Phoenix Contact Deutschland GmbH

Bahntechnik ist Witterungen ausgesetzt und muss unter anderem gegen etwaige Blitzeinschläge gewappnet sein.

Bild: Unsplash, Denny Müller

Überspannungsschutz Bahntechnik vor Blitz und Donner schützen

11.09.2020

Ein sicherer und hochverfügbarer Bahnbetrieb erfordert Qualität, Lebensdauer und Zuverlässigkeit aller Komponenten. Einen signifikanten Beitrag dazu leistet der Blitz- und Überspannungsschutz. Was es dazu zu wissen gibt und wie ein Unternehmen Bahnprojekte schon seit 1985 sicher auf den Weg – beziehungsweise die Schiene – bringt.

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Mit dem Einzug der Automatisierung und den elektronischen Stellwerken (ESTW) in den Bahnbetrieb Anfang der 1980er Jahre sahen sich die Infrastrukturbetreiber mit Ausfällen der empfindlicheren Elektronik aufgrund von Einkopplungen über die Außenanlagen konfrontiert. Damit entstand der Bedarf, Blitz- und Überspannungsschutz in die Infrastruktur der Leit- und Sicherungstechnik zu integrieren. Denn ein jeder Ausfall bedeutet, dass ein Zug stehenbleibt oder Streckenabschnitte vollständig gesperrt werden müssen.

Nach vielen Jahren des erfolgreichen Einsatzes von Blitz- und Überspannungsschutz in der Leit- und Sicherungstechnik (LST) folgten Normen und Richtlinien – wie beispielsweise die DB-Richtlinie RIL 819.0808 aus dem Jahre 2006. Sie wurde 2018 umfassend überarbeitet und gilt für alle neuen Stellwerksbauten.

Sicherheit und Systemverfügbarkeit

Um den Anforderungen auch an die Sicherheit gerecht zu werden, wird in die Leit- und Sicherungstechnik des Bahnbetriebs die bereits seit Jahrzehnten bewährte Reihenschaltung aus Gasableiter und Varistor integriert. Platziert wird sie meistens im Kabelabschlussgestell – also an der Schnittstelle zwischen den Innen- und Außenanlagen.

Aufbauend auf dem grundsätzlichen Schaltungsprinzip stellt die RIL in der Fassung von 2018 an Produkte und Komponenten weitere Anforderungen, die aus den praktischen Erfahrungen mit bestehenden Lösungen sowie aus der Weiterentwicklung der Stellwerksarchitektur resultieren. Neben der bewährten Technik, die in die Richtlinie aufgenommen wurde, enthält diese auch zukunftsweisende Anforderungen an die Möglichkeiten zur Ferndiagnose und zur Prüfbarkeit.

Ziel für alle signaltechnischen Anlagen ist dabei ein sicheres Blitz- und Überspannungsschutzkonzept. Darüber hinaus soll die Verfügbarkeit erhöht werden, zum Beispiel mit einer vorbeugenden Wartung, die auf gesicherten Informationen zum Anlagenstatus basiert. Dazu sind detaillierte Ferndiagnosekonzepte erforderlich.

Anforderungen an Überspannungsschutz

Eine integrierte Statusanzeige, die auch über eine Fernmeldung zur Verfügung gestellt werden muss, ermöglicht es, die vielen dezentralen Sammelpunkte der Signale ohne größere Personalressourcen im Blick zu behalten und auf diese Weise wirtschaftlich zu betreiben. Da der Blitzschutz direkt in die Signalkreise eingeschliffen wird, sind einige Sicherheitsaspekte unbedingt zu berücksichtigen.

So müssen die Überspannungsschutz-Geräte rückwirkungsfrei bleiben, und sie dürfen andere Signalpfade nicht beeinflussen. Fehlerströme, die den Betrieb in irgendeiner Weise beeinträchtigen, sind nicht erlaubt. Entsteht ein Fehler im System, muss dieser sofort erkannt werden. Die erforderliche Energie zur Anzeige des Fehlers darf dabei keinesfalls aus dem Signalpfad entnommen werden, und die Zustandsanzeige muss unabhängig vom Signalzustand funktionieren.

Der Ein- und Ausbau der Überspannungsschutz-Geräte darf zu keiner Unterbrechung des Signalkreises führen – der laufende Betrieb darf also nicht beeinträchtigt werden. Dieses ist gerade bei der Wartung von Vorteil, da die Überspannungsschutz-Stecker gezogen und gesteckt werden können, ohne dass dabei der laufende Betrieb beeinträchtigt wird. Damit ist auch ein versehentliches Unterbrechen des Signalkreises ausgeschlossen.

Überspannungsschutz einer neuen Generation

Phoenix Contact kann auf eine lange Tradition im Blitz- und Überspannungsschutz in der Bahnindustrie zurückgreifen: Schon 1985 hat das Unternehmen Bahnprojekte begleitet. So konnten immer neue Anforderungen des Marktes frühzeitig in Produkteigenschaften umgesetzt werden.

Alle Komponenten der neuen Überspannungsschutz-Familie Clixtrab erfüllen die aktuellen Bahnrichtlinien, wie die RIL der deutschen Bahn. Clixtrab setzt auf eine praxiserprobte Technik und hat zahlreiche neue Funktionen integriert. Dabei besitzt es gleichzeitig eine geringe Baubreite und ein modulares Aufbauprinzip.

Clixtrab besteht aus einem steckbaren Überspannungsschutz-Stecker und einer Reihenklemme, die – wie heute marktüblich – als Basiselement dient. Bei bisherigen Lösungen am Markt wird ein Signalpaar auf ein Klemmenpaar aufgelegt, eine weitere Klemme mit direktem Tragschienen-Kontakt wird zur Ableitung genutzt. Somit benötigt ein Signalpaar auf der Tragschiene drei Klemmen mit einer Baubreite von circa 15 mm.

Die Clixtrab-Reihenklemme dagegen bietet einen integrierten Tragschienen-Kontakt, dadurch reduziert sich der Platzbedarf pro Signalpaar auf zwei Klemmen – also auf 10 mm. Das ist insbesondere bei der nachträglichen Ausrüstung vorhandener Schaltkästen mit einem Überspannungsschutz von Vorteil. Neben dem Platzvorteil bietet eine einheitliche Reihenklemme zudem auch Vorteile bei der Nachrüstung und bei der Lagerhaltung.

Zeit sparen bei der Installation

Beim unteren Teil der Reihenklemme kommt die inzwischen weit verbreitete Push-in-Anschlusstechnik zum Einsatz. Sie kombiniert die bekannten Vorteile der Zugfederanschlusstechnik mit der optimierten Anschlussfähigkeit der Direktstecktechnik. So können flexible Leiter mit Aderendhülsen sowie starre Leiter, wie sie häufig bei Signalkabeln verwendet werden, mühelos ohne Klemmenbetätigung verdrahtet werden. Das sorgt für reduzierte Montage- oder Wartungszeiten.

Weil die Clixtrab-Klemme als integraler Bestandteil des Reihenklemmen-Systems Clipline Complete konzipiert wurde, ergeben sich weitere Gestaltungsmöglichkeiten. So kann die Klemme etwa mit anderen Klemmen kombiniert werden, die einen größeren Querschnitt aufnehmen. Mit Steckbrücken kann eine Potenzialverteilung aufgebaut werden, und zudem stehen verschiedene Prüf- und Erdungsstecker je nach Bedarf für unterschiedliche Mess- und Installationsaufgaben zur Verfügung.

Außerdem besitzt Clixtrab eine mechanische Abtrennvorrichtung. Diese stellt sicher, dass defekte Komponenten im Überlastfall aus dem Schutzpfad herausgetrennt werden und es somit weder zu einer unerwünschten Wärmeentwicklung noch zu einem verfälschten Signal kommt. Je nach Schutzschaltung gibt es dabei unterschiedliche Ausführungen.

Signalisierung mit optionaler Fernmeldung

Die Trennung der Komponenten wird über eine Statusanzeige auf der Front angezeigt. Damit werden Wartung und Austausch der Stecker effizienter, da defekte Elemente auf einen Blick erfasst und nicht jeder Stecker einzeln gemessen werden muss. Für diese Funktion ist keine Hilfsenergie notwendig.

Neben der Statusanzeige auf dem Stecker wird ein optionales Fernmeldeset angeboten. Es erleichtert eine Fehlerdiagnose, da gerade bei dezentralen Strukturen nicht alle Komponenten regelmäßig vor Ort überprüft werden können. Dabei wird der Fehlerstatus über einen potentialfreien Kontakt an nachfolgende Systeme übergeben – die Überwachung kann somit bequem in die Leitstellentechnik eingebunden werden.

Schaltung aus Varistor und Gasableiter

Eine rückwirkungsfreie Schaltung aus Varistor (MOV, metal oxide varistor) und Gasableiter (GDT, gas discharge tube) verhindert, dass Leckströme Signale beeinflussen. Das Funktionsprinzip der Schaltung wird im Folgenden für die Leitungen A und B anhand eines vereinfachten Ersatzschaltbildes in sechs Schritten mit den jeweiligen Eigenschaften dieser Schaltung dargestellt.

Die Signalspannung sowie mögliche überlagerte transiente Spannungen liegen zwischen A und B an. Dabei wird die Art der Erdung der Signalleitungen zunächst außer Betracht gelassen, und die Reihenschaltung aus MOV (Varistor) und GDT (Gasableiter) (Fall 1) wird als allgemeine Reihenschaltung aus zwei Widerständen betrachtet (Fall 2). Dabei wird für den MOV ein Ersatzwiderstand von 1 MΩ angenommen und für den GDT 1 GΩ.

Bei einem Verhältnis von etwa 1:1.000 wirkt der GDT wie ein offener Schalter (Fall 3). Bis zu einer Zündung des GDT fließt kein Strom durch diesen SPD-Pfad (SPD = Surge Protective Device, Überspannungsschutz-Gerät). Nach einer Zündung kann der GDT in den Lichtbogen-Brennbereich gebracht werden. Nun fällt fast die gesamte Spannung am MOV ab. Lediglich die in diesem Arbeitsbereich vom Stromfluss unabhängige nahezu konstante Lichtbogenbrennspannung – etwa 20 bis 30 V – ist in Abzug zu bringen (Fall 4).

Sowie der Stoßstrom abgeklungen ist und keine nennenswerten Folgeströme mehr fließen, wird der GDT verlöschen. Dies ist etwa bei Strömen unter 100 mA der Fall. Der SPD-Pfad ist dann wieder stromlos (Fall 5). Der Endzustand (Fall 6) entspricht dem Anfangszustand.

Bildergalerie

  • Varistor und Gasableiter: Schaltungseigenschaften in sechs Zuständen

    Bild: Phoenix Contact

  • Neue Produktfamilie von Überspannungsschutz-Geräten: Clixtrab für den Einsatz in der Bahnindustrie

    Bild: Phoenix Contact

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