktiven Gegenmassnahmen. Sie basiert darauf, dass die Zugkraft mit dem Vergleich der Drehzahlen optimal auf das Gleis übertragen werden kann.

Dabei werden die Drehzahlen immer wieder verglichen und die Zugkraft entsprechend angepasst. Mit zunehmender Dauer der Regelung sollten die Probleme mit der Haftreibung langsam zurückgehen und eine optimal Fahrt entstehen.

Angewendet wird die Kraftschlussregelung in erster Linie bei Fahrzeugen mit Drehstrommotoren, die diese Lösung auf Grund des Aufbaus unterstützen und sich selber vor zu hohen Drehzahlen schützen.

Der Grund liegt bei der durch die Frequenz vorgegebenen Drehzahl. Das hat automatisch zu Folge, dass er sich automatisch einregelt. Nur, bei sehr hohen Kräften funktioniert diese Lösung nur bedingt.

Bis die Kräfte einreguliert sind, konnte es zu Überschreitungen der Drehzahlen. Da die Kraft-schlussregelung erst reagieren kann, wenn eine Achse durchdreht, ist es oft schon zu spät.

Dann geht die Achse durch und die Frequenz wieder stark zurückgesteuert. Dadurch kommt es zu einem Einbruch der Zugkraft. Diese wird danach aufgebaut, bis das Rad wieder ausrutscht. Die Sache wiederholt sich so lange, bis es stimmt.

Als Vergleich nehme ich Sie mit Ihrem Wagen im Winter. Sie fahren auf einer verschneiten Strasse. So lange sie geordnet fahren, passiert nichts. Bricht der Wagen jedoch aus, können Sie erst reagieren, wenn es schon passiert ist. Sie reduzieren danach die Geschwindigkeit deutlich und steigern sie bis zu einem Punkt, wo der Wagen nicht mehr ausbricht. Das gelingt Ihnen vermutlich nie auf Anhieb.

Der grösste Nachteil der Kraftschlussregelung ist, dass sie mit konventionellen Motoren nicht so gut funktioniert, da sich diese nicht selber einregulieren können. Hier muss man zu einer anderen Lösung greifen, denn auch mit solchen Motoren muss man einen Schutz vor dem plötzlichen Schleudern finden. Daher gab man dem Bauteil sogar genau diesen Namen. Ich spreche dabei von der besser funktionierenden Schleuderschutzeinrichtung.

Schleuderschutzeinrichtung: Mit dem etwas langen Begriff Schleuderschutzeinrichtung ist eine technische Lösung für das Problem von durchdrehenden Rädern gemeint. Diese funktioniert auf zwei unterschiedliche Arten und reagiert bei entsprechenden Situationen automatisch. Eingebaut werden muss aber so eine Einrichtung nur in Fahrzeugen, die ferngesteuert werden können. Ein Mensch und dessen Gehör ersetzt auch die beste Anlage nicht.

Schleuderschutzeinrichtungen werden meistens abgekürzt als Schleuderschutz bezeichnet. So ein Schleuderschutz reagiert auf Fehler bei den Drehzahlen. Diese versucht er mit geeigneten Massnahmen einzudämmen. Dabei kommen zwei unterschiedliche Messmethoden zur Anwendung. Beginnen werden wir diese Messung mit einer etwas einfacheren Lösung, die aber ebenfalls funktioniert.

Die Ströme an den Fahrmotoren werden gemessen und untereinander verglichen. Diese sollten auf Grund des Aufbaus einer Lokomotive gleich sein. Ist das nicht der Fall, geht man davon aus, dass eine Achse zu schnell dreht.

Man kann dann zu den Gegenmassnahmen ergreifen und so die Ströme wieder ausgleichen. Diese Lösung ist jedoch sehr ungenau, daher werden in der Regel die Drehzahlen direkt verglichen und so feiner reagiert.

Stimmen die Drehzahlen nicht, reagiert diese Einrichtung. Das heisst, es wird in den meisten Fällen zuerst eine Warnung herausgegeben. Dadurch ist es dem Bedienpersonal möglich, die ersten Gegenmassnahmen manuell vorzunehmen.

Das kann zum Beispiel sein, dass man Quarzsand auf die Schienen streut und so die Haftreibung verbessert. Diese Phase nennt man Stufe 1. Es wird vor einem möglichen Problem gewarnt.

Reichen die Gegenmassnahmen des Personals nicht aus, dann reagiert die Einrichtung selber.

Das kann dabei sein, dass die Bremse der betreffenden Achse angelegt wird. Dadurch steigt dort der Reibungswiderstand und die Achse wird gebremst. Dieser mit Stufe 2 bezeichnete Schritt kann sogar vom Personal unterstützt werden, so dass auch jetzt eine manuelle Lösung bereitgestellt werden kann.

Bei der dritten und letzten Stufe wird die Zugkraft reduziert. Dabei kommt es je nach Bauweise zu unterschiedlichen Situationen. Bei einigen Anlagen ergänzt die Steuerung die Zugkraft automatisch, wenn der Schleuderschutz nicht mehr aktiv ist. Andere Lösungen gehen davon aus, dass die Zugkraft manuell ergänzt wird. Letztlich aber soll verhindert werden, dass die Achsen zu schnell drehen können. Die Lösung hat bisher ein Problem.

Die Lösung mit der Kontrolle der Ströme kann anhand dieser, die effektive Drehzahl der Fahrmotoren nicht erfassen. Daher muss hier die Überwachung durch die Drehzahlen erfolgen. Dort ist es auch möglich einzugreifen, wenn alle Achsen zu schnell drehen. Diese Einrichtung wird meistens im Schleuderschutz integriert und ist daher die vierte Stufe des Schleuderschutzes. Dabei handelt es sich um den Überdrehzahlschutz.

Der Überdrehzahlschutz verhindert wirksam, dass Achsen zu schnell drehen können. Das macht es mit rudimentären Lösungen. Mit anderen Worten, in diesem Fall wird durch den Schleuderschutz die Zugkraft abgeschaltet. Das erfolgt in der Regel durch ausschalten des Hauptschalters. Dadurch fällt die Zugkraft aus und die Achsen sollten automatisch wieder langsamer drehen und sich so einpendeln.

 

Elektrischer Schutz

Elektrische Schutzeinrichtungen muss ich Ihnen eigentlich nicht vorstellen. Diese kennen Sie, denn in jedem Haus gibt es einen Schrank, in dem entweder die alten Sicherung oder in neuen Anlagen die Schalter mit den bunten Klappen, die man einfach umlegen kann. Gerade letztere Anlagen werden in der Regel mit einem Fehlerstromschalter ergänzt. Nur, was davon kennt man bei Fahrzeugen der Eisenbahn?

Auf Lokomotiven kann man diese Fehlerstromschalter eigentlich nicht einsetzen, denn sie reagieren sehr empfindlich. Daher muss man bei Lokomotiven eine andere Lösung für das Problem der Ströme, die nicht über den regulären Leiter geführt werden, in den Griff zu bekommen, finden. Diese Lösung fand man und dabei griff man zu einem etwas moderaten Verwandten des Fehlerstromschalters. Richtig, genau zu der Lösung, die nicht gehen soll.

Schutzrelais: Ein Schutzrelais, oder einfach nur Relais, ist ein elektromagnetischer Fernschalter. Bei einem Schutzrelais handelt es sich jedoch um ein Relais, das die Aufgabe hat, einen Strom oder eine Spannung zu überwachen und allenfalls eine Schutzschaltung zu aktivieren. Der heute im elektrischen Bereich bekannte Begriff Relais leitet sich übrigens von den Relaisstationen der Post ab.

Bei den Relaisstationen der Post, wurden grundsätzlich Schaltungen vorgenommen. Dieser erfolgten aber nicht so, wie wir es heute verstehen, denn man schaltet in die Transportwege neue Pferde ein.

Daher eine Art Schalter in der Ferne. Doch kommen wir wieder zu den elektrischen Lösungen und dabei beginne ich mit dem Fehlerstromschalter, den es bei den Triebfahrzeugen mit einer etwas anderen Lösung auch gibt.

Man nennt die Einrichtung zum Schutz vor Verbindungen zur Erde auf Lokomotiven Erdschlussrelais. Dieses spricht an, wenn es eine elektrische Verbindung zwischen dem Rückleiter und dem Erdleiter gibt.

Grundsätzlich findet in einem Fehlerstromschalter die genau gleiche Handlung statt. Die Lösung bei den Lokomotiven reagiert einfach viel langsamer. Auch jetzt wird jedoch eine Auslösung aktiviert. Die Folgen sind je nach Fahrzeug anders.

Bei der Kontrolle einer bestimmten Spannung spricht man hingegen von einem Minimalspannungsrelais. Dabei ist dieser Begriff aber irreführend, denn es kann auch sein, dass damit zu hohe Spannungen ebenfalls überwacht werden.

In jedem Fall ist eine von der Norm abweichende Spannung sehr gefährlich, so dass in diesem Fall das Triebfahrzeug aus Gründen der Sicherheit ausgeschaltet wird.

Neben den Relais gibt es auf Lokomotiven aber noch andere elektrische Schalter und Schutzeinrichtungen. Dabei gibt es zwei Lösungen, die Sie bei sich zu Hause eventuell auch finden. Dabei ist es bei Ihnen, wie bei den Triebfahrzeugen, denn ältere Anlagen unterscheiden sich von neueren Ausführungen. Beginnen wir dabei mit der älteren Lösung, die in den Gebäuden zum Teil schon längst der Vergangenheit angehört.

Eine Schmelzsicherung ist eine in den elektrischen Leiter eingebaute Schwachstelle. Diese besteht aus einem dünnen Draht, der meistens in einem Gehäuse aus Keramik eingebaut ist. Übersteigt der Strom den Wert für den Draht, schmilzt dieser und die elektrische Leitung wird unterbrochen. Dabei wird die Schmelzsicherung jedoch zerstört und muss repariert oder weggeworfen werden.

Bei moderneren Anlagen und neueren Triebfahrzeugen kommen jedoch in diesem Fall Lastschalter zur Anwendung. Diese Lastschalter lösen ebenfalls bei einem zu hohen Strom aus und kommen in den meisten Fällen zur Anwendung. Gegenüber den Schmelzsicherungen haben sie, trotz der gleichen Reaktion, den Vorteil, dass sie nicht zerstört werden. Ein Lastschalter kann danach wieder eingeschaltet werden.

Bei der Eisenbahn kommen jedoch auch Lastschalter vor, die einfach in der Lage sind hohe Belastungen zu schalten. Diese haben dabei keine Sicherheitsfunktion. Das kann mitunter zu Problemen führen, wenn man eine Reparatur melden muss, denn was ist nun passiert. Ist ein Lastschalter zum Schutz oder zur Schaltung defekt. Daher werden die Lastschalter zum Schutz vor zu hohen Strömen bei der Eisenbahn oft anders bezeichnet.

Leistungsschutzschalter ist der korrekte Begriff für einen Schalter, der bei zu hoher Belastung ausschaltet. Da der Begriff lange ist, wird in diesem Zusammenhang meistens die Abkürzung LLS verwendet. Dabei unterschieden sich diese Schalter auf modernen Lokomotiven nicht von den Lastschaltern, die in den Gebäuden Anwendung finden. Einzig die Bezeichnung ist unterschiedlich.

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