Rückströme über die Erde treten bei Wechsel- und bei Gleichstrombahnen auf. An den Ein- und Austrittsstellen entstehen Berührungsspannungen, die zu Personengefährdung führen können. Die Grenzwerte für Berührungsspannungen sind in EN 50122-1 und EN 50122-3 definiert. Bei Gleichstrom ist der Erdanteil des Rückstroms als Streustrom zu betrachten, der zu Korrosion von Metallstrukturen führen kann. Messtechnische Nachweise der Grenzwerte sind aufwendig und bei nicht zugänglichen Anlageteilen auch nicht durchführbar. Das Computermodell Erdungs- und Rückleitungssysteme elektrischer Bahnen (ERS) kann die Einhaltung der Grenzwerte bereits in der Planungsphase prüfen. Berechnungsverfahren mit Gleichungen der Elektrotechnik und vereinfachter Modellierung der Geometrien sind schnell, beschränken sich jedoch auf einfache Modelle. Zerlegung der Strukturen in kleine Elemente und anschließende Lösung der Maxwellschen Gleichungen erfordern einen hohen Rechenaufwand. Für ERS-Berechnungen wurde deshalb von Balfour Beatty Rail das Erdungs-Modellierungs-Programm (EMM) entwickelt. EMM verwendet Finite Element Ansätze in Verbindung mit vereinfachter Modellierung der ERS-Elemente. Die Annahmen und Vereinfachungen gelten für das Erdreich, die Konstruktionsteile und für die Verknüpfung von Potentialen und Ladungen mit Strömungsfeldern und Ableitströmen. Die Modellierung von ERS erfolgte mit MATLAB: Identifizierung aller leitenden Objekte, Aufteilung in rechteckige Teilflächen, Spiegelung der Teilflächen an der Erdoberfläche, Aufstellung der Matrixgleichung und Koeffizientenberechnung, Aufstellung der Randbedingungen für Ströme und Spannungen, Lösung der Gleichungen für die ersten Schritte, Aufsummierung der Ströme, Berechnung der Potentiale an ausgewählten Punkten der Erdoberfläche. Zur Validierung von EMM wurden mehrere Modelle mit ANSYS Maxwell berechnet. Die Abweichungen waren kleiner 2 % für die Ausbreitungswiderstände und kleiner 7 % für den Streustromfluss. EMM wurde erstmals bei der Planung der Neubaustrecke Ebensfeld-Erfurt (44 km Länge) eingesetzt.
Modellierung von Erdungs- und Rückleitungssystemen elektrischer Bahnen
Modelling of earthing and return current systems of electric railways
eb - Elektrische Bahnen ; 112 , 6 ; 355-360
2014
6 Seiten, Bilder, 14 Quellen
Article (Journal)
German
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