Oberleitung
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Eine Oberleitung oder Fahrleitung dient bei Bahnen und O-Bussen zur Fahrstromversorgung von elektrischen Triebfahrzeugen. Im Prinzip besteht eine Oberleitung aus einem Spezialdraht, der an Masten in geeigneter Höhe über den Gleisen angeordnet ist. Auf den elektrischen Triebfahrzeugen befinden sich dann Stromabnehmer, die während der ganzen Fahrt in Berührungskontakt mit dem Oberleitungsdraht stehen und den Strom von dort in die elektrische Steuer- und Antriebsanlage des Fahrzeugs leiten.
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[Bearbeiten] Versorgung
Zum System von Oberleitungen gehören Unterwerke, die in Abständen von (bei Fernbahnen) 60-80 km an den Strecken angeordnet sind und von denen die Oberleitung abschnittsweise aus dem nationalen Verbundnetz oder einem eigenen Bahnstromnetz gespeist wird. In Gleichstrom-Netzen beträgt der Unterwerksabstand wegen der wesentlich niedrigeren Spannung und den damit höheren Stromstärken und Leitungsverlusten maximal 25 km.
Die elektrische Spannung in Oberleitungen beträgt einige hundert Volt bei Straßenbahnen sowie O-Bussen und bis zu 50.000 Volt bei Vollbahnen und Industriebahnen.
[Bearbeiten] Fahrdraht
Die spezielle Beschaffenheit eines Fahrdrahtes hängt von verschiedenen Faktoren ab, die bei jeder Bahn anders sein können. Insbesondere beeinflussen die zu übertragende Stromstärke, die Spannweite zwischen den Aufhängepunkten, die alleinige Verwendung als Einzeldraht oder die Verwendung zusätzlicher Tragseile sowie auch die Art der Fahrzeug-Stromabnehmer die Zusammensetzung, Form und Dicke des verwendeten Fahrdrahtes.
Er besteht normalerweise an der Oberfläche aus elektrisch gut leitendem Kupfer, entweder chemisch rein oder mit geringem Cadmiumanteil. In Zeiten des Kupfermangels sind auch Experimente mit Aluminium- und Stahlfahrdrähten unternommen worden, die jedoch unbefriedigend waren. Zur Verstärkung der Zugfestigkeit kann der Fahrdraht neben dem Kupfermantel auch eine „Seele“ aus Stahldraht enthalten.
In Gleichstromnetzen können fallweise, wegen der dort auftretenden höheren Stromstärken zwei in geringem Abstand parallel geführte Fahrdrähte verwendet werden.
[Bearbeiten] Masten
Die Maste der Oberleitung können aus Holz, Stahlbeton oder Stahl gefertigt sein. Holzmaste werden in Deutschland kaum noch verwendet, kommen aber in einigen lawinengefährdeten Gebieten der Schweiz zum Einsatz.
Bei modernen Oberleitungsmasten hängt der Fahrdraht meist an einen Ausleger. Bei vielen parallel nebeneinanderlaufenden Leitungen in Bahnhöfen etc. werden statt einzelner Masten neben jedem Gleis Portale oder Querspannfelder von Tragseilen verwendet, an denen mehrere Gleise mit Fahrdrähten überspannt werden.
Oberleitungsmaste können neben der Oberleitung auch noch weitere Leitungen tragen. Gelegentlich tragen sie auf Traversen oberhalb der Leiterseile noch Zuleitungen (Bahnstromleitungen) von der Schaltstelle oder vom Unterwerk zu entfernteren, separat zu speisenden Oberleitungsabschnitten. Aus statischen Gründen wird hierbei entweder nur ein Stromleiter auf der Mastspitze verlegt oder die Bahnstromleitung wird in Zweiebenenanordnung auf Traversen aufgehängt.
[Bearbeiten] Erdung
Eine Erdung aller im Oberleitungsrißbereich befindlichen leitfähigen Teile ist als Sicherheit gegen gefährliche Berührungsspannungen im Falle eines Fehlers notwendig. Prinzipiell wird jeder Mast und jeder elektrisch leitende Anlagenteil (dazu gehören auch Brückengeländer u.ä.) mit einem eigenen Erdkabel unmittelbar mit der Schiene verbunden. Auch Spannbetonmaste (Bewehrung aus Stahl) und deren leitende Anbauteile werden mittels einer Bahnerde mit der Schiene verbunden. Im Falle eines Kurzschlusses wird somit eine automatische Abschaltung der Oberleitung erreicht. Zusätzlich wird häufig ein Erdseil entlang der Strecke an der gleisabgewandten Seite der Oberleitungsmasten angebracht. Dies dient als Sicherheitsvorkehrung für den Fall, dass (z.B. während Bau- oder Unterhaltsarbeiten) die einzelne Erdung eines Mastens beschädigt wird. Über das Erdseil wird jeder Oberleitungsmast mit seinen Nachbarn verbunden. Außerdem verbessert das Erdseil die Rückleitung des Stromes zum einspeisenden Unterwerk, die normalerweise über die Schiene erfolgt.
[Bearbeiten] Fahrleitungssysteme
[Bearbeiten] Einfachfahrleitung
Vor allem bei Straßenbahnen, vereinzelt aber auch auf Vollbahnen, die preiswert elektrifiziert werden sollten, wird eine mechanisch einfache Konstruktion verwendet. Dabei wird beispielsweise auf zusätzliche Tragseile und aufwendige Spann- und Dämpfungskonstruktionen verzichtet. Elektrische Spannung und räumliche Spannweiten sind jeweils kleiner als bei aufwendigeren Fahrleitungssystemen. Mangels Schwingungsdämpfung sind die erreichbaren Geschwindigkeiten auf ca. 100 km/h begrenzt.
Die Einfachfahrleitung wurde vor allem bei Betrieb mit Rollenstromabnehmern verwendet. Eine "Entgleisung" des Stromabnehmers ist dabei eine gelegentlich zu beobachtende typische Erscheinung. Da die Leitung nicht im "Zick-Zack" geführt werden muss, ist die Schwingneigung jedoch geringer. Heute wird die Einfachfahrleitung in manchen Innenstädten verwendet, damit die Oberleitung optisch weniger stört. Hier ist meist ohnehin eine niedrige Fahrgeschwindigkeit gefordert.
[Bearbeiten] Kettenfahrleitung der Deutschen Bahn AG
[Bearbeiten] Kettenfahrleitung
Kettenfahrleitung (auch Kettenwerk genannt) ist die Regel- Oberleitungsbauform bei der DB. Sie besteht aus dem Fahrdraht, dem Tragseil, Hängern, Beiseilen und Stromverbindern die zur Gleislängsachse beweglich abgespannt sind. Durch die Kettenwerksbauform sind größere Feldspannweiten zwischen den Stützpunkten möglich. Der Durchhang des Fahrdrahtes kann somit reguliert werden. Der Einbau eines Beiseils (sogenanntes Y-Beiseil) ermöglicht eine größere Elastizität der Fahrleitung wodurch größere Geschwindigkeiten von Elektro-Triebfahrzeugen erfolgen können.
[Bearbeiten] Fahrdraht und Tragseile
Der üblicherweise verwendete Rillenfahrdraht hat einen grundsätzlich kreisförmigen Querschnitt, aus dem in der oberen Hälfte zwei V-förmige Rillen so ausgespart sind, dass dort Halteklemmen eingreifen können. Durch diese Konstruktion wird eine störende Berührung der Aufhängungselemente durch die Treibfahrzeug-Stromabnehmer vermieden. Gängige Querschnittsflächen sind 80 oder 100 Quadratmillimeter (Durchmesser ca. 10-12 mm, das Gewicht ca. 0,9 kg/m) ; in Bahnhöfen der DB AG werden Querschnitte von 120 mm² verwendet.
Die Hilfstragseile sind aus Bronze gefertigt. Zusammen wiegen die Seile etwa 1,4 Tonnen pro Streckenkilometer.
[Bearbeiten] Aufhängung und Führung
Es werden im Regelfall Stahlgittermaste verwendet; Maste aus Schleuderbeton kommen hauptsächlich für die Neubaustrecken zur Anwendung.
Der Fahrdraht hängt meist an einer Auslegerkonstruktion aus mehreren Rohrstäben, die etwa die Form eines liegenden „N“ haben. Die unteren Endstücke der Ausleger haben wechselnd unterschiedliche Längen, so dass die Fahrdrähte in der horizontalen Ebene im Zickzack verlaufen. Damit wird das Einschleifen von Rillen in die Schleifstücke der Stromabnehmer vermieden. In Deutschland und Österreich sind Abstände von 400 mm beiderseits der Mittellinie üblich, in der Schweiz Abstände von 200 mm. Daher sind die Schleifstücke und damit auch die Stromabnehmer der Bahnen in Deutschland und Österreich breiter als in der Schweiz.
Ein Tragseil trägt den eigentlichen Fahrdraht und hält ihn einigermaßen gerade über dem Gleis. Dabei hängt das Tragseil in einer Kettenlinie durch; die Hänger, an denen der Fahrdraht am Tragseil aufgehängt ist, sind unterschiedlich lang, so dass der Fahrdraht annähernd horizontal verläuft (daher die Bezeichnung "Kettenfahrleitung"). Um die beim schnellen Durchgang von Stromabnehmern entstehende Fahrdrahthebung zu dämpfen, ist die Aufhängung des Tragseils flexibel ausgeführt. Zwischen Ausleger und Seil sind daher zwei schwenkbar angelenkte Seitenhalter eingebaut.
Die Tragseil-Aufhängung reicht allein nicht aus, um den Fahrdraht vor allem auch bei Stromabnehmerberührung und Wärmedehnung in gerader Lage zu halten. Daher wird der Fahrdraht zusätzlich straff gespannt. Dies geschieht für die maximal 1,5 km langen Abspannabschnitte des Fahrdrahts durch Spannvorrichtungen an den Masten, die Tragseil und Fahrdraht getrennt spannen. Früher waren dies meist Hebelwerke, heute wird der Fahrdraht an seinem Ende über eine Rolle nach unten geführt und mit Zuggewichten gespannt (sog. Radspanner). Die Zuggewichte sind dabei aufeinandergestapelte Beton- oder Stahlringe, die im Jargon "Kekse" heißen.
Die jeweils nicht fortlaufend verbundenen Fahrdrahtabschnitte werden von oder zu den Befestigungspunkten am Mast bzw. den Spanngewichten seitlich so heraus- oder in den nächsten Streckenabschnitt hineingeführt, daß an den Übergangsstellen eine Längs-Überlappung mit dem Fahrdraht des nächsten bzw. voraufgehenden Abschnitts besteht. Der Stromabnehmerbügel berührt hierbei jeweils mindestens einen der mit einem kurzen Litzenstück elektrisch miteinander verbundenen Fahrdrähte. So wird entlang der Kette der separaten Fahrdrahtabschnitte eine ununterbrochene elektrische Versorgung gewährleistet.
[Bearbeiten] Mehrpolige Fahrleitungen
Die Oberleitung von Bahnen ist meist einpolig ausgeführt, die Rückleitung des Stromes erfolgt dann über die metallenen Räder und die Schienen zur Versorgungsstation (Unterwerk). O-Busse (Trolley-Bus) müssen wegen der Gummireifen und fehlender Rückleitung durch metallene Schienen eine zweipolige Oberleitung verwenden. Ebenso haben sehr frühe Trambahnen ebenfalls eine zweipolige Oberleitung verwendet, da die Rückleitung über die Schiene erst später eingeführt wurde. Die erste Straßenbahn von Siemens in Berlin verwendete jedoch noch beide Fahrschienen als getrennte Zuleitung zum Fahrmotor, wobei Streustromfluß durch die Holzschwellen und durch das Erdreich in Kauf genommen wurden.
Es gab auch Bahnen mit zweipoliger Gleichstrom-Oberleitung und einem neutralen Mittelleiter über die Fahrschiene, wie die Chemin de fer de la mure.
Bei früheren Versuchsfahrten mit Drehstrom-Fahrzeugen wurden dreipolige Fahrleitungen neben dem Gleis übereinandeliegend angeordnet und dazu seitlich in drei Ebenen angebrachte Schleifbügel an den Triebfahrzeugen verwendet. Diese an sich sehr günstige Antriebsart mit einfachen Drehstrommotoren konnte nicht weiter ausgebaut werden, weil diese Anordnung keinen ununterbrochenen Einsatz über Weichen und Kreuzungen zulässt.
Die ehemalige italienische Staatsbahn FS hatte von 1905 bis 1976 in Norditalien ein Drehstrom-Fahrleitungsnetz mit einer Spannung von 3.600 Volt und einer Frequenz von 16,67 Hertz. Die Oberleitung bestand hier aus zwei horizontal nebeneinander angeordneten Fahrdrähten, für die auf den Lokomotiven jeweils auch zwei nebeneinander angeordnete Stromabnehmerbügel vorhanden waren. Die Fahrschiene bildete dabei den dritten elektrischen Pol des Dreiphasensystems. Einige Zahnradbahnen in der Schweiz (Jungfraubahn, Gornergrat-Bahn) benutzen noch (Stand 2006) das gleiche System.
Moderne drehstrombetriebene Lokomotiven erzeugen ihren Motorantriebsstrom heute mit bordeigenen Umrichtern aus dem einphasigen Fahrleitungsstrom.
[Bearbeiten] Varianten und verwandte Systeme
In der Anfangszeit des elektrischen Bahnbetriebs wurden teilweise sogenannte Schlitzrohrfahrleitungen verwendet. Diese bestand aus einem oder zwei geschlitzten Rohren über dem Gleis, in denen als Stromabnehmer vom Fahrzeug geführte Metallschiffchen entlangglitten.
Stromschienen haben den gleichen Zweck wie Oberleitungen, werden jedoch meist neben dem Gleis montiert. Sie werden bei Stadtschnellbahnen eingesetzt, um das Lichtraumprofil auf Strecken mit vielen Tunneln oder vielen Brücken über der Strecke klein zu halten, oder bei Strecken, auf denen wegen Lawinengefahr die Aufstellung von Fahrleitungsmasten ungünstig erscheint (Beispiel: Strecke Martigny (CH) - St. Gervais (F)).
Für Tunnelabschnitte auf Neubaustrecken zeichnet sich als mögliche Alternative zur Fahrleitung die Deckenstromschiene ab. Brandversuche zeigen die wesentlich bessere Widerstandsfähigkeit gegen Feuer, was für die Evakuierung von Zügen im Brandfall von besonderer Bedeutung ist. Zum Einsatz kommt die Deckenstromschiene zum Beispiel auf einem 2,2 km langen Abschnitt auf der Strecke Wien - Salzburg, im Zürcher S-Bahnhof oder im neuen Tiergartentunnel in Berlin.
Bei der Murgtalbahn wurde in vielen Tunneln eine Deckenstromschiene eingesetzt, da die Strecke erst nachträglich elektrifiziert wurde und so durch die geringere Bauhöhe auf eine Erweiterung des Lichtraums verzichtet werden konnte.
[Bearbeiten] Oberleitungskontakte
Speziell bei Straßenbahn, aber auch bei Vollbahnen können an der Oberleitung Kontakte angebracht sein, mit denen beispielsweise die Gleisbesetztmeldung erfolgt. Bis Mitte der 90er Jahre erfolgte bei Straßenbahnen auch häufig die Steuerung der Weichen über diese Oberleitungskontakte, wobei über die Stromaufnahme der Straßenbahn die Weichenstellung beeinflusst werden konnte. Je nachdem, ob die Straßenbahn mit Strom gefahren oder ohne Strom gerollt ist, konnte die Stellung der Weiche geändert werden (wie genau, unterschied sich zwischen den einzelnen Betrieben). Aufgrund der Elektrik moderner Straßenbahnen, die häufig zu fehlerhaften Schaltungen führte, ist dies jedoch in Deutschland inzwischen verboten.
[Bearbeiten] Oberleitung bei Modellbahnen
Für fast alle gängigen elektrisch betriebenen Modellbahnen sind auch (in der Regel unmaßstäbliche) Oberleitungen verfügbar. Diese ermöglichen nicht nur einen vorbildgetreuen Betrieb von Modellen von Elektroloks und Elektrotriebwägen, sondern auch eine Verdoppelung der Zahl unabhängig steuerbarer Fahrzeuge, da zwei getrennte Stromkreise zur Verfügung stehen (in Zeiten der digitalen Mehrzugsteuerung verliert dieser Aspekt aber immer mehr an Bedeutung). Es werden je nach Vorbild alle Bauarten einpoliger Oberleitungen verwendet. Modellbahnen mit zwei- oder dreipoligen Oberleitungen werden nicht angeboten, da solche Systeme beim Vorbild nur sehr selten vorkommen.
